Advances in the Extraction, Modification and Application of Sesame Protein
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摘要: 由于环境问题的日益突出、全球食物需求急剧升高以及消费者饮食观念的改变，植物基替代蛋白的需求正在持续上升。芝麻，作为一种富含高品质油脂与蛋白质的天然资源，目前主要用于制取芝麻油，其榨油副产物芝麻饼粕含有丰富的、无抗营养因子干扰的芝麻蛋白，但通常直接用于生产饲料、肥料等，未能实现高附加值利用。故本文系统综述了芝麻蛋白在提取、改性以及应用领域的研究进展，鉴于榨油及提取工艺可能导致的蛋白质变性问题，着重探讨了芝麻蛋白提取方法的选择要点，分析了物理、化学、生物手段在提升芝麻蛋白提取效率与功能性方面的应用潜力。进一步提出芝麻蛋白在植物基替代蛋白市场的进一步发展方向为：加强基于特定应用需求的定向改性研究，开展植物蛋白与其他大分子的互作机制研究，同时实现小型研究向工业化生产的转化。本文旨在为芝麻饼粕的高值化深加工开辟新径，同时促进芝麻蛋白作为创新植物基替代蛋白在食品工业中的广泛应用与市场推广，为中国特色植物基食品产业的可持续发展贡献新思路与新策略。Abstract: Due to the increasingly environmental concerns, the surge in global food demand, and the evolving dietary preferences of consumers, there is a growing demand for plant-based protein alternatives. Sesame, abundant in high-quality oils and proteins, is mainly used for oil extraction. The resulting by-product, sesame cake (meal), is rich in sesame protein free from anti-nutritional factors. Unfortunately, it is commonly used in feed and fertilizer production, failing to harness its potential for high-value utilization. This comprehensive review delves into the research advancements in the extraction, modification, and applications of sesame protein. Considering the protein denaturation that may occurs during oil extraction and processing, the paper emphasizes the critical factors in selecting extraction methods for same protein and explores the potential of physical, chemical, and biological approaches to improve extraction efficiency and functionality. Furthermore, the paper suggests a strategic direction for sesame protein to gain a stronger foothold in the plant-based protein alternative market, which includes focused research on modification tailored to specific application needs, studying the interaction mechanisms with other macromolecules in food systems, and the transitioning from laboratory-scale research to industrial production. The goal of this study is to pave new avenues for the high-value processing of sesame meal and to facilitate the widespread application and market penetration of sesame protein as an innovative plant-based protein alternative in the food industry, contributing novel insights and strategies to the sustainable growth of China's distinctive plant-based food industry.
