多糖糖基化大豆蛋白质功能特性及在食品加工中应用研究进展

张功圣

（哈尔滨市海澳斯生物科技开发有限公司，哈尔滨 150010）

大豆蛋白质对改善食物的质地、口感、风味、颜色和营养等方面起着重要作用，对食用品质、营养价值及功能特性密切相关，主要包括水化性能、表面特性和蛋白质分子间的相互作用。水化性能主要体现在水溶性、粘度和持水能力（WHC）三个方面。乳化性和起泡性是表面特性的主要特征。蛋白质分子间的相互作用包括絮凝、沉降、凝胶和成膜性等。每种特性在食品加工中都有其特定的功能，如豆腐加工中的水溶性和凝胶性。从本质上讲，这些功能特性与氨基酸组成、分子大小、分子结构、电荷分布和蛋白质浓度密切相关。然而，蛋白质的这些功能特性会随着环境条件的改变而改变，如pH、温度、离子浓度、蛋白酶的存在等。然而，在某些环境中蛋白质类食品的食用质量降低，限制了天然蛋白的应用。因此，对蛋白质进行修饰被认为是增强天然蛋白质功能特性的最佳途径。

蛋白质改性的目的是在不改变主要功能和营养特性的情况下，通过适当的方法改变少数化学基团或分子结构来提高目标功能。一般的改性方法有物理法、化学法、生物法或酶法。其中，酰化、磷酸化、脱氨、烷基化、糖基化等化学方法具有较好的有效性和针对性。然而，大多数化学修饰都存在反应过度和生成有毒物质的缺点。多糖糖基化修饰具有反应过程温和，改性产物稳定，不产生有害产物等优点，因此被认为是最有前途的修饰天然蛋白功能特性的方法。

与单糖、双糖和寡糖对蛋白质的糖基化相比，多糖对蛋白质的糖基化显示出更优越的功能特性。多糖糖基化蛋白质集天然蛋白和多糖的功能特性于一体，拓宽了天然蛋白在食品加工中的应用。20世纪90年代以来，蛋白质糖基化的研究得到了广泛的开展，至今仍是蛋白质修饰领域的研究热点。糖基化后大豆蛋白的溶解性、乳化性、乳化稳定性、持水性、凝胶性、热稳定性、冻融稳定性、抗原性都得到了改善。毒理学和营养学研究表明，多糖糖基化蛋白质具有无毒的特性，除赖氨酸外，大多数氨基酸保持不变。

本文综述了大豆蛋白质糖基化的研究进展，包括糖基化原理、多糖糖基化大豆蛋白的方法、功能性质的修饰和糖基化大豆蛋白（GSP）在食品加工中的应用等，以期为食品蛋白的品质改善提供新的理论指导和研究思路。

1 食物蛋白质糖基化作用机理

蛋白质糖基化通常被认为是美拉德（Maillard）反应的起始步骤。美拉德反应也称为非酶褐变反应，大致包括初期、中期和末期三个阶段。它是发生在食品体系中的复杂反应，如羰基化合物与氨基化合物之间的缩合、分子重排、降解、醛醇缩合、聚合等，从而影响加工食品的风味、色泽和营养。

蛋白质与多糖很容易地在温和条件下完成糖基化反应，如温度低于天然蛋白质的变性温度和适宜的相对湿度（RH）。在一定条件下，蛋白质中的氨基特别是赖氨酸的ε-氨基与多糖中的还原性羰基通过共价键发生缩合，形成N-糖基胺并失去一分子水。这种不稳定的N-糖基胺发生不可逆的Amadori电子重排，形成与1-氨基-1-脱氧酮糖结构的蛋白缀合物（见附图）。这个反应不会改变天然蛋白的整个分子结构，保持原有功能属性，而且在多糖的帮助下功能特性会增强。

附图 蛋白质与多糖糖基化反应机制

多糖与单糖或双糖相比，由于其还原性较弱而分子空间位阻较强，限制了美拉德反应高级产物生成，并阻止多糖蛋白复合物（PPC）在蛋白质糖基化过程中的分解[1]。因此，PPC被认为是加工新型食品的一种成分，具有安全、健康的特点。

2 大豆蛋白与多糖复合物的制备

大豆蛋白和多糖是常见的生物大分子，在室温下皆为固体、可溶于水。制备大豆蛋白与多糖复合物的主要方法有干热法、湿热法以及在湿热法基础上发展起来的其他方法[2]。

2.1 干热法

蛋白质糖基化首先由Kato等人[3]通过干热法进行，该方法大致包括底物混合、加热处理、反应停止和蛋白质多糖复合物收集[1,4]。简单地说，将蛋白质和多糖水溶液按一定比例混合、脱水，适当条件下（时间、温度和相对温度RH）进行糖基化，立即冷却到环境温度终止反应。一般来说，干热法制备蛋白质多糖复合物不需要额外的反应底物，反应条件容易控制，不产生有毒有害产物，偶联物接枝度高等优点。

