蛋白質改性對禽蛋粉加工性能影響的研究進展

何偉明 葉勁松 師 潔

HE Wei-ming YE Jin-song SHI Jie

(四川農業大學，四川 雅安 625014)

(Sichuan Agricultural University, Ya’an, Sichuan 625014, China)

中國作為產蛋大國，禽蛋產量在全球占比達40%以上，世界排名第一，但蛋品加工率僅為5%～7%[1]。雞蛋作為中國主要的禽蛋，其產量占比約80%[2]，每年有近3 000億元的產業規模。中國居民雞蛋消費結構比較單一，鮮蛋消費量占雞蛋總產量的90%[3]。禽蛋粉作為一種重要的現代蛋制品[3]，不僅是適應人們快節奏工作和生活的營養產品，還因其復水后具有乳化性、發泡性，以及凝膠性而作為營養添加劑和品質改良劑廣泛應用于食品加工領域[4]，而且在加工過程中對這些性能的需求也在不斷提升。

蛋白質改性作為提高蛋粉加工特性的重要手段，一直受到業界重視。目前對禽蛋蛋白改性的研究主要是在物理、化學、和酶法改性中尋找新的改性方法和對改性機理的探究，對一些復合改性法也有研究，且效果較好。同時也存在一些問題，如高溫處理下改性效果與食品安全之間的平衡、高壓處理下—SH基團暴露和氧化所需溫度的矛盾、化學改性過程中副產物的引入和試劑殘留、適合蛋清蛋白(EWP)改性的酶較少以及對一些改性機理研究不夠透徹。目前解決這些問題與尋找新的改性方法和使已有的改性方法更為顯著有效，仍是改性禽蛋蛋白質的關鍵所在。

本文介紹了目前改性禽蛋蛋白的主要方法：物理改性、化學改性和酶法改性，分析了每種改性方式的優點與不足以及一些改性過程中亟需解決的問題，以期提高蛋粉的加工特性、擴大應用范圍。

1 物理改性

物理改性通過外界條件改變作用于蛋白質，使其二級或更高級結構破壞、分子表面電荷分布改變和某些基團的暴露，產生靜電排斥力、引力和疏水相互作用，改變蛋白質的界面特性。因成本考慮和技術限制，目前所研究的物理改性方法主要包括加熱法、高壓處理法、電磁輻射法和添加親水性物質等方法。

1.1 熱處理

熱處理是研究較早的物理改性方式，在熱處理過程中蛋白質分子聚集和化學鍵改變，影響蛋白質的表面性質，進而影響蛋粉的起泡性、凝膠性和乳化性等。

在20世紀70年代有研究表明[5]將蛋粉在58～60 ℃下放置10～14 d，既可提高起泡性能又能達到殺菌目的；Ibanoglu等[6]發現過度熱處理不利于EWP泡沫形成。這是因為輕度熱處理暴露出疏水基團和—SH基團，使表面疏水性提高，利于泡沫形成，過度熱處理則使蛋白質聚集，降低起泡性和乳化性[7]。Lechevalier等[8]發現干燥溫度會影響蛋粉乳化穩定性，60 ℃加熱干燥時，乳化穩定性因溶解度損失而降低；干燥溫度在70 ℃以上時，乳化穩定性隨著干燥強度的加強而增加；90 ℃加熱5～10 d時，乳化穩定性因蛋白質溶液液滴尺寸減小顯著提高。對凝膠強度而言，一定程度加熱會使EWP變性聚集，提高其凝膠強度[9]；而高濕度下加熱不僅使蛋白質變性聚集，還提高了蛋清的pH值和電導率[10-11]，結果進一步提升其凝膠質地。

加熱處理作為一種常見的改性方式，適度熱處理不僅能改性EWP，還可以達到脫敏和殺菌效果，其作用效果與時間和濕度有較大關系，過度熱處理則影響蛋粉品質，因此在熱處理過程中進一步尋找研究蛋粉質量與食品安全的平衡點尤為重要。

