大豆蛋白改性研究的進(jìn)展

張 娟，于志杰，杜 枚

(1.河南工大設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450001;2.河南工業(yè)大學(xué) 國際教育學(xué)院，河南 鄭州 450001)

大豆是一種廣泛種植于世界各地的油料作物，是人類攝取植物蛋白的重要途經(jīng)之一。大豆蛋白是一種優(yōu)秀的植物蛋白，不僅富含多種必需氨基酸，而且價(jià)格低廉，營養(yǎng)價(jià)值較高。但是，在現(xiàn)代食品的生產(chǎn)加工過程中，由于大豆蛋白結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，天然大豆蛋白的性能一般難以滿足企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)際需求，如溶解度低、消化率低、泡沫穩(wěn)定性差[1]等，給大豆蛋白產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展帶來了一定的局限性[2-3]。因此，探尋高效且安全的大豆蛋白改性方法，改善大豆蛋白的功能特性，提高大豆蛋白的附加值成為許多專家和學(xué)者在食品領(lǐng)域中關(guān)注的熱點(diǎn)。

蛋白質(zhì)改性處理能夠改變蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，進(jìn)而賦予蛋白質(zhì)最佳的專項(xiàng)功能或同時(shí)兼具多種加工功能特性。具體來說，就是通過物理或者生化方法改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使氨基酸的殘基與多肽鏈的排列次序發(fā)生變化，從而達(dá)到改善蛋白質(zhì)功能特性的目的[4]。目前，常見的大豆蛋白改性技術(shù)有物理改性、化學(xué)改性以及酶法改性。本文通過研究和總結(jié)針對大豆蛋白改性的不同方法，分析其基本概念和相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在將研究者近期工作進(jìn)行歸納，為其他學(xué)者的進(jìn)一步研究提供參考。

1 物理改性法

大豆蛋白的物理改性方法具有成本較低、無毒素、無副作用的優(yōu)點(diǎn)。物理改性主要通過磁、熱、機(jī)械、電等方法，對蛋白質(zhì)分子之間的凝聚狀態(tài)和立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到改善疏水性、溶解性等目的。物理改性法一般不會改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)[4]。因此，該方法改善功能特性的效果并不突出。截至目前，研究中常用的物理改性法主要有熱處理法、超聲波處理法和高壓均質(zhì)法等。

1.1 熱處理法

蛋白質(zhì)的乳化活性、溶解性與蛋白質(zhì)組分的聚集程度緊密相關(guān)。熱處理就是通過加熱使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變。加熱作用下，蛋白質(zhì)分子部分展開，疏水氨基酸暴露在表面，促使蛋白質(zhì)聚集，從而改變蛋白質(zhì)的功能活性[5]。Li等[6]通過實(shí)驗(yàn)得出，80℃為臨界溫度，在80℃以下加熱蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)變性程度很低，但隨著溫度升高，11S球蛋白亞基含量急劇下降，11S的未解離亞基和部分7S亞基參與熱聚體的形成，提高了大豆蛋白的凝膠性能。王冬梅等[7]研究發(fā)現(xiàn)，大豆蛋白的結(jié)構(gòu)在60℃和80℃時(shí)趨于“包埋態(tài)”，疏水性氨基酸被包埋，然而在100℃的熱處理下，蛋白質(zhì)分子將會形成熱聚體，疏水氨基酸更多的暴露，趨于“暴露態(tài)”。因此在高溫?zé)崽幚硐碌拇蠖沟鞍讜l(fā)生疏水性聚集，增加大豆蛋白二級結(jié)構(gòu)的無序性，從而產(chǎn)生溶解性下降的結(jié)果。

1.2 超聲波處理法

超聲波改性是國內(nèi)外常用的一種安全有效的改性方法，因?yàn)槠淞己玫姆较蛐院痛┩感远玫綇V泛關(guān)注。超聲波改性運(yùn)用高強(qiáng)度的超聲波產(chǎn)生高溫、強(qiáng)剪切力和高壓，對溶液中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分解，蛋白質(zhì)化學(xué)鍵的斷裂使分子結(jié)構(gòu)疏松，暴露非極性基團(tuán)，從而改變了蛋白質(zhì)的功能特性[8-9]。劉冉等[10]發(fā)現(xiàn)超聲波對大豆蛋白的凝膠性有很強(qiáng)的影響，400 W和600 W的超聲處理可以改變大豆蛋白的黏彈結(jié)構(gòu)，有利于蛋白質(zhì)顆粒的重聚集，提高凝膠強(qiáng)度和穩(wěn)定性。Zhou等[11]以大豆分離蛋白凝膠為研究對象，發(fā)現(xiàn)適度超聲處理使大豆蛋白凝膠的持水性和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了38.27%和3.58%，在一定范圍內(nèi)，超聲作用下的高剪切和空化效應(yīng)使蛋白質(zhì)的平均粒徑減小，從而降低了蛋白質(zhì)的聚集程度。由此可見，超聲處理可以提高大豆蛋白凝膠的凍融穩(wěn)定性。

