综述：植物蛋白作为生物活性肽的来源：生化特性及发酵与酶解改性研究

《Food Bioscience》：Plant proteins as sources of bioactive peptides: Biochemical characteristics and modification by fermentation and enzymatic hydrolysis

　　

植物蛋白因其结构多样性及作为生物技术加工释放生物活性肽前体的潜力，日益受到科学界的关注。本综述探讨了植物蛋白的主要生化特性，分析了发酵与酶解诱导的结构修饰，重点关注生物活性肽的生成及其生物学活性。基于Scopus数据库的文献计量分析显示，2010年至2025年间共发表相关文献154篇，2019年后发文量显著增长。尽管植物蛋白存在必需氨基酸组成失衡及抗营养因子等局限性，但其仍是制备具有多种生物学活性肽的重要底物。微生物发酵与酶解可促进可控的蛋白质水解，提高消化率并促进低分子量肽的释放。发酵通常与更高的肽多样性相关，而酶解则提供更高的过程控制与重现性，体现了两种方法的互补性。肽组学、高分辨率质谱及计算工具的发展拓展了肽的鉴定与构效关系分析。同时，许多报道的生物活性仍依赖计算机模拟（in silico）预测，可能无法准确反映生理反应，凸显了实验验证的必要性。植物蛋白的可控修饰是制备富含功能性肽成分的有效策略，但在标准化、规模化及活性验证方面仍面临挑战。

