朱曉燁，遲玉杰，許 巖，劉紅玉*

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，教育部大豆生物學重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030)

大豆分離蛋白凝膠穩(wěn)定性的研究進展

朱曉燁，遲玉杰，許 巖，劉紅玉*

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，教育部大豆生物學重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030)

大豆分離蛋白因其蛋白質含量高，具有凝膠性等多種功能特性，在食品工業(yè)中得到廣泛應用。但大豆分離蛋白在貯藏過程中，其凝膠的穩(wěn)定性往往下降，嚴重地影響了產(chǎn)品的質量。國內外研究發(fā)現(xiàn)，在貯藏過程中蛋白組成成分、蛋白濃度、溫度、pH值和離子強度等的變化對凝膠形成具有一定影響，通過各種改性方法可以提高大豆蛋白的凝膠穩(wěn)定性。

大豆分離蛋白；凝膠穩(wěn)定性；改性

Abstract：Soy protein isolate is widely applied in food industry due to its high protein content and functional properties,especially for gel properties. However, the gel stability of soy protein isolate usually exhibits a decrease during storage, which reduces the quality of gel products. According to the research progress at home and abroad, protein compositions, protein concentration, temperature, pH and ionic strength affect the formation of soy protein gel during storage. Many modification methods for improving gel stability of soy protein isolate are also discussed in this paper.

Key words：soy protein isolate；gel stability；modification

大豆分離蛋白由于具有多種功能特性，如凝膠性、乳化性、起泡性、持水性、持油性和黏彈性等，被廣泛應用于肉制品、乳制品、面制品、兒童食品、方便食品和冷凍食品中，用來改善食品的品質，提高產(chǎn)品質量。

凝膠性是大豆分離蛋白最主要的功能特性之一。球蛋白形成的熱致凝膠網(wǎng)絡能同時束縛水、脂類、風味物質、色素和其他成分，并使它們在分散相中保持穩(wěn)定[1]，所以凝膠的穩(wěn)定性對于食品加工有重要作用。目前，凝膠型大豆分離蛋白主要應用于肉制品中，消費量較大，但在貯藏一段時間后，凝膠性會發(fā)生下降，凝膠硬度明顯降低，即凝膠穩(wěn)定性變差，這嚴重影響了企業(yè)的效益，同時造成大量浪費。目前，凝膠穩(wěn)定性是困擾大豆分離蛋白企業(yè)的難題，因此，提高蛋白凝膠穩(wěn)定性已成為當務之急。因此，本文綜述了國內外對大豆分離蛋白凝膠穩(wěn)定性研究的進展，為深入研究大豆分離蛋白的分子結構與其凝膠穩(wěn)定性之間的關系提供參考。

1 凝膠的形成

根據(jù)大豆蛋白的沉降特性，可分為4種主要組分：2S、7S、11S 和15S，它們分別占15%、34%、41.9%和9.1%[2]。其中最重要的是7Sβ-伴球蛋白(β-conglycinin)和11S大豆球蛋白(glycinin)。β-伴球蛋白是一個三聚體糖蛋白，包括α′、α和β三個亞基，分子質量在150～200kD之間。大豆球蛋白是分子質量在300～360kD之間的六聚體，分為酸性亞基A1a、A1b、A2、A3、A4、A5和堿性亞基 B1a、B1b、B2、B3、B4等11個亞基，它們通過二硫鍵結合形成酸-堿配對的二聚體，分子中巰基含量比7S高[3-4]。

球蛋白熱致凝膠的形成是一個涉及到多種反應的復雜過程。首先，蛋白質初步變性，導致黏度上升和結構變化，蛋白質分子肽鏈解開，暴露出相互作用位點，使去折疊的蛋白質分子相互作用聚集成凝膠網(wǎng)絡，在這個過程中“預凝膠”(progel)形成[5]。隨后由分子間的二硫鍵、氫鍵、疏水相互作用使解開的肽鏈間重新交聯(lián)形成橫截面是一個圓柱結構的規(guī)則膠束，這是一個不可逆的過程。形成的膠束主要有兩種，Hermansson[6]把它們稱為精致索狀網(wǎng)絡和粗糙網(wǎng)絡。以精致索狀網(wǎng)絡結構為主的凝膠是透明的，蛋白質分子排列相對有序，由厚度為蛋白質分子幾倍的膠束組成。粗糙網(wǎng)絡形成的凝膠不透明，由直徑范圍在100～1000倍蛋白分子大小的微粒組成。

