蛋白质-香气化合物结合作用的研究方法及影响因素研究进展.pdf
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1、178 2023,Vol.44,No.17 食品科学 专题论述蛋白质-香气化合物结合作用的研究方法 及影响因素研究进展陈 臣,周琪琪,于海燕,娄新曼,李 永,田怀香*(上海应用技术大学香料香精技术与工程学院,上海 201418)摘 要:食品中包含蛋白质在内的多种大分子及微量风味物质,香气化合物与蛋白基质之间的结合作用对食品整体风味的释放和感知具有重要影响。本文对蛋白质与香气化合物结合作用的机制、测定方法、理论模型和影响因素进行了系统阐述,概括了蛋白质与香气化合物之间的结合作用方式,包括非共价键合、共价键合和传质效应等;系统比较了荧光光谱、圆二色光谱和傅里叶变换红外光谱等多光谱技术在蛋白质-香气
2、化合物结合作用中的应用;并介绍了蛋白质与香气化合物结合作用研究中常用的几种理论模型和新兴的分子对接和分子动力学模拟方法。此外,围绕蛋白质、香气化合物和食品中的配料成分3 个方面对香气化合物在蛋白基质中释放与保留的影响因素进行论述,并归纳了当前研究中主要存在的问题,同时针对未来的研究方向提出了建议,以期为香气化合物在食品蛋白基质中的可控释放提供科学依据和参考。关键词:蛋白质;香气化合物;多光谱技术;分子对接模拟;结合作用Research Progress on Determination Methods and Influential Factors of Protein-Aroma Compo
3、und BindingCHEN Chen,ZHOU Qiqi,YU Haiyan,LOU Xinman,LI Yong,TIAN Huaixiang*(School of Perfume and Aroma Technology,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China)Abstract:Foods contain a variety of macromolecules such as proteins as well as trace flavor compounds and the binding effect betwe
4、en aroma compounds and the protein matrix has an important impact on the release and perception of the overall flavor of foods.In this paper,we systematically review the mechanism,determination methods,mathematical models and influential factors of the binding effect between proteins and aroma compo
5、unds,and summarize the binding interactions between proteins and aroma compounds including non-covalent bonding,covalent bonding and mass transfer effect,and presents a systematic comparison of the application of multispectral techniques such as fluorescence,circular dichroism and Fourier transform
6、infrared spectroscopy to the investigation of the protein-aroma compound binding effect.Moreover,we summarize several common theoretical models and emerging molecular docking and molecular dynamics simulation methods available for research on the binding interactions between proteins and aroma compo
