大豆分离蛋白凝胶稳定性的研究进展

朱晓烨，迟玉杰，许 岩，刘红玉*

(东北农业大学食品学院，教育部大豆生物学重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030)

大豆分离蛋白凝胶稳定性的研究进展

朱晓烨，迟玉杰，许 岩，刘红玉*

(东北农业大学食品学院，教育部大豆生物学重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030)

大豆分离蛋白因其蛋白质含量高，具有凝胶性等多种功能特性，在食品工业中得到广泛应用。但大豆分离蛋白在贮藏过程中，其凝胶的稳定性往往下降，严重地影响了产品的质量。国内外研究发现，在贮藏过程中蛋白组成成分、蛋白浓度、温度、pH值和离子强度等的变化对凝胶形成具有一定影响，通过各种改性方法可以提高大豆蛋白的凝胶稳定性。

大豆分离蛋白；凝胶稳定性；改性

Abstract：Soy protein isolate is widely applied in food industry due to its high protein content and functional properties,especially for gel properties. However, the gel stability of soy protein isolate usually exhibits a decrease during storage, which reduces the quality of gel products. According to the research progress at home and abroad, protein compositions, protein concentration, temperature, pH and ionic strength affect the formation of soy protein gel during storage. Many modification methods for improving gel stability of soy protein isolate are also discussed in this paper.

Key words：soy protein isolate；gel stability；modification

大豆分离蛋白由于具有多种功能特性，如凝胶性、乳化性、起泡性、持水性、持油性和黏弹性等，被广泛应用于肉制品、乳制品、面制品、儿童食品、方便食品和冷冻食品中，用来改善食品的品质，提高产品质量。

凝胶性是大豆分离蛋白最主要的功能特性之一。球蛋白形成的热致凝胶网络能同时束缚水、脂类、风味物质、色素和其他成分，并使它们在分散相中保持稳定[1]，所以凝胶的稳定性对于食品加工有重要作用。目前，凝胶型大豆分离蛋白主要应用于肉制品中，消费量较大，但在贮藏一段时间后，凝胶性会发生下降，凝胶硬度明显降低，即凝胶稳定性变差，这严重影响了企业的效益，同时造成大量浪费。目前，凝胶稳定性是困扰大豆分离蛋白企业的难题，因此，提高蛋白凝胶稳定性已成为当务之急。因此，本文综述了国内外对大豆分离蛋白凝胶稳定性研究的进展，为深入研究大豆分离蛋白的分子结构与其凝胶稳定性之间的关系提供参考。

1 凝胶的形成

根据大豆蛋白的沉降特性，可分为4种主要组分：2S、7S、11S 和15S，它们分别占15%、34%、41.9%和9.1%[2]。其中最重要的是7Sβ-伴球蛋白(β-conglycinin)和11S大豆球蛋白(glycinin)。β-伴球蛋白是一个三聚体糖蛋白，包括α′、α和β三个亚基，分子质量在150～200kD之间。大豆球蛋白是分子质量在300～360kD之间的六聚体，分为酸性亚基A1a、A1b、A2、A3、A4、A5和碱性亚基 B1a、B1b、B2、B3、B4等11个亚基，它们通过二硫键结合形成酸-碱配对的二聚体，分子中巯基含量比7S高[3-4]。

球蛋白热致凝胶的形成是一个涉及到多种反应的复杂过程。首先，蛋白质初步变性，导致黏度上升和结构变化，蛋白质分子肽链解开，暴露出相互作用位点，使去折叠的蛋白质分子相互作用聚集成凝胶网络，在这个过程中“预凝胶”(progel)形成[5]。随后由分子间的二硫键、氢键、疏水相互作用使解开的肽链间重新交联形成横截面是一个圆柱结构的规则胶束，这是一个不可逆的过程。形成的胶束主要有两种，Hermansson[6]把它们称为精致索状网络和粗糙网络。以精致索状网络结构为主的凝胶是透明的，蛋白质分子排列相对有序，由厚度为蛋白质分子几倍的胶束组成。粗糙网络形成的凝胶不透明，由直径范围在100～1000倍蛋白分子大小的微粒组成。

