大豆蛋白改性產物乳化特性研究進展及其應用

鄧伶俐 羅仕園 安建輝

(湖北民族大學生物科學與技術學院1，恩施 445000)(湖北民族大學生物資源保護與利用湖北省重點實驗室2，恩施 445000)(超輕彈性體材料綠色制造國家民委重點實驗室3，恩施 445000)

大豆蛋白的主要成分是球蛋白，其中7S(β-伴大豆球蛋白)和11S(大豆球蛋白)是大豆蛋白的主要成分，大約分別占蛋白總量的40%和30%。大豆球蛋白是由通過二硫鍵連接的A和B多肽組成的六聚體蛋白，6個[AB]亞基組成了一個六面體，尺寸大約11.0 nm×11.0 nm×7.5 nm[1]。β-伴大豆球蛋白是由非共價結合的亞基α’、α和β組成的同源三聚體(圖1)[2]。大豆蛋白作為一種天然的食品乳化劑已經被應用到食品領域各個方面。大豆蛋白具有相對柔性的結構，在乳液制備過程中，埋藏在球狀蛋白內部的疏水氨基酸暴露并吸附到油滴的表面，親水氨基酸朝向水相，在界面處形成致密的蛋白吸附層，作為防止聚結和絮凝的空間屏障[3]，從而穩定乳液[4]。研究表明11S組分具有相對較穩定的寡聚結構，因此其功能特性相比于7S組分較差，如溶解性和乳化性。Rivas等[5]發現在不同的pH和離子強度環境下，7S組分由于其較強的分子間和分子內相互作用能夠形成比11S組分更緊密的界面。11S組分具有較高的相對分子質量，較低的表面疏水性和分子靈活度，因此難以快速地吸附在界面上。

圖1 大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白結構

大豆蛋白的功能特性取決于其三維結構、親疏水性、表面電荷和溶解性等。大豆蛋白在水溶液中的溶解度有限，其等電點位于pH 5.0，是食品加工過程中常見的pH。大豆蛋白的球狀結構也不利于其在乳液形成的過程中快速展開其結構分布于油水界面上，因此許多研究以大豆蛋白為原料制備各種改性大豆蛋白，以獲得更加優良的乳化性能。大豆蛋白改性可以分為物理法，化學法和酶法[6]，本文首先介紹改性大豆蛋白乳化能力和乳化穩定性評價方法及影響因素，然后進行不同方式改性后的大豆蛋白產物乳化性能。

1 乳化能力與乳化穩定性

改性大豆蛋白的乳化能力是乳化體系研究的重點。通常采用乳化能力和乳化活性指數這兩個指標來表征乳化能力。乳化能力定義為一定蛋白濃度條件下穩定乳液能夠分散的最大的油相的含量。而乳化活性指數定義為單位蛋白能夠乳化的油相的量。乳液的不穩定性通常涉及上浮/沉降，聚結，絮凝，相轉化和奧斯特瓦爾德熟化。乳液上浮和沉降都是重力分離的表現。絮凝和聚結都是乳液液滴聚集的類型。相轉化是將O/W乳液轉化為W/O乳液或相反的過程。奧斯特瓦爾德熟化是由于液滴中化學勢的差異而以較小的液滴為代價的一種乳液液滴的生長。常用的用于表征乳液穩定性的指標有乳液穩定指數，其測定方式與乳化活性指數測定過程相同，通過間隔一定時間后乳液的濁度變化來進行計算[7]。通常也用乳析指數和絮凝指數來表征乳液的穩定性。食品工業中使用的乳化劑必須能夠在一系列不同的環境條件下起作用，如不同的pH，離子強度，溶液組成，溫度和機械力都可能會破壞乳液結構，因此測試乳液在脅迫環境下的穩定性也是十分有必要的。影響大豆蛋白質乳化特性的關鍵因素是蛋白質組成、結構、分子大小、表面疏水性、溶解度、柔韌性、環境因素(pH值和離子強度)等。蛋白分子在不同的環境條件下表現出一定的柔性，其柔性區間在界面處發生去折疊的過程，從而影響其乳化特性[8]。Cui等[9]研究發現大豆分離蛋白分子柔性與其乳化性相關。研究表明較低的分子尺寸、較高的表面疏水性、表面電荷、溶解性和分子柔性保證了良好的乳化性能[10]。

