热处理及植酸与脂肪对豆浆中大豆蛋白凝胶体系的影响研究进展

谷雪莲，孙冰玉，刘琳琳，王 欢，石彦国，吕铭守，朱秀清,*

（1.哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省谷物食品与谷物资源综合加工重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150028；2.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

豆浆作为大豆加工制品，属于优质的植物蛋白饮料[1]。其营养价值高，对人体健康有益，可预防心脑血管疾病、缺铁性贫血等，在人们日常生活中占有举足轻重的位置，此外更受到牛奶过敏、乳糖不耐、低胆固醇血的特殊人群喜爱[2]，因此豆浆的生产具有重要的现实意义。豆浆加工是豆粉、豆花、豆腐等大豆制品生产过程中的重要一环，豆浆的品质对后续产品的品质起着关键作用[3-5]，因此对豆浆的生产工艺进行研究也能为其他相关产品生产提供技术支持。豆浆体系主要由大豆蛋白、大豆油脂、可溶性糖类及磷脂、异黄酮等功能活性因子组成，对豆浆品质特性影响的关键物质是大豆蛋白，而影响大豆蛋白结构和特性变化的主要因素是豆浆加工中的热处理技术。

目前全球相关领域学者已经在热处理对大豆蛋白结构和性质的影响方面进行了广泛的研究，但其中大多数仍处于对大豆蛋白的解离缔合行为进行理想条件下的实验研究，很少深入分析大豆加工实际生产条件下大豆蛋白的解离缔合状态，尤其对于像豆浆这样的混合体系，在不同热处理条件下大豆蛋白的解离缔合行为和不同成分与大豆蛋白互作对其解离缔合行为的影响还没有系统和全面的研究[6]。而对豆浆混合体系中大豆蛋白的解离缔合行为进行研究和分析，有助于找出表征大豆蛋白变性状态的指标以及根据实际加工生产要求控制大豆蛋白适度变性的条件。

本文综述了热处理过程中豆浆内大豆蛋白解离缔合行为的研究进展，归纳了豆浆在热处理条件下，混合体系中大豆蛋白的解离缔合行为以及体系中其他成分与蛋白互作对其解离缔合行为的影响，分析了相应条件下混合体系的解离缔合反应模型，以期探究大豆蛋白混合体系的热处理解离缔合反应规律，为大豆食品的研究开发与应用提供科学依据。

1 豆浆中大豆蛋白组分状态及其凝胶性

豆浆是从大豆中提取的胶体分散体，包含3.6%蛋白质、2.0%脂肪、2.9%碳水化合物和0.5%灰分[7]。因此，豆浆属于一种混合体系。

豆浆中的蛋白质主要为大豆贮藏蛋白（大豆球蛋白和伴大豆球蛋白，沉降系数分别为11S和7S）。11S球蛋白是六聚体（300～380 kDa），通过二硫键链接组成亚基。7S球蛋白是三聚体（180～210 kDa）[8]。虽然7S和11S都具有相对稳定的四级结构，但当它们所处的环境（如酸碱度、温度、共存物、超声波处理等）改变时，可以发生解离（解聚）或缔合反应[9-10]。大豆蛋白的三级结构被盐键、氢键、疏水键、范德华力及二硫键等所稳定，二级结构被内部的主链氢键所稳定，因此容易被热、酸、碱等所影响[11]。

凝胶性是大豆蛋白重要的功能性质，豆浆、豆花等传统食品的生产加工则利用了这一特性[12]。豆浆中的大豆蛋白质分散于水中形成溶胶体，这种溶胶在一定条件下可以转变为凝胶。凝胶的形成受很多因素影响，如蛋白质溶液的浓度、加热温度与时间、分散体系中其他组分[13-16]、pH值、离子浓度等[17-18]。适当的变性可以改善蛋白凝胶的状态，但是过度的变性会产生负面影响[19]。在大豆蛋白质中，只有11S和7S组分才可以形成凝胶，而且11S组分形成凝胶的硬度、组织程度高于7S组分凝胶。7S组分变性的温度在75 ℃左右，而11S的变性温度在90 ℃左右；且蛋白质中11S比例的升高会导致凝胶弹性模量（G′）的增加[20]。Wu Chao等[21]研究发现当预热大豆蛋白时，凝胶交联作用显著增强，且交联情况取决于温度和蛋白质浓度。表明大豆蛋白凝胶性可同时受多种因素协同作用，然而目前还没有相对完整系统的解释，多数影响因素还处于研究阶段。且检验大豆蛋白功能性质最好的方法是在食品生产加工过程中，通过单元操作和最终的产品效果来鉴定。

