第五章 蛋白質

1、LOGO蛋白質蛋白質ProteinsThe School of Biotechnology and Food Engineeringthe Department of Food Engineering2008-9- IntroductionAmino acidsStructures of ProteinsFunctional Properties of ProteinsChanges of Proteins during the Food Processing5.45.5ContentsAmino acid, Polypeptide and P5.1 Introduction

2、v How can we get proteins? 1. Animals2. Vegetables3. Microorganism4. Synthetic AVNewsCuteHealthPitifulInnutrientHResearch in ProteinsThe Nobel Prize in Chemistry IntroductionAmino acidsStructures of ProteinsFunctions of ProteinsChanges of Proteins during the Food Processing5.45.5ContentsAmi

3、no acid, Polypeptide and P5.2 Amino acidsv General Properties of Amino AcidsCCOOHHRNH2COO-NH3+pI (important !) = pH value when the net charge of amino group is zero. (P. 139)5.2 Amino acidsv Physicochemical Properties of Amino Acids1. Hydrophobic properties2. Acidity and Basicity3. Spectrum 4. RvHyd

4、rophobic propertiesG0=-RTlnSEthanol/SH2OCCOOHHRNH2? (important)= How to estimate the Hydrophobic properties of a given amino acid ?v Acidity and BasicityCCOOHHRNH2n (amino group) n (carboxyl group) Basicn (carboxyl group) n (amino group) Acidic v SpectrumVisible light (Vis)negativeUltraviolet (UV)Th

5、r, Tyr, PhefluorescenceAbsorbance peak at 280 vReactivityNinhydrin Reaction (茚三酮反應茚三酮反應)與鄰苯二甲醛反應Maillard Reaction (美拉德反應美拉德反應)褐變反應褐變反應 Browning Reaction Common browning of foods on heating or on storage is usually due to a chemical reaction between reducing sugars, mainly D-glucose, and a free amino

6、 acid or a free amino acid that is part of a protein chain. This reaction is called the Maillard reaction 5.3 Structures of Proteins Primary structure Secondary Structure Tertiary Structure指氨基酸通過共價鍵（肽鍵）連接而成的線性序列指氨基酸通過共價鍵（肽鍵）連接而成的線性序列(Linear Sequence)(Linear Sequence)氨基酸殘基周期性的（有規(guī)則的）空間排列。氨基酸殘基周期性的（有規(guī)則

7、的）空間排列。二級結構進一步折疊成緊密的三維結構二級結構進一步折疊成緊密的三維結構（多肽鏈的空間排列）（多肽鏈的空間排列） Quaternary Structure多于一條多肽鏈的蛋白質分子的空間排列，以二聚體、多于一條多肽鏈的蛋白質分子的空間排列，以二聚體、三聚體、四聚體等形式存在。三聚體、四聚體等形式存在。5.3 Structures of P5.3 Structures of Proteinsv Primary 5.3 Structures of Proteins Secondary Structure折疊結構折疊結構氫鍵氫鍵穩(wěn)定性：-折疊片-螺旋加熱和冷卻 -螺旋螺旋 -折疊折疊5.3

8、 Structures of ProteinsvTertiary Structure肌紅蛋白肌紅蛋白親水性親水性蛋白質蛋白質- -水界面；疏水性水界面；疏水性內部內部-乳球乳球蛋白蛋白5.3 Structures of ProteinsvQuaternary S5.4 Functional Properties of Proteins vThe concept of functional properties of proteins 在食品加工、保藏、制備和消在食品加工、保藏、制備和消費期間影響蛋白質在食品體系中的費期間影響蛋白質在食品體系中的性能的那些蛋白質的物理和化學性性能的那些蛋白質的物

9、理和化學性質。質。Properties of ProteinsProperties of proteinsEmulsifying propertiesFoaming propertiesCombination with fat and flavor compounds SolubilityViscosity Water capacityGelation BondingElastic property Properties of Proteinsv Hydration properties 蛋白質分子中帶電基團、主鏈肽基團、蛋白質分子中帶電基團、主鏈肽基團、AsnAsn、GlnGln的酰胺基、的

