豌豆蛋白乳化性及其改善研究进展

夏轩泽，李言，钱海峰，张晖，齐希光，王立

(江南大学 食品学院，江苏 无锡,214122)

豌豆是一种重要的豆科作物，在全球84个国家/地区均有种植，在世界豆类总产量中占36%左右[1]。研究表明，豌豆具有增强免疫力、预防癌症、抗菌消炎以及保护视力等健康作用[2]。豌豆中蛋白质和碳水化合物含量较高，脂肪含量低，且含有多种维生素和矿物质[3]。豌豆蛋白氨基酸组成相对较为平衡[4]，与谷类蛋白质相比，豌豆蛋白质的赖氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸含量较高，但含硫氨基酸含量相对较低[1,5]。豌豆蛋白致敏性低、营养价值高[6]，还具有预防肾病、降低患心血管疾病的风险[7]等健康作用，因而其受到广泛关注，预计2020年豌豆蛋白市场将达到3 480万美元[8]。目前，国内对豌豆的开发利用还仅限于豌豆淀粉的提取利用，豌豆蛋白也仅当作淀粉生产过程中的副产物并用作饲料中的蛋白源，相关深度开发较少，在一定程度上造成了蛋白资源的浪费[9]。

目前食品工业中使用的蛋白质主要来自大豆、乳清和小麦，由于饮食习惯和致敏性等方面的影响，越来越多的研究人员、生产企业和消费者在寻找合适的蛋白质来源[7,10]。天然豌豆蛋白pI约为4.5，在pH为9时最大溶解度约可达到95.2%[10]。但在蛋白的提取过程中，如使用强酸、强碱、加热等条件，豌豆蛋白质的溶解度大大降低[11]。同时，豌豆蛋白对热敏感的特性以及其自身较差的乳化性[12]，导致其在食品中的应用受限，利用时主要考虑其较弱的酸性溶解性和热稳定性[6]。

因此，为深度开发利用豌豆蛋白，很多研究人员对豌豆蛋白的理化性质尤其是乳化性改善方面进行了研究。本文整理了有关豌豆蛋白的组成、乳化性以及改性对其乳化性影响的研究成果，以期提高豌豆蛋白在食品工业中的应用，为豌豆蛋白的开发利用提供思路。

1 豌豆蛋白组成及其乳化性

作为一种食用蛋白源，豌豆蛋白的营养价值主要取决于其必需氨基酸的含量、比例及其生物利用率[13]。表1列出了豌豆蛋白的氨基酸组成[14-15]，可以发现豌豆蛋白氨基酸比例较为均衡，人体所必需的8种氨基酸中除蛋氨酸含量较低外，其余均达到FAO/WHO的推荐模式值[16]。豌豆蛋白的生物价为48%～64%，功效比为0.6～1.2，也高于大豆[17]。因此，豌豆蛋白可视为一种良好的必需氨基酸源。

