高粱醇溶蛋白结构与功能活性的研究进展

蔡 晓 李 忍 姜 鹏 阮长青张东杰,3 王长远 李志江,3,4

(黑龙江八一农垦大学食品学院1，大庆 163319)(黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心2，大庆 163319)(国家杂粮工程技术研究中心3，大庆 163319)(北大荒现代农业产业技术省级培育协同创新中心4，大庆 163319)

高粱是人类种植的五大谷物作物之一，其产量仅为全世界谷物总产量的3%，与玉米(40%)、小麦(28%)和水稻(29%)相比差距较大[1]。由于膳食结构的调整和人们对谷物的营养需求不断增加，对高粱食品的开发和利用显得尤为重要。与其他主要谷物相比，高粱在种植条件上更具有优势，在严重缺水的种植环境中，高粱在产量上可以超越玉米[2]。在美国和澳大利亚等地区，高粱一般作为猪和家禽的饲料；高粱在中国主要以酿造白酒和生产工业乙醇最为常见。在食品加工过程中，由于高粱富含的醇溶蛋白消化性较差，限制了高粱食品的开发和应用。

醇溶蛋白是谷物种子胚乳中氮源的主要贮藏形式，决定了成熟种子的籽粒结构[3]。高粱醇溶蛋白在其全蛋白中占比为70%～90%[4]，在氨基酸组成上，人体所必须的色氨酸和赖氨酸不足，并且蛋氨酸的含量极低[5]，导致高粱谷物较少被烹饪食用。但高粱醇溶蛋白具有强疏水性和较好的成膜性，直接将高粱醇溶蛋白制备食品级薄膜，涂抹于食物表面，可以延长其货架期，应用于食品包装材料领域。高粱醇溶蛋白颗粒还可附着在水油界面，发挥表面活性剂的作用，提升乳液稳定性，可作为含有乳液体系的牛奶、奶油等食品的乳化剂。高粱醇溶蛋白可以制作醇溶蛋白面团，应用在面包等焙烤食品加工中。可通过体外酶解制备具有降血压功效的血管紧张素抑制肽和抗氧化肽。本文利用高粱醇溶蛋白的强疏水性的特点，综述制备应用于食品包装材料的生物膜、与化合物交联作为活性成分的包埋载体、调控基因提高蛋白消化率和体外酶解制备高粱醇溶蛋白活性肽等内容，为其在食品加工领域的广泛应用提供参考。

1 高粱醇溶蛋白的组成及类型

高粱醇溶蛋白富含脯氨酸、丙氨酸、亮氨酸等非极性的中性氨基酸，占总氨基酸的60.1%，是醇溶蛋白呈现较强疏水性的主要原因[6]。呈现较强疏水性的谷物醇溶蛋白还包括玉米醇溶蛋白、小麦醇溶蛋白、大麦醇溶蛋白等，因氨基酸组成不平衡，具有耐受消化的特点[7]。根据分子量的差异，高粱醇溶蛋白可分为α-、β-、γ-、δ-四种类型，其中α-醇溶蛋白(22～27 ku)占70～80%，β-醇溶蛋白(18 ku)占7～8%，γ-醇溶蛋白(50 ku)占9～12%，δ-醇溶蛋白(15 ku)占比小于1%[8]。高粱醇溶蛋白主要以α-醇溶蛋白沉积在蛋白体内部，β-和γ-醇溶蛋白包裹在外部的[9]。这种存在形式导致蛋白体内部的蛋白质不易受人体的消化酶，进而阻碍了醇溶蛋白在人体内的消化吸收。由于链间二硫键的稳定性较强，γ-醇溶蛋白以单体形式存在并易溶于水[10]，但β-醇溶蛋白富含胱氨酸，导致β-和γ-醇溶蛋白通过二硫键的作用紧密联结在一起，造成高粱醇溶蛋白的消化率低，是高粱食品难以被烹饪食用的主要原因[11]。

