谷物中淀粉-蛋白质相互作用研究进展

莫西亚 全 珂 易翠平

(长沙理工大学化学与食品工程学院，长沙 410114)

谷物是世界农业的主要作物和全球膳食能量的主要来源，其加工产品是人类碳水化合物、蛋白质和膳食纤维等的重要来源[1]。淀粉和蛋白质，作为稻谷、小麦、玉米等谷物中含量最丰富的2种物质，经共价键、非共价键(静电相互作用、氢键、疏水相互作用、范德华力)、容积排阻作用及分子缠绕等介导发生相互作用[2]，决定生物大分子及其复合物的高级结构，进而影响谷物制品的营养、质地等。如米粒随陈化时间延长蒸煮米饭的硬度、咀嚼性等提高，与陈化过程中分子间二硫键共价交联使蛋白质可溶性降低，不易与其他成分如淀粉结合有关[3]。就营养功能而言，淀粉与蛋白质之间有强烈相互作用的谷物制品，与分离蛋白后的谷物制品相比，其血糖反应和消化率可能较低，更具营养优势[4]。研究表明，与无麸质面包以及回填面筋的无麸质面包相比，白面包中的淀粉-蛋白质相互作用可降低血糖率和消化率[5]。

本文综述了谷物中淀粉与蛋白质的相互作用类型及影响因素、两者相互作用的表征方法及相互作用对淀粉性质的影响，旨在为谷物深加工、如鲜湿米粉品质改善等提供参考，扩大谷物深加工领域的发展空间，促进可食用薄膜、脂肪替代物等新型谷物制品的研发。

1 淀粉与蛋白质的相互作用类型及影响因素

淀粉与蛋白质间的相互作用存在于2种大分子的不同片段与侧链间，是不同分子间相互作用的结果，占主导作用的作用力由2种大分子的组成和结构决定[6]。离析、缔合和共溶是二者主要的相互作用方式。离析，溶剂与淀粉(或蛋白质)间的作用破坏淀粉-蛋白质间的作用力，使淀粉、蛋白质在水中各成体系，形成淀粉、蛋白质富集相。缔合是指带相反电荷的淀粉和蛋白质，通过静电作用或范德华力等相互吸引，形成凝聚层和溶剂相共存的电中性聚集体。因淀粉与蛋白均为多聚体，两者几乎不发生共溶[6-7](图1)。而添加脂肪酸可连接热力学不相容的淀粉与蛋白质，形成三元复合物[8]。

图1 淀粉与蛋白质的相互作用[6]

谷物中淀粉与蛋白质的相互作用受pH、温度、淀粉与蛋白质浓度、蛋白质结构和组成及加工处理条件等因素的影响[9-11]。Liao等[12]认为蛋白质浓度显著影响小麦面筋聚合物网络中酰胺的聚集和暴露程度，因而影响小麦面筋不溶性部分中蛋白与淀粉的相互作用。Wang等[13]的研究表明，面团加工过程中蛋白质的行为如溶解度等受直链淀粉与支链淀粉比例影响，淀粉糊化后，代谢蛋白等更易于与直链淀粉含量高的面团基质相互作用。Chen等[14]发现，湿热处理影响淀粉-大豆多肽复合物的理化性质和消化性能，如玉米/马铃薯淀粉-大豆多肽混合物的相对结晶度高于对照组，与湿热处理过程中淀粉链和大豆多肽侧链基团的相互作用有关。研究表明，添加变性豌豆蛋白降低淀粉糊化的效果稍高于天然豌豆蛋白，可能是由于变性蛋白具有未折叠的三级结构，可通过暴露疏水氨基酸基团或二硫键与淀粉颗粒发生更大程度的相互作用[15]。

2 淀粉-蛋白质相互作用对淀粉性质的影响

谷物中淀粉含量一般远高于蛋白质，两者相互作用主要影响复合物中淀粉的性质。淀粉原有的糊化、消化及流变学性质等(表1)的改变，主要是由于蛋白质对淀粉分子的覆盖或包裹[20]、淀粉与蛋白质分子相互作用形成的空间位阻效应[21]、蛋白质与酶结合等[22]。

