大豆分離蛋白聚集體及凝膠制品的研究進展

李倩如 ，熊 瑤 ，葉 倩 ，林嘉諾 ， 張龍濤 ，鄭寶東

（1.福建農(nóng)林大學食品科學學院，福建福州350002；2.中愛國際合作食品物質(zhì)學與結(jié)構設計研究中心，福建福州 350002；3.福建省特種淀粉品質(zhì)科學與加工技術重點實驗室，福建福州 350002）

大豆低溫浸提法榨油后產(chǎn)生的副產(chǎn)物——低溫豆粕，經(jīng)過堿提酸沉的工藝，得到大豆分離蛋白（Soy protein isolate，SPI），其蛋白含量高[1]、氨基酸組成平衡[2]，具有良好的功能特性[3-7]，如凝膠性[8-11]、結(jié)膜性[12-19]和乳化性[20-24]等，被作為重要的食品配料，廣泛地應用于食品工業(yè)中，其中SPI的凝膠特性的被關注度最高，應用也最廣泛。

長期以來，SPI的凝膠過程得到廣泛的研究[25]。通過調(diào)控外界條件，如離子強度、熱處理方式等，大豆蛋白質(zhì)可遵循不同的機理，經(jīng)過不同的途徑形成不同類型的聚集體和凝膠制品。就SPI聚集體和凝膠的形成機理、SPI聚集對大豆蛋白凝膠的影響進行綜述，為進一步探索SPI聚集和成膠的機理，以及通過控制大豆蛋白的聚集行為調(diào)控大豆蛋白凝膠的物化性質(zhì)提供一定的參考。

1 大豆蛋白聚集體的形成機理

蛋白聚集的機理常被分為5個階段：①變性展開。蛋白質(zhì)受外界條件的影響，變性展開后其分子構象發(fā)生改變，從天然（折疊）狀態(tài)變?yōu)檎归_狀態(tài)，二級、三級和四級結(jié)構受到不同程度的破壞，分子內(nèi)部基團被暴露出來。②寡聚體的形成。暴露的各基團間相互連接，形成可逆的寡聚體。③成核。寡聚體間進一步發(fā)生不可逆的聚集，即形成聚集體的核心。④聚合。變性蛋白質(zhì)和聚集體的核心，在化學作用力下相互連接，形成更大的聚集體。⑤凝聚。聚集體間進一步結(jié)合，形成分子量更大的凝聚體[26-28]。

處理條件的不同會導致大豆蛋白質(zhì)高級結(jié)構被破壞的程度不同，基團暴露的程度不同，寡聚體和蛋白質(zhì)間的相互作用程度也不相同。因而，通過改變外界條件，可以調(diào)控SPI的聚集行為，形成性質(zhì)各異的大豆蛋白聚集體。

2 大豆蛋白凝膠的形成機理

蛋白凝膠是指蛋白質(zhì)發(fā)生聚集后，聚集體間進一步形成的網(wǎng)絡結(jié)構，此過程涉及到蛋白多聚體之間、多聚體與溶劑之間、引力和斥力的相互平衡[29]。當?shù)鞍踪|(zhì)形成聚集體后，通過加熱或添加各類凝固劑（如酸類、鹽類凝固劑等），會形成大豆蛋白熱致凝膠或冷致凝膠，其區(qū)別在于蛋白濃度的高低與成膠的方式。

在大豆蛋白熱致凝膠形成過程中，蛋白濃度高，其變性、聚集和膠凝過程同時發(fā)生，加熱冷卻后便可凝固成膠。當?shù)鞍诐舛容^低時，加熱冷卻后只能形成蛋白聚集體或者沉淀，因而需要通過添加其他物質(zhì)，改變蛋白體系的pH值或離子強度，進而成膠，蛋白質(zhì)變性和膠凝過程被分開。

根據(jù)加入凝固劑的作用機理不同，大豆蛋白冷凝膠又被分為酸凝膠和鹽凝膠。當加入酸類凝固劑時，其逐漸溶于水中，酸性基團離子H+被釋放，中和了大豆蛋白的表面電荷，使蛋白聚集體系的pH值下降，大豆蛋白在其等電點附近發(fā)生沉降，逐漸凝固成膠。對于鹽類凝固劑，除具有調(diào)控蛋白體系等電點的作用外，某些二價鹽離子（如Ca2+，Mg2+等）還具有鹽橋的作用，這些作用共同參與蛋白凝膠網(wǎng)絡的形成。

凝膠作用是大豆蛋白重要的功能性質(zhì)之一，凝膠對大豆蛋白制品及其衍生物的品質(zhì)（如豆腐、香腸、魚糜等）具有極其重要的調(diào)控作用[3]。大豆蛋白聚集體作為大豆蛋白凝膠的前體，探索其對大豆蛋白凝膠的影響，對調(diào)控大豆蛋白的凝膠特性具有重要意義。

