摘 要： 超声波因其能够使蛋白质结构发生物理改性, 已在大豆蛋白分子结构改性的实验中得到了应用。本文简单分析了大豆蛋白的成分及其功能特性, 并对超声技术处理对大豆蛋白性质的影响和该种作用在食品工业领域中的实践和实用前景进行相应的概述。
关键词： 超声波; 大豆蛋白; 蛋白质; 溶解性;
Abstract： Ultrasound has been applied in the experiment of modifying the molecular structure of soybean protein because it can physically modify the protein structure. In this paper, the composition and functional characteristics of soybean protein were briefly analyzed, and the effects of ultrasonic treatment on the properties of soybean protein and its practice and practical prospects in the field of food industry were correspondingly summarized.
Keyword： ultrasonic wave; soybean protein; protein; solubility;
引言
蛋白质是有机体必需的基本物质, 蛋白质分子的组合成为实现生命体功能的结构基础。大豆蛋白是一种营养含量较高的植物蛋白质, 其基因结构与人体中的大部分氨基酸具有相似之处, 因而在食品工业中有着广泛的应用。大豆和其他动物蛋白在化学成分上有着不同的比例。然而, 工业上对大豆蛋白的提取依然受限, 加之其中蛋白酶抑制因子的存在, 在相当的程度上降低了大豆蛋白的利用率。
目前, 在工业应用中, 能够使大豆蛋白发生性质改变的方法有物理方法、化学方法、酶法等。其中, 超声改性作为物理改性中的一种, 与化学改性相比, 其作用更为迅速、副产物更少, 因而较大程度上保存了原产品的营养和特性。文章主要通过分析超声技术对大豆蛋白分子结构的改性后所带来的影响, 以及该影响所带来的大豆蛋白利用率等方面的收益, 以改善和拓展其在现代加工工业中的应用。
1. 构成大豆蛋白的成分
根据大豆蛋白的物理状态可将其进行相应的分类。由于溶解性的不同, 有球蛋白、清蛋白两类;依据其功能作用, 则分类为贮藏蛋白、生物活性蛋白;根据溶液沉降系数的不同, 可分为2S、7S、11S和15S等, 在不同的组成成分里, 其中, 主要成分是7S和11S, 这两种蛋白质占全部大豆蛋白的70%以上。
(1) 大豆蛋白的主要功能特点
(1) 溶解度。蛋白质具有一定的溶解度, 而蛋白质的水溶性能否得到保持, 对其在实际生产中的应用有一定的影响。升温等一系列措施会造成蛋白质的溶解度下降, 而溶解度的下降会引发胶凝性等其他相关性质随之改变。如在制作蛋白饮料时, 对饮料的透明度要求较高, 且需要较低的粘度, pH值、离子强度等必须在实际可能的较大波动范围内保持稳定。如若采用浓缩状态或粉末状态的蛋白质, 则较溶液状态而言更易于储存, 对其相关理化性质的要求也相应会受到影响并发生改变。
(2) 水合性。蛋白质的溶解度、保水性、吸水性和膨润性均与其水合性有关。蛋白质与水分子之间的易分散性、易融合性, 使蛋白质在食品加工领域的应用中具有重要意义, 蛋白质在加热后依然能够保持水分含量, 对于部分食用蛋白制品来说至关重要。如果不能确保蛋白质的保水性, 则该部分蛋白质可能因为从周围物质中吸收所需水分, 而对周围的其他物质造成影响。
保水性, 即为经过离心后的蛋白质中所余留的水分多少 (程度) , 而所谓吸水性则是指在一定温度下, 不含水分的蛋白质达到吸水、失水平衡时含水量的多少 (程度) 。水分在蛋白质分子附近以多种形式存在, 较稳固的结合水排布在内侧, 结合水的周围为非冻结水, 其外部则是自由水。各种水分的含量能够在相当程度上影响蛋白质的水合性等一系列性质。
