食品蛋白質(zhì)改性研究.doc

食品蛋白質(zhì)改性研究WWW.Cmrc.C肉類研究MEATRESEARCH2010.5食品蛋白質(zhì)改性研究魏彥杰,楊斌(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶400715)摘要:本文綜述了食品蛋白質(zhì)各種改性技術(shù),包括?；?去酰胺,磷酸化,糖基化,共價交聯(lián)作用,蛋白水解作用,物理改性及基因工程改性等8種蛋白質(zhì)改性技術(shù)及最新進展.關(guān)鍵詞:蛋白質(zhì);改性;功能特性ModificationofFoodProteinsWEIYanjie,YANGBin(CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)Abstract:Thisarticlesurveyedthevariousmodificationmethodsoffoodproteins,includingacylation,phOsphOrylatiOn,deamidation,glycosylation,covalentcross-linkingeffect,proteolysis,physicalmodification,geneticengineeringmodification.Keywords:protein;modification;functionalpropey中圖分類號:TS201.1文獻標(biāo)識碼:B文章編號:10018123(20l0)050024040前言蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)在食品加工中起著非常重要的作用,但不同食品體系和應(yīng)用中要求蛋白質(zhì)發(fā)揮不同的功能特性.蛋白質(zhì)的功能特性與其理化性質(zhì)有著直接的關(guān)系.蛋白質(zhì)的改性就是人為地對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行修飾.從分子水平看,改性實質(zhì)是切斷蛋白質(zhì)分子中主鏈或是對蛋白質(zhì)分子側(cè)鏈基團進行修飾,使其氨基酸殘基和多肽鏈發(fā)生某種變化,從而引發(fā)蛋白空間結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)改變,使蛋白功能特性和營養(yǎng)特性得到改善.目前常用的蛋白質(zhì)改性技術(shù)有物理改性,化學(xué)改性,酶法改性和基因工程改性等.通過適當(dāng)?shù)母男约夹g(shù),可以獲得較好功能特性和營養(yǎng)特性的蛋白質(zhì),拓寬蛋白質(zhì)在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍.下面即是蛋白質(zhì)的幾種改性技術(shù)及其應(yīng)用進行綜述.1物理改性所謂蛋白質(zhì)物理改性是指利用機械處理,熱,擠壓,冷凍,電,磁等物理作用形式,改變蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和分子同的聚集方式.一般不涉及蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu).如蒸煮,攪打等均屬于物理改性技術(shù).它具有費用低,無毒副作用,作用時間短及對產(chǎn)品營養(yǎng)性能影響較小等優(yōu)點.物理改性主要用于蛋白的增溶和凝膠.蛋白質(zhì)粉末或濃縮物徹底干磨后會產(chǎn)生小粒子和大表面的粉末,與未研磨的試樣相比,水吸收,蛋白質(zhì)的溶解度,脂肪吸收和起泡性質(zhì)都得到了改進,在乳化的均質(zhì)過程中,蛋白質(zhì)懸濁液受到強烈剪切力使蛋白質(zhì)聚集體(膠束)碎裂成亞基團,從而提高蛋白質(zhì)的乳化能力.擠壓處理時蛋白質(zhì)在高溫高壓下受定向力的作用而導(dǎo)致定向排列壓力的釋放,水分的瞬時蒸發(fā),形成具有耐嚼性和良好口感的纖維狀蛋白質(zhì).將蛋白質(zhì)溶液以一定速率冷卻,會產(chǎn)生垂直于冷卻表面的冰晶,使蛋白質(zhì)定向排列在冰晶空隙中而被濃縮.