蛋白質營養價值與加工修飾研究進展

摘要蛋白質在日常飲食中不可或缺。由于人們食物安全意識的提高及人口老化的需要，食物研究人員探討了蛋白質替代品及蛋白質優化利用，以增加它們的生物利用率和消化率。由于蛋白質受pH、離子強度、溫度、壓力影響，可相應地采取手段改進其結構和功能。修飾的蛋白質被認為是有附加值的食品原料，即特種蛋白采用酶反應、水解、熱處理、酸化、超濾制備。綜述了以前的研究，展示蛋白質營養價值與修飾方法。

關鍵詞生物活性；消化率；配方；營養價值；加工修飾

中圖分類號S188；O629.73文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10313-03

基金項目國家自然科學基金資助項目（21376129）。

作者簡介劉慧（1990- ），女，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向：藥物合成。

全球人口增長和老齡化給糧食供應帶來挑戰。到2050年，世界人口預計會增長到100億，糧食產量需增加至少70%。消費者健康意識的提高，促進了對可持續、高品質食品的需求。蛋白質在身體生長和修復方面是基本的結構單位，因此，蛋白質供給必須可持續、有營養和環境友好。

不能完全通過提高動物產量實現蛋白質的供給，因為這會導致生物多樣性的喪失、淡水枯竭、氣候問題并影響人類健康[1]。最好的解決辦法有5種：①提高植物和動物蛋白質的表達生產效率。②提高蛋白質原材料（包括農業和工業廢物）分離和利用率。③通過修飾改善蛋白質成分功能。④提高植物蛋白在人類飲食的比例。⑤提高蛋白質消化率和生物利用度[2]。保證膳食提供充足蛋白質或氨基酸是確保蛋白質高利用率的前提。需研發新蛋白質和富含蛋白質的食物，要考慮不同食物加工過程中蛋白質的功能特性和代謝途徑。

除了傳統的動植物蛋白，例如肉、魚、牛奶、雞蛋、小麥和大豆，有必要開發新的蛋白質。從環境可持續性、經濟性和營養價值考慮，動植物蛋白混合食用前景可觀[3-4]。植物蛋白是一種經濟的動物蛋白替代品，全球飲食有以植物蛋白為主的趨勢。

如今，飲食不僅因身體需要，也是為了享受。食品的營養評價已擴大到包括抑制脂質酸敗、微生物生長、毒素產生以及增強抗氧化活性、生物活性和穩定性等。蛋白質是必不可少的食物，且在食品加工、口感、營養中發揮重要作用[5]。蛋白質有多種功能特性，包括抗氧化、抗菌、保水、起泡或乳化能力[6-7]。蛋白質性質由氨基酸組成、序列以及構象決定，未折疊的或水解的蛋白質在功能上與折疊的蛋白質存在差異。因此，為了改善蛋白質性質，可從蛋白質分離純化過程及物理、化學或酶改性著手。通過改變氨基酸組成或分子大小或取出某些必需氨基酸，可以獲得新型蛋白質[8-9]。

1蛋白質組成、結構和功能

蛋白質是氨基酸通過酰胺鍵連接而成的，大多有伯胺（-NH2）、羧基（-COOH）、巰基（-C-SH或R-SH）、硫醚（-C-S-C-）和羰基（-CHO）。官能團也有助于蛋白質構象形成[10]。蛋白質的工藝學和生物特性是由一級結構（氨基酸序列），二級結構（有氫鍵作用的α螺旋和β折疊），三級結構（二級結構在三維空間的排列）和四級結構（不同肽鏈的相互作用）決定的。氨基酸側鏈性質，如電荷、極性和大小決定蛋白質折疊特性。蛋氨酸、谷氨酸、亮氨酸和丙氨酸促進螺旋形成，而甘氨酸和脯氨酸使螺旋斷裂。纈氨酸、異亮氨酸和亮氨酸往往誘導片層折疊結構形成，而天冬氨酸、谷氨酸和脯氨酸起相反作用[11]。即使肽鍵骨架不斷裂，改變蛋白質二級、三級或四級結構也可引起變性[12]。若溫度、pH變化，有機溶劑、清潔劑、鹽類、尿素或鹽酸胍存在，蛋白質會水解或活性損失。

蛋白質在水中溶解度是蛋白質食品加工的關鍵，溶解度受離子強度、pH、食品基質和溫度影響。除了大豆、豌豆、羽扇豆和油菜籽蛋白質，多數植物蛋白質在中性pH溶解度極低[13]。蛋白質是表面活性劑，特別是牛奶和雞蛋。因此，作為乳化劑，蛋白質可用來促進乳液及泡沫的形成和穩定。蛋白質的乳化性會影響食物的消化率以及生物活性[14]。由于通過二硫鍵交聯形成了更緊湊的結構、更大的分子量，植物蛋白質與動物蛋白乳化性能存在差異[15]。容易變性、低分子量、高表面疏水性、溶解度大的蛋白質發泡性能較好，一些植物蛋白，如豌豆、羽扇豆、大豆和油菜籽蛋白質，發泡性能與雞蛋蛋白相近[16]。與天然折疊的蛋白質相比，水解或未折疊蛋白可使食物有不同特性[17]。植物蛋白加工修飾可提高其表面活性，例如脫酰胺小麥蛋白[18]。蛋白質聚集會產生不同大小和形態的聚集體，這對于食品和醫藥加工十分重要[19]。