由于7S和11S的蛋白结构不同，它们形成的凝胶结构也不同。7S由于巯基和二硫键含量较低，形成的凝胶没有11S规则，而且发生的交联现象更多。有实验表明，11S凝胶胶束的横截面类似空心管，外直径12～15nm，放大40万倍的显微照片显示胶束由亚基呈螺旋状排列形成。而7S组分的凝胶质地更为致密，厚度在10～14nm之间[7]。事实上，除了蛋白成分的影响，蛋白的凝胶结构还受凝胶形成过程中外部条件的影响，包括pH值、加热温度、加热时间、存在的离子种类和强度等，通过控制这些条件可以控制凝胶的形成。

2 影响凝胶形成的因素

2.1 蛋白质浓度

蛋白质的浓度是大豆分离蛋白形成凝胶和使凝胶保持稳定的决定性因素之一。经热处理的蛋白溶液主要由聚集体、中间体和未聚集部分组成[8]。随着溶液浓度不断升高，聚集体的直径逐渐增大。蛋白质-蛋白质、蛋白质-溶剂(水)之间的相互作用以及相邻多肽链间的引力和斥力的平衡作用最终导致凝胶的形成。因此，具有较大体积和开放性结构的聚集体能为交联提供更多的相互作用位点，促进凝胶形成，增加凝胶强度。

王吰等[9]的实验表明，通常在pH值介于3～11的条件下，浓度低于10%或大于18%的大豆分离蛋白溶液不能形成凝胶。而由于7S中只有α′和α亚基中分别含有两个巯基，亚基本身只能通过静电作用和离子键连接，因此即使凝胶过程中蛋白分子伸展开也只能形成很少的二硫键。蛋白质在浓度较低的时候，蛋白质-溶剂的相互作用占主导，使体系不易形成凝胶。所以7S形成凝胶所需的蛋白质的浓度要比11S高许多。例如，在100℃，0.5mol/L的离子强度下，7S的凝胶浓度为7.5%，而11S仅需2.5%[10]。

2.2 贮存条件

贮藏期间的条件对大豆分离蛋白凝胶稳定性的影响是十分显著的。Liu等[11]发现大豆分离蛋白在20℃、相对湿度88%条件下贮藏3个月开始降解，6个月时有显著降解，8个月后几乎全部降解；贮藏5个月，蛋白的7S和11S组分开始明显下降。Martins等[12]用实验证明，高水分活度或高温下贮藏，蛋白质凝胶的硬度、凝聚力和微观结构均发生显著改变。在贮藏过程中，凝胶性下降的主要原因有两方面：首先，在贮藏过程中，具有凝胶特性的7S和11S在总蛋白中占有的比例下降会导致无法形成稳定凝胶。这是因为7S和11S蛋白中的巯基形成大量二硫键，使7S和11S结合。此外，加工过程中引入的其他成分以及加工条件的影响可能使7S和11S分解；另一方面，7S蛋白α亚基与11S蛋白的碱性肽有可能相互靠近，通过疏水相互作用交联，形成不溶性化合物，导致凝胶性的下降[13]。

所以，大豆分离蛋白在贮藏过程中，不利的贮藏条件、蛋白质与非蛋白组分的相互作用和不利的加工条件会导致其发生聚集或分解反应，引起蛋白质的氮溶解指数下降，凝胶硬度下降等现象，最终导致产品的组织状态和咀嚼感等指标不能达到食品生产的要求。

2.3 凝胶温度

热处理能导致7S和11S的解离、变性和凝聚，蛋白质的胶凝反应是在肽链展开的基础上进行的。加热过程中蛋白质去折叠，允许胱氨酸残基之间形成分子间二硫键，因此凝胶的形成需要经过高于蛋白质变性温度的热转变，这是形成凝胶的多阶段过程中的必要步骤。所以加热温度是影响凝胶稳定性的因素之一。