2 热处理过程中影响豆浆内大豆蛋白解离缔合行为的因素

2.1 钙、镁、植酸盐的影响

植酸含有6 个磷酸基团，因此能够螯合钙、镁等金属离子[22]。植酸盐和金属离子以各种形式存在于豆浆中，它们之间的结合方式会随着豆浆热处理过程中大豆蛋白结构的改变而发生变化。有证据表明，蛋白质的凝固反应发生在小分子（主要是植酸盐等多酸离子）与Ca2+相互作用形成可结合物质之后，表现为蛋白质分子聚集、生长并形成网络[23]。Wang Ruican等[15]研究植酸盐与大豆蛋白在热处理过程中的相互作用，发现与生豆浆相比，经热处理后的豆浆中约有三分之一的植酸盐附着在蛋白质上，并结合到蛋白质聚集体中。并且通过对纯蛋白溶液进行研究之后发现，11S结合植酸的能力比7S更高。

2.2 脂肪的影响

未经加热的豆浆中油脂主要存在于颗粒组分中。当加热温度从65 ℃升高至75 ℃时，脂质的一部分以及几乎所有的α和α′亚基和β-球蛋白在颗粒组分中释放并向可溶性组分移动。在75 ℃下加热时，可溶部分和颗粒部分中的脂质开始释放并转移到浮动部分。在90 ℃时，几乎所有的脂质（中性脂质）都转移到了浮动部分，一半的磷脂保留在颗粒中[24-25]。

加热生豆浆时，大豆蛋白的亚基发生变性、解离，随后聚集形成大小、组分和分子结构不均匀的颗粒。变性大豆蛋白和脂质间的离子或酸诱导的凝固作用导致豆奶凝胶化[26]。油脂的添加量对豆浆形成不同类型的凝胶影响是有差异的，随着油脂体积的增加，酸诱导凝胶的储能模量降低，盐诱导凝胶的储能模量升高[27]。添加脂肪的大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）制备的凝胶与未添加脂肪的凝胶相比，凝胶化行为的表现不同，脂肪作为填料会影响SPI凝胶的硬度和凝胶性能[28]。

3 热处理过程中影响豆浆混合体系解离缔合行为的因素

3.1 加热方式的影响

豆浆加工中有不同的热处理方式，按照豆浆受热处理时的压力程度可以分为减压、常压、微压、高压、超高压热处理。

3.1.1 减压热处理

豆浆的生产及后续加工中需要提高固形物含量，因此需要对其进行蒸发。由于豆浆属于热敏性物料[29]，因此真空减压浓缩应用广泛，通过减压降低豆浆中水的沸点，使水分在较低的温度下蒸发除去，达到提高固形物含量的目的。尽管超滤也可以达到提升固形物含量的目的[30]，且无需热处理，但是不适用于工业化生产；相比之下，真空浓缩的蒸发过程趋向于连续操作，与超滤等其他过程相比，可以容纳大量的输入材料。日本学者Shimoyamada等[31]研究了适度加热真空蒸发对豆奶黏度的影响，利用超速离心法分析脂质和蛋白质的分布，发现在较高含量固形物范围内油滴平均粒径和超速离心后的悬浮物比例增大，表现为蛋白质颗粒和油滴的聚集，也就是促进了油脂和蛋白质颗粒之间的相互作用。由于豆浆的真空浓缩是一个复杂的动态过程，豆浆中大豆蛋白受其中很多因素共同影响，因此至今还没有对真空浓缩下大豆蛋白结构和性质如何变化进行机理层面的解释，多为对浓缩过程的工艺优化。

3.1.2 常压热处理

常压热处理是最为常见的传统煮浆方式，即采用煮浆设备对豆浆直接进行传导加热。对豆浆热处理方式的大部分研究都以常压传统煮浆为对照，分析其他煮浆方式与传统煮浆的区别[32]。大豆磨浆前进行高温漂烫是一种常压的豆浆热处理方式，可以有效地去除豆腥味，和传统的制备方法相比，高温漂烫会对蛋白质聚集产生额外的影响[33]，7S预先发生变性，使其在研磨加工前保持固定和聚集。固有荧光光谱显示热烫豆浆的光谱发生了红移，颗粒的表面疏水性显著提高，热烫过程可以改变豆浆颗粒的变性和聚集机理，使部分油体与颗粒蛋白结合起来[4]。

