張淇云 謝 晶,2 邵則淮,2 甘建紅,2李曉暉,2 薛 斌,2 孫 濤,2

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院1，上海 201306)(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心；農(nóng)業(yè)部冷庫(kù)及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心2，上海 201306)

大豆分離蛋白(SPI)是脫皮脫脂的大豆進(jìn)一步去除所含非蛋白成分后，所得到的一種精制大豆蛋白產(chǎn)品，主要成分是β-伴球蛋白和大豆球蛋白[1,2]。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了其獨(dú)特的功能特性[3]，SPI中肽鍵或氨基酸的側(cè)鏈同水分子之間發(fā)生相互作用表現(xiàn)出溶解性；而其含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)，在油水混合液中，分散蛋白質(zhì)有擴(kuò)散到油-水界面趨勢(shì)，從而表現(xiàn)出乳化性；SPI分子中的二硫鍵、氫鍵以及疏水鍵相互作用，使發(fā)生斷裂的多肽之間再重新相互交聯(lián)聚集成網(wǎng)表現(xiàn)出凝膠性；而SPI部分肽鏈在界面上展開，并通過(guò)肽鏈間相互作用，形成一個(gè)二維保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，使界面膜得以加強(qiáng)表現(xiàn)出發(fā)泡性[4,5]。正是由于SPI具有溶解性、乳化性、凝膠性以及發(fā)泡性等多種性質(zhì)，使其在食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，如SPI作為乳化劑加入到烤制食品、冷凍食品以及湯類食品的制作，使制品狀態(tài)穩(wěn)定；SPI用于面制食品中，可以增加面筋強(qiáng)度；SPI還可作為食品的抗菌保鮮包裝材料等[6]。

美拉德反應(yīng)也稱為羰氨反應(yīng)，主要指的是醛、酮、還原糖的羰基與氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等含氮化合物的游離氨基之間發(fā)生的一系列反應(yīng)[7]。作為食品體系的重要成分，蛋白質(zhì)和糖在食品體系中處于共存狀態(tài)，在食品加工和貯藏期間很容易發(fā)生美拉德反應(yīng)[8]。SPI的美拉德反應(yīng)通過(guò)增加其極性基團(tuán)，改變界面張力，進(jìn)而來(lái)改變SPI的功能特性，如改變?nèi)芙庑訹9]、提升乳化性和乳化穩(wěn)定性[10]等。本文從美拉德反應(yīng)影響SPI的功能特性和生物活性這2個(gè)方面進(jìn)行綜述，以期對(duì)SPI在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 美拉德反應(yīng)對(duì)SPI功能特性的影響

美拉德反應(yīng)可以改變SPI的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其功能特性，如溶解性、乳化性、凝膠性、黏彈性、發(fā)泡性、熱穩(wěn)定性以及結(jié)晶性等[11]。

1.1 溶解性

溶解性通常指蛋白質(zhì)在水溶液中溶解的性能[12]。SPI與糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，會(huì)消耗SPI的氨基，同時(shí)會(huì)引入含多羥基的糖鏈，改變其親水基團(tuán)數(shù)目，從而使溶解性發(fā)生改變[13,14]。美拉德反應(yīng)對(duì)SPI溶解性的影響見表1。SPI與葡萄糖(G-)發(fā)生美拉德反應(yīng)制備G-SPI偶聯(lián)物，在較寬的pH范圍內(nèi)G-SPI偶聯(lián)物均具有良好的溶解性，而未經(jīng)處理的SPI在pH 4～6下的溶解性較差。這是由于SPI中的氨基與葡萄糖中的還原端羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)，使親水基團(tuán)數(shù)目增多。反應(yīng)后的SPI具有更強(qiáng)的親水能力，從而使SPI的溶解性得到明顯提升[15]。SPI與乳糖在相對(duì)濕度為79%，反應(yīng)溫度60 ℃條件下發(fā)生美拉德反應(yīng)，溶解性可以提升約30%[16]。

反應(yīng)進(jìn)程會(huì)影響SPI的溶解性。在質(zhì)量比為4∶1、反應(yīng)溫度80 ℃的條件下，SPI與木糖和果糖同時(shí)發(fā)生反應(yīng)制備美拉德反應(yīng)產(chǎn)物(MRPs)。反應(yīng)時(shí)間為2 h和10 h時(shí)，SPI的溶解性分別比原來(lái)提升43%和59%，這是因?yàn)镾PI中的不溶性聚合物在加熱2 h后變得可溶；盡管反應(yīng)繼續(xù)到6 h時(shí)，松弛的多肽鏈再次聚集，使得溶解性略有下降；但繼續(xù)加熱到10 h時(shí)，聚合物再次解離，溶解性又明顯提升[17]。

