超聲處理對大豆蛋白結構及性質的影響研究進展

衣程遠，孫冰玉，劉琳琳，高遠，廉文濤，朱穎，朱秀清

(哈爾濱商業大學 食品工程學院，黑龍江省普通高校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江省谷物食品與綜合加工重點實驗室，哈爾濱 150076)

大豆蛋白提供相對平衡的氨基酸，由于其極高的生物安全性、優異的加工能力和低成本等優點，常以大豆蛋白為原料制作調味料和風味肽食品[1]。大豆蛋白結構緊密，分子柔性較低，與酪蛋白和乳清蛋白等乳蛋白相比，某些功能性質并不理想[2]。在現代食品加工過程中，對蛋白質的功能性質要求極高[3]，因此，包括物理、化學和生物修飾在內的許多技術已被用于改善大豆蛋白的功能性質來滿足生產的需要。以改性蛋白在食品中充當乳化劑或乳化穩定劑，可充當脂溶性活性物質的載體，防止油氧化，抑制精油蒸發等[4]，更好地服務于食品行業[5]。

近年來，超聲波技術的廣泛應用開拓了食品研究的新領域，涵蓋了食品研究開發中各個方面，如肉及肉制品加工、超聲滅菌及保鮮、超聲降解、超聲結晶、超聲波干燥、超聲提取、超聲波催熟陳化酒、超聲波破乳與分離等。超聲波改性技術是一種物理改性技術，由于其效果顯著、無毒無害、營養物質保留完整等優點被廣泛用于改善蛋白質的功能性質[6]。研究表明，超聲波技術能夠使蛋白質的非共價作用遭到破壞,肽鍵斷裂,分子量發生變化，引起蛋白質分子結構和聚集方式的改變[7]，蛋白質的功能性質也因此改變。超聲改性也可作為其他改性方式的預處理手段，超聲波能夠打開大豆蛋白致密的三級、四級結構，從而更容易受到其他改性方式的影響，達到更好的改性效果。

本文闡述了超聲波的作用機制及其對大豆蛋白結構和功能性的影響，介紹了超聲復合改性的應用，為研究大豆蛋白在超聲改性過程中結構變化機制提供了理論支撐。

1 超聲波概述

超聲波是頻率高于人類聽覺閾值(20 kHz)的機械波，它在液體中傳播時會產生交替變換的正負壓力，當形成的壓力超過液體分子間的吸引力時，液體中的氣體被抽離出液體形成空穴氣泡[8]。超聲波在短時間內產生的局部壓差使空穴氣泡快速壓縮和伸展最終破碎。在空穴氣泡破碎的瞬間，空穴周圍的液體沖進空穴，產生強烈的局部震蕩，產生空化效應。氣泡的破碎會產生湍流、微束流等機械效應，部分聲能可以作為熱量被介質吸收。此外，超聲過程中部分水分子分解成高活性自由基：H2O2→H+·OH[9]，生成的活性自由基可對糖汁脫色起到一定的強化作用[10]，也可進一步反應生成H2O2，從而氧化游離巰基并導致亞磺酸和磺酸的形成。超聲波的空化效應及其他效應見圖1。

2 大豆蛋白的組成與結構

大豆蛋白根據離心系數可分成4個組分——2S、7S、11S、15S，其中90%的蛋白以儲藏蛋白7S和11S的形式存在[12]。7S是由α、α′和β 3個亞基以疏水作用維持的三聚體。由于缺少半胱氨酸，α、β亞基間沒有二硫鍵存在。α和α′亞基的疏水性和等電點均低于β亞基[13]。11S是由6個亞基組成的疏水性六聚體，11S的亞基之間通過二硫鍵將帶羧基的酸性多肽和帶醇基的堿性多肽連接，其中堿性多肽表面有大量的疏水基團。6個由酸堿多肽組成的亞基堆疊在一起形成了環狀分布的11S球蛋白六聚體[14]。

超聲作用對大豆蛋白的不同組分影響不同，Zhao等[15]指出7S比11S更容易變性。7S球蛋白由3個亞基通過非共價鍵構成，易受環境影響而聚集和解離。11S球蛋白由酸性、堿性多肽構成兩個環狀六角形結構，酸性和堿性多肽交互排列使其結構穩定。11S球蛋白分子呈扁橢圓形狀，具有一定的剛性，因此超聲作用對其影響較弱。

