蛋白質(zhì)熱聚集行為機理及其對蛋白質(zhì)功能特性影響的研究進展

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(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)

蛋白質(zhì)的熱聚集行為是食品當(dāng)中的蛋白質(zhì)在加熱、殺菌、干燥等加工過程中,受到加工條件的影響發(fā)生變性,變性的蛋白質(zhì)通過化學(xué)作用力相互連接,形成聚集體的現(xiàn)象。動物蛋白和植物蛋白是食品加工中的關(guān)鍵原料,其在加熱過程中的聚集情況易受蛋白質(zhì)的種類、蛋白濃度、離子強度、pH、添加成分(人工分子伴侶)等影響[1-3]。熱聚集使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的改變,直接影響蛋白質(zhì)的功能特性,從而影響富含蛋白質(zhì)食品的品質(zhì)。

蛋白質(zhì)的功能特性包括溶解性、凝膠性、乳化性、起泡性等,這些功能特性直接影響食品的品質(zhì)[4]。蛋白質(zhì)熱聚集的發(fā)生會引起其功能特性的變化。Orrego等[5]研究表明蛋白質(zhì)的熱聚集行為程度會對乳清蛋白凝膠特性造成影響。Castellania等[6]研究發(fā)現(xiàn)未發(fā)生聚集的卵黃高磷蛋白的乳化能力高于聚集態(tài)的卵黃高磷蛋白,但聚集態(tài)的卵黃高磷蛋白具有更好的乳化穩(wěn)定性。蛋黃醬是典型的乳化食品,高乳化性的卵黃高磷蛋白可以應(yīng)用于蛋黃醬的加工中,改善其品質(zhì)。Chapleau等[7]研究表明高壓導(dǎo)致的11S球蛋白的聚集可使羽扇豆蛋白的乳化性能得到明顯改善。李云等[8]研究表明適度的蛋白質(zhì)熱聚集對大豆蛋白的凝膠性能有促進作用,而過度的蛋白質(zhì)聚集能夠降低蛋白質(zhì)的凝膠性能。肉制品加工中,如火腿腸、脆脆腸、肉丸等,添加大豆蛋白一方面利用其乳化性,另一方面應(yīng)用其凝膠性。因此,可以對加工過程中的蛋白質(zhì)的熱聚集程度進行控制來開發(fā)高凝膠性能的大豆蛋白。蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)對植物蛋白飲料、冰激凌、焙烤產(chǎn)品等食品品質(zhì)也有影響,其中主要涉及蛋白質(zhì)的起泡性。

現(xiàn)今,人們對食品品質(zhì)及營養(yǎng)的要求越來越高,動物蛋白和植物蛋白作為食品加工中的關(guān)鍵原料,其在食品加工過程中發(fā)生的熱聚集行為,引起蛋白功能特性的改變,進而造成食品品質(zhì)及營養(yǎng)的變化。為了滿足消費者的要求,學(xué)者對動物蛋白和植物蛋白熱聚集行為的研究不斷深入,本文就蛋白熱聚集行為機理、分類、影響因素及其對蛋白功能特性的影響做一綜述,為食品中蛋白質(zhì)熱聚集行為與其功能特性之間的關(guān)系的進一步研究,以及通過改變影響蛋白質(zhì)熱聚集行為的外界條件(蛋白質(zhì)濃度、離子強度、pH等)來控制蛋白質(zhì)的熱聚集行為,調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的功能特性,從而開發(fā)滿足消費者需要的新產(chǎn)品,提供一定的理論和指導(dǎo)作用。

1 蛋白質(zhì)熱聚集行為的機理、分類和表征手段

1.1 蛋白質(zhì)熱聚集行為的機理

含有蛋白質(zhì)的食品在經(jīng)過熱加工處理過程后會在一定程度上破壞維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力,使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化及蛋白質(zhì)變性,蛋白質(zhì)二級、三級及四級結(jié)構(gòu)的變化使得蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)展開,從而使得包埋于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水基團外露、親水基團相對減少,另外熱處理會加劇蛋白質(zhì)分子的熱運動,使疏水作用力增強,引起疏水作用力大于親水作用力,促使蛋白質(zhì)顆粒發(fā)生相互碰撞的概率增大而發(fā)生蛋白質(zhì)聚集。

