大豆分離蛋白凝膠機理研究進展

田海娟，于寒松，胡耀輝，*（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.吉林工商學院食品工程學院，吉林長春130062；3.國家大豆產業技術研究中心，吉林長春130118；4.吉林工商學院糧油食品深加工吉林省高校重點實驗室，吉林長春130062）

大豆分離蛋白凝膠機理研究進展

田海娟1，2，3，4，于寒松1，3，胡耀輝1，3，*
（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.吉林工商學院食品工程學院，吉林長春130062；3.國家大豆產業技術研究中心，吉林長春130118；4.吉林工商學院糧油食品深加工吉林省高校重點實驗室，吉林長春130062）

摘要：主要介紹了大豆分離蛋白凝膠的凝膠機理，詳述大豆分離蛋白凝膠形成的影響因素，并介紹了近年來大豆分離蛋白凝膠改進技術手段，對存在問題和前景進行了展望。

關鍵詞：大豆分離蛋白；凝膠機理；研究進展

大豆分離蛋白是從大豆籽粒中堿溶酸沉結合離心分離出來蛋白，具有多種加工功能特性，其凝膠特性在食品加工中廣泛應用。千頁豆腐，即是利用大豆分離蛋白凝膠特性，在制作工藝中加入淀粉和酶制劑等促使形成凝膠，該產品口感嫩滑，同時又更好的彈性和爽脆的特點，受到消費者的喜愛。蛋白質形成凝膠期間可以作為風味劑、糖及其他配合物的載體，對豐富大豆食品有利[1]。

大豆分離蛋白按照沉降系數不同可分為2S、7S、11S、15S，它們分別占大豆分離蛋白的比例為9.4%、43%、43.6%和4.6%[2]；其中7S（β-伴球蛋白）和11S（球蛋白）在大豆分離蛋白中占主要比例，對于7S與1 1S球蛋白凝膠特性研究相對廣泛與深入[3-6]。2010年以來，穩定大豆蛋白乳液、乳液凝膠吸引食品科學領域中越來越多的關注。大豆分離蛋白凝膠過程較為復雜，包括蛋白質空間結構的改變，蛋白質中基團與凝膠體系中共存的離子及其他基團的相互作用后形成凝膠。

1　大豆分離蛋白凝膠特性影響因素

1.1大豆分離蛋白濃度及其組成

大豆分離蛋白濃度對大豆分離蛋白的凝膠有一定影響。大豆分離蛋白濃度較低，難于形成凝膠，濃度為8%～16%，加熱后冷卻形成凝膠。大豆分離蛋白質凝膠強度與形成凝膠的時間跟大豆分離蛋白的濃度相關，大豆分離蛋白濃度與凝膠強度成正相關，凝膠時間跟濃度呈負相關。濃度也不能過大，若大豆分離蛋白濃度太大會因其不能充分溶解而形成糊狀物。Nakamura[7]等研究發現，相同條件下（pH7.6，0.4mol/L NaCl溶液），7S和11S球蛋白凝膠形成的最低濃度分別為7.5%與2.5%，并證實，當兩種球蛋白濃度相同時，11S球蛋白凝膠的硬度比7S球蛋白凝膠大；而且隨著7S在大豆分離蛋白中的比例加大，大豆蛋白的凝膠硬度降低。Damodaren[8]報道11S蛋白形成凝膠最低濃度為9%，低濃度11S蛋白由于發生解聚作用不易形成凝膠，且大豆分離蛋白和11S蛋白濃度與凝膠硬度之間存在線性關系。Chuan-HeTang[9]等報道了不同的球蛋白與伴球蛋白比例對MTGase誘導（0.003 3 kat/g蛋白）的大豆球蛋白穩定乳液凝膠的特征、微觀結構和凝膠機制。酶誘導所有的大豆球蛋白穩定乳液成凝膠，但是形成的乳液凝膠具有不同的流變特征、持水能力和微觀結構與球蛋白混合物中球蛋白成分不同含量一致。基本上，球蛋白含量越多，凝膠也堅硬，但是其持水能力降低。共聚激光微觀掃描觀察到，球蛋白含量越多，使得形成不均一和多孔微觀結構的凝膠網絡。凝膠的硬度隨著球蛋白含量提高而提高與油滴絮凝的加強也有較大關聯。更多的蛋白被束縛在網絡內部，和高球蛋白含量形成的共價交聯對凝膠網絡形成有同樣重要的作用。結果表明可以由不同蛋白組成來調整MTGase誘導的大豆蛋白穩定乳液凝膠的特性。