1.2 加壓處理

高壓處理作為食品加工和保存的重要技術，可以對大分子物質的氫鍵、離子鍵、疏水鍵等非共價鍵作用，使酶失去活性，殺死微生物，從而達到保藏食品的和促使組織變性得到新型食品的目的[12]。高壓誘導蛋白質變性的作用取決于壓力、蛋白質的種類和濃度、pH及溫度等。

Brand等[13]發現在低于100 MPa的壓力下蛋清不會形成聚集體，但會破壞卵黏蛋白—溶菌酶(LY)復合物，導致黏度和光密度降低。Panozzo 等[14]發現在150 MPa以上的壓力下，EWP發生聚集，黏度和光密度增加，顏色由黃變白，且EWP過敏性降低。

Singh等[15]發現在蛋白濃度9.6 mg/mL，550 MPa高壓處理20 min時，由S—S氧化和SS—SH交換形成可溶性聚集體，在96 mg/mL濃度(天然蛋清)下，550 MPa處理15 min 則誘導S—S鍵交聯形成半透明凝膠。

Vander等[16]研究了高壓處理(400～700 MPa，10～60 ℃)對兩種不同pH值(pH 7.6和pH 8.8)蛋清液(蛋白濃度為9.6 mg/mL)的影響，發現在pH 8.8時，大量蛋白質暴露并伴隨一定程度的溶解，使蛋清液的起泡性增加；而pH 7.6 時，大量蛋白質暴露而溶解度卻大幅降低，增加了泡沫穩定性和密度。結果表明發泡能力部分由巰基含量和蛋白質柔性決定，高壓處理后蛋白質—蛋白質之間的相互作用有助于提升EWP的泡沫性能。

Vander等[17]發現高壓對—SH的影響與溫度有較大關系，與較高溫度(40～60 ℃，500 MPa)相比，在較低溫度(10 ℃，500 MPa)下，—SH基團的暴露更快；在氧化方面，—SH 氧化敏感程度由大到小的條件依次是：高壓高溫(40～60 ℃，500 MPa)、高壓低溫(500 MPa，10～25 ℃)、常壓高溫(101.3 kPa，70～85 ℃)。因此，高壓下—SH基團暴露和氧化所需溫度相矛盾，而—SH基團暴露量和氧化程度直接關系到聚集體的形成，進一步影響EWP的功能性質。

目前研究高壓處理主要改善蛋粉的起泡性和凝膠性，而對乳化性影響的研究較少。一般將高壓技術與蛋粉凝膠作用結合來改善食物的口感與風味。常將高壓與溫度結合使用，因此在高壓處理下尋找—SH基團暴露和氧化所需溫度的平衡點尤為重要，另一方面，在處理過程中蛋白質的構象改變與蛋粉功能特性的變化之間的關系也需進一步研究和完善。

1.3 電磁輻射處理

電磁輻射由低頻率到高頻率，主要分為：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。電磁輻射改性蛋白質需要一定的能量，因此用于蛋白質改性的則主要是微波、紫外線、超聲、電離輻射、脈沖電場等[18-19]。

1.3.1 微波處理 微波處理會改變蛋白質分子極性和非極性殘基所帶電荷分布，同時降低蛋白質表面的電荷密度，使空氣—水界面處蛋白質的表面活性降低[20]，這對起泡性和乳化性的影響較大。Wang等[21]使用超聲預處理結合新型脈沖噴射床微波冷凍干燥(PSMFD)和常規冷凍干燥(CFD)生產出鴨蛋清粉，比較發現PSMFD蛋清粉比CFD蛋清粉起泡能力低，但具有更高泡沫穩定性；這與真空微波冷凍干燥鴨蛋清粉的起泡性能研究結果一致[22]。而PSMFD蛋清粉的乳化活性比CFD蛋清粉高，乳化穩定性相反。PSMFD蛋清粉因為干燥的溫度較低、時間較短，EWP的變性程度不及CFD蛋清粉，PSMFD蛋清粉凝膠強度也就較CFD蛋清粉低。而車永真等[23]認為微波輻射后蛋白質變性導致蛋白質的疏水性提高和—SH的暴露，使蛋清粉的凝膠強度迅速提高。

