豌豆蛋白乳化性及其改善研究進(jìn)展

夏軒澤，李言，錢海峰，張暉，齊希光，王立

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫,214122)

豌豆是一種重要的豆科作物，在全球84個(gè)國(guó)家/地區(qū)均有種植，在世界豆類總產(chǎn)量中占36%左右[1]。研究表明，豌豆具有增強(qiáng)免疫力、預(yù)防癌癥、抗菌消炎以及保護(hù)視力等健康作用[2]。豌豆中蛋白質(zhì)和碳水化合物含量較高，脂肪含量低，且含有多種維生素和礦物質(zhì)[3]。豌豆蛋白氨基酸組成相對(duì)較為平衡[4]，與谷類蛋白質(zhì)相比，豌豆蛋白質(zhì)的賴氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸含量較高，但含硫氨基酸含量相對(duì)較低[1,5]。豌豆蛋白致敏性低、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高[6]，還具有預(yù)防腎病、降低患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[7]等健康作用，因而其受到廣泛關(guān)注，預(yù)計(jì)2020年豌豆蛋白市場(chǎng)將達(dá)到3 480萬美元[8]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)豌豆的開發(fā)利用還僅限于豌豆淀粉的提取利用，豌豆蛋白也僅當(dāng)作淀粉生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物并用作飼料中的蛋白源，相關(guān)深度開發(fā)較少，在一定程度上造成了蛋白資源的浪費(fèi)[9]。

目前食品工業(yè)中使用的蛋白質(zhì)主要來自大豆、乳清和小麥，由于飲食習(xí)慣和致敏性等方面的影響，越來越多的研究人員、生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者在尋找合適的蛋白質(zhì)來源[7,10]。天然豌豆蛋白pI約為4.5，在pH為9時(shí)最大溶解度約可達(dá)到95.2%[10]。但在蛋白的提取過程中，如使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、加熱等條件，豌豆蛋白質(zhì)的溶解度大大降低[11]。同時(shí)，豌豆蛋白對(duì)熱敏感的特性以及其自身較差的乳化性[12]，導(dǎo)致其在食品中的應(yīng)用受限，利用時(shí)主要考慮其較弱的酸性溶解性和熱穩(wěn)定性[6]。

因此，為深度開發(fā)利用豌豆蛋白，很多研究人員對(duì)豌豆蛋白的理化性質(zhì)尤其是乳化性改善方面進(jìn)行了研究。本文整理了有關(guān)豌豆蛋白的組成、乳化性以及改性對(duì)其乳化性影響的研究成果，以期提高豌豆蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用，為豌豆蛋白的開發(fā)利用提供思路。

1 豌豆蛋白組成及其乳化性

作為一種食用蛋白源，豌豆蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值主要取決于其必需氨基酸的含量、比例及其生物利用率[13]。表1列出了豌豆蛋白的氨基酸組成[14-15]，可以發(fā)現(xiàn)豌豆蛋白氨基酸比例較為均衡，人體所必需的8種氨基酸中除蛋氨酸含量較低外，其余均達(dá)到FAO/WHO的推薦模式值[16]。豌豆蛋白的生物價(jià)為48%～64%，功效比為0.6～1.2，也高于大豆[17]。因此，豌豆蛋白可視為一種良好的必需氨基酸源。

