食品加工中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對食品品質(zhì)的影響

胡燕，袁曉晴，陳忠杰

（1.河南商業(yè)高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450044；2.鄭州牧業(yè)工程高等專科學(xué)校，河南 鄭州 450011）

食品加工中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對食品品質(zhì)的影響

胡燕1，袁曉晴1，陳忠杰2

（1.河南商業(yè)高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450044；2.鄭州牧業(yè)工程高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450011）

在食品的儲藏加工過程中，能引起食品中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的因素有很多，而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變會導(dǎo)致食品物理、化學(xué)和營養(yǎng)等多方面的變化。其中有有利于食品成型或食品色澤、口感、營養(yǎng)等各方面的變化，也有不利的變化。系統(tǒng)介紹能引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變的因素，以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變對食品品質(zhì)的影響，可以為加工中食品品質(zhì)的控制提供一些理論依據(jù)，以期生產(chǎn)出形狀、色澤、口感和營養(yǎng)等各方面都更加出色的食品。

蛋白質(zhì)；結(jié)構(gòu)；物理化學(xué)；營養(yǎng)；變化

在食品加工和儲藏中，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)用酸、堿、濃鹽溶液、有機(jī)溶劑、熱高壓、激烈振蕩和輻射處理時，會不同程度的改變其構(gòu)象。從分子結(jié)構(gòu)上看，這些結(jié)構(gòu)的變化是多肽特有的折疊結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，成為無規(guī)卷曲混亂伸展的結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化必然會使蛋白質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化：①由于疏水基團(tuán)大量暴露在分子表面，從而降低了蛋白質(zhì)的溶解度；②改變了對水的結(jié)合能力；③由于結(jié)構(gòu)改變后的蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)破壞，很難保持原有的生物活性；④發(fā)生絮集，形成不可逆的凝膠；⑤由于肽鏈暴露，特別容易受到蛋白質(zhì)酶的攻擊，從而提高對蛋白酶水解的敏感性；⑥黏度增加；⑦不能形成結(jié)晶等。正因如此，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化必然會引起食品物理化學(xué)和營養(yǎng)等各方面的變化。在食品加工和儲藏中，有控的和適度的蛋白質(zhì)變性，可能有利于發(fā)揮蛋白質(zhì)的營養(yǎng)屬性和功能性質(zhì)；強(qiáng)烈的變性則會破壞蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)，給食品的性狀帶來不利[1]。

1 導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的物理化學(xué)因素

1.1 導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的物理因素

1.1.1 加熱

熱是蛋白質(zhì)變性最普通的物理因素，熱變性是最常見的變性現(xiàn)象，大多數(shù)蛋白質(zhì)在45℃～50℃已可察覺到變性。蛋白質(zhì)對熱變性作用的敏感性取決于許多因素。例如，蛋白質(zhì)的性質(zhì)、濃度、水分活度、pH、離子強(qiáng)度和離子種類等。熱處理涉及到的化學(xué)反應(yīng)有：變性、分解、氨基酸氧化、鍵之間的交換、新鍵的形成等[2]。

1.1.2 干燥

蛋白質(zhì)大量脫水，甚至用溫和的方法例如冷凍干燥法脫水，仍然可引起某些蛋白質(zhì)的變性。這是由于蛋白質(zhì)的保護(hù)性水膜脫去，蛋白質(zhì)十分靠近，分子間相互作用所致。自然風(fēng)干法脫水時，氧化反應(yīng)會加大變性程度，噴霧干燥法脫水時界面作用會加大變性程度，高溫脫水中又難免熱變性。

1.1.3 低溫

低溫能使某些蛋白質(zhì)變性，如L-蘇氨酸酶在室溫下穩(wěn)定，而在零度時不穩(wěn)定，11S組分大豆球蛋白、麥醇溶蛋白、雞蛋和牛乳蛋白冷卻或冷凍時會發(fā)生聚集和沉淀。但是有些脂酶和氧化酶不僅能耐受冷凍，而且在低溫下能保持活性，這是因為某些氧化酶因冷凍而能從細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中釋放出來而被激活。

