花生蛋白凝膠特性的研究進展

蔣雨珊，章紹兵

(河南工業(yè)大學 糧油食品學院，鄭州 450001)

我國是世界上最大的花生生產(chǎn)與加工國，擁有 8 000 余份花生品種資源、285個主栽品種。2017年我國花生種植面積達526萬hm2，年產(chǎn)量為2 362.5萬t[1]?；ㄉ手械牡鞍踪|含量一般為24%～36%，其中有90%的鹽溶性蛋白和10%的水溶性蛋白，鹽溶性蛋白中花生球蛋白(14S)、伴花生球蛋白Ⅰ(7.8S)和伴花生球蛋白Ⅱ(2S)之間的比例為73∶6∶21[2-3]?；ㄉ鞍资且环N營養(yǎng)價值較高的植物蛋白，其營養(yǎng)價值與動物蛋白相近且不含膽固醇，富含大量人體必需氨基酸、維生素和微量元素等，具有花生特有的清香氣味。花生蛋白在人類飲食中重要性的體現(xiàn)，不僅取決于其營養(yǎng)品質，還取決于其功能特性，花生蛋白的功能特性主要包括溶解性、持水性、黏度、膠凝性、乳化性、起泡性等[4]。

近年來花生蛋白的凝膠特性受到了廣泛的關注和研究。蛋白質凝膠化是通過蛋白質變性分子的聚集，從而形成一個連續(xù)、有序的網(wǎng)絡結構[5]。參與凝膠網(wǎng)絡形成的主要作用力有氫鍵、二硫鍵、疏水相互作用及靜電相互作用[6]。食品蛋白凝膠可大致分為熱凝膠和冷凝膠兩種：蛋白質的熱凝膠是將蛋白溶液經(jīng)高溫加熱后，再放置于低溫下冷卻形成的凝膠；蛋白質的冷凝膠是在低蛋白濃度下加熱蛋白溶液使得蛋白質變性聚集，在室溫下冷卻后添加凝固劑形成的凝膠[7-8]。本文對花生蛋白凝膠特性的主要影響因素、改性對花生蛋白凝膠特性的影響及花生蛋白凝膠在食品中的應用進行綜述，以期為花生蛋白凝膠特性的研究利用提供一定的參考。

1 花生蛋白凝膠特性的主要影響因素

1.1 蛋白質濃度及其組成

花生蛋白濃度是影響其凝膠形成的主要因素。馮治平等[9]認為凝膠形成時的花生分離蛋白濃度應控制在8%～24%，并且在pH為8、Ca2+濃度為0.5 mol/L時，在85℃下加熱30 min，15%花生分離蛋白形成的凝膠黏結性最大，網(wǎng)狀結構密實。Yu等[10]將不同濃度且pH為7.4的花生濃縮蛋白加熱后，發(fā)現(xiàn)當濃度為7.5%形成溶膠，10%變成軟凝膠，12.5%生成牢固的凝膠。Kella等[11]配制了不同濃度的花生球蛋白，當溶液的pH為3.6時，在90℃下加熱15 min形成一種熱可逆凝膠，研究得到該體系的最低凝膠點(蛋白質質量濃度)為7.25 g/100 mL，在該質量濃度以上均可形成良好的凝膠網(wǎng)絡。Wang[12]認為花生球蛋白、伴花生球蛋白濃度低于6%時，均不能形成凝膠。當?shù)鞍诐舛葹?%～18%時，花生球蛋白凝膠的硬度、膠凝性、持水性隨著濃度的增加而增大，彈性在蛋白濃度達14%后基本平穩(wěn)；伴花生球蛋白的凝膠硬度不斷增大，而彈性在蛋白濃度達12%后基本變化平穩(wěn)，膠凝性先上升后下降，蛋白濃度為16%時伴花生球蛋白的膠凝性最佳。王麗[13-14]等研究發(fā)現(xiàn)，花生蛋白凝膠的彈性、硬度、內聚力與凝膠性成正相關，其中又以凝膠硬度最為重要，凝膠性更好的花生品種含有的花生粗蛋白、半胱氨酸、精氨酸及伴花生球蛋白Ⅰ的含量也越高，且專用凝膠品種生產(chǎn)的花生蛋白粉的凝膠硬度是普通品種的4.1倍。劉巖等[15]實驗得到，伴花生球蛋白的彈性模量值約為花生球蛋白的5倍，表明伴花生球蛋白具有較強的凝膠形成能力，證明花生蛋白中伴球蛋白的含量越高，形成凝膠的能力越好。

