藜麦蛋白功能特性研究进展

吉静筠，李洪岩，王 静

（北京工商大学食品与健康学院 中加食品营养与健康联合实验室 北京100048）

藜麦因丰富的营养成分而享有“超级谷物”的称号。作为假谷物的一种，其不仅具有较高的营养价值，还具有广泛的遗传变异性以及对不同气候和土壤条件适应性强、产量高、价格低廉的特点因此具有良好的市场[1]。藜麦中脂肪含量约为6%，高于玉米、小麦等近3 倍，且不饱和脂肪酸约占总脂肪含量的85%，主要以油酸、亚油酸、α-亚麻酸的形式存在[2]。此外，还富含维生素、矿物质以及黄酮、皂苷等生物活性物质。相比于上述物质，藜麦中蛋白质的特性更为突出。由于牛奶、鸡蛋等常见来源的动物蛋白存在过敏性和不耐受性的风险，因此使用植物蛋白作为部分替代品是当下食品和饮料产业发展的趋势。根据联合国粮食及农业组织（FAO）制定的人类营养标准，藜麦蛋白可以提供所有必需氨基酸。与其它谷物相比，藜麦蛋白具有无麸质、含量大、氨基酸评分高的特点，是替代动物蛋白的良好选择。

藜麦最早发源于秘鲁、玻利维亚等国家，当地人将其当成主要的粮食来源，直接蒸食或者做成特色点心来食用[3]。近年来，我国藜麦的种植量与产量逐年上升，由于国外的饮食方法、习惯与我国不尽相同，因此将其进一步加工或改性以适应我国居民饮食习惯是十分必要的。植物蛋白质的种类、含量与加工方式紧密相关。本文结合藜麦的前期研究，综述藜麦蛋白特性以及改性方式，为提高其加工适应性和开发藜麦基食品提供参考。

1 藜麦蛋白的营养价值与提取方式

藜麦的蛋白质含量与品种相关，平均约为12%～23%，其中白色品种藜麦蛋白质含量普遍较高。藜麦中蛋白质含量虽高于玉米、小麦等谷物，但低于豆类等油料作物，主要存储在胚、胚乳和种皮中[4]，11S 球蛋白（37%）和2S 白蛋白（35%）占主要组成部分。球蛋白的功能特性主要受pH 值影响，在弱碱性条件下最稳定。虽然溶解性较差，但由于其二硫键和特有的球状结构，球蛋白具有良好的凝胶能力。与球蛋白相比，白蛋白的二级结构中β-折叠和无规则卷曲占比更大，其疏水性较强，在宏观上表现为较差的溶解性[2，5-6]。此外，藜麦蛋白中醇溶蛋白含量显著低于小麦等谷物，为“麸质过敏”的人群提供了食品原材料。蛋白质品质质量还由其生物学价值（BV）决定，BV 值是衡量食物中蛋白质营养质量的一项指标，与蛋白质经消化吸收后，进入机体可以储留和利用的部分相关。藜麦的蛋白质BV 值在83%左右，高于鱼类的蛋白质BV 值，营养价值更高[7]。此外，藜麦蛋白中不仅含有其它谷物中常见的限制性氨基酸，如赖氨酸，还具有合适的氨基酸平衡。对藜麦蛋白中必须氨基酸含量进行测定并与联合国粮农组织和世界卫生组织建议的标准进行比较，发现藜麦蛋白中所有的必需氨基酸含量都符合两岁以上人群的建议摄入含量，色氨酸的含量更是达到了成年人建议摄入量的近7 倍[8]，这是其它谷物无法比拟的，如赖氨酸的含量达到了小麦、玉米、水稻的2 倍，色氨酸含量则是玉米的4 倍之多[9-10]。

藜麦蛋白提取方式多样，目前使用最多的方法是碱溶酸提法。Föste 等[11]碾磨后使用碱溶酸提法提取藜麦麸皮中的蛋白质，产量为68%。Elsohaimy 等[12]发现当NaCl 添加浓度为0.5 mol/L时，pH 值为4.5 时藜麦蛋白的收率最高。虽然碱溶酸提法获得的藜麦蛋白提取率较高，但是在酸碱处理过程中可能会造成环境的过酸或过碱，引起蛋白质的变性失活。也有报道用其它手段来获取藜麦蛋白，田格等[13]用酶法提取藜麦蛋白，这种方法条件温和、操作简便，得到的蛋白质提取率高达76.82%。Guerrero-Ochoa 等[14]总结了藜麦蛋白提取的最佳条件为在36.2 ℃，料液比为1∶19.6 时，藜麦蛋白在90 min 内的产率可达62.1%。

