高静压处理对植物蛋白消化性的影响

王晨笑，尹 浩，王丹凤,2,3，邓 云,2,3，岳 进,2,3,*

（1.上海交通大学食品科学与工程系，上海 200240；2.上海交通大学陆伯勋食品安全研究中心，上海 200240；3.农业农村部都市农业重点实验室，上海 200240）

蛋白质是食品的重要组成部分，也是人体重要的常量营养素，在体内发挥着至关重要的作用。由于畜牧业成本高且对环境有较大的压力，而种植业对环境的影响远低于动物农业，因此，植物蛋白是一种更具可持续性的蛋白来源，以植物蛋白替代动物蛋白成为食品工业的发展趋势[1]。为了提高植物蛋白的功能特性与利用效率，常采用物理、化学和酶法对蛋白质进行性能改善。高静压（High Hydrostatic Pressure,HHP）技术是一种新型的非热加工技术，通常采用100 MPa以上（100～1 000 MPa）的压力对物料进行处理，用于食品杀菌、灭酶等工艺中，同时也可以为食品提供独特的质构。研究表明，HHP 技术也能够改变蛋白质的结构和理化性质[2-4]。近些年利用HHP 技术改善蛋白质的消化性引起广泛的研究兴趣。一方面，蛋白质的消化性增加意味着其能更好地被人体吸收利用，具有更高的营养价值；另一方面，一些植物来源的蛋白质，如大豆蛋白，是生物活性肽的良好来源[5]，而蛋白质消化性的提高增大了其被用于生产生物活性肽的可能性，拓宽了蛋白质的应用范围。本文对近十年来国内外发表的HHP 处理对植物蛋白消化性的改善相关研究进行了综述，以期拓展高静压技术在植物蛋白改性领域的应用。

1 蛋白质的消化性及其主要影响因素

蛋白质的消化从胃腔开始，最后在小肠内被上皮细胞分解为游离氨基酸或短寡肽，从而被人体吸收利用。氨基酸是构成人体的最基本的物质之一，被吸收后主要作为生命体内合成蛋白质的原料。近几年短肽的消化和吸收利用的研究取得了显著进展，许多研究发现动物或植物蛋白释放的肽在体外或体内具有生物活性，包括抗菌、抗氧化、降血压、降胆固醇、抗血栓以及细胞免疫或免疫调节等活性[6]。因而，蛋白质在体内的分解和消化就尤为重要。

蛋白质的消化性主要由蛋白质消化率（Protein digestibility）来表征，即消化的蛋白质量占摄入体内的蛋白质量的比例，它表征了蛋白质氨基酸的利用度[7]。Boye 等[8]总结了一些植物蛋白和来自牛乳的酪蛋白的消化率，如表1 所示。与鸡蛋、牛奶、肉类和鱼类等动物蛋白相比，植物蛋白的消化率一般较低。一方面是由于摄入整个植物体时，植物中天然存在的纤维素等大分子在空间上阻碍了蛋白质与酶的接触，蛋白酶抑制剂的存在则会降低蛋白酶的活性，使消化能力下降。另一方面，植物蛋白结构更为紧凑，具有抗蛋白酶活性的肽会降低酶的活性，进一步降低蛋白质消化率[9]。因此，通过一些加工手段改变蛋白质的结构，尤其是促进蛋白质的变性和结构舒展，可以增加酶的接触位点和可接近性，使消化率提升[8]。Jood 等[10]研究了浸泡、蒸煮、高压灭菌和发芽处理对豆类蛋白消化率的影响，发现高压处理最为有效。在HHP 处理时，通常随着压力的增加，蛋白质的链更为舒展，同时观察到无序结构的增加，这有助于消化性的提升[11-12]。根据蛋白来源和处理条件的不同，蛋白质完全展开所需要的压力也各不相同。然而，过高的压力处理可能会导致蛋白质间发生更多团聚，酶的可接近性降低，消化性降低[13]。此外，当在HHP 条件下进行酶水解时，一些疏水部位会在压力的作用下解折叠，暴露出新的切割位点。蛋白质水解通常优先于通过二硫键形成的蛋白质聚集，使得在HHP 作用下水解程度增加，蛋白质的消化性提升[14-15]。如果蛋白质聚集占主要影响时，会导致蛋白的可接近性下降，水解程度下降。

表1 一些植物蛋白与酪蛋白的消化率[7-8,16]Table 1 Digestibility of some vegetable proteins and casein