1.2 pH及離子強度

李俠等[16]利用水劑法制得花生蛋白，在pH為3時花生蛋白凝膠具有最大的凝膠硬度、持水性和儲能模量；在中性和堿性范圍內，pH為8時花生蛋白凝膠的硬度、持水性和儲能模量最高。Zhu等[17]采用葡萄糖酸內酯對花生蛋白溶液進行酸處理，測定其動態(tài)流變特性，發(fā)現(xiàn)酸誘導的花生分離蛋白凝膠的形成時間至少為40 min?；ㄉ饕鞍捉M分與花生蛋白的情況有所不同，花生球蛋白在酸性條件(pH<3.8)下，蛋白質量濃度高于7.5 g/100 mL時形成一種具有熱穩(wěn)定性的凝膠[18]。杜寅[19]研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的花生球蛋白溶液，當pH低于6.0時花生球蛋白不能形成凝膠，當pH大于6.0時，花生球蛋白凝膠的彈性、硬度、膠凝性都在不斷增加，pH為8.0時彈性略微下降，而pH為7.0時內聚性和持水性最低。伴花生球蛋白在pH 3.0～11.0之間形成凝膠，彈性和持水性變化不大，當pH為5.0和8.0時硬度達到最大值，內聚力卻恰好相反。得出結論，伴花生球蛋白的凝膠持水性優(yōu)于花生球蛋白。

Schmidt等[20]發(fā)現(xiàn)Na+濃度為0.1、0.3、0.5 mol/L時，花生蛋白凝膠強度均比未添加Na+時要差，當Ca2+濃度為0、5、10 mmol/L時花生蛋白凝膠強度無變化，Ca2+濃度為30 mmol/L時破壞了花生蛋白的膠凝能力，蛋白質產(chǎn)生沉淀。鐘世榮等[21]采用14%花生分離蛋白，在90℃、pH 9.0時，分別加入不同濃度的Na+、Mg2+、Ca2+和Cu2+溶液，得出Ca2+濃度為0.06 mol/L時凝膠形成時間最短、硬度最大，Ca2+濃度為0.04 mol/L時凝膠透明度最高，Na+濃度為0.06 mol/L時凝膠持水性最好，加入Ca2+和Cu2+形成的凝膠膠粒較粗，加入Mg2+、Na+形成的膠粒較細。吳海文[22]認為在酸性條件下，加入低濃度鹽離子有利于蛋白形成強的凝膠，而在中性條件下，加入鹽離子不利于蛋白形成凝膠。

總的來說，pH改變蛋白質的帶電狀態(tài)，進而影響蛋白質分子間的靜電相互作用；無機鹽則通過靜電屏蔽和干擾疏水相互作用影響蛋白質分子間相互作用。

1.3 溫度和加熱時間

馮治平等[9]設定花生分離蛋白溶液的加熱溫度為85℃，加熱時間控制在45～60 min之間，13%和20%的花生分離蛋白都可形成凝膠?；ㄉ鞍诐舛仍礁呒訜釙r間越短，對于濃度較低的樣品加熱時間越長，凝膠形成性較好，膠粒較細。Kella等[23]采用15 g/100 mL的花生球蛋白溶液，在90℃下水浴加熱15 min，5℃冰水下冷卻24 h，可制得花生球蛋白凝膠。杜寅[19]在70～95℃下分別對花生球蛋白和伴花生球蛋白溶液加熱，花生球蛋白和伴花生球蛋白凝膠的硬度、彈性、膠凝性、持水性都隨溫度的升高而呈現(xiàn)上升趨勢。在95℃下對花生球蛋白溶液分別加熱10～60 min，在10～30 min內花生球蛋白凝膠凝膠硬度、彈性、膠凝性和持水性隨加熱時間延長而增強，且彈性和膠凝性在30 min時達到最大值；在90℃下對伴花生球蛋白溶液分別加熱10～60 min，隨著加熱時間的延長，伴花生球蛋白凝膠的硬度、彈性和持水性均增強，且在40 min時，其彈性、內聚性、膠凝性和持水性均為最高。