由于7S和11S的蛋白結構不同，它們形成的凝膠結構也不同。7S由于巰基和二硫鍵含量較低，形成的凝膠沒有11S規(guī)則，而且發(fā)生的交聯(lián)現(xiàn)象更多。有實驗表明，11S凝膠膠束的橫截面類似空心管，外直徑12～15nm，放大40萬倍的顯微照片顯示膠束由亞基呈螺旋狀排列形成。而7S組分的凝膠質地更為致密，厚度在10～14nm之間[7]。事實上，除了蛋白成分的影響，蛋白的凝膠結構還受凝膠形成過程中外部條件的影響，包括pH值、加熱溫度、加熱時間、存在的離子種類和強度等，通過控制這些條件可以控制凝膠的形成。

2 影響凝膠形成的因素

2.1 蛋白質濃度

蛋白質的濃度是大豆分離蛋白形成凝膠和使凝膠保持穩(wěn)定的決定性因素之一。經(jīng)熱處理的蛋白溶液主要由聚集體、中間體和未聚集部分組成[8]。隨著溶液濃度不斷升高，聚集體的直徑逐漸增大。蛋白質-蛋白質、蛋白質-溶劑(水)之間的相互作用以及相鄰多肽鏈間的引力和斥力的平衡作用最終導致凝膠的形成。因此，具有較大體積和開放性結構的聚集體能為交聯(lián)提供更多的相互作用位點，促進凝膠形成，增加凝膠強度。

王吰等[9]的實驗表明，通常在pH值介于3～11的條件下，濃度低于10%或大于18%的大豆分離蛋白溶液不能形成凝膠。而由于7S中只有α′和α亞基中分別含有兩個巰基，亞基本身只能通過靜電作用和離子鍵連接，因此即使凝膠過程中蛋白分子伸展開也只能形成很少的二硫鍵。蛋白質在濃度較低的時候，蛋白質-溶劑的相互作用占主導，使體系不易形成凝膠。所以7S形成凝膠所需的蛋白質的濃度要比11S高許多。例如，在100℃，0.5mol/L的離子強度下，7S的凝膠濃度為7.5%，而11S僅需2.5%[10]。

2.2 貯存條件

貯藏期間的條件對大豆分離蛋白凝膠穩(wěn)定性的影響是十分顯著的。Liu等[11]發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白在20℃、相對濕度88%條件下貯藏3個月開始降解，6個月時有顯著降解，8個月后幾乎全部降解；貯藏5個月，蛋白的7S和11S組分開始明顯下降。Martins等[12]用實驗證明，高水分活度或高溫下貯藏，蛋白質凝膠的硬度、凝聚力和微觀結構均發(fā)生顯著改變。在貯藏過程中，凝膠性下降的主要原因有兩方面：首先，在貯藏過程中，具有凝膠特性的7S和11S在總蛋白中占有的比例下降會導致無法形成穩(wěn)定凝膠。這是因為7S和11S蛋白中的巰基形成大量二硫鍵，使7S和11S結合。此外，加工過程中引入的其他成分以及加工條件的影響可能使7S和11S分解；另一方面，7S蛋白α亞基與11S蛋白的堿性肽有可能相互靠近，通過疏水相互作用交聯(lián)，形成不溶性化合物，導致凝膠性的下降[13]。

所以，大豆分離蛋白在貯藏過程中，不利的貯藏條件、蛋白質與非蛋白組分的相互作用和不利的加工條件會導致其發(fā)生聚集或分解反應，引起蛋白質的氮溶解指數(shù)下降，凝膠硬度下降等現(xiàn)象，最終導致產(chǎn)品的組織狀態(tài)和咀嚼感等指標不能達到食品生產(chǎn)的要求。

2.3 凝膠溫度

熱處理能導致7S和11S的解離、變性和凝聚，蛋白質的膠凝反應是在肽鏈展開的基礎上進行的。加熱過程中蛋白質去折疊，允許胱氨酸殘基之間形成分子間二硫鍵，因此凝膠的形成需要經(jīng)過高于蛋白質變性溫度的熱轉變，這是形成凝膠的多階段過程中的必要步驟。所以加熱溫度是影響凝膠穩(wěn)定性的因素之一。

