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Formation mechanism and functional properties of protein-polysaccharide compounds

  • CHENG Xuejiao ,
  • QU Lingling ,
  • LI Min ,
  • YUAN Weigang ,
  • WANG Di ,
  • WANG Xingyu
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  • Shandong Yuwang Ecogical Food Industry Co. , Ltd. , Yucheng 251200, China

Received date: 2024-10-29

  Online published: 2025-03-28

Abstract

The formation mechanism and functional characteristics of protein-polysaccharide complex products have become one of the research focuses in the field of agricultural product processing. The mechanism, influencing factors, and functional properties of protein-polysaccharide complexes were explored. When proteins are mixed into a solution containing polysaccharides, two characteristic substances meet and produce electrostatic attraction or electrostatic repulsion, thereby forming a complex or discrete solution; the influencing factors of the interaction between the two include their own properties such as chemical composition and molecular arrangement, pH, the ratio of the two concentrations and other external conditions, as well as the treatment processes such as pressure, pressure reduction, and stirring speed. Protein-polysaccharide complexes have rheological properties, fat substitutes, gas-liquid or liquid-liquid two-phase interfaces, can partially or completely replace fat or prepare edible films and coatings, etc. This article provides a reference for the in-depth research and development of protein-polysaccharide complexes.

Cite this article

CHENG Xuejiao , QU Lingling , LI Min , YUAN Weigang , WANG Di , WANG Xingyu . Formation mechanism and functional properties of protein-polysaccharide compounds[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2025 , 31(6) : 99 -101 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.06.024

食品是多相系统,其单一组分,或两两相互作用的组分,多个相互作用的组分均影响着食品的质地、稳定性等性质[1-2]。蛋白质和多糖是食品中两类重要的生物大分子,在化学结构、物理性质和功能上存在较大差异。蛋白质具有良好的乳化、胶凝、发泡和界面吸附等功能特性,可作为乳化剂、稳定剂使用;多糖具有优异的流变性、持水性和增稠性等特点,在食品中常作为质构改良剂使用[3-4]。认识糖类和蛋白质类之间的作用,研究其复合机理过程和主要影响因素,通过控制外界条件(或环境影响因素)以获得能满足不同需要的食品,从而提高食物的营养价值、使用价值或利于长时间存储等是目前农产品加工领域研究的重点之一。本文探讨了蛋白质和糖类复合的机理、影响因素以及其复合物的功能特性,为蛋白质—多糖复合物的深入研究和开发提供参考。

1 蛋白质—多糖复合物的形成机理

1.1 蛋白质和多糖相互作用的类型

蛋白质和多糖本身具有其特征的分子组成、电荷和结构。当蛋白质混入溶有多糖的溶液中时,两者的特征物质相遇,会产生作用力。该作用力有两种,一种是静电吸引,两种物质具有不同的电性,从而发生复合反应,产生既不同于蛋白质,又不同于多糖的复合物;另一种是静电排斥,两种物质带有相同的电性[5-7]。此外,溶液pH和盐类等环境因素可能通过改变蛋白质或糖类的电性,进而改变两者间的作用力。
当两种物质具有的电性不同时,其相互吸引形成复合物的过程称为凝胶现象,形成的溶液为复合溶液。相互吸引的发生条件一般是溶液中组分的浓度低、离子强度低且生物大分子的电荷相反;复合溶液分为两相,一相是复合物,另一相是溶剂。当蛋白质类和多糖类发生排斥反应时,其溶液为离散型溶液,发生条件一般为组分浓度高、离子强度大且生物大分子的电性相同[8-9];离散型溶液也分为两相,一相含蛋白质类物质较多,另一相含多糖类物质较多。

