酚酸、蛋白质和碳水化合物都是食品体系中常见的组成成分，常用于改善食品体系的加工特性及营养功能。酚酸具有易氧化、反应活性高等性质，易与其他化合物发生相互作用。酚酸可以与蛋白质通过共价或非共价的方式相互作用，改变蛋白质的结构，从而改善其起泡性和乳化性等加工特性，同时也能够改善其营养功能，如增强蛋白质的抗氧化能力，改善花生蛋白的致敏性等。
在面包面团的制作过程中，酚酸、蛋白质和碳水化合物之间的相互作用影响了面包面团的产品质量。哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室的辛嘉英、刘思淼、葛怿泽等人探究三元相互作用对面团和面包质量的影响具有重要意义。
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植物酚类物质被认为是人体重要的膳食成分，具有较强的抗氧化活性。流行病学研究表明，食用富含抗氧化剂的水果和蔬菜可以降低某些相关疾病的风险，如癌症、糖尿病和心血管疾病。酚酸是植物酚类的一个子类，广泛存在于水果、蔬菜、谷物等，主要以糖苷的形式与碳水化合物结合。酚酸可分为羟基苯甲酸和羟基肉桂酸，且常见的酚酸有没食子酸、丁香酸、咖啡酸（CA）、阿魏酸（FA）和芥子酸等。酚酸具有抗氧化、清除自由基等功能，可以抑制脂质氧化，因此酚酸常作为一种重要的添加剂被广泛用于食品和饮料中。在酚类物质的生物合成中，以苯丙氨酸作为起始化合物，通过莽草酸途径由5-磷酰-D-红素和2-磷烯醇丙酮酸合成。在此过程中，苯丙氨酸解氨酶将苯丙氨酸转化为肉桂酸，随后，单加氧酶可以将羟基结合到酚类化合物中，生成对羟基肉桂酸，通过酶进一步氧化生成CA，图1为CA和FA的生物合成过程。在植物中，肉桂酸通过氧化脱羧和β-氧化生成羟基苯甲酸，羟基苯甲酸也可以被单加氧酶氧化生成其衍生物。酚酸的氧化可分为酶促氧化和非酶促氧化，在氧化过程中生成的醌或半醌可提高对生物分子的反应活性和亲和力。对于单酚类衍生物如FA，只有一个羟基，因此半醌不能被进一步氧化成醌。酚酸氧化生成醌和半醌，由于氧化的位置可能不同，可形成不同的氧化产物，使得对蛋白质与酚类的共价相互作用机制探究难度增加。酚酸易氧化，主要通过与自由基组分反应，发挥抗氧化能力。在自然界中，酚酸经常以二聚体的形式出现，酚酸的自聚和交联对植物的生理和营养价值有着重要的影响。另外有研究发现，部分酚酸二聚产物或交联产物比酚酸单体更具有抗氧化活性。由于酚酸普遍存在于植物性食物中，具有易氧化、反应活性高等性质，易与其他化合物发生相互作用。所以无论是存在于植物中还是在加工过程中，酚酸、蛋白质和碳水化合物的相互作用应值得特别关注，这3 种大分子代表了许多食物基质的主要成分，共同决定了大部分植物性食物的加工技术功能和营养特性。酚酸和蛋白质可以在食品体系中以非共价或共价的方式相互作用。当它们相互作用时，亲水或疏水结构以及所选择的氨基酸亲核侧链都提供了不同的相互作用位点。这种相互作用可以改变食品的体系，其中蛋白质的性质也会发生改变，从而影响食品的营养品质。蛋白质的特性取决于其三维结构。其中，蛋白质的一级序列、单个氨基酸含量以及二硫键的数量对其构象起着关键作用。在食品加工过程中，蛋白质形成较高分子质量的聚集体或被消化成肽和氨基酸时，蛋白质的结构和某些氨基酸侧链反应位点起到关键作用。![]()
蛋白质与酚酸之间的非共价相互作用通常是可逆的，可以通过多种机制实现，如氢键、静电相互作用、范德华力、疏水相互作用等。表1列出了蛋白质和酚酸以不同作用力实现的非共价相互作用。非共价相互作用非常不稳定，尤其依赖于pH值、离子强度和温度。低、中性的pH值有利于非共价键的形成。非共价相互作用具有操作简单、反应温和、无副产物、安全等优点，可以有效地改变蛋白质结构，从而影响蛋白质的加工特性。除了典型的非共价结合外，在特定条件下蛋白质-酚酸发生的共价相互作用是一种特殊的结合方式。与非共价相互作用相比，共价结合是不可逆的，其作用力强于非共价键，并且对蛋白质和酚酸的结构与功能具有很大的影响。Quan等研究表明酚酸苯环上相邻的羟基具有较高的反应活性，易在酶、碱性条件或金属离子作用下氧化形成醌或半醌，并与蛋白质侧链中的亲核残基（例如蛋白质的游离氨基、赖氨酸、半胱氨酸和色氨酸）发生反应形成共价结构，图2为碱处理形成蛋白质与CA偶联物的作用机理。![]()