3.1.3 微压热处理

施小迪等[34]于2016年深入研究微压煮浆技术，微压煮浆，即采用密闭容器底部通入蒸汽，使体系压力达到0.08～0.10 MPa的微压环境，此技术显著降低豆浆的豆腥味，煮浆时间10 min时，风味改善效果最佳。Zuo Feng等[35]对微压煮浆加热方式与传统煮浆进行对比研究，发现微压煮浆可增加豆乳胶体蛋白粒子的Zeta电位、含量及黏度，但没有改变豆乳中蛋白和脂肪的相互作用；通过超高速离心发现，形成了与传统煮浆豆乳明显结构性质不同的一种新的蛋白粒子；并且蛋白粒子含量越高，形成的豆腐网络结构越坚实，硬度、弹性、咀嚼性等质构指标数值越大。微压煮浆还影响了豆乳蛋白粒子和非蛋白粒子的组成，使Ca2+诱导蛋白质形成凝胶的过程变得缓慢，导致豆腐产率及持水力提高。另外，两段式微压煮浆会导致豆乳中蛋白粒子含量增多，凝胶更坚实[36-37]。

3.1.4 高压热处理

高压均质是大豆加工中常见的技术，可以使悬浊液达到均质的效果。在动态高压均质过程中，流体会被迫在高压下通过均质阀。由于均质阀区域强烈的摩擦，通过窄间隙的通道和流体的突然减压会导致速度增加和温度升高（大约每10 MPa压力增加1.5～2.5 ℃）[38]。高压均质分为动态高压均质和静态高压均质，动态高压均质下蛋白乳状液受高压高剪切的作用，在静态高压均质下蛋白乳状液受静水压力的影响。动态高压均质通过影响氢键和疏水相互作用来改变大豆蛋白的构象，对蛋白一级构象没有影响，对二级结构有轻微影响，破坏大多数球状蛋白三、四级结构，对蛋白质构象有明显的修饰作用[39]。有研究显示，11S和7S经高压均质后变性温度上升，推迟了11S凝胶化的开始[40]；且随着压力增加，7S和SPI的聚集物浓度降低，可溶性聚集物尺寸增加[41]，可改善乳液凝胶的持水力及凝胶强度；在较高的压力下，乳液可形成更稳定的各向同性网络凝胶结构[42]。高压均质协同热处理也逐渐应用于食品加工，已有利用选择性热变性协同高压均质制备绿豆豆腐的研究[43]。

3.1.5 超高压热处理

部分学者利用超高压技术对大豆蛋白进行研究，发现超高压可改变蛋白的结构，增加SPI的柔性，暴露出更多的酶切位点[44]。超高压可改变豆浆蛋白的高级结构，提高了11S的稳定性，但降低了7S的热稳定性[45]，促进了7S的凝胶化，且随着超高压处理强度的增加，SPI和7S样品的凝胶基质形成起始温度越来越低[46-47]，疏水相互作用的增强和二硫键含量的增加导致7S和11S的不同多肽形成可溶性高分子聚集体。且超高压处理弱化了蛋白分子内氢键及疏水相互作用，大豆蛋白结构部分折叠，进而改变与过敏相关的抗原表位，降低致敏性[48]。现实生产过程中超高压往往应用于均质，有研究表明随着高压均质化压力的增加，SPI乳液的强度增加。但当超高压与热处理相结合时，可以明显改善蛋白质溶解性和物理稳定性，大大缩短处理时间和降低能源成本[49]。与常压热处理相比，超高压均质处理导致豆浆蛋白粒径显著减小，从而导致样品具有较高的物理稳定性[50]。

不同压力下热处理对豆浆混合体系的影响如表1所示。

表1 不同压力下热处理对豆浆混合体系的影响Table 1 Effect of heat treatment under different pressures on properties of soybean milk system

3.2 加热温度的影响

热处理温度是影响蛋白质结构功能性质的最主要因素之一，当热处理温度过低时，未能达到蛋白质变性程度，则蛋白质的球状结构仍处于相对稳定状态，巯基等基团被包裹于蛋白分子内部，静电斥力也处于平衡位置。蛋白质聚集体含量也受加热温度的影响，高温（≥80 ℃）下豆浆会受热产生变性，促进大分子蛋白质聚集体的形成[51]。

