γ-聚谷氨酸与聚葡萄糖美拉德反应产物的制备及其理化性质研究

《Food Chemistry》：Preparation of Maillard reaction products of γ-polyglutamic acid and polydextrose and exploration of their physicochemical properties

　　摘要本研究通过Maillard反应将聚葡萄糖（PDX）引入γ-聚谷氨酸（γ-PGA），形成具有改善的两亲性和性能的聚合物，并系统地研究了反应条件对产物结构和性能的影响。结果表明，在PDX/γ-PGA质量比为1.0、加热温度为90°C、反应时间为4小时的条件下，接枝度（DG）达到最大值88.53%，生成了新的官能团（如C=N和C=O），并增加了粒径和形态聚集。功能评估表明，乳化稳定性和起泡能力显著增强，起泡能力是γ-PGA的7.7倍。此外，该Maillard反应产物（MRPs）对虾青素实现了83.45%的包封效率，并在紫外线照射和长期储存条件下提供了改善的虾青素保持能力。这些发现表明，与PDX进行Maillard反应接枝是改善γ-PGA界面功能性的可行策略，并支持所得MRPs作为疏水性生物活性化合物乳化剂和载体潜在应用的可能性。引言Maillard反应涉及还原糖与氨基化合物（如蛋白质和多肽）之间的共价相互作用，产生具有独特理化性质和功能活性的产物。它是一种非酶褐变反应，广泛存在于食品、医药和材料科学领域。近年来，Maillard反应产物（MRPs）由于其优异的乳化性能、抗氧化活性和生物相容性，在食品添加剂、药物递送系统和功能材料开发方面显示出广阔的应用前景。疏水性与聚合物的性能密切相关。在Maillard反应过程中，通过阻截疏水基团或改变分子构象，可以显著增强或降低疏水性。研究表明，通过Maillard反应形成的蛋白质共轭物表现出更小的油滴尺寸和改善的乳化活性。Ba?yi?it等人（2022）报道，石榴籽蛋白与阿拉伯胶的共轭改善了乳液的化学稳定性。β-乳球蛋白与壳聚糖发生Maillard反应后，其抗氧化活性显著增强。鉴于这些优势，Maillard反应产物被广泛认为是合适的乳化剂，并广泛应用于乳液制备。γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一种天然阴离子多肽，具有优异的水溶性、生物相容性、可生物降解性和保湿性能。然而，γ-PGA作为乳化剂的稳定性相对较低，这可能归因于其高亲水性，从而限制了其在食品系统中的应用。已经探索了几种策略来改善γ-PGA的功能特性，包括物理混合、与带相反电荷的聚合物离子络合以及对其丰富羧基的化学反应修饰。离子络合可以促进纳米颗粒或水凝胶的形成，而化学衍生化可以调节γ-PGA的电荷、疏水性或自组装行为。然而，这些方法可能需要多步处理、严格的反应控制或纯化程序。在某些情况下，修饰还可能改变γ-PGA固有的溶解度和生物相容性。Maillard反应提供了一种通过氨基与还原糖的羰基在加热条件下共价相互作用来修饰γ-PGA的替代途径。在仅涉及水分和加热的条件下，蛋白质分子上的游离氨基可以与还原糖的羰基发生反应。该过程保留了γ-PGA天然、安全和水溶性的特性，同时赋予了其优异的界面活性。研究表明，Maillard反应修饰可以显著改善蛋白质的溶解性、乳化特性和起泡特性。此外，γ-PGA中丰富的羧基使其能够与阳离子物质形成静电复合物。先前的研究表明，γ-PGA可以与阳离子多糖结合形成纳米颗粒或水凝胶，从而促进生物活性化合物的递送。聚葡萄糖（PDX）是一种通过葡萄糖聚合制备的水溶性膳食纤维，具有良好的稳定性和可生物降解性。PDX主要由分子中随机连接的β-1→6糖苷键组成，具有一定的分支度，表现出高亲水性。PDX可以在加热条件下与蛋白质反应形成Maillard反应产物，从而改善蛋白质特性。