大豆蛋白改性产物乳化特性研究进展及其应用

2021-09-26邓伶俐罗仕园安建辉

中国粮油学报 2021年8期

邓伶俐罗仕园安建辉

(湖北民族大学生物科学与技术学院1，恩施 445000)(湖北民族大学生物资源保护与利用湖北省重点实验室2，恩施 445000)(超轻弹性体材料绿色制造国家民委重点实验室3，恩施 445000)

大豆蛋白的主要成分是球蛋白，其中7S(β-伴大豆球蛋白)和11S(大豆球蛋白)是大豆蛋白的主要成分，大约分别占蛋白总量的40%和30%。大豆球蛋白是由通过二硫键连接的A和B多肽组成的六聚体蛋白，6个[AB]亚基组成了一个六面体，尺寸大约11.0 nm×11.0 nm×7.5 nm[1]。β-伴大豆球蛋白是由非共价结合的亚基α’、α和β组成的同源三聚体(图1)[2]。大豆蛋白作为一种天然的食品乳化剂已经被应用到食品领域各个方面。大豆蛋白具有相对柔性的结构，在乳液制备过程中，埋藏在球状蛋白内部的疏水氨基酸暴露并吸附到油滴的表面，亲水氨基酸朝向水相，在界面处形成致密的蛋白吸附层，作为防止聚结和絮凝的空间屏障[3]，从而稳定乳液[4]。研究表明11S组分具有相对较稳定的寡聚结构，因此其功能特性相比于7S组分较差，如溶解性和乳化性。Rivas等[5]发现在不同的pH和离子强度环境下，7S组分由于其较强的分子间和分子内相互作用能够形成比11S组分更紧密的界面。11S组分具有较高的相对分子质量，较低的表面疏水性和分子灵活度，因此难以快速地吸附在界面上。

图1 大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白结构

大豆蛋白的功能特性取决于其三维结构、亲疏水性、表面电荷和溶解性等。大豆蛋白在水溶液中的溶解度有限，其等电点位于pH 5.0，是食品加工过程中常见的pH。大豆蛋白的球状结构也不利于其在乳液形成的过程中快速展开其结构分布于油水界面上，因此许多研究以大豆蛋白为原料制备各种改性大豆蛋白，以获得更加优良的乳化性能。大豆蛋白改性可以分为物理法，化学法和酶法[6]，本文首先介绍改性大豆蛋白乳化能力和乳化稳定性评价方法及影响因素，然后进行不同方式改性后的大豆蛋白产物乳化性能。

1 乳化能力与乳化稳定性

改性大豆蛋白的乳化能力是乳化体系研究的重点。通常采用乳化能力和乳化活性指数这两个指标来表征乳化能力。乳化能力定义为一定蛋白浓度条件下稳定乳液能够分散的最大的油相的含量。而乳化活性指数定义为单位蛋白能够乳化的油相的量。乳液的不稳定性通常涉及上浮/沉降，聚结，絮凝，相转化和奥斯特瓦尔德熟化。乳液上浮和沉降都是重力分离的表现。絮凝和聚结都是乳液液滴聚集的类型。相转化是将O/W乳液转化为W/O乳液或相反的过程。奥斯特瓦尔德熟化是由于液滴中化学势的差异而以较小的液滴为代价的一种乳液液滴的生长。常用的用于表征乳液稳定性的指标有乳液稳定指数，其测定方式与乳化活性指数测定过程相同，通过间隔一定时间后乳液的浊度变化来进行计算[7]。通常也用乳析指数和絮凝指数来表征乳液的稳定性。食品工业中使用的乳化剂必须能够在一系列不同的环境条件下起作用，如不同的pH，离子强度，溶液组成，温度和机械力都可能会破坏乳液结构，因此测试乳液在胁迫环境下的稳定性也是十分有必要的。影响大豆蛋白质乳化特性的关键因素是蛋白质组成、结构、分子大小、表面疏水性、溶解度、柔韧性、环境因素(pH值和离子强度)等。蛋白分子在不同的环境条件下表现出一定的柔性，其柔性区间在界面处发生去折叠的过程，从而影响其乳化特性[8]。Cui等[9]研究发现大豆分离蛋白分子柔性与其乳化性相关。研究表明较低的分子尺寸、较高的表面疏水性、表面电荷、溶解性和分子柔性保证了良好的乳化性能[10]。

