大豆分离蛋白改性技术的研究与发展趋势

怀宝东，张东杰 *，钱丽丽，王 颖，李佩然

（1.黑龙江八一农垦大学 食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省农垦科学院，黑龙江 佳木斯 154007）

大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）是近年来随油脂工业发展而兴起的新兴产业，通常是由脱脂豆粕加工而成，因其高蛋白含量添加到食品中可以有效地提高产品的营养价值，并且在食品中可以体现出不同的功能特性，如影响食品的感官特性，对食品在制造、加工和保藏过程中的物理、化学性质起着重要的作用，因此SPI被广泛应用于食品加工的诸多领域[1-2]。目前，美国和日本针对SPI高功能特性的工艺开发处于领先水平，其产品可以细分为高分散性、高乳化性和高凝胶性等多个产品，己将其应用于鱼制品、肉制品、面制品、冷食制品、糖制品和饮料制品中；国内产品性能与国外差距明显，虽然经多年实践研发出不同功能性的SPI，并取得了很多自主知识产权，但由于功能性质与国外相比较差，价格优势不明显，仍被国外产品占据较大市场，因此，国产的SPI在工业上的应用仅限于肉制品方面[3]。主要原因是SPI的功能性质还不能满足现代食品加工的需求；SPI易产生异味；有些SPI营养成分的生物有效利用率不高；SPI可能含有一些蓄积性毒性物质等。因此加强或改善大豆蛋白的功能特性，成为食品加工工业亟待解决的问题。为了更好地发挥SPI的功能特性，国内外学者对SPI进行不同程度不同方面的改性，使其应用领域更广阔。本文总结当前的SPI改性方法，并根据当前的研究现状及存在的问题，对今后发展提出几点展望。

1 SPI的基本组成和功能特性

SPI的主要成分是11 S球蛋白和7 S球蛋白，其蛋白含量约占大豆籽粒的70%[4]。由于这两种球蛋白在分子结构、构象和在SPI中所占蛋白比例的显著不同，导致SPI的功能特性存在较大差异，体现3种特性：（1）水合特性：分散性、溶解性、持水性、增稠性、溶胀性、润湿性及脱水收缩作用等，溶解性在饮料工业及功能食品工业中被广泛应用；（2）乳化特性：乳化性、发泡性、持水及持油性，冰淇淋等冷冻食品、汤类食品的加工利用其乳化性，而持水和持油性针对于高级糕点和面包加工业；（3）流变和质构特性：凝胶性、弹性、黏附性、内聚性、咀嚼性等[5]，鱼肉制品工业和乳酪利用其凝胶性，黏附性针对于糊状食品工业。

2 SPI改性方法及研究进展

SPI的改性是通过改变蛋白质基本结构，进而改变其理化性质，从而加强和改善蛋白质的理化性能和功能特性，同时抑制酶的活性或除去有害物质，达到去除异味和提高营养物质的利用率的目的[6]。分子水平研究表明，改性的原理是通过对蛋白质分子的主链或侧链基团进行修饰，从而引发蛋白质理化性质和空间结构的改变，达到改善功能特性的目的。目前研究热点主要集中在物理改性、化学改性、酶法改性和基因工程改性[7-8]。

2.1 SPI的物理改性

物理改性是利用超滤、超声波、热处理和机械作用等手段对蛋白质分子的结构和聚集方式作出改变。其原理是在外力条件的控制下对蛋白质结构的定向变形，不涉及一级结构。目前改性研究常采用的方法包括：超高压、微波辐射、热处理和超声波等。

超高压改性是利用高压技术手段改变蛋白质的构造，影响蛋白质分子聚集形态或蛋白质分子的变性。袁道强等[9]、苏丹等[10]、涂宗财等[11]和王章存等[12]对超高压改性技术进行了研究，结果表明，SPI经超高压技术处理，蛋白质水合特性的改变最为明显，溶解性、持水性指标显著增大，凝胶性、乳化性和乳化稳定性等指标均不同程度的增大，其他指标特性未见变化。

微波辐照改性是利用电磁波对蛋白质极性分子产生剧烈的振动，导致其分子结构改变达到改性效果。陈剑兵等[13]、熊犍等[14]、张春红等[15]和蔡建荣等[16]对微波改性技术进行了研究，结果表明，经改性的SPI溶解性、乳化稳定性、乳化性和泡沫稳定性指标均显著提高，其中溶解性指标增加95.31%，乳化性指标增加52.37%，乳化稳定性指标增加56.54%，泡沫稳定性指标增加82.76%。增大微波功率和延长加热时间，显著变化的功能特性指标呈现降低趋势，其他功能特性未见变化。

热处理改性是利用加热手段使蛋白质结构发生变化，达到改性目的，包括肽键的水解、氨基酸侧链的改变和蛋白质分子间的缩合作用。郭凤仙等[17]、张海瑞等[18]对热处理改性技术进行了研究，结果表明，经改性的SPI起泡性、凝胶性和起泡性指标显著提高，乳化性和泡沫稳定性指标降低较大，其加热温度过高和处理时间过长均影响SPI改性后的特性。

