改性大豆分離蛋白在肉制品中的應(yīng)用研究進展

耿亞鑫，陳金玉*，張坤生*，張穎璐，許時慧，胡方洋

（1.天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134；2.天津二商迎賓肉類食品有限公司，天津 300385）

大豆是我國的主要農(nóng)作物之一，它不僅可用來提取食用油，而且其富含的大豆蛋白是一種重要的植物蛋白來源。食品加工領(lǐng)域常用的大豆蛋白種類有很多，比如大豆分離蛋白、大豆?jié)饪s蛋白以及大豆組織蛋白等[1]。其中大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）是一種以脫脂豆粕為原料，在低溫條件下生產(chǎn)的全價蛋白，蛋白質(zhì)含量高達90%以上，SPI具有不含膽固醇、營養(yǎng)豐富、價格低廉易獲得、含人體所需的多種氨基酸的特點，可作為動物蛋白替代品應(yīng)用至食品工業(yè)中，具有很大的發(fā)展?jié)摿2]。

大豆分離蛋白主要生產(chǎn)工藝見圖1[1]。

圖1 大豆分離蛋白的生產(chǎn)工藝Fig.1 Production technology of soybean protein isolate

SPI除了具有豐富的營養(yǎng)價值外，還擁有一些在食品領(lǐng)域特別是肉制品加工生產(chǎn)中具有重要意義的理化特性，比如凝膠性、乳化性、溶解性和起泡性等[3-4]。然而天然的SPI難以滿足食品工業(yè)生產(chǎn)的要求，SPI在某些極端條件下容易變性，變性后的蛋白質(zhì)會進一步形成水不溶的聚集體甚至沉淀，從而導(dǎo)致溶解性變差[5]。

SPI可以與肉中的肌原纖維蛋白（myofibrillar protein，MP）在一定溫度條件下形成混合凝膠，研究表明天然的SPI與肉制品混合會使成品凝膠性下降[6-7]，這是因為在肉制品生產(chǎn)中，中心溫度在70℃左右，7S和11S蛋白作為SPI中兩種最重要的蛋白在此溫度下還未變性，而此時MP已經(jīng)到達變性溫度，凝膠開始生成，凝膠形成過程中需要不斷吸收水分，導(dǎo)致復(fù)合凝膠不僅結(jié)構(gòu)疏松而且彈性不好，限制了SPI改善MP凝膠質(zhì)構(gòu)相關(guān)性質(zhì)的能力。對SPI進行改性處理，可以改善其功能性質(zhì)，擴大其在肉制品生產(chǎn)加工中的應(yīng)用范圍。

1 大豆分離蛋白的改性方式

當(dāng)前在大豆產(chǎn)品生產(chǎn)加工中，對SPI進行改性的常用方法有物理改性、化學(xué)改性、酶法改性等[8]。

1.1 物理改性

物理改性的方法有熱處理、超高壓均質(zhì)、超聲波等，一般不會改變蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序，主要影響蛋白分子間的聚集形式和蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)[9]。物理改性可以使蛋白質(zhì)發(fā)生定向變形，適度的物理改性可以使蛋白質(zhì)分子展開，疏水基團暴露，蛋白可以在溶液中呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)[10]。物理改性的優(yōu)點是費用低、耗時少且沒有毒副作用，但改性的效果以及對SPI功能特性改善并不明顯。

1.1.1 熱處理

高溫容易造成大豆分離蛋白變性，熱處理可以使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)疏松從而使疏水基團暴露，有利于大豆蛋白的凝膠化的形成[11]。陳振家等[12]研究了凍藏過程中不同的熱處理對大豆分離蛋白凝膠特性的影響，結(jié)果表明加熱處理可以在一定程度上增加凝膠硬度，但會加速凝膠品質(zhì)在凍藏期的劣變。

1.1.2 超高壓均質(zhì)

超高壓均質(zhì)會使大豆分離蛋白同時經(jīng)歷高速率剪切和高強度壓力作用，改變蛋白質(zhì)分子之間的疏水作用力、氫鍵和靜電力等[13]，從而使蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的空間排列方式發(fā)生變化，疏水基團暴露，蛋白組分之間相互解離然后再次聚合，這種蛋白結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是不可逆的[14-15]。

