夏軒澤，李言，錢(qián)海峰，張暉，齊希光，王立

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫,214122)

豌豆是一種重要的豆科作物，在全球84個(gè)國(guó)家/地區(qū)均有種植，在世界豆類(lèi)總產(chǎn)量中占36%左右[1]。研究表明，豌豆具有增強(qiáng)免疫力、預(yù)防癌癥、抗菌消炎以及保護(hù)視力等健康作用[2]。豌豆中蛋白質(zhì)和碳水化合物含量較高，脂肪含量低，且含有多種維生素和礦物質(zhì)[3]。豌豆蛋白氨基酸組成相對(duì)較為平衡[4]，與谷類(lèi)蛋白質(zhì)相比，豌豆蛋白質(zhì)的賴(lài)氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸含量較高，但含硫氨基酸含量相對(duì)較低[1,5]。豌豆蛋白致敏性低、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高[6]，還具有預(yù)防腎病、降低患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[7]等健康作用，因而其受到廣泛關(guān)注，預(yù)計(jì)2020年豌豆蛋白市場(chǎng)將達(dá)到3 480萬(wàn)美元[8]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)豌豆的開(kāi)發(fā)利用還僅限于豌豆淀粉的提取利用，豌豆蛋白也僅當(dāng)作淀粉生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物并用作飼料中的蛋白源，相關(guān)深度開(kāi)發(fā)較少，在一定程度上造成了蛋白資源的浪費(fèi)[9]。

目前食品工業(yè)中使用的蛋白質(zhì)主要來(lái)自大豆、乳清和小麥，由于飲食習(xí)慣和致敏性等方面的影響，越來(lái)越多的研究人員、生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者在尋找合適的蛋白質(zhì)來(lái)源[7,10]。天然豌豆蛋白pI約為4.5，在pH為9時(shí)最大溶解度約可達(dá)到95.2%[10]。但在蛋白的提取過(guò)程中，如使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、加熱等條件，豌豆蛋白質(zhì)的溶解度大大降低[11]。同時(shí)，豌豆蛋白對(duì)熱敏感的特性以及其自身較差的乳化性[12]，導(dǎo)致其在食品中的應(yīng)用受限，利用時(shí)主要考慮其較弱的酸性溶解性和熱穩(wěn)定性[6]。

因此，為深度開(kāi)發(fā)利用豌豆蛋白，很多研究人員對(duì)豌豆蛋白的理化性質(zhì)尤其是乳化性改善方面進(jìn)行了研究。本文整理了有關(guān)豌豆蛋白的組成、乳化性以及改性對(duì)其乳化性影響的研究成果，以期提高豌豆蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用，為豌豆蛋白的開(kāi)發(fā)利用提供思路。

1 豌豆蛋白組成及其乳化性

作為一種食用蛋白源，豌豆蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值主要取決于其必需氨基酸的含量、比例及其生物利用率[13]。表1列出了豌豆蛋白的氨基酸組成[14-15]，可以發(fā)現(xiàn)豌豆蛋白氨基酸比例較為均衡，人體所必需的8種氨基酸中除蛋氨酸含量較低外，其余均達(dá)到FAO/WHO的推薦模式值[16]。豌豆蛋白的生物價(jià)為48%～64%，功效比為0.6～1.2，也高于大豆[17]。因此，豌豆蛋白可視為一種良好的必需氨基酸源。

