挤压膨化对大豆蛋白的聚集与解聚行为结构与功能的影响研究进展

殷海成，赵红月，陈 莹，马源青，李岳燕

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001）

大豆含有约40%的蛋白质，其丰富的营养价值和优越的功能特性常被现代食品工业用来加工不同类型的食品，现已成为人们日常生活中重要的蛋白来源。但大豆蛋白溶解性低、易聚集，导致乳化性、持水性不足等功能缺陷。这些功能特性缺陷是基于其结构基础上蛋白性质决定的。因此，需要经过加工改变大豆蛋白质的结构以解除这些功能特性缺陷，进而获得优质的、具有理想功能的大豆蛋白。目前，采用较多的改变大豆蛋白结构与功能的方式方法主要包括理化改性、生物工程改性与酶改性等。例如，热处理大豆蛋白通过增加亚基聚合程度以阻止IgG与抗原决定簇反应降低致敏性，能钝化如蛋白酶抑制因子、植酸等一些抗营养因子[1]。酶解大豆11S 球蛋白发现其内部的氢键断裂，暴露其亲水基团，使其更易与水分子连接，限制了分子结构的展开，因而提高其热稳定性和质构特性[2]。

挤压膨化作为一种现代食品工业常用的蛋白改性技术，通过挤压机螺杆的推动作用，使蛋白在料筒中经受高温、高压和高剪切力的协同作用；当蛋白被送到出料口时，在温度与压力差剧烈变化下使蛋白质膨胀而形成疏松的多孔结构。挤压膨化不但改变了蛋白质的空间结构，而且影响其理化性质，同时达到提升蛋白的营养价值和改善其功能特性的目的，且具备短时、高效等优点[3-4]。大豆蛋白经挤压膨化处理其营养组分、功能特性也发生不同程度的改变。例如，挤压膨化的大豆蛋白发生聚集和解聚行为，使维系其结构的作用力改变、化学键发生断裂，进而失去天然结构，并影响其持水性、溶解性、起泡性、乳化性、凝胶性、黏弹性等；同时，造成糖的糊化和降解、脂质氧化及形成新的风味物质等[5-6]。为此，通过解析挤压膨化大豆蛋白聚集与解聚行为，探讨大豆蛋白分子结构和空间构象变化及其对功能特性的影响，以期为挤压膨化提升大豆蛋白营养价值、改善功能特性提供参考。

1 大豆蛋白的组成结构与功能特性

1.1 大豆蛋白的组成与结构

大豆蛋白主要为贮藏于子叶亚细胞结构的蛋白，称为大豆贮藏蛋白，约占其总蛋白含量的70%。大豆贮藏蛋白根据相对分子质量的沉降系数不同将其分为4 种不同类型的组分，即2S（25 kDa）、7S（180 kDa）、11S（350 kDa） 和15S（600 kDa）[7]。2S 组分包括2S 球蛋白、胰蛋白酶抑制剂、细胞色素c 尿酶素。7S 组分有Gly m Bd 28K、Gly m Bd 30K、凝集素、β - 淀粉酶、脂肪氧化酶和β - 伴大豆球蛋白[8]。11S 组分是大豆蛋白中最大的单体蛋白，即11S 球蛋白。15S 组分为多种蛋白质构成，约占大豆蛋白的4.6%。其中，7S 和11S 组分组分的组要构成是7S 球蛋白和11S 球蛋白，约占70%（7S 球蛋白约为30%和11S 球蛋白约为40%），二者共同决定大豆蛋白的功能特性[9-10]。大豆7S 球蛋白的相对分子质量为150～200 kDa，由碱性7S 球蛋白、β - 伴球蛋白和γ - 伴球蛋白组成。其中，β - 伴球蛋白约占70%，是由α'、α 和β 3 个亚基组成。大豆11S 球蛋白是由6 个酸性亚基（A（1～6）） 和6 个碱性亚基（B（1～6）） 通过非共价键连接而成的六聚体蛋白，其相对分子质量为300～380 kDa[11-12]。

