玉米醇溶蛋白的改性方法研究進(jìn)展

周瑾，鄭文倩，張繼賢,2*

1.揚(yáng)州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（揚(yáng)州 225127）；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢 430062）

玉米在我國(guó)農(nóng)業(yè)、工業(yè)中占有重要的地位，但發(fā)達(dá)國(guó)家的開發(fā)利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國(guó)。玉米蛋白粉是玉米生產(chǎn)淀粉、淀粉糖、酒精等過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物。由于大量疏水性氨基酸存在于玉米醇溶蛋白的分子中，導(dǎo)致玉米醇溶蛋白不溶于水，僅能溶解于60%～95%的乙醇溶液中，故大部分玉米蛋白粉經(jīng)處理就舍棄或用于飼料加工，造成資源浪費(fèi)。玉米醇溶蛋白占玉米蛋白的60%以上[1]，因此玉米醇溶蛋白的性質(zhì)對(duì)玉米蛋白的性質(zhì)具有重要影響。

玉米醇溶蛋白于1821年由John Gorham從玉米中分離出來，并命名為zein。1939年以后，玉米醇溶蛋白逐漸開始應(yīng)用于商業(yè)研究，主要用于生產(chǎn)涂料、黏合劑、纖維、膜制品等。到了20世紀(jì)50年代，玉米醇溶蛋白的生產(chǎn)達(dá)到高峰，但由于其生產(chǎn)成本較高，逐漸被石油原料所取代。近年來，人們對(duì)不可再生能源的保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，尋找新的可再生能源成為研究熱點(diǎn)。玉米醇溶蛋白由于其環(huán)境友好、原料來源豐富、可持續(xù)生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，再次受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

玉米醇溶蛋白具有良好的抗氧化性、成膜性、保水性、熱可塑性和穩(wěn)定性。目前對(duì)于玉米醇溶蛋白的研究主要作為果蔬食品的天然涂膜、高分子壁材等。近年來，以玉米醇溶蛋白為原料制備小分子功能肽也成為近年來的熱點(diǎn)研究[2]。但由于玉米醇溶蛋白不溶于水、功能性較差限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用，因而需要針對(duì)其溶解性、乳化性等功能性質(zhì)進(jìn)行改性，增大玉米蛋白的開發(fā)和利用的程度，進(jìn)一步提高其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

文章通過對(duì)玉米醇溶蛋白組成、分子結(jié)構(gòu)以及改性方法分析，為開發(fā)基于玉米醇溶蛋白的功能性食品等奠定基礎(chǔ)。

1 玉米醇溶蛋白簡(jiǎn)介

玉米醇溶蛋白俗稱“玉米朊”，占玉米蛋白粉蛋白總量的50%～60%，Tatham等[3]的研究表明，玉米醇溶蛋白分子呈橢圓、長(zhǎng)棒球狀，長(zhǎng)軸與直徑的比例為7∶1或28∶1。Argos等[4]提出玉米醇溶蛋白分子中存在的螺旋體使得其具有很強(qiáng)的旋光性和穩(wěn)定性。玉米醇溶蛋白能溶于60%～95%的乙醇，但不易溶于水。玉米醇溶蛋白的物理狀態(tài)為淡黃色粉末，其性質(zhì)由其特殊的氨基酸組成決定。