1. 1.
   Introduction
   蛋白质是由氨基酸组成的复杂大分子，在生物系统中发挥基础作用。除作为必需氨基酸来源外，蛋白质还参与多种生理过程，充当组织结构的组成部分、催化生化反应的酶、激素及代谢途径的调节因子。在食品体系中，蛋白质还表现出重要的技术功能特性，包括乳化性、起泡性、持水性及凝胶形成能力，这些特性影响食品产品的结构、稳定性及质构。动物源蛋白因必需氨基酸组成均衡且消化率高，传统上被视为优质膳食来源。然而，植物蛋白因其结构多样性及适于生化和生物技术修饰的特性，特别是用于生成生物活性肽，正日益受到科研关注。植物蛋白作为替代蛋白源吸引了广泛的研究兴趣，其结构特征多样，且适合进行技术及生化修饰。这些蛋白广泛分布于谷物、豆类、油籽及其他植物基质中，是重要的贮藏蛋白库。其中，大豆、鹰嘴豆、豌豆及菜豆等豆类尤为重要，因其蛋白质含量较高，且以球蛋白和白蛋白等贮藏蛋白为主，这些蛋白已被广泛研究作为生物活性肽的前体。这些蛋白的结构组织和氨基酸组成使其成为酶解和微生物发酵的合适底物，从而实现肽序列的可控释放，产生潜在的生物活性。从生化角度看，植物蛋白具有特定的组成和结构特征，影响其营养和功能特性。与动物源蛋白相比，植物蛋白在必需氨基酸谱和平衡、某些基质的消化率较低以及存在抗营养化合物方面存在一定局限性。植酸盐、单宁、凝集素和蛋白酶抑制剂等成分可通过与蛋白质形成复合物或抑制消化酶，干扰蛋白质消化率和矿物质生物利用度。这些相互作用可能影响植物蛋白源的整体营养质量及其在食品体系中的技术性能。内在结构特征及与其他植物基质成分的相互作用可能限制蛋白质的溶解度、功能性和生物利用度，对其在食品配方中的应用构成挑战。多种加工策略已被研究用于改善植物蛋白的功能和生化特性。其中，微生物发酵和酶解因能促进蛋白质基质的可控水解和结构修饰而备受关注。发酵可由自发发生或利用能够产生蛋白酶的选定微生物进行，而酶解则涉及特定蛋白酶对肽键的靶向切割。这两种过程均诱导蛋白质的结构和构象修饰，提高消化率，降低抗营养活性，并促进具有潜在生物活性的低分子量肽的释放。在这些过程中，蛋白水解反应可释放出天然蛋白结构中隐藏的肽序列，这些序列仅在酶切后表现出生物活性。因此，植物蛋白水解物和发酵基质作为具有多种功能特性的生物活性肽来源得到了越来越多的研究。这些肽可与特定分子靶点相互作用，表现出抗氧化、降血压、抗炎、抗糖尿病和抗菌等多种生物活性。本综述考察了植物蛋白的主要生化特性及其作为生物活性肽前体的相关性，特别关注发酵和酶解诱导的结构修饰，以及这些过程如何影响蛋白质的功能性、消化率和肽的释放。同时讨论了用于鉴定和表征植物源生物活性肽的最新分析和计算方法进展，及其对理解构效关系的贡献。尽管该领域已取得进展，但在蛋白质结构特征对酶解和发酵敏感性、所得肽谱及相关生物活性的影响方面仍存在重要空白。本手稿首先概述近期研究趋势的文献计量学分析，随后讨论植物蛋白的生化和结构特征，以及影响其营养质量和功能行为的因素。接着比较分析酶解和微生物发酵，重点阐述其在调节蛋白质结构和肽释放方面的机制、优势和局限性。最后介绍分析和计算机模拟方法的最新进展，并对肽的预测和实验验证进行批判性讨论。
2. 2.
   Results and discussion
   3.1. Publication analysis
   基于Scopus数据库的文献计量分析确定了2010年至2025年间发表的154篇关于通过发酵或酶解从植物蛋白中生成生物活性肽的相关文献。科学出版物的时间演变显示，2010年至2016年间发文量相对较低，每年仅有少量研究。自2017年起，发文量逐步增加，反映出随着植物蛋白生物活性肽生成和表征分析及计算方法的进步，研究活动不断扩展。这一上升趋势在2019年后更为明显。近年来的最高发文量出现在2024年和2025年。分析和计算方法的扩展，包括肽组学、高分辨率质谱和生物信息学工具，促进了肽序列的鉴定和表征。此外，对具有抗氧化、降血压和抗糖尿病活性肽的研究不断增加，也推动了植物源蛋白水解物和发酵基质研究的扩展。关键词共现分析显示，“生物活性肽”处于中心位置，表明其是该研究领域科学文献的核心概念。网络图中可观察到几个相互关联的主题集群，反映了该领域内不同但紧密相关的研究方向。一个集群包含与蛋白质加工技术和功能特性相关的术语，如“酶解”、“发酵”、“植物蛋白”、“功能性食品”和“抗氧化活性”。第二个集群包含与生物活性相关的关键词，如“抗氧化”、“降血压”、“抗糖尿病”和“生物活性”。第三个集群包含与分析和计算方法相关的术语，如“分子对接”、“蛋白水解物”、“肽组学”和“质谱”。这些集群之间的相互联系表明，该领域的研究整合了蛋白质加工技术、肽鉴定和表征技术以及生物活性的评估，反映了植物源生物活性肽研究的多学科性质。在地理分布方面，中国的发文量居首，其次是西班牙、伊朗和墨西哥。国际合作网络显示，中国是主要的科学合作枢纽，与加拿大、英国、澳大利亚及多个亚洲国家建立了合作关系。欧洲内部形成了区域合作模式，特别是西班牙、意大利和爱尔兰之间的合作活跃。此外，美国与多个亚洲国家之间的合作也凸显了对植物蛋白加工和肽生物活性研究的广泛国际兴趣。植物蛋白作为生物活性肽前体的研究日益增多。对近期研究的系统审查有助于确定主要研究的蛋白来源、主要的加工策略以及用于表征植物源生物活性肽的分析方法。文献引用分析结合叠加可视化，识别了该领域的结构组织和时间演变。Singh (2014)、G?nzle (2014) 和 Daskaya-Dikmen (2017) 等高被引研究被确定为该领域的核心参考文献，在肽的生成和表征方面发挥了关键作用。颜色分布显示这些有影响力的研究属于较早时期，而较新的贡献则分布在这些核心节点周围，反映了该领域的持续扩展。这种模式表明研究主题逐渐多样化，对新型蛋白来源、加工策略和生物活性的探索不断增加。近期研究（2023–2025年）总结显示，大豆仍然是最常研究的基质之一，其他豆类如鹰嘴豆、扁豆、豌豆、绿豆和豇豆也被广泛研究。此外，多项研究探索了从油籽、谷物、假谷物和农业工业副产品（如核桃粕、亚麻籽粕、葡萄渣、啤酒糟、咖啡银皮和木薯叶）中提取的蛋白质。在加工策略方面，酶解仍然是生成生物活性肽最广泛应用的方法。然而，一些研究将酶解与新兴加工技术相结合，包括超声处理、高静压、微波辅助提取、膜生物反应器和微生物发酵，以提高蛋白质可及性、改善水解效率并促进具有潜在生物活性的低分子量肽的释放。报告的生物活性多样，抗氧化活性是研究最多的特性，其次是血管紧张素转化酶（ACE）抑制相关的降血压活性和α-葡萄糖苷酶或二肽基肽酶IV（DPP-IV）抑制相关的抗糖尿病活性。抗炎活性也有多篇研究报道。其他描述的生物效应包括抗菌、免疫调节、抗血栓、神经保护和代谢调节活性。在许多情况下，实验测定与计算和分析方法（如分子对接、肽组学和生物信息学预测工具）相结合，以鉴定具有潜在生物活性的肽序列并研究肽-靶标相互作用。近期研究展示了植物蛋白作为生成具有多种生物活性肽的相关底物的潜力，但肽谱和报道的生物活性存在较大差异，这强烈依赖于蛋白来源、加工条件和分析方法，限制了研究间的直接比较。此外，大量报道的生物活性依赖于计算机模拟预测，这些预测需要实验验证以可靠地识别生物活性肽。

