蕓豆蛋白功能特性及改性的研究進展

張紫帆,鄔思思,劉春秀,宋雪琳,馬鐵錚*

1(北京工商大學 食品與健康學院,北京,100048)2(北京工商大學,食品添加劑與配料北京高校工程 研究中心,北京,100048)3(中糧糧谷控股有限公司,北京,100101)

豆類蛋白是人類膳食中重要的蛋白質來源,其價格低廉,相對于谷物蛋白,不含有麩質等致敏性成分,且具有降血糖、預防心血管疾病等多種生理功能[1]。蕓豆是重要的食用豆類資源之一,富含蛋白質和膳食纖維,脂肪含量低于其他常見的食用豆類[2]。蕓豆中鈣含量豐富,每100 g帶皮蕓豆中含鈣349 mg,約是黃豆的2倍,是雞肉的7倍;蕓豆中的蛋白質含量與豬肉(約20%)相近,高于小米(8.8%),黑麥(13.3%)和高粱(13.6%)[3]。

蕓豆蛋白含有18種氨基酸,其中包含人體所需的所有8種必需氨基酸,含量較高的為賴氨酸、亮氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和精氨酸,其必需氨基酸組成符合 FAO/WHO 標準模式[4]。與大豆蛋白相比,蕓豆蛋白的異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸和纈氨酸的比例均更高,總必需氨基酸的比例(57%～62%)也高于大豆蛋白(47%),是優質的植物蛋白[5]。在功能特性方面,蕓豆蛋白的溶解性和吸水性稍低于大豆蛋白,乳化性、起泡性、吸油性和膠凝性均接近或高于大豆蛋白[6]。利用物理、化學和生物等技術對蕓豆蛋白加以改性,可以改變蕓豆蛋白的空間結構,調節其功能特性,以滿足肉食制品、乳制品、飲料、焙烤食品和保健食品等行業中的應用需求,開發高附加值產品,擴大其在食品工業中的應用范圍。

在我國,蕓豆目前主要以鮮食和干制等粗加工為主。相較于大豆蛋白、玉米蛋白等大宗植物蛋白,目前對蕓豆蛋白的研究主要集中于蛋白質的分離提取,淀粉酶抑制劑、植物凝集素以及部分特定功能成分的利用,如蕓豆提取物中的α-淀粉酶抑制劑可以有效阻斷人體對于膳食中淀粉的吸收,達到控制體重的目的[7]。然而,蕓豆蛋白的深度開發及綜合性利用程度尚且不足,這也阻礙了其在食品工業中產品附加值的提升。在植物基食品研究和開發的大趨勢下,對于蕓豆蛋白功能特性及改性研究正在成為食品科研與工業領域的熱點和焦點。本文將系統闡述蕓豆蛋白的功能特性及其改性技術進展,并對未來利用改性修飾技術所生產出的多種蕓豆蛋白產品的應用進行了展望,以期擴大蕓豆蛋白在食品工業中的應用范圍。

1 蕓豆蛋白的提取

根據蕓豆的品種不同,其所含蛋白質種類和氨基酸組成也有所區別,相應的功能特性和營養價值也存在差異。根據蛋白質分子形狀和大小及帶電性質的差異,溶解度、吸附性質和與其他分子的親和能力的不同,蕓豆蛋白可以使用濕法提取或干法提取,其中濕法提取主要包括堿溶酸沉法、溶劑浸提法、鹽析法和分級提取法,而干法提取方法則主要包括靜電分離法和空氣篩分法[8]。

