物理處理在大豆蛋白結構及性質研究中的應用

王昱婷，王笑宇，孫志剛，付紅，許晶（東北農業大學理學院，黑龍江哈爾濱150030）

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物理處理在大豆蛋白結構及性質研究中的應用

王昱婷，王笑宇，孫志剛，付紅，許晶*
（東北農業大學理學院，黑龍江哈爾濱150030）

綜述近年來國內外處理大豆蛋白的物理方法（加熱、超聲、高壓、高壓均質、脈沖電場、微波、微射流等），及其對大豆蛋白結構及功能性質的影響，以期為大豆蛋白進一步應用提供理論依據及技術支持。

大豆蛋白；物理處理；功能性質；結構

大豆富含豐富的蛋白質，是國際上公認的一種全營養食品。大豆蛋白以其較高的營養價值，理想的功能性質和較低的成本已成為一種被廣泛應用于食品工業的重要原料［1］。大豆蛋白在食品中被廣泛應用于肉類加工、營養飲料、嬰兒配方奶粉和乳制品的替代品等，而含有至少90%的蛋白質（干基）的大豆分離蛋白（SPI），更成為一種重要的商業大豆蛋白產品［2］。目前，人們對大豆蛋白的需求不只限于其營養特性，更重視的是它的功能特性。因此，如何對大豆蛋白進行適當的改性處理，有目的地強化和修飾某一項或多項功能特性是食品領域需要解決的關鍵問題。由于越來越多的消費者對高品質食品的需求，新的安全有效的大豆蛋白處理方法發展迅速。其中物理處理方法具有環保、安全、無毒的特性，目前在大豆蛋白加工中被廣泛應用。本文對近年來國內外典型的大豆蛋白物理處理法（加熱、超聲、高壓、高壓均質、脈沖電場等）進行了總結，綜述了不同物理處理對大豆蛋白結構及功能性質的主要影響，以便有助于科研工作者通過物理處理方法改變大豆蛋白的結構和功能特性，進而更好地適應當今市場對大豆蛋白產品的要求。

1　大豆蛋白的組成、結構及其功能性質

大豆蛋白中90%的蛋白質以儲藏蛋白的方式存在，大豆蛋白質分子的結構分為不同的層次：一級結構，指蛋白質多肽鏈中氨基酸的排列順序，包括二硫鍵的位置；二級結構，指多肽主鏈借助氫鍵排列成沿一維方向具有周期性結構的構象（如α-螺旋、β-轉角和β-凸起等），并依靠氫鍵維持固定所形成的有規律性的結構；三級結構，指由二級結構元件（α-螺旋、β-折疊、β-轉角、β-凸起和無規則卷曲）折疊構建成的一個緊密堆積的三維結構；四級結構，指具有兩條或兩條以上獨立三級結構的多肽鏈通過非共價鍵相互結合而形成的空間結構。

根據蛋白質的溶解性可將大豆蛋白分為兩大類：清蛋白（非酸沉蛋白）和球蛋白（酸沉蛋白）。根據蛋白質分子大小，用超離心沉降法對水解浸出脫脂粕所得的蛋白進行測定，按溶液在離心機中沉降速度來分，可分為4個組分，即：2S，7S，11S，15S（S為沉降系數）。2S組分的主要成分是胰蛋白酶抑制劑和細胞色素C，占大豆蛋白的15%。7S組分由脂肪氧化酶、7S球蛋白、血球凝集素和β-淀粉酶組成，占大豆蛋白的34%。11S組分比較單一，到目前為止僅發現一種11S球蛋白，占大豆蛋白的41.9%。15S組分可能是大豆球蛋白的締合物，有人認為它是雙硫鍵結合的多聚體占大豆蛋白的9.1%［3］。

大豆蛋白的功能性質直接影響著其相關食品的制造加工以及產品的品質。大豆蛋白的功能性質可分為3大類：1）水化特性，包括溶解性、潤濕性、分散性、黏性和持水性；2）界面性質，主要包括乳化性和起泡性；3）與蛋白質-蛋白質之間的相互作用有關的性質，包括沉淀、凝膠和聚集特性［4］。

2　物理處理方法對大豆蛋白結構及功能性質的影響

2.1熱處理

熱處理為最常用的大豆蛋白物理處理方法。許多研究表明熱處理對大豆蛋白的結構和功能性質有很大影響，尤其是對各種亞基之間的相互作用，蛋白質成分的穩定性，以及導致凝膠結構形成的聚集行為影響明顯。