2 高粱醇溶蛋白的结构及自组装特性

高粱醇溶蛋白与玉米醇溶蛋白结构相似。玉米醇溶蛋白分子会随着乙醇溶液极性的加强，从α-螺旋向β-折叠构象转变，持续蒸发溶液，β-折叠构象在疏水作用下呈现反向排列，产生首尾相连的条带，条带继续卷曲最终形成纳米颗粒，完成自组装过程[12]。通过改变溶剂极性和醇溶蛋白质量浓度，同样可以调节高粱醇溶蛋白发生自组装过程。Xiao等[6]利用傅里叶变换红外光谱图分析技术，确定了高粱醇溶蛋白的二级结构组成。其中包括49%的α-螺旋结构，27%的β转角结构和24%的β-折叠结构，并且在原子力显微镜下，观察了高粱醇溶蛋白的构象和自组装行为。在不同的蛋白质量浓度下，高粱醇溶蛋白先是以椭球形或圆盘状颗粒的形式均匀分散存在，随着浓度的增加，除个别的球形颗粒存在，大的盘状和棒状颗粒也开始出现。在三维空间中，测得典型的盘状颗粒三轴的长度分别为115 nm(x轴)、106 nm(y轴)和13 nm(z轴)，典型的棒状颗粒三轴的长度分别为246 nm(x轴)、86 nm(y轴)和12 nm(z轴)。随着蛋白颗粒的继续聚集，最终形成了更大的盘状或棒状结构。与之结构不同的谷物醇溶蛋白也具有一定的自组装特性，如麦醇溶蛋白(小麦和大麦)。小麦醇溶蛋白由于亮氨酸、色氨酸等疏水性氨基酸的存在，使其具有两亲特性，该特性决定了发生自组装的能力[7]。大麦醇溶蛋白在乙醇溶液(60%)中，呈现为修长的棒状构造，并且随着浓度的增加，蛋白微粒发生轻微聚集现象，形成比高粱醇溶蛋白粒径更小的醇溶蛋白微粒。在扫描电子显微镜下，可以观察到粒径范围在8～15 μm的光滑、扁平的球状微粒[13]。

自组装是分子从无序的状态自发形成有序结构的过程，蛋白质分子的自组装是通过疏水作用、范德华力、氢键等一些非共价相互作用发生的[13]。高粱醇溶蛋白的自组装特性在生物活性成分运输中具有重大意义。高粱醇溶蛋白具备独特的强疏水性，因此能够应用反溶剂法使其自组装构成纳米颗粒[14]，与疏水性药物共同沉淀，作为传递系统广泛应用在封装和运输各种药物或营养保健品中。

3 高粱醇溶蛋白的功能及活性

高粱醇溶蛋白富含疏水性氨基酸，具有丰富的活性蛋白肽序列，在开发和应用中具有运输生物活性成分、制备包装薄膜、改善高粱蛋白消化率、生产无麸质面团、制备生物活性肽等多方面的功能及活性(如图1所示)。

图1 高粱醇溶蛋白主要功能活性树形图

3.1 运输生物活性成分

由于高粱醇溶蛋白疏水性氨基酸含量较高，能与疏水性的生物活性物质产生较好的亲和力。高粱醇溶蛋白结构具有独特的自组装能力和不易被消化的特点，使其具备稳定的包埋能力，在食品工业应用中具备较好的开发前景。疏水性活性物质由于低水溶性和低生物利用度、在食品加工中易氧化变性和在人类消化系统中的不稳定性等劣势，如多酚类化合物、糖皮质激素类、功能性蛋白、功能性脂类等，使得其无法直接添加到食品中。因此以高粱醇溶蛋白为载体，对活性物质进行包埋来提高其体内利用率和功能活性的稳定尤为重要。

生物活性物质的输送系统类型较多，其中纳米颗粒、乳液、纤维、微胶、微球应用广泛。利用高粱醇溶蛋白进行荷载运输的生物活性成分较少，目前的研究主要集中在单宁、姜黄素、白藜芦醇的荷载运输等领域。

单宁是一类多酚类化合物的总称，具有抗氧化、抗菌等多种生物活性[15]。Taylor等[16]通过乙醇法制备高粱醇溶蛋白颗粒，发现其具有的多孔结构，这些内表面积较大的颗粒可能具有良好的包埋能力。通过对高粱单宁的包埋，并进行体外消化实验，发现被包埋的单宁抗氧化活性释放量达到了50%，证明了醇溶蛋白颗粒对抗氧化物质的包埋效果较好。但醇溶蛋白颗粒的内部空间并未得到充分的利用，这也导致了包埋率下降，可能会影响单宁抗氧化活性的持续作用效果。同时，Links等[17]也利用高粱醇溶蛋白对高粱单宁进行了包埋处理，包埋率达到48%。在体外消化实验中发现，经过包埋的单宁对α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制活性良好，未经包埋的单宁抑制活性则会大量丧失，证明了高粱醇溶蛋白-单宁复合颗粒具有良好的降血糖潜力。为了使高粱醇溶蛋白-单宁复合颗粒的降血糖功效更具备说服力，Links等[18]又通过大鼠口服淀粉耐受实验，确定高粱醇溶蛋白-单宁复合颗粒的体内降血糖功效。实验发现，复合颗粒可以抑制大鼠小肠碳水化合物的分解，阻止血糖峰值，使最高血糖水平降了11.8%，达到降血糖的目的。同时经过包埋的单宁，苦涩味被掩盖，大鼠会自愿服用。通过以上研究可以推测，高粱醇溶蛋白-单宁复合颗粒具有良好的抗氧化性和降血糖功能，同时醇溶蛋白对单宁的活性保护较好，但包埋率和活性成分释放情况还需要进一步提高，这也是未来研究的热点方向。