1.2pH的影響

大豆分離蛋白凝膠也受到pH的影響。pH影響到凝膠形成和維持的作用力，原因在于改變了蛋白質分子之間的作用力及蛋白質分子與水分子之間的結合力。有學者研究pH對11S球蛋白凝膠的影響，結果表明[10]，pH低于3時，濃度為11%的11S球蛋白不能形成凝膠，分析原因可能是11S球蛋白在未加熱之前，在酸性條件下發生了部分解離，加熱后的蛋白溶液出現絮狀物，可能是加熱使蛋白質發生了凝聚；當蛋白pH 在4.4～6.4范圍內也無法形成凝膠，出現蛋白質顆粒的聚集，上層析出大量的水；而且對比了酸性條件下的凝膠和堿性條件下先形成的凝膠的外觀和內部結構，發現有差異。Jacoba M.S[11]等人研究了pH對分離大豆蛋白和純大豆球蛋白（11S）變性和聚合的凝膠形成性質的影響。結果發現，在pH為7.6條件下，形成細密的束狀結構的凝膠具有較低的儲能模量（G`）值，且有光滑、輕微渾濁的外觀；這可能與加熱后高溶解度的大豆球蛋白和大豆分離蛋白的濃度（大約50%）較低相關；pH為7.6時，在SPI膠凝期間β-伴球蛋白（7S）的作用似乎不太重要。而在pH為3.8時得到具有高硬度和粒狀、白色外觀的粗凝膠。在pH為3.8時在加熱下所有蛋白質都沉淀，且有相對較高的G`值。凝膠的形成機理受到pH的影響，因為當pH為7.6，與pH為3.8相比，凝膠的顯著形成并沒有發生在β-伴球蛋白熱變性開始時；且加熱時在大豆球蛋白（11S）的酸性和堿性多肽之間的二硫鍵被破壞了。

1.3溫度的影響

熱誘導蛋白凝膠，溫度對其凝膠過程與凝膠特性有顯著影響。在大豆分離蛋白溶液中，蛋白質呈卷曲結構，表明由水滑膜包圍，在膠凝過程中，蛋白質分子由卷曲被打開，藏于卷曲結構中疏水性基團露出來。

Kang[12]等研究結果顯示，加熱溫度達60℃以上可導致球蛋白三級結構的解離和蛋白亞基伸展，加熱過程中蛋白質分子運動加劇，分子間碰撞加劇，促使更進一步的交聯性進而形成凝膠。秦傳軍[13]等認為，凝膠硬度隨加熱溫度從85℃到95℃增加而呈上升趨勢，分析其原因可能是由于溫度升高可能導致凝膠從無序聚集狀態轉變為有序結構。周瑞寶[14]等報道了11S 和7S球蛋白在不同溫度條件下凝膠形成能力具有差異，在100℃與80℃下分別加熱大豆分離蛋白時，對凝膠形成起主要作用分別為11S與7S。

1.4離子強度的影響

大豆分離蛋白凝膠也受到溶液體系中離子強度的影響。中性鹽中的鹽離子與蛋白質分子中基團相互作用，使其溶解度有所改變。當鹽濃度低時，蛋白質表現為易于溶解，此時蛋白分子間的相互推斥力大于吸引力，形成凝膠，但強度低；相反的情況是鹽濃度較高，這時鹽離子與水的偶極分子作用，導致蛋白質水合程度降低，使蛋白質分子間相互聚集，從而溶解度下降，進而蛋白質沉淀。離子強度提高，大豆分離蛋白分子間的相互吸引力增強而推斥力降低；大豆分離蛋白分子間相互聚集，形成無序凝聚狀態，此時凝膠不透明，但是凝膠強度提高[15]。

