熱處理及植酸與脂肪對豆漿中大豆蛋白凝膠體系的影響研究進展

谷雪蓮，孫冰玉，劉琳琳，王 歡，石彥國，呂銘守，朱秀清,*

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江省谷物食品與谷物資源綜合加工重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150028；2.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

豆漿作為大豆加工制品，屬于優質的植物蛋白飲料[1]。其營養價值高，對人體健康有益，可預防心腦血管疾病、缺鐵性貧血等，在人們日常生活中占有舉足輕重的位置，此外更受到牛奶過敏、乳糖不耐、低膽固醇血的特殊人群喜愛[2]，因此豆漿的生產具有重要的現實意義。豆漿加工是豆粉、豆花、豆腐等大豆制品生產過程中的重要一環，豆漿的品質對后續產品的品質起著關鍵作用[3-5]，因此對豆漿的生產工藝進行研究也能為其他相關產品生產提供技術支持。豆漿體系主要由大豆蛋白、大豆油脂、可溶性糖類及磷脂、異黃酮等功能活性因子組成，對豆漿品質特性影響的關鍵物質是大豆蛋白，而影響大豆蛋白結構和特性變化的主要因素是豆漿加工中的熱處理技術。

目前全球相關領域學者已經在熱處理對大豆蛋白結構和性質的影響方面進行了廣泛的研究，但其中大多數仍處于對大豆蛋白的解離締合行為進行理想條件下的實驗研究，很少深入分析大豆加工實際生產條件下大豆蛋白的解離締合狀態，尤其對于像豆漿這樣的混合體系，在不同熱處理條件下大豆蛋白的解離締合行為和不同成分與大豆蛋白互作對其解離締合行為的影響還沒有系統和全面的研究[6]。而對豆漿混合體系中大豆蛋白的解離締合行為進行研究和分析，有助于找出表征大豆蛋白變性狀態的指標以及根據實際加工生產要求控制大豆蛋白適度變性的條件。

本文綜述了熱處理過程中豆漿內大豆蛋白解離締合行為的研究進展，歸納了豆漿在熱處理條件下，混合體系中大豆蛋白的解離締合行為以及體系中其他成分與蛋白互作對其解離締合行為的影響，分析了相應條件下混合體系的解離締合反應模型，以期探究大豆蛋白混合體系的熱處理解離締合反應規律，為大豆食品的研究開發與應用提供科學依據。

1 豆漿中大豆蛋白組分狀態及其凝膠性

豆漿是從大豆中提取的膠體分散體，包含3.6%蛋白質、2.0%脂肪、2.9%碳水化合物和0.5%灰分[7]。因此，豆漿屬于一種混合體系。

豆漿中的蛋白質主要為大豆貯藏蛋白（大豆球蛋白和伴大豆球蛋白，沉降系數分別為11S和7S）。11S球蛋白是六聚體（300～380 kDa），通過二硫鍵鏈接組成亞基。7S球蛋白是三聚體（180～210 kDa）[8]。雖然7S和11S都具有相對穩定的四級結構，但當它們所處的環境（如酸堿度、溫度、共存物、超聲波處理等）改變時，可以發生解離（解聚）或締合反應[9-10]。大豆蛋白的三級結構被鹽鍵、氫鍵、疏水鍵、范德華力及二硫鍵等所穩定，二級結構被內部的主鏈氫鍵所穩定，因此容易被熱、酸、堿等所影響[11]。