1.1.3 超聲波

超聲波改性SPI的原理是溶液中的SPI粒子在超聲波的作用下劇烈振蕩，改變了蛋白分子構(gòu)成，產(chǎn)生小分子亞基或者多肽結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)分子的溶解性得以提高[16]。超聲波改性是一個復(fù)雜的過程，需要嚴格控制時間及強度，超聲處理過長容易發(fā)生蛋白聚集，進而影響蛋白和其它物質(zhì)結(jié)合的能力[17]。

1.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性SPI不僅包括利用酸、堿、鹽、表面活性劑等化學(xué)方式對SPI結(jié)構(gòu)進行修飾，還包括蛋白質(zhì)的化學(xué)衍生化，也就是使蛋白質(zhì)分子上特定的基團和特定化學(xué)試劑如磷酸鹽、還原糖等發(fā)生反應(yīng)[18]。目前來說，應(yīng)用廣泛的化學(xué)改性方式有酸堿處理、磷酸化、糖基化、乙?；萚19]。化學(xué)改性蛋白應(yīng)用于食品領(lǐng)域需要格外注意安全問題，不僅要求操作的可行性，更要注意食用安全。

1.2.1 酸堿處理

酸堿處理法原理是將蛋白暴露于極端pH值使其變性，蛋白的亞單元和天然結(jié)構(gòu)展開，隨后再調(diào)回中性使蛋白重新折疊，這樣就可以提高蛋白的功能特性[20]。極端的pH值環(huán)境會使SPI對溫度變化更加敏感，所以采用pH值和溫度處理相結(jié)合對SPI進行改性，也是一種理想的方式[21-22]。

碳水化合物是人體的“能源”，心肌的活動更離不開這一能源，而且它在胃內(nèi)容易消化，停留的時間不長，有助于減輕心臟負擔(dān)。

1.2.2 磷酸化

磷酸化改性就是利用磷酸鹽作用蛋白質(zhì)側(cè)鏈活性基團進行酯化反應(yīng)，致使分子間的電負性發(fā)生改變，分子間互斥作用使SPI能更好地分散在溶液中，進而改善SPI的功能特性，如溶解性、乳化性及凝膠特性等[23]。目前在磷酸化改性反應(yīng)中多采用微波輔助的方式來加速SPI磷酸化的反應(yīng)速率，從而縮短反應(yīng)時間，在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛[24]。

1.2.3 糖基化

糖基化改性是指蛋白質(zhì)和還原糖發(fā)生的美拉德反應(yīng)，修飾和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)從而使SPI功能特性發(fā)生變化[25]。SPI與大豆低聚糖經(jīng)過糖基化處理，可以使SPI的乳化性和溶解性得到改善[26]。

1.3 酶法改性

酶法改性可以定向改變蛋白質(zhì)的一些功能性質(zhì)，通常利用蛋白酶在一定溫度及pH值的條件下，催化水解蛋白質(zhì)或?qū)⒌鞍踪|(zhì)與酶制劑共價交聯(lián)[27]。酶法改性相較于其它改性方法的特點：（1）酶解反應(yīng)過程溫和，且酶具有專一性，毒副作用?。唬?）酶解過程可以通過選用特定的蛋白酶和反應(yīng)條件進行控制；（3）大豆分離蛋白水解為一些小分子肽和氨基酸等小分子物質(zhì)，更有利于人體消化系統(tǒng)對其吸收利用。綜上所述，酶法改性被認為是一種在食品領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿Φ腟PI改性方法。表1為改性大豆分離蛋白常用的酶。

表1 改性大豆分離蛋白常用的酶Table 1 Enzymes commonly used in modified soybean protein isolate

2 改性大豆分離蛋白在肉制品加工中的主要功能特性

MP是肉制品生產(chǎn)加工中發(fā)揮主要功能的一種鹽溶性蛋白質(zhì)，可以賦予肉制品許多理想的理化特性[36]。在食品工業(yè)生產(chǎn)中，SPI不僅可以作為非功能性的填充物加入到肉制品中，也可利用其功能，作為一種添加劑和肌原纖維蛋白混合從而改善肉制品品質(zhì)。

