全 文 ：第 21 卷　第 1 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2001年　1 月
Vol.21　No.1　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Jan., 　2000
大豆蛋白磷酸化
孙学斌　宋丹凤
(哈尔滨医科大学 , 哈尔滨　150086)
摘　要　对大豆蛋白磷酸化的方法作了较为系统的归纳和总结 ,以寻求大豆分离蛋白的最佳改性
方式 ,为充分利用大豆资源提供了新途径。
关键词　大豆;大豆分离蛋白;磷酸化
PHOSPHORYLATION OF SOY PROTEIN
SUN Xue-Bin　SONG Dan-Feng
(Harbin Medical University , Harbin 150086)
Abstracts　This review is related to several novel chemical phosphory lation methods for improvement
of the functionalities of soy protein isolate.It provides a good way to utilize the resources of the soy-
bean .
Key Words　Soy;Soy protein isolate;Phospho rylation
　　众所周知 ,大豆蛋白是人类食品的重要蛋白质
来源之一。大豆分离蛋白(SPI)因其高蛋白含量及
在某些食物体系中良好的功能性质 ,作为一种食物
成分业已受到重视。大豆分离蛋白是以低变性脱脂
大豆粉或浓缩大豆蛋白为原料 ,经碱 、酸等一系列处
理后得到的组分较均一 ,机能特性较强的蛋白质 。
大豆分离蛋白的等电点在 pH =4.2 ～ 5.6 范围内 。
在该范围 ,大豆分离蛋白的溶解性 、粘度 、发泡性及
泡沫稳定性 、乳化性及持水性最弱 。因此 ,大豆蛋白
无法用于酸性食物 ,如饮料 、咖啡 、乳脂蛋黄酱等 。
在其它大多数食品中 ,大豆蛋白也缺少必要的功能
性。然而这些功能性质可以用食品工业接受的改性
方法得以提高和扩展 。在美国 ,大豆蛋白制品的基
本品种只有 5 ～ 6种 ,但通过功能性和配方特点配合
生产的产品却有 50 ～ 60种。目前 ,我国大豆制品的
发展 ,无论是数量上还是品种上 ,其水平相对较低 。
目前 ,中国最好的分离蛋白也只相当于美国七十年
代的产品。因此 ,利用化学改性提高大豆蛋白质的
食用价值和应用领域 ,无疑具有十分重要的意义 。
以化学方法加以带负电荷的磷酸基 ,增加了大豆蛋
白的溶解度乳化能力 、发泡能力 、持水能力[ 1] ,故在
众多化学方法中 ,磷酸化改性尤其引人注目 。
此综述的目的在于归纳化学磷酸化的零散资
料 ,包括使用的较有发展的磷酸化试剂 ,大豆分离蛋
白的功能性改变情况 ,以及大豆分离蛋白营养价值
(体内 、体外蛋白消化情况)的改变 ,来寻求大豆分离
蛋白的最佳改性方式 ,以克服其固有的缺点 ,更好地
利用大豆蛋白资源。
磷酸化试剂:环状磷酸三钠(STMP)Na3P3O9
S TMP是 FDA(美国食品与药品管理局)准可
的食品添加剂。在碱性环境中 ,亲电性强。在与蛋
白质反应时 ,羟氨酸磷酸酯化和赖氨酸氨基磷酸化
的迹象即可发生。特别是大豆蛋白中丝氨酸残基的
羟基与S TMP 发生不可逆反应 ,胜过苏氨酸残基的
羟基 ,结果形成稳定的 o-磷酸丝氨酸和等量焦磷
酸盐 ,而赖氨酸残基的ε-氨基可更有效地与 STMP
反应产生酸性不稳定ε-氨基赖氨酸磷酸酯。(图
1)
作者简介:孙学斌(1965-),硕士 ,讲师。研究方向:大豆及其深加工。收稿日期:1999-9-16
图 1　大豆蛋白在碱性条件下 , 同环状磷酸三钠酯化和氨基酸酯化
Fig.1 Soy protein esperized with STMP & ammonium phosphate in alkaline
　　这两个反应取决于 pH 值 。如果反应物酸化到
pH=5以下 ,氨基磷酸酯键裂开 ,通过氨基磷酸酯中