凝膠性是大豆蛋白重要的功能性質，豆漿、豆花等傳統食品的生產加工則利用了這一特性[12]。豆漿中的大豆蛋白質分散于水中形成溶膠體，這種溶膠在一定條件下可以轉變為凝膠。凝膠的形成受很多因素影響，如蛋白質溶液的濃度、加熱溫度與時間、分散體系中其他組分[13-16]、pH值、離子濃度等[17-18]。適當的變性可以改善蛋白凝膠的狀態，但是過度的變性會產生負面影響[19]。在大豆蛋白質中，只有11S和7S組分才可以形成凝膠，而且11S組分形成凝膠的硬度、組織程度高于7S組分凝膠。7S組分變性的溫度在75 ℃左右，而11S的變性溫度在90 ℃左右；且蛋白質中11S比例的升高會導致凝膠彈性模量（G′）的增加[20]。Wu Chao等[21]研究發現當預熱大豆蛋白時，凝膠交聯作用顯著增強，且交聯情況取決于溫度和蛋白質濃度。表明大豆蛋白凝膠性可同時受多種因素協同作用，然而目前還沒有相對完整系統的解釋，多數影響因素還處于研究階段。且檢驗大豆蛋白功能性質最好的方法是在食品生產加工過程中，通過單元操作和最終的產品效果來鑒定。

2 熱處理過程中影響豆漿內大豆蛋白解離締合行為的因素

2.1 鈣、鎂、植酸鹽的影響

植酸含有6 個磷酸基團，因此能夠螯合鈣、鎂等金屬離子[22]。植酸鹽和金屬離子以各種形式存在于豆漿中，它們之間的結合方式會隨著豆漿熱處理過程中大豆蛋白結構的改變而發生變化。有證據表明，蛋白質的凝固反應發生在小分子（主要是植酸鹽等多酸離子）與Ca2+相互作用形成可結合物質之后，表現為蛋白質分子聚集、生長并形成網絡[23]。Wang Ruican等[15]研究植酸鹽與大豆蛋白在熱處理過程中的相互作用，發現與生豆漿相比，經熱處理后的豆漿中約有三分之一的植酸鹽附著在蛋白質上，并結合到蛋白質聚集體中。并且通過對純蛋白溶液進行研究之后發現，11S結合植酸的能力比7S更高。

2.2 脂肪的影響

未經加熱的豆漿中油脂主要存在于顆粒組分中。當加熱溫度從65 ℃升高至75 ℃時，脂質的一部分以及幾乎所有的α和α′亞基和β-球蛋白在顆粒組分中釋放并向可溶性組分移動。在75 ℃下加熱時，可溶部分和顆粒部分中的脂質開始釋放并轉移到浮動部分。在90 ℃時，幾乎所有的脂質（中性脂質）都轉移到了浮動部分，一半的磷脂保留在顆粒中[24-25]。

加熱生豆漿時，大豆蛋白的亞基發生變性、解離，隨后聚集形成大小、組分和分子結構不均勻的顆粒。變性大豆蛋白和脂質間的離子或酸誘導的凝固作用導致豆奶凝膠化[26]。油脂的添加量對豆漿形成不同類型的凝膠影響是有差異的，隨著油脂體積的增加，酸誘導凝膠的儲能模量降低，鹽誘導凝膠的儲能模量升高[27]。添加脂肪的大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）制備的凝膠與未添加脂肪的凝膠相比，凝膠化行為的表現不同，脂肪作為填料會影響SPI凝膠的硬度和凝膠性能[28]。