1.1 濕法提取

將蕓豆粉分散于溶液體系中并加以分離的濕法提取是主流的提取方法,其主要優勢在于蛋白質提取效率和產品純度均較高,但是需要經過干燥處理才能得到粉狀產品。

蕓豆蛋白的濕法提取方式多樣。堿溶酸沉法是利用蛋白質在等電點溶解度最小的性質實現蛋白質的提取,提取工藝簡單,粗蛋白得率較高,但在提取過程中的酸堿處理可能會導致蛋白質的變性,進而影響其功能特性。ROY等[9]利用堿溶酸沉法從深紅蕓豆中提取蕓豆蛋白,通過調節脫脂蕓豆粉溶液的pH值,在等電點沉淀并分離蛋白質,最終得到蛋白得率達82.34%的蕓豆蛋白粉。乙醇法和水提法分別使用乙醇和水作為溶劑,前者提取的醇溶蛋白得率高,操作簡單,但能耗較高,且會導致蛋白質一定程度的變性,后者利用萃取溫度的不同分離不同蛋白組分,適用于蕓豆蛋白的精細化提取分離。YANG等[10]采用乙醇法從大白蕓豆、小白蕓豆、光斑蕓豆、紅斑蕓豆、黑色斑點蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆中提取醇溶蛋白,當使用70%～80%(體積分數)的乙醇溶劑提取時,可以得到蛋白質含量為59.4%～67.2%的醇溶蛋白。不同的提取方式能夠直接影響蛋白質組分及其氨基酸組成,鹽提取法是利用蕓豆蛋白在不同鹽離子濃度下溶解度不同將不同的蛋白組分分離,提取出的蛋白組分純度較高,但鹽離子添加可能會改變蛋白質的空間結構進而影響其功能特性。UDEH等[11]采用鹽提取法制備蕓豆白蛋白和球蛋白,同時采用堿性提取法制備蕓豆分離蛋白,所得蛋白的蛋白質含量分別為49.3%、95.7%和83.7%,白蛋白中蛋白質含量低的原因是其中存在較多的可溶性糖,通過測定氨基酸組成譜發現,球蛋白的疏水性氨基酸含量(41%)高于蕓豆白蛋白(39%)和蕓豆分離蛋白(36%),但它們具有相似(11%)的芳香族氨基酸。多種提取方法分級提取是將單一的提取方法相互配合,分級提取蕓豆蛋白中的不同組分,提取的組分種類更多,純度更高,但操作耗時較長,能耗較高。陳曉萌等[12]利用Osborne分級提取法分離出英國大紅蕓豆和山西小紅蕓豆中不同種類的蛋白質,發現大紅蕓豆和小紅蕓豆在最佳蛋白提取溫度(65 ℃和45 ℃)提取得到的可溶性蛋白中,清蛋白分別占74.08%和66.50%,球蛋白分別占10.08%和13.05%,谷蛋白分別占7.23%和7.24%,醇溶蛋白分別占6.79%和6.12%。隨著對蛋白質提取研究的深入,濕法提取也從簡單的堿溶酸沉法或醇提法獲取粗蛋白逐漸發展為分級提取純化蛋白質中的組分。

1.2 干法提取

相較于較為常用的濕法提取,干法提取可以避免蛋白質提取過程中化學物質的添加,并且在提取后不需要經過干燥處理,減少了水和能源的消耗,還保留了蛋白質的天然結構和功能,但缺點在于所得蛋白質的純度和得率均較低[13]。

TABTABAEI等[14]使用連續式的靜電分離方法對白蕓豆粉進行分離提取,所得產品中蛋白質含量為36%～38%,占總可提取蛋白的43%,所得產品具有良好的乳化穩定性和起泡性。此外,TABTABAEI等[15]還研究并使用了一種兩階段靜電分離方法提取紫花蕓豆中的蛋白質,所得產品中蛋白質含量為37.8%,占總可提取蛋白的59.9%。由于蛋白得率低以及相關技術和設備的限制,干法提取在蕓豆蛋白的提取中應用尚且較少,這也是包括蕓豆蛋白在內的蛋白分離提取領域未來的研究方向之一。