7、unds,and review the influential factors of the release and retention of aroma compounds bound to the protein matrix from three perspectives:protein,aroma compounds and food ingredients.Furthermore,we discuss the major problems existing in the current research and put forward some suggestions for fut
8、ure research directions in order to provide a scientific basis and reference for the controllable release of aroma compounds bound to proteins in foods.Keywords:proteins;aroma compounds;multispectral techniques;molecular docking simulation;binding effectDOI:10.7506/spkx1002-6630-20220603-035中图分类号:TS
9、202.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2023)17-0178-10引文格式:陈臣,周琪琪,于海燕,等.蛋白质-香气化合物结合作用的研究方法及影响因素研究进展J.食品科学,2023,44(17):178-187.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220603-035.http:/收稿日期:2022-06-03基金项目:国家自然科学基金面上项目(31972197);上海食品风味与品质控制工程技术研究中心项目(20DZ2255600)第一作者简介:陈臣(1982)(ORCID:0000-0002-4885-393X),男,教授,博士,研究方向为食品风味化学
10、及食品生物技术。E-mail:*通信作者简介:田怀香(1976)(ORCID:0000-0002-6097-809X),女,教授,博士,研究方向为食品风味化学。E-mail:专题论述 食品科学 2023,Vol.44,No.17 179CHEN Chen,ZHOU Qiqi,YU Haiyan,et al.Research progress on determination methods and influential factors of protein-aroma compound bindingJ.Food Science,2023,44(17):178-187.(in Chinese
11、 with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220603-035.http:/香气是食品风味的重要组成部分,是食品特征风味的来源之一。香气化合物的分子质量相对较小(400 Da),主要包括醛类、酮类、醇类、酯类、羧酸、含硫化合物、呋喃和吡嗪等1。蛋白质被公认为食品中的营养和功能成分,它不仅为人体提供必需的氨基酸,而且具有发泡、乳化、胶凝和风味结合等功能特性。除了作为食品的风味前体物质外,蛋白质可以通过物理截留方式抑制香气化合物的动态变化,或通过各种相互作用力影响食品中香气化合物的保留与释放2。蛋白质与香气化合物之间的结合作用主要包括非共
12、价键合、共价键合和传质效应,但由于食品组织结构的复杂性以及蛋白质和香气化合物的自身特性和结构差异,两者结合作用的本质与规律性研究仍是一个系统且复杂的过程。蛋白质对挥发性香气成分的结合作用主要取决于香气化合物和蛋白质自身的性质,但食品基质中调味用糖、油脂和盐等配料也会通过改变蛋白质的聚集状态和构象等特性,从而影响蛋白质-香气化合物的结合作用程度3。此外,香气化合物在食品热加工过程中容易与蛋白质发生解离,损失较快,从而导致风味强度减弱;食品中某些成分氧化产生异味物质与蛋白质发生结合,这些反应均会缩短产品的保质期4。由此可见,如何使蛋白质以最佳的形式结合和释放挥发性成分并保持产品理想的风味显得尤为重
