谷物中淀粉-蛋白質相互作用研究進展

莫西亞 全 珂 易翠平

(長沙理工大學化學與食品工程學院，長沙 410114)

谷物是世界農業(yè)的主要作物和全球膳食能量的主要來源，其加工產品是人類碳水化合物、蛋白質和膳食纖維等的重要來源[1]。淀粉和蛋白質，作為稻谷、小麥、玉米等谷物中含量最豐富的2種物質，經共價鍵、非共價鍵(靜電相互作用、氫鍵、疏水相互作用、范德華力)、容積排阻作用及分子纏繞等介導發(fā)生相互作用[2]，決定生物大分子及其復合物的高級結構，進而影響谷物制品的營養(yǎng)、質地等。如米粒隨陳化時間延長蒸煮米飯的硬度、咀嚼性等提高，與陳化過程中分子間二硫鍵共價交聯(lián)使蛋白質可溶性降低，不易與其他成分如淀粉結合有關[3]。就營養(yǎng)功能而言，淀粉與蛋白質之間有強烈相互作用的谷物制品，與分離蛋白后的谷物制品相比，其血糖反應和消化率可能較低，更具營養(yǎng)優(yōu)勢[4]。研究表明，與無麩質面包以及回填面筋的無麩質面包相比，白面包中的淀粉-蛋白質相互作用可降低血糖率和消化率[5]。

本文綜述了谷物中淀粉與蛋白質的相互作用類型及影響因素、兩者相互作用的表征方法及相互作用對淀粉性質的影響，旨在為谷物深加工、如鮮濕米粉品質改善等提供參考，擴大谷物深加工領域的發(fā)展空間，促進可食用薄膜、脂肪替代物等新型谷物制品的研發(fā)。

1 淀粉與蛋白質的相互作用類型及影響因素

淀粉與蛋白質間的相互作用存在于2種大分子的不同片段與側鏈間，是不同分子間相互作用的結果，占主導作用的作用力由2種大分子的組成和結構決定[6]。離析、締合和共溶是二者主要的相互作用方式。離析，溶劑與淀粉(或蛋白質)間的作用破壞淀粉-蛋白質間的作用力，使淀粉、蛋白質在水中各成體系，形成淀粉、蛋白質富集相。締合是指帶相反電荷的淀粉和蛋白質，通過靜電作用或范德華力等相互吸引，形成凝聚層和溶劑相共存的電中性聚集體。因淀粉與蛋白均為多聚體，兩者幾乎不發(fā)生共溶[6-7](圖1)。而添加脂肪酸可連接熱力學不相容的淀粉與蛋白質，形成三元復合物[8]。

圖1 淀粉與蛋白質的相互作用[6]

谷物中淀粉與蛋白質的相互作用受pH、溫度、淀粉與蛋白質濃度、蛋白質結構和組成及加工處理條件等因素的影響[9-11]。Liao等[12]認為蛋白質濃度顯著影響小麥面筋聚合物網(wǎng)絡中酰胺的聚集和暴露程度，因而影響小麥面筋不溶性部分中蛋白與淀粉的相互作用。Wang等[13]的研究表明，面團加工過程中蛋白質的行為如溶解度等受直鏈淀粉與支鏈淀粉比例影響，淀粉糊化后，代謝蛋白等更易于與直鏈淀粉含量高的面團基質相互作用。Chen等[14]發(fā)現(xiàn)，濕熱處理影響淀粉-大豆多肽復合物的理化性質和消化性能，如玉米/馬鈴薯淀粉-大豆多肽混合物的相對結晶度高于對照組，與濕熱處理過程中淀粉鏈和大豆多肽側鏈基團的相互作用有關。研究表明，添加變性豌豆蛋白降低淀粉糊化的效果稍高于天然豌豆蛋白，可能是由于變性蛋白具有未折疊的三級結構，可通過暴露疏水氨基酸基團或二硫鍵與淀粉顆粒發(fā)生更大程度的相互作用[15]。

2 淀粉-蛋白質相互作用對淀粉性質的影響

谷物中淀粉含量一般遠高于蛋白質，兩者相互作用主要影響復合物中淀粉的性質。淀粉原有的糊化、消化及流變學性質等(表1)的改變，主要是由于蛋白質對淀粉分子的覆蓋或包裹[20]、淀粉與蛋白質分子相互作用形成的空間位阻效應[21]、蛋白質與酶結合等[22]。