2 蕓豆蛋白的功能特性

在蕓豆蛋白中,儲藏蛋白是蛋白質的主要組分,占可提取蛋白總量的95%以上,儲藏蛋白主要由球蛋白(55%～80%)、清蛋白(10%～20%)、少量的醇溶蛋白和谷蛋白組成[16],其中球蛋白可以進一步細分為7S和11S球蛋白,7S球蛋白是蕓豆中的主要儲藏蛋白,占蛋白質總量的75%～82%,7S球蛋白是50 kDa亞基的三聚體,通過非共價相互作用關聯,這些低聚球蛋白具有良好的乳化性和起泡性[17]。蛋白質的一級結構很大程度上決定了其高級結構,高級結構的變化則使得蛋白質具備不同的功能特性,豆科蛋白功能特性的產生機制及影響因素如表1所示。

表1 豆科植物蛋白功能特性的產生機制及影響因素Table 1 Mechanism and influencing factors of functional characteristics of legume protein

不同的食品體系對蕓豆蛋白功能特性要求不同,根據食品特點有針對性地利用蕓豆蛋白的不同功能性質,可以改善食品的質構與營養特性,并增加產品的市場適應性。

2.1 溶解性

溶解性是蛋白質在食品體系中發揮各種功能特性的重要前提,乳化性、起泡性和膠凝性等功能特性都依賴于其溶解性,溶解性也是開發植物蛋白飲料等產品時應首要考慮的功能特性。蛋白質的溶解性與其疏水相互作用(蛋白質-蛋白質分子之間)和離子相互作用(水-蛋白質分子之間)有關,溶解性較高的蛋白質的疏水性氨基酸殘基一般被包埋在其分子內部,當疏水性殘基更多地暴露于蛋白質分子表面時,蛋白質的溶解性降低[18]。HOJILLA- EVANGELISTA等[26]比較研究了黑蕓豆、大紅蕓豆、大白蕓豆、斑點蕓豆蛋白的溶解度差異,證明了蕓豆蛋白在pH 1～3和pH 7～10時溶解性良好,而在pH 4～6時溶解性較差,其中大白蕓豆蛋白在pH值為4.4時具有最小溶解度,而黑蕓豆蛋白和斑點蕓豆蛋白的最小溶解度處于pH 3.0～6.0。由此可見,蕓豆品種是影響其溶解度的重要因素。熱變性程度對于蛋白質的溶解度也有著很大的影響,TANG等[27]在95 ℃加熱蕓豆蛋白15～30 min,使蛋白質的結構適度展開,7S球蛋白向11S球蛋白轉化,從而增加了蕓豆蛋白的溶解性,但超過60 min的熱處理則會導致蛋白聚集體的形成,改變分子表面的親水/疏水性平衡,降低蛋白質的溶解性。SHEVKANI等[28]對比研究了蕓豆蛋白和豌豆蛋白,發現在pH 2.0和pH 5.0時蕓豆蛋白溶解性均優于豌豆蛋白,因此蕓豆蛋白適合作為酸性植物蛋白基飲料的豆科蛋白原料。

2.2 乳化性

蛋白質的乳化性通常指它們形成和穩定乳液的能力,是影響冰激凌、焙烤制品、植物基調味醬等產品品質的關鍵特性。乳化性受多種因素的影響,包括蛋白質的分子大小、親水/疏水性、分子柔性、帶電特性和聚集狀態等,蛋白質的解聚會導致疏水氨基酸殘基暴露和構象柔韌性增加,從而增強油-水界面活性和蛋白質的吸附能力[19]。SHEVKANI等[20]比較了9種來自印度的蕓豆品種,發現具有較好乳化性的蕓豆蛋白是由于其所具有的蛋白質組分擁有較低的分子質量和較大的分子柔性。楊柳等[29]的研究表明,紫花蕓豆蛋白的乳化性受溫度和pH影響很大,在等電點(pH 4～5)附近最差,而在pH 7～8、溫度為40～70 ℃的條件下較好,這主要是由于pH變化改變了蛋白質的二級結構所導致的。SHEN等[30]發現紅蕓豆蛋白質量分數在0.25%～1.0%時,其乳化性和乳化穩定性都顯著優于同濃度的紅豆和綠豆蛋白,作者認為這是由于在較低蛋白濃度時蕓豆蛋白分子具有更好的分子柔性。LIU等[31]利用蕓豆分離蛋白良好的乳化性,將蕓豆分離蛋白作為微膠囊的壁材,結果表明微膠囊產品的保油效果顯著優于使用大豆分離蛋白作為壁材的同類產品,這是由于蕓豆蛋白的良好乳化性使得其具有更高的界面蛋白濃度。

