大豆分離蛋白改性技術的研究與發展趨勢

懷寶東，張東杰 *，錢麗麗，王 穎，李佩然

（1.黑龍江八一農墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農墾科學院，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發展而興起的新興產業，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品的營養價值，并且在食品中可以體現出不同的功能特性，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、化學性質起著重要的作用，因此SPI被廣泛應用于食品加工的諸多領域[1-2]。目前，美國和日本針對SPI高功能特性的工藝開發處于領先水平，其產品可以細分為高分散性、高乳化性和高凝膠性等多個產品，己將其應用于魚制品、肉制品、面制品、冷食制品、糖制品和飲料制品中；國內產品性能與國外差距明顯，雖然經多年實踐研發出不同功能性的SPI，并取得了很多自主知識產權，但由于功能性質與國外相比較差，價格優勢不明顯，仍被國外產品占據較大市場，因此，國產的SPI在工業上的應用僅限于肉制品方面[3]。主要原因是SPI的功能性質還不能滿足現代食品加工的需求；SPI易產生異味；有些SPI營養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，成為食品加工工業亟待解決的問題。為了更好地發揮SPI的功能特性，國內外學者對SPI進行不同程度不同方面的改性，使其應用領域更廣闊。本文總結當前的SPI改性方法，并根據當前的研究現狀及存在的問題，對今后發展提出幾點展望。

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構、構象和在SPI中所占蛋白比例的顯著不同，導致SPI的功能特性存在較大差異，體現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，溶解性在飲料工業及功能食品工業中被廣泛應用；（2）乳化特性：乳化性、發泡性、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；（3）流變和質構特性：凝膠性、彈性、黏附性、內聚性、咀嚼性等[5]，魚肉制品工業和乳酪利用其凝膠性，黏附性針對于糊狀食品工業。

2 SPI改性方法及研究進展

SPI的改性是通過改變蛋白質基本結構，進而改變其理化性質，從而加強和改善蛋白質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，達到去除異味和提高營養物質的利用率的目的[6]。分子水平研究表明，改性的原理是通過對蛋白質分子的主鏈或側鏈基團進行修飾，從而引發蛋白質理化性質和空間結構的改變，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分子的結構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結構的定向變形，不涉及一級結構。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手段改變蛋白質的構造，影響蛋白質分子聚集形態或蛋白質分子的變性。袁道強等[9]、蘇丹等[10]、涂宗財等[11]和王章存等[12]對超高壓改性技術進行了研究，結果表明，SPI經超高壓技術處理，蛋白質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極性分子產生劇烈的振動，導致其分子結構改變達到改性效果。陳劍兵等[13]、熊犍等[14]、張春紅等[15]和蔡建榮等[16]對微波改性技術進行了研究，結果表明，經改性的SPI溶解性、乳化穩定性、乳化性和泡沫穩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%，乳化穩定性指標增加56.54%，泡沫穩定性指標增加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結構發生變化，達到改性目的，包括肽鍵的水解、氨基酸側鏈的改變和蛋白質分子間的縮合作用。郭鳳仙等[17]、張海瑞等[18]對熱處理改性技術進行了研究，結果表明，經改性的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，水蒸氣透過系數降低，并且超聲波功率和膜強度成正相關。

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乳化性和乳化穩定性效果比其他方法明顯；超高壓對于提高SPI起泡穩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基本結構的電泳分析表明，上述改性方法對SPI的相對分子質量未產生變化，對其結構的改變影響較小。

2.2 SPI的化學改性

化學改性的實質是添加多種化學試劑改變蛋白質分子結構、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。宏觀上通過化學手段對SPI結構進行修飾；微觀上通過特定的試劑，將SPI化學衍生化發生特定的基團反應。化學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

