提高蛋白質乳化功能性的研究

劉甜，趙鵬森，張玉玲，王楠，鄭瑩，孫常雁

(哈爾濱理工大學 化學與環境工程學院 食品科學與工程系，哈爾濱 150080)

蛋白質是生命活動物質基礎，具有很多功能性質，主要包括三方面：(1)水合性質，取決于蛋白質與水的相互作用，如溶解性，持水性，粘度等；(2)表面性質，主要包括蛋白質乳化性和起泡性等；(3)蛋白質與蛋白質相互作用，體現在蛋白質凝膠作用和成膜性等。

通常蛋白質被認為是安全的食品添加劑，可以提高食品的平均性，防止油水分離，使油脂中配料在水中溶解度提高，食品的質地、外觀、風味的均勻性得以改善，因而作為乳化劑提高乳液物理穩定性[1]。

蛋白質作為天然的乳化劑有很多優點，除了食用安全此外還可以減少加時間、延緩食品老化、改善彈性、易于消化吸收、增強耐熱和耐冷等功能[2]，但是蛋白質基團不純降低界面張力能力不強而且乳化穩定性較差。此外，在堿性條件下蛋白質結構易受到破壞，因而不能在堿性食品中使用。

目前有很多方法可以提高蛋白質的乳化功能性質，包括物理方法、化學方法和酶法等。

1 物理改性

1.1 溫度對蛋白質乳化性的影響

在實際生產過程中，需要對于蛋白質穩定劑進行熱處理[3]。

韓天翔等[4]發現熱處理后蛋白表面疏水性增加從而增強其表面活性。Kim等[5]研究發現如果溫度超過臨界值，球狀蛋白結構會發生變性，使蛋白結構展開，暴露出原本位于其內部的反應基團，如巰基或非極性基團，從而進一步揭示了加熱對于乳液穩定性的影響。而在經過射頻加熱處理后，蛋白質分子的柔性會得到提高，對乳化性也有著積極的影響[6]。

1.1.1 動物性蛋白。牛奶蛋白質是十分常見的動物性蛋白，因為它們是優異的乳化劑，所以其混合物被廣泛用作各種食品中的成分。崔健等[7]研究發現乳清水解蛋白乳狀液對熱不穩定；而乳清分離蛋白乳狀液對冷凍處理敏感，低溫產生的冰晶會使其破乳，導致乳狀液不穩定。當水包乳冷卻到水結晶的溫度時，還會發生一些別的物理和化學過程，這些過程也會對乳液的穩定性產生不利的影響[8]。最后，乳化劑在溫度降低到一定程度時可能會失去功能，比如球蛋白可能發生變性[9]。

1.1.2 植物性蛋白。植物性蛋白由于其相對較低的成本，近年來引起了人們的極大興趣和廣泛的研究。此外，由于宗教或道德信仰的飲食限制，對植物蛋白作為動物蛋白替代品的需求有所增加[10]。而大豆蛋白因其良好的營養、功能特性，甚至對健康的影響，被廣泛應用于各種食品配方中[11]。 這些蛋白除了具有優異的熱致膠凝性能外，還具有良好的乳化性能[12]。

Palazolo等[13]研究發現，加熱處理后大豆蛋白乳液水合作用增強并產生類似凝膠的結構從而提高了乳液的儲存穩定性。還可以使埋藏在蛋白質分子內部的天然狀態的疏水基團暴露于表面，從而增加表面疏水性，并且使蛋白質分子所帶的凈電荷減少，促進b-片層形成導致網絡形成[14]。同時乳化性還受到熱處理溫度和蛋白質濃度的影響，濃度為4%的大豆分離蛋白進行短時的熱處理會提升其乳化性，而當濃度達到10%的時候卻會達到相反的效果[15]；據報道，當大豆蛋白在90℃下進行熱處理時，蛋白質表現出很好的表面疏水性同時可以與鄰近蛋白質形成的二硫鍵，增強了它們的乳液穩定性，相反，在120℃處理的大豆蛋白質之間過度疏水鍵合會形成聚集體，從而降低其乳化能力[16]。豌豆蛋白的乳化活性也會隨著溫度的增加而增加[17]。

1.2 pH值對蛋白質乳化性的影響

在靜電和空間斥力的共同作用下，蛋白質可以使液滴穩定，防止絮凝，其對水相的pH值和離子強度特別敏感[18]。另一方面，非離子表面活性劑主要通過空間排斥來穩定乳液，因此其有效性對pH值和離子強度不敏感[19]。因此，pH對乳化穩定的影響主要是通過影響蛋白質或者說影響靜電力來實現的。所以將非離子型表面活性劑與蛋白質配合使用可能會起到良好的效果。

Demetriades K等[20]在研究中指出在沒有吐溫20的情況下，乳劑容易在蛋白質等電點附近發生液滴絮凝作用，但在pH值較高和較低時都是穩定的；研究表明，添加非離子表面活性劑可以控制蛋白質穩定乳液的理化性質。

