修饰作用导致大豆蛋白氨基酸低效化问题的研究进展

郭顺堂，吕莹，陈辰，王雅卉

(1．中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083; 2．北京农学院食品科学与工程学院，北京 102206)

修饰作用导致大豆蛋白氨基酸低效化问题的研究进展

郭顺堂1，吕莹2，陈辰1，王雅卉1

(1．中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083; 2．北京农学院食品科学与工程学院，北京 102206)

大豆蛋白是广泛应用的食品加工原料，是人体可摄入的优质氨基酸来源，工业生产中为提高大豆蛋白的加工功能特性，常对其进行修饰改性。然而修饰改性有时会导致氨基酸消化吸收低效化。综述了大豆蛋白的功能特性及营养价值、主要修饰作用及其对氨基酸有效性影响，并对现阶段国内外研究的动态进行了分析，并提出今后的研究方向和展望，较全面地呈现修饰导致的大豆蛋白氨基酸低效化问题的研究进展，进一步解释蛋白聚合体与氨基酸消化性的关系，为提高大豆蛋白利用率，创新加工生产提供参考。

大豆蛋白;修饰;氨基酸低效化;聚合体

大豆蛋白兼具优良的加工功能特性和较高的营养价值，被广泛应用于饮料、婴儿食品、冷冻制品、焙烤制品、肉制品等各类食品的加工中，利用大豆蛋白的溶解性、乳化性、凝胶性及保水性等性能，可以改善加工食品的感官品质同时有助于保证食品的营养均衡性。为了获得更好的加工特性，工业生产中通常通过物理和化学的方法对大豆蛋白进行修饰和改性，而这些修饰作用往往使得大豆蛋白形成了难以被胃肠道消化的抗酶解结构，改变了大豆蛋白中释放的氨基酸种类和数量，生物有效性大大降低。修饰导致的氨基酸低效化已成为大豆蛋白加工理论和技术创新面临的新问题。本文以国内外相关研究为主要依据，从大豆蛋白的加工功能特性及营养消化性、主要修饰作用及其对蛋白结构和氨基酸效能的影响进行了讨论，对现阶段研究的动态进行了综述，以期较全面地呈现修饰导致的大豆蛋白氨基酸低效化问题的研究概况，了解相关变化的机理，指导进一步的理论研究和实际生产，促进大豆蛋白的高效利用。

1 大豆蛋白功能特性及营养价值

改革开放以来，我国植物蛋白加工业蓬勃发展，已成为大豆蛋白生产和利用大国，年产大豆蛋白50万t，行销97个国家和地区。2012年我国大豆种植面积约1．42亿亩(9．467×104km2)，总产量约1 300万t，占全球大豆产量的5%左右;当年实际消费大豆6 400万t，占全球实际消费的25%［1］。大豆蛋白之所以被广泛应用首先源于其良好的溶解性、乳化性、凝胶形成性等加工功能特性，同时还具有较高的营养价值和生理活性。因此，大豆蛋白作为食品配料，在食品产业中发挥着重要的作用。

功能特性是指在食品加工中所呈现的特定理化性质，这些特性在不同的产品加工中表现出相应的作用，主要包括溶解性、乳化性、组织形成性、起泡性、保水性、凝胶性、黏性等。例如利用大豆蛋白组织化作用，生产植物蛋白肉制品及各种仿生食品，独具特色且营养丰富;制作焙烤食品时调节面团性质、增加弹性和保水性，同时延长食品货架期;在果汁生产中常常用大豆蛋白改善体系的乳化性能和感官性状，赋予食品更高的商品价值。充分利用大豆蛋白的功能特性，对调整食品结构、开发新的加工技术有重要意义［2-3］。