2 高静压技术对蛋白的改性作用

高静压技术是指将食品密封在容器内，以液体（水或油）为压力介质，在温度为25～60 ℃下进行100～1 000 MPa 加压处理。根据帕斯卡原理，液体压力可以瞬间均匀地传递到整个样品，因而不存在压力梯度，样品的尺寸和体积与处理效果无关[17]。HHP 处理遵循的另一个原理是勒夏特列（Le Chatelier）原理，即压力使得平衡向体积减小的方向移动，并加速由基态转化到体积较小的过渡态的过程[18]，导致体积较小的构象异构体的形成。这两个基本原理也决定了HHP 技术有以下特点[17,19-20]：①HHP 处理是液体介质短时间内的等同压缩过程，其处理的均一性好，运转费用低；②其设备初期投入较大，生产效率低于热加工处理，但在生产过程中不污染环境，且不需要额外能量维持高压，可以节约能源；③HHP 处理后可以得到与热处理完全不同的蛋白质变性状态和淀粉的糊化状态等，因而可以生产一些特殊的新型食品素材。HHP 技术在食品工业中应用最多的是作为冷杀菌工艺，灭活病原体和营养腐败微生物的同时，能够最大限度地保留食品的色泽、风味、质构、营养组分以及生物活性物质。除此之外，HHP 技术也常被用于蛋白质的改性中。

通常来说，蛋白质的体积由以下3 部分组成：组成蛋白质的原子的体积、由原子堆叠形成的空腔的体积及蛋白质表面结合的水所引起的体积变化[21]。如前所述，HHP 处理会导致蛋白质向体积更小的过渡态转变，根据压力的大小，能对蛋白质产生3 种主要影响，并且这一过程所产生的变化可以是可逆或不可逆的[18]。当压力值较小时，首先发生弹性效应引起的蛋白质一级及二级结构的可逆扭曲。由于一级结构的可压缩性非常小，它们对体积变化的贡献可以忽略，即可以认为压力对蛋白质的共价键没有影响。氢键的压缩导致构象扭曲，蛋白质体积减小[22]。一般地，当压力值达到200 MPa 时，分子间相互作用和蛋白质三级结构会发生变化，而在更高的压力下，蛋白质会展开[23]，展开的原因可能是蛋白质中所包含的空腔的损失与减少[24]。不同蛋白质所需的展开压力不同，其范围在100～1 000 MPa 之间，甚至更高。在HHP 处理中溶液环境对蛋白质的影响也不可忽视，与水的相互作用同样会影响蛋白质的总体积，进而影响HHP 处理后的蛋白质变化[25-26]。综合来说，通过HHP 处理，蛋白质的结构与展开程度会发生不同程度的变化，进而改变蛋白质的一些理化性质和功能特性。

3 高静压对蛋白质消化性的影响

在高静压作用下，蛋白质的结构以及分子间的聚集程度会发生变化，进而影响其消化性。大豆蛋白是研究最为广泛的一类植物蛋白，研究结果也普遍表明HHP 处理能提升大豆蛋白的体外消化率。在2004年，Penas 等[27]首先研究了 100～200 MPa、37 ℃下处理15 min 对大豆蛋白酶解能力的影响，发现HHP 处理增加了大豆蛋白被胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶水解的程度，其中100 MPa 处理效果最好。后续研究也发现，较高的处理压力（300 MPa、400～600 MPa）也可以改善大豆蛋白的体外消化率，产生更多的分子量较低的肽[28-29]。其他一些植物蛋白在HHP 作用下，其消化性的变化各不相同。表2 总结了不同植物蛋白在HHP 作用下的消化性变化。总体上，HHP 处理能够增加蛋白质的消化性，主要表现在体外酶水解能力的增强。也有研究发现消化速率的提升[30]，其原因可能是HHP 作用下蛋白质展开，暴露出更多的切割位点，这与蛋白质种类和所施加的压力条件有关[30-31]。另外，蛋白质的展开也使得酶类更容易与切割位点接触。然而，在一些情况下，特别是在较高的压力条件下，也发现了蛋白质消化性的下降，如在豌豆蛋白中，400～600 MPa 处理降低了碱性蛋白酶的体外消化率[12]。这是由于压力导致的蛋白质-蛋白质相互作用与聚集的发生率提升，因而导致酶的可接近性下降[32]。总的来说，HHP 处理对蛋白质的消化性的影响与蛋白质种类、处理条件以及蛋白酶种类等因素相关，需要更多深入研究探明这一过程的机理与普遍规律[33]。

表2 高静压处理对植物蛋白消化性的影响Table 2 Effects of HPP on the digestibility of plant proteins

此外，在一些研究中，研究人员使用植物组织作为HHP 处理的原材料，同样发现了HHP 处理可以提升植物蛋白的消化性。除蛋白结构变化外，HHP 处理对原料中抗营养因子的破坏也是导致蛋白质消化性提高的原因之一。Han 等[34]将扁豆、鹰嘴豆、豌豆和大豆在浸泡过程中用 HHP（621 MPa，30 或 60 min）处理，然后在98 ℃加热30 min，考察胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和肽酶对蛋白体外消化率的影响，发现HHP下浸泡60 min 的处理组表现出蛋白体外消化率显著提高。Linsberger-Martin 等[35]则发现 600 MPa，60 ℃下处理30～60 min 可以导致豌豆的蛋白质消化率提高4.3%，而60 min 处理可导致白豆的蛋白质消化率提高 8.7%。Deng 等[36]同样发现 600 MPa，60 ℃下处理30 min 可以使荞麦的蛋白质消化率提高0.8%。