1.3.2 紫外線輻射 紫外線輻射主要是在通過兩種方式對EWP改性，第1種[24]是誘導LY中色氨酸氧化，使S—S斷裂形成—SH，新的—SH可以形成分子間的S—S，導致在輻照過程中形成聚集體。第2種[25]是誘導卵白蛋白(OVA)中埋藏的—SH的暴露，促進分子間S—S的交聯，而形成聚集體。聚集體形成增加了EWP的濁度和表觀黏度[24]。Kuan等[26]發現紫外線處理的EWP表現出更高的泡沫穩定性和乳化穩定性。

1.3.3 超聲處理 高強度超聲包含高能機械波(20～100 kHz)，可以導致蛋白質變性和聚集[27]，超聲還會增加電荷量、蛋白質表面疏水性和小分子蛋白質的濃度，降低—SH含量和表觀黏度[28]。Wang等[29]發現經過超聲預處理后，鴨蛋清粉泡沫穩定性提高。超聲處理時，起泡性能與pH有較大關系，Stefanovic等[30]發現在pH 7時(超聲頻率20 kHz，時間20 min，蛋白濃度為10 mg/mL)，形成大的聚集體會降低EWP起泡性。而在pH 9時，形成聚集體較小，對泡沫體積沒有不利影響。

1.3.4 電離輻射 電離輻射是一種新興的非熱技術，在可控條件下將食品暴露于放射性同位素(Co-60或Cs-137)產生的γ射線或電子加速器產生的電子束或X射線來破壞其中可能存在的微生物，同時會影響其中的大分子物質如蛋白質等[31]。Song等[32]用Co-60γ射線(1，2，5 kGy)處理蛋清液和蛋清粉，二者的pH均無顯著變化，兩者的起泡性與輻照劑量呈正相關，但蛋清粉起泡性改善不及蛋清液。他們[32]認為輻射可使蛋清液中的肽鍵斷裂，從而黏度降低、疏水性增加，提高起泡性；而蛋清粉起泡性提高是因為輻照使蛋白質二級結構從α螺旋到無規則卷曲的變化引起，蛋清粉經輻照后生產出蛋糕的硬度、咀嚼性、黏度都顯著降低，其顏色更加明亮，同時會提高面包產品的起泡力和質量。而近來研究[33]表明蛋清蛋白通過一定劑量(1.08，3.24，5.40 kGy)的電離輻射處理后，經掃描電鏡和中紅外光譜觀察到該劑量的電離輻射不會破壞EWP的二級結構，但蛋白顆粒的微觀表面出現穿孔，且穿孔率會隨輻射劑量增加而增多，利于提高蛋清蛋白水解。因此蛋清粉起泡性能的改善與電離輻射之間的關系還需進一步研究。

1.3.5 脈沖電場處理 脈沖電場加工是在短時間內使用外部電場(中等或高強度)對食品巴氏滅菌的新興技術[34]。脈沖電場處理通過誘導EWP聚集而達到改性目的，脈沖電場影響EWP的聚集取決于處理強度和蛋白質種類[35-36]。

Wu等[35]發現20 kV/cm(800 μs)處理時，OVA不會形成聚集體；而25 kV/cm(800 μs)以上會導致部分OVA展開，并使—SH基團暴露，該過程通過—SH氧化和分子之間SH—SS交聯而形成小的可溶性聚集體。對LY而言，則由兩種機制形成不溶性聚集體(pH 7～9，25～30 kV/cm，600～800 μs，18～20 ℃)，第1種是脈沖電場加速蛋白質運動，通過帶正電荷的LY和帶負電荷的OVA和卵轉鐵蛋白(OVT)之間的靜電引力形成；第2種是脈沖電場誘導OVA和OVT分子部分暴露，與LY通過非共價作用形成[36]。

趙偉等[37]使用25～35 kV/cm 脈沖電場處理EWP 100～800 μs，發現EWP的起泡和乳化功能提高。而隨著脈沖電場處理電場強度和處理時間的增加，其溶解度、起泡和乳化功能均降低。范金波等[38]發現脈沖電場處理蛋清液，可以提高其黏度，但降低了凝膠強度。