1.2.1 動物性蛋白。Kulmyrzaev A等[21]說明了絮凝穩定性對pH的依賴關系，并提出了離子濃度與pH相互作用對乳化穩定的影響，在沒有CaCl2的情況下，乳清蛋白的等電點(4

1.2.2 植物性蛋白。酸性pH處理是一種方便高效的修飾蛋白質結構和改善大豆分離蛋白(SPI)的功能[22]。Jiang等[23]指出pH值為1.5的極酸性能增強SPI的乳化活性、溶解度和穩定性。研究表明[24]pH1.5的酸性處理與60℃熱處理結合，會誘導SPI形成“熔融球狀”結構，增加顆粒大小，增加表面疏水性和巰基含量，從而增強其乳化性。

1.3 超聲對蛋白質乳化性的影響

超聲波的第一個工業應用之一是在乳化過程中。當通過超聲波照射液體時，當施加的聲源的壓力幅度達到最小值時發生空化。這被稱為空化閾值。在油/水體系中，當達到空化閾值時，乳化過程開始。超聲波可以為新的界面形成提供過剩的能量，因此即使在沒有表面活性劑(乳化劑)的情況下也可以獲得乳液，甚至只需要少量表面活性劑的情況下便可產生非常穩定的乳液[25]。

1.3.1 動物性蛋白。趙穎穎等[26]研究發現超聲波處理影響酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液的穩定性，改變粒度分布范圍，減小粒徑，增加乳液的粘度，延長乳液的儲存期。食品工業中使用的乳化劑轉向食品級乳化劑，其中包括來自不同來源的蛋白質。乳清蛋白濃縮物(WPC)廣泛用于食品工業，因為它們被認為是高功能和營養成分。它們的功能與蛋白質含量有關，主要是β-乳球蛋白和α-乳清蛋白[27]。Jambrak等[28]研究發現，超聲波對乳清蛋白的粒徑和分子量有明顯的影響，同時可以促使乳清蛋白部分水解。一個合適的蛋白水解度，能對乳液的穩定性有積極的影響[29]。

1.3.2 植物性蛋白。研究發現pH處理后超聲法制備的可溶性納米大豆蛋白團聚體的功能特性。將商品大豆分離蛋白(SPI)在酸性(pH 2-4)或堿性(pH 9-12)條件下進行pH處理，然后進行中和至pH 7。pH12處理后，超聲處理5 min，對降低可溶性蛋白團聚體的大小和濁度、提高蛋白的溶解度和表面疏水性、修飾蛋白亞基最有效[30]。

1.4 高壓對蛋白質乳化性的影響

高壓對于食品乳化性影響主要體現在高壓作用于蛋白質。高達350MPa的大豆蛋白乳液的超高壓均質化似乎是非常有效的乳化過程，以產生高粘度和穩定的乳液[31]。

1.4.1 動物性蛋白。刁小琴等[32]對肌原纖維蛋白(MP)的研究中發現，高壓均質可以改善MP的理化性和乳化性，總巰基和活性巰基的分析得出其含量隨著均質壓力的變化而變化，表面疏水性隨著均質壓力的增加，也表現出上升趨勢。

1.4.2 植物性蛋白。張媛等[33]在大豆分離蛋白乳化特性的研究中，將10%的大豆分離蛋白水溶液經不同梯度高壓均質處理，發現隨著高壓均質處理的壓力升高，乳化性呈上升趨勢，乳化穩定性呈下降趨勢。故我們在處理蛋白質類乳化劑的時候要注意尋找合適的壓力。但是也要注意溫度升高導致蛋白質變性對其特性的影響，高壓均質可能會帶來乳化體系的溫度升高，還能造成蛋白質分子間發生橋連，使乳液不穩定[33]。但單獨作用于混合體系效果仍有提升空間。畢爽等[35]在大豆分離蛋白的基礎上進一步研究了高壓均質對大豆蛋白-磷脂復合體系乳化性的影響，實驗表明高壓可以提高兩者的相互作用程度，使復合體系效果更加顯著。需要注意的是球狀蛋白在高壓均質過程中可能發生明顯的變性，這是由于蛋白吸附到液滴表面后發生表面變性，而不是勻質器內產生的高壓梯度所致，這種蛋白質的變性可能對乳液的穩定性和性能有明顯的影響[36]。

2 化學改性

蛋白質性質取決于功能團如氨基、羧基、巰基(-SH)、胍基、酚基、羥基等以及二硫鍵。這些功能團能與化學試劑進行反應從而改變蛋白質的功能特性的方法稱之為化學改性。

其中化學改性和酶法改性是研究、應用較多改性方法，化學改性具有簡單、應用廣泛和效果顯著特點。雖然蛋白質的化學修飾可以有效的改善蛋白質的功能特性，但是在反應過程中或反應后可能會產生一些有害物質，并且存在較大的安全問題?？紤]到營養性與安全性，化學改性后的產品在運用到食品之前，需要進行動物毒性試喂實驗，研究其毒副性以保證安全性。