蛋白质在吸收水分后不溶于水的部分具有膨润性, 膨润性能够在保证蛋白质水含量的同时, 使蛋白制品具有特定的形态和粘度。通过调整蛋白质的粘度, 可以调整食品的物理性质, 分析蛋白质分子的相互反应, 可以推论其蛋白质结构或性质变化, 如碱性溶液处理过的大豆蛋白会发生部分变性, 如其粘度变大等。另外, 搅拌速度、蛋白溶液的浓度、环境温度、环境pH值等变化也会引起大豆蛋白水溶液的性质发生相应的改变。
(2) 大豆蛋白的改性内容方法
(1) 物理改性。物理改性是指通过热、电、磁、机械能等物理方式, 对蛋白质的高级结构产生影响, 使其分子间的聚集方式发生改变, 在一定条件下, 该种改性可实现其性质的定向变化。较高的温度可以使大豆蛋白发生改性。蛋白质在经过环境升温处理后, 由于其氨基酸组成的显露, 水、油之间产生容易区分的分界, 其胶凝性随之改变;高压处理能够破坏蛋白质分子间的共价键, 使蛋白质分子解聚、内部极性基团和疏水基团暴露, 从而引起其表面性质改变。
物理改性主要用于蛋白质的溶解度的增加和胶凝性的改善, 较之于化学改性等其他蛋白质改性方法而言, 具有性价比较高、副产物较少、处理所需时间较短及对产品性能影响较小等优点。
(2) 其他改性。化学改性是指蛋白质与化学试剂发生反应后, 引起部分肽键的断裂, 从而改变其结构;或引入亲水基团、亲油基团、二硫集团、负电荷极性基团等功能基团, 针对蛋白质各基团的不同化学性质, 有目的地通过化学反应将指定基团转化为其他存在形式, 从而改变蛋白质的功能特性。在食品工业的应用中, 大豆蛋白的改性方法包括酸碱化、酰化、脱酰胺、磷酸化、糖基化等。水溶液中的蛋白质分子显两性, 在其等电点, 分子具有最低的自由电荷, 易于分子互相聚集并形成沉淀, 此时水合程度达到最小。通过化学试剂的作用, 可相应改变蛋白质分子的结构, 从而对其溶解度等多项功能特性产生影响。
生物改性的主要方法是利用特异性酶的功能, 催化蛋白质发生部分水解, 使其分子内或分子间的基团数量增多, 由于这些具有特殊功能的基团的改变, 进而引发了蛋白质相关性质的改变。利用酶对蛋白质的改性, 即催化蛋白质发生一定程度的水解, 蛋白质性质改变的程度受到酶的用量、蛋白质浓度、反应时间等的影响。经过蛋白酶催化水解后的蛋白质, 形成了较易溶解的多肽单位, 从而提高其水溶性。利用水解酶对蛋白质的改性, 由于酶的特异性, 其反应不易产生大量副产物, 且可通过调节酶的用量和种类控制其水解产物。
2. 超声波介入对大豆蛋白功能产生的影响
超声波是指一种频率高于20KHz的声音。超声波在介质中传播时, 介质在不同频率和强度的超声波的效应下发生机械振动, 因而介质粒子的位移、速度、加速度以及其间的相互作用力会因超声波的频率、振幅改变而发生变化。超声波在传播过程中, 引起介质粒子加速度极大, 因而造成介质质点激烈而变化迅速的机械振动。以液体为传播介质时, 超声波能够引起介质的空化效应, 即液体分子在拉力和压力快速变化的作用下产生空穴。空化效应及其过程中所造成的短时间高压和局部高温效果可以粉碎、乳化、分散蛋白质及促进化学反应, 从而对介质粒子产生强烈的声化学效果。
(1) 超声波对大豆蛋白功能改性的主要影响
(1) 超声波对蛋白质提取率的影响。实验表明, 超声条件下的大豆蛋白提取率大幅提升。梁汉华等利用低频超声波处理大豆浆体及豆渣等, 实验结果表明超声波对于提升原材料中的大豆蛋白提取率有着明显效果。
朱建华等的研究表明, 超声处理能够使大豆蛋白发生先分离后聚合的过程, 主要通过影响大豆蛋白的7S组分, 使其发生可溶性聚合和显着的亚基降解, 而对11S组分的亚基影响则很弱。超声波对于大豆蛋白各组分的不同作用能够改变蛋白质的获得率。
(2) 超声波对蛋白质溶解度的影响。王小英等对超声处理对大豆蛋白溶解度的影响的研究结果表明, 超声波作用时间越长, 大豆蛋白的氮溶解指数越高。大量的实验基础表明, 超声波能够显着提高大豆蛋白的溶解度, 在超声处理下, 大豆蛋白的氮溶解指数能够提高数倍。此外, Jambrak等分别利用槽式超声波和探头式超声波两种不同方式处理大豆浓缩蛋白, 其结果表明, 探头式超声波对大豆蛋白溶解度的影响更大。