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Keywords:
- sesame protein /
- protein extraction /
- protein modification /
- sesame cake /
- plant-based protein
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随着全球人口增长，食物尤其是蛋白质供应面临严峻挑战，预计2050年需求将进一步增加30%~50%[1]。依靠传统畜禽养殖供给动物蛋白不仅加剧环境负担和资源压力，还关联多种慢性病风险[2]。因此，获取更健康环保的蛋白质资源成为了新的挑战。调查发现，近年来，植物基食品市场迅速崛起，其规模在2030年预计将达1620亿美元[3−4]，这为满足人体营养需求、实现可持续发展提供了新机遇。
芝麻（Sesamum indicum L.），作为世界主要油料作物之一[5]，含有丰富的脂质（42%~54%）、蛋白质（22%~25%）、维生素E和钙、磷等矿物质[6−7]，2021年全球产量高达681.18万吨，其中我国芝麻年产量为45.73万吨，在食品领域中，除少量添加在糖果糕点等食物中以外，全球约70%的芝麻用于生产芝麻油，其芝麻榨油副产物——脱脂芝麻饼粕或芝麻粉年产量可达100万吨[8]，富含优质芝麻蛋白（38%~50%）[9]，该蛋白展现出与大豆蛋白相近的生物利用率，并且不含任何抗营养因子[10]。然而，这些榨油副产物当前多限于低附加值的饲料与肥料应用，其应用潜力未得到充分发掘。鉴于芝麻蛋白的主要组成成分（11S、7S和2S蛋白）以及各组分的理化性质和功能特性已经基本明确[11−12]，开展其高效环保制备以及定向结构修饰改性技术的研发是提升芝麻蛋白利用价值的关键。然而，加工过程中，榨油、提取以及改性工艺条件的差异会使芝麻蛋白发生不同程度的变性，从而对其结构乃至功能特性产生显著影响，因此，本文对芝麻蛋白的组成成分、提取方法、改性策略及其在多个食品领域中应用的最新进展进行系统地综述（图1），并着重探讨了芝麻蛋白的提取与改性过程中所涉及的物理、化学与生物技术，详细阐述总结了这些加工技术对芝麻蛋白的提取效率及功能特性的影响，旨在为芝麻蛋白在植物基产业链中的广泛应用与发展提供新的理论视角与实践指导，进而为发展中国特色植物蛋白提供新资源的探索方向，以促进植物基食品的创新性应用与可持续发展。
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图 1 芝麻蛋白的提取、改性及应用的图形概要Figure 1. Graphical summary of extraction, modification, and application of sesame protein1. 芝麻蛋白的结构组成
芝麻蛋白一般以贮藏蛋白形式存在于芝麻籽粒中，其组成以碱溶性球蛋白为主，还包含少量的白蛋白和醇溶蛋白，以及微量的谷蛋白。根据沉降系数可知，球蛋白主要分为11S球蛋白（60%~70%）和7S球蛋白，水溶性蛋白主要为2S白蛋白（15%~25%），其中11S球蛋白和2S白蛋白又分别称为α-球蛋白和β-球蛋白[7]，其结构组成如图2所示。11S和7S球蛋白是寡聚蛋白质，在不同pH和离子强度的介质中会出现解离或聚集的现象。芝麻7S蛋白由至少8个分子量为12.4~65.5 kDa的多肽通过非共价键形成，与豌豆和蚕豆7S蛋白结构相似，而与大豆7S蛋白不同，大豆7S蛋白主要由3个分子量为40~60 kDa的亚基通过非共价键形成[7]。芝麻2S蛋白中含硫氨基酸和酸性氨基酸含量高，蛋白二级结构主要为α-螺旋结构，并且具有一定的蛋白酶活性，可能在芝麻种子萌发的过程中发挥作用[15]。根据联合国粮农组织、世界卫生组织推荐的人类蛋白质标准，芝麻蛋白的必需氨基酸占总氨基酸含量的30%，除赖氨酸含量较低外，其余氨基酸含量均接近或超出FAO/WHO建议的优质蛋白质标准[16−17]，其中精氨酸、亮氨酸和含硫氨基酸含量尤为丰富[16]，可与富含赖氨酸但缺乏甲硫氨酸的大豆蛋白互补，制成良好的蛋白营养补充剂（表1）。
氨基酸
（g/100 g）FAO
推荐标准芝麻蛋白 大豆蛋白 豌豆蛋白 燕麦蛋白 小麦蛋白 苏氨酸 2.6 3.4~4.0 3.7~4.3 4.4 3.6 2.5 缬氨酸 4.2 4.7 4.8~5.4 5.1 5.5 4.2 甲硫氨酸 2.2 2.5~3.7 1.1~2.4 1.0 1.8 1.6 异亮氨酸 4.2 3.9~4.1 4.2~6.0 4.6 4.1 4.1 亮氨酸 4.8 6.7~7.1 1.7~9.6 7.4 7.9 6.8 苯丙氨酸 2.8 4.5~6.0 5.0~9.2 5.0 5.4 5.1 赖氨酸 4.2 2.6~3.8 6.1~6.9 8.2 4.0 1.4 色氨酸 1.4 4.0 1.2~4.5 − − − 注：“−”为未提及该数据，表2同。 2. 芝麻蛋白的提取分离
目前，从芝麻榨油副产物中提取芝麻蛋白的工艺较为复杂，其中蛋白质提取的方法主要有碱溶酸沉法、酶法、有机溶剂洗涤法、膜过滤法、低共溶溶剂法等或联合提取法，通常以制油后产生的芝麻粕以及水代法制油后产生的芝麻渣为原料。
2.1 根据蛋白质的溶解度变化进行分离提取
