大豆分离蛋白美拉德反应研究进展

张淇云 谢 晶,2 邵则淮,2 甘建红,2李晓晖,2 薛 斌,2 孙 涛,2

(上海海洋大学食品学院1，上海 201306)(上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心；农业部冷库及制冷设备质量监督检验测试中心2，上海 201306)

大豆分离蛋白(SPI)是脱皮脱脂的大豆进一步去除所含非蛋白成分后，所得到的一种精制大豆蛋白产品，主要成分是β-伴球蛋白和大豆球蛋白[1,2]。蛋白质的结构决定了其独特的功能特性[3]，SPI中肽键或氨基酸的侧链同水分子之间发生相互作用表现出溶解性；而其含有亲水基团和亲油基团，在油水混合液中，分散蛋白质有扩散到油-水界面趋势，从而表现出乳化性；SPI分子中的二硫键、氢键以及疏水键相互作用，使发生断裂的多肽之间再重新相互交联聚集成网表现出凝胶性；而SPI部分肽链在界面上展开，并通过肽链间相互作用，形成一个二维保护网络，使界面膜得以加强表现出发泡性[4,5]。正是由于SPI具有溶解性、乳化性、凝胶性以及发泡性等多种性质，使其在食品工业中被广泛应用，如SPI作为乳化剂加入到烤制食品、冷冻食品以及汤类食品的制作，使制品状态稳定；SPI用于面制食品中，可以增加面筋强度；SPI还可作为食品的抗菌保鲜包装材料等[6]。

美拉德反应也称为羰氨反应，主要指的是醛、酮、还原糖的羰基与氨基酸、肽、蛋白质等含氮化合物的游离氨基之间发生的一系列反应[7]。作为食品体系的重要成分，蛋白质和糖在食品体系中处于共存状态，在食品加工和贮藏期间很容易发生美拉德反应[8]。SPI的美拉德反应通过增加其极性基团，改变界面张力，进而来改变SPI的功能特性，如改变溶解性[9]、提升乳化性和乳化稳定性[10]等。本文从美拉德反应影响SPI的功能特性和生物活性这2个方面进行综述，以期对SPI在食品领域的应用提供参考。

1 美拉德反应对SPI功能特性的影响

美拉德反应可以改变SPI的结构，进而改变其功能特性，如溶解性、乳化性、凝胶性、黏弹性、发泡性、热稳定性以及结晶性等[11]。

1.1 溶解性

溶解性通常指蛋白质在水溶液中溶解的性能[12]。SPI与糖发生美拉德反应，会消耗SPI的氨基，同时会引入含多羟基的糖链，改变其亲水基团数目，从而使溶解性发生改变[13,14]。美拉德反应对SPI溶解性的影响见表1。SPI与葡萄糖(G-)发生美拉德反应制备G-SPI偶联物，在较宽的pH范围内G-SPI偶联物均具有良好的溶解性，而未经处理的SPI在pH 4～6下的溶解性较差。这是由于SPI中的氨基与葡萄糖中的还原端羰基发生美拉德反应，使亲水基团数目增多。反应后的SPI具有更强的亲水能力，从而使SPI的溶解性得到明显提升[15]。SPI与乳糖在相对湿度为79%，反应温度60 ℃条件下发生美拉德反应，溶解性可以提升约30%[16]。

反应进程会影响SPI的溶解性。在质量比为4∶1、反应温度80 ℃的条件下，SPI与木糖和果糖同时发生反应制备美拉德反应产物(MRPs)。反应时间为2 h和10 h时，SPI的溶解性分别比原来提升43%和59%，这是因为SPI中的不溶性聚合物在加热2 h后变得可溶；尽管反应继续到6 h时，松弛的多肽链再次聚集，使得溶解性略有下降；但继续加热到10 h时，聚合物再次解离，溶解性又明显提升[17]。

糖的种类也会影响SPI的溶解性。SPI分别与葡萄糖、麦芽糖这2种还原糖按质量比4∶1混合后，在80 ℃下发生美拉德反应。反应时间为2 h和6 h时，SPI-麦芽糖得到的MRPs和SPI-葡萄糖得到的MRPs溶解性均随着反应时间的延长而增加，前者的溶解性要优于后者，且均优于对比试样SPI。反应至10 h时，2种MRPs的溶解性均显著降低，其中SPI-葡萄糖-MRPs的溶解性甚至低于对比试样SPI。这是由于反应时间过长，美拉德反应进入了高级阶段，生成了不溶于水的大分子聚合物。葡萄糖的分子量小于麦芽糖，其空间位阻小，更易于生成不溶性的物质。即美拉德反应改变了SPI的溶解性，且麦芽糖对SPI溶解性的改变效果更明显[18]。