根據(jù)品種或生長(zhǎng)環(huán)境不同，豌豆的蛋白質(zhì)含量從23.3%至31.7%不等[18]。豌豆蛋白主要是水溶性白蛋白和鹽溶性球蛋白，分別占總量的18%～25%和55%～80%，還可以發(fā)現(xiàn)少量的谷醇溶蛋白(溶于稀醇)和谷蛋白(溶于稀酸)[19]。豌豆白蛋白中色氨酸、賴(lài)氨酸和蘇氨酸含量較高，而豌豆球蛋白中精氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸含量較高。豌豆白蛋白分子質(zhì)量在5～80 kDa，包含酶蛋白、蛋白酶抑制劑、淀粉酶抑制劑和凝集素[3]。在白蛋白中主要鑒定出2個(gè)部分：一個(gè)較大的白蛋白蛋白質(zhì)，包含2個(gè)多肽(分子質(zhì)量約為25 kDa)和1個(gè)次要蛋白質(zhì)(分子質(zhì)量約為6 kDa)。鹽溶性球蛋白作為一種貯藏蛋白，包含豆球蛋白、豌豆球蛋白以及伴豌豆球蛋白。其中豆球蛋白是一種六聚體蛋白，分子質(zhì)量為320～400 kDa，沉降系數(shù)為11 s，包含6個(gè)亞基，這些亞基通過(guò)非共價(jià)相互作用結(jié)合在一起，每個(gè)亞基由1條酸性鏈(40 kDa)和1條堿性鏈(20 kDa)通過(guò)二硫鍵連接。雖然每個(gè)酸性鏈和堿性鏈表現(xiàn)出一定的異質(zhì)性，但酸性鏈以谷氨酸為主，N-末端氨基為亮氨酸，而堿性鏈含有更多的丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸，N-末端氨基為甘氨酸[19]。豌豆球蛋白是三聚體蛋白，分子質(zhì)量為150～200 kDa，沉降系數(shù)為7 s，具有3個(gè)亞基(每個(gè)亞基約50 kDa)，這些亞基通過(guò)疏水作用而不是共價(jià)的二硫鍵結(jié)合在一起。豌豆球蛋白的γ-亞基有時(shí)在C末端附近被N-糖基化[19]，糖基化的豌豆球蛋白比豆球蛋白具有更好的表面親水性，更易溶于水；同時(shí)，界面性質(zhì)更好，易形成堅(jiān)固的凝膠，泡沫和乳液的穩(wěn)定性提高。豌豆球蛋白含有較低比例的含硫氨基酸和色氨酸，以及更高比例的堿性和酸性氨基酸，N-末端氨基通常由絲氨酸、谷氨酸和天冬氨酸表示。豆球蛋白和豌豆球蛋白均以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。盡管氨基酸指紋圖顯示豆球蛋白和豌豆球蛋白之間的同質(zhì)性為70%～80%，但可通過(guò)N-末端分析來(lái)區(qū)分[19]。伴豌豆球蛋白分子質(zhì)量約為70 kDa，它能與3種轉(zhuǎn)化蛋白分子形成約210 kDa的三聚體(或約290 kDa，含N-端延伸)，或與豌豆球蛋白形成異三聚體。其氨基酸組成與豆球蛋白和豌豆球蛋白都不同[3]，其中與豌豆球蛋白不同的是它含有含硫氨基酸和1個(gè)高電荷的N-端延伸[19]。豌豆中豆球蛋白/豌豆球蛋白比率范圍為0.2～8.0，此比率影響豌豆蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值(如可用的賴(lài)氨酸含量)和功能性(如溶解性、界面性質(zhì)、質(zhì)地、起泡和乳化性)[20]。