酰化反應的特點是反應過程溫和、酰化試劑常用易購買、反應過程可逆等。姚玉靜等[23]對SPI乙酰化改性方法進行研究，結果表明，在最適pH值范圍5.0～9.0時，乙酰化改性能夠提高SPI的乳化性、乳化穩定性和發泡性等指標，并與酰化程度呈正相關。郭東權等[24]采用乙酸酐對SPI 分子結構上的氨基進行改性，改性后SPI 的網絡結構得到增強。

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，其實質是賴氨酸殘基的氨基磷酸酯化反應。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的主要基團影響其功能特性[28]。硫醇化改性的實質是通過蛋白質分子間和分子內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。

2.2.4 糖基化法改性

糖基化改性是蛋白質分子中的氨基與羰基發生美拉德反應導致蛋白質—糖系統功能性發生變化，從而影響SPI功能特性。研究表明，經半乳糖甘露聚糖糖基化改性后的SPI 具有較好的溶解性、乳化性和熱穩定性；經糖基化反應的SPI 抗氧化能力得到加強，在食品貯藏期間提高其保質期。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酰化，其中乙酰化比磷酸化改性效果較好[31]。目前接枝改性技術成為人們研究的熱點，主要是通過改性處理使蛋白質鏈上的氨基酸殘基與多肽鏈發生改變，從而提高SPI 的功能特性和營養價值。目前化學改性所涉及到的研究還需要深入，困擾化學改性發展的主要問題是改性后的毒副產物所涉及到的安全性問題，因此目前化學改性只能應用于理論研究。通過化學改性方法的研究認清SPI 中蛋白質結構與功能特性的關系，為可操作、反應溫和、食用安全的改性方法提供理論依據。

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分子內切或外切成較小分子，增加蛋白質分子內或分子間的交聯或特殊基團的功能，從而改變蛋白質功能特性。蛋白酶改性方法相比其他改性方法所具有的優點①反應過程快速溫和，無有毒副產物產生；②水解作用平衡后，產品含鹽量極少且功能特性指標針對特定的蛋白酶和反應條件予以控制；③SPI 水解后小分子蛋白增多利于營養的吸收。酶改性技術針對SPI改性的應用是創新，目前針對酶改性的優點成為人們研究的熱點。

酶改性技術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的發展。植物蛋白酶研究較多的是木瓜蛋白酶，水解液的溶解性、乳化性和發泡指標顯著增加，但酶制劑來源少、活力低，無法應用于工業化生產。近年來微生物蛋白酶應用技術的逐漸成熟，來源廣、價格低、酶學性質優良，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絡結構，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，再利用谷氨酰轉移酶交聯化復合處理，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，復合酶制劑均優于單一酶制劑水解效果。

我國食品級酶制劑開發較晚，與發達國家存在很大的差距，存在酶制劑來源少，酶學性質低等問題[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。今后的研究方向應將多種蛋白酶復配協同改善SPI功能特性，隨著蛋白酶作用機理及功能特性與結構關系的深入研究，改性工藝及產品功能性狀將會得到極大的提高，將為企業創造更多的經濟效益。

2.4 生物工程改性

生物工程改性是指應用分子生物技術和植物育種技術對蛋白質分子的微觀結構進行修飾，達到改善SPI功能性質。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。但通過分子生物學手段對基因工程菌的構建成為研究的熱點，這主要是因為蛋白酶菌株經多年工藝篩選，產量及酶學活性很難提高，目前所選用的多數為芽孢桿菌類菌株，通過對蛋白酶基因片段的重組表達，增強蛋白酶的酶學性質。

3 結語

現代食品加工對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注，促使食品研究者選擇安全、可靠實用的生產方法改性SPI 性質，滿足生產和生活的需要。目前SPI改性存在的主要問題：①安全性問題，參與反應的化學試劑殘留量是否有害，基因工程改性是否安全；②生產費用，用于改性的化學試劑和酶價格昂貴，尤其是酶，我國可供食品級蛋白酶品種甚少，更增加成本；③產品感官問題，不良風味（肥皂味、苦味）的產生；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。當前化學改性出于安全性的考慮，多采用基礎理論的分析手段，認識蛋白質的結構與功能的關系，為尋找可行的、溫和的、安全的改性方法提供依據。生物工程改性雖然潛力巨大，但轉基因產品安全性令世人心存疑慮，難以短時期內實現；物理改性雖然具有安全性好、作用時間短及對營養性質影響較小等優點，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復雜，價格昂貴，不適合工業化生產而逐漸受限，微生物酶具有原料價格低廉、效果顯著、安全性高等優點，將會在未來酶生產行業中占主導地位。

