修飾作用導(dǎo)致大豆蛋白氨基酸低效化問題的研究進展

郭順堂，呂瑩，陳辰，王雅卉

(1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083; 2．北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

修飾作用導(dǎo)致大豆蛋白氨基酸低效化問題的研究進展

郭順堂1，呂瑩2，陳辰1，王雅卉1

(1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083; 2．北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

大豆蛋白是廣泛應(yīng)用的食品加工原料，是人體可攝入的優(yōu)質(zhì)氨基酸來源，工業(yè)生產(chǎn)中為提高大豆蛋白的加工功能特性，常對其進行修飾改性。然而修飾改性有時會導(dǎo)致氨基酸消化吸收低效化。綜述了大豆蛋白的功能特性及營養(yǎng)價值、主要修飾作用及其對氨基酸有效性影響，并對現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的動態(tài)進行了分析，并提出今后的研究方向和展望，較全面地呈現(xiàn)修飾導(dǎo)致的大豆蛋白氨基酸低效化問題的研究進展，進一步解釋蛋白聚合體與氨基酸消化性的關(guān)系，為提高大豆蛋白利用率，創(chuàng)新加工生產(chǎn)提供參考。

大豆蛋白;修飾;氨基酸低效化;聚合體

大豆蛋白兼具優(yōu)良的加工功能特性和較高的營養(yǎng)價值，被廣泛應(yīng)用于飲料、嬰兒食品、冷凍制品、焙烤制品、肉制品等各類食品的加工中，利用大豆蛋白的溶解性、乳化性、凝膠性及保水性等性能，可以改善加工食品的感官品質(zhì)同時有助于保證食品的營養(yǎng)均衡性。為了獲得更好的加工特性，工業(yè)生產(chǎn)中通常通過物理和化學(xué)的方法對大豆蛋白進行修飾和改性，而這些修飾作用往往使得大豆蛋白形成了難以被胃腸道消化的抗酶解結(jié)構(gòu)，改變了大豆蛋白中釋放的氨基酸種類和數(shù)量，生物有效性大大降低。修飾導(dǎo)致的氨基酸低效化已成為大豆蛋白加工理論和技術(shù)創(chuàng)新面臨的新問題。本文以國內(nèi)外相關(guān)研究為主要依據(jù)，從大豆蛋白的加工功能特性及營養(yǎng)消化性、主要修飾作用及其對蛋白結(jié)構(gòu)和氨基酸效能的影響進行了討論，對現(xiàn)階段研究的動態(tài)進行了綜述，以期較全面地呈現(xiàn)修飾導(dǎo)致的大豆蛋白氨基酸低效化問題的研究概況，了解相關(guān)變化的機理，指導(dǎo)進一步的理論研究和實際生產(chǎn)，促進大豆蛋白的高效利用。

1 大豆蛋白功能特性及營養(yǎng)價值

改革開放以來，我國植物蛋白加工業(yè)蓬勃發(fā)展，已成為大豆蛋白生產(chǎn)和利用大國，年產(chǎn)大豆蛋白50萬t，行銷97個國家和地區(qū)。2012年我國大豆種植面積約1．42億畝(9．467×104km2)，總產(chǎn)量約1 300萬t，占全球大豆產(chǎn)量的5%左右;當年實際消費大豆6 400萬t，占全球?qū)嶋H消費的25%［1］。大豆蛋白之所以被廣泛應(yīng)用首先源于其良好的溶解性、乳化性、凝膠形成性等加工功能特性，同時還具有較高的營養(yǎng)價值和生理活性。因此，大豆蛋白作為食品配料，在食品產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。