糖的種類也會(huì)影響SPI的溶解性。SPI分別與葡萄糖、麥芽糖這2種還原糖按質(zhì)量比4∶1混合后，在80 ℃下發(fā)生美拉德反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間為2 h和6 h時(shí)，SPI-麥芽糖得到的MRPs和SPI-葡萄糖得到的MRPs溶解性均隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，前者的溶解性要優(yōu)于后者，且均優(yōu)于對(duì)比試樣SPI。反應(yīng)至10 h時(shí)，2種MRPs的溶解性均顯著降低，其中SPI-葡萄糖-MRPs的溶解性甚至低于對(duì)比試樣SPI。這是由于反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，美拉德反應(yīng)進(jìn)入了高級(jí)階段，生成了不溶于水的大分子聚合物。葡萄糖的分子量小于麥芽糖，其空間位阻小，更易于生成不溶性的物質(zhì)。即美拉德反應(yīng)改變了SPI的溶解性，且麥芽糖對(duì)SPI溶解性的改變效果更明顯[18]。

表1 美拉德反應(yīng)對(duì)SPI溶解性的影響

1.2 乳化性

乳化性是蛋白質(zhì)可以促進(jìn)乳濁液形成及穩(wěn)定的性質(zhì)，SPI具有乳化性質(zhì)的原因是其具有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)[19,20]。美拉德反應(yīng)會(huì)使SPI親水性增強(qiáng)，其在油相和水相界面可以更加有序緊密的排列，形成更為致密的蛋白膜，從而使乳化性得到明顯改善[21,22]。糖的種類、反應(yīng)進(jìn)程等因素會(huì)影響SPI結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其乳化性。美拉德反應(yīng)對(duì)SPI乳化性的影響見表2。

與單糖或多糖發(fā)生美拉德反應(yīng)后，SPI乳化性發(fā)生改變。SPI與麥芽糖在質(zhì)量比為1∶1、反應(yīng)溫度100 ℃以及反應(yīng)時(shí)間2 h制得MRPs。較SPI相比，乳化活性提升8.5%，乳化穩(wěn)定性提升10.9%[23]。SPI與麥芽糊精在高溫、2 h干熱條件下，經(jīng)美拉德反應(yīng)得到SPI-麥芽糊精偶聯(lián)物。偶聯(lián)物中接枝的麥芽糊精增強(qiáng)了乳液液滴間的空間排斥作用，從而提升乳液的穩(wěn)定性[24]。SPI與大豆殼半纖維素在干燥條件下發(fā)生美拉德反應(yīng)，與大豆殼半纖維素和SPI相比，產(chǎn)物的乳化能力有了顯著的提升。這是由于SPI與大豆殼半纖維素的交聯(lián)作用，使產(chǎn)物乳化性得以提升[25]。SPI與黃原膠按質(zhì)量比為10∶1發(fā)生美拉德反應(yīng)。由于SPI表面能夠提供親水基團(tuán)，所以與黃原膠發(fā)生反應(yīng)后會(huì)形成大量水合界面層，進(jìn)而提升產(chǎn)物的乳化活性，其乳化活性最大值可達(dá)到191.6 m2/g[26]。SPI與海藻酸鈉按質(zhì)量比為9∶10、68 ℃以及反應(yīng)時(shí)間24 h條件下，得到的MRPs接枝度為27.2%，其乳化活性和乳化穩(wěn)定性分別為39.4 m2/g和15.3。較SPI相比，分別提升了121%和255%[27]。

表2 美拉德反應(yīng)對(duì)SPI乳化性的影響

反應(yīng)進(jìn)程會(huì)影響SPI的乳化性。SPI與葡萄糖按質(zhì)量比為4∶1和反應(yīng)時(shí)間為0、1、2、3、4、5、6 h發(fā)生反應(yīng)，得到一系列糖基化產(chǎn)物。隨著反應(yīng)進(jìn)程的加深，乳化活性逐漸增強(qiáng)，從0.168(未處理的SPI)增到0.574(反應(yīng)時(shí)間為6 h)[28]。SPI與乳糖在相對(duì)濕度79%、反應(yīng)溫度60 ℃條件下，經(jīng)美拉德反應(yīng)制取不同反應(yīng)時(shí)間下的糖基化復(fù)合物，乳化活性及乳化穩(wěn)定性分別在24、36 h達(dá)到最大[16]。SPI與葡萄糖按質(zhì)量比為1∶1、反應(yīng)溫度55 ℃發(fā)生美拉德反應(yīng)。反應(yīng)6 h后，乳化活性提升56.18%；反應(yīng)8 h后，乳化穩(wěn)定性提升92.78%[29]。