目前學(xué)者們較為認(rèn)同的蛋白質(zhì)聚集的機理是Roberts等[9]與Andrews等[10]提出LENP(Lumry-Eyring nucleated polymerization model)動力學(xué)模型。該模型包含五個階段,如圖1所示:①在受到外界條件的影響,蛋白質(zhì)單體發(fā)生可逆的構(gòu)像變化,高級結(jié)構(gòu)展開,疏水基團暴露;②在疏水作用力等作用下,變性的蛋白質(zhì)分子相互結(jié)合形成可逆的寡聚體,作為蛋白質(zhì)聚集的預(yù)核心;③寡聚集發(fā)生不可逆的構(gòu)象重排,形成聚集的核心;④變性的蛋白質(zhì)分子與聚集核心結(jié)合,形成分子量更大的可溶的絲狀聚集體;⑤該階段變性的蛋白質(zhì)分子含量少,絲狀聚集體之間開始相互結(jié)合,形成更高分子量的凝聚體。

圖1 蛋白質(zhì)聚集的LENP動力學(xué)模型[10]Fig.1 LENP model of protein aggregation kinetics[10]

1.2 蛋白質(zhì)熱聚集體的分類

隨著蛋白質(zhì)聚集的研究的不斷深入,越來越多的聚集態(tài)被揭示,精確地對蛋白質(zhì)聚集體進行分類變得尤為重要。蛋白質(zhì)聚集體按其大小、可逆性、構(gòu)象、化學(xué)鍵修飾和形態(tài)學(xué)進行分類的情況如表1所示。

表1 蛋白質(zhì)聚集體的分類[11]Table 1 Classification of protein aggregates[11]

可逆性聚集體通常是由蛋白質(zhì)間通過相對弱的非共價鍵作用而形成,簡單地通過稀釋溶液可以實現(xiàn)可逆聚集體的分離,分離的時間不大于試驗生成聚集體的時間[12]。不可逆聚集體是較高分子量的物質(zhì),需通過加熱、緩沖液等其它條件長時間處理使聚集體解離[13]。

用“展開”來描述聚集體是其中的蛋白質(zhì)在變性劑的影響下發(fā)生完全變性。用“部分展開”來描述的是聚集體中可以檢測到有部分是發(fā)生變性的蛋白質(zhì),另一部分是天然蛋白質(zhì)[14]。用“錯誤折疊”來描述的聚集體是其中蛋白質(zhì)的折疊情況與天然蛋白質(zhì)的不同,最為常見的是螺旋的蛋白質(zhì)中增加了β片段[15]。多用“固有無序來”來表示突觸核蛋白、淀粉樣蛋白和無序蛋白質(zhì)形成的聚集體,其多出現(xiàn)在生命科學(xué)領(lǐng)域[16]。

化學(xué)鍵的修飾包括共價交聯(lián)和氨基酸殘基修飾等,其在一定程度上影響著蛋白質(zhì)的聚集。共價交聯(lián)包括還原性的共價交聯(lián)和非還原性的共價交聯(lián),其是形成不可逆聚集體的一個重要的因素。還原性的共價交聯(lián)是蛋白質(zhì)分子間和蛋白質(zhì)分子內(nèi)形成二硫鍵交聯(lián)。非還原性的共價交聯(lián)如聚集體中硫醚和二酪氨酸的共價交聯(lián)。氨基酸殘基修飾包括部分氨基酸的氧化、脫酰胺化、糖基化等。Fu等[17]研究發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白經(jīng)過轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)和殼聚糖糖基化修飾后,其水結(jié)合能力增強、形成的聚集體增大、熱穩(wěn)定性降低等。Nishanthi等[18]研究發(fā)現(xiàn)熱處理或離子強度的改變誘導(dǎo)乳清蛋白的構(gòu)象變化并促使聚集體的形成;酸性條件下的乳清蛋白通過疏水相互作用和共價交聯(lián)形成聚集體。

根據(jù)形態(tài)學(xué)特性中的縱橫比、表面粗糙度、分形維數(shù)(Fractal dimension,DF)等可以用來判斷纖維或球狀的聚集體。若聚集體中含有非蛋白雜質(zhì),可將其分為“異質(zhì)聚集體”。周建中[19]在研究中提到的念珠狀、團狀、蛛狀、線狀聚集體等都是通過聚集體形態(tài)學(xué)的特性進行區(qū)分的,其中對纖維狀聚集體(Fibrlliar aggregate)和無定形聚集體(Amorphous aggregate)的形成機制、影響因素、聚集途徑等是研究者關(guān)注的熱點[20]。對于蛋白質(zhì)纖維狀聚集的形成原理比較認(rèn)同的是蛋白質(zhì)發(fā)生變性及結(jié)構(gòu)改變后發(fā)生有序的“自組裝”反應(yīng)而發(fā)生的聚集[9]。在低酸性條件下進行熱處理,蛋白質(zhì)容易發(fā)生纖維化聚集[21]。當(dāng)pH處于等電點附近或高離子強度時,蛋白質(zhì)分子帶的電荷很少或發(fā)生靜電屏蔽,蛋白質(zhì)分子之間的靜電斥力小,疏水作用力大,蛋白質(zhì)能夠迅速的發(fā)生聚集,聚集體易形成無定形聚集體。