Baint等[14]通過研究不同亞基缺失品種的大豆蛋白的熱變性溫度證明，7S比11S的變性溫度低，約為75℃，而11S約為90℃，同時指出A3亞基的熱變性對于凝膠的堅硬質地有重要作用。Lakemond等[15]利用紅外光譜研究表明，蛋白質的變性和β-折疊的誘導與凝膠的形成是一致的，不過凝膠強度的最大增長并沒有直接發(fā)生在蛋白變性以后，而是發(fā)生在冷卻階段，因此這種凝膠強度的加強還不能與二級結構的變化聯(lián)系起來。而且若對大豆分離蛋白進行預加熱處理，當處理溫度高于蛋白變性溫度時，反而會降低凝膠的形成和凝膠性質。這說明變性后的聚集階段十分重要，強烈影響成膠的效果。

2.4 pH值和離子強度

國內外研究證明，對大豆分離蛋白的凝膠結構產(chǎn)生影響的作用力包括二硫鍵、氫鍵、疏水相互作用、范德華力等。改變pH值和離子強度能改變蛋白質功能基團的電離作用和雙電層厚度，從而影響蛋白質之間的相互作用。例如，11S在pH7.6和高離子強度(0.5mol/L)下以六聚體的形式存在，但在pH3.8或者低離子強度(0.03mol/L)的時候會解離成三聚體甚至單體[16]。11S在85℃時即形成凝膠，但是在NaCl溶液中，在95℃時才能使四級結構解離，亞基形成螺旋狀的締合，進而形成在蒸餾水中可以形成的那種規(guī)則結構[17]。在這個過程中，酸性亞基和堿性亞基很可能完全分離，因為形成的是兩種不同的膠束和更加規(guī)則的結構。而鹽對7S形成凝膠影響不大，添加鹽只是會使網(wǎng)絡結構更加致密。根據(jù)Lu等[18]提出的理論，加入中性鹽更容易使蛋白質凝固是由于蛋白質溶液的pH值下降，接近了等電點。

Lakemond等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在離子強度為0.03mol/L時，大豆分離蛋白凝膠為精致索狀網(wǎng)絡結構，并且無論在酸性(pH3.8)還是弱堿性(pH7.6)條件下都能形成。在pH值接近等電點時，或者隨著離子強度的增加，凝膠逐漸變得粗糙，粗糙網(wǎng)絡結構凝膠會越來越多。Hermansson[19]的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白在pH5時抵抗變性的能力更強，在極端pH值(2～3、10)的條件下，無論是否有鹽的存在，部分蛋白質的變性甚至發(fā)生在熱處理之前，因此鹽的存在穩(wěn)定了四級結構，抑制了蛋白質變性。

3 改性對凝膠穩(wěn)定性的影響

Clark等[20]指出，球蛋白的成膠能力和黏彈性很大程度上取決于反應和成鍵的類型，例如靜電作用和疏水相互作用、氫鍵和共價鍵。因此很多人通過對蛋白質進行改性，控制成鍵類型來提高凝膠穩(wěn)定性。

3.1 物理改性

物理改性是指利用熱、電、磁、機械剪切等物理作用對大豆蛋白的功能特性加以改善，包括高壓、超高壓、超聲波高壓脈沖等方法。

Wang等[21]發(fā)現(xiàn)高壓處理后，大豆分離蛋白的熱致凝膠性能降低。Speroni等[22]認為這是由于高壓處理抑制了加熱過程中蛋白內部的疏水相互作用和冷卻過程中氫鍵的形成。并且，他們發(fā)現(xiàn)若同時加入鈣離子反而會提高凝膠的強度[23]。Li等[8]實驗證明，一定程度的高壓脈沖處理能增強大豆蛋白的功能性。它們認為主要原因是脈沖電場通過二硫鍵、疏水相互作用及靜電相互作用影響了蛋白質的四級結構。Al-Ruqaie等[24]研究了干熱條件下大豆分離蛋白的凝膠特性，發(fā)現(xiàn)變化趨勢都是先上升后下降的。上升的原因可能是蛋白的空間構象發(fā)生了變化，蛋白質分子部分展開后暴露出了原本埋藏在內部的巰基；另一方面是隨著干熱時間的延長，蛋白質分子內或分子間的巰基交聯(lián)形成了S－S，致使總的巰基數(shù)目下降，所以導致大豆分離蛋白凝膠強度的降低。

