超聲處理對大豆分離蛋白性質(zhì)影響研究*

劉靜雪，梁雪寒，田蘭英,2，李鳳林

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132101；2.吉林省釀造技術(shù)科技創(chuàng)新中心，吉林 吉林 132101；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家糖料加工技術(shù)研發(fā)分中心，吉林 吉林 132101）

大豆分離蛋白是一種蛋白質(zhì)含量能達(dá)到90%的高精制蛋白，制備方式主要為堿溶酸沉法。它含有氨基酸的種類約為20種，其中包含8種必需氨基酸，是動物蛋白的完美替代品。根據(jù)免疫學(xué)特性的不同，大豆分離蛋白的成分主要為大豆球蛋白、α-伴大豆球蛋白及β-伴大豆球蛋白等。根據(jù)離心分離系數(shù)的不同，大豆分離蛋白的主要組成部分為2S、7S、11S和15S。其中，7S和11S的組成成分為β-伴大豆球蛋白、大豆球蛋白，它們約占大豆分離蛋白質(zhì)量的80%左右[1]。根據(jù)功能性質(zhì)的不同，大豆分離蛋白主要分為水化作用、表面特性及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間的交互作用三種，具體表現(xiàn)為吸水性、溶解性、起泡性、乳化性、凝膠性等。

大豆分離蛋白具有良好的功能特性，不僅可以改善產(chǎn)品的口感和風(fēng)味，還可以提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。但天然蛋白質(zhì)的自然功能屬性不夠突出，在一定程度上限制了產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。因此，采用一定技術(shù)手段對蛋白質(zhì)進(jìn)行改性，以獲得具有較高功能特性的專用型蛋白產(chǎn)品具有重要意義。目前，蛋白質(zhì)改性技術(shù)主要有物理改性、化學(xué)改性、生物改性三種。其中，在物理改性中，超聲波作為新興的技術(shù)，具有操作簡單、方便安全、營養(yǎng)損失小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于蛋白質(zhì)改性中，可提高蛋白質(zhì)的加工性能[2]。本文對采用超聲改性處理后的大豆分離蛋白的溶解性、凝膠性、乳化性及持水性等功能性質(zhì)進(jìn)行綜述，為開發(fā)高性能、專一性強(qiáng)的蛋白產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

1 超聲波技術(shù)作用原理

超聲波技術(shù)通常是指頻率高于20 KHz的機(jī)械波，它是一種遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類聽覺范圍的聲波。超聲波具有高效率、低成本、低損耗、易操作等優(yōu)點(diǎn)，其一般分為低場強(qiáng)和高場強(qiáng)超聲波兩種，低場強(qiáng)超聲波的聲波范圍為100 KHz~1 MHz，具有對物料損傷低的特點(diǎn)，通常用于醫(yī)學(xué)無損檢測技術(shù)、超聲波顯微鏡等。高場強(qiáng)超聲波的聲波范圍為20~100 KHz，它能夠有效改變物料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于超聲波清洗及食品加工領(lǐng)域[3]。超聲波技術(shù)在應(yīng)用傳播過程中具有以下特點(diǎn)，①傳播時方向性好，這是由于超聲波的功率較高且波長較短，導(dǎo)致衍射發(fā)生率降低，從而輸出更高的能量并作用于物料；②穿透性強(qiáng)，與其它聲波相比，超聲波在傳播時，衰減程度低，穿透距離更長，穿透能力更好；③在作用于物料時，常會引起空化效應(yīng)及熱效應(yīng)等現(xiàn)象。

