超声处理对大豆分离蛋白性质影响研究*

刘静雪，梁雪寒，田兰英,2，李凤林

（1.吉林农业科技学院 食品工程学院，吉林 吉林 132101；2.吉林省酿造技术科技创新中心，吉林 吉林 132101；3.农业农村部国家糖料加工技术研发分中心，吉林 吉林 132101）

大豆分离蛋白是一种蛋白质含量能达到90%的高精制蛋白，制备方式主要为碱溶酸沉法。它含有氨基酸的种类约为20种，其中包含8种必需氨基酸，是动物蛋白的完美替代品。根据免疫学特性的不同，大豆分离蛋白的成分主要为大豆球蛋白、α-伴大豆球蛋白及β-伴大豆球蛋白等。根据离心分离系数的不同，大豆分离蛋白的主要组成部分为2S、7S、11S和15S。其中，7S和11S的组成成分为β-伴大豆球蛋白、大豆球蛋白，它们约占大豆分离蛋白质量的80%左右[1]。根据功能性质的不同，大豆分离蛋白主要分为水化作用、表面特性及蛋白质-蛋白质间的交互作用三种，具体表现为吸水性、溶解性、起泡性、乳化性、凝胶性等。

大豆分离蛋白具有良好的功能特性，不仅可以改善产品的口感和风味，还可以提高产品的营养价值。但天然蛋白质的自然功能属性不够突出，在一定程度上限制了产品的开发与应用。因此，采用一定技术手段对蛋白质进行改性，以获得具有较高功能特性的专用型蛋白产品具有重要意义。目前，蛋白质改性技术主要有物理改性、化学改性、生物改性三种。其中，在物理改性中，超声波作为新兴的技术，具有操作简单、方便安全、营养损失小等优点，广泛的应用于蛋白质改性中，可提高蛋白质的加工性能[2]。本文对采用超声改性处理后的大豆分离蛋白的溶解性、凝胶性、乳化性及持水性等功能性质进行综述，为开发高性能、专一性强的蛋白产品奠定基础。

1 超声波技术作用原理

超声波技术通常是指频率高于20 KHz的机械波，它是一种远远高于人类听觉范围的声波。超声波具有高效率、低成本、低损耗、易操作等优点，其一般分为低场强和高场强超声波两种，低场强超声波的声波范围为100 KHz~1 MHz，具有对物料损伤低的特点，通常用于医学无损检测技术、超声波显微镜等。高场强超声波的声波范围为20~100 KHz，它能够有效改变物料的结构和性质以及蛋白质的结构，主要应用于超声波清洗及食品加工领域[3]。超声波技术在应用传播过程中具有以下特点，①传播时方向性好，这是由于超声波的功率较高且波长较短，导致衍射发生率降低，从而输出更高的能量并作用于物料；②穿透性强，与其它声波相比，超声波在传播时，衰减程度低，穿透距离更长，穿透能力更好；③在作用于物料时，常会引起空化效应及热效应等现象。

超声波技术的作用对象不是物料分子，它是通过周围环境物理作用产生的影响达到改变物料性质的目的。超声波作用产生的超声波效果主要有空穴效应、微流束效应和热效应。空穴效应主要是指超声波作用于介质时，液体中的气泡在其作用下发生波动、振荡、收缩等一系列动力学过程，压缩波和稀疏波循环往复形成周期性运动，多次周期性运动后，当压力超过临界值时，空穴气泡会发生瞬时破裂，产生高能量的剪切力，可使物料间的化学键断裂，从而能加快各类反应的进行。微流束效应产生的作用原理主要有两种，一种是由于空穴效应产生的气泡不断震动引起的微流束效应，另一种是由于压缩波和稀疏波周期性的往复运动使气泡持续进入气泡中，导致微流束效应的发生[4]。热效应一般有瞬时热效应和连续热效应两种，瞬时热效应是指空穴气泡破裂时产生的高热高能，连续热效应是指超声波作用于物料时，会被传播介质吸收，一段时间后环境体系中积累了大量的热量，进而温度持续上升。

目前，超声波技术已经广泛应用于食品加工行业，尤其是蛋白质改性技术方面，具有广阔的发展前景和潜力。超声波技术是一种物理改性方法，通过改变蛋白质的分子结构、空间分布等达到改变蛋白质功能特性的目的，改善了功能特性的蛋白质分子可用于专用型蛋白产品的工业化生产。