由表2可知，蛋白质与酚酸之间的相互作用受许多不同因素的影响，如温度、pH值、离子强度、蛋白浓度等，这对后续的食品加工具有特殊意义。![]()
蛋白质与酚酸的相互作用会影响蛋白质的功能性质，如乳化性、起泡性等。例如Jiang Jiang等研究乳清分离蛋白和酪蛋白与绿原酸在pH 7、室温条件下的非共价相互作用，发现绿原酸的添加提高了复合物的溶解度，可以将绿原酸应用于乳制品中，从而改善蛋白质的溶解性和起泡性。此外，酚酸与蛋白质相互作用会影响蛋白质的致敏性。通过与蛋白质相互作用，对酚酸的抗氧化活性既有积极影响也有消极影响。蛋白质与酚酸的相互作用受不同条件以及酚酸和蛋白质类型的影响，并引起其加工性质、营养价值、抗氧化活性等方面的变化，蛋白质与酚酸的相互作用能够拓展其应用领域和赋予新的价值，并进一步影响其所在的食品体系，因此可利用不同食物来源的蛋白质与酚酸结合以开发具有更好营养、功能、感官品质的新食物成分或产品。酚酸-碳水化合物之间的相互作用，既可以保持酚酸原有的活性，还可以在碳水化合物-酚酸共轭物中引入有益的特性。酚酸可以通过共价键或非共价键与各种成分发生反应。共价键方面，酚酸通过酯键与果胶、纤维素和半纤维素等非淀粉多糖形成相互作用。非共价键方面，酚酸通过非共价键与淀粉形成配合物。
酚酸可以与碳水化合物发生共价结合，利用自由基接枝形成多糖-酚酸共价化合物。这种方法快速、环保，且无需有机溶剂或有毒的自由基引发剂，由氧化还原对（抗坏血酸/过氧化氢）相互作用产生的羟自由基攻击多糖分子中的敏感基团，形成的多糖大分子自由基可以与多酚发生氧化还原反应，促进多糖-多酚共价键的形成。天然多糖具有良好的理化特性，例如生物相容性、生物降解性和抗菌性等，但由于某些多糖难以被溶解，因此其应用范围受到限制。为此，通过接枝亲水官能团提高这类多糖溶解性。多酚具有良好的水溶性，是合成水溶性多糖的理想材料。酚酸与多糖之间的共价键也可以通过多酚氧化酶激活与多糖发生聚合反应生成。其原理是在有氧的情况下通过酶将酚类氧化成醌类，然后与多糖发生聚合。多糖中的阿拉伯木聚糖可分为水溶性和水不溶性。酚酸与碳水化合物的非共价相互作用包括氢键、范德华力和疏水相互作用等，由于酚酸和多糖具有许多羟基，它们之间很容易形成氢键，酚酸和多糖具有能产生极化分子的官能团，如果先建立氢键，酚酸和多糖分子间的距离就会变短，此时则会形成范德华力。淀粉与酚类化合物之间的非共价相互作用可分为两种配合物，一种包合配合物（也称为V-直链淀粉配合物），另一种是非包合淀粉复合物，图3为非包合淀粉复合模型。其中酚类物质的羟基和羰基与直链淀粉和支链淀粉通过氢键相互作用形成分子间聚集体，这种复合物的结构取决于淀粉的植物来源、提取物的化学组成、特定酚类物质的结构以及反应体系的pH值。![]()
酚酸与碳水化合物的相互作用会影响食物的消化及营养特性等。为改善中性不溶性壳聚糖的溶解性，Curcio等采用自由基接枝法将没食子酸接枝到壳聚糖上。多糖-多酚共轭物也可以通过碳二亚胺介导法制备，其原理是利用含氨基的分子与含羧基的分子之间形成酰胺键，形成的复合物具有良好的水溶性和抗氧化性。在食品加工过程中，酚酸与淀粉会通过螺旋腔内的疏水相互作用形成V型复合物以提高酚酸的稳定性，实现酚酸的缓释，从而提高其生物利用度。不同谷物中的酚酸和蛋白质存在相互作用，因此它们的相互作用可能会影响小麦和黑麦产品，尤其是面包和面团。酚酸与蛋白质相互作用影响蛋白的理化和生物学特性。在小麦面包的制作过程中，蛋白质（尤其是麦胶蛋白和麦谷蛋白）发挥了重要作用。在面团形成过程中，蛋白质通过分子间的相互作用形成了有弹性的面筋网络，面筋蛋白网络结构模型如图4所示。酚酸可能会影响面筋网络结构的形成，从而影响面团的弹性、黏度以及面包的质量。小麦面筋网络的形成对面包品质的影响至关重要。
