大豆分離蛋白改性技術(shù)的研究與發(fā)展趨勢

懷寶東，張東杰 *，錢麗麗，王 穎，李佩然

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）是近年來隨油脂工業(yè)發(fā)展而興起的新興產(chǎn)業(yè)，通常是由脫脂豆粕加工而成，因其高蛋白含量添加到食品中可以有效地提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，并且在食品中可以體現(xiàn)出不同的功能特性，如影響食品的感官特性，對食品在制造、加工和保藏過程中的物理、化學(xué)性質(zhì)起著重要的作用，因此SPI被廣泛應(yīng)用于食品加工的諸多領(lǐng)域[1-2]。目前，美國和日本針對SPI高功能特性的工藝開發(fā)處于領(lǐng)先水平，其產(chǎn)品可以細分為高分散性、高乳化性和高凝膠性等多個產(chǎn)品，己將其應(yīng)用于魚制品、肉制品、面制品、冷食制品、糖制品和飲料制品中；國內(nèi)產(chǎn)品性能與國外差距明顯，雖然經(jīng)多年實踐研發(fā)出不同功能性的SPI，并取得了很多自主知識產(chǎn)權(quán)，但由于功能性質(zhì)與國外相比較差，價格優(yōu)勢不明顯，仍被國外產(chǎn)品占據(jù)較大市場，因此，國產(chǎn)的SPI在工業(yè)上的應(yīng)用僅限于肉制品方面[3]。主要原因是SPI的功能性質(zhì)還不能滿足現(xiàn)代食品加工的需求；SPI易產(chǎn)生異味；有些SPI營養(yǎng)成分的生物有效利用率不高；SPI可能含有一些蓄積性毒性物質(zhì)等。因此加強或改善大豆蛋白的功能特性，成為食品加工工業(yè)亟待解決的問題。為了更好地發(fā)揮SPI的功能特性，國內(nèi)外學(xué)者對SPI進行不同程度不同方面的改性，使其應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。本文總結(jié)當前的SPI改性方法，并根據(jù)當前的研究現(xiàn)狀及存在的問題，對今后發(fā)展提出幾點展望。

1 SPI的基本組成和功能特性

SPI的主要成分是11 S球蛋白和7 S球蛋白，其蛋白含量約占大豆籽粒的70%[4]。由于這兩種球蛋白在分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和在SPI中所占蛋白比例的顯著不同，導(dǎo)致SPI的功能特性存在較大差異，體現(xiàn)3種特性：（1）水合特性：分散性、溶解性、持水性、增稠性、溶脹性、潤濕性及脫水收縮作用等，溶解性在飲料工業(yè)及功能食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用；（2）乳化特性：乳化性、發(fā)泡性、持水及持油性，冰淇淋等冷凍食品、湯類食品的加工利用其乳化性，而持水和持油性針對于高級糕點和面包加工業(yè)；（3）流變和質(zhì)構(gòu)特性：凝膠性、彈性、黏附性、內(nèi)聚性、咀嚼性等[5]，魚肉制品工業(yè)和乳酪利用其凝膠性，黏附性針對于糊狀食品工業(yè)。

2 SPI改性方法及研究進展

SPI的改性是通過改變蛋白質(zhì)基本結(jié)構(gòu)，進而改變其理化性質(zhì)，從而加強和改善蛋白質(zhì)的理化性能和功能特性，同時抑制酶的活性或除去有害物質(zhì)，達到去除異味和提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用率的目的[6]。分子水平研究表明，改性的原理是通過對蛋白質(zhì)分子的主鏈或側(cè)鏈基團進行修飾，從而引發(fā)蛋白質(zhì)理化性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)的改變，達到改善功能特性的目的。目前研究熱點主要集中在物理改性、化學(xué)改性、酶法改性和基因工程改性[7-8]。

2.1 SPI的物理改性

物理改性是利用超濾、超聲波、熱處理和機械作用等手段對蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和聚集方式作出改變。其原理是在外力條件的控制下對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的定向變形，不涉及一級結(jié)構(gòu)。目前改性研究常采用的方法包括：超高壓、微波輻射、熱處理和超聲波等。

超高壓改性是利用高壓技術(shù)手段改變蛋白質(zhì)的構(gòu)造，影響蛋白質(zhì)分子聚集形態(tài)或蛋白質(zhì)分子的變性。袁道強等[9]、蘇丹等[10]、涂宗財?shù)萚11]和王章存等[12]對超高壓改性技術(shù)進行了研究，結(jié)果表明，SPI經(jīng)超高壓技術(shù)處理，蛋白質(zhì)水合特性的改變最為明顯，溶解性、持水性指標顯著增大，凝膠性、乳化性和乳化穩(wěn)定性等指標均不同程度的增大，其他指標特性未見變化。