超声波改性是利用超声波方法对蛋白质分子进行高速振动取得改性效果。孙燕婷等[19]、王小英等[20]、袁道强等[21]和杨会丽等[22]研究表明：改性SPI溶解性、凝胶性和乳化性指标明显提高，表观黏度值下降。SPI膜拉伸强度增大，水蒸气透过系数降低，并且超声波功率和膜强度成正相关。

将上述4种常用的物理改性方法进行对比分析，改性后SPI的分散性和分散稳定性均有所提高，其中微波辐射改性效果最好；超声波针对提高SPI乳化性和乳化稳定性效果比其他方法明显；超高压对于提高SPI起泡稳定性作用比超声波和紫外辐射作用明显；热处理方法能够提高SPI黏度指标，其他方法均使黏度值降低。通过对改性SPI基本结构的电泳分析表明，上述改性方法对SPI的相对分子质量未产生变化，对其结构的改变影响较小。

2.2 SPI的化学改性

化学改性的实质是添加多种化学试剂改变蛋白质分子结构、电荷和巯水基等多种功能基团，达到改善SPI功能特性的目的。宏观上通过化学手段对SPI结构进行修饰；微观上通过特定的试剂，将SPI化学衍生化发生特定的基团反应。化学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

酰化反应的特点是反应过程温和、酰化试剂常用易购买、反应过程可逆等。姚玉静等[23]对SPI乙酰化改性方法进行研究，结果表明，在最适pH值范围5.0～9.0时，乙酰化改性能够提高SPI的乳化性、乳化稳定性和发泡性等指标，并与酰化程度呈正相关。郭东权等[24]采用乙酸酐对SPI 分子结构上的氨基进行改性，改性后SPI 的网络结构得到增强。

2.2.2 磷酸化法改性

磷酸化改性能够有效的提高SPI 的功能特性，其实质是赖氨酸残基的氨基磷酸酯化反应。溶解性、乳化性、起泡性、黏度及持水能力都有所改善[25]。申世强等[26]用三氯氧磷改性研究，改性过程中等电点由4.25降至3.75，乳化性和溶解性等特性不同程度增大。陈俊高等[27]研究的改性SPI 乳化活性为0.785，比未改性提高了168%；乳化稳定性为26.2，比未改性提高了47%。

2.2.3 硫醇化法改性

巯基和二硫键作为蛋白质的主要基团影响其功能特性[28]。硫醇化改性的实质是通过蛋白质分子间和分子内的巯基和二硫键断裂，亚基自由伸展，从而将疏水基暴露，改善SPI的功能特性。黄曼等[29]采用化学变性剂十二烷基磺酸钠（sodium dodecyl sulfonate，SDS）和脲对SPI进行改性，当浓度值为1.0%和3 mol/L时，疏水性指标相对最大，并且浓度值与变性程度呈正相关。

2.2.4 糖基化法改性

糖基化改性是蛋白质分子中的氨基与羰基发生美拉德反应导致蛋白质—糖系统功能性发生变化，从而影响SPI功能特性。研究表明，经半乳糖甘露聚糖糖基化改性后的SPI 具有较好的溶解性、乳化性和热稳定性；经糖基化反应的SPI 抗氧化能力得到加强，在食品贮藏期间提高其保质期。AOKI T等[30]利用卵清蛋白与葡萄糖醛酸进行糖基化改性，产物葡萄糖醛酸共扼物能够快速生成，并具有较好的乳化性和热稳定性。

将上述改性方法综合比较，目前常用的改性方法是磷酸化与乙酰化，其中乙酰化比磷酸化改性效果较好[31]。目前接枝改性技术成为人们研究的热点，主要是通过改性处理使蛋白质链上的氨基酸残基与多肽链发生改变，从而提高SPI 的功能特性和营养价值。目前化学改性所涉及到的研究还需要深入，困扰化学改性发展的主要问题是改性后的毒副产物所涉及到的安全性问题，因此目前化学改性只能应用于理论研究。通过化学改性方法的研究认清SPI 中蛋白质结构与功能特性的关系，为可操作、反应温和、食用安全的改性方法提供理论依据。

2.3 酶法改性

蛋白酶改性是利用蛋白酶的水解作用将蛋白质分子内切或外切成较小分子，增加蛋白质分子内或分子间的交联或特殊基团的功能，从而改变蛋白质功能特性。蛋白酶改性方法相比其他改性方法所具有的优点①反应过程快速温和，无有毒副产物产生；②水解作用平衡后，产品含盐量极少且功能特性指标针对特定的蛋白酶和反应条件予以控制；③SPI 水解后小分子蛋白增多利于营养的吸收。酶改性技术针对SPI改性的应用是创新，目前针对酶改性的优点成为人们研究的热点。