1.3.6 高頻電場 近年高頻電場也被應用于蛋白質改性中[39]48，蛋白質分子中的正負電荷在高速交變的電場作用下，產生往復極化，蛋白質分子受到強烈的拉伸、撞擊、摩擦等作用并產生極化效應使蛋白質分子空間結構改變，產生分子改性現象。所以高頻電場也可能適合應用禽蛋蛋白質的改性。

輻照改性EWP的種類多，改性范圍廣，但一些改性機理需進一步研究。與傳統食品加工處理方法相比，輻照技術則有低溫、高效、能耗少和安全性高等更符合環保的特點，且輻射處理穿透能力強、均勻、短時，對其輻照過程也可以進行準確控制。

1.4 添加親水性物質

親水性物質有良好的溶解特性，可以降低蛋白質體系的表面張力等，從而改善蛋粉的功能性質[40]，其中親水性膠體、小分子糖類、淀粉具有良好的溶解特性和黏度，而被添加入禽蛋液用于改性蛋白。

1.4.1 添加親水性膠體 Yang等[41-42]研究表明在蛋清中添加羧甲基纖維素(CMC)、瓜爾膠和黃原膠可以提高蛋清的起泡性。而Huang等[43]先用亞臨界水(在高壓下，100～374 ℃ 高溫下保持液態的熱水)預處理后生產出蛋粉，后加入魚鱗明膠，結果顯示亞臨界水可以提高發泡能力，但明顯降低了蛋清粉的泡沫穩定性，加入魚鱗明膠可以降低泡沫的表面張力，形成機械性能更強的膜，使亞臨界水處理蛋清粉的泡沫能力和泡沫穩定性提高，顯示出更高的泡沫性能。Ko?等[40]通過在噴霧干燥前向全蛋液中加入明膠，發現其不僅增加了全蛋粉的起泡性能，還提高了凝膠性能。

1.4.2 添加小分子糖類 小分子糖類可以提高蛋白溶液的黏度，賦予溶液增稠效果，將乳液絮凝和聚集形式穩定化[40]。Yang等[41]研究表明在蛋清中添加蔗糖可以提高蛋清的黏度，提高泡沫穩定性，但起泡力下降；宋俊俊等[44]研究了NaCl濃度、多糖以及小分子乳化劑對全蛋粉乳化性質的影響，結果表明多糖濃度對全蛋粉的乳化性影響最大；于濱等[45]進一步研究發現乳糖添加量為6%時OVA的乳化性最好。

1.4.3 添加淀粉 Ko?等[40]發現添加支鏈淀粉的全蛋粉起泡性能高，乳化活性也最大，他們分析是因為淀粉的纖維結構具有較強的結合油能力，而達到增稠乳液的效果；但其凝膠性(凝膠硬度和持水力)較普通蛋粉低。而王燕等[46]發現在魚糜中添加淀粉后，淀粉會在加熱過程中吸水變成淀粉凝膠，并填充在蛋白質凝膠的網絡結構中，使得魚糜凝膠的網絡結構更加緊密，從而提高了魚糜的凝膠強度。Ko?等[40]分析添加支鏈淀粉的全蛋粉凝膠強度降低的原因是均質過程造成EWP機械損傷。

親水性物質對蛋白質的作用主要是通過改變蛋白質體系表面張力和溶液的黏度等蛋白質溶液的界面特性，加入過多則會降低單位蛋粉的營養價值，其改性效果也有待提高。目前對親水性物質的研究主要集中在尋找安全、高效的親水性物質以及親水性物質的加入引起蛋液界面特性變化的機理。

2 化學改性

化學改性是用化學方法使蛋白質分子中氨基酸殘基的側鏈基團或多肽鏈發生斷裂、聚合或引入新的基團，導致蛋白質分子空間結構和功能性質發生改變。其實質是通過改變蛋白質的結構、靜電荷、疏水基團，從而起到改善各項功能特性，包括溶解度、吸水性、凝膠性及熱穩定性等[39]48-49。目前蛋白質的化學改性方法包括糖基化、磷酸化、酰化、去酰胺和水解及氧化等[47]。

