大豆蛋白凝膠性及其改良方法的研究進展

蔡燕萍,游寅寅,劉建華,邱月,呂飛,丁玉庭

(浙江工業大學 食品科學與工程學院,浙江 杭州,310014)

大豆是自然界中蛋白質含量最豐富的植物性食品,也是居民膳食中優質蛋白質的來源。近年來在食品加工領域中利用植物蛋白,特別是大豆蛋白代替動物蛋白的應用受到了廣泛的關注。首先,大豆蛋白作為一種高質量的植物蛋白質具有較高的營養價值,其氨基酸組成與人體必需氨基酸組成相似,并且不含膽固醇,可作為動物蛋白的低成本替代品[1]。其次,與動物蛋白相比,大豆蛋白具有較高的生產效率、較低的能耗和碳排放量[2],對環境的污染小,為食品產業的發展提供了更多的可能性。不僅如此,大豆蛋白還具有優良的功能特性,如：凝膠性、溶解性、乳化性、起泡性等。其中凝膠性是最重要的特性之一,它是指大豆蛋白分子經熱處理而解聚,未折疊分子通過二硫鍵、氫鍵、疏水和/或范德華力相互作用發生不可逆地排列和聚集,形成三維凝膠網絡結構的現象[3]。它賦予大豆蛋白較高的黏性、可塑性和彈性,在產品應用中既能做水的載體,也可做糖、脂質及功能因子的載體,這對食品加工極為有利。

盡管大豆蛋白凝膠用于食品加工已有多年歷史,但由于大豆蛋白是一種球蛋白,其聚集的驅動力多以物理相互作用為主,如疏水相互作用、靜電相互作用、氫鍵等,其聚集體結構無序、凝膠強度不足、二硫鍵含量較低,因此制得的大豆蛋白凝膠制品口感粗糙、風味不佳、結構松散[4]。近年來研究人員對大豆蛋白的分子結構及凝膠特性進行了大量研究,發現不同的蛋白組成及環境條件通過對蛋白變性展開程度、聚集速率和穩定性等產生影響,從而對大豆蛋白凝膠形成產生較大的影響,使得大豆蛋白形成結構各異的凝膠網絡[1]。因此可以采用物理、化學或生物技術對大豆蛋白凝膠性進行改良,以獲得具有不同性質的大豆蛋白凝膠。本綜述從大豆蛋白凝膠形成機理出發,對大豆蛋白凝膠形成的影響因素及其凝膠性的改良方法進行了深入地探討,為拓寬大豆蛋白凝膠的應用范圍以及大豆蛋白凝膠制品的開發和應用提供更多的可能性。

1 大豆蛋白凝膠

大豆蛋白凝膠可以定義為蛋白分子變性展開從而聚集的現象,在聚集過程中,吸引力和排斥力處于平衡狀態,從而可以形成能保持大量水分的高度有序的三維網絡結構或基體。如果吸引力大于排斥力,則形成凝膠網絡,水分從凝膠基體排出；反之,如果排斥力大于吸引力,則難以形成凝膠網絡。

1.1 大豆蛋白凝膠形成方法及類型

根據蛋白質濃度的高低,大豆蛋白凝膠形成方法主要分為兩類：當蛋白濃度高時,蛋白體系加熱冷卻后便可凝固形成大豆蛋白熱致凝膠；而當蛋白濃度較低時,則需要向蛋白體系中添加凝固劑,改變體系pH值或離子強度,進而形成大豆蛋白非熱致凝膠。

1.1.1 熱處理

熱處理是大豆蛋白凝膠形成的方法之一,是促使變性蛋白分子去折疊和亞基重排的關鍵因素。首先,熱處理使蛋白質亞基發生解離、疏水基團暴露,從而促進了大豆蛋白凝膠的形成。其次,熱處理不僅誘導蛋白凝膠顆粒的形成,還決定了這些顆粒的特性。當蛋白質經過適當的熱處理時,凝膠強度會達到一個峰值,此時蛋白質發生變性,蛋白質三、四級結構展開,蛋白質分子之間以及蛋白質與界面之間的相互作用力發生改變,從而使得蛋白質聚集；而過度熱處理不僅不利于蛋白凝膠的形成,還會導致大豆蛋白過度變性形成不溶性凝膠[5]。

