太敏瑞,蔡泓瀅,李瑞,2,3,4*,陳建平,2,3,4,賈學(xué)靜,2,3,4,宋兵兵,2,3,4,劉曉菲,2,3,4,唐振冬,吉宏武,2,3,4,鐘賽意,2,3,4
1(廣東海洋大學(xué) 食品科技學(xué)院,廣東 湛江,524008) 2(廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東 湛江,524008) 3(廣東省海洋食品工程技術(shù)研究中心,廣東 湛江,524008) 4(廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室,廣東 湛江,524008)
水凝膠是呈交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物,具有良好的親水性、生物相容性和可降解性[1]。水凝膠以其獨特且優(yōu)異的生物、物理和化學(xué)性能,在組織工程、藥物輸送、軟電子和傳感器、化妝品和食品等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[2]。近年來,在食品科學(xué)領(lǐng)域,水凝膠被用于開發(fā)遞送系統(tǒng)以包埋、保護(hù)和釋放生物活性分子[3],在風(fēng)味物質(zhì)[4]、功能性成分及藥物遞送[5]等方面發(fā)揮了重要作用。但部分水凝膠因其機(jī)械性能較差,限制了其在食品等領(lǐng)域的應(yīng)用[6]。
多糖和蛋白質(zhì)是食品中最重要的2種功能大分子,也是目前制備新型水凝膠的主要原料,被廣泛應(yīng)用于藥物及生物活性物質(zhì)的遞送[7]。多糖是由至少10個單糖通過糖苷鍵結(jié)合在一起的多聚碳水化合物分子,因其能改變體系的流變特性而常被用作增稠劑和膠凝劑;蛋白質(zhì)可在食物基質(zhì)中貢獻(xiàn)品質(zhì)屬性,如質(zhì)地、味道、風(fēng)味和顏色,因其結(jié)構(gòu)具有親水親油性,常被用做乳化劑。以多糖和蛋白質(zhì)這2種大分子物質(zhì)為原料制備的水凝膠復(fù)合物,往往比二者單獨使用具有更好的性能,因此多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。多糖與蛋白質(zhì)形成的水凝膠具有提高體系機(jī)械性能的潛在優(yōu)勢,近年來以二者為原料制備的水凝膠備受關(guān)注[9]。多糖-蛋白質(zhì)混合凝膠的形成取決于二者的性質(zhì)和特性,當(dāng)二者的分子質(zhì)量和電荷密度較低時,則需要更高的濃度來形成凝膠,此時溶液中多糖和蛋白分子間的相互作用主要是靜電作用,其次是疏水作用和氫鍵,二者相互作用主要受多糖和蛋白質(zhì)分子內(nèi)部因素及外部環(huán)境等因素的影響[10]。本文主要綜述了形成復(fù)合水凝膠的多糖及蛋白質(zhì)的類型和條件、二者主要相互作用及影響因素,并闡述了多糖和蛋白質(zhì)對復(fù)合水凝膠機(jī)械性能的影響及其應(yīng)用現(xiàn)狀。
雖然水凝膠應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,但其在力學(xué)性能、熱性能、對外部刺激響應(yīng)速率以及生物相容性等方面存在不足。近幾年,多糖和蛋白質(zhì)單獨使用或聯(lián)合使用形成的復(fù)合水凝膠引起人們廣泛關(guān)注,與單一的多糖或蛋白質(zhì)凝膠體系相比,多糖和蛋白質(zhì)復(fù)合物通常能更有效地調(diào)節(jié)凝膠性質(zhì),改變二者的分子結(jié)構(gòu),使二者的復(fù)合物具有更好的溶解性、乳化性、起泡性、膠凝性能以及構(gòu)象穩(wěn)定性等[11],并被廣泛應(yīng)用[12]。
目前,國內(nèi)外關(guān)于多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合凝膠的研究中,常用的多糖有陰離子多糖如果膠、大豆多糖,陽離子多糖有殼聚糖,中性多糖有葡聚糖、魔芋葡聚糖等[13]。最廣泛應(yīng)用的蛋白質(zhì)是植物源蛋白如大豆蛋白、玉米蛋白、花生蛋白、小麥面筋蛋白和豌豆蛋白,以及動物源蛋白如乳清蛋白、酪蛋白、明膠、白蛋白、溶菌酶和膠原蛋白[14]。部分多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合凝膠原料組合及形成條件見表1。
表1 形成復(fù)合水凝膠的多糖及蛋白質(zhì)的類型及條件Table 1 Types and conditions of polysaccharides and proteins forming complex hydrogels