反应温度、相对湿度（RH）、时间、底物质量比、蛋白质和多糖种类是影响干热法的最重要因素。温度越低，反应时间越长，反应控制越困难；较高的温度容易诱发美拉德反应的中期阶段和末期阶段的发生，增加了糖基化大豆蛋白的复杂性,降低其安全性。一般情况下，蛋白糖基化选择的温度为40～60℃。近五年的国内研究者主要采用50～60℃。

控制相对湿度可以提供蛋白质糖基化发生所需的适当水活性。因此，RH的选择主要取决于蛋白质和多糖分子之间的接枝难易程度或反应底物的类型。通常，RH的控制是通过将饱和盐水溶液放入密闭的干燥器中进行，在干燥器中蛋白质糖基化用干热方法进行。例如，溴化钾，氯化钠和亚硝酸钠饱和水溶液提供的RH分别为79%，75%和65%。，近五年国内研究者主要采用饱和溴化钾（RH 79%）进行干热反应。反应时间直接影响蛋白质糖基化的接枝程度。通常，反应时间与温度密切相关，反应温度越高，反应时间越短。另外，蛋白质的结构和多糖的类型也影响反应时间长短。

任孟珂等人[5]将葡聚糖和大豆分离蛋白（SPI）以2:1的比例进行混合，在相对湿度为79%饱和KBr溶液下，60℃下使SPI进行糖基化。其产物接枝比较高，褐变程度中等；与SPI相比，糖基化之后大豆蛋白的溶解度、乳化性和乳化稳定性均有不同程度的提高。彭秀清[6]也研究了大豆球蛋白与大豆多糖的干热糖基化的条件。多位研究人员已经确定了大豆分离蛋白、大豆球蛋白与多糖的糖基化反应条件，并且提高了大豆蛋白的溶解性、乳化性、乳化稳定性、抗原性等特性，具体反应条件的功能特性见附表。

附表 近几年大豆蛋白质糖基化方法及功能性质改善

2.2 湿热法

大多数研究都采用干热法进行糖基化反应。然而由于干热法要求物料干燥，反应时控制湿度和温度，反应时间长达几周。从工业的角度来看，干热法造价昂贵，不适用于大规模生产，限制了糖基化产物作为食品原料的市场前景。湿热法可使大豆蛋白质与多糖在几个小时内完成反应。当糖基化反应在水溶液中进行时，蛋白质在高温下很容易变性聚合。尤其当反应物浓度较高时，随着糖基化产物增加，会导致蛋白质变性和聚合。多糖分子的空间位阻作用阻止蛋白质的热变性和聚集，从而在氨基和羰基之间形成共价键，保证了蛋白质糖基化的有效发生。

杜沁岭等人[7]利用不同分子质量的萄聚糖与大豆11S蛋白在80℃下反应1～5 h，进行湿热糖基化反应，结果发现湿法糖基化反应有利于提高大豆11S蛋白质的溶解性、乳化稳定性、持水性，而降低了其乳化性、持油性和表面疏水性。王喜波等人[8]研究葡聚糖在30～90℃湿热条件下糖基化大豆分离蛋白和大豆分离蛋白水解物，结果发现聚结后的蛋白样品的冻融稳定性显著升高、出油率下降、乳析指数下降。

2.3 酶交联方法

酶交联方法也是蛋白质和多糖完成糖基化反应的有效方法。微生物转谷氨酰氨酶（MTGase）已经被用来糖基化大豆蛋白。谷氨酰胺（酰基供体）和赖氨酸（酰基受体）肽残基之间的酰基转移反应，脱酰胺基和交联可被MTGase催化，以形成分子间或分子内的ε-（γ-葡萄糖酰胺基）-赖氨酸异肽键，最终使蛋白质交联。交联蛋白分子中的赖氨酸残基可以很容易地被伯胺取代，这意味着MTGase可以间接催化谷氨酰胺残基（酰基供体）和伯胺（酰基受体）之间的反应。具体的方法为MTGase促使大豆蛋白质与多糖溶液发生美拉德反应，反应后在85～90℃下加热使酶失活[9,10]，终止反应。MTGase催化法具有反应过程温和，结合物定向接枝的优点。