2 改性大豆蛋白乳化性能

2.1 物理法改性

2.1.1 熱處理

熱處理對蛋白的結構和功能特性會產生較大影響。研究表明對大豆蛋白進行熱處理會影響蛋白亞基結構間的相互作用，也可能會引起蛋白聚集從而形成凝膠結構[11]。加熱會使得蛋白的結構展開，暴露出其中的巰基和疏水基團，大豆球蛋白加熱后表現出更強的表面疏水性。大豆蛋白經過75 ℃處理后能夠更好的吸附在油水界面上，這可能是由于β-伴大豆球蛋白經過加熱后亞基解離出來更易于吸附到油水界面上。并且研究表明β-伴大豆球蛋白亞基的解離有利于產生可溶性復合物[12, 13]。但是將大豆蛋白在更高的溫度進行處理后(95 ℃加熱15 min)，大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白都發生了解離和變性，反而不利于其乳化性能的改善。

除了以上常見的非熱處理方式，近年其他一些非熱處理方式也被應用于大豆蛋白乳化能力的改善，如脈沖電場處理[19]，擠出過程[20]和輻照處理[21]等。Wang等[22]對大豆分離蛋白-麥芽糖美拉德反應產物進行輻照處理后發現，7.5 kGy輻照處理使其乳化活性和乳化穩定性均到達最高，而過高的輻照強度會導致蛋白變性和聚集，不利于乳化性能提升。該團隊還發現輻照有利于提升大豆分離蛋白-麥芽糖穩定乳液的凍融穩定性[21]。

超聲作為一種高能高效的非熱處理方式用于改善各種植物來源蛋白的功能特性[14]。超聲過程引起的空化效應，從而形成局部高溫或者高壓，從而引起蛋白的結構及功能特性發生變化[15]。研究表明超聲的過程能夠破壞蛋白的氫鍵和疏水相互作用以及一些共價鍵(如二硫鍵)，從而導致蛋白亞基的解聚。Ma等[15]發現超聲處理增加了大豆分離蛋白-柑橘果膠靜電復合物的Zeta電位，表面疏水性，并且降低了其顆粒直徑，熒光強度和濁度。超聲的空穴效應不僅引起了大分子結構的變化，對大豆分離蛋白和柑橘果膠的靜電相互作用也有增強，從而提升了乳化能力。Ren等[16]研究了水力空化和超聲空化對大豆分離蛋白功能特性的影響，發現水力空化和超聲空化均能夠降低顆粒直徑和粘度，增加蛋白表面疏水性。水力空化和超聲空化后的大豆分離蛋白的溶解性、乳化活性、乳化穩定性、起泡性均有顯著提升，但起泡穩定性有所降低。許多研究表明超聲能夠增加大豆蛋白的表面疏水性，空化效應能夠使蛋白質內部埋藏的疏水區域暴露于親水性環境，增加蛋白的表面疏水性，有利于提升其在乳液界面的柔性和吸附性能[14]。

高壓處理能夠引起蛋白質(尤其是球狀蛋白質)的結構變化，隨后導致其物理化學和功能性質的變化。Molina等[17]發現400 MPa高壓處理7S球蛋白表現出最高的乳化活性，而在200 MPa高壓處理11S球蛋白獲得最高的乳化活性。丁儉等[18]研究了超高壓(200～600 MPa)對大豆分離蛋白及其與多糖間的作用，發現超高壓處理改善了大豆蛋白柔性、二級構象，隨著壓力的增加，α-螺旋含量先升高后降低，β-折疊結構含量降低，β-轉角、無規卷曲結構含量先降低再升高；400 MPa時α-螺旋、β-折疊結構含量最高，大豆蛋白構象發生轉變，此時大豆蛋白有序構象的組成、柔性結構的展開，影響蛋白質整體構象的柔韌性，更易與可溶性多糖形成功能特性較好的復合物，增加乳液穩定性。

化學改性包括糖基化、酰化和磷酸化等方法，通過改變蛋白質的結構來改善其功能特性，反應簡單、效果明顯且應用廣泛。糖基化是將糖鏈以共價鍵的形式與蛋白質分子上的α或ε-氨基相連接而形成糖蛋白，通常稱為美拉德反應。此反應無需添加任何催化劑，僅加熱即可自發進行，分為干熱法和濕熱法。研究表明，糖基化后的大豆蛋白具有優良的乳化能力，且溶解性、凝膠性、熱穩定性和抗氧化性等均有不同程度的提高[27, 28]。蛋白與單糖或者多糖形成復合物后其分子質量增大，并且使得蛋白內部的一些疏水基團暴露出來，使得復合物更易于吸附到油水界面上，有利于提升乳液穩定性[29](圖2)。蛋白糖基化反應產物形成的乳液也有更高的溶解性和環境穩定性，例如在酸性條件和高離子強度條件下更穩定[30, 31]。近年來針對大豆蛋白進行糖基化法改性的研究及其乳化特性改善結論如表1。Li等[32]將大豆蛋白與葡萄糖進行濕法美拉德反應，其反應產物穩定的乳液液滴直徑隨著接枝度的增加而降低，并且使得蛋白β-轉角和無序結構比例增加，而α-螺旋和β-折疊比例降低。其他相關研究也表明美拉德反應能夠提升大豆蛋白溶解性，改變其二級結構，分子柔性增加。大豆蛋白美拉德反應產物乳化活性和乳化穩定性得以提升，乳液在脅迫環境(如冷凍、加熱)下的穩定性也顯著提升。