表1 淀粉-蛋白質相互作用對淀粉消化、糊化、流變等的影響

2.1 糊化性質

淀粉顆粒在高溫下溶脹、分裂，最終形成均勻糊狀溶液的過程稱之為糊化，其本質是氫鍵的斷裂和重排，與淀粉類型、溫度等因素有關[23]。研究表明向淀粉-蛋白質共混物中加入0～10%的蛋白質，可延緩淀粉顆粒糊化，增強直鏈淀粉和支鏈淀粉的回生過程[24]。Zhang等[25]認為大米蛋白對淀粉回生的抑制作用主要是由于大米蛋白的加入引入了空間限制，降低淀粉分子的交聯(lián)，限制淀粉有序結構的形成，抑制淀粉的重結晶，且抑制效果取決于大米蛋白的濃度。蛋白質可以覆蓋在淀粉表面或包裹淀粉，在淀粉顆粒周圍形成薄膜，阻隔淀粉與水接觸，調節(jié)淀粉顆粒的膨脹和溶解，從而延緩淀粉的糊化[26，27]。此外，Saleh[28]的研究表明，淀粉-蛋白質網(wǎng)絡能保護淀粉顆粒的完整性，從而增強大米粉的抗剪切能力和糊化黏度。研究者進一步將米糠蛋白提取分離，結果顯示大米粉的峰值黏度、低谷黏度、崩解值等糊化特性指標顯著降低。

2.2 消化特性

作為生物大分子，蛋白質在減緩淀粉消化性上發(fā)揮著重要作用。研究表明，去除米粉中的內源蛋白質，淀粉消化率顯著提高。主要是由于蛋白質附著在淀粉顆粒表面，在其周圍形成一層膜。這層膜可抑制淀粉顆粒膨脹，并限制消化酶進入淀粉分子，從而減緩淀粉消化[29]。Bhattarai等[30]以小麥粉為模擬體系，研究大量營養(yǎng)素(蛋白質、甘油三酯和淀粉)之間的相互作用對酶敏感性的影響。結果表明，小麥淀粉-面筋基質的降解使α-淀粉酶更容易到達淀粉基質并對其進行水解。面筋除作為物理屏障外，還可通過結合淀粉酶使其不能用于淀粉水解。此外，部分研究表明，淀粉與蛋白質相互作用影響蛋白質消化。Oate等[31]認為蛋白質的消化率受直鏈淀粉含量影響。在糊化過程中低直鏈淀粉(如糯米淀粉)浸出后形成的直鏈淀粉網(wǎng)絡較小，其基質中被困的蛋白質更易被消化。

2.3 流變學特性

淀粉與蛋白質相互作用影響淀粉的黏彈性[32]。去除淀粉顆粒通道蛋白，直鏈淀粉含量不同的稻米，彈性模量與黏性模量降低。以顆粒結合淀粉合成酶為代表的淀粉顆粒通道蛋白和其他顆粒表面蛋白通過增強淀粉硬度，穩(wěn)定淀粉結構，影響彈性模量和黏性模量[33]。豁銀強等[34]向秈米淀粉中加入大米谷蛋白，發(fā)現(xiàn)體系的彈性模量和黏性模量峰值均升高，認為蛋白質等成分作為連續(xù)基質包裹淀粉顆粒，形成三維網(wǎng)絡結構，從而影響淀粉懸浮液的流變特性。Li等[35]證實：共價鍵(二硫鍵)和非共價鍵(氫鍵和疏水相互作用)結合作用加劇了糯米粉體系淀粉與蛋白質的分子間纏繞，顯著影響面糊的剪切敏感性。添加尿素破壞氫鍵有利于淀粉和蛋白質浸出，使糯米粉變?yōu)槿跄z。使用L-半胱氨酸和十二烷基硫酸鈉破壞糯米粉的蛋白質網(wǎng)絡，會降低糯米粉的黏彈性。

2.4 凝膠特性

淀粉分子糊化后，可形成具有一定黏彈性和硬度的凝膠；凝膠的品質決定了谷物深加工產品如鮮濕米粉等的加工性能和品質[36]。去除大米中的蛋白質，凝膠的起始溫度降低，淀粉顆粒更容易凝膠化[29]。向小麥淀粉中添加大米蛋白會使其凝膠強度降低,凝膠結構致密性、有序性降低?？赡芘c大米蛋白加入使小麥淀粉溶液電負性減弱，淀粉鏈間排斥作用減弱有關[27]。豁銀強等[34]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉凝膠硬度與米谷蛋白添加量存在正相關，可能是由于谷蛋白優(yōu)先淀粉凝膠并包裹淀粉。且大米淀粉凝膠的黏聚性隨大米谷蛋白添加量的增加而升高，回彈性則先增加后趨于平穩(wěn)。此外，米谷蛋白的添加使淀粉凝膠出現(xiàn)較深的大孔洞，凝膠結構松散。Jekle等[37]的研究表明，凝膠化開始時，小麥面筋在淀粉顆粒周圍形成一層膜，阻礙水在淀粉顆粒中的擴散，延緩凝膠化。Yu等[38]則認為，天然淀粉(區(qū)別于變性淀粉)的加入降低淀粉-大豆分離蛋白混合凝膠結構參數(shù)，主要是由于水和淀粉的間隔效應和競爭吸附。天然淀粉的加入限制了大豆分離蛋白/淀粉凝膠化過程中水分的流動性，進而影響大豆分離蛋白/淀粉的結構性能。

