大豆分离蛋白聚集体及凝胶制品的研究进展

李倩如 ，熊 瑶 ，叶 倩 ，林嘉诺 ， 张龙涛 ，郑宝东

（1.福建农林大学食品科学学院，福建福州350002；2.中爱国际合作食品物质学与结构设计研究中心，福建福州 350002；3.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建福州 350002）

大豆低温浸提法榨油后产生的副产物——低温豆粕，经过碱提酸沉的工艺，得到大豆分离蛋白（Soy protein isolate，SPI），其蛋白含量高[1]、氨基酸组成平衡[2]，具有良好的功能特性[3-7]，如凝胶性[8-11]、结膜性[12-19]和乳化性[20-24]等，被作为重要的食品配料，广泛地应用于食品工业中，其中SPI的凝胶特性的被关注度最高，应用也最广泛。

长期以来，SPI的凝胶过程得到广泛的研究[25]。通过调控外界条件，如离子强度、热处理方式等，大豆蛋白质可遵循不同的机理，经过不同的途径形成不同类型的聚集体和凝胶制品。就SPI聚集体和凝胶的形成机理、SPI聚集对大豆蛋白凝胶的影响进行综述，为进一步探索SPI聚集和成胶的机理，以及通过控制大豆蛋白的聚集行为调控大豆蛋白凝胶的物化性质提供一定的参考。

1 大豆蛋白聚集体的形成机理

蛋白聚集的机理常被分为5个阶段：①变性展开。蛋白质受外界条件的影响，变性展开后其分子构象发生改变，从天然（折叠）状态变为展开状态，二级、三级和四级结构受到不同程度的破坏，分子内部基团被暴露出来。②寡聚体的形成。暴露的各基团间相互连接，形成可逆的寡聚体。③成核。寡聚体间进一步发生不可逆的聚集，即形成聚集体的核心。④聚合。变性蛋白质和聚集体的核心，在化学作用力下相互连接，形成更大的聚集体。⑤凝聚。聚集体间进一步结合，形成分子量更大的凝聚体[26-28]。

处理条件的不同会导致大豆蛋白质高级结构被破坏的程度不同，基团暴露的程度不同，寡聚体和蛋白质间的相互作用程度也不相同。因而，通过改变外界条件，可以调控SPI的聚集行为，形成性质各异的大豆蛋白聚集体。

2 大豆蛋白凝胶的形成机理

蛋白凝胶是指蛋白质发生聚集后，聚集体间进一步形成的网络结构，此过程涉及到蛋白多聚体之间、多聚体与溶剂之间、引力和斥力的相互平衡[29]。当蛋白质形成聚集体后，通过加热或添加各类凝固剂（如酸类、盐类凝固剂等），会形成大豆蛋白热致凝胶或冷致凝胶，其区别在于蛋白浓度的高低与成胶的方式。

在大豆蛋白热致凝胶形成过程中，蛋白浓度高，其变性、聚集和胶凝过程同时发生，加热冷却后便可凝固成胶。当蛋白浓度较低时，加热冷却后只能形成蛋白聚集体或者沉淀，因而需要通过添加其他物质，改变蛋白体系的pH值或离子强度，进而成胶，蛋白质变性和胶凝过程被分开。

根据加入凝固剂的作用机理不同，大豆蛋白冷凝胶又被分为酸凝胶和盐凝胶。当加入酸类凝固剂时，其逐渐溶于水中，酸性基团离子H+被释放，中和了大豆蛋白的表面电荷，使蛋白聚集体系的pH值下降，大豆蛋白在其等电点附近发生沉降，逐渐凝固成胶。对于盐类凝固剂，除具有调控蛋白体系等电点的作用外，某些二价盐离子（如Ca2+，Mg2+等）还具有盐桥的作用，这些作用共同参与蛋白凝胶网络的形成。

凝胶作用是大豆蛋白重要的功能性质之一，凝胶对大豆蛋白制品及其衍生物的品质（如豆腐、香肠、鱼糜等）具有极其重要的调控作用[3]。大豆蛋白聚集体作为大豆蛋白凝胶的前体，探索其对大豆蛋白凝胶的影响，对调控大豆蛋白的凝胶特性具有重要意义。