10、酰胺基、SerSer、ThrThr和非極性和非極性殘基團與水分子相互結合的性質。殘基團與水分子相互結合的性質。Properties of Proteinsv The process involved in hydration of Factors acting on Hydration propertiespHpHpIpI時，時，蛋白質的水蛋白質的水合能力最低。合能力最低。溫度升高，水溫度升高，水合能力下降。合能力下降。極性氨基酸極性氨基酸越多，水合越多，水合能力越高。能力越高。TemperatureCompositionpH低濃度的鹽能低濃度的鹽能提高蛋白質的提高蛋白質的水合能力。水合能力。

11、Ion concentration水的總吸收量水的總吸收量隨隨C(P)C(P)的增加的增加而增加。而增加。Protein concentrationImportant ！Determination methods相對相對濕度法濕度法溶脹法溶脹法HydrationpropertiesAB水飽和法水飽和法D過量水法過量水法C 測定一定水活測定一定水活度度a aW時所吸收或丟時所吸收或丟失的水量，該法可失的水量，該法可以用于評價蛋白粉以用于評價蛋白粉的吸濕性和結快現(xiàn)的吸濕性和結快現(xiàn)象。象。 將蛋白粉置于將蛋白粉置于下端連有刻度毛細下端連有刻度毛細管的燒結玻璃過濾管的燒結玻璃過濾器上，讓其吸收毛器上，

12、讓其吸收毛細管中的水，即測細管中的水，即測定其水合作用的速定其水合作用的速度和程度。度和程度。 讓蛋白質與過讓蛋白質與過量水接觸，再過濾，量水接觸，再過濾，離心過剩水。該法離心過剩水。該法只適用于溶解度低只適用于溶解度低的蛋白質，對于可的蛋白質，對于可溶性蛋白質必須進溶性蛋白質必須進行校正。行校正。 測定蛋白測定蛋白質飽和溶液所質飽和溶液所需要的水量。需要的水量。Important ！Structural properties Viscosity1Viscosity is positively correlated with the water absorption capacity of S

13、tructural properties Solubility2蛋白質蛋白質-蛋白質蛋白質溶劑溶劑-溶劑溶劑蛋白質蛋白質-溶劑溶劑+實實質質疏水相疏水相互作用互作用離子相離子相互作用互作用+蛋白質的溶解度大小蛋白質的溶解度大小Structural properties氨基酸殘基平均氨基酸殘基平均疏水性的大小疏水性的大小電荷頻率高低電荷頻率高低決定決定蛋白質溶解度蛋白質溶解度決定決定 蛋白質的溶解度與氨基酸殘基的平均疏水性蛋白質的溶解度與氨基酸殘基的平均疏水性G G0 0=G G0 0/n/n）和電荷頻率和電荷頻率(n(n+ +n+n- -)/n)/n有關，平均疏水性愈小和電荷頻率有關，平均疏水

14、性愈小和電荷頻率愈大，蛋白質的溶解度愈大。愈大，蛋白質的溶解度愈大。Bigelow theory最受蛋白質溶解度影響的功能性質最受蛋白質溶解度影響的功能性質: :增稠、起泡、乳化和膠凝作用。增稠、起泡、乳化和膠凝作用。Structural propertiesFactors affecting the solubilitypHpHpHpIpI時，蛋時，蛋白質的溶解度白質的溶解度最低最低。 利用這一性質進行蛋白質利用這一性質進行蛋白質提?。涸谌鯄A性提?。涸谌鯄A性8 89 9時提取，時提取，在在4.8等電點沉淀。等電點沉淀。P. 155低離子強度低離子強度（0.50.5）電荷屏蔽

15、電荷屏蔽效應效應高離子強度高離子強度（1 1） 離子效應離子效應Ion strength T0 04040，溫度溫度，溶解度溶解度4040，溫度溫度，溶解度溶解度Organicsolvent一般溶解度一般溶解度Important ！5.4 Functional Properties of Proteinsv Interfacial properties 蛋白質能自發(fā)地遷移至汽蛋白質能自發(fā)地遷移至汽- -水界水界面或油面或油- -水界面的性質水界面的性質。5.4 Functional Properties of ProteinsEmulsifying propertiesInterfacial