2.1 糖基化

蛋白質糖基化修飾是利用分子間共價鍵將碳水化合物同蛋白質分子上的氨基 (主要是α-或ε-NH2)相連接，使產物即糖蛋白既有蛋白質的大分子特性，又具有糖類物質的親水性[48]。Xu等[49]研究了EWP與麥芽糖糊精在80 ℃和相對濕度65%條件下按比例共軛結合0～14 d，結果表明美拉德反應結束后，凝膠形成的速度降低，但凝膠更加穩定，凝膠的持水力最多能提高20%，發泡能力最多提高124%，泡沫穩定性下降到54%，乳化能力和乳化穩定性分別提高了196%和174%。Geng等[50]通過糖基化反應制備OVA和CMC軛合物，接枝度和褐變指數隨反應時間的增加而增加，8 d是平衡糖基化和褐變的最優反應時間。重量比(OVA∶CMC)優化為4∶1，pH值最優為7或8。糖基化反應后OVA的熱穩定性得到改善，與CMC的分子量和取代度呈正相關，且OVA的二級結構受到接枝CMC的影響，反應完成后增加了β片層和無規則卷曲，減少了α螺旋和β轉角。進一步豐富了蛋白質和多糖相互作用的理論框架。

2.2 磷酸化

磷酸化修飾則是無機磷酸與蛋白質上特定的氧原子或氮原子結合(如：Lys 的ε-NH2，His咪唑環的1，3位N，Arg的胍基末端N)形成—C—O—Pi或—C—N—Pi的酯化反應[51]，從而使蛋白質的表面性質發生改變而改善大分子物質的功能特性。

劉麗莉等[52]對EWP進行磷酸化處理，發現經過適當的磷酸化處理，EWP的溶解度、乳化性和起泡性都得到一定程度的改善；他們[53]還研究將蛋清液在pH 4.5下用三聚磷酸鈉(STP)磷酸化后分別進行冷凍干燥和噴霧干燥，結果表明磷酸化顯著提高了蛋清粉的起泡力、凝膠性和乳化性等功能特性；對比2種蛋清粉發現：冷凍干燥蛋清粉的溶解性、保水性、乳化性能和熱凝膠強度方面較優，噴霧干燥蛋清粉起泡性能較優，而黏度沒有顯著差異。在凝膠性能方面，胥偉等[54]發現磷酸化改性后的全蛋粉，其凝膠強度會大幅提高。

2.3 酰化

酰化改性就是蛋白質分子中的親核集團(氨基、羥基)與酰化試劑中的親電集團(羰基)相互反應，引入親水基團，然后在催化劑作用下又引入長碳鏈親油基團，使蛋白具有雙極性基團。酰化后蛋白質分子表面負電荷增多，多肽鏈伸展及空間結構發生較大改變，導致分子柔性提高，從而增強蛋白質溶解性、持水性及持油性，主要改善乳化性及起泡性[55]。

雖然酰化改性可用于禽蛋蛋白質，但目前酰化改性禽蛋蛋白質的研究較少。王玲等[56]以鴨蛋蛋清蛋白為原料，通過琥珀酸酐酰基化改性提高了鴨蛋蛋清蛋白的凝膠強度。

2.4 去酰胺基

去酰胺基改性法在食品蛋白質化學改性方法中較為突出，因為自然界中大多數蛋白質含有大量酰胺基基團。通過除去蛋白質酰胺基團，使其溶解度、乳化性及發泡性大大改善。Liao等[57]研究發現使用乙酸去酰基化蛋白質法可降低蛋白質分子量而增加疏水性和表面活性，從而改善蛋白質的溶解性、乳化和起泡性能。因禽蛋蛋白質中也含有大量的酰胺基，該法也可能適用于改善禽蛋蛋白質的功能特性。

化學改性具有操作簡單、應用廣泛及效果顯著等優點，但存在副產物多且難以去除和能耗相對較高等缺陷。如糖基化反應能顯著提高蛋粉的凝膠強度，但處理時間比加壓和輻照處理的長，且會發生美拉德反應生成副產物，導致蛋粉顏色發生褐變，影響蛋粉感官和品質。