3 淀粉-蛋白質相互作用的研究方法

淀粉與蛋白質的相互作用可導致蛋白質、淀粉結構變化，如直鏈淀粉與大米谷蛋白結合改變大米谷蛋白二級結構，增加其α-螺旋穩(wěn)定性[39]。常用的兩者研究方法可分為光譜學方法、結構解析方法及其它。而為進一步了解淀粉與蛋白質相互作用時其微觀結構的變化及作用力等，常采用多種技術結合對其進行表征。

3.1 光譜學方法

3.1.1 傅里葉變換紅外(Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR)光譜法

紅外光譜常用于研究大分子的結構與化學鍵。蛋白質分子的紅外光譜有三條主要特征吸收帶：酰胺Ⅰ帶(1 700～1 600 cm-1)、酰胺Ⅱ帶(1 600～1 500 cm-1)、酰胺Ⅲ帶(1 300～1 200 cm-1)，提供其二級結構的信息，酰胺Ⅰ帶因信號強而被廣泛使用[40，41]。淀粉分子的紅外光譜區(qū)域則主要通過3種模式描述：結晶區(qū)(1 047 cm-1)、非結晶區(qū)(1 022 cm-1)、C—O鍵的彎曲振動(995 cm-1)[42]。

Zhu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，米粒的α-螺旋結構隨米飯蒸煮溫度的升高而略微減少，表征淀粉結晶區(qū)與非結晶區(qū)的條帶的強度比逐漸降低，淀粉結晶區(qū)的雙螺旋展開，淀粉與蛋白質之間可能通過氫鍵結合。Chen等[43]發(fā)現(xiàn)，可溶性谷蛋白或醇溶蛋白與馬鈴薯淀粉相互作用導致馬鈴薯淀粉在3400 cm-1(淀粉分子內和分子間O-H 的伸縮振動)左右的峰向更高波數(shù)移動，氫鍵密度和強度顯著增加。Lian等[44]利用紅外光譜對小麥蛋白和小麥淀粉回生關系的研究表明，小麥淀粉-蛋白混合物回生過程中未形成二硫鍵，其紅外光譜缺少511-544 cm-1的條帶，在回生過程中，小麥淀粉和蛋白質之間可能形成其他鍵(如氫鍵)而不是二硫鍵減緩淀粉鏈的運動，促進淀粉的回生。

3.1.2 紫外吸收光譜

蛋白質的紫外光譜通常分為近紫外區(qū)(250～300 nm)和遠紫外區(qū)(<250 nm)。蛋白質紫外吸收光譜280 nm附近的特征吸收峰基于肽鏈中色氨酸和酪氨酸的存在，二硫鍵(胱氨酸)的躍遷亦有助于增強該區(qū)域的總吸收強度。而遠紫外主要受蛋白質肽鏈的躍遷控制[45]。

蛋白質與其它分子相互作用時，會導致紫外吸收波長的移動或吸光度的變化[46]。劉成梅等[21]的研究表明，陳化60天的大米樣品蛋白紫外特征吸收峰未發(fā)生位移，但加入淀粉后，由于谷蛋白與淀粉分子潛在的相互締合，酪氨酸和色氨酸殘基所處的微環(huán)境改變，谷蛋白在280 nm處的紫外吸收值降低。而Xu等[39]發(fā)現(xiàn)，在一定濃度范圍內(0～10.53×10-7mol/L)，隨著直鏈淀粉含量的增加，其與大米谷蛋白結合后在200-240 nm處的紫外吸收強度增大。

3.1.3 熒光光譜法

蛋白質的熒光光譜主要基于其內部色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸殘基產生的內源熒光。當其所處微環(huán)境改變時，熒光光譜變化[47]。研究表明，大米谷蛋白在陳化過程中，熒光最大吸收波長不變，但熒光強度下降；而淀粉的加入使其熒光強度降低，熒光最大吸收波長紅移，表明谷蛋白與淀粉在陳化過程中相互結合[21]。Liao等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，脫酰胺的小麥面筋經α-淀粉酶處理去除長鏈淀粉后，最大吸收波長藍移，色氨酸殘基處于更疏水的環(huán)境中。

3.2 結構解析技術

3.2.1 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)