微波輻照改性是利用電磁波對蛋白質(zhì)極性分子產(chǎn)生劇烈的振動，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)改變達到改性效果。陳劍兵等[13]、熊犍等[14]、張春紅等[15]和蔡建榮等[16]對微波改性技術(shù)進行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)改性的SPI溶解性、乳化穩(wěn)定性、乳化性和泡沫穩(wěn)定性指標均顯著提高，其中溶解性指標增加95.31%，乳化性指標增加52.37%，乳化穩(wěn)定性指標增加56.54%，泡沫穩(wěn)定性指標增加82.76%。增大微波功率和延長加熱時間，顯著變化的功能特性指標呈現(xiàn)降低趨勢，其他功能特性未見變化。

熱處理改性是利用加熱手段使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達到改性目的，包括肽鍵的水解、氨基酸側(cè)鏈的改變和蛋白質(zhì)分子間的縮合作用。郭鳳仙等[17]、張海瑞等[18]對熱處理改性技術(shù)進行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)改性的SPI起泡性、凝膠性和起泡性指標顯著提高，乳化性和泡沫穩(wěn)定性指標降低較大，其加熱溫度過高和處理時間過長均影響SPI改性后的特性。

超聲波改性是利用超聲波方法對蛋白質(zhì)分子進行高速振動取得改性效果。孫燕婷等[19]、王小英等[20]、袁道強等[21]和楊會麗等[22]研究表明：改性SPI溶解性、凝膠性和乳化性指標明顯提高，表觀黏度值下降。SPI膜拉伸強度增大，水蒸氣透過系數(shù)降低，并且超聲波功率和膜強度成正相關(guān)。

將上述4種常用的物理改性方法進行對比分析，改性后SPI的分散性和分散穩(wěn)定性均有所提高，其中微波輻射改性效果最好；超聲波針對提高SPI乳化性和乳化穩(wěn)定性效果比其他方法明顯；超高壓對于提高SPI起泡穩(wěn)定性作用比超聲波和紫外輻射作用明顯；熱處理方法能夠提高SPI黏度指標，其他方法均使黏度值降低。通過對改性SPI基本結(jié)構(gòu)的電泳分析表明，上述改性方法對SPI的相對分子質(zhì)量未產(chǎn)生變化，對其結(jié)構(gòu)的改變影響較小。

2.2 SPI的化學(xué)改性

化學(xué)改性的實質(zhì)是添加多種化學(xué)試劑改變蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、電荷和巰水基等多種功能基團，達到改善SPI功能特性的目的。宏觀上通過化學(xué)手段對SPI結(jié)構(gòu)進行修飾；微觀上通過特定的試劑，將SPI化學(xué)衍生化發(fā)生特定的基團反應(yīng)。化學(xué)改性常用的方法包括糖基化、磷酸化、乙酰化和硫醇化等。

2.2.1 酰化法改性

?；磻?yīng)的特點是反應(yīng)過程溫和、?；噭┏Ｓ靡踪徺I、反應(yīng)過程可逆等。姚玉靜等[23]對SPI乙?；男苑椒ㄟM行研究，結(jié)果表明，在最適pH值范圍5.0～9.0時，乙?；男阅軌蛱岣逽PI的乳化性、乳化穩(wěn)定性和發(fā)泡性等指標，并與?；潭瘸收嚓P(guān)。郭東權(quán)等[24]采用乙酸酐對SPI 分子結(jié)構(gòu)上的氨基進行改性，改性后SPI 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到增強。

2.2.2 磷酸化法改性

磷酸化改性能夠有效的提高SPI 的功能特性，其實質(zhì)是賴氨酸殘基的氨基磷酸酯化反應(yīng)。溶解性、乳化性、起泡性、黏度及持水能力都有所改善[25]。申世強等[26]用三氯氧磷改性研究，改性過程中等電點由4.25降至3.75，乳化性和溶解性等特性不同程度增大。陳俊高等[27]研究的改性SPI 乳化活性為0.785，比未改性提高了168%；乳化穩(wěn)定性為26.2，比未改性提高了47%。

2.2.3 硫醇化法改性

巰基和二硫鍵作為蛋白質(zhì)的主要基團影響其功能特性[28]。硫醇化改性的實質(zhì)是通過蛋白質(zhì)分子間和分子內(nèi)的巰基和二硫鍵斷裂，亞基自由伸展，從而將疏水基暴露，改善SPI的功能特性。黃曼等[29]采用化學(xué)變性劑十二烷基磺酸鈉（sodium dodecyl sulfonate，SDS）和脲對SPI進行改性，當濃度值為1.0%和3 mol/L時，疏水性指標相對最大，并且濃度值與變性程度呈正相關(guān)。