1.1.4 機(jī)械處理

在加工面包或其它類型的食品面團(tuán)時，因采用機(jī)械處理，如揉捏或滾壓，會產(chǎn)生剪切力而使蛋白質(zhì)變性。反復(fù)拉伸而導(dǎo)致α-螺旋的破壞將致使蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變。

1.1.5 液壓（流體靜壓）

液壓可以產(chǎn)生變性效應(yīng)，但低于50 kPa時效果不明顯。卵清蛋白和胰蛋白酶分別在50 kPa和60 kPa時才表現(xiàn)出變性。蛋白質(zhì)的水溶液在100 MPa的壓力下，不僅容積減少，溶存的蛋白質(zhì)發(fā)生變性，即蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)沉淀、凝固、凝膠化，即壓力下蛋白質(zhì)的變化[3]。目前，高靜壓已經(jīng)形成一門技術(shù)，在食品加工中有著廣泛的應(yīng)用。研究表明，高靜壓可以使細(xì)胞形狀、細(xì)胞膜及細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，抑制酶的活性和DNA等物質(zhì)的復(fù)制，從而達(dá)到殺菌的目的[4]。

1.1.6 輻射

輻射對蛋白質(zhì)的影響因波長和能量而變化，紫外輻射可被芳香氨基酸殘基所吸收，因而導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，如果能量水平非常高，則二硫交聯(lián)鍵會斷裂。γ-輻射和其它電離輻射也可以使結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時使氨基酸殘基氧化、共價鍵斷裂、電離、形成蛋白質(zhì)自由基和發(fā)生重組以及聚合反應(yīng)，這些反應(yīng)有許多是由水的輻解作用來傳遞的。

1.1.7 界面

食品分散相體系中通常含有大量的乳化劑。許多蛋白質(zhì)都有這種乳化性能。凡在水和空氣、水和非水溶液或水和固相等界面上吸附的蛋白質(zhì)分子，一般會發(fā)生不可逆變性。由于蛋白質(zhì)可作為界面活性劑，許多蛋白質(zhì)傾向于向界面遷移及被吸附，吸附速率受天然蛋白質(zhì)向界面擴(kuò)散速率的控制[5]。蛋白質(zhì)在界面上的性質(zhì)在各種食品體系中都是非常重要的，如吸附在界面上的蛋白質(zhì)有助于乳濁液和泡沫的形成和穩(wěn)定。但若欲保持蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象和功能性質(zhì)，在加工或分離中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生如泡沫或乳狀液這樣的分散系。

1.2 導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的化學(xué)因素

1.2.1 酸和堿

蛋白質(zhì)所處介質(zhì)的pH對變性過程有很大影響，大多數(shù)蛋白質(zhì)在一定pH范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，若與十分高或低的pH介質(zhì)接觸，則一般會發(fā)生變性。因為在極端pH時，分子內(nèi)離子基團(tuán)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電排斥，這將促使蛋白質(zhì)分子伸展。然而，在某些情況下，當(dāng)pH調(diào)節(jié)到最初穩(wěn)定范圍時，蛋白質(zhì)可以恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)。

1.2.2 金屬

堿金屬如Na+和K+僅有限度的與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而堿土金屬如Ca2+、Mg2+則稍為活潑。過渡金屬如Cu、Fe、Hg和Ag等離子容易同蛋白質(zhì)起作用，能與其中的巰基形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。Ca2+（Fe2＋、Cu2＋和Mg2＋）可以成為某些蛋白質(zhì)分子中的一個組成部分。當(dāng)用透析法或鰲合劑將這些金屬離子從蛋白質(zhì)分子中除去時，會明顯降低蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)對熱和蛋白酶作用的穩(wěn)定性。

1.2.3 有機(jī)溶劑

大多數(shù)有機(jī)溶劑可用作蛋白質(zhì)變性劑，除了降低溶劑與蛋白質(zhì)的作用外，它們能改變介質(zhì)的介電常數(shù)，從而改變了有助于蛋白質(zhì)穩(wěn)定的靜電作用力，非極性有機(jī)溶劑能夠滲入疏水區(qū)，破壞疏水相互作用，因而促使蛋白質(zhì)變性。這類溶劑的變性作用也可能是它們同水彼此間產(chǎn)生的相互作用而引起的。2-氯乙醇能使α-螺旋構(gòu)象占優(yōu)勢，這種作用也可認(rèn)為是一種變性，例如卵清蛋白在水溶液介質(zhì)中有31%的α-螺旋，而在2-氯乙醇中為85%。