蛋白质结构包括一级、二级、三级、四级结构，每一低级结构决定其更高一级的结构特点。一级结构是蛋白质的最基本结构，是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序，共价键（即肽键） 是一级结构主要的作用力；二级结构是指蛋白质多肽链有规则重复的构象，主要包括α - 螺旋、β - 折叠、β - 转角和无规则卷曲，氢键是维系二级结构的主要作用力；三级结构是在二级结构基础上进一步盘绕和折叠的三维空间排列，次级键和二硫键发挥主要作用；四级结构是蛋白质分子中相同的或者不同的亚基与亚基之间呈现的特定三维空间排布，非共价键（疏水作用、氢键、离子键） 是维系其四级结构的主要作用力[13-16]。大豆蛋白和其他蛋白一样，都具备四级结构。挤压膨化通过影响大豆蛋白的四级结构影响其功能特性。

1.2 大豆蛋白的功能特性

蛋白质功能特性除营养特性外，还包括溶解性、起泡性、乳化性、凝胶性、致敏性、黏性、弹性、持水性等。蛋白溶解性常用溶解度表示，即蛋白在水中的分散量，常以分散指数、氮溶解指数或水可溶性氮表示。通常二级结构中α - 螺旋与无规则卷曲含量与蛋白溶解度呈正相关，与β - 折叠含量呈负相关[17]。蛋白凝胶性是在受到环境因素影响时发生的变性，使蛋白分子间聚集形成的内部可以包水或其他物质的三维网状结构的现象[18]。蛋白凝胶性强弱与蛋白结构不稳定性、肽链的数量和其巯基含量及其性质相关。肽链数量多、凝胶性强，酸性肽链的凝胶性较碱性肽链的强。此外，蛋白分子的巯基、二硫键及二者交换反应对凝胶性形成具有重要的作用[19]。而起泡性是指蛋白在泡沫形成时，蛋白从体相迁移到泡沫的表面，通过分子间及分子内的相作而形成的一层稳定界面膜[20]。乳化性是蛋白的重要功能特性，是指油品和水形成乳状液的能力，包括乳化活性和乳化稳定性2 个方面。蛋白乳化能力与其疏水性和结构不稳定性密切相关[21]。抗原性指抗原蛋白与其所诱导产生的抗体或致敏淋巴细胞特异性结合的能力。例如，大豆蛋白中7S 球蛋白的溶解性较其他大豆蛋白高，但其分子内部的巯基和二硫键含量相对较少，而高活性的疏水性氨基酸含量相对较多，因此，大豆7S 球蛋白结构不稳定，但乳化性及乳化稳定性相远高于大豆球蛋白。大豆11S 球蛋白凝胶性较其他大豆蛋白高，但乳化性差，这归于其分子内部的二硫键和疏水作用共同维系的紧密β - 折叠结构，同时11S 球蛋白分子的碱性亚基含有大量的疏水基团使其容易发生聚集行为。

2 挤压膨化对大豆蛋白聚集与解聚行为 结构与功能的影响

2.1 挤压膨化对大豆蛋白聚集与解聚行为的影响

蛋白质的聚集与解聚行为是蛋白质受到加热、压力、剪切力等条件影响发生的聚集与解聚现象，也是蛋白的重要功能特性之一。挤压膨化大豆蛋白使大豆蛋白的结构发生不同程度的改变，直接影响其功能特性[22]。主要与蛋白分子在挤压膨化过程中的结构稳定性有关，同时也与温度、含水量、喂料速度、转速、原料组分等有直接关系。挤压膨化的高温、高压和高剪切作用使大豆蛋白的结构发生变化，导致其变性和发生聚集与解聚行为。其作用机制可能是：一方面，大豆蛋白在挤压膨化处理过程中，维系蛋白质结构的各种作用力会发生不同程度的破坏，使蛋白质的二级、三级及四级结构改变和蛋白质变性，促使其结构得以展开，从而暴露包埋于蛋白分子内部的疏水基团、并降低亲水基团[23]；另外，挤压膨化的高热作用会加速蛋白质分子运动，进一步增加疏水作用，以至超过亲水作用，从而增大蛋白质颗粒相互碰撞或有序的“自组装”反应（肽键缩合作用、转肽作用和肽段间的物理相互作用等），使大豆蛋白聚集[22]；另一方面，挤压膨化的高热和高剪切力作用使大豆蛋白分子进一步“展开”并降解或断裂成小的片段，在高压和减压作用下使初形成的小的片段再分解或解聚，生成更小的片段。相对较小的分子量肽段（分子量小于16 kDa） 会自发聚集。例如，在挤压膨化过程中，剪切力引起大豆蛋白天然结构展开，维系其空间构象的二硫键数量增加、巯基数量减少，促使大豆蛋白形成较大分子量的聚集体[24]。大豆蛋白在挤压膨化初期阶段，蛋白分子各亚基解聚，随着挤压温度升高或挤压时间的延长，解聚的亚基渐渐去折叠（β - 折叠数量降低），而去折叠的亚基会迅速聚集成聚集体。此外，大豆蛋白中大豆球蛋白和大豆伴球蛋白之间的相互作用对其聚集与解聚行为产生影响。例如，大豆球蛋白挤压膨化时会解离出碱性亚基，一方面解离的碱性亚基容易聚集；另一方面碱性亚基与大豆β - 伴球蛋白亚基之间通过强的静电作用（非共价键作用）或形成二硫键发生聚集形成聚集体。