根据品种或生长环境不同，豌豆的蛋白质含量从23.3%至31.7%不等[18]。豌豆蛋白主要是水溶性白蛋白和盐溶性球蛋白，分别占总量的18%～25%和55%～80%，还可以发现少量的谷醇溶蛋白(溶于稀醇)和谷蛋白(溶于稀酸)[19]。豌豆白蛋白中色氨酸、赖氨酸和苏氨酸含量较高，而豌豆球蛋白中精氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸含量较高。豌豆白蛋白分子质量在5～80 kDa，包含酶蛋白、蛋白酶抑制剂、淀粉酶抑制剂和凝集素[3]。在白蛋白中主要鉴定出2个部分：一个较大的白蛋白蛋白质，包含2个多肽(分子质量约为25 kDa)和1个次要蛋白质(分子质量约为6 kDa)。盐溶性球蛋白作为一种贮藏蛋白，包含豆球蛋白、豌豆球蛋白以及伴豌豆球蛋白。其中豆球蛋白是一种六聚体蛋白，分子质量为320～400 kDa，沉降系数为11 s，包含6个亚基，这些亚基通过非共价相互作用结合在一起，每个亚基由1条酸性链(40 kDa)和1条碱性链(20 kDa)通过二硫键连接。虽然每个酸性链和碱性链表现出一定的异质性，但酸性链以谷氨酸为主，N-末端氨基为亮氨酸，而碱性链含有更多的丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸，N-末端氨基为甘氨酸[19]。豌豆球蛋白是三聚体蛋白，分子质量为150～200 kDa，沉降系数为7 s，具有3个亚基(每个亚基约50 kDa)，这些亚基通过疏水作用而不是共价的二硫键结合在一起。豌豆球蛋白的γ-亚基有时在C末端附近被N-糖基化[19]，糖基化的豌豆球蛋白比豆球蛋白具有更好的表面亲水性，更易溶于水；同时，界面性质更好，易形成坚固的凝胶，泡沫和乳液的稳定性提高。豌豆球蛋白含有较低比例的含硫氨基酸和色氨酸，以及更高比例的碱性和酸性氨基酸，N-末端氨基通常由丝氨酸、谷氨酸和天冬氨酸表示。豆球蛋白和豌豆球蛋白均以β-折叠结构为主。尽管氨基酸指纹图显示豆球蛋白和豌豆球蛋白之间的同质性为70%～80%，但可通过N-末端分析来区分[19]。伴豌豆球蛋白分子质量约为70 kDa，它能与3种转化蛋白分子形成约210 kDa的三聚体(或约290 kDa，含N-端延伸)，或与豌豆球蛋白形成异三聚体。其氨基酸组成与豆球蛋白和豌豆球蛋白都不同[3]，其中与豌豆球蛋白不同的是它含有含硫氨基酸和1个高电荷的N-端延伸[19]。豌豆中豆球蛋白/豌豆球蛋白比率范围为0.2～8.0，此比率影响豌豆蛋白的营养价值(如可用的赖氨酸含量)和功能性(如溶解性、界面性质、质地、起泡和乳化性)[20]。

表1 四种豆类种子粗蛋白氨基酸含量 单位：g/100g

在食品工业中应用，蛋白的营养性是一个方面，而包括乳化性在内的一些物理化学性质更会严重影响其应用。豌豆蛋白由于其较好的两亲性(亲水性和亲油性)而具有一定的乳化性，但要弱于大豆蛋白和蚕豆蛋白[21]，导致其在食品工业中的应用受到限制。因此近年来，国内外学者围绕豌豆蛋白的乳化性进行了较为系统的研究，以期明确豌豆蛋白结构与乳化性之间的关系，提高豌豆蛋白的应用价值。卢菊慧[22]发现豌豆蛋白中7 s和11 s球蛋白因结构上的优势可快速吸附到界面上，增加乳化活性，而少量的可溶性聚集体能减少油滴聚结分层，使乳化稳定性更强。KARACA等[21]研究发现在豌豆蛋白表面电荷增加而表面疏水性降低时，乳化能力增强。BARAC等[23]认为豌豆蛋白的柔韧性和蛋白质之间的相互作用可能对乳化活性起着至关重要的作用。

豌豆蛋白的乳化性很大程度上取决于豌豆的来源、加工和环境条件，考虑到豌豆蛋白作为一种乳化剂在食品工业中的应用价值，需要对豌豆蛋白的结构及乳化性进行深入研究，明确其中的关系以利于其更为广泛的应用。

