Protein và polyphenol có thể hình thành phức hợp thông qua hai nhóm tương tác chính là tương tác không cộng hóa trị và tương tác cộng hóa trị. Trong đó, tương tác không cộng hóa trị bao gồm liên kết hydro, tương tác kỵ nước, tương tác tĩnh điện và lực Van der Waals. Các tương tác này thường có tính thuận nghịch, phụ thuộc vào cấu trúc của protein, đặc điểm hóa học của polyphenol cũng như điều kiện môi trường. Mặc dù không tạo ra liên kết hóa học bền vững như liên kết cộng hóa trị, chúng vẫn có vai trò quan trọng trong việc hình thành phức hợp protein–polyphenol và làm thay đổi đặc tính của protein trong hệ thực phẩm.
Liên kết hydro hình thành giữa các nhóm hydroxyl (–OH) của polyphenol với các nhóm phân cực trên mạch bên amino acid hoặc khung polypeptide của protein (Hình 1). Bên cạnh đó, các vòng thơm của polyphenol có thể tương tác kỵ nước với các vùng không phân cực của protein, đặc biệt là những vùng chứa amino acid kỵ nước như leucine, alanine, isoleucine, methionine, valine, tryptophan và phenylalanine. Tương tác tĩnh điện cũng góp phần hình thành phức hợp. Ở pH thích hợp, các nhóm polyphenol mang điện tích âm có thể tương tác với các nhóm amino acid tích điện dương như lysine, arginine và histidine. Ngoài ra, lực Van der Waals cũng tham gia ổn định tương tác giữa hai phân tử.
Các dạng tương tác này có thể đồng thời xảy ra, với mức độ đóng góp phụ thuộc vào cấu trúc và đặc điểm hóa học của polyphenol, thành phần amino acid cũng như cấu hình không gian của protein. Do đó, sự hình thành phức hợp protein–polyphenol có thể làm biến đổi cấu trúc không gian và tính chất hóa lý của protein mà không cần hình thành liên kết cộng hóa trị.
Liên kết cộng hóa trị giữa protein và polyphenol thường bền và không thuận nghịch, có thể hình thành qua ba con đường: oxy hóa bằng enzyme, oxy hóa trong môi trường kiềm và ghép nối cảm ứng bởi gốc tự do. Trong đó, Hình 2A và 2B minh họa hai cơ chế oxy hóa polyphenol bằng enzyme và trong môi trường kiềm. Ở cơ chế oxy hóa bằng enzyme (Hình 2A), polyphenol được chuyển thành các chất trung gian có hoạt tính cao như semiquinone hoặc quinone dưới xúc tác của các enzyme oxy hóa phenol, điển hình là laccase và tyrosinase. Tương tự, trong môi trường kiềm (thường ở pH ≥ 9; Hình 2B), polyphenol cũng có thể bị oxy hóa tạo thành các chất trung gian này. Sau đó, quinone phản ứng với các nhóm chức ái nhân trên protein, hình thành liên kết cộng hóa trị.
Các nhóm chức tham gia phản ứng có thể bao gồm nhóm amino của lysine và các nhóm chứa lưu huỳnh của cysteine; methionine và tryptophan cũng được đề cập trong cơ chế này. Quá trình liên hợp có thể tạo liên kết C–N hoặc C–S, hình thành các sản phẩm cộng hợp đơn, dimer hoặc polymer. Khi xảy ra liên kết chéo giữa các phân tử, các mạng lưới protein–polyphenol có cấu trúc phức tạp hơn có thể được hình thành. Sự liên hợp cộng hóa trị có thể làm thay đổi tính chất chức năng của protein. Chẳng hạn, liên kết giữa protein đậu nành và acid gallic dưới xúc tác của laccase làm tăng khả năng bắt giữ gốc tự do và năng lực khử; trong khi liên hợp albumin đậu phộng với EGCG cải thiện khả năng nhũ hóa. Một số hệ protein–polyphenol khác cũng ghi nhận sự cải thiện về hoạt tính chống oxy hóa, độ bền nhiệt, độ bền bảo quản và độ bền bọt. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc vào bản chất protein, polyphenol và điều kiện phản ứng.
