大豆7S與11S球蛋白理化特性及其改性修飾的研究進展

張麒，吳海波，顏文文，龐庭才，付滿

1(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧，530004)2(北部灣大學(xué) 食品工程學(xué)院，廣西 欽州，535011)

人類對蛋白的需求量將不斷增加，如果僅一味地從動物獲取蛋白，那么預(yù)計到2050年，由于動物養(yǎng)殖造成的土地侵蝕及用于種植動物飼料原料對耕地的占用，將會導(dǎo)致全球溫室氣體排放量增加80%，不利于資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[1]。同時，過多攝入動物蛋白會導(dǎo)致肥胖癥及Ⅱ型糖尿病的發(fā)生[2]。因此從健康、環(huán)保的角度出發(fā)，越來越多的學(xué)者推薦攝入植物性蛋白。大豆蛋白是優(yōu)質(zhì)植物蛋白的重要來源，因其富含人體所需8種必需氨基酸，且不含膽固醇，攝入后可降低患心血管疾病的風(fēng)險，是動物蛋白的良好替代品[3]。另外，大豆蛋白具有良好的溶解性、乳化性、持水性、持油性、凝膠性、起泡性等理化特性，是理想的食品加工助劑。

大豆蛋白由多種組分組成，根據(jù)離心沉降系數(shù)不同分為2S(25 kDa)、7S(180 kDa)、11S(350 kDa)和15S(600 kDa)球蛋白[4]。7S和11S球蛋白是大豆蛋白的主要成分，約占大豆蛋白的70%～80%，其中7S球蛋白約占30%，11S球蛋白約占40%，但7S與11S的比例也因大豆品種而異，約為0.6～4.1[5]，二者對大豆蛋白的功能性質(zhì)起決定作用。7S球蛋白即β-伴大豆球蛋白，是由多糖和N-端天冬氨酸結(jié)合形成的一種糖蛋白，含糖量約5%，主要由α、α′和β 3個亞基通過氫鍵和疏水相互作用連接而成，呈平面三角形堆積(圖1-a)，相對分子質(zhì)量140～180 kDa，等電點4.8[4]。11S球蛋白即大豆球蛋白，是由6個分子質(zhì)量約為35 kDa的酸性亞基(A1a、A1b、A2、A3、A4、A5)和5個分子質(zhì)量約為20 kDa的堿性亞基(B1a、B1b、B2、B3、B4)通過疏水鍵和二硫鍵堆積形成的六聚體非糖蛋白(圖1-b)，相對分子質(zhì)量300～370 kDa，等電點6.4[6]。7S球蛋白結(jié)構(gòu)包含核心區(qū)(含有2條糖鏈)和擴展區(qū)(含有1條糖鏈)，其中α、α′亞基在核心區(qū)和擴展區(qū)均有存在，而β亞基僅存在于核心區(qū)，由于3個亞基均含有糖基，因此7S球蛋白具有較柔性的空間結(jié)構(gòu)，且親水能力強。而11S球蛋白含有較多的分子內(nèi)和分子間二硫鍵，因此剛性結(jié)構(gòu)顯著，且親水能力較弱[7]。

a-7S球蛋白；b-11S球蛋白圖1 大豆7S與11S球蛋白分子結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.1 Molecular structure diagram of β-glucoglobulin and globulin[4]

7S、11S球蛋白分子結(jié)構(gòu)和氨基酸組成的不同導(dǎo)致二者性質(zhì)的差異，本文從理化性質(zhì)和改性修飾角度分別綜述了7S、11S球蛋白的研究進展，并提出合理性建議，旨在為7S、11S球蛋白的有效利用和進一步深入研究提供理論參考。

1 7S、11S球蛋白的理化性質(zhì)

大豆蛋白的主要理化性質(zhì)包括溶解性、持水和持油性、乳化和乳化穩(wěn)定性、起泡和起泡穩(wěn)定性、凝膠性、成膜性等[8]，這些性質(zhì)對食品體系性狀具有重要影響。7S與11S球蛋白在結(jié)構(gòu)、氨基酸組成、疏水性殘基暴露程度方面存在差異，導(dǎo)致兩者理化性質(zhì)不同。

1.1 溶解性

溶解性通常被作為衡量蛋白質(zhì)應(yīng)用價值的重要標記，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)與水分子的相互作用力與結(jié)合能力，蛋白質(zhì)水合能力越強其溶解性越好[9]。pH 7時，11S球蛋白酸性亞基(A)帶負電，呈親水性，堿性亞基(B)帶正電，呈疏水性；7S球蛋白的α和α′亞基同源性接近，常作為一個整體研究，二者均含有2條低聚糖鏈(分別位于核心區(qū)和延伸區(qū))，呈親水性，β亞基僅存在核心區(qū)且僅有1條糖鏈，呈疏水性。7S與11S球蛋白亞基的性質(zhì)決定了二者的兩親性[10]。但7S球蛋白作為糖蛋白，分子中含有N-糖鏈，因此親水性整體高于11S球蛋白。吳海波等[9]利用7S球蛋白缺失型大豆品種制備生豆乳發(fā)現(xiàn)其溶解性顯著低于普通大豆制備的生豆乳。PAVLICEVIC等[8]研究發(fā)現(xiàn)在pH 6和8時，7S球蛋白含量與大豆蛋白溶解度呈正相關(guān)，其中α和α′亞基含量與溶解度呈正相關(guān)，β′亞基(屬于β亞基且與β亞基氨基酸含量接近)含量與溶解度呈負相關(guān)；而11S球蛋白含量與大豆蛋白溶解度呈負相關(guān)，這與中性或弱堿性環(huán)境下11S球蛋白的剛性結(jié)構(gòu)有關(guān)。