姜黄素是一种天然酚类化合物，具备抗氧化抗菌等生物活性，但由于其水溶性差，导致生物利用率较低。近年来研究人员通过纳米络合、微胶囊等方式提高姜黄素的生物利用度[19]。李晓晖等[20]通过应用反溶剂法将高粱醇溶蛋白与姜黄素制备成复合颗粒(姜黄素-高粱醇溶蛋白复合颗粒)，包埋率和负载率分别达到62.61%和6.51%。在30 d贮藏期内，复合颗粒的粒径和多分散性系数均无明显变化，但在pH 5～pH 8环境中，颗粒易出现聚集现象。李兴飞等[14]通过反溶剂法和静电吸附作用制备两种类型的负载姜黄素的高粱醇溶蛋白-卡拉胶复合纳米颗粒，包埋率分别为89.6%和84.1%，负载率为8.01%和7.49%。通过30 d贮藏实验，发现复合纳米颗粒平均粒径和PDI(多分散性系数)均无明显变化，说明复合纳米颗粒稳定性较好。通过体外消化模拟实验发现，两种类型复合颗粒均显著增加了姜黄素的释放率。与李晓晖等[20]制备的复合颗粒相比，加入卡拉胶可以使姜黄素的包埋率和负载率有所提高，且在贮藏过程中复合颗粒表现的更加稳定。Xiao等[21]通过酸诱导制备出高粱醇溶蛋白-羧甲基壳聚糖纳米颗粒，发现加入羧甲基壳聚糖后，姜黄素的包封率和负载率分别由(55.0±1.1)%和(5.0±0.1)%，提升为(86.1±2.1)%和(6.1±0.2)%，并且光稳定性、胃肠道溶出度和细胞摄取率均有所提高。因此，高粱醇溶蛋白与亲水性化合物制备的复合颗粒，在提高姜黄素包封率和负载率方面有积极作用。Li等[22]使用高粱醇溶蛋白以壳聚糖和硫酸葡聚糖为载体，以碳酸钠为牺牲模板，制备包埋姜黄素的中空纳米颗粒，通过静电层析沉积硫酸葡聚糖-壳聚糖来增强化合物的包埋度、稳定性和释放活性。实验发现，中空类型纳米粒子包封效率高，在胃肠道溶出情况中也表现出较慢的姜黄素动力学释放速率，此研究为制备中空纳米颗粒负载姜黄素提供了参考依据。

白藜芦醇是非酮类多酚化合物，主要存在于葡萄中，具有抗氧化、抗炎和抗肿瘤等多种药理活性[23]。Khan等[24]利用β-乳球蛋白或酪蛋白与高粱醇溶蛋白复合包埋白藜芦醇，发现2% β-乳球蛋白或0.2%酪蛋白形成的颗粒粒径最小，白藜芦醇的负载率为67%～76%，酪蛋白-醇溶蛋白复合颗粒的负载率最高，同时白藜芦醇更加稳定。β-乳球蛋白-醇溶蛋白复合颗粒则使白藜芦醇的DPPH自由基清除能力有所提高。Pu等[25]以碳酸钠为牺牲模板，将没食子酸与高粱醇溶蛋白复合制备纳米颗粒包埋白藜芦醇，发现空心纳米颗粒比固体颗粒负载率更高，冻干后的再分散性更好。当荷载量小于20%，纳米颗粒的平均直径小于100 nm时，冻干后的颗粒仍能获得稳定的胶体分散体系。同时颗粒具有抗胰酶的稳定性，促进消化的延迟释放。由此可知，高粱醇溶蛋白作为白藜芦醇的运输载体，对其功能性保护较好，并且复合颗粒具有高负载率、较好的分散性和稳定的释放效果。

除常见的生物活性成分，高粱醇溶蛋白也可以荷载激素类、蛋白类和油脂类成分。Anyango等[26]分别通过湿热处理和戊二醛试剂对高粱醇溶蛋白进行改性，得到两种类型颗粒，将BMP-2(骨形成蛋白-2)与改性的醇溶蛋白制备成复合颗粒。改性处理的醇溶蛋白的BMP-2包封率较未改性组分别提高了10%和14%，说明改性增强了高粱醇溶蛋白对BMP-2的包埋能力。但复合颗粒的BMP-2的释放情况和安全性还未得到验证，暂时无法确定复合颗粒对骨形成的发生是否有效。Esther等[27]将高粱醇溶蛋白与泼尼松龙(一种糖皮质激素)混合，制备高粱醇溶蛋白-泼尼松龙颗粒，在模拟胃肠道条件下，测得泼尼松龙的释放量为15%～27%，在30 min时可达到最大释放量，由此可知高粱醇溶蛋白具有输送口服药的潜在能力。Bai等[28]利用高粱醇溶蛋白和酪蛋白酸钠为壁材，通过喷雾干燥法制备了大豆油微胶囊。微胶囊的包封率为40.15%，包封后的不饱和脂肪酸损失率不到3%，并且该微胶囊粉体具有水分含量低，粒径小，溶解性好的优点。研究表明，高粱醇溶蛋白对油脂具有保护作用，并可提高植物油和油溶性营养成分在食品中的利用率。

