大豆蛋白自组装的研究进展_房琪.pdf

大豆蛋白自组装的研究进展房琪，王欢，代世成，江连洲*（东北农业大学食品学院，哈尔滨150030）摘要：近年来，利用大豆蛋白自组装形成的纳米颗粒、纳米纤维、纳米管和胶束等纳米结构因其独特性能，受到广泛关注。自组装是将不同组分利用非共价相互作用自发形成有序的聚集体结构，驱动力主要有氢键、疏水作用和静电相互作用。文章对大豆蛋白自组装的驱动力和纳米结构进行综述，为大豆蛋白自组装在食品领域中的应用提供理论基础。关键词：大豆蛋白；非共价相互作用；自组装；纳米结构中图分类号：R944.5文献标识码：A文章编号：1674-3547(2023)01-0026-08收稿日期：2023-02-01第一作者：房琪，女，硕士，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程，E-mail:*通讯作者：江连洲，男，博士，教授，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程，E-mail:综述2621 世纪被称为植物蛋白世纪，人们对营养均衡的追求日益迫切，因此，构建可持续的高品质蛋白供给模式迫在眉睫1。以大豆、小麦、豌豆等植物为来源的蛋白质在风味及营养价值等方面均可与动物蛋白媲美。大豆蛋白是重要的植物蛋白，作为膳食中优质蛋白质的主要来源，由 2S、7S、11S 和 15S 四大类蛋白质组成。其中，11S 蛋白（球蛋白）和 7S 蛋白（-伴球蛋白）占比为 80%以上2，其三维结构如图 1 所示。大豆蛋白可增加膳食蛋白质总摄入量，减少碳水化合物或脂肪摄入量3，其生产成本低，具有优良生物相容性及加工特性，被广泛应用于食品工业和农业等领域，逐渐成为该领域的研究热点4。在食品工业中，大豆蛋白是一种重要的功能性成分，具有多种功能性质，如乳化性、发泡性和凝胶性等5。食品级纳米颗粒在尺寸范围内具有易操控、比表面积大、分布均匀、结构稳定等优点，被证实为负载活性成分和构建营养给药系统的有效载体模型6。因此，众多研究者利用大豆蛋白“自上而下”或“自下而上”地构建纳米结构运载某些生物活性物质，如姜黄素、咖啡因、维生素、叶酸、槲皮素和白藜芦醇等7提高其生物可及性和生物利用度。自组装是多学科研究领域，广泛地存在于自然界中，是指由分散的构筑基元通过非共价相互作用，自下而上地自发形成一个稳定的、有序的聚集体结构。构筑基元可以是原子或分子等8。其中非共价作用通常包括氢键、疏水作用、静电相互作用和范德华力。环境因素，如温度、pH、酶解和超声等处理可调控自组装过程，从而形成具有特定功能的纳米结构。近年来，自组装在纳米技术中表现出巨大潜力9。许多蛋白质以自组装形式存在，因此，利用大豆蛋白或大豆蛋白肽自组装制备新型生物材料应用在食品领域中成为研究热点。文章对大豆蛋白自组装机制和形成的纳米结构进行综述，为大豆蛋白自组装在食品领域中的应用提供参考。7S蛋白11S蛋白Research Progress on Self-Assembly of Soy ProteinFang Qi,Wang Huan,Dai Shicheng,Jiang Lianzhou(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)Abstract:In recent years,nanoparticles,nanofibers,nanotubes,micelles and other nanostructuresformed by soybean protein self-assembly had attracted wide attention due to their unique properties.Self-assembly was an ordered aggregate structure formed spontaneously by non-covalent interaction