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食源热稳定性蛋白质的研究进展浏览数:1次
![]() 论文推荐│食源热稳定性蛋白质的研究进展食源热稳定性蛋白质的研究进展 作 者 杨凯琳,赵广华,*吕晨艳 作者单位 中国农业大学食品科学与营养工程学院 引用格式 杨凯琳,赵广华,吕晨艳.食源热稳定性蛋白质的研究进展[J].农产品加工,2025,(09):112-118+121. 基金项目 国家自然科学基金面上项目(32272304) 摘 要 热加工是食品工业中最常见的加工方式,但热加工会引起食源组分结构和功能的改变。蛋白质作为植物和动物中最重要的组成成分,在生命活动中发挥了重要的功能。虽然大部分食物中的蛋白质会因热加工而发生变性,近年来研究发现以白蛋白家族为代表的蛋白质具有较高的热稳定性,这为其在食品加工中的应用奠定了基础。对食品中常见热稳定性蛋白质的结构和性质进行归纳总结,阐述了影响蛋白质稳定性的因素,并对热稳定性蛋白的设计改造及热稳定性蛋白的应用进行了阐述,以期为食品中热稳定性蛋白的高值化利用提供新思路。 关 键 词 食源蛋白;热稳定性;结构;功能 正 文 0 引言 蛋白质广泛存在于动物性食物和植物性食物中,是人体组织构成所必需的重要营养素。蛋白质不仅发挥了重要的功能,还为人体提供了许多必需氨基酸。然而,在食品加工过程中,往往会采用热加工的方式,如蒸制、煮制或烤制等,这类加工方式则会引起蛋白质构象的改变,使更多的疏水性氨基酸暴露,形成变性蛋白质[1]。变性蛋白质的形成严重影响了蛋白质尤其是酶的活性,在一定程度上限制了蛋白质或酶的应用范围,由此有关热稳定性蛋白研究的重要性不言而喻。近年来,研究者从自然界中分离纯化得到了多种热稳定性较高的蛋白质,如大豆中的球蛋白(7S球蛋白、铁蛋白等)、牛奶中的乳白蛋白、鸡蛋中的蛋清蛋白等。同时,利用某些蛋白质热稳定性较高的特性,将其应用于包埋一些生物活性成分中。有研究利用pH值响应型的笼形铁蛋白的自组装特性,将姜黄素包埋在铁蛋白内部空腔后能提高其水溶性和稳定性,该方法具有良好的应用前景。此外,蛋白质的结构决定了其功能。对蛋白质结构的深入分析和鉴定可为开发提高蛋白质稳定性的方法提供依据。也有研究通过定向进化[2]、分子生物学手段[3]等来对蛋白质改性,以提高其热稳定性,更多地应用于食品营养和安全领域中。目前,研究还缺少对食品体系中各热稳定性蛋白质结构和性质的分析。因此,针对动物性来源和植物性来源的食物中热稳定性球蛋白、白蛋白等的结构和功能,以及影响蛋白质热稳定性因素方面进行归纳总结,并从物理、化学改性和基因工程改性等方面对热稳定性蛋白的设计与改造进行阐述,以期为高热稳定性蛋白质载体的设计提供理论基础。 1 食品中常见的热稳定性蛋白质 1.1 植物性食物中的热稳定蛋白质 1.1.1 大豆球蛋白 大豆7S和11S蛋白的晶体结构示意图见图1。
大豆7S和11S蛋白是大豆分离蛋白的主要组分,占大豆分离蛋白总量70%以上[4]。大豆7S蛋白,又被称为β-伴大豆球蛋白,是一种三聚体共轭型糖蛋白,其分子质量为150~200 ku[5],约占大豆球蛋白的34%[6],主要由α′(≈71 ku)、α(≈67 ku)和β(≈50 ku)亚基[7]组成。大豆11S蛋白,也被称为大豆球蛋白,是一种六聚体非糖蛋白,其分子质量为300~380 ku[5],约占大豆种子中球蛋白的42%[8],由酸性亚基(35~37 ku)和碱性亚基(20 ku)[9]通过二硫键连接在一起[10],大豆11S蛋白含硫氨基酸丰富,具有良好的凝胶保水性[11]。汪立君等人[12]研究发现,大豆7S球蛋白和11S球蛋白的变性温度分别为70 ℃和90 ℃。这提示大豆球蛋白具有较高的热稳定性。