大豆蛋白在食品加工過程中會遭受不同的處理方式，因此會受熱、壓力、離子、pH等條件影響，發(fā)生不同程度的聚集行為。受熱后7S、11S球蛋白的溶解度發(fā)生不同程度的改變。7S球蛋白受熱后形成可溶性聚集體，聚集體外側(cè)被親水性多糖鏈覆蓋，聚集體間不會進一步聚集，因此受熱后7S球蛋白仍具有良好的溶解性；11S球蛋白受熱后形成具有不同密度的不溶性聚集體，聚集體外側(cè)被疏水性殘基所覆蓋，聚集體間進行無限聚集，因此受熱后11S球蛋白溶解度顯著下降；但在11S球蛋白體系中加入7S球蛋白可以抑制11S球蛋白及其β亞基的熱聚集，原理為11S球蛋白聚集體外側(cè)的疏水性基團被7S球蛋白的親水性多糖鏈替代，從而提高受熱后11S球蛋白的溶解度(圖2)[11]。大豆蛋白溶解度強烈依賴于體系中的離子強度和pH。劉紅等[12]發(fā)現(xiàn)與中性條件(pH 7)相比，在極酸(pH 2)條件下7S、11S球蛋白溶解度變化均不顯著，而在極堿(pH 11)條件下二者的溶解度均有提高，且11S球蛋白較7S球蛋白提高的程度更大，這與極堿條件下11S球蛋白展開程度更大有關(guān)。因此，較7S球蛋白，11S球蛋白對體系pH變化更敏感。離子環(huán)境也會對7S、11S球蛋白溶解度產(chǎn)生成不同程度影響，當向7S、11S球蛋白體系引入鹽離子時，鹽離子和蛋白質(zhì)分子共同競爭水分子，使蛋白質(zhì)與水分子的結(jié)合幾率降低；此外，鹽離子的靜電屏蔽作用減弱了蛋白分子間的靜電排斥力，分子間通過疏水相互作用發(fā)生締合，導(dǎo)致溶解度下降[13]。陳卓[13]采用氮溶指數(shù)反映7S球蛋白的溶解度，發(fā)現(xiàn)在不同濃度Na+、K+、Ca2+條件下，7S球蛋白氮溶指數(shù)隨Na+(0～50 mmol/L)、K+(0～15 mmol/L)濃度的升高變化不明顯，但隨Ca2+(0～100 mmol/L)濃度的升高逐漸減小，說明7S球蛋白溶解度受離子類型影響。齊寶坤等[14]研究發(fā)現(xiàn)11S球蛋白溶解度隨體系中NaCl 濃度的增加而降低。

圖2 7S、11S球蛋白在pH 7條件下的熱聚集行為[11]Fig.2 Thermal aggregation behaviors of 7S and 11S globulin at pH 7[11]

1.2 乳化性

大豆蛋白由于具有親水、親油的兩親性質(zhì)，常作為乳化劑應(yīng)用于食品中，如咖啡、奶油、冰激凌等。蛋白質(zhì)乳化性能的優(yōu)劣主要取決于：(1)蛋白質(zhì)分子能否快速吸附于油水界面；(2)吸附于油水界面處的蛋白質(zhì)分子能否發(fā)生快速重排并形成具有黏彈性的界面膜[6]。蛋白質(zhì)分子空間構(gòu)象的靈活性與蛋白質(zhì)界面吸附性能密切相關(guān)，通常認為含有二硫鍵數(shù)目少的蛋白具有較為靈活的柔性結(jié)構(gòu)，而含有較多分子內(nèi)二硫鍵的蛋白則具有不靈活的剛性結(jié)構(gòu)[7]。7S球蛋白所含二硫鍵少，亞基締合結(jié)構(gòu)松散，相比11S球蛋白，不僅分子質(zhì)量小而且具有更加柔性的空間結(jié)構(gòu)，較低濃度的7S球蛋白在油水體系中能夠快速移動并吸附至油水界面處，同時發(fā)生去折疊，均勻地覆蓋于油水界面(圖3-a)，因此7S球蛋白的乳化能力較強；而11S球蛋白含有較多的分子內(nèi)和分子間二硫鍵，分子結(jié)構(gòu)緊密，且分子質(zhì)量較大，即使在低濃度下，其運動和吸附至油水界面的速度較慢。此外，不靈活的剛性結(jié)構(gòu)使11S球蛋白在油水界面處的重排速度減慢，導(dǎo)致其在油水界面區(qū)域的有效覆蓋率降低(圖3-b)，因此11S球蛋白的乳化能力較低[6]。當7S或11S球蛋白濃度較高時，過量的7S或11S球蛋白吸附于油水界面處，蛋白聚集導(dǎo)致滲透壓增高，油體間發(fā)生損耗絮凝，二者的乳化能力均降低(圖3)[6]。劉軍等[15]發(fā)現(xiàn)7S∶11S比例高的大豆品種制備的大豆分離蛋白具有較高的乳化活性；陳碩等[16]發(fā)現(xiàn)蛋白體系中11S球蛋白含量的增加不僅會導(dǎo)致乳化活性指數(shù)的下降，而且油水界面處吸附的蛋白比例也會減少，乳液中的油體由清晰的球形輪廓轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的絮凝聚集體。上述研究顯示7S球蛋白對大豆蛋白乳化性的貢獻率大于11S球蛋白。

a-7S球蛋白；b-11S球蛋白圖3 7S與11S蛋白在不同濃度下油水界面的吸附行為[6]Fig.3 Adsorption behaviors of 7S and 11S globulin at oil-water interface at different concentrations[6]