2 豌豆蛋白的改性对乳化性的影响

目前食品工业用作乳化剂的蛋白质主要来自牛奶(或乳清)、大豆、鸡蛋等[24]，这些蛋白质由于其商业可获得性、高营养价值和出色的功能特性而被广泛使用，但它们都是常见的食物过敏原[25]。豌豆蛋白因其低致敏性和低成本而被认为是上述蛋白质的良好替代品。豌豆蛋白作为一种乳化剂在食品工业中应用程度较低，主要是由于其较低的溶解度和乳化性，同时也由于使用不同品种以及方法生产的豌豆蛋白乳化性差异较大[8,26-27]，因此需要对其进行改性处理来改善其利用性能。目前已报道的关于豌豆蛋白的改性方法主要分为三类：物理改性法、化学改性法、酶法改性法[15]。物理改性具有成本低、安全、处理时间短、对产品营养性能损害小等特点[28]，但对机械设备要求高[12]；化学改性操作简便、效果较好，但可能引入有害副产物而影响食品的安全性[26]；酶法改性反应条件温和、专一性强，反应程度易控制，副反应少，但反应速率慢、生产成本高[27]。此外，基因工程技术也可作为蛋白质改性的方法，但其技术周期长，在食品中应用的安全性短期内无法知晓，目前主要处于实验室研究阶段[28]。

2.1 物理改性

物理改性法是指利用热、机械力、声波、射线以及电磁场等物理作用定向改变蛋白质的高级结构和蛋白质分子间的聚集方式，一般不影响蛋白质的一级结构[28]。PENG等[4]比较了95 ℃下热处理30 min和未经热处理的豌豆蛋白的乳化性，发现其亚基热处理后会产生二硫键并连接成聚集体，表面疏水性增加，从而使O/W界面张力降低，改善其乳化性和乳化稳定性。CHAO等[29]发现高压会改变豌豆蛋白结构，促使高分子质量蛋白聚集体形成，从而提高其乳化性和乳化稳定性。WANG等[30]发现电子束辐射会引起豌豆蛋白解折叠，暴露出更多的肽键，可以增强豌豆蛋白的表面疏水性(可达174.09%)，提高乳化活性(增加68.32%)，但乳化稳定性降低，同时他们发现当辐射剂量超过50 kGy时，乳化稳定性不再降低。MCCARTHY等[31]对比了超声、均质和微流化3种处理方式对豌豆蛋白乳化性的影响，发现超声处理(<50 ℃)制备的乳液乳化性能最好，液滴尺寸能够达到0.1～2.5 μm。超高温处理可以改善微流化乳液的性能，QAMAR等[32]采用微流化(500 bar)和超声(1、3和5 min)制备超高温豌豆蛋白乳液，发现微流化能使豌豆蛋白在在水包油乳剂界面处解折叠，制备的乳液液滴(0.36 μm)比超声技术更均匀、更小，ζ电势更高(-27.30 mV)，从而使乳液更稳定。

总体看来，在物理改性方面，目前研究较多的是均质和加热处理对豌豆蛋白乳化性的影响。同时，物理改性法常与化学改性和酶法改性相结合，如JIANG等[33]发现pH偏移和超声联合处理能够断裂豌豆蛋白的二硫键和非共价键，使其溶解度是未处理样品的7倍，表面疏水性指数为59.2%，从而使得乳化能力改善。王忠合等[34]采用超声辅助酶法制备的豌豆蛋白，经适当水解后，豌豆蛋白的结构发生变化，原来包裹在蛋白质分子中的疏水基团暴露出来，乳化活性可以从32.1 m2/g提高到55.3 m2/g。虽然已有一些物理方法处理改善豌豆蛋白乳化性的相关报道，但相关作用机理还不明确，同时，几种方法联合使用的改性效果还少见报道，在这些方面可以开展深入研究。

