高靜壓處理對植物蛋白消化性的影響

王晨笑，尹 浩，王丹鳳,2,3，鄧 云,2,3，岳 進,2,3,*

（1.上海交通大學食品科學與工程系，上海 200240；2.上海交通大學陸伯勛食品安全研究中心，上海 200240；3.農業農村部都市農業重點實驗室，上海 200240）

蛋白質是食品的重要組成部分，也是人體重要的常量營養素，在體內發揮著至關重要的作用。由于畜牧業成本高且對環境有較大的壓力，而種植業對環境的影響遠低于動物農業，因此，植物蛋白是一種更具可持續性的蛋白來源，以植物蛋白替代動物蛋白成為食品工業的發展趨勢[1]。為了提高植物蛋白的功能特性與利用效率，常采用物理、化學和酶法對蛋白質進行性能改善。高靜壓（High Hydrostatic Pressure,HHP）技術是一種新型的非熱加工技術，通常采用100 MPa以上（100～1 000 MPa）的壓力對物料進行處理，用于食品殺菌、滅酶等工藝中，同時也可以為食品提供獨特的質構。研究表明，HHP 技術也能夠改變蛋白質的結構和理化性質[2-4]。近些年利用HHP 技術改善蛋白質的消化性引起廣泛的研究興趣。一方面，蛋白質的消化性增加意味著其能更好地被人體吸收利用，具有更高的營養價值；另一方面，一些植物來源的蛋白質，如大豆蛋白，是生物活性肽的良好來源[5]，而蛋白質消化性的提高增大了其被用于生產生物活性肽的可能性，拓寬了蛋白質的應用范圍。本文對近十年來國內外發表的HHP 處理對植物蛋白消化性的改善相關研究進行了綜述，以期拓展高靜壓技術在植物蛋白改性領域的應用。

1 蛋白質的消化性及其主要影響因素

蛋白質的消化從胃腔開始，最后在小腸內被上皮細胞分解為游離氨基酸或短寡肽，從而被人體吸收利用。氨基酸是構成人體的最基本的物質之一，被吸收后主要作為生命體內合成蛋白質的原料。近幾年短肽的消化和吸收利用的研究取得了顯著進展，許多研究發現動物或植物蛋白釋放的肽在體外或體內具有生物活性，包括抗菌、抗氧化、降血壓、降膽固醇、抗血栓以及細胞免疫或免疫調節等活性[6]。因而，蛋白質在體內的分解和消化就尤為重要。

蛋白質的消化性主要由蛋白質消化率（Protein digestibility）來表征，即消化的蛋白質量占攝入體內的蛋白質量的比例，它表征了蛋白質氨基酸的利用度[7]。Boye 等[8]總結了一些植物蛋白和來自牛乳的酪蛋白的消化率，如表1 所示。與雞蛋、牛奶、肉類和魚類等動物蛋白相比，植物蛋白的消化率一般較低。一方面是由于攝入整個植物體時，植物中天然存在的纖維素等大分子在空間上阻礙了蛋白質與酶的接觸，蛋白酶抑制劑的存在則會降低蛋白酶的活性，使消化能力下降。另一方面，植物蛋白結構更為緊湊，具有抗蛋白酶活性的肽會降低酶的活性，進一步降低蛋白質消化率[9]。因此，通過一些加工手段改變蛋白質的結構，尤其是促進蛋白質的變性和結構舒展，可以增加酶的接觸位點和可接近性，使消化率提升[8]。Jood 等[10]研究了浸泡、蒸煮、高壓滅菌和發芽處理對豆類蛋白消化率的影響，發現高壓處理最為有效。在HHP 處理時，通常隨著壓力的增加，蛋白質的鏈更為舒展，同時觀察到無序結構的增加，這有助于消化性的提升[11-12]。根據蛋白來源和處理條件的不同，蛋白質完全展開所需要的壓力也各不相同。然而，過高的壓力處理可能會導致蛋白質間發生更多團聚，酶的可接近性降低，消化性降低[13]。此外，當在HHP 條件下進行酶水解時，一些疏水部位會在壓力的作用下解折疊，暴露出新的切割位點。蛋白質水解通常優先于通過二硫鍵形成的蛋白質聚集，使得在HHP 作用下水解程度增加，蛋白質的消化性提升[14-15]。如果蛋白質聚集占主要影響時，會導致蛋白的可接近性下降，水解程度下降。