酶改性技术选用的酶可分为动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶，目前针对这3种来源蛋白酶的研究表明：动物蛋白酶可提高SPI的溶解性和乳化性，降低苦味肽的含量等具有显著作用，但部分动物蛋白酶价格昂贵、酶活力较低，水解作用平衡时间长，效率低等因素制约动物蛋白酶改性技术的发展。植物蛋白酶研究较多的是木瓜蛋白酶，水解液的溶解性、乳化性和发泡指标显著增加，但酶制剂来源少、活力低，无法应用于工业化生产。近年来微生物蛋白酶应用技术的逐渐成熟，来源广、价格低、酶学性质优良，成为理想的酶源。如碱性蛋白酶（alkaline protease）在动物、植物和微生物中广泛存在，并能够较好的水解肽键、酯键和酰胺键，因此微生物蛋白酶改性方法优于动物蛋白酶及植物蛋白酶改性。徐红华等[32]针对动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶改性效果进行对比研究，选用胰蛋白酶、米曲蛋白酶和木瓜蛋白酶参与水解，以乳化性、溶解性和起泡性指标为衡量标准，结果表明微生物蛋白酶水解改性效果最好。张毅方等[33]、吴琼等[34]利用碱性蛋白酶水解SPI，在最佳的水解条件下得到SPI的功能特性指标均显著提高。RAMIREZ-SUÁREZ J C等[35]研究转谷氨酰胺酶（MTGase）水解SPI，增加蛋白分子中的疏水基团的暴露，使水解液在较低的底物浓度下仍能形成网络结构，提高SPI的凝胶性指标。WALSH D J等[36]采用碱性蛋白酶对SPI进行水解后，再利用谷氨酰转移酶交联化复合处理，在酸性条件下显著提高溶解度指标，水解度2%时溶解度最大，在低酸性食品和饮料中具有广泛用途。钟振声等[37]、黄浩等[38]利用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶进行水解，通过对水解度指标进行考察，复合酶制剂均优于单一酶制剂水解效果。

我国食品级酶制剂开发较晚，与发达国家存在很大的差距，存在酶制剂来源少，酶学性质低等问题[39]。因此，需要研制SPI改性的酶制剂能够针对专一功能特性，价格低廉，水解后苦味肽含量较低。单一蛋白酶改性研究工艺虽日趋成熟，但对其功能特性改善幅度较小，改性后多种功能性状发生改变，而只针对某一种功能特性的改善还很不理想。今后的研究方向应将多种蛋白酶复配协同改善SPI功能特性，随着蛋白酶作用机理及功能特性与结构关系的深入研究，改性工艺及产品功能性状将会得到极大的提高，将为企业创造更多的经济效益。

2.4 生物工程改性

生物工程改性是指应用分子生物技术和植物育种技术对蛋白质分子的微观结构进行修饰，达到改善SPI功能性质。目前改变蛋白组成和苦味肽的研究还处于理论阶段，成功的案例少之又少。但通过分子生物学手段对基因工程菌的构建成为研究的热点，这主要是因为蛋白酶菌株经多年工艺筛选，产量及酶学活性很难提高，目前所选用的多数为芽孢杆菌类菌株，通过对蛋白酶基因片段的重组表达，增强蛋白酶的酶学性质。

3 结语

现代食品加工对SPI 功能性的要求越来越高，更重要的是人们对绿色安全食品的关注，促使食品研究者选择安全、可靠实用的生产方法改性SPI 性质，满足生产和生活的需要。目前SPI改性存在的主要问题：①安全性问题，参与反应的化学试剂残留量是否有害，基因工程改性是否安全；②生产费用，用于改性的化学试剂和酶价格昂贵，尤其是酶，我国可供食品级蛋白酶品种甚少，更增加成本；③产品感官问题，不良风味（肥皂味、苦味）的产生；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。当前化学改性出于安全性的考虑，多采用基础理论的分析手段，认识蛋白质的结构与功能的关系，为寻找可行的、温和的、安全的改性方法提供依据。生物工程改性虽然潜力巨大，但转基因产品安全性令世人心存疑虑，难以短时期内实现；物理改性虽然具有安全性好、作用时间短及对营养性质影响较小等优点，但改性效果并不十分明显；酶制剂改性SPI作用效果显著且安全可靠，动物酶和植物酶因其提取生产复杂，价格昂贵，不适合工业化生产而逐渐受限，微生物酶具有原料价格低廉、效果显著、安全性高等优点，将会在未来酶生产行业中占主导地位。

目前国内外蛋白改性技术的研究主要针对SPI专一功能特性的改善，而当前改性技术对SPI的多种功能性质进行了改变，而所需要的专一特性改善幅度不大成为急需解决的问题，SPI 复合改性在我国是一种新的尝试，物理方法与酶法复合、化学方法与酶法复合及其多种酶复合改性SPI 达到更加理想的效果将成为今后的发展趋势；其次，用生物工程方法构建生物工程菌株产微生物蛋白酶，扩宽蛋白酶应用范围的研究会越来越受到欢迎；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质，将SPI在酸性条件下利用不同蛋白等电点不同原理，将SPI分级沉降得到组份一致的蛋白质，将其进行改性得到专一性状的SPI成为研究热点。我国SPI 加工与应用仍落后于发达国家，推广SPI 制品在食品工业中的普及应用是我国进一步利用开发植物蛋白的重要课题，更是提高农副产品的利润空间与精深加工未来的发展方向。

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