2 藜麦蛋白特性与应用

藜麦蛋白主要由球蛋白和白蛋白构成，并且几乎不含醇溶蛋白，这一特点使其具有不同于其它植物蛋白质的性质，适合添加到不同食品中。根据食品特点有针对性地利用藜麦蛋白的不同性质，改善食品的质构特性与营养特性，提升产品的市场适应性，具有广阔的应用前景。

2.1 溶解性

藜麦蛋白的溶解性与其氨基酸组成有关，是其它性质的基础。一般来说，平均疏水性越低、静电荷越多，蛋白质的溶解性越高。pH 值是影响溶解性的重要因素，藜麦分离蛋白在酸性条件下溶解度较低，这与11S 球蛋白的等电点在4～5 左右有关。在碱性条件下，蛋白溶解度显著提高。王棐等[15]测定了藜麦蛋白在不同pH 值、不同盐浓度下的溶解度，发现高的盐浓度会提高藜麦蛋白在等电点时的溶解度。同时比较不同pH 值下藜麦蛋白、豌豆蛋白、大豆蛋白的溶解度，发现豌豆蛋白的溶解度始终较低，在偏酸性环境下大豆蛋白的溶解度大于藜麦蛋白，而当pH 值增加时，藜麦蛋白的溶解度更优。温度也是影响藜麦蛋白溶解性的重要因素，在温度较低的范围内（20～35 ℃），蛋白的溶解性与温度呈正相关，而当温度继续升高之后，溶解性则呈下降趋势。这是因为热诱导蛋白质可溶性部分向不溶性部分转变，引起大分子不溶性蛋白质聚集或者是在聚集中蛋白质结构中疏水基团暴露导致的[16]。基于藜麦蛋白的溶解性，Ujiroghene 等[17]将藜麦发芽处理后制得乳饮料，发现得到的产品可抑制α-葡萄糖苷酶和血管紧张素转化酶的活性，并且显示出抗高血压、糖尿病的潜力。Ludeña-Urquizo 等[18]利用发酵方式处理藜麦，得到的饮料比其它谷物饮料营养价值更高，虽然直接饮用存在不易被接受的酸味，但经过调味后接受度提高。由于不同品种的藜麦在营养性能和加工特性方面存在差异，应进行更细化的研究。

2.2 乳化性与乳化稳定性

乳化性指的是能将油相和水相混合在一起的性质。蛋白质的一部分与界面接触后，疏水氨基酸残基向非水相部分移动，并且吸附在界面上，能使液滴产生抗凝集性的物理学、流变学性质，从而达到乳化的作用[19]。研究表明，11S 球蛋白的相对含量会影响蛋白质的粒径，进一步降低其乳化性[20]。通过调节外部环境可以对这一性质进行优化，有研究发现藜麦蛋白的乳化性随着温度的升高呈现先增加后降低的趋势，这是由于热处理导致蛋白质的疏水性增加，从而增加了液滴的絮凝，而进一步加热时，蛋白质发生了变性，此时只有少数可溶性蛋白质能够到达两相界面[16]。利用乳化特性，藜麦被用来生产冰淇淋类的食物[21]，也被应用于某些化工产品中，如作为化妆品和包装材料使用[22]。

2.3 起泡性与泡沫稳定性

食品泡沫通常是指气体在连续液相或半固相中分散所形成的分散体系。分散的两相之间存在界面张力，蛋白质在泡沫中的作用是通过吸附在气-液界面，降低界面张力，同时对所形成的吸附产生必要的流变学特性和稳定作用[19]。藜麦蛋白的起泡性和泡沫稳定性都处于较高的水平，高于大豆蛋白，低于蛋清蛋白。藜麦蛋白的这两种性质和其浓度有着密切的关系。研究发现，起泡性和泡沫稳定性都随着浓度的增加而增加，当浓度达到一定程度时，藜麦蛋白的起泡稳定性甚至可以达到蛋清蛋白的水平[23]。起泡性和泡沫稳定性常被用于蛋糕的制作，蛋清蛋白由于出色的发泡性被广泛的应用，然而由于鸡蛋不适合有特殊饮食习惯的消费者，且成本相对较高，因此藜麦蛋白或将成为具有市场潜力的替代蛋白。Rothschild 等[24]用藜麦粉制作不含过敏原的蛋糕，虽然纤维含量与营养成分较好，但感官评价与可接受度较低，因此要将藜麦蛋白应用于蛋糕的制作，还应进行进一步的开发研究。

