多糖-蛋白质复合水凝胶研究进展

太敏瑞,蔡泓滢,李瑞,2,3,4*,陈建平,2,3,4,贾学静,2,3,4,宋兵兵,2,3,4,刘晓菲,2,3,4,唐振冬,吉宏武,2,3,4,钟赛意,2,3,4

1(广东海洋大学 食品科技学院,广东 湛江,524008) 2(广东省海洋生物制品工程实验室,广东 湛江,524008) 3(广东省海洋食品工程技术研究中心,广东 湛江,524008) 4(广东省水产品加工与安全重点实验室,广东 湛江,524008)

水凝胶是呈交联网状结构的聚合物,具有良好的亲水性、生物相容性和可降解性[1]。水凝胶以其独特且优异的生物、物理和化学性能,在组织工程、药物输送、软电子和传感器、化妆品和食品等领域具有极大的应用潜力[2]。近年来,在食品科学领域,水凝胶被用于开发递送系统以包埋、保护和释放生物活性分子[3],在风味物质[4]、功能性成分及药物递送[5]等方面发挥了重要作用。但部分水凝胶因其机械性能较差,限制了其在食品等领域的应用[6]。

多糖和蛋白质是食品中最重要的2种功能大分子,也是目前制备新型水凝胶的主要原料,被广泛应用于药物及生物活性物质的递送[7]。多糖是由至少10个单糖通过糖苷键结合在一起的多聚碳水化合物分子,因其能改变体系的流变特性而常被用作增稠剂和胶凝剂；蛋白质可在食物基质中贡献品质属性,如质地、味道、风味和颜色,因其结构具有亲水亲油性,常被用做乳化剂。以多糖和蛋白质这2种大分子物质为原料制备的水凝胶复合物,往往比二者单独使用具有更好的性能,因此多糖-蛋白质复合物在很多领域具有广阔的应用前景[8]。多糖与蛋白质形成的水凝胶具有提高体系机械性能的潜在优势,近年来以二者为原料制备的水凝胶备受关注[9]。多糖-蛋白质混合凝胶的形成取决于二者的性质和特性,当二者的分子质量和电荷密度较低时,则需要更高的浓度来形成凝胶,此时溶液中多糖和蛋白分子间的相互作用主要是静电作用,其次是疏水作用和氢键,二者相互作用主要受多糖和蛋白质分子内部因素及外部环境等因素的影响[10]。本文主要综述了形成复合水凝胶的多糖及蛋白质的类型和条件、二者主要相互作用及影响因素,并阐述了多糖和蛋白质对复合水凝胶机械性能的影响及其应用现状。

1 形成复合水凝胶的多糖及蛋白质的类型和 条件

虽然水凝胶应用领域广泛,但其在力学性能、热性能、对外部刺激响应速率以及生物相容性等方面存在不足。近几年,多糖和蛋白质单独使用或联合使用形成的复合水凝胶引起人们广泛关注,与单一的多糖或蛋白质凝胶体系相比,多糖和蛋白质复合物通常能更有效地调节凝胶性质,改变二者的分子结构,使二者的复合物具有更好的溶解性、乳化性、起泡性、胶凝性能以及构象稳定性等[11],并被广泛应用[12]。

目前,国内外关于多糖-蛋白质复合凝胶的研究中,常用的多糖有阴离子多糖如果胶、大豆多糖,阳离子多糖有壳聚糖,中性多糖有葡聚糖、魔芋葡聚糖等[13]。最广泛应用的蛋白质是植物源蛋白如大豆蛋白、玉米蛋白、花生蛋白、小麦面筋蛋白和豌豆蛋白,以及动物源蛋白如乳清蛋白、酪蛋白、明胶、白蛋白、溶菌酶和胶原蛋白[14]。部分多糖-蛋白质复合凝胶原料组合及形成条件见表1。