2蛋白質的營養價值和消化率

人類為維持蛋白質含量，必須合成新蛋白質，以取代降解的蛋白質。不同個體對胃酸、腸消化酶和多肽酶反應不同，因此造成了個體蛋白質含量差異。亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、谷氨酸和精氨酸在運動表現方面發揮關鍵作用[20]。谷氨酸和精氨酸促進生長激素釋放，且是抗氧化劑谷胱甘肽的前體，可保護細胞免受自由基傷害并調節蛋白質合成的限速步驟[21]。氨基酸組成決定膳食蛋白營養，特別是必需氨基酸濃度、蛋白質消化率和生物利用率[22]。

蛋白利用率由消化率決定。人類的消化系統與血液、淋巴和神經系統直接相關，而食物攝取、消化、運輸也與其有關[23]。食物經過口腔咀嚼與唾液混合后，吞咽通過食道傳送到胃[24]。胃處理食物通常需要幾分鐘到幾個小時，胃的蠕動、消化液、胃酸，膽汁和內切酶的分泌可促進消化[25]。胃消化動力學和效果將影響在小腸的消化動力學[26]。食糜到達小腸后，在小腸蠕動、胰腺酶、膽酸鹽、粘液素作用下消化仍在進行，直到經小腸細胞吸收進入身體循環系統[27]。

蛋白質消化從胃開始，事實上它們存在于消化吸收的各個階段。蛋白質經過胃、胰腺、小腸中一系列水解酶降解成可被小腸選擇性吸收的氨基酸、二肽或三肽[28]。胃蛋白酶需酸性環境，最佳pH為1.8～3.2[29]。胃消化后，食糜中剩余的蛋白質和多肽將進入小腸，由胰蛋白酶以及腸道粘膜肽酶進一步分解[30]。研究表明，按照傳統加工技術、分析和營養評價方法，動物蛋白比植物蛋白消化率更高[31]。乳清蛋白比酪蛋白和分離的大豆蛋白亮氨酸和支鏈氨基酸含量更高[32]。分離的大豆蛋白中含有豐富的谷氨酸、精氨酸和生物活性劑，包括抗氧化劑，如異黃酮[33]。大豆分離蛋白和乳清蛋白促進肌肉生長、增加體重作用相似，都優于酪蛋白。一般情況下，食用多種植物可提供足夠的必需氨基酸，以滿足成人正常需要。對于特殊人群，如嬰幼兒、兒童、孕婦或產婦，尤其需要攝入氨基酸和易消化蛋白質。相比單一蛋白攝入，食用不同蛋白質，如大豆，酪蛋白和乳清蛋白對健康益處更大[34]。

3蛋白質的加工修飾

3.1化學修飾利用側鏈氨基酸的反應活性，可通過乙酰化、琥珀酰化、糖基化、酰胺化、烷基化、共價鍵、磷酸化和脫酰胺化對蛋白質進行化學改性。雖然化學修飾能改變蛋白質的消化率，但在大規模商業化生產中，由于成本、化學試劑、消費者觀念而受到限制。

3.2水解生物活性肽在蛋白質中通常無生物活性，但從前體蛋白釋放后會有生物功效。蛋白質可被酸、堿或內切酶水解產生短鏈肽和氨基酸，以替代完整蛋白質作食品配方。這些水解物或多肽有理想的營養特性和生物活性，包括抗高血壓、免疫調節、抗氧化、抗癌、抗血栓、抗真菌、抗微生物活性。大量研究討論了食物蛋白質水解對其功能的作用，包括動物蛋白，如酪蛋白植物蛋白，如大豆蛋白和小麥谷膠蛋白[8]。

蛋白質酶解通常會降低分子量、暴露疏水性基團。蛋白質水解產生的肽可賦予食物不同的風味，如不當的催熟可使奶酪變苦，L天冬氨酸會增加甜味。因此，食品研發中苦味肽釋放后需進行苦味掩蓋。

由于營養價值降低，酸、堿蛋白質水解物商業價值有限，例如，L氨基酸的損壞、D氨基酸和毒性賴丙氨酸的產生。相比之下，由于產品質量高（酶專一性催化結果），高生產速度（比相應的非酶促反應快108～1011倍），適中的生產成本及反應條件（pH 6～8，40～60 ℃），蛋白質的酶水解市場潛力巨大。

3.3加熱蛋白質對溫度變化敏感，因此可用加熱修飾蛋白質。控制加熱可修飾蛋白質產生特殊功能并改善消化率。為了獲得營養價值高、加工性能好、吸收率高的蛋白質，利用富含蛋白質且廉價的原料進行蛋白質修飾是很好的途徑。熱處理和蛋白水解產物超濾處理結合使用，可篩選出分子量大于5 000 D的水解殘基。值得注意的是，過度修飾會降低利用率，化學修飾可能會導致過敏反應、毒性、營養價值的改變。因此，持續關注并定量評估修飾蛋白的使用安全是十分必要的。

4結論

過去的幾十年中，修飾蛋白來獲得對蛋白質結構和功能更深入的了解已被廣泛研究，但大多從化學角度并在實驗室進行，對于食品加工、處理、攝取、吸收過程中蛋白質修飾的研究仍然有限。因此，修飾蛋白來生產高營養價值的蛋白質成分和富含蛋白質且有多種生物活性的食品仍然還沒有在商業上得到推廣。

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