蛋白能否在油水界面形成具有一定黏彈性的界面膜也是決定其乳化能力的另一重要因素。油水界面膜黏彈性越強，油滴抗聚集效果越好，乳液的穩(wěn)定性越高。TANG[6]構(gòu)建了7S與11S球蛋白于油水界面處的吸附行為模型，7S球蛋白(或亞基)吸附于油水界面后結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，分子間發(fā)生強烈的側(cè)向相互作用，在油水界面處形成致密的高黏彈性界面膜，從而表現(xiàn)出較高的乳化穩(wěn)定性(圖4-a)；11S球蛋白易聚集形成大的聚集體，這些聚集體在油水界面形成厚而不均勻的界面膜，盡管該界面膜表面存有一些“空洞”，但由于天然11S球蛋白較7S球蛋白更易聚集，其形成的聚集體在油水界面形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制了油滴間聚合，因此仍表現(xiàn)出較好的乳化穩(wěn)定性(圖4-b)。RIVAS等[17]發(fā)現(xiàn)pH 7時，由于7S球蛋白具有較強的分子內(nèi)和分子間內(nèi)聚力，在疏水相互作用下，7S球蛋白形成的油水界面膜較11S球蛋白形成的界面膜更加剛性有序且堅固，因此7S球蛋白穩(wěn)定的乳液比11S球蛋白穩(wěn)定的乳液具有更高的物理穩(wěn)定性。

a-7S球蛋白；b-11S球蛋白圖4 吸附于油滴表面的7S與11S球蛋白 形成的界面結(jié)構(gòu)[6]Fig.4 Interface structure formed by 7S and 11S globulin adsorbed on the surface of oil droplet[6]

7S與11S球蛋白的乳化性與溶解性相似，也易受外界環(huán)境(如熱、pH、鹽離子)影響。研究表明，熱處理后可提高11S球蛋白的乳化能力，但降低了7S球蛋白的乳化能力，與11S球蛋白相比，7S球蛋白的乳化能力更易受加熱影響[18]。當所處體系pH值改變時，球蛋白結(jié)構(gòu)以及表面所帶電荷數(shù)量均發(fā)生變化，導(dǎo)致其乳化性能改變。劉紅等[12]研究發(fā)現(xiàn)pH≥7時7S球蛋白的乳化穩(wěn)定性優(yōu)于11S球蛋白，當pH<7時，7S球蛋白的乳化穩(wěn)定性顯著低于11S球蛋白。XU等[19]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論。因此，7S球蛋白乳化穩(wěn)定性受pH影響更顯著。離子濃度對球蛋白乳化穩(wěn)定性也具有一定影響，TIAN等[20]發(fā)現(xiàn)隨NaCl濃度的增加，降低了7S球蛋白界面層的黏彈性，對乳化活性具有負面影響。XU等[19]發(fā)現(xiàn)在NaCl濃度0～500 mmol/L時，11S球蛋白穩(wěn)定的納米乳液物理穩(wěn)定性優(yōu)于7S球蛋白，即11S球蛋白形成的乳液耐Na+離子穩(wěn)定性更好。

1.3 凝膠性

在適宜外界條件影響下，大豆蛋白分子伸展，由環(huán)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成鏈狀結(jié)構(gòu)，原本包埋于分子內(nèi)部的疏水基團充分暴露，分子間疏水相互作用增強，導(dǎo)致蛋白發(fā)生聚集，當?shù)鞍踪|(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-水、蛋白相鄰多肽鏈之間引力(疏水相互作用、范德華力、氫鍵、靜電相互作用等)與斥力達到平衡時，蛋白三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成[21]。根據(jù)蛋白濃度的不同大豆蛋白凝膠形成方式可分為非熱致凝膠和熱致凝膠。早在1914年，BRIDGMAN[22]就已發(fā)現(xiàn)在不需要熱量的情況下，可通過600 MPa壓力使液體蛋白形成非熱致凝膠。各蛋白組分對壓力的敏感性不同，如11S球蛋白經(jīng)400 MPa處理后變性程度100%，7S球蛋白經(jīng)600 MPa處理后仍保留30%的天然結(jié)構(gòu)，因此11S與7S球蛋白形成非熱致凝膠的最低濃度不同，分別為2.5%和7.5%[23]。

適度的熱處理可使蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)改變，大量疏水性基團暴露，有利于凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成和穩(wěn)定，因此目前更多采用熱致凝膠。在大豆蛋白熱致凝膠過程中，由于7S、11S球蛋白凝膠機制及凝膠形成參與作用力的不同導(dǎo)致二者凝膠性質(zhì)的差異。11S球蛋白形成凝膠主要分為3步(圖5)，首先，在熱作用下11S球蛋白分子結(jié)構(gòu)部分去折疊展開，但仍保持球形，并短時間內(nèi)(約15 s)迅速聚集形成由6個11S球蛋白分子組成的具有短鏈結(jié)構(gòu)的可溶性聚集體(鏈Ⅰ)(分子質(zhì)量：8 000 kDa)；然后，鏈Ⅰ彼此間不斷聚集形成更大的可溶性聚集體鏈Ⅱ；最后，鏈Ⅱ再與自身或鏈Ⅰ結(jié)合形成凝膠網(wǎng)絡(luò)單元(鏈Ⅲ)[24]。