Moure等［5］指出加熱可使可溶性蛋白形成不溶性蛋白聚集，而Damodaran等［6］研究發現部分或完全熱處理改性條件下可溶性蛋白聚集仍可具有較高的溶解度。到目前為止，Zhang等［7］從分子動力學角度指出熱改性后蛋白質折疊和展開的細節和機制并不完全清楚。但Schellman［8］指出熱改性過程可以描述為結構蛋白聚合到展開的狀態。高溶解度和抗營養因子失活的可溶性大豆蛋白聚集可能是人類消費的最佳選擇。

Li等［9］發現可溶性蛋白質聚集可以通過水熱蒸煮的方法獲得。Zheng等［10］通過DSC分析研究大豆蛋白發現低溫短時間（LTST，80℃～100℃，＜2 min）水熱處理（HTC）誘導部分改性的蛋白聚集，而高溫長時間（HTLT，120℃，20 min）水熱處理誘導完全改性的蛋白聚集。研究發現HTC-HTLT處理的蛋白質溶解度增強，HTC-LTST處理的蛋白質在表觀黏度、凝膠強度、發泡穩定性有顯著提高，HTC-LTST和HTC-HTLT處理的蛋白質在乳化性能上有所下降。Carbonaro等［11］通過FT-IR研究豆類蛋白發現高壓蒸汽熱處理也會影響未加工豆類蛋白的β-折疊結構和分子間β-折疊的聚集。

除此之外，Neus等［12］研究了熱處理對杏仁和榛子牛奶物理化學性質和物理穩定性的影響。熱處理杏仁牛奶樣品，粒徑顯著減少，粒子表面電荷，清晰和白度指數增加，樣品的物理穩定性提高，黏度和蛋白質的穩定性基本不變。榛子牛奶顯示出類似的趨勢，但黏度顯著提高，流變行為發生變化，這表明蛋白質構象發生了變化。

2.2超聲處理

超聲波是高于人類聽覺閾值頻率（＞16 kHz）的機械波，主要用于食品物理或化學性質的改變，其在食品工業中的應用受到了廣泛的關注。根據能量強度超聲波主要分為兩大類：一類是低強度超聲波（高頻100 kHz～1 MHz，能量水平＜1 W/cm2），另一類是高強度超聲波（低頻16 kHz～100 kHz，能量范圍10 W/cm2～1 000 W/cm2）。超聲波的主要影響是由于其在液體系統中產生空化作用，進而產生極端的溫度（5 000 K）和壓力（1.013×105kPa），并在空化區域可以產生很高的剪切能量和湍流。此外，超聲波可以使水分子生成高活性自由基（H2O→H·+OH·），從而誘導其他分子進行反應。

Hu等［13］研究發現超聲處理能明顯降低大豆分離蛋白分散體的稠度系數，增加大豆分離蛋白流變性能和微觀結構的聚集。超聲處理后，蛋白的游離巰基含量、表面疏水性、溶解性、比表面積和乳化性增加。Hu等還研究分析了高強度超聲處理對分子二級結構影響。通過圓二色性的二級結構分析發現在低功率處理的大豆分離蛋白有少的α-螺旋和無規則卷曲，相反在高功率（600 W）處理的大豆分離蛋白有多的α-螺旋和少的β-折疊。

此外，Jambrak等［14］應用高強度超聲對蛋白質的功能和物理特性進行直接修飾，如溶解性、凝膠、乳化和起泡性。高強度超聲處理顯著改變了大豆濃縮蛋白的電導率和流變特性，增加溶解度，比表面積和乳化活性指數，以及商業大豆分離蛋白的蛋白質溶解度和膠凝能力［15］。Arzeni等［16］研究發現高強度超聲處理大豆分離蛋白會改變大豆分離蛋白分散體的粒徑分布，減小其粒度，大大增加表面疏水性，降低蛋白質黏稠指數，輕微增加聚集。隨超聲時間的延長大豆分離蛋白的游離巰基含量也會增加，但不改變其總巰基含量。因此高強度超聲不僅代表了一種快速、高效和可靠的選擇和提高食物蛋白質質量的技術，也有用于食品行業開發新產品的潛能。

還有一些相類似的其他蛋白的研究，Jian等［17］研究多頻超聲［掃頻和脈沖超聲波（SFPU）和連續雙頻率超聲波（SDFU）］對玉米蛋白粉酶解的影響。結果表明，多頻超聲波預處理明顯改善玉米蛋白的水解度和轉化率。SFPU預處理對玉米蛋白的二級結構影響不大，而SDFU預處理使α-螺旋增加，β-折疊顯著下降。掃描電子顯微鏡顯示兩種預處理破壞了谷蛋白和CGM的微觀結構。總之，由于多頻超聲波預處理對分子構象以及蛋白質微觀結構的聲化效應，使其在蛋白質水解上是一種有效的方法。