表1 美拉德反应对SPI溶解性的影响

1.2 乳化性

乳化性是蛋白质可以促进乳浊液形成及稳定的性质，SPI具有乳化性质的原因是其具有亲水基团和亲油基团[19,20]。美拉德反应会使SPI亲水性增强，其在油相和水相界面可以更加有序紧密的排列，形成更为致密的蛋白膜，从而使乳化性得到明显改善[21,22]。糖的种类、反应进程等因素会影响SPI结构，进而影响其乳化性。美拉德反应对SPI乳化性的影响见表2。

与单糖或多糖发生美拉德反应后，SPI乳化性发生改变。SPI与麦芽糖在质量比为1∶1、反应温度100 ℃以及反应时间2 h制得MRPs。较SPI相比，乳化活性提升8.5%，乳化稳定性提升10.9%[23]。SPI与麦芽糊精在高温、2 h干热条件下，经美拉德反应得到SPI-麦芽糊精偶联物。偶联物中接枝的麦芽糊精增强了乳液液滴间的空间排斥作用，从而提升乳液的稳定性[24]。SPI与大豆壳半纤维素在干燥条件下发生美拉德反应，与大豆壳半纤维素和SPI相比，产物的乳化能力有了显著的提升。这是由于SPI与大豆壳半纤维素的交联作用，使产物乳化性得以提升[25]。SPI与黄原胶按质量比为10∶1发生美拉德反应。由于SPI表面能够提供亲水基团，所以与黄原胶发生反应后会形成大量水合界面层，进而提升产物的乳化活性，其乳化活性最大值可达到191.6 m2/g[26]。SPI与海藻酸钠按质量比为9∶10、68 ℃以及反应时间24 h条件下，得到的MRPs接枝度为27.2%，其乳化活性和乳化稳定性分别为39.4 m2/g和15.3。较SPI相比，分别提升了121%和255%[27]。

表2 美拉德反应对SPI乳化性的影响

反应进程会影响SPI的乳化性。SPI与葡萄糖按质量比为4∶1和反应时间为0、1、2、3、4、5、6 h发生反应，得到一系列糖基化产物。随着反应进程的加深，乳化活性逐渐增强，从0.168(未处理的SPI)增到0.574(反应时间为6 h)[28]。SPI与乳糖在相对湿度79%、反应温度60 ℃条件下，经美拉德反应制取不同反应时间下的糖基化复合物，乳化活性及乳化稳定性分别在24、36 h达到最大[16]。SPI与葡萄糖按质量比为1∶1、反应温度55 ℃发生美拉德反应。反应6 h后，乳化活性提升56.18%；反应8 h后，乳化稳定性提升92.78%[29]。

1.3 凝胶性

凝胶性是指蛋白质形成枝体状结构的性能，它使蛋白质具有较高的黏度、可塑性和弹性[30]，SPI经加热、冷却、渗析和碱处理可得到凝胶[31]。SPI凝胶性的临界浓度对pH值有较高的依赖性，而美拉德反应会使体系的pH下降，诱导SPI构象发生改变，使SPI分子聚集，从而改善其凝胶性[32]；美拉德反应还可发生蛋白质共价交联，使SPI长链疏水性基团的含量增加，增强疏水相互作用力，提升凝胶的抗断强度和黏弹性，从而改善其凝胶性[33]。SPI与麦芽糊精通过美拉德反应制备SPI/麦芽糊精糖基化复合物，对其流变性和微观结构进行了研究。结果表明，由于SPI和麦芽糊精这两种高分子聚合物之间的相分离作用，使得SPI/麦芽糊精混合体系凝胶储能模量显著增加；凝胶微观结构表明，SPI和麦芽糊精混合体系能够形成高强度、均匀、致密的凝胶网络，从而提升SPI的凝胶性[34]。SPI与木糖在高压灭菌条件下发生美拉德反应，反应过程中，体系的pH从中性降低到5.5。经应力松弛测定，美拉德反应形成凝胶的破断强度增强，弹性增大，即木糖的加入可显著提高SPI的凝胶性[35]。

1.4 其他功能特性

此外，美拉德反应还可以有效改变SPI的黏弹性、发泡性、热稳定性、结晶性及其他功能特性。蛋白质的黏弹性是指液体流动时表现出来的内摩擦，又称流动性[36]。SPI与木糖在质量比为4∶1、相对湿度26.10%以及反应时间5 h条件下，得到的MRPs的初始黏度、储能模量以及损耗模量均大于未处理的SPI和木糖的简单混合物。这是由于SPI和木糖发生反应生成了结构更加复杂的分子，从而使得产物溶液的弹性明显增强、黏度明显增加[37]。在干热条件下SPI与核糖也易于发生美拉德反应，且最适条件为：SPI与核糖质量比1∶1、反应温度80 ℃、相对湿度26.10%以及反应时间6 h。差示扫描量热法分析结果表明，SPI与核糖通过美拉德反应生成了易分解的中间产物，使MRPs在溶液中的黏弹性得到提升[38]。