2 改性對花生蛋白凝膠特性的影響

蛋白質的改性就是改變蛋白質的分子結構，使其理化性質發(fā)生變化，從而達到加強或改善蛋白質功能性質的目的。目前，花生蛋白的改性方法主要有物理改性、化學改性和酶法改性等。

2.1 物理改性

物理改性是利用熱處理、高壓微射流均質處理、高壓處理、超聲波處理等手段來改變蛋白質的高級結構及分子間的聚集狀態(tài)，一般只對次級鍵產(chǎn)生影響，不會對蛋白質一級結構造成大的影響。

張健磊等[24]將花生蛋白在100℃下干熱處理3 d，改性后花生蛋白的凝膠硬度比改性前提高了22%，并且凝膠彈性也較好。干熱處理使花生蛋白的空間結構發(fā)生變化，導致巰基暴露，蛋白質分子內和分子間的疏水基團交聯(lián)形成二硫鍵。張春雪[25]對8%花生蛋白進行超高壓微射流均質處理，然后濃縮制成16%花生蛋白凝膠，在均質壓力為20～160 MPa內，隨著均質壓力的增加，凝膠強度先增加后減小再增加，在均質壓力為100 MPa時達到最大值。當均質壓力大于100 MPa時，由于均質作用較強，蛋白質的凝膠網(wǎng)絡結構被破壞、分子聚集成團狀結構，導致花生蛋白凝膠形成較為粗糙的網(wǎng)絡結構。因此，在適當?shù)臏囟群蛪毫ο?，花生蛋白凝膠能形成均勻、致密及孔洞較小的網(wǎng)絡結構。

He等[26]采用超高壓改性花生分離蛋白，在50～100 MPa范圍內，壓力的增加對凝膠彈性無較大影響，凝膠硬度不斷增加，在100 MPa時硬度最大且為未高壓處理時的1.5倍，在100～200 MPa范圍內，隨著壓力的增加，凝膠彈性和硬度都不斷減小。通過對花生分離蛋白的結構分析發(fā)現(xiàn)，高壓處理后由于花生分離蛋白分子的伸展導致了凝膠硬度的增加，使得花生分離蛋白結構疏松，暴露出更多的疏水性基團，提高了膠凝性能。Jiao等[27]研究高壓均質處理分別對殼聚糖、瓜爾膠、黃原膠與花生分離蛋白形成的混合體系流變特性的影響，結果表明，高壓均質處理使花生分離蛋白和多糖的分子鏈被破壞，分子鏈變短，延緩了混合體系的凝膠化。吳海文[22]使用超聲處理改善原始花生濃縮蛋白的速凝性質，超聲處理后蛋白的游離巰基含量增加、二硫鍵含量減少，疏水鍵、氫鍵和靜電作用成為蛋白質分子間主要的作用力，與未改性的花生濃縮蛋白相比，改性后蛋白更易形成凝膠。