1.2.4 有機(jī)化合物

脲素或胍鹽當(dāng)配置成高濃度的水溶液時，會導(dǎo)致氫鍵的斷裂，并引起蛋白質(zhì)不同程度的變性。這些化合物還通過增加疏水氨基酸殘基在水溶液中的溶解度而降低疏水的相互作用。表面活性劑如十二烷基硫酸鈉也是很強(qiáng)的變性劑，這類化合物在蛋白質(zhì)疏水區(qū)和親水環(huán)境之間起著媒介作用，因此，它們除能破壞疏水相互作用外，還有利于天然蛋白質(zhì)的伸展。還原劑（半胱氨酸、抗壞血酸、β-巰基乙醇、二硫蘇糖醇）可使二硫交聯(lián)鍵還原，因而改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象[6]。

2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對食品物理化學(xué)方面的影響

2.1 脫水作用

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液中水分幾乎全部除去時，常常引起蛋白質(zhì)大量聚集，特別是在高溫下除去水分，可導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度和表面活性劇烈降低。干燥條件影響粉末顆粒的大小及內(nèi)部和表面的多孔性，從而對蛋白質(zhì)的濕潤性、吸水性、分散性和溶解性產(chǎn)生影響。當(dāng)水以蒸汽形式迅速被除去時，造成最低限度的顆粒收縮以及鹽類和碳水化合物向干燥表面的遷移，通?？梢缘玫蕉嗫仔缘姆勰╊w粒。在冷凍干燥和噴霧干燥時就可產(chǎn)生這種效果。

2.2 機(jī)械處理

充分干燥磨碎的蛋白質(zhì)粉末或濃縮物可形成小的顆粒和大的表面積。與未磨碎的對應(yīng)物比較，可以提高水吸收、溶解性、脂肪吸收和起泡性。蛋白質(zhì)懸濁液或溶液體系在強(qiáng)烈的剪切力作用下可引起蛋白質(zhì)聚集體碎裂成亞基，這種處理可提高蛋白質(zhì)的乳化能力。適度攪打造成的蛋白質(zhì)變性可以使泡沫穩(wěn)定，但有些蛋白質(zhì)，例如雞蛋清過度攪打，由于蛋白質(zhì)的過度聚集使形成泡沫能力和泡沫穩(wěn)定性均有所下降。在蛋白質(zhì)質(zhì)構(gòu)化過程中，機(jī)械力同樣起著重要的作用，例如面團(tuán)形成、纖維絲的形成和擠壓加工等方法即是。

2.3 熱處理

蛋白質(zhì)的熱變性程度和結(jié)果主要依賴于蛋白質(zhì)本身的性質(zhì)和環(huán)境條件，哺乳動物膠原蛋白在有大量水存在時，加熱到65℃以上發(fā)生伸展、解離和溶解，肌纖維蛋白質(zhì)在同樣條件下則發(fā)生收縮、聚集并降低持水能力[7]。Na-kamura等曾發(fā)現(xiàn)要在加熱條件下形成可自我支持的凝膠，所需的大豆球蛋白最低濃度為2.5%。蛋白質(zhì)濃度低于2.5%水平在食品生產(chǎn)中有其應(yīng)用價值，因為如咖啡增白劑、嬰兒配方食品及添加蛋白的飲料在熱處理時，凝膠的形成是我們所不期望的[8]。

2.4 冷凍

冰點以下的冷凍溫度也會引起蛋白質(zhì)變性和損害其功能性質(zhì)，例如魚肌動球蛋白變硬和持水能力變小，牛奶酪蛋白膠束沉淀，蛋黃脂蛋白變得黏稠和膠凝，某些蛋白凝膠發(fā)生脫水收縮等。