SPI在4～25 ℃及40～60 ℃范围内随温度升高黏度下降的趋势比较明显，是因为温度较低时分子间氢键有较强的作用，刚开始加热时，黏度的下降是因为温度破坏了氢键，50 ℃后继续加热分子结构迅速被破坏，也导致黏度迅速下降[52]。并且温度低于70 ℃时蛋白溶液不能形成凝胶。随着加热温度上升，SPI亚基解离加剧，SPI的β-折叠含量明显下降，无规卷曲含量显著上升，自由氨基浓度、自由巯基含量及表面疏水性呈上升趋势，SPI凝胶强度先上升后降低，凝胶失水率呈下降趋势，凝胶硬度稳步增加，在95 ℃时达到最大。此过程中蛋白分子运动加剧，分子间碰撞机会增加，从而相互交联形成凝胶。但温度过高则蛋白质发生热溶解，成为亚溶胶[53]。杨岚[54]研究不同热处理强度下酸诱导和盐诱导凝胶及乳液凝胶的硬度和持水性，根据热处理温度和时间得到了最优硬度及最优持水性拟合方程。

3.3 加热时间的影响

热处理的温度和时间是热处理过程中不可忽视的因素，热处理的程度以及蛋白质变性程度的大小都取决于热处理的温度和时间，然而目前大多数研究关于二者对蛋白结构的影响分析上还是整体进行的。事实上，不同的热处理方法下，可以分别调节热处理温度和时间最终达到相同的热处理效果。相同的热处理方法下，较高温度较短时间可以与较低温度较长时间达到相近的热处理效果。

热处理时间的长短影响蛋白质分子的变性程度及形成聚集体的大小和数量，且蛋白聚集体在加热初期尺寸增长较快，随着时间的逐渐延长，聚集体尺寸逐渐下降。并且，热处理时间还是决定凝胶性质的基本因素[55]。当热处理温度不变，时间从5 min延长到60 min时，SPI中自由氨基浓度不断增加，自由巯基含量及表面疏水性先增加后降低，SPI形成的凝胶强度呈上升趋势，凝胶失水率呈下降趋势[56]。高长城等[57]研究发现凝胶强度随加热时间延长而逐渐提高，在加热15 min后，加热时间过长，导致蛋白上的巯基被氧化，分子间可形成的二硫键减少，导致凝胶强度有所降低。源博恩[58]发现在中性条件下90 ℃加热，0～30 min内大豆蛋白发生亚基解离，30～60 min之间大豆蛋白发生聚集。且热处理后，培养时间越长，最后形成的凝胶弹性模量越高[55]。

4 热处理过程中豆浆内大豆蛋白解离缔合反应机理

4.1 豆浆中不同成分与大豆蛋白混合体系凝胶解离缔合反应机理

4.1.1 植酸的影响

Wang Ruican等[15]研究植酸盐对热诱导的蛋白质聚集和豆奶蛋白颗粒形成的影响，发现在豆浆加热至高温时，出现一个关键的“开放期”（图1），大豆蛋白结构展开，解离出酸性多肽和碱性多肽，此时大量的内部碱性氨基酸暴露在表面，从而吸引植酸盐与其结合。并且随着植酸盐与碱性多肽的结合，可以在一定程度上抑制α、α′亚基和酸性多肽的结合，使颗粒蛋白比例下降。植酸盐可使蛋白质表面负电荷数量增加，进一步增强11S的溶解度并抑制其热聚集。

图1 豆乳蛋白质热变性过程中植酸蛋白结合机理的预测[15]Fig.1 Prediction of the mechanism of phytic acid-protein binding during thermal denaturation of soybean milk protein[15]

4.1.2 脂肪的影响

在向SPI添加油脂的实验中发现，豆油的添加量越高，蛋白凝胶的硬度越大，持水力越强，由此推测是由于蛋白-油脂相互作用的增强和网络结构中较小油滴的活性填充作用引起的[16]。

如图2所示，在豆浆加热前，大豆中存在完整的油体，通过浸泡和研磨，油体的外源蛋白（油体蛋白）通过非共价（11S、7S）和共价（P34-24 kDa油体蛋白和7S（α′/α）-SS-P34-24 kDa油体蛋白，P34是24、18 kDa油体蛋白的巯基蛋白酶）的相互作用与完整的油体结合。通过加热，蛋白酶发生变性，外源蛋白展开。7S被解离成其游离亚基（α′、α和β），通过巯基/二硫键交换反应裂解11S酸性肽链（A）和碱性肽链（B）中的链间二硫键，形成A单体和含有A和/或B的二硫键连接产物，P34和24 kDa油体蛋白之间共价相互作用释放P34和α′/α-SS-P34。同时，每个油体被其周围的油体和游离蛋白碰撞，将外源蛋白的残留疏水位点嵌入到三酰基甘油基质中，大豆蛋白7S和11S组分中的疏水蛋白（B和β）有很高的嵌入概率。包埋外源蛋白对油体进行了修饰，部分油体被聚结成不同粒径的油滴，并对油滴也进行了修饰。当包埋的蛋白质量达到临界值时，油体和油滴的表面被油体蛋白、磷脂和外源蛋白完全包埋，可能会抑制进一步的聚结。在较高的温度下，外源蛋白可以更快地从油体中去除，并且可以减少被嵌入到三酰基甘油基质中的蛋白质；故较大油滴的形成使油体表面被其覆盖[59]。