Sun等［18］研究超聲預處理對復原乳濃縮蛋白物理和功能特性的影響。超聲預處理5 min后復原乳濃縮蛋白溶解度從35.78%顯著增加到88.30%。此外，隨著樣品超聲處理時間的延長復原乳濃縮蛋白的乳化活性顯著增加。乳液穩定性超聲處理1 min開始顯著增加。超聲預處理促進了復原乳濃縮蛋白儲能模量的增加。然而，SDS-PAGE凝膠電泳顯示蛋白質的分子量無顯著變化。

2.3高壓處理

高壓處理技術常用于大豆蛋白的修飾和其產品功能性質的改善。高壓處理對大豆蛋白的物理化學性能及功能特性的影響主要有表面疏水性、游離巰基含量、DSC特點、溶解性、乳化活性、熱處理凝膠性能。Molina等［19］研究發現在200 MPa～600 MPa的高壓處理下，蛋白的溶解性有略微的逐漸下降，表面疏水性有顯著地提高，乳化活性指數有顯著地增加，但乳化穩定性指數減小。大豆分離蛋白游離巰基含量在200 MPa處理下有顯著地增加，但隨著壓力增加略微減少。高壓處理對大豆蛋白功能性質的影響主要依賴于處理過程中大豆分離蛋白溶液的蛋白濃度，因此我們可以利用高壓處理技術，通過選擇適當的壓力和蛋白質濃度，對大豆蛋白進行改性。

Puppo等［20］研究發現高于200 MPa的高壓力下，蛋白質表面疏水性和聚合的增加，游離巰基減少，觀察在pH 8時高壓處理的大豆分離蛋白樣品的7S和11S局部展開。二級結構改變且結構更加無序，并引發蛋白質的解離和聚合。Puppo等還用圓二色性光譜（遠UV-CD）研究高壓處理的影響，并指出隨壓力水平增加α-螺旋含量減少，和無規則卷曲含量增加。然而，在這篇文獻中估計未經處理的SPI的α-螺旋含量在pH 3約37%和pH 8約40%，遠高于先前對11S球蛋白的預測報道［21］。Zhang等［22］還指出在500 MPa處理10 min后，球蛋白的α-螺旋和β-構成的一些有序結構被破壞，轉化為無規卷曲。

Tang等［23］通過SEC-MALLS和FT-IR研究大豆分離蛋白，發現在200 MPa較低壓力水平處理導致明顯的不溶性大豆分離蛋白聚集形成，而在600 MPa的高壓力水平，導致不溶性聚集轉換為可溶性。在400或600 MPa比200 MPa形成的可溶性聚集的平均分子量（MW）少得多，并且在分子量分布也更加均勻。FT-IR分析證實了高壓處理引起二級和三級結構的變化。這些結果可以提供直接證據或解釋高壓處理對大豆蛋白的改性影響。

高壓處理對其他蛋白功能性質的影響也有報道。He等［24］研究發現從50 MPa～200 MPa高壓處理5 min，花生分離蛋白的持水性、油結合力和熱凝膠性能逐漸增加，且表面疏水性顯著增加。高壓（100 MPa）處理后熱凝膠的硬度增長了50%，但壓力進一步增加，其逐漸減少。高壓處理50 MPa～200 MPa，-S-S-含量明顯增加，但-SH含量降低。結果表明，在適當的壓力很短的時間內高壓處理可以用來改性PPI。

2.4高壓均質

高壓均質處理是大分子分離或變性的一種新技術［25］，在食品科學領域應用廣泛，尤其是對大豆蛋白功能性質的影響已被廣泛研究。高壓均質處理過程中，空化、剪切、湍流和溫度上升被同時作用，使得蛋白分子之間的非共價鍵斷裂，產生分子間或分子內的重聚集，破壞分子間的疏水作用和靜電吸引作用，改變蛋白質的結構和功能性質，但是高壓均質處理對氫鍵沒有影響［4］。

龍小濤［26］研究發現高壓均質處理使7S富集組分乳化活性降低，但可提高其乳化穩定性；乳化活性隨均質壓力的升高而降低，均質次數對其影響不明顯，隨著均質壓力的升高和均質次數的增多7S富集組分乳化穩定性逐漸提高；高壓均質改性的7S富集組分制備的乳狀液粒徑更小，并且乳析率下降；均質壓力不變時，一次均質的7S富集組分比兩次均質的7S富集組分形成的乳狀液粒徑更大，但乳析率降低。Puppo等［27］研究了超過100 MPa高壓均質對大豆蛋白質的影響，已經證明高壓均質對大多數球蛋白的三級和四級結構有破壞性影響，而對二級結構幾乎沒有影響。研究結果表明，高壓均質的作用機理與熱處理有所不同。

2.5脈沖電場

脈沖電場處理是以較高的脈沖頻率、較短的脈沖寬度和較高的電場強度對半固體和液體食品進行處理，能夠組成連續殺菌和無菌灌裝的生產線，是一種新型的非熱食品加工和保藏方法。