3 大豆蛋白质聚集对大豆蛋白凝胶的影响

3.1 不同类型大豆蛋白聚集体对大豆蛋白凝胶的影响

大豆蛋白处理时的条件（蛋白质浓度、pH值、加热温度）等对形成的蛋白聚集体的类型（溶解性、展开情况、聚集结构等）有显著影响。

大豆蛋白聚集体根据其大小和溶解性，可以分为可溶性聚集体和不溶性聚集体。王洪晶[30]发现可溶性的大豆蛋白聚集体会增强SPI凝胶的物化性质，而不溶性的大豆蛋白聚集体则会损坏SPI凝胶的物化性质，这是因为在凝胶过程中，蛋白亚基间的共价作用使得不溶性的蛋白聚集体无法解离或充分伸展，因而凝胶的形成受到阻碍。

研究表明，大豆蛋白的浓度越大，形成的聚集体的粒径越大，形成的凝胶的持水性和凝胶强度也越高[31]。在不同的pH值环境下，可以制得性质明显不同的2种类型的聚集体[32]，无定形聚集（中性环境，pH值7.0） 和纤维状聚集（酸性环境，pH值2.0）。在表征这些聚集体的性质及聚集行为时，发现聚集类型的不同，显著影响聚集体的各项性能。同时，在中性条件下（pH值7.0），对大豆蛋白分别进行了热处理（90℃） 和水热处理（120℃），无定形聚集体又进一步被分成了2种类型的聚集体，这2种聚集体在分子量、形状、电荷等方面存在显著差异，其二级结构、粒径和稳定聚集体的作用力也都明显不同，因而大豆蛋白的凝胶性也不同[33]。预热温度显著影响大豆蛋白冷凝胶的性质[34]，这是因为蛋白质在不同温度下，形成的聚集体和凝胶类型不同，在低于100℃时形成珠状结构的凝胶，而在高于100℃时则会形成丝状结构的凝胶。

Hu H等人[35-37]用超声波对SPI进行处理，发现超声波可以调控SPI聚集体的结构，通过改变聚集体的粒径、表面疏水性、自由巯基含量等，改变蛋白质间的二硫键、疏水作用力等化学作用力，进一步制得物化性质各异的大豆蛋白凝胶。李云[38]通过加热、酸处理和醇处理的方法制备了具有不同功能性质的5种聚集体，将这些聚集体按不同比例与天然大豆蛋白混合后，通过加热冷却形成热凝胶，发现添加少量的蛋白聚集体可以提高大豆蛋白的凝胶性质，而过量的蛋白聚集体则会减弱大豆蛋白的凝胶性质。

综上所述，通过改变外界处理条件，可以调控大豆蛋白质的聚集途径和聚集机制，形成结构各异的聚集体，进而影响大豆蛋白凝胶的微观结构和胶凝特性[39]。

3.2 大豆蛋白聚集体组分对大豆蛋白凝胶的影响

大豆蛋白凝胶的物化性质主要受大豆蛋白聚集体的特性所决定，而大豆蛋白不同组分的聚集行为又各不相同，并且相互之间也会产生影响。因此，学者们分离提取了大豆蛋白的主要成分，β-伴大豆球蛋白（7S）和大豆球蛋白（11S），对它们各自的聚集行为，以及二者聚集过程中的相互影响进行了研究。

研究发现，通过操控聚集体的聚集尺度，可以调控大豆蛋白凝胶的物化性质[2]。赵海波在研究SPI的不同变性程度和粒径大小对形成的凝胶的影响时发现，SPI凝胶的硬度和持水性与11S的变性程度和蛋白颗粒的平均粒径显著正相关，但与7S的变性程度无关，11S完全变性的SPI聚集体形成的凝胶结构最为均匀致密。

