藜麦蛋白的提取及功能性质与生物活性概述

王 雷 董吉林 申瑞玲

(郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州 450001)

在健康食品与营养产业快速发展的大环境下，高蛋白摄入成为饮食需求的主流。由于对动物蛋白过多摄入不利于健康的担忧，越来越多的消费者和食品生产商将目光投向植物蛋白。据Lumina营养市场调研报告显示，豌豆、大米蛋白在植物基蛋白市场中优势明显，而藜麦蛋白因丰富且均衡的氨基酸配比将更具开发潜力。藜麦被FAO认为是一种能满足人体基本营养需求的单体植物，有“全营养食品”、“超级谷物”之美誉，蛋白质含量12.9%～16.5%，高于传统谷物，且富含人体所需全部必需氨基酸。市场上，藜麦新产品不断涌现，如藜麦麦片、藜麦坚果棒、藜麦谷物牛奶等，同时相关藜麦蛋白功能性饮料、素食肉的开发也具有很大潜力。

随着市场对藜麦产品需求的不断增加，对藜麦蛋白营养价值和功能特性的研究也成为了当前研究的热点。就目前来看，国外对藜麦蛋白质的研究主要集中在提取工艺对其功能性质的影响、蛋白消化或水解多肽生物活性的差异以及在相关食品工业中的应用；国内在藜麦蛋白营养价值和应用方面已有一定研究，但尚有不足。本文结合当前国内外研究，对藜麦蛋白的提取方法、功能性质、营养价值和生物活性作出论述，为藜麦蛋白的加工与应用提供参考。

1 藜麦营养及其蛋白质组成

藜麦(ChenopodiumquinoaWilld)属于藜科(Chenopodiaceae)，是一种原产于南美洲的粒状作物，具有谷类特征，但不属于禾本科，被认定为一种假谷物。自2013年“国际藜麦年”以来[1]，藜麦的生产在世界范围内正在不断扩张。藜麦因其突出的营养特性受到了极大关注(表1)。目前，在全球范围内藜麦的种植主要分布在南美洲和北美洲(秘鲁和玻利维亚等)，亚洲、欧洲种植面积相对较少。我国自上世纪末开始在西北地区试验种植，并相继栽培出了适应于不同地区、气候的藜麦品种(青藜、陇藜等)。截止2017年，我国的藜麦种植面积已经达到13.5万亩，主要分布在甘肃、青海、山西、云南和内蒙古等地，年产量超过1.76万吨[2]。

藜麦籽粒呈扁圆形，比小米稍大，不同品种颜色有显著差异，可分为白、红、黑三系。其中蛋白质主要储存在种皮、胚和胚乳当中，质量分数在14.18%左右，高于多数谷类作物，与小麦(13.7%)接近[3]。藜麦蛋白主要由清蛋白和球蛋白组成(分别占35%和37%)，其中球蛋白由一组分子质量为30～40 ku的酸性亚基和一组20～25 ku的碱性亚基通过二硫键连接组成，清蛋白在还原条件下分子质量为8～9 ku[4,5]。此外，藜麦醇溶蛋白(0.5%～7%)和谷蛋白含量较低，谷蛋白亚基的表观分子质量范围为25～94 ku，且品种间存在一定差异[6]。

表1 藜麦与其他谷物营养素间的比较[7-10]/g/100 g

2 藜麦蛋白质的提取

目前，关于藜麦蛋白分离提取的方法有碱溶酸沉法、酶法、盐法等，近几年国内外有关藜麦蛋白干法分级的研究也有少量报道。

2.1 碱溶酸沉法

现阶段关于藜麦蛋白展开的研究大都采用碱溶酸沉法，Föste等[11]研究得出藜麦麸中蛋白的最佳提取工艺为碱提pH为10、时间1 h，且适当减小物料粒径能够更利于蛋白的溶出，同时在pH 4下藜麦蛋白质沉淀效果最佳；王棐等[12]发现藜麦粉在pH 11、料水比1∶12、温度45 ℃、时间为3 h的条件下蛋白提取效果最好，提取率可达67.13%，纯度为78.30%。随着pH值升高，藜麦蛋白可提取性逐渐提高，但是提取酸碱度也是影响蛋白结构与功能性质的重要因素，可以改变蛋白所带电荷、影响蛋白折叠程度、巯基和疏水基团含量，甚至导致蛋白发生变性[8, 13]。

