微波對蛋白質及其衍生物結構和功能的影響

陳 衛(wèi)， 范大明， 馬申嫣， 張清苗， 趙建新， 張 灝

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；2.福建安井食品股份有限公司，福建 廈門 361022）

微波對蛋白質及其衍生物結構和功能的影響

陳 衛(wèi)1， 范大明1， 馬申嫣1， 張清苗2， 趙建新1， 張 灝1

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；2.福建安井食品股份有限公司，福建 廈門 361022）

微波作為一種新型加熱技術，在食品領域得到廣泛的應用。研究得出蛋白質與微波的相互作用顯著且影響食品品質。然而，微波對蛋白質的作用機制一直是眾多學者討論的焦點。作者圍繞微波對蛋白質及其衍生物各級結構的影響以及微波引起的蛋白質功能的改變展開綜述，希望為研究微波對蛋白質等食品大分子的作用機理提供參考。

微波；蛋白質；結構；功能

微波是一種頻率從300 MHz至300 GHz的電磁波，能夠引起極性分子振動從而對物料產生影響。作為一種新型的加熱技術，微波在食品各個領域的應用呈現快速增長，主要有微波殺菌［1］、微波干燥［2］、微波烘焙［3］3方面，除此之外，在蛋白質領域，微波輔助水解［4］、微波萃?。?］、微波改性［6］等的研究也很多。介于微波與生物體的相互作用是一個極其復雜的過程，在這些應用過程中，微波對蛋白質的作用機理研究得還不是很透徹。結構決定功能，微波處理后蛋白質功能的變化歸根到底是由于蛋白質的結構發(fā)生了改變。作者以此為切入點，綜述了微波對蛋白質及其衍生物結構和功能的影響，希望能夠為研究微波對蛋白質等大分子作用的機理提供參考，從而推動微波食品的發(fā)展。

1 微波對蛋白質及其衍生物結構的影響

到目前為止，關于微波是否能夠打破蛋白質分子的共價鍵或其他化學鍵的爭論很多，微波破壞蛋白質分子的確切機理不是很清楚［7］。從能量水平而言，微波的光子能量不足以斷開分子中的共價鍵［8］；然而，在特定的條件下它可能影響化學鍵，水分子的水合作用對蛋白質等生命大分子的介電特性有顯著的作用，微波可通過影響與蛋白質結合的水而影響這些分子［9－10］。

1.1 微波對蛋白質及其衍生物一級結構的影響

1.1.1 微波輔助蛋白質水解蛋白質是細胞中含量最豐富的生物高分子有機物，其中蛋白質樣品的分離和結構分析在生化分析中占據很重要的位置。微波技術作為一種快速高效的加熱技術，廣泛應用于蛋白質水解和蛋白質分析。Lin Shan－shan等［］對微波輔助酶催化反應進行了系統研究，他們在不同的有機溶劑中水解不同的蛋白質（肌球素、細胞色素、溶解酵素等），對比得出胰蛋白酶在不同溶劑中的催化活性：甲醇濃度過高會使酶失活，而丙酮和氯仿不會影響酶的活性。但是，無論在哪種溶劑中，微波輔助水解的效率都高于常規(guī)方法，這是因為常規(guī)方法所需時間長、升溫慢，這都會導致酶失活，而微波加熱可以在短時間內達到很高的溫度，在酶徹底失活之前就完成水解反應。同樣，Zhong Hongying等［12］用微波輔助酸水解，結果也表明微波方法優(yōu)于常規(guī)方法，他們用6 mol／L HCl處理細胞色素C等蛋白質，在微波輻射下水解30～90 s，再用質譜分析多肽鏈結構，得到非常專一的多肽殘基峰位圖，沒有內部干擾峰。

Lin Hua［13］，Juan H F［14］，Emanuele M［15］等都得到了類似的實驗結果，證實了微波水解的高效，但沒有進一步研究微波水解與常規(guī)水解方法得到的氨基酸序列是否一致。Emanuele M等［16］以牛血清蛋白為模型蛋白，將微波水解和傳統方法水解得到的氨基酸序列與理論值進行比較，得出兩種水解方法的準確性和精確性幾乎一樣。作者還將這兩種水解方法應用于乳酪和硬質小麥兩種食品模型上，并對其進行相關性研究，結果同樣表明這兩種方法得到的水解產物種類、含量顯著相關。但是，Wu C Y等［17］研究了弱酸環(huán)境中微波裂解肽鏈的情況，得出微波裂解肽鍵相對傳統方法具有快速、有選擇性的特點，且微波裂解的位置一般在天冬氨酸殘基的羧基和氨基末端。