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面筋网络结构的稳定性主要依赖于面团混合和发面过程中麦谷蛋白和麦胶蛋白之间二硫键的形成和重组。然而，由于酚酸具有还原能力，可能通过干扰二硫键的形成而参与面团的分解，从而引起十二烷基硫酸钠（SDS）-可提取蛋白数量的增加。Wang Chongchong等研究发现，添加FA可能会导致面筋网络内的分子内氢键以及面筋蛋白与水分子之间的强氢键断裂，从而促进面筋的聚集和增加其粒径。FA的加入可增大面筋蛋白的黏弹性，降低面筋蛋白的热稳定性。无论是游离的FA，还是与阿拉伯木聚糖结合，FA都会影响面筋网络。SDS-可提取蛋白的含量增加可能是由于面团混合时FA与游离的巯基发生反应，阻碍了二硫键的重组，从而削弱了面筋网络。目前，酚酸对面筋网络的影响已经有较为深入的研究，但其具体作用机制尚不明确，因此很难预测不同酚酸对面团和面包性能的影响。但通过研究发现，由于酚酸对二硫键转化的影响，它可以缩短面团的搅拌时间，降低面团的强度，加速面团的发酵。不同研究中面团中酚酸与新形成的巯基之间是否发生交联有不同的结果。Snelders等没有发现在面团分解过程中FA与巯基发生交联，而Huang Lianyan等研究发现，在1 kg模型面团中加入10～40 g FA后二硫键和游离巯基减少，这表明游离巯基被FA所占。此外，Huang Lianyan等还发现，与对照组相比，添加FA后模型面团的变性温度和变性焓均有所降低。这些结果表明，添加酚酸使谷蛋白网络的空间结构发生了改变，向更无序、更弱的谷蛋白网络转变，从而更容易变性。王红娜等通过电镜扫描发现添加膳食纤维（DF）、FA的模型面团面筋网络均遭到了破坏（图5）。除此以外，酚酸与二硫键和巯基的相互作用、氢键以及酚酸与面筋网络之间的CH-π键和疏水相互作用也会影响其性质。
通过研究发现，添加FA或阿拉伯寡糖的面团流变学发生变化（抗拉伸性降低、延展性增加），但最终面包体积未受影响；相反，其他研究发现添加FA会导致面包体积减小，例如，Han等发现，每1 kg面粉添加250 mg FA可使面包体积缩小约4%，同时还可缩短混合时间、降低混合耐受性和面团抗拉伸性。酚酸对游离巯基含量也有影响。在面团分解之前，肉桂酸和CA的添加可导致游离巯基含量减少，同时二硫键的较不稳定t-g-g和t-g-t构象增加。相反，FA在面团分解之前的混合过程中加入，则游离巯基增加。除了面筋网络的形成外，氧化凝胶化过程对面团及其烘焙性能的影响也极为重要。在氧化凝胶化过程中，水溶性戊聚糖会形成能够维持大量水分的分子间网络。这些分子间网络是由阿拉伯木聚糖与FA通过异聚物交联形成的。在阿拉伯木聚糖网络形成的同时，阿拉伯木聚糖结合FA与蛋白质之间也可能发生反应。氧化凝胶化现象对软质小麦或黑麦产品尤为重要。在全麦面包和黑麦面包发酵和烘焙过程中，酚酸含量增加，尤其是FA的含量增加。烘焙后，面包屑中游离FA的释放量高于面包皮。酚酸还可以通过阻断蛋白酶的结合位点或与内源性酶相互作用抑制消化。在小麦面包中添加咖啡豆的酚类物质，降低了面包蛋白质的消化率，从而导致其营养价值降低，由于酶不能水解肽键，从而无法释放出必需氨基酸。此外，FA能够抑制重要的酶如α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶，从而影响淀粉的消化。与小麦相似，黑麦中的酶活性也受到酚酸的影响。在利用黑麦制作面包过程中，阿魏酰酯酶控制不溶性和可溶性酯结合酚酸的释放。木聚糖酶活性与酚酸含量呈负相关。阿拉伯木聚糖水解酶活性可以被游离的酚酸以及与阿拉伯木聚糖结合的酚酸所抑制。