根據(jù)品種或生長(zhǎng)環(huán)境不同，豌豆的蛋白質(zhì)含量從23.3%至31.7%不等[18]。豌豆蛋白主要是水溶性白蛋白和鹽溶性球蛋白，分別占總量的18%～25%和55%～80%，還可以發(fā)現(xiàn)少量的谷醇溶蛋白(溶于稀醇)和谷蛋白(溶于稀酸)[19]。豌豆白蛋白中色氨酸、賴氨酸和蘇氨酸含量較高，而豌豆球蛋白中精氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸含量較高。豌豆白蛋白分子質(zhì)量在5～80 kDa，包含酶蛋白、蛋白酶抑制劑、淀粉酶抑制劑和凝集素[3]。在白蛋白中主要鑒定出2個(gè)部分：一個(gè)較大的白蛋白蛋白質(zhì)，包含2個(gè)多肽(分子質(zhì)量約為25 kDa)和1個(gè)次要蛋白質(zhì)(分子質(zhì)量約為6 kDa)。鹽溶性球蛋白作為一種貯藏蛋白，包含豆球蛋白、豌豆球蛋白以及伴豌豆球蛋白。其中豆球蛋白是一種六聚體蛋白，分子質(zhì)量為320～400 kDa，沉降系數(shù)為11 s，包含6個(gè)亞基，這些亞基通過非共價(jià)相互作用結(jié)合在一起，每個(gè)亞基由1條酸性鏈(40 kDa)和1條堿性鏈(20 kDa)通過二硫鍵連接。雖然每個(gè)酸性鏈和堿性鏈表現(xiàn)出一定的異質(zhì)性，但酸性鏈以谷氨酸為主，N-末端氨基為亮氨酸，而堿性鏈含有更多的丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸，N-末端氨基為甘氨酸[19]。豌豆球蛋白是三聚體蛋白，分子質(zhì)量為150～200 kDa，沉降系數(shù)為7 s，具有3個(gè)亞基(每個(gè)亞基約50 kDa)，這些亞基通過疏水作用而不是共價(jià)的二硫鍵結(jié)合在一起。豌豆球蛋白的γ-亞基有時(shí)在C末端附近被N-糖基化[19]，糖基化的豌豆球蛋白比豆球蛋白具有更好的表面親水性，更易溶于水；同時(shí)，界面性質(zhì)更好，易形成堅(jiān)固的凝膠，泡沫和乳液的穩(wěn)定性提高。豌豆球蛋白含有較低比例的含硫氨基酸和色氨酸，以及更高比例的堿性和酸性氨基酸，N-末端氨基通常由絲氨酸、谷氨酸和天冬氨酸表示。豆球蛋白和豌豆球蛋白均以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。盡管氨基酸指紋圖顯示豆球蛋白和豌豆球蛋白之間的同質(zhì)性為70%～80%，但可通過N-末端分析來區(qū)分[19]。伴豌豆球蛋白分子質(zhì)量約為70 kDa，它能與3種轉(zhuǎn)化蛋白分子形成約210 kDa的三聚體(或約290 kDa，含N-端延伸)，或與豌豆球蛋白形成異三聚體。其氨基酸組成與豆球蛋白和豌豆球蛋白都不同[3]，其中與豌豆球蛋白不同的是它含有含硫氨基酸和1個(gè)高電荷的N-端延伸[19]。豌豆中豆球蛋白/豌豆球蛋白比率范圍為0.2～8.0，此比率影響豌豆蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值(如可用的賴氨酸含量)和功能性(如溶解性、界面性質(zhì)、質(zhì)地、起泡和乳化性)[20]。

表1 四種豆類種子粗蛋白氨基酸含量 單位：g/100g

在食品工業(yè)中應(yīng)用，蛋白的營(yíng)養(yǎng)性是一個(gè)方面，而包括乳化性在內(nèi)的一些物理化學(xué)性質(zhì)更會(huì)嚴(yán)重影響其應(yīng)用。豌豆蛋白由于其較好的兩親性(親水性和親油性)而具有一定的乳化性，但要弱于大豆蛋白和蠶豆蛋白[21]，導(dǎo)致其在食品工業(yè)中的應(yīng)用受到限制。因此近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞豌豆蛋白的乳化性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，以期明確豌豆蛋白結(jié)構(gòu)與乳化性之間的關(guān)系，提高豌豆蛋白的應(yīng)用價(jià)值。盧菊慧[22]發(fā)現(xiàn)豌豆蛋白中7 s和11 s球蛋白因結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)可快速吸附到界面上，增加乳化活性，而少量的可溶性聚集體能減少油滴聚結(jié)分層，使乳化穩(wěn)定性更強(qiáng)。KARACA等[21]研究發(fā)現(xiàn)在豌豆蛋白表面電荷增加而表面疏水性降低時(shí)，乳化能力增強(qiáng)。BARAC等[23]認(rèn)為豌豆蛋白的柔韌性和蛋白質(zhì)之間的相互作用可能對(duì)乳化活性起著至關(guān)重要的作用。

豌豆蛋白的乳化性很大程度上取決于豌豆的來源、加工和環(huán)境條件，考慮到豌豆蛋白作為一種乳化劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值，需要對(duì)豌豆蛋白的結(jié)構(gòu)及乳化性進(jìn)行深入研究，明確其中的關(guān)系以利于其更為廣泛的應(yīng)用。