表1 一些植物蛋白與酪蛋白的消化率[7-8,16]Table 1 Digestibility of some vegetable proteins and casein

2 高靜壓技術對蛋白的改性作用

高靜壓技術是指將食品密封在容器內，以液體（水或油）為壓力介質，在溫度為25～60 ℃下進行100～1 000 MPa 加壓處理。根據帕斯卡原理，液體壓力可以瞬間均勻地傳遞到整個樣品，因而不存在壓力梯度，樣品的尺寸和體積與處理效果無關[17]。HHP 處理遵循的另一個原理是勒夏特列（Le Chatelier）原理，即壓力使得平衡向體積減小的方向移動，并加速由基態轉化到體積較小的過渡態的過程[18]，導致體積較小的構象異構體的形成。這兩個基本原理也決定了HHP 技術有以下特點[17,19-20]：①HHP 處理是液體介質短時間內的等同壓縮過程，其處理的均一性好，運轉費用低；②其設備初期投入較大，生產效率低于熱加工處理，但在生產過程中不污染環境，且不需要額外能量維持高壓，可以節約能源；③HHP 處理后可以得到與熱處理完全不同的蛋白質變性狀態和淀粉的糊化狀態等，因而可以生產一些特殊的新型食品素材。HHP 技術在食品工業中應用最多的是作為冷殺菌工藝，滅活病原體和營養腐敗微生物的同時，能夠最大限度地保留食品的色澤、風味、質構、營養組分以及生物活性物質。除此之外，HHP 技術也常被用于蛋白質的改性中。

通常來說，蛋白質的體積由以下3 部分組成：組成蛋白質的原子的體積、由原子堆疊形成的空腔的體積及蛋白質表面結合的水所引起的體積變化[21]。如前所述，HHP 處理會導致蛋白質向體積更小的過渡態轉變，根據壓力的大小，能對蛋白質產生3 種主要影響，并且這一過程所產生的變化可以是可逆或不可逆的[18]。當壓力值較小時，首先發生彈性效應引起的蛋白質一級及二級結構的可逆扭曲。由于一級結構的可壓縮性非常小，它們對體積變化的貢獻可以忽略，即可以認為壓力對蛋白質的共價鍵沒有影響。氫鍵的壓縮導致構象扭曲，蛋白質體積減小[22]。一般地，當壓力值達到200 MPa 時，分子間相互作用和蛋白質三級結構會發生變化，而在更高的壓力下，蛋白質會展開[23]，展開的原因可能是蛋白質中所包含的空腔的損失與減少[24]。不同蛋白質所需的展開壓力不同，其范圍在100～1 000 MPa 之間，甚至更高。在HHP 處理中溶液環境對蛋白質的影響也不可忽視，與水的相互作用同樣會影響蛋白質的總體積，進而影響HHP 處理后的蛋白質變化[25-26]。綜合來說，通過HHP 處理，蛋白質的結構與展開程度會發生不同程度的變化，進而改變蛋白質的一些理化性質和功能特性。