表1 四種豆類(lèi)種子粗蛋白氨基酸含量 單位：g/100g

在食品工業(yè)中應(yīng)用，蛋白的營(yíng)養(yǎng)性是一個(gè)方面，而包括乳化性在內(nèi)的一些物理化學(xué)性質(zhì)更會(huì)嚴(yán)重影響其應(yīng)用。豌豆蛋白由于其較好的兩親性(親水性和親油性)而具有一定的乳化性，但要弱于大豆蛋白和蠶豆蛋白[21]，導(dǎo)致其在食品工業(yè)中的應(yīng)用受到限制。因此近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞豌豆蛋白的乳化性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，以期明確豌豆蛋白結(jié)構(gòu)與乳化性之間的關(guān)系，提高豌豆蛋白的應(yīng)用價(jià)值。盧菊慧[22]發(fā)現(xiàn)豌豆蛋白中7 s和11 s球蛋白因結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)可快速吸附到界面上，增加乳化活性，而少量的可溶性聚集體能減少油滴聚結(jié)分層，使乳化穩(wěn)定性更強(qiáng)。KARACA等[21]研究發(fā)現(xiàn)在豌豆蛋白表面電荷增加而表面疏水性降低時(shí)，乳化能力增強(qiáng)。BARAC等[23]認(rèn)為豌豆蛋白的柔韌性和蛋白質(zhì)之間的相互作用可能對(duì)乳化活性起著至關(guān)重要的作用。

豌豆蛋白的乳化性很大程度上取決于豌豆的來(lái)源、加工和環(huán)境條件，考慮到豌豆蛋白作為一種乳化劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值，需要對(duì)豌豆蛋白的結(jié)構(gòu)及乳化性進(jìn)行深入研究，明確其中的關(guān)系以利于其更為廣泛的應(yīng)用。

2 豌豆蛋白的改性對(duì)乳化性的影響

目前食品工業(yè)用作乳化劑的蛋白質(zhì)主要來(lái)自牛奶(或乳清)、大豆、雞蛋等[24]，這些蛋白質(zhì)由于其商業(yè)可獲得性、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和出色的功能特性而被廣泛使用，但它們都是常見(jiàn)的食物過(guò)敏原[25]。豌豆蛋白因其低致敏性和低成本而被認(rèn)為是上述蛋白質(zhì)的良好替代品。豌豆蛋白作為一種乳化劑在食品工業(yè)中應(yīng)用程度較低，主要是由于其較低的溶解度和乳化性，同時(shí)也由于使用不同品種以及方法生產(chǎn)的豌豆蛋白乳化性差異較大[8,26-27]，因此需要對(duì)其進(jìn)行改性處理來(lái)改善其利用性能。目前已報(bào)道的關(guān)于豌豆蛋白的改性方法主要分為三類(lèi)：物理改性法、化學(xué)改性法、酶法改性法[15]。物理改性具有成本低、安全、處理時(shí)間短、對(duì)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)性能損害小等特點(diǎn)[28]，但對(duì)機(jī)械設(shè)備要求高[12]；化學(xué)改性操作簡(jiǎn)便、效果較好，但可能引入有害副產(chǎn)物而影響食品的安全性[26]；酶法改性反應(yīng)條件溫和、專(zhuān)一性強(qiáng)，反應(yīng)程度易控制，副反應(yīng)少，但反應(yīng)速率慢、生產(chǎn)成本高[27]。此外，基因工程技術(shù)也可作為蛋白質(zhì)改性的方法，但其技術(shù)周期長(zhǎng)，在食品中應(yīng)用的安全性短期內(nèi)無(wú)法知曉，目前主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[28]。

2.1 物理改性

物理改性法是指利用熱、機(jī)械力、聲波、射線(xiàn)以及電磁場(chǎng)等物理作用定向改變蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)分子間的聚集方式，一般不影響蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)[28]。PENG等[4]比較了95 ℃下熱處理30 min和未經(jīng)熱處理的豌豆蛋白的乳化性，發(fā)現(xiàn)其亞基熱處理后會(huì)產(chǎn)生二硫鍵并連接成聚集體，表面疏水性增加，從而使O/W界面張力降低，改善其乳化性和乳化穩(wěn)定性。CHAO等[29]發(fā)現(xiàn)高壓會(huì)改變豌豆蛋白結(jié)構(gòu)，促使高分子質(zhì)量蛋白聚集體形成，從而提高其乳化性和乳化穩(wěn)定性。WANG等[30]發(fā)現(xiàn)電子束輻射會(huì)引起豌豆蛋白解折疊，暴露出更多的肽鍵，可以增強(qiáng)豌豆蛋白的表面疏水性(可達(dá)174.09%)，提高乳化活性(增加68.32%)，但乳化穩(wěn)定性降低，同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻射劑量超過(guò)50 kGy時(shí)，乳化穩(wěn)定性不再降低。MCCARTHY等[31]對(duì)比了超聲、均質(zhì)和微流化3種處理方式對(duì)豌豆蛋白乳化性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理(<50 ℃)制備的乳液乳化性能最好，液滴尺寸能夠達(dá)到0.1～2.5 μm。超高溫處理可以改善微流化乳液的性能，QAMAR等[32]采用微流化(500 bar)和超聲(1、3和5 min)制備超高溫豌豆蛋白乳液，發(fā)現(xiàn)微流化能使豌豆蛋白在在水包油乳劑界面處解折疊，制備的乳液液滴(0.36 μm)比超聲技術(shù)更均勻、更小，ζ電勢(shì)更高(-27.30 mV)，從而使乳液更穩(wěn)定。