2.1.1 碱溶酸沉法
碱溶酸沉法是一种传统的蛋白质提取技术，它基于植物原料中各成分在不同酸碱环境中的溶解度差异分离蛋白质，适用于提取在不同酸碱环境中溶解度存在显著变化的植物蛋白，如大豆蛋白[19]、豌豆蛋白[20]、藜麦蛋白[21]、亚麻籽蛋白[22]和黑豆蛋白[23]等，但不利于以醇溶蛋白为主要组分的玉米蛋白、高粱蛋白等的提取[24]。
Onssard等[25]通过盐溶酸沉法和碱溶酸沉法分别提取了脱脂芝麻粕中的芝麻蛋白，发现使用碱溶酸沉法蛋白提取率可达到35.3%，并且提取蛋白的纯度（83.3%）优于通过盐溶酸沉法提取的蛋白（75.5%），这可能是由于芝麻蛋白中碱溶性蛋白含量较高（约为67%）并且其在酸碱变化下溶解度变化显著[26]。进一步研究表明，碱溶pH、碱溶时间、碱溶温度以及料液比等条件是影响碱溶酸沉法提取蛋白效果的关键因素，其蛋白提取率可达到56%~76%，获得的芝麻蛋白纯度为69%~91%[27−31]（表2），其中芝麻蛋白提取率和蛋白纯度均存在低值，这可能由于在较短的碱溶时间内，细胞壁的存在使蛋白无法充分溶出。鉴于此，张淼等[32]以超声波辅助碱溶酸沉法处理芝麻饼粕，通过超声波的空穴效应破坏细胞壁，提高了细胞与溶解液之间的传质速度，使得最优工艺参数下蛋白质提取率达到了74.52%。此外，部分多糖跟随蛋白质溶出以及沉淀是导致蛋白纯度较低的影响因素之一，陶然等[33]利用糖化酶酶解碱溶酸沉制备的芝麻蛋白，糖蛋白、低聚糖中的多糖物质经糖化酶水解后，溶解度升高，通过离心分离可除去，最佳工艺条件下芝麻蛋白纯度达到了83.23%。
表 2 芝麻蛋白提取方法以及工艺参数Table 2. Comparison of essential amino acid components in sesame protein and soybean protein提取原料 提取方法 提取条件 蛋白提取率
（%）蛋白纯度
（%）参考文献 芝麻粕 碱溶酸沉法 室温、碱溶pH10、酸沉pH4.5、碱溶时间5 h、液固比10:1、提取一次 71.31 − [27] 冷榨芝麻粕 碱溶酸沉法 室温、碱溶pH10、酸沉pH4.5、碱溶时间1 h、液固比9:1、提取一次 − 90.33 [28] 芝麻粕 碱溶酸沉法 室温、碱溶pH11、酸沉pH4.5、碱溶时间1 h、液固比10:1、提取一次 − 90.5 [29] 湿芝麻渣 碱溶酸沉法 温度74.6 ℃、碱溶pH13.34、酸沉pH4.0、碱溶时间291 min、液固比25:1、提取一次 75.59 69 [30] 浸出粕 碱溶酸沉法 碱溶pH10.0、酸沉pH5.0、液固比20:1、温度37 ℃、碱溶时间120 min 56.5 78.2 [31] 芝麻粕 酶法 纤维素酶、加酶量1200 U/g、温度56 ℃、pH5.1、酶解时间2.4 h 83.97 − [37] 高温芝麻粕 酶法 碱性蛋白酶2709、加酶量125 U/g、温度50 ℃、pH11、酶解时间2 h、
液固比16:170.36 − [40] 脱皮冷榨芝麻粕 有机溶剂洗涤法 正己烷与乙醇体积比3:7、乙醇体积分数60%、温度45 ℃、洗涤时间
80 min、液固比9:1、萃取4次− 73.79 [43] 芝麻饼 膜过滤法 使用20 ku超滤膜，超滤压力0.25 MPa、提取液pH10.0、超滤时间15 min 58.71 84.06 [50] 芝麻饼 超声波、碱溶酸沉法、酶解法 酶解：糖化酶、温度60 ℃、pH4、酶解时间30 min、加酶量80 U/g、
液固比10:177.56 83.23 [33] 芝麻渣 低共溶溶剂法、有机溶剂洗涤法 低共熔溶剂：醋酸钠-尿素体系、温度75 ℃、溶解时间180 min、
液固比50:1
有机溶剂洗涤：乙醇沉淀蛋白、沉淀两次73.86 89.433 [46] 亚临界芝麻粕 超声波、膜分离法 超声波：45 ℃、pH10.8、超声处理15 min、750 W、45 kHz、液固比13.3:1
膜分离：截留分子量为50 ku的超滤膜95.23 − [51] 碱溶酸沉法适用面广，具有操作简单、效率高、成本低的优点，但在芝麻蛋白的提取过程中，由于提取温度高和强碱性pH（9.0~11.0）的作用，芝麻饼粕或芝麻渣中的羰基化合物易与蛋白发生美拉德反应，使蛋白色泽变深，导致蛋白质的营养价值下降[34]；其次，蛋白在加热、强碱处理过程中会产生具有致肾毒毒性、螯合金属毒性的有害物质——赖丙氨酸[35]，对芝麻蛋白在植物基产品中的使用产生不良影响。
2.1.2 水酶法
酶法提取植物蛋白是在机械破碎油料基础上，通过相关功能酶的辅助，进一步“破坏分解”细胞，促进蛋白释放的一种提取方法。依据酶水解底物的差异性，酶法提取蛋白可通过以下两个途径：第一是利用相关功能酶（纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等）分解芝麻细胞壁的主要组成成分，如纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等非蛋白类物质，释放附着在多糖基质上的蛋白质[36−37]；第二是酶通过分解细胞中的蛋白复合体，使酶水解位点处的化学键断裂，将蛋白复合体水解成多肽及其他小分子，增加其溶解度，从而使大部分蛋白类物质溶出。相关功能酶主要有碱性蛋白酶、菠萝蛋白酶、中性蛋白酶等。毕双同等[37]以芝麻粕为原料，单独利用纤维素酶水解芝麻细胞壁辅助蛋白释出时，蛋白提取率达到了19.0%，使用粘酶L酶解芝麻粕后，蛋白提取率可达31%~44.8%[38]；Kanu等[39]以去皮白芝麻为原料，对比了碱性蛋白酶、中性蛋白酶、复合蛋白酶和风味蛋白酶对芝麻蛋白提取的辅助效果，结果表明，碱性蛋白酶在不同的碱性pH和温度下均表现出了较好的水解效果，芝麻蛋白的提取率可高达96.68%，王瑞萍等[40]的研究中碱性蛋白酶也表现出较其他酶更为优质的提取效果：不同pH下蛋白溶出率为44.57%~65.23%，高于空白组28.39%~43.85%。