3 酶法改性

酶法改性因具有反應條件溫和、設備要求低、安全性高和速度快等優點而被應用于提高蛋白質及蛋粉的功能特性。針對不同的性能提升一般需不同的酶，如改善蛋白質的起泡性和乳化性需要蛋白酶等；改善凝膠性則用交聯性能良好的酶，如：轉谷酰胺酶(TGase)、多酚氧化酶(PPO)、過氧化酶(POD)等，其中以TGase應用較為廣泛[58]。

3.1 蛋白酶

遲玉杰等[59-60]在用蛋白酶提高蛋粉的起泡性方面作了較多研究，發現起泡性能提高是由于輕度酶解使蛋白質分子伸展，表面巰基含量增加，蛋白質分子柔性增大而表面張力降低，更容易擴展和吸附在氣—液界面上。涂勇剛等[61-62]發現木瓜蛋白酶可改善EWP起泡性，但水解過度會產生苦味。Hammersh?j等[63]將卵黏蛋白用4種蛋白酶(鏈霉蛋白酶E、堿性蛋白酶、風味蛋白酶、中性蛋白酶)水解0～24 h后，發現酶處理卵黏蛋白的溶解度與水解度(DH)成對數增加。風味蛋白酶和中性蛋白酶主要在0～6 h時作用，表面疏水性(S0)增加，但鏈霉蛋白酶E和堿性蛋白酶的加入卻使S0降低。發泡能力在DH為15%～40%時達到最佳，與表面張力下降密切相關，但酶水解對泡沫穩定性沒有顯著影響。

3.2 TGase

王然等[64-65]在研究TGase對蛋清凝膠硬度的影響時，發現TGase的最適溫度為35 ℃；而Sakamoto等[66-67]研究TGase作用于蛋清的最適溫度在50 ℃左右，他們解釋是可能由于其他蛋白質的存在保護了TGase蛋白質的熱穩定性，導致反應最適溫度高于酶最適作用溫度，其中機理有待進一步研究。徐雅琴等[68]發現TGase對蛋清粉的作用效果受保溫溫度的影響較小。Pilar等[69]發現用高壓和添加TGase得到的蛋白凝膠相比于無酶或加熱獲得的凝膠，其凝膠質地顯著提高，顏色也更深。

酶法改性作為近年EWP改性研究的熱點，其特點是對改性條件的要求較高，效果明顯、安全無副產物。

4 各種改性方法的分析比較

各種改性方法的分析比較見表1。

5 展望

近年來蛋粉在其生產、功能研究和應用上已取得較大的進步，但仍然面臨諸多挑戰。從蛋粉生產到貯藏，影響蛋粉功能性質的因素較多，后期改性則是改善蛋粉功能特性的一種重要手段，而改性方式多樣、效果不一。根據國內外研究現狀、市場需求和對蛋粉品質影響及對各改性方式的比較，蛋粉未來改性研究方向大概是以下幾方面：

表1 各種改性方法的分析比較

(1) 為了獲得高特性蛋粉，必須充分研究蛋粉的成分和其中蛋白質的組成與結構，研究蛋粉中主要蛋白質在改性過程中發生的變化以及其相互影響，選擇合適的改性方法。

(2) 開發新的化學改性試劑和實施定向化學結構修飾。由于常規化學改性存在專一性差，反應試劑殘存以及生成有毒產物等問題，因此，需開發一些環境友好型的化學改性試劑，避免對環境的污染，同時，可基于蛋粉在食品加工體系所需要的功能特性進行化學定向改造。

(3) 利用微生物和基因工程等技術開發出更多條件溫和、來源豐富和作用高效的酶，將會對蛋粉行業產生巨大影響，而復合酶法改性則會進一步提升蛋粉品質。

(4) 使用多種改性方式復合的改性方法，如一定量的電離輻射處理可以使蛋白質表面穿孔，這時加入酶可促使其與蛋白質結合，對蛋白質產生更有效的作用。以期該法達到改性需求和脫敏要求，獲得高品質蛋粉與食品安全之間的平衡。