表1 形成复合水凝胶的多糖及蛋白质的类型及条件Table 1 Types and conditions of polysaccharides and proteins forming complex hydrogels

2 形成多糖-蛋白质复合水凝胶的主要相互 作用及影响因素

多糖-蛋白质相互作用已经被广泛研究了至少50年[26]。多糖含有大量的活性基团及不同的碳水化合物链长,使其具有不同的结构和特性。例如,多糖中含有许多亲水基团,如羟基、羧基、醛基等,分子之间可以形成非共价键或与其他亲水化合物形成生物黏附状态,提供了与其他分子发生相互作用的可能性。氨基酸通常导致蛋白质折叠成肽、球蛋白或其他类型的具有二级、三级和四级结构的形式。游离氨基、巯基和疏水基团存在,使电荷有时根据不同的氨基酸分布在蛋白质表面。多糖和蛋白质可以通过其功能基团相互作用形成凝胶,二者之间的相互作用可被用于控制食品的功能特性,包括食品的复杂质地和外观,因此,近年来多糖和蛋白质的相互作用受到越来越多的关注[27]。

2.1 复合水凝胶中多糖和蛋白质的主要相互作用

多糖和蛋白质的相互作用取决于电荷密度、多糖-蛋白质结合亲和力和其他分子特征(组织构象、分子质量和链的柔韧性)。多糖和蛋白质通过非共价相互作用包括氢键、疏水相互作用、范德华力、静电吸引等形成凝胶。对于多糖和蛋白质的混合物,静电相互作用可能是分子间吸引最常见的形式,因此,近年来对多糖-蛋白质复合物的研究主要集中在二者的静电相互作用。徐乐颜等[28]研究发现,卡拉胶通过与牛血清蛋白之间的静电吸引作用,可以形成高稳定性的牛血清蛋白/卡拉胶复合物,相比纯牛血清蛋白,牛血清蛋白/卡拉胶复合物能够显著提高姜黄素的溶解度和稳定性；SCHMITT等[29]对带相反电荷的大分子间的静电相互作用进行研究,发现静电驱动在影响多糖和蛋白质的整体和局部电荷及稳定现象中起重要作用。此外,一些多糖和蛋白质通过静电相互作用可形成性能良好的复合物,并有望被用作食品添加剂以改善食品质地[30]。ZIDI等[31]研究了低甲氧基果胶的添加对骆驼奶蛋白酸性乳凝胶的理化和流变特性的影响,低甲氧基果胶/骆驼奶蛋白酸性乳凝胶的结构随果胶浓度变化有显著变化,并且由于静电相互作用使果胶可以稳定酸化骆驼奶凝胶中的酪蛋白胶束,在食品工业中可用作优良稳定剂。有学者通过改变多糖与蛋白质的温度、pH和电荷种类等条件,研究这些影响因素对该体系静电相互作用的影响程度。ARYEE等[32]研究了在高温下扁豆蛋白和阿拉伯树胶多糖相互作用的性质,发现复合物的形成主要由静电引力驱动,氢键则具有再次稳定的作用,而疏水相互作用在其形成过程中不起稳定作用。WIJAYA等[33]研究发现在低pH下低甲氧基果胶和乳清分离蛋白混合物易形成均匀的水凝胶,结果表明,低pH值能抑制低甲氧基果胶分子间的静电排斥,导致二者分子间形成更强的相互作用。LANEUVILLE等[34]研究发现当带相反电荷的β-乳球蛋白和黄原胶混合物在低浓度下,且无需任何处理的情况下都能形成较强的半透明凝胶。

2.2 影响多糖-蛋白质复合水凝胶相互作用的因素

影响多糖-蛋白质复合凝胶形成的因素有很多,其中内部因素主要有多糖与蛋白质本身的性质差异,包括分子质量、分子结构、电荷密度等；外部因素主要有pH、多糖与蛋白质在反应体系中的比例、离子强度、反应温度、反应时间、水分活度、剪切作用、压力等影响[35]。