然而,在食品加工过程中,如豆浆煮沸过程中,加热至100 ℃会使这类蛋白发生变性。 为了更好地提高该蛋白质的热稳定性,研究学者也采取了一些方法,如高静压、辐射、脉冲电场等非热方法和欧姆加热、微波加热等预处理方法,以及通过表面活性剂、盐离子、蛋白质相互作用等来提高其稳定性[13]。其中,WANG J M等人[14]在pH 值6.4的条件下对质量分数为1%的大豆蛋白进行预热处理,发现预热处理可提高大豆蛋白的热稳定性,且热稳定性与预热的时间长短和温度高低有关。 1.1.2 铁蛋白 植物铁蛋白的晶体结构见图2。
铁蛋白(Ferritin)是一种广泛存在于生物体中的球蛋白,其分子量约为500 ku,由24个蛋白质亚基组成,内部空腔可储存4 500个三价铁离子[15]。铁蛋白主要由蛋白质外壳和铁核2个部分组成。铁蛋白的球形蛋白外壳直径为12 nm,内部空腔直径为8 nm,是一种中空的笼型结构。铁蛋白的笼状外壳非常稳定,具有较强的酸碱耐受性(pH值2.0~12.0)以及热稳定性(蛋白质变性温度为70~80 ℃)。课题组前期在大豆、豌豆、红小豆和鹰嘴豆种子中分离得到了铁蛋白,这些蛋白在植物种子的铁储存中发挥了重要的作用[16-17]。 热稳定性蛋白的应用,其中最主要的是作为纳米载体包埋传递物质。而以铁蛋白为例,因为铁蛋白良好的热稳定性,以及优良的理化性质、良好的生物相容性和纳米笼独特的结构,其内部空腔被广泛地用于封装无机或有机客体分子,作为纳米载体传递物质,并多应用于食品营养、生物医药与纳米材料等领域,且铁蛋白的界面位置容易进行遗传或化学修饰,以赋予其他功能性[18]。 利用铁贮藏蛋白中空的结构和较高的热稳定性,ZHANG T等人[19]将原花青素包埋在铁蛋白的内部空腔,每个铁蛋白分子可包埋37.5个原花青素。此外,铁蛋白的包埋也提高了包埋物原花青素的光稳定性和热稳定性。此后,铁蛋白还被广泛应用于包埋芦丁[20]、花青素[11]、姜黄素[21]等多种食品营养素以提高其稳定性、水溶性及细胞吸收率[22]。 1.1.3 大麦蛋白质Z 大麦中蛋白质Z、LTP1和LTP2的高级结构见图3。
蛋白质Z是大麦热稳定蛋白质中重要的组分部分之一[23],是胚乳中主要的清蛋白,占大麦清蛋白总量的5%左右。大麦中蛋白质Z的分子量约为43 ku[24],其二级结构以β-折叠和无规则卷曲为主,每个蛋白质Z分子含有2分子半胱氨酸和20分子赖氨酸残基,且含有较为丰富的亮氨酸和其他疏水氨基酸残基[25]。基于蛋白质Z的结构特性也赋予了其相应的功能。第一,蛋白质Z丰富的β-折叠和无规则卷曲结构与啤酒泡沫及其稳定性有关,构成了啤酒泡沫的骨架,在啤酒中的质量浓度为20~170 mg/L[26];第二,蛋白质Z在啤酒酿造的糖化、煮沸过程中可保持结构的完整,这也为其作为活性小分子的载体提供了条件[27]。前期研究发现蛋白质Z可作为异黄腐酚、姜黄素等脂溶性分子的载体,用于提高小分子的光稳定性、热稳定性和消化稳定性[28]。然而,目前还没有关于蛋白质Z高级结构的研究报道,其晶体结构的解析可为后续阐明蛋白质Z的功能和应用奠定基础。 1.1.4 脂质转移蛋白 植物脂质转运蛋白(Lipid transfer protein,LTP)因其能够在植物细胞膜之间转运脂类物质而得名,是一类可溶性的小分子蛋白。不同物种的LTP一级结构差异较大,根据其分子量将其分为2个亚家族:LTP1和LTP2。其中,LTP1分子量大约为10 ku,由90~95个氨基酸残基组成;LTP2分子量大约为7 ku,由70个氨基酸组成[29]。LTP蛋白含有8个半胱氨酸残基,可形成4个二硫键[30]。在LTP蛋白的N端有一个包含21~29个氨基酸的信号肽,能够引导蛋白分泌到细胞外参与细胞外亲脂性物质(如角质)的沉积过程[31]。