2.2.4 糖基化法改性

糖基化改性是蛋白質(zhì)分子中的氨基與羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)導(dǎo)致蛋白質(zhì)—糖系統(tǒng)功能性發(fā)生變化，從而影響SPI功能特性。研究表明，經(jīng)半乳糖甘露聚糖糖基化改性后的SPI 具有較好的溶解性、乳化性和熱穩(wěn)定性；經(jīng)糖基化反應(yīng)的SPI 抗氧化能力得到加強，在食品貯藏期間提高其保質(zhì)期。AOKI T等[30]利用卵清蛋白與葡萄糖醛酸進行糖基化改性，產(chǎn)物葡萄糖醛酸共扼物能夠快速生成，并具有較好的乳化性和熱穩(wěn)定性。

將上述改性方法綜合比較，目前常用的改性方法是磷酸化與乙?；?，其中乙酰化比磷酸化改性效果較好[31]。目前接枝改性技術(shù)成為人們研究的熱點，主要是通過改性處理使蛋白質(zhì)鏈上的氨基酸殘基與多肽鏈發(fā)生改變，從而提高SPI 的功能特性和營養(yǎng)價值。目前化學(xué)改性所涉及到的研究還需要深入，困擾化學(xué)改性發(fā)展的主要問題是改性后的毒副產(chǎn)物所涉及到的安全性問題，因此目前化學(xué)改性只能應(yīng)用于理論研究。通過化學(xué)改性方法的研究認清SPI 中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能特性的關(guān)系，為可操作、反應(yīng)溫和、食用安全的改性方法提供理論依據(jù)。

2.3 酶法改性

蛋白酶改性是利用蛋白酶的水解作用將蛋白質(zhì)分子內(nèi)切或外切成較小分子，增加蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)或特殊基團的功能，從而改變蛋白質(zhì)功能特性。蛋白酶改性方法相比其他改性方法所具有的優(yōu)點①反應(yīng)過程快速溫和，無有毒副產(chǎn)物產(chǎn)生；②水解作用平衡后，產(chǎn)品含鹽量極少且功能特性指標針對特定的蛋白酶和反應(yīng)條件予以控制；③SPI 水解后小分子蛋白增多利于營養(yǎng)的吸收。酶改性技術(shù)針對SPI改性的應(yīng)用是創(chuàng)新，目前針對酶改性的優(yōu)點成為人們研究的熱點。

酶改性技術(shù)選用的酶可分為動物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶，目前針對這3種來源蛋白酶的研究表明：動物蛋白酶可提高SPI的溶解性和乳化性，降低苦味肽的含量等具有顯著作用，但部分動物蛋白酶價格昂貴、酶活力較低，水解作用平衡時間長，效率低等因素制約動物蛋白酶改性技術(shù)的發(fā)展。植物蛋白酶研究較多的是木瓜蛋白酶，水解液的溶解性、乳化性和發(fā)泡指標顯著增加，但酶制劑來源少、活力低，無法應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。近年來微生物蛋白酶應(yīng)用技術(shù)的逐漸成熟，來源廣、價格低、酶學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，成為理想的酶源。如堿性蛋白酶（alkaline protease）在動物、植物和微生物中廣泛存在，并能夠較好的水解肽鍵、酯鍵和酰胺鍵，因此微生物蛋白酶改性方法優(yōu)于動物蛋白酶及植物蛋白酶改性。徐紅華等[32]針對動物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶改性效果進行對比研究，選用胰蛋白酶、米曲蛋白酶和木瓜蛋白酶參與水解，以乳化性、溶解性和起泡性指標為衡量標準，結(jié)果表明微生物蛋白酶水解改性效果最好。張毅方等[33]、吳瓊等[34]利用堿性蛋白酶水解SPI，在最佳的水解條件下得到SPI的功能特性指標均顯著提高。RAMIREZ-SUáREZ J C等[35]研究轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（MTGase）水解SPI，增加蛋白分子中的疏水基團的暴露，使水解液在較低的底物濃度下仍能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高SPI的凝膠性指標。WALSH D J等[36]采用堿性蛋白酶對SPI進行水解后，再利用谷氨酰轉(zhuǎn)移酶交聯(lián)化復(fù)合處理，在酸性條件下顯著提高溶解度指標，水解度2%時溶解度最大，在低酸性食品和飲料中具有廣泛用途。鐘振聲等[37]、黃浩等[38]利用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶進行水解，通過對水解度指標進行考察，復(fù)合酶制劑均優(yōu)于單一酶制劑水解效果。