圖5 11S球蛋白加熱過程中凝膠化機理[24]Fig.5 Gelation mechanism of 11S globulin during heating[24]

如前所述11S球蛋白分子含有較多二硫鍵，受熱后主要通過疏水相互作用和二硫鍵形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，二硫鍵對維持凝膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用，因此11S球蛋白熱致凝膠強度大、硬度高。7S球蛋白加熱初始階段形成可溶性聚集體(分子質(zhì)量：1 000 kDa)，隨后可溶性聚集體隨機結(jié)合形成團簇，最終團簇間聚集形成凝膠[24]。在7S球蛋白形成凝膠過程中，未發(fā)生巰基(—SH)與二硫鍵(S—S)轉(zhuǎn)換反應(yīng)，主要靠氫鍵形成網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)，因此7S球蛋白形成的凝膠柔軟透明。ZHOU等[25]研究發(fā)現(xiàn)與無組分缺失的普通大豆為原料的酸豆乳相比，以缺失7S球蛋白的大豆為原料發(fā)酵的酸豆乳凝膠化時間縮短。ZHENG等[26]研究發(fā)現(xiàn)11S∶7S>1.88的大豆分離蛋白生產(chǎn)的千葉豆腐具有緊密均勻的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且千葉豆腐的彈性、硬度和咀嚼性更高，同時證實在維系千葉豆腐凝膠構(gòu)象穩(wěn)定中，非二硫共價鍵、疏水相互作用、二硫鍵比離子鍵和氫鍵更重要。

7S、11S球蛋白形成凝膠時會受環(huán)境體系因素的影響(溫度、pH、鹽離子等)。在蛋白熱致凝膠形成過程中蛋白的變性程度及粒子聚集程度主要與7S、11S的變性溫度有關(guān)，當加熱溫度低于蛋白變性溫度時，蛋白結(jié)構(gòu)未充分展開，體系中游離巰基數(shù)量少，蛋白分子間不易發(fā)生交聯(lián)和聚集，因此不利于凝膠的形成；當加熱溫度過高時，蛋白變性嚴重，不易于形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此凝膠的硬度、膠黏性均較低，甚至可能因為蛋白過度變性而無法形成凝膠[21]。馮芳等[27]發(fā)現(xiàn)當加熱溫度超過90 ℃時，7S球蛋白形成的凝膠結(jié)構(gòu)松散、脆性高，硬度及膠黏性均較低，而11S球蛋白在加熱溫度95 ℃時所形成的凝膠硬度及膠黏性最高，這主要是由于7S球蛋白變性溫度低(68～75 ℃)，高溫受熱時變性嚴重，無法形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而11S球蛋白變性溫度較高(85～93 ℃)，且能在凝膠過程中形成更多的二硫鍵，因而高溫加熱下形成的凝膠具有更高的硬度和膠黏性。pH 主要是通過影響蛋白質(zhì)子化程度和所帶電荷數(shù)量影響蛋白凝膠化進程和凝膠性質(zhì)。如7S球蛋白隨pH 值的降低質(zhì)子化程度增加，凝膠形成速度加快，易形成剛性凝膠[28]。pH 值過高或過低都會使7S與11S球蛋白的變性溫度向低溫方向移動。當pH 值由6增加到10時，7S球蛋白的變性溫度變化不顯著，但11S球蛋白變性溫度降低10 ℃，因此當pH 值向堿性偏移時對11S球蛋白的熱致凝膠性質(zhì)影響更大[27]。適量鹽離子的存在可適度減弱蛋白分子間的靜電斥力，有利于蛋白分子發(fā)生交聯(lián)從而促進凝膠的形成；過量的鹽離子由于產(chǎn)生較強的靜電屏蔽作用，使蛋白分子間的靜電斥力極度減弱甚至消失，導(dǎo)致蛋白分子隨機聚集，不利于凝膠結(jié)構(gòu)的形成[21]。另外，過量鹽離子的存在使7S、11S球蛋白變性溫度升高，導(dǎo)致蛋白凝膠速度變慢，凝膠時間延長。馮芳等[27]研究發(fā)現(xiàn)在相同加熱溫度下，7S、11S球蛋白形成的凝膠硬度和膠黏性均隨體系中Na+質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，且凝膠形態(tài)由透明細膩變得發(fā)白粗糙，但較于7S球蛋白，11S球蛋白受Na+濃度影響更顯著，Na+可誘導(dǎo)11S球蛋白二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋減少，β-折疊增加，而7S球蛋白二級結(jié)構(gòu)對Na+濃度并不敏感[29]。