2.5 酸堿處理

植物蛋白在1 mol/L～3 mol/L鹽酸溶液中100℃加熱10 h～15 h，可引起肽鍵的有限水解，這種水解能使非蛋白氮含量增加3倍，顯著提高溶解性，因而改善配料的溶解性和表面性質(zhì)。酸水解蛋白質(zhì)時還有色素和肉樣風(fēng)味物的形成，有些植物蛋白水解物用堿中和過濾后可用作增香劑。蛋白質(zhì)在堿性介質(zhì)中加熱也可使肽鍵發(fā)生有限水解，這種解聚與水解結(jié)合的方法可用于增溶和提取不易溶的植物、微生物或魚蛋白質(zhì)，也能明顯提高牛奶蛋白質(zhì)的起泡能力。奶粉中的酪蛋白在中性和偏堿性溶液中比酸性溶液中更易結(jié)合有極性的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分子，這就是為什么含高濃度奶粉的冰淇淋漿料更容易調(diào)控風(fēng)味，使之具備誘人風(fēng)味的原因之一[9]。另外，堿處理還可以引起氨基酸的降解、變旋和交聯(lián)[10]。

3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對食品營養(yǎng)方面的影響

3.1 熱處理引起的變化

加熱處理分離蛋白或含蛋白質(zhì)的食品會引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，使其失去生物活性和改變功能性質(zhì)，但若加熱溫度保持適度時，共價鍵不會破壞也不會形成，也不會強(qiáng)烈影響到蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。從營養(yǎng)學(xué)觀點來看，溫和熱處理引起的變化一般是有利的。

當(dāng)種子、面粉或蛋白質(zhì)濃縮物在高溫潮濕條件下加熱如高壓滅菌、擠壓加工、焙烤和烹煮時，所有抗?fàn)I養(yǎng)因子都會變性和失活。由于適當(dāng)熱處理可以明顯提高植物蛋白對某些動物的營養(yǎng)價值，所以某些動物飼料中植物蛋白質(zhì)成分通常要經(jīng)過加熱處理。許多蛋白質(zhì)例如大豆球蛋白、骨膠原和卵清蛋白在適當(dāng)熱處理后更容易消化，這是由于蛋白質(zhì)發(fā)生伸展而使原來被掩蔽的氨基酸殘基暴露，從而使蛋白酶更迅速和廣泛的起作用。

蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)食品在不添加外來物質(zhì)的條件下進(jìn)行高熱處理，即可引起氨基酸的脫硫、脫酰胺、異構(gòu)化和其它化學(xué)改性，甚至有時會伴隨產(chǎn)生有毒化合物[11]。例如在115℃時滅菌，會引起半胱氨酸和胱氨酸殘基遭到破壞，生成硫化氫、二甲基硫化物和磺基丙氨酸。用肉、魚的肌肉、牛奶等實驗，所產(chǎn)生的硫化氫和其它揮發(fā)性化合物能使這些經(jīng)過加熱的食品具有很好的風(fēng)味。在超過100℃的情況下加熱蛋白質(zhì)，將會發(fā)生脫酰胺反應(yīng)，釋放出的氨主要來自谷氨酰胺和天氨酰胺的酰胺基水解反應(yīng)，所以該反應(yīng)并不損害蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值。溫度超過200℃的劇烈處理和在堿性pH時的熱處理都會使氨基酸殘基發(fā)生β-消除反應(yīng)，形成負(fù)碳離子，經(jīng)質(zhì)子化后可隨機(jī)形成D型或L型氨基酸的外消旋混合物。由于大多數(shù)D-氨基酸不具有營養(yǎng)價值，因此，必需氨基酸的外消旋反應(yīng)會使其營養(yǎng)價值降低50%左右。再者，某些D-氨基酸可產(chǎn)生毒性物質(zhì)。在堿性pH條件下熱處理，精氨酸可能轉(zhuǎn)變成鳥氨酸、尿素、胍氨酸和氨，半胱氨酸可能變成脫氫丙氨酸，絲氨酸、蘇氨酸和賴氨酸的含量在堿性pH下加熱也會降低。