2 超声波对大豆分离蛋白的影响

2.1 超声波对大豆分离蛋白溶解性的影响

溶解性是指大豆分离蛋白中的肽键或侧链基团与水分子之间发生相互作用时大豆分离蛋白中可溶性蛋白的占比，一般蛋白的粒径越小，其溶解度越大。影响溶解性的因素有pH、离子强度、疏水作用等。Morales等[5]发现在20 kHz、4.27 W的超声处理条件下，大豆分离蛋白的粒径有所减小。袁道强等[6]探究了采用超声波技术和未采用超声波技术对大豆分离蛋白溶解性的影响，研究发现在超声功率200 W、超声时间5 min条件下，大豆分离蛋白在酸性条件下的溶解性比未采用超声处理的大豆分离蛋白提高86%。朱建华、李笑笑等[7-8]研究表明大豆分离蛋白的溶解性随着超声功率增加而增大，与未经过超声处理相比，经过超声处理的大豆分离蛋白的溶解性得到显著的提高。刘国琴等[9]研究发现当超声处理时间小于30 min时，大豆分离蛋白的溶解性变化较大，呈现升高的趋势；当超声处理时间大于30 min时，大豆分离蛋白的溶解性变化不大，这可能是由于随着超声时间的增加，声波产生的能量越来越弱，不能使物料分子破裂。阮雁春等[10]发现在超声功率大于200 W时，大豆分离蛋白溶解性有明显地增加。涂宗财、孙英杰等[11-12]研究发现在超声处理时间为60 min时，大豆分离蛋白的溶解性达到最大。

2.2 超声波对大豆分离蛋白乳化性的影响

乳化性是指蛋白质扩散进入水油界面形成稳定均一乳化液的能力。大豆分离蛋白是具有亲水和亲油基团的两亲结构，其主要组成部分为7S的乳化能力比11S的乳化能力强。影响其乳化性的因素主要有温度、离子强度。大豆分离蛋白的内部结构紧密，经过超声波等物理改性后，乳化性会显著提高，作为乳化剂被广泛地应用于食品加工行业[13]。李扬等[14]研究发现采用超声处理后的大豆分离蛋白的乳化性随着超声功率的升高而增加，中强度的超声功率对大豆分离蛋白乳化性的升高有显著作用。田然等[15]研究发现超声处理后大豆分离蛋白的主要成分7S和11S球蛋白乳化性存在显著上升趋势。杨会丽[16]等研究发现在超声功率为320 W、超声时间为15min时，大豆分离蛋白的乳化性有显著升高。朱建华等[7]研究表明在超声功率为200 W，超声时间为10min时，0.2%大豆分离蛋白的乳化值达到最高。包中宇、孙英杰等[12,17]研究表明随着超声功率和超声时间的增加，大豆分离蛋白的乳化性逐渐增加，当超声功率达到600 W，超声时间达到60 min时，大豆分离蛋白的乳化性能最强。这主要是因为在超声波的作用下蛋白质分子因空穴效应而致分子结构被破坏，变得疏松，使位于蛋白质分子内部的疏水基团暴露，疏水基团增加，蛋白分子的乳化能力增强。

2.3 超声波对大豆分离蛋白凝胶性的影响

凝胶性是指大豆分离蛋白形成胶状网络结构的性能，凝胶的形成需要一定的蛋白含量及适当的变性。温度、pH、盐离子浓度、蛋白含量、蛋白浓度等都是影响凝胶形成的关键因素，其中蛋白浓度与凝胶的形成呈正相关，蛋白浓度越低，越不易形成凝胶。大豆分离蛋白中7S和11S分别影响着凝胶的黏弹性、硬度。凝胶性对食品的组织结构和口感有重要作用[18]。在香肠等碎肉制品中加入大豆分离蛋白能够利用其凝胶性赋予食品优良的口感，Hu等[19]研究发现超声处理能够促使钙离子诱导的大豆分离蛋白具有更强的凝胶结构和性能。Zhang等[20]研究发现高强度超声波和转谷氨酰胺酶作用大豆分离蛋白下形成的凝胶强度更大。Madadlou，Tang等[21-22]发现超声处理可以显著提高大豆分离蛋白的凝胶性能。涂宗财等[11]研究发现在超声时间为60 min时，大豆分离蛋白在谷氨酰胺转氨酶作用下凝胶强度达到最大，为146.57 g。这可能是由于超声处理后蛋白的粒径变小，表面积变大，从而导致凝胶强度增加。张宏伟、刘冉等[23-24]研究发现中功率的超声处理更有利于增加大豆分离蛋白的凝胶特性，400 W是大豆分离蛋白凝胶品质达到最高的最佳功率条件。