大豆蛋白中大豆球蛋白(11S)的變性溫度為85～95 ℃,而β-伴大豆球蛋白(7S)較低,約為65～75 ℃[6]。隨著熱處理溫度的變化,11S的變性程度對大豆蛋白凝膠的硬度和持水力有顯著影響,而7S在相同的溫度范圍內對其沒有顯著影響。隨著熱處理溫度的升高,7S形成可溶性聚集體,產生有限的“單體”聚集,而11S由于聚集體之間的結合形成不溶聚集體(圖1)[7]。當同時處理7S與11S時,覆蓋11S聚集體表面的物質不再是一個疏水殘基,而是被7S的親水性基團占據,從而導致聚集體之間的聚集終止。由于7S的存在,顆粒的生長也受到限制。在這種情況下,分散體中形成可溶性聚集體而不是不溶性聚集體。

圖1 pH 7.0時,β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白的熱聚集行為

1.1.2 凝固劑

在食品加工過程中,通常會通過添加凝固劑來促進大豆蛋白凝膠網絡的形成。凝固劑的種類、用量及添加方式對大豆蛋白凝膠形成速度影響較大,緩慢的凝膠過程有助于形成高彈性的蛋白凝膠網絡,而凝膠速度過快則容易產生沉淀[8]。一般來說,大豆蛋白凝固劑分為3類,酸類凝固劑、鹽類凝固劑以及酶類凝固劑(表1)。

表1 凝固劑的分類及作用原理

1.2 大豆蛋白凝膠形成機理

目前研究人員較為認同的蛋白質聚集的機理是由ANDREWS等[12]提出的LENP(Lumry-Eyring nucleated polymerization model)動力學模型。該模型包含5個階段,如圖2所示，①變性展開：蛋白質受外界條件的影響,變性展開后蛋白分子三級結構被破壞,分子內部疏水基團暴露,二硫鍵等次級鍵斷裂,肽鏈之間散開隨機排列；②寡聚體的形成：暴露的各基團通過二硫鍵、氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用以及范德華力的作用下相互靠近達到平衡,形成可逆的寡聚體,作為蛋白質聚集的預核心；③成核：寡聚體間進一步發生不可逆的聚集,形成聚集體核心；④聚合：變性蛋白質和聚集體核心在化學作用力下相互連接,形成更大的聚集體；⑤凝聚：聚集體間進一步結合,形成分子質量更大的凝聚體。當蛋白質形成聚集體后,將水、脂肪等成分包埋其中,從而進一步形成蛋白凝膠網絡結構。

圖2 蛋白質聚集的LENP動力學模型

2 大豆蛋白凝膠形成的影響因素

2.1 蛋白組成及濃度

大豆蛋白含有多種結構的蛋白質,根據其沉降系數主要分為2S、7S、11S和15S。在這4種蛋白質中,大豆7S和11S球蛋白是大豆蛋白的主要組分,約占總含量70%以上,且與大豆蛋白的功能性質密切相關。其中,7S球蛋白主要由α′、α和β亞基組成,巰基和二硫鍵的含量較少[13],其凝膠形成主要是通過加熱過程中氫鍵的作用[9]。因此7S球蛋白具有較好的保水性、柔軟性、溶解性和附著性,主要對大豆蛋白凝膠彈性產生影響。而11S球蛋白由酸性亞基A和堿性亞基B通過二硫鍵連接在一起[14]。其凝膠形成主要是通過二硫鍵和靜電相互作用,在加熱形成凝膠過程中,容易發生聚合、高分子化,因此對大豆蛋白凝膠硬度產生較大影響[15]。