表1 淀粉-蛋白质相互作用对淀粉消化、糊化、流变等的影响

2.1 糊化性质

淀粉颗粒在高温下溶胀、分裂，最终形成均匀糊状溶液的过程称之为糊化，其本质是氢键的断裂和重排，与淀粉类型、温度等因素有关[23]。研究表明向淀粉-蛋白质共混物中加入0～10%的蛋白质，可延缓淀粉颗粒糊化，增强直链淀粉和支链淀粉的回生过程[24]。Zhang等[25]认为大米蛋白对淀粉回生的抑制作用主要是由于大米蛋白的加入引入了空间限制，降低淀粉分子的交联，限制淀粉有序结构的形成，抑制淀粉的重结晶，且抑制效果取决于大米蛋白的浓度。蛋白质可以覆盖在淀粉表面或包裹淀粉，在淀粉颗粒周围形成薄膜，阻隔淀粉与水接触，调节淀粉颗粒的膨胀和溶解，从而延缓淀粉的糊化[26，27]。此外，Saleh[28]的研究表明，淀粉-蛋白质网络能保护淀粉颗粒的完整性，从而增强大米粉的抗剪切能力和糊化黏度。研究者进一步将米糠蛋白提取分离，结果显示大米粉的峰值黏度、低谷黏度、崩解值等糊化特性指标显著降低。

2.2 消化特性

作为生物大分子，蛋白质在减缓淀粉消化性上发挥着重要作用。研究表明，去除米粉中的内源蛋白质，淀粉消化率显著提高。主要是由于蛋白质附着在淀粉颗粒表面，在其周围形成一层膜。这层膜可抑制淀粉颗粒膨胀，并限制消化酶进入淀粉分子，从而减缓淀粉消化[29]。Bhattarai等[30]以小麦粉为模拟体系，研究大量营养素(蛋白质、甘油三酯和淀粉)之间的相互作用对酶敏感性的影响。结果表明，小麦淀粉-面筋基质的降解使α-淀粉酶更容易到达淀粉基质并对其进行水解。面筋除作为物理屏障外，还可通过结合淀粉酶使其不能用于淀粉水解。此外，部分研究表明，淀粉与蛋白质相互作用影响蛋白质消化。Oate等[31]认为蛋白质的消化率受直链淀粉含量影响。在糊化过程中低直链淀粉(如糯米淀粉)浸出后形成的直链淀粉网络较小，其基质中被困的蛋白质更易被消化。

2.3 流变学特性

淀粉与蛋白质相互作用影响淀粉的黏弹性[32]。去除淀粉颗粒通道蛋白，直链淀粉含量不同的稻米，弹性模量与黏性模量降低。以颗粒结合淀粉合成酶为代表的淀粉颗粒通道蛋白和其他颗粒表面蛋白通过增强淀粉硬度，稳定淀粉结构，影响弹性模量和黏性模量[33]。豁银强等[34]向籼米淀粉中加入大米谷蛋白，发现体系的弹性模量和黏性模量峰值均升高，认为蛋白质等成分作为连续基质包裹淀粉颗粒，形成三维网络结构，从而影响淀粉悬浮液的流变特性。Li等[35]证实：共价键(二硫键)和非共价键(氢键和疏水相互作用)结合作用加剧了糯米粉体系淀粉与蛋白质的分子间缠绕，显著影响面糊的剪切敏感性。添加尿素破坏氢键有利于淀粉和蛋白质浸出，使糯米粉变为弱凝胶。使用L-半胱氨酸和十二烷基硫酸钠破坏糯米粉的蛋白质网络，会降低糯米粉的黏弹性。

2.4 凝胶特性

淀粉分子糊化后，可形成具有一定黏弹性和硬度的凝胶；凝胶的品质决定了谷物深加工产品如鲜湿米粉等的加工性能和品质[36]。去除大米中的蛋白质，凝胶的起始温度降低，淀粉颗粒更容易凝胶化[29]。向小麦淀粉中添加大米蛋白会使其凝胶强度降低,凝胶结构致密性、有序性降低。可能与大米蛋白加入使小麦淀粉溶液电负性减弱，淀粉链间排斥作用减弱有关[27]。豁银强等[34]研究发现，淀粉凝胶硬度与米谷蛋白添加量存在正相关，可能是由于谷蛋白优先淀粉凝胶并包裹淀粉。且大米淀粉凝胶的黏聚性随大米谷蛋白添加量的增加而升高，回弹性则先增加后趋于平稳。此外，米谷蛋白的添加使淀粉凝胶出现较深的大孔洞，凝胶结构松散。Jekle等[37]的研究表明，凝胶化开始时，小麦面筋在淀粉颗粒周围形成一层膜，阻碍水在淀粉颗粒中的扩散，延缓凝胶化。Yu等[38]则认为，天然淀粉(区别于变性淀粉)的加入降低淀粉-大豆分离蛋白混合凝胶结构参数，主要是由于水和淀粉的间隔效应和竞争吸附。天然淀粉的加入限制了大豆分离蛋白/淀粉凝胶化过程中水分的流动性，进而影响大豆分离蛋白/淀粉的结构性能。