3 高靜壓對蛋白質消化性的影響

在高靜壓作用下，蛋白質的結構以及分子間的聚集程度會發生變化，進而影響其消化性。大豆蛋白是研究最為廣泛的一類植物蛋白，研究結果也普遍表明HHP 處理能提升大豆蛋白的體外消化率。在2004年，Penas 等[27]首先研究了 100～200 MPa、37 ℃下處理15 min 對大豆蛋白酶解能力的影響，發現HHP 處理增加了大豆蛋白被胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶水解的程度，其中100 MPa 處理效果最好。后續研究也發現，較高的處理壓力（300 MPa、400～600 MPa）也可以改善大豆蛋白的體外消化率，產生更多的分子量較低的肽[28-29]。其他一些植物蛋白在HHP 作用下，其消化性的變化各不相同。表2 總結了不同植物蛋白在HHP 作用下的消化性變化。總體上，HHP 處理能夠增加蛋白質的消化性，主要表現在體外酶水解能力的增強。也有研究發現消化速率的提升[30]，其原因可能是HHP 作用下蛋白質展開，暴露出更多的切割位點，這與蛋白質種類和所施加的壓力條件有關[30-31]。另外，蛋白質的展開也使得酶類更容易與切割位點接觸。然而，在一些情況下，特別是在較高的壓力條件下，也發現了蛋白質消化性的下降，如在豌豆蛋白中，400～600 MPa 處理降低了堿性蛋白酶的體外消化率[12]。這是由于壓力導致的蛋白質-蛋白質相互作用與聚集的發生率提升，因而導致酶的可接近性下降[32]。總的來說，HHP 處理對蛋白質的消化性的影響與蛋白質種類、處理條件以及蛋白酶種類等因素相關，需要更多深入研究探明這一過程的機理與普遍規律[33]。

表2 高靜壓處理對植物蛋白消化性的影響Table 2 Effects of HPP on the digestibility of plant proteins

此外，在一些研究中，研究人員使用植物組織作為HHP 處理的原材料，同樣發現了HHP 處理可以提升植物蛋白的消化性。除蛋白結構變化外，HHP 處理對原料中抗營養因子的破壞也是導致蛋白質消化性提高的原因之一。Han 等[34]將扁豆、鷹嘴豆、豌豆和大豆在浸泡過程中用 HHP（621 MPa，30 或 60 min）處理，然后在98 ℃加熱30 min，考察胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和肽酶對蛋白體外消化率的影響，發現HHP下浸泡60 min 的處理組表現出蛋白體外消化率顯著提高。Linsberger-Martin 等[35]則發現 600 MPa，60 ℃下處理30～60 min 可以導致豌豆的蛋白質消化率提高4.3%，而60 min 處理可導致白豆的蛋白質消化率提高 8.7%。Deng 等[36]同樣發現 600 MPa，60 ℃下處理30 min 可以使蕎麥的蛋白質消化率提高0.8%。

4 高靜壓對蛋白質酶解及其產物活性的影響

高靜壓下酶與蛋白對壓力的應變共同影響蛋白的水解，一些學者研究了HHP 輔助蛋白質酶解對酶解效率和酶解產物的影響。Penas 等[41]以大豆乳清蛋白為研究對象，考察了100～300 MPa 壓力下，堿性蛋白酶、中性蛋白酶、Corolase 7089 和Corolase PNL 四種蛋白酶對大豆乳清蛋白的水解效果。發現壓力下所有酶的蛋白水解活性均有增加，其中200 MPa 和300 MPa 下最為顯著。在他們的另外一個研究中同樣發現100 MPa 的HHP 輔助下，胰蛋白酶、胃蛋白酶或胰凝乳蛋白酶對大豆乳清蛋白的水解增強[27]。Meinlschmidt 等[42]研究了 300～600 MPa 的壓力輔助下商業蛋白酶Flavourzyme 對大豆分離蛋白的水解，發現提高了大豆分離蛋白中的主要過敏原Gly m5 的降解，并降低了豆腥味，同時水解產物具有更好的蛋白質溶解度、起泡性和持油力。Zhang 等[30]在100～300 MPa 下，使用堿性蛋白酶對鷹嘴豆蛋白分離物進行 10～30 min 的水解，發現 100～200 MPa 處理可以增加堿性蛋白酶的活性，但在300 MPa 處理下其活性降低，原因可能是200 MPa 及以下的高壓增加了蛋白的展開程度，或使更多的切割位點暴露，促進了酶水解的活性。值得一提的是，在200 MPa 下水解20 min產生的肽具有更高的抗氧化活性。崔珊珊[38]發現300 MPa 下處理6 min 可以顯著提升木瓜蛋白酶水解甘薯蛋白產物的乳化性。與直接處理蛋白原料相似，較低的處理壓力（200～300 MPa）可以增強HHP 條件下的酶促水解，一方面是因為在HHP 下底物（蛋白質）的部分展開和更高的可接近性，另一方面則是壓力導致了酶的蛋白水解活性增強[41]。而較高的處理壓力則抑制蛋白酶的活性，同時使底物聚集，降低了切割位點的可及性，因而導致水解程度降低[30,41,43]。