大豆蛋白凝膠強度和大豆蛋白濃度呈正相關。當蛋白濃度高時,其變性聚集和凝膠過程同時發生,蛋白質間相互作用較強,加熱后冷卻便可形成凝膠[16]；而蛋白濃度較低時,蛋白質變性聚集和凝膠過程被分開,此時蛋白質-溶劑的相互作用占主導,加熱冷卻后只能形成蛋白聚集體或者沉淀,因而需要通過添加凝固劑,改變蛋白體系的pH值或離子強度,進而形成凝膠[17]。WANG等[18]也報道經100 ℃預熱改性30 min后,低濃度(1%、2%和4%)大豆蛋白凝膠能力較弱,而高濃度(6%)大豆蛋白凝膠能力較強。

2.2 熱變性程度

熱變性是大豆蛋白形成凝膠的前提之一,它直接影響了蛋白質表面疏水性,蛋白的表面疏水性越大越利于凝膠網絡的形成。蛋白質的二級結構決定了蛋白質的表面疏水性,其表面疏水性與β-轉角和無規則卷曲的相對含量呈正相關,而與α-螺旋和β-折疊的相對含量呈負相關。表面疏水性影響凝膠的形成,同時凝膠形成的外在因素又影響著蛋白的表面疏水性。天然蛋白質的疏水基團在內部,而親水基團位于蛋白質表面[19]。隨著熱量的增加,大量的疏水基團暴露在表面,顯著地增加了蛋白質表面疏水性,從而更有利于凝膠網絡的形成[20]。

適當的熱變性使大豆蛋白具有較好的凝膠特性[21]。大豆蛋白熱變性程度過低會導致大豆蛋白中的肽鏈無法很好地展開,從而無法形成穩定的凝膠網絡結構；而熱變性程度過高則會使大豆蛋白形成不溶性聚集體,最終導致大豆蛋白無法形成較好的凝膠網絡結構。因此,在制備過程中要保證大豆蛋白的熱變性在一定的范圍內,以確保大豆蛋白凝膠網絡的形成。

2.3 pH值

pH值的改變會影響蛋白質分子的離子化作用和凈電荷值,從而改變蛋白質分子間的吸引力和排斥力以及蛋白質分子與水分子結合的能力,進而影響凝膠形成和維持的作用力。在堿性條件下,大豆分離蛋白(soybean protein isolate,SPI)的溶解速率較大,且隨著pH值增大溶解速率也隨之增加[13]。而pH值降低到蛋白質等電點時,蛋白質分子和水分子之間的相互作用最小,所帶凈電荷也非常少,導致多肽鏈相互靠攏,形成不同大小的聚集體,從而形成不同強度的凝膠[9]。CHEN等[22]在pH分別為5.8、6.0、6.2、6.4、6.8條件下,對SPI進行95 ℃熱處理30 min,發現蛋白質熱聚集的大小和密度會隨著pH的增大而減小。

2.4 離子強度

離子強度影響蛋白質中氨基酸殘基的解離狀態和電荷分布,改變蛋白分子之間的靜電相互作用,從而影響蛋白凝膠形成。當鹽離子濃度較低時,蛋白質易于溶解,此時蛋白分子間的相互排斥力大于吸引力,雖能形成凝膠,但凝膠強度低；隨著鹽離子濃度的增加,鹽離子會對蛋白質表面的電荷產生屏蔽作用,并破壞蛋白質表面的水化層,增強蛋白質表面疏水作用,減小分子間排斥力,使蛋白質分子之間更易發生聚集,從而增強凝膠強度[23]。離子強度也會影響蛋白的分子質量分布和粒徑大小,當離子強度從0增大時,SPI的聚集速率顯著提高,從而得到粒徑更大、溶解度更低的聚集體,而聚集體含量的多少對大豆蛋白凝膠形成的影響較為顯著,因此可以通過調整離子強度來控制聚集體的含量,進而提高蛋白的凝膠性[24]。

2.5 油體

大豆中的脂質主要以油體的形式存在,油體可看成一種天然的乳化油滴粒子,其表面是一層蛋白質-磷脂膜,可將外界與核心的中性脂質隔開。膜上的蛋白質稱為油體蛋白,加熱后會發生不同程度的解離,進而影響大豆蛋白凝膠的性質。