1.3 高壓均質(zhì)處理法

高壓均質(zhì)不同于傳統(tǒng)的熱處理，它不會對風(fēng)味小分子物質(zhì)造成影響，而是僅僅破壞分子間的非共價(jià)鍵，改變蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)像。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以最大程度的保留食品原有的營養(yǎng)成分和風(fēng)味特性[12]，而且因?yàn)槭歉邏禾幚硐聛喕慕怆x和重聚，球蛋白的溶解性和乳化性也可以得到良好的改善[13]。Bi等[14]研究了不同均相壓力下大豆蛋白乳液凝膠的形成機(jī)理，結(jié)果表明均相壓力的增加顯著提高了凝膠的黏彈性和熱穩(wěn)定性。另外，一定的壓力(小于60 MPa)有利于形成穩(wěn)定的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高大豆分離蛋白乳液的持水能力。劉競男等[13]通過測定不同次數(shù)均質(zhì)下大豆蛋白乳液的狀態(tài)，探究了高壓均質(zhì)法對大豆蛋白乳化體系的影響，發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)可以顯著提高其乳液體系的穩(wěn)定性、流變學(xué)性質(zhì)和氧化穩(wěn)定。

2 化學(xué)改性法

化學(xué)改性是一種反應(yīng)簡單、作用明顯的改性方法，其主要通過修飾蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或利用化學(xué)試劑與蛋白質(zhì)分子上基團(tuán)發(fā)生特定的反應(yīng)而改變蛋白質(zhì)的功能特性。蛋白質(zhì)側(cè)鏈有多個(gè)活性基團(tuán)，如氨基、巰基、羧基等，如果對這些基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)或改性，可以獲得我們所期望的性能，拓寬大豆蛋白的應(yīng)用范圍。但是，化學(xué)改性仍存在化學(xué)試劑殘留、反應(yīng)副產(chǎn)物多等安全隱患，因此，探索安全高效的化學(xué)改性方法成為專家學(xué)者探索的重要方向。

2.1 接枝改性

蛋白質(zhì)的接枝改性技術(shù)對于生物技術(shù)、食品工程、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。接枝改性是最重要的化學(xué)改性方法之一，其原理為接枝單體雙鍵打開后接枝到聚合物上的活性點(diǎn)上，而活性點(diǎn)的位置決定了修飾后蛋白質(zhì)的反應(yīng)活性和生物活性[15]。左穎昕等[16]探究了葡萄糖接枝對大豆分離蛋白的功能特性以及結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)了糖鏈的引入使大豆分離蛋白的肽鏈展開，二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角的含量減少，結(jié)構(gòu)更趨于無序性。另外，通過實(shí)驗(yàn)得出，在反應(yīng)溫度55℃、大豆分離蛋白與葡萄糖質(zhì)量比為1∶1且反應(yīng)時(shí)間為6 h的條件下，改性后的大豆分離蛋白溶解性提高了56.18%，乳化活性提高了28.04%；反應(yīng)8 h后，乳化穩(wěn)定性可以提高92.78%。王玉瑩等[17]使用輻照技術(shù)輔助大豆蛋白與麥芽糖發(fā)生接枝反應(yīng)，并且探究了各項(xiàng)參數(shù)對大豆分離蛋白凍融特性的影響，結(jié)果表明，在大豆分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，大豆蛋白與麥芽糖質(zhì)量比例為4∶1和輻照劑量為7.5 kGy的條件下，經(jīng)過多次凍融循環(huán)，改性的大豆分離蛋白乳析指數(shù)均得到降低，出油率也得到改善，且優(yōu)化后的大豆分離蛋白具有更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)。

2.2 交聯(lián)改性

大豆蛋白內(nèi)部含有的基團(tuán)，如氨基、羥基、巰基、二硫鍵等容易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[18]。運(yùn)用交聯(lián)改性可以使蛋白質(zhì)分子間和分子內(nèi)具有更強(qiáng)的鍵合作用，因此常用于膠粘劑和膜材料的制作中。近年研究發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)改性后的大豆基粘合劑的耐水能力可以得到極大改善。陳仕清等[19]利用木質(zhì)素環(huán)氧聚合物與大豆分離蛋白進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，證明木質(zhì)素環(huán)氧聚合物與大豆蛋白分子發(fā)生了氫鍵作用和化學(xué)反應(yīng)，提高了大豆蛋白基膠粘劑的耐熱性，其最大降解溫度比改性前提高18.6℃；且改性后粘合劑制作的膠合板膠合強(qiáng)度達(dá)到0.99 MPa，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅱ類膠合板要求。Ghahri等[20]用天然單寧替代了合成的化學(xué)試劑作為交聯(lián)劑，分析了3種不同的天然單寧與大豆蛋白的反應(yīng)機(jī)理，并且尋找到了性能最佳的粘合劑配方，證明了單寧作為天然交聯(lián)劑，在生產(chǎn)環(huán)保型木材膠粘劑方面的潛力。