移去水分可得到結(jié)構(gòu)完整的蛋白質(zhì).收稿日期:2010-03-11作者簡介:魏彥杰(1983),男,在讀碩士,研究方向為事現(xiàn)代食品加工技術(shù)與理論研究,Email:肉害研;已質(zhì)構(gòu)化(texturization)也是一種物理改性,即是將蛋白質(zhì)經(jīng)水等溶劑溶脹,膨化后在一定溫度下進行強剪切擠壓或經(jīng)螺桿機擠出或造粒的過程,通常用于食品加工,使蛋白質(zhì)的密度降低,吸水率和保水性提高.據(jù)報道,小麥質(zhì)構(gòu)化蛋白產(chǎn)品,被切成薄片時,可吸收3倍于自重的水分,它們已成功地配用于漢堡包,咖喱調(diào)味食品,燉制辣味肉制品,油炸雞胸脯和雞塊等制品的加工.2化學(xué)改性蛋白質(zhì)化學(xué)改性主要是對其多肽中一些氨基(一NH,),羥基(一0H),琉基(一SH)以及羧基(一COOH)進行改性,從而起到改善其各項功能特性,包括溶解性,表面性質(zhì),吸水性,凝膠性及熱穩(wěn)定性等.其實質(zhì)是通過改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),靜電荷,疏水基團,從而改變其功能性質(zhì).食品蛋白質(zhì)化學(xué)改性方法,包括?；?脫酰胺,磷酸化,糖基化(即美拉德反應(yīng)),共價交聯(lián),水解及氧化等方法.2.1酸調(diào)改性蛋白質(zhì)在水溶液中是兩性離子,在其等電點,蛋白質(zhì)分子本身具有最低的自由電荷,分子自身容易相互聚集,并從水溶液中沉淀出來,其水合度也達到最低.利用這一特點,用各種酸改性蛋白質(zhì),研究制得的塑料樣片在吸水性能上的變化.調(diào)節(jié)pH值的酸包括鹽酸,硫酸,醋酸,丙酸,磷酸和檸檬酸等.SalmoralEM等在20MPa不高于140C下,模壓成型7rain后,發(fā)現(xiàn)黑豆蛋白在拉伸強度,抗張強度方面優(yōu)于白豆蛋白,并且有較小的吸水性.加入硼酸3%(w/W)會明顯提高全粉白豆蛋白的機械性能J.2.2酰化作用改性?；男灾饕峭ㄟ^使用?；瘎?最為常見酰化劑為琥珀酸酐和乙酸酐.酰化的原理是蛋白質(zhì)分子的親核基團(如氨基或羥基)與酸酐的親電子基團(如羰基)相互反應(yīng),從而引入了酸親水基團,然后在催化劑作用下又引入長碳鏈親油基團,使得蛋白成為具有雙極性基團的高分子表面活性劑的過程.?；蟮鞍踪|(zhì)分子表面負(fù)電荷增多,多肽鏈伸展及空間結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變,導(dǎo)致分子柔韌性提高,從而增強蛋白質(zhì)溶解性,持水性及持油性,改善乳化性及起泡性.KayLFranzen$1:IJohnEKinsella發(fā)現(xiàn),經(jīng)過琥珀?；拇蠖沟鞍椎娜榛钚許u.L化穩(wěn)定性分別提高了30%$H21%;乳化量提高了3倍,而起泡力和泡沫穩(wěn)定性則分別提高了2O%和50%.琥珀?；鸵阴；伎梢栽黾臃蛛x蛋白的比容.在pH:5.08.0的中性與弱堿性范圍內(nèi),?；黠@提高蛋白質(zhì)的溶解性,琥珀酰化的作用比乙?；@著;在低于大豆蛋白等電點的pH環(huán)境中,?；档偷鞍踪|(zhì)的溶解性.反應(yīng)方程式如下:iO首8lI一Ne,+c_一0一.一斗H在大多數(shù)情況下,?；男灾饕康氖歉纳频鞍踪|(zhì)乳化性和起泡性.為了研究蛋白質(zhì)功能特性與其分子結(jié)構(gòu)關(guān)系,研究者對蛋白質(zhì)表面特性改性研究尤感興趣.因為,蛋白質(zhì)可用不同類型和數(shù)量?；噭┻M行改性,致使其結(jié)構(gòu)可以逐漸被改性,這對研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系很有幫助;另一方面,也有助于在更廣應(yīng)用范圍內(nèi)制造所需特定蛋白質(zhì).2.3去酰胺改性在食品蛋白質(zhì)許多化學(xué)改性方法中,去酰胺改性較為突出,因為諸多植物來源蛋白質(zhì)含有大量酰胺基團.