多糖-蛋白質(zhì)相互作用已經(jīng)被廣泛研究了至少50年[26]。多糖含有大量的活性基團(tuán)及不同的碳水化合物鏈長,使其具有不同的結(jié)構(gòu)和特性。例如,多糖中含有許多親水基團(tuán),如羥基、羧基、醛基等,分子之間可以形成非共價鍵或與其他親水化合物形成生物黏附狀態(tài),提供了與其他分子發(fā)生相互作用的可能性。氨基酸通常導(dǎo)致蛋白質(zhì)折疊成肽、球蛋白或其他類型的具有二級、三級和四級結(jié)構(gòu)的形式。游離氨基、巰基和疏水基團(tuán)存在,使電荷有時根據(jù)不同的氨基酸分布在蛋白質(zhì)表面。多糖和蛋白質(zhì)可以通過其功能基團(tuán)相互作用形成凝膠,二者之間的相互作用可被用于控制食品的功能特性,包括食品的復(fù)雜質(zhì)地和外觀,因此,近年來多糖和蛋白質(zhì)的相互作用受到越來越多的關(guān)注[27]。
多糖和蛋白質(zhì)的相互作用取決于電荷密度、多糖-蛋白質(zhì)結(jié)合親和力和其他分子特征(組織構(gòu)象、分子質(zhì)量和鏈的柔韌性)。多糖和蛋白質(zhì)通過非共價相互作用包括氫鍵、疏水相互作用、范德華力、靜電吸引等形成凝膠。對于多糖和蛋白質(zhì)的混合物,靜電相互作用可能是分子間吸引最常見的形式,因此,近年來對多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物的研究主要集中在二者的靜電相互作用。徐樂顏等[28]研究發(fā)現(xiàn),卡拉膠通過與牛血清蛋白之間的靜電吸引作用,可以形成高穩(wěn)定性的牛血清蛋白/卡拉膠復(fù)合物,相比純牛血清蛋白,牛血清蛋白/卡拉膠復(fù)合物能夠顯著提高姜黃素的溶解度和穩(wěn)定性;SCHMITT等[29]對帶相反電荷的大分子間的靜電相互作用進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)靜電驅(qū)動在影響多糖和蛋白質(zhì)的整體和局部電荷及穩(wěn)定現(xiàn)象中起重要作用。此外,一些多糖和蛋白質(zhì)通過靜電相互作用可形成性能良好的復(fù)合物,并有望被用作食品添加劑以改善食品質(zhì)地[30]。ZIDI等[31]研究了低甲氧基果膠的添加對駱駝奶蛋白酸性乳凝膠的理化和流變特性的影響,低甲氧基果膠/駱駝奶蛋白酸性乳凝膠的結(jié)構(gòu)隨果膠濃度變化有顯著變化,并且由于靜電相互作用使果膠可以穩(wěn)定酸化駱駝奶凝膠中的酪蛋白膠束,在食品工業(yè)中可用作優(yōu)良穩(wěn)定劑。有學(xué)者通過改變多糖與蛋白質(zhì)的溫度、pH和電荷種類等條件,研究這些影響因素對該體系靜電相互作用的影響程度。ARYEE等[32]研究了在高溫下扁豆蛋白和阿拉伯樹膠多糖相互作用的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)復(fù)合物的形成主要由靜電引力驅(qū)動,氫鍵則具有再次穩(wěn)定的作用,而疏水相互作用在其形成過程中不起穩(wěn)定作用。WIJAYA等[33]研究發(fā)現(xiàn)在低pH下低甲氧基果膠和乳清分離蛋白混合物易形成均勻的水凝膠,結(jié)果表明,低pH值能抑制低甲氧基果膠分子間的靜電排斥,導(dǎo)致二者分子間形成更強(qiáng)的相互作用。LANEUVILLE等[34]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)帶相反電荷的β-乳球蛋白和黃原膠混合物在低濃度下,且無需任何處理的情況下都能形成較強(qiáng)的半透明凝膠。
影響多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合凝膠形成的因素有很多,其中內(nèi)部因素主要有多糖與蛋白質(zhì)本身的性質(zhì)差異,包括分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)、電荷密度等;外部因素主要有pH、多糖與蛋白質(zhì)在反應(yīng)體系中的比例、離子強(qiáng)度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、水分活度、剪切作用、壓力等影響[35]。
2.2.1 內(nèi)部因素