2.2 挤压膨化对大豆蛋白结构与功能特性的影响

2.2.1 挤压膨化对大豆蛋白结构的影响

挤压膨化具有高温、高压和高剪切力的协同作用。蛋白质在受到挤压膨化时，维系其高级结构的作用力变弱，蛋白的球形结构转变为线性结构并失去其三维空间构象，使折叠状态得以伸展、各分子链发生重组，分子间的各种作用力（如氢键、二硫键等） 也发生改变或断裂，引起蛋白质变性、结构与功能特性改变。同样，大豆蛋白的挤压膨化其结构也发生显著变化。

挤压膨化大豆蛋白其微观结构变化表现在分子链展开、团聚、聚集和交联，并伴随肽链的断裂和降解以及氧化。同时，微观结构改变影响蛋白分子的相互作用力，进而影响各级结构的改变，蛋白变性，分子间重新聚集、交联和形成新的空间网络结构。挤压膨化大豆蛋白的一级结构不仅受到高温、高压和高剪切力协同作用，而且受含量水、螺杆转速等多种因素的影响[25]。因此，挤压膨化大豆蛋白肽键通常被破坏、蛋白裂解。也有学者认为，挤压膨化不影响大豆蛋白的水解度和氨基酸组成，说明挤压膨化不破坏大豆蛋白的肽键；同时，也有研究表明挤压膨化引起的大豆蛋白的聚集与解聚行为中主要是形成了二硫键，对其他共价键的影响较小，蛋白的一级结构不受影响。因此，挤压膨化对大豆蛋白肽键是否被破坏尚存争议。大豆蛋白的二级结构受挤压膨化影响较大，尤其是温度和剪切力。高温使大豆蛋白的二级结构相互转化，而剪切力和急速降压则破坏二级结构。例如，挤压膨化大豆蛋白二级结构的α - 螺旋和β - 折叠会转化为结构更为稳定的β - 转角和无规则卷曲。二级结构的转化离不开蛋白分子间的各种作用力的变化，如二硫键增加、疏水作用降低等。挤压膨化破坏大豆蛋白分子内二硫键、形成分子间二硫键，并引起巯基数量的增加，使大豆蛋白的三级结构改变[26]。另外，二硫键和巯基数量也受剪切强度的影响。挤压剪切使大豆蛋白暴露更多的巯基，在O2的作用下，巯基氧化成新的二硫键；挤压剪切也会切断大豆蛋白分子间的二硫键，从而使二硫键的数量降低，同时伴随蛋白分子链的降解。大豆蛋白四级结构在挤压膨化过程中首先被破坏，并随着挤压强度的增大，蛋白发生聚集、分子量增加，随着压力进一步加强，破坏其三级结构，使蛋白变性、聚集体解聚，大豆蛋白分子中的亚基也会降解成小分子亚基，甚至降解成不同分子量的氨基酸残基。总之，挤压膨化大豆蛋白的分子空间网络结构及维系结构的作用力发生改变、化学键断裂、蛋白变性，导致其功能特性改变。