1.3 蛋白質(zhì)熱聚集行為的表征手段

物質(zhì)聚集是所有蛋白的一種基本性質(zhì),蛋白質(zhì)凝膠是蛋白質(zhì)熱聚集行為形成的一種結(jié)果。目前,蛋白質(zhì)聚集的表征手段主要包括顯微鏡法、排阻色譜法、光散射法、濁度法、SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳等。

1.3.1 顯微鏡法 Al-Shabib等[22]用原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,AFM)和透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy,TEM)表征了肌紅蛋白的檸檬黃誘導(dǎo)聚合,結(jié)果表明檸檬黃能誘導(dǎo)肌紅蛋白形成無定形聚集。Pereira等[23]用透射電子顯微鏡(TEM)對經(jīng)歐姆加熱處理的β-乳清蛋白產(chǎn)生的聚集體的微觀結(jié)構(gòu)進行分析,結(jié)果表明在歐姆加熱處理的前期,β-乳清蛋白的聚集可以隨著加熱時間的降低而減少。原子力顯微鏡可以獲得三維的表面圖,對聚集體的表面形貌結(jié)構(gòu)進行直觀分析。透射電子顯微鏡可以對蛋白質(zhì)聚集體的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析。

1.3.2 排阻色譜法 蛋白質(zhì)在發(fā)生聚集時,會形成不同尺寸的聚集體,在通過色譜柱時因其大小的不同,所流經(jīng)的路徑不同即在色譜柱停留的時間不同,從而將其分離開并進行分析。如Kiminami等[24]應(yīng)用多角度光散射檢測器相結(jié)合的微粒計數(shù)和空間排阻色譜法對聚合物基注射器中促紅細胞生成素形成顆粒和蛋白質(zhì)聚集情況進行表征,來研究不同滅菌方法對促紅細胞生成素的儲存穩(wěn)定性的影響。排阻色譜能夠很好地對聚集體進行分離和純化,對聚集體進一步的研究起到關(guān)鍵的作用。目前,排阻色譜還存在一些問題,會導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集體表征的不準(zhǔn)確性,可以利用沉降速度分析超速離心作為排阻色譜的校正工具[25]。

1.3.3 光散射法 光散射法是通過散射光的強度分布來測定樣品中的粒子大小、物質(zhì)濃度、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等。Brenner等[26]用靜態(tài)和動態(tài)光散射測定冷卻和稀釋后的大西洋鱈魚的熱聚集體的結(jié)構(gòu),觀察到自相似聚集體,其特征是DF=2.2,并且得出聚集體的尺寸隨著溫度的升高(30～70 ℃)、pH(8～6)的降低、蛋白質(zhì)濃度(0.4～3 g/L)的增加而增加。Torreggiani等[27]通過拉曼光譜與動態(tài)光散射實驗相結(jié)合的方法來來研究Zn2+和Cu2+離子對牛β-乳球蛋白(Bovineβ-lactoglobulin,BLG)、牛血清白蛋白(Bovine serum albumin,BSA)熱聚集過程的影響,發(fā)現(xiàn)兩種金屬離子都能夠有利于BLG聚集;Zn2+離子促進BSA聚集體總量增加和平均尺寸的增大,而Cu2+則不能引起B(yǎng)SA聚集體平均尺寸的增大的。

1.3.4 濁度法 濁度法是通過測定光透過樣品后光密度的變化來間接的反應(yīng)樣品的一些性質(zhì)的變化。Hall等[28]應(yīng)用濁度法對均相和混合蛋白質(zhì)聚集體進行了表征,研究了蛋白質(zhì)混合聚集反應(yīng)。蔣將[29]采用濁度法來研究大豆分離蛋白(Soy protein isolate,SPI)、β-大豆伴球蛋白(7S)、和大豆球蛋白(11S)在不同鹽離子濃度條件下的熱聚集情況,發(fā)現(xiàn)SPI、7S、11S的濁度隨著鹽離子強度的增加(0～0.6 mol/L NaCl)而增加,則表明SPI、7S、11S的熱聚集體的總量增加。濁度法是監(jiān)測蛋白質(zhì)聚集的最便利的方法,但是其不能分析出聚集體的結(jié)構(gòu)。