16、propertiesFoaming Interfacial propertiesP.158Emulsifying properties1 一般而言，一般而言，P P的疏水性越強，的疏水性越強，P P在界面的在界面的濃度越大，表面張力愈低，乳狀液愈穩(wěn)定。濃度越大，表面張力愈低，乳狀液愈穩(wěn)定。 疏水值疏水值，表面張力，表面張力乳化活力乳化活力( (乳乳化活性指數(shù)，化活性指數(shù)，m2/g).m2/g).疏水值疏水值表表面面張張力力軟軟化化活活力力疏水值疏水值Interfacial propertiesFactorspHpH = PIProtein solubilitySolubility emulsi

17、fying capacityemulsion stabilitySalt effectEmulsifying propertiesSalting-out effectsalting-in effect Protein surface hydrophobicityWeak positive correlation HeatingEmulsion stability Surfactant Emulsifying capacity Important ！Interfacial propertiesFoaming properties2 汽汽-液界面形成堅韌的薄膜液界面形成堅韌的薄膜使大量氣泡并入和穩(wěn)

18、定的能力。使大量氣泡并入和穩(wěn)定的能力。PInterfacial propertiesv Foaming methods攪打法攪打法：在有大量氣在有大量氣體存在的條件下，通過打體存在的條件下，通過打擦或振蕩蛋白質溶液而產(chǎn)擦或振蕩蛋白質溶液而產(chǎn)生泡沫生泡沫減壓法減壓法：將高壓氣體通入將高壓氣體通入蛋白質溶液，突然減壓，氣蛋白質溶液，突然減壓，氣體膨脹形成泡沫體膨脹形成泡沫鼓泡法鼓泡法：將氣體將氣體通過一個多孔分配通過一個多孔分配器鼓入低濃度蛋白器鼓入低濃度蛋白質溶液中產(chǎn)生泡沫質溶液中產(chǎn)生泡沫Interfacial properties 必須快速必須快速地吸附至地吸附至氣氣-水界水界面面 必須易在必

19、須易在界面上展界面上展開和重排開和重排 必須在界必須在界面上形成面上形成一層粘合一層粘合性膜性膜蛋白質作為起泡劑的必要條件蛋白質作為起泡劑的必要條件Interfacial properties影響泡沫形成和穩(wěn)定性的因素影響泡沫形成和穩(wěn)定性的因素Foaming properties pHSaltFatProteinconcentrationC10%,C,穩(wěn)定性穩(wěn)定性一般不在一般不在pIpI。卵清蛋卵清蛋白（例外）白（例外）Salting-out effect，起泡性質好，起泡性質好salting-in effect，起泡性質差起泡性質差Sugar起泡能力起泡能力，穩(wěn)定性穩(wěn)定性 。穩(wěn)定性穩(wěn)定性過度

20、激烈攪拌，過度激烈攪拌，穩(wěn)定性穩(wěn)定性StirringImportant ！Interfacial propertiesEvaluation of Foaming properties%100起始液體的體積起始液體的體積泡沫體積膨脹率%100)(液體的體積并入的氣體的體積起泡力 FPP.161膨脹率膨脹率（Overrun）起泡力起泡力（Foaming Power）Sensory propertiesCombination with flavor compounds蛋白質蛋白質風味風味+蛋白質蛋白質-風味風味有有利利不不有有利利良好風味載體良好風味載體與不良風味結合與不良風味結合Sensory p

21、roperties干蛋白粉干蛋白粉液態(tài)或高水分食品中蛋白質液態(tài)或高水分食品中蛋白質物理吸附物理吸附 范德華力和毛細管作用吸附范德華力和毛細管作用吸附化學吸附化學吸附 靜電吸附、氫鍵結合和共價結合靜電吸附、氫鍵結合和共價結合非極性配非極性配位體與蛋白質表面的疏水性小區(qū)相互作用位體與蛋白質表面的疏水性小區(qū)相互作用通過氫鍵通過氫鍵相互作用相互作用靜電相互作用靜電相互作用醛類化合物通過醛類化合物通過共價鍵共價鍵結合至賴氨酸殘基上結合至賴氨酸殘基上Combination Sensory propertiesFactors acting on sensory propertiesProtein confo