一般認(rèn)為蛋白質(zhì)中的脫酰胺應(yīng)通過羧基中的0和H直接發(fā)生質(zhì)子化作用,導(dǎo)致NH釋放,即將蛋白質(zhì)中天冬酰氨和谷氨酰胺脫去酰胺基生成天冬氨酸和谷氨酸.通過去除此類蛋白質(zhì)酰胺基團,便可獲得良好溶解性,乳化性及發(fā)泡性.蛋白質(zhì)化學(xué)去酰胺作用可通過以下二種機制進行:(1)酸或堿催化下水解;(2)p一轉(zhuǎn)變機制(p-shiftmechanism).前者研究較多,后者通過產(chǎn)生不穩(wěn)定琥珀酰亞胺中間物,立即被水解從而產(chǎn)生一個”異頭肽”(isopeptide).以下就前一種機制改性蛋白質(zhì)作一敘述.脫酰胺作用可通過化學(xué)方法(酸或堿作用)進行.酸堿去酰胺改性是在比較溫和條件下進行.在酸性條件下,去酰胺反應(yīng)是直接水解蛋白質(zhì)酰胺鍵中氨,脫氨形成羧酸進行的.但酸法去酰胺由于溫度高,不僅在酸的催化下肽鍵水解控制不好,蛋白質(zhì)也有部分變性.也有報道說,這種溫和酸改性,提高溶解度部分歸功于肽鍵水解和高的加熱溫度.用堿催化去酰胺改性僅臺灣有報道,這種方法雖速度快,但使蛋白質(zhì)中氨基酸發(fā)生消旋作用,使必需氨基酸L一對映體減少和消化率降低,并產(chǎn)生賴丙氨酸,毒理研究表明它對小鼠腎有毒害作用,因此研究甚少.2.4糖基化作用改性蛋白質(zhì)一般對熱,水解作用很不穩(wěn)定,但與碳水化合物或生物多聚物的交聯(lián)(糖基化作用)能變得穩(wěn)定,也能被賦予一些新的特性.美拉德反應(yīng)就是一個糖殘基與蛋白質(zhì)反應(yīng)的糖?；暮唵卫?將碳水化合物以共價鍵與蛋白質(zhì)分子上氨基(主要為Lys的一氨基)或羧基相結(jié)合化學(xué)反應(yīng)(包括美拉德反應(yīng)),稱之為蛋白質(zhì)糖基化作用.這種方法,也被廣泛用來提高蛋白質(zhì)功能特性.一般來說,合成糖基化蛋白在較低200棄第5期總第735期25./.麓羹離子強度或天然蛋白等電點處仍表現(xiàn)出較高溶解性;同時,糖基化也提高蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性,且隨著糖基化程度提高,糖基化蛋白質(zhì)功能特性也隨之提高.Naotoshimato等研究發(fā)現(xiàn),精蛋白一半乳甘露聚糖具有良好的乳化特性,其乳化活性是精蛋白的6倍,乳化穩(wěn)定性是它的l0倍.精蛋白一半乳甘聚糖可以作為功能性食品的乳化劑及殺菌劑.糖一c:-【,N一蕾臼璇餐一刪-N一置巍質(zhì)墼糖一NH一鼉由J黃【1)置白成一0(,o一+RIN.c.N一J!二己由質(zhì)一coDtC-NR)一NHRI確莓晴戴嘲一蕾蝴+RI一刪一一嘲一耕黃自殷一Oo一2)圈1氟廈隨圈由此可見,美拉德共價鍵合蛋白質(zhì)一多糖復(fù)物既保留蛋白質(zhì)表面活性,且還具有多糖親水性能,因而作為”綠色”乳化劑和穩(wěn)定劑有著廣泛應(yīng)用前景.2.5磷酸化作用改性蛋白質(zhì)的磷酸化是有選擇地利用蛋白質(zhì)側(cè)鏈的活性基團.是無機磷酸與蛋白質(zhì)上特定的氧原子(Ser,Thr,Tyr的一OH)或氮原子(Lys的氨基,Arg的胍基末端N)作用形成COPi或CNPi的酯化反應(yīng)(后者對酸不穩(wěn)定,在pH7環(huán)境下發(fā)生水解,而前者穩(wěn)定),使之變成(Ser,Thr)TyrPO32一,從而引進大量磷酸根基團.磷酸化位置取決于化學(xué)反應(yīng)的pH值.蛋白質(zhì)的磷酸化改性可通過化學(xué)方法或酶法予以實現(xiàn).常用的磷酸化試劑有化學(xué)磷酸化試劑和蛋白激酶.化學(xué)磷酸化試劑如磷酰氯(POC1)磷酸,三聚磷酸鈉(STP),其中大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的為POC1,STP;蛋白激酶如依賴于CAMP激活的蛋白激酶(CAMPdPK),酪蛋白激酶(CK一).據(jù)報道,用STP改性的小麥面筋蛋白的溶解度,乳化性及乳化穩(wěn)定性,起泡性等都較未改性的面筋蛋白有顯著提高.