功能特性是指在食品加工中所呈現(xiàn)的特定理化性質(zhì)，這些特性在不同的產(chǎn)品加工中表現(xiàn)出相應(yīng)的作用，主要包括溶解性、乳化性、組織形成性、起泡性、保水性、凝膠性、黏性等。例如利用大豆蛋白組織化作用，生產(chǎn)植物蛋白肉制品及各種仿生食品，獨具特色且營養(yǎng)豐富;制作焙烤食品時調(diào)節(jié)面團性質(zhì)、增加彈性和保水性，同時延長食品貨架期;在果汁生產(chǎn)中常常用大豆蛋白改善體系的乳化性能和感官性狀，賦予食品更高的商品價值。充分利用大豆蛋白的功能特性，對調(diào)整食品結(jié)構(gòu)、開發(fā)新的加工技術(shù)有重要意義［2-3］。

大豆蛋白具有較高的營養(yǎng)價值。1985年FAO/ WHO指出，大豆分離蛋白必需氨基酸評分與雞蛋清蛋白相同，可滿足2歲以上人體對各種必需氨基酸的需求。此外，大豆蛋白還有降低血清膽固醇含量、降血脂、減少骨質(zhì)疏松發(fā)病率和調(diào)節(jié)胃腸道平衡等重要的生理活性［4］。蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值不僅取決于蛋白質(zhì)的氨基酸組成，還與蛋白質(zhì)的可消化性、消化產(chǎn)物性質(zhì)及其在生物體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運過程有關(guān)，即蛋白質(zhì)最終可提供的氨基酸能夠滿足生物體吸收利用的種類和數(shù)量。天然的大豆蛋白分子為緊密折疊的球狀結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)部存在的疏水性內(nèi)核阻礙蛋白酶的水解，只有打開和破壞蛋白質(zhì)分子的四級結(jié)構(gòu)，大豆蛋白質(zhì)才能被消化利用。Semino和Nielsen先后分別以天然豆類貯藏蛋白體外消化性實驗證明，豆類蛋白中除胰蛋白酶抑制劑等抗營養(yǎng)因子外，貯藏蛋白的緊密結(jié)構(gòu)、二硫鍵和蛋白質(zhì)分子表面的碳水化合物基團也會抵抗胃腸道蛋白酶的酶解作用［5-7］。Clemente等［8］開展的鷹嘴豆蛋白體外消化性與其結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究證實，分子內(nèi)和分子間的二硫鍵決定了胰蛋白酶對蛋白質(zhì)的消化程度，而破壞了二硫鍵的蛋白質(zhì)其消化性較高。Deshpande和Damodaran采用熒光光譜和圓二色譜法研究熱處理對菜豆蛋白三個亞基組成的高級結(jié)構(gòu)及其消化性的影響時發(fā)現(xiàn)，天然蛋白經(jīng)胰蛋白酶消化后形成了分子量為22～28 kDa的不可消化物［9-10］。

2 常用修飾方法對大豆蛋白氨基酸有效性的影響

在激烈的市場競爭中，企業(yè)為獲得更優(yōu)質(zhì)的大豆蛋白配料提升產(chǎn)品的競爭力，常采用熱處理、氧化、還原、酶解小分子化以及糖基化、磷酸化、乙?；刃揎椃椒ǜ淖兇蠖沟鞍椎慕Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)，亦即改性處理，來增強大豆蛋白產(chǎn)品的加工功能特性，滿足市場的需求。

熱處理是植物蛋白加工中最常用的方法，主要作用是降低蛋白中胰蛋白酶抑制劑等抗營養(yǎng)因子活性，提高蛋白的食用安全性和加工性能。適當?shù)臒崽幚砟軌蚴勾蠖沟鞍追肿拥氖杷园被岜┞队谒徒缑妫岣叽蠖沟鞍椎谋砻婊钚院腿榛?熱處理會促使蛋白質(zhì)分子間、分子內(nèi)肽鏈交聯(lián)，有利于提高蛋白的凝膠形成性［11-12］;還有研究表明，熱處理能夠增強蛋白膜疏水性，提高蛋白膜機械強度和防水能力［13-15］。