2 豌豆蛋白的改性對(duì)乳化性的影響

目前食品工業(yè)用作乳化劑的蛋白質(zhì)主要來自牛奶(或乳清)、大豆、雞蛋等[24]，這些蛋白質(zhì)由于其商業(yè)可獲得性、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和出色的功能特性而被廣泛使用，但它們都是常見的食物過敏原[25]。豌豆蛋白因其低致敏性和低成本而被認(rèn)為是上述蛋白質(zhì)的良好替代品。豌豆蛋白作為一種乳化劑在食品工業(yè)中應(yīng)用程度較低，主要是由于其較低的溶解度和乳化性，同時(shí)也由于使用不同品種以及方法生產(chǎn)的豌豆蛋白乳化性差異較大[8,26-27]，因此需要對(duì)其進(jìn)行改性處理來改善其利用性能。目前已報(bào)道的關(guān)于豌豆蛋白的改性方法主要分為三類：物理改性法、化學(xué)改性法、酶法改性法[15]。物理改性具有成本低、安全、處理時(shí)間短、對(duì)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)性能損害小等特點(diǎn)[28]，但對(duì)機(jī)械設(shè)備要求高[12]；化學(xué)改性操作簡(jiǎn)便、效果較好，但可能引入有害副產(chǎn)物而影響食品的安全性[26]；酶法改性反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)，反應(yīng)程度易控制，副反應(yīng)少，但反應(yīng)速率慢、生產(chǎn)成本高[27]。此外，基因工程技術(shù)也可作為蛋白質(zhì)改性的方法，但其技術(shù)周期長(zhǎng)，在食品中應(yīng)用的安全性短期內(nèi)無法知曉，目前主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[28]。

2.1 物理改性

物理改性法是指利用熱、機(jī)械力、聲波、射線以及電磁場(chǎng)等物理作用定向改變蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)分子間的聚集方式，一般不影響蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)[28]。PENG等[4]比較了95 ℃下熱處理30 min和未經(jīng)熱處理的豌豆蛋白的乳化性，發(fā)現(xiàn)其亞基熱處理后會(huì)產(chǎn)生二硫鍵并連接成聚集體，表面疏水性增加，從而使O/W界面張力降低，改善其乳化性和乳化穩(wěn)定性。CHAO等[29]發(fā)現(xiàn)高壓會(huì)改變豌豆蛋白結(jié)構(gòu)，促使高分子質(zhì)量蛋白聚集體形成，從而提高其乳化性和乳化穩(wěn)定性。WANG等[30]發(fā)現(xiàn)電子束輻射會(huì)引起豌豆蛋白解折疊，暴露出更多的肽鍵，可以增強(qiáng)豌豆蛋白的表面疏水性(可達(dá)174.09%)，提高乳化活性(增加68.32%)，但乳化穩(wěn)定性降低，同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻射劑量超過50 kGy時(shí)，乳化穩(wěn)定性不再降低。MCCARTHY等[31]對(duì)比了超聲、均質(zhì)和微流化3種處理方式對(duì)豌豆蛋白乳化性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理(<50 ℃)制備的乳液乳化性能最好，液滴尺寸能夠達(dá)到0.1～2.5 μm。超高溫處理可以改善微流化乳液的性能，QAMAR等[32]采用微流化(500 bar)和超聲(1、3和5 min)制備超高溫豌豆蛋白乳液，發(fā)現(xiàn)微流化能使豌豆蛋白在在水包油乳劑界面處解折疊，制備的乳液液滴(0.36 μm)比超聲技術(shù)更均勻、更小，ζ電勢(shì)更高(-27.30 mV)，從而使乳液更穩(wěn)定。

總體看來，在物理改性方面，目前研究較多的是均質(zhì)和加熱處理對(duì)豌豆蛋白乳化性的影響。同時(shí)，物理改性法常與化學(xué)改性和酶法改性相結(jié)合，如JIANG等[33]發(fā)現(xiàn)pH偏移和超聲聯(lián)合處理能夠斷裂豌豆蛋白的二硫鍵和非共價(jià)鍵，使其溶解度是未處理樣品的7倍，表面疏水性指數(shù)為59.2%，從而使得乳化能力改善。王忠合等[34]采用超聲輔助酶法制備的豌豆蛋白，經(jīng)適當(dāng)水解后，豌豆蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原來包裹在蛋白質(zhì)分子中的疏水基團(tuán)暴露出來，乳化活性可以從32.1 m2/g提高到55.3 m2/g。雖然已有一些物理方法處理改善豌豆蛋白乳化性的相關(guān)報(bào)道，但相關(guān)作用機(jī)理還不明確，同時(shí)，幾種方法聯(lián)合使用的改性效果還少見報(bào)道，在這些方面可以開展深入研究。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是用化學(xué)方法使蛋白質(zhì)肽鏈部分?jǐn)嗔鸦蛞胄碌幕钚怨倌軋F(tuán)，從而使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、電荷特性、疏水基團(tuán)改變，最終改變蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)[26]。JIANG等[35]發(fā)現(xiàn)堿性處理的豌豆蛋白非極性氨基酸殘基側(cè)鏈暴露，與油滴的疏水相互作用改善，能有效地將乳液分解成更小的液滴，且在貯存過程中乳液顆粒的積聚速度比天然豌豆蛋白慢50%左右，使乳化穩(wěn)定性提高。LIU等[36]發(fā)現(xiàn)豌豆球蛋白與阿拉伯膠在形成復(fù)合物時(shí)，蛋白部分展開，暴露更多疏水部分，絡(luò)合后疏水性增強(qiáng)，在油-水界面的吸收增加，界面張力降低，乳化穩(wěn)定性提高了2倍左右。ZHA等[37]發(fā)現(xiàn)豌豆水解蛋白與阿拉伯膠經(jīng)美拉德反應(yīng)共軛1 d后，與阿拉伯膠共價(jià)結(jié)合，乳劑液滴尺寸可從5.08 μm顯著降低至0.75 μm，且在很寬的pH范圍內(nèi)(2～8)保持穩(wěn)定，從而改善了豌豆蛋白的乳化性。JOHNSON等[38]用琥珀酸和乙酸酐?；幚硗愣沟鞍?，發(fā)現(xiàn)?；鸬鞍踪|(zhì)鏈的展開，暴露出肽鏈的親水性和疏水性部分，從而使其具有更好的乳化性和乳化穩(wěn)定性，而且?；潭仍礁?，乳化性的改善效果越明顯。LIU等[12]發(fā)現(xiàn)豌豆蛋白經(jīng)磷酸化處理后，α-螺旋和β-折疊增加，β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲減少，溶解度增加171.21%，乳化能力增加63.07%，乳化穩(wěn)定性增加69.08%，乳化性能顯著改善。在豌豆蛋白的改性研究中，化學(xué)改性研究較為廣泛，但不同的化學(xué)改性方式對(duì)豌豆蛋白乳化性改善效果不同，具體的影響機(jī)制也不明確，有待于深入研究。