1.3.5 SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳法 SDS聚丙烯酰胺凝膠法是利用SDS作為陰離子表面活性劑,掩蓋蛋白質(zhì)本身帶電荷的差異,使蛋白質(zhì)的遷移僅與大小有關(guān),從而對蛋白質(zhì)聚集現(xiàn)象進行分析。Vate等[30]應(yīng)用SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳、溶液的濁度和TEM對去沙丁魚肌動球蛋白的聚集進行表征,來研魷魚墨酪氨酸酶和單寧酸對其的影響,發(fā)現(xiàn)魷魚墨酪氨酸酶和單寧酸的混合物的添加有利于沙丁魚肌動球蛋白的熱聚集的發(fā)生。其缺點是它破壞了氫鍵和二硫鍵,使蛋白質(zhì)聚集體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,不能用來分析聚集體的形態(tài)。

單一的表征方法,很難較好的說明蛋白質(zhì)聚集發(fā)生的情況。目前,通過利用多種表征方法相結(jié)合,互補各個方法的不足,全面的對蛋白質(zhì)聚集現(xiàn)象進行分析。如Guo等[31]通過原子力顯微鏡、排阻色譜和SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳定期對不同聚集度的大豆分離蛋白進行分析,來研究熱誘導(dǎo)聚集過程中的不穩(wěn)定因素。

2 蛋白質(zhì)熱聚集行為的影響因素

2.1 溫度對蛋白質(zhì)熱聚集行為的影響

熱處理溫度是引起蛋白質(zhì)熱聚集不可缺少的因素之一,當(dāng)溫度達到蛋白質(zhì)變性溫度范圍時,誘導(dǎo)蛋白質(zhì)發(fā)生變性,使得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開,改變蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)分子之間、蛋白質(zhì)與界面之間的相互作用力,引起蛋白質(zhì)聚集的發(fā)生[32]。Liu等[25]以去卵黏蛋白的蛋清蛋白質(zhì)為研究對象,對其進行熱處理10 min;溫度為(20、50、55、60 ℃);pH為(4、5、7、9),發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加促進了蛋白質(zhì)的聚集,并且60 ℃,10 min熱處理,在pH為5、7和9處顯著的引起去卵黏蛋白的蛋清蛋白質(zhì)聚集。Ding等[33]研究了鱤魚肌動球蛋白和肌球蛋白在溫度為(25、30、35、40、45 ℃)的熱變性和聚集情況,發(fā)現(xiàn)其變性和聚集行為表現(xiàn)出設(shè)定溫度依賴性。

2.2 蛋白質(zhì)濃度對蛋白質(zhì)熱聚集行為的影響

蛋白質(zhì)濃度對熱聚集的影響是隨著蛋白質(zhì)濃度的增加,經(jīng)過熱處理變性的蛋白質(zhì)含量也隨之增加,變性的蛋白質(zhì)分子之間通過共價鍵或非共價鍵作用發(fā)生交聯(lián)的概率增加,因此利于蛋白質(zhì)熱聚集體的形成。Delahaije等[34]以卵清蛋白、β-乳球蛋白、馬鈴薯糖蛋白研究對象,在蛋白質(zhì)濃度為1、2、5、10 g/L條件下,通過測定聚集體的生成速率,得出了蛋白質(zhì)濃度對卵清蛋白和馬鈴薯糖蛋白有一定的影響,對β-乳球蛋白的影響較為顯著,能夠促進蛋白質(zhì)聚集的發(fā)生,但蛋白質(zhì)濃度的增加不能改變聚集體的尺寸和結(jié)構(gòu)。王金梅等[20]通過測定流體力學(xué)半徑來表示蛋白質(zhì)聚集體的大小,研究了蛋白質(zhì)濃度對SPI熱聚集行為的影響,得出蛋白質(zhì)聚集與蛋白質(zhì)濃度成正相關(guān)性,蛋白質(zhì)濃度的增加促使蛋白質(zhì)形成更大的聚集體。但是蛋白質(zhì)濃度不能改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。Chen等[35]的研究也具有同樣的現(xiàn)象,隨著SPI濃度的增加,蛋白質(zhì)熱聚集體更容易發(fā)生。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度從50 g/L增加到95 g/L時,通過測定聚集體的回轉(zhuǎn)半徑可以知道其增加了30倍。學(xué)者們研究的結(jié)果都表明蛋白質(zhì)濃度的增加能夠促進蛋白質(zhì)的聚集。