蛋白的熱凝膠過程中，高溫下加熱大豆分離蛋白，蛋白結構先由緊密結構舒展，活性基團暴露出來，在后續冷卻與保溫中，活性基團相互作用后形成凝膠[16-17]。在冷卻過程中可能存在舒展的蛋白的重新折疊，蛋白重新折疊的程度會影響到凝膠的特性。在實際生產中發現，隨著NaCl添加濃度提高，大豆分離蛋白凝膠性先好后變差，原因可能是：NaCl濃度低，11S球蛋白的變性溫度低于加熱溫度，鹽的加入使蛋白質的溶解性提高，進而加熱過程中更利于蛋白結構的展開和活性基團的暴露，低濃度NaCl條件下，冷卻中蛋白的重新折疊較弱。因此，此時的凝膠硬度較大；NaCl濃度提高后，11S球蛋白的變性溫度高于加熱溫度，盡管NaCl促進大豆分離蛋白溶解，但由于低于變性溫度的加熱溫度使蛋白結構伸展和活性基團的暴露不易，同時考慮冷卻中蛋白的重新折疊作用，最終導致凝膠硬度小或者無法形成凝膠[18-22]。

1.5巰基化合物的影響

周紅鋒[23]等研究結果表明，加入環氧基等交聯劑后，蛋白質中的氨基、羧基等基團與其發生交聯，增強了蛋白質的網狀結構。同時，不同交聯劑對大豆分離蛋白凝膠特性有不同影響。鄭夢[24]等研究結果表明，巰基乙醇（添加量為0.3%較好）的添加量對大豆分離蛋白的影響最顯著，其次是氯化鈣的添加量、氯化鈉的添加量。

2　大豆分離蛋白凝膠特性改進技術研究進展

2.1物理法改進技術

物理法是利用物理手段如超高壓、高剪切等，對蛋白的功能特性進行改善，物理方法的優勢是在大豆分離蛋白凝膠前對大豆分離蛋白預處理，能夠加速蛋白的膠凝，縮短膠凝時間，改善蛋白凝膠特性。張宏康[25]等利用超高壓技術，研究其對大豆分離蛋白凝膠的影響，結果表明大豆分離蛋白凝膠強度隨著超高壓處理的壓力增高而增加，并且對比了超高壓處理的大豆分離蛋白凝膠比熱誘導凝膠的強度高，外觀平滑細致，品質更好。Y.C.Ker和T.H.Chen[26]研究了剪切作用對蛋白凝膠的影響，物理剪切作用后，大豆球蛋白中疏水基團暴露后促進凝膠網絡的形成，利于膠凝化過程。朱建華[27]等研究成果表明，超聲處理時間延長和功率增加可提高大豆分離蛋白凝膠的硬度值、彈性值和回彈性值，但降低了凝膠的脆性。

張華江[28]等研究了在干熱條件為60℃，0.5 d條件下，蛋白凝膠強度比原產品提高約15%；魔芋精粉與大豆分離蛋白質量百分比例1∶1000，反應溫度為60℃，相對濕度為65%（KI飽和溶液），反應時間為1 d，產品的凝膠強度比原產品提高約35%。國內外研究者對從蛋白質微觀結構與相對分子質量等方面對雞蛋蛋白粉凝膠機理進行了一定的探討，發現雞蛋蛋白粉進行干熱處理后，能提高蛋白凝膠性能。熱處理主要通過對大豆蛋白熱聚集行為的影響，進而影響大豆蛋白加工特性和營養價值，是該領域研究熱點。傅玉穎[29]等試驗結果表明，熱誘導大豆蛋白聚集可改變溶液流變性質，而不用改變蛋白質濃度；蛋白質分子濃度對熱誘導蛋白聚集體影響較大，初始濃度越高，聚集體濃溶液的剪切黏度越大，但未處理的大豆分離蛋白剪切黏度最小；重新加熱后，聚集體濃溶液形成強度弱的凝膠，而未處理的大豆分離蛋白溶液形成的凝膠其強度最高。