氮原子化作中间产物 ,就逆转还原 。这一特性对于
该法用于改良大豆蛋白质具有双重优点 。首先 ,反
应的终产物中 ,主要在蛋白质的丝氨酸残基处磷酸
酯化;其次是赖氨酸残基在较高 pH 值下发生氨基
磷酸化时 ,对其ε-氨基产生不必要的副反映 ,如形
成赖氨酸丙氨酸 ,提供暂时保护 。赖丙氨酸具有肾
毒性 ,在食品工业中要努力抑制其产生。磷酸化大
豆蛋白最后通过等电点沉淀而分离时 ,游离ε-氨
基能够再生。有效抑制了碱性条件下赖丙氨酸的形
成 ,保护了必需氨基酸的营养性。
在STMP 磷酸化大豆蛋白方面 ,台北 Sung 等
人做了数次报导:
1981 年在“制备与磷酸化大豆蛋白的功能
性”[ 2]中 ,指出 STMP 磷酸化后 ,改性蛋白质等电点
从 pH=4.5 ～ 5.2降至 3.7 ～ 4.0 ,丝氨酸及微量苏
氨酸 、酪氨酸被磷酸化 ,大豆分离蛋白用于食品的功
能性 ,如发泡性 、持水性得以改善。
同年 , 在“磷酸化大豆蛋白体外消化评价”[ 3]
中 ,STMP在弱碱条件下 ,有效地改善了大豆蛋白的
溶解性和其它功能性质 。在 STMP 处理过的大豆
蛋白与未处理蛋白的氨基酸组成比较中 ,发现碱不
稳定性氨基酸 ,如赖氨酸 ,在 STMP 磷酸化中被加
以保护。经蛋白酶(胃蛋白酶 、胰蛋白酶)消化后 ,磷
酸化大豆蛋白与未处理的蛋白相似 ,但磷酸化大豆
蛋白水溶性提高 。
1983年 , Sung 等报导[ 1] STMP 磷酸化大豆蛋
白 ,在 PH=11.5 , 35℃, 1%S TMP 条件下 ,大豆蛋
白中 30%的丝氨酸残基被磷酸化。由此制取的磷
酸化 SPI ,水溶性 、持水能力 、乳化能力和发泡能力
等功能性质大大改善且生物效应不降低 。
同年 ,在“磷酸化大豆分离蛋白在食品中的应
用”中指出 , STMP 磷酸化 SPI 产量为大豆干重的
32%,为总蛋白含量的 63.5%。在利用性测试中 ,
磷酸化SPI适合作为食物蛋白成分加入猪肉丸和蔬
果奶的加工中 。
Sung 等人于 1982 年申请了美国专利 , 认为
S TMP 磷酸化大豆蛋白可以用于生产。1公斤脱脂
大豆粉在 pH =4.5 处用 10 升水等电点清洗 3次 。
沉淀物于 10升水 ,pH =2时搅拌 30分钟 ,离心。上
清液用 40%NaOH 调至 pH =11.5 , 加 100 克
S TMP。混和物于 35℃保温 2 小时 ,最后磷酸化蛋
白 pH=4.5时沉淀 、洗涤 、干燥。
另外 ,日本于 1982年 ,韩国于 1988年也有专利
报道:S TMP 磷酸化大豆蛋白显著改善了大豆蛋白
的溶解性 、发泡性 、持水能力 、吸油/脂性 、粘度 、弹性
和组织性 。
然而 , Matheis等无法重复 Sung 的工作 。因难
于去除蛋白质中所有被吸收的磷酸盐 , 故怀疑
S TMP 是否是与蛋白质共价结合 。
三聚磷酸钠(STP)Na5P3O10
三聚磷酸钠早已作为食品添加物应用于食品工
业 ,从毒理学的观点来看 ,采用 STP 对大豆蛋白进
行改性 ,是安全可行的[ 4] 。STP 是与蛋白质的胺基
或羟基反应的。PH <9 时 ,羟基活性弱 ,当大豆蛋
白与 STP 在 PH =7 ～ 9 反应时 ,只是胺基表现活
性 ,羟基不起反应。经红外光谱证实 ,改性蛋白分子
中新增加的磷酸根 ,而且这个磷酸根是连接在氮原
子上的。反应实质是赖氨酸残基的氨基磷酸酯化反
1071 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　孙学斌等:大豆蛋白磷酸化
应。(图 2)
图 2　大豆分离蛋白与 STP 的磷酸化反应
Fig.2 Soy protein pho sphoryla ted w ith STP
　　STP 改性大豆分离蛋白 ,得出 3%分离蛋
白磷酸化程度最佳的工艺条件为 pH =8.0 ,
S TP3%, 35℃保温 3.5 小时 , 此时磷酸化程度为
57%,等电点由 4.5漂移到 3.9 。经过 STP 改性后
的大豆蛋白的水溶性 、发泡能力 、乳化能力 、持水能
力明显提高 ,蛋白质溶液粘度也提高了。报道未做
营养性评价。
氯氧化磷(POCl3)