2.3 pH對蛋白質(zhì)熱聚集行為的影響

pH通過改變氨基酸側(cè)鏈電荷的分布,降低或增加蛋白質(zhì)之間的相互作用。當(dāng)pH在蛋白質(zhì)等電點時,蛋白質(zhì)分子和水分子之間的相互作用最小,所帶凈電荷也非常少,以致多肽鏈相互靠攏,形成不同大小的聚集體,最后引起蛋白質(zhì)沉淀,當(dāng)聚集體的堆積密度與溶劑密度相差很大時,以及聚集體的直徑很大時,則沉淀速度加快。在環(huán)境pH偏離等電點時,蛋白質(zhì)分子所帶電荷多,從而產(chǎn)生強靜電排斥,這就使得蛋白質(zhì)分子之間不易結(jié)合形成聚集體,溶液濁度下降。

2.4 離子強度對蛋白質(zhì)熱聚集行為的影響

向蛋白質(zhì)溶液中加入鹽離子會對蛋白微環(huán)境中的電荷產(chǎn)生屏蔽作用,并還會破壞蛋白質(zhì)微環(huán)境的水化層,從而增強蛋白質(zhì)表面疏水作用,減小分子間斥力,使蛋白質(zhì)分子之間更易發(fā)生聚集。Hussain等[37]通過研究不同濃度NaCl(0、0.5、1、1.5、2、2.5、3%)條件下,乳清蛋白形成聚集體的尺寸情況,發(fā)現(xiàn)在30 ℃的溫度條件下聚集體的尺寸隨著NaCl濃度的增加而增加;在90 ℃條件下聚集體的尺寸隨著NaCl濃度的增加而減小。此現(xiàn)象的發(fā)生是因為乳清蛋白形成的聚集體在較高溫條件下聚集體發(fā)生了解離。Chen等[35]通過研究添加氯化鈉對SPI的熱聚集行為的影響,得出鹽離子的加入會導(dǎo)致蛋白質(zhì)更快的發(fā)生熱聚集和凝膠化,并且隨著NaCl濃度的增加,蛋白質(zhì)聚集體的尺寸和密度增大,凝膠的微觀結(jié)構(gòu)變得越來越不均勻。在許多方面,增加離子強度相當(dāng)于減少蛋白質(zhì)的凈電荷密度,即降低pH至等電點。在這兩種情況下,對聚集的影響都是由靜電斥力的減少引起的。劉友明[38]研究發(fā)現(xiàn)鰱魚和草魚肌原纖維蛋白溶液的濁度隨著NaCI濃度的增加而下降,這是因為肌原纖維蛋白是鹽溶性蛋白質(zhì),隨著NaCI溶液濃度的增加肌原纖維蛋白的溶解度呈緩慢增加趨勢。當(dāng)離子強度在(I>0.3)條件下,肌原纖維蛋白是以單體或雙聚體形式存在,隨著NaCI濃度的增大,肌球蛋白和肌動蛋白可能發(fā)生解離,從而導(dǎo)致溶液的濁度變小[39]。蛋白質(zhì)溶液的濁度可以粗略的來表示蛋白質(zhì)聚集的程度。Hussain、劉友明、Chen得出的結(jié)果之間存在差異,是因為乳清蛋白、肌原纖維蛋白質(zhì)和SPI的一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)有所不同即性質(zhì)存在差異,并且三者對樣品的處理條件也有所不同,從而引起鹽離子濃度對其聚集行為的影響也會有所不同。

2.5 人工分子伴侶對蛋白質(zhì)熱聚集行為的影響

分子伴侶是一類在序列上沒有相關(guān)性但有共同功能的蛋白質(zhì),它們在細胞內(nèi)幫助其他含多肽的結(jié)構(gòu)完成正確的組裝,而且在組裝完畢后與之分離,不構(gòu)成這些蛋白質(zhì)執(zhí)行功能的組份。“人工分子伴侶”是模擬了分子伴侶的機理,添加“人工分子伴侶”使經(jīng)物理或化學(xué)變性的蛋白質(zhì)恢復(fù)正確的結(jié)構(gòu)[40-41]。