2 改性大豆蛋白乳化性能

2.1 物理法改性

2.1.1 热处理

热处理对蛋白的结构和功能特性会产生较大影响。研究表明对大豆蛋白进行热处理会影响蛋白亚基结构间的相互作用，也可能会引起蛋白聚集从而形成凝胶结构[11]。加热会使得蛋白的结构展开，暴露出其中的巯基和疏水基团，大豆球蛋白加热后表现出更强的表面疏水性。大豆蛋白经过75 ℃处理后能够更好的吸附在油水界面上，这可能是由于β-伴大豆球蛋白经过加热后亚基解离出来更易于吸附到油水界面上。并且研究表明β-伴大豆球蛋白亚基的解离有利于产生可溶性复合物[12, 13]。但是将大豆蛋白在更高的温度进行处理后(95 ℃加热15 min)，大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白都发生了解离和变性，反而不利于其乳化性能的改善。

除了以上常见的非热处理方式，近年其他一些非热处理方式也被应用于大豆蛋白乳化能力的改善，如脉冲电场处理[19]，挤出过程[20]和辐照处理[21]等。Wang等[22]对大豆分离蛋白-麦芽糖美拉德反应产物进行辐照处理后发现，7.5 kGy辐照处理使其乳化活性和乳化稳定性均到达最高，而过高的辐照强度会导致蛋白变性和聚集，不利于乳化性能提升。该团队还发现辐照有利于提升大豆分离蛋白-麦芽糖稳定乳液的冻融稳定性[21]。

超声作为一种高能高效的非热处理方式用于改善各种植物来源蛋白的功能特性[14]。超声过程引起的空化效应，从而形成局部高温或者高压，从而引起蛋白的结构及功能特性发生变化[15]。研究表明超声的过程能够破坏蛋白的氢键和疏水相互作用以及一些共价键(如二硫键)，从而导致蛋白亚基的解聚。Ma等[15]发现超声处理增加了大豆分离蛋白-柑橘果胶静电复合物的Zeta电位，表面疏水性，并且降低了其颗粒直径，荧光强度和浊度。超声的空穴效应不仅引起了大分子结构的变化，对大豆分离蛋白和柑橘果胶的静电相互作用也有增强，从而提升了乳化能力。Ren等[16]研究了水力空化和超声空化对大豆分离蛋白功能特性的影响，发现水力空化和超声空化均能够降低颗粒直径和粘度，增加蛋白表面疏水性。水力空化和超声空化后的大豆分离蛋白的溶解性、乳化活性、乳化稳定性、起泡性均有显著提升，但起泡稳定性有所降低。许多研究表明超声能够增加大豆蛋白的表面疏水性，空化效应能够使蛋白质内部埋藏的疏水区域暴露于亲水性环境，增加蛋白的表面疏水性，有利于提升其在乳液界面的柔性和吸附性能[14]。

高压处理能够引起蛋白质(尤其是球状蛋白质)的结构变化，随后导致其物理化学和功能性质的变化。Molina等[17]发现400 MPa高压处理7S球蛋白表现出最高的乳化活性，而在200 MPa高压处理11S球蛋白获得最高的乳化活性。丁俭等[18]研究了超高压(200～600 MPa)对大豆分离蛋白及其与多糖间的作用，发现超高压处理改善了大豆蛋白柔性、二级构象，随着压力的增加，α-螺旋含量先升高后降低，β-折叠结构含量降低，β-转角、无规卷曲结构含量先降低再升高；400 MPa时α-螺旋、β-折叠结构含量最高，大豆蛋白构象发生转变，此时大豆蛋白有序构象的组成、柔性结构的展开，影响蛋白质整体构象的柔韧性，更易与可溶性多糖形成功能特性较好的复合物，增加乳液稳定性。