3.2 化學改性

化學改性的實質是通過改變蛋白質的結構、靜電荷和疏水基來改善大豆蛋白的性質，包括酰基化、磷酸化、硫醇化、去酰化作用等。例如，田少君等[25]利用三氯氧磷對大豆分離蛋白進行磷酸化改性，發(fā)現(xiàn)改性后蛋白的凝膠性得到較大提高。鄭夢等[26]通過添加0.3%的巰基乙醇增加了蛋白的疏水性，獲得了質地堅硬、彈性較好的凝膠。王飛鏑等[27]發(fā)現(xiàn)用EDTAD進行適當?shù)孽；男?，可大大提高凝膠的吸水溶脹能力，而且該凝膠具有良好的pH值敏感性和形狀記憶功能。

另外，添加一些巰基基團修飾物或美拉德反應交聯(lián)劑，使蛋白解離或交聯(lián)也可以改變大豆蛋白的凝膠性能。Gan等[28]就使大豆分離蛋白發(fā)生美拉德反應，同時利用酶改性，發(fā)現(xiàn)獲得的凝膠強度和黏彈性都得到了提高。Molina Ortiz[29]通過添加κ-卡拉膠促進了凝膠的形成，降低了膠凝的溫度。他們認為在低離子濃度下，由于κ-卡拉膠與7S之間的相互作用，使混合體系形成了新型的凝膠結構，使得體系在更低的溫度下獲得吸熱峰。

3.3 酶改性

大豆蛋白經(jīng)蛋白酶水解后，肽鏈變短，蛋白質總的極性和水化能力增強，溶解度上升，因此凝膠能力應當減弱。但自從1987年Katsumi[30]報道了某些蛋白酶適度水解可以促進大豆蛋白凝膠的形成之后，越來越多的利用蛋白酶改性提高大豆蛋白凝膠穩(wěn)定性的實例被報道。目前，酶改性已經(jīng)成為提高大豆分離蛋白凝膠穩(wěn)定性的重要手段之一。

一般認為，蛋白質凝膠特性改變的原因是酶將蛋白質部分降解，疏水性氨基酸殘基暴露出來，增加了分子內或分子間的交聯(lián)或者連接了特殊的功能基團。而如果水解過度致使肽鏈過短就不能形成凝膠。Tang等[31]通過酶改性，改變7S/11S比例及適當?shù)臒崽幚碇苽涑隽擞捕取⒋喽取ざ炔煌牡鞍啄z。實際上，適量添加堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶等多種蛋白酶都可以加快大豆蛋白的凝膠速度。趙新淮等[33]用中性蛋白酶對大豆分離蛋白進行處理時，發(fā)現(xiàn)當水解度在1%時，凝膠性有所提高。

4 結 語

凝膠型大豆分離蛋白是消耗量最大的分離蛋白，其應用前景十分可觀。而大豆蛋白凝膠是一個復雜的體系，除了多種成分和多種因素造成的影響外，生產(chǎn)加工后的貯藏條件也是影響凝膠穩(wěn)定性的重要因素。目前，國內對大豆分離蛋白凝膠性的研究主要集中在改變加工條件對其功能特性的影響，對于深入揭示蛋白分子結構變化對功能性影響的機理鮮見報道。大豆蛋白凝膠穩(wěn)定性的研究還有許多值得深入的地方，因此，希望本文能為這方面的研究提供一些新思路。

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Current Progress in Gel Stability of Soy Protein Isolate

ZHU Xiao-ye，CHI Yu-jie，XU Yan，LIU Hong-yu*
(Key Laboratory of Soy-Biology, Ministry of Education, College of Food, Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China)

TS214.2

A

1002-6630(2010)19-0422-04

2010-02-12

教育部大豆生物學省部共建教育部重點實驗室開放基金項目(SB08C03)；東北農(nóng)業(yè)大學科學研究基金項目

朱曉燁(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：zhuxiaoye_zxy@163.com

*通信作者：劉紅玉(1970—)，女，副教授，博士，研究方向為大豆生物活性物質及大豆深加工。E-mail：liuhongyu70@sohu.com