小麦面筋蛋白改性产物乳化特性研究进展及其应用

2023-12-15李锦宇邹鹏仁章建国魏兆军

农产品加工 2023年18期

李锦宇，邹鹏仁，金诺，胡飞，章建国，魏兆军

（合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽合肥 230601）

0 引言

小麦面筋蛋白是小麦淀粉工业的副产品，并且是世界上最丰富的植物蛋白质之一。主要由两类蛋白质组成：醇溶蛋白和谷蛋白，2 种蛋白质相互作用形成面筋蛋白网络。单体醇溶蛋白，由3 个富含半胱氨酸残基的亚基和缺乏该氨基酸残基的1 个亚基组成；谷蛋白可以形成分子内和分子间二硫键，且可分为LMW 和HMW 亚基[1]。天然面筋蛋白中含有大量的谷氨酰胺（Gln）、脯氨酸（Pro），以及非极性氨基酸和少量的带电氨基酸[2]。一些氨基酸的侧链容易形成氢键或参与疏水残基的相互作用。由于其含有大量的疏水性氨基酸，K Takeda 等人[3]认为面筋蛋白可以作为合适的蛋白质乳化剂。面筋蛋白可以形成良好的界面网络，形成具有理想黏弹性的乳液，这主要是由于其特殊的蛋白质结构，即麦醇溶蛋白和谷蛋白的协同界面效应[4]。在醇溶蛋白主导液滴的表面，麦谷蛋白产生足够的空间位阻，液滴周围的网络有助于形成具有良好热稳定性面筋蛋白基乳液，表明由面筋蛋白构建特殊的界面也有助于制备具有稳定性的乳液[5]。

面筋蛋白的乳化特性取决于其溶解性、表面电荷、三维结构及亲疏水性等。然而，面筋蛋白作为乳化剂的有效性由于其不良的水溶性而受到限制[6]。值得注意的是，良好的水溶性对于制造有效的乳化剂是必要的。只有当足够量的乳化剂可以溶解在水性连续介质中时，才能稳定大量分散的油。面筋蛋白改性普遍采用的方法有物理法、化学法和酶法。基于蛋白质乳化能力和稳定性及影响因素，介绍改性面筋蛋白的乳化性能，并论述其在乳液体系中的应用。

1 乳化活性与乳化稳定性及其影响因素

1.1 乳化活性与乳化稳定性

乳化剂被定义为2 种或2 种以上不混溶液体的分散，其中一种液体以小液滴（0.1～100.0 μm）分散。乳化剂在分散的液滴周围形成黏弹性薄膜，以保持乳液随时间的稳定。由于蛋白质的两亲性（即具有亲水性和疏水性基团）和成膜能力，因此蛋白质的乳化性能显得较为突出。与小分子量乳化剂能够快速扩散到界面，提供良好的乳液形成能力不同，蛋白质往往体积更大，扩散速度慢得多[7]。一旦进入界面，通常需要进行一定程度的部分变性（或分解），以便将埋藏的疏水氨基酸暴露在表面。然后蛋白质重新排列，将其表面疏水氨基酸定位在油相中，将亲水氨基酸定位在水相中[8]。因此，乳化液容量（每克蛋白质在发生相转化之前，可以容纳的多少克油含量）往往低于小分子量分子。然而，蛋白质一旦进入界面，就可形成强黏弹性薄膜，能够抵抗机械应力，并提供静电（取决于溶剂条件）和空间（取决于蛋白质）稳定。

1.2 影响因素

蛋白质的理化性质在决定其乳化能力方面起着重要作用。例如，表面疏水性影响蛋白质吸附在油侧界面的能力，在油侧界面处更多的结合通常会导致更高的乳化能力。相比之下，蛋白质的表面电荷会影响蛋白质在水相中的溶解度，在水相中，高溶解度需要具有更大的界面扩散速率。一旦黏弹性膜形成，液滴可以负载一个负电荷或正电荷，这分别取决于乳液pH 值是高于还是低于蛋白质的等电点（和低离子强度）。油滴之间的高静电斥力往往导致更大的乳化稳定性，而在pH 值条件下，接近蛋白质等电点（或高离子强度）的液滴絮凝/聚集占优势，导致聚结和不稳定[9]。根据蛋白质的大小、结构和构象自由度，蛋白质片段的“环”或“尾巴”可能从主要由亲水氨基酸组成的界面辐射，以创造空间稳定，物理上限制液滴聚集在一起。连续相中蛋白质的存在也会增加乳液的黏度，降低乳液中油滴的流动性和扩散[10]。