多糖和蛋白質(zhì)的來源和種類很廣,物理化學(xué)性質(zhì)也存在差異,它們自身的性質(zhì),包括分子質(zhì)量、電荷密度、分子構(gòu)象及多糖的類型等均可影響多糖-蛋白質(zhì)體系相轉(zhuǎn)變。通過選擇不同種類的多糖和蛋白質(zhì)及它們的復(fù)配類型,可構(gòu)建不同特性的可溶性復(fù)合物、復(fù)凝聚體或凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等多種相體系。多糖-蛋白質(zhì)體系相轉(zhuǎn)變的一個重要因素是利用多糖和蛋白質(zhì)自身的電荷效應(yīng)誘導(dǎo)形成,此外,也可利用離子誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)微相分離以及多糖-蛋白質(zhì)相分離和轉(zhuǎn)化的組合機(jī)制來改變凝膠的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。CAKIR等[36]研究發(fā)現(xiàn),在低濃度的κ-角叉菜膠溶液中,由于相分離引起的蛋白質(zhì)局部濃度增加,改善了凝膠強(qiáng)度和硬度。NIETO等[37]研究發(fā)現(xiàn)不同多糖類型能產(chǎn)生不同程度的相分離,尤其在中性pH值下,添加角叉菜膠可比糊精更好地增強(qiáng)燕麥蛋白凝膠的強(qiáng)度,并且多糖結(jié)構(gòu)能顯著影響相分離程度和凝膠力學(xué)性能。因此,可通過改變其分子結(jié)構(gòu)、濃度、pH和離子強(qiáng)度等因素改善凝膠強(qiáng)度[38]。
2.2.2 外部因素
多糖和蛋白質(zhì)的混合比例及二者總濃度、離子強(qiáng)度、pH值及各種加工條件,如溫度、剪切壓力、超聲等都會對它們有很大影響。有研究表明靜電相互作用是蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物形成的主要機(jī)制,受pH[39]變化的影響很大,也會受到鹽的抑制作用[40];溫度的變化能干擾多糖和蛋白質(zhì)之間的靜電相互作用,并且低溫有利于形成氫鍵,而高溫有利于形成疏水相互作用[41]。同時,蛋白質(zhì)許多重要的功能特性,會因為一些多糖類物質(zhì)的添加而有所改善。熊拯[42]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系凝膠的破裂強(qiáng)度、硬度和黏附性均隨卡拉膠添加量的增加而增加,可以提高食品體系的凝膠質(zhì)構(gòu)特性等。楊嘉琪等[43]研究發(fā)現(xiàn)通過添加多糖能夠改善蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性,從而改變蛋白質(zhì)的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來改善蛋白質(zhì)的熱誘導(dǎo)膠凝特性。
除了多糖的相關(guān)性質(zhì)能影響復(fù)合凝膠的機(jī)械強(qiáng)度外,蛋白質(zhì)的添加量也能增加凝膠的硬度、黏性、彈性和減少脫水,這與蛋白質(zhì)的分子大小、吸水能力和表面電荷等有關(guān)[44]。周娛[45]研究發(fā)現(xiàn),在較高濃度的多糖存在下,復(fù)合體系蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基所處環(huán)境發(fā)生了變化,使得蛋白構(gòu)象也發(fā)生改變,從而導(dǎo)致與蛋白質(zhì)的結(jié)合位點發(fā)生變化。另外,改變復(fù)合物所處環(huán)境的pH,不僅會影響該體系的功能性質(zhì),而且也會影響分子間的相互作用。VARDHANABHUTI等[46]研究了β-乳球蛋白和硫酸葡聚糖間的相互作用對接近中性pH值復(fù)合凝膠熱穩(wěn)定性的影響。利用多糖和蛋白質(zhì)之間的非共價相互作用,可以生產(chǎn)新穎或具有改良特性的食品,MCCLEMENTS等[47]研究發(fā)現(xiàn),在乳液界面處,有吸引力的靜電相互作用可用于生產(chǎn)食品乳劑,使該乳劑對環(huán)境壓力的穩(wěn)定性提高,因此蛋白質(zhì)和多糖之間的吸引性或排斥性相互作用可用來創(chuàng)制具有特殊質(zhì)構(gòu)、感官特性及微結(jié)構(gòu)的食品。
水凝膠重要的性能特征包括機(jī)械性能、膨脹性和保濕能力等,這些特性促進(jìn)了水凝膠在化妝品、廢水處理、組織工程、藥物釋放、生物傳感、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和食品等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。然而,大多數(shù)單一水凝膠機(jī)械性能低,如一些魚類來源的明膠因為亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸,這些氨基酸對三股螺旋結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用)含量較低,因此凝膠機(jī)械性能較差,影響其作為食品包裝膜的使用[48-49]。因此許多研究者致力于提高水凝膠的機(jī)械性能和持水能力[50]。調(diào)節(jié)多糖-蛋白質(zhì)水凝膠機(jī)械性能的主要因素包括體系的種類、pH值、聚合物濃度和溫度,也取決于分子間的交聯(lián)程度和分子構(gòu)象兩親性質(zhì)的影響,還可通過添加納米復(fù)合材料、共聚等方法提高凝膠機(jī)械性能[51];此外,增加非共價相互作用的數(shù)量可以獲得較硬的水凝膠,而有限的非共價相互作用則得到軟或弱的水凝膠。
