食品加工中蛋白質結構變化對食品品質的影響

胡燕，袁曉晴，陳忠杰

（1.河南商業高等專科學校，河南 鄭州 450044；2.鄭州牧業工程高等專科學校，河南 鄭州 450011）

食品加工中蛋白質結構變化對食品品質的影響

胡燕1，袁曉晴1，陳忠杰2

（1.河南商業高等專科學校，河南 鄭州 450044；2.鄭州牧業工程高等專科學校，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結構變化的因素有很多，而蛋白質結構的改變會導致食品物理、化學和營養等多方面的變化。其中有有利于食品成型或食品色澤、口感、營養等各方面的變化，也有不利的變化。系統介紹能引起蛋白質結構改變的因素，以及蛋白質結構的改變對食品品質的影響，可以為加工中食品品質的控制提供一些理論依據，以期生產出形狀、色澤、口感和營養等各方面都更加出色的食品。

蛋白質；結構；物理化學；營養；變化

在食品加工和儲藏中，當蛋白質用酸、堿、濃鹽溶液、有機溶劑、熱高壓、激烈振蕩和輻射處理時，會不同程度的改變其構象。從分子結構上看，這些結構的變化是多肽特有的折疊結構發生的變化，成為無規卷曲混亂伸展的結構。蛋白質結構的變化必然會使蛋白質的性質發生變化：①由于疏水基團大量暴露在分子表面，從而降低了蛋白質的溶解度；②改變了對水的結合能力；③由于結構改變后的蛋白質分子空間結構破壞，很難保持原有的生物活性；④發生絮集，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不能形成結晶等。正因如此，蛋白質結構的變化必然會引起食品物理化學和營養等各方面的變化。在食品加工和儲藏中，有控的和適度的蛋白質變性，可能有利于發揮蛋白質的營養屬性和功能性質；強烈的變性則會破壞蛋白質的功能性質，給食品的性狀帶來不利[1]。

1 導致蛋白質結構變化的物理化學因素

1.1 導致蛋白質結構變化的物理因素

1.1.1 加熱

熱是蛋白質變性最普通的物理因素，熱變性是最常見的變性現象，大多數蛋白質在45℃～50℃已可察覺到變性。蛋白質對熱變性作用的敏感性取決于許多因素。例如，蛋白質的性質、濃度、水分活度、pH、離子強度和離子種類等。熱處理涉及到的化學反應有：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的變性。這是由于蛋白質的保護性水膜脫去，蛋白質十分靠近，分子間相互作用所致。自然風干法脫水時，氧化反應會加大變性程度，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變性，如L-蘇氨酸酶在室溫下穩定，而在零度時不穩定，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胞膜結構中釋放出來而被激活。

1.1.4 機械處理

在加工面包或其它類型的食品面團時，因采用機械處理，如揉捏或滾壓，會產生剪切力而使蛋白質變性。反復拉伸而導致α-螺旋的破壞將致使蛋白質網絡發生改變。

1.1.5 液壓（流體靜壓）

液壓可以產生變性效應，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時才表現出變性。蛋白質的水溶液在100 MPa的壓力下，不僅容積減少，溶存的蛋白質發生變性，即蛋白質的立體結構遭到破壞，出現沉淀、凝固、凝膠化，即壓力下蛋白質的變化[3]。目前，高靜壓已經形成一門技術，在食品加工中有著廣泛的應用。研究表明，高靜壓可以使細胞形狀、細胞膜及細胞壁的結構和功能發生變化，抑制酶的活性和DNA等物質的復制，從而達到殺菌的目的[4]。

1.1.6 輻射

輻射對蛋白質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，因而導致蛋白質結構改變，如果能量水平非常高，則二硫交聯鍵會斷裂。γ-輻射和其它電離輻射也可以使結構發生變化，同時使氨基酸殘基氧化、共價鍵斷裂、電離、形成蛋白質自由基和發生重組以及聚合反應，這些反應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分子，一般會發生不可逆變性。由于蛋白質可作為界面活性劑，許多蛋白質傾向于向界面遷移及被吸附，吸附速率受天然蛋白質向界面擴散速率的控制[5]。蛋白質在界面上的性質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有助于乳濁液和泡沫的形成和穩定。但若欲保持蛋白質的天然構象和功能性質，在加工或分離中應盡量避免產生如泡沫或乳狀液這樣的分散系。

1.2 導致蛋白質變性的化學因素

1.2.1 酸和堿

蛋白質所處介質的pH對變性過程有很大影響，大多數蛋白質在一定pH范圍內是穩定的，若與十分高或低的pH介質接觸，則一般會發生變性。因為在極端pH時，分子內離子基團會產生強烈的靜電排斥，這將促使蛋白質分子伸展。然而，在某些情況下，當pH調節到最初穩定范圍時，蛋白質可以恢復原有結構。

1.2.2 金屬

堿金屬如Na+和K+僅有限度的與蛋白質發生反應，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起作用，能與其中的巰基形成穩定的絡合物。Ca2+（Fe2＋、Cu2＋和Mg2＋）可以成為某些蛋白質分子中的一個組成部分。當用透析法或鰲合劑將這些金屬離子從蛋白質分子中除去時，會明顯降低蛋白質結構對熱和蛋白酶作用的穩定性。