前期研究发现,LTP也是来源于大麦中的热稳定性蛋白质,同样对啤酒泡沫起到了积极的作用[32]。 1.2 动物性食物中的热稳定蛋白质 1.2.1 卵白蛋白 卵白蛋白和乳白蛋白的晶体结构见图4。 ![]() 卵白蛋白(Ovalbumin,OVA)是鸡蛋蛋清蛋白中含量最丰富的蛋白组分,约占蛋清蛋白的54%,是一种球状蛋白质,其分子量约为44.5 ku,等电点为4.5[33],属于含磷脂的糖蛋白,也是蛋清蛋白中唯一具有游离巯基基团的蛋白质,其游离巯基都被埋藏在蛋白质的疏水核心区域[34]。卵白蛋白同时也是酸性蛋白质,含有4个巯基和1个二硫键,由385个氨基酸残基组成,有大约75个酸性氨基酸残基和39个碱性氨基酸残基,其中50%为疏水性氨基酸[35-36]。由于疏水性氨基酸大都埋藏在分子内部,因而其与脂溶性物质结合能力较差。在储存过程中,天然的卵白蛋白会自发转变为S -卵白蛋白,相应的热稳定性也有所提高,热变性温度从88.5 ℃升高到92.3 ℃[37]。卵白蛋白还是一种磷酸糖蛋白,具有水溶性,包含约3%的糖基组分,每个OVA分子都含有一段糖链,N端的氨基酸为乙酰甘氨酸,C端为脯氨酸,这些残基相互缠绕折叠成具有高度二级结构的球形结构[38]。近年来,随着卵白蛋白功能特性的挖掘,卵白蛋白被广泛应用到凝胶剂、乳化剂、起泡剂和营养递送载体中[39]。 卵白蛋白不仅可用于包埋和递送β -胡萝卜素、维D[40]和姜黄素[41]等脂溶性物质,还可用于包埋花色苷[42]等水溶性活性成分。研究发现,卵白蛋白可提高这些活性成分贮藏稳定性、光稳定性和消化稳定性及抗氧化活性[43]。此外,有研究以没食子酸改性壳聚糖和卵清蛋白为载体对亲水性核黄素和疏水性槲皮素进行包埋,其包封效率分别为66.36%和96.61%。通过模拟消化得到活性分子的释放率分别为78.38%和84.15%。这说明壳聚糖-卵清蛋白对核黄素和槲皮素的良好稳定性和递送能力,适合进一步应用[44]。 1.2.2 乳白蛋白 α-乳白蛋白(α-lactalbumin)是一种由哺乳动物(人、羊、牛、骆驼、鼠等)乳腺分泌的小分子酸性球状蛋白,分子量为14.2 ku,等电点为4~5,是乳清中含量丰富的活性蛋白,在牛奶中质量浓度约为1.0~1.5 g/L[45-46],部分以糖基化的形式存在。天然乳白蛋白有一个大的α-螺旋结构域和一个小的β-折叠结构域,这2个结构域通过一段可与钙结合loop连接。此外,二硫键也是维持α-乳白蛋白结构稳定的关键作用力。α-乳白蛋白分子也因其典型的钙离子结合位点而被作为模式蛋白用于研究钙离子和蛋白质之间的相互作用。钙离子、镁离子、钠离子和钾离子与钙离子结合位点的结合可提高α -乳白蛋白的稳定性。前期研究发现,在溶液中加热时,蛋白质会发生热转变,转变温度为66 ℃[47]。蛋白质的结构变化与pH值、钙离子及离子强度有关。如果没有钙离子存在,经过100 ℃的条件下加热10 min后,α -乳白蛋白会形成二聚体、三聚体及变性的单体 等[48]。加热是乳制品加工过程中的一个很重要环节,α -乳白蛋白的热变性程度可作为衡量热加工处理强度的热敏性指标[49-50]。 2 蛋白质热稳定性的影响因素 2.1 氨基酸组成 氨基酸的组成对蛋白质的热稳定性有显著的影响。SINGER G A等人[52]通过比较分析了嗜热微生物和常温微生物的基因组,发现其在氨基酸组成上有显著的差别:嗜热微生物中谷氨酰胺、苏氨酸和组氨酸的含量较少,谷氨酸、异亮氨酸、赖氨酸和缬氨酸含量较高。张力等人[53]运用随机森林模型作图,结果表明,在20种氨基酸中谷氨酸和谷氨酰胺含量的多少对蛋白质/酶的热稳定性影响最显著。谷氨酰胺、丝氨酸和苏氨酸主要存在于热稳定性较低的蛋白质中。因此,在蛋白质工程中,可根据此规律增加蛋白质的谷氨酸、异亮氨酸、赖氨酸,减少蛋白质中的谷氨酰胺、丝氨酸,从而增加其热稳定性。 