熱處理對大豆蛋白的消化性影響具有兩面性。加熱打開蛋白質(zhì)的三級和四級結(jié)構(gòu)后，熱變性菜豆蛋白，在30～60 min內(nèi)可以完全水解。這主要是由于胰蛋白酶的酶切位點為賴氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)，天然菜豆蛋白約1/4的C末端胰蛋白酶切位點大多數(shù)包埋在高級結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致消化性下降［16］。Takagi等［17］的研究也發(fā)現(xiàn)，與天然蛋白相比，適當?shù)臒崽幚泶蜷_了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，提高了消化性?？梢?，蛋白質(zhì)分子二硫鍵破壞、結(jié)構(gòu)伸展或打開，暴露出胃蛋白酶和胰蛋白酶的酶切位點是消化率提高的主要原因。但是，加熱處理不當會導(dǎo)致大量疏水基團暴露，使蛋白質(zhì)分子重排形成具有抗酶解作用的聚合體。影響了蛋白質(zhì)的生物利用性。研究發(fā)現(xiàn)，菜豆7S和蠶豆11S蛋白質(zhì)120℃熱處理20 min后，大鼠小腸內(nèi)酶解1 h，7S產(chǎn)生分子量約23．7 kDa、11S產(chǎn)生分子量約為20 kDa的片段，消化率由原來的95%分別下降到88%和79%［18］。有關(guān)豌豆蛋白的研究也獲得了相似的結(jié)果，即豌豆蛋白的結(jié)構(gòu)重排使胰蛋白酶水解率下降［19-20］。這一現(xiàn)象顯示過度熱處理使蛋白分子發(fā)生重排、聚合，產(chǎn)生抵抗酶解作用的聚合體，氨基酸的種類和數(shù)量減少，從而降低蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值［21-23］。高壓處理紅豆蛋白的加工特性和體外消化性的研究結(jié)果表明，高壓處理能提高紅豆蛋白的乳化性和溶解性，但壓力超過400 MPa時，蛋白質(zhì)的體外消化性明顯下降，其原因與壓力提高時蛋白質(zhì)分子形成的聚合體有關(guān)［24］。Raikos等［25］報道了熱處理的大麻籽蛋白消化率下降也與熱處理產(chǎn)生的聚合體有關(guān)。

蛋白質(zhì)在不同條件下熱處理產(chǎn)生不同形態(tài)的聚合體，主要包括:可溶性聚合物(soluble particulate aggregates)、無定形聚合體(amorphous aggregates)、纖維或線狀聚合體(fibrlliar aggregates)和球狀聚合體(spherical aggregates)。研究發(fā)現(xiàn)，聚合體的形態(tài)決定了蛋白質(zhì)消化性上的差異。Nyemb等［26］2016年研究聚合體形態(tài)對卵白蛋白體外消化性的影響時發(fā)現(xiàn)，線狀聚合體比球狀更易被酶解且能釋放更多的可溶性肽段。同時，有關(guān)大豆蛋白的研究發(fā)現(xiàn)，β-伴大豆蛋白(7S)在不同pH和離子強度條件下，經(jīng)過熱誘導(dǎo)后產(chǎn)生不同的聚合物。酸性條件下(pH值2．0)熱處理7S產(chǎn)生纖維聚合體，中性或弱堿性條件下(pH值7．5)生成無定形的聚合體。胃腸道消化實驗發(fā)現(xiàn)，在中性條件下形成的無規(guī)則聚合體更易被消化，5 min之內(nèi)即可被胃蛋白酶完全分解，而酸性條件下的纖維聚合體在60 min內(nèi)相對穩(wěn)定。天然蛋白的消化性介于兩者之間，但水解過程中形成了分子量約為47 kDa的不可消化聚合物［27］。由此可見，蛋白質(zhì)形成的聚合體抗酶解作用與否和蛋白質(zhì)形成結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)。大豆蛋白中除伴大豆蛋白(β，γ-伴大豆球蛋白)外，還存在球蛋白、清蛋白等蛋白質(zhì)，這種多蛋白共存的體系經(jīng)熱處理會導(dǎo)致蛋白亞基間的相互作用形成更為復(fù)雜的聚合體。