1.2.3 有機溶劑

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

1.2.4 有機化合物

脲素或胍鹽當配置成高濃度的水溶液時，會導致氫鍵的斷裂，并引起蛋白質不同程度的變性。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的變性劑，這類化合物在蛋白質疏水區和親水環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）可使二硫交聯鍵還原，因而改變蛋白質的構象[6]。

2 蛋白質結構變化對食品物理化學方面的影響

2.1 脫水作用

當蛋白質溶液中水分幾乎全部除去時，常常引起蛋白質大量聚集，特別是在高溫下除去水分，可導致蛋白質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部和表面的多孔性，從而對蛋白質的濕潤性、吸水性、分散性和溶解性產生影響。當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，通常可以得到多孔性的粉末顆粒。在冷凍干燥和噴霧干燥時就可產生這種效果。

2.2 機械處理

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

2.3 熱處理

蛋白質的熱變性程度和結果主要依賴于蛋白質本身的性質和環境條件，哺乳動物膠原蛋白在有大量水存在時，加熱到65℃以上發生伸展、解離和溶解，肌纖維蛋白質在同樣條件下則發生收縮、聚集并降低持水能力[7]。Na-kamura等曾發現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%。蛋白質濃度低于2.5%水平在食品生產中有其應用價值，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變性和損害其功能性質，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。酸水解蛋白質時還有色素和肉樣風味物的形成，有些植物蛋白水解物用堿中和過濾后可用作增香劑。蛋白質在堿性介質中加熱也可使肽鍵發生有限水解，這種解聚與水解結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，也能明顯提高牛奶蛋白質的起泡能力。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合有極性的揮發性風味物質分子，這就是為什么含高濃度奶粉的冰淇淋漿料更容易調控風味，使之具備誘人風味的原因之一[9]。另外，堿處理還可以引起氨基酸的降解、變旋和交聯[10]。

3 蛋白質結構變化對食品營養方面的影響

3.1 熱處理引起的變化

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

當種子、面粉或蛋白質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，所有抗營養因子都會變性和失活。由于適當熱處理可以明顯提高植物蛋白對某些動物的營養價值，所以某些動物飼料中植物蛋白質成分通常要經過加熱處理。許多蛋白質例如大豆球蛋白、骨膠原和卵清蛋白在適當熱處理后更容易消化，這是由于蛋白質發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。

蛋白質及蛋白質食品在不添加外來物質的條件下進行高熱處理，即可引起氨基酸的脫硫、脫酰胺、異構化和其它化學改性，甚至有時會伴隨產生有毒化合物[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，所產生的硫化氫和其它揮發性化合物能使這些經過加熱的食品具有很好的風味。在超過100℃的情況下加熱蛋白質，將會發生脫酰胺反應，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，所以該反應并不損害蛋白質的營養價值。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生β-消除反應，形成負碳離子，經質子化后可隨機形成D型或L型氨基酸的外消旋混合物。由于大多數D-氨基酸不具有營養價值，因此，必需氨基酸的外消旋反應會使其營養價值降低50%左右。再者，某些D-氨基酸可產生毒性物質。在堿性pH條件下熱處理，精氨酸可能轉變成鳥氨酸、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

當蛋白質受到γ-輻射或在有氧化脂肪存在時可發生分子間或分子內的共價交聯，主要在氨基酸殘基α-碳上形成的自由基發生聚合反應。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生氧化交聯生成二酪氨酸殘基。輻射引起的營養和安全性問題的研究還在繼續。

3.3 氧化引起的變化

應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，乳品工業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、油料種子蛋白質分離物等加工產品的色澤。另外，過氧化苯甲酰可用于面粉的漂白，在某些情況下還用作乳清粉的漂白劑。不應用氧化劑制作的食品也可能有過氧化物的出現，例如脂類氧化產生的過氧化物及其降解產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成分發生降解的原因。氨基酸殘基由于光氧化反應、輻射、微量金屬、氧、熱空氣干燥和發酵過程時充氣等原因，也可以發生氧化變性。

3.4 美拉德反應引起的變化

美拉德反應可形成高分子量和結構復雜的褐色或黑色的類黑精，這類色素是面包和焙烤食品產生褐色的原因。類黑精類的產物對營養的影響至今還不完全了解，有人認為這類產物能抑制某些必需氨基酸在腸道內的吸收。類黑精形成中伴隨著少量蛋白質發生共價交聯，這種交聯能明顯的損害這些蛋白質部分的消化性。某些蛋白質—碳水化合物模擬體系和加熱產生的類黑精還表現出誘變性質[12]。這種性質的能力決定于美拉德反應的程度。類黑精是不溶于水的物質，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 結論

在食品的加工儲藏中，蛋白質結構會隨著處理條件的不同發生或多或少的變化，其功能性質和營養價值等各方面的品質也會隨之改變。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，生產出形狀、色澤、口感和營養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：農產品的貯藏與加工。

2011-03-09