酶法作用条件温和，普遍适用于植物蛋白的提取，操作简单，可以同时提取油和蛋白质，大幅提升生产效益，并且营养功能性保存良好[5]，芝麻蛋白提取率为19.0%~70.36%[37−40]。然而，单独酶解作用有限，复合酶解成本较高，研究发现超声等物理方法辅助酶解能够进一步改善水酶法的蛋白提取效果，Görgüç等[38]进一步将碱性蛋白酶酶解和超声辅助结合，发现二者协同作用下，蛋白提取率为52.9%~88.4%，远远优于单独使用酶解（31%~44.8%）与超声（39.8%~58.5%）的提取效果。此外，酶解法操作过程中需要维持一定的酸碱环境，成本高、产量不稳定，在蛋白提取方面难以扩大应用规模。
2.1.3 有机溶剂洗涤法
有机溶剂洗涤法是提取油料作物副产物中植物蛋白的一种有效方法。有机溶剂的加入可以改变蛋白分子的带电情况，破坏蛋白质表面的水化膜，促使蛋白聚集沉淀从而与其他可溶组分分离，从而有效去除杂质，实现目的蛋白的进一步纯化。使用的有机溶剂如乙醇、正己烷等易去除、可回收，并且沉淀的蛋白质不需要脱盐处理，极性较大的溶剂（如丙酮、甲醇等）可溶解更多可溶性多糖，利于蛋白与其他可溶性成分分离[41]。刘玉兰等[42]使用浓度为70%的乙醇醇洗冷榨芝麻饼（蛋白质含量为58.48%，粗脂肪含量为12.82%），最优工艺条件下醇洗蛋白的粗蛋白含量为67.29%，残油为8.73%，相比原料蛋白质含量提高约9%、粗脂肪含量降低约4%，但产品蛋白中残油率仍有待进一步降低。为减少蛋白中残油量，王莎莎等[43]使用正己烷-60%乙醇混合溶剂处理冷榨芝麻饼，混合溶剂极性降低，最佳工艺条件下所得产品蛋白含量为73.79%，残油率为0.51%，与醇洗最佳工艺处理下的粗蛋白含量（66.87%）和残油率（7.19%）相比，粗蛋白含量增加，残油率降低，混合溶剂处理后提取蛋白纯度提升。
然而，该方法不适用于以醇溶蛋白为主要组分、表面含有大量疏水残基的植物蛋白的提取，如玉米蛋白[44]、大麦蛋白[45]等。综上，合理调整有机溶剂配比，降低芝麻蛋白变性程度，有利于在改善蛋白纯度的同时，最大可能地保留其溶解性，扩展其应用范围。
2.1.4 低共熔溶剂法
近年来，低成本、绿色、高效的方法也逐渐在芝麻蛋白的提取中应用。低共熔溶剂是一种新型绿色溶剂，通常由两到三种廉价且安全的成分组成，这些成分充当氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD），通过氢键相互作用形成熔点低于每个单独成分的溶剂，该混合溶剂即为低共熔溶剂。基于氢键供体组分和氢键受体组分与蛋白质的氨基或羧基形成氢键的差异实现蛋白提取，该方法绿色环保、蛋白提取效果好且适用范围广。焦晓波等[46]使用低共溶溶剂法，采用制备的醋酸钠-尿素体系取代传统的碱液处理脱脂芝麻渣，再以乙醇沉淀，最佳工艺下所得蛋白提取率为73.86%，蛋白纯度为89.433%，显著高于传统碱溶酸沉法最佳工艺下制得的蛋白纯度，同时，醋酸钠-尿素体系具有良好的重复利用性。Cao等[47]使用低共溶溶剂法取代传统的碱液处理脱脂芝麻粕，结果表明，采用ChCl-乙醇体系提取的芝麻蛋白纯度约为93.3%，显著高于传统方法提取获得的芝麻蛋白组分。低共溶溶剂法可作为一种新型提取方法应用于植物蛋白领域，但是低共溶溶剂法提取的蛋白质依赖于氢键供体组分和氢键受体组分与蛋白质的氨基或羧基形成氢键，由于不同类型的低共溶溶剂具有不同的理化性质，因此结合的氨基酸类型和程度不同，从而导致不同组分的低共溶溶剂提取的蛋白质的提取率不同，同时，其提取蛋白颜色较深，还需进行进一步加工改善感官品质。
2.2 根据蛋白质的分子量大小进行分离提取——膜过滤法
膜过滤法是可以以特殊的超滤膜为分离介质，凭借膜的两侧存在的能量差为动力，在常温下对溶液中分子质量大小不同的组分进行分离[48]。朱秀灵等[49]对碱液提取后形成的芝麻蛋白提取液进行超滤，发现使用截留相对分子量为20 ku以上的超滤膜浓缩时，可保留芝麻蛋白提取液中92%以上的蛋白质，在超滤压力为0.25 MPa、提取液pH为10.0、超滤15 min条件下通过截留分子量为20 ku超滤膜超滤浓缩蛋白时，芝麻蛋白得率为58.71%，蛋白纯度约为84.06%[50]。芦鑫等[51]采用截留分子量为50 ku的超滤膜回收芝麻蛋白并进行脱盐处理，氯化钠电离形成的钠离子和氯离子尺寸远小于超滤膜孔径，可通过超滤膜进入透过液，此时蛋白、氯化钠的截留率分别为98.64%和1.49%，说明50 ku超滤膜的使用可有效回收芝麻蛋白并除去蛋白中氯化钠。