1.3 凝膠性

凝膠性是指蛋白質(zhì)形成枝體狀結(jié)構(gòu)的性能，它使蛋白質(zhì)具有較高的黏度、可塑性和彈性[30]，SPI經(jīng)加熱、冷卻、滲析和堿處理可得到凝膠[31]。SPI凝膠性的臨界濃度對(duì)pH值有較高的依賴性，而美拉德反應(yīng)會(huì)使體系的pH下降，誘導(dǎo)SPI構(gòu)象發(fā)生改變，使SPI分子聚集，從而改善其凝膠性[32]；美拉德反應(yīng)還可發(fā)生蛋白質(zhì)共價(jià)交聯(lián)，使SPI長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷曰鶊F(tuán)的含量增加，增強(qiáng)疏水相互作用力，提升凝膠的抗斷強(qiáng)度和黏彈性，從而改善其凝膠性[33]。SPI與麥芽糊精通過(guò)美拉德反應(yīng)制備SPI/麥芽糊精糖基化復(fù)合物，對(duì)其流變性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于SPI和麥芽糊精這兩種高分子聚合物之間的相分離作用，使得SPI/麥芽糊精混合體系凝膠儲(chǔ)能模量顯著增加；凝膠微觀結(jié)構(gòu)表明，SPI和麥芽糊精混合體系能夠形成高強(qiáng)度、均勻、致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而提升SPI的凝膠性[34]。SPI與木糖在高壓滅菌條件下發(fā)生美拉德反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中，體系的pH從中性降低到5.5。經(jīng)應(yīng)力松弛測(cè)定，美拉德反應(yīng)形成凝膠的破斷強(qiáng)度增強(qiáng)，彈性增大，即木糖的加入可顯著提高SPI的凝膠性[35]。

1.4 其他功能特性

此外，美拉德反應(yīng)還可以有效改變SPI的黏彈性、發(fā)泡性、熱穩(wěn)定性、結(jié)晶性及其他功能特性。蛋白質(zhì)的黏彈性是指液體流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的內(nèi)摩擦，又稱流動(dòng)性[36]。SPI與木糖在質(zhì)量比為4∶1、相對(duì)濕度26.10%以及反應(yīng)時(shí)間5 h條件下，得到的MRPs的初始黏度、儲(chǔ)能模量以及損耗模量均大于未處理的SPI和木糖的簡(jiǎn)單混合物。這是由于SPI和木糖發(fā)生反應(yīng)生成了結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的分子，從而使得產(chǎn)物溶液的彈性明顯增強(qiáng)、黏度明顯增加[37]。在干熱條件下SPI與核糖也易于發(fā)生美拉德反應(yīng)，且最適條件為：SPI與核糖質(zhì)量比1∶1、反應(yīng)溫度80 ℃、相對(duì)濕度26.10%以及反應(yīng)時(shí)間6 h。差示掃描量熱法分析結(jié)果表明，SPI與核糖通過(guò)美拉德反應(yīng)生成了易分解的中間產(chǎn)物，使MRPs在溶液中的黏彈性得到提升[38]。

發(fā)泡性是指大豆蛋白質(zhì)在加工中體積的增加率，可起到酥松作用[6]。SPI與糖發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)改變SPI分子空間結(jié)構(gòu)，改變分子間的作用力，提升水-空氣界面的蛋白質(zhì)膜厚度和硬度，從而改善其發(fā)泡性[39]。SPI與黃原膠按質(zhì)量比為10∶1發(fā)生美拉德反應(yīng)時(shí)，SPI的發(fā)泡穩(wěn)定性從2.6%提升到8.2%，其發(fā)泡活性最大值從155 mL提升到205 mL，發(fā)泡性明顯增強(qiáng)[26]。

熱穩(wěn)定性是指蛋白質(zhì)在受熱或加熱過(guò)程中，能夠保持其本來(lái)的性質(zhì)，而不發(fā)生分解反應(yīng)或其他類型反應(yīng)。SPI與右旋糖酐按質(zhì)量比1∶1、pH=6.5、反應(yīng)溫度60 ℃以及反應(yīng)時(shí)間30 h發(fā)生美拉德反應(yīng)，制備SPI-葡聚糖偶聯(lián)物。差示掃描量熱法結(jié)果表明，SPI-葡聚糖偶聯(lián)物的變性溫度和變性焓均高于SPI。這是由于右旋糖酐與SPI的共價(jià)結(jié)合，分子的電負(fù)性、空間位阻和靜電斥力均增強(qiáng)。因此，在加熱過(guò)程中，接枝產(chǎn)物不易團(tuán)聚，從而提升SPI的熱穩(wěn)定性[40]。

結(jié)晶性是指溶質(zhì)由于溶解度的改變或其他原因，從溶液中析出的性能。將SPI與羧甲基纖維素為原料發(fā)生美拉德反應(yīng)，X射線衍射掃描結(jié)果表明，SPI在22°處有很強(qiáng)的特征反射。隨著羧甲基纖維素含量的增加，產(chǎn)物在22°時(shí)的特征反射強(qiáng)度明顯降低。即與羧甲基纖維素發(fā)生反應(yīng)，SPI的晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，以致減弱了SPI的結(jié)晶性[41]。