3 大豆蛋白質(zhì)聚集對大豆蛋白凝膠的影響

3.1 不同類型大豆蛋白聚集體對大豆蛋白凝膠的影響

大豆蛋白處理時的條件（蛋白質(zhì)濃度、pH值、加熱溫度）等對形成的蛋白聚集體的類型（溶解性、展開情況、聚集結(jié)構等）有顯著影響。

大豆蛋白聚集體根據(jù)其大小和溶解性，可以分為可溶性聚集體和不溶性聚集體。王洪晶[30]發(fā)現(xiàn)可溶性的大豆蛋白聚集體會增強SPI凝膠的物化性質(zhì)，而不溶性的大豆蛋白聚集體則會損壞SPI凝膠的物化性質(zhì)，這是因為在凝膠過程中，蛋白亞基間的共價作用使得不溶性的蛋白聚集體無法解離或充分伸展，因而凝膠的形成受到阻礙。

研究表明，大豆蛋白的濃度越大，形成的聚集體的粒徑越大，形成的凝膠的持水性和凝膠強度也越高[31]。在不同的pH值環(huán)境下，可以制得性質(zhì)明顯不同的2種類型的聚集體[32]，無定形聚集（中性環(huán)境，pH值7.0） 和纖維狀聚集（酸性環(huán)境，pH值2.0）。在表征這些聚集體的性質(zhì)及聚集行為時，發(fā)現(xiàn)聚集類型的不同，顯著影響聚集體的各項性能。同時，在中性條件下（pH值7.0），對大豆蛋白分別進行了熱處理（90℃） 和水熱處理（120℃），無定形聚集體又進一步被分成了2種類型的聚集體，這2種聚集體在分子量、形狀、電荷等方面存在顯著差異，其二級結(jié)構、粒徑和穩(wěn)定聚集體的作用力也都明顯不同，因而大豆蛋白的凝膠性也不同[33]。預熱溫度顯著影響大豆蛋白冷凝膠的性質(zhì)[34]，這是因為蛋白質(zhì)在不同溫度下，形成的聚集體和凝膠類型不同，在低于100℃時形成珠狀結(jié)構的凝膠，而在高于100℃時則會形成絲狀結(jié)構的凝膠。

Hu H等人[35-37]用超聲波對SPI進行處理，發(fā)現(xiàn)超聲波可以調(diào)控SPI聚集體的結(jié)構，通過改變聚集體的粒徑、表面疏水性、自由巰基含量等，改變蛋白質(zhì)間的二硫鍵、疏水作用力等化學作用力，進一步制得物化性質(zhì)各異的大豆蛋白凝膠。李云[38]通過加熱、酸處理和醇處理的方法制備了具有不同功能性質(zhì)的5種聚集體，將這些聚集體按不同比例與天然大豆蛋白混合后，通過加熱冷卻形成熱凝膠，發(fā)現(xiàn)添加少量的蛋白聚集體可以提高大豆蛋白的凝膠性質(zhì)，而過量的蛋白聚集體則會減弱大豆蛋白的凝膠性質(zhì)。

綜上所述，通過改變外界處理條件，可以調(diào)控大豆蛋白質(zhì)的聚集途徑和聚集機制，形成結(jié)構各異的聚集體，進而影響大豆蛋白凝膠的微觀結(jié)構和膠凝特性[39]。

3.2 大豆蛋白聚集體組分對大豆蛋白凝膠的影響

大豆蛋白凝膠的物化性質(zhì)主要受大豆蛋白聚集體的特性所決定，而大豆蛋白不同組分的聚集行為又各不相同，并且相互之間也會產(chǎn)生影響。因此，學者們分離提取了大豆蛋白的主要成分，β-伴大豆球蛋白（7S）和大豆球蛋白（11S），對它們各自的聚集行為，以及二者聚集過程中的相互影響進行了研究。

研究發(fā)現(xiàn)，通過操控聚集體的聚集尺度，可以調(diào)控大豆蛋白凝膠的物化性質(zhì)[2]。趙海波在研究SPI的不同變性程度和粒徑大小對形成的凝膠的影響時發(fā)現(xiàn)，SPI凝膠的硬度和持水性與11S的變性程度和蛋白顆粒的平均粒徑顯著正相關，但與7S的變性程度無關，11S完全變性的SPI聚集體形成的凝膠結(jié)構最為均勻致密。