通过PDX与β-乳球蛋白在60°C下的Maillard反应，Luo等人（2022）通过SDS-PAGE观察到高分子量的β-LG-PDX Maillard反应产物。加热后，β-LG-PDX的表面疏水性增加，72小时后，DPPH自由基清除活性增加了7.4倍，并伴随着三铁还原抗氧化能力的增强。Zhang等人（2025）报道，通过Maillard反应制备的面筋蛋白-PDX共轭物可作为Pickering乳液的潜在稳定剂。因此，PDX很可能通过Maillard反应与γ-PGA形成共轭物。先前的研究主要调查了PDX与球形蛋白之间形成的Maillard共轭物。例如，PDX被报道与β-乳球蛋白反应，导致分子量、表面疏水性和抗氧化活性的变化。含PDX的共轭物也已作为Pickering乳液的潜在稳定剂进行了探索，以面筋蛋白作为蛋白质组分。然而，γ-PGA在分子结构、电荷特性、氨基可用性以及羧基丰度方面与这些蛋白质存在根本差异。本研究使用PDX和γ-PGA作为底物对，在水加热条件下制备γ-PGA/PDX Maillard反应产物（γ-PGA/PDX MRPs）。在固定pH下系统地研究了PDX/γ-PGA质量比和反应时间的影响。测定了接枝度（DG），并使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和原子力显微镜（AFM）表征了产物的化学结构和表面形貌。随后评估了其起泡、乳化、表面、流变学和抗氧化特性。最后，制备了负载虾青素的乳液，以评估MRPs作为疏水性生物活性化合物稳定剂和载体的潜力。本研究旨在阐明γ-PGA/PDX MRPs的制备条件、结构特性和功能特性之间的关系。章节片段材料与方法γ-PGA（纯度≥99%，分子量范围700 kDa < Mw < 1100 kDa）购自西安思恩生物科技有限公司。PDX（纯度≥99%，平均分子量约1522 Da，平均聚合度约9.4）购自河南太理杰生物科技有限公司。磷酸缓冲液、十二烷基硫酸钠、ABTS自由基检测试剂盒、DPPH自由基检测试剂盒及其他化学试剂购自Sigma Chemical Co.（美国密苏里州圣路易斯）。所有试剂和……反应时间对接枝度的影响PDX和γ-PGA的Maillard反应产物反应时间对接枝度（DG）的影响如图1A所示。在90°C下，将反应时间从初始阶段延长至4小时，DG增加，表明共价共轭物的形成逐渐增强。在反应早期阶段，PDX的羰基可以与γ-PGA的游离氨基反应形成希夫碱，随后发生分子重排。DG……结论本研究从PDX和γ-PGA制备了Maillard反应产物，并将其评估为虾青素递送的功能材料。在所研究的条件下，PDX/γ-PGA质量比为1.0，在90°C下加热4小时产生了最高的DG 88.53%。优化后的MRPs与γ-PGA或未反应混合物相比，表现出改善的起泡、乳化、表面电荷、表面润湿性、流变学和抗氧化特性。比例为1.0时制备的MRPs形成了……CRediT作者贡献声明黄可欣：原创草稿撰写、方法学、调查。吉辉富：调查、正式分析。朱红帅：调查、正式分析。王登攀：可视化、软件、正式分析。谢鹏飞：可视化、软件、正式分析。郭方杰：可视化、软件、正式分析。于洋洋：审阅与编辑、概念化。谢新华：监督、资金获取。未引用参考文献Khan, Mudgil, Alkaabi, Alrashdi and Maqsood, 2024b利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢本研究得到了河南省重点研发项目（编号：261111114400）、河南省自然科学基金（编号：252300421662）和河南省重点大学重点项目（编号：25A210024）的支持。作者：黄可欣、吉辉富、朱红帅、王登攀、谢鹏飞、郭方杰、于洋洋、谢新华