3 熱處理過程中影響豆漿混合體系解離締合行為的因素

3.1 加熱方式的影響

豆漿加工中有不同的熱處理方式，按照豆漿受熱處理時的壓力程度可以分為減壓、常壓、微壓、高壓、超高壓熱處理。

3.1.1 減壓熱處理

豆漿的生產及后續加工中需要提高固形物含量，因此需要對其進行蒸發。由于豆漿屬于熱敏性物料[29]，因此真空減壓濃縮應用廣泛，通過減壓降低豆漿中水的沸點，使水分在較低的溫度下蒸發除去，達到提高固形物含量的目的。盡管超濾也可以達到提升固形物含量的目的[30]，且無需熱處理，但是不適用于工業化生產；相比之下，真空濃縮的蒸發過程趨向于連續操作，與超濾等其他過程相比，可以容納大量的輸入材料。日本學者Shimoyamada等[31]研究了適度加熱真空蒸發對豆奶黏度的影響，利用超速離心法分析脂質和蛋白質的分布，發現在較高含量固形物范圍內油滴平均粒徑和超速離心后的懸浮物比例增大，表現為蛋白質顆粒和油滴的聚集，也就是促進了油脂和蛋白質顆粒之間的相互作用。由于豆漿的真空濃縮是一個復雜的動態過程，豆漿中大豆蛋白受其中很多因素共同影響，因此至今還沒有對真空濃縮下大豆蛋白結構和性質如何變化進行機理層面的解釋，多為對濃縮過程的工藝優化。

3.1.2 常壓熱處理

常壓熱處理是最為常見的傳統煮漿方式，即采用煮漿設備對豆漿直接進行傳導加熱。對豆漿熱處理方式的大部分研究都以常壓傳統煮漿為對照，分析其他煮漿方式與傳統煮漿的區別[32]。大豆磨漿前進行高溫漂燙是一種常壓的豆漿熱處理方式，可以有效地去除豆腥味，和傳統的制備方法相比，高溫漂燙會對蛋白質聚集產生額外的影響[33]，7S預先發生變性，使其在研磨加工前保持固定和聚集。固有熒光光譜顯示熱燙豆漿的光譜發生了紅移，顆粒的表面疏水性顯著提高，熱燙過程可以改變豆漿顆粒的變性和聚集機理，使部分油體與顆粒蛋白結合起來[4]。

3.1.3 微壓熱處理

施小迪等[34]于2016年深入研究微壓煮漿技術，微壓煮漿，即采用密閉容器底部通入蒸汽，使體系壓力達到0.08～0.10 MPa的微壓環境，此技術顯著降低豆漿的豆腥味，煮漿時間10 min時，風味改善效果最佳。Zuo Feng等[35]對微壓煮漿加熱方式與傳統煮漿進行對比研究，發現微壓煮漿可增加豆乳膠體蛋白粒子的Zeta電位、含量及黏度，但沒有改變豆乳中蛋白和脂肪的相互作用；通過超高速離心發現，形成了與傳統煮漿豆乳明顯結構性質不同的一種新的蛋白粒子；并且蛋白粒子含量越高，形成的豆腐網絡結構越堅實，硬度、彈性、咀嚼性等質構指標數值越大。微壓煮漿還影響了豆乳蛋白粒子和非蛋白粒子的組成，使Ca2+誘導蛋白質形成凝膠的過程變得緩慢，導致豆腐產率及持水力提高。另外，兩段式微壓煮漿會導致豆乳中蛋白粒子含量增多，凝膠更堅實[36-37]。

3.1.4 高壓熱處理

高壓均質是大豆加工中常見的技術，可以使懸濁液達到均質的效果。在動態高壓均質過程中，流體會被迫在高壓下通過均質閥。由于均質閥區域強烈的摩擦，通過窄間隙的通道和流體的突然減壓會導致速度增加和溫度升高（大約每10 MPa壓力增加1.5～2.5 ℃）[38]。高壓均質分為動態高壓均質和靜態高壓均質，動態高壓均質下蛋白乳狀液受高壓高剪切的作用，在靜態高壓均質下蛋白乳狀液受靜水壓力的影響。動態高壓均質通過影響氫鍵和疏水相互作用來改變大豆蛋白的構象，對蛋白一級構象沒有影響，對二級結構有輕微影響，破壞大多數球狀蛋白三、四級結構，對蛋白質構象有明顯的修飾作用[39]。有研究顯示，11S和7S經高壓均質后變性溫度上升，推遲了11S凝膠化的開始[40]；且隨著壓力增加，7S和SPI的聚集物濃度降低，可溶性聚集物尺寸增加[41]，可改善乳液凝膠的持水力及凝膠強度；在較高的壓力下，乳液可形成更穩定的各向同性網絡凝膠結構[42]。高壓均質協同熱處理也逐漸應用于食品加工，已有利用選擇性熱變性協同高壓均質制備綠豆豆腐的研究[43]。