總體看來(lái)，在物理改性方面，目前研究較多的是均質(zhì)和加熱處理對(duì)豌豆蛋白乳化性的影響。同時(shí)，物理改性法常與化學(xué)改性和酶法改性相結(jié)合，如JIANG等[33]發(fā)現(xiàn)pH偏移和超聲聯(lián)合處理能夠斷裂豌豆蛋白的二硫鍵和非共價(jià)鍵，使其溶解度是未處理樣品的7倍，表面疏水性指數(shù)為59.2%，從而使得乳化能力改善。王忠合等[34]采用超聲輔助酶法制備的豌豆蛋白，經(jīng)適當(dāng)水解后，豌豆蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原來(lái)包裹在蛋白質(zhì)分子中的疏水基團(tuán)暴露出來(lái)，乳化活性可以從32.1 m2/g提高到55.3 m2/g。雖然已有一些物理方法處理改善豌豆蛋白乳化性的相關(guān)報(bào)道，但相關(guān)作用機(jī)理還不明確，同時(shí)，幾種方法聯(lián)合使用的改性效果還少見(jiàn)報(bào)道，在這些方面可以開(kāi)展深入研究。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是用化學(xué)方法使蛋白質(zhì)肽鏈部分?jǐn)嗔鸦蛞胄碌幕钚怨倌軋F(tuán)，從而使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、電荷特性、疏水基團(tuán)改變，最終改變蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)[26]。JIANG等[35]發(fā)現(xiàn)堿性處理的豌豆蛋白非極性氨基酸殘基側(cè)鏈暴露，與油滴的疏水相互作用改善，能有效地將乳液分解成更小的液滴，且在貯存過(guò)程中乳液顆粒的積聚速度比天然豌豆蛋白慢50%左右，使乳化穩(wěn)定性提高。LIU等[36]發(fā)現(xiàn)豌豆球蛋白與阿拉伯膠在形成復(fù)合物時(shí)，蛋白部分展開(kāi)，暴露更多疏水部分，絡(luò)合后疏水性增強(qiáng)，在油-水界面的吸收增加，界面張力降低，乳化穩(wěn)定性提高了2倍左右。ZHA等[37]發(fā)現(xiàn)豌豆水解蛋白與阿拉伯膠經(jīng)美拉德反應(yīng)共軛1 d后，與阿拉伯膠共價(jià)結(jié)合，乳劑液滴尺寸可從5.08 μm顯著降低至0.75 μm，且在很寬的pH范圍內(nèi)(2～8)保持穩(wěn)定，從而改善了豌豆蛋白的乳化性。JOHNSON等[38]用琥珀酸和乙酸酐?；幚硗愣沟鞍?，發(fā)現(xiàn)酰化引起蛋白質(zhì)鏈的展開(kāi)，暴露出肽鏈的親水性和疏水性部分，從而使其具有更好的乳化性和乳化穩(wěn)定性，而且酰化程度越高，乳化性的改善效果越明顯。LIU等[12]發(fā)現(xiàn)豌豆蛋白經(jīng)磷酸化處理后，α-螺旋和β-折疊增加，β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲減少，溶解度增加171.21%，乳化能力增加63.07%，乳化穩(wěn)定性增加69.08%，乳化性能顯著改善。在豌豆蛋白的改性研究中，化學(xué)改性研究較為廣泛，但不同的化學(xué)改性方式對(duì)豌豆蛋白乳化性改善效果不同，具體的影響機(jī)制也不明確，有待于深入研究。