油水界面可被认为是一个厚度无穷小的平面表面，但界面区域/薄膜在本质上是相当动态的。随着蛋白质在油水界面的加入，并根据其结构/构象，极性和非极性氨基可能在每个相中溶解。然后，蛋白质将重新定位和重新对齐，以最小化热力学上不利的相互作用的数量，从而导致界面张力的降低。通过黏附界面，蛋白质形成一种黏弹性膜，有助于稳定分散的液滴[11]。然而，形成的键的类型（即疏水、范德华力等），在蛋白质膜内也会影响其是否会留在界面上。占据界面的蛋白质浓度趋于与连续相的蛋白质浓度处于平衡状态。因此，改变存在的水平可能会使平衡和界面上蛋白质的浓度不稳定[12]。蛋白质含有可电离基团，可以改变被吸附的油滴界面的带电特性。这些可电离基团可能包含酸性（COOH，COO-或H+）或碱性（NH2或NH3+），他们带正电荷或负电荷，取决于水溶剂的pH 值和离子强度[13]。带电界面也可能与二价离子结合，这可能通过交联不同液滴上的蛋白质而破坏乳液的稳定，导致聚集发生。连续相的组成也决定了蛋白质在界面上的吸附数量和时间。当蛋白质吸附时，他们经常会发生构象变化，以降低2 种不混溶液体之间的界面张力。构象变化取决于蛋白质和溶剂条件的结构，在高浓度的界面饱和下，高速率吸附的蛋白质可能构象几乎没有变化，从而产生厚的界面层[14]。溶剂组成（即pH 值和离子强度）也影响蛋白质对界面的亲和力和黏附能力。在极端pH 值下，蛋白质倾向于分解或分离，这暴露了更多的疏水核心，使其更好地黏附在界面上。当蛋白质分解时，先前隐藏的巯基可能与自身或其他蛋白质形成二硫键。如果在同一界面上的蛋白质之间形成二硫键是有益的，对不同液滴上的蛋白质有害。当在油水界面形成二硫键时，乳化液的稳定性得到了增强[15]。界面层的组成、厚度和他们之间形成的键的变化也会影响油水界面的流变学和界面的张力，这决定了界面在应力下的变形程度[16]。界面张力衡量的是蛋白质在减少不利相互作用方面的效果，而界面流变学决定了蛋白质在界面上的排列和相互作用的程度。综上所述，从蛋白质动力学和与油水界面的亲和力角度分析，影响面筋蛋白质乳化特性的关键因素是蛋白质组成、结构、分子大小、表面疏水性、溶解度、环境因素（pH值、离子强度）等。

2 改性小麦面筋蛋白乳化性能

2.1 物理法改性

目前，已经开发了各种物理方法来改变蛋白质的功能特性，包括热处理、超声处理、高压均质化、超微粉化技术、行星球磨技术及脉冲电场等。其中，行星球磨技术是通过多次高能碰撞后由球和容器壁产生的碰撞、组合摩擦和剪切力产生机械化学效应，导致蛋白质的部分或完全变性，从而改变其综合性质。Liu Ziqiao 等人[17]研究了行星球磨对面筋蛋白结构和功能的改变，结果发现，与未经处理的蛋白质相比，球磨后蛋白质的乳化活性从0.18 m2/g 提高到0.27 m2/g。这可能是由于二硫键的裂解及其随后的分子重排；也可能是由疏水基团的暴露引起的，从而增加了其疏水性和油结合能力。

近年来，一种利用超声波改善蛋白质乳化活性的方法得到了广泛的应用。超声波诱导的物理和化学反应，如剪切、乳液、空化、分散、聚合和解聚，可以改变分子结构和功能，以实现良好的加工性能和预期的产品质量。Zhang Hongxin 等人[18]用单频、双频和三频超声处理面筋蛋白，结果发现超声波的空化效应使蛋白质分子结构变松，分子间吸引力降低，水合能力和溶解度增加。此外，Haihua Zhang等人[19]研究了超声对面筋蛋白流变行为的影响，结果发现储能模量（G'）和损耗模量（G''）模量均降低，发泡能力和乳化性能均得到增加。超声处理引起的液滴尺寸的减小被认为是导致面筋蛋白的乳化特性发生改变的主要原因。