经膜过滤法提纯的芝麻蛋白未发生相变，作用条件温和，操作简便，如表2所示，芝麻蛋白得率可达到58%，蛋白纯度约为84%[49−52]。由于氯化钠电离形成的钠离子与氯离子大小远小于超滤膜孔径，而芝麻蛋白主体11S蛋白分子量为667 ku[14]，大于超滤膜孔径，因此超滤处理可以同时实现脱盐与蛋白回收，并且获得的芝麻蛋白乳化性、乳化稳定性和发泡性显著高于采用传统碱溶酸沉法制备的芝麻蛋白[51]。但膜过滤法使用时需注意随着次级膜的增厚产生的逆压力差方向的浓度极化现象，浓度极化现象会产生阻力阻碍小分子的穿膜过程，使纯化效率降低[49]。
考虑到实际生产与应用的便利经济性，现阶段大部分提取方法侧重于芝麻总蛋白的提取，而对不同芝麻蛋白组分的分离提取研究较少，实验室中通常采用Osborne法分离脱脂副产物中的白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白等芝麻分离蛋白组分[53]。
在芝麻制油以及副产物蛋白提取过程中，由于部分加工涉及到高温或有机溶剂处理，部分蛋白质在高温或有机溶剂下会发生变性，对芝麻蛋白的提取率和提取蛋白纯度产生影响，并改变芝麻蛋白的加工特性，影响其产品应用性[54−55]。因此，制备芝麻蛋白时需根据原料的特性，并综合考虑成本、应用、绿色生产等因素来选择适合的提取方法。
3. 芝麻蛋白的改性
在植物基食品的研发、加工和储藏过程中，需要依据产品的加工方向和应用，选择有相应加工特性优势的植物蛋白作为原料，加工特性包括水化性质、表面性质和蛋白质分子间相互作用的性质。水化性质受蛋白与水的亲和力大小的影响，主要体现为溶解度、持水性和持油性；蛋白质的溶解度与其多种功能特性相关，是蛋白质在食品中应用的关键因素，一般通过氮溶解指数（Nitrogen soluble index，NSI）来衡量蛋白质溶解度的大小[56−57]，溶解度低的蛋白很难大面积地应用在食品工业中。研究发现，蛋白分子大小、形状、空间构型、脂质、碳水化合物的含量等都会影响蛋白质的持水能力[58]，高持水性的蛋白质能够减少水分损失，有助于保持烘焙食品的新鲜度和湿润的口感[59]；蛋白质的持油性在食品生产中的应用也十分广泛，香肠、蛋黄酱、沙拉酱等产品就需要较高的吸油能力，另外，持油性高的植物蛋白能够作为肉类的替代品或补充剂，可以增强风味和口感，对开发植物基肉制品具有重要意义；表面性质与表面张力有关，主要是指乳化性能和起泡性能，主要体现为蛋白质能够在油水界面上形成连续相的能力，蛋白质能在界面上吸附、降低界面张力，因此蛋白质能够作为表面活性剂和泡沫稳定剂使用[60]。当植物蛋白的某个加工特性不理想，影响其在目的产品中的应用效果时，通常采用改性技术来提升植物蛋白的性能，使产品品质得到完善。
除应用方向外，改性技术的选择还应考虑到提取芝麻蛋白使用的原料状态以及选择的蛋白提取工艺，原料以及提取工艺的差异都会对芝麻蛋白的加工特性产生影响。为进一步改善其加工特性，为高附加值的天然植物蛋白食品的开发提供原料，研究学者在蛋白质结构修饰方面进行了诸多探索，具体可分为化学、物理和生物改性方法。
3.1 化学改性
化学改性是通过化学试剂使蛋白质中的某些肽键断裂或引入带负电荷基团、二硫基团和亲水亲油基团等功能性基团进行修饰的方式，如酰基化、脱酰胺、磷酸化和糖基化等[61]。
近年来，利用天然植物活性成分（如多酚、多糖等）对蛋白进行结构修饰已成为研究热点。蛋白-糖接枝反应是一种基于蛋白质分子中的自由氨基与糖分子的羰基发生的羰氨反应的改性方式，其本质为美拉德反应[62]。韩亚飞[62]通过美拉德反应将糖的亲水基团引入芝麻蛋白后，得到的接枝产物溶解度显著提高，且乳化性和稳定性得到提升[63]；且电泳结果表明芝麻11S球蛋白的酸性亚基（30~35 kDa）是糖-蛋白接枝反应的主要参与者[64]。糖-蛋白接枝改性方法应用广泛，改性效果显著[65]，是改善芝麻蛋白溶解性和乳化性的一种有效方法，但通常存在试剂残留、安全性较差的问题。研究发现，多酚与蛋白质的相互作用不仅能提高蛋白质产品的抗氧化性，还可以提升蛋白质的溶解度，改善蛋白质的乳化性质[65]。黄子林[66]向芝麻蛋白中添加核桃衣多酚后发现，芝麻蛋白的溶解度由65%提升到90.86%，这可能是由于多酚加入后与蛋白质发生了共价结合，形成了大分子可溶性聚集体。多酚对蛋白质的改性过程无需加热，更为高效、简便和环保，并且蛋白抗氧化性能的同步提高能够使其产品的氧化稳定性增强，但同时酚类成分的加入也会破坏必需氨基酸的结构，抑制消化酶活性，从而对蛋白质的营养价值和消化率产生不良影响，针对多酚-蛋白产品的营养价值增强以及消化率提升的问题还需进行深入探索和研究[66]。
3.2 物理改性
物理改性通过机械作用、压力、磁、热等物理作用实现对蛋白分子的空间结构以及分子间的聚合方式的改变[67]，该方法高效、无毒副作用，具体表现为蛋白质表面性质以及粒径的改变，通常不会对蛋白质一级结构产生显著影响[67−68]。
传统物理改性方法主要有水浴加热、微波改性以及超声波改性。王莎莎[69]采用水浴加热对芝麻蛋白进行改性，发现水浴加热后芝麻蛋白溶解度由3.61%提高到23.89%。与水浴加热相比，微波穿透力强、加热快速、营养破坏少。刘玉兰等[70]通过微波加热也实现了芝麻蛋白溶解度由12.52%至 55.67%的有效提升，但不同于水浴加热，微波加热对pH、微波功率、时间、液料比等工艺参数的控制精准度要求更高。张涛等[71]对比了水浴加热、微波和超声波处理对芝麻蛋白的改性效果，结果表明，3种物理改性方法都能显著提高芝麻浓缩蛋白的溶解性、吸油性、乳化稳定性、起泡性及泡沫稳定性，其中超声波改性的效果最好，超声处理后芝麻蛋白溶解度从3.43%提高到46.25%，吸油性、乳化性及乳化稳定性、起泡性及泡沫稳定性均得到提升，Da-Rea等[72]发现，超声处理带来的空化效应能够破坏芝麻蛋白中的氢键，有效降低芝麻蛋白粒径，从而暴露了蛋白表面更多的活性位点，促进了芝麻蛋白与其他分子的相互作用，因此其溶解度、乳化性等功能特性得到了提升，Osman等[73]的结果也表明，芝麻蛋白功能特性的显著提升与超声处理后蛋白粒径的减小和表面性质的改变密切相关。