Pickering乳液具有良好的稳定性、长期的抗聚并性和生物活性成分运输功能。天然可食用蛋白质能够作为Pickering乳液颗粒稳定剂，其安全性和抗聚并性一直备受食品行业的青睐[29]。高粱醇溶蛋白可以通过自组装行为形成纳米颗粒，作为颗粒稳定剂在稳定乳液中发挥作用。Xiao等[30]采用反溶剂法制备高粱醇溶蛋白纳米颗粒，与植物油进行均质制备Pickering乳液。形成的水包油型乳状液内部油相分数为58.8%～78.6%，具有较好的抗聚并性。通过对粒子浓度、水相含油量和离子强度的参数分析，发现随着水相中颗粒浓度的增加，乳化相体积增大，油滴尺寸减小，黏弹性增加；而随着油相含量的增加，乳化相体积分数和液滴尺寸增大，流变性质由流体向弹性转变。在水相中加盐，可以促进乳液的迁移，提高了乳液的硬度。实验发现，这些特性使高粱醇溶蛋白Pickering乳液在贮藏浓缩型水包油产品方面具有优势，同时利用醇溶蛋白替代表面活性剂作为乳化剂，使醇溶蛋白Pickering乳液成为一种新型的可调特性的“无表面活性剂”乳液。在未来，随着消费者对绿色健康需求期望的增长，醇溶蛋白Pickering乳液会成为安全天然乳化剂的研究热点。Xiao等[31]继续以高粱醇溶蛋白为外层稳定剂，制备了水包油包水(W/O/W)的双层Pickering乳液，以花青素作为标记物，发现封装稳定性(ES)达到(85.1±2.0)%，在室温条件下贮藏15 d后，ES值下降为(75.9±5.9)%，证明双层Pickering乳液能维持良好的稳定性。通过胃肠道消化研究发现，双层Pickering乳液具备良好的释放效果，在消化过程中逐渐分解，释放出油或水溶性物质，最后在肠液中被消化吸收。

高粱醇溶蛋白的荷载功能在提高生物活性成分的稳定性和利用率上有很好的辅助作用，可以广泛应用在食品荷载，疏水性活性物质保护以及维持其稳定性等方面。但在使用过程中不仅要考虑功能性成分的稳定性和利用度，还要保证不会影响食物的外观、质地和味道等。虽然在实验室规模上，高粱醇溶蛋白的荷载功能得到初步验证，但要在工业化生产中实施，还存在一定困难和局限性。与高粱醇溶蛋白相比，玉米醇溶蛋白作为纳米运载体材料，在包埋率、稳定性和药物释放等方面的性能更加理想，并且玉米醇溶蛋白通过各种改性技术，在提高包埋率等性能的同时使其具备新的特性[32]，在提高Pickering乳液的抗氧化能力的同时增加乳业体系的稳定性[29]。未来对高粱醇溶蛋白荷载功能的研究可以通过添加多种稳定剂与其复合，制备具有多种功能的复合颗粒，比如在传递活性成分的同时可以作为乳化剂维持牛乳等乳制品的分散体系稳定。尝试通过修饰和改性，改变高粱醇溶蛋白的结构和性质，拓宽其应用范围，以适应不同的实际需求。最后多进行体内评估，确保应用在人体时可以安全有效。

3.2 制备包装薄膜

由于高粱醇溶蛋白特殊的氨基酸组成，使其制备成可降解食用薄膜成为可能。高粱醇溶蛋白薄膜在添加特殊活性成分或化合物的情况下，可以具备良好的阻水性、抗菌性和抗氧化等特性。在添加增塑剂后，还能使其机械性能明显改善，使其具备良好的延展性。高粱醇溶蛋白膜具有的保湿、防潮、阻氧、抗菌等特性，能在一定程度上延长果蔬等食品的货架期。并且在自然条件下，高粱醇溶蛋白膜可以被自然界生物降解，具备绿色环保的天然优势。因此，高粱醇溶蛋白可以作为一种优质的可食用蛋白膜材料。在食品、农业和医疗等领域中，高粱醇溶蛋白能成为一种取代塑料的绿色环保包装材料，应用前景将会十分可观。