1.1.2 微波輔助蛋白質有機合成微波作為一種新型的加熱方式已被廣泛應用于有機合成等領域，在過去30年，微波輔助合成方法被應用到幾乎所有類型的有機反應，與傳統加熱方式相比，微波可提高反應的產率或大大縮短反應時間［18］，有時還表現出和常規(guī)加熱不同的選擇性［19］。Orliac O等［20］在無溶劑條件下酯化葵花蛋白，對經典酯化方法和微波酯化方法進行了比較，得出經典酯化方法用時4 h，有84%的發(fā)生了酯化，而微波酯化只需18 min就有89%的發(fā)生了酯化，并通過實驗發(fā)現微波酯化得到的酯化蛋白水解程度小。盡管已有有關微波輔助蛋白質有機合成的研究報道，但是相比于常規(guī)加熱方式，微波加速或改變化學反應的原因并不十分清楚。Guan Jun－Jun等［21］使用微波改善大豆分離蛋白－糖接枝反應，通過對反應體系的氨基酸成分以及產物的紅外光譜分析，得出微波酯化與傳統酯化一樣，產物都是由ε－氨基與還原端通過共價鍵形成的。

1.2 微波對蛋白質及其衍生物高級結構的影響

許多研究表明，微波能夠影響蛋白質分子的折疊與展開，但究其作用機理，學術界普遍存在兩種觀點：一是微波熱效應，熱效應理論認為，水、蛋白質等極性分子受到交變電場的作用而劇烈振蕩，相互“摩擦”產生內能，從而導致溫度升高，使蛋白質分子結構發(fā)生變化。Barak I等［22］認為綠熒光蛋白熒光光譜500～540 nm段的變化主要是由微波熱效應引起的，而540～560 nm段的變化與傳統熱效應不同。二是微波的非熱效應，Anan B Copty等［23］也以綠熒光蛋白為研究對象，分別用8.5 GHz微波和傳統加熱方式處理，研究兩種方式對綠熒光蛋白構象的影響。結果在兩種處理方式下，綠熒光蛋白的熒光強度均下降，光譜中吸收峰向波長增加方向移動，但是微波處理對熒光強度以及吸收峰移動程度的影響都顯著大于傳統加熱方式。因此，作者認為微波對綠熒光蛋白構象的影響并不僅僅是熱效應。Henrik B等［24］則以β－乳球蛋白為研究對象，研究微波對球狀蛋白構象影響。結果表明，在可逆變性階段，隨著溫度的升高，在蛋白質展開的過程中，微波的加入促進了蛋白質的展開；隨著溫度的降低，蛋白質折疊的過程中，微波的加入對蛋白質的折疊過程同樣起到了促進作用。由此，他們認為微波促使蛋白質折疊變性不僅僅是熵驅動的，也是扭轉力和彎曲力競爭的結果，也就是說微波對蛋白質的影響存在非熱效應；更有研究發(fā)現微波的非熱效應會使牛血清白蛋白形成類淀粉質結構［25］。

2 微波對蛋白質及其衍生物功能的影響

根據 Anfin－sen原理［26－27］可知蛋白質的一級結構決定其高級結構，而其功能性質多與其空間結構有密切的關聯［28］。微波處理后蛋白質的結構變化最終引起了蛋白質功能變化。

2.1 微波對蛋白質基本功能性質的影響

蛋白質在食品中的基本功能性質是指在食品加工、貯藏和銷售過程中蛋白質對人們所期望的食品特征作出貢獻的那些物理化學性質，如蛋白質的水合性質、凝膠性、乳化性、起泡性等。微波作為一種頻率范圍在300 MHz～300 GHz的電磁波，對蛋白質的功能性質影響顯著，國內外研究人員對此做了大量研究。蔡建榮等［29］以大豆分離蛋白為原料，研究微波處理時間對其起泡性、泡沫穩(wěn)定性、乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響，得出微波1 000 W處理40 s，可改善大豆分離蛋白的功能特性。對于大豆蛋白的溶解性，Youssef S H等［30］認為微波加熱可使其顯著下降，而熊犍等［31］則認為大豆蛋白的溶解性隨著微波功率和處理時間的增加呈現先提高后下降的結果。蛋白質的溶解度與蛋白質表面疏水作用與親水作用相關，Rani［32］推測經微波處理后的蛋白可能發(fā)生了交聯，而且這種交聯作用只限于親水基團，疏水集團間沒有發(fā)生交聯作用，以至于蛋白疏水性提高，溶解性下降。在微波焙烤過程中，大量實驗［33－35］發(fā)現微波焙烤食品質地比傳統焙烤食品硬，研究人員認為這與微波焙烤導致面筋性質改變有關［36］。Erkan Y等［37］報道微波功率和處理時間對面筋蛋白溶解性、起泡性和乳化性影響顯著，這可能是導致微波焙烤食品品質惡劣的原因。研究結果表明，面筋蛋白的溶解性在所有功率下均隨著處理時間的增加而下降，起泡性則正好相反，而最大功率下，乳化能力最差。