近年来，许多新兴的蛋白质物理改性技术因其诸多优点而受到广泛关注。蒸汽爆破是一种绿色、经济的物理处理方法，可以通过高压蒸汽对原料浸润后瞬间泄压从而实现“爆破”效应，促使蛋白结构无序化以及产生美拉德反应，使蒸汽爆破处理后的芝麻蛋白溶解性比空白组提高了16.71%，并且其吸油性、起泡性能和乳化性能均得到了改善[74]。Hassan等[75]研究发现，低剂量（1.0~2.0 kGy）的γ-射线辐照可显著提升芝麻蛋白的溶解性和乳化稳定性，这可能是因为在施加一定剂量的γ-射线下，蛋白质分子因脱氨基作用而展开，脱氨过程中的蛋白分子的酰胺基团向酸基团转化，使蛋白质从疏水状态改变为亲水状态，从而增加了蛋白质的溶解度[76]。但当蛋白处于高剂量辐照（≥10 kGy）时，二硫键和疏水相互作用的增强可能会使蛋白质变性并聚集，不利于优化芝麻蛋白的加工特性[77]。除此以外，高压均质技术引起的机械作用也可改变芝麻蛋白的粒径和表面性质，使其功能特性得到提升[78]。综上，目前的大多数物理技术改性芝麻蛋白的工艺参数已有一定成果，其改性的机制也得到了初步探究，但物理改性后的芝麻蛋白在食品中的应用鲜有报道，其对食品各组分以及感官品质的影响仍待进一步探索。
3.3 酶法改性
酶法改性是指在酶的作用下大分子蛋白质发生水解或交联聚合而改变蛋白加工特性的过程[65]，改性条件温和、专一性强、无毒副作用，副产物形成少，水解效果主要取决于酶种类和酶解条件的选择，其中水解度是用于比较不同酶解过程的最广泛使用的指标，也是蛋白酶解产物性质的主要决定因素[69]。
Demirhan等[79]采用复合蛋白酶、风味蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶四种酶分别对芝麻饼粕和芝麻粉进行酶解，由于在四种酶中水解度表现最好，碱性蛋白酶被选择用于芝麻蛋白改性。碱性蛋白酶酶解后，芝麻蛋白酶解物溶解度、持油性、乳化性能和起泡性能得到了改善，持水性显著提升，并且溶解度与水解度呈线性关系增长[80]。Chatterjee等[81]研究发现，在pH为5~7时，碱性蛋白酶酶解得到的芝麻蛋白溶解性更佳，而木瓜蛋白酶水解后的芝麻蛋白在pH为9时溶解度表现最佳，并且其乳化性、乳化稳定性以及起泡性也得到了显著提高。Bandyopadhyay等[82]发现，芝麻蛋白在木瓜蛋白酶水解后表现出的溶解性和乳化性能的提升可能与产物蛋白的分子大小、构象折叠度以及酶的水解位点有关。
虽然酶解改性相比其他改性方法效率高、几乎无副产物干扰以及无毒副作用，但蛋白质水解为小分子多肽的过程会暴露出疏水性氨基酸残基，此氨基酸残基刺激味蕾，会产生苦味的不良感官感受，因此使用酶解改性的过程中要注意控制水解程度或通过超滤、选择性分离等方法实现脱苦[83]。
植物蛋白的加工特性与其理化性质（如表面电荷、表面疏水性、巯基含量、分子量、等电点、二级结构和三级结构）密切相关，同时，环境的温度、pH和离子强度也会影响植物蛋白的加工特性[84]，如芝麻11S蛋白在中性pH下溶解性较差，在碱性pH下溶解性显著提高，这可能与芝麻11S蛋白中β-折叠、β-转角和β-反平行含量高、无规卷曲含量低有关[85]。不同的改性方法对芝麻蛋白的各种加工特性有不同程度的改善，在加工过程中，可以根据不同的植物基产品对芝麻蛋白加工特性需求的差异，选择合适的改性方法，更加充分地将芝麻蛋白的优势应用于各植物基产品中，从而实现芝麻榨油副产物的充分利用，为植物基产品的开发提供新的绿色蛋白来源。
4. 芝麻蛋白在植物基食品中的应用
在全球低碳减排和营养健康热潮的推动下，植物基食品异军突起，正成为食业新风口；在全球范围内，植物基的市场规模从2013年的180亿美元增长至2023年的229亿美元，增速超过整体食品销售的总体增长速度[86]。植物基食品（Plant-based foods）是指以植物原料（包括藻类和真菌类）或其制品为蛋白质、脂肪等来源，添加或不添加其它配料，经一定加工工艺制成的，具有类似某种动物来源食品的质构、风味、形态等品质特征的食品，可分为植物基肉制品、植物基乳制品、植物基蛋制品以及植物基功能制品等[1]。
4.1 植物基乳制品
植物基乳制品是指将植物蛋白分散于水中并进一步加工后形成的液体、半固体和固体，在感官和质地上与动物源乳制品相似的产品[87]。2021年，我国植物基乳饮料销售额已达到26亿美元，位居植物基食品榜首，2022年我国植物蛋白饮料行业市场规模约为1351亿元，预计到2025年将突破2000亿元[88]。早期植物基乳制品研发和推广主要集中于大豆、燕麦等原料，随着国际饮食习惯的融合与发展，植物基饮品的原料来源逐渐走向多元化。
