《Food Chemistry: X》：Physicochemical characterization of sorghum husk proteins and development of glutelin-based sub-micron particles for lycopene encapsulation
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摘要
高粱是一种耐旱、高产的不谷类作物，富含碳水化合物、蛋白质和膳食纤维，是食品、饲料和生物燃料工业的重要资源。高粱麸皮是谷物加工过程中产生的纤维性副产物，目前尚未得到充分利用。本研究分离了高粱麸皮蛋白（sorghum husk proteins, SHPs）
摘要
高粱是一种耐旱、高产的不谷类作物，富含碳水化合物、蛋白质和膳食纤维，是食品、饲料和生物燃料工业的重要资源。高粱麸皮是谷物加工过程中产生的纤维性副产物，目前尚未得到充分利用。本研究分离了高粱麸皮蛋白（sorghum husk proteins, SHPs），并对其化学组成、理化性质、抗氧化活性及功能因子的载体潜力进行了系统表征。结果表明，谷蛋白（glutelin）表现出优异的起泡能力和起泡稳定性、二硫键含量以及化学和细胞水平的抗氧化活性。此外，经透明质酸（hyaluronic acid, HA）和聚乙烯亚胺（polyethyleneimine, PEI）修饰的谷蛋白基亚微米颗粒（sub-micron particles, SMPs）显著提高了包封番茄红素（lycopene, LYC）的稳定性，在热胁迫、紫外照射和氧化胁迫下分别将其降解率降低了14.38%–70.02%、16.18%–59.80%和16.84%–40.60%。这些SMPs还表现出显著的体外抗炎活性，可抑制关键炎症介质的分泌，包括肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α, TNF-α）（15.48%–56.70%）、白细胞介素-1β（interleukin-1β, IL-1β）（50.81%–72.62%）、白细胞介素-6（interleukin-6, IL-6）（25.90%–73.02%）、一氧化氮（nitric oxide, NO）（25.32%–78.31%）、前列腺素E2（prostaglandin E2, PGE2）（35.76%–76.30%）和环氧合酶-2（cyclooxygenase-2, COX-2）（42.20%–66.15%）。综上，这些发现表明SHPs，尤其是谷蛋白，作为功能性食品递送的多功能生物材料具有巨大潜力。化学修饰的SHPs可能代表一种增强包封生物活性物质保留率的有效策略，但仍需进一步的体内验证。
论文解读文章
高粱作为一种耐旱、耐贫瘠的作物，在全球粮食安全中扮演着重要角色，其籽粒富含碳水化合物、蛋白质和膳食纤维，广泛应用于食品、饲料及生物燃料领域。然而，在高粱加工过程中产生的大量麸皮副产物（约占地上生物量的20%–30%）未得到充分利用。高粱麸皮主要由蛋白质、纤维素、半纤维素和木质素组成，目前仅被用作动物饲料纤维补充剂或生物质燃料原料。尽管高粱麸皮蛋白（sorghum husk proteins, SHPs）具有与籽粒蛋白相似的营养价值，包括较高的蛋白质消化率校正氨基酸评分（protein digestibility-corrected amino acid score, PDCAAS），但由于其木质纤维素含量高、成分变异大以及大规模加工困难等问题，其高值化利用面临诸多挑战。与此同时，疏水性生物活性物质的递送效率一直是食品和制药领域的难题。番茄红素（lycopene, LYC）作为一种天然类胡萝卜素，具有强抗氧化、抗炎和化学预防活性，但其水溶性差、化学不稳定性和低生物利用度严重限制了其功能应用。尽管植物蛋白载体和LYC包封已分别被广泛研究，但利用未充分利用的SHPs并结合靶向表面修饰来构建递送系统的研究尚未见报道。