大豆蛋白具有较高的营养价值。1985年FAO/ WHO指出，大豆分离蛋白必需氨基酸评分与鸡蛋清蛋白相同，可满足2岁以上人体对各种必需氨基酸的需求。此外，大豆蛋白还有降低血清胆固醇含量、降血脂、减少骨质疏松发病率和调节胃肠道平衡等重要的生理活性［4］。蛋白质的营养价值不仅取决于蛋白质的氨基酸组成，还与蛋白质的可消化性、消化产物性质及其在生物体内的吸收转运过程有关，即蛋白质最终可提供的氨基酸能够满足生物体吸收利用的种类和数量。天然的大豆蛋白分子为紧密折叠的球状结构，分子内部存在的疏水性内核阻碍蛋白酶的水解，只有打开和破坏蛋白质分子的四级结构，大豆蛋白质才能被消化利用。Semino和Nielsen先后分别以天然豆类贮藏蛋白体外消化性实验证明，豆类蛋白中除胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子外，贮藏蛋白的紧密结构、二硫键和蛋白质分子表面的碳水化合物基团也会抵抗胃肠道蛋白酶的酶解作用［5-7］。Clemente等［8］开展的鹰嘴豆蛋白体外消化性与其结构关系的研究证实，分子内和分子间的二硫键决定了胰蛋白酶对蛋白质的消化程度，而破坏了二硫键的蛋白质其消化性较高。Deshpande和Damodaran采用荧光光谱和圆二色谱法研究热处理对菜豆蛋白三个亚基组成的高级结构及其消化性的影响时发现，天然蛋白经胰蛋白酶消化后形成了分子量为22～28 kDa的不可消化物［9-10］。

2 常用修饰方法对大豆蛋白氨基酸有效性的影响

在激烈的市场竞争中，企业为获得更优质的大豆蛋白配料提升产品的竞争力，常采用热处理、氧化、还原、酶解小分子化以及糖基化、磷酸化、乙酰化等修饰方法改变大豆蛋白的结构和性质，亦即改性处理，来增强大豆蛋白产品的加工功能特性，满足市场的需求。

热处理是植物蛋白加工中最常用的方法，主要作用是降低蛋白中胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子活性，提高蛋白的食用安全性和加工性能。适当的热处理能够使大豆蛋白分子的疏水性氨基酸暴露于水油界面，提高大豆蛋白的表面活性和乳化性;热处理会促使蛋白质分子间、分子内肽链交联，有利于提高蛋白的凝胶形成性［11-12］;还有研究表明，热处理能够增强蛋白膜疏水性，提高蛋白膜机械强度和防水能力［13-15］。

热处理对大豆蛋白的消化性影响具有两面性。加热打开蛋白质的三级和四级结构后，热变性菜豆蛋白，在30～60 min内可以完全水解。这主要是由于胰蛋白酶的酶切位点为赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)，天然菜豆蛋白约1/4的C末端胰蛋白酶切位点大多数包埋在高级结构内部，导致消化性下降［16］。Takagi等［17］的研究也发现，与天然蛋白相比，适当的热处理打开了蛋白质的空间结构，提高了消化性。可见，蛋白质分子二硫键破坏、结构伸展或打开，暴露出胃蛋白酶和胰蛋白酶的酶切位点是消化率提高的主要原因。但是，加热处理不当会导致大量疏水基团暴露，使蛋白质分子重排形成具有抗酶解作用的聚合体。影响了蛋白质的生物利用性。研究发现，菜豆7S和蚕豆11S蛋白质120℃热处理20 min后，大鼠小肠内酶解1 h，7S产生分子量约23．7 kDa、11S产生分子量约为20 kDa的片段，消化率由原来的95%分别下降到88%和79%［18］。有关豌豆蛋白的研究也获得了相似的结果，即豌豆蛋白的结构重排使胰蛋白酶水解率下降［19-20］。这一现象显示过度热处理使蛋白分子发生重排、聚合，产生抵抗酶解作用的聚合体，氨基酸的种类和数量减少，从而降低蛋白质的营养价值［21-23］。高压处理红豆蛋白的加工特性和体外消化性的研究结果表明，高压处理能提高红豆蛋白的乳化性和溶解性，但压力超过400 MPa时，蛋白质的体外消化性明显下降，其原因与压力提高时蛋白质分子形成的聚合体有关［24］。Raikos等［25］报道了热处理的大麻籽蛋白消化率下降也与热处理产生的聚合体有关。