2.2 相互作用力 蛋白质折叠的主要作用力是疏水相互作用。蛋白质的热稳定性在添加盐或共溶剂时会发生变化,降低盐的溶解度通常会增强热稳定性。这表明疏水效应是影响稳定性变化的主要因素,蛋白质的疏水效应是通过蛋白质核心中疏水残基的埋藏,从而更好地包装和增加范德华相互作用[54]。研究表明,甲基的引入增加了蛋白质核心内的疏水作用,提高了蛋白质的热稳定性[55]。在蛋白质折叠过程中,每增加一个甲基,蛋白质的热稳定性就会提高(1.3±0.5)倍[56]。此外,对嗜热蛋白质疏水核心空腔的作用力进行深入分析,结果表明较高温度下的疏水力增加了蛋白质的稳定性[57]。而疏水核心空腔中氨基酸的突变通常会破坏疏水作用力,蛋白质的稳定性由此改变。 2.3 二级结构 一般情况下,α-螺旋和β-折叠是嗜热蛋白质中最稳定的二级结构。一些适应于低温环境的嗜冷性蛋白质,其结构中往往具有较高的α-螺旋含量[58]。而一些嗜热蛋白(如β-内酰胺酶)的β-折叠结构则更为丰富[59]。嗜热蛋白中α-螺旋的柔性较低,且得益于螺旋内表面上的甲基数量的增加[60]。研究表明,C末端附近的带正电荷的残基(如赖氨酸)和N末端附近的带负电荷的残基(如谷氨酸)之间稳定存在固有的α -螺旋偶极子排列。相邻螺旋的反平行排列为存在这种排列的蛋白质提供了5~7 kcal/mol的稳定能量[61]。FACCHIANO A M等人[62]的研究表明,α-螺旋中的β分支残基如缬氨酸、异亮氨酸和苏氨酸降低了热稳定性。因此,选择侧链不能很好地适应α-螺旋的残基进行改造,可能是增加蛋白质稳定性的一种策略。 3 提高蛋白质热稳定性的方法 蛋白质的热稳定性对于其在食品加工、食品营养成分递送、食品包装材料等方面的应用极其重要。除了食物中天然存在的热稳定性蛋白质,有研究采用物理、化学和生物改性等方法制备高热稳定性的蛋白质,旨在拓宽蛋白质的应用范围。 提高蛋白质热稳定性的常见策略方法见图5。
3.1 物理改性 物理和化学改性是最常见的提高蛋白质热稳定性手段。前期研究发现加热处理可提高乳清蛋白纳米颗粒的稳定性,在经过60 ℃加热30 min后,乳清蛋白溶液的粒径稳定性、水溶性都有了显著提高[63]。通过微流控均质化技术与100 ℃,30 min预热处理相结合,显著提高了大豆蛋白的热稳定性。该技术可将蛋白质质量分数为6%的大豆蛋白溶液稳定性提高,使蛋白质溶液保持均一的粒径[64]。此外,γ射线处理可改变蛋白质的二级结构(如α-螺旋、β折叠的含量),引起蛋白质的聚集和交联。MUDASIR A M等人[65]的研究发现,γ-射线处理可提高向日葵蛋白的热稳定性。同样,电子光辐射处理(5.0 kGy)也可通过增加蛋白质聚集和交联而提高核桃蛋白的热稳定性[66]。 3.2 化学改性 在化学改性方面,主要包括矿化法、糖基化修饰和磷酸化修饰等。通过原位矿化的方法在蛋白质表面引入无定形矿物质,无定形矿物相中的结构水分子通过紧密连结在矿化蛋白周围使蛋白质处于一种稳定的水合状态,减少了热运动过程对蛋白质构象的破坏。糖基化修饰是利用美拉德反应在蛋白质与多糖之间形成共价键的一种改性方法,具有安全环保的优点。WEN C T等人[67]通过超声处理促进大豆蛋白与香菇多糖之间的美拉德反应,进而增加了大豆蛋白的溶解性、乳化性和热稳定性。磷酸化修饰是另一种通过在蛋白质分子上引入磷酸基团的改性方法。有研究通过三偏磷酸钠的磷酸化修饰增加了大米麦谷蛋白表面的负电及减少粒径尺寸,进而增加了其溶解性、乳化性、起泡性和热稳定性[68]。此外,蛋白质与多糖/多酚之间的相互作用也会改变蛋白质的理化特性。鸡蛋中的蛋清蛋白在热灭菌过程中极易发生变性聚集,从而导致其功能特性减弱,这极大影响了其灭菌强度的提升和货架期的延长。