2.2 酶法及盐法分离

碱溶酸沉的提取方法虽然简单易行，但在提取过程中需消耗大量的酸碱试剂，且会对蛋白质品质和功能产生影响，目前也有报道采用其他方法来获取藜麦蛋白。田格等[14]以藜麦种子为原料, 通过纤维素酶和糖化酶对其蛋白质进行复合酶解提取，结果显示当酶配比为4∶6(纤维素酶∶糖化酶)、酶解时间为70.59 min、酶解温度为50.06 ℃、总加酶量为427.18 U/g时，蛋白质提取率可达到76.82%。另外，盐法分离藜麦蛋白工艺也有报道，Elsohaimy等[8]研究了不同NaCl浓度(0～1 mol/L)对藜麦蛋白提取率的影响，结果发现萃取介质中加入NaCl能够显著提升藜麦蛋白的溶出(从353.61至467.58μg/ mL)，在一定范围内(0～0.5 mol/L)蛋白提取率与盐浓度呈正相关。MaKinen等[15]在其研究的基础上，用含有0.5 mol/L NaCl的0.1 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH 9)提取藜麦胚芽中蛋白质，所得蛋白纯度可高达91.3%。

2.3 其他分离方法

蛋白质的浓缩与分离常通过湿法进行，过程涉及大量水和试剂，且分离期间会对各组分蛋白产生不利影响。目前国内外有研究通过分级技术对蛋白进行浓缩。干法分级能够更为有效的保留其天然功能和营养特性[16]。Mauricio等[17]利用气流筛分仪对藜麦粉筛分，得到了不同级分的分离样品，在0.630～0.315 mm组分中测得了最高的蛋白含量(32.7%)，而富含淀粉的级分中淀粉含量高达86～89%。同样，与干法分级相似，Mufari等[18]利用不锈钢辊磨机对藜麦粉进行湿法碾磨(料液比1∶5)，分别得到富含胚芽和淀粉的馏分，在筛分尺寸为420～590 μm的胚芽级分中，蛋白含量为35.18%，淀粉为30.19%。然而单纯采用此类分级方法所得蛋白组分纯度较低，Ruiz等[19]将经研磨和空气分级的干燥馏分通过水相进一步分离，结果发现在0.5 mol/L NaCl溶液中藜麦蛋白的提取效果最佳，产率达到62%。Föste等[11]则先采用干法研磨，随用通过碱溶酸沉法提取藜麦蛋白，可使提取率达到68%。总的来说，干法分级和湿法碾磨得到的谷物蛋白营养成分流失较少，可充分挖掘谷物的营养价值和经济价值，但是获取组分中蛋白纯度较低，还需不断创新改进。另一方面，在实际生产中采用单一的蛋白提取方法很难达到理想目的，多种方法联用将是未来的一种趋势。

3 藜麦蛋白质的功能性质

蛋白质的功能性质与其自身氨基酸组成和序列、分子质量大小、电荷分布、疏水基团等息息相关，在其提取、加工、储藏过程中环境因素的改变也会使其功能性质发生显著变化。功能性质(如乳化性、起泡性、凝胶性等)的发挥与其可溶性组分含量密切相关，其中溶解程度与蛋白间相互作用及亲水疏水平衡相关联[20]。由于现如今藜麦蛋白的提取多采用碱溶酸沉法，因此对其功能性质的分析多从pH、温度等角度来开展。