2 玉米醇溶蛋白的功能特性

玉米醇溶蛋白特殊的氨基酸組成決定了其具有良好的抗氧化性、成膜性、保水性、熱可塑性和穩(wěn)定性。劉波等[5]利用納豆桿菌固體發(fā)酵產(chǎn)蛋白酶水解玉米蛋白粉，采用鄰苯三酚自氧化法測(cè)定其水解產(chǎn)物的抗氧化活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其水解產(chǎn)物對(duì)鄰苯三酚的抑制率達(dá)到79.96%。徐麗萍等[6]將玉米醇溶蛋白液浸涂在杏仁、核桃仁上，能延緩氧化速度，得到杏仁及核桃仁的最佳涂膜液配比：在10 mL 10%玉米醇溶蛋白中加入0.8 mL甘油、0.5 mL蟲膠。李鴻梅等[7]也利用鄰苯三酚自氧化法研究玉米蛋白粉水解物在不同水解度下的抗氧化性，結(jié)果顯示在pH 8、堿性蛋白酶0.06 mL條件下水解4 h，玉米醇溶蛋白的水解度為30%。王晶[8]發(fā)現(xiàn)玉米醇溶蛋白水解物抗氧化活性會(huì)隨著水解度的增加而增加，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在DH為26.49%時(shí)，水解物的抗氧化活性最強(qiáng)。

玉米醇溶蛋白容易形成薄膜是由于含有豐富的含硫氨基酸，并且分子間以二硫鍵、疏水鍵相連形成基本的連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)玉米醇溶蛋白涂布在平板上，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，薄膜水分揮發(fā)干燥使得涂布處蛋白質(zhì)濃度增大，分子間形成薄膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，直至膜成型[9]。杜悅[10]研究發(fā)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)的乙醇可以增強(qiáng)玉米醇溶蛋白膜的耐水性，并確定了90%的乙醇體積分?jǐn)?shù)最佳。姚曉敏等[11]研究發(fā)現(xiàn)在80%乙醇中玉米醇溶蛋白溶解效果好，在40 ℃可以形成具有一定強(qiáng)度的可食性薄膜。魯亞楠[12]研究了乙醇體積分?jǐn)?shù)、甘油添加量、聚乙二醇添加量和單甘酯添加量四個(gè)因素對(duì)蛋白膜機(jī)械性能、水分含量、水溶性及阻隔性能的影響，并確定了最佳工藝條件：乙醇體積分?jǐn)?shù)80%，甘油的添加量0.3 g/g，聚乙二醇的添加量0.2 g/g，單甘酯的添加量0.3 g/g。

玉米醇溶蛋白可以增強(qiáng)酯、乙二醇等可塑劑的熱可塑性，玉米醇溶蛋白在腸中易于消化，活躍于中性、堿性條件下，在酸性條件下具有很好的穩(wěn)定性。玉米醇溶蛋白水解物具有降血壓的作用，可以被微生物群降解。玉米醇溶蛋白具有較好的耐熱性，還具有保持水分的玻璃態(tài)。李永馨等[13]研究表明，玉米醇溶蛋白在262 ℃條件下易分解，在高于171 ℃的玻璃化溫度下處理薄膜，可對(duì)薄膜缺陷進(jìn)行修飾。

3 玉米醇溶蛋白的研究現(xiàn)狀

3.1 玉米醇溶蛋白的應(yīng)用

玉米醇溶蛋白具有安全、可再生利用、環(huán)保、可食用的特點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在食品工業(yè)中，由于玉米醇溶蛋白特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其可以涂抹在糧食、水果、蔬菜表面形成一層可食用的、防止氧化的、具有保鮮效果的薄膜，玉米醇溶蛋白形成的薄膜無毒，利于人體的吸收。在醫(yī)藥工業(yè)中，可用來制作藥片、藥劑的壁材。在工業(yè)中，玉米醇溶蛋白用來制成的生物可降解材料、乳化劑、黏合劑被廣泛地應(yīng)用于紡織業(yè)、裝修業(yè)等化工行業(yè)中。玉米醇溶蛋白經(jīng)過生物工程改性后，可以一定程度上將醇溶性的醇溶蛋白轉(zhuǎn)化為可溶性的生物活性肽。然而生產(chǎn)玉米醇溶蛋白成本較高、自身也存在水溶性差等缺點(diǎn)，限制了其商業(yè)生產(chǎn)，因此進(jìn)一步地改善玉米醇溶蛋白的性質(zhì)、開發(fā)更多新用途尤為必要。