郭健對比分析了7S和11S在熱處理過程中的熱聚集行為時，發(fā)現(xiàn)二者具有不同的聚集機制。7S的熱聚集經(jīng)歷了結(jié)構轉(zhuǎn)變、預成核、成核和聚合4個階段，11S的熱聚集則經(jīng)歷了結(jié)構轉(zhuǎn)變、預成核、成核、聚合和凝聚5個階段。同時，探索了大豆7S和11S混合體系的熱聚集行為，發(fā)現(xiàn)7S可通過疏水作用與11S形成復合物，使11S的聚集終止，阻止了聚集體間進一步發(fā)生凝聚作用。同時，研究者們對大豆7S蛋白進行了糖基化接枝改性，發(fā)現(xiàn)7S蛋白及其糖基化產(chǎn)物都會抑制大豆11S蛋白熱聚集體的形成，并且相較于未糖基的大豆7S蛋白，糖基化產(chǎn)物的抑制效果更為明顯[45-46]。

3.3 大豆蛋白聚集體復合對大豆蛋白凝膠的影響

單一的蛋白組分所形成的凝膠結(jié)構較脆弱，因而，將大豆蛋白與其他生物大分子進行復合形成功能性復合凝膠，被認為是有效提高大豆蛋白功能性的方法之一[47]。

在研究大豆蛋白與多糖復合后的凝膠的物化性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)復合體系中各物質(zhì)間的相互作用主要受體系中原材料的種類、復合比、離子強度等影響。大豆低聚糖（蔗糖、棉巧糖和水蘇糖） 和可溶性大豆多糖（SSPS） 的添加可以提高CaSO4誘導形成的大豆蛋白鹽凝膠的硬度和持水性。但是，根據(jù)所添加的復合物種類的不同，其提高程度也不同。陳震東將天然和熱處理的SPI與甜菜果膠（SBP）進行復合時，發(fā)現(xiàn)在不同復合比下，SPI-SBP復合物的結(jié)構相圖各不相同，不同離子強度下，維系蛋白-多糖復合體系的主導作用也不同。何秀婷[2]將大豆7S蛋白、7S蛋白無定型聚集體（7SA）、7S蛋白纖維化聚集體（7SF） 分別與低酯果膠（LMP） 復合后，制成冷致凝膠。激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM） 結(jié)果顯示，7S-LMP復合凝膠是以蛋白為連續(xù)相的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構；對于7SA-LMP復合凝膠，Ca2+同時交聯(lián)蛋白和多糖，兩相穿插分布，共同構成復合凝膠的網(wǎng)絡基質(zhì)框架；而7SF-LMP復合凝膠則是以LMP為連續(xù)相的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構。即不同類型的聚集體，會形成不同類型的凝膠結(jié)構框架，因而連續(xù)相或填充物也不同，從而影響蛋白凝膠的微觀結(jié)構及其物化性質(zhì)。

綜上所述，聚集體的性質(zhì)對凝膠過程產(chǎn)生重要影響。通過改變大豆蛋白原料組分的比例或外界環(huán)境的條件（pH值、離子強度、加熱溫度與時間等），可以對大豆蛋白的聚集行為進行調(diào)控，制得類型各異的大豆蛋白聚集體，進一步復合其他生物大分子，加熱冷卻或添加凝固劑，便可制得具有不同質(zhì)構特性的大豆蛋白熱致凝膠或冷致凝膠。

4 結(jié)語

大豆蛋白的聚集體和凝膠制品已被廣泛研究，改變外界環(huán)境的條件對大豆蛋白進行物理或化學改性等都會影響大豆蛋白聚集體的形成，進一步影響其凝膠性質(zhì)。但目前的研究主要集中在如何通過各種處理方式，獲得具有不同特性的完全變性的聚集體，再通過控制聚集體的性質(zhì)調(diào)控凝膠的性質(zhì)。然而，對于未變性大豆蛋白對大豆蛋白聚集體及凝膠形成的影響鮮見報道。

為進一步探明蛋白聚集和凝膠結(jié)構的形成機理，調(diào)控大豆蛋白凝膠制品的物化性質(zhì)，提出了以下幾種研究的思路：①將未變性的大豆蛋白與完全變性的大豆蛋白混合，探索其對大豆蛋白聚集行為的影響；②通過加熱冷卻或者添加不同種類的凝固劑，對比研究未變性的大豆蛋白對不同類型的大豆蛋白凝膠制品的影響；③簡化研究組分，進一步對大豆蛋白進行分離純化，考查未變性的不同蛋白組分（7S、11S等） 對大豆蛋白聚集和凝膠制品的影響；④未變性的大豆蛋白在食品中進行應用時，其安全性有待考查，如胰蛋白酶抑制劑的滅活等，應通過試驗進一步分析其凝膠制品的安全性。此外，如何將該技術運用到大規(guī)模的實際生產(chǎn)加工過程中，擴大其應用范圍，也是有待進一步研究的課題。