芝麻蛋白风味浓郁，甲硫氨酸含量高，是制作植物基乳制品的重要原料之一。黑芝麻植物奶的推出不仅改善了传统黑芝麻糊带来的粗糙口感，而且实现了钙含量的大幅提升。HOPE&SESAME公司以芝麻蛋白为主要原料，研发了一款能够提供和全脂牛奶等量钙的有机芝麻奶，其含有8种必需氨基酸，不含麸质、少糖，为消费者提供了更多元的选择[89]。泰国研发的sesamilk芝麻奶在不含胆固醇及动物脂肪的低负担基础上，每瓶添加了392 mg的芝麻素，使芝麻奶具有了更好的抗氧化活性，为功能性芝麻奶的探索研发提供了方向[90]。目前对芝麻奶产品的研究仍处于探索阶段，消费者还有许多需求未被满足，芝麻作为“国民食品”之一，其产量大、应用广并且功效被消费者广泛认同，这也为芝麻蛋白在生活食品渗透方面提供了更多可能。
4.2 植物基肉制品
植物基肉制品是指以植物蛋白为主要原料，添加其他辅料后，经加工制成的具有类似畜、禽、水产等动物肉制品质构、风味、形态等特征的食品[91]。目前，市面上植物基肉制品的主要品类有汉堡肉饼、香肠、肉丸和肉馅等，产品规模增长迅速，中国植物肉市场在未来几年几乎占到全球市场的一半[92]。已有研究表明，通过低水分挤压、高水分挤压、3D打印等技术处理，芝麻蛋白的高级结构会发生改变，形成纤维化结构，从而产生模拟真肉的植物蛋白肉组织[93]。然而，芝麻蛋白目前在植物基肉制品的应用缺乏实验研究向实际生产的转化，并且在产品的组织状态以及风味上与传统动物肉制品相比具有一定差距，因此，改善富含芝麻蛋白的“植物肉”的感官品质，使其接近传统动物肉制品甚至优于传统动物肉制品，是未来植物基肉制品的重点探究方向之一。
4.3 植物基功能制品
经过特定酶的催化水解后，植物蛋白分解为具有不同链长的多肽，经过进一步的分离纯化，筛选出具有不同活性的多肽，添加具有一定活性的多肽的制品即为植物肽功能制品。芝麻蛋白肽上酸性氨基酸的羧基与氨基酸残基的吲哚基、咪唑基等活性基团可与铁发生螯合作用，形成生物利用度优于葡萄糖酸亚铁的螯合物，可作为人体的天然补铁剂[94]。许家宝等[95]对小鼠进行了芝麻蛋白肽-钙螯合物的灌胃实验，发现芝麻蛋白肽-钙螯合物对小鼠股骨生长有促进作用，提高了骨钙含量，且效果优于葡萄糖酸钙和碳酸钙。Wang等[96]对芝麻蛋白肽与胰脂肪酶的分子模拟对接结果表明，芝麻蛋白肽能够通过氢键、疏水力、范德华力、电荷相互作用和π-π堆积与胰脂肪酶相互作用，抑制胰脂肪酶的活性，从而有效地减少人体对甘油三酯的吸收，达到预防肥胖的效果。Kamolchanok等[97]由芝麻蛋白水解物中分离鉴定抗白血病肽IGTLILM，发现该蛋白肽能够抑制MOLT-4和NB4细胞的增殖，诱导其凋亡和自噬，并且呈剂量依赖性，而且对健康单核细胞的影响很小，表明芝麻蛋白肽在白血病治疗方面具有巨大潜能。此外，水解冷榨芝麻粕蛋白还可以得到具有抗氧化性、抗菌性以及抗高血压活性的肽段，其中高分子量肽段（>10 kDa）表现出较好的抗氧化活性，低分子量肽段（<3 kDa）抗高血压活性以及抑菌性表现良好[98]，可以作为一种营养活性成分添加在口服制剂中，拓宽其在预防和治疗与自由基相关疾病的市场中的应用。Wang等[96]发现，芝麻蛋白经模拟体外消化后产生的肽段具有抑制胰脂肪酶活性的潜力，通过体内实验进一步验证后或可应用于干预肥胖的特殊功能性食品的开发。
除此以外，凭借蛋白结构的两亲性以及空间和静电斥力的存在，植物蛋白乳液能将功能成分（营养素、生物活性成分）封装在载体基质内形成复合体系，从而增强生物活性物质的稳定性和生物可及性，提高生物利用度[99]。何玲玲[100]利用芝麻蛋白微胶囊化姜黄素，发现低样品包载量的微胶囊粉末在高温高湿环境下贮藏7 d，包封率未发生显著变化，表现出了良好的贮藏稳定性。进一步通过Osborne法分离芝麻蛋白各组分，依据芝麻白蛋白在酸性条件下表现出的较好的湿润性以及其形成的分散性良好的乳液，制备出了稳定性良好的、可递送易降解、抗吸附的β-胡萝卜素的酸性蛋白乳液递送体系，并发现随着蛋白浓度的增大，37 ℃储藏期内乳液中β-胡萝卜素保留率升高[101]。这表明芝麻蛋白可与其它物质复合，制成乳剂、微胶囊等稳定性较高的包埋载体，提高生物活性物质的递送效率，但芝麻蛋白是否可作为皮克林乳液的固体颗粒还需要通过相关电镜技术验证，其乳液的稳定机制以及长期贮藏稳定性的改善仍有待进一步探索。
5. 展望
近年来，由于人口、资源、环境等因素对食品原料的限制加大以及消费者对食品营养健康的重视，食品供给方正在探究可利用的植物蛋白源，以代替部分动物蛋白在食品体系中的应用。芝麻蛋白风味浓郁，营养价值良好，可作为一种安全优质的蛋白补充剂添加到食品中。目前围绕芝麻蛋白的结构、提取、功能特性、改性的方面已有大量的研究，主要存在问题及研究趋势如下：
a.在芝麻蛋白的组成成分中，对于11S球蛋白、7S球蛋白和2S白蛋白的结构及特性研究较为深入，而对于含量较低的醇溶蛋白和谷蛋白的结构、特性的影响研究探讨较少，尤其是球蛋白、白蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的比例、组成对芝麻蛋白整体功能特性发挥的作用需要进一步开展研究；
b.在芝麻蛋白的提取相关研究中，主要侧重于pH、料液比、温度等工艺参数的优化，但是加工参数如何通过影响蛋白质的结构，进而影响其功能特性尚未有系统的研究和报道，因此需要进一步解析加工参数-结构-功能三者之间的关联机制，为实验蛋白的精准加工和利用提供理论依据；另一方面，传统的蛋白提取方法如碱溶酸沉法、酶解法等，步骤多、成本高，且提取率和纯度仍有待提高，因此，探究绿色经济可连续化的蛋白提取方法也是提高芝麻蛋白市场化的着力点之一；