氯氧化磷常用于磷酸化蛋白质 。已经尝试用氯
氧化磷磷酸化的蛋白质有:酪蛋白 、乳清蛋白 、β-乳
球蛋白 、卵清蛋白 、血清白蛋白 、血清球蛋白 、血红蛋
白 、大豆蛋白等 。
氯氧化磷可用于液体或非液体环境 。在液体体
系 ,POCl3与 H2O 发生放热反应。(式一)当 POCl3
直接加入液体蛋白溶液 ,过低的 PH 值(式一)以及
产生的热导致蛋白质变性。为了减少这些问题 ,
POCl3 常溶于有机溶剂 ,然后加入液体蛋白溶液 。
pH 值可逐渐加入 NaOH 调节 ,温度可控(通常用冰
浴)。POCl3 在 SDS(十二烷基磺酸钠)巯基乙醇[ 5]
存在下 ,经 PAGE(聚丙烯酰胺凝胶电泳)显示可引
起蛋白质分子内交联 。交联的本质尚不清楚 ,可能
包括O.O′-磷酸二酯或 N.N′-磷酸二氨桥等肽
键。当ε-NH2为赖氨酸的ε-氨基时 ,后者被认为
按下式(二 、三)形成 。
日本人Hirotsuka在碱性条件下 ,用 POCl3磷酸
化大豆分离蛋白。磷酸根结合量为 14μg/mg 大豆
分离蛋白 。磷酸化的大豆分离蛋白氨基酸分析显示
结合于蛋白的磷酸根类型为正磷酸 ,被磷酸化的氨
基酸为赖氨酸和组氨酸。经 Woo[ 6] 的 NMR(核磁
共振)资料证实。磷酸化后的整个大豆蛋白电负性
增加 ,在原等电点(pH =4.5)不沉淀 ,并可在此 pH
值下有形成凝胶 、乳化能力 。磷酸化的大豆分离蛋
白在酸性范围内的良好功能性 ,使其在促进酸性食
物的组织性 、色泽 、味道及营养方面用途广泛 。同
时 ,磷酸化的 SPI对 Ca2+不敏感的性质可用于大豆
制品 ,如大豆奶品中补充钙 。磷酸根与赖氨酸ε-
氨基的结合 ,防止了不必要的副反映 ,如蛋白-糖反
应及赖丙氨酸的形成 。磷酸化 SPI经消化性测试与
未磷酸化蛋白无明显区别 。故认为磷酸化大豆分离
蛋白是一种在广泛 pH 范围内有着良好功能性的非
常有用的物料 。
蛋白质的物理化学和功能性质很大程度地依赖
于它们的蛋白质组成 ,换句话说 ,依赖于蛋白质氨基
酸残基侧链结构。因此 ,有目的地通过化学修饰等
方法修饰氨基酸残基侧链被认为可以改善功能性 。
修饰的目的多样:去除蛋白质中不需要的毒性和抗
营养成分;通过加减荷电基团 ,增减蛋白质溶解度;
改变蛋白质功能性质 ,如溶解度凝胶作用 、乳化作
用 、发泡作用等;通过与限制性必需氨基酸结合促进
营养性质等等 。蛋白质的化学修饰为食品科学家提
供了关于食品体系结构 -功能关系的新观念 。而
且 ,一些蛋白质衍生物可作为新的食品添加成分为
食品体系补充必要功能 。然而 ,食物中化学修饰蛋
白的使用 ,提出了关于改性后蛋白质营养和安全性
的问题 ,特别是必需氨基酸形成衍生物的情况 。这
些遗留的问题 ,不仅有修饰后蛋白质的安全性问题 ,
如对消费者是否有毒性作用 ,还有在修饰过程中的
化学残留问题 ,如难于从终产物中去除未反应试剂
等等 。
在众多的化学修饰方法中 ,磷酸化蛋白是很有
前途的用于改善食物蛋白功能性质的方法。为开发
利用我国大豆资源 ,提高植物蛋白摄入情况提供了
新途径。
目前看来 ,S TMP 、STP 、POCl3 有可能是大规模
用于大豆分离蛋白改性的经济实用的磷酸化试剂 。
S TMP 磷酸化大豆分离蛋白改善了大豆蛋白的
一系列功能性 ,包括其水溶性 。有人对 S TMP 是否
共价结合于大豆蛋白提出怀疑 。STMP磷酸化须经
碱性环境 ,在典型实验中大豆蛋白于 STMP 在 pH
=11.5 ,35℃,保温 3小时 。蛋白质在碱性溶液中发
生许多变化 ,包括赖丙氨酸的形成和氨基酸消旋化 。
故有必要研究用 STMP 磷酸化大豆蛋白中赖丙氨
酸和 D-氨基酸形成的可能性。
S TP 对大豆分离蛋白进行化学改性 ,得出 3%
大豆分离蛋白磷酸化程度最大的工艺条件为 PH =
8.0 ,S TP 浓度 3%, 35℃保温 3.5小时 ,此时磷酸化
程度为 57%。用红外光谱证实反应实质为赖氨酸
残基的氨基磷酸酯化 。故对其营养性是否降低 ,有
必要做进一步研究。
108 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　20 卷