脉冲电场技术诱导蛋白质修饰是当今蛋白质修饰研究的热门话题。修饰的主要机制是蛋白质的极性基团吸收电场能量并产生自由基或聚集体，进而导致蛋白质展开。产生的自由基可破坏蛋白质分子之间的相互作用，从而导致蛋白质结构和功能性质的变化。Zhang Chen 等人[20]通过傅里叶红外光谱和流变学试验研究了脉冲电场对面筋蛋白结构的影响，发现脉冲电场后的面筋蛋白二级结构α-螺旋和β-转角的比例降低，β-折叠的比例增加。流变学测试表明，脉冲电场使蛋白网络结构更稳定，而不改变面筋蛋白分子的形状。由脉冲电场引起的蛋白质分子的展开或暴露亲水或疏水性基团，有利于乳液的的形成。

2.2 酶法改性

随着蛋白酶技术的不断成熟，酶法修饰用于改善面筋蛋白的乳化活性具有更广泛的应用。酶法修饰是指在酶的作用下去除特定基团或破坏肽链，暴露蛋白质分子内的疏水基团，改变蛋白质的结构并引起其功能性质的变化。谷氨酰胺转氨酶（TG）可催化面筋蛋白肽链上的赖氨酸ε-氨基（作为酰基受体）与γ-谷氨酰胺残基（酰基供体）发生酰基转移反应，通过形成ε-（γ-谷氨酰胺）赖氨酸异肽键发生交联反应，从而影响蛋白质的溶解性、乳化性、起泡性、黏弹性等多种功能特性。通过TG 酶法修饰，可通过增加蛋白质（谷氨酸和天冬氨酸）的负电荷和脱酰胺来改善蛋白质的功能特性，在面筋蛋白表面产生两亲性，并使蛋白质能够调整自身到极性-非极性界面。有研究表明，由于谷氨酰胺和天冬酰胺残基部分脱酰胺引起的疏水性降低和静电排斥力增加，导致面筋蛋白溶解度增加，表明可电离羧基的产生[21]。Kingsley K 等人[22]的研究发现，在选定的条件下（pH 值6.5，0.6 mol/L NaCl 溶液，20 ℃）由糜蛋白酶对面筋蛋白酶解预处理，TG 酶法改性能够提高其乳化性能，这主要是由于疏水性面筋蛋白肽的存在和静电斥力的增加。

利用酶水解部分蛋白质来提高面筋蛋白乳化性能也是当今研究的热点。部分水解可以通过提高蛋白质的溶解度，暴露隐藏的疏水基团，增加其表面疏水性，降低其分子量，从而更好地黏附油水界面。Xiangzhen Kong 等人[23]通过胰蛋白酶对面筋蛋白水解，随着蛋白质水解量的增加，水解物的乳化能力先增加，然后降低，可能是由于酶促水解导致面筋蛋白分子的降解水平较低。增加了油水界面上大肽单元的可用性，形成更大的表面积，从而形成更大的乳状液。

2.3 化学法改性

化学修饰包括酰化、糖基化、磷酸化和脱酰胺化等，由于低成本和高效率的优势而被广泛用于改善面筋蛋白的性能。糖基化改性是基于蛋白质的氨基和多糖的羰基之间的羰氨缩合形成偶联物，在此过程中没有产生其他有害物，其中偶联物结合了蛋白质的乳化活性和多糖的乳化稳定性，这种修饰是改善蛋白质功能特性的一种有效的方法。Yongquan Wang 等人[24]研究了脱酰胺面筋蛋白在温度80 ℃和相对湿度79%下通过干热处理，与麦芽糖糊精和柑橘果胶美拉德偶联，结果发现偶联物具备较好的乳化性，稳定的水包油乳液在酸性和离子条件下比相应的混合物也表现出更好的稳定性。这可能是因为美拉德共轭物通过形成更厚的界面层来改善位阻稳定性。