超聲波技術(shù)的作用對象不是物料分子，它是通過周圍環(huán)境物理作用產(chǎn)生的影響達(dá)到改變物料性質(zhì)的目的。超聲波作用產(chǎn)生的超聲波效果主要有空穴效應(yīng)、微流束效應(yīng)和熱效應(yīng)?？昭ㄐ?yīng)主要是指超聲波作用于介質(zhì)時，液體中的氣泡在其作用下發(fā)生波動、振蕩、收縮等一系列動力學(xué)過程，壓縮波和稀疏波循環(huán)往復(fù)形成周期性運(yùn)動，多次周期性運(yùn)動后，當(dāng)壓力超過臨界值時，空穴氣泡會發(fā)生瞬時破裂，產(chǎn)生高能量的剪切力，可使物料間的化學(xué)鍵斷裂，從而能加快各類反應(yīng)的進(jìn)行。微流束效應(yīng)產(chǎn)生的作用原理主要有兩種，一種是由于空穴效應(yīng)產(chǎn)生的氣泡不斷震動引起的微流束效應(yīng)，另一種是由于壓縮波和稀疏波周期性的往復(fù)運(yùn)動使氣泡持續(xù)進(jìn)入氣泡中，導(dǎo)致微流束效應(yīng)的發(fā)生[4]。熱效應(yīng)一般有瞬時熱效應(yīng)和連續(xù)熱效應(yīng)兩種，瞬時熱效應(yīng)是指空穴氣泡破裂時產(chǎn)生的高熱高能，連續(xù)熱效應(yīng)是指超聲波作用于物料時，會被傳播介質(zhì)吸收，一段時間后環(huán)境體系中積累了大量的熱量，進(jìn)而溫度持續(xù)上升。

目前，超聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)，尤其是蛋白質(zhì)改性技術(shù)方面，具有廣闊的發(fā)展前景和潛力。超聲波技術(shù)是一種物理改性方法，通過改變蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、空間分布等達(dá)到改變蛋白質(zhì)功能特性的目的，改善了功能特性的蛋白質(zhì)分子可用于專用型蛋白產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。

2 超聲波對大豆分離蛋白的影響

2.1 超聲波對大豆分離蛋白溶解性的影響

溶解性是指大豆分離蛋白中的肽鍵或側(cè)鏈基團(tuán)與水分子之間發(fā)生相互作用時大豆分離蛋白中可溶性蛋白的占比，一般蛋白的粒徑越小，其溶解度越大。影響溶解性的因素有pH、離子強(qiáng)度、疏水作用等。Morales等[5]發(fā)現(xiàn)在20 kHz、4.27 W的超聲處理條件下，大豆分離蛋白的粒徑有所減小。袁道強(qiáng)等[6]探究了采用超聲波技術(shù)和未采用超聲波技術(shù)對大豆分離蛋白溶解性的影響，研究發(fā)現(xiàn)在超聲功率200 W、超聲時間5 min條件下，大豆分離蛋白在酸性條件下的溶解性比未采用超聲處理的大豆分離蛋白提高86%。朱建華、李笑笑等[7-8]研究表明大豆分離蛋白的溶解性隨著超聲功率增加而增大，與未經(jīng)過超聲處理相比，經(jīng)過超聲處理的大豆分離蛋白的溶解性得到顯著的提高。劉國琴等[9]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲處理時間小于30 min時，大豆分離蛋白的溶解性變化較大，呈現(xiàn)升高的趨勢；當(dāng)超聲處理時間大于30 min時，大豆分離蛋白的溶解性變化不大，這可能是由于隨著超聲時間的增加，聲波產(chǎn)生的能量越來越弱，不能使物料分子破裂。阮雁春等[10]發(fā)現(xiàn)在超聲功率大于200 W時，大豆分離蛋白溶解性有明顯地增加。涂宗財、孫英杰等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)在超聲處理時間為60 min時，大豆分離蛋白的溶解性達(dá)到最大。