POCl3 磷酸化大豆分离蛋白反应条为 4%SPI ,
pH=10 ～ 11 ,反应 30 分钟。磷酸基结合量每毫克
SPI为 14 微克 。POCl3 磷酸化蛋白可引起蛋白质
发生交联现象 ,使水溶性降低 。然而 POCl3 磷酸化
大豆蛋白改善了凝胶形成性质 ,特别是在有 Ca2+存
在的条件下 ,持水能力也得以改善 。
表 1 磷酸化后功能性的改变
Table 1 Functionality changes after phosphorylation
磷酸剂
Phosphate agent
主要磷酸化氨基酸
Phosphory lated
amino acids
功能性的改变
Functionality changes
S TMP
丝氨酸
Serine
水溶 、持水 、乳化 、发泡 、吸油脂 、粘度 、弹性 、组织性升高
Solubility ,Water-holding capacity , Emulsifying
capacity , Foam expansion , Oil/ fat absorption ,
Viscosity , Elasti city , Tex ture capacity
S TP
赖氨酸
Lysine
水溶 、持水 、乳化 、发泡性升高
Solubility ,Water-holding capacity ,
Emulsifying capacity , foam expansion
POCl3
赖氨酸　组氨酸
Lysine Histidine
乳化 、凝胶作用(特别是钙离子存在时)
在酸性溶液溶解度升高;水溶性降低
Emulsifying capacity , Gelatification(expecially existing
in Ca2+)Solubility in acid solution , Decrease aqueous solubility
　　磷酸化大豆蛋白的体内消化实验仅对磷酸化
酪氨酸时加以研究 ,用来培养 T.嗜热菌 。有必要进
行动物实验来观察哺乳动物消化 、吸收 、利用磷酸化
大豆蛋白的情况和研究引入蛋白的潜在毒性残基改
善蛋白在食物中的利用情况。
食物蛋白磷酸化为充分利用蛋白质资源提供了
新途径 ,但如何使我国丰富的大豆蛋白资源造福于
人民 ,还需食品化学家的艰辛工作 ,努力攻关 。
参　　考　　文　　献
1.Sung ,H.Y.;Chen , H.J.;Liu , T.Y.;Su , J.C.Improement
of The Functionalties of Soy Pro tein Isolate through Chemi-
cal Phospho rylation.J.Food Sci.1983 , 48 , 716 ～ 721.
2.Sung , et al.Research -repor t:Food industry research and
development institute.(Yen Chiu Pao Kao-Taiwan)1981 ,
183 , 38.
3.Chen ,H.J.;Sung , H.Y.et al.Research-report:Food in-
dustry research and development institute.(Yen Chiu Pao
Kao-Taiwan)1981 , 225 , 13.
4.凌关庭等编.食品添加剂手册 Vol.A.北京:化学工业出版
社 , 1997
5.Matheis et al.Phosphory lation of Casein and Lysozyme by
Phosphorus oxychlo ride.J.Agric Food Chem.1983.31.379
～ 387.
6.Woo l , et al.Chemical Phosphory lation of Bovine β - lac-
toglobulin.J.Agric.Food Chem.1982 , 30 , 65.
1091 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　孙学斌等:大豆蛋白磷酸化