多糖含有羥基、硫酸酯基、乙?;扔绊懩z凝性能的重要功能基團(tuán),蛋白質(zhì)中含有大量羧基、氨基等可電離基團(tuán)。在多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合體系中,多糖經(jīng)修飾可增強(qiáng)其與蛋白質(zhì)及其他活性化合物間的相互作用。有研究表明,多糖和其他分子的結(jié)合由多糖鏈上的官能團(tuán)決定,這些官能團(tuán)可通過化學(xué)修飾來改變,從而改善多糖性質(zhì)并增強(qiáng)二者間的相互作用。多糖的修飾主要通過化學(xué)或酶促反應(yīng)進(jìn)行,常用的方法包括疏水性分子接枝、醛基化改性、原位二硫鍵修飾等,其中殼聚糖、海藻酸鈉、角叉菜膠、果膠和淀粉是最常被用來修飾并改善其復(fù)合體系性能的多糖[52]。
近年來,改善水凝膠機(jī)械性能方面的研究使其在合成材料方面的應(yīng)用有了巨大進(jìn)展,但是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有更大應(yīng)用潛力的多糖和蛋白質(zhì)類天然水凝膠因其復(fù)雜無規(guī)律的結(jié)構(gòu)、不均一的交聯(lián)反應(yīng)位點、難以連鎖聚合等特點,有關(guān)其增強(qiáng)機(jī)械性能的研究還很不成熟[53]。多糖和蛋白質(zhì)復(fù)合凝膠在機(jī)械性能方面的調(diào)控比單獨的多糖凝膠或蛋白質(zhì)凝膠具有更大的靈活性,通過組裝多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物構(gòu)建的復(fù)合體系能改變其機(jī)械性能,因此廣泛應(yīng)用于乳液和膠囊的傳遞系統(tǒng),以及納米凝膠、復(fù)合納米顆粒和膠束等方面[54]。
多糖和蛋白質(zhì)是食品行業(yè)中重要的大分子物質(zhì),通過相互作用形成的復(fù)合物具有較好的穩(wěn)定性、膠凝性和機(jī)械性能等,因此在食品領(lǐng)域有著改善食品感官特性和凝膠穩(wěn)定性的功能,以及用于包裝的可食用膜等;另外,多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)中藥物遞送、組織工程和生物材料等方面;除此之外,多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物在其他行業(yè)也受到越來越多的關(guān)注。
近年來,由于凝膠相關(guān)的高水分含量、低熱量、吸引人的味道和增強(qiáng)飽腹性能,在食品市場上備受歡迎[41]。例如,LIN等[55]用豌豆蛋白、黃原膠和乳化劑混合物進(jìn)行研究,制備了適合素食主義者食用的無蛋蛋糕。另外,LIN等[56]又利用大豆蛋白、植物多糖開發(fā)一種烘焙黃餅,對其性質(zhì)進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn),這種方法制備的烘焙產(chǎn)品不僅外觀,口感和香氣比傳統(tǒng)蛋糕更好,而且也適合對雞蛋過敏和患有膽固醇的人群。
在過去的幾十年里,多糖和蛋白質(zhì)無論是單獨使用或組合使用被廣泛用于生產(chǎn)食品凝膠,二者的復(fù)合物在食品領(lǐng)域中受到越來越多的關(guān)注,因為多糖和蛋白質(zhì)分子能通過相互作用改善食品的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和穩(wěn)定性等性能,從而在改善食品功能性質(zhì)及開發(fā)創(chuàng)新型食品等方面有著積極作用。
蛋白質(zhì)和多糖的特征官能團(tuán)分別賦予了傳遞體系獨特的理化性質(zhì),使其環(huán)境穩(wěn)定性更好,應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。多糖和蛋白質(zhì)因其本身具有膠凝性,常被用作膠凝劑。兩者絡(luò)合形成凝膠,可作為生物活性物質(zhì)的傳遞基質(zhì)[57]。王莉紅[58]以卵清蛋白、溶菌酶和κ-卡拉膠為原料,通過蛋白質(zhì)分子上帶正電的氨基酸殘基與κ-卡拉膠多糖鏈上帶負(fù)電的硫酸酯基間的靜電吸引作用形成可溶性卵清蛋白/κ-卡拉膠和溶菌酶/κ-卡拉膠復(fù)合物,并可包載水溶性、穩(wěn)定性較差的多酚姜黃素,擴(kuò)大禽類蛋白在食品體系中的應(yīng)用范圍。此外,由于多糖-蛋白質(zhì)共價復(fù)合凝膠具有生物可降解性和安全性,還可用作食品包裝材料和可食用膜[59],不僅解決了食品包裝中存在的安全問題,也促進(jìn)食品行業(yè)的加工和開發(fā)設(shè)計。