我國食品級酶制劑開發(fā)較晚，與發(fā)達國家存在很大的差距，存在酶制劑來源少，酶學(xué)性質(zhì)低等問題[39]。因此，需要研制SPI改性的酶制劑能夠針對專一功能特性，價格低廉，水解后苦味肽含量較低。單一蛋白酶改性研究工藝雖日趨成熟，但對其功能特性改善幅度較小，改性后多種功能性狀發(fā)生改變，而只針對某一種功能特性的改善還很不理想。今后的研究方向應(yīng)將多種蛋白酶復(fù)配協(xié)同改善SPI功能特性，隨著蛋白酶作用機理及功能特性與結(jié)構(gòu)關(guān)系的深入研究，改性工藝及產(chǎn)品功能性狀將會得到極大的提高，將為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

2.4 生物工程改性

生物工程改性是指應(yīng)用分子生物技術(shù)和植物育種技術(shù)對蛋白質(zhì)分子的微觀結(jié)構(gòu)進行修飾，達到改善SPI功能性質(zhì)。目前改變蛋白組成和苦味肽的研究還處于理論階段，成功的案例少之又少。但通過分子生物學(xué)手段對基因工程菌的構(gòu)建成為研究的熱點，這主要是因為蛋白酶菌株經(jīng)多年工藝篩選，產(chǎn)量及酶學(xué)活性很難提高，目前所選用的多數(shù)為芽孢桿菌類菌株，通過對蛋白酶基因片段的重組表達，增強蛋白酶的酶學(xué)性質(zhì)。

3 結(jié)語

現(xiàn)代食品加工對SPI 功能性的要求越來越高，更重要的是人們對綠色安全食品的關(guān)注，促使食品研究者選擇安全、可靠實用的生產(chǎn)方法改性SPI 性質(zhì)，滿足生產(chǎn)和生活的需要。目前SPI改性存在的主要問題：①安全性問題，參與反應(yīng)的化學(xué)試劑殘留量是否有害，基因工程改性是否安全；②生產(chǎn)費用，用于改性的化學(xué)試劑和酶價格昂貴，尤其是酶，我國可供食品級蛋白酶品種甚少，更增加成本；③產(chǎn)品感官問題，不良風(fēng)味（肥皂味、苦味）的產(chǎn)生；④改性后的氨基酸有效利用率低，豆粕原料利用率低、SPI 成品得率低等。當前化學(xué)改性出于安全性的考慮，多采用基礎(chǔ)理論的分析手段，認識蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，為尋找可行的、溫和的、安全的改性方法提供依據(jù)。生物工程改性雖然潛力巨大，但轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全性令世人心存疑慮，難以短時期內(nèi)實現(xiàn)；物理改性雖然具有安全性好、作用時間短及對營養(yǎng)性質(zhì)影響較小等優(yōu)點，但改性效果并不十分明顯；酶制劑改性SPI作用效果顯著且安全可靠，動物酶和植物酶因其提取生產(chǎn)復(fù)雜，價格昂貴，不適合工業(yè)化生產(chǎn)而逐漸受限，微生物酶具有原料價格低廉、效果顯著、安全性高等優(yōu)點，將會在未來酶生產(chǎn)行業(yè)中占主導(dǎo)地位。

目前國內(nèi)外蛋白改性技術(shù)的研究主要針對SPI專一功能特性的改善，而當前改性技術(shù)對SPI的多種功能性質(zhì)進行了改變，而所需要的專一特性改善幅度不大成為急需解決的問題，SPI 復(fù)合改性在我國是一種新的嘗試，物理方法與酶法復(fù)合、化學(xué)方法與酶法復(fù)合及其多種酶復(fù)合改性SPI 達到更加理想的效果將成為今后的發(fā)展趨勢；其次，用生物工程方法構(gòu)建生物工程菌株產(chǎn)微生物蛋白酶，擴寬蛋白酶應(yīng)用范圍的研究會越來越受到歡迎；再次，由于SPI中7 S球蛋白、11 S球蛋白及其他蛋白所代表不同的功能性質(zhì)，將SPI在酸性條件下利用不同蛋白等電點不同原理，將SPI分級沉降得到組份一致的蛋白質(zhì)，將其進行改性得到專一性狀的SPI成為研究熱點。我國SPI 加工與應(yīng)用仍落后于發(fā)達國家，推廣SPI 制品在食品工業(yè)中的普及應(yīng)用是我國進一步利用開發(fā)植物蛋白的重要課題，更是提高農(nóng)副產(chǎn)品的利潤空間與精深加工未來的發(fā)展方向。

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