而卵白蛋白是蛋清蛋白的主要组成部分,利用其与羧甲基纤维素(Carboxymethylcellulose,CMC)和明胶(Gelatin,GEL)之间的静电结合作用,实现卵白蛋白在热处理过程中的聚集程度的调控,进而达到改善热处理后卵白蛋白功能特性的目的,且能够为提升蛋清蛋白热灭菌强度提供科学依据和新思路[69]。 3.3 生物方法改性 基因工程也是提高热稳定性蛋白质的方法之一,包括基因突变、定向进化等。VALDERRAMA B等人[70]通过引入5个突变(N52I、W59F、Y67F、K79A、F82G),显著提高了异- 1 -细胞色素c的抗氧化性。这种含血红素的蛋白质可与过氧化氢反应,但易被过量的过氧化物底物氧化失活。研究利用突变,防止血红素过氧化物酶的自杀失活,从而提高其稳定性。PALMER B等人[71]通过将G蛋白的3个Asn残基进行替换,使其稳定性提高了8倍,随后进行进一步的三重突变,引入Y3F/T16I/T18I突变体,使其拥有了更好的稳定性(6.8 kcal/mol),通过该方法所得到的G蛋白在pH值13.0左右结构被破坏,而野生型在pH值11.5左右展开。此外,团队研究发现食源虾铁蛋白具有较高的热稳定性,变性温度可达到109 ℃,较高的热稳定性对其作为载体应用于食品体系具有十分重要的意义。通过将热稳定性较低的人源铁蛋白的三重轴通道突变为3个ASP和3个Lys交替排列的氨基酸后,显著提高了人源铁蛋白的热稳定性[72]。 定向进化法是在实验室中模拟自然界的进化过程,是对蛋白质进行热稳定性基因改造的传统方法,该方法较为完备且应用较多、较广泛。首先,针对某一蛋白质的基因,在通过特定的诱变与重组技术对其进行基因改造之后,构建突变文库,然后再根据突变体的热稳定性状况,筛选出热稳定性较好的突变体,从而获得热稳定性蛋白[73]。最先利用定向进化技术获得热稳定性蛋白质的是Arnold实验室[74],该实验室先是获得了对短链烯烃活性的P450BM335E11突变,但是其热稳定性大幅度降低,因此继续通过定向进化引入了L188P突变,克服了P450BM335E11的热稳定性缺陷问题。后来,JOYET P等人[75]在导致热稳定性降低的α-淀粉酶突变上进行定向进化,以实现热稳定性恢复,在鉴定得到的有益突变A209V与之前研究中获得的有利突变H133Y结合,在野生型α-淀粉酶构建双突变,显著提高了α-淀粉酶的热稳定性,获得了极具工业应用价值的非常耐高温的α-淀粉酶菌株。然而,该方法虽然不需要考虑蛋白质结构与功能之间的关系,但是需要构建大规模的突变体库,且需要建立灵敏有效的高通量筛选方法,存在诸如工作量大、相对盲目、低效率等缺陷,而这往往会耗费大量的时间精力,以及人力、物力、财力。 4 结语 蛋白质的热稳定性对其在食品领域的应用十分关键,是决定食品品质的重要条件。常见食物中的热稳定性蛋白的开发和利用是开发高蛋白食品的重要抓手。同时,影响蛋白质热稳定性的因素很多,如氨基酸组成、二级结构组成、蛋白质所处的媒介环境、维持蛋白质结构的作用力等。在食品加工过程中,通过加热、超声、辐射等物理方法、糖基化、磷酸化等化学手段,以及突变和定向进化的生物方法可显著提高食源蛋白质的热稳定性。然而,从分子结构层面深入分析维持蛋白质结构作用力的相关研究较少,解析热稳定性蛋白质的高级结构是解决该问题的方法之一。此外,随着科学技术手段的发展,从头设计热稳定性蛋白也是近年来的研究热点,所涵盖的内容和技术手段十分丰富。从食源蛋白出发设计热稳定性蛋白是未来食品开发的需求,也是未来食品的发展方向。 参考文献: [1]刘秋梅,王泽富,刘振洋,等. 加热过程中虾头蛋白变性程度的表征方法比较[J]. 食品工业科技,2022,43(21):107-114. 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