22、rmationAny changes couldinfluence the combinationWaterPromote the combination with polar volatilespHBasic conditions promote the combinationHeatingHeat-denatured proteins bear higher combination capacityChemical modificationAny chemical modifications could alter the combination propertiesP.162Import

23、ant ！Structural propertiesGelationElastic propertyStructural Structural properties GelationS指變性的蛋白質分子聚集并形成有序的蛋白質網(wǎng)絡結構過程指變性的蛋白質分子聚集并形成有序的蛋白質網(wǎng)絡結構過程。Structural properties Types of Amino Acid Residues高于高于31.5%31.5%非極性非極性AAAA凝結塊類型凝結塊類型 低于低于31.5%31.5%非極性非極性AAAA透明類型透明類型 pH Concentration of Proteins Metal Io

24、nspIpI凝結塊類凝膠凝結塊類凝膠 極端極端pHpH弱凝膠，半透明弱凝膠，半透明 形成凝膠的最適形成凝膠的最適pHpH約約7 78 8Ca2+強化了凝膠結構強化了凝膠結構 過量鈣橋產(chǎn)生凝結塊過量鈣橋產(chǎn)生凝結塊Factors acting on gelation of proteins濃度越大，越易形成凝膠濃度越大，越易形成凝膠Important ！P. Protein denaturation 由于外界因素的作用，使天然蛋白質分子的構象發(fā)由于外界因素的作用，使天然蛋白質分子的構象發(fā)生了異常變化，從而導致生物活性的喪失以及物理、化學生了異常變化，從而導致生物活性的喪失以及物理、化學性質的異常變

25、化，不包括一級結構上肽鍵的斷裂性質的異常變化，不包括一級結構上肽鍵的斷裂。Protein denaturation物理性質的改變凝集、沉淀流動雙折射粘度增加旋光值改變紫外、熒光光譜發(fā)生變化化學性質的改變酶水解速度增加分子內部基團暴露生物性能的改變抗原性改變生物功能喪失蛋白質變性現(xiàn)象蛋白質變性現(xiàn)象Protein denaturationFactors inducing protein denaturationP 144物理因素物理因素熱致變熱致變輻射變性輻射變性高壓變性高壓變性超聲波變性超聲波變性Protein denaturation化學因素化學因素酸和堿酸和堿有機溶劑有機溶劑重金屬鹽重金屬鹽

26、Protein deposition可逆沉淀可逆沉淀鹽析鹽析有機溶劑沉淀有機溶劑沉淀等電點沉淀法等電點沉淀法不可逆沉淀不可逆沉淀重金屬沉淀重金屬沉淀生物堿試劑或酸生物堿試劑或酸熱凝固沉淀熱凝固沉淀Deposition methodsImportant ！Protein deposition鹽析沉淀鹽析沉淀Salting-in effectSalting-out effect 在鹽濃度很稀的范圍內，隨著鹽濃度增加，蛋在鹽濃度很稀的范圍內，隨著鹽濃度增加，蛋白質的溶解度也隨之增加，這種現(xiàn)象稱為鹽溶。白質的溶解度也隨之增加，這種現(xiàn)象稱為鹽溶。 當中性鹽濃度增加到一定程度時，蛋白質的溶解度明當中性鹽濃

27、度增加到一定程度時，蛋白質的溶解度明顯下降并沉淀析出的現(xiàn)象，叫作鹽析。顯下降并沉淀析出的現(xiàn)象，叫作鹽析。鹽溶機理：鹽溶機理：蛋白質表面電荷吸附蛋白質表面電荷吸附某種鹽離子后，帶電某種鹽離子后，帶電表層使蛋白質分子彼此排斥，而蛋白質分子與水分子表層使蛋白質分子彼此排斥，而蛋白質分子與水分子間的相互作用卻加強，因而使溶解度提高間的相互作用卻加強，因而使溶解度提高鹽析機理：鹽析機理：大量鹽的加入，使水的活度降低，使原來溶液中的大量鹽的加入，使水的活度降低，使原來溶液中的大部分自由水轉變?yōu)辂}離子的水化水，從而降低了蛋白質極性大部分自由水轉變?yōu)辂}離子的水化水，從而降低了蛋白質極性基團與水分子間的相互作用