2.3 酶法改性

3 應(yīng)用與展望

近年來(lái)，由于植物蛋白對(duì)健康和環(huán)境的有益影響，用植物蛋白代替動(dòng)物性乳化劑或合成乳化劑引起了廣泛關(guān)注[44]。天然豌豆蛋白來(lái)源廣泛且具有良好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，通過(guò)合適的改性方法制備的豌豆蛋白乳化性良好，可以作為乳化劑在食品工業(yè)中應(yīng)用。王宇等[45]發(fā)現(xiàn)經(jīng)堿處理后的豌豆蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性均優(yōu)于大豆蛋白，改性后的豌豆蛋白可替代植脂奶油配方中2%的脂肪。LIU等[12]將磷酸化的豌豆蛋白與4 g/L的黃原膠混合制成豌豆蛋白-脂肪模擬物，在芒果慕斯蛋糕中添加這種豌豆蛋白-脂肪模擬物可以減少最多20%的淡奶油的含量。SHAH等[46]發(fā)現(xiàn)用丁二酸酐、辛烯基丁二酸酐和十二烯基丁二酸酐改性的豌豆蛋白可以作為無(wú)蛋蛋糕的添加劑，這些添加劑的加入使蛋糕的膨松度和緊實(shí)性提高。因此，豌豆蛋白的這些酰化衍生物可用于替代傳統(tǒng)蛋白質(zhì)、乳化劑，開(kāi)發(fā)出配方更簡(jiǎn)單的食品。改性豌豆蛋白還可以用作食品納米乳液的乳化劑，用于保護(hù)和輸送食品中的有效健康成分。LIANG等[47]發(fā)現(xiàn)經(jīng)微流化處理制成的豌豆蛋白納米顆粒具有良好的乳化穩(wěn)定性，在酸性條件下具有作為食品級(jí)皮克林優(yōu)良乳化劑的巨大潛力。JIANG等[48]通過(guò)pH改變和超聲聯(lián)合處理改性豌豆蛋白，并使用通過(guò)該方法生產(chǎn)的可溶性豌豆蛋白納米聚集體制備維生素D3負(fù)載納米乳液，該納米乳液具有更高的維生素D3回收率和良好的穩(wěn)定性。

盡管研究發(fā)現(xiàn)改性后乳化性改善的豌豆蛋白具有很大的市場(chǎng)前景，但目前其作為乳化劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用還較少，主要原因可能是相關(guān)研究中還存在以下問(wèn)題：(1)不同的改性方式對(duì)豌豆蛋白乳化性改善效果不同，且其具體的影響機(jī)制尚不明確。建議深入研究其機(jī)制，為制備乳化性更好的豌豆蛋白提供依據(jù)。(2)目前幾種方法聯(lián)合使用對(duì)豌豆蛋白乳化性改善效果較好，且可以克服單一改性的缺陷，但相關(guān)的報(bào)道還較少，在這些方面可以深入開(kāi)展研究。(3)現(xiàn)有的一些應(yīng)用研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中還要考慮到一些加工環(huán)節(jié)和工藝的影響，建議在這些方面深入開(kāi)展研究，以期早日將改性豌豆蛋白應(yīng)用在食品工業(yè)中。相信隨著對(duì)豌豆蛋白改性方法研究的不斷深入，豌豆蛋白作為一種乳化劑將在食品工業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用。