3 超聲波對大豆蛋白結構的影響

超聲處理不改變蛋白的氨基酸序列，因而不改變其一級結構。蛋白質的二級結構與其特有的氫鍵形式密切相關。超聲過程中產生的空化效應、湍流效應等作用力使維持α-螺旋、β-轉角的氫鍵斷裂，各殘基間有了更大的空間，大豆蛋白分子去折疊化，變得相對線性化，分子柔性得到極大增強。Tang等[16]指出超聲破壞了由疏水相互作用、氫鍵維持的蛋白聚集體。超聲處理后大豆蛋白中β-折疊含量減少，無規則卷曲含量升高。無規則卷曲與疏水性呈正相關[17]。β結構是維持聚集體的重要成分，其含量代表著蛋白質分子間的疏水作用力，即超聲破壞了由疏水作用維持的蛋白聚集體，增大了蛋白分子的疏水性。Jambrak等[18]發現超聲波產生的空化效應和機械效應能夠使蛋白質分子內和分子間的二硫鍵發生斷裂，導致游離巰基增多，分子柔性增加。綜上所述，超聲處理減弱了大豆蛋白中各個殘基間的相互作用力，使原本緊密的結構打開，分子更加舒展，但同時也會使大豆蛋白中的無序結構增多。

4 超聲波對大豆蛋白功能性的影響

4.1 超聲波對大豆蛋白溶解性的影響

溶解性是蛋白質變性和聚集的量度，它可以影響其他功能特性，甚至是其他性質的前提。

Zhou等[19]發現超聲處理改善了大豆蛋白的溶解度。超聲波的空化效應會使氣泡周圍區域的溫度和壓力增加，導致大豆蛋白中小聚集體破裂，蛋白質分子顆粒尺寸減小，增大了蛋白分子與液體接觸的表面積，從而增加了蛋白質-水的相互作用。此外，Tang等發現超聲促使大豆蛋白中的堿性亞基從不溶性沉淀物轉化為可溶性聚集體。11S的堿性亞基有大量疏水基團，易自聚集形成不溶性沉淀，而7S則發生可溶性聚集。經過超聲處理后，不溶性沉淀物疏水基團暴露，其堿性亞基與7S的β亞基和其他亞基通過疏水作用結合，部分通過二硫鍵與α′亞基結合，堿性多肽通過靜電相互作用與β-伴球蛋白的亞基形成了可溶性復合物，抑制了蛋白分子的聚集沉淀[20]。7S亞基與不溶性聚集體的結合為11S帶來了大量親水基團，從而轉變成可溶性聚集體。隨著聚集過程的進行，當聚集尺寸超過溶劑的可溶解范圍時，再次誘導了沉淀的生成，降低了溶解度。可溶性聚集體的形成過程見圖2。

圖2 超聲處理促使不溶性聚集體向可溶性聚集體轉變的過程Fig.2 The process of transformation from insoluble aggregates to soluble aggregates by ultrasonic treatment

綜上所述，超聲處理增大了蛋白分子與水的相互作用，并抑制了11S自聚集成不溶性聚集體，提高了大豆蛋白的溶解性。

4.2 超聲波對大豆蛋白界面性質的影響

大豆蛋白的界面性質主要包括乳化作用和起泡特性。蛋白質的吸附動力學受分子尺寸和結構的影響，分子尺寸越小、柔性越大，越容易在界面上分散和重排。未經超聲處理的蛋白分子由于其折疊的結構以及較少的疏水基團，與油滴結合不充分形成凹凸起伏的界面膜；超聲后的大豆蛋白具有較高的蛋白吸附組分和較低的飽和表面負荷，其溶解性、表面疏水性及分子柔性均有所增加[21]，在油水界面快速擴散，充分與油滴結合形成剛性穩定致密的膜，界面性質得到提高。超聲對大豆蛋白界面性質的影響見圖3。

圖3 超聲對大豆蛋白界面性質的影響Fig.3 Effect of ultrasound on interface properties of soybean protein

朱秀清等[22]指出表面疏水性的增加有利于蛋白分子形成穩定和剛性的膜，在油滴界面具有更好的吸附能力；柔性好的蛋白可確保其多肽鏈骨架的舒展，乳化性和起泡性高。過度的超聲處理會使蛋白分子形成共價或非共價聚合物[23]，吸附速率減慢，從而使大豆蛋白界面性質降低。