2.2.2 挤压膨化对大豆蛋白功能特性的影响

由于挤压膨化的高热、高压和高剪切力的耦合作用，改变甚至破坏了大豆蛋白的结构和构象，其功能特性发生改变。溶解性是常用的评价蛋白质功能特性的重要指标之一，与蛋白的乳化性、起泡性、疏水性等有密切关系。蛋白质溶解性常用分散指数和氮溶解指数进行评价。挤压膨化温度与大豆蛋白溶解性在一定范围内呈负相关。这归于大豆蛋白受到挤压膨化的高热效应后，使其高级结构破坏，内部疏水基团外露，蛋白发生聚集；蛋白聚集体再经疏水作用和二硫键的连接使分子量增大，氮溶解指数下降，溶解性降低。例如，金征宇等人[2]采用湿法挤压膨化技术处理全脂大豆，发现蛋白的分散指数及氮溶解指数随温度升高而显著降低。挤压膨化的喂料速度、含水量、喂料速度等对大豆蛋白的溶解性也有直接的影响。魏益民等人[9]研究低温条件下挤压膨化的脱脂豆粕，得出氮溶解指数与含水量和喂料速度呈负相关，与挤压温度正相关，与螺杆转速无关。需要注意的是，挤压膨化温度在160 ℃或更高时，大豆蛋白的溶解性不降反增，是因为高热使已通过二硫键等化学键聚合的蛋白聚集体发生解聚，溶解度增加。挤压膨化大豆蛋白的乳化性会得到改善。主要是因为大豆蛋白结构改变、分子链展开、暴露出疏水基团，提高大豆蛋白在油- 水界面的吸附，从而促进乳化液的形成；同时形成一种保护层，削弱对已形成的乳化状态的破坏，乳化稳定性提高[29]。然而，大豆蛋白在挤压膨化过程中会导致二硫键数量增加，蛋白质聚集，使大豆蛋白的疏水作用和分子间相互作用力减弱，乳化稳定性会降低[30]。因此，挤压膨化在提高大豆蛋白的乳化性同时也会降低其乳化稳定性。此外，挤压膨化大豆蛋白的二硫键和巯基变化对乳化性的影响值得注意。挤压膨化一方面增加二硫键、降低巯基数量，使蛋白的乳化性降低；另一方面，挤压膨化也破坏二硫键，经还原作用增加巯基含量，乳化性增强。因此，要获得理想乳化性的大豆蛋白产品，应当控制好挤压膨化条件。决定大豆蛋白起泡能力的是其溶解性，同时挤压膨化条件变化对其有直接影响。大豆蛋白受到挤压膨化的高剪切力和螺杆转速的作用，破坏了大豆蛋白的高级结构和分子内的二硫键及次级键，并降低了蛋白质气- 液界面表面张力和增强了表面疏水性，使起泡性降低。研究还发现，大豆蛋白的起泡能力会随挤压膨化参数的提高和挤压膨化时间的延长而显著改善；同时，观察到挤压膨化能够提高大豆蛋白的泡沫容量，但降低泡沫稳定性[31]。对比天然大豆蛋白，挤压膨化使大豆蛋白的疏水性降低，可能是因为挤压膨化大豆蛋白的三级结构发生改变，使大豆蛋白分子部分聚集与解聚，导致疏水基团减少，疏水性降低，起泡性得到提高。通常挤压膨化大豆蛋白的持水性较好，挤压使大豆蛋白组织化聚集则持水性降低。魏益民等人[9]研究了低温挤压膨化脱脂豆粕的持水性，结果显示大豆蛋白的持水性与螺杆转速、含水量正相关，与喂料速度负相关。挤压膨化温度对大豆蛋白的持水性的影响受自由水含量临界值的限制。Zhang J 等人[32]通过挤压膨化脱脂豆粕观察到：大豆蛋白最高持水性出现在最低水分含量和最高挤压膨化温度，与魏益民的研究结果不完全相同。

3 结语

大豆蛋白在经历挤压膨化的高温、高压和高剪切作用和螺杆速度、含水量、喂料速度等多重因素的影响，对大豆蛋白的形态结构、空间构象产生不同程度的破坏，不但使大豆蛋白的溶解性、乳化性、起泡性及持水性等功能特性得到改善，而且能去除大豆蛋白中的对热不耐受的抗营养因子，并降低其致敏活性，更有助于大豆蛋白的消化、吸收和安全利用，并赋予其良好的口感和风味。因此，挤压膨化对于大豆蛋白源的食品开发具有显著优势。

然而，大豆蛋白中包含有一定的脂类、淀粉糖类等物质，这些糖脂大分子间的交互作用及其对蛋白质的影响尚不完全清楚。因此，在开发大豆蛋白特殊配方食品、饮品等背景下，深入研究挤压膨化大豆蛋白空间构象变化及其与糖脂分子间互作的机制等，对于改善大豆蛋白功能特性，推动大豆蛋白深加工具有重要意义。