超声波作用引起大豆蛋白溶解度提高可能是其空化效应的产物。空化过程中所产生的接近真空或含有部分空气的空穴能够产生激烈的爆发力和冲击力, 形成分子间高速有效的反应, 使蛋白质空间结构部分舒展, 暴露较多的内部亲水基团, 从而得到溶解度的改善。另一种看法是, Tang等认为大豆分离蛋白在经过超声波处理后, 溶解过程中形成了以氢键和二硫键的作用来维持结构的可溶性聚合物, 这种可溶性聚合物的增加直接影响了蛋白质分子溶解度的改善。Wanlop等的研究表明, 经过超声处理后, 球状蛋白质分子的溶剂化能力发生了改变, 并导致蛋白质的可压缩性增强, 使其较原来更容易在溶剂中分散开来, 因而表现为溶解度的增强。
(3) 超声波对蛋白质粘度的影响。Lichuan的研究表明, 超声处理可促使蛋白质悬浊液的乳化以及蛋白质亚基的聚合等。通过对大豆蛋白聚合体的研究, 发现其经超声波作用后能够形成更多种类的聚合物, 如其7S组分聚合形成40-50S组分。生成的聚合物体积接近于空化效应中所形成的空穴体积, 较常规的蛋白聚合体而言更加稳定。其主要原因是, 超声处理使蛋白质更多的具有疏水特性的基团暴露, 促使蛋白质分子趋近液体与气体分隔的界面, 降低了其粘度和刚性, 从而使溶液的表面张力下降, 表面疏水性上升, 引起聚合体更加稳定的变化。
超声处理过程中, 空化过程中所产生的空穴增大了固体与液体接触的表面积, 大量的空穴气泡对蛋白颗粒周围施加较大的压强, 促使蛋白质结构伸展, 部分肽键断裂, 改变了蛋白质的流变学特性。超声过程中所产生的局部高温效果同样加剧了蛋白质分子的运动和相互之间的反应, 从而引起蛋白质表面粘度显着降低。超声处理中产生的空穴效应等降低了蛋白质分子间的作用力, 并在一定程度上使蛋白质内部不同的氨基酸基团暴露, 引起其结构和功能的改变。
(4) 超声波对蛋白质表面性质的影响。超声波改性的方法较大程度上提升了大豆蛋白的乳化性和表面活性。Hu Hao等的研究表明, 超声处理后的大豆分离蛋白电泳现象并无明显变化, 但其表面疏水基增加, 分子间作用力下降, 部分变性和蛋白的无序结构使其更好地吸附界面, 提升了蛋白质的乳化性。
3. 大豆蛋白的应用概况
超声波处理提高了大豆蛋白的提取率及对其改性的控制, 使其在食品工业中的更多领域得到应用。
依据食品加工所需的实际情况, 大豆或脱脂豆粕经过粉碎后, 可以分为颗粒不同的诸多种类。通常情况下, 没有经过酶灭活的全脂豆粉、脱脂豆粉在水溶液中, 其分散性能和水合能力都处于较高水平, 其氮溶解指数大于80%, 具有过氧化酶的活性。在烘焙食品的加工时, 可通过该方面的性质改变从而改良面团的质量, 如使其吸收油脂的能力下降等。
在加工处理脱脂豆粉的过程中, 产品的质量得到改良, 大豆中所含的大豆低聚糖 (“胀气因子”) 被分离出最终产品, 使得最终得到的蛋白质产品具有比原料明显提高的蛋白含量。蛋白产品的形状与处理方法有关。脱脂豆粉在热处理改性后, 进行水浸提处理, 能够得到溶解度较低的生成物;使用醇浸提法得到的制品虽然有较低的水溶性, 但可以保留蛋白质的部分功能特质, 如粘度、乳化性等;酸浸提法则与物料中的酸性物质发生中和, 增大了蛋白质在水中的溶解度。以上几种方式所得的最终产品均可被制成不同粒度, 且可被应用于组织化大豆蛋白的生产。
分离蛋白的蛋白含量通常在90%以上, 可以作为一种纯蛋白。碳水化合物等成分在脱脂豆粉原料的处理过程中被分离出去, 并且在过程中存在蛋白质的损失, 所以由原料生产出的分离蛋白实际占比较小。分离蛋白乳化性较强, 分散、胶凝、增稠等的作用较明显。分离蛋白在食品中多用于乳化和稳定原产品, 其可以增强产品对水的吸附能力, 有时可以代替乳蛋白使用。利用大豆分离蛋白加工得到的纤维蛋白, 可通过一系列后续处理使其成为对水、脂肪保留能力较高的食品蛋白。
4. 预期展望
由于超声波技术所引起的一系列效应对蛋白质物理改性有显着影响, 目前, 超声处理大豆蛋白改性技术已被广泛应用于工业生产中。经过超声波的处理, 蛋白质的溶解度、胶凝度、乳化性、起泡性等多项功能特性能够得以改变和改良。较之化学、生物等其他改性方法, 超声波物理改性的操作性、可行性更强, 对工业加工生产的适应性也更易, 其在食品工业中的生产应用已经有广泛回应。随着超声波技术和大豆蛋白改性处理的进一步发展, 改性蛋白的运用也将得到推广。
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