2.1 持水性

2.2 乳化性

乳化性及乳化穩(wěn)定性是指水和油混合形成乳狀液的能力，也是評價肉制品質(zhì)的一個重要指標[39]。SPI添加到肉制品中，可以防止肉糜制品中油脂的滲出，改善產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，從而提高肉制品的乳化性。在加工肉制品中，改性后的SPI乳化效果可以得到增強，氮溶解指數(shù)（nitrogen soluble index，NSI）決定其乳化性，當(dāng)NSI為80%時，有利于SPI在肉制品中乳化效果的改善[40]。何進武等[41]將天然SPI和糖基化SPI添加到鯉魚肌原纖維蛋白中，糖基化后的SPI處理與天然SPI相比，明顯提高了混合蛋白的乳化性。江連洲等[42]研究了經(jīng)過超聲處理后的SPI與豬肉MP混合后的乳化性變化，經(jīng)過400 W、20 min處理后的復(fù)合體系乳化活性和乳化穩(wěn)定性最好。梁婧等[43]研究了改性SPI與肌原纖維蛋白共混體系乳化性變化，結(jié)果顯示熱改性可以提高乳化活性，堿改性效果次之，但超聲波和輻照改性效果不明顯。經(jīng)過95℃高溫改性處理后的SPI，可以顯著提高復(fù)合體系的乳化性[44]。

2.3 凝膠性

在高壓或高溫環(huán)境中，肌原纖維蛋白分子先變性，然后再聚集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水、脂肪被包裹起來，這就是凝膠形成的過程[45]。在肌原纖維蛋白凝膠過程，交聯(lián)混雜的蛋白質(zhì)只能形成不具有彈性的蛋白質(zhì)顆粒，只有蛋白有序地連接，形成的凝膠才能具有彈性[46]。豬肉宰殺后，過度的空氣氧化會增大凝膠的孔隙，導(dǎo)致凝膠強度降低，豬肉持水性也會降低[47]。SPI受熱可以形成凝膠，所以常常在肉制品中加入SPI從而改善肉制品的凝膠性。

Feng等[48]將經(jīng)過90℃高溫處理后的SPI添加到肌原纖維蛋白中，結(jié)果顯示SPI經(jīng)過改性可以提高疏水作用力，與肌原纖維蛋白混合后，能夠顯著增強混合蛋白凝膠的彈性和硬度，未改性SPI則會使凝膠強度降低。孟林[49]研究了高壓對SPI和氯化鉀結(jié)合對低鈉豬肉糜理化性質(zhì)的影響，隨著壓力水平的增加，豬肉糜的硬度彈性以及蒸煮損失率顯著增高，在200 MPa達到最高，200 MPa可以改善低鈉豬肉糜制品的品質(zhì)。

Jiang等[50]用pH12和pH1.5這種極端pH值環(huán)境處理SPI和肌原纖維蛋白混合凝膠，發(fā)現(xiàn)其硬度與添加了轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的凝膠硬度相似，明顯高于熱處理的混合凝膠。王博等[51]將糖基化后的SPI與肌原纖維蛋白不同比例復(fù)配，結(jié)果表明，經(jīng)過糖基化后的混合蛋白凝膠硬度和彈性都顯著高于天然SPI混合蛋白，微觀結(jié)構(gòu)也要更加均勻致密，但白度值下降。

王玲娣[52]用高溫和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶處理SPI然后與MP制備混合蛋白凝膠，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以促進SPI和MP的交聯(lián)，形成聚合物，有利于改善混合凝膠的彈性。張明成[53]研究了酶水解以及酶交聯(lián)這兩種方式共同處理SPI，使其加入到肉糜中，結(jié)果表明先經(jīng)過木瓜蛋白酶水解后再使用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)的肉糜具有均勻的組織狀態(tài)，加熱后能形成致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)品的硬度、回復(fù)性和咀嚼性都明顯增加。