13、要。因此,了解蛋白基质与香气化合物的结合作用,开发新的方法或模型来稳定香气化合物的结合并控制释放,对保持食品的感官品质具有重要意义,同时也能为食品工业快速适应市场对营养、美味食品的需求提供技术基础。基于此,本文综述了蛋白质与香气化合物的结合机制、测定方法和常用理论模型的研究进展,并探讨了影响蛋白质-香气化合物结合作用的主要因素。在此基础上,提出了改善风味与蛋白质结合能力的对策,以期为利用新工艺生产风味优良的健康食品提供思路。1 蛋白质与香气化合物的结合作用机制根据结合方式的不同,蛋白质主要通过非共价键合、共价键合和传质效应3 种方式实现对挥发性成分的吸附5(图1),进而改变顶空中香气化合物的浓
14、度。其中,蛋白质与香气化合物的非共价键合作用主要由疏水相互作用、范德华力、氢键和静电相互作用力来提供,这些作用方式均是可逆结合,常应用于减少加工过程的风味损失,并使风味成分在食用过程中重新释放6。Bi Shuang等7对3 种特定香气化合物与豌豆蛋白的结合类型进行研究,发现豌豆蛋白与正己醛的非共价键合作用主要是由氢键提供的结合作用力,而其与(E)-2-辛烯醛和(Z)-2-戊烯-1-醇的作用方式主要是疏水相互作用。对食品蛋白基质和关键香气贡献组分结合作用特性进行解析,可为富含蛋白食品风味的调控以及感官品质的提高奠定研究基础。CHCH3CH3CH3-CH-CH2-CH3Aroma RxAroma
15、RxAroma RxAroma Rx?-?Aroma RxAroma Rx?CCHOOHOOOCCOOH2NNH2OC?S SNH3HONHNHONHHNSSSS?图 1 蛋白质与香气化合物结合作用机制Fig.1 Binding mechanism between proteins and aroma compounds蛋白质-香气化合物结合过程中存在可逆的非共价键合作用和不可逆的共价键合作用。共价键合作用主要包括醛基(CHO)、羰基(CO)与氨基酸残基(NH2和SH)的共价交联8。研究表明,随着胰蛋白酶含量的增加,肌球蛋白对醛、酮类化合物的吸附能力增强,主要是由于氨基活性、巯基含量的增加等导
16、致蛋白质的二级结构展开,从而增强了蛋白与挥发性成分的结合行为9。含硫氨基酸中的巯基既可以参与维持蛋白质结构稳定的二硫键的形成,也可以与香气化合物发生共价结合8。另外,赖氨酸残基侧链的-氨基也会与醛类化合物通过形成席夫碱发生结合。Anantharamkrishnan等10 研究发现,乳蛋白与醛类物质、硫醇和呋喃之间可通过席夫碱、二硫键的生成和迈克尔加成反应发生共价键合。此外,一些胺类挥发物与天冬氨酸、谷氨酸的末端羧基之间形成酰胺键,也属于共价键合11。这些结合作用的形成速度或慢或快,均能够导致食品风味特征的变化。香气化合物在不同相之间的传质阻力会受到基质质地与微观结构的影响,进而导致分配系数和分
17、子迁移率有所不同。蛋白基质黏度的增加或形成的凝胶结构均会产生传质效应,从而减缓香气物质在食用过程中的释放12。其中,增加黏度不仅会阻碍食品组分的混合,而且会阻碍 180 2023,Vol.44,No.17 食品科学 专题论述香气化合物在口腔中的流动,从而降低挥发性物质释放到口腔的表面浓度13。此外,蛋白质发生凝胶化也会减少风味物质的释放,从而导致香气强度降低。不同种类的食品球状蛋白(如乳清蛋白和大豆球蛋白等)加热后发生变性,结构展开,通过暴露的活性位点相互作用,形成具有三维网络结构的凝胶,进而对香气化合物产生物理截留14。因此,通过改变挥发性成分的传质阻力可在一定程度上改变风味的整体平衡,最终
18、对风味的释放产生有利影响。2 蛋白质与香气化合物结合作用的研究方法与常用 理论模型依据分析原理,可将蛋白质-香气化合物结合作用的研究方法大致分为基于香气化合物顶空浓度、基于蛋白质构象变化以及基于蛋白分子与香气配体间结合位置的测定方法。其中,通过监测体系中香气化合物顶空浓度和蛋白质构象变化的测定方法往往需要理论模型加以辅助分析,进而反映蛋白质-香气化合物的结合作用程度。此外,新兴的分子对接模拟技术能够实现蛋白质-香气化合物结合作用位点和作用方式的可视化,从而直观地展现蛋白质与香气配体间的结合作用。因此,上述4 种研究方法与理论模型是定性和定量分析某种蛋白质和特定香气物质结合作用的方法基础。2.1
19、 基于香气化合物浓度的测定方法香气化合物在顶空中的浓度可以预估人在进食过程中的风味感知程度,顶空分析法基于气-液分配系数,结合气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)分析被广泛应用于去香食品基质对香气化合物结合能力的研究。常用方法主要包括静态顶空(static headspace,SH)分析法和顶空-固相微萃取(headspace solid-phase micro-extraction,SPME)法15。采用SH法对蛋白质-香气物质结合进行分析,基于香气化合物与蛋白质的结合亲和力(K1)以及气相与水相之间的风味分配系数(K2)。X