3.2 玉米醇溶蛋白的改性研究

蛋白質(zhì)改性是指運(yùn)用化學(xué)制劑、酶制劑、熱、輻射等化學(xué)物理因素處理蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)分子氨基酸組成、構(gòu)象結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起蛋白質(zhì)功能特性的改變。由于玉米醇溶蛋白分子存在大量的疏水性氨基酸，導(dǎo)致玉米醇溶蛋白水溶性差，人們對(duì)玉米醇溶蛋白質(zhì)的需求不能完全滿足。因此改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能提高蛋白轉(zhuǎn)化率非常必要。目前主要的改性方法包括物理改性技術(shù)、化學(xué)改性技術(shù)和酶法改性技術(shù)。

3.2.1 物理方法改性

物理改性是指利用超高壓、輻照、微波、亞臨界水等手段處理蛋白質(zhì)使其功能性質(zhì)有所改善。Soliman等[14]、Lee等[15]、Lee等[16]用60Coγ射線處理玉米醇溶蛋白溶液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量的增加，玉米醇溶蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)有所變化，玉米醇溶蛋白的水溶性有所提高。Schurer等[17]、王標(biāo)詩(shī)等[18]發(fā)現(xiàn)超高壓對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、溶解性都會(huì)有所影響。之前的研究也發(fā)現(xiàn)，利用亞臨界水處理玉米醇溶蛋白，可以顯著提高其溶解性和功能性質(zhì)[19]。

3.2.2 化學(xué)方法改性

化學(xué)改性是指通過加入一些化學(xué)試劑與蛋白質(zhì)分子的基團(tuán)反應(yīng)生成新的基團(tuán)，從而使蛋白質(zhì)功能性質(zhì)發(fā)生改變的方法?；瘜W(xué)改性主要包括?；?、糖基化、共價(jià)交聯(lián)、共混改性等改性方式。

蛋白質(zhì)的?；男允侵傅鞍踪|(zhì)分子的氨基或羥基與?；噭┑聂驶磻?yīng)形成新的集團(tuán)的過程[20]。吳景等[21]研究表明運(yùn)用琥珀?；褂衩状既艿鞍讟?gòu)象發(fā)生變化，從而引起蛋白質(zhì)亞基分解，提高玉米醇溶蛋白的溶解性和消化率，消化率達(dá)到47.97%。李鴻梅等[7]研究磷酸化改善玉米醇溶蛋白溶解度，可使玉米醇溶蛋白的溶解度提升至15.4%。糖基化是指蛋白質(zhì)與還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變從而性質(zhì)發(fā)生變化。利用糖基化可以改性蛋白質(zhì)的溶解性、乳化性等性質(zhì)?？追被莸萚22]研究濕熱法糖基化改性玉米醇溶蛋白，以葡萄糖作為糖基供體，可溶性蛋白含量為1.22 mg/mL，可溶性蛋白含量提高了1.84倍。

除了上述幾種改性方式外，還有共價(jià)交聯(lián)改性、共混改性等方式。其中共價(jià)交聯(lián)改性是指利用交聯(lián)劑與玉米醇溶蛋白的氨基反應(yīng)，從而生成具有特殊性質(zhì)的聚合物。張鐘等[23]研究利用共混改性用酸法結(jié)合熱處理的方式對(duì)玉米醇溶蛋白進(jìn)行共混改性，改性后水溶性明顯增加。

3.2.3 生物方法改性

生物改性法主要分為基因工程改性和酶法改性?；蚬こ讨饕峭ㄟ^導(dǎo)入優(yōu)勢(shì)基因，來獲得目的蛋白的一種方法。已有的研究如導(dǎo)入產(chǎn)球蛋白的基因，提高玉米蛋白中球蛋白所占的比例；引入與賴氨酸相關(guān)的基因，補(bǔ)充玉米蛋白中缺乏的氨基酸；張革平等[24]向玉米中導(dǎo)入高賴氨酸蛋白質(zhì)基因，獲得了球蛋白和醇溶蛋白含量較高的產(chǎn)品。但是這種基因?qū)氲母男苑椒ù嬖谥芷陂L(zhǎng)、見效慢等缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)基因作物的安全問題一直存在爭(zhēng)議。