在加熱過程中,外部的蛋白質附著物逐漸從油體表面分離出來,導致油體被釋放到大豆蛋白溶液的漂浮部分,7S中β亞基和11S的B亞基聚集形成顆粒蛋白,而7S中α、α′亞基和11S中的A亞基保留在可溶性部分中,油體表面先結合蛋白質聚集體或可溶性蛋白,形成一個小的團簇,然后這些小團簇之間相互作用形成大豆蛋白凝膠網絡結構,如圖3所示[20]。熱處理后,油體無法完全釋放到漂浮部分中,可能是因為油體蛋白和大豆球蛋白之間存在相互作用,從而使油體被顆粒蛋白所包裹[25]。

圖3 加熱大豆蛋白溶液時油體與蛋白的反應情況

2.6 植酸鹽

植酸鹽作為成熟大豆中的主要磷儲備,對大豆蛋白凝膠形成有重要影響。植酸鹽獨特的電荷、結構特性及螯合能力,在加熱過程中通過靜電吸引作用與7S的α/α′亞基和11S的A亞基競爭11S的B亞基上的堿性氨基酸。其競爭性結合在一定程度上抑制了α/α′亞基和A亞基的結合,導致顆粒蛋白數量和平均粒徑減小,同時使顆粒蛋白質表面ζ電位增大,這意味著植酸與蛋白質之間的結合反應可以提高大豆蛋白凝膠穩定性,圖4為大豆蛋白熱變性過程中植酸與蛋白結合的機理[26]。植酸鹽在大豆蛋白凝膠過程中起著重要的緩沖作用,蛋白質交聯變慢,從而使凝膠呈現出更致密的凝膠網絡、更柔軟的結構和更高的保水能力[23]。

圖4 大豆蛋白熱變性過程中植酸與蛋白結合機理的預測

3 大豆蛋白凝膠性的改良方法

由于大豆蛋白是球蛋白,其結構保守,聚集的驅動力主要是疏水作用、氫鍵等物理相互作用,聚集體結構無序且凝膠強度不足,使得制備的大豆蛋白凝膠易出現彈性較差和結構松散的現象,因此可以通過物理、化學、生物等方法改變其中一個或多個影響因素,從而得到不同性質的大豆蛋白凝膠。

3.1 物理改良

3.1.1 超聲處理

超聲處理的主要工作原理是“空化效應”,通過空化和高剪切能波可促使蛋白質分子展開和部分變性,使蛋白質表面活性位點暴露,從而增強大豆蛋白質在后續加工中的熱誘導聚集和凝膠化行為[27]。HU等[28]研究發現超聲波可以調控SPI聚集體的結構,通過改變聚集體的粒徑、表面疏水性、自由巰基含量等,改變蛋白質間的二硫鍵、疏水作用等化學作用力,進一步制得理化性質各異的大豆蛋白凝膠。與未經超聲波處理相比,超聲波處理獲得的大豆蛋白凝膠得率、硬度和持水力都有一定的提高[29]。劉冉等[30]曾報道當超聲功率在200～600 W的中功率下處理SPI,可以加速凝膠形成,并顯著改善SPI凝膠性能；且400 W超聲組效果最佳,所形成的凝膠具有最大的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)。

3.1.2 高壓處理

高壓處理是一種有效且安全的物理方法,可以改變蛋白質的結構和自組裝特性。壓力可引起蛋白質變性、聚集和凝膠化,從而改變其性質[31]。高壓也可以讓蛋白適度的變性,二級結構進一步展開,從而增加凝膠強度。大豆蛋白中7S的高壓變性發生在300 MPa,而11S的高壓變性發生在400 MPa。高壓處理也可以與熱處理結合,從而增強大豆蛋白凝膠特性。ZUO等[32]得出相比傳統蒸煮方法,經高溫高壓蒸煮后,大豆蛋白凝膠網絡中蛋白顆粒含量增加,形成更為致密的凝膠網絡。因此,包括硬度,咀嚼性和彈性在內的凝膠質構特性均得到了顯著改善。