Baint等[14]通过研究不同亚基缺失品种的大豆蛋白的热变性温度证明，7S比11S的变性温度低，约为75℃，而11S约为90℃，同时指出A3亚基的热变性对于凝胶的坚硬质地有重要作用。Lakemond等[15]利用红外光谱研究表明，蛋白质的变性和β-折叠的诱导与凝胶的形成是一致的，不过凝胶强度的最大增长并没有直接发生在蛋白变性以后，而是发生在冷却阶段，因此这种凝胶强度的加强还不能与二级结构的变化联系起来。而且若对大豆分离蛋白进行预加热处理，当处理温度高于蛋白变性温度时，反而会降低凝胶的形成和凝胶性质。这说明变性后的聚集阶段十分重要，强烈影响成胶的效果。

2.4 pH值和离子强度

国内外研究证明，对大豆分离蛋白的凝胶结构产生影响的作用力包括二硫键、氢键、疏水相互作用、范德华力等。改变pH值和离子强度能改变蛋白质功能基团的电离作用和双电层厚度，从而影响蛋白质之间的相互作用。例如，11S在pH7.6和高离子强度(0.5mol/L)下以六聚体的形式存在，但在pH3.8或者低离子强度(0.03mol/L)的时候会解离成三聚体甚至单体[16]。11S在85℃时即形成凝胶，但是在NaCl溶液中，在95℃时才能使四级结构解离，亚基形成螺旋状的缔合，进而形成在蒸馏水中可以形成的那种规则结构[17]。在这个过程中，酸性亚基和碱性亚基很可能完全分离，因为形成的是两种不同的胶束和更加规则的结构。而盐对7S形成凝胶影响不大，添加盐只是会使网络结构更加致密。根据Lu等[18]提出的理论，加入中性盐更容易使蛋白质凝固是由于蛋白质溶液的pH值下降，接近了等电点。

Lakemond等[15]研究发现，在离子强度为0.03mol/L时，大豆分离蛋白凝胶为精致索状网络结构，并且无论在酸性(pH3.8)还是弱碱性(pH7.6)条件下都能形成。在pH值接近等电点时，或者随着离子强度的增加，凝胶逐渐变得粗糙，粗糙网络结构凝胶会越来越多。Hermansson[19]的研究发现，蛋白在pH5时抵抗变性的能力更强，在极端pH值(2～3、10)的条件下，无论是否有盐的存在，部分蛋白质的变性甚至发生在热处理之前，因此盐的存在稳定了四级结构，抑制了蛋白质变性。

3 改性对凝胶稳定性的影响

Clark等[20]指出，球蛋白的成胶能力和黏弹性很大程度上取决于反应和成键的类型，例如静电作用和疏水相互作用、氢键和共价键。因此很多人通过对蛋白质进行改性，控制成键类型来提高凝胶稳定性。

3.1 物理改性

物理改性是指利用热、电、磁、机械剪切等物理作用对大豆蛋白的功能特性加以改善，包括高压、超高压、超声波高压脉冲等方法。

Wang等[21]发现高压处理后，大豆分离蛋白的热致凝胶性能降低。Speroni等[22]认为这是由于高压处理抑制了加热过程中蛋白内部的疏水相互作用和冷却过程中氢键的形成。并且，他们发现若同时加入钙离子反而会提高凝胶的强度[23]。Li等[8]实验证明，一定程度的高压脉冲处理能增强大豆蛋白的功能性。它们认为主要原因是脉冲电场通过二硫键、疏水相互作用及静电相互作用影响了蛋白质的四级结构。Al-Ruqaie等[24]研究了干热条件下大豆分离蛋白的凝胶特性，发现变化趋势都是先上升后下降的。上升的原因可能是蛋白的空间构象发生了变化，蛋白质分子部分展开后暴露出了原本埋藏在内部的巯基；另一方面是随着干热时间的延长，蛋白质分子内或分子间的巯基交联形成了S－S，致使总的巯基数目下降，所以导致大豆分离蛋白凝胶强度的降低。