酶法改性是指利用蛋白酶將蛋白質(zhì)分子切割，使蛋白質(zhì)的功能特性得到改善的方法。王大為等[25]利用堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶水解CO2萃取后的玉米醇溶蛋白，使得玉米醇溶蛋白質(zhì)水解率分別提高47.16%和36.75%。鄭喜群等[26]研究表明利用堿性蛋白酶催化玉米醇溶蛋白水解成可溶性肽是可行的。Shukla等[27]使用雙相位順序酶改性和超濾來制備水溶性玉米蛋白，此法改進(jìn)了玉米醇溶蛋白的溶解性、起泡性和吸濕性。

4 問題及展望

4.1 目前存在的問題

近年來，人們對(duì)不可再生能源的保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，尋找新的可再生能源勢(shì)在必行。玉米醇溶蛋白由于其環(huán)境友好、原料來源豐富、可持續(xù)生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注，但玉米醇溶蛋白是一種疏水性植物蛋白，因其功能特性較差、生產(chǎn)成本較高且缺乏賴氨酸和色氨酸等人體必需的氨基酸，因此在各行業(yè)中的應(yīng)用受到限制。

通過改性提高玉米醇溶蛋白的溶解性、乳化性等功能特性顯得至關(guān)重要。物理改性具有安全、簡(jiǎn)單、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但蛋白質(zhì)的性質(zhì)沒有太大的改變?；瘜W(xué)改性效果明顯，可以顯著增強(qiáng)蛋白質(zhì)的功能特性，但化學(xué)改性在生產(chǎn)中需要消耗大量的化學(xué)試劑，易造成二次污染，并且破壞了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)副產(chǎn)物不利于其在食品等工業(yè)上的應(yīng)用。相比物理、化學(xué)改性，酶法改性對(duì)蛋白質(zhì)的改性效果明顯，具有高效性和專一性，操作工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞，但目前對(duì)于玉米醇溶蛋白的酶法改性研究還比較少。

4.2 展望

由于玉米醇溶蛋白在玉米蛋白中所占比重較高，未來的開發(fā)空間巨大，但玉米醇溶蛋白的綜合利用不充分，其自身組成特點(diǎn)極大地限制其加工和在食品工業(yè)中的利用度。有必要提升玉米醇溶蛋白的加工學(xué)特性，從而使其能夠作為食品的優(yōu)良原料并得到最大限度的開發(fā)和利用。因此，對(duì)玉米醇溶蛋白的改性在玉米加工產(chǎn)業(yè)中具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米醇溶蛋白改性方法主要集中于物理法、化學(xué)法和生物法。隨著蛋白改性技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，蛋白改性的安全性、高效性將是未來改性的發(fā)展趨勢(shì)。通過以上對(duì)玉米醇溶蛋白改性方法的闡述，各改性方法均有利弊，單一改性方法不能充分滿足玉米醇溶蛋白的開發(fā)應(yīng)用。所以，開發(fā)新型、安全的玉米醇溶蛋白聯(lián)合改性技術(shù)改善或彌補(bǔ)上述幾種方法的缺陷，從而提高玉米醇溶蛋白的功能特性值得深入研究，也必將成為未來玉米醇溶蛋白改性研究的熱點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)玉米醇溶蛋白改性方法研究進(jìn)展的綜述，不僅為將來對(duì)玉米醇溶蛋白的加工利用提供先進(jìn)的技術(shù)支持，而且通過不同方法對(duì)玉米醇溶蛋白的改性效果研究，可為新型改性技術(shù)的研發(fā)提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)和參考。