发泡性是指大豆蛋白质在加工中体积的增加率，可起到酥松作用[6]。SPI与糖发生反应时，会改变SPI分子空间结构，改变分子间的作用力，提升水-空气界面的蛋白质膜厚度和硬度，从而改善其发泡性[39]。SPI与黄原胶按质量比为10∶1发生美拉德反应时，SPI的发泡稳定性从2.6%提升到8.2%，其发泡活性最大值从155 mL提升到205 mL，发泡性明显增强[26]。

热稳定性是指蛋白质在受热或加热过程中，能够保持其本来的性质，而不发生分解反应或其他类型反应。SPI与右旋糖酐按质量比1∶1、pH=6.5、反应温度60 ℃以及反应时间30 h发生美拉德反应，制备SPI-葡聚糖偶联物。差示扫描量热法结果表明，SPI-葡聚糖偶联物的变性温度和变性焓均高于SPI。这是由于右旋糖酐与SPI的共价结合，分子的电负性、空间位阻和静电斥力均增强。因此，在加热过程中，接枝产物不易团聚，从而提升SPI的热稳定性[40]。

结晶性是指溶质由于溶解度的改变或其他原因，从溶液中析出的性能。将SPI与羧甲基纤维素为原料发生美拉德反应，X射线衍射扫描结果表明，SPI在22°处有很强的特征反射。随着羧甲基纤维素含量的增加，产物在22°时的特征反射强度明显降低。即与羧甲基纤维素发生反应，SPI的晶体结构逐渐被破坏，以致减弱了SPI的结晶性[41]。

2 美拉德反应对SPI生物活性的影响

SPI的生物活性较差，美拉德反应可以改变SPI的结构，进而改善其抗氧化性和抗菌性等[42]。

2.1 抗氧化性

科学研究表明，癌症、衰老或其他疾病大都与过量自由基的产生有关联，清除自由基可以有效克服其所带来的危害[43]。由SPI制备的氨基酸与糖发生反应得到MRPs，具有良好的还原能力、清除羟基自由基及DPPH自由基的能力[44,45]。美拉德反应对SPI抗氧化性的影响见表3。

SPI 与葡萄糖反应生成MRPs，将其添加到熟肉糜中，可以显著降低熟肉糜的硫代巴比妥酸反应物(TBARS)值，随着MRPs的添加量增加，熟肉糜的TBARS值减小，即对脂肪氧化的抑制作用越明显。同时可以减少红度值降低的幅度，保持体系中pH的稳定。因此，MRPs可以作为一种安全的抗氧化剂添加到肉糜中，提升抗氧化能力，保持感官特性，延长货架期[46]。

反应程度会影响SPI的抗氧化性。SPI与葡萄糖按质量比为1∶1混合得到MRPs。随着反应时间的延长，以及反应温度的提高，MRPs的抗氧化性增强，其还原能力、羟基自由基清除能力以及DPPH自由基清除能力均优于SPI。这是由于美拉德反应后MRPs中色氨酸发生偏移，芳香族氨基酸暴露出来，从而使MRPs具有很强的抗氧化性[47]。SPI与葡萄糖按质量比1∶1发生美拉德反应得到大豆糖蛋白，随着反应程度的加深，大豆糖蛋白的游离氨基含量下降、反应褐变程度逐渐加深、抗氧化性逐渐提升[48]。

表3 美拉德反应对SPI抗氧化性的影响

2.2 抗菌性

近年来，抗菌剂和抑菌剂被广泛地应用于食品和日用品行业。SPI与糖发生美拉德反应制得MRPs。除了具有良好的抗氧化性，还具有抗菌作用。SPI与壳聚糖在质量比1∶1、反应温度60 ℃，制得大豆蛋白-壳聚糖偶联物，对大肠杆菌的抑制效果明显优于SPI。这是由于大豆蛋白-壳聚糖偶联物具有表面活性，可以更大程度破坏大肠杆菌细胞膜的稳定性，从而提升其抗菌活性。因此，大豆蛋白-壳聚糖偶联物可以作为一种新型的具有抗菌活性的功能性大豆蛋白应用于食品中[49]。

MRPs还可以保护有益菌群的生长。SPI 与卡拉胶质量比1∶3、反应时间6 h制得MRPs。通过测定长双歧杆菌在贮藏过程中的存活率，研究其对长双歧杆菌的保护作用。添加MRPs处理组和没有添加MRPs对照组长双歧杆菌的数量分别减少了约0.4 CFU/mL和3 CFU/mL。因此，MRPs可以保护长双歧杆菌的生长，从而对益生菌在食品中的应用具有重要意义[50]。

3 结论与展望

SPI作为一种植物性食用蛋白，不仅必需氨基酸含量丰富，营养价值高，而且具有溶解性、乳化性以及抗菌性等多种性质。因此，SPI是大豆深加工中最有潜力、最有前景的功能性物质。由于单一的SPI溶解性、乳化性以及凝胶性等一系列性质较差，这在一定程度上限制了其应用。因此，通过美拉德反应来改变SPI的功能特性和生物活性，进而扩大其在食品领域中的应用。在产品应用上，SPI的需求量将在世界上有一个很大的跃升，必将会蓬勃发展。