3.2. Biochemical aspects of plant proteins

3.2.1. Structure and composition of plant proteins

植物蛋白通常根据Osborne分类法按其在不同溶剂中的溶解度进行分类，分为白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白。白蛋白是水溶性蛋白，在植物种子中比例相对较小。球蛋白不溶于纯水但溶于稀盐溶液，是许多豆类（如大豆、豌豆和菜豆）的主要贮藏蛋白组分。醇溶蛋白溶于醇水溶液，通常在小麦、玉米和大麦等谷物中占主导。谷蛋白在水、中性盐和乙醇中基本不溶，但可在碱性条件下提取，是水稻和小麦等谷物的重要蛋白组分。这些蛋白组分的相对分布强烈影响植物蛋白的营养和技术功能特性。除基于溶解度的分类外，植物种子蛋白主要由贮藏蛋白组成，在种子萌发期间作为养分储备。豆类中的主要贮藏蛋白包括豆球蛋白（11S球蛋白）、伴球蛋白（7S球蛋白）和伴伴球蛋白，而谷物中主要组分包括谷蛋白和醇溶蛋白。这些贮藏蛋白因含有可被酶解或微生物发酵释放的隐藏肽序列，对生物活性肽的生成尤为重要。从氨基酸组成看，动物源蛋白通常被认为是营养完全的，因其提供的所有必需氨基酸比例满足人类膳食需求。植物蛋白也包含所有必需氨基酸，但某些来源可能因植物的起源而存在限制性氨基酸。例如，谷物蛋白通常赖氨酸受限，而豆类蛋白可能含硫氨基酸（如蛋氨酸和半胱氨酸）水平较低。这些组成差异主要与不同植物物种中存在的特定贮藏蛋白有关，并影响营养质量和蛋白质功能性。植物蛋白的营养质量通常使用考虑必需氨基酸组成和蛋白质消化率的指标进行评估，如蛋白质消化率校正氨基酸评分（PDCAAS）和消化必需氨基酸评分（DIAAS）。PDCAAS方法存在一定局限性，包括高估消化率和截断值高于1.0。相比之下，DIAAS方法评估单个必需氨基酸的真实回肠消化率，目前被认为是评估人类营养中蛋白质质量的更准确指标。总体而言，植物蛋白的PDCAAS和DIAAS值往往低于动物源蛋白，这主要与氨基酸组成差异、植物贮藏蛋白的结构组织、抗营养化合物的存在以及某些基质的消化率较低有关。

3.2.2. Antinutritional factors

植物蛋白的消化率和生物利用度受多种抗营养化合物的影响，这些物质天然存在于许多植物性食品中，尤其是豆类和谷物中。主要的抗营养因子包括蛋白酶抑制剂、凝集素、植酸盐和单宁。这些物质是植物的自然防御机制的一部分，可能干扰蛋白质消化或必需营养素的吸收。蛋白酶抑制剂常见于豆类中，特别是豆类和大豆，可能干扰胃肠道中胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化酶的活性，从而降低蛋白质消化率并限制氨基酸的生物利用度。凝集素是广泛分布于植物性食品中的碳水化合物结合蛋白，能与糖蛋白和糖脂中的单糖和寡糖特异性结合，并能凝集红细胞。在胃肠道中，凝集素-碳水化合物的相互作用可能通过改变黏膜通透性和干扰铁、锌、钙和磷等必需矿物质的吸收而损害肠上皮功能。其他抗营养化合物还包括植酸盐、硫代葡萄糖苷、草酸盐和单宁。植酸盐（又称植酸）广泛分布于坚果、谷物、种子和豆类中，能螯合铁、锌、钙和镁等多价阳离子，形成不溶性复合物，降低消化过程中的矿物质生物利用度。多种加工方法已被用于减少或消除植物性食品中的抗营养因子，包括脱皮、浸泡、蒸煮、发芽、发酵和酶解。这些处理促进植物基质的结构修饰，有助于抗营养化合物的降解或失活，并提高蛋白质对消化酶的可及性。其中，发酵和酶解等生物技术过程尤为重要，它们不仅能降解影响必需矿物质生物利用度的抗营养化合物，还能同时提高蛋白质消化率并促进生物活性肽的生成。