2.4 吸水性和吸油性

蛋白质的吸水性与蛋白质结合水的能力有关，这是蛋白质分子中肽键的极性或非极性基团，通过偶极、电荷偶极和诱导偶极与水分子相互作用所表现出的性质。吸水性和吸油性有助于减少水分流失，从而提供食品所需要的质地并起到改善口感的作用。Abugoch 等[8]用不同pH 值的溶液处理了藜麦蛋白，发现pH 11 条件处理的藜麦蛋白的吸水性高于pH 9 条件处理的样品，并且与大豆蛋白的吸水性相当。Oshodi 等[25]测定藜麦粉的吸油量为45.5%，低于小麦粉和大豆粉。利用藜麦蛋白的这一特性，Demir 等[26]以藜麦粉替代小麦为原料制作汤品，发现其呈现一种剪切稀化的行为，并且随着温度的升高，黏度呈现降低的趋势。

2.5 凝胶性和黏性

蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构的过程称为凝胶作用。这是由于蛋白质与蛋白质和溶剂之间的氢键、疏水作用力和静电力相互作用，以及肽键之间的吸引力、排斥力形成网状结构的结果。蛋白质的聚集速度较慢，将有利于伸展的蛋白质分子更好的排列，形成有序、均匀光滑、黏弹性好的凝胶[19]。Ruiz 等[27]和Kaspchak 等[28]的研究结果表明，藜麦蛋白的凝胶性与pH 值有关，在偏酸性的条件下其凝胶性强。利用藜麦蛋白的凝胶性时，应着重注意其加工环境。藜麦蛋白的凝胶性高于其它植物蛋白，香肠、汤类等食物中都可以利用这种性质来提升食品的质构。Fernandezlopez 等[29]将黑藜麦经湿磨处理之后的副产品加入到香肠中，以期提高香肠的凝胶性和黏性。结果表明，香肠的凝胶性和硬度都有了一定的提高，证明藜麦确实可以作为增强凝胶性的物质加入到食品中。此外，可以通过在凝胶过程中添加多糖，或者通过对蛋白质改性来改变藜麦蛋白的凝胶性。

2.6 营养消化特性

藜麦蛋白中醇溶蛋白含量极低，可以作为无麸质食品的原料，适合于乳糜不耐受、麸质过敏、谷蛋白共济失调等人群。现阶段利用藜麦作为替代品制作的食物主要是面制品。Azizi 等[30]将不同含量的藜麦粉与米粉进行混合，以期降低面包中麸质蛋白的含量。随着藜麦粉含量的增加，面包的比容、水分含量都有所增加，咀嚼度和硬度都有显著下降，具有较高的感官接受度。孙耀军[31]向小麦粉中添加不同比例的藜麦粉制作面团，发现虽然面条吸水率得到了提高，但是面条的蒸煮损失率变大，断条率增加，面条整体品质有所下降。如何在保证食品低麸质的前提下，改善其加工特性仍然是一个有待攻克的问题。

藜麦蛋白的消化率高于其它谷物蛋白，约为75%。氨基酸组成和评分也占有一定优势，具有很高的营养性，可应用于儿童食品。Ayseli 等[32]尝试使用藜麦粉制备开发新的婴儿辅食，观察到添加藜麦粉后会使辅食中的粗纤维含量提高，同时降低了总糖含量，当藜麦粉添加量为8%时，感官评分达到最高。Mezquita 等[33]使用藜麦及豆类提取物制作蛋白质饮料，可以为学龄前儿童补充蛋白质，改善儿童营养不良。成品饮料的蛋白质含量为1.36%，感官评价也具有良好的可接受度，在儿童食品中添加藜麦可能会成为今后的一种流行趋势。

2.7 风味特性

蛋白质已被证实可以与风味物质结合来产生额外的风味，亦或使食品在加工贮藏过程中保持原有的风味。结合方式主要分为物理结合和化学结合：物理结合主要以范德华力为主要作用力，是可逆的结合；化学结合通过共价键、氢键作用，蛋白质中的疏水性氨基酸残基会与醛酮化合物以不可逆的方式结合。现已有研究尝试将藜麦加入食物中拟提升风味，如徐祖东等[34]将藜麦粉加入了鲷鱼鱼糜，发现虽然藜麦对鱼糜风味影响不大，但整体呈现令人愉悦的香气，是一种较好的外源添加物。孙子羽等[35]利用藜麦制成了一种格瓦斯饮料，鉴定发现了48 种挥发性物质，风味良好且酸甜爽口。虽然已有成功的尝试，但真正利用藜麦蛋白改善食品风味轮廓的研究尚少，芦曦[36]利用大豆蛋白修饰柠檬风味轮廓，发现大豆蛋白可以和柠檬的风味相互作用，产生新的风味。由于大豆蛋白等存在豆腥味，因此在对风味进行修饰时存在一定限制。基于此，可以对藜麦蛋白进行深入研究，以期在改善食品风味甚至素食肉类开发方面得到突破。