通过对高粱醇溶蛋白与化合物的复合，包括官能团改性、增塑剂互作和活性成分结合等方式，可以在一定程度上改善其功能特性。Wang等[33]利用高粱醇溶蛋白和凝胶复合制备出具有良好单向阻水性能的高粱醇溶蛋白膜，其特点是同时具有防潮和保湿的双重功能。在涂膜时，醇溶蛋白在外层，凝胶物质在内层。当水分从高粱醇溶蛋白层转移到凝胶层时，吸湿导致醇溶蛋白层的紧密排列限制了水分的进一步渗透和迁移，水蒸气渗透能力显著降低，能起到防潮效果。凝胶层的吸水性有利于水分的渗透，当凝胶层吸水后，发生膨胀，水蒸气通过凝胶层获得流动性，使醇溶蛋白聚集，限制水分蒸发，达到保湿效果。通过结构的改变，制备的复合膜具有单向阻水的特性，在果蔬包装等领域的应用具有优势。并且多层膜设计，使复合膜具有良好的紫外光防护性能，凝胶层的存在还可提高膜的透明度。Mahajan等[34]对高粱醇溶蛋白侧链官能团进行了改性，制备了酰胺类和酯类衍生物。通过压膜法制备成薄膜，并进行了力学和热力学分析。改性的酯基薄膜比改性的酰胺基薄膜吸水性能更好，说明改性的酯基薄膜有更好的耐水性。与未改性膜比较，改性的酰胺基薄膜具有更高的力学性能，说明改性后膜的机械性能得到了提高。同时酰胺基薄膜具有良好的热稳定性，与酯基薄膜相比机械性能表现更好，因此酰胺基薄膜性能更优良。

由于高粱醇溶蛋白的刚性较强，导致其脆性大，容易破碎。增塑剂则有改善这一性能的特点，使其机械性能得到提高。Patil等[35]通过三种增塑剂与高粱醇溶蛋白的相互作用，制备出聚乙二醇400、甘油醋酸酯和柠檬酸三乙酯，三种类型的薄膜。添加10%甘油醋酸酯制备的高粱醇溶蛋白薄膜具有最佳热性能和机械性能，最低水蒸气渗透值，可应用在食品领域中。Olivera等[36]通过添加LAPONITE®改变膜的韧性和硬度，由于α-螺旋和β-折叠含量与相对亲水性相关，α-螺旋减少，膜亲水性会发生变化，使薄膜韧性降低。Lal等[37]在超声水浴条件下，通过催化剂(2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物)对纤维素纳米纤维进行氧化。将制备的温氧化纤维素纳米纤维与高粱醇溶蛋白结合制备薄膜，研究了加入0%～1%温氧化纤维素纳米纤维对高粱醇溶蛋白结构和复合膜的影响。结果发现，当温氧化纤维素纳米纤维浓度为0.5%时，纳米纤维与蛋白质之间的交联度增加，结晶度和热稳定性同时提高，并且复合膜在pH 3和pH 7.3条件下可保存24 h以上，稳定性良好。以上研究表明，通过添加化合物对高粱醇溶蛋白进行改性，可以使其成膜性更加优异，在一定程度上扩展了高粱醇溶蛋白膜的应用范围。

高粱醇溶蛋白最初作为涂膜剂对果蔬进行涂膜处理，目的是给果蔬保鲜，作为贮藏、运输和货架期等环节的一种保护手段。Buchner等[38]将高粱醇溶蛋白制备成涂膜液，均匀涂膜在梨的表面。经过涂膜处理的果实出现呼吸速率下降，衰老进程延缓的现象，对果实的品质具有一定保护作用。但在20℃条件下，货架期结束时，梨的水分损失较大，品质变差。因此，后期通过加入蜡或甘油三酯的方法进行改善，减缓了因果实水分丧失对品质产生的影响。

随着对高粱醇溶蛋白成膜研究的不断深入，目前已经出现较多对肉类食品包装的相关研究，包括对猪肉、鸡肉、鱼肉的包装保鲜。高粱醇溶蛋白膜在一定程度上起到抗菌、抗氧化的作用，使肉类食品的质量和安全得到提高。在提取的高粱醇溶蛋白中添加乳酸链球菌素，将混合物涂抹在鲜猪肉表面，放置在无菌保鲜盒中，在4 ℃条件下进行贮藏。通过测定抑菌效果和猪肉中脂肪的氧化程度可以发现，制备的高粱醇溶蛋白膜可以有效抑制猪肉中细菌等微生物的繁殖和脂肪的氧化，并且在冷鲜猪肉的贮藏保鲜过程中，明显延长了猪肉的保鲜期[39]。但实验未对膜的相关性能如透光率、透气率及水溶性进行研究，无法确定其实际利用价值。Giteru等[40]以高粱醇溶蛋白为原料，结合柠檬醛和槲皮素等物质研制出生物活性膜。其中柠檬醛复合膜对空肠弯曲菌、单增李斯特菌和荧光假单胞菌均表现出较强的抗菌活性。利用1.25%柠檬醛和1%槲皮素与高粱醇溶蛋白制备复合膜，对鸡肉的包装贮藏进行研究[41]。研究发现柠檬醛使薄膜延展性更好，并且对鸡肉中微生物的抑菌活性明显。同时槲皮素抑制脂质氧化的能力也发挥了作用，使贮藏过程中鸡肉的质量和安全得到提高。但添加柠檬醛和槲皮素也使薄膜呈现淡黄色，导致复合膜的透明度变差。Huang等[42]通过辐照制备高粱醇溶蛋白-槲皮素复合膜，在4 ℃冷藏条件下包装鳕鱼。辐照显著提高了复合膜力学性能和热性能，降低了水蒸气渗透性、水溶性和透明度。同时辐照在聚合物间形成新的交联体，使薄膜结构更加致密。使用复合膜对鳕鱼进行包装，发现薄膜可减缓冷藏过程中微生物的生长和总挥发性碱性氮和TBAR的生成。其中槲皮素抑制鳕鱼中不饱和脂肪酸的部分氧化，保持较低的TBAR值。TBAR是评价鱼制品脂质氧化程度的一个重要指标，它与鱼腥味、色泽、异味的变化以及质构的恶化密切相关。因此，高粱醇溶蛋白薄膜作为肉类食品的包装材料，通过其抗氧化、抗菌等特性，在延长鲜肉食品货架期方面具有一定优势。

