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Introduction
在食品中，食品蛋白质会同其他成分一起塑造了食品的独特质地。与此同时，蛋白质自身的结构与来源，也在一定程度上决定了它的功能特性。如今，研究人员与食品行业为优化蛋白质功能表现，越发重视改性技术研发，食品蛋白质改性也成为满足未来多元食品设计需求的潜力策略。
蛋白纤维化作为新兴改性途径，赋予食品蛋白质独特各向异性纳米结构，提升功能特性，使其在可持续软材料领域大显身手，像乳化剂、三维打印墨水等诸多方面都有它的身影。然而，食源蛋白纤维在食品工业的实际应用尚未全面商业化。一方面，很多食源蛋白纤维在中性pH值时热稳定性差，经不住食品加工高温，在储存运输时也易出问题，降解时结构从有序变无序，限制商业应用。另一方面，人们对蛋白淀粉样纤维安全性有顾虑，因其与神经退行性疾病中的病理积累有关，可能威胁人体健康。所以，开发新改性策略并探寻其安全性证据极为关键。
以往综述多关注食源蛋白纤维的纤维化机制或制备技术，当下迫切需要总结其改性策略。本文将从食源蛋白纤维的机理结构、蛋白质来源、改性策略（纤化过程中，纤化过程后）、在食品中的新兴应用以及商业化前景与挑战这五个部分展开阐述。
食源蛋白纤维的形成机制与结构特点
深入理解蛋白纤维化机制对掌握其结构与特性极为关键，其形成机制可借由单体模型与多肽模型这两种核心模型阐释。单体模型中单个蛋白质分子自组装成核并生长，经重排、结合等步骤形成成熟纤维；多肽模型则以水解产生的多肽片段为核心来形成纤维。食品蛋白质纤维化遵循S型动力学生长曲线，含滞后期（缓慢自发成核形成核结构）、生长期（核形成后肽与蛋白质迅速组装伸长）、成熟期（成熟蛋白纤维形成），且有二次成核的自催化过程，纤维表面成核加速生长，纤维断裂产生活性末端也促进生长，二次成核对S型动力学生长曲线影响显著。
淀粉样蛋白纤维具有特征性交叉β结构，由平行于纤维长轴排列的β折叠构成，β折片直于纤维轴，链间及片层间距离分别由特定因素决定，且交叉β结构对核诱导形成成熟纤维能力起决定性作用，它是普遍又多变的特征，体现结构复杂性。除主体结构外，从β折叠突出侧链形成的紧密界面增强纤维稳定性，带来范德华能增益与Π-Π堆积效应。纤维形成涉及非共价相互作用（如疏水相互作用）与共价连接（如氢键），在不同pH值条件下驱动因素不同，且蛋白纤维中氢键平均能量强于冰中氢键，酰胺基团相互极化。
蛋白纤维的新来源
几乎所有蛋白质都有转化为淀粉样结构的潜力，如今能形成食源蛋白纤维的蛋白质来源愈发多样。除传统奶源、蛋源、常见豆类蛋白外，还包括谷物、油菜籽、大麻籽、花生等植物蛋白，以及乌贼蛋白肽、真菌蛋白等动物和微生物来源蛋白。不同植物蛋白如大米、燕麦、苋菜、油菜籽、火麻籽、花生及多种豆类蛋白在特定pH值、温度等条件下培养可形成蛋白纤维，其功能特性、形态等各有特点且无体外细胞毒性，形状受植物来源影响，豆类蛋白相对更适宜生产食源蛋白纤维。乌贼环吸盘蛋白等动物蛋白具有特殊性质，为食源蛋白纤维应用带来更多可能。新型食源蛋白纤维来源丰富且潜力巨大，有待科研人员深入探究开发。
食品加工过程中形成的蛋白纤维
食源蛋白纤维不仅能在体外诱导条件下形成，在各类食品加工流程中也常出现。其形成受蛋白质浓度、离子强度、加热方式等因素影响。小麦面筋经煮沸有部分蛋白质转化为食源蛋白纤维，面条蒸煮时也会形成且受离子强度影响，蛋清煮沸、干燥及在湿热和干热系统中受糖基化反应限制时均会发生纤维化，奶酪制作过程中热处理与酸化会形成无毒食源蛋白纤维且与三聚磷酸钠浓度有关，蜂王浆加工和储存时会形成影响品质和营养生物利用率的食源蛋白纤维，不过高压处理可破坏其聚集结构。食品加工中形成的食源蛋白纤维影响食品营养、功能特性与感官特征，深入研究其形成机制与调控方法有助于优化食品加工技术与提升食品质量。
纤维化过程中的修饰策略
近年来，多种改性策略为提升蛋白质纤维性能开拓新途径并催生新兴应用领域。自组装纤维生物材料改性策略可分为三类，而针对纤维状蛋白质片段自组装过程，相关方法归纳为纤维化过程中的修饰策略和纤维化完成后的修饰策略，其应用范围涉及化学、食品、医药、材料科学等多领域，还能进一步细分。比如，纤维化过程中的修饰策略里，机械化学修饰是有效的共组装方法，像蛋清溶菌酶与喜树碱共研磨、β-乳球蛋白与染料自组装等；纤维化完成后的改性策略中，成熟纤维对多酚包裹及相互作用是重要策略，已有相关详尽总结。
纤维化过程中的修饰策略
修饰蛋白纤维的第一种策略是干扰纤维化来改变其结构与功能，主要有四种途径。其一为预处理，像超声波处理利用空化效应改变蛋白质结构与功能并加速纤维化、改善疏水性；UVB辐射在不同pH值下对β-乳球蛋白纤维形成有不同影响；低频磁场可改善豌豆球蛋白纤维功能特性；蛋白质单体化学修饰如水解、二硫键还原、蛋氨酸氧化等也被验证，预处理提升纤维状蛋白质片段性能潜力大，但相关应用研究尚缺。其二是孵育条件，包括离子强度、温度、pH值等多方面，它们影响纤维动力学特征、形态结构与分子相互作用，如离子强度影响大豆分离蛋白纤维，pH值决定β-乳球蛋白纤维形态，搅拌加速纤维化进程，微波和射频加热缩短时间，溶剂诱导和酶处理也有相应作用，调整孵育条件可简化加工、降低变质风险，但需深入研究纤维化过程变化。其三是核诱导，用预先形成的纤维或片段作 “种子”，能加速浓缩乳清蛋白纤维化，次生核诱导效率更高，轮数与β片层间距影响诱导能力，此方法无需额外化学品和步骤就能缩短滞后期。其四是与其他成分相互作用，多酚、染料、金属离子和磁铁矿纳米颗粒等分子通过共价或非共价键与蛋白质作用，改变其多方面特性，糖化过程有加速和抑制不同影响，多酚抑制纤维化，染料有加速和功能化作用，不同金属离子诱导乳清蛋白分离物纤维凝胶化浓度不同，磁铁矿纳米颗粒抑制纤维化并改变纤维形态，不过无机聚合物应用需考虑细胞毒性与健康风险。