1.4 起泡性和泡沫穩(wěn)定性

大豆蛋白的起泡性是指在食品生產(chǎn)加工中由于融入大量空氣導(dǎo)致蛋白體積膨脹形成泡沫的能力，該性質(zhì)常應(yīng)用于餅干、蛋糕等烘焙食品加工中，以改善產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和含水量[30]。大豆蛋白在空氣-水界面的吸附行為類似于在油-水界面的吸附，包含擴散、吸附和重排3個過程，因此蛋白的表面活性以及能否形成具一定黏彈性的空氣-水界面膜是決定其泡沫形成和泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。泡沫的空氣-水界面張力越小、界面儲存模量(E′)越大，代表蛋白的起泡性越好。SIRISON等[31]研究了7S、11S球蛋白形成的泡沫空氣-水界面張力隨時間的動態(tài)變化，7S球蛋白形成的泡沫在1 500 s左右時界面張力開始下降，最終為(58.4±3.8) mN/m，11S球蛋白形成的泡沫界面張力也隨時間的延長而下降，但3 600 s時仍為62.3 mN/m，另外，7S球蛋白泡沫在3 500 s后界面E′可達(42.5±5.2) mN/m，而11S最終E′為10 mN/m，即11S球蛋白起泡能力低于7S球蛋白。

pH對7S、11S球蛋白起泡性的影響與二者的等電點有關(guān)，研究顯示在pH=2時，7S、11S球蛋白的起泡性均較好；在pH=5時，二者的起泡性和泡沫穩(wěn)定性均最差；pH>5時，7S球蛋白起泡性略有增加，但當pH>7時，11S球蛋白起泡性降低[12]。離子強度也會影響二者起泡性及泡沫穩(wěn)定性，研究表明在pH=7時，離子強度越低，7S、11S球蛋白的起泡性越高，但在此pH條件下7S球蛋白的泡沫穩(wěn)定性不受離子強度影響，而11S球蛋白泡沫穩(wěn)定性隨離子強度的增加而增高[32]。

1.5 成膜性

大豆蛋白在適宜加工條件下可以形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的蛋白膜，這主要與蛋白分子內(nèi)和分子間相互作用有關(guān)。大豆蛋白成膜可分為2個階段：(1)加熱階段，蛋白分子受熱結(jié)構(gòu)改變，二硫鍵斷裂，巰基與疏水性殘基充分暴露于表面；(2)冷卻干燥階段，蛋白分子通過疏水相互作用、氫鍵、二硫鍵重新締合，形成膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[33]。在熱誘導(dǎo)膜形成過程中，11S球蛋白的成膜性優(yōu)于7S球蛋白，主要原因為：(1)11S球蛋白分子含有較多色氨酸和半胱氨酸，較于7S球蛋白，11S球蛋白能形成更多的巰基和二硫鍵，因此11S球蛋白形成的膜更加致密，拉伸強度更高；(2)7S球蛋白表面疏水性強，熱穩(wěn)定性差，與其他粒子結(jié)合能力較弱，因此形成的膜拉伸性及致密性較低[34]。研究發(fā)現(xiàn)11S球蛋白形成的膜在145°時拉伸強度為35 MPa，而7S球蛋白為26 MPa，即利用11S球蛋白能生產(chǎn)出更加堅固的膜[33]。藍偉杰等[34]發(fā)現(xiàn)利用11S∶7S為4的大豆蛋白制備的腐竹具有最好的膜拉伸強度及致密性。WEI等[35]發(fā)現(xiàn)分別采用7S、11S球蛋白制備的蛋白膜均具有表面光滑，無條帶狀突起的特性，但11S球蛋白制備的膜水蒸氣透過率和透油率均小于7S球蛋白制備的膜，這與11S球蛋白形成的膜交聯(lián)程度更大、致密性更強有關(guān)。

2 7S、11S球蛋白改性修飾技術(shù)

我國食品工業(yè)在近幾年取得了較大發(fā)展，不同類型食品對大豆蛋白功能性質(zhì)的需求不一， 7S、11S球蛋白雖可根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點，發(fā)揮各自功能優(yōu)勢，但由于共有的球蛋白結(jié)構(gòu)和易受外界環(huán)境影響等特性，在許多食品加工中受限。為充分發(fā)揮7S、11S球蛋白優(yōu)勢，拓展其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用，有必要對二者進行一定的改性修飾以提升相應(yīng)性能。目前常用的改性方法主要有物理改性技術(shù)、非共價相互作用技術(shù)、糖基化改性技術(shù)、pH偏移技術(shù)、生物酶解技術(shù)和多種方法結(jié)合的復(fù)合改性技術(shù)。

2.1 物理改性技術(shù)