2.2.1 内部因素

多糖和蛋白质的来源和种类很广,物理化学性质也存在差异,它们自身的性质,包括分子质量、电荷密度、分子构象及多糖的类型等均可影响多糖-蛋白质体系相转变。通过选择不同种类的多糖和蛋白质及它们的复配类型,可构建不同特性的可溶性复合物、复凝聚体或凝胶网络结构等多种相体系。多糖-蛋白质体系相转变的一个重要因素是利用多糖和蛋白质自身的电荷效应诱导形成,此外,也可利用离子诱导的蛋白质微相分离以及多糖-蛋白质相分离和转化的组合机制来改变凝胶的结构和质地。CAKIR等[36]研究发现,在低浓度的κ-角叉菜胶溶液中,由于相分离引起的蛋白质局部浓度增加,改善了凝胶强度和硬度。NIETO等[37]研究发现不同多糖类型能产生不同程度的相分离,尤其在中性pH值下,添加角叉菜胶可比糊精更好地增强燕麦蛋白凝胶的强度,并且多糖结构能显著影响相分离程度和凝胶力学性能。因此,可通过改变其分子结构、浓度、pH和离子强度等因素改善凝胶强度[38]。

2.2.2 外部因素

多糖和蛋白质的混合比例及二者总浓度、离子强度、pH值及各种加工条件,如温度、剪切压力、超声等都会对它们有很大影响。有研究表明静电相互作用是蛋白质-多糖复合物形成的主要机制,受pH[39]变化的影响很大,也会受到盐的抑制作用[40]；温度的变化能干扰多糖和蛋白质之间的静电相互作用,并且低温有利于形成氢键,而高温有利于形成疏水相互作用[41]。同时,蛋白质许多重要的功能特性,会因为一些多糖类物质的添加而有所改善。熊拯[42]研究发现复合体系凝胶的破裂强度、硬度和黏附性均随卡拉胶添加量的增加而增加,可以提高食品体系的凝胶质构特性等。杨嘉琪等[43]研究发现通过添加多糖能够改善蛋白质的热稳定性,从而改变蛋白质的凝胶网络结构来改善蛋白质的热诱导胶凝特性。

除了多糖的相关性质能影响复合凝胶的机械强度外,蛋白质的添加量也能增加凝胶的硬度、黏性、弹性和减少脱水,这与蛋白质的分子大小、吸水能力和表面电荷等有关[44]。周娱[45]研究发现,在较高浓度的多糖存在下,复合体系蛋白质分子中氨基酸残基所处环境发生了变化,使得蛋白构象也发生改变,从而导致与蛋白质的结合位点发生变化。另外,改变复合物所处环境的pH,不仅会影响该体系的功能性质,而且也会影响分子间的相互作用。VARDHANABHUTI等[46]研究了β-乳球蛋白和硫酸葡聚糖间的相互作用对接近中性pH值复合凝胶热稳定性的影响。利用多糖和蛋白质之间的非共价相互作用,可以生产新颖或具有改良特性的食品,MCCLEMENTS等[47]研究发现,在乳液界面处,有吸引力的静电相互作用可用于生产食品乳剂,使该乳剂对环境压力的稳定性提高,因此蛋白质和多糖之间的吸引性或排斥性相互作用可用来创制具有特殊质构、感官特性及微结构的食品。