Mặc dù tạo phức hợp bền, liên kết chéo quá mức có thể dẫn đến hình thành mạng lưới protein lớn hoặc các sản phẩm phụ không mong muốn. Vì vậy, cần kiểm soát điều kiện oxy hóa, pH và mức độ liên hợp khi ứng dụng phương pháp này để điều chỉnh tính chất chức năng của protein trong thực phẩm.
Ngoài cơ chế oxy hóa bằng enzyme và trong môi trường kiềm, liên kết cộng hóa trị giữa protein và polyphenol còn có thể hình thành thông qua phương pháp ghép nối cảm ứng bởi gốc tự do (Hình 3). Đây là phương pháp không sử dụng enzyme, trong đó H₂O₂ và acid ascorbic được phối hợp như một hệ oxy hóa–khử để tạo gốc hydroxyl (HO•). Gốc này oxy hóa các amino acid trên mạch bên protein, tạo thành gốc protein có khả năng phản ứng với polyphenol và hình thành liên kết cộng hóa trị.
Theo sơ đồ, acid ascorbic tham gia các phản ứng oxy hóa–khử, tạo thành các dạng trung gian như gốc ascorbate và dehydroascorbic acid. Trong hệ có H₂O₂, các phản ứng này góp phần tạo gốc HO•, từ đó khởi phát quá trình oxy hóa protein và hình thành phức hợp protein–polyphenol.
Khác với cơ chế oxy hóa bằng enzyme hoặc trong môi trường kiềm (Hình 2A, 2B), trong đó polyphenol được oxy hóa thành quinone hoặc semiquinone trước khi phản ứng với các nhóm chức ái nhân của protein, cơ chế gốc tự do bắt đầu bằng sự oxy hóa protein. Các gốc protein hình thành sau đó phản ứng với polyphenol, tạo liên kết cộng hóa trị. Một số nghiên cứu ghi nhận hydrolysate gluten lúa mì với acid chlorogenic, giúp cải thiện độ bền nhiệt, khả năng nhũ hóa và tạo bọt. Ngoài ra, liên hợp protein quả óc chó với EGCG, quercetin, acid ferulic hoặc resveratrol làm giảm khả năng gắn kết với immunoglobulin E (IgE) trong điều kiện in vitro. Những kết quả này cho thấy ghép nối cảm ứng bởi gốc tự do có thể được ứng dụng để điều chỉnh tính chất chức năng và sinh học của protein, tùy thuộc vào hệ protein–polyphenol và điều kiện xử lý.
Các tương tác không cộng hóa trị và cộng hóa trị giữa protein và polyphenol không chỉ làm thay đổi cấu trúc, tính chất hóa lý của protein mà còn có thể ảnh hưởng đến quá trình tiêu hóa. Sự hình thành phức hợp protein–polyphenol có thể làm che khuất các vị trí tiếp cận của enzyme trên phân tử protein, trong khi polyphenol tự do hoặc polyphenol liên kết với protein có thể tương tác với enzyme tiêu hóa, làm thay đổi hoạt tính xúc tác. Những tác động này có thể ảnh hưởng đến mức độ thủy phân protein và các sản phẩm peptide hình thành trong quá trình tiêu hóa
Tài liệu tham khảo
Mylvaganam et al. (2025). Food Chemistry International, 1(2), 110–125.
Wang et al. (2022). Food Chemistry, 375, 131865.
He et al. (2023). International Journal of Food Science & Technology, 58(1), 454–462.
Ma et al. (2024). Food Chemistry, 439, 138191.
Qie et al. (2021). Food Research International, 140, 110050.