3 淀粉-蛋白质相互作用的研究方法

淀粉与蛋白质的相互作用可导致蛋白质、淀粉结构变化，如直链淀粉与大米谷蛋白结合改变大米谷蛋白二级结构，增加其α-螺旋稳定性[39]。常用的两者研究方法可分为光谱学方法、结构解析方法及其它。而为进一步了解淀粉与蛋白质相互作用时其微观结构的变化及作用力等，常采用多种技术结合对其进行表征。

3.1 光谱学方法

3.1.1 傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared，FTIR)光谱法

红外光谱常用于研究大分子的结构与化学键。蛋白质分子的红外光谱有三条主要特征吸收带：酰胺Ⅰ带(1 700～1 600 cm-1)、酰胺Ⅱ带(1 600～1 500 cm-1)、酰胺Ⅲ带(1 300～1 200 cm-1)，提供其二级结构的信息，酰胺Ⅰ带因信号强而被广泛使用[40，41]。淀粉分子的红外光谱区域则主要通过3种模式描述：结晶区(1 047 cm-1)、非结晶区(1 022 cm-1)、C—O键的弯曲振动(995 cm-1)[42]。

Zhu等[26]研究发现，米粒的α-螺旋结构随米饭蒸煮温度的升高而略微减少，表征淀粉结晶区与非结晶区的条带的强度比逐渐降低，淀粉结晶区的双螺旋展开，淀粉与蛋白质之间可能通过氢键结合。Chen等[43]发现，可溶性谷蛋白或醇溶蛋白与马铃薯淀粉相互作用导致马铃薯淀粉在3400 cm-1(淀粉分子内和分子间O-H 的伸缩振动)左右的峰向更高波数移动，氢键密度和强度显著增加。Lian等[44]利用红外光谱对小麦蛋白和小麦淀粉回生关系的研究表明，小麦淀粉-蛋白混合物回生过程中未形成二硫键，其红外光谱缺少511-544 cm-1的条带，在回生过程中，小麦淀粉和蛋白质之间可能形成其他键(如氢键)而不是二硫键减缓淀粉链的运动，促进淀粉的回生。

3.1.2 紫外吸收光谱

蛋白质的紫外光谱通常分为近紫外区(250～300 nm)和远紫外区(<250 nm)。蛋白质紫外吸收光谱280 nm附近的特征吸收峰基于肽链中色氨酸和酪氨酸的存在，二硫键(胱氨酸)的跃迁亦有助于增强该区域的总吸收强度。而远紫外主要受蛋白质肽链的跃迁控制[45]。

蛋白质与其它分子相互作用时，会导致紫外吸收波长的移动或吸光度的变化[46]。刘成梅等[21]的研究表明，陈化60天的大米样品蛋白紫外特征吸收峰未发生位移，但加入淀粉后，由于谷蛋白与淀粉分子潜在的相互缔合，酪氨酸和色氨酸残基所处的微环境改变，谷蛋白在280 nm处的紫外吸收值降低。而Xu等[39]发现，在一定浓度范围内(0～10.53×10-7mol/L)，随着直链淀粉含量的增加，其与大米谷蛋白结合后在200-240 nm处的紫外吸收强度增大。

3.1.3 荧光光谱法

蛋白质的荧光光谱主要基于其内部色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸残基产生的内源荧光。当其所处微环境改变时，荧光光谱变化[47]。研究表明，大米谷蛋白在陈化过程中，荧光最大吸收波长不变，但荧光强度下降；而淀粉的加入使其荧光强度降低，荧光最大吸收波长红移，表明谷蛋白与淀粉在陈化过程中相互结合[21]。Liao等[12]的研究发现，脱酰胺的小麦面筋经α-淀粉酶处理去除长链淀粉后，最大吸收波长蓝移，色氨酸残基处于更疏水的环境中。

3.2 结构解析技术

3.2.1 扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)