ofdifferent components.The driving forces were mainly hydrogen bonding,hydrophobic interaction andelectrostatic interaction.In this paper,the driving force and nanostructure of soybean proteinself-assembly were reviewed,which provided a theoretical basis for the application of soybean proteinself-assembly in food field.Key words:Soy protein;Non-covalent interaction;Self-assemble;Nanostructure图17S和11S大豆蛋白三维结构综述271大豆蛋白自组装的驱动力自组装形成过程依靠分子间的非共价相互作用协同影响，包括氢键、疏水相互作用、-堆积、静电相互作用和范德华力等。当自组装动力学达到动态平衡时，将会形成纳米颗粒、纳米管、胶束等不同纳米结构10。1.1氢键氢键是两亲物质自组装形成超分子结构最主要的驱动力11，多种氨基酸通过酰胺键形成蛋白质和多肽，具有大量氢键的结合位点。氢键键能范围为 565 kJ/mol12。氢键在形成和稳定蛋白质二级结构中发挥重要作用，例如，在-螺旋中，在相邻螺旋之间内部形成氢键，即每个肽单位 N 上的氢原子与第 4 个肽单位羰基上的氧原子生成氢键，氢键方向与中心轴平行。若氢键破坏，-螺旋构象也会被破坏。由于氢键具有方向性和可选择性，因此氢键可特定选择多肽自组装形成不同纳米结构13。1.2疏水相互作用疏水相互作用是自组装过程的主要驱动力之一。当非极性分子进入水（溶剂）中，氢键网络被破坏，周围水分子进行重排，形成一个空腔，使非极性分子发生自组装。非极性分子之间的相互吸引作用称为疏水相互作用。由于疏水作用不具有方向性，当自组装过程中仅存在疏水作用时，大豆蛋白倾向自组装形成胶束而非其他纳米结构14。Wang 等15利用乳铁蛋白肽在溶液中的疏水作用自组装形成胶束递送姜黄素，可显著提高其稳定性和生物可及性。-相互作用发生在含有苯环的芳香氨基酸之间，苯环之间保持基本平行或垂直，通过苯环间电子云的吸引力维持稳定，从而促进大豆蛋白的自组装10。仅依靠疏水作用不能为大豆蛋白自组装提供方向性，但-堆积可诱导多肽定向生长。此外，疏水相互作用可增强-堆积。在-相互作用中，疏水性芳香族氨基酸残基构成的多肽可自组装形成有序的结构10，Yan 等16综述了-淀粉样蛋白通过氢键和苯环间-堆积的结合组装成纤维，因苯环具有较强疏水作用使得其在水溶液中具有较强的稳定性。1.3静电相互作用当自组装过程中存在带电离子时，静电相互作用可发挥作用。静电相互作用的形成是由于多肽之间的两性离子，通过相反电荷间的库仑力形成的离子对。一般来说，当溶剂的极性越大时，静电作用越强。当氨基酸带相反电荷时，形成的离子对可影响自组装过程，但当氨基酸之间带有相同电荷时，彼此之间会发生排斥，被盐离子屏蔽，此时其他的非共价相互作用力变为自组装过程的主要驱动力12。此外，范德华力也可诱导蛋白质的自组装。范德华相互作用不是简单相加，而是依赖于系统维数。虽然范德华力的相对强度较弱，但可作用于所有分子，当其作用面积广时，范德华力较强17。在自组装过程中，这些非共价作用并非单独发生作用，而是通过彼此间共同调节，相互协同发挥作用。例如温度升高可使分子间的氢键被破坏，结构展开，范德华力减弱，埋藏在内部的疏水基团暴露，疏水作用增强，从而影响-堆积10。这些非共价相互作用彼此间相互影响，改变大豆蛋白的自组装过程。2自组装纳米结构在不同环境条件和驱动力的影响下，蛋白质或肽可自组装形成不同的纳米结构，以下为几种常见自组装形成的纳米结构。2.1纳米颗粒由于大豆蛋白具有良好的起泡性和乳化性，在食品工业中广泛地用于泡沫和乳液的稳定剂，这些性质主要取决于蛋白质的长宽比。