綜上所述，超聲波使蛋白分子展開，柔性及疏水性增加，從而提高了大豆蛋白的界面性質，但過度的超聲處理也會導致蛋白分子的再次聚集而降低其界面性質。因此，在實際應用中要選擇適當的超聲波處理條件，控制好蛋白分子的分散與聚集，以獲得所需要的功能特性。

4.3 超聲波對大豆蛋白凝膠特性的影響

凝膠特性與蛋白質-蛋白質之間的相互作用有關。Tang等[24]發現超聲處理后的大豆蛋白疏水性殘基與游離巰基增多，促進了凝膠過程中二硫鍵的形成，形成的凝膠更加穩定、均一。在超聲過程中，由于空化效應和湍流效應等產生的機械力使大豆分離蛋白聚集體減少，更好地分散在溶液中，促進了分子間的相互作用[25]。β-折疊水合程度比α-螺旋更高，常存在于蛋白質的內部，超聲后隨著大豆蛋白結構的展開而暴露，平行或反平行排列的β折疊片之間的分子氫鍵可作為凝膠網絡的連接區。此外，超聲處理后球狀蛋白質的有效疏水性增加，游離巰基暴露于大豆分離蛋白分子的表面，在形成凝膠的過程中因超聲作用暴露的游離巰基轉化成二硫鍵，并且增加了氫鍵等非共價鍵的形成，而二硫鍵和氫鍵的形成促進了大豆蛋白的線性聚集[26]。超聲處理對大豆蛋白凝膠性的影響見圖4。

圖4 超聲對大豆蛋白凝膠性的影響Fig.4 Effect of ultrasound on gelation of soybean protein

綜上所述，超聲處理可引起大豆分離蛋白的解離與部分展開，表現為粒徑的減小，疏水性、游離巰基含量的增加，促進了蛋白質與蛋白質間的相互作用，在凝膠過程中會形成更多的疏水相互作用、氫鍵、二硫鍵等作用力，提高了蛋白質的凝膠性。

5 超聲復合改性的應用

大豆蛋白作為重要功能性成分被廣泛應用于食品工業中，為了滿足消費者日益增長的物質要求，大豆蛋白的改性加工手段尤為重要。然而單一的改性方式存在諸多不足，所以復合改性技術成為以后蛋白質改性的主要發展趨勢。

糖基化反應是指還原糖的羰基共價附著在蛋白質的游離氨基上。糖基化程度取決于蛋白質的空間結構，當二硫鍵被破壞，球蛋白的緊密結構被打開時，糖基化反應明顯增強。Mu等[27]證明超聲處理可促進大豆蛋白與阿拉伯膠的嫁接反應，提高改性效率。李素云等[28]發現超聲輔助糖基化反應比傳統濕熱法得到更高濃度的調味化合物。超聲預處理通過改變蛋白質的空間構象，增加了糖基化位點，提高了糖基化程度[29]。糖分子可以增加蛋白質分子之間的間距，削弱分子間的疏水作用，抑制聚集，提高了蛋白的功能特性。與糖基化改性相類似，大豆蛋白緊密的三級、四級結構使其抵抗酶解，超聲波的空化作用破壞了這種緊密的結構，暴露更多的酶解位點，提高了蛋白質的水解度。Chen等[30]指出超聲處理能夠明顯促使大豆蛋白中的亞基被木瓜蛋白酶水解。因此，通過超聲預處理復合改性，可以縮短反應時間，改性效果更好，是一種高效的蛋白質修飾方法。

6 展望

超聲作為一種綠色溫和的預處理方式已廣泛應用于食品行業，如簡化調味化合物的提取步驟并增加其功能性、提高蛋白乳化性、促進湯汁脫色等。超聲波技術可改變蛋白質的結構，從而改變蛋白質的功能特性，進一步提高大豆蛋白的功能性質。為了使超聲技術更好地服務于食品領域，需要進一步增強超聲改性的可控性，了解超聲參數(時間、強度和頻率)對蛋白質功能特性的影響程度；在生產中注意超聲的氧化效應，使其在改性中產生良性影響；規模化、連續化的超聲改性模式還需在生產中完善。隨著對超聲機制的進一步探索，相信超聲改性也將更大地提高蛋白質的營養價值。