2.3 起泡性

蛋白質起泡性和泡沫穩定性的優劣決定了其是否能夠在冰淇淋、蛋糕和酥皮點心等食品中良好應用。起泡性會受到分子柔性、分子構象和分子大小的影響,而蕓豆中具有良好表面活性的蛋白質組分具有很好的形成和穩定泡沫的作用[20]。SHEVKANI等[28]的研究表明,蕓豆蛋白的起泡性與其溶解性和乳化性相似,也和pH值有關,9種來自印度的蕓豆蛋白在pH 4.0～5.0的起泡性較差,這與蛋白質在其等電點附近溶解性較差有關。GE等[21]研究了黑蕓豆蛋白和斑點蕓豆蛋白在pH 3.0～9.0的起泡性和泡沫穩定性,發現在兩種蕓豆蛋白的起泡性和泡沫穩定性都顯著優于大豆蛋白和豌豆蛋白,這歸因于蕓豆蛋白具有更小的分子質量和柔性更好的分子結構。

2.4 持水性和持油性

蛋白質的持水性和持油性與產品質地、口感和風味保持均有關。具有高持水性的蛋白質有利于減少產品的水分流失,并保持良好的新鮮度和濕潤的口感,而具有高持油性的蛋白質則有利于改善產品的口感并且有助于風味物質的保留[21-22]。蛋白質的持油性通常與其乳化性關聯,這對于食品乳化體系的構建十分重要。MUNDI等[32]發現紅蕓豆蛋白中所含不同蛋白組分具有不同的功能特性,球蛋白的持水性和持油性均顯著高于白蛋白。GE等[21]研究了黑蕓豆和斑點蕓豆蛋白在pH 3.0～9.0的持水性和持油性,發現pH 5.0時兩種蕓豆蛋白的持水性和持油性均為最低;而在pH 3.0和pH 7.0時蕓豆蛋白的持油性均顯著高于持水性,可歸因于此兩種pH條件下蛋白質的構象更有利于疏水基團的暴露。RATNAWATI等[6]比較了紅蕓豆蛋白與大豆蛋白和綠豆蛋白的持水性和持油性,發現紅蕓豆蛋白具有相對更好的持水性,而大豆蛋白的持油性則更勝一籌;WANI等[33]比較了蕓豆蛋白和綠豆蛋白的持水性和持油性也發現蕓豆蛋白的持水性更好,而二者持油性的差別不大。

2.5 凝膠性

蛋白質的凝膠性與香腸、豆腐和部分糕點等食品的品質密切相關,其取決于蛋白質的組成成分、濃度以及蛋白質分子間的各種化學鍵,包括二硫鍵、氫鍵、疏水鍵和范德華力等[23]。不同蕓豆蛋白的組成成分不同,形成凝膠的能力也不同,與白蛋白相比,球蛋白的凝膠形成能力更強,這是由于白蛋白所能形成的分子間相互作用力較弱[22]。郭增旺等[34]測得來自紅蕓豆、白蕓豆、黑蕓豆和紫花蕓豆的蛋白質所形成凝膠所需的最低蛋白質量分數分別為14%、10%、12%和12%,這種差異是由于蛋白質分子結構和組成不同導致的,蕓豆蛋白中11S球蛋白的含量越高,其凝膠性越好,而7S/11S的比例越小,所形成凝膠的黏度和硬度越大。陳玲等[35]的研究證明了來自紅蕓豆的7S球蛋白在pH 2.0且NaCl濃度為30 mmol/L時,僅需1.0%(質量分數)的蛋白質就可以通過熱誘導形成凝膠,該質量分數遠低于一般中性條件下形成蛋白熱凝膠所需的蛋白質質量分數,這是由于蕓豆蛋白在酸性條件下形成了纖維狀聚集體。