郭健对比分析了7S和11S在热处理过程中的热聚集行为时，发现二者具有不同的聚集机制。7S的热聚集经历了结构转变、预成核、成核和聚合4个阶段，11S的热聚集则经历了结构转变、预成核、成核、聚合和凝聚5个阶段。同时，探索了大豆7S和11S混合体系的热聚集行为，发现7S可通过疏水作用与11S形成复合物，使11S的聚集终止，阻止了聚集体间进一步发生凝聚作用。同时，研究者们对大豆7S蛋白进行了糖基化接枝改性，发现7S蛋白及其糖基化产物都会抑制大豆11S蛋白热聚集体的形成，并且相较于未糖基的大豆7S蛋白，糖基化产物的抑制效果更为明显[45-46]。

3.3 大豆蛋白聚集体复合对大豆蛋白凝胶的影响

单一的蛋白组分所形成的凝胶结构较脆弱，因而，将大豆蛋白与其他生物大分子进行复合形成功能性复合凝胶，被认为是有效提高大豆蛋白功能性的方法之一[47]。

在研究大豆蛋白与多糖复合后的凝胶的物化性质时，发现复合体系中各物质间的相互作用主要受体系中原材料的种类、复合比、离子强度等影响。大豆低聚糖（蔗糖、棉巧糖和水苏糖） 和可溶性大豆多糖（SSPS） 的添加可以提高CaSO4诱导形成的大豆蛋白盐凝胶的硬度和持水性。但是，根据所添加的复合物种类的不同，其提高程度也不同。陈震东将天然和热处理的SPI与甜菜果胶（SBP）进行复合时，发现在不同复合比下，SPI-SBP复合物的结构相图各不相同，不同离子强度下，维系蛋白-多糖复合体系的主导作用也不同。何秀婷[2]将大豆7S蛋白、7S蛋白无定型聚集体（7SA）、7S蛋白纤维化聚集体（7SF） 分别与低酯果胶（LMP） 复合后，制成冷致凝胶。激光共聚焦扫描显微镜（CLSM） 结果显示，7S-LMP复合凝胶是以蛋白为连续相的凝胶网络结构；对于7SA-LMP复合凝胶，Ca2+同时交联蛋白和多糖，两相穿插分布，共同构成复合凝胶的网络基质框架；而7SF-LMP复合凝胶则是以LMP为连续相的凝胶网络结构。即不同类型的聚集体，会形成不同类型的凝胶结构框架，因而连续相或填充物也不同，从而影响蛋白凝胶的微观结构及其物化性质。

综上所述，聚集体的性质对凝胶过程产生重要影响。通过改变大豆蛋白原料组分的比例或外界环境的条件（pH值、离子强度、加热温度与时间等），可以对大豆蛋白的聚集行为进行调控，制得类型各异的大豆蛋白聚集体，进一步复合其他生物大分子，加热冷却或添加凝固剂，便可制得具有不同质构特性的大豆蛋白热致凝胶或冷致凝胶。

4 结语

大豆蛋白的聚集体和凝胶制品已被广泛研究，改变外界环境的条件对大豆蛋白进行物理或化学改性等都会影响大豆蛋白聚集体的形成，进一步影响其凝胶性质。但目前的研究主要集中在如何通过各种处理方式，获得具有不同特性的完全变性的聚集体，再通过控制聚集体的性质调控凝胶的性质。然而，对于未变性大豆蛋白对大豆蛋白聚集体及凝胶形成的影响鲜见报道。

为进一步探明蛋白聚集和凝胶结构的形成机理，调控大豆蛋白凝胶制品的物化性质，提出了以下几种研究的思路：①将未变性的大豆蛋白与完全变性的大豆蛋白混合，探索其对大豆蛋白聚集行为的影响；②通过加热冷却或者添加不同种类的凝固剂，对比研究未变性的大豆蛋白对不同类型的大豆蛋白凝胶制品的影响；③简化研究组分，进一步对大豆蛋白进行分离纯化，考查未变性的不同蛋白组分（7S、11S等） 对大豆蛋白聚集和凝胶制品的影响；④未变性的大豆蛋白在食品中进行应用时，其安全性有待考查，如胰蛋白酶抑制剂的灭活等，应通过试验进一步分析其凝胶制品的安全性。此外，如何将该技术运用到大规模的实际生产加工过程中，扩大其应用范围，也是有待进一步研究的课题。