目前，有关高粱醇溶蛋白制膜仅局限在对食品包装的研究，并且包装不具备安全的可食用性，距离商业应用和工业化生产还很遥远。其中主要原因是蛋白膜的性能还无法实现对市面上现有包装膜的替代，对其膜性能的改善还需进行更深入的探索。玉米醇溶蛋白包装膜也面临同样的问题，近年来有研究通过菊粉糖基化对玉米醇溶蛋白进行改性后，解决了玉米醇溶蛋白膜质地较脆的不足，同时改善了透光率、阻氧性等性能。并且糖基化改性与化学改性相比，不会有化学试剂残留的问题，提高了包装膜的安全性[43]。因此，同样可以通过糖基化改性等方法增强高粱醇溶蛋白膜的机械性能和可食用安全性的优势，使其在未来的食品包装领域中，展现出更大的潜能。

3.3 改善高粱蛋白消化率

各类醇溶蛋白的占比及分布决定了高粱蛋白的消化性。目前相关的研究主要通过蒸煮、发芽和调控相关基因的表达等手段提高醇溶蛋白消化率。α-醇溶蛋白未经处理就具有较高的消化率，影响醇溶蛋白消化性的主要原因是具有抗消化能力较强的γ-醇溶蛋白的存在。较高的半胱氨酸含量，是γ-醇溶蛋白难以被消化的可能原因[44]。

研究表明，蒸煮会使高粱蛋白质的消化率降低。主要原因是加热过程中二硫键的形成导致醇溶蛋白聚合改变了醇溶蛋白的二级结构，使结构从α-螺旋向β-折叠转变，胃蛋白酶对β-折叠结构的醇溶蛋白消化性差[45]。Silva等[46]蒸煮处理具有抑制醇溶蛋白合成能力的转基因高粱，发现熟化的蛋白消化率提升。因为转基因高粱中γ-醇溶蛋白含量低，并且以二硫键交联的醇溶蛋白含量也低。因此蒸煮处理提高蛋白质消化率只对γ-醇溶蛋白含量低的转基因型高粱有效。但将蒸煮与其他加工方法一起使用，也有提高蛋白消化率的效果。Cabrera等[47]利用碱化湿磨法对蒸煮处理的高粱进行处理，经过体外消化分析发现碱化湿磨法处理可以增加α-醇溶蛋白的释放量，并且降低了单宁和蛋白质的相互作用，可以使高粱醇溶蛋白的消化率提高。

高粱在萌发过程中醇溶蛋白的结构会发生变化，这可能会导致醇溶蛋白消化性质的改变。研究发现，在0～72 h发芽过程中，β-醇溶蛋白明显减少，α-醇溶蛋白含量变化不大，醇溶蛋白二级结构会发生变化，α-螺旋结构增加，β-折叠结构保持不变[48]。Afify等[49]将高粱籽粒浸泡20 h后进行72 h发芽处理，发现发芽后的高粱中蛋白质溶解度显著提高，交联醇溶蛋白的含量减少。通过以上研究可以发现，醇溶蛋白结构的改变，可能会影响交联醇溶蛋白的含量的变化。高粱蛋白的低消化率由醇溶蛋白交联所致，因此进行发芽处理可以提高高粱蛋白的消化率。