蛋白质在不同条件下热处理产生不同形态的聚合体，主要包括:可溶性聚合物(soluble particulate aggregates)、无定形聚合体(amorphous aggregates)、纤维或线状聚合体(fibrlliar aggregates)和球状聚合体(spherical aggregates)。研究发现，聚合体的形态决定了蛋白质消化性上的差异。Nyemb等［26］2016年研究聚合体形态对卵白蛋白体外消化性的影响时发现，线状聚合体比球状更易被酶解且能释放更多的可溶性肽段。同时，有关大豆蛋白的研究发现，β-伴大豆蛋白(7S)在不同pH和离子强度条件下，经过热诱导后产生不同的聚合物。酸性条件下(pH值2．0)热处理7S产生纤维聚合体，中性或弱碱性条件下(pH值7．5)生成无定形的聚合体。胃肠道消化实验发现，在中性条件下形成的无规则聚合体更易被消化，5 min之内即可被胃蛋白酶完全分解，而酸性条件下的纤维聚合体在60 min内相对稳定。天然蛋白的消化性介于两者之间，但水解过程中形成了分子量约为47 kDa的不可消化聚合物［27］。由此可见，蛋白质形成的聚合体抗酶解作用与否和蛋白质形成结构性质有关。大豆蛋白中除伴大豆蛋白(β，γ-伴大豆球蛋白)外，还存在球蛋白、清蛋白等蛋白质，这种多蛋白共存的体系经热处理会导致蛋白亚基间的相互作用形成更为复杂的聚合体。

除热处理外，糖基化、磷酸化和烷基化等也是大豆蛋白常用的修饰改性方法。蛋白质与还原糖在高温下发生的美拉德反应，使蛋白形成含有糖链的结构，这一反应广泛存在于食品加工过程。蛋白糖基化修饰作用主要是将碳水化合物以共价键与蛋白分子Lys的氨基和Arg的胍基相连接而形成糖基化蛋白，从而能显著提高蛋白质的溶解性［28］、乳化性［29］和抗冻结性［30］。Lys是人体的必需氨基酸，也是蛋白质糖基化、酰基化的重要位点。研究发现，糖基化改性程度越高，有效Lys的释放越少，体外消化率下降的越明显，体内实验也发现糖基化产物影响动物生长［31］。

除糖基化外，Goulet等［32］报道酰基化过程也会降低蛋白质氨基酸有效性，亚麻蛋白经过琥珀酰化处理后乳化性和溶解性均有所提高，但与未经过酰基化处理的蛋白相比，氨基酸组成上酰基化蛋白Lys的释放效率从5．8 g/100 g蛋白下降到4．6 g/100 g蛋白。大鼠实验结果表明，酰基化蛋白的净蛋白质利用率(net protein ratio，NPR)和表观消化率(apparent digestibility coefficient，ADC)下降。同时，在含有酰基化蛋白饲料中添加Lys饲喂大鼠，NPR和ADC均有所提高，但不能完全消除该影响。对乙酰化处理蛋白相关研究也得到了同样的结果。由此可见，蛋白质在糖基化、烷基化和磷酸化修饰后也会降低氨基酸的有效性，某些氨基酸(Lys、Arg和Ser)位点被屏蔽可能是导致氨基酸低效化的主要原因。然而，化学修饰的大豆蛋白消化水解产物具有怎样的结构特征，以及是否形成了阻碍相应氨基酸与水解酶结合等机制还需要深入研究。

3 国内外研究现状动态分析及展望

蛋白质的营养价值主要在于蛋白质的氨基酸组成及其有效性。尽管有些研究指出了修饰改性蛋白因结构重排、聚合或某些氨基酸位点因化学修饰屏蔽作用降低了胃肠道蛋白酶与酶切位点接触效率，从而导致酶解消化性降低［33-34］。但是，这些修饰作用对大豆蛋白胃肠道消化释放的游离或结合氨基酸的形态和数量的影响怎样，尚不清楚。