由于面筋蛋白中含有丰富的无电荷谷氨酰胺，面筋蛋白的脱酰胺修饰广泛受到持续关注和研究。已发表的脱酰胺方法主要集中在酸、碱和酶处理上，其中酸处理的脱酰胺对感官可接受性和营养价值的影响最小。Chaoying Qiu 等人[25]研究发现，脱酰胺面筋蛋白油水界面的吸附能力随脱酰胺程度DD 的增加呈线性提高（DD 为8.64%～40.60%）。Lan Liao 等人[26]进一步比较了不同加工条件下脱酰胺面筋蛋白的功能特性，指出DD 为40%的柠檬酸脱酰胺面筋蛋白具有较好的乳化性能。从构象的角度来看，Yongquan Wang 等人[27]发现，面筋蛋白在脱酰胺化过程中，折叠结构得到了扩展，表面疏水性增强（DD 为29.59%），导致界面特性得到改善。Eric Dickinson 等人[28]指出，只要油水界面被足够小的颗粒覆盖，产生有效的结构屏障，就可以很容易地实现更稳定的乳状液。

当蛋白质上的亲核基团（如氨基或羟基）与酰化试剂（如碳基）上的亲电基团发生反应时，引入一个新的官能团，使酰基化的蛋白质分子表面电荷的降低。多肽链的拉伸和由此产生的空间结构的变化提高了蛋白质的灵活性，从而提高了蛋白质的溶解度、保水保油能力、乳化能力。Yanhong Liu 等人[29]联合脱酰胺和琥珀酰化对面筋蛋白改性，改性的面筋蛋白表现出光滑均匀分布的片状结构，使其在形成乳液时更加稳定，而未改性或单改性的面筋蛋白则显示出不规则的块状或条纹状结构。

3 应用与展望

3.1 新型乳液制备

许多冷冻即食食品以蛋白质乳液为基础的酱汁，如奶酪和冰激凌，一般储存在冰箱中并保持其品质。然而，在冷冻储存期间形成冰晶会导致分散的液滴周围的界面膜破坏，然后在解冻的乳液中凝聚，导致部分分解和油脱落。通过制备新型乳液，提高乳液冻融稳定性成为一种有效策略。最近，生物化学家研究表明，一些生物体产生的代谢物可以显著降低细胞内水的结晶温度，以实现越冬生存并平衡组织的渗透压以避免渗透应激。而这些代谢物，即糖、有机酸、胆碱衍生物和尿素，他们可作为构成深共晶溶剂（DES）的化合物，可以用来乳液冻融稳定性。DES 通常是季铵盐作为氢受体和甘油作为氢键供体在食品系统中的混合物，且混合物的熔点低于单个化合物的熔点。水和DES 之间建立的相互作用足够强大，即使在-50 ℃下也能保持水液态。DES可在极低温度下保持液体作为块状相，是制备高冻融稳定性乳液的不错选择。面筋蛋白可以形成良好的界面网络，形成具有理想黏弹性的乳液，这主要是由于麦醇溶蛋白和谷蛋白的界面效应协同作用。Xiao Liu 等人[30]通过掺入深共晶溶剂（DES）制备了高冻融稳定性的面筋蛋白基乳液。界面性质、共聚焦激光扫描显微镜和流变学结果表明，随着DES 浓度的增加，面筋蛋白在分散的液滴周围呈现出厚厚的界面膜，在形成液滴尺寸较小的弹性凝胶状乳液时得到正向反射。通过监测其乳化液滴大小，抗聚结稳定性及微观结构的变化来表征冻融稳定性，结果发现面筋蛋白的本体相和强大的界面网络中较高浓度的甘油基DES 作为“冷冻保护剂”，可以防止冰晶的形成和冷冻过程中界面的损坏。这一发现为蛋白质基乳液在冷冻食品中的开发和应用提供了一个新的技术平台。

皮克林乳液是一种被有机或者无机颗粒所稳定的乳液，相比于常规乳液，皮克林乳液展现出更良好的稳定性和缓释性能。从制造到最终用途，食品乳化剂的脂质相容易被氧化，所以都受到了一定的物理化学处理。位于水相中的促氧化剂可促进脂质氧化，如过渡金属、酶和光敏剂。近年来，利用皮克林原理设计一种由胶体颗粒组成的界面层是控制乳化油脂质氧化的有效策略。皮克林乳液的一种脂质抗氧化机制是界面区域紧密排列的胶体颗粒作为保护屏障，防止促氧化剂的攻击。皮克林乳状液制备的典型食品级颗粒包括蛋白质和多糖胶体颗粒。Wang Zhiming 等人[31]通过pH 值驱动的方法获得米糠修饰的面筋蛋白纳米颗粒，并且评估了该纳米颗粒制备皮克林乳液对乳化大豆油脂质氧化的影响。这些纳米颗粒吸附在油水界面，从而通过颗粒涂层的液滴和非吸附的颗粒形成相互连接的网络结构，使乳化剂在乳液中具有黏弹性和自支撑特性。该皮克林乳液形成的物理屏障有效地抑制了高内向乳液中的脂质氧化，从而减轻了乳液体系中一次和二次氧化产物的形成。