转基因型高粱一直是研究人员关注的重点，通过调控醇溶蛋白相关基因的表达，可以对高粱籽粒中醇溶蛋白含量产生影响。因此通过生物技术手段培育转基因型高粱，成为提高高粱蛋白消化率的主要研究方向。Chiquito-Almanza等[50]发现了高粱中编码γ-醇溶蛋白的等位基因，基因的错义突变可能改变γ-醇溶蛋白的二级结构，从而影响与其他分子的相互作用。并且基因的错义突变与赖氨酸含量的增加可能存在联系。Benmoussa等[51]培育出突变体P721Q高粱品种，发现基因的差异表达可能导致γ-和α-醇溶蛋白亚基之间蛋白质发生相互作用，改变醇溶蛋白的堆积方式，形成了多折叠形态的蛋白体，从而提高了消化率。Kumar等[52]等通过比较下调了γ-和29 ku α-醇溶蛋白的转基因高粱品种，发现单独下调γ-醇溶蛋白不会改变蛋白质的形成或影响蛋白质的消化率。但下调29 ku α-醇溶蛋白会导致蛋白质结构形态发生改变，并且提高蛋白质的消化率。由此发现，通过调控醇溶蛋白相关基因的表达确实可以达到提高蛋白消化率的目的，这与α-和γ-醇溶蛋白结构的改变存在一定联系。

醇溶蛋白占总蛋白比重较大，这也导致了将高粱作为主食的人和动物消化不良。长期食用高粱会引起营养不良，甚至会出现必须氨基酸缺乏导致的代谢类疾病，因此提高高粱蛋白资源的消化率显得尤为重要。从目前的相关研究中可以发现，从改变醇溶蛋白入手改善高粱蛋白消化率是一个不错的选择。在今后的研究中，一方面可以选择更多的食品加工方式对高粱进行处理，去改善醇溶蛋白难消化的特性。另一方面也要多利用生物技术手段，从醇溶蛋白的基因表达调控入手，通过培育新型基因品种，达到去除或大量减少醇溶蛋白生成的目的。

3.4 生产无麸质面团

高粱作为主要食用谷物，在面食领域的研究却还处于起步阶段。Oom等[53]最先发现高粱醇溶蛋白具有制备黏弹性面团的可能，通过收缩流动法证明了高粱醇溶蛋白具有烘焙面包所需的拉伸流变特性。并且醇溶蛋白面团的拉伸黏度和应变硬化率与小麦面团相似，因此具有制作无麸质面团的潜能。Goodall等[54]选用高消化率、高赖氨酸(HDHL)品种的高粱，将HDHL高粱醇溶蛋白作为黏弹性蛋白加入小麦面团中制作面包，面包弹性较好，具有较低的硬度和压缩性。将HDHL高粱面粉与18%的小麦面筋蛋白混合后，可以产生黏弹性面团，说明醇溶蛋白对黏弹性的蛋白质网络的形成有促进作用。Oguntoyinbo等[55]将高粱醇溶蛋白溶解在冰醋酸中，加水使其凝聚，制备出稳定的黏弹性面团，并表现出与面筋蛋白相似的高弹性。这项研究证实，高粱醇溶蛋白在未来可用于制备不含小麦的发酵面团产品，适用于麸质过敏的人群食用。通过对高粱醇溶蛋白的结构变化进行分析，Taylor等[56]发现高粱醇溶蛋白中γ-醇溶蛋白起到了保持面团弹性的作用。Elhassan等[57]将高粱醇溶蛋白溶解在冰醋酸中，形成的黏弹性物质表现出与面筋相似的弹性和黏性，发现在10 ℃下储存后，面团仍能保持功能，并且弹性增加。通过傅里叶红外光谱观察发现醇溶蛋白的α-螺旋构象显著增加，这可能是导致醇溶蛋白与水的结合增强，最终形成黏弹特性的原因。高粱醇溶蛋白的结构特性是决定其具备制备面团功能性的主要因素。Elhassan等[58]还对抑制醇溶蛋白的几种亚基类型表达的转基因高粱进行了研究，发现转基因高粱面粉具有更好的水溶性和糊化黏度，可以更好应用在无麸质面包制作领域。

我国无麸质食品的研究发展还处于起步阶段，高粱、玉米、大米等谷物都可以作为开发无麸质食品的原料[59]。由于小麦醇溶蛋白具有致敏性[60]，因此研究的主要方向是如何降低或去除其致敏性。与小麦醇溶蛋白相比，对高粱醇溶蛋白的研究更集中在其形成面团的硬度、黏弹性等物理特性的测定和分析。通过开发高粱制作无麸质面包，在增加麸质过敏人群的选择的同时，也可以丰富高粱蛋白资源的利用途径。高粱醇溶蛋白良好的面团特性在未来无麸质食物加工领域可能发挥巨大潜能。