2.4 其他非热处理方法

非热处理技术，例如超声波、脉冲电场和高压处理，辅助经典的湿热法也是蛋白质糖基化重要方法。超声波辅助湿热法是一种促进蛋白质糖基化反应的良好手段。与天然SPI和湿热法制得的SPI-阿拉伯胶共轭物相比，超声辅助湿热法制得的SPI-阿拉伯胶共轭物具有更好的乳化性和乳化稳定性，在蛋白质等电点（pI）上具有更好的溶解性[22]。用高压辅助湿法加热得到的β-伴大豆球蛋白-葡聚糖结合物比用经典湿热法得到的结合物具有更好的乳化性[23]。宋旸和刘影[11]采用微波辅助糖基化改性大豆分离蛋白以提高SPI的乳化性。通过单因素实验研究微波时间、大豆分离蛋白与葫芦巴胶质量比、糖基化反应时间、反应温度对改性大豆分离蛋白乳化性的影响，并运用响应面法优化微波辅助糖基化改性大豆分离蛋白的最佳工艺条件，研究结果显示，微波3 min、SPI与葫芦巴胶质量比1∶3、58℃处理41 min时，改性大豆分离蛋白乳化性达到最高，糖基化程度达到最佳的水平，与只进行微波改性的大豆分离蛋白相比，乳化性提高了51.33%，乳化稳定性提高了294.14%；与未改性的大豆分离蛋白相比，乳化活性提高了88.67%，乳化稳定性提高了788.84%。利用红外光谱和紫外光谱表征改性产物，结果表明大豆分离蛋白与葫芦巴胶发生了糖基化反应。

3 在食品中的应用

大豆蛋白与多糖进行糖基化改性后其溶解性、乳化性、pH稳定性、活性载体能力、冻融稳定性、持油性等功能特性均有不同程度的提升，此外，与天然蛋白相比，多糖糖基化大豆蛋白的过敏性降低、抗菌性和抗氧化活性增强。因此扩展了大豆蛋白质在食品领域的应用范围。

3.1 溶解性提高

蛋白质优异的功能性发挥需要彻底将其溶解。因此，蛋白质溶解度的增加有利于改善其他物理化学和生物学性质。大多数天然蛋白质在其等电点周围或极端pH范围表现出水溶解度较差。基于糖基化后蛋白质的热稳定性和溶解度增强，干热法制得的SPI-葡聚糖偶联物水化并与其他成分混合后，采用喷雾干燥法制备了固体饮料。与SPI固体饮料相比，由SPI-葡聚糖结合物制成的固体饮料具有更好的重构性能。

3.2 稳定乳液体系

蛋白质的乳化特性使其可以用作多相食品的成分，以增加其营养价值，食用质量和保质期。然而，在实际的食品加工过程中，例如在具有高酸度或高盐离子浓度的食品体系以及食品的冷却或冷冻处理过程中，在特殊的环境条件下，天然蛋白的乳化性能通常会减弱。与天然蛋白相比，糖基化大豆蛋白具有乳化性和乳化稳定性增强的优点，它可以用来稳定乳液体系，因此其在食品加工中具有更优越的应用潜力。

3.3 微胶囊或纳米凝胶的制备

在高温、高盐浓度、强酸或强碱、氧化和还原剂存在的条件下，大多数生物活性化合物在食品加工过程中不稳定或容易破坏。另外，由于它们的水溶性或油溶性差，限制其在营养强化食品中的应用。为了克服热敏感性、挥发性、氧化性和极性差异，这些生物活性化合物通常被包装材料包裹，这些包装材料通常是使用具有成膜性和凝胶性的生物大分子制造的。

蛋白质可以形成具有核-壳结构的纳米颗粒，具有出色的负载能力和稳定性。因此，这些新颖的包装材料可用于携带各种生物活性化合物，以防止由不合适的环境因素引起的不利影响。糖基化的大豆蛋白质可以用来制备微胶囊，用于包裹生物活性物质。另外，糖基化大豆蛋白还可以起到稳定纳米凝胶，传递生物活性化合物的功能。

3.4 在其他食品中应用

除了保护生物活性化合物的功能外，糖基化蛋白质还可以与水不溶性生物活性化合物反应，从而将它们间接溶解在水中。因此，糖基化后天然蛋白质提供了一种新型的蛋白质成分，可生产出具有优良食用品质和营养价值的食品。

SPI通常用于提高肉制品质量。但是，常用的高温处理（例如煮沸和热灭菌）会大大削弱SPI的功能特性。与SPI-葡萄糖缀合物混合的肌原纤维蛋白显著改善乳化性能和表面疏水性[12]。与天然蛋白质相比，糖基化蛋白质在肉制品中的应用效果更佳，尤其是改善肉制品的持水性和嫩度方面。

4 结论与展望

目前的食品市场急需通过科学技术来修改食品成分的加工特性，从而扩宽现有食品资源。最有效的技术之一是蛋白质糖基化。适当的糖基化后，天然蛋白质的溶解度、乳化性质、起泡性质、凝胶性质、热稳定性和生物学功能得到显著改善。糖基化大豆蛋白质在天然蛋白质的pI附近、高温和高盐浓度等环境下也可表现出出色的加工特性。基于这些改进的功能，糖基化大豆蛋白被用于制造纳米乳剂、纳米颗粒和纳米凝胶，作为载体来封装和输送生物活性化合物，以提高其稳定性、功能和生物活性。此外，糖基化天然蛋白质还可用于制造新型食品（例如流动食品，胶凝食品和三维印刷食品）和可降解包装材料。