超聲波對蛋白質提取及改性影響的研究進展

吳 倩 張麗芬 陳復生

（河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州 450000）

蛋白質是極其重要的能量物質，其良好的功能特性（如凝膠性、起泡性、乳化性）可以在一定程度上改善食品的口感，增加食品的彈性、持水性及保藏性，因此，在食品行業中應用廣泛［1］。但是食品加工過程中對蛋白質特定功能性的高強度要求，也使蛋白質的應用受到限制，因而，采用一定方法改變蛋白質結構進而改善其功能特性的蛋白質改性技術近年來備受關注。目前，常用的蛋白質改性技術主要有物理改性法、化學改性法以及生物改性法。物理改性技術主要是依靠熱、電、機械作用改變蛋白質的高級結構來改進其功能特性，其改善效果往往比較局限；化學改性技術可以有效地改善蛋白質的功能特性，但往往會造成環境和安全問題；生物改性技術可以有針對性地改變蛋白質的結構特性，但技術還不太完善。物理改性中的超聲波改性方法，由于其獨特的超聲波效應使得蛋白質改性效果大大提升而被廣泛應用［2］。在提取蛋白質的過程中，傳統的提取主要借助加熱和劇烈晃動，通過溶劑的溶解對物質進行提取，提取率有限；而超聲波的應用，使溶劑可以滲入到物質的分子內部，同時使體系溫度升高，溶解效率得到極大提升。文章擬就近年來國內外有關超聲波效應及其對蛋白質理化、結構與功能特性影響的研究成果進行詳細綜述。

1 超聲波作用機理

超聲波是一種機械波，頻率為20kHz～100MHz，其在介質中傳播時會引起介質粒子的機械振動，由此，超聲波與介質之間相互作用，引起一系列的物理化學作用，形成熱效應、機械效應、空化效應等。超聲波引起的這些獨特的效應使其被廣泛地用于食品、藥物、農作物組分物質的提取和改性［3－5］。超聲波在介質中傳播時，介質在不同頻率和強度的超聲波的作用下受迫振動，由此，介質的質點位移、速度、加速度以及介質中的應力會隨著超聲波的振動不斷變化。超聲波在傳播過程中，其引起的介質質點的位移雖然很小，但超聲引起的質點的加速度卻很大，會使介質質點產生激烈而快速變化的機械振動［6］。同時，超聲波也是一種電磁波，超聲的非線性振動會產生鋸齒形波動效應，此鋸齒形波面在波動過程中產生周期性變化的激波，在波面上會形成很大的壓強梯度，此壓強梯度差形成的振動能量不斷被介質吸收后部分轉化為介質的熱量，可升高介質的整體溫度以及邊界處的局部溫度等［7］。而超聲波在液體中傳播時，與聲波一樣是一種疏密的振動波，液體分子時而受拉時而受壓，在快速變換受拉和受壓的過程中產生近于真空或含少量氣體的空穴。聲波壓縮時，空穴被壓縮至崩潰，崩潰的瞬間，空穴周圍的液體高速沖入空穴，在空穴附近的液體中產生強烈的局部激波，也形成了局部的高溫高壓，空穴的形成、成長和崩潰過程會形成超聲空化效應［8］。超聲空化效應可以產生粉碎、乳化、分散、促進化學反應等一系列的效應，超聲處理技術在液體中的應用，大部分與超聲的空化效應有關［9］。

2 超聲波對蛋白質提取的影響

超聲波作為一種獨特的能量輸入方式，其具有的高效能是單獨的光、電、熱所無法達到的。超聲波在傳播過程中產生的超聲效應可以使介質的形態、結構等發生一定程度的變化，因此被廣泛應用于食品加工以及蛋白質等物質的提取與改性。低強度的超聲波做為一種非破壞性技術，常用來分析檢測食品的理化性質，如物質的組成、質構及其流變學性質等；高強度的超聲波主要被應用于食品的物理和化學改性領域，如嫩化肉、促進乳化、加快化學反應、鈍化酶、提高大豆蛋白質的浸提率、改善蛋白的理化性質等［9，10］。

2.1 對蛋白質提取率的影響

自1982年，Moulton等［11］通過超聲輔助對大豆蛋白進行提取，發現20kHz，550W超聲條件下的提取優于采用堿溶酸沉法的提取試驗，在超聲波的作用下，高溫脫脂大豆粉的蛋白質提取率由30%提高到80%。目前大豆蛋白分離技術被廣泛關注［12］。梁漢華等［13］利用低頻超聲波處理大豆漿體及其豆渣，結果表明：大豆漿體及其豆渣經過低頻超聲處理后其蛋白質和固形物的萃取率可以得到有效提高。王小英等［14］也在大量試驗的基礎上證明，超聲處理能顯著提高大豆蛋白的溶解性，在超聲功率700W，超聲20min，蛋白質量濃度為12.5mg/mL時，大豆蛋白的NSI（氮溶解指數）是超聲前的5.9倍。