与酚酸-蛋白相互作用相比，目前对面团或面包中酚酸与淀粉或非淀粉多糖相互作用影响的研究相对较少。淀粉与酚酸之间的相互作用对面团或面包的营养特性具有显著影响。酚酸能够抑制消化酶如α-淀粉酶或α-葡萄糖苷酶，在酚酸的相互作用下，只有部分甚至没有淀粉被分解为小的糖单位，从而使个体食用富含淀粉和酚酸的食物后血糖指数维持在较低水平，因此，富含酚酸的淀粉进一步加工成谷类产品可以用于糖尿病患者或肥胖人群。除了对消化特性影响外，流变学特别是面包的结构特性也受相互作用的影响。在糊化过程中，酚类与淀粉之间发生相互作用可以延缓淀粉老化，并且改变其黏度和结构。酚酸对小麦淀粉悬浊液pH值也有影响，Zhu Fan等研究发现添加酚酸后面包的pH值降低，其中添加FA的面包pH值为2.95，而未添加FA的面包pH值为6.79；同时该学者还探究了pH值与峰值黏度、热糊黏度和最终黏度的关系，发现pH值和峰值黏度不相关，但淀粉悬浮液中热糊黏度和冷糊黏度与pH值呈正相关（表3）。淀粉的黏度受淀粉-酚酸复合物中氢键和范德华力的影响，但另一项研究发现FA与去支木薯淀粉的包合物对其黏度没有影响。酚酸在食品添加剂领域有很大的研究潜力，特别是在制造工艺和相关的储存、发酵和烘焙条件方面。
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酚酸与阿拉伯木聚糖相互作用对面包面团质量的影响也极为重要。生产面包前，谷物需要除去胚芽和外壳，然后将其磨碎。在这一过程中，酚类物质因其位于颗粒的外层而被除去，全麦面粉是完全研磨的面粉，可以避免酚酸的损失。面粉在储存过程中，其成分会发生明显变化，随之也影响面粉的相互作用。因此，湿度、酶活性、预干燥和贮藏温度等条件起着重要的作用。与新鲜面粉相比，储存6 个月的面粉酚酸谱型保持不变，但由于发生了氧化反应，其酚酸的含量显著降低。小麦和黑麦面粉可用于加工成各种食品，特别是烘焙食品。在焙烤过程中的许多相互作用，特别是与戊聚糖相关的相互作用，可以影响面粉的烘烤特性。在胶凝过程中，水溶性阿拉伯木聚糖发生氧化凝胶化，导致其黏度显著增加，并且由阿拉伯木聚糖分子与阿魏酰基通过分子间交联形成了凝胶三维网络结构。除了使面团增稠改善黏性外，阿拉伯木聚糖还可以增加发酵面团的持气性和稳定性。发酵面团为淀粉-面筋黏弹性基质，其中气室和在气泡之间形成液膜的液相共同构成三相体系，液相含有蛋白质、脂质和多糖等多种化合物。阿拉伯木聚糖溶解在此液相中，能够增加其黏度并稳定面团结构，从而增强生面团的稳定性和持气性。然而，在发酵过程中，不溶性阿拉伯木聚糖通过破坏空腔降低气体的稳定性。添加内切木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶，可提高不溶性阿拉伯木聚糖的溶解性，改善黏度，降低硬度，增加氢键数量。因此，在制作面包过程中，面团发酵的类型、微生物的利用和酶的添加十分关键，它们会影响酚酸与碳水化合物之间的相互作用，从而影响烘焙食品的生物利用度、抗氧化能力和产品质量。因此，可认为加热过程有助于酚酸的释放和醌的氧化形成，生成共价键。然而，当面团受热温度较高时，谷物的细胞壁会被破坏，酶被释放出来受热变性，氧化过程不再继续。因此，温度对淀粉或戊聚糖与酚酸之间的相互作用有重要影响。淀粉与酚酸的相互作用可有效降低淀粉的消化率、延缓淀粉老化、提高淀粉的抗氧化能力和改善淀粉的流变学特性，非淀粉多糖与酚酸的相互作用对面包面团的加工特性以及营养特性的影响也十分重要，可有效改善面团的持气性、稳定性、黏弹性等加工特性，但目前酚酸和淀粉的类型以及加工参数对面包面团特性影响的研究相对较少，因此还需进对二者之间的相互作用进一步探究。