2.6 成膜性

同大豆分離蛋白、玉米醇溶蛋白相似,蕓豆醇溶蛋白同樣具備成膜性,由于蕓豆蛋白擁有復雜的空間結構,單純的蛋白溶液無法直接通過靜電紡絲成膜,常需加入具有可紡性的高分子聚合物進行共混紡絲。楊豫斐[24]利用聚乙烯醇對具有較強疏水性的白花蕓豆醇溶蛋白進行靜電紡絲,制成了可用于食品保鮮的生物可降解電紡膜。CHOE等[25]對蕓豆蛋白濃縮物進行了pH偏移處理、pH偏移聯合超聲或熱處理,研究表明pH偏移聯合適當的熱處理可以促使蕓豆蛋白聚集體形成,有效減小緊密堆積的表面區域,有利于高黏彈性蛋白薄膜的形成。

3 改性對蕓豆蛋白功能特性的影響

蛋白質的分子大小、表面電荷、親水/疏水性和分子柔性對其功能特性有很大的影響。因此,通過物理、化學和生物(酶法)改性的方法改變蛋白質的分子結構,從而改變蛋白質的功能特性,可以大幅度拓寬蛋白質在食品工業中的應用范圍。豆科植物蛋白的多種功能特性都可以通過物理、化學和生物改性方法來調整,其改性后的結構變化及其在食品體系中的應用情況如表2所示。

表2 豆科植物蛋白的改性方式及改性后的結構變化與在食品體系中的應用Table 2 Modification methods of legume protein, structural changes after modification and application in foods

3.1 物理改性

蛋白質的物理改性通常是利用機械處理、加熱、冷凍、電場或磁場等物理作用方式,改變蛋白質的高級結構和分子間的聚集方式,一般不涉及蛋白質一級結構的改變。物理改性通常具有成本低、操作時間短和營養品質損失小等優點。受控的熱處理、超聲處理和高壓處理是常見的蕓豆蛋白物理改性方法[47]。物理改性方法對蛋白質功能特性的影響如表3所示。

表3 物理改性對蕓豆蛋白功能特性的改變及作用方式Table 3 Physical modification on the functional properties of kidney bean protein and its mechanism

受控的熱處理不僅可以改變蕓豆蛋白的功能特性,還可以提高蕓豆的可消化性,滅活部分抗營養因子,提高必需氨基酸的利用率,從而增加蕓豆蛋白的營養價值。CHOE等[5]的研究表明濕熱處理比干熱處理能夠有效提高蕓豆蛋白的持水性,這是由于羥基基團的暴露;而干熱處理則能夠有效提高蕓豆蛋白的持油性,這是由于疏水基團的暴露。周榮榮等[48]分別利用蒸制和煮制兩種熱處理方式對蕓豆蛋白進行改性,熱處理后蛋白結構變得松散從而增強了蛋白質與水的相互作用,增加了蕓豆蛋白的溶解性。熱處理的方式和程度會直接影響蕓豆蛋白分子構象,進而影響其溶解性,因此,蛋白質的適度熱處理在食品工業生產中應用廣泛。

超聲處理能夠顯著增強蛋白質與水的相互作用,使蛋白質結構展開,通?？梢蕴岣呤|豆蛋白的溶解性。BYANJU等[49]的研究表明,使用高功率超聲對蕓豆進行處理,可以使所提取的蕓豆蛋白中游離巰基的含量增加,蛋白質結構展開程度增大,從而顯著提高了蛋白質的溶解性。KILICLI等[50]分別使用常規浸泡和超聲波輔助浸泡分別處理蕓豆,結果表明,超聲波輔助浸泡可以更有效地改變蛋白質結構,所提取蕓豆蛋白起泡性較常規浸泡提高了133%。超聲處理的功率和時間都會對蕓豆蛋白的功能特性產生影響,適宜的超聲功率、時間會破壞蛋白質分子間的締合,暴露更多的疏水/親水基團,增加蛋白的乳化性。