郭健等[42]以大豆蛋白為研究對象,以經(jīng)過不同加熱溫度處理后形成的不同結(jié)構(gòu)的7S球蛋白做為“人工分子伴侶”,添加到含有二硫蘇糖醇(Dithiothreitol,DTT)的11S球蛋白分散液中,對其進行100 ℃,30 min熱處理,分析7S球蛋白疏水性和11S球蛋白分散液的濁度變化情況,得出隨著對7S球蛋白預(yù)熱處理溫度(50～80 ℃)的增加7S球蛋白的疏水性成先增加后減小的趨勢,70 ℃時其疏水性最大;11S球蛋白分散液的濁度變化與其變化趨勢相反,加入經(jīng)預(yù)熱處理溫度為60～70 ℃的7S球蛋白可以大大降低11S分散液的濁度,說明7S球蛋白能夠有效抑制11S球蛋白的聚集,起到了“分子伴侶”的效果。加熱過程中7S球蛋白的疏水基團與11S球蛋白的疏水基團結(jié)合形成7S-11S復(fù)合物,7S球蛋白的親水基團覆蓋于11S球蛋白聚集體的表面,為11S聚集體提供強大的斥力屏障,終止了11S球蛋白聚集體進一步的生長[43-44]。

Gao等[45]向鳙魚肌球蛋白溶液中加入“人工分子伴侶”L-組氨酸后進行加熱處理,發(fā)現(xiàn)L-組氨酸能有效的抑制鳙魚肌球蛋白的熱聚集。其原因是L-組氨酸破壞了帶負電荷氨基酸殘基的熱誘導(dǎo)的未折疊的肌球蛋白的靜電特性,這使疏水表面失調(diào),導(dǎo)致疏水相互作用減弱,最終抑制鳙魚肌球蛋白的劇烈聚集。其對蛋白質(zhì)熱聚集的影響原理,起到對今后的研究的啟示和指導(dǎo)作用。

3 蛋白質(zhì)熱聚集行為對其功能性的影響

蛋白質(zhì)特定的空間結(jié)構(gòu)決定它的功能,蛋白質(zhì)對熱較為敏感,其受熱易變性。在食品加工過程中,加熱、殺菌、干燥等加工工藝會對食品中的蛋白質(zhì)造成一定程度的影響,使蛋白質(zhì)變性,引起其發(fā)生熱聚集,進而引起其功能性(溶解性、凝膠性、乳化性、起泡性等)的變化[46-47]。聚集體的結(jié)構(gòu)、含量、聚集速率、尺寸和界面性質(zhì)等都會在一定程度上影響著最后產(chǎn)品的質(zhì)量,因此,對蛋白質(zhì)熱聚集行為對其功能性的影響成為了學(xué)者們研究的熱點。

3.1 蛋白質(zhì)熱聚集行為對其溶解性的影響

蛋白質(zhì)的熱聚集會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的溶解性發(fā)生變化。目前研究較多的增加蛋白質(zhì)溶解性的方法是改變離子強度、pH、熱處理條件、添加添加劑等。M?kinen等[2]在pH分別為6.5、6.8、10.5加熱處理(100 ℃,0～15 min)藜麥球蛋白,pH為6.5時,藜麥球蛋白形成聚集體最快,溶解度最低;pH為10.5時,藜麥球蛋白形成聚集體顆粒小,溶解度高。Toda等[48]發(fā)現(xiàn)吲哚-β-環(huán)糊精(Indole beta-cyclodextrin)作為“人工分子伴侶”可以抑制檸檬酸合成酶的熱聚集,提高蛋白質(zhì)的溶解度。Uardhanabhuti等[49]研究發(fā)現(xiàn)在近中性的pH(5.6～6.2),85 ℃,15 min熱處理條件下,硫酸葡聚糖(Dextran sulfate)可以提高β-乳球蛋白的熱穩(wěn)定性,抑制蛋白質(zhì)的聚集,提高蛋白質(zhì)的溶解度。蛋白在經(jīng)過高溫高壓的水熱處理后,已經(jīng)形成的蛋白質(zhì)聚集體會在高溫高壓的強烈條件下,發(fā)生分解,形成較小的聚集體或可溶性聚集體,增加蛋白質(zhì)的溶解度[42]。

可以得出在蛋白質(zhì)聚集體形成過程中添加“人工分子伴侶”和增加pH可以抑制蛋白質(zhì)的聚集,提高蛋白質(zhì)的溶解度。在聚集體形成之后可以通過高溫高壓等強烈的處理條件使聚集體分解,使溶解度升高。在生產(chǎn)含蛋白質(zhì)的飲料中,可以改變這些條件來提高蛋白質(zhì)的溶解性和穩(wěn)定性,避免發(fā)生蛋白質(zhì)的聚集、絮凝和凝結(jié)等現(xiàn)象,影響飲料的品質(zhì)。

