综述：小麦面筋的自组装：提升其结构和功能特性的研究视角

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Self-assembly of wheat gluten: A perspective on enhancing the structural and functional properties of wheat gluten

　　

Faying Zheng|Yu An|Mengran Zhang|Xuchun Zhu|Mengying Liu|Hongzhi Liu

中国教育部北京科技商务大学老年营养与健康重点实验室

摘要

由于植物性蛋白质的可持续性优势，对其的需求显著增加。小麦是一种高质量、低成本且营养价值高的蛋白质来源。然而，小麦中的主要蛋白质成分——小麦面筋（WG）容易聚集形成不溶性团块，从而限制了其功能性。本文总结了过去15年该领域的主要研究方向，包括：（i）WG的自组装行为；（ii）WG与其他分子（如多糖和酚类化合物）结合的自组装行为；（iii）改善WG在食品应用中的技术性能的策略。通过改变其分子构象和/或表面化学性质，可以提升WG的技术性能。此外，WG自组装在食品系统中的应用涉及多个功能方面，包括凝胶化、发泡、乳化能力、成膜能力以及生物活性或敏感化合物的控释。同时，本文还讨论了开发创新性WG基食品成分所面临的挑战和机遇。

引言

植物性蛋白质已成为食品科学和营养学研究的热点。与动物源性蛋白质相比，植物蛋白质因其可持续性优势而受到越来越多的关注。它们越来越多地被用作动物蛋白质的替代品，以降低生产成本、减少全球温室气体排放，并提高素食消费者的接受度。植物蛋白质通常来源于多种植物，包括小麦、藜麦、大豆、杏仁和核桃等全谷物和油籽。除了提供人体所需的必需氨基酸外，某些植物蛋白质还能改善产品的质地、结构和稳定性。已知的好处包括但不限于：提高粘度、凝胶化和乳化性能、增强热稳定性，以及作为生物活性化合物的载体。

小麦（Triticum aestivum）是全球种植和消费最广泛的谷物之一。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球小麦产量从1994年的5.3295亿吨稳步增加到2023年的7.9895亿吨[1]。小麦面筋（WG）是一种丰富的储存蛋白质组分，主要由麦谷蛋白（40–50%）和麦醇溶蛋白（30–40%）组成。与其他植物蛋白质相比，WG的一个关键特性是通过非共价相互作用形成三维网络结构，从而赋予面团独特的粘弹性。这一特性使WG广泛用于生产面粉制品，如面条、面包、馒头和饼干[2]。此外，研究表明，水解后的WG和某些天然存在的麦肽可以通过抑制血管紧张素的产生来降低血压[3]。还有一种从WG胰蛋白酶水解物中释放出的血管紧张素转化酶抑制肽，且无毒性[4]。其他研究还展示了麦源肽的免疫调节作用及其在代谢综合征管理中的潜在作用[5]、[6]。

WG是小麦中的主要蛋白质组分，约占总蛋白质含量的85%。然而，尽管作为一种丰富且成本效益高的植物蛋白质来源，由于其较差的溶解性，在工业应用中仍存在挑战[7]。通过调整pH值、热处理、酶解或添加其他成分（如多糖或酚类化合物），可以改变WG的结构，从而显著提高其溶解性[8]、乳化和发泡活性[9]以及凝胶能力[10]。这些功能改进主要与WG自身的自组装或其与其他组分的共组装有关。先前的研究表明，WG可以自组装成纳米颗粒、纤维和活性成分的递送系统，从而扩展其潜在的工业应用。迄今为止，很少有研究系统地探讨WG的自组装行为。在将其应用于食品系统之前，全面了解相关的结构和功能变化至关重要。本文首先分析了WG自组装的结构基础、形成机制和驱动力。然后研究了WG的自组装行为，包括纳米颗粒和淀粉样纤维的形成，以及WG与酚类化合物和多糖的共组装系统。最后，本文探讨了如何通过调节WG的界面和流变特性来改善其技术性能，并深入分析了WG自组装对食品结构和感官特性的影响，同时讨论了基于WG的自组装系统的安全性，并概述了未来的挑战和机遇。

章节摘录

蛋白质组成

WG蛋白质是主要位于淀粉质胚乳细胞内的谷物储存蛋白质，大致分为麦醇溶蛋白和麦谷蛋白（图1I）。根据十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS–PAGE）的结果，WG蛋白质可分为六类：高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS）、低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GS）以及α-、γ-、ω1,2-和ω5-麦醇溶蛋白（图1II）。从氨基酸组成来看……

WG自组装成纳米纤维和纳米颗粒

淀粉样纤维（AFs）是在特定条件下蛋白质分子自组装形成的有序β-折叠结构。在WGAFs的形成过程中，“模板”理论被广泛接受，通常包括三个阶段：成核、生长和成熟（图3）。先前的研究表明，高度疏水的麦醇溶蛋白在酶解后可作为“模板”，而富含α-螺旋的WG水解物可能起到“添加剂”的作用。

界面吸附

界面性质决定了各种产品中乳液、凝胶和泡沫等结构的形成和稳定性。界面层的厚度被认为是影响乳液稳定性的关键因素。WG自组装已被证明是一种有效的调节界面行为的策略。例如，由于其较大的长宽比，WGAFs可以在油水界面吸附，从而形成具有高界面负荷的粘弹性层。

通过自组装技术改善WG的功能性能

自组装可以增强WG的功能性能，主要包括凝胶化、乳化、发泡和溶解性（见表1）。此外，它们还被广泛应用于水凝胶、食品包装材料以及活性成分的保护和递送等领域（见图8）。

WG自组装对食品结构和感官特性的影响

多项研究考察了WG自组装结构在食品加工过程中转化为淀粉样纤维或纳米颗粒的情况，为精确的过程控制提供了见解。这些研究模拟了典型的食品加工条件，如煮沸、蒸煮、慢炖和冻融循环（见表1）。例如，在100°C下加热15分钟后，麦谷蛋白表现出特征性的长链分支结构，而麦醇溶蛋白则形成长而坚硬的……

WG自组装诱导的免疫原性和过敏原性变化的机制假设及安全性评估

WG的解毒是目前研究的主要焦点。已报道了三种主要策略：（i）免疫优势肽的蛋白水解；（ii）谷氨酰胺残基的转酰胺化；（iii）基因修饰[105]。WG自组装为解决这些挑战提供了一种新方法。例如，研究表明，WG与壳聚糖形成的互锁超分子结构可以减少对乳糜泻患者的毒性。

挑战与未来方向

尽管在利用WG自组装改善凝胶化、溶解性、乳化、发泡和递送性能方面取得了显著进展，但仍有一些关键研究方向需要解决。

结论

本研究表明，WG在中性条件下的低溶解性主要归因于其疏水性氨基酸组成、电荷分布以及加热时的聚集倾向。关于WG自组装的研究在改善其功能性能方面取得了显著进展。特别是，与病理性淀粉样纤维不同，WG衍生的AFs具有高长宽比、优异的机械强度和有序的交联结构等特性。

CRediT作者贡献声明

Faying Zheng：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学设计、数据整理、概念构思。Yu An：方法学设计、实验研究。Mengran Zhang：实验研究、数据整理。Xuchun Zhu：软件使用。Mengying Liu：方法学设计。Hongzhi Liu：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。

资金声明

本研究得到了贵州省科学技术厅（KXJZ[2024]021）和北京市高层次人才项目（19008024075）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。