高压烹饪后结合木瓜蛋白酶-碱蛋白酶水解处理可以显著提高藜麦肽的生物活性释放率:其结构特性、功能作用以及对营养价值的意义

时间:2026年3月11日
来源:Journal of Cereal Science

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压力烹饪(120°C,0.1 MPa,20 min)结合 papain–alcalase 酶解处理可改变藜麦蛋白结构并释放低分子量生物活性肽。实验表明压力烹饪使蛋白质二硫键增加12.2%,暴露疏水区域,提升酶解效率;QPD-III组分(1-3 kDa)显示最强抗氧化活性(DPPH 63.14%,ABTS 190.48%)及酶抑制活性(α-淀粉酶73%,α-葡萄糖苷酶79%)。分子对接证实特定肽段(如APELLSEAFDVPEDLIRK)通过氢键和疏水作用抑制酶活性。该研究为靶向热酶法加工功能性植物蛋白提供了新策略。

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王英超|杨帆|李朝敏|马千伟|李银塔|王莉莉|曹如歌
天津科技大学食品科学与工程学院,中国天津300457

摘要

本研究探讨了压力烹饪(120°C,0.1 MPa,20分钟)结合木瓜蛋白酶-碱性蛋白酶水解如何将藜麦蛋白转化为生物活性肽。压力烹饪使藜麦蛋白中的游离巯基含量减少了34.5%,二硫键增加了12.2%,改变了其二级结构(α-螺旋从22.5%变为16.3%;β-折叠从47.0%变为53.7%),并提高了热稳定性(达到67.8%),表明蛋白质发生了聚集,蛋白酶的降解能力降低。相比之下,木瓜蛋白酶-碱性蛋白酶水解释放了大量低分子量肽:双酶体系QPD显示出最高的抗氧化活性(DPPH抑制率为63.14%,ABTS抑制率为190.48%,还原能力为409.33%)。分离实验表明,QPD中的1-3 kDa肽具有最高的生物活性:QPD-III含有42种肽(主要基序为AFDVPEDLIR、NSVFDDELR、GENDDRGAIIR,占比34.6%),而CQPD-III含有34种肽,其中以APPELLSEAFDVPEDLIRK家族为主(占比43.4%)。QPD-III表现出最强的抗菌和酶抑制作用(对α-淀粉酶/α-葡萄糖苷酶的抑制率分别达到73%和79%)。分子对接分析显示,APELLSEAFDVPEDLIRK通过氢键和疏水相互作用与α-淀粉酶(ΔG=-176.4 kcal/mol)和α-葡萄糖苷酶(ΔG=-89.1 kcal/mol)结合,支持竞争性/混合抑制机制。研究结果表明,针对性的热酶处理可以调节肽的组成和生物活性,为藜麦蛋白在功能性食品中的应用提供了新的途径。

引言

藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)是一种营养价值高的无麸质伪谷物,以其均衡的必需氨基酸组成和高比例的储存蛋白(主要是11S球蛋白和2S白蛋白)而著称(Chen等人,2025年)。这些蛋白质具有乳化、发泡、凝胶化及结合水/油等优良功能特性,适用于食品配方和营养补充。然而,藜麦蛋白的实际应用受到其固有低溶解度和有限蛋白酶降解性的限制,这些特性源于其较大的亚基分子量、紧密的三级结构以及大量的分子间相互作用。这种结构刚性降低了蛋白酶的降解效率,限制了低分子量肽的生成,从而限制了藜麦衍生物的营养和生物活性潜力。
热机械处理是一种常见的改变化学性质的方法。高压烹饪可导致储存球蛋白的可重复展开和重组:暴露出原本隐藏的半胱氨酸和疏水残基,促进二硫键的形成,并改变二级结构(Ma等人,2023年)。这些宏观变化提高了凝胶强度和界面性质,但它们对蛋白酶降解效率、肽释放模式及序列依赖性生物活性的影响尚未完全明确。阐明这些因果关系对于超越经验性工艺优化、实现植物蛋白的机制驱动增值至关重要(Sá等人,2025年)。
酶水解是一种将结构紧密的蛋白质转化为生物活性肽的定向策略,所选蛋白酶的类型显著影响最终肽的组成。木瓜蛋白酶优先切割靠近疏水性和芳香性残基的肽键,产生中等长度的肽;而碱性蛋白酶对脂肪族残基具有更广泛的特异性,能有效生成低分子量片段;两者联用可增加难以被降解的球蛋白区域的切割,丰富肽的多样性(Qi等人,2024年)。从实际应用角度看,木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶均为食品级蛋白酶,在广泛的pH和温度条件下具有稳定的活性,非常适合用于植物蛋白处理。其他谷物蛋白(如大米和荞麦)的研究表明,双酶体系可同时提高肽的多样性和生物活性(Lasrichan等人,2024年)。因此,我们采用木瓜蛋白酶-碱性蛋白酶串联处理方式以最大化水解效率,生成低分子量且可能具有生物活性的藜麦肽。
然而,这种处理方式与特定的热机械处理步骤的结合效果尚未在藜麦蛋白上进行验证。因此,本研究设计了压力烹饪后依次进行木瓜蛋白酶-碱性蛋白酶水解的实验,旨在验证以下假设:压力处理可暴露11S球蛋白中的隐藏半胱氨酸和疏水区域,提高蛋白酶的降解效率;木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶的互补作用将扩大肽的序列范围,丰富含有疏水/带电残基的肽组分。预期这种方法能产生兼具优良功能特性和序列特异生物活性的肽(Wang等人,2025年)。
本研究结合了结构分析、蛋白酶降解谱分析以及功能/生物活性评估,并利用分子对接技术将特定肽基序与潜在的作用机制联系起来。该研究不仅揭示了热机械预处理对肽释放的调控机制,还为藜麦蛋白在食品配方和功能性成分开发中的应用提供了新思路。

材料

藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)由甘肃省农业科学院提供。木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶购自中国上海Macklin生化有限公司。1,1-二苯基-2-皮克里尔肼(DPPH)、2,2'-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)和6-羟基-2,5,7,8-四甲基铬烷-2-羧酸(Trolox)购自中国北京Solarbio科技有限公司。本研究使用的其他化学试剂和溶剂均为分析纯。

藜麦蛋白和肽的制备

藜麦

藜麦蛋白的结构特征

本研究采用了一系列结构分析方法,以确定压力烹饪对藜麦蛋白分子结构的影响,并为后续的蛋白酶降解和功能变化提供结构基础。

结论

本研究提出了一种基于机制的策略,通过结合压力诱导的结构重塑和顺序木瓜蛋白酶-碱性蛋白酶水解来释放藜麦蛋白的潜在功能。通过整合蛋白质结构表征、肽谱分析和功能评估,研究表明,可控的预变性可以有效调节蛋白酶的降解效率,定向生成低分子量生物活性肽。

作者贡献声明

杨帆:概念构思、数据分析、实验设计。王莉莉:资源获取。曹如歌:写作、审稿与编辑、项目监督、资源协调。马千伟:实验方法设计、数据分析。李银塔:软件操作。王英超:初稿撰写、数据验证、实验实施。李朝敏:数据管理、概念提出

未引用参考文献

Jan等人,2025年;Li等人,2026年;Wang等人,2025年。

利益冲突声明

作者声明本论文的发表不存在利益冲突。所有作者均已批准该论文,并同意将其提交至《Cereal Science》期刊。研究设计、数据收集、分析、结果解读、论文撰写及发表决定均未受到任何外部资金的影响。

致谢

本研究得到了新疆自治区重点研发项目(2025B02016-3)的支持。

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