物理改性主要指通過加熱、超聲、高壓均質(zhì)等機械物理手段，破壞蛋白分子聚集狀態(tài)，促進亞基解離，同時在機械作用力下蛋白結(jié)構(gòu)充分展開，活性位點暴露(例如疏水基團)，蛋白結(jié)構(gòu)中α-螺旋含量減少，無規(guī)則卷曲含量增加，由排列有序的剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為更為松散的柔性結(jié)構(gòu)，因此更有利于蛋白在油-水和空氣-水界面的錨定，且形成致密有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而蛋白的理化性質(zhì)得以提升[36]。表1為常用的7S、11S球蛋白物理改性方法。適度的熱處理提高了蛋白的表面疏水性/親水性，使蛋白界面吸附能力提升。PERRECHIL等[18]研究發(fā)現(xiàn)90 ℃熱處理30 min提高了富含11S組分蛋白的乳化能力，但降低了富含7S組分蛋白的乳化能力，這與7S、11S球蛋白變性溫度有關(guān)。經(jīng)90 ℃處理30 min后，11S球蛋白部分變性，解離后的亞基更利于在油-水界面吸附；而7S球蛋白完全變性，暴露出的疏水性基團在疏水相互作用力下重聚形成聚集體，不利于油-水界面的吸附。SIRISON等[31]將7S、11S球蛋白分別在90 ℃加熱30 min，二者的起泡性與未加熱相比顯著增加，且熱處理后11S球蛋白對大豆蛋白起泡性的貢獻高于7S球蛋白，這是由于受熱后2種蛋白形成的可溶性聚集體比未受熱蛋白分子更利于作為“納米顆粒”在空氣-水界面的有效吸附和覆蓋，同時加熱后7S、11S球蛋白疏水性殘基暴露，促進了蛋白在空氣-水界面的吸附和重排，但7S球蛋白表面疏水性增加的幅度小于11S球蛋白。超聲波、高壓均質(zhì)、射流空化等技術(shù)在提升7S、11S球蛋白理化性能方面也有較多的應(yīng)用。田然等[37]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同超聲功率(150、450、1 350 W)及時間(15、30 min)處理后，7S、11S球蛋白結(jié)構(gòu)從較為有序的狀態(tài)變?yōu)闊o序狀態(tài)，分子結(jié)構(gòu)柔性及表面疏水性增加，因此二者的溶解性、乳化活性和乳化穩(wěn)定性均提升。KANG等[38]研究發(fā)現(xiàn)大豆11S球蛋白經(jīng)50、100 MPa高壓均質(zhì)2次后，蛋白表面疏水性和游離巰基的暴露程度增加，其溶解度、發(fā)泡性和凝膠性均顯著提高。解長遠等[39]發(fā)現(xiàn)經(jīng)射流空化處理6 min后，11S球蛋白α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角含量減小，無規(guī)則卷曲含量增加，蛋白分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼰o序的狀態(tài)，且游離巰基含量及表面疏水性增加，因此提升了11S球蛋白在油-水、空氣-水的界面活性，最終11S球蛋白的溶解度、乳化性、起泡性均得以提高。但過度的機械處理也會產(chǎn)生負面影響，如：暴露出更多的疏水基團使得疏水相互作用增強、蛋白重聚，產(chǎn)生的不溶性聚集體破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，因此在蛋白物理改性中探尋最佳改性參數(shù)成為研究的關(guān)鍵。

表1 7S、11S球蛋白的物理改性方法Table 1 Physical modification of 7S, 11S globulin

2.2 非共價相互作用技術(shù)

7S、11S球蛋白可通過與表面活性劑、天然活性物質(zhì)、多糖分子等發(fā)生非共價相互作用提高理化性能(表2)。

表2 非共價相互作用技術(shù)Table 2 Noncovalent interaction technique

GUO等[40]在11S球蛋白溶液(pH 8)中加入“人工分子伴侶”十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)提高了11S球蛋白受熱時的溶解度，這是由于11S球蛋白、SDS混合物受熱時，SDS疏水端與11S球蛋白分子結(jié)合形成復(fù)合物，親水端為11S蛋白分子表面提供靜電屏障，從而抑制了蛋白的熱聚集，其機理如圖6所示。

圖6 SDS抑制11S球蛋白熱聚集機理示意圖[40]Fig.6 Schematic diagram on the mechanism of SDS on thermal aggregation inhibition of 11S[40]

由于合成的表面活性劑(SDS)含有少量毒性同時存在固有的降解特性，目前常采用天然活性物質(zhì)代替化學(xué)合成的表面活性劑，如大豆皂苷、甜菊糖苷等[41-44]。這些天然活性物質(zhì)具有兩親性，可與7S、11S球蛋白在界面發(fā)生競爭性吸附，并與其通過氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用結(jié)合形成復(fù)合物，協(xié)同提升7S、11S球蛋白的乳化性和起泡性。相較于7S、11S球蛋白，7S或11S與大豆皂苷(soyasaponin，Ssa)形成的7S/11S-Ssa復(fù)合物耐酸、耐熱穩(wěn)定性提高、起泡能力增強，且較于11S-Ssa，7S-Ssa復(fù)合物降低油水界面張力的能力更強、起泡性能更高[42]。向體系中添加不同濃度的天然活性物質(zhì)會影響空氣-水界面的吸附性能，添加適宜濃度的天然活性物質(zhì)可有效提升11S球蛋白起泡性，WAN等[41]發(fā)現(xiàn)甜菊糖苷(stevia，STE)濃度為0.1% 時，11S球蛋白形成的11S-STE復(fù)合物在降低空氣-水界面張力方面與單純的11S球蛋白分子相似(圖7-a)；STE濃度升高至0.25%～0.5% 時，形成的11S-STE復(fù)合物由于11S、STE的協(xié)同作用降低了空氣-水界面張力，且11S-STE復(fù)合物形成的界面層具有良好的彈性，表現(xiàn)出良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性(圖7-b)；當STE濃度達1%～2% 時，由于體系中存在過多的單體STE，STE分子優(yōu)先吸附于空氣-水界面，導(dǎo)致界面層的主要成分為STE，缺乏11S的界面層表面彈性低，泡沫穩(wěn)定性下降，但仍優(yōu)于單純的11S球蛋白(圖7-c)。

a-低濃度STE (0.1%)；b-中間濃度STE(0.25%～0.5%)； c-高濃度STE(1%～2%)圖7 11S-STE混合物在空氣-水界面的 吸附行為示意圖[41]Fig.7 Schematic diagram of adsorption behavior of 11S-STE mixture at air-water interface[41]