c.在芝麻蛋白的改性研究中，为进一步提升芝麻蛋白的溶解性、持水持油性以及乳化、起泡性能，国内外研究学者针对物理、化学等手段进行了一系列积极的探索，其中利用活性成分进行化学改性，采用超声、微波等物理方式和生物酶解方式进行改性已经取得较好的效果，后续应进一步探索改性后芝麻蛋白感官品质的变化，并开展改性芝麻蛋白在不同特性的食品体系中的应用，探讨其在食品体系中对于食品中碳水化合物、脂质、蛋白质等宏量物质和多酚、维生素等微量成分之间的相互作用关系，为扩大其应用范围和提高其应用价值提供数据支撑；
d.对于芝麻蛋白在植物基食品中的应用，目前以芝麻蛋白为主要原料的植物基食品较为缺乏，已有产品虽然能够满足消费市场对于健康无负担产品的基本要求，但功能较为单一，无法满足消费者多元化的功能性需求。
芝麻蛋白风味浓郁、制备原料丰富并且氨基酸组成优异，关于芝麻蛋白提取和功能特性的大量研究表明，其作为植物基替代蛋白具有巨大的开发潜力，随着植物基产品热度的不断提升，针对芝麻蛋白的提取工业化生产以及以芝麻蛋白为主的植物基产品的开发亟待进一步探索。
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图 1 芝麻蛋白的提取、改性及应用的图形概要
Figure 1. Graphical summary of extraction, modification, and application of sesame protein
表 1 芝麻蛋白与其他植物基蛋白中的必需氨基酸组分含量对比[13,16−18]
Table 1 Comparison of essential amino acid components in sesame protein and other plant-based protein[13,16−18]
氨基酸
（g/100 g）FAO
推荐标准芝麻蛋白 大豆蛋白 豌豆蛋白 燕麦蛋白 小麦蛋白 苏氨酸 2.6 3.4~4.0 3.7~4.3 4.4 3.6 2.5 缬氨酸 4.2 4.7 4.8~5.4 5.1 5.5 4.2 甲硫氨酸 2.2 2.5~3.7 1.1~2.4 1.0 1.8 1.6 异亮氨酸 4.2 3.9~4.1 4.2~6.0 4.6 4.1 4.1 亮氨酸 4.8 6.7~7.1 1.7~9.6 7.4 7.9 6.8 苯丙氨酸 2.8 4.5~6.0 5.0~9.2 5.0 5.4 5.1 赖氨酸 4.2 2.6~3.8 6.1~6.9 8.2 4.0 1.4 色氨酸 1.4 4.0 1.2~4.5 − − − 注：“−”为未提及该数据，表2同。 
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表 2 芝麻蛋白提取方法以及工艺参数
Table 2 Comparison of essential amino acid components in sesame protein and soybean protein
提取原料 提取方法 提取条件 蛋白提取率
（%）蛋白纯度
（%）参考文献 芝麻粕 碱溶酸沉法 室温、碱溶pH10、酸沉pH4.5、碱溶时间5 h、液固比10:1、提取一次 71.31 − [27] 冷榨芝麻粕 碱溶酸沉法 室温、碱溶pH10、酸沉pH4.5、碱溶时间1 h、液固比9:1、提取一次 − 90.33 [28] 芝麻粕 碱溶酸沉法 室温、碱溶pH11、酸沉pH4.5、碱溶时间1 h、液固比10:1、提取一次 − 90.5 [29] 湿芝麻渣 碱溶酸沉法 温度74.6 ℃、碱溶pH13.34、酸沉pH4.0、碱溶时间291 min、液固比25:1、提取一次 75.59 69 [30] 浸出粕 碱溶酸沉法 碱溶pH10.0、酸沉pH5.0、液固比20:1、温度37 ℃、碱溶时间120 min 56.5 78.2 [31] 芝麻粕 酶法 纤维素酶、加酶量1200 U/g、温度56 ℃、pH5.1、酶解时间2.4 h 83.97 − [37] 高温芝麻粕 酶法 碱性蛋白酶2709、加酶量125 U/g、温度50 ℃、pH11、酶解时间2 h、
液固比16:170.36 − [40] 脱皮冷榨芝麻粕 有机溶剂洗涤法 正己烷与乙醇体积比3:7、乙醇体积分数60%、温度45 ℃、洗涤时间
80 min、液固比9:1、萃取4次− 73.79 [43] 芝麻饼 膜过滤法 使用20 ku超滤膜，超滤压力0.25 MPa、提取液pH10.0、超滤时间15 min 58.71 84.06 [50] 芝麻饼 超声波、碱溶酸沉法、酶解法 酶解：糖化酶、温度60 ℃、pH4、酶解时间30 min、加酶量80 U/g、
液固比10:177.56 83.23 [33] 芝麻渣 低共溶溶剂法、有机溶剂洗涤法 低共熔溶剂：醋酸钠-尿素体系、温度75 ℃、溶解时间180 min、
液固比50:1
有机溶剂洗涤：乙醇沉淀蛋白、沉淀两次73.86 89.433 [46] 亚临界芝麻粕 超声波、膜分离法 超声波：45 ℃、pH10.8、超声处理15 min、750 W、45 kHz、液固比13.3:1
膜分离：截留分子量为50 ku的超滤膜95.23 − [51]
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