3.3. Biological properties of plant proteins

3.3.1. Antioxidant activity

生物活性肽通常是由2至20个氨基酸残基组成的蛋白质片段，可发挥多种生物活性，包括抗氧化作用。这些肽通常隐藏在母体蛋白的一级结构中，仅在食品加工、胃肠道消化或微生物发酵期间的蛋白水解后被释放并具有生物活性。这些肽的产生可通过微生物发酵（微生物产生蛋白酶水解植物蛋白）或通过商业蛋白酶的可控酶解实现。其抗氧化能力通常与特定氨基酸残基的存在有关，特别是疏水性和芳香族残基，如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和脯氨酸。这些残基可参与电子转移或氢原子捐赠反应，有助于中和活性氧。自由基是含有未成对电子的原子或分子，使其不稳定且高度反应。为恢复稳定性，这些物种通过与附近分子捕获电子而氧化它们，产生新的自由基物种，引发可导致细胞损伤的链式反应。活性氧（ROS）可促进脂质、蛋白质和核酸等基本生物分子的氧化损伤，影响膜完整性、酶活性和遗传稳定性。植物源抗氧化肽通常分子量较低（一般低于6 kDa），其抗氧化潜力主要与组氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸和色氨酸等残基有关，这些残基能够参与中和活性氧的电子转移或氢原子捐赠反应。体外研究中，常用DPPH（2,2-二苯基-1-苦基肼基）法评估肽水解物的抗氧化活性。

3.3.2. Anti-inflammatory properties

炎症是先天和适应性免疫系统对感染原、毒素和组织损伤的基本生理反应。然而，过度或持续的炎症反应可能导致细胞损伤、代谢改变和器官功能障碍。慢性炎症与心血管疾病、肥胖、关节炎、炎症性肠病和癌症等多种病理状况相关。植物源肽已被报道可调节细胞因子产生、调节炎症信号通路并减轻氧化应激。例如，从刀豆蛋白水解物中鉴定的抗炎肽，在人肠上皮细胞（Caco-2BBe）中显著降低促炎细胞因子IL-8的产生，并抑制NF-κB和JNK/MAPK信号通路。

3.3.3. Effects on metabolic health

糖尿病是一种慢性代谢紊乱疾病，以高血糖为特征，由胰岛素分泌受损、胰岛素抵抗或两者共同导致。2型糖尿病占全球病例的90%以上，与肥胖、衰老、遗传和环境因素密切相关。植物源蛋白和肽作为葡萄糖代谢调节剂日益受到关注。这些肽可通过不同机制发挥降血糖作用，包括刺激胰岛素分泌、抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶等消化酶、调节葡萄糖转运蛋白以及改善胰岛素敏感性。部分生物活性肽还能抑制二肽基肽酶-IV（DPP-IV），该酶负责降解胰高血糖素样肽-1（GLP-1）等肠促胰岛素激素，从而有助于改善血糖调节。

3.3.4. Benefits for the cardiovascular system

血管紧张素转化酶（ACE）抑制是血压调节的主要机制之一。ACE在肾素-血管紧张素系统中起核心作用，催化血管紧张素I转化为血管紧张素II，后者是一种强效血管收缩剂，导致血压升高和血管阻力增加。因此，能够抑制ACE活性的化合物被认为是预防和管理高血压的重要靶点。这种抑制活性主要归因于肽序列与酶活性位点的相互作用，特别是通过疏水性、芳香性和富含脯氨酸的残基增强结合亲和力。除血压调节外，血脂异常也是心血管风险的重要决定因素。3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMG-CoA还原酶）是胆固醇生物合成的关键酶，植物源生物活性肽已显示出通过调节该酶和脂质代谢发挥降胆固醇潜力的能力。流行病学研究表明，摄入较高比例的植物源蛋白与心血管疾病风险降低、低密度脂蛋白（LDL）浓度降低和改善血压控制相关。