大豆蛋白是一种两亲性生物大分子，可与溶剂和生物活性化合物相互作用，被认为是制备纳米颗粒的理想材料。大豆蛋白具有疏水氨基酸，可通过疏水作用自组装形成纳米颗粒10。大豆多肽聚集体自组装形成纳米颗粒18如图 2 所示。众多研究者通过大豆蛋白的自组装制备具有新型结构的纳米颗粒，以提高大豆蛋白的功能特综述28性（见表 1）。Yuan 等19通过酶解大豆蛋白生成两亲性聚合物自组装形成大豆蛋白纳米颗粒（SPNs），利用 pH 驱动法将姜黄素引入 SPNs 内部，从而提高姜黄素生物可及性。Zhang 等20通过水解大豆分离蛋白（SPI）得到大豆肽聚集体（SPA），在超声作用下进一步自组装得到大豆肽纳米颗粒用作乳液的稳定剂，所制备的乳液具有较厚界面层厚度和良好稳定性。自组装图2大豆多肽聚集体自组装形成纳米颗粒大豆多肽聚集体肽纳米颗粒（104 nm）TEM自组装结构主要驱动力应用参考文献纳米颗粒疏水作用运载姜黄素19纳米颗粒主要为疏水作用，二硫键作用次要，氢键作用于颗粒外部乳液稳定剂20纳米颗粒疏水相互作用维持颗粒的整体结构，氢键与二硫键维持表面结构与内部结构提高大豆蛋白功能特性21，222.2纳米纤维纳米纤维是直径小于 100 nm 的纤维，是热力学最稳定的自组装纳米结构。纳米纤维的驱动力和应用见表 2。蛋白质的自组装纤维化是自然界中一种常见现象，如淀粉样原纤维。绝大多数蛋白质可在酸性条件下加热自组装形成纤维聚集体。静电纺丝制备 SPI/PEO 纳米纤维23如图 3 所示。蛋白质原纤维由于其高纵横比结构具有良好的凝胶性能和界面吸附性18，在食品工业中广泛地用于制备水凝胶或药物递送系统。蛋白原纤维结构受多种因素影响，如 pH、离子强度、温度等。大豆分离蛋白是大豆蛋白加工过程中的副产物，富含谷氨酸和天冬氨酸，具有形成蛋白原纤维的良好条件。Ji 等24利用大豆分离蛋白形成大豆蛋白原纤维（SPF），探究不同离子强度和温度条件下 SPF 的结构变化，提高大豆蛋白原纤维的功能性质，为其在食品体系中的应用提供理论依据（见表 2）。关琛等25通过加入 CaCl2和 NaCl 诱导大豆分离蛋白（SPI）纤维溶液制得冷凝胶，研究不同蛋白浓度及离子浓度对凝胶性质的影响。表1纳米颗粒的驱动力和应用综述29图3静电纺丝制备SPI/PEO纳米纤维+聚环氧乙烷（PEO）水性静电纺丝超声处理后的大豆分离蛋白生物相容性纳米纤维表2纳米纤维的驱动力和应用自组装结构主要驱动力应用参考文献纳米颗粒静电相互作用提高大豆蛋白的功能特性24纳米颗粒静电相互作用运载姜黄素262.3纳米管纳米管是具有一定内孔的纳米级细长管状结构，在生物化学中应用广泛27。纳米管结构如图 4所示。利用非共价作用形成的纳米管具有易合成、自组装、直径可控、效率高等优点，成为目前研究热点。通常高纵横比管状纳米载体较其他结构纳米载体可产生更多摩擦力，增加体系粘度28，具有更高稳定性。纳米管的形成分为 3 个过程，包括水解、聚集和螺旋卷曲。纳米管的形成是两亲性多肽二聚体在钙离子的作用下形成细丝，细丝发生卷曲螺旋，随后钙离子闭合螺旋从而形成纳米管29。当钙离子浓度低于 30 mg/mL 时，原纤维或其他聚集体占主导地位，不能形成纳米管30。纳米管在递送功能因子方面具有重要作用（见表 3），Chang 等28利用-乳白蛋白自组装形成纳米管递送番茄红素提高其在乳制品中的抗氧化活性和稳定性。图4纳米管结构0100 nm综述30表3纳米管的驱动力和应用自组装结构主要驱动力应用参考文献纳米管疏水相互作用运载番茄红素/姜黄素28，29纳米管疏水相互作用运载番茄红素/姜黄素312.4胶束胶束是一种重要的纳米载体，可将功能性物质包埋，提高其稳定性和生物利用度32。胶束是两亲性聚合物在水溶液中自组装形成的粒径在纳米范围内的球形结构的聚集体。低浓度的两亲性聚合物以单聚体形式存在。当浓度接近临界胶束浓度（Critical micelle concentration，CMC）时，两亲性聚合物