3 改性大豆分離蛋白在肉制品中的應(yīng)用

改性SPI應(yīng)用于肉類制品中，可以增加風(fēng)味、防止肉汁分離、改善肉制品的品質(zhì)以及延長貨架期等。

3.1 塊肉制品

塊肉制品通常指大塊或整塊的肉制品，但是其完整性在加工中容易受到破壞，通過添加改性SPI，可以減少脫水收縮，改善組織特性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。不超過6 cm的小型塊肉可以將SPI使用滾揉的方法添加，而對于一些質(zhì)量較大的肉制品可以采用注射的方式，將改性SPI溶于鹽水中，再將溶液注射到肉塊中，腌制液就可以均勻地在肉塊中分散，縮短腌制時間的同時提高產(chǎn)品得率[54]。使用改性SPI不僅可以因其優(yōu)良的持水性和凝膠性保持塊肉制品的外觀和水分，還能利用其天然的抗氧化性作為涂層材料，延緩肉制品的氧化[55]，延長食品的貨架期的同時保持塊肉制品的感官品質(zhì)。

3.2 碎肉制品

肉餅、肉丸以及魚糜制品等都屬于碎肉制品，瘦肉與肥肉結(jié)合形成具有穩(wěn)定性質(zhì)的肉糜是決定其生產(chǎn)品質(zhì)的關(guān)鍵。SPI因為具有良好的吸水吸油性，可以將瘦肉和肥肉結(jié)合起來，提高營養(yǎng)價值和產(chǎn)品得率。周陽等[56]在魚丸制作過程中添加了蛋清粉和大豆分離蛋白粉，SPI可以顯著增強魚丸凝膠強度及改善魚丸品質(zhì)。Li等[57]研究了大豆分離蛋白經(jīng)高壓處理后豬肉糜的色澤、乳化穩(wěn)定性及流變性等變化，結(jié)果顯示高壓處理后的SPI可以改善豬肉糜的乳化特性。

3.3 乳化肉制品

乳化類肉制品主要指香腸、火腿等，SPI可以和肉中的鹽溶性蛋白特別是肌原纖維蛋白形成穩(wěn)定的乳化體系。SPI優(yōu)良的乳化性質(zhì)可以防止肉糜中脂肪聚集造成的油脂滲出，提高肉制品的保油性，賦予乳化香腸等產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的口感風(fēng)味[58]。Paglarini等[59]用經(jīng)過超聲改性后的SPI、卡拉膠以及菊糖為原料制備法蘭克福腸，結(jié)果顯示改性后的SPI能夠減少動物脂肪攝入并提升產(chǎn)品的口感。

3.4 仿肉制品

SPI因為具有良好的乳化性和凝膠性常常作為一種替代動物蛋白的原料。SPI通過擠壓等過程，在多因素的綜合作用下，蛋白質(zhì)、脂肪以及碳水化合物會發(fā)生復(fù)雜的變化，從而可以模仿天然肉的口感及風(fēng)味。因其營養(yǎng)價值高且風(fēng)味獨特，深受素食主義者喜愛。莫重文[60]研究了利用分子重組技術(shù)使大豆蛋白質(zhì)構(gòu)化，結(jié)果顯示蛋白能夠具有瘦肉狀的纖維組織結(jié)構(gòu)，制成的仿肉食品口感好，貨架期長達6個月以上。

4 展望

開展改性大豆分離蛋白在肉制品中的應(yīng)用研究，不僅可以改善動物蛋白自身的不足，使產(chǎn)品營養(yǎng)和感官品質(zhì)得到提升，而且由于植物蛋白資源豐富的特點，循環(huán)再生的SPI可以部分代替動物蛋白，制備營養(yǎng)健康的新型產(chǎn)品，更符合人們對蛋白質(zhì)的日常攝入需求。

當(dāng)前人們對健康安全食品的關(guān)注度也逐年上升，選擇安全可靠且實用的SPI改性方式尤為重要。物理改性雖然耗時短但效果不顯著，化學(xué)改性對試劑安全的要求比較高，酶法改性雖然效果好安全可靠，但酶的提取、生產(chǎn)過程復(fù)雜，價格昂貴。綜上幾點，將兩種或者多種酶復(fù)配、物理改性與酶改性復(fù)合以及化學(xué)改性與酶改性復(fù)合改性SPI對擴大其在肉制品中的應(yīng)用是一種新思路，也必定成為今后的發(fā)展趨勢。相信隨著人們對改性SPI認識的提高以及研究的深入，改性大豆分離蛋白在肉制品中的應(yīng)用將會是一個嶄新的景象。