2.1.3 高壓處理

西部排洪工程的建成，使一干渠及北支退水渠過流能力達到15 m3/s，保證了淘金河洪水順利通過一干渠及北支退水渠，直接排入南云中河，有效緩解了忻州市西部城區的防洪壓力；東部排洪工程的建成，將城區東部七一路至云中路、光明街至梨花街區域11.6 km2的降雨匯水及經處理后的生活污水，沿改造后的忻定排洪渠及新建排洪箱涵順暢地排入南云中河，降低了東部城區的防洪壓力。2017年汛期經過數次強降雨的考驗，城區沒有出現內澇的局面。初步估算，該工程的年防洪效益可達4.3億元，所創造的社會效益巨大。

估價機構應積極轉變傳統觀念，強化數據建設和加快業務轉型。大數據離不開數據建設，數據建設耗時耗資，估價機構應根據自身情況，決定獨立建設數據庫還是加入現有數據聯盟，數據建設時應重點把握數據的全面性、真實性和及時性。在此基礎上，強化數據的分析研究，提高對數據的“加工能力”，實現數據的增值服務和業務的轉型，進而朝智慧評估與智慧管理方向發展。

2.1.2 超聲處理

2.2 酶法改性

SSM（Spring+SpringMVC+Mybatis），是目前較為主流的企業級架構方案。標準的MVC設計模式，將整個系統劃分為顯示層、Controller層、Service層、Dao層四層，使用SpringMVC負責請求的轉發和視圖管理，Spring實現業務對象管理, MyBatis作為數據對象持久化引擎。

2.3 化學法改性

這里分析市場風險e、購電商風險規避度λ、批發價格w、零售價格p、購電商成本cr對購電商最優購電量q*的影響。

表1 近年糖基化大豆蛋白乳液體系研究列表

圖2 大豆蛋白-多糖復合物及大豆蛋白水解物-多糖復合物穩定乳液示意圖

近年也出現許多將糖基化法與其他物理改性或酶法改性進行結合進一步改善糖基化大豆分離蛋白乳化性能的研究。Wang等[21, 22]通過輻照提升了大豆分離蛋白-麥芽糖復合物的乳化性能和乳液凍融穩定性，Cui等[9]通過超聲進一步提升了大豆分離蛋白-葡萄糖復合物的乳化性。Yu等[31]發現相比于大豆蛋白-葡聚糖復合物，酶水解大豆蛋白-葡聚糖復合物穩定的乳液具有更高的乳化穩定性和凍融穩定性。該團隊在后期研究發現水解大豆蛋白與葡聚糖質量比2∶3，大豆蛋白水解物濃度為40 g/L，美拉德反應在pH 8緩沖液中，85 ℃反應1 h后的產物所穩定的乳液凍融性最好[33]。

3 應用與展望

本研究中，ALDH2基因Glu487Lys分為G/G、G/A和A/A，其中，攜帶G/G野生型基因的入組者平均每次飲酒量（白酒）、平均每月飲酒量及累積飲酒量均高于G/A及A/A型，差異具有統計學意義（P＜0.05）。見表3。

3.1新型乳液制備

酶法改性由于其溫和性，易操作性，和副產物少的優點成為大豆蛋白乳化特性改善的常用方法，已有研究表明通過酶法改性能夠增加大豆蛋白的溶解性、乳化活性、乳化穩定性和起泡性等。酶解法可通過酶的水解作用使大豆分離蛋白的多肽鏈長短發生改變，致使大豆蛋白分子的三維結構變化，從而暴露出某些被掩埋的氨基酸殘基，使大豆蛋白的理化性質得以改變，最終達到改善其功能特性的目的，水解大豆蛋白也是食品工業中重要的食品原料[4]。水解度是水解過程中需要控制的關鍵因素，因為過度水解使肽鏈縮短后可能對其乳化特性是不利的，因此需要控制合適的水解程度來達到對大豆蛋白構象的精準調控[23]。Tsumura等[24]制備了水解β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白，發現在中性pH條件下未水解的大豆蛋白具有更好的乳化活性，但是在酸性pH條件下水解后的大豆蛋白具有更高的乳化活性，說明水解大豆蛋白更適用于酸性食品體系。Shen等[25]研究了3種不用的酶(風味蛋白酶、堿性蛋白酶和復合蛋白酶)對大豆分離蛋白不同程度的水解作用形成大豆蛋白納米粒子(SPNPs)的能力，發現風味蛋白酶不同水解程度均能夠形成SPNPs，而SPNPs 在乳液形成的過程中能夠快速吸附到油水界面表現出良好的乳化性能。除了通過蛋白酶降低大豆蛋白分子質量以外，也可以通過谷氨酰胺轉氨酶(TG酶)對蛋白進行一定程度的交聯，從而改善其功能特性。Zang等[26]研究了大豆分離蛋白和三種酶法改性(大豆蛋白+TG酶，大豆蛋白木瓜蛋白酶水解產物(SPIH)，SPIH+TG酶)的大豆蛋白的凍融穩定性，發現通過酶解，蛋白分子的運動性得以提升并且由于TG酶的交聯形成了乳液凝膠結構，說明大豆蛋白木瓜蛋白酶水解產物進行TG酶交聯后能夠作為食品體系良好的乳化劑。