3.3.5. Antimicrobial and immunomodulatory properties

抗菌肽是存在于植物、动物和微生物先天免疫系统中的天然分子，在防御病原体方面发挥基础作用。这些肽通常以短氨基酸序列、两亲性结构和净正电荷为特征，使其能够与微生物膜相互作用并破坏细胞完整性。除直接抗菌作用外，一些生物活性肽还可能通过影响细胞因子产生、刺激免疫细胞活性和调节炎症信号通路发挥免疫调节功能。植物也具有针对病原微生物的有效防御系统，基于产生具有抗菌和调节功能的蛋白质和生物活性肽。这些防御机制是植物先天免疫系统的一部分，响应病原体识别和环境胁迫信号而被激活。除植物防御作用外，植物蛋白水解物衍生的肽在体外实验中也显示出抗菌活性，其作用机制包括破坏细胞膜完整性、增加膜通透性以及干扰微生物代谢过程。在免疫调节方面，生物信息学方法评估显示，大米和豌豆蛋白作为免疫调节（ImmD）肽前体的潜力较大，而荞麦和蚕豆蛋白则更倾向于生成免疫刺激（ImmS）肽。

3.4. Modification of plant proteins: Fermentation and enzymatic hydrolysis

3.4.1. Fermentation and its impact on plant proteins

发酵是一种广泛应用于植物性食品生产的生物技术过程，由细菌、酵母和丝状真菌等微生物的代谢活动驱动。发酵过程中，微生物酶（特别是蛋白酶）促进复杂蛋白结构的部分水解，导致肽和游离氨基酸的释放。该过程与改善营养素生物利用度、生成生物活性肽以及减少植物蛋白源中常见的抗营养化合物相关。常用于植物蛋白发酵的微生物包括乳酸菌（LAB），如乳杆菌属（Lactobacillus）、植物乳杆菌属（Lactiplantibacillus）、乳球菌属（Lactococcus）和链球菌属（Streptococcus）。此外，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、接合酵母属（Zygosaccharomyces）和克鲁维酵母属（Kluyveromyces）等酵母，以及米曲霉（Aspergillus oryzae）和少根根霉（Rhizopus oligosporus）等丝状真菌也参与发酵过程。液体发酵中，微生物代谢植物底物中的碳水化合物作为能源，将其转化为有机酸、气体或醇类。在此过程中，微生物代谢也促进蛋白质的生物化学转化，导致部分蛋白水解和肽及游离氨基酸的释放。为实现发酵的益处，必须严格控制关键工艺参数，包括pH、温度、底物组成和发酵时间，这些因素调节微生物生长动态并决定负责蛋白质修饰的蛋白水解系统的效率。发酵过程中，植物蛋白的结构修饰主要是由于微生物酶活性和培养基逐渐酸化所致。微生物蛋白酶和肽酶促进蛋白链的逐步水解，同时pH降低诱导蛋白质展开和构象重排。与纯化蛋白酶的水解相比，发酵是一个更复杂和动态的系统，多种酶协同作用，通常导致更广泛的肽谱多样性，但也降低了过程的重现性。

3.4.2. Enzymatic hydrolysis and generation of bioactive peptides

酶解是广泛使用的一种策略，通过使用能够以选择性和可控方式切割肽键的蛋白水解酶来修饰植物蛋白。在此过程中，复杂的蛋白质结构根据酶的特异性和反应条件被分解成较小的肽和游离氨基酸。结果生成通常分子量较低的肽，常与改善的消化率和增强的生物活性相关。此外，酶解可提高蛋白质溶解度，包括在接近等电点的条件下，从而促进其在食品体系中的应用。与化学水解相比，酶解允许对反应参数（如pH、温度、反应时间和水解度）进行更大程度的控制，有助于保留特定蛋白质组分的结构完整性，同时促进具有潜在生物活性的肽的生成。植物蛋白生物活性肽的生产已广泛通过酶解实现，最常用的商业蛋白水解制剂包括来自地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）的Alcalase?、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的Neutrase?、淀粉液化芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）的蛋白酶，以及米曲霉（Aspergillus oryzae）的Flavourzyme?。此外，植物源蛋白酶如木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶也用于生产蛋白水解物。酶解的效率取决于对pH、温度、反应时间、底物浓度