2.2 超聲波對大豆分離蛋白乳化性的影響

乳化性是指蛋白質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入水油界面形成穩(wěn)定均一乳化液的能力。大豆分離蛋白是具有親水和親油基團(tuán)的兩親結(jié)構(gòu)，其主要組成部分為7S的乳化能力比11S的乳化能力強(qiáng)。影響其乳化性的因素主要有溫度、離子強(qiáng)度。大豆分離蛋白的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，經(jīng)過超聲波等物理改性后，乳化性會顯著提高，作為乳化劑被廣泛地應(yīng)用于食品加工行業(yè)[13]。李揚(yáng)等[14]研究發(fā)現(xiàn)采用超聲處理后的大豆分離蛋白的乳化性隨著超聲功率的升高而增加，中強(qiáng)度的超聲功率對大豆分離蛋白乳化性的升高有顯著作用。田然等[15]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理后大豆分離蛋白的主要成分7S和11S球蛋白乳化性存在顯著上升趨勢。楊會麗[16]等研究發(fā)現(xiàn)在超聲功率為320 W、超聲時間為15min時，大豆分離蛋白的乳化性有顯著升高。朱建華等[7]研究表明在超聲功率為200 W，超聲時間為10min時，0.2%大豆分離蛋白的乳化值達(dá)到最高。包中宇、孫英杰等[12,17]研究表明隨著超聲功率和超聲時間的增加，大豆分離蛋白的乳化性逐漸增加，當(dāng)超聲功率達(dá)到600 W，超聲時間達(dá)到60 min時，大豆分離蛋白的乳化性能最強(qiáng)。這主要是因為在超聲波的作用下蛋白質(zhì)分子因空穴效應(yīng)而致分子結(jié)構(gòu)被破壞，變得疏松，使位于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露，疏水基團(tuán)增加，蛋白分子的乳化能力增強(qiáng)。

2.3 超聲波對大豆分離蛋白凝膠性的影響

凝膠性是指大豆分離蛋白形成膠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能，凝膠的形成需要一定的蛋白含量及適當(dāng)?shù)淖冃?。溫度、pH、鹽離子濃度、蛋白含量、蛋白濃度等都是影響凝膠形成的關(guān)鍵因素，其中蛋白濃度與凝膠的形成呈正相關(guān)，蛋白濃度越低，越不易形成凝膠。大豆分離蛋白中7S和11S分別影響著凝膠的黏彈性、硬度。凝膠性對食品的組織結(jié)構(gòu)和口感有重要作用[18]。在香腸等碎肉制品中加入大豆分離蛋白能夠利用其凝膠性賦予食品優(yōu)良的口感，Hu等[19]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理能夠促使鈣離子誘導(dǎo)的大豆分離蛋白具有更強(qiáng)的凝膠結(jié)構(gòu)和性能。Zhang等[20]研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度超聲波和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶作用大豆分離蛋白下形成的凝膠強(qiáng)度更大。Madadlou，Tang等[21-22]發(fā)現(xiàn)超聲處理可以顯著提高大豆分離蛋白的凝膠性能。涂宗財?shù)萚11]研究發(fā)現(xiàn)在超聲時間為60 min時，大豆分離蛋白在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作用下凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大，為146.57 g。這可能是由于超聲處理后蛋白的粒徑變小，表面積變大，從而導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度增加。張宏偉、劉冉等[23-24]研究發(fā)現(xiàn)中功率的超聲處理更有利于增加大豆分離蛋白的凝膠特性，400 W是大豆分離蛋白凝膠品質(zhì)達(dá)到最高的最佳功率條件。

2.4 超聲波對大豆分離蛋白持水性、持油性的影響

大豆分離蛋白的持水性是指一定濃度的蛋白水溶液經(jīng)過離心分離后剩余的水分含量。蛋白質(zhì)顆粒在復(fù)水后能夠充分膨脹，且具有一定的黏性，可形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使蛋白質(zhì)分子具有保持水分的能力。除了大豆分離蛋白本身結(jié)構(gòu)能影響持水性外，外界溫度、pH、離子強(qiáng)度等均會影響大豆分離蛋白的持水性。大豆分離蛋白的持水性已廣泛應(yīng)用于肉制品、面食等食品加工中，不僅能夠保持食品的感官特性，也能提高產(chǎn)品的得率。大豆分離蛋白的持油性是指蛋白質(zhì)分子吸收脂肪的能力。影響持油性的強(qiáng)弱主要有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、非共價鍵等因素，蛋白質(zhì)和脂類間的相互作用主要是依靠非極性鍵的作用。大豆分離蛋白的持油性主要應(yīng)用于肉制品加工中，不僅能促進(jìn)脂肪的吸收，也能促進(jìn)二者相互結(jié)合，在一定程度上減少肉制品在蒸煮過程中的損失。同時，大豆分離蛋白能有效的保持肉制品中的湯汁，對肉制品的形態(tài)、口感、風(fēng)味的保持有重要意義[25]。