近年来，研究显示，除游离氨基酸外，肽也是氨基酸的重要吸收形式。人和动物肠道吸收蛋白质的主要载体是小肽转运载体(Pep T1)，其转运蛋白质酶解物的能力要高于氨基酸转运载体［35］。Pep T1的底物为二肽或三肽，其转运能力还与肽段的带电性、结构、侧链分子疏水性有关，经过化学修饰的大豆蛋白，氨基酸侧链被不同的基团修饰，如Lys和Arg连接的糖基或烷基、Ser连接的磷酸基团等，这些修饰作用是否会降低Pep T1转运肽段的能力从而导致必需氨基酸低效化等问题仍不清楚［36-37］。国内有研究成果分析了大豆蛋白在加热处理过程中的亚基解离和聚合行为，明确了处理温度和蛋白质结构变化导致的肽链分子间相互作用和重排的机理，从形成的聚合体组成、大小和性质分析了蛋白聚合体中亚基的空间配置结构，提出了聚合体作用模型［38-43］，并进一步研究了热处理方式对聚合体性质和凝胶形成性的影响。但是，这种多成分构成的大豆蛋白在不同的热处理和其他改性条件下是否也形成了具有抗消化作用的聚合体结构，其结构特征怎样，导致聚合体结构特征差异化可控制因素等等，目前研究报道较少。

对于氨基酸低效化问题，建议开展大豆蛋白热诱导聚集体形成和性质，以及酶解物(肽)的聚集反应和稳态化、蛋白酶解物吸收等问题研究，同时，以修饰过程中蛋白质空间结构变化为核心，重点开展影响蛋白质消化、转运吸收条件的研究，解析抗酶解蛋白结构和不利于转运吸收的酶解片段的结构特征，明确修饰改性影响大豆蛋白氨基酸营养有效性的分子机制。

4 结语

大豆蛋白酶解消化与释放的氨基酸种类、数量、肽段的分子量大小、肽结构特征与Pep T1小肽转运载体相互作用等紧密相关。修饰后氨基酸低效化是蛋白加工领域亟待解决的问题，其产生原因源于修饰改性对大豆蛋白分子结构的影响及蛋白聚合体的形成。要研究蛋白质消化、氨基酸转运吸收过程中低效化氨基酸的存在状态和结构，明确这些结构在蛋白质修饰改性处理过程中的形成机理，探索修饰改性大豆蛋白质氨基酸有效性变化规律，是对进一步提升蛋白质修饰技术水平具有重要的实践指导意义，同时对大豆蛋白产业发展及健康食品开发有积极的推动作用。

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Research Progress on Low Amino Acid Bioavailability in Soy Protein Due to Modification

GUO Shuntang1，LYU Ying2，CHEN Chen1，WANG Yahui1
(1．College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China; 2．Food Science and Engineering College，Beijing University of Agriculture，Beijing 102206，China)

Soybean protein is widely used in food processing as raw materials，at the same time is a good source of amino acids that can be ingested by human beings．In order to improve the functional properties of soy protein in industrial production，the modifications are usually made，causing the low amino acid digestion and absorption．This review summarized the functional properties and nutritional value of soybean protein，the main modification and its influence on amino acid availability，and the present researches of soybean protein，put forward some suggestions and research directions in the future，and comprehensively presented the amino acid inefficient problem of soy protein resulted from modifications．This study also explained the relationship between the protein aggregates and the amino acid digestibility，and provided some suggestions about improving the utilization rate of soybean protein and innovation of production．

soybean protein;modification;low amino acid bioavailability;aggregate

李宁)

TS214．2

A

10．3969/j．issn．2095-6002．2016．06． 003

2095-6002(2016)06-0012- 05

2016-09- 26

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA102208)。

郭顺堂，男，教授，主要从事蛋白质综合利用方面的研究。通信作者。

郭顺堂，吕莹，陈辰，等．修饰作用导致大豆蛋白氨基酸低效化问题的研究进展［J］．食品科学技术学报，2016，34 (6):12-16．

GUO Shuntang，LYU Ying，CHEN Chen，et al．Research progress on low amino acid bioavailability in soy protein due to modification［J］．Journal of Food Science and Technology，2016，34(6):12-16．

专题研究专栏