3 多糖与蛋白质形成复合水凝胶对机械性能 的影响

水凝胶重要的性能特征包括机械性能、膨胀性和保湿能力等,这些特性促进了水凝胶在化妆品、废水处理、组织工程、药物释放、生物传感、农业、生物医学和食品等领域的应用和发展。然而,大多数单一水凝胶机械性能低,如一些鱼类来源的明胶因为亚氨基酸(脯氨酸和羟脯氨酸,这些氨基酸对三股螺旋结构的形成具有重要作用)含量较低,因此凝胶机械性能较差,影响其作为食品包装膜的使用[48-49]。因此许多研究者致力于提高水凝胶的机械性能和持水能力[50]。调节多糖-蛋白质水凝胶机械性能的主要因素包括体系的种类、pH值、聚合物浓度和温度,也取决于分子间的交联程度和分子构象两亲性质的影响,还可通过添加纳米复合材料、共聚等方法提高凝胶机械性能[51]；此外,增加非共价相互作用的数量可以获得较硬的水凝胶,而有限的非共价相互作用则得到软或弱的水凝胶。

多糖含有羟基、硫酸酯基、乙酰基等影响胶凝性能的重要功能基团,蛋白质中含有大量羧基、氨基等可电离基团。在多糖-蛋白质复合体系中,多糖经修饰可增强其与蛋白质及其他活性化合物间的相互作用。有研究表明,多糖和其他分子的结合由多糖链上的官能团决定,这些官能团可通过化学修饰来改变,从而改善多糖性质并增强二者间的相互作用。多糖的修饰主要通过化学或酶促反应进行,常用的方法包括疏水性分子接枝、醛基化改性、原位二硫键修饰等,其中壳聚糖、海藻酸钠、角叉菜胶、果胶和淀粉是最常被用来修饰并改善其复合体系性能的多糖[52]。

近年来,改善水凝胶机械性能方面的研究使其在合成材料方面的应用有了巨大进展,但是在生物医药领域具有更大应用潜力的多糖和蛋白质类天然水凝胶因其复杂无规律的结构、不均一的交联反应位点、难以连锁聚合等特点,有关其增强机械性能的研究还很不成熟[53]。多糖和蛋白质复合凝胶在机械性能方面的调控比单独的多糖凝胶或蛋白质凝胶具有更大的灵活性,通过组装多糖-蛋白质复合物构建的复合体系能改变其机械性能,因此广泛应用于乳液和胶囊的传递系统,以及纳米凝胶、复合纳米颗粒和胶束等方面[54]。

4 多糖-蛋白质复合水凝胶的应用

多糖和蛋白质是食品行业中重要的大分子物质,通过相互作用形成的复合物具有较好的稳定性、胶凝性和机械性能等,因此在食品领域有着改善食品感官特性和凝胶稳定性的功能,以及用于包装的可食用膜等；另外,多糖-蛋白质复合物被广泛用于生物医学中药物递送、组织工程和生物材料等方面；除此之外,多糖-蛋白质复合物在其他行业也受到越来越多的关注。

4.1 多糖-蛋白质复合水凝胶在食品工业中的应用

近年来,由于凝胶相关的高水分含量、低热量、吸引人的味道和增强饱腹性能,在食品市场上备受欢迎[41]。例如,LIN等[55]用豌豆蛋白、黄原胶和乳化剂混合物进行研究,制备了适合素食主义者食用的无蛋蛋糕。另外,LIN等[56]又利用大豆蛋白、植物多糖开发一种烘焙黄饼,对其性质进行评估发现,这种方法制备的烘焙产品不仅外观,口感和香气比传统蛋糕更好,而且也适合对鸡蛋过敏和患有胆固醇的人群。

在过去的几十年里,多糖和蛋白质无论是单独使用或组合使用被广泛用于生产食品凝胶,二者的复合物在食品领域中受到越来越多的关注,因为多糖和蛋白质分子能通过相互作用改善食品的结构、质地和稳定性等性能,从而在改善食品功能性质及开发创新型食品等方面有着积极作用。