3.1 溶解性

酸碱度是影响蛋白溶解性的关键因素，通常在低pH(3和5)下蛋白质溶解度较低(12.62%～20.52%)，在中性和碱性pH下溶解度显著升高(58.36%～74.24%)[21]，这与大豆[22]、荞麦[23]、奇亚籽蛋白[24]性质相似，均高于大米蛋白[25]。王斐等[12]研究发现在较低pH(3、4和6)下藜麦蛋白的溶解性均高于豌豆蛋白，且在pH 6时溶解度高于大豆蛋白。溶液中pH的变化能够改变蛋白质的电荷分布，进而影响蛋白质与溶剂间的相互作用。Mir等[26]研究发现随着碱提pH(9～12)的升高，藜麦蛋白溶解性先增强后减弱(60.22%～75.34%～70.78%)，这是因为在碱性条件下羧基的电离和氨基的去质子化使蛋白质中所带负电荷逐渐增多，进而蛋白之间的静电斥力也随之增大，然而碱性的增强也可导致蛋白质发生变性聚集，进而对其溶解产生不利影响。蛋白质的溶解性也依赖于温度，在20～35 ℃时，藜麦蛋白的溶解性随着温度提高而上升，当温度继续上升(35～95 ℃)时溶解性反而下降，这可能与蛋白分子的聚集和疏水性基团的暴露有关[20]。大豆蛋白和奇亚籽蛋白在50～60 ℃时具有最好的溶解性，这与水分子和蛋白间运动的增强以及蛋白立体结构的伸展有关，随后过高的温度使得蛋白发生变性凝结，同时盐、多糖的添加也会对蛋白的溶解性产生影响[24]。另外，不同处理条件(如超声、酶解)均会对藜麦蛋白的溶解性产生一定影响。Vera等[27]研究结果显示高强度的超声波处理能够显著的提升藜麦蛋白的溶解性(从59.3%增加到86.5%)，并发现这与可溶性多肽的生成有关。蛋白质的酶解作用能够显著提升其溶解性，这是由于不溶性蛋白质聚集体解离生成小肽，增加了亲水基团的暴露，并促进亲水性氨基酸与水环境的相互作用[28]。

3.2 持水性与持油性

蛋白质的持水性和持油性是其在食品加工过程中的重要特性和质量控制指标。一般认为持水性能是蛋白质溶胀、粘度增加、形成凝胶等一系列物理化学反应的综合效应，其影响因素包括蛋白分子大小、形状、空间、构象等[29]。研究结果显示藜麦蛋白(2.8～4.5 g/g蛋白)具有与大豆蛋白(4.3 g/g蛋白)相似的持水能力[30]。持水力与pH相关，较高pH值可以增强蛋白质持水力，这可能也与等电点附近蛋白质的低溶胀性、低粘性有关[21, 29]。持油性的机制主要归因于对油的物理截留，也归因于蛋白质的疏水性。不同品种藜麦蛋白的持油性也有较大差异，分布在2.81～4.42 g/g蛋白之间[21]。另外，蛋白质的持油性与其在乳液形成过程中的行为也有一定关系。

3.3 乳化性与乳化稳定性

乳化活性定义为蛋白质通过在油-水界面吸附油而形成乳液的能力。王棐等[12]研究表明藜麦蛋白的乳化活性为5.21 m2/g，高于豌豆蛋白的(3.84m2/g)，但低于大豆蛋白的(7.86 m2/g)且具有良好的乳化稳定性(87.99%)，这可能是蛋白中疏水性氨基酸含量差异所致。Elsohaimy等[8]发现蛋白的乳化能力随浓度的升高而显著增强，当溶液中蛋白浓度从0.1%增加到3%时，乳化活性从1.24 m2/g升高到3.38 m2/g。另外，有研究通过测量计算管内乳化层高度占总高度的百分比来表征藜麦蛋白的乳化性，结果显示乳化活性(55.09%～64.07%)和乳化稳定性(50.15%～55.40%)均随pH的升高而增强[26]。湿热处理温度变化能够影响藜麦蛋白乳化活性，在20～80 ℃时，乳化能力随着温度升高而上升，当温度继续上升时，乳化能力逐渐下降，这可能是热处理导致了蛋白质的表面疏水性增加，进而增强了液滴间的絮凝作用，随后乳化性的减弱可能是蛋白质高温变性的缘故[20]。Aluko等[28]研究发现适当的蛋白水解可以有效地提升其乳化活性，高比例的小肽不适合乳液的形成，而当水解产物含有较长肽链时，能够显著增强蛋白质-蛋白质间的相互作用。