高壓處理能夠改變蛋白質的二級結構,從而改善其持水性、乳化性及發泡性。AHMED等[51]對紅蕓豆蛋白進行了高壓處理,結果表明,隨著壓力從200 MPa增加到600 MPa,蕓豆蛋白的二級結構發生變化,導致分子發生聚集,蛋白質的持水性和乳化性增加,而起泡性降低。GUO等[37]的研究也得到了類似的結論,適當程度的高壓處理可以促使蕓豆蛋白形成可溶性聚集體,從而可以提升其溶解性和乳化性。通過高壓處理,蕓豆蛋白發生變性聚集,形成可溶性聚集體,進而可能提升其溶解度、乳化性、持水性及成膜性。

射流空化處理是一種新型的蛋白質物理改性方法,該方法通過將水射流技術與空化效應相結合可以改變蛋白質的表面電荷、親水/疏水性和分子柔性,從而提升蛋白質的溶解性和乳化性。王馨等[52]使用射流空化技術對蕓豆蛋白進行了改性,蕓豆蛋白的溶解性和乳化性分別增加了27.5%和140%,這是由于蛋白質二級結構中α-螺旋和β-折疊所占比例下降,也就是分子結構致密性降低造成的。隨著新型物理改性技術應用于蕓豆蛋白,其在食品工業中的應用范圍變得更加廣泛。

3.2 化學改性

化學改性通常是通過化學試劑作用于蛋白質,引入新的基團或者消除蛋白質結構中的已有基團,從而達到改變蛋白質功能特性的目的。但是,化學改性需要加入特定試劑處理樣品,工藝過程較為復雜,安全性相對低于物理改性。目前常用的化學改性主要包括脫酰胺作用、磷酸化作用、糖基化作用、?；饔?、多酚接枝和聚乙二醇作用等。其中,糖基化處理、多酚接枝處理、聚乙二醇化處理和乙酰/琥珀?；幚硎浅Ｒ姷氖|豆蛋白化學改性方法[53]?；瘜W改性方法對蛋白質功能特性的影響及作用方式如表4所示。

糖基化處理可以通過改變蛋白質分子的構象,提升蕓豆蛋白的溶解性、乳化性和起泡性。吳海濤等[54]的研究表明,糖基化改性后,蕓豆蛋白的溶解性、乳化性、乳化穩定性和起泡性均顯著提高,更適合添加到香腸中以提高產品的彈性并改善風味品質。馮玉超等[55]在對蕓豆蛋白進行糖基化處理后發現其溶解性、乳化性和乳化穩定性都顯著提升,這是由于糖基化使得蛋白質二級結構發生變化,蛋白分子的親水/疏水性發生改變造成的。林巍等[56]的研究也得到了類似的結果,蕓豆蛋白在與果糖發生美拉德反應后,其乳化性和乳化穩定性分別提高了163%和69.9%。

多酚接枝處理能夠改變蕓豆蛋白的空間結構,從而提高蕓豆蛋白乳化性、起泡性和泡沫穩定性,還有利于改善其抗氧化活性。李楊等[57]使用綠原酸對黑蕓豆蛋白進行共價接枝后,蛋白質的乳化性顯著提升,這是由于接枝后蛋白質的多肽鏈發生延展,從而改變了親水/疏水性導致的。劉研兵等[58]則使用蕓豆多酚和蕓豆蛋白進行共價接枝,結果表明,80 ℃是最適合提高接枝復合物抗氧化活性的溫度,蕓豆蛋白在接枝后的溶解性、乳化性和起泡性也都顯著提升。