3.1.5 超高壓熱處理

部分學者利用超高壓技術對大豆蛋白進行研究，發現超高壓可改變蛋白的結構，增加SPI的柔性，暴露出更多的酶切位點[44]。超高壓可改變豆漿蛋白的高級結構，提高了11S的穩定性，但降低了7S的熱穩定性[45]，促進了7S的凝膠化，且隨著超高壓處理強度的增加，SPI和7S樣品的凝膠基質形成起始溫度越來越低[46-47]，疏水相互作用的增強和二硫鍵含量的增加導致7S和11S的不同多肽形成可溶性高分子聚集體。且超高壓處理弱化了蛋白分子內氫鍵及疏水相互作用，大豆蛋白結構部分折疊，進而改變與過敏相關的抗原表位，降低致敏性[48]。現實生產過程中超高壓往往應用于均質，有研究表明隨著高壓均質化壓力的增加，SPI乳液的強度增加。但當超高壓與熱處理相結合時，可以明顯改善蛋白質溶解性和物理穩定性，大大縮短處理時間和降低能源成本[49]。與常壓熱處理相比，超高壓均質處理導致豆漿蛋白粒徑顯著減小，從而導致樣品具有較高的物理穩定性[50]。

不同壓力下熱處理對豆漿混合體系的影響如表1所示。

表1 不同壓力下熱處理對豆漿混合體系的影響Table 1 Effect of heat treatment under different pressures on properties of soybean milk system

3.2 加熱溫度的影響

熱處理溫度是影響蛋白質結構功能性質的最主要因素之一，當熱處理溫度過低時，未能達到蛋白質變性程度，則蛋白質的球狀結構仍處于相對穩定狀態，巰基等基團被包裹于蛋白分子內部，靜電斥力也處于平衡位置。蛋白質聚集體含量也受加熱溫度的影響，高溫（≥80 ℃）下豆漿會受熱產生變性，促進大分子蛋白質聚集體的形成[51]。

SPI在4～25 ℃及40～60 ℃范圍內隨溫度升高黏度下降的趨勢比較明顯，是因為溫度較低時分子間氫鍵有較強的作用，剛開始加熱時，黏度的下降是因為溫度破壞了氫鍵，50 ℃后繼續加熱分子結構迅速被破壞，也導致黏度迅速下降[52]。并且溫度低于70 ℃時蛋白溶液不能形成凝膠。隨著加熱溫度上升，SPI亞基解離加劇，SPI的β-折疊含量明顯下降，無規卷曲含量顯著上升，自由氨基濃度、自由巰基含量及表面疏水性呈上升趨勢，SPI凝膠強度先上升后降低，凝膠失水率呈下降趨勢，凝膠硬度穩步增加，在95 ℃時達到最大。此過程中蛋白分子運動加劇，分子間碰撞機會增加，從而相互交聯形成凝膠。但溫度過高則蛋白質發生熱溶解，成為亞溶膠[53]。楊嵐[54]研究不同熱處理強度下酸誘導和鹽誘導凝膠及乳液凝膠的硬度和持水性，根據熱處理溫度和時間得到了最優硬度及最優持水性擬合方程。

3.3 加熱時間的影響

熱處理的溫度和時間是熱處理過程中不可忽視的因素，熱處理的程度以及蛋白質變性程度的大小都取決于熱處理的溫度和時間，然而目前大多數研究關于二者對蛋白結構的影響分析上還是整體進行的。事實上，不同的熱處理方法下，可以分別調節熱處理溫度和時間最終達到相同的熱處理效果。相同的熱處理方法下，較高溫度較短時間可以與較低溫度較長時間達到相近的熱處理效果。