目前國內外蛋白改性技術的研究主要針對SPI專一功能特性的改善，而當前改性技術對SPI的多種功能性質進行了改變，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 復合改性在我國是一種新的嘗試，物理方法與酶法復合、化學方法與酶法復合及其多種酶復合改性SPI 達到更加理想的效果將成為今后的發展趨勢；其次，用生物工程方法構建生物工程菌株產微生物蛋白酶，擴寬蛋白酶應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，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，將其進行改性得到專一性狀的SPI成為研究熱點。我國SPI 加工與應用仍落后于發達國家，推廣SPI 制品在食品工業中的普及應用是我國進一步利用開發植物蛋白的重要課題，更是提高農副產品的利潤空間與精深加工未來的發展方向。

[1]GUO Z,VIKBJERG A F,XU X B.Enzymatic modification of phospholipids for functional applications and human nutrition[J].Biotechnol Adv,2005,23(2):203-259.

[2]TORREZAN R,THAM W P,BELL A E,et al.Effects of high pressure on functional properties of soy protein[J].Food Chem,2007,104(1):140-147.

[3]張 佩，吳 麗.大豆蛋白改性的研究進展及其在食品中的應用[J].山東食品發酵，2008，148（1）：51-55.

[4]李海萍，易菊珍.大豆分離蛋白改性的研究進展[J].高分子通報，2009，21（2）：58-63.

[5]楊曉泉.大豆蛋白的改性技術研究進展[J].廣州城市職業學院學報，2008，2（3）：37-45.

[6]郭 永，李黨生.大豆蛋白改性及其在食品工業中的應用[J].食品研究與開發，2011，32（8）：186-190.

[7]KUMAR R,CHOUDHARY V,MISHRA S,et al.Adhesives and plastics based on soy protein products[J].Ind Crop Prod,2002,16(3):155-172.[8]MO X Q,HU J,SUN X,et al.Compression and tensile strength of low density straw protein particle board[J].Ind Crop Prod,2001,14(1):1-9.

[9]袁道強，郭書愛.超高壓對大豆分離蛋白乳化性影響[J].糧食與油脂.2009，21（12）：23-26.

[10]蘇 丹，李樹君，趙鳳敏，等.超高壓對大豆蛋白結構和功能性質影響研究進展[J].包裝與食品機械，2009，27（5）：111-116.

[11]涂宗財，汪菁琴，阮榕生，等.超高壓均質對大豆分離蛋白功能特性的影響[J].食品工業科技，2006，27（1）：66-69.

[12]王章存，徐 賢.超高壓處理對蛋白質結構及功能性質影響[J].糧食與油脂，2007，19（11）：10-13.

[13]陳劍兵，夏其樂，張 俊，等.微波技術對大豆蛋白功能特性的影響[J].保鮮與加工，2007，7（4）：33-36.

[14]熊 犍，馮凌凌，葉 君.微波輻射對大豆濃縮蛋白溶解性的影響[J].食品與發酵工業，2006，32（1）：107-111.

[15]張春紅，王 欣.微波處理對大豆分離蛋白某些功能性的影響[J].中國釀造，2008，24（4）：75-78.

[16]蔡建榮，張銀志，孫秀蘭.微波處理對大豆分離蛋白功能特性的影響[J].安徽農業科學，2009，32（2）：453-456.

[17]郭鳳仙，熊幼翎，何志勇，等.熱處理對大豆分離蛋白功能特性的影響[J].食品與機械，2009，25（6）：9-13.