3.2 蛋白質(zhì)熱聚集行為對其凝膠性的影響

蛋白質(zhì)的凝膠化是指蛋白質(zhì)受環(huán)境因素的影響發(fā)生變性,變性后的蛋白質(zhì)分子之間相互聚集形成內(nèi)部可以包水或其它物質(zhì)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。蛋白質(zhì)的聚集是形成凝膠的必要過程,蛋白質(zhì)聚集體的結(jié)構(gòu)影響著凝膠的特性,蛋白質(zhì)的種類、pH、離子強度、熱處理條件等都會影響到蛋白質(zhì)聚集體的結(jié)構(gòu),其也對蛋白質(zhì)凝膠的特性有較大的影響[50-53]。周建中等[19]對棉籽球蛋白在中性(pH=7)條件下進行熱處理,棉籽7S球蛋白可以形成可溶性的聚集體,棉籽12S球蛋白形成不溶性的聚集體。用制備的棉籽7S和棉籽12S球蛋白聚集體凍干粉末按不同質(zhì)量比(7S∶12S=2∶1、1∶1、1∶2)混合制成混合聚集體溶液,研究其分別制成的凝膠特性,在棉籽7S球蛋白聚集體含量多(7S∶12S=2∶1)的混合聚集體溶液形成的熱制凝膠的速度最快,彈性和硬度最好,凝膠的結(jié)構(gòu)更加細膩均勻?？扇苄跃奂w的含量顯著影響著蛋白質(zhì)凝膠的特性。在低pH(pH=2)條件下,棉籽7S球蛋白形成結(jié)構(gòu)致密的纖維狀聚集體,棉籽12S球蛋白形成的聚集體結(jié)構(gòu)松弛,顆粒較大。制備的混合聚集體溶液形成的凝膠與纖維狀聚集體的含量成正相關(guān)性,纖維狀聚集體的含量越高,形成的凝膠結(jié)構(gòu)更加致密,表面更加均勻。Chen等[54]將SPI在中性pH條件下在水溶液中加熱,形成柔性較好的聚集體。蛋白質(zhì)熱聚集和凝膠速率受溫度的影響,在溫度達到蛋白質(zhì)熱變性溫度后,在研究的溫度范圍內(nèi)(50～95 ℃)隨著溫度的增加,蛋白質(zhì)聚集和凝膠速率不斷增加。在一定溫度下,隨著蛋白質(zhì)濃度的增加,聚集速率急劇增加,凝膠形成的時間不斷縮短。

可以得出低的pH、達到蛋白質(zhì)變性溫度、較高濃度的蛋白質(zhì)溶液和易形成可溶性聚集體的蛋白質(zhì)等條件下,蛋白質(zhì)容易發(fā)生聚集,并且能夠有效地提高其凝膠性。這表明可以利用這些處理條件,生產(chǎn)高凝膠能力的大豆蛋白加入到火腿、香腸和肉丸等肉制品中改善產(chǎn)品的彈性和口感,提高其品質(zhì);也可以用來改變魚類蛋白質(zhì)的凝膠特性,來生產(chǎn)高品質(zhì)的魚糜制品。

3.3 蛋白質(zhì)熱聚集行為對其起泡性的影響

蛋白質(zhì)的起泡性是蛋白質(zhì)在泡沫形成的過程中,其從體相遷移到泡沫的表面,一方面其能夠降低氣-水界面的表面張力;另一方面在界面上的蛋白質(zhì)分子會發(fā)生折疊重排,并通過分子間及分子內(nèi)的相互作用形成一層維持泡沫穩(wěn)定的界面膜[55-56]。蛋白質(zhì)的起泡性與蛋白質(zhì)的構(gòu)象有關(guān),蛋白質(zhì)的熱聚集會在一定程度上改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象。何秀婷[57]通過研究表明,在體相蛋白質(zhì)的濃度為1%的條件下,天然大豆7S蛋白、7S纖維化聚集體、7S無定形聚集體的表面活性的大小順序是7S纖維化聚集體>7S無定形聚集體>天然大豆7S蛋白,其體系的起泡性和泡沫穩(wěn)定性的大小順序與此相同。這也表明了經(jīng)過熱處理的大豆蛋白質(zhì),其內(nèi)部的疏水基團暴露,有利于蛋白遷移到氣-水界面,形成界面膜。Guo等[58]通過對SPI的懸浮液(2%和5%,w/v)在80、90、100 ℃加熱不同時間段而生成不同分子大小的可溶性聚集體的起泡性的研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)大尺寸聚集體(LA>1000 kDa)超過蛋白質(zhì)總量的50%時,能夠促進泡沫的穩(wěn)定性;還發(fā)現(xiàn)中等尺寸聚集體(MA,670～1000 kDa)能夠增強發(fā)泡的能力。通過制備具有不同聚集體尺寸分布的SPI,可以用來調(diào)節(jié)其起泡性能。