研究人员从高粱麸皮中依次分离纯化出清蛋白（albumin）、球蛋白（globulin）、醇溶蛋白（prolamin）和谷蛋白（glutelin）四种蛋白组分，对其化学组成、氨基酸谱、理化性质（起泡性、持水持油性、粘度、溶解度、巯基含量、表面疏水性、乳化活性及傅里叶变换红外光谱结构表征）进行了系统比较。同时通过化学法与细胞模型评估了各组分的抗氧化活性，并在此基础上筛选出性能最优的谷蛋白作为载体材料，结合透明质酸（hyaluronic acid, HA）和聚乙烯亚胺（polyethyleneimine, PEI）表面修饰构建了LYC负载的亚微米颗粒（sub-micron particles, SMPs），考察了其包封效率、环境稳定性、模拟胃肠道消化稳定性及细胞摄取和抗炎活性。
本研究采用的主要技术方法包括：以乙醇脱脂和复合酶（纤维素酶、木聚糖酶、淀粉葡萄糖苷酶）脱糖处理高粱麸皮粉末后，利用不同溶剂体系（超纯水、硫酸铵溶液、叔丁醇/二硫苏糖醇/乙酸溶液、氢氧化钠/SDS溶液）分级提取四种蛋白组分；采用化学分析法（ABTS、DPPH、羟基自由基清除及亚铁还原能力测定）与细胞模型（Raw 264.7巨噬细胞，购自美国典型培养物保藏中心）评价蛋白水解物的抗氧化活性；以pH 10.5碱溶、超声、透析和逐层静电吸附（先PEI后HA）技术构建载LYC的谷蛋白基SMPs；采用动态光散射、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜等手段对颗粒进行表征；以脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）诱导的Raw 264.7细胞炎症模型结合ELISA法评价抗炎活性。
研究结果表明：谷蛋白占SHPs总量的56.68%，为最主要的蛋白组分，其次为醇溶蛋白（34.64%）。四种蛋白组分中，谷蛋白的必需氨基酸比例最高（39.55%），表面疏水性最高（1290.58），并具有优异的起泡能力和起泡稳定性。尽管球蛋白表现出最高的溶解度（92.36%）和二硫键含量，然而谷蛋白兼具高溶解度（89.68%）与最高表面疏水性的独特结构特征，在化学和细胞抗氧化实验中均表现出最强的自由基清除活性和细胞保护效应。在构建递送系统方面，谷蛋白与LYC在1:25的质量比下包封效率达到93.69%±3.11%，负载量为9.23%±0.25%。HA/PEI修饰后的SMPs粒径（510.48 nm）和zeta电位显著提高，颗粒分布更均匀，显著改善了LYC在热、紫外和氧化胁迫下的保留率。模拟胃肠道消化实验显示，HA/PEI修饰的谷蛋白SMPs在胃期和肠期分别保留了32.42%和17.40%的LYC，显著高于游离LYC。细胞摄取实验证实HA修饰显著增强了颗粒的细胞内化效率。在LPS诱导的炎症模型中，LYC负载的HA/PEI修饰SMPs显著抑制了TNF-α、IL-1β、IL-6、NO、PGE2和COX-2等炎症介质的分泌，且载体本身无内在抗炎活性，表明其抗炎效果归因于通过HA介导的CD44受体靶向摄取所提高的LYC细胞递送效率。
讨论部分指出，谷蛋白作为载体材料的优势源于其独特的分子结构——高表面疏水性提供了与疏水性LYC分子结合的疏水结构域，高游离巯基含量赋予分子构象灵活性，而FT-IR中酰胺I带向1651 cm?1的位移提示其二级结构的柔顺性重排。HA-PEI的逐层修饰不仅形成了致密的聚电解质外壳提供空间位阻保护，还通过HA与巨噬细胞表面CD44受体的高亲和结合实现了主动靶向递送。然而，该递送系统在体内消化、生物利用度和代谢归宿方面的表现仍需进一步验证，且大规模制备的批次一致性、纯化工艺的能效优化以及监管审批仍是产业化面临的挑战。总体而言，本研究将农业副产物高粱麸皮转化为功能性纳米递送载体，为功能性食品和营养保健递送制剂的开发提供了可持续的新路径。