聚乙二醇化處理使聚乙二醇與蛋白質偶聯,從而屏蔽蛋白質中的疏水基團,可以改善蛋白質的溶解性、乳化性和發泡性。聚乙二醇化改性對蕓豆蛋白功能特性的影響如圖1所示[59-61]。HE等[60]使用聚乙二醇琥珀酰亞胺基碳酸酯(PEGylation succinimidyl carbonate,PEG-SC)、聚乙二醇琥珀酰亞胺基琥珀酸酯(PEGylation succinimidyl succinate,PEG-SS)和聚乙二醇琥珀酰亞胺基丙酸酯(PEGylation succinimidyl propionate,PEG-SPA)對黑蕓豆蛋白進行偶聯,所得到的聚乙二醇化黑蕓豆蛋白的溶解度、乳化性和發泡性均得到改善,熱力學穩定性也有顯著提高。YANG等[61]使用甲氧基聚乙二醇對黑蕓豆蛋白進行聚乙二醇化處理,結果表明,甲氧基聚乙二醇鏈對疏水基團的屏蔽作用可以使蛋白質獲得良好的凝膠性。

表4 化學改性對蕓豆蛋白功能特性的改變及作用方式Table 4 Chemical modification on the functional properties of kidney bean protein and its mechanism

圖1 聚乙二醇化改性對蕓豆蛋白功能特性的影響[59-61]Fig.1 Effect of polyethylene glycol modification on functional properties of kidney bean protein[59-61]

乙酰/琥珀?；幚砜梢愿淖兪|豆蛋白的二級和三級結構,從而影響蛋白質的溶解性、乳化性和凝膠性。YIN等[62]的研究表明,蕓豆蛋白的溶解性和乳化性可以通過乙?；蜱牾；@著提升,特別是琥珀?；€可以增加蕓豆蛋白的凝膠性,這是由于蛋白質分子表面帶電性的改變以及多肽鏈結構的展開造成的。左鋒等[63]采用乙?；幚韺κ|豆分離蛋白進行改性處理,顯著提高蛋白質的凝膠性和在中性pH條件下的溶解性。

3.3 酶法改性

酶法改性是通過蛋白酶的限制性酶解或酶促交聯使蛋白質的氨基酸殘基和多肽鏈發生變化,從而達到調控蛋白質功能特性的目的。相較于化學改性,酶法改性具有專一性強、效率高、毒副作用小等優點,因而更為常用。酶法改性對蛋白質功能特性的影響及原理如表5所示。

表5 酶法改性對蕓豆蛋白功能特性的改變及作用方式Table 5 Enzymatic modification on the functional properties of kidney bean protein and its mechanism

對蕓豆蛋白進行限制性酶解改性時,通常使用堿性蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶等單獨或者復合進行酶解。由于不同蛋白酶的酶切位點不同,使用它們所得的改性產物會具有不同的功能特性和抗氧化能力[64]。在蛋白酶催化的限制性酶解后,蛋白質的平均分子質量有所減小,結構致密性也有所降低,蛋白質的溶解性得到提高[62]。SAAD等[65]使用堿性蛋白酶Alcalase分別酶解白、紅和黑蕓豆蛋白后獲得3種蕓豆蛋白的酶解產物,黑蕓豆蛋白酶解產物功能特性的提升最為顯著,其溶解性、持油性和起泡性分別增加了約30%、35%和40%,使用黑蕓豆蛋白酶解產物作為涂層,可以有效延長冷藏生雞肉的保質期并提高其感官品質。WANI等[43]使用木瓜蛋白酶對蕓豆分離蛋白進行改性,所得改性產物的溶解度、持水性、持油性、起泡性、乳化性和乳化穩定性均較改性前有所提升,特別是在pH 4～5時也擁有了良好的乳化性和起泡性。限制性酶解可以使蕓豆蛋白應用于低pH的食品中。毛小雨等[66]使用胃蛋白酶對紫花蕓豆蛋白進行酶解改性,改變了蛋白質的二級結構并增加了其親水能力,從而提高了蛋白質的溶解性,此外,發現酶解產物的抗氧化能力也呈現出與溶解性相同的變化趨勢,這是由非特異性氨基酸殘基的暴露造成的。