2.3 酶法改性

3 應(yīng)用與展望

近年來，由于植物蛋白對(duì)健康和環(huán)境的有益影響，用植物蛋白代替動(dòng)物性乳化劑或合成乳化劑引起了廣泛關(guān)注[44]。天然豌豆蛋白來源廣泛且具有良好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，通過合適的改性方法制備的豌豆蛋白乳化性良好，可以作為乳化劑在食品工業(yè)中應(yīng)用。王宇等[45]發(fā)現(xiàn)經(jīng)堿處理后的豌豆蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性均優(yōu)于大豆蛋白，改性后的豌豆蛋白可替代植脂奶油配方中2%的脂肪。LIU等[12]將磷酸化的豌豆蛋白與4 g/L的黃原膠混合制成豌豆蛋白-脂肪模擬物，在芒果慕斯蛋糕中添加這種豌豆蛋白-脂肪模擬物可以減少最多20%的淡奶油的含量。SHAH等[46]發(fā)現(xiàn)用丁二酸酐、辛烯基丁二酸酐和十二烯基丁二酸酐改性的豌豆蛋白可以作為無蛋蛋糕的添加劑，這些添加劑的加入使蛋糕的膨松度和緊實(shí)性提高。因此，豌豆蛋白的這些?；苌锟捎糜谔娲鷤鹘y(tǒng)蛋白質(zhì)、乳化劑，開發(fā)出配方更簡(jiǎn)單的食品。改性豌豆蛋白還可以用作食品納米乳液的乳化劑，用于保護(hù)和輸送食品中的有效健康成分。LIANG等[47]發(fā)現(xiàn)經(jīng)微流化處理制成的豌豆蛋白納米顆粒具有良好的乳化穩(wěn)定性，在酸性條件下具有作為食品級(jí)皮克林優(yōu)良乳化劑的巨大潛力。JIANG等[48]通過pH改變和超聲聯(lián)合處理改性豌豆蛋白，并使用通過該方法生產(chǎn)的可溶性豌豆蛋白納米聚集體制備維生素D3負(fù)載納米乳液，該納米乳液具有更高的維生素D3回收率和良好的穩(wěn)定性。

盡管研究發(fā)現(xiàn)改性后乳化性改善的豌豆蛋白具有很大的市場(chǎng)前景，但目前其作為乳化劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用還較少，主要原因可能是相關(guān)研究中還存在以下問題：(1)不同的改性方式對(duì)豌豆蛋白乳化性改善效果不同，且其具體的影響機(jī)制尚不明確。建議深入研究其機(jī)制，為制備乳化性更好的豌豆蛋白提供依據(jù)。(2)目前幾種方法聯(lián)合使用對(duì)豌豆蛋白乳化性改善效果較好，且可以克服單一改性的缺陷，但相關(guān)的報(bào)道還較少，在這些方面可以深入開展研究。(3)現(xiàn)有的一些應(yīng)用研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)過程中還要考慮到一些加工環(huán)節(jié)和工藝的影響，建議在這些方面深入開展研究，以期早日將改性豌豆蛋白應(yīng)用在食品工業(yè)中。相信隨著對(duì)豌豆蛋白改性方法研究的不斷深入，豌豆蛋白作為一種乳化劑將在食品工業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用。