3.1.3 多糖

多糖對形成致密的蛋白網絡結構和提高食品系統的凝膠強度也有積極作用,可以顯著改善蛋白質凝膠的功能特性[33]。近年來,多種多糖被用于大豆蛋白-多糖復合凝膠的形成,蛋白質和多糖的協同作用使得凝膠功能多樣化,擴大了其應用范圍。常見的蛋白-多糖復合凝膠大多是由蛋白作為基質、多糖作為填充物,通過氫鍵、范德華力及疏水相互作用等形成多重蛋白網絡結構,有效地改善凝膠網絡結構[34]。表2為不同多糖促進大豆蛋白凝膠的作用原理。

表2 不同多糖促進大豆蛋白凝膠的作用原理

3.1.4 蛋白

單獨的大豆蛋白凝膠性質較為單一,且具有一定的局限性,可將多種蛋白質復合從而拓寬大豆蛋白凝膠的使用范圍并增強其功能。楊娟等[39]在大豆蛋白溶液中添加質量比為4∶1的蛋清蛋白溶液,研究得出利用蛋清蛋白作為大豆蛋白熱致凝膠過程中游離巰基的供體,復合體系可形成更多二硫鍵,在提升硬度的同時,增加其持水性,使得蛋白凝膠具有良好的質構特性。

3.1.5 脂質

脂質在一定程度上也有助于大豆蛋白凝膠網絡的形成,適量的脂質會增加大豆蛋白的凝膠特性,而過多或過少的脂質添加量都會造成凝膠性質的減弱。NINGTYAS等[40]研究了不同脂肪及其濃度對GDL酸誘導SPI凝膠的影響。在所有的凝膠中,將無水乳脂添加至大豆蛋白時,凝膠G′最大,其次是棕櫚硬脂和大豆油。表明脂質作為填充劑會影響SPI凝膠的硬度和凝膠性能。李菊芳[41]將磷脂添加到大豆蛋白粉中制成凝膠,結果表明,磷脂的復合對凝膠硬度、內聚性、彈性均產生重要影響。當磷脂與蛋白以1∶100的比例復合后,大豆蛋白顆粒表面負電荷增加,顆粒間斥力增強,從而增強了蛋白質與水之間的作用,使得體系剪切變稀；而隨著復合磷脂量繼續增加,達到1∶1時,蛋白之間的相互作用最強,此時體系變為黏塑性。且大豆蛋白與磷脂的結合程度受組分蛋白7S和11S相對含量的影響,其中11S含硫氨基酸含量較高,與磷脂的結合能力高于7S,凝膠特性也較好。

3.2 化學改良

3.2.1 鹽

鹽對大豆蛋白的影響主要是通過改變體系的pH值和離子強度。NaCl會促使大豆蛋白更快地發生熱聚集和凝膠化[42]。增加離子強度相當于減少蛋白質的凈電荷密度,即降低pH值至等電點。研究表明在低Na+濃度(10～20 mmol/L)下,通過鹽析作用可以提高凝膠的硬度、保水性、熱穩定性和結晶度,而在較高Na+濃度(30～40 mmol/L)下,則會降低凝膠的硬度、持水力和熱穩定性[43]。

3.2.2 肽或蛋白水解物

肽或蛋白水解物可以改變蛋白質聚集性和凝膠特性[44],肽和蛋白質之間主要通過非共價相互作用實現特異性結合。WANG等[45]在加熱條件下,加入玉米蛋白水解液對SPI穩定乳液的結構進行改性,研究發現玉米蛋白水解液中的肽與SPI之間發生疏水作用,從而誘導SPI的熱聚集,當玉米蛋白水解肽與SPI質量比從0.3∶1逐漸增加至1.0∶1后,混合體系由流動狀態變為半固態。因此得出,通過加入玉米蛋白水解液可以調節SPI乳液的黏度、黏彈性和觸變性能。

3.2.3 糖基化

糖基化反應是一種通過美拉德反應形成的葡糖胺重排,被廣泛用來改善蛋白質功能特性。SPI與糖發生美拉德反應,會消耗SPI的氨基,同時引入羥基的糖鏈,改變其親水基團與疏水基團數目,從而改變其功能性質。潘男等[46]研究發現在適當的糖基化改性條件下,SPI凝膠質構特性呈現先升高后下降的趨勢,當SPI與葡萄糖質量比為1∶1時,70 ℃下反應6 h所得產物的硬度達到最大,是未改性SPI硬度的7.51倍,相同比例底物在70 ℃反應4 h所得產物的彈性最大,比天然SPI的彈性提高了8.16%。GAN等[47]利用酶改性使SPI發生美拉德反應,獲得的凝膠強度和黏彈性均得到了提高。