蛋白质和多糖的特征官能团分别赋予了传递体系独特的理化性质,使其环境稳定性更好,应用领域更广泛。多糖和蛋白质因其本身具有胶凝性,常被用作胶凝剂。两者络合形成凝胶,可作为生物活性物质的传递基质[57]。王莉红[58]以卵清蛋白、溶菌酶和κ-卡拉胶为原料,通过蛋白质分子上带正电的氨基酸残基与κ-卡拉胶多糖链上带负电的硫酸酯基间的静电吸引作用形成可溶性卵清蛋白/κ-卡拉胶和溶菌酶/κ-卡拉胶复合物,并可包载水溶性、稳定性较差的多酚姜黄素,扩大禽类蛋白在食品体系中的应用范围。此外,由于多糖-蛋白质共价复合凝胶具有生物可降解性和安全性,还可用作食品包装材料和可食用膜[59],不仅解决了食品包装中存在的安全问题,也促进食品行业的加工和开发设计。

4.2 多糖-蛋白质复合水凝胶在生物医药领域的应用

水凝胶是通过物理或化学交联而形成的三维交联亲水聚合物网络,其交联方式如图1所示[60]。水凝胶的物理交联是在聚合物前体之间形成,而化学交联则发生在单体或聚合物前体之间,单体或聚合物可以通过交联赋予水凝胶膨胀而不溶解的特性,同时随着多糖生物学功能被认可,多糖-蛋白质水凝胶开始广泛用于生物医学领域[61]。研究表明,多糖-蛋白复合物具有抗肿瘤和抗病毒作用,而且可用于药物缓释载体的制备。于坤等[62]发现由于多糖具有优良的物理化学及生物学特性,基于多糖的纳米凝胶颗粒作为药物载体具有重要应用价值。另外,由于多糖-蛋白质复合凝胶具有极好的生物相容性,所以可用于伤口修复、仿生材料以及组织工程支架等[63]。FENG等[64]将丝素蛋白和魔芋葡甘聚糖进行物理交联,可形成具有机械性能可调的、生物相容性良好的多糖-蛋白复合海绵,可用于伤口包扎。

图1 水凝胶交联示意图[60]Fig.1 Schematic diagram of hydrogel cross-linking

4.3 多糖-蛋白质复合水凝胶在其他行业中的应用

由于多糖-蛋白质复合物的抗菌、持水和透气特性,可用于化妆品行业。MITURA等[65]研究发现不同类型的合成聚合物或生物聚合物形成的交联网络能促进高吸水能力的凝胶生成,因此在化妆品配方中作为增稠剂和保湿剂发挥着重要作用。另外,随着近年来高分子材料技术的发展,多糖-蛋白复合物作为良好的纤维材料和生物材料也受到越来越多的重视。GOUGH等[66]研究表明多糖和蛋白质在离子液体等溶剂中经过分子自组装和相互作用可产出新型的纤维材料,并且这些纤维材料通过静电纺丝等方法加工后可应用于生物医学、药物研究、伤口愈合、空气过滤器以及可持续和绿色化学领域。

5 总结与展望

本文综述了多糖-蛋白质水凝胶及其复合物的最新研究进展,总结了多糖-蛋白质复合水凝胶的相互作用类型及其影响因素,以及多糖对其与蛋白质形成复合水凝胶机械性能的影响,为今后多糖-蛋白质复合水凝胶在食品和医学等领域的进一步开发和应用提供理论依据。

在今后食品领域的研究中,凝胶结构的设计很可能继续在凝胶相关食品的开发中占据重要地位。通过整合多糖的流变学特性和蛋白质的界面特性,有望获得具有亲脂性生物活性成分的分层凝胶结构,可为多糖-蛋白质混合体系在设计凝胶相关食品中的进一步应用提供可能。此外,也可通过将蛋白质简单地引入凝胶基质中作为填充剂或参与混合凝胶结构的构建,开发出一种大量利用植物蛋白资源的可行途径,然而还需很多努力去证明这种途径的有效性。此外,为了获得理想的凝胶结构,需要深入了解多糖和蛋白质的物理性质。希望本文有助于深化对多糖-蛋白质凝胶基食品设计的理解,激发方法创新,推动其在当前和未来凝胶基食品开发中的应用。