从二级结构到功能：五种小米蛋白的比较分析及其技术功能性的增强

《Journal of Cereal Science》：Linking secondary structure to function: Comparative protein profiling of five millet species for enhanced techno-functionality

　　• 五种小米物种的蛋白质回收率和纯度存在显著差异。• 谷莠子、狗尾粟和珍珠粟共享一个占主导地位的55–65 kDa蛋白组分。• 谷莠子具有最高的α-螺旋含量和最强的蛋白质溶解性。• 黍子同时具有高β-折叠含量和强起泡能力。• 消化后活性丧失支持了与蛋白质相关的抗菌作用。引言随着对可持续环境友好的植物基蛋白质需求的不断增长，人们的注意力日益集中在未充分利用的谷物作物上。小米是一种特别有前景但知之甚少的蛋白质来源（Kumar等，2018）。小米是一类小型种子禾本科植物的总称，包括谷莠子（*Setaria italica*）、珍珠粟（*Panicum miliaceum*）、薏苡（*Paspalum scrobiculatum*）、狗尾粟（*Panicum sumatrense*）和黍子（*Eleusine coracana*）。这些禾本科植物的粗蛋白含量因物种和品种而异，范围在8%至13.66%之间（Sharma等，2023；Suman和Chandra，2024）。与小麦和稻米等重要谷物相比，它们的氨基酸谱显示出高水平的甲硫氨酸。它们还含有大量的谷氨酸、脯氨酸和支链氨基酸。尽管有关小米营养成分的大量信息可得，但对其蛋白质纯品进行全面的结构和功能表征仍然有限。从谷物蛋白质中去除淀粉、纤维和脂类并浓缩它们的两种常用方法是碱溶化和等电点沉淀（Nazari等，2018a）。这些蛋白质纯品可直接用于各种食品应用。蛋白质在食品体系中的适用性取决于其溶解性、表面疏水性、起泡特性和热稳定性（Akharume等，2020）。蛋白质的分子特性，如二级结构和三级结构、分子量分布和表面电荷，决定了其功能。具有较高α-螺旋含量的蛋白质通常表现出更好的溶解性，这是由于疏水残基被屏蔽所致。另一方面，具有大量β-折叠的蛋白质则促进分子间相互作用，这支持了凝胶化和成膜的形成（Shevkani等，2024）。了解小米蛋白质的结构如何影响其在食品体系中的行为，对于选择和适当使用它们至关重要。小米在营养上具有重要地位，且是公认的气候韧性作物（Poutanen等，2022）。然而，关于跨多个小米物种分离的蛋白质在结构、功能和生物学特性方面的比较工作仍然有限，特别是当所有纯品都在相同的提取流程下制备时更是如此。以往的大多数研究只考察了一种小米或单一功能性状。这使得不同物种之间的比较更加困难，可能影响配料的选择。此外，小米蛋白组分的抗菌特性也鲜有关注。这些蛋白质可用于营养和生物保鲜（见图1）。本研究所考察的五个物种——谷莠子、珍珠粟、薏苡、狗尾粟和黍子——之所以被选中，是因为它们代表了印度东部种植的主要气候韧性次级小米，其谷物形态和报道的蛋白质含量跨度很大，并且尽管其营养和农学重要性显著，但相对于主要谷物而言仍然研究不足。虽然单独的研究已经对一两种小米物种的蛋白质提取或功能特性进行了表征，但据我们所知，尚无研究在单一且相同的提取流程下直接比较多个小米物种的二级结构、溶解性、表面疏水性、热行为和抗菌活性——这是进行有效的跨物种结构-功能比较的必要条件，而不是受不同提取方法混淆的比较。因此，本研究旨在：(i) 使用共同的碱提取-等电点沉淀方案从五个小米物种中提取和表征蛋白质纯品；(ii) 确定跨物种的二级结构组成与功能特性（溶解性、疏水性、起泡性）之间的关系；以及(iii) 评估纯品的抗菌潜力，作为评估其生物保鲜适用性的初步步骤。我们假设，α-螺旋相对含量较高的纯品将表现出更高的溶解性和更低的表面疏水性，而β-折叠含量较高的纯品将表现出更高的表面疏水性和更强的起泡行为。章节片段材料本研究使用的基因型为谷莠子（5104）、珍珠粟（GPUP 25）、薏苡（GK439）、狗尾粟（Gomdi BG1）和黍子（BM3），均购自印度詹姆穆德邦兰基坎克比尔萨农业大学。种子经清洗、灭菌、干燥后研磨成细粉用于进一步分析。化学品购自Sigma-Aldrich。蛋白质分离五种小米物种的蛋白质分离均按照Nazari等（2018a）的方法进行，并作了一些小修改。纯品的提取、定性和定量分析使用上述碱溶化和等电点沉淀方案从五个小米物种中获得了蛋白质纯品。通过碱提取后采用Bradford法测定的原始面粉的蛋白质溶解含量范围为6.80 g/100 g（薏苡）至17.27 g/100 g（狗尾粟），谷莠子为13.58 g/100 g，黍子为13.23 g/100 g，珍珠粟为8.86 g/100 g。相应地，面粉提取物中的蛋白质浓度……讨论纯品蛋白质含量（狗尾粟12.73% > 谷莠子10.21% > 黍子9.81% > 珍珠粟6.63% > 薏苡4.20%）大致符合这些物种的文献报道范围（Devi等，2014；Sharma和Gujral，2019），尽管珍珠粟和薏苡低于报道值，这很可能反映了提取效率而非仅由天然蛋白质含量决定，因为所有纯品都是在相同的碱溶化-等电点沉淀流程下制备的。谷莠子较高的α-螺旋含量（46.00%）与其……相吻合结论谷莠子蛋白质同时具有高α-螺旋含量、高溶解性和低疏水性——根据文献中已建立的结构-功能关系，这种特性组合可能有利于高分散性应用；然而，本研究中并未直接进行验证。黍子蛋白质的高β-折叠含量和疏水性与强起泡能力相关，但稳定性较差，限制了其仅适用于对瞬时泡沫有容忍度的应用未来展望本研究开辟了多个需要进一步研究的新方向。详细的氨基酸谱，以及PDCAAS和DIAAS的蛋白质质量评分，将更好地展现这些小米蛋白质纯品的营养价值。要弄清二级结构的变化如何影响生物利用度，我们需要进行体外和体内的消化性测试。黍子和珍珠粟蛋白质的抗菌特性令人期待，但我们尚不清楚它们……CRediT作者贡献声明Swati Suman：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法学，形式化分析，数据管理，概念化。Sheela Chandra：撰写——审阅与编辑，指导，项目管理，调查，概念化。资金支持"作者声明，在撰写本稿件期间获得了来自印度詹姆穆德邦兰基梅斯拉比尔拉理工学院研究所研究奖学金的资金支持。"利益冲突声明"作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。"致谢"作者衷心感谢印度詹姆穆德邦兰基梅斯拉比尔拉理工学院生物工程与生物技术系为开展研究工作提供的设施支持。"Swati Suman|Sheela Chandra