综述：蛋白质修饰中的糖基化工程：机制洞察、食品应用及潜在的健康风险

《International Journal of Biological Macromolecules》：Glycosylation engineering in protein modification: Mechanistic insights, food applications, and potential health risks

蛋白质糖基化通过美拉德反应、酶促及物理辅助方法提升功能特性，优化溶解性、乳化性及凝胶能力，应用于脂肪替代品、活性成分包埋和3D食品打印，同时需控制反应条件以降低有害副产物生成。

　　

作者：薛晨旭、郭嘉欣、何万军、邱阳、张杰、王梓欣、朱家进

浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州，310058，中国

摘要

近年来，天然蛋白质在先进加工条件下越来越难以满足现代食品工业对多功能性能的需求。糖基化作为一种环保且安全的蛋白质修饰策略，应运而生，用于改善蛋白质的功能特性。本文系统总结了三种主要的糖基化方法：基于美拉德反应的糖基化、酶促糖基化和物理辅助糖基化技术。此外，还全面阐述了干热处理、湿热处理、酶促处理和物理辅助方法在糖缀合物制备过程中的特点。重点讨论了关键反应参数，包括糖类类型的选择、热处理条件、蛋白质与碳水化合物的质量比、pH值以及时间控制。比较分析表明，糖基化蛋白质相较于天然蛋白质具有更好的理化性质：溶解度提高、乳化活性增强、凝胶能力增强以及泡沫稳定性改善。糖基化蛋白质在工业应用中具有多重用途，可用作乳化剂或凝胶剂，用于制备乳液/凝胶系统；在烘焙食品和肉制品中替代脂肪；用于包裹生物活性化合物以开发功能性食品；并通过改善流变性能在3D食品打印中展现潜力。值得注意的是，糖缀合物具有天然的抗菌效果和降低过敏性的特性，显著提升了其在食品应用中的商业可行性和安全性。最后，本文对蛋白质糖基化可能带来的健康风险进行了批判性分析，并提出了潜在的解决方案，为理解糖基化蛋白质的结构-功能关系提供了重要见解，同时总结了该过程的局限性。这些综合讨论为未来食品技术的发展奠定了理论基础。

引言

蛋白质作为重要的生物大分子，兼具优异的营养价值和多样的功能特性。然而，大多数天然蛋白质在工业应用中的功能表现并不理想[1]。例如，南极磷虾蛋白的溶解度较低，不溶性蛋白含量可达80%[2]；卵清蛋白（OVA）由于其球状结构，在生成乳液时在油水界面的吸附能力较差[3]；天然大豆蛋白的凝胶结构松散，凝胶能力较弱[4]。这些在溶解度、界面行为和凝胶特性方面的缺陷限制了它们在食品制造中的有效利用。

蛋白质修饰方法大致可分为化学修饰、物理修饰和酶促修饰[5]。根据引入的具体功能基团和反应位点，蛋白质修饰方法可系统地分为烷基化、酰基化、磷酸化、糖基化和乙酰化。其中，蛋白质糖基化通过化学反应将碳水化合物基团共价连接到蛋白质上，从而改变蛋白质的构象和理化性质，传统上被视为一种化学修饰方法。然而，当代研究已将方法范围扩展到包括酶促糖基化和物理辅助糖基化技术，通过这些混合策略实现了更高的糖基化效率。与其他修饰方法相比，糖基化具有独特的优势，如成本效益高、安全性更强，以及在生理条件下能自发发生生化反应[6]。

在食品蛋白质系统中，糖基化模式可分为N-连接和O-连接两种类型，如图1所示。N-连接糖基化是通过保守的Asn-X-Ser/Thr识别序列（X≠脯氨酸）将碳水化合物连接到天冬酰胺残基上，其特征是由两个N-乙酰葡萄糖胺单元和三个甘露糖亚单元组成的GlcNAc?Man?核心结构。相比之下，O-连接糖基化是通过丝氨酸/苏氨酸残基上的羟基进行的，没有标准化的序列模式或保守的碳水化合物结构。据估计，大约50–60%的天然蛋白质会发生糖基化修饰，其中N-连接糖基化占总糖基化事件的70%以上。尽管O-连接糖基化的发生率相对较低，但其结构多样性和复杂性显著更高[7]。自30多年前开始对蛋白质糖基化进行广泛研究以来，已有多种蛋白质（如大豆蛋白分离物[8]、牛血清白蛋白[9]、豌豆蛋白[10]、花生蛋白分离物[11]和乳清蛋白分离物[12]）被证明可以通过糖基化进行修饰，从而改善其溶解度、乳化能力和抗氧化活性等功能特性。关键的是，糖基化蛋白质被证明是无毒的，毒理学和营养学研究也证实了这一点，且结构改变主要限于赖氨酸残基[13]。

本文总结了糖基化方法、影响糖基化反应的因素以及糖基化对蛋白质功能的影响，探讨了其在食品工业中的应用以及潜在的健康风险和解决方案，旨在为通过糖基化修饰提高蛋白质基食品的质量提供理论依据和参考价值。

糖基化方法

当前的蛋白质糖基化方法主要包括美拉德反应、酶促糖基化和物理辅助糖基化。不同的糖基化方法具有各自的优缺点，如表1所示。在选择方法时需要综合考虑。

影响蛋白质糖基化反应的因素

在食品工业中，蛋白质糖基化是一种关键的修饰策略。然而，反应过程受多种因素的影响，包括糖类类型、反应温度、时间、pH值和蛋白质与糖的质量比，这些因素共同决定了糖基化的效率和程度，如表2所示。了解这些因素对于优化蛋白质修饰和获得适合工业食品的高质量糖基化产品至关重要。

糖基化对蛋白质功能特性的影响

与天然蛋白质相比，糖基化蛋白质通常表现出更好的功能特性，包括溶解度、乳化性能、凝胶能力和泡沫性能，这些特性与食品加工应用密切相关。因此，研究糖基化修饰对蛋白质功能特性的改善具有巨大潜力，有助于充分发挥天然蛋白质在先进食品中的潜力。

糖基化在食品系统中的应用

由于蛋白质的高营养价值和功能特性，它们在食品领域受到了广泛关注。然而，其实际应用常常受到各种限制因素的制约。糖基化不仅增强了关键的功能特性（如溶解度、乳化能力和凝胶行为），还提高了抗氧化活性，降低了某些蛋白质的致敏性，甚至赋予了抗菌能力。

蛋白质糖基化的潜在健康风险及解决方案

虽然糖基化可以显著改善蛋白质的功能特性和感官品质，但其潜在的健康风险也不容忽视。在糖基化过程中，如果反应条件控制不当，会产生多种有害物质，如丙烯酰胺（AA）、5-羟甲基糠醛（HMF）和AGEs，这增加了食品安全评估的难度，限制了其在高质量食品中的广泛应用。因此，未来的研究需要关注这些风险。

结论与展望

糖基化是一种温和、环保且高效的蛋白质修饰方法，能够增强蛋白质的功能特性，拓宽其在食品工业中的应用范围。本文全面总结了蛋白质糖基化的方法，包括美拉德反应、酶促糖基化和物理辅助糖基化技术。影响蛋白质糖基化的关键因素及其作用机制也得到了探讨。

作者贡献声明

薛晨旭：撰写初稿、数据整理、概念构思。 郭嘉欣：指导、软件协助。 何万军：指导、软件协助。 邱阳：指导、软件协助。 张杰：指导、软件协助。 王梓欣：撰写与编辑、指导、资源协调。 朱家进：撰写与编辑、指导、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。