涂宗財?shù)萚11]發(fā)現(xiàn)超聲處理后的大豆分離蛋白與未經(jīng)過超聲處理的相比，其持水性增加了3.66%。孫英杰等[12]采用不同超聲時間、超聲功率對大豆分離蛋白進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)在超聲功率為600 W、超聲時間為60 min的條件下，大豆分離蛋白的持油能力最強(qiáng)。此外，研究還表明經(jīng)過超聲處理的大豆分離蛋白的持水性有一定程度的降低，這主要是因為經(jīng)過超聲處理的蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，大量蛋白分子被溶解，保持水分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞。包中宇等[17]發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率的增加，大豆分離蛋白的持水力、持油力分別提高了27.43%和16.81%，這主要因為蛋白質(zhì)分子經(jīng)過超聲處理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加疏松，粒徑變小，使疏水基團(tuán)暴露出來，使蛋白質(zhì)分子能夠更好地吸附和結(jié)合脂類物質(zhì)，以致持水和持油能力逐漸增強(qiáng)。

2.5 超聲波對大豆分離蛋白起泡性的影響

起泡性主要是指大豆分離蛋白在攪拌過程中，蛋白質(zhì)分子會吸附在空氣和水的界面，形成一層粘彈性薄膜，將氣體包裹并聚集成泡沫。影響大豆分離蛋白的起泡性主要有蛋白質(zhì)濃度、pH、溫度等，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度較低時，其黏度低，易形成泡沫，但其穩(wěn)定性相對較差，反之，蛋白質(zhì)濃度高時，其不易形成泡沫，但泡沫穩(wěn)定性較高[26]。楊會麗、阮雁春等研究發(fā)現(xiàn)超聲功率在800 W時大豆分離蛋白的起泡性得到明顯地提高。這可能是由于經(jīng)過超聲處理的蛋白質(zhì)分子的相互作用力得到增強(qiáng)，加快了空氣和水界面形成，進(jìn)而增大了大豆分離蛋白的起泡性[10,16]。趙飛等[27]研究發(fā)現(xiàn)在超聲功率600 W、超聲時間30min時，大豆分離蛋白發(fā)泡性能達(dá)到最大。包中宇等[17]研究表明超聲波能顯著提高大豆分離蛋白的起泡性，當(dāng)在超聲功率為400 W、超聲時間為60 min時，大豆分離蛋白的泡沫穩(wěn)定性最好。劉國琴等[9]研究發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白的起泡性隨著超聲時間的增加而增大，這是因為超聲波的空穴效應(yīng)使蛋白質(zhì)分子中基團(tuán)暴露出來，降低了水的界面張力，使蛋白質(zhì)分子快速吸附在界面上，從而提高了大豆分離蛋白起泡性。

3 結(jié)語

大豆分離蛋白具有營養(yǎng)價值高、資源豐富、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，在食品工業(yè)中，因其具有較為豐富的功能特性而倍受關(guān)注，并用于開發(fā)專用型的大豆蛋白產(chǎn)品。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因大豆分離蛋白的本身結(jié)構(gòu)特性及加工因素的影響，限制了大豆分離蛋白產(chǎn)品更好的發(fā)揮其功能特性。因此，大豆分離蛋白功能性質(zhì)的改性成為蛋白產(chǎn)品開發(fā)的必然趨勢。超聲波技術(shù)是一種綠色的物理改性技術(shù)，它利用空穴效應(yīng)、微流束效應(yīng)、熱效應(yīng)等作用來改變大豆分離蛋白的組織結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而改變其功能性質(zhì)，從而更好地應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域中。通過超聲技術(shù)對大豆分離蛋白進(jìn)行改性，能夠明顯提高大豆分離蛋白的溶解性、乳化性、凝膠性及起泡性等，改善了大豆分離蛋白的功能性質(zhì)，拓展其在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。研究超聲處理對大豆分離蛋白性質(zhì)的影響，為大豆分離蛋白功能性質(zhì)的改性及專用型的大豆蛋白產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用提供理論參考，有利于大豆蛋白產(chǎn)品的精深開發(fā)。