酰化改性常用琥珀酸酐和乙酸酐作為?；噭?，可以與蛋白質分子中游離的氨基或羥基發生親核取代反應，從而導入新功能基團，改變蛋白質的功能性質。

脫酰胺改性通過去除此類蛋白質的酰胺基團，可使其獲得良好的溶解性、乳化性以及發泡性。蛋白質的化學脫酰胺作用可通過以下兩種機制進行：①酸或堿催化下的水解；②β-轉變機制(β-shift mechanism)。李丹等[37]研究表明脫酰胺乳清分離蛋白產物的乳化穩定性、起泡性及對Fe2+、Zn2+的螯合能力均高于乳清分離蛋白，并隨脫酰胺度的增大而略有提高。

磷酸化改性后的蛋白質等電點發生遷移，同時溶解性明顯提高[38]，是一種效果盈著且合理的方法。POCl3進行磷酸化作用，可提高酪蛋白的凝膠形成能力，而用STMP處理，可增加大豆蛋白在酸性條件下的溶解性能和乳化能力。采用STMP對大豆蛋白進行了磷酸化改性研究，結果顯示，改性后大豆蛋白的等電點向酸性區域遷移，其乳化性能、溶解性能以及持水性也有顯著提高[39]。

另外，蛋白質通過糖基化反應可以改變蛋白質表面上的電荷密度，并且增加靜電排斥以改善親水性和親脂性，從而改善蛋白質的乳化特性。Nakamura[40]等人發現溶菌酶-葡聚糖的共價復合物不僅提高了溶菌酶的抑菌范圍，也具有很好的乳化特性。很多研究結果都表明，經過糖基化改性后的蛋白質產物的乳化特性更好，甚至比一些小分子的乳化劑性能更好[41]，所以糖基化產物作為乳化劑可以在食品領域使用。張軼等[42]人研究了馬鈴薯蛋白糖基化改性后其乳化性能的改變，結果發現反應溫度和時間與反應物配比顯著影響了糖基化產物的乳化性。任先娥[43]等人研究了小麥蛋白粉與三種不同糖的糖基化改性，結果表明，改性之后的小麥蛋白的乳化性和溶解性都得到了不同程度的改善。

化學共價交聯是通過一定化學試劑或催化劑，使蛋白質分子內或分子間產生交聯反應(cross-linking)，從而起到改善蛋白質功能特性目的。劉英杰等[44]研究了在不同共價交聯條件(生物酶法和化學堿法)下，花青素對大豆分離蛋白(soy protein isolate，SPI)的表面疏水性與功能特性的影響。結果表明，通過共價交聯法添加花青素使SPI的起泡性能和乳化性能得以改善，當添加相同濃度的花青素時，生物酶法比化學堿法的改善效果更明顯?；钚匝踝杂苫晒舻鞍踪|的氨基酸側鏈和肽鏈骨架，是因為蛋白質中的半胱氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等氨基酸殘基對活性氧自由基敏感[45]，蛋白質氧化后其結構發生改變，進而影響蛋白的溶解性、乳化性、 保水性和凝膠形成能力等功能特性[46]。Srinivasan等[47]制性(或可控)氧化可改善蛋白質許多功能特性。

3 基因工程改性

基因工程改性也稱生物工程改性，是采用植物育種和分子技術的手段，使蛋白質分子的空間構象發生改變，從而對其功能特性產生影響的改性途徑。由于見成效的速度較慢、使用這一技術需要的時間較長等因素，當前只能在實驗室進行，無法應用于實際生產。

大豆蛋白本身具有的溶解性、起飽性、乳化性凝膠性等功能特性，經適當的改性后，其某一功能特性就會得到改善此外，基因工程可以從根本上改變蛋白質的 性質，具有很大的發展潛力。酶改性中，由于微生物蛋白酶來源豐富、產量較大且價格低廉，將會逐漸成為最重要的工業用蛋白酶。隨著改性技術的不斷開發研究，選用無毒副作用的酶法改性與其他改性法的聯合應用，將成為主要的發展趨勢[48]。

4 復合改性技術

由于單獨使用一種乳化劑可能效果不理想，我們可以將多種乳化劑進行復配，利用他們的協同作用達到更好的乳化效果[49]。通常乳化劑的復配方法有三種：第一種是將性質不同的乳化劑復配，可以起到增強乳化效果的作用。第二種是將食品乳化劑與其他功能不同的食品添加劑，對食品起到增加功能性種類的作用。第三種根據食品加工條件的需要以一種食品添加劑為主料，少量的添加輔料，形成復配[50]。另外我們還可以將結構相似的乳化劑，如司盤和吐溫按比例混合也可以得到性能良好的復配乳化劑[51]。降低負面作用的一個很好的方法，便是用反應性表面活性劑取代傳統的低分子量的表面活性劑，或者將離子單體加入到聚合物配方中，使在聚合后發揮表面活性劑作用[52]。

5 結語

隨著現代科技的發展，現有技術已經能夠通過物理、化學、生物及基因工程等方法對蛋白質進行改性，從而提高蛋白質的乳化性能并用于食品生產。不斷深入研究表明，蛋白質改性后會對加工食品的品質、口感、貨架期等總體質量產生積極作用。因此可以預見，蛋白質改性作為乳化劑使用對未來的食品制造將會產生巨大影響。