3.3 生物改良

3.3.1 酶

蛋白酶水解會破壞肽鍵,這可能導致蛋白質二級和三級結構發生變化,伴隨蛋白質的部分展開以及分子內疏水基團和部分氨基酸的暴露。因此,除了分子質量明顯降低外,酶處理會增加蛋白質疏水基團的可用性和可電離基團的數量[48],而這通常有利于聚集的相互作用的發生。根據酶解后蛋白質分子質量的范圍和酶解程度,可將蛋白酶解過程分為輕度酶解(約90%的多肽分子質量>5 000 Da)、中度酶解(約46%的多肽分子質量>5 000 Da)及深度酶解(90%的多肽分子質量<500 Da)3類。

其中,限制性酶解(輕度或中度酶解)與SPI凝膠性能密切相關,這主要因為凝膠的形成取決于蛋白分子間的相互作用,而過高的水解程度可能導致蛋白質之間的相互作用減小、水解物表面疏水性降低和/或水解肽之間電荷排斥力增加,降低酶解蛋白的凝膠能力；反之,適當的水解程度有利于肽鏈中反應位點的暴露,從而增加蛋白分子間相互作用的可能性。用菠蘿蛋白酶制備的大豆蛋白水解物具有良好的膠凝性能和良好的乳化活性[49]。研究發現漆酶也可在大豆蛋白及甜菜果膠之間形成共價共軛,在熱處理和漆酶催化作用下,可以制備出交聯、互穿的雙網絡凝膠。通過調整漆酶用量,可以優化雙網絡凝膠的形成條件[33]。

3.3.2 菌種發酵

近年來,研究人員還發現在發酵過程中乳酸菌能夠形成乳酸,可降低體系的pH值,從而促使蛋白質變性聚集形成凝膠。大豆乳清分離乳酸菌的發酵過程中,體系pH值隨時間的延長而降低,且發酵16 h的大豆乳清更適合作為大豆蛋白凝固劑[50]。YANG等[51]也發現嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌(1∶1)的混合菌株具有高凝結能力,其發酵過程中蛋白的聚集和結構變化顯著提高了大豆蛋白凝膠的硬度和保水能力。

4 結論與展望

綜上所述,天然大豆蛋白作為一種優質植物蛋白被廣泛用于食品加工,但由于其凝膠強度較差,極大地限制了其在凝膠類食品中的應用。近年來,基于大豆蛋白分子結構,通過物理、化學、生物等改良方法提升大豆蛋白凝膠特性的相關研究已取得了長足的進展,但仍或多或少的存在改性工藝相對復雜、效果有限或產品得率低等問題,相關的機制研究也有待進一步深入。另一方面,目前的改性手段大多停留在調整凝膠環境水化學特性和蛋白分子層面,而最新研究表明,不同品種的大豆,其蛋白亞基組成差異往往會對其加工和營養特性產生較大影響,如何針對不同品種特性從蛋白亞基水平進行凝膠性改良,使大豆產業實現類似小麥的“專種專用”,仍然需要大量的研究工作。在實際生產中,如殺菌等加工工藝往往也會對大豆蛋白凝膠特性產生較大影響,而目前絕大多數凝膠特性改良研究并未充分考量這些因素。此外,盡管凝膠性是大豆蛋白最為重要的特性之一,然而在食品加工中往往并不是單一依賴某一種特性,在改良凝膠性的同時,如何實現包括如起泡性、溶解性、乳化性等加工特性的平衡也是需要重點考慮的問題。因此,未來仍需進一步系統、深入地研究大豆蛋白凝膠性的相關機制和改良方法,為開發健康營養且具有優良感官品質的大豆蛋白食品提供理論基礎。