水凝膠是通過物理或化學(xué)交聯(lián)而形成的三維交聯(lián)親水聚合物網(wǎng)絡(luò),其交聯(lián)方式如圖1所示[60]。水凝膠的物理交聯(lián)是在聚合物前體之間形成,而化學(xué)交聯(lián)則發(fā)生在單體或聚合物前體之間,單體或聚合物可以通過交聯(lián)賦予水凝膠膨脹而不溶解的特性,同時隨著多糖生物學(xué)功能被認(rèn)可,多糖-蛋白質(zhì)水凝膠開始廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[61]。研究表明,多糖-蛋白復(fù)合物具有抗腫瘤和抗病毒作用,而且可用于藥物緩釋載體的制備。于坤等[62]發(fā)現(xiàn)由于多糖具有優(yōu)良的物理化學(xué)及生物學(xué)特性,基于多糖的納米凝膠顆粒作為藥物載體具有重要應(yīng)用價值。另外,由于多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合凝膠具有極好的生物相容性,所以可用于傷口修復(fù)、仿生材料以及組織工程支架等[63]。FENG等[64]將絲素蛋白和魔芋葡甘聚糖進(jìn)行物理交聯(lián),可形成具有機(jī)械性能可調(diào)的、生物相容性良好的多糖-蛋白復(fù)合海綿,可用于傷口包扎。
圖1 水凝膠交聯(lián)示意圖[60]Fig.1 Schematic diagram of hydrogel cross-linking
由于多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物的抗菌、持水和透氣特性,可用于化妝品行業(yè)。MITURA等[65]研究發(fā)現(xiàn)不同類型的合成聚合物或生物聚合物形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能促進(jìn)高吸水能力的凝膠生成,因此在化妝品配方中作為增稠劑和保濕劑發(fā)揮著重要作用。另外,隨著近年來高分子材料技術(shù)的發(fā)展,多糖-蛋白復(fù)合物作為良好的纖維材料和生物材料也受到越來越多的重視。GOUGH等[66]研究表明多糖和蛋白質(zhì)在離子液體等溶劑中經(jīng)過分子自組裝和相互作用可產(chǎn)出新型的纖維材料,并且這些纖維材料通過靜電紡絲等方法加工后可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、藥物研究、傷口愈合、空氣過濾器以及可持續(xù)和綠色化學(xué)領(lǐng)域。
本文綜述了多糖-蛋白質(zhì)水凝膠及其復(fù)合物的最新研究進(jìn)展,總結(jié)了多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合水凝膠的相互作用類型及其影響因素,以及多糖對其與蛋白質(zhì)形成復(fù)合水凝膠機(jī)械性能的影響,為今后多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合水凝膠在食品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。
在今后食品領(lǐng)域的研究中,凝膠結(jié)構(gòu)的設(shè)計很可能繼續(xù)在凝膠相關(guān)食品的開發(fā)中占據(jù)重要地位。通過整合多糖的流變學(xué)特性和蛋白質(zhì)的界面特性,有望獲得具有親脂性生物活性成分的分層凝膠結(jié)構(gòu),可為多糖-蛋白質(zhì)混合體系在設(shè)計凝膠相關(guān)食品中的進(jìn)一步應(yīng)用提供可能。此外,也可通過將蛋白質(zhì)簡單地引入凝膠基質(zhì)中作為填充劑或參與混合凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,開發(fā)出一種大量利用植物蛋白資源的可行途徑,然而還需很多努力去證明這種途徑的有效性。此外,為了獲得理想的凝膠結(jié)構(gòu),需要深入了解多糖和蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)。希望本文有助于深化對多糖-蛋白質(zhì)凝膠基食品設(shè)計的理解,激發(fā)方法創(chuàng)新,推動其在當(dāng)前和未來凝膠基食品開發(fā)中的應(yīng)用。