1.2 蛋白质和多糖相互作用的影响因素

蛋白质类和多糖类的相互作用受3个方面因素影响。(1)蛋白质和多糖物质自身的特征、性质。如其化学组成、分子排布、分子的支链以及整体体现的电性等,当蛋白质和多糖的种类确定后,该部分的影响即可确定。(2)外界条件。如蛋白质和多糖溶液的pH,两者浓度的比例,其他盐类的种类和浓度等,该因素可以调节,通过试验筛选满足要求的条件,可达到控制复合溶液的目的。(3)处理过程。主要包括在蛋白质和多糖溶液复合时的一些辅助性措施,如加压或减压、改变搅拌速度、调节温度和施加振动等[10-11]
蛋白质和多糖的复合机理可通过复合后溶液的浊度、光学特性、复合物粒径的大小、电位和黏度等反映。戴卿印等[12]将大豆蛋白和壳聚糖进行复合处理,从复合物粒径的大小变化分析其复合机理,由于壳聚糖分子的支链可以结合不同数量的蛋白质,当大豆蛋白溶液和壳聚糖溶液的配比浓度发生改变时,形成的复合物有所不同,粒径大小也不同;此外,pH可改变大豆蛋白和壳聚糖的带电状况,当两者结合时,产生不同的静电作用,改变了复合物粒径的大小。
当大豆蛋白量大于壳聚糖的量时,随着大豆蛋白与壳聚糖比例的减小,复合溶液中复合物的粒径大小基本不变,在这种情况下,大豆蛋白的含量对粒径影响不大;在pH 7时,随着壳聚糖比例的增加,复合溶液中复合物粒径逐渐增大,说明大豆蛋白和壳聚糖复合形成了复合物,其中壳聚糖含量决定了复合物粒径的大小,壳聚糖含量越高,复合物粒径越大[12]。复合机理可能是壳聚糖带正电,大豆蛋白带负电,壳聚糖以静电吸引的作用聚集在大豆蛋白周围,因此壳聚糖含量越高,聚集的量越多,复合物的粒径就越大。

2 在农产品加工中的功能特性

通过控制复合过程,可获得良好的功能特性,主要研究的功能特性有复合物的流变学特征、脂肪替代物、复合溶液气—液或液—液两相界面特性等。

2.1 流变学特性

复合物的流变特性与多因素有关,主要分为三类。(1)分子自身的特性。如蛋白质分子和多糖分子本身的分子量、分子形状和具有的支链等。(2)分子间的相互作用。包括蛋白质分子之间的作用、多糖分子之间的作用、复合物之间的作用、三者间的交互作用以及三者和水分子之间的作用等。(3)环境影响。如溶液的pH、其他离子的浓度等。蛋白质溶液的黏度较低,浓度增加对黏度的影响不大;多糖溶液具有较高的黏度,随着浓度增加,其黏度明显增加;蛋白质和多糖复合产物体现的黏度与相同浓度的蛋白质和多糖溶液均不同,因此复合物具有与构成物质不同的流变特性[13]。该特性赋予了食品独特的风味,改善了食品的质构。

2.2 脂肪替代物

蛋白质—多糖复合物具有高乳化能力、合适的表面活性和黏度,可部分或完全替代产品中的脂肪[14]。将复合物作为脂肪替代物应用到农产品中,一方面可改善口感,另一方面可降低其中脂肪类物质的含量,增加蛋白质含量。近年来,随着低脂类型产品的研究越加深入,蛋白质—多糖复合物受到广泛关注[15]。姜迎迎等[16]对酪蛋白、刺槐豆胶和羧甲基纤维素制备的复合物进行研究,发现其作为一种新型脂肪替代品,在不损失最终产品感官品质的情况下,可以将脂肪含量降低至20%以下。Liu等[17]研究发现,大豆蛋白水解物及其与黄原胶的复合物可用于生产低脂冰淇淋。

2.3 界面吸附特性

复合物可以改变界面的稳定性,通过研究复合物在气—液两相界面、液—液两相界面的相互作用,可以改变产品的形貌[18]。蛋白质—多糖复合膜比单独使用蛋白质的膜具有较好的水蒸气透过性、吸水性、表面疏水性和机械性能,且可进行生物降解。目前,利用生物聚合物如多糖、蛋白质或复合物来制备可食用薄膜和涂层的研究较多。Cheng等[19]对玉米醇溶蛋白和壳聚糖为原料制备得到的可食性复合膜进行研究,发现其除具有较好的水蒸气阻隔性和力学性能外,还具有良好的抗氧化活性。Mohamed等[20]对天然聚合物制备可食用复合涂层或可降解薄膜进行研究,发现其不仅可作为产品的一部分安全食用,而且延长了新鲜农产品的保质期。

3 结语

蛋白质和多糖复合及复合产物的功能特性相关研究已成为农产品加工领域的一个重要分支。本文探讨了蛋白质和多糖复合过程机理、影响因素;此外,从复合物流变学特性、脂肪替代物和复合溶液气—液或液—液两相界面特性等方面讨论了复合物在农产品加工中的功能特性。通过调节蛋白质和多糖之间的共价和非共价相互作用制备功能优异的多尺度结构复合物,在农产品、食品与医药等领域有着广阔的应用前景。蛋白质和多糖相互作用,形成的复合体系复杂多样,今后的研究需借鉴高分子化学和胶体科学等相关技术和方法,探索多尺度结构诱导转化的最适成分、过程和条件,设计开发具有优异功能特性的蛋白质—多糖复合物体系产品。
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Outlines

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