2.2 微波對蛋白質催化活性的影響

目前，酶的結構與功能的關系研究的較為透徹，酶只有在保持其特有的三維空間結構時，才能具有其特定的催化活性［38］。蛋白質三維空間結構稍有破壞，就很可能會導致其生物活性的降低，甚至失活［39－40］。文中已報道微波能影響蛋白質的折疊和展開的觀點，同時大量實驗證實了微波能通過改變蛋白質的構象影響酶的催化活性，微波與傳統加熱方法對酶活的影響存在顯著性差異。

Marina P等［41］從火山口土壤中分離出一株屬于極端嗜熱的古細菌——硫磺礦硫化葉菌 （Sulfolobussolfataricus）并從中提取了兩種較純的嗜熱 酶：S－adenosyl Homocysteine （Ado Hcy）hydr olase和5P－methylt－h(huán)i oadenosine（MTA）phos phorylase。他們將Ado Hcy水解酶在70℃的水浴中處理90 min后酶活沒有變化；MTA磷酸酶十分穩(wěn)定，在100℃的水浴中處理2 h后酶活沒有變化。利用10.4 GHz的微波將2種酶分別經過70、80、90℃的微波處理。在90℃微波處理條件下，Ado Hcy水解酶與MTA磷酸酶的剩余酶活分別為原來的18%與78%。通過熒光圓二相色譜（CD）測定2種酶的空間構象，證實微波輻射引起了Ado Hcy水解酶與MTA磷酸酶構象的變化，從而導致其失活。與水浴處理溫度相比，微波處理的溫度與之相同，但是微波處理卻導致嗜熱酶更多地失活。

Francesco L C等［42］從嗜熱芽孢桿菌（Bacillus acidocaldarius）提取了嗜熱β－乳糖酶，并比較低能微波處理與傳統水浴加熱對不同濃度酶活的影響。證實在70℃條件下微波處理1 h可以使質量濃度為10～50μg／m L的嗜熱β－乳糖酶產生不可回復的失活，而70℃水浴加熱對酶活沒有影響；當酶質量濃度為50～100μg／mL時，微波對酶活沒有影響。所以，微波對酶活性的影響并不僅僅是熱效應，即使在沒有吸收大量熱的情況下也能改變蛋白質的構象［26］。

食品材料中一些酶的作用與在食品加工中營養(yǎng)組分的損失以及貯藏過程中食品的變質有著很大的關聯。目前采用的熱加工滅酶可能導致營養(yǎng)物質的損失，感官品質的惡化，而使用適當的微波加熱方法，可以在不影響食品品質的前提下破壞酶的活性。Hernandez－Infante M［43］、Wang S［44］等以豆科種子為原料，比較了微波和傳統方法抑制脂肪氧合酶酶活的效果，以及對豆科種子蛋白質品質的影響；張立彥等［45］以香蕉中的多酚氧化酶為研究對象，得出了微波滅酶的最佳參數；Qian Keying等［46］用微波對裸燕麥仁進行前處理，研究了水分質量分數、燕麥緩蘇時間、包裝方式對脂肪酶活性的影響，得出裸燕麥仁達到適合的水分含量后用真空包裝并馬上進行微波處理，可以提高微波滅酶的效率。

3 展 望

目前，國內外關于微波對蛋白質及其衍生物結構和功能影響的研究較廣泛、系統，但尚不完善，有待于進一步深入。在微波對蛋白質結構的影響方面，需進一步建立相應模型，對微波影響蛋白質結構因素動力學進行研究，從而弄清楚微波使蛋白質結構發(fā)生變化的相應機理；在微波對蛋白質功能的影響方面，需與微波對蛋白質結構影響的模型建立關系，以完善整個知識體系，為微波更好的應用于食品體系奠定基礎。

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Effect of Microwave on the Structure and Functions of the Protein and Its Derivatives

CHENWei1，FANDa－ming1，MAShen－yan1，ZHANGQing－miao2，ZHAOJian－xin1，ZHANGHao1

（1.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Fujian Anjoy food Share Co.Ltd.，Xiamen 361022，China）

As a newly－developing heat technology，microwave has been used widely in food areas.For the protein as an important component of the food，the interaction between protein and microwave will affect the food quality significantly.However，the mechanisms of microwave interact on the protein are controversial.The recent advance in effect of microwave on the structure and functions of the protein and its derivatives has been summarized in this paper，hoping to provide reference for the researches of the mechanisms that microwave interact on the food macromolecules such as protein.

microwave，protein，structure，function

Q 501

A

1673－1689（2012）03－0232－06

2011－03－28

國家“十一五”科技支撐計劃項目（2008BAD91B03）；國家科技部農業(yè)科技成果轉化資金項目（2008GB2B200083）。

陳衛(wèi)（1966－），男，江蘇江都人，工學博士，教授，博士研究生導師，主要從事食品科學與生物技術方面的研究。

E－mail：weichen＠jiangnan.edu.cn