3 改性方式及其对藜麦蛋白特性的影响

虽然可以有针对的将藜麦蛋白的各种特性应用到各类食品中，改善其质构与风味，但是有时仅凭蛋白本身的性质不足以在食品应用中得到预期的效果。因此，通过改性的方式来优化蛋白质的功能特性、增强营养、提高消化吸收率是很有必要的[37]。现阶段，关于藜麦蛋白的改性方法主要包括物理改性、生物改性、化学改性3 种，表1 列出了蛋白质在食品体系中的功能性质及利用方式。

表1 蛋白质在食品体系中的功能性质及利用方式Table 1 Functional properties and utilization methods of protein in food system

3.1 物理改性

物理改性是指利用加压、加热、挤压等物理手段来处理蛋白质，通过改变蛋白质的聚集方式和空间结构影响蛋白质的功能特性。这个过程通常不涉及蛋白质一级结构的改变（图1）[42]。

挤压膨化是物理改性常用的方法，物料在挤压膨化机中先被挤压和剪切，而后水分子产生的膨胀压力使物料的分子结构被破坏。在这个过程中蛋白质的空间结构得以伸展和重组，维持蛋白质三级、四级结构的氢键发生部分断裂，表面电荷也重新分布趋向均匀化。由于在挤压膨化过程中氢键和二硫键的断裂，消化酶更容易作用于暴露出来的有序结构，因此挤压膨化有效地改善了蛋白质的消化率[43]。刘永等[44]发现经过挤压膨化处理的大豆蛋白虽然赖氨酸利用率有轻微的下降，但是蛋白质的消化率显著提高，与张婷等[45]对藜麦蛋白挤压膨化的研究结果一致。除此之外，挤压过程中参数的设置也会对最后的性质产生影响：通常来说挤压过程中温度越低，喂料水分越大，螺杆转速越高，蛋白质变性程度越低[46]。然而，在挤压膨化过程中，由于物料暴露于高温和加工时间较长，可能对藜麦品质产生不利影响，如营养物质降解或发生不预期的美拉德反应等[47]。

与挤压膨化不同，超声处理主要影响蛋白质的二级和三级结构。在处理过程中，α-螺旋、β-折叠、无规则卷曲的相对含量发生变化，进而改变蛋白质的功能性质。Li 等[48]用超声处理藜麦蛋白，并通过改变超声的输出功率探究其对藜麦蛋白酶水解产物的影响，发现超声功率为400 W 时显著促进了藜麦蛋白的酶水解，提高了水解产物溶解度和持油性。在这个过程中，观察到α-螺旋的减少和无规则卷曲的增加，表明超声暴露了分子内部的疏水基团从而诱导了蛋白质的折叠。赵雪淞等[49]对花生蛋白同样进行了超声处理，发现蛋白质的乳化性和起泡性也有显著提高，然而其最佳超声功率为700 W，这是由于蛋白质组分来源不同造成的。相比于直接处理，超声波辅助处理蛋白质有着更好的效果。李玉琼等[50]利用超声辅助糖基化改性芸豆蛋白，发现与只利用超声改性的芸豆蛋白相比，其溶解性、起泡性、稳定性都更优，并且应用改性蛋白的香肠有着更好的持油性和持水性。

微波处理对蛋白质的影响是熵的变化与扭转力和弯曲力竞争共同作用的结果，此过程伴随着蛋白质二级、三级结构的变化[37]。有研究对红豆粉和小麦粉进行微波处理，发现微波过程可以刺激蛋白质解折叠和增强蛋白质之间的相互作用，提高粘度并促进在气泡界面形成多层粘性蛋白质膜，提供抗聚结能力从而增加泡沫稳定性[51]。然而，微波处理会对蛋白产生溶解度下降的负面影响，Qasem 等[52]推测这是由于处理后的蛋白中的亲水基团发生了交联而暴露出了更多的疏水基团，进而使蛋白质不能与水结合，从而失去水膜造成的。在使用微波改性蛋白时应对处理条件和时间严格把控。此外，微波处理也会通过使蛋白质聚集从而影响整个面团的功能特性[53]。

