大豆蛋白凝胶性的研究进展

大豆蛋白凝胶性的研究进展

适当的营养化剂聚集在蛋白质的规则结构上，形成一个称为凝胶的过程。凝胶的特征是有较高的黏度、可塑性、弹性和持水性。蛋白质的凝胶特性在食品中应用极为广泛,可通过网状结构吸附水分、风味物质等。大豆蛋白有较好的凝胶特性,添加到西式火腿、火腿肠等肉类制品中,可以使肉糜中的水分、脂肪、肌肉蛋白质、淀粉等形成一个稳定均匀的体系。蛋白质在加热形成凝胶过程中,使较多的水分包埋在蛋白质凝胶中,可以提高产品的持水性和肉制品的嫩度,改善制品切片性、风味等。蛋白质形成凝胶后,不仅是水的载体,而且是风味剂、糖及其他配合物的载体,因此对食品制造极为有利。1大豆蛋白凝胶化凝胶性是蛋白质形成交替立体网状结构的性能。大豆蛋白分散于水中形成溶胶体,这种溶胶体在一定条件下可转变为凝胶。溶胶是大豆蛋白分散在水中的分散体系,它具有流动性;凝胶则是水分散于蛋白质的分散体系,具有较高的黏度、可塑性和弹性,有固体的性质。大豆蛋白凝胶化是一个复杂的过程,一般包括蛋白质分子链的展开、分裂、结合及聚集等几个历程,蛋白质是通过充分伸展的肽键之间的相互交联而形成凝胶的。大豆蛋白在受热的情况下,球状的蛋白质分子开始伸展开来,原来包埋在卷曲的分子链内部的功能基团,如二硫基、疏水基团暴露出来,为减少体系的能量,相邻的分子通过二硫键、氢键、疏水作用、静电引力以及范德华力交联形成具有网络状三维空间结构,将水和其他成分包埋起来,形成凝胶。2大豆分离蛋白的测定方法大豆蛋白凝胶的形成受溶液的离子强度和溶液pH值的影响,为了使蛋白溶液处于一个相对稳定的环境,故将其溶于一定浓度的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲液中。用适当pH值的磷酸盐缓冲液配成适当浓度的大豆分离蛋白溶液,在一定温度的水浴中加热一定时间,取出后在流水中快速冷却,然后在4℃下静置。现在应用的测定方法主要有压力破裂法和流变仪测定法,后者是近几年才发展起来的一种测定凝胶的方法。它是模拟口腔的咀嚼运动,对样品进行2次压缩,给出力———时间曲线,通过计算机处理分析出质构特性参数,这些参数包括脆度、硬度、黏性、内聚性、弹性和胶凝性。3蛋白凝胶特性的研究在大豆蛋白中只有7S和11S组分才有凝胶性,而且11S组分凝胶的硬度、组织性高于7S组分。有关这些蛋白质分子的高级结构和物理化学特性(亚基的种类、分子量、等电点与空间排列模式)及蛋白质的凝胶特性已经有大量的报道。许多研究者尝试弄清大豆分离蛋白及其组分的凝胶形成作用力,并得出了不同的结论。Maria等研究了不同的阴离子对大豆分离蛋白凝胶流变性和凝胶行为的影响后认为,氢键和范德华力是凝胶形成的主要作用力,而疏水相互作用和静电相互作用的影响是可忽略的。Shigeru等则认为氢键和疏水相互作用是凝胶形成的主要作用力。3.1酸性和碱作用对11s蛋白质形成凝胶的影响pH值的改变会影响蛋白质分子的离子化作用和净电荷值,从而改变蛋白质分子的吸引力和排斥力以及蛋白质分子与水分子结合的能力,还影响凝胶形成和维持的作用力。有研究者用盐酸和磷酸盐缓冲液调节不同的pH值来研究其对11S的影响,结果表明,pH值﹤3时,11%11S球蛋白未形成凝胶,可能是在该酸性条件下,11S球蛋白在未加热之前即发生了部分解离,加热后的蛋白溶液表现为有絮状物存在的透明状,可能是加热使蛋白质发生了凝聚;蛋白溶液pH值在4.4~6.4范围为11S球蛋白等电点范围,它也无法形成凝胶,而是蛋白质颗粒的聚集,上层析出大量的水。试验同时发现,酸性条件下的凝胶和碱性条件下先形成的凝胶在外观和内部结构上有很大的不同。随着pH值的增加,凝胶体的外观逐渐变得透明、光滑。这是由于接近大豆分离蛋白等电点时,大豆分离蛋白分子的电荷降低,分子间的相互排斥作用下降,受热时蛋白质分子迅速聚集,随机聚合形成所谓的“粗凝胶”。这种凝胶硬度大、弹性差、表面粗糙、有明显的脱水收缩现象;当pH值向远离等电点pⅠ的碱性偏移时,大豆分离蛋白分子间的静电排斥增强,分子间的聚集变缓,聚集体间的聚合变得缓慢而有规则,从而形成规则有序的凝胶网络。凝胶的外观变得较透明,硬度降低,弹性增加。3.2尿素和丙二醇对凝胶硬度和硬度的影响氢键是影响大豆分离蛋白凝胶特性的主要作用力。氢键增强了凝胶的硬度和破裂强度,但降低了内聚性和弹性。削弱氢键作用导致凝胶硬度和破裂强度下降,但内聚性和弹性却增加。较高浓度的尿素导致凝胶不能形成,尤其在较高pH值的情况下更为明显。据报道,有研究分别用尿素和丙二醇来说明氢键对凝胶的影响。