[18]張海瑞，何志勇，秦 昉，等.熱處理制備高凝膠性大豆分離蛋白的工藝[J].食品與發酵工業，2012，38（3）：81-85.

[19]孫燕婷，黃國清，肖軍霞，等.超聲處理對大豆分離蛋白溶解性和乳化活性的影響[J].中國糧油學報，2011，26（7）：22-27.

[20]王小英，李 娜.超聲處理對大豆蛋白溶解性及蛋白組分的影響[J].中國油脂，2009，34（4）：31-35.

[21]袁道強，楊 麗.超聲波改性提高大豆分離蛋白酸性條件下溶解性的研究[J].糧食與飼料工業，2008，30（1）：27-30.

[22]楊會麗，馬海樂.超聲波對大豆分離蛋白物理改性的研究[J].中國釀造，2009，28（5）：25-29.

[23]姚玉靜，楊曉泉，邱禮平，等.酰化對大豆分離蛋白乳化性能的影響[J].食品與機械，2008，24（2）：12-15.

[24]郭東權，陳復生，劉東亮，等.乙酰化大豆分離蛋白可生物降解材料的性能研究[J].食品科技，2008，33（4）：25-27.

[25]劉天一，遲玉杰.大豆分離蛋白的磷酸化改性及功能性質的研究[J].食品與發酵工業，2004，30（5）：123-127.

[26]申世強，傅 亮，徐 康，等.大豆分離蛋白磷酸化改性研究[J].食品工業科技，2010，31（6）：141-146.

[27]陳俊高，遲玉杰，王喜波.提高大豆分離蛋白乳化性的工藝優化及性質分析[J].食品與發酵工業，2010，36（11）：67-73.

[28]陳偉斌.大豆分離蛋白的功能性和改性研究進展[J].糧食加工，2006，30（4）：27-32.

[29]黃 曼，卞 科.理化因子對大豆蛋白疏水性的影響[J].鄭州工程學院學報，2008，23（3）：5-9.

[30]AOKI T,HIIDOME Y,KITAHATA K,et al.Improvement of heat stability and emulsifying activity of ovalbumin by conjugation with glucuronicac acid through the Maillard reaction[J].Food Res lnt,1999,32(3):129-133.

[31]王 巖，陳復生.大豆分離蛋白改性效果研究[J].河南工業大學學報，2008，28（4）：56-59.

[32]徐紅華，劉 欣.不同酶類改性對大豆分離蛋白功能性質的影響[J].食品科技，2007，32（3）：35-39.

[33]張毅方，胡春林，馬永強，等.Alcalase 2.4L 堿性內切蛋白酶改性大豆蛋白的工藝研究[J].大豆科技，2010，17（3）：28-31.

[34]吳 瓊，程建軍，楊秋萍，等.堿性蛋白酶水解大豆分離蛋白的研究[J].食品工業科技，2009，29（10）：191-194.

[35]RAMíREZ-SUáREZ J C,XIONG Y L.Effect of transglutaminase induced crosslinking on gelation of myofibrillar soy protein mixtures[J].Meat Sci,2003,65(5):899-907.

[36]WALSH D J,CLEARY D,MCCARTHY E,et al.Modification of the nitrogen solubility properties of soy protein isolate following proteolysis and transglutaminase cross linking[J].Food Res Int,2003,36(8):677-683.

[37]鐘振聲，陳 鈺，文錫蓮.木瓜蛋白酶與中性蛋白酶水解大豆分離蛋白的研究[J].現代食品科技，2009，25（9）：1039-1044.

[38]黃 浩，黃宏偉，賴 勤.用蛋白酶組合對大豆分離蛋白改性的研究[J].大豆科學，2007，26（2）：245-250.

[39]周冬麗，蓋鈞鎰，魏安池.酶法改性大豆分離蛋白研究進展及發展前景[J].糧食加工，2010，35（2）：47-51.