基于乳液的分散相和連續相，食品中的乳液通常分為兩種傳統型乳液，即油包水乳液和水包油乳液。皮克林乳液是一種被有機或者無機顆粒所穩定的乳液，相比于常規乳液，皮克林乳液展現出更良好的穩定性和緩釋性能。大豆蛋白及其改性產物具有：1)原料豐富經濟；2)能夠以聚集體或者納米顆粒的形式存在；3)顆粒更易于形成穩定的皮克林乳液凝膠；4)具有乳化和營養雙重功效，相比于其他蛋白更適合于穩定皮克林乳液(圖3)。除此之外，熱變性大豆蛋白可用于制備乳液凝膠。Euston等[43]研究發現熱變性過程中大豆蛋白聚集的機制涉及連續相中乳液液滴表面吸附的蛋白質與非吸附熱變性蛋白質的相互作用。未被界面吸附的蛋白質起著“膠水”的作用，將乳液液滴聚集到在一起，這種復雜的膠體體系可以以乳液和凝膠的形式共同存在，具有作為油脂替代品和開發新型載運體系的潛力。

圖3 改性大豆蛋白皮克林乳液和乳液凝膠示意圖

3.2 油脂替代品

由于越來越多的消費者對低脂食品的青睞，現在許多脂肪替代品被用于肉制品、奶制品和冰淇淋中，可以減輕由于脂肪含量減少而引起的質地和感官缺陷。Dreher等以菜籽油為油相，大豆蛋白為乳化劑，加熱乳化后經過轉谷氨酰胺酶交聯得到動物油脂模擬產品[44, 45]。基于大豆蛋白的乳液凝膠結構被應用于雞肉腸[46]和博洛尼亞香腸中[47]。植物酸奶作為一種動物酸奶的替代品能夠迎合一些特殊人群的需求。大豆由于其原料易得，營養價值高，功能性好備受關注。但是植物酸奶的研發最大的挑戰在于模擬動物酸奶的質地和口感，防止相分離[48]。因此基于大豆蛋白制備的乳液凝膠體系可用于開發植物基酸奶，如大豆蛋白納米顆粒穩定的皮克林乳液凝膠[49]。

冰淇淋作為一種復雜的多相食品，由脂肪球、氣泡和分散在半冷凍溶液中的冰晶組成。冰淇淋中的乳液結構及其凍融性質對于冰淇淋的口感和儲存十分重要。大豆分離蛋白替代部分乳粉不僅能夠降低產品成本，提升營養價值，也有利于形成更小的冰晶，溫度穩定更高。已有研究表明水解大豆蛋白能夠有效的促進冰淇淋中脂肪的部分凝聚，降低其融化速率[50]。Chen等[51]研究發現熱凝聚的大豆分離蛋白納米顆粒穩定的皮克林乳液具有較高的凍融穩定性，可應用于冰淇淋性質的改善。鄭環宇等[52]利用超高壓均質改性大豆分離蛋白-磷脂復合物替代乳粉生產冰淇淋，融化率降低26.86%，膨脹率提高了94.84%，相比于傳統冰淇淋口感更綿軟。

3.3 生物活性物質載運

食品功能性成分的載運和釋放也是改性大豆蛋白應用具有前景的方向，尤其是作為脂溶性生物活性物質的載運和緩釋/靶向釋放系統。改性大豆分離蛋白所制備的常規乳液[42]、納米乳液[40]、皮克林乳液、乳液凝膠等被應用于載運典型的生物活性物質，如β-胡蘿卜素[53]。

隨著食品行業的發展，各種新型產品的研發，基于大豆蛋白及其改性產品的乳液體系研究將繼續呈現上升趨勢。通過各種改性手段也能夠得到乳化性能更好的食品原料。但是現有大多數研究還未應用到實際的食品體系，還需要更多的應用性探索來擴大大豆蛋白在食品體系中的應用領域。