28、，破壞蛋白質分子表面的水化層?；鶊F與水分子間的相互作用，破壞蛋白質分子表面的水化層。Protein deposition有機溶劑沉淀有機溶劑沉淀 水溶性有機溶劑如丙酮、乙醇、甲醇水溶性有機溶劑如丙酮、乙醇、甲醇等達到相當飽和度時可以使蛋白質沉淀等達到相當飽和度時可以使蛋白質沉淀。q 這些溶劑與水的親和力比蛋白質強，能奪取蛋這些溶劑與水的親和力比蛋白質強，能奪取蛋白質分子表面的水化膜，同時降低水的介電常數(shù)，白質分子表面的水化膜，同時降低水的介電常數(shù)，增加蛋白質分子間的靜電相互作用，導致蛋白質分增加蛋白質分子間的靜電相互作用，導致蛋白質分子聚集沉淀。子聚集沉淀。Protein deposition

29、等電點沉淀法等電點沉淀法（弱酸或弱堿沉淀法）（弱酸或弱堿沉淀法） 用弱酸或弱堿調節(jié)蛋白質溶液的用弱酸或弱堿調節(jié)蛋白質溶液的pHpH處處于等電點處于等電點處，使蛋白質沉淀。，使蛋白質沉淀。破壞蛋白質表面凈電荷。破壞蛋白質表面凈電荷。Protein deposition重金屬沉淀重金屬沉淀 當溶液當溶液pHpH大于等電點時，蛋白質顆粒帶大于等電點時，蛋白質顆粒帶凈負電荷，易與重金屬離子結合成不溶性鹽凈負電荷，易與重金屬離子結合成不溶性鹽而沉淀析出。而沉淀析出。重金屬鹽加入之后，與帶負電的羧基結合。重金屬鹽加入之后，與帶負電的羧基結合。Protein deposition生物堿試劑或酸生物堿試劑或酸

30、 當當pHpH小于等電點時，蛋白質分子以陽離子形小于等電點時，蛋白質分子以陽離子形式存在，易與生物堿或酸根負離子結合成不溶性式存在，易與生物堿或酸根負離子結合成不溶性鹽而沉淀。鹽而沉淀。熱凝固沉淀熱凝固沉淀 蛋白質受熱變性后，再加入少量鹽類或將蛋白質受熱變性后，再加入少量鹽類或將pHpH值調至等電點，則很容易發(fā)生凝固變性。值調至等電點，則很容易發(fā)生凝固變性。5.5 Changes of Proteins during the Food Processing Changes of ProteinsHeat-treatmentP. 145Low temperature-treatmentAlkal

31、i- treatmentOxidation-treatmentDehydration-5.5 Changes of Proteins during the Food ProcessingHeat-treatmentBenefits 改善其營養(yǎng)價值，變性蛋白質改善其營養(yǎng)價值，變性蛋白質利于人體消化吸收利于人體消化吸收蛋白質的熱凝固利于食品造型和強度蛋白質的熱凝固利于食品造型和強度蛋白質經(jīng)適當熱處理后引起的美拉德反應蛋白質經(jīng)適當熱處理后引起的美拉德反應可賦于食品各種優(yōu)美的色、香、味等?？少x于食品各種優(yōu)美的色、香、味等。抑制有害酶活性，提高食品品質抑制有害酶活性，提高食品品質5.5 Changes

32、of Proteins during the Food ProcessingHeat-treatmentExcess Heating Harmful consequences 產(chǎn)生有毒物質產(chǎn)生有毒物質導致蛋白質效價的降低導致蛋白質效價的降低導致硫蛋白的分解導致硫蛋白的分解5.5 Changes of Proteins during the Food ProcessingLow temperature-treatment 食品的低溫貯藏可延緩或阻止微生物的食品的低溫貯藏可延緩或阻止微生物的生長并抑制酶的活性及化學變化。生長并抑制酶的活性及化學變化。冷卻（冷藏）冷卻（冷藏） 4 477冷凍（凍藏）