SEM通過一束加速電子聚焦在待觀察的固體樣品上，創(chuàng)建樣品的三維圖像，提供樣品構相、形態(tài)和組成的信息，從而可用于研究谷物的微觀結構[48]。Nair等[49]對硬粒大麥和軟粒大麥的SEM結果顯示，軟粒大麥A型和B型淀粉顆粒間蛋白質基質少，而硬粒大麥具有連續(xù)的蛋白質基質，A型淀粉似乎嵌入蛋白質的網(wǎng)絡結構中，B型淀粉顆粒則被蛋白質覆蓋，比軟質大麥具有更大的淀粉-蛋白粘附力(圖2)。Gull等[50]通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)珍珠小米粉和龍爪稷的淀粉顆粒清晰可見，表面無孔隙，呈有棱角的多邊形，但珍珠小米粉比龍爪稷的顆粒更團聚，表明其淀粉和蛋白質的相互作用更強。

注： S為淀粉顆粒；P為蛋白基質[49]。圖2 3種軟粒(S1-S3)和硬粒(H1-H3)春大麥胚乳 中心區(qū)域的掃描電鏡圖(2 000×)

3.2.2 激光共聚焦掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscope，CLSM)

CLSM是任意厚度樣品中單個焦平面的成像，可在微米尺度上顯示(相分離的)生物聚合物混合物的二維、三維結構。在CLSM中，對比度通過熒光差異獲得，熒光來源于材料自身或添加的特定熒光染料[51]。常用異硫氰酸熒光素標記淀粉，羅丹明B標記蛋白。Gao等[52]通過CLSM觀察到：小麥面筋形成網(wǎng)絡結構，與嵌入的淀粉顆粒交疊。不規(guī)則的淀粉顆粒容易在蛋白網(wǎng)絡和淀粉顆粒之間形成空隙。且相比大的淀粉顆粒，小型淀粉顆粒與蛋白結合更緊密。Yang等[24]的CLSM結果顯示，純玉米淀粉(corn starch，CS)形成致密均勻的相。當乳清分離蛋白(whey protein isolate，WPI)加入時， 玉米淀粉基質中觀察到更復雜和碎片化的網(wǎng)絡結構，且隨著WPI的增加，蛋白質和淀粉之間的交聯(lián)顯著增強，蛋白質可能通過嵌入淀粉基質與淀粉發(fā)生相互作用。

3.2.3 核磁共振光譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR)

核磁共振現(xiàn)象與某些原子(如C、P等)的凈“核”自旋有關，常用的有1H NMR、13C NMR、31P NMR 和17O NMR幾種類型，可用于研究蛋白質、淀粉等生物大分子的結構，其不破壞樣品，且較傳統(tǒng)方法而言，樣品前處理和制備工作量小[53]。NMR可采用多種方式測定糖與蛋白質的相互作用，如NOE技術、化學位移變化、線寬變化等[54-55]。淀粉的碳化學位移C-1為101 ppm，C-4為79 ppm，C-3、C-2和C-5為74、73、71 ppm，C-6為61 ppm[44,56]。Lian等[44]通過13C NMR對有無蛋白的小麥淀粉的研究表明，小麥淀粉和蛋白質在回生過程中通過鏈末端的糖苷鍵相互作用，且淀粉和蛋白質之間的C-6糖苷鍵可能抑制α-淀粉酶活性。

結合CLSM、SEM、FTIR等多種表征手段，Zhu等[26]發(fā)現(xiàn)，在100 ℃蒸煮米飯20 min，米粒中的淀粉與蛋白質之間存在物理相互作用，即淀粉對蛋白質的覆蓋和壓縮；以及弱的氫鍵相互作用。Yang等[24]的研究表明，玉米淀粉-乳清蛋白混合物蒸煮后在FTIR光譜中僅檢測到CS和WPI的峰，在蒸煮過程中CS和WPI之間沒有共價相互作用；混合物的CLSM圖像表明，淀粉與蛋白質的相互作用導致淀粉被蛋白包裹，阻礙淀粉消化。

4 小結

作為谷物中的兩大主要生物大分子，淀粉和蛋白質間的相互作用主要包括氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用等，與pH、蛋白質、淀粉濃度等因素相關，影響淀粉的糊化、消化等性質。雖然目前淀粉-蛋白質相互作用的研究取得了一定進展，但仍存在問題：關于淀粉與蛋白質的相互作用研究主要集中在小麥面團及小麥制品中，稻谷等谷物及其制品中淀粉與蛋白質相互作用的研究尚未得到深入研究；外源淀粉與蛋白質的相互作用研究多，而谷物中內源淀粉和蛋白質相互作用研究少；淀粉-蛋白質相互作用的表征還不夠深入，關于淀粉與蛋白質相互作用對兩者精細結構的影響及機理、兩者相互作用的蛋白和淀粉類型(直鏈淀粉、支鏈淀粉亦或兩者中的特殊鏈)等還不甚了解。因此需進一步加強對內源淀粉與蛋白質相互作用、復合物復合機制、精細結構等的研究，為谷物制品的儲藏、加工等提供借鑒。