食品加工中蛋白质结构变化对食品品质的影响

胡燕，袁晓晴，陈忠杰

（1.河南商业高等专科学校，河南 郑州 450044；2.郑州牧业工程高等专科学校，河南 郑州 450011）

食品加工中蛋白质结构变化对食品品质的影响

胡燕1，袁晓晴1，陈忠杰2

（1.河南商业高等专科学校，河南 郑州 450044；2.郑州牧业工程高等专科学校，河南 郑州 450011）

在食品的储藏加工过程中，能引起食品中蛋白质结构变化的因素有很多，而蛋白质结构的改变会导致食品物理、化学和营养等多方面的变化。其中有有利于食品成型或食品色泽、口感、营养等各方面的变化，也有不利的变化。系统介绍能引起蛋白质结构改变的因素，以及蛋白质结构的改变对食品品质的影响，可以为加工中食品品质的控制提供一些理论依据，以期生产出形状、色泽、口感和营养等各方面都更加出色的食品。

蛋白质；结构；物理化学；营养；变化

在食品加工和储藏中，当蛋白质用酸、碱、浓盐溶液、有机溶剂、热高压、激烈振荡和辐射处理时，会不同程度的改变其构象。从分子结构上看，这些结构的变化是多肽特有的折叠结构发生的变化，成为无规卷曲混乱伸展的结构。蛋白质结构的变化必然会使蛋白质的性质发生变化：①由于疏水基团大量暴露在分子表面，从而降低了蛋白质的溶解度；②改变了对水的结合能力；③由于结构改变后的蛋白质分子空间结构破坏，很难保持原有的生物活性；④发生絮集，形成不可逆的凝胶；⑤由于肽链暴露，特别容易受到蛋白质酶的攻击，从而提高对蛋白酶水解的敏感性；⑥黏度增加；⑦不能形成结晶等。正因如此，蛋白质结构的变化必然会引起食品物理化学和营养等各方面的变化。在食品加工和储藏中，有控的和适度的蛋白质变性，可能有利于发挥蛋白质的营养属性和功能性质；强烈的变性则会破坏蛋白质的功能性质，给食品的性状带来不利[1]。

1 导致蛋白质结构变化的物理化学因素

1.1 导致蛋白质结构变化的物理因素

1.1.1 加热

热是蛋白质变性最普通的物理因素，热变性是最常见的变性现象，大多数蛋白质在45℃～50℃已可察觉到变性。蛋白质对热变性作用的敏感性取决于许多因素。例如，蛋白质的性质、浓度、水分活度、pH、离子强度和离子种类等。热处理涉及到的化学反应有：变性、分解、氨基酸氧化、键之间的交换、新键的形成等[2]。

1.1.2 干燥

蛋白质大量脱水，甚至用温和的方法例如冷冻干燥法脱水，仍然可引起某些蛋白质的变性。这是由于蛋白质的保护性水膜脱去，蛋白质十分靠近，分子间相互作用所致。自然风干法脱水时，氧化反应会加大变性程度，喷雾干燥法脱水时界面作用会加大变性程度，高温脱水中又难免热变性。

1.1.3 低温

低温能使某些蛋白质变性，如L-苏氨酸酶在室温下稳定，而在零度时不稳定，11S组分大豆球蛋白、麦醇溶蛋白、鸡蛋和牛乳蛋白冷却或冷冻时会发生聚集和沉淀。但是有些脂酶和氧化酶不仅能耐受冷冻，而且在低温下能保持活性，这是因为某些氧化酶因冷冻而能从细胞膜结构中释放出来而被激活。

1.1.4 机械处理

在加工面包或其它类型的食品面团时，因采用机械处理，如揉捏或滚压，会产生剪切力而使蛋白质变性。反复拉伸而导致α-螺旋的破坏将致使蛋白质网络发生改变。

1.1.5 液压（流体静压）

液压可以产生变性效应，但低于50 kPa时效果不明显。卵清蛋白和胰蛋白酶分别在50 kPa和60 kPa时才表现出变性。蛋白质的水溶液在100 MPa的压力下，不仅容积减少，溶存的蛋白质发生变性，即蛋白质的立体结构遭到破坏，出现沉淀、凝固、凝胶化，即压力下蛋白质的变化[3]。目前，高静压已经形成一门技术，在食品加工中有着广泛的应用。研究表明，高静压可以使细胞形状、细胞膜及细胞壁的结构和功能发生变化，抑制酶的活性和DNA等物质的复制，从而达到杀菌的目的[4]。

1.1.6 辐射

辐射对蛋白质的影响因波长和能量而变化，紫外辐射可被芳香氨基酸残基所吸收，因而导致蛋白质结构改变，如果能量水平非常高，则二硫交联键会断裂。γ-辐射和其它电离辐射也可以使结构发生变化，同时使氨基酸残基氧化、共价键断裂、电离、形成蛋白质自由基和发生重组以及聚合反应，这些反应有许多是由水的辐解作用来传递的。

1.1.7 界面

食品分散相体系中通常含有大量的乳化剂。许多蛋白质都有这种乳化性能。凡在水和空气、水和非水溶液或水和固相等界面上吸附的蛋白质分子，一般会发生不可逆变性。由于蛋白质可作为界面活性剂，许多蛋白质倾向于向界面迁移及被吸附，吸附速率受天然蛋白质向界面扩散速率的控制[5]。蛋白质在界面上的性质在各种食品体系中都是非常重要的，如吸附在界面上的蛋白质有助于乳浊液和泡沫的形成和稳定。但若欲保持蛋白质的天然构象和功能性质，在加工或分离中应尽量避免产生如泡沫或乳状液这样的分散系。