還有一些研究發現HHP 輔助蛋白酶解的產物具有更高的生物活性。趙貴川[44]研究發現，HHP 處理能增加米渣蛋白中小分子肽的數量，并降低蛋白的平均粒徑，導致中性蛋白酶水解米渣蛋白的水解度，且在400 MPa 下處理10 min 后水解產物的抗氧化活性最強。Garcia-Mora 等[43]在 100～500 MPa 下使用 4 種蛋白酶（堿性蛋白酶、Savinase、Protamex 和 Corolase 7089）對扁豆蛋白進行15 min 的酶促水解，并評估兩種有預防或治療高血壓功能的生物活性肽（血管緊張素I 轉換酶（ACE）抑制劑和抗氧化肽）的釋放，研究發現 100 ～300 MPa 壓力提高了 Protamex、Savinase 和Corolase 7089 蛋白酶的水解效率。在300 MPa 壓力輔助下，酶促水解均完全，且生成更多小于3 kDa 的肽。同樣壓力下Savinase 對扁豆蛋白的酶解，產物的ACE 抑制活性和抗氧化活性最高。Guan 等[45]發現，在80～300 MPa 的 HHP 輔助下，Corolase PP 水解大豆分離蛋白的效率提高，水解產物的分子量降低；200 MPa下水解4 h 獲得的水解產物具有更高的還原能力、ABTS 自由基清除能力和ACE 抑制活性。Zhang 等[30]發現，在200 MPa 下使用堿性蛋白酶對鷹嘴豆蛋白分離物進行20 min 水解產生的肽具有更高的抗氧化活性。

5 總結與展望

作為傳統動物蛋白的一種替代品，植物蛋白越來越受到消費者青睞。然而由于植物體中的抗營養因子和一些植物蛋白結構中可能存在構象限制，導致植物蛋白水解效率低、消化性差、利用率低。研究發現，適宜的HHP 處理條件可以改變植物蛋白的構象，使其展開，暴露更多的酶接觸位點，提高其消化率和消化速率。壓力過高則導致蛋白質聚集，降低其消化性。另外，在HHP 輔助下進行植物蛋白的酶解，也發現酶解程度的增加，并且產生具有更高抗氧化活性、治療高血壓功能等生物活性的小分子肽。因此HHP 在植物蛋白質的改性方面，特別是消化性的改進方面有巨大的應用前景。今后可從以下方面進行更為深入和系統的研究：①探究HHP 對植物蛋白改性的機理，特別是對不同處理條件與不同溶劑環境對植物蛋白的結構和包括消化性在內的功能性變化的規律的研究；②除了體外水解模擬消化過程外，進一步通過體內消化特性的研究充分衡量HHP 處理對植物蛋白消化性的影響；③通過HHP 輔助植物蛋白酶解，對產生的產物的生物活性進行深入和系統的研究，尋求高效的生物活性肽的產生方法。另一方面，也可以對產物的體內生物活性進行進一步的研究。