利用特定pH條件下，球蛋白分子與多糖分子帶有相反電荷，從而形成蛋白-多糖靜電復(fù)合物以提升7S、11S球蛋白的乳化穩(wěn)定性及抗極端環(huán)境能力也是目前常采用的方法之一。YUAN等[45]在體系pH 4.5時制備了11S球蛋白(帶少量負電)與殼聚糖(帶正電)的靜電復(fù)合物(11S球蛋白∶殼聚糖為0.1～0.2)，由11S-殼聚糖靜電復(fù)合物穩(wěn)定的乳液在pH 4.5時的穩(wěn)定性得到顯著提升。XIANG等[46]將pH值均為3的7S球蛋白乳液(帶正電)與高甲氧基果膠(high methoxyl pectin，HMP)溶液(帶負電)混合，由于靜電沉積原理HMP分子吸附于油水界面處的7S分子表面，形成的7S-HMP乳液經(jīng)3 000 psi均質(zhì)后，粒徑顯著小于僅由7S穩(wěn)定的乳液，且具有良好的貯存穩(wěn)定性。

2.3 共價改性技術(shù)

蛋白質(zhì)的共價改性主要采用糖基化改性技術(shù)。糖基化是蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸側(cè)鏈上的游離氨基與糖類分子中的還原端羰基共價結(jié)合生成糖蛋白的非酶反應(yīng)[47]。親水性多糖與蛋白糖基化后形成的偶聯(lián)物氫鍵數(shù)量增加，親水基團數(shù)量提高，因而溶解性提升，同時蛋白與多糖結(jié)合后提高了偶聯(lián)物的帶電數(shù)量，蛋白的等電點向更低的pH方向移動，拓寬了蛋白可溶性pH范圍；經(jīng)糖基化改性后蛋白柔性增強，二者結(jié)合形成的兩親性偶聯(lián)物可更快的遷移并通過蛋白質(zhì)的疏水區(qū)牢固的錨定在油-水界面上，形成黏彈性界面膜，而多糖可提供空間屏障防止乳液絮凝和聚結(jié)[48]。

糖基化一般分為濕法糖基化和干法糖基化，濕法糖基化適用于小分子糖類反應(yīng)，操作簡單、糖基化速度較快、反應(yīng)時間相對較短，但也存在反應(yīng)過程易導(dǎo)致褐變嚴重、蛋白質(zhì)快速聚集、反應(yīng)程度不可控等缺陷；干法糖基化適用于大部分蛋白與多糖反應(yīng)，且反應(yīng)后產(chǎn)物性質(zhì)測定方便，是目前應(yīng)用最廣泛的糖基化方法，但也存在反應(yīng)周期長、效率低等缺點[49]。通過對7S、11S球蛋白分子的糖基化修飾可提升二者的乳化性、凝膠性等功能特性。表3列舉了7S、11S球蛋白經(jīng)糖基化改性對功能性質(zhì)提升的相關(guān)研究。ZHANG等[51]利用7S球蛋白與葡聚糖進行干熱糖基化反應(yīng)，得到的偶聯(lián)物可通過提高油滴間的靜電斥力，提升乳液穩(wěn)定性。田燕[52]利用D-半乳糖通過濕法糖基化改性7S球蛋白，改性后的其三級結(jié)構(gòu)遭到破壞，肽鏈展開，蛋白分子構(gòu)象更趨于柔性，內(nèi)部疏水性基團暴露，表現(xiàn)出油-水界面的吸附優(yōu)越性，從而乳化活性提高，同時由于多糖的引入提高的蛋白表面電荷和空間位阻，乳液穩(wěn)定性有所提高。李冰等[53]用麥芽糖對大豆11S球蛋白進行濕法糖基化改性，改性后11S球蛋白形成的凝膠硬度提高了20.7%，彈性模量、黏性模量均提高，凝膠形成時間明顯縮短。PENG等[55]將11S球蛋白與大豆可溶性多糖通過干法糖基化改性技術(shù)共價結(jié)合，糖基化后的11S球蛋白構(gòu)象柔性增強(解離成[AB]亞基)，促進了蛋白在油-水界面的吸附，從而提高了11S球蛋白的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

表3 7S、11S球蛋白糖基化改性相關(guān)研究

2.4 pH偏移技術(shù)

圖8 pH偏移過程及其對蛋白質(zhì)表面性能的影響[56]Fig.8 pH migration process and its effect on protein surface properties[56]

2.5 酶法改性技術(shù)

酶法改性是指蛋白在酶的催化下降解成小分子或交聯(lián)生成新結(jié)構(gòu)的過程[59]。與物理改性、共價改性等技術(shù)相比，酶法改性技術(shù)因其高效、專一性強，作用條件溫和(pH 6～8、溫度40～60 ℃)，可最大程度保持改性產(chǎn)物的營養(yǎng)，且水解物易于人體消化吸收，因此具有更大的市場潛力和應(yīng)用價值。酶法改性中蛋白酶的種類會直接影響改性后蛋白的理化性質(zhì)，常見的蛋白酶包括：動物蛋白酶、植物蛋白酶及微生物蛋白酶。楊春華等[60]研究發(fā)現(xiàn)與天然11S球蛋白相比，經(jīng)堿性蛋白酶和胃蛋白酶復(fù)合酶解后的大豆11S球蛋白熱穩(wěn)定性顯著提高，酶解使11S球蛋白分子內(nèi)部氫鍵斷裂，其中的親水基團更易與水分子緊密連接，從而限制了11S球蛋白結(jié)構(gòu)的展開，因而其熱穩(wěn)定性提高。段春紅等[61]采用菠蘿蛋白酶限制性酶解7S球蛋白，然后將其添加入豬肉腸中，發(fā)現(xiàn)在7S球蛋白水解度為6%時，得到豬肉腸的質(zhì)構(gòu)特性(硬度、彈性、咀嚼性、回復(fù)性和內(nèi)聚性)最優(yōu)，且顯著高于未酶解7S球蛋白添加的豬肉腸，限制性酶解改變了7S球蛋白的表面疏水性和相對分子質(zhì)量，使蛋白交聯(lián)程度更大，從而提升了凝膠強度，同時可有效保留肉制品中的脂肪和水分。另外，蛋白酶解改性效果會受多種因素影響，如酶解溫度、底物濃度、酶解時間等，因此有效調(diào)控酶解反應(yīng)條件對提升7S、11S球蛋白性能也至關(guān)重要。范麗麗等[59]采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(transglutaminase，MTGase)對7S球蛋白進行酶解改性，研究發(fā)現(xiàn)最佳改性條件為55 ℃，pH 7，酶添加量為20 U/g，55 ℃反應(yīng)溫度利于7S球蛋白結(jié)構(gòu)伸展，暴露出更多活性位點，同時此溫度下MTGase酶活性較高，增強了MTGase酶催化7S球蛋白交聯(lián)作用，蛋白表面疏水性進一步增強，因此提升了改性后7S球蛋白乳化活性。