2.2 化學改性

化學改性是通過加入化學試劑，使蛋白質部分肽鏈斷裂或引入功能基團，其結構、疏水基團和靜電荷發(fā)生改變，從而使其功能性質改變。

Kella等[23]在pH為3.6時，分別加入不同濃度的D-木糖、D-葡萄糖、D-蔗糖，發(fā)現(xiàn)糖降低了熱誘導的蛋白質-蛋白質相互作用，花生球蛋白在糖的存在下結構更加緊密、有序，且糖的作用效果為D-蔗糖>D-葡萄糖>D-木糖，花生球蛋白受到分子內部的疏水鍵和氫鍵的影響，導致其熱凝膠性減弱，降低了凝膠強度。邵俊花等[28]將β-巰基乙醇加入花生蛋白溶液中，阻斷了花生蛋白凝膠形成時二硫鍵的生成，增加了花生蛋白溶液的巰基基團的含量，使蛋白質形成凝膠速率和總體黏彈性降低。趙雪淞等[29]使用亞硫酸鹽對花生蛋白進行改性處理發(fā)現(xiàn)，花生濃縮蛋白的最低凝膠點從原始18%上升到10%，改性處理后的蛋白溶液中游離的巰基含量更高，凝膠形成的時間更短。

2.3 酶法改性

酶法改性是在適宜的酶解體系下，通過改變蛋白質的結構等生物技術方法，使其功能特性發(fā)生改變。酶法改性主要分為酶聚合改性和酶降解改性。

轉谷氨酰胺酶(TG酶)通過?；D移酶機制促進蛋白質的交聯(lián)反應。吳海文等[30]用TG酶對花生濃縮蛋白進行交聯(lián)改性實驗，發(fā)現(xiàn)蛋白凝膠硬度和彈性分別與底物質量濃度、pH、酶用量成正相關。熊柳等[31]以凝膠硬度為指標，利用TG酶交聯(lián)改性花生分離蛋白，使用響應面實驗優(yōu)化實驗條件，發(fā)現(xiàn)花生分離蛋白在改性后凝膠硬度有顯著的提高。蘆鑫等[32]以改性蛋白質產(chǎn)率和持水能力作為評價指標，采用響應面分析優(yōu)化花生蛋白質改性的條件，發(fā)現(xiàn)使用TG酶改性后花生蛋白凝膠硬度是未改性的3.94倍。封小龍[33]研究發(fā)現(xiàn)TG酶交聯(lián)花生蛋白組分時，花生球蛋白的酸性亞基易發(fā)生交聯(lián)反應，而堿性亞基不易受TG酶的影響，且伴花生球蛋白比花生球蛋白更易在TG酶的催化下發(fā)生分子內、分子間共價交聯(lián)，TG酶交聯(lián)反應改善了花生蛋白組分的凝膠性。

堿性蛋白酶處理使花生蛋白分子結構展開、內部的疏水基團暴露，花生蛋白分子間疏水相互作用增強，促進了花生蛋白凝膠網(wǎng)絡的形成。張俊婷[34]利用堿性蛋白酶對花生蛋白溶液酶解30 min，能夠使花生蛋白溶液在50～70℃的條件下形成凝膠，并且隨著溫度的升高，凝膠形成時間逐漸縮短，而未經(jīng)酶處理的花生蛋白溶液在70℃以下無法形成凝膠。Zhao等[35]采用堿性蛋白酶對花生分離蛋白進行酶解，結果表明，花生蛋白組分對堿性蛋白酶水解的敏感程度為花生球蛋白酸性亞基>伴花生球蛋白亞基>花生球蛋白堿性亞基，堿性蛋白酶酶解提高了花生球蛋白的熱穩(wěn)定性，酶改性后的花生分離蛋白與未改性相比，二硫鍵急劇增加，游離巰基大量減少，極大地促進了凝膠的形成。