3.5 制备生物活性肽

多数可食用谷物都具有治疗疾病或维持机体健康的作用，主要原因就是谷物经过机体多种活性酶的分解，最终产生具有特殊功能的谷物多肽。例如大豆活性肽，经小肠吸收后，可以发挥降血脂、降血压、缓解疲劳等作用，玉米多肽具有解酒、保肝等作用，小麦多肽能够调节神经并修复损伤肠黏膜，在降血糖、止痛等方面也具备良好的效果[61]。高粱作为主要谷物，在活性多肽的开发研究方面一直较少。Kamath等[62]通过糜蛋白酶处理高粱醇溶蛋白，经过分离得到具有血管紧张素转换酶(ACE)抑制活性的组分，IC50值在1.30～24.31 g/mL之间，这是较早以高粱醇溶蛋白作为来源制备生物活性肽的研究。近几年，对高粱醇溶蛋白生物活性肽的开发逐渐增多。Xu等[63]利用多种蛋白酶对高粱醇溶蛋白进行酶解，对多种蛋白酶的水解产物进行了分析比较。选定中性蛋白酶对醇溶蛋白进行酶解，通过化学分析和食品模型对酶解产物和组分进行抗氧化性分析，并鉴定出23个具备抗氧化活性醇溶蛋白多肽序列。在前期实验的基础上，Xu等[64]利用碱性蛋白酶对高粱醇溶蛋白进行酶解，通过与之前相同的化学分析和食品模型对酶解产物和组分进行抗氧化性分析，并鉴定出26个具备抗氧化活性醇溶蛋白多肽序列。通过木瓜蛋白酶对高粱醇溶蛋白进行酶解，发现醇溶蛋白水解物对HepG2细胞具有抑制作用，显示出潜在的抗癌作用[65]。并通过抗氧化性分析，鉴定出13个具备抗氧化活性的醇溶蛋白多肽序列。以上研究通过不同的蛋白酶水解高粱醇溶蛋白制备的抗氧化肽为4～12肽不等。其中中性蛋白酶水解制备的抗氧化肽均为6～12肽。而木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶制备的抗氧化肽则多为4肽和5肽。以上研究为以高粱醇溶蛋白为原料生产多肽抗氧化剂提供了一条可行的途径，证明高粱醇溶蛋白可作为新型天然抗氧化剂原料的来源。

生物活性肽具备抗氧化、抗菌、抗肿瘤、降血压、等多种功能活性，同时复杂的结构和较多的种类，是研究者对生物活性肽不断探索的动力。生物活性肽高度的安全性和不同的生物活性功能，使活性肽制剂成为未来不可缺少的食品添加剂，在保健食品的生产和开发中具备广阔的应用前景。有研究发现，主要蛋白质为醇溶蛋白的玉米黄粉是制备醒酒肽的优势来源，多数研究中醒酒玉米肽的氨基酸序列虽然不完全相同，但它们的共性是都具有亮氨酸[66]。和玉米醇溶蛋白相比，高粱醇溶蛋白中亮氨酸的含量也占比较高，因此可以将高粱醇溶蛋白作为制备醒酒肽的潜在蛋白来源。作为谷物加工生产中的副产物，高粱醇溶蛋白浪费情况较为严重，若能将高粱醇溶蛋白开发为制备生物活性肽的新型能源，在对副产物再利用方面具有重要经济意义。

4 总结与展望

高粱的主要成分为淀粉和蛋白质，近年来，高粱淀粉作为研究热点一直备受关注，但对高粱蛋白质的研究却一直较少。高粱醇溶蛋白在高粱总蛋白中占比最高，并且是高粱食品加工中的主要产物。在白酒酿造等食品工业领域中，高粱醇溶蛋白的利用率极低，资源浪费严重。因此对高粱醇溶蛋白进行合理的开发利用，将会对发展绿色产业具有极大的推动作用，同时解决了资源浪费严重的问题，从而产生巨大的经济效益。

现阶段，高粱醇溶蛋白的应用已经不再局限于改善蛋白消化性和制备包装材料，更多研究开始向其良好的荷载能力和制备功能活性肽的潜力方面进行开发。高粱醇溶蛋白作为载体材料，目前对其负载率、稳定性、活性释放、复溶性等问题还未进行深入研究。因此，高粱醇溶蛋白应用的难点在于制备的纳米颗粒载体的功能特性单一，并且存在包封率低、稳定性差、药物突释等问题，导致应用范围具有一定的局限性。同时，高粱醇溶蛋白与复合物结合类型较少，还未发现优势突出的复合纳米粒子类型。并且作为一种新型的运载系统，对其进行生物评价的研究较少，应用于人体的安全性尚且无法确定。高粱醇溶蛋白独特的疏水性，可以作为蛋白改性的发展方向，通过适当的修饰和改性，如物理、化学等手段对醇溶蛋白进行改性修饰，使其获得一些额外的特性，如维持在胃肠道中的稳定性、靶向释放等功能，实现增强高粱醇溶蛋白功能性的可能；此外，作为制备生物活性肽的新型来源，相关研究还处于起步阶段，除了制备ACE抑制肽和抗氧化肽，还有更多可能的功能活性需要去开发。在功能肽制备方法上，不仅是通过蛋白酶酶解，还可以利用微生物发酵等方式对高粱醇溶蛋白进行处理，制备具有更多功能的活性肽产品。未来将高粱醇溶蛋白应用在食品加工和医疗保健等领域，会具有十分广阔的前景。