2.6 復(fù)合改性技術(shù)

單一改性技術(shù)往往存在耗時耗能、效率低、改性效果不顯著等特點，采用多種技術(shù)手段(物理、化學(xué)、生物等)復(fù)合改性蛋白，綜合各單一改性技術(shù)優(yōu)點，可顯著提升蛋白理化特性，且具有高效、低成本的優(yōu)勢[62]。如采用酶法與糖基化技術(shù)結(jié)合，通過酶解后蛋白表面活性增強，更利于與糖類的共價交聯(lián)，從而提升蛋白糖基化改性效果；采用超聲輔助酶法改性技術(shù)，通過適度的超聲處理使蛋白暴露更多酶切位點，從而進一步提升酶解改性效果；采用超聲波聯(lián)合加熱技術(shù)，利用超聲波處理提高蛋白質(zhì)分子對加熱溫度的敏感性，從而提升熱處理改性效果等。LIU等[62]通過超聲聯(lián)合加熱改性大豆11S球蛋白，復(fù)合改性后的11S球蛋白柔性增加，其乳化活性和乳化穩(wěn)定性較單獨超聲改性的11S球蛋白顯著提高。范麗麗[63]利用Na2SO3協(xié)同MTGase改性大豆7S球蛋白，7S球蛋白經(jīng)Na2SO3處理后，穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)的分子間作用力遭到破壞，內(nèi)部的賴氨酸殘基和谷氨酸殘基暴露，增加了MTGase的反應(yīng)位點，促進了蛋白分子內(nèi)和分子間ε-賴氨酸和γ-谷氨?；矁r鍵的形成，蛋白交聯(lián)成更加致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增強了蛋白凝膠強度和凝膠持水性。目前，針對復(fù)合改性大豆蛋白的研究較多，但7S、11S球蛋白復(fù)合改性研究的報道較少，因此未來在采用復(fù)合改性技術(shù)提升二者理化性質(zhì)方面具有更多的研究空間。

3 總結(jié)與展望

綜上，7S、11S球蛋白根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點表現(xiàn)出不同優(yōu)勢的功能特性，同時二者可通過多種改性技術(shù)進一步提升理化性質(zhì)及抗環(huán)境壓力能力。大豆蛋白作為植物蛋白的主要來源，不僅是人體獲得優(yōu)質(zhì)蛋白的重要來源，也是重要的食品加工助劑。7S、11S球蛋白作為大豆蛋白的主要組分，如能充分明晰二者理化性質(zhì)，探索更加實用有效的改性方法，將對未來生產(chǎn)實際具有重要指導(dǎo)意義，將來可從以下幾個方面對7S、11S球蛋白展開進一步研究：(1)目前7S、11S球蛋白理化性質(zhì)的研究主要集中于溶解性、乳化性和凝膠性，而關(guān)于起泡性、成膜性的研究較少，未來可加大這方面的研究，以拓寬7S、11S球蛋白的應(yīng)用領(lǐng)域；(2)目前針對大豆蛋白的改性技術(shù)手段較多，但應(yīng)用于7S、11S球蛋白改性方面仍較少。如復(fù)合改性技術(shù)在大豆蛋白改性方面應(yīng)用較多，但仍較少應(yīng)用于7S、11S球蛋白的改性，因此針對7S、11S的改性仍有待進一步深入，以充分發(fā)揮7S、11S球蛋白的性能優(yōu)勢；(3)加快新型技術(shù)在7S、11S球蛋白改性方面的應(yīng)用，冷等離子技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、脈沖電場技術(shù)等非熱加工技術(shù)均可在較大程度減少對食品感官和營養(yǎng)價值有害影響前提下，實現(xiàn)對蛋白理化性質(zhì)的改善，且具有高效節(jié)能、環(huán)境友好等優(yōu)點，將來可作為7S、11S球蛋白改性的研究重點；(4)目前7S、11S球蛋白的制備主要利用二者等電點的不同，采用逐級酸沉方式從大豆蛋白中分離出來，由于二者等電點較接近(7S為 pH 4.8，11S為 pH 6.4)，因此提取中彼此易污染，且提取純化工藝繁瑣，生產(chǎn)成本高，加重了7S、11S球蛋白廣泛應(yīng)用的困難。如能進一步加強特定基因型品種選育，培育出特定7S、11S含量的基因型大豆原料，對推動二者在食品加工中的應(yīng)用具有重要意義。