除了使用最為廣泛的限制性酶解改性,酶促交聯改性也是提高蛋白質功能特性的方法之一。TANG等[67]的研究表明使用谷氨酰胺轉氨酶對蕓豆蛋白進行交聯改性可以提高蛋白質的熱穩定性和凝膠性,但是會降低其溶解性和乳化性。何慶燕等[68]的研究表明,雞肉蛋白與蕓豆蛋白在轉谷氨酰胺酶作用下可發生共價交聯,酶能催化蕓豆蛋白自身發生共價交聯,從而使乳化性提升187%,也可以催化雞肉蛋白與蕓豆蛋白這兩種異源蛋白之間的交聯, 生成大分子聚集體,提高混合蛋白的乳化性和凝膠性。綜上,酶促交聯改性可以改善蛋白質的凝膠性和乳化性,還可以改變蛋白質質構的柔韌性,有效擴大蛋白質的應用范圍[69]。

由于單一的酶法改性改變蕓豆蛋白功能特性的效果較為受限,復合改性能優化改性結果或者彌補單一改性方法的不足之處。AL-RUWAIH等[70]發現高壓處理可以輔助促進蕓豆蛋白的Alcalase酶解改性,相較單獨使用酶解改性的產物,復合改性所得產物的持水性進一步提升,可能是由于適度的高壓使得在酶解過程中蛋白質解聚,親水基團更多地釋放到了分子表面,高壓輔助酶解處理對蕓豆蛋白功能特性的影響如圖2所示。由此可見,物理方法和酶法聯合使用改性蕓豆蛋白可以更為有效地改變其結構,提高蛋白質的乳化性、起泡性、持水性和凝膠性,從而擴大蕓豆蛋白的應用范圍。

圖2 高壓輔助酶解處理對蕓豆蛋白功能特性的影響Fig.2 Effect of high pressure assisted enzymatic hydrolysis on functional properties of kidney bean protein

4 結論與展望

蕓豆蛋白具有良好的功能特性和營養價值,在食品工業中用途廣泛,既能夠作為營養強化劑、膳食補充劑和生物活性肽的來源,也可以作為天然乳化劑、質構改良劑、可食用涂層材料和食用微膠囊的壁材,應用范圍十分廣泛。蕓豆蛋白在乳化性和起泡性等功能特性上具有獨特優勢,在持水性和凝膠性等方面也不遜于大豆、豌豆等其他豆類蛋白。但是,蕓豆蛋白在食品工業中的應用現狀與其自身具備的優勢并不匹配,利用蛋白質的分離和多種改性技術生產出具備特定優異功能特性的蕓豆蛋白產品的研究還相對薄弱,蕓豆蛋白的凝膠性和成膜性等功能特性的提升空間仍然很大。因此,通過改性提高蕓豆蛋白的功能特性,可以拓展其在現有食品以及新型食品中的應用范圍,提高蕓豆蛋白加工的產業附加值。

蕓豆蛋白功能特性以及改性相關領域未來幾年的研究方向將聚焦于以下的3個方面:其一,復合方法改性:現有蕓豆蛋白的改性方法大多是基于單一的物理、化學或生物方法,功能特性的調控效果受到局限,多種方法的合理選擇和搭配有助于更有效且有針對性地提高蕓豆蛋白的功能特性,制得具有適宜消費者需要的功能特性的改性蕓豆蛋白;其二,應用范圍的拓展:與目前廣泛應用于植物蛋白飲料、植物肉等產品中的大豆蛋白、花生蛋白相比,蕓豆蛋白的應用范圍還十分有限,這需要在蛋白提取及改性等諸多方面進行應用基礎研究;其三,伴隨物抗營養因子的消除:蕓豆蛋白中伴隨有植物凝集素等致敏性成分和胰蛋白酶抑制劑等抗消化成分存在,針對這些抗營養成分的分離和淬滅消除方法尚且存在各種局限,常用的浸泡煮沸方法在消除抗營養因子的同時往往會降低蛋白質的功能特性,化學或生物改性方法將有可能在消除抗營養因子的同時降低對蛋白質功能特性的不良影響,使得蕓豆蛋白在更廣泛的食品體系中安全有效地作為營養強化劑和膳食補充劑使用。