動態高壓微射流技術是一種高效的超微細化技術[30-31]，液體受到高速撞擊、高剪切等作用可能導致蛋白分子結構變化，從而導致其功能性質改變[32]。葉云花[33]等人報道了，采用動態高壓微射流TG酶聯合處理技術改性大豆分離蛋白，發現當動態高壓微射流壓力和處理次數的增加，交聯效果出現先增加后減小的趨勢。

2.2化學法改性技術

化學改性方法有磷酸化、酰基化、氨基酸共價連接、大豆分離蛋白化學交聯等，改變蛋白質微觀結構、疏水基團和靜電作用力，可以改善大豆分離蛋白的凝膠特性。交聯劑的活性基團如羥基、氨基等，能與蛋白質側鏈上親水基團發生共價鍵合作用，促使形成多肽鏈內、鏈間及蛋白質分子間的交聯，促使大豆分離蛋白分子間交聯而形成凝膠。田少君等[35]研究三氯氧磷改性大豆分離蛋白，改性后大豆分離蛋白的凝膠性提高。王飛鏑[36]試驗研究表明，戊二醛作為交聯劑促使蛋白交聯形成凝膠比天然大豆分離蛋白凝膠的硬度、彈性、內聚性及破裂強度更高，微觀結構更為有序。姚玉靜[36]等研究發現，乙酰化和琥珀酰化改性處理都阻止SPI形成熱致凝膠，其原因可能是由此改性引起了蛋白質分子的疏水性質的改變，蛋白質分子的帶電基團減少，相鄰分子間的離子鍵減弱，阻止了熱誘導凝膠的形成。黃友如等[37]研究了大豆粕進行醇洗改性對蛋白凝膠的影響，試驗得出醇洗豆粕其蛋白凝膠性得到提高。

王禪秋[38]等試驗結果表明，乙醇添加量顯著影響大豆分離蛋白的凝膠強度，其強度隨乙醇加入量增加而提高，原因在于一方面乙醇是一種極性有機溶劑，可與蛋白分子中的相反電荷作用，使蛋白分子間的無序凝聚降低，促使有序網絡結構形成；另一方面乙醇中的羥基與蛋白質分子形成氫鍵，提高了分子定向排列有序性，使得凝膠硬度明顯提高。

2.3酶法改性技術

大豆分離蛋白質通過酶法改性，其凝膠性能會有一定的改善。大豆分離蛋白通過酶作用水解后，通過非共價鍵（疏水相互作用）促使其分子內或分子間交聯，促進凝膠。原因是大豆分離蛋白經水解后，內部疏水基團暴露促使了分子間相互交聯作用的加強，提高蛋白的凝膠性。轉谷氨酰胺酶屬于酰基轉移酶，可以催化蛋白質分子間的交聯和聚合形成了網絡結構，產生新的共價鍵，以此提高蛋白質的凝膠性。木瓜蛋白酶大部分是巰基蛋白酶，因此可以促使大豆分離蛋白形成凝膠。周紅霞[39]等試驗研究結果表明，蛋白濃度為7.5%、木瓜蛋白酶用量為0.085 kat/g蛋白質、處理溫度為85℃時，大豆分離蛋白快速形成熱誘導凝膠。楊欣[40]等報道了木瓜凝乳酶比木瓜蛋白酶促使蛋白形成凝膠所需酶活力低，前者形成的凝膠強度高，而且前者在低溫下形成凝膠所要求的酶活力比高溫下的低。田少君[42]等研究轉谷氨酰胺酶以及微生物谷氨酰胺轉移酶對大豆分離蛋白凝膠影響的研究，結果表明添加一定量的轉谷氨酰胺酶可以促進大豆分離蛋白凝膠的形成，并提高了其凝膠強度，且酶作用時間越長，大豆分離蛋白凝膠性愈高。