2 美拉德反應(yīng)對(duì)SPI生物活性的影響

SPI的生物活性較差，美拉德反應(yīng)可以改變SPI的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善其抗氧化性和抗菌性等[42]。

2.1 抗氧化性

科學(xué)研究表明，癌癥、衰老或其他疾病大都與過(guò)量自由基的產(chǎn)生有關(guān)聯(lián)，清除自由基可以有效克服其所帶來(lái)的危害[43]。由SPI制備的氨基酸與糖發(fā)生反應(yīng)得到MRPs，具有良好的還原能力、清除羥基自由基及DPPH自由基的能力[44,45]。美拉德反應(yīng)對(duì)SPI抗氧化性的影響見表3。

SPI 與葡萄糖反應(yīng)生成MRPs，將其添加到熟肉糜中，可以顯著降低熟肉糜的硫代巴比妥酸反應(yīng)物(TBARS)值，隨著MRPs的添加量增加，熟肉糜的TBARS值減小，即對(duì)脂肪氧化的抑制作用越明顯。同時(shí)可以減少紅度值降低的幅度，保持體系中pH的穩(wěn)定。因此，MRPs可以作為一種安全的抗氧化劑添加到肉糜中，提升抗氧化能力，保持感官特性，延長(zhǎng)貨架期[46]。

反應(yīng)程度會(huì)影響SPI的抗氧化性。SPI與葡萄糖按質(zhì)量比為1∶1混合得到MRPs。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，以及反應(yīng)溫度的提高，MRPs的抗氧化性增強(qiáng)，其還原能力、羥基自由基清除能力以及DPPH自由基清除能力均優(yōu)于SPI。這是由于美拉德反應(yīng)后MRPs中色氨酸發(fā)生偏移，芳香族氨基酸暴露出來(lái)，從而使MRPs具有很強(qiáng)的抗氧化性[47]。SPI與葡萄糖按質(zhì)量比1∶1發(fā)生美拉德反應(yīng)得到大豆糖蛋白，隨著反應(yīng)程度的加深，大豆糖蛋白的游離氨基含量下降、反應(yīng)褐變程度逐漸加深、抗氧化性逐漸提升[48]。

表3 美拉德反應(yīng)對(duì)SPI抗氧化性的影響

2.2 抗菌性

近年來(lái)，抗菌劑和抑菌劑被廣泛地應(yīng)用于食品和日用品行業(yè)。SPI與糖發(fā)生美拉德反應(yīng)制得MRPs。除了具有良好的抗氧化性，還具有抗菌作用。SPI與殼聚糖在質(zhì)量比1∶1、反應(yīng)溫度60 ℃，制得大豆蛋白-殼聚糖偶聯(lián)物，對(duì)大腸桿菌的抑制效果明顯優(yōu)于SPI。這是由于大豆蛋白-殼聚糖偶聯(lián)物具有表面活性，可以更大程度破壞大腸桿菌細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，從而提升其抗菌活性。因此，大豆蛋白-殼聚糖偶聯(lián)物可以作為一種新型的具有抗菌活性的功能性大豆蛋白應(yīng)用于食品中[49]。

MRPs還可以保護(hù)有益菌群的生長(zhǎng)。SPI 與卡拉膠質(zhì)量比1∶3、反應(yīng)時(shí)間6 h制得MRPs。通過(guò)測(cè)定長(zhǎng)雙歧桿菌在貯藏過(guò)程中的存活率，研究其對(duì)長(zhǎng)雙歧桿菌的保護(hù)作用。添加MRPs處理組和沒(méi)有添加MRPs對(duì)照組長(zhǎng)雙歧桿菌的數(shù)量分別減少了約0.4 CFU/mL和3 CFU/mL。因此，MRPs可以保護(hù)長(zhǎng)雙歧桿菌的生長(zhǎng)，從而對(duì)益生菌在食品中的應(yīng)用具有重要意義[50]。

3 結(jié)論與展望

SPI作為一種植物性食用蛋白，不僅必需氨基酸含量豐富，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，而且具有溶解性、乳化性以及抗菌性等多種性質(zhì)。因此，SPI是大豆深加工中最有潛力、最有前景的功能性物質(zhì)。由于單一的SPI溶解性、乳化性以及凝膠性等一系列性質(zhì)較差，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。因此，通過(guò)美拉德反應(yīng)來(lái)改變SPI的功能特性和生物活性，進(jìn)而擴(kuò)大其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用。在產(chǎn)品應(yīng)用上，SPI的需求量將在世界上有一個(gè)很大的躍升，必將會(huì)蓬勃發(fā)展。