熱處理時間的長短影響蛋白質分子的變性程度及形成聚集體的大小和數量，且蛋白聚集體在加熱初期尺寸增長較快，隨著時間的逐漸延長，聚集體尺寸逐漸下降。并且，熱處理時間還是決定凝膠性質的基本因素[55]。當熱處理溫度不變，時間從5 min延長到60 min時，SPI中自由氨基濃度不斷增加，自由巰基含量及表面疏水性先增加后降低，SPI形成的凝膠強度呈上升趨勢，凝膠失水率呈下降趨勢[56]。高長城等[57]研究發現凝膠強度隨加熱時間延長而逐漸提高，在加熱15 min后，加熱時間過長，導致蛋白上的巰基被氧化，分子間可形成的二硫鍵減少，導致凝膠強度有所降低。源博恩[58]發現在中性條件下90 ℃加熱，0～30 min內大豆蛋白發生亞基解離，30～60 min之間大豆蛋白發生聚集。且熱處理后，培養時間越長，最后形成的凝膠彈性模量越高[55]。

4 熱處理過程中豆漿內大豆蛋白解離締合反應機理

4.1 豆漿中不同成分與大豆蛋白混合體系凝膠解離締合反應機理

4.1.1 植酸的影響

Wang Ruican等[15]研究植酸鹽對熱誘導的蛋白質聚集和豆奶蛋白顆粒形成的影響，發現在豆漿加熱至高溫時，出現一個關鍵的“開放期”（圖1），大豆蛋白結構展開，解離出酸性多肽和堿性多肽，此時大量的內部堿性氨基酸暴露在表面，從而吸引植酸鹽與其結合。并且隨著植酸鹽與堿性多肽的結合，可以在一定程度上抑制α、α′亞基和酸性多肽的結合，使顆粒蛋白比例下降。植酸鹽可使蛋白質表面負電荷數量增加，進一步增強11S的溶解度并抑制其熱聚集。

圖1 豆乳蛋白質熱變性過程中植酸蛋白結合機理的預測[15]Fig.1 Prediction of the mechanism of phytic acid-protein binding during thermal denaturation of soybean milk protein[15]

4.1.2 脂肪的影響

在向SPI添加油脂的實驗中發現，豆油的添加量越高，蛋白凝膠的硬度越大，持水力越強，由此推測是由于蛋白-油脂相互作用的增強和網絡結構中較小油滴的活性填充作用引起的[16]。

如圖2所示，在豆漿加熱前，大豆中存在完整的油體，通過浸泡和研磨，油體的外源蛋白（油體蛋白）通過非共價（11S、7S）和共價（P34-24 kDa油體蛋白和7S（α′/α）-SS-P34-24 kDa油體蛋白，P34是24、18 kDa油體蛋白的巰基蛋白酶）的相互作用與完整的油體結合。通過加熱，蛋白酶發生變性，外源蛋白展開。7S被解離成其游離亞基（α′、α和β），通過巰基/二硫鍵交換反應裂解11S酸性肽鏈（A）和堿性肽鏈（B）中的鏈間二硫鍵，形成A單體和含有A和/或B的二硫鍵連接產物，P34和24 kDa油體蛋白之間共價相互作用釋放P34和α′/α-SS-P34。同時，每個油體被其周圍的油體和游離蛋白碰撞，將外源蛋白的殘留疏水位點嵌入到三酰基甘油基質中，大豆蛋白7S和11S組分中的疏水蛋白（B和β）有很高的嵌入概率。包埋外源蛋白對油體進行了修飾，部分油體被聚結成不同粒徑的油滴，并對油滴也進行了修飾。當包埋的蛋白質量達到臨界值時，油體和油滴的表面被油體蛋白、磷脂和外源蛋白完全包埋，可能會抑制進一步的聚結。在較高的溫度下，外源蛋白可以更快地從油體中去除，并且可以減少被嵌入到三酰基甘油基質中的蛋白質；故較大油滴的形成使油體表面被其覆蓋[59]。