化学改性包括糖基化、酰化和磷酸化等方法，通过改变蛋白质的结构来改善其功能特性，反应简单、效果明显且应用广泛。糖基化是将糖链以共价键的形式与蛋白质分子上的α或ε-氨基相连接而形成糖蛋白，通常称为美拉德反应。此反应无需添加任何催化剂，仅加热即可自发进行，分为干热法和湿热法。研究表明，糖基化后的大豆蛋白具有优良的乳化能力，且溶解性、凝胶性、热稳定性和抗氧化性等均有不同程度的提高[27, 28]。蛋白与单糖或者多糖形成复合物后其分子质量增大，并且使得蛋白内部的一些疏水基团暴露出来，使得复合物更易于吸附到油水界面上，有利于提升乳液稳定性[29](图2)。蛋白糖基化反应产物形成的乳液也有更高的溶解性和环境稳定性，例如在酸性条件和高离子强度条件下更稳定[30, 31]。近年来针对大豆蛋白进行糖基化法改性的研究及其乳化特性改善结论如表1。Li等[32]将大豆蛋白与葡萄糖进行湿法美拉德反应，其反应产物稳定的乳液液滴直径随着接枝度的增加而降低，并且使得蛋白β-转角和无序结构比例增加，而α-螺旋和β-折叠比例降低。其他相关研究也表明美拉德反应能够提升大豆蛋白溶解性，改变其二级结构，分子柔性增加。大豆蛋白美拉德反应产物乳化活性和乳化稳定性得以提升，乳液在胁迫环境(如冷冻、加热)下的稳定性也显著提升。

2.1.3 高压处理

西部排洪工程的建成，使一干渠及北支退水渠过流能力达到15 m3/s，保证了淘金河洪水顺利通过一干渠及北支退水渠，直接排入南云中河，有效缓解了忻州市西部城区的防洪压力；东部排洪工程的建成，将城区东部七一路至云中路、光明街至梨花街区域11.6 km2的降雨汇水及经处理后的生活污水，沿改造后的忻定排洪渠及新建排洪箱涵顺畅地排入南云中河，降低了东部城区的防洪压力。2017年汛期经过数次强降雨的考验，城区没有出现内涝的局面。初步估算，该工程的年防洪效益可达4.3亿元，所创造的社会效益巨大。

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2.1.2 超声处理

2.2 酶法改性

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2.3 化学法改性

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表1 近年糖基化大豆蛋白乳液体系研究列表

图2 大豆蛋白-多糖复合物及大豆蛋白水解物-多糖复合物稳定乳液示意图

近年也出现许多将糖基化法与其他物理改性或酶法改性进行结合进一步改善糖基化大豆分离蛋白乳化性能的研究。Wang等[21, 22]通过辐照提升了大豆分离蛋白-麦芽糖复合物的乳化性能和乳液冻融稳定性，Cui等[9]通过超声进一步提升了大豆分离蛋白-葡萄糖复合物的乳化性。Yu等[31]发现相比于大豆蛋白-葡聚糖复合物，酶水解大豆蛋白-葡聚糖复合物稳定的乳液具有更高的乳化稳定性和冻融稳定性。该团队在后期研究发现水解大豆蛋白与葡聚糖质量比2∶3，大豆蛋白水解物浓度为40 g/L，美拉德反应在pH 8缓冲液中，85 ℃反应1 h后的产物所稳定的乳液冻融性最好[33]。

3 应用与展望

本研究中，ALDH2基因Glu487Lys分为G/G、G/A和A/A，其中，携带G/G野生型基因的入组者平均每次饮酒量（白酒）、平均每月饮酒量及累积饮酒量均高于G/A及A/A型，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表3。