除熱處理外，糖基化、磷酸化和烷基化等也是大豆蛋白常用的修飾改性方法。蛋白質(zhì)與還原糖在高溫下發(fā)生的美拉德反應(yīng)，使蛋白形成含有糖鏈的結(jié)構(gòu)，這一反應(yīng)廣泛存在于食品加工過程。蛋白糖基化修飾作用主要是將碳水化合物以共價鍵與蛋白分子Lys的氨基和Arg的胍基相連接而形成糖基化蛋白，從而能顯著提高蛋白質(zhì)的溶解性［28］、乳化性［29］和抗凍結(jié)性［30］。Lys是人體的必需氨基酸，也是蛋白質(zhì)糖基化、酰基化的重要位點。研究發(fā)現(xiàn)，糖基化改性程度越高，有效Lys的釋放越少，體外消化率下降的越明顯，體內(nèi)實驗也發(fā)現(xiàn)糖基化產(chǎn)物影響動物生長［31］。

除糖基化外，Goulet等［32］報道?；^程也會降低蛋白質(zhì)氨基酸有效性，亞麻蛋白經(jīng)過琥珀酰化處理后乳化性和溶解性均有所提高，但與未經(jīng)過酰基化處理的蛋白相比，氨基酸組成上?；鞍譒ys的釋放效率從5．8 g/100 g蛋白下降到4．6 g/100 g蛋白。大鼠實驗結(jié)果表明，酰基化蛋白的凈蛋白質(zhì)利用率(net protein ratio，NPR)和表觀消化率(apparent digestibility coefficient，ADC)下降。同時，在含有?；鞍罪暳现刑砑覮ys飼喂大鼠，NPR和ADC均有所提高，但不能完全消除該影響。對乙?；幚淼鞍紫嚓P(guān)研究也得到了同樣的結(jié)果。由此可見，蛋白質(zhì)在糖基化、烷基化和磷酸化修飾后也會降低氨基酸的有效性，某些氨基酸(Lys、Arg和Ser)位點被屏蔽可能是導(dǎo)致氨基酸低效化的主要原因。然而，化學(xué)修飾的大豆蛋白消化水解產(chǎn)物具有怎樣的結(jié)構(gòu)特征，以及是否形成了阻礙相應(yīng)氨基酸與水解酶結(jié)合等機制還需要深入研究。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀動態(tài)分析及展望

蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值主要在于蛋白質(zhì)的氨基酸組成及其有效性。盡管有些研究指出了修飾改性蛋白因結(jié)構(gòu)重排、聚合或某些氨基酸位點因化學(xué)修飾屏蔽作用降低了胃腸道蛋白酶與酶切位點接觸效率，從而導(dǎo)致酶解消化性降低［33-34］。但是，這些修飾作用對大豆蛋白胃腸道消化釋放的游離或結(jié)合氨基酸的形態(tài)和數(shù)量的影響怎樣，尚不清楚。

近年來，研究顯示，除游離氨基酸外，肽也是氨基酸的重要吸收形式。人和動物腸道吸收蛋白質(zhì)的主要載體是小肽轉(zhuǎn)運載體(Pep T1)，其轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)酶解物的能力要高于氨基酸轉(zhuǎn)運載體［35］。Pep T1的底物為二肽或三肽，其轉(zhuǎn)運能力還與肽段的帶電性、結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈分子疏水性有關(guān)，經(jīng)過化學(xué)修飾的大豆蛋白，氨基酸側(cè)鏈被不同的基團修飾，如Lys和Arg連接的糖基或烷基、Ser連接的磷酸基團等，這些修飾作用是否會降低Pep T1轉(zhuǎn)運肽段的能力從而導(dǎo)致必需氨基酸低效化等問題仍不清楚［36-37］。國內(nèi)有研究成果分析了大豆蛋白在加熱處理過程中的亞基解離和聚合行為，明確了處理溫度和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的肽鏈分子間相互作用和重排的機理，從形成的聚合體組成、大小和性質(zhì)分析了蛋白聚合體中亞基的空間配置結(jié)構(gòu)，提出了聚合體作用模型［38-43］，并進一步研究了熱處理方式對聚合體性質(zhì)和凝膠形成性的影響。但是，這種多成分構(gòu)成的大豆蛋白在不同的熱處理和其他改性條件下是否也形成了具有抗消化作用的聚合體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征怎樣，導(dǎo)致聚合體結(jié)構(gòu)特征差異化可控制因素等等，目前研究報道較少。