3.3 酚酸、蛋白质和碳水化合物相互作用对面包面团的影响
酚酸、蛋白质和碳水化合物的相互作用决定了烘焙食品加工和产品性能。蛋白质和碳水化合物之间存在不同程度的共价和非共价相互作用，这些相互作用会对蛋白质的结构功能、酚酸的抗氧化能力与生物利用率以及淀粉的消化性与糊化特性等造成影响，例如外源性蛋白质能够增加淀粉基食品的黏度，也可通过抑制消化酶的作用调节淀粉的消化；酚酸可以改善淀粉的回生和消化吸收，也可改善蛋白质的环境敏感性等。因此三元相互作用更有可能影响面团和面包的特性。
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阿拉伯木聚糖在影响黑麦和小麦面团的加工特性和功能性方面起主要作用。与小麦相比，黑麦中阿拉伯木聚糖的含量几乎是小麦的2 倍。Buksa在黑麦面包模型中发现了FA可以交联阿拉伯木聚糖-蛋白质复合物。赵小惠研究了水溶性阿拉伯木聚糖与FA协同作用对面筋蛋白聚集行为的影响，结果表明，水溶性阿拉伯木聚糖能够提高面筋蛋白热稳定性及其结构有序性，同时FA与水溶性阿拉伯木聚糖相互作用促进了面筋蛋白热聚集，显著改善了面筋蛋白流变特性。Boeriu等在由辣根过氧化物酶催化的FA交联阿拉伯木聚糖和β-酪蛋白的模型中也观察到具有280 nm（含有芳族残基的聚合物特征波长）和320 nm（C—C芳族键的特征波长）特征波长的复合物形成。图6展示了辣根过氧化物酶催化酪蛋白-FA-阿拉木聚糖复合物的形成机理。Revanappa等研究发现加入过氧化物酶会降低面团的黏附性；阿拉伯木聚糖分子质量的增加可以改善面团的特性，并发现阿拉伯木聚糖馏分中的蛋白质和FA含量增加，因此，阿拉伯木聚糖与蛋白质、FA通过过氧化物酶交联可能是使其分子质量增加的原因。食品行业对蛋白质与碳水化合物的交联进行了较多研究，且生成的聚合物增强了某些功能特性，如乳化性和起泡性等。对于共价交联，不同多酚氧化酶作用位点不同，所发挥的氧化能力不同，如漆酶在催化木聚糖和α-酪蛋白形成杂偶联物的效果优于酪氨酸酶。在氧化凝胶过程中，水溶性的阿魏酰基与可溶性阿拉伯木聚糖共价交联，可增强阿拉伯木聚糖凝胶的弹性、凝胶性和持水力等。可溶性阿拉伯木聚糖也能通过酚酸与蛋白质相互作用。如上所述，在小麦和黑麦中发现蛋白质-酚酸与可溶性阿拉伯木聚糖结合。淀粉与其他成分（如戊聚糖或蛋白质）争夺水分，可能会限制淀粉糊化，从而影响面团和面包的品质。综上所述，酚酸与蛋白质和碳水的相互作用对面团的弹性、黏度和最终的面包品质有一定的影响。但是为了准确预测三者之间的相互作用，对化学机制和条件的影响需要进一步探究。蛋白质-酚酸-碳水化合物组成的三元食品体系具有巨大的发展潜力，目前的研究重点主要集中在两两组分相互作用上，对三元体系研究还相对较少。三者的相互作用也会影响各自的结构与功能特性，进而影响面包面团的品质，也可以利用这种相互作用完善食品体系的功能性质。但由于蛋白质-酚酸-碳水化合物复合物之间的相互作用关系十分复杂，且三者之间的协同作用也十分重要。因此，还需进一步探究三元体系复合物的结构和理化性质及其功能影响，可进一步为三元复合物功能性食品的开发奠定基础。本文《酚酸与蛋白质和碳水化合物相互作用及对面包面团的影响研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷9期272-282页. 作者：辛嘉英，刘思淼，葛怿泽，宋增武，锁博海，夏春谷. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230517-168. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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