20、u Jiao等16通过SH法研究发现叶醇、柠檬烯以及丁二酮的保留率随大豆分离蛋白体系中所添加黄原胶浓度的增加而显著改变。Guo Jun等17利用SH法联合气相色谱测定香气化合物浓度,发现香茅醛、丙酸香茅酯、乙酸香茅酯和香茅醇浓度较高时(0.41.6 mmol/L)与大豆分离蛋白作用结合能较高,并产生新的结合位点,且两者为非线性结合。SPME-GC/MS法能够测定食品中挥发性风味成分的浓度,并通过分析模型拟合,以计算出蛋白质内部结合位点个数(n)和结合常数(K)值,被广泛应用于研究蛋白质与香气化合物的结合作用。当香气物质与水溶液中的蛋白质结合时(图2),顶空中挥发物质的浓度发生变化,这可以通过色
21、谱图中峰面积的变化来监测。Wang Haitang等18基于SPME-GC/MS方法研究了乙酯类物质(乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯和辛酸乙酯)与肌原纤维蛋白的结合作用。结果显示,随着肌原纤维蛋白浓度的增加,二者的结合能力显著增强,并且这4 种酯类物质与肌原纤维蛋白的结合能力依次为辛酸乙酯己酸乙酯丁酸乙酯乙酸乙酯。Han Zhong等19借助该方法发现,肌原纤维蛋白与2-辛酮的结合能力显著高于2-庚酮和2-戊酮,这可能是由于香气化合物的碳链越长、结合位点越多,其与蛋白质的结合能力就越高。?PPPP图 2 基于顶空中香气化合物浓度测定蛋白质-香气化合物 结合作用示意图20Fig.2 Schemat
22、ic diagram of protein-aroma binding effect in the determination of aroma compound concentrations in headspace202.2 基于蛋白质构象变化的测定方法当香气化合物分子带有极性基团时,在与蛋白结合时会引起蛋白质构象的改变。蛋白质与香气物质的结合作用通常采用结合位点n、结合常数K以及分配系数Ka、熵变S、焓变H和吉布斯自由能G等热力学参数来表征。因此,可以使用多光谱技术来阐明活性结合位点和结合作用类型,常用技术主要包括紫外-可见吸收光谱、荧光猝灭光谱、同步荧光光谱、圆二色光谱、傅里叶变换红外
23、光谱和拉曼光谱等技术(表1)。表 1 基于蛋白质构象变化的蛋白质-香气化合物结合作用的 测定方法比较Table 1 Comparison of methods for determination of protein-aroma compound binding based on protein conformational changes方法测定原理可表征的蛋白质构象可获得的分析参数参考文献紫外-可见吸收光谱近紫外区生色团的吸收峰强度、谱带的红移/蓝移变化色氨酸和酪氨酸残基无21-26荧光猝灭光谱芳香氨基酸残基能够自身发射荧光色氨酸和酪氨酸残基荧光强度、猝灭速率常数、n、K等21-33同步荧
24、光光谱荧光团周围微环境的极性变化(15 nm,Tyr残基;60 nm,Trp残基)色氨酸和酪氨酸残基荧光强度n、k、G等18,21,23圆二色光谱远/近紫外区蛋白质中肽键、芳香氨基酸残基及二硫键的光学活性二级结构平均残基椭圆率-螺旋含量23,28-30傅里叶变换红外光谱氨基酸残基均为发色团,酰胺带位于1 5001 700 cm1二级结构二级结构含量24-25,27,30拉曼光谱酰胺I带、酰胺III带、CN等的伸缩振动二级结构二级结构含量31-32,34专题论述 食品科学 2023,Vol.44,No.17 181蛋白分子结合香气化合物前后的紫外-可见吸收光谱变化能够反映蛋白质的色氨酸和酪氨酸残
25、基周围微环境的变化情况,从而可判断蛋白分子与香气化合物是否发生了结合作用。Yu Xia等21发现牛血清白蛋白使得茶黄素-3,3-双没食子酸酯(theaflavin-3,3-digallate,TFDG)的紫外吸收光谱增宽,可能是由于其与氨基酸残基存在特异性的非共价结合。Xiao Zuobing等22利用此法研究发现随着体系中百香果汁关键芳香化合物(二氢-紫罗兰酮和香叶醇)浓度的增加,索马甜蛋白在280 nm波长附近的吸收峰增强。这表明蛋白质的结构发生了变化,暴露了蛋白分子内封闭的色氨酸和酪氨酸残基的芳香杂环疏水基团,并且疏水相互作用得到增强,-*跃迁能量增加,证明它们都与索马甜蛋白发生了结合作
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