SEM通过一束加速电子聚焦在待观察的固体样品上，创建样品的三维图像，提供样品构相、形态和组成的信息，从而可用于研究谷物的微观结构[48]。Nair等[49]对硬粒大麦和软粒大麦的SEM结果显示，软粒大麦A型和B型淀粉颗粒间蛋白质基质少，而硬粒大麦具有连续的蛋白质基质，A型淀粉似乎嵌入蛋白质的网络结构中，B型淀粉颗粒则被蛋白质覆盖，比软质大麦具有更大的淀粉-蛋白粘附力(图2)。Gull等[50]通过SEM观察发现珍珠小米粉和龙爪稷的淀粉颗粒清晰可见，表面无孔隙，呈有棱角的多边形，但珍珠小米粉比龙爪稷的颗粒更团聚，表明其淀粉和蛋白质的相互作用更强。

注： S为淀粉颗粒；P为蛋白基质[49]。图2 3种软粒(S1-S3)和硬粒(H1-H3)春大麦胚乳 中心区域的扫描电镜图(2 000×)

3.2.2 激光共聚焦扫描显微镜(confocal laser scanning microscope，CLSM)

CLSM是任意厚度样品中单个焦平面的成像，可在微米尺度上显示(相分离的)生物聚合物混合物的二维、三维结构。在CLSM中，对比度通过荧光差异获得，荧光来源于材料自身或添加的特定荧光染料[51]。常用异硫氰酸荧光素标记淀粉，罗丹明B标记蛋白。Gao等[52]通过CLSM观察到：小麦面筋形成网络结构，与嵌入的淀粉颗粒交叠。不规则的淀粉颗粒容易在蛋白网络和淀粉颗粒之间形成空隙。且相比大的淀粉颗粒，小型淀粉颗粒与蛋白结合更紧密。Yang等[24]的CLSM结果显示，纯玉米淀粉(corn starch，CS)形成致密均匀的相。当乳清分离蛋白(whey protein isolate，WPI)加入时， 玉米淀粉基质中观察到更复杂和碎片化的网络结构，且随着WPI的增加，蛋白质和淀粉之间的交联显著增强，蛋白质可能通过嵌入淀粉基质与淀粉发生相互作用。

3.2.3 核磁共振光谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR)

核磁共振现象与某些原子(如C、P等)的净“核”自旋有关，常用的有1H NMR、13C NMR、31P NMR 和17O NMR几种类型，可用于研究蛋白质、淀粉等生物大分子的结构，其不破坏样品，且较传统方法而言，样品前处理和制备工作量小[53]。NMR可采用多种方式测定糖与蛋白质的相互作用，如NOE技术、化学位移变化、线宽变化等[54-55]。淀粉的碳化学位移C-1为101 ppm，C-4为79 ppm，C-3、C-2和C-5为74、73、71 ppm，C-6为61 ppm[44,56]。Lian等[44]通过13C NMR对有无蛋白的小麦淀粉的研究表明，小麦淀粉和蛋白质在回生过程中通过链末端的糖苷键相互作用，且淀粉和蛋白质之间的C-6糖苷键可能抑制α-淀粉酶活性。

结合CLSM、SEM、FTIR等多种表征手段，Zhu等[26]发现，在100 ℃蒸煮米饭20 min，米粒中的淀粉与蛋白质之间存在物理相互作用，即淀粉对蛋白质的覆盖和压缩；以及弱的氢键相互作用。Yang等[24]的研究表明，玉米淀粉-乳清蛋白混合物蒸煮后在FTIR光谱中仅检测到CS和WPI的峰，在蒸煮过程中CS和WPI之间没有共价相互作用；混合物的CLSM图像表明，淀粉与蛋白质的相互作用导致淀粉被蛋白包裹，阻碍淀粉消化。

4 小结

作为谷物中的两大主要生物大分子，淀粉和蛋白质间的相互作用主要包括氢键、疏水相互作用、静电相互作用等，与pH、蛋白质、淀粉浓度等因素相关，影响淀粉的糊化、消化等性质。虽然目前淀粉-蛋白质相互作用的研究取得了一定进展，但仍存在问题：关于淀粉与蛋白质的相互作用研究主要集中在小麦面团及小麦制品中，稻谷等谷物及其制品中淀粉与蛋白质相互作用的研究尚未得到深入研究；外源淀粉与蛋白质的相互作用研究多，而谷物中内源淀粉和蛋白质相互作用研究少；淀粉-蛋白质相互作用的表征还不够深入，关于淀粉与蛋白质相互作用对两者精细结构的影响及机理、两者相互作用的蛋白和淀粉类型(直链淀粉、支链淀粉亦或两者中的特殊链)等还不甚了解。因此需进一步加强对内源淀粉与蛋白质相互作用、复合物复合机制、精细结构等的研究，为谷物制品的储藏、加工等提供借鉴。