图2 热处理状态下豆浆中油脂和蛋白的解离缔合行为[27,59]Fig.2 Dissociation and association behaviors of lipids and proteins in soybean milk under heat treatment[27,59]

4.2 豆浆复合体系中蛋白亚基解离缔合反应机理

加热生豆浆时，大豆蛋白亚基发生变性，导致其组分发生变化，解离后聚集形成大小、成分和分子结构不均匀的颗粒[27]。通过差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）分析发现大豆蛋白在加热过程中会出现两个峰，65.3～70.9 ℃的峰表明7S发生了变性，85.6～92.0 ℃的峰表明了11S发生了变性[20]。因此有研究者根据11S和7S变性温度不同，提出了采取两步加热法来处理豆浆，达到控制豆浆中大豆蛋白适度变性的效果，其中黏度变化证明这种选择性变性改变了大豆蛋白的聚集状态[60]。这是由于一步加热即传统加热过程中11S和7S都发生变性，解离之后彼此亚基之间缔合起来，形成新的聚集状态。而分步加热则使7S首先变性，随后11S再发生变性，11S解离出来的部分亚基会和先变性的7S形成的新网络结合起来，使构象发生变化。

Nik等[61]发现未加热的豆浆呈现出大颗粒的双峰分布，经过加热和均质热处理之后，粒径分布减小。同样的结果也被Giri等[3]发现，未加热的豆浆在离心过程中表现出较大的平均粒径、较宽的粒径分布和显著的蛋白质沉淀。加热后豆浆粒径大小分布降低、稳定性提高。Ren Chengang等[62]利用脱脂豆浆研究热处理对蛋白质颗粒结构的影响，通过研究蛋白颗粒中各种多肽之间的结合方式，发现豆浆在加热时蛋白质分解、重新排列和聚集形成蛋白质颗粒（图3）。聚集体主要由11S的二硫键碱性多肽和酸性多肽组成，此外还有极少量的7S和α、α′亚基。其中7S和11S的部分单体亚基作为结构单元，11S的碱性亚基（B）和7S的β亚基倾向于形成新颗粒的核心蛋白质，主要通过非共价键相互作用，特别是疏水相互作用和氢键相互作用形成蛋白质颗粒。聚集体中的二硫键碱性多肽应位于蛋白质颗粒内部，而酸性、α、α′亚基具有较高的亲水性，应位于核心周围。另外，7S对大蛋白颗粒的形成有抑制作用[63]。Wang Yahui等[33]研究热烫豆奶中蛋白质沉淀形成的原因，发现与传统的豆浆制备方法相比，热烫改变了蛋白质颗粒的热聚集行为，热烫过程中7S发生变性，导致7S在研磨加工前发生固定和聚集。因此7S失去了对其他蛋白质聚集生长的抑制能力[64]。

图3 热处理对豆浆中蛋白组分的影响[62-64]Fig.3 Effect of heat treatment on protein components in soybean milk[62-64]

5 结 语

大豆蛋白的解离缔合行为是现如今的热点，国内外学者已经对大豆蛋白及其亚基在热处理条件下的凝胶行为进行了基础的研究，但目前不足的是对类似豆浆这种蛋白和其他物质混合体系的解离缔合行为还没有系统地阐明，豆浆经热加工后的内在变化机理仍然没有相对全面的阐述。尤其是豆浆的浓缩工艺，尽管工厂在生产加工中可以得到理想化的豆浆或豆粉，但是没有完善的机理可以解释这一现象。还需要在纯蛋白的研究基础上，考虑实际的生产条件，模拟加工过程中的热处理条件以及添加的辅料，从机理方面深入探究蛋白以及蛋白与其他物质互作发生的解离缔合行为，才有助于寻找表征蛋白变性程度的指标及探究能使蛋白适度变性的条件，才能指导豆浆及其相关产业的生产加工。