2.4 超声波对大豆分离蛋白持水性、持油性的影响

大豆分离蛋白的持水性是指一定浓度的蛋白水溶液经过离心分离后剩余的水分含量。蛋白质颗粒在复水后能够充分膨胀，且具有一定的黏性，可形成一定的网络结构使蛋白质分子具有保持水分的能力。除了大豆分离蛋白本身结构能影响持水性外，外界温度、pH、离子强度等均会影响大豆分离蛋白的持水性。大豆分离蛋白的持水性已广泛应用于肉制品、面食等食品加工中，不仅能够保持食品的感官特性，也能提高产品的得率。大豆分离蛋白的持油性是指蛋白质分子吸收脂肪的能力。影响持油性的强弱主要有蛋白质结构、非共价键等因素，蛋白质和脂类间的相互作用主要是依靠非极性键的作用。大豆分离蛋白的持油性主要应用于肉制品加工中，不仅能促进脂肪的吸收，也能促进二者相互结合，在一定程度上减少肉制品在蒸煮过程中的损失。同时，大豆分离蛋白能有效的保持肉制品中的汤汁，对肉制品的形态、口感、风味的保持有重要意义[25]。

涂宗财等[11]发现超声处理后的大豆分离蛋白与未经过超声处理的相比，其持水性增加了3.66%。孙英杰等[12]采用不同超声时间、超声功率对大豆分离蛋白进行改性处理，发现在超声功率为600 W、超声时间为60 min的条件下，大豆分离蛋白的持油能力最强。此外，研究还表明经过超声处理的大豆分离蛋白的持水性有一定程度的降低，这主要是因为经过超声处理的蛋白结构发生改变，大量蛋白分子被溶解，保持水分的网络结构被破坏。包中宇等[17]发现随着超声功率的增加，大豆分离蛋白的持水力、持油力分别提高了27.43%和16.81%，这主要因为蛋白质分子经过超声处理，内部结构更加疏松，粒径变小，使疏水基团暴露出来，使蛋白质分子能够更好地吸附和结合脂类物质，以致持水和持油能力逐渐增强。

2.5 超声波对大豆分离蛋白起泡性的影响

起泡性主要是指大豆分离蛋白在搅拌过程中，蛋白质分子会吸附在空气和水的界面，形成一层粘弹性薄膜，将气体包裹并聚集成泡沫。影响大豆分离蛋白的起泡性主要有蛋白质浓度、pH、温度等，当蛋白质浓度较低时，其黏度低，易形成泡沫，但其稳定性相对较差，反之，蛋白质浓度高时，其不易形成泡沫，但泡沫稳定性较高[26]。杨会丽、阮雁春等研究发现超声功率在800 W时大豆分离蛋白的起泡性得到明显地提高。这可能是由于经过超声处理的蛋白质分子的相互作用力得到增强，加快了空气和水界面形成，进而增大了大豆分离蛋白的起泡性[10,16]。赵飞等[27]研究发现在超声功率600 W、超声时间30min时，大豆分离蛋白发泡性能达到最大。包中宇等[17]研究表明超声波能显著提高大豆分离蛋白的起泡性，当在超声功率为400 W、超声时间为60 min时，大豆分离蛋白的泡沫稳定性最好。刘国琴等[9]研究发现大豆分离蛋白的起泡性随着超声时间的增加而增大，这是因为超声波的空穴效应使蛋白质分子中基团暴露出来，降低了水的界面张力，使蛋白质分子快速吸附在界面上，从而提高了大豆分离蛋白起泡性。

3 结语

大豆分离蛋白具有营养价值高、资源丰富、产量高等特点，在食品工业中，因其具有较为丰富的功能特性而倍受关注，并用于开发专用型的大豆蛋白产品。但在实际生产过程中，因大豆分离蛋白的本身结构特性及加工因素的影响，限制了大豆分离蛋白产品更好的发挥其功能特性。因此，大豆分离蛋白功能性质的改性成为蛋白产品开发的必然趋势。超声波技术是一种绿色的物理改性技术，它利用空穴效应、微流束效应、热效应等作用来改变大豆分离蛋白的组织结构、空间结构等，进而改变其功能性质，从而更好地应用于食品加工领域中。通过超声技术对大豆分离蛋白进行改性，能够明显提高大豆分离蛋白的溶解性、乳化性、凝胶性及起泡性等，改善了大豆分离蛋白的功能性质，拓展其在食品加工领域的应用范围。研究超声处理对大豆分离蛋白性质的影响，为大豆分离蛋白功能性质的改性及专用型的大豆蛋白产品的开发应用提供理论参考，有利于大豆蛋白产品的精深开发。