2.3 糖基化

糖基化反應(yīng)主要分為干熱法和濕熱法，是蛋白質(zhì)中氨基與還原糖中的羧基產(chǎn)生共價(jià)鍵而形成糖蛋白的反應(yīng)。此反應(yīng)具有條件溫和、改性后蛋白質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定、產(chǎn)品中沒有添加有毒試劑和催化劑等優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，糖基化可以提高大豆蛋白的溶解性、凝膠性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性[21]，這對于食品工業(yè)具有重要意義。Li等[22]以大豆分離蛋白和葡萄糖為原料，采用濕法分別在不同溫度下制備糖基化產(chǎn)物，研究其分子柔性與乳化特性之間的關(guān)系以及分子結(jié)構(gòu)的改變，深入探究大豆分離蛋白與葡萄糖糖基化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。結(jié)果證明了分子柔性和乳化特性之間具有良好的相關(guān)性，為大豆蛋白糖基化的進(jìn)一步研究提供了理論指導(dǎo)。Hao等[23]利用水溶性多糖修飾大豆球蛋白，該糖基化反應(yīng)令大豆球蛋白在二級和三級結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此改性后的乳液具有更好的凝膠特性、熱穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性。

3 酶改性

酶改性的原理是通過蛋白酶對肽鍵或酰胺鍵進(jìn)行部分水解，產(chǎn)生具有一定功能性質(zhì)的小分子肽段并改變蛋白質(zhì)分子的排列，從而達(dá)到改善蛋白質(zhì)各項(xiàng)性能以及提高其營養(yǎng)價(jià)值的目的。酶改性通常作用條件溫和，所以不會對蛋白質(zhì)造成破壞，使其失去原有的功能特性，而且可以通過選擇特定的酶和反應(yīng)條件達(dá)到所期望的改性結(jié)果，具有效率高、專一性強(qiáng)且不會產(chǎn)生毒素等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。

常見的蛋白酶可以分為動物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶。微生物酶中的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是一種催化轉(zhuǎn)?；磻?yīng)的酶，它可以聚合蛋白質(zhì)多肽，使賴氨酸上的ε-氨基與谷氨酸上的γ-羥酰胺基產(chǎn)生聯(lián)合反應(yīng)，形成共價(jià)聚合物，從而改變大豆分離蛋白的溶解性、疏水性、膠凝特性等。張志衡等[24]通過實(shí)驗(yàn)證明轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性后的大豆分離蛋白形成了更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溶解度在各種條件下均低于未變性的蛋白質(zhì)，此結(jié)論可以應(yīng)用于改善食品中蛋白質(zhì)的溶解酸敗問題，使大豆分離蛋白在食品工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。Yin等[25]發(fā)現(xiàn)從枯草芽孢桿菌中分離的堿性蛋白酶對大豆蛋白中的β-甘氨酸有水解作用，可以降低大豆抗原蛋白的致敏性。實(shí)驗(yàn)測得，在蛋白質(zhì)濃度為30 mg/ml，酶用量為0.7%、水解時(shí)間為40 min、溫度為55℃、pH值為8.5的最佳水解條件下，大豆蛋白中的β-甘氨酸堿性蛋白酶的水解度達(dá)到76.28%，酶解后可以有效降低其過敏抗原性，使其抗原抑制率達(dá)到27.03%，為生產(chǎn)低過敏原性大豆蛋白提供精確的數(shù)據(jù)支持。

4 大豆蛋白改性的發(fā)展前景

植物蛋白的深度開發(fā)與利用是當(dāng)前國際食品領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，而大豆蛋白作為優(yōu)質(zhì)的植物蛋白之一，對其專有功能性、營養(yǎng)性進(jìn)一步改善，開發(fā)出與大豆蛋白相關(guān)的高附加值產(chǎn)品將具有重要意義。在未來的研究中，結(jié)合其它領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的物理、化學(xué)、酶、生物等新技術(shù)和新方法，探究更加高效的改性方法以改善大豆蛋白的溶解性、膠凝性、乳化性和持水性等理化性質(zhì)，從而拓寬大豆蛋白的應(yīng)用范圍，有助于為食品工業(yè)、包裝、膠粘劑等產(chǎn)業(yè)提供發(fā)展機(jī)遇。但在實(shí)際運(yùn)用前，仍需對其分子結(jié)構(gòu)的特征和各組分的功能特性進(jìn)行分析，以期使用綠色安全、高效實(shí)用的生產(chǎn)方法達(dá)到理想的結(jié)果，為社會帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。