Li等［28］研究了脈沖電場處理對大豆分離蛋白性質和聚集情況的影響，研究結果表明，處理后的大豆分離蛋白乳化性、溶解度及起泡性有所提高，表觀黏度和pH略微降低；在較強的脈沖條件下，大豆分離蛋白的表面疏水性和游離巰基含量下降，反之，表面疏水性和游離巰基含量提高。同時Li等還研究了脈沖處理時間對大豆分離蛋白粒徑分布和分子量的影響，研究發現，脈沖處理時間較短時，大豆蛋白的粒徑分布和分子量基本不變化；對大豆蛋白的結構進行分析，結果表明，脈沖電場能夠誘導蛋白分子的極化，破壞蛋白的氫鍵、二硫鍵、疏水相互作用和靜電相互作用等，使其四級結構遭到破壞；脈沖電場還可以使蛋白的疏水集團暴露，亞基發生解離，變化后的亞基相互吸引形成更大的分子聚集體。

李迎秋等［29］分別研究了高壓脈沖電場對大豆分離蛋白結構特征和功能性質的影響。在結構特征方面研究結果表明：在其他脈沖條件固定時，脈沖處理時間的長短對結構特征方面的影響不同，當處理時間小于288 μs時，蛋白的粒徑、分子量和二級結構變化很小；當處理時間大于432 μs時，蛋白的粒徑、分子量發生變化，蛋白質分子會變性、亞基會發生解離，蛋白分子相互聚集重新形成大分子的聚集體［30］。在功能性質方面，分別研究了脈沖強度和處理時間對其的影響，研究結果表明：蛋白的功能性質（疏水性、乳化性、起泡性和溶解度）隨著脈沖處理時間的延長和強度的增大有所增加；但是當脈沖處理時間太長和強度太大時，蛋白的功能性質下降，當脈沖強度為40 kV/cm時，大豆蛋白疏水性和巰基含量有所下降［31］。

2.6其他處理方法

為了提高大豆分離蛋白的功能特性，Wang等［32］應用了微波輔助磷酸化處理大豆蛋白，結果表明，在600 W微波加熱3 min后，大豆分離蛋白的磷酸化水平達到35.72 mg/g，乳化活性和穩定性、溶解度增加，表觀黏度下降。電荷密度、巰基含量、表面疏水性顯著增加；酰胺Ι區和熒光光譜的變化暗示了大豆分離蛋白的二、三級結構變到一個緊湊的構象。相比常規磷酸化，微波輔助磷酸化處理SPI的時間要短得多。

沈蘭［33］通過測定溶解度、乳化性、疏水性和差示掃描量熱儀分析、圓二色光譜分析探討不同壓力微射流處理對大豆分離蛋白構象和功能特性的影響。不同壓力微射流處理誘導不溶性蛋白聚合物解聚，增加大豆分離蛋白的溶解度、乳化活性指數和疏水性。差示掃描量熱儀分析圖譜表明，處理后的大豆分離蛋白變性溫度基本維持不變，但變性焓值呈現下降趨勢。圓二色光譜分析表明，不同壓力微射流處理對大豆分離蛋白的二級、三級結構沒有明顯的影響。

3　結語

目前，物理處理被認為是當前最安全、最環保的處理方法，其潛在的應用價值十分巨大。物理處理既能滿足經濟效益對工業規模及技術的要求，又實現了有價值的增長。通過物理處理對大豆蛋白進行改性，生產出功能特性各異的大豆蛋白產品滿足現代工業及市場對食品生產加工過程及產品品質的需求已成為食品科學工作者關注研究的焦點。相信隨著科技的進步，更為簡潔、實用、高效、安全、環保的蛋白物理處理方法將不斷涌現，這對滿足世界人民對功能特性各異的專用大豆蛋白系列產品的需要具有重要意義。

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Application of Physical Treated Methods in the Structure and Functional Character of Soy Protein

WANG Yu-ting，WANG Xiao-yu，SUN Zhi-gang，FU Hong，XU Jing*
（College of Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

The physical methods（heat，ultrasound，high-pressure，high pressure homogenization，pulsed electric fields，microwave，micro-fluidization etc.）to treat soy protein were summarized.The structure and functional character transformations of physically modified soy protein were reviewed so as to provide a theoretical basis and technical support for the further application of soy protein.

soy protein；physical treatment；functional character；structure

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.13.049

國家自然科學基金（31301600）；中國博士后特別資助（2014T70306）；哈爾濱市應用技術研究與開發項目（2014RFQXJ123）；黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541008）

王昱婷（1989—），女（漢），碩士，研究方向：植物蛋白工程。

許晶，副教授，碩士生導師。

2015-06-15