3.4 凝胶性

凝胶特性是近年来备受关注的蛋白质功能性质之一。在一定蛋白浓度下，热、pH值和酶可通过不同的反应机制参与凝胶的形成，共价键(二硫键)和非共价(疏水、氢键和静电)相互作用在蛋白质凝胶形成中起着关键作用[31]。Kaspchak等[32]研究了不同pH条件下热处理对藜麦蛋白凝胶性影响，发现在pH 3.5时藜麦蛋白凝胶比pH 7.0时更加致密且具有黏弹性；在pH为8和9时加热10%藜麦蛋白悬浮液，蛋白发生明显聚集形成致密结构的网状半固体凝胶，而当pH升高为10和11时，蛋白颗粒排列松散而不均匀[33]；不同阳离子添加(CaCl2和MgCl2)可以增加其凝胶强度，这可能是在凝胶网络中形成纤维状连接的缘故[32]。另外，卡拉胶的存在还会影响酸诱导藜麦蛋白的聚集及凝胶的形成，在酸诱导的聚集过程中似乎是蛋白-蛋白和蛋白-卡拉胶相互作用之间的竞争，在蛋白浓度较高时，两种生物聚合物都存在，这表明藜麦蛋白本身以及藜麦蛋白和多糖相互作用均具有形成凝胶的能力，但影响因素还需要深入研究[34]。

3.5 热特性

通过差示扫描量热(DSC)分析可测定蛋白变性温度(Td)和变性焓(DH)，反映未变性蛋白的比例或其结构有序度，进而表征其热稳定性。Abugoch James等[30]研究结果表明藜麦蛋白(提取pH 9)在85.6～103.1 ℃间显示吸热，变性温度(Td)为(98.1±0.1)℃，变性焓为(12.4±1.6)J/g，而当提取pH为11时不显示吸热，可能是极端提取pH条件导致蛋白质发生了变性。Ruiz等[33]发现在不同提取pH(8、9、10)下藜麦蛋白的变性温度均在97 ℃左右，而随提取pH的升高变性焓逐渐降低(10.2至0 J/g)，这与蛋白在碱化和酸处理过程中发生的不可逆变化的程度有关。另外，蛋白质的热特性与其二级结构、溶解性、乳化性和凝胶性均有相关联系，热特性分析对于蛋白在以热加工为基础的食品行业中的功能性应用十分有意义。

4 藜麦蛋白质的营养品质与生物活性

4.1 营养品质

藜麦蛋白质因其必需氨基酸的平衡模式而被认为是优质蛋白，富含甲硫氨酸和赖氨酸，能够提供与牛奶中酪蛋白相似的生物价，是少数优质植物蛋白源之一[35]。表2给出了藜麦及其蛋白中必需氨基酸的含量及与FAO标准的比较。另外，研究发现藜麦球蛋白中甘氨酸，蛋氨酸，组氨酸(A：酸性亚基)和丙氨酸，亮氨酸，酪氨酸(B：碱性亚基)成分含量较高，而清蛋白在半胱氨酸，精氨酸和组氨酸方面优势明显，藜麦蛋白不同组分之间表现出氨基酸互补，营养均衡的特点[4, 5]。在乳糜泻毒性试验中藜麦并未表现出明显的免疫反应，且患者对添加了藜麦的无麸质饮食表现出良好的耐受性，因此藜麦可作为一种安全理想的无麸质谷物替代品[36, 37]。另外，藜麦蛋白体外消化率(在75.95%和78.11%之间)较高，且蛋白消化率和氨基酸生物利用度随着品种和处理方式不同而变化[38, 39]。