磷酸化改性后蛋白中,由于引進大量磷酸根基團,從而增加蛋白質(zhì)體系電負(fù)性,提高蛋白質(zhì)分子之間靜電斥力,使之在食品體系中更易分散,相互排斥,因而提高溶解度,聚集穩(wěn)定性,降低等電點,而且其凈電荷只有在相當(dāng)?shù)铜h(huán)境中才會被中和,故可有效拓寬在食品中應(yīng)用范圍.磷酸化改性蛋白由于負(fù)電荷引入,大大降低乳狀液表面張力,使之更易形成乳狀液滴,同時也增加液滴之間斥力,從而更易分散,因此改性蛋白乳化能力及乳化穩(wěn)定性都有較大改善.2.6填充改性J.U.Otaigble;ND.0.Adams研究了大豆蛋白與聚磷酸鹽復(fù)合材料的強度,硬度和耐水性.聚磷酸鹽填料為可生物吸收的,添加20%(w/w)可將,26原來完全溶解的分離大豆蛋白塑料的水吸收量穩(wěn)定在57%,并將彎曲模量從ll7GPa提高到211GPa.將聚磷酸鹽混入塑料前,用硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理,可進一步提高大豆塑料的耐水穩(wěn)定性(水吸收量降至45%),彎曲模量進一步提高(216GPa).這預(yù)示著填充的大豆塑料可在潮濕和有負(fù)載條件下使用.另外.填充改性還可與淀粉,纖維素等共混,主要是從降低原料成本的角度出發(fā)進行的.所用的淀粉主要是玉米淀粉和醋酸化的高直鏈玉米淀粉.纖維素的填充研究了3種纖維素,分別是:短纖,長纖,微晶纖維,所有纖維素的加入均使吸水量稍稍降低.短纖是這些纖維素中最好的,它在保持模塑料的耐水性同時提高了它的強度.用濃縮大豆蛋白粉制得的塑料較之用分離大豆蛋白粉制得的塑料在相同配方和工藝下有更高的吸水量.”2.7其它化學(xué)改性方法除以上所述幾種化學(xué)改性方法外,還有酰胺化改性,氧化改性等.蛋白質(zhì)水解可拓寬其應(yīng)用范圍,采用酸水解可用于加工一些廉價粗原料.酸水解會引起一些氨基酸(如色氨酸,絲氨酸,蘇氨酸及一些含硫氨基酸)異構(gòu)化及破壞.Sfinivasan等研究顯示,限制性(或可控)氧化可改善蛋白質(zhì)許多功能特性,特別是膠凝作用.Liu等(2000)121采用Dsc及動態(tài)流變分析研究氧化作用對肌球蛋白,D一乳球蛋白,大豆7s球蛋白及復(fù)合體系影響,結(jié)果顯示,肌球蛋白比其它蛋白更易受氧化,盡管氧化7s球蛋白顯示一種較強凝膠形成能力(與未氧化相比),然而對其它蛋白效果卻相反.作者指出添加外源氧化劑提高肌肉蛋白功能特性不是一種可取方法.3酶法改性酶改性的方式有很多種,酶法改性通常是蛋白酶的有限水解,改性的程度與酶量,底物濃度,水解時間等因素密切相關(guān).通過蛋白酶催化的蛋白質(zhì)水解作用能提高蛋白質(zhì)的溶解度,這主要是由于形成了較少的,弱親水的和較易溶劑化的多肽單位”.同化學(xué)改性和物理改性相比,酶法改性具有以下幾個方面的優(yōu)點:(1)酶解過程十分溫和,不會破壞蛋白質(zhì)原有的功能性質(zhì);(2)最終水解產(chǎn)物經(jīng)平衡后,含鹽極少且最終產(chǎn)品的功能性質(zhì)可通過選擇特定的酶和反應(yīng)因素加以控制;(3)蛋白水解物易被人體消化吸收且具有特殊的生理功能”.3.1共價交聯(lián)作用人為地將交聯(lián)鍵引入食品中,可以改善蛋白質(zhì)的功能特性.通過一定化學(xué)試劑或催化劑,使蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)(cross-linking),20f0耳孳5期總第735期肉研從而起到改善蛋白質(zhì)功能特性目的.轉(zhuǎn)谷氦酰胺酶(TGase),過氧化物酶(POD),多酚氧化酶(PPO)和脂肪氧化酶(LO)等都能使蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)作用.TG是一種專對蛋白質(zhì)谷氨酰胺殘基的交聯(lián)催化酶,催化親核反應(yīng),如賴氯酰殘基的e一氨基,谷氨酰胺殘基的氨基.TG已被用于p一乳球蛋白,酪蛋白,大豆球蛋白,小麥麥谷蛋白的交聯(lián)作用,以及不同食品蛋白間,如肌球蛋白,大豆蛋白,酪蛋白或谷蛋白間的交聯(lián)作用.POD;IIPPO已被用于改善蛋白質(zhì)的功能特性.