尿素是一种强烈的破坏高分子内和分子间氢键的物质,在生物化学上用作蛋白质的变性剂,其作用机理主要是与蛋白质分子的氨基酸残基形成氢键从而破坏蛋白质的二级结构。尿素浓度较低时,凝胶的硬度稍微增加。这是由于少量的尿素破坏了蛋白质的氢键,使蛋白质变性,利于凝胶的形成。随着尿素浓度的增加,凝胶的硬度急剧下降,这说明加高浓度的尿素破坏了分子间的氢键结合,导致凝胶的硬度下降。丙二醇的作用是降低水介质的偶电常数,从而有利于蛋白质间的氢键相互作用。试验表明,添加丙二醇显著增加了凝胶的硬度。这种作用也受pH值的强烈影响,较低pH值时,添加丙二醇显著增加了凝胶的硬度,但随着pH值的下降,增效作用也下降。这是因为在较高pH值时丙二醇也增强了静电排斥作用。3.3可溶性聚集体的网状结构的形成加热时间影响到能否形成成熟的、坚硬的凝胶,从下面的步骤图分析可知:较高浓度的11S球蛋白溶液受热形成可溶聚集体后,随着时间的延长,它将进一步聚集形成网状结构(步骤2),尽管网状结构的形成已在步骤2中完成,但对网状结构的稳定,如非共价键、二硫键的形成还有赖于后续加热(步骤3)。11S球蛋白→可溶聚集体→网状结构→成熟的凝胶有试验研究表明,随着加热时间的延长,凝胶的硬度、脆度、黏性增加,但30min后增加趋势减慢,这可能是30min的加热时间足以形成成熟的凝胶,此时网状结构已得到稳定。不同浓度的蛋白溶液,形成凝胶所需的最短时间不同,蛋白浓度越大,所需时间越短。3.4不同nacl对11s蛋白质凝胶硬度的影响向蛋白质水溶液中加入中性盐,可产生2种影响:一是盐离子与蛋白质分子中的极性和离子基团作用,降低蛋白质分子的活度系数,使其溶解度增加。在盐浓度较低时以这种情形为主,蛋白质表现为易于溶解,称为盐溶现象;二是盐离子也与水这种偶极分子作用,使水的活度系数降低,导致蛋白质水合程度降低,使蛋白质溶解度减少。在盐浓度较高时这种情况起决定作用,蛋白质会沉淀的现象称为盐析现象。蛋白质的凝胶过程是一个复杂的过程,同时中性盐对凝胶的影响也不仅仅是盐溶与盐析的影响,它受体系的pH值、温度、溶液浓度等其他因素的影响。理论研究表明,蛋白的热凝胶过程中,最初较高温度加热的首要作用是使蛋白结构展开成链状,暴露功能性基团,该状态下的蛋白称为前凝胶,前凝胶通过冷却和保温加强暴露的功能性基团间的相互作用,最终形成凝胶。在冷却过程中可能有展开蛋白的重新折叠,蛋白重新折叠的程度,要依溶液环境而定,如pH值、离子强度盐的类型。蛋白重新折叠的程度会影响到形成分子内交联的功能性基团的数目,因而影响到凝胶的特性。根据以上的理论研究,有试验得出,在较高的温度下加热,随NaCl浓度的增加,11S球蛋白凝胶的硬度先增大后减小,直到无法形成凝胶。其原因可能是:低浓度的NaCl环境下,11S球蛋白的变性温度低于加热温度,NaCl的添加使蛋白质的溶解性提高,进而加热过程中更利于蛋白结构的展开和功能性基团的暴露,同时由于NaCl较少,蛋白的重新折叠较弱。因此,此时的凝胶硬度较大;高浓度NaCl环境下,11S球蛋白的变性温度高于加热温度,尽管NaCl对蛋白有盐溶作用,但由于相对低的加热温度使蛋白结构的展开和功能性基团的暴露较少,再加上蛋白的重新折叠作用,最终导致凝胶硬度小或者无法形成凝胶。3.5蛋白质凝胶特性大豆分离蛋白主要由7S和11S蛋白组成,这2类蛋白质约占大豆分离蛋白的68%。在大豆蛋白中只有7S和11S组分才有凝胶性。7S蛋白是β-伴球蛋白和γ-伴球蛋白的混合物;11S蛋白属于单一球蛋白。7S球蛋白与11S球蛋白在亚基组成、氨基酸组成、分子量大小等方面均有较大差异,11S球蛋白中含硫氨基酸含量比7S球蛋白高,这2种球蛋白的凝胶特性是不同的。有试验研究了来源于不同地区的13个大豆品种,对不同大豆品种中蛋白质的亚基含量比例(7S/11S)进行了测定,得出品种差异对蛋白质亚基比例的变化影响较明显。同时将不同品种分离蛋白制成凝胶,采用流变仪测其硬度与弹性等物理特性,分别将2个物性指标与7S/11S比例进行了统计相关分析,得出7S/11S与硬度呈显著负相关,与弹性呈不显著负相关。进行电镜扫描观察证实7S/11S比值越小的品种,其制得的凝胶网络越细密。说明品种差异对大豆蛋白凝胶性的影响显著。4大豆分离蛋白新工艺及改性新技术的研究在生产过程中,影响大豆分离蛋白凝胶性的因素是多方面的。从原料到生产都存在影响大豆分离蛋白凝胶的因素。所以在大豆品种的选种、生产工艺、生产技术等方面都需要进行研究和改善。目前,我国大豆分离蛋白的生产工艺主要是传统的碱溶酸沉工艺,生产出的产品为7S和11S组分的混合物,该产品表现出的功能特点不突出,制约了大豆分离蛋白在食品加工中的应用。针对这些问