圖2 熱處理狀態下豆漿中油脂和蛋白的解離締合行為[27,59]Fig.2 Dissociation and association behaviors of lipids and proteins in soybean milk under heat treatment[27,59]

4.2 豆漿復合體系中蛋白亞基解離締合反應機理

加熱生豆漿時，大豆蛋白亞基發生變性，導致其組分發生變化，解離后聚集形成大小、成分和分子結構不均勻的顆粒[27]。通過差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）分析發現大豆蛋白在加熱過程中會出現兩個峰，65.3～70.9 ℃的峰表明7S發生了變性，85.6～92.0 ℃的峰表明了11S發生了變性[20]。因此有研究者根據11S和7S變性溫度不同，提出了采取兩步加熱法來處理豆漿，達到控制豆漿中大豆蛋白適度變性的效果，其中黏度變化證明這種選擇性變性改變了大豆蛋白的聚集狀態[60]。這是由于一步加熱即傳統加熱過程中11S和7S都發生變性，解離之后彼此亞基之間締合起來，形成新的聚集狀態。而分步加熱則使7S首先變性，隨后11S再發生變性，11S解離出來的部分亞基會和先變性的7S形成的新網絡結合起來，使構象發生變化。

Nik等[61]發現未加熱的豆漿呈現出大顆粒的雙峰分布，經過加熱和均質熱處理之后，粒徑分布減小。同樣的結果也被Giri等[3]發現，未加熱的豆漿在離心過程中表現出較大的平均粒徑、較寬的粒徑分布和顯著的蛋白質沉淀。加熱后豆漿粒徑大小分布降低、穩定性提高。Ren Chengang等[62]利用脫脂豆漿研究熱處理對蛋白質顆粒結構的影響，通過研究蛋白顆粒中各種多肽之間的結合方式，發現豆漿在加熱時蛋白質分解、重新排列和聚集形成蛋白質顆粒（圖3）。聚集體主要由11S的二硫鍵堿性多肽和酸性多肽組成，此外還有極少量的7S和α、α′亞基。其中7S和11S的部分單體亞基作為結構單元，11S的堿性亞基（B）和7S的β亞基傾向于形成新顆粒的核心蛋白質，主要通過非共價鍵相互作用，特別是疏水相互作用和氫鍵相互作用形成蛋白質顆粒。聚集體中的二硫鍵堿性多肽應位于蛋白質顆粒內部，而酸性、α、α′亞基具有較高的親水性，應位于核心周圍。另外，7S對大蛋白顆粒的形成有抑制作用[63]。Wang Yahui等[33]研究熱燙豆奶中蛋白質沉淀形成的原因，發現與傳統的豆漿制備方法相比，熱燙改變了蛋白質顆粒的熱聚集行為，熱燙過程中7S發生變性，導致7S在研磨加工前發生固定和聚集。因此7S失去了對其他蛋白質聚集生長的抑制能力[64]。

圖3 熱處理對豆漿中蛋白組分的影響[62-64]Fig.3 Effect of heat treatment on protein components in soybean milk[62-64]

5 結 語

大豆蛋白的解離締合行為是現如今的熱點，國內外學者已經對大豆蛋白及其亞基在熱處理條件下的凝膠行為進行了基礎的研究，但目前不足的是對類似豆漿這種蛋白和其他物質混合體系的解離締合行為還沒有系統地闡明，豆漿經熱加工后的內在變化機理仍然沒有相對全面的闡述。尤其是豆漿的濃縮工藝，盡管工廠在生產加工中可以得到理想化的豆漿或豆粉，但是沒有完善的機理可以解釋這一現象。還需要在純蛋白的研究基礎上，考慮實際的生產條件，模擬加工過程中的熱處理條件以及添加的輔料，從機理方面深入探究蛋白以及蛋白與其他物質互作發生的解離締合行為，才有助于尋找表征蛋白變性程度的指標及探究能使蛋白適度變性的條件，才能指導豆漿及其相關產業的生產加工。