對于氨基酸低效化問題，建議開展大豆蛋白熱誘導(dǎo)聚集體形成和性質(zhì)，以及酶解物(肽)的聚集反應(yīng)和穩(wěn)態(tài)化、蛋白酶解物吸收等問題研究，同時，以修飾過程中蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)變化為核心，重點開展影響蛋白質(zhì)消化、轉(zhuǎn)運吸收條件的研究，解析抗酶解蛋白結(jié)構(gòu)和不利于轉(zhuǎn)運吸收的酶解片段的結(jié)構(gòu)特征，明確修飾改性影響大豆蛋白氨基酸營養(yǎng)有效性的分子機制。

4 結(jié)語

大豆蛋白酶解消化與釋放的氨基酸種類、數(shù)量、肽段的分子量大小、肽結(jié)構(gòu)特征與Pep T1小肽轉(zhuǎn)運載體相互作用等緊密相關(guān)。修飾后氨基酸低效化是蛋白加工領(lǐng)域亟待解決的問題，其產(chǎn)生原因源于修飾改性對大豆蛋白分子結(jié)構(gòu)的影響及蛋白聚合體的形成。要研究蛋白質(zhì)消化、氨基酸轉(zhuǎn)運吸收過程中低效化氨基酸的存在狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，明確這些結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)修飾改性處理過程中的形成機理，探索修飾改性大豆蛋白質(zhì)氨基酸有效性變化規(guī)律，是對進一步提升蛋白質(zhì)修飾技術(shù)水平具有重要的實踐指導(dǎo)意義，同時對大豆蛋白產(chǎn)業(yè)發(fā)展及健康食品開發(fā)有積極的推動作用。

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Research Progress on Low Amino Acid Bioavailability in Soy Protein Due to Modification

GUO Shuntang1，LYU Ying2，CHEN Chen1，WANG Yahui1
(1．College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China; 2．Food Science and Engineering College，Beijing University of Agriculture，Beijing 102206，China)

Soybean protein is widely used in food processing as raw materials，at the same time is a good source of amino acids that can be ingested by human beings．In order to improve the functional properties of soy protein in industrial production，the modifications are usually made，causing the low amino acid digestion and absorption．This review summarized the functional properties and nutritional value of soybean protein，the main modification and its influence on amino acid availability，and the present researches of soybean protein，put forward some suggestions and research directions in the future，and comprehensively presented the amino acid inefficient problem of soy protein resulted from modifications．This study also explained the relationship between the protein aggregates and the amino acid digestibility，and provided some suggestions about improving the utilization rate of soybean protein and innovation of production．

soybean protein;modification;low amino acid bioavailability;aggregate

李寧)

TS214．2

A

10．3969/j．issn．2095-6002．2016．06． 003

2095-6002(2016)06-0012- 05

2016-09- 26

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA102208)。

郭順堂，男，教授，主要從事蛋白質(zhì)綜合利用方面的研究。通信作者。

郭順堂，呂瑩，陳辰，等．修飾作用導(dǎo)致大豆蛋白氨基酸低效化問題的研究進展［J］．食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2016，34 (6):12-16．

GUO Shuntang，LYU Ying，CHEN Chen，et al．Research progress on low amino acid bioavailability in soy protein due to modification［J］．Journal of Food Science and Technology，2016，34(6):12-16．

專題研究專欄