3.2 油脂替代品

在食品工业中，乳液通常是水包油型（O/W），如牛奶、沙拉酱和蛋黄酱等，或者油包水型（W/O），则是人造奶油和黄油等。蛋黄酱是一种半固体配制酱汁，通过混合蛋黄、植物油、醋和香料制成。在蛋黄酱成分中，蛋黄在乳液的稳定性和感官特性中起着至关重要的作用。虽然鸡蛋具有优异的乳化性能，但高水平的胆固醇和饱和脂肪酸会增加肥胖的风险。因此，需要增加植物蛋白的利用率来支持生产富含蛋白质的食物，从而替代或者部分替代人类饮食中的动物蛋白，这可以成为发展可持续食品系统的有前途的方法。基于面筋蛋白的甘油乳液含有很少微米大小的油滴，可为制备无蛋蛋黄酱提供可行的方法。Xiao Liu 等人[4]首先发现了热甘油（130 ℃）作为溶解面筋蛋白的合适溶剂，并开发了一种简单而经济的策略，通过使用面筋蛋白基甘油乳液凝胶来构建液体油，制备平均液滴大小（1.61～3.38 μm）乳液，这类似于商业蛋黄酱。通常，小液滴尺寸在蛋黄酱的形成中起着至关重要的作用，并影响蛋黄酱替代品的味道和稠度。

冰激凌是一种水包油的乳液系统。作为一种复杂的冷冻基质，冰激凌含有由冰晶稳定的气泡和乳化奶油，其中含有可溶性和分散的成分。其被各种表面活性成分稳定，如蛋白质、单甘油酯和双甘油酯及水溶性表面活性剂。Wenmeng He 等人[32]采用醋酸、酒石酸和柠檬酸脱酰胺结合热处理对面筋蛋白进行修饰，获得3 种不同的改性面筋蛋白，然后将3 种脱酰胺面筋蛋白作为替代品添加入冰激凌中的脱脂奶粉，以研究其对冰激凌混合物的流变特性和冰激凌样品的物理特性的影响。所有混合物都表现出非牛顿剪切变稀，以及更具弹性而不是更黏稠的结构。偏最小二乘法判别分析对冰激凌样品的物理化学和流变特性的结果表明，柠檬酸脱酰胺面筋蛋白显示出适当的流变特性和物理特性，可用作进一步开发作为冰激凌的脂肪替代品。

3.3 生物活性物质载运

许多生物活性物质具有优良的功能特性，包括抗氧化、抗炎和抗肿瘤；然而，他们往往容易受外部因素（如光、热、pH 值和离子强度）的影响而降解。为了提高稳定性和生物利用度，已经开发了各种方法来封装生物活性物质。乳化方法在生物活性物质的封装、控制释放和定向递送方面显示出优异的性能。但单一的乳化材料不足以使复杂的食品在pH值、储存时间和温度等广泛的条件下保持稳定。可以通过结合具有不同特性的乳化剂来设计改进的食品乳液来满足一系列必要的要求。Dongwen Fu 等人[33]通过在油滴表面形成由蛋白质纳米颗粒和黄原胶组成的静电复合物，可以产生相对稳定的β-胡萝卜素负载的Pickering 乳液。面筋蛋白的存在提高了β-胡萝卜素在贮存过程中对化学降解的稳定性，并增强了其在模拟胃肠道中的生物可及性。该信息可能有助于设计基于Pickering 乳液平台的营养保健品的有效输送系统。此外，利用水包油乳液中的逐层自组装，在油滴周围形成多层界面，可以改善许多生物活性物质的质量和稳定性。这种技术可逐步吸附各种成分，包括聚电解质、纳米颗粒、蛋白质和酶，并可以形成具有纳米级厚度和高稳定性的多层外壳，从而最大限度封装和递送活性成分。