3.2 輻射引起的變化

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)受到γ-輻射或在有氧化脂肪存在時可發(fā)生分子間或分子內(nèi)的共價交聯(lián)，主要在氨基酸殘基α-碳上形成的自由基發(fā)生聚合反應(yīng)。γ-輻射還可引起低水分食品的多肽鏈斷裂。在有過氧化氫酶存在時酪氨酸會發(fā)生氧化交聯(lián)生成二酪氨酸殘基。輻射引起的營養(yǎng)和安全性問題的研究還在繼續(xù)。

3.3 氧化引起的變化

應(yīng)用氧化劑的食品工藝并不少見，例如過氧化氫具有殺菌和漂白的性質(zhì)，乳品工業(yè)中用來加工某種干酪或用它作為貯存罐、利樂包裝用的“低溫殺菌劑”，它還可以用于改善魚蛋白濃縮粉、面粉、油料種子蛋白質(zhì)分離物等加工產(chǎn)品的色澤。另外，過氧化苯甲?？捎糜诿娣鄣钠?，在某些情況下還用作乳清粉的漂白劑。不應(yīng)用氧化劑制作的食品也可能有過氧化物的出現(xiàn)，例如脂類氧化產(chǎn)生的過氧化物及其降解產(chǎn)物存在于很多食品體系之中，這些過氧化物往往是引起它們共存的蛋白質(zhì)成分發(fā)生降解的原因。氨基酸殘基由于光氧化反應(yīng)、輻射、微量金屬、氧、熱空氣干燥和發(fā)酵過程時充氣等原因，也可以發(fā)生氧化變性。

3.4 美拉德反應(yīng)引起的變化

美拉德反應(yīng)可形成高分子量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的褐色或黑色的類黑精，這類色素是面包和焙烤食品產(chǎn)生褐色的原因。類黑精類的產(chǎn)物對營養(yǎng)的影響至今還不完全了解，有人認(rèn)為這類產(chǎn)物能抑制某些必需氨基酸在腸道內(nèi)的吸收。類黑精形成中伴隨著少量蛋白質(zhì)發(fā)生共價交聯(lián)，這種交聯(lián)能明顯的損害這些蛋白質(zhì)部分的消化性。某些蛋白質(zhì)—碳水化合物模擬體系和加熱產(chǎn)生的類黑精還表現(xiàn)出誘變性質(zhì)[12]。這種性質(zhì)的能力決定于美拉德反應(yīng)的程度。類黑精是不溶于水的物質(zhì)，腸壁對其僅有微弱的吸收。因此，它們在生理方面的危險性很小。但是低分子量類黑精前體較容易吸收。

4 結(jié)論

在食品的加工儲藏中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)會隨著處理條件的不同發(fā)生或多或少的變化，其功能性質(zhì)和營養(yǎng)價值等各方面的品質(zhì)也會隨之改變。其中有有利于食品成型或食品色澤、口感、營養(yǎng)等各方面的變化，也有不利的變化。我們要充分深入的了解這些變化，以便在食品加工和儲藏中更有效的控制處理條件，生產(chǎn)出形狀、色澤、口感和營養(yǎng)等各方面都更加出色的食品，使我國的食品加工水平上一個新的臺階。

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Affection of Protein Structure Variation to Food Character in Food Processing

HU Yan1，YUAN Xiao-qing1，CHEN Zhong-jie2
（1.Henan Business College，Zhengzhou 450044，Henan，China；2.Zhengzhou College of Animal Husbandry Engineering，Zhengzhou 450011，Henan，China）

There were a lot of factors which could bring changes of protein structure in processing and storage for food，and the changes of protein structure also could bring changes of physical，chemistry and nutrition of food.Some changes were good to molding or color，flavor and nutrition of food，and some were bad to food.Introduce factors that bring structure variation of protein in processing and storage for food，and the influence on food quality by changes of protein structure，so to provide some theory gist for the processing of food and produce more food of better shape，color，texture and nutrition.

protein；structure；physical chemistry；nutrition；variation

胡燕（1982—），女（漢），講師,碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品的貯藏與加工。

2011-03-09