3 花生蛋白和其他來源蛋白的混合凝膠特性研究

Schmidt等[20]將花生粉和乳清蛋白混合，在總蛋白濃度10%，100℃下加熱15 min形成熱致凝膠。發(fā)現(xiàn)當花生蛋白的比例為12.5%時，混合體系形成的凝膠較好；當花生蛋白的比例為25%或更高時，凝膠強度較低；當花生蛋白的比例在50%以上，只形成較弱的凝膠。楊慶利等[36]制備花生蛋白粉、大豆蛋白粉和海藻酸鈉的比例為40∶9∶1的混合凝膠，調節(jié)該混合體系的pH為6.0～7.0，將上述溶液在98℃下保溫50 min，得到合適的花生凝膠彈性和硬度。Gharst[37]在質量分數(shù)20%、pH為8.0的花生粉溶液中分別加入1.0%、2.5%和5.0%的酪蛋白，經(jīng)TG酶處理后，觀察到花生粉與酪蛋白分散體系中有聚合物形成，并且隨著酪蛋白含量的增加，聚合物的形成更加迅速。所有經(jīng)TG酶后處理的花生粉與酪蛋白分散體系的凝膠化溫度均升高，且經(jīng)酶處理樣品的黏度變小、持水性增加，酪蛋白被證明是與花生粉有效的共底物。總的來說，這些數(shù)據(jù)表明花生粉與酪蛋白聚合物在高蛋白花生類食品中具有潛在用途。

4 花生蛋白凝膠性在食品中的應用

花生蛋白凝膠的制作工藝多種多樣，不同工藝生產(chǎn)的凝膠產(chǎn)品也具有不同的特點和食品加工中的應用范圍。崔旭海等[38]發(fā)現(xiàn)不同添加量的花生分離蛋白均能有效地改善魚糜凝膠的彈性模量、黏性模量、凝膠強度及持水性，當添加量為8%時，魚糜的凝膠強度達到最大值，且對魚糜色澤的保持效果最好。Sun等[39]研究探討了花生分離蛋白對熱誘導凝膠化過程中雞肉鹽溶性蛋白功能特性的影響，花生分離蛋白的加入提高了混合凝膠的持水能力、凝膠強度和彈性，形成了更緊密的凝膠結構。封小龍[33]使用TG酶交聯(lián)花生球蛋白、伴花生球蛋白得到的凝膠產(chǎn)品應用于香腸中，使香腸獲得更好的口感和質地，具有良好的咀嚼性。

以花生為原料制作豆腐也是近年來研究的熱點，通常有鹽鹵豆腐、內酯豆腐、石膏豆腐3種類型。為改善花生豆腐凝膠質構，采用復合凝固劑成為一種新的趨勢。張瑞宇等[40]按不同比例配制乙酸鈣、高?；Y冷膠、低?；Y冷膠、卡拉膠和單甘酯，得到復合凝固劑可明顯改進花生蛋白的凝膠形成和凝膠性質，得到的花生豆腐具有優(yōu)異的感官品質和質構特性。Quoc等[41]以花生為原料，研究了影響軟花生豆腐制品結構的主要因素，發(fā)現(xiàn)加熱時間為4.5 min、CaSO4含量為2.75%、擠壓力為40 N時，得到軟花生豆腐的硬度最佳，為0.35 N。Guo等[42]建立了一種將TG酶與高溫高壓蒸煮結合制備花生豆腐的新方法，并研究其凝膠形成，發(fā)現(xiàn)添加0.75 mg/g的TG酶明顯改善了豆腐的質地，豆腐的網(wǎng)孔相對均勻、結構更加致密。

5 結束語

凝膠形成的能力是蛋白質的重要功能特性之一，花生蛋白的凝膠特性受蛋白質濃度及其組成、pH、離子強度、溫度和加熱時間等因素的影響，也與其本身的分子結構性質密切相關。對花生蛋白進行適當?shù)母男蕴幚砜梢燥@著改善其凝膠性能。目前，花生蛋白及其組分凝膠性質的研究雖有較多報道，但與大豆蛋白相比，對花生蛋白分子亞基水平熱聚集及膠凝機理等方面的研究還不夠深入。因此，為了進一步闡明花生蛋白凝膠性的分子結構基礎，有必要在以后的研究中通過合適的方法直接得到花生蛋白的不同亞基，或者通過育種方法獲得特定蛋白亞基缺失的花生品種，分析花生蛋白不同亞基分子結構與凝膠性的構性關系，為拓展花生蛋白在食品工業(yè)中的應用奠定良好的理論基礎。