2.2 化学改性

化学改性是用化学方法使蛋白质肽链部分断裂或引入新的活性官能团，从而使蛋白质的结构、电荷特性、疏水基团改变，最终改变蛋白质分子空间结构和功能性质[26]。JIANG等[35]发现碱性处理的豌豆蛋白非极性氨基酸残基侧链暴露，与油滴的疏水相互作用改善，能有效地将乳液分解成更小的液滴，且在贮存过程中乳液颗粒的积聚速度比天然豌豆蛋白慢50%左右，使乳化稳定性提高。LIU等[36]发现豌豆球蛋白与阿拉伯胶在形成复合物时，蛋白部分展开，暴露更多疏水部分，络合后疏水性增强，在油-水界面的吸收增加，界面张力降低，乳化稳定性提高了2倍左右。ZHA等[37]发现豌豆水解蛋白与阿拉伯胶经美拉德反应共轭1 d后，与阿拉伯胶共价结合，乳剂液滴尺寸可从5.08 μm显着降低至0.75 μm，且在很宽的pH范围内(2～8)保持稳定，从而改善了豌豆蛋白的乳化性。JOHNSON等[38]用琥珀酸和乙酸酐酰化处理豌豆蛋白，发现酰化引起蛋白质链的展开，暴露出肽链的亲水性和疏水性部分，从而使其具有更好的乳化性和乳化稳定性，而且酰化程度越高，乳化性的改善效果越明显。LIU等[12]发现豌豆蛋白经磷酸化处理后，α-螺旋和β-折叠增加，β-转角和无规卷曲减少，溶解度增加171.21%，乳化能力增加63.07%，乳化稳定性增加69.08%，乳化性能显著改善。在豌豆蛋白的改性研究中，化学改性研究较为广泛，但不同的化学改性方式对豌豆蛋白乳化性改善效果不同，具体的影响机制也不明确，有待于深入研究。

2.3 酶法改性

3 应用与展望

近年来，由于植物蛋白对健康和环境的有益影响，用植物蛋白代替动物性乳化剂或合成乳化剂引起了广泛关注[44]。天然豌豆蛋白来源广泛且具有良好的营养价值，通过合适的改性方法制备的豌豆蛋白乳化性良好，可以作为乳化剂在食品工业中应用。王宇等[45]发现经碱处理后的豌豆蛋白乳化性和乳化稳定性均优于大豆蛋白，改性后的豌豆蛋白可替代植脂奶油配方中2%的脂肪。LIU等[12]将磷酸化的豌豆蛋白与4 g/L的黄原胶混合制成豌豆蛋白-脂肪模拟物，在芒果慕斯蛋糕中添加这种豌豆蛋白-脂肪模拟物可以减少最多20%的淡奶油的含量。SHAH等[46]发现用丁二酸酐、辛烯基丁二酸酐和十二烯基丁二酸酐改性的豌豆蛋白可以作为无蛋蛋糕的添加剂，这些添加剂的加入使蛋糕的膨松度和紧实性提高。因此，豌豆蛋白的这些酰化衍生物可用于替代传统蛋白质、乳化剂，开发出配方更简单的食品。改性豌豆蛋白还可以用作食品纳米乳液的乳化剂，用于保护和输送食品中的有效健康成分。LIANG等[47]发现经微流化处理制成的豌豆蛋白纳米颗粒具有良好的乳化稳定性，在酸性条件下具有作为食品级皮克林优良乳化剂的巨大潜力。JIANG等[48]通过pH改变和超声联合处理改性豌豆蛋白，并使用通过该方法生产的可溶性豌豆蛋白纳米聚集体制备维生素D3负载纳米乳液，该纳米乳液具有更高的维生素D3回收率和良好的稳定性。

尽管研究发现改性后乳化性改善的豌豆蛋白具有很大的市场前景，但目前其作为乳化剂在食品工业中的应用还较少，主要原因可能是相关研究中还存在以下问题：(1)不同的改性方式对豌豆蛋白乳化性改善效果不同，且其具体的影响机制尚不明确。建议深入研究其机制，为制备乳化性更好的豌豆蛋白提供依据。(2)目前几种方法联合使用对豌豆蛋白乳化性改善效果较好，且可以克服单一改性的缺陷，但相关的报道还较少，在这些方面可以深入开展研究。(3)现有的一些应用研究还处于实验室阶段，实际工业化生产过程中还要考虑到一些加工环节和工艺的影响，建议在这些方面深入开展研究，以期早日将改性豌豆蛋白应用在食品工业中。相信随着对豌豆蛋白改性方法研究的不断深入，豌豆蛋白作为一种乳化剂将在食品工业中有更广泛的应用。