纤维化过程后的修饰策略
针对成熟纤维的改性有不同挑战，基于改性对象分为对食源蛋白纤维本身的改性和其与其他成分的相互作用两种途径。对纤维本身改良是施加物理或化学处理来调整结构与功能，影响其多方面特性与分子互作，如剪切处理可将半柔性纤维变为刚性纤维并按需调整长度，搅拌也有类似作用且能诱发多种转换，微流控可缩短纤维长度与降低粘度，pH值变化影响纤维组装与特性并利于蛋白质纤维载体定制化。多酚与蛋白质纤维结合能改变其形态等，EGCG可多种方式改变纤维结构、提升性能，花青素-3-O-葡萄糖苷也能与水稻谷蛋白纤维结合增强效用，未来可探索多酚-纤维水凝胶在食品分子加工中的应用。多糖在调控蛋白质纤维多方面性能上潜力大，壳聚糖、纤维素等多种多糖与不同蛋白质纤维结合能产生不同效果，蛋白质纤维与多糖自组装复合物性能优于本地蛋白质所得复合物，需深入评估其在食品系统中的表现与稳定性。近年来将蛋白质纤维与无机材料结合制备高吸附性能复合材料是研究热点，石墨烯、氮化石墨碳纳米片等与纤维结合各有效果，但探究复合材料变化、评估安全性与优化制备条件仍需努力。
食源蛋白纤维的新兴应用
纤维状蛋白质颗粒在多领域受关注，其在食品科学中的应用前景也颇具魅力，食源蛋白纤维凭借独特微观结构与功能特性成为创新多功能配料，为功能性食品设计开拓新途径。
在具体应用方面，一是能抑制淀粉体外消化过程，利于开发特定功能性淀粉食品，还能抑制冰重结晶提升冷冻食品品质，但高NaCl浓度会使其冰再结晶抑制活性减弱，需提升稳定性；二是可用于制备能延长鲜肉保质期的可食用涂层，不过要进一步评估其在其他食品体系中的性能及相关影响；三是在营养物质输送上潜力大，凭借乳化性能在多种乳液体系广泛应用，利用其pH值响应性可制备相关乳剂和微胶囊，且相关策略易拓展到其他生物活性化合物封装中，基于食源蛋白纤维的递送系统在食品营养递送及医药领域前景广阔，比如相关水凝胶能提高EGCG负载量、增强稳定性，改善小鼠结肠炎症状等，类黄酮与食源蛋白纤维自组装的水凝胶能预防小鼠肥胖、改善肠道微生物群失调等，未来还需深入探究其在药物输送过程中的作用机制。
Conclusion and Perspective
近年来，食源蛋白纤维因其独特性质和在各领域的潜在应用而备受关注。然而，蛋白质纤维的结构和功能并非固定不变，可通过不同策略和组件进行修改。本文讨论了纤维化过程中和之后修改蛋白质纤维的两种策略，总结了这些修改对纤维动力学、形态、稳定性和功能的影响，以及它们与其他成分的相互作用。此外，还总结了新的蛋白质来源以及近年来食源蛋白纤维在食品加工中的出现。食源蛋白纤维在食品中的应用也得到了讨论。未来，其在实际场景中的应用可行性仍需进一步评估，并根据情况进行适当调整。
食源蛋白纤维的修改是一个充满挑战和机遇的话题，为设计和开发具有所需特性和功能的新型生物材料开辟了新途径。修改策略可针对不同目的和应用进行定制，如营养输送、食品加工和组织工程。然而，仍存在一些局限性和挑战需要克服，例如食源蛋白纤维的复杂性和异质性、对修改过程缺乏精确控制、某些修改的潜在毒性和生物相容性问题、制造方法的可扩展性和可重复性。此外，一般情况下，由于淀粉样结构与疾病相关的淀粉样蛋白的结构相似，人们对蛋白纤维在食品中的使用存在安全担忧。尽管有研究证明基于体外和体内评估，具有不同组成的蛋白纤维（β-乳球蛋白和溶菌酶）是安全的营养成分，但对于各种不同组成的蛋白质，健康风险仍不明确。因此，需要进一步研究以探索更高效和有效的方法来修改食源蛋白纤维，了解它们与其他成分相互作用的潜在机制和原理，并评估它们在各种场景中的性能和安全性。希望这篇综述能为对该领域感兴趣的研究人员提供全面的概述和有用的参考。
01
第一作者
欧阳可凡，南昌大学食品学院食品科学与工程专业2022级硕士研究生。曾获2023年江西省政府研究生奖学金。主要研究方向为蛋白纤维化改性及组装机制、新蛋白资源综合利用。
02
通信作者
赵强，博士、南昌大学食品科学与技术国家重点实验室研究员、博士生导师、江西省杰出青年基金获得者。主要从事食品蛋白质化学与营养、食品资源开发与综合利用、稻米等谷物食品精深加工、食品乳液及微胶囊等研究工作。作为主要研究骨干参与完成了国家863科技计划、国家自然科学基金、江西省高新产业重大项目等国家、省部级课题20多项。在Green Chemistry, Food Hydrocolloids, Food Chemistry,《中国食品学报》,《食品科学》等国内外期刊上发表学术论文100余篇，其中以第一或通讯作者发表SCI论文55篇。获江西省科技进步奖一等奖2项。