有研究者［15］還將超聲波技術應用于大豆蛋白質的反膠束萃取過程中，采用響應面設計法，優化了超聲波輔助反膠束萃取大豆蛋白，最佳得率為（93.78±0.35）%，明顯高于未用超聲波時反膠束萃取蛋白的得率。反膠束后萃動力學研究［16，17］表明：反膠束后萃過程中存在較大的界面阻力，超聲波所產生的超聲效應可增大反膠束界面間的湍動程度，促進蛋白質向反膠束的表面擴散，促進蛋白質的浸出，從而提高反膠束萃取蛋白質的萃取率。

超聲波技術同樣也可以輔助提高花生、碎米蛋白等的提取率。熊柳等［18］以低變性花生蛋白粉為原料，蛋白得率和氮溶解指數（NSI）為指標，通過單因素和正交試驗得出在超聲波頻率60kHz，料液比1∶10（m∶V），pH 8.5，提取溫度30℃，提取時間30min時，花生分離蛋白得率達到37.27%，蛋白含量為95.4%，NSI為76.34%，證明了超聲波提取法優于傳統的堿溶酸沉法。朱建華等［19］以稻谷加工業副產物碎米為原料，采用超聲波技術提取其可溶性蛋白質，研究了超聲處理時間、超聲功率、固液比對碎米蛋白質提取率的影響，結果表明：超聲提取碎米蛋白的最優條件是超聲處理時間32min，超聲功率495W，固液比1∶15（m∶V）；在該條件下，碎米蛋白的提取率可達90.47%。

超聲波應用于物質提取時，耗能少、時間短、純度好、效率高，因此被廣泛應用于物質提取。提取率的提高與超聲波獨特的熱效應、機械效應、空化效應密不可分，但同時也與超聲波對物質結構的影響有一定聯系。

2.2 對蛋白質結構特性的影響

蛋白質是一種具有復雜天然構象的物質，它由氨基酸經過脫水縮合形成肽鏈后經過盤曲折疊形成一定的空間結構，從而發揮特定的功能特性。因此，超聲效應在改變蛋白質的功能特性時也會改變蛋白質的結構特性。

朱建華等［20］研究了超聲處理對大豆蛋白分子的影響，結果表明，超聲處理使大豆蛋白發生先解離后聚合的過程，且超聲主要影響大豆蛋白的7S組分，超聲波處理使大豆蛋白的7S組分發生可溶性聚合，其亞基降解也較為顯著，然而超聲對大豆蛋白的11S組分的酸性亞基和堿性亞基影響很弱。此類影響會改善大豆蛋白的提取率，也可以用來對大豆蛋白進行一定程度的改性。

Wang Li－chuan［21］的研究表明：超聲處理可明顯提高蛋白質溶液的溶解性并促使蛋白質懸浮液的乳化以及蛋白質亞基的聚合等。通過凝膠過濾、凝膠電泳和超速離心法對超聲處理形成的大豆蛋白聚合體進行分析，發現超聲處理后大豆蛋白形成更多的聚合物，7S組分聚合成40～50S組分，大豆蛋白聚合物的體積接近空穴的體積，且比常規的蛋白聚合體更穩定。主要是由于超聲處理使蛋白質中更多疏水基團暴露，使更多的蛋白質吸附在氣/水界面上，降低了蛋白的黏性和剛性，從而減小了溶液的表面張力同時提高其表面疏水性，其聚合體也更加穩定［22］。

超聲處理過程中，超聲空穴效應增大了固液接觸的表面積，大量的空穴氣泡使得蛋白顆粒周圍形成較大的壓強，促使蛋白質結構展開，肽鍵斷裂，親水性氨基酸暴露出來，改變大豆蛋白溶解度的同時，在很大程度上也改變著大豆蛋白的流變學特性。超聲過程中體系溫度升高，剪切力增加，使得蛋白分子運動加劇，顯著降低表觀黏度，可能是由于超聲處理過程產生的劇烈聲化學作用導致大分子之間的鍵連作用減弱，揉性減弱，因而使其動態黏彈性降低，但仍然呈現假塑性流體狀態［23］。紅外和掃描電鏡結果顯示，超聲處理也改變了蛋白質的膜的空間結構，使膜表面平滑、均勻［24］。超聲波的使用，在一定程度上使蛋白質內不同的氨基酸基團暴露，使得與這些基團緊密相關的結構特性也發生相應的改變。