33、冷凍（凍藏） -18-18以下以下 冰結晶，蛋白質變性冰結晶，蛋白質變性 水化作用降低；水化作用降低； 快速冷凍法?？焖倮鋬龇ā?.5 Changes of Proteins during the Food ProcessingAlkali-treatment 蛋白質的濃縮、分離、起泡、乳化或使溶蛋白質的濃縮、分離、起泡、乳化或使溶液中的蛋白質連成纖維狀，常需要堿處理。液中的蛋白質連成纖維狀，常需要堿處理?？煽墒咕彼帷㈦装彼?、色氨酸和賴氨酸發(fā)生構型使精氨酸、胱氨酸、色氨酸和賴氨酸發(fā)生構型變化，同變化，同L L型變?yōu)樾妥優(yōu)镈 D型，營養(yǎng)價值降低。型，營養(yǎng)價值降低。5.5 Changes of

34、Proteins during the Food ProcessingOxidation-treatment導致蛋白質營養(yǎng)價值的降低，甚至還產(chǎn)生導致蛋白質營養(yǎng)價值的降低，甚至還產(chǎn)生有害物質有害物質。 H2O2引起酪氨酸發(fā)生氧化性交聯(lián)引起酪氨酸發(fā)生氧化性交聯(lián) 形成蛋白質自由基形成蛋白質自由基PH + LOO P + LOOH 天然蛋白質天然蛋白質 脂類自由基脂類自由基 脂類過氧化物脂類過氧化物 形成的蛋白質自由基形成的蛋白質自由基PP，隨后發(fā)生多肽鏈聚合，隨后發(fā)生多肽鏈聚合等等P+ PP-PP+ PP-P5.5 Changes of Proteins during the Food Proces

35、sing蛋白質與氧化劑之間的相互作用蛋白質與氧化劑之間的相互作用 蛋氨酸的氧化蛋氨酸的氧化5.5 Changes of Proteins during the Food Processing蛋白質與氧化劑之間的相互作用蛋白質與氧化劑之間的相互作用 半胱氨酸的氧化半胱氨酸的氧化5.5 Changes of Proteins during the Food Processing蛋白質與氧化劑之間的相互作用蛋白質與氧化劑之間的相互作用 色氨酸的氧化5.5 Changes of Proteins during the Food ProcessingDehydration-treatment早期乳粉、早

36、期乳粉、周村燒餅周村燒餅脫水蔬菜脫水蔬菜(方便面方便面)（自然干燥法）（自然干燥法）山野菜、蘑菇山野菜、蘑菇蛋粉、乳粉蛋粉、乳粉桂圓粉、大蒜粉、桂圓粉、大蒜粉、香蕉粉、南瓜粉香蕉粉、南瓜粉傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的脫水方法脫水方法真空干燥真空干燥 冷凍冷凍 干燥干燥噴霧噴霧 干燥干燥鼓膜鼓膜 干燥干燥5.5 Changes of Proteins during the Food Processing輻照處理下的變化輻照處理下的變化機械處理下的變化機械處理下的變化殺菌（紫外線）；誘變育種（太空辣椒等）殺菌（紫外線）；誘變育種（太空辣椒等）均質牛奶等均質牛奶等面團形成面包面團形成面包發(fā)泡面糊蛋糕發(fā)泡面糊蛋糕擠壓

37、組織化膨化食品，人造肉。擠壓組織化膨化食品，人造肉。Modification of Proteins in FoodChemicalModificationEnzymatic ModificationModificationAcidic/basic Limited HydrolysisPhosphorylation Acylation EsterificationEnzyme Catalyzed- HydrolysisPlastein ReactionProtein Cross-Linking Acylation ?；噭ㄒ宜狒?、琥珀酸酐）與賴氨酸殘基的酰化試劑（乙酸酐、琥珀酸酐）與賴氨酸殘基的- -氨基作用氨基作用帶更多的負電帶更多的負電荷荷q溶解度和水合作用提高溶解度和水合作用提高q教好的起泡能力教好的起泡能力q較差的泡沫穩(wěn)定性較差的泡沫穩(wěn)定性q教好的熱穩(wěn)定性教好的熱穩(wěn)定性Modification of Proteins in FoodChe