03
通信作者
王文君，博士、二级教授、博士生导师。江西农业大学党委委员、副校长，江西省主要学科学术和技术带头人、江西省新世纪百千万人才工程人选，教育部高等学校食品科学与工程类教学指导委员会委员。江西省“金牌研究生”导师。先后主持国家自然科学基金及省部级项目10多项，获省部级科研奖励6项。在国内外学术期刊发表学术论文140多篇，其中SCI论文80多篇。主编出版《食品化学》教材1本。指导的研究生多次获江西省优秀博士、硕士论文奖。
Modification of food protein fibrils: during and after fibrillization
Kefan Ouyanga, Hexiang Xiea, Hua Xionga, Qiang Zhaoa,*, Wenjun Wangb,*
a State Key Laboratory of Food Science and Resources, Nanchang University, Nanchang 330047, China
b Jiangxi Key Laboratory of Natural Products and Functional Food, College of Food Science and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
*Corresponding author.
Abstract
Fibrillization endows food proteins with anisotropic nanostructures, significantly enhancing their functional properties. The resultant food protein fibrils (FPFs) have garnered attention for their diverse applications across the food industry. However, the full potential of FPFs is hindered by inherent challenges, particularly their limited stability. This review critically examines the formation of FPFs in food processing, the new protein sources, and on the modification strategies of FPFs, thereby unlocking new avenues for FPF utilization in food processing. In particular, the strategies during and after fibrillization are highlighted. The first strategy is to modify the structure and function of protein fibrils by influencing fibrillization, such as through pretreatment, incubation conditions, nuclei induction, and ingredient interactions. The second strategy is to modify the mature FPFs by regulating their properties and interactions with other components. The review also discusses the potential applications and challenges of FPFs in food systems, such as food preservation, functional food design, and novel delivery carriers.
Reference:
OUYANG K F, XIE H X, XIONG H, et al. Modification of food protein fibrils: during and after fibrillization[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(9): 9250203. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250203.
本文编译内容由作者提供
编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇
封面图片：摄图网
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