表2 藜麦及其蛋白质中必需氨基酸的含量及与FAO标准的比较/g/100 g蛋白

4.2 生物活性

在一项饲喂藜麦蛋白的小鼠试验中发现补充藜麦蛋白饮食能够有效防止血浆和肝脏总胆固醇水平的增加，藜麦蛋白显示出体外胆汁酸结合活性，在抑制HMG-CoA还原酶表达的同时，能够促进CYP7A1(胆固醇7-羟化酶)的表达，结果表明藜麦蛋白饮食可通过抑制小肠中胆汁酸的再吸收和控制胆固醇合成和分解代谢来起到降低胆固醇的作用[44]。田格等[14]研究结果表明藜麦蛋白具有良好的抗氧化活性(DPPH 自由基和羟自由基清除能力)。另外，关于藜麦蛋白消化及水解释放肽的生物活性研究较为广泛。研究表明碱性蛋白酶的酶解作用能够有效增强藜麦蛋白的自由基清除能力和抑制ACE(血管紧张素转化酶)的活性[28]。Vilcacundo等[45]研究了不同超滤级分的藜麦蛋白胃肠消化肽的抑制活性，发现胃消化产物仅对二肽基肽酶IV(DPP-IV)显示出抑制活性，而经肠消化后其对DPP-IV的抑制作用显著增强，同时显示出对α-淀粉酶和α-葡糖苷酶较强的抑制活性，进一步研究发现小分子质量短肽(<5 ku)被认为是抑制碳水化合物水解酶的重要因素。同时，研究还发现具有小分子质量的短肽级分(<5 ku)拥有更高的抗氧化活性(ORAC值为2.72 μmol Trolox当量/ mg蛋白质)，这可能与产物中高疏水性或芳香族氨基酸的含量相关，肠消化产物能够更加有效地抑制癌细胞的活力，且具有较高分子质量(>5 ku)的蛋白肽抑制效果更为明显，因此藜麦蛋白消化产物可作为生物活性肽的来源用于预防和控制T2D(二型糖尿病)、减少氧化应激相关疾病，以及癌症[46]。藜麦蛋白及其消化产物具有有效地生物功能活性，然而特定形式、特定剂量的研究具有一定局限性，更多关于原料蛋白及其加工方式和体内功能活性的研究还需进一步开展。

5 结论

近些年来，人们对基于谷物饮食所可能面临的营养问题给与了高度关注。作为新兴动物蛋白替代源的饮食作物在一定程度上能够缓解全球食品危机。藜麦具有丰富的营养价值和健康功能作用，在食品行业中具有广泛的应用前景。与其他常规谷物相比，藜麦具有高品质蛋白质和广泛的氨基酸组分，特别是富含赖氨酸。同时，低含量的醇溶蛋白和谷蛋白也使其更加适合乳糜泻患者食用。然而，就当前研究来看，藜麦蛋白的提取方式对其功能性质有着显著的影响，其中涉及蛋白纯度、溶解性、变性程度等关键因素，因此寻求温和且高效的分离方法对今后藜麦蛋白质的工业化生产与应用十分重要；另一方面，蛋白功能性质的变化与其结构的改变密切相关，pH和温度能够显著的影响藜麦蛋白的表面疏水性和二级结构，蛋白的聚集与疏水相互作用和二硫键的交联密切相关，本文在此方面并未作出相关探讨，对藜麦蛋白微观结构变化与其功能品质关系的相关研究还需继续深入开展。另外，加工处理方式对藜麦蛋白性质影响较大，此方面的研究对藜麦蛋白应用范围的拓展意义非凡，也将是今后研究的热点。总之，藜麦蛋白营养价值丰富，生物活性广泛，在健康食品与营养产业快速发展的背景下，将会受到更多人的青睐。