Chee-Yuen Gan[41-42]對比了MTGase酶誘導單一處理的大豆分離蛋白凝膠和加入核糖聯合處理形成的凝膠特性，應力松弛實驗表明復合處理凝膠的凝膠強度、粘彈性性質比單一處理的凝膠（沒有交聯凝膠產生的處理）更好，復合處理的凝膠比單一處理的凝膠有更為廣泛的pH范圍，場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）分析顯示，復合處理形成的凝膠比其他單一處理形成的網絡凝膠密度更高和更細膩。凝膠網絡內發生的共價交聯以及大豆蛋白凈電荷的變化都影響復合處理形成的凝膠的理化性質和微觀結構。

2.4基因工程技術

基因工程技術對大豆分離蛋白的改性，是采用植物育種技術和分子生物技術，改變大豆分離蛋白質的分子結構，通過基因調控改變7S和11S的比例，從而使其凝膠特性發生改變。轉基因食品是否安全爭議頗多，轉基因大豆產品的安全性缺乏證據，這將影響基因工程技術在改善大豆蛋白凝膠功能性質上的應用。

2.5其他改性技術

Chee-Yuen Gan，Aishah A[43]等報道大豆分離蛋白（SPI）在 MTGase酶（SPI/MTG（5））或 24 h（SPI/MTG （24））40℃作用5 h或24 h交聯獲得的SPI凍干，加入2mg/L核糖（R）95℃加熱2 h產生復合凝膠。當與核糖溶液重組時，更長的誘導時間促使形成更緊湊膨脹更小的SPI顆粒形狀。其研究結果顯示不同膠凝電泳，交聯處理和復合交聯處理的SPI比單一處理樣品具有更高的G'（儲存模量）值。這些都是由于在SPI網絡中MTGase誘導和加熱過程中添加核糖（即還原糖），形成了額外的（ε）-γ-glutamyl賴氨酸鍵和“美拉德交聯”。網絡/非網絡蛋白質的分析發現，交聯處理網絡蛋白質增加，這也導致了形成了不同的SDS-PAGE成像。在非網絡蛋白質部分，復合交聯使A4亞基成為網絡蛋白質的一部分。

3　存在問題及發展前景

大豆分離蛋白凝膠是一個復雜的體系，凝膠過程受到很多因素影響，不同控制條件對大豆分離蛋白分子結構的影響，如何通過改善加工方法提高大豆分離蛋白凝膠的儲藏穩定性，國內研究尚不夠深入。多方法處理大豆分離蛋白凝膠，其凝膠機理研究與條件優化，以提高其質構特性與儲藏穩定性，是該領域今后研究的重點。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.047

收稿日期：2015-07-28

作者簡介：田海娟（1980—），女（漢），講師，在讀博士研究生，研究方向：農產品加工與資源利用。

*通信作者：胡耀輝（1951—），男，教授，博士生導師。

A Review on Mechanism of Soybean Separation Protein Gel

TIANHai-juan1，2，3，4，YUHan-song1，3，HUYao-hui1，3，*
（1.College of Food Scienceand Engineering，Jilin AgricultureUniversity，Changchun 130118，Jilin，China；2.Branch of Food Engineering，Jilin Businessand Technology College，Changchun 130062，Jilin，China；3.Soybean R&DCenter，CARS，Changchun 130118，Jilin，China；4.Jilin Province Key LaboratoryofGrain and OilProcessing，Jilin Businessand Technology College，Changchun 130062，Jilin，China）

Abstract：Researches on mechanism of soybean protein isolated gel domestic and abroad were reviewed. Effectson gel functionswere discussed.Common usedmethod and progress including the latestadvance in the gel ofmodification technology researching were introduced.This paper briefly analysis the difficulties and foreground at last.

Key words：soybean protein isolated；mechanism ofgel；research advance