有許多雙重功能試劑,可以使蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)作用.食品加工時,有時蛋白質(zhì)交聯(lián)是作為不期望出現(xiàn)的副反應(yīng)發(fā)生的.3.2其他酶法糖基化,酶法磷酸化,酶法脫酰胺以及蛋白酶改性等,都是現(xiàn)階段應(yīng)用的最多的酶法改性.酶法改性具有反應(yīng)速度快,特異性強,反應(yīng)條件溫和等諸多優(yōu)點.在適當(dāng)反應(yīng)條件下,酶催化反應(yīng)速度可以達到非酶催化反應(yīng)的l010”倍,這可以大大降低能耗,提高反應(yīng)效率,因而對生產(chǎn)者具更大的吸引力.4基因工程改性基因工程法是通過重組蛋白質(zhì)的合成基因,從而改變蛋白質(zhì)功能特性.但由于該技術(shù)周期長,見效慢,目前仍處于實驗室階段18.目前針對大豆蛋白的基因工程改性主要集中在以下幾個方面:一是改變大豆球蛋白的組成,補充提高其營養(yǎng)價值;二是改變脂肪氧化酶同功酶組成,減少大豆產(chǎn)品的異味;三是改變脂肪合成酶系,使其脂類組成發(fā)生變化;其他也有針對抗?fàn)I養(yǎng)因子的研究”.5應(yīng)用前景酶法或化學(xué)法改性蛋白質(zhì),是提高其功能特性的重要途徑.在改變結(jié)構(gòu)和功能性方面,化學(xué)法比酶法更有效.磷酸化,糖基化,共價交聯(lián)反應(yīng),有利于提高蛋白質(zhì)功能特性.但酶法改性和物理改性的安全性優(yōu)于化學(xué)改性,現(xiàn)已逐步應(yīng)用于實際生產(chǎn).隨著酶制劑工業(yè)的發(fā)展,酶品種及食用級酶也將大增,微囊包埋酶,固定化酶等技術(shù)的開發(fā),使酶改性在食品工業(yè)中應(yīng)用前景可觀.生物工程可以從根本上改變蛋白質(zhì)的性質(zhì),具有很大的發(fā)展?jié)摿?此外,使用兩種或兩種以上的改性方法也是今后蛋白質(zhì)改性的一個主要發(fā)展方向.參考文獻【1顧華孝.小麥質(zhì)構(gòu)化蛋白的性質(zhì)和應(yīng)用.糧食與飼料工業(yè),2()011:444【2孫鵬.大豆蛋白改性技術(shù)的研究U】.食品研究與開發(fā),2005,26(5):115一l17.f31SMmoralEM,GonzalezME,MariscakMP.Modulationofneuronalproteintraffic-ckingandfunctionbyPalmito-ylationJ】.IndustrialCropsProducts,2000,11:217225【4黃紀(jì)念.大豆蛋白的功能特性及其改性動向U1.食品工業(yè),1997,(3):4143.5】戈進杰.生物降解高分子材料及其應(yīng)用【M】.化學(xué)工業(yè)出版社,2002,9,第一版.6】孔樣珍,周惠明.食品蛋白質(zhì)改性研究卟糧食與油脂,2004,(2):2224.7】Naotoshimatoet.alEmulsifyingandbactericidalpropertiesofaprotaminegalactomannanconjugatepreparedbydryheatingJ.Foodscience,1998,59(2):428431.【8】王蘭.磷酸化試劑在食品蛋白質(zhì)改性中的應(yīng)用【】.鄭州工程學(xué)院學(xué)報,2003(1):51549】LiuGang,XiongY.Thermaltransitionsanddynamicgellingpropertiesofoxidativelymodifiedmyosin,81actoglobulin,soy7Sglobulinandtheirmixtures【J】.JournaloftheScienceofFoodandAgriculture,2000.80:17281734.f10I.Paetau,C.eta1.BiologicalselectivityandfunctionalaspectsofproteintyrosinenitrationJ.IND.ENG.CHEM.RES,19