張海華等［25］在對小麥面筋蛋白進行超聲處理時，借助紅外光譜、掃描電鏡、激光粒徑儀了解超聲波功率為540～900W時，其對面筋蛋白二級結構、非共價鍵、二硫鍵及顯微結構的影響。結果表明在超聲的作用下，面筋蛋白二級結構中的α－螺旋結構增加、β－轉角結構明顯減少，而β－折疊結構的變化隨超聲功率不同變化不同；超聲處理破壞了面筋蛋白分子間或分子內氫鍵、二硫鍵以及疏水鍵的緊密連接，使面筋蛋白形成松散的結構，平均粒徑增大。

超聲波的應用在不同程度上改變了蛋白質的空間構象及其平均粒徑，在提高提取率的同時又改善其功能特性。常見的蛋白質物理改性方法雖然相對化學改性來說安全性好、作用時間短、對物質的營養特性影響較小，但其改性效果往往并不十分明顯，借助超聲波輔助提取和改性技術，可以很好地優化改性效果，提高其功能特性。

2.3 對蛋白質功能特性的影響

蛋白質的結構特性決定其功能特性。蛋白質多樣的功能性質與其復雜多變的空間構象有密切聯系，蛋白質的結構是其功能特性的基礎，空間結構的改變會在一定程度上引起蛋白質功能特性的變化。

低頻超聲波降低蛋白質的儲能模量和耗能模量，形成更有黏性的大豆分離蛋白。Hu Hao等［26］研究表明，超聲處理后大豆分離蛋白的電泳現象無明顯改變，但其自由巰基、表面疏水基和溶解度都有增加，表明超聲后蛋白質分子間非共價鍵的相互作用減弱，大部分蛋白暴露了部分展開的7S和11S組分，尤其是11S組分，部分變性和蛋白的無序結構使其在油水界面可以更好地吸附，因而乳化性能提升。0.6W/cm2功率密度的超聲波可以有效改善醇法提取的大豆濃縮蛋白的乳化性，使用超聲技術后，大豆濃縮蛋白的起泡能力與起泡穩定性分別提高了26.0%和13.7%，可能是因為超聲波的空化效應使蛋白質分子結構疏松，分子內部的一些非極性基團暴露出來，這些暴露的非極性基團有效地改善了大豆濃縮蛋白的某些功能特性［27，28］。

超聲處理對乳清蛋白和芝麻蛋白的影響具有與大豆蛋白同樣的效果。超聲技術的使用減小了乳清蛋白的顆粒度，能明顯改善其起泡性和泡沫穩定性，這可能與超聲波的均質作用有關，均質作用使乳清蛋白的蛋白質和油脂成分更均勻地分散開來［29，30］。在超聲功率400W下處理3min時，芝麻濃縮蛋白的乳化性由0.15提高到0.23，乳化穩定性也由19.10min提高到38.63min。與此同時，芝麻濃縮蛋白的起泡性由30.78%提高到47.23%，泡沫穩定性也由38.89%提高到57.84%［31］。

超聲波處理后，亞基的聚集程度、表面電荷的數量、蛋白質結構的改變都影響著蛋白的凝膠特性。凝膠破裂強度的大小是反映凝膠網絡結構牢固程度的重要參數。高強度的超聲預處理能增強酸化大豆分離蛋白凝膠的持水能力、凝膠強度［32］。朱建華等［33］認為超聲功率的增加使超聲波產生更強烈的剪切作用和空化效應，使更多的聲能轉化為機械能、熱能，超聲所形成的這些效應協同鹽溶和鹽析效應使大豆蛋白的亞基更易于解離，蛋白解離后吸水溶脹，致使蛋白溶膠轉變成蛋白凝膠，因此，經過超聲處理的大豆蛋白所形成的凝膠的結構更緊致，也提高了大豆蛋白凝膠的硬度。

超聲波處理不只對蛋白質的理化功能特性有影響，對蛋白質的生物活性也有一定程度的影響。在間歇性大功率超聲波輻射下，酵母菌存活率下降，但在發酵前期使用高頻低功率超聲水浴會使啤酒酵母發酵速率加快，由于超聲輻照改善啤酒酵母的發酵活性并能保持其活性，與一般啤酒發酵相比在發酵前期采用超聲處理可以至少提前72h完成發酵［34］。

3 展望

目前，超聲波技術已經被廣泛應用于蛋白質的提取和改性研究中，超聲波可提高蛋白質的提取率，改善其功能特性及生物活性。因此，將超聲波技術用于蛋白質加工領域越來越受到研究者的關注。但目前對超聲波技術的研究大多處于試驗水平，還未能實現連續化、規模化的操作。同時，超聲設備的精密度也有待提高。相信在大量試驗的基礎上，超聲技術一定可以在食品行業取得實質性進展。

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