3.2 化学改性

化学改性的实质是通过改变蛋白质的结构、静电荷和疏水基来改善大豆蛋白的性质，包括酰基化、磷酸化、硫醇化、去酰化作用等。例如，田少君等[25]利用三氯氧磷对大豆分离蛋白进行磷酸化改性，发现改性后蛋白的凝胶性得到较大提高。郑梦等[26]通过添加0.3%的巯基乙醇增加了蛋白的疏水性，获得了质地坚硬、弹性较好的凝胶。王飞镝等[27]发现用EDTAD进行适当的酰化改性，可大大提高凝胶的吸水溶胀能力，而且该凝胶具有良好的pH值敏感性和形状记忆功能。

另外，添加一些巯基基团修饰物或美拉德反应交联剂，使蛋白解离或交联也可以改变大豆蛋白的凝胶性能。Gan等[28]就使大豆分离蛋白发生美拉德反应，同时利用酶改性，发现获得的凝胶强度和黏弹性都得到了提高。Molina Ortiz[29]通过添加κ-卡拉胶促进了凝胶的形成，降低了胶凝的温度。他们认为在低离子浓度下，由于κ-卡拉胶与7S之间的相互作用，使混合体系形成了新型的凝胶结构，使得体系在更低的温度下获得吸热峰。

3.3 酶改性

大豆蛋白经蛋白酶水解后，肽链变短，蛋白质总的极性和水化能力增强，溶解度上升，因此凝胶能力应当减弱。但自从1987年Katsumi[30]报道了某些蛋白酶适度水解可以促进大豆蛋白凝胶的形成之后，越来越多的利用蛋白酶改性提高大豆蛋白凝胶稳定性的实例被报道。目前，酶改性已经成为提高大豆分离蛋白凝胶稳定性的重要手段之一。

一般认为，蛋白质凝胶特性改变的原因是酶将蛋白质部分降解，疏水性氨基酸残基暴露出来，增加了分子内或分子间的交联或者连接了特殊的功能基团。而如果水解过度致使肽链过短就不能形成凝胶。Tang等[31]通过酶改性，改变7S/11S比例及适当的热处理制备出了硬度、脆度、黏度不同的蛋白凝胶。实际上，适量添加碱性蛋白酶、中性蛋白酶、复合蛋白酶等多种蛋白酶都可以加快大豆蛋白的凝胶速度。赵新淮等[33]用中性蛋白酶对大豆分离蛋白进行处理时，发现当水解度在1%时，凝胶性有所提高。

4 结 语

凝胶型大豆分离蛋白是消耗量最大的分离蛋白，其应用前景十分可观。而大豆蛋白凝胶是一个复杂的体系，除了多种成分和多种因素造成的影响外，生产加工后的贮藏条件也是影响凝胶稳定性的重要因素。目前，国内对大豆分离蛋白凝胶性的研究主要集中在改变加工条件对其功能特性的影响，对于深入揭示蛋白分子结构变化对功能性影响的机理鲜见报道。大豆蛋白凝胶稳定性的研究还有许多值得深入的地方，因此，希望本文能为这方面的研究提供一些新思路。

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Current Progress in Gel Stability of Soy Protein Isolate

ZHU Xiao-ye，CHI Yu-jie，XU Yan，LIU Hong-yu*
(Key Laboratory of Soy-Biology, Ministry of Education, College of Food, Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China)

TS214.2

A

1002-6630(2010)19-0422-04

2010-02-12

教育部大豆生物学省部共建教育部重点实验室开放基金项目(SB08C03)；东北农业大学科学研究基金项目

朱晓烨(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：zhuxiaoye_zxy@163.com

*通信作者：刘红玉(1970—)，女，副教授，博士，研究方向为大豆生物活性物质及大豆深加工。E-mail：liuhongyu70@sohu.com