4 高静压对蛋白质酶解及其产物活性的影响

高静压下酶与蛋白对压力的应变共同影响蛋白的水解，一些学者研究了HHP 辅助蛋白质酶解对酶解效率和酶解产物的影响。Penas 等[41]以大豆乳清蛋白为研究对象，考察了100～300 MPa 压力下，碱性蛋白酶、中性蛋白酶、Corolase 7089 和Corolase PNL 四种蛋白酶对大豆乳清蛋白的水解效果。发现压力下所有酶的蛋白水解活性均有增加，其中200 MPa 和300 MPa 下最为显著。在他们的另外一个研究中同样发现100 MPa 的HHP 辅助下，胰蛋白酶、胃蛋白酶或胰凝乳蛋白酶对大豆乳清蛋白的水解增强[27]。Meinlschmidt 等[42]研究了 300～600 MPa 的压力辅助下商业蛋白酶Flavourzyme 对大豆分离蛋白的水解，发现提高了大豆分离蛋白中的主要过敏原Gly m5 的降解，并降低了豆腥味，同时水解产物具有更好的蛋白质溶解度、起泡性和持油力。Zhang 等[30]在100～300 MPa 下，使用碱性蛋白酶对鹰嘴豆蛋白分离物进行 10～30 min 的水解，发现 100～200 MPa 处理可以增加碱性蛋白酶的活性，但在300 MPa 处理下其活性降低，原因可能是200 MPa 及以下的高压增加了蛋白的展开程度，或使更多的切割位点暴露，促进了酶水解的活性。值得一提的是，在200 MPa 下水解20 min产生的肽具有更高的抗氧化活性。崔珊珊[38]发现300 MPa 下处理6 min 可以显著提升木瓜蛋白酶水解甘薯蛋白产物的乳化性。与直接处理蛋白原料相似，较低的处理压力（200～300 MPa）可以增强HHP 条件下的酶促水解，一方面是因为在HHP 下底物（蛋白质）的部分展开和更高的可接近性，另一方面则是压力导致了酶的蛋白水解活性增强[41]。而较高的处理压力则抑制蛋白酶的活性，同时使底物聚集，降低了切割位点的可及性，因而导致水解程度降低[30,41,43]。

还有一些研究发现HHP 辅助蛋白酶解的产物具有更高的生物活性。赵贵川[44]研究发现，HHP 处理能增加米渣蛋白中小分子肽的数量，并降低蛋白的平均粒径，导致中性蛋白酶水解米渣蛋白的水解度，且在400 MPa 下处理10 min 后水解产物的抗氧化活性最强。Garcia-Mora 等[43]在 100～500 MPa 下使用 4 种蛋白酶（碱性蛋白酶、Savinase、Protamex 和 Corolase 7089）对扁豆蛋白进行15 min 的酶促水解，并评估两种有预防或治疗高血压功能的生物活性肽（血管紧张素I 转换酶（ACE）抑制剂和抗氧化肽）的释放，研究发现 100 ～300 MPa 压力提高了 Protamex、Savinase 和Corolase 7089 蛋白酶的水解效率。在300 MPa 压力辅助下，酶促水解均完全，且生成更多小于3 kDa 的肽。同样压力下Savinase 对扁豆蛋白的酶解，产物的ACE 抑制活性和抗氧化活性最高。Guan 等[45]发现，在80～300 MPa 的 HHP 辅助下，Corolase PP 水解大豆分离蛋白的效率提高，水解产物的分子量降低；200 MPa下水解4 h 获得的水解产物具有更高的还原能力、ABTS 自由基清除能力和ACE 抑制活性。Zhang 等[30]发现，在200 MPa 下使用碱性蛋白酶对鹰嘴豆蛋白分离物进行20 min 水解产生的肽具有更高的抗氧化活性。

5 总结与展望

作为传统动物蛋白的一种替代品，植物蛋白越来越受到消费者青睐。然而由于植物体中的抗营养因子和一些植物蛋白结构中可能存在构象限制，导致植物蛋白水解效率低、消化性差、利用率低。研究发现，适宜的HHP 处理条件可以改变植物蛋白的构象，使其展开，暴露更多的酶接触位点，提高其消化率和消化速率。压力过高则导致蛋白质聚集，降低其消化性。另外，在HHP 辅助下进行植物蛋白的酶解，也发现酶解程度的增加，并且产生具有更高抗氧化活性、治疗高血压功能等生物活性的小分子肽。因此HHP 在植物蛋白质的改性方面，特别是消化性的改进方面有巨大的应用前景。今后可从以下方面进行更为深入和系统的研究：①探究HHP 对植物蛋白改性的机理，特别是对不同处理条件与不同溶剂环境对植物蛋白的结构和包括消化性在内的功能性变化的规律的研究；②除了体外水解模拟消化过程外，进一步通过体内消化特性的研究充分衡量HHP 处理对植物蛋白消化性的影响；③通过HHP 辅助植物蛋白酶解，对产生的产物的生物活性进行深入和系统的研究，寻求高效的生物活性肽的产生方法。另一方面，也可以对产物的体内生物活性进行进一步的研究。