3.1新型乳液制备

酶法改性由于其温和性，易操作性，和副产物少的优点成为大豆蛋白乳化特性改善的常用方法，已有研究表明通过酶法改性能够增加大豆蛋白的溶解性、乳化活性、乳化稳定性和起泡性等。酶解法可通过酶的水解作用使大豆分离蛋白的多肽链长短发生改变，致使大豆蛋白分子的三维结构变化，从而暴露出某些被掩埋的氨基酸残基，使大豆蛋白的理化性质得以改变，最终达到改善其功能特性的目的，水解大豆蛋白也是食品工业中重要的食品原料[4]。水解度是水解过程中需要控制的关键因素，因为过度水解使肽链缩短后可能对其乳化特性是不利的，因此需要控制合适的水解程度来达到对大豆蛋白构象的精准调控[23]。Tsumura等[24]制备了水解β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白，发现在中性pH条件下未水解的大豆蛋白具有更好的乳化活性，但是在酸性pH条件下水解后的大豆蛋白具有更高的乳化活性，说明水解大豆蛋白更适用于酸性食品体系。Shen等[25]研究了3种不用的酶(风味蛋白酶、碱性蛋白酶和复合蛋白酶)对大豆分离蛋白不同程度的水解作用形成大豆蛋白纳米粒子(SPNPs)的能力，发现风味蛋白酶不同水解程度均能够形成SPNPs，而SPNPs 在乳液形成的过程中能够快速吸附到油水界面表现出良好的乳化性能。除了通过蛋白酶降低大豆蛋白分子质量以外，也可以通过谷氨酰胺转氨酶(TG酶)对蛋白进行一定程度的交联，从而改善其功能特性。Zang等[26]研究了大豆分离蛋白和三种酶法改性(大豆蛋白+TG酶，大豆蛋白木瓜蛋白酶水解产物(SPIH)，SPIH+TG酶)的大豆蛋白的冻融稳定性，发现通过酶解，蛋白分子的运动性得以提升并且由于TG酶的交联形成了乳液凝胶结构，说明大豆蛋白木瓜蛋白酶水解产物进行TG酶交联后能够作为食品体系良好的乳化剂。

基于乳液的分散相和连续相，食品中的乳液通常分为两种传统型乳液，即油包水乳液和水包油乳液。皮克林乳液是一种被有机或者无机颗粒所稳定的乳液，相比于常规乳液，皮克林乳液展现出更良好的稳定性和缓释性能。大豆蛋白及其改性产物具有：1)原料丰富经济；2)能够以聚集体或者纳米颗粒的形式存在；3)颗粒更易于形成稳定的皮克林乳液凝胶；4)具有乳化和营养双重功效，相比于其他蛋白更适合于稳定皮克林乳液(图3)。除此之外，热变性大豆蛋白可用于制备乳液凝胶。Euston等[43]研究发现热变性过程中大豆蛋白聚集的机制涉及连续相中乳液液滴表面吸附的蛋白质与非吸附热变性蛋白质的相互作用。未被界面吸附的蛋白质起着“胶水”的作用，将乳液液滴聚集到在一起，这种复杂的胶体体系可以以乳液和凝胶的形式共同存在，具有作为油脂替代品和开发新型载运体系的潜力。

图3 改性大豆蛋白皮克林乳液和乳液凝胶示意图

3.2 油脂替代品

由于越来越多的消费者对低脂食品的青睐，现在许多脂肪替代品被用于肉制品、奶制品和冰淇淋中，可以减轻由于脂肪含量减少而引起的质地和感官缺陷。Dreher等以菜籽油为油相，大豆蛋白为乳化剂，加热乳化后经过转谷氨酰胺酶交联得到动物油脂模拟产品[44, 45]。基于大豆蛋白的乳液凝胶结构被应用于鸡肉肠[46]和博洛尼亚香肠中[47]。植物酸奶作为一种动物酸奶的替代品能够迎合一些特殊人群的需求。大豆由于其原料易得，营养价值高，功能性好备受关注。但是植物酸奶的研发最大的挑战在于模拟动物酸奶的质地和口感，防止相分离[48]。因此基于大豆蛋白制备的乳液凝胶体系可用于开发植物基酸奶，如大豆蛋白纳米颗粒稳定的皮克林乳液凝胶[49]。

冰淇淋作为一种复杂的多相食品，由脂肪球、气泡和分散在半冷冻溶液中的冰晶组成。冰淇淋中的乳液结构及其冻融性质对于冰淇淋的口感和储存十分重要。大豆分离蛋白替代部分乳粉不仅能够降低产品成本，提升营养价值，也有利于形成更小的冰晶，温度稳定更高。已有研究表明水解大豆蛋白能够有效的促进冰淇淋中脂肪的部分凝聚，降低其融化速率[50]。Chen等[51]研究发现热凝聚的大豆分离蛋白纳米颗粒稳定的皮克林乳液具有较高的冻融稳定性，可应用于冰淇淋性质的改善。郑环宇等[52]利用超高压均质改性大豆分离蛋白-磷脂复合物替代乳粉生产冰淇淋，融化率降低26.86%，膨胀率提高了94.84%，相比于传统冰淇淋口感更绵软。