3.2 生物改性

现阶段生物改性的主要方法为酶法和发酵法。酶法改性步骤简单，反应过程容易控制，具有较强的专一性；发酵法则可以在改性的同时增加有益微生物，改善肠道菌群（图1）。

图1 物理与生物改性方法对蛋白质结构的影响Fig.1 Effects of physical and biological modification methods on protein structure

酶促水解主要是通过使蛋白质多肽链断裂、修饰分子侧链基团、改变分子内或分子间的交联状态来影响蛋白质性质的。蛋白质酶解导致不溶性蛋白质聚集体解离，产生大量小肽，亲水基团也随之暴露，从而增加了溶解性，也使更多的氨基酸以游离态存在，利于消化吸收。有报道表明蛋白质的乳化性会随着蛋白水解程度的增加而降低，这是由于水解后的小分子肽无法在油滴周围形成稳定的膜造成的，然而有限的蛋白水解作用反而会增加乳化活性[54]。Aluko 等[55]的发现与上述报道略微不同：未酶解蛋白质的乳化性始终高于酶解后的蛋白质，同时也发现水解后蛋白质的起泡性显著增强，这可能是由于柔性蛋白质的紧密结构有助于形成更致密的泡沫，而酶促水解可以降低蛋白质的分子质量并增加柔韧性，从而促进界面膜的形成和泡沫的产生。

发酵是一种利用微生物种群来改变植物的化学组成和营养结构的技术。乳酸杆菌、酵母菌、霉菌等都已被广泛的应用于发酵技术中[56]。研究表明多菌种发酵可以有效提高蛋白质的消化率，同时提升蛋白质的品质[57-58]。Lorusso 等[59]用藜麦作为原料并选择鼠李糖杆菌和植物杆菌制作发酵饮料，发现产品的消化率和氨基酸评分都有所提升。有研究发现某些菌株会减少必须氨基酸（如含硫氨基酸）的含量，降低营养价值[60]，因此在选择发酵剂时应该根据所需，使用能够维持或者增加营养价值的菌株。

3.3 化学改性

化学改性是利用化学试剂处理蛋白质，使其肽键发生断裂或者引入新的官能团，针对特定的基团进行修饰从而影响蛋白质的结构。化学改性主要包括脱酰胺作用、磷酸化作用、糖基化作用、酰化作用、羧甲基化作用等，其对蛋白质影响及原理如表1所示。脱酰胺反应主要发生在天冬酰胺和谷氨酰胺上，极性氨基酸基团转化为带负电的羧基基团，进而破坏分子间氢键，使蛋白质得到延展。李丹等[61]对乳清蛋白进行脱酰胺处理，提高了蛋白的乳化稳定性和起泡性。磷酸化改性使蛋白质的等电点发生迁移，同时乳化性、持水性也得到了提高[62]。酰化修饰是指在蛋白质的侧链引入羧基，通过改变静电荷的方式改性蛋白质，其中琥珀酸酰化最为常用。Mirmoghtadaie 等[63]对燕麦蛋白进行了琥珀酰化修饰，发现其吸水性和吸油性都得到了显著提升。糖基化反应是通过改变蛋白质的电荷密度，增加静电排斥从而改善其亲水性和亲脂性的[64]。宋旸等[65]使用微波辅助糖基化的方法改性大豆分离蛋白，与未改性蛋白相比，改性后的样品乳化性提高了88.67%，乳化稳定性提高了788.84%。由于化学改性工艺相对复杂，并存在一定的不安全性，现阶段使用化学法对藜麦蛋白进行改性的研究还尚少。基于对于其它种类蛋白质的研究，使用化学法改性藜麦蛋白仍存在一定的前景。

表2 化学改性对蛋白质功能效果的影响及原理[66-68]Table 2 The influence and principle of chemical modification on protein function[66-68]

4 结语

近年来，随着我国居民饮食结构和健康意识的提升，人们的饮食习惯正从“吃得好”向“吃得健康”转变，藜麦作为一种“黄金谷物”正逐渐登上人们的餐桌。然而截至目前，藜麦的加工和利用仍处于初级阶段，藜麦作为商品尤其是在高附加值产品方面还有巨大的发展空间。藜麦蛋白作为一种新型蛋白配料，无论是从营养口味还是加工特性都对藜麦基食品开发贡献巨大。挖掘藜麦蛋白的功能特性，深入了解改性方式对藜麦蛋白特性的影响和机理，对于改善藜麦蛋白的加工适应性、拓宽藜麦基产品种类和数量、提高藜麦的利用率和附加值都具有重要的指导价值。相信随着藜麦基础研究的不断深入，产业可以更好地开发和利用藜麦蛋白特性，调控藜麦产品的加工和口感品质，开发出“营养美味”的藜麦产品。