焙烤食品、冰激凌、糕點等食品的制作過程中都會使用到發(fā)泡劑,因蛋白質(zhì)具有兩性,具有良好的界面性,可以作為天然的發(fā)泡劑,替代工業(yè)的發(fā)泡劑用于食品的加工過程中,符合人們對營養(yǎng)健康的要求。因此,可以通過改變蛋白質(zhì)(乳蛋白、豆蛋白、蛋蛋白)的熱處理條件制備不同聚集情況的蛋白質(zhì),改變其界面性質(zhì)和聚集體的尺寸,來生產(chǎn)高起泡性的蛋白質(zhì)作為發(fā)泡劑應(yīng)用于食品的加工中。

3.4 蛋白質(zhì)熱聚集行為對其乳化性的影響

蛋白質(zhì)分子因具有疏水和親水的基團,從而能夠分別作用于油相和水相,起到乳化劑的作用。蛋白質(zhì)的熱聚集會影響蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu),不僅影響蛋白質(zhì)的溶解性,而且也影響蛋白質(zhì)的乳化性。Wagner等[59]發(fā)現(xiàn)對大豆11S蛋白進行脫酰胺化、熱處理和低離子強度和弱酸性(0.1 mol/L HCl)條件下解離可以增加11S蛋白的表面疏水性和電荷作用,降低分子尺寸,引起其乳化性的增加。Moro等[60]對β-乳球蛋白溶液在85 ℃下加熱0～15 min不同的時間段的乳化性能的研究,發(fā)現(xiàn)加熱10 min后(聚集體含量較多時),乳化性能降低。Wagner和Moro所得結(jié)果出現(xiàn)的差異性,是大豆11S蛋白和β-乳球蛋白是兩種不同的蛋白質(zhì),并且兩者的處理方式也不同,其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化和生成的聚集體的結(jié)構(gòu)、尺寸、表面性等存在的差異所引起。

植物蛋白飲料、人造黃油、蛋黃醬、巧克力等含有油脂的食品,在加工過程中要考慮油脂的分散問題。為了避免油脂分布不均勻和提高食品的穩(wěn)定性,加工過程中會加入乳化劑使油脂均勻分散,提高食品的穩(wěn)定性和流動性。大豆蛋白、乳清蛋白、卵磷脂等作為天然的乳化劑,可以應(yīng)用于生產(chǎn)營養(yǎng)安全健康的食品生產(chǎn)。蛋白質(zhì)的熱聚集行為對其乳化性的影響的研究,可以用來制備高乳化性天然蛋白乳化劑,應(yīng)用于食品的加工過程中。

4 結(jié)論與展望

食品加工中蛋白質(zhì)形成聚集體的含量、結(jié)構(gòu)、聚集速率等都會在一定程度上影響到食品的品質(zhì),控制好蛋白質(zhì)的聚集程度,了解蛋白質(zhì)熱聚集行為的機理及與蛋白質(zhì)功能特性之間的聯(lián)系,對于食品行業(yè)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)作用。

天然物質(zhì)的蛋白質(zhì)體系所含的蛋白質(zhì)種類多,成分比較復(fù)雜,因蛋白質(zhì)種類的不同蛋白質(zhì)熱聚集行為也會有所差異。目前學(xué)者們研究蛋白質(zhì)熱聚集行為的機理多為針對于單一或數(shù)量有限的蛋白質(zhì),而對天然體系的蛋白質(zhì)熱聚集行為的機理研究還比較匱乏。Roberts等[9-10]提出的LENP動力學(xué)模型也是針對于單一或數(shù)量有限的蛋白質(zhì),并且從一個宏觀的角度對蛋白質(zhì)聚集的機理進行了定性和定量的分析。對于從微觀角度分析蛋白質(zhì)的聚集機理還需進一步的研究。另外,清楚認(rèn)識蛋白質(zhì)聚集行為及其對蛋白質(zhì)功能特性的影響,對今后食品加工具有重要的意義。目前,研究的多為植物蛋白的聚集對其功能的影響,肌肉蛋白質(zhì)研究較為匱乏,加強肌肉蛋白的熱聚集及其與功能性相關(guān)的研究,對于肉制品加工具有重要指導(dǎo)的作用。