1.2 导致蛋白质变性的化学因素

1.2.1 酸和碱

蛋白质所处介质的pH对变性过程有很大影响，大多数蛋白质在一定pH范围内是稳定的，若与十分高或低的pH介质接触，则一般会发生变性。因为在极端pH时，分子内离子基团会产生强烈的静电排斥，这将促使蛋白质分子伸展。然而，在某些情况下，当pH调节到最初稳定范围时，蛋白质可以恢复原有结构。

1.2.2 金属

碱金属如Na+和K+仅有限度的与蛋白质发生反应，而碱土金属如Ca2+、Mg2+则稍为活泼。过渡金属如Cu、Fe、Hg和Ag等离子容易同蛋白质起作用，能与其中的巯基形成稳定的络合物。Ca2+（Fe2＋、Cu2＋和Mg2＋）可以成为某些蛋白质分子中的一个组成部分。当用透析法或鳌合剂将这些金属离子从蛋白质分子中除去时，会明显降低蛋白质结构对热和蛋白酶作用的稳定性。

1.2.3 有机溶剂

大多数有机溶剂可用作蛋白质变性剂，除了降低溶剂与蛋白质的作用外，它们能改变介质的介电常数，从而改变了有助于蛋白质稳定的静电作用力，非极性有机溶剂能够渗入疏水区，破坏疏水相互作用，因而促使蛋白质变性。这类溶剂的变性作用也可能是它们同水彼此间产生的相互作用而引起的。2-氯乙醇能使α-螺旋构象占优势，这种作用也可认为是一种变性，例如卵清蛋白在水溶液介质中有31%的α-螺旋，而在2-氯乙醇中为85%。

1.2.4 有机化合物

脲素或胍盐当配置成高浓度的水溶液时，会导致氢键的断裂，并引起蛋白质不同程度的变性。这些化合物还通过增加疏水氨基酸残基在水溶液中的溶解度而降低疏水的相互作用。表面活性剂如十二烷基硫酸钠也是很强的变性剂，这类化合物在蛋白质疏水区和亲水环境之间起着媒介作用，因此，它们除能破坏疏水相互作用外，还有利于天然蛋白质的伸展。还原剂（半胱氨酸、抗坏血酸、β-巯基乙醇、二硫苏糖醇）可使二硫交联键还原，因而改变蛋白质的构象[6]。

2 蛋白质结构变化对食品物理化学方面的影响

2.1 脱水作用

当蛋白质溶液中水分几乎全部除去时，常常引起蛋白质大量聚集，特别是在高温下除去水分，可导致蛋白质溶解度和表面活性剧烈降低。干燥条件影响粉末颗粒的大小及内部和表面的多孔性，从而对蛋白质的湿润性、吸水性、分散性和溶解性产生影响。当水以蒸汽形式迅速被除去时，造成最低限度的颗粒收缩以及盐类和碳水化合物向干燥表面的迁移，通常可以得到多孔性的粉末颗粒。在冷冻干燥和喷雾干燥时就可产生这种效果。

2.2 机械处理

充分干燥磨碎的蛋白质粉末或浓缩物可形成小的颗粒和大的表面积。与未磨碎的对应物比较，可以提高水吸收、溶解性、脂肪吸收和起泡性。蛋白质悬浊液或溶液体系在强烈的剪切力作用下可引起蛋白质聚集体碎裂成亚基，这种处理可提高蛋白质的乳化能力。适度搅打造成的蛋白质变性可以使泡沫稳定，但有些蛋白质，例如鸡蛋清过度搅打，由于蛋白质的过度聚集使形成泡沫能力和泡沫稳定性均有所下降。在蛋白质质构化过程中，机械力同样起着重要的作用，例如面团形成、纤维丝的形成和挤压加工等方法即是。

2.3 热处理

蛋白质的热变性程度和结果主要依赖于蛋白质本身的性质和环境条件，哺乳动物胶原蛋白在有大量水存在时，加热到65℃以上发生伸展、解离和溶解，肌纤维蛋白质在同样条件下则发生收缩、聚集并降低持水能力[7]。Na-kamura等曾发现要在加热条件下形成可自我支持的凝胶，所需的大豆球蛋白最低浓度为2.5%。蛋白质浓度低于2.5%水平在食品生产中有其应用价值，因为如咖啡增白剂、婴儿配方食品及添加蛋白的饮料在热处理时，凝胶的形成是我们所不期望的[8]。

2.4 冷冻

冰点以下的冷冻温度也会引起蛋白质变性和损害其功能性质，例如鱼肌动球蛋白变硬和持水能力变小，牛奶酪蛋白胶束沉淀，蛋黄脂蛋白变得黏稠和胶凝，某些蛋白凝胶发生脱水收缩等。

2.5 酸碱处理

植物蛋白在1 mol/L～3 mol/L盐酸溶液中100℃加热10 h～15 h，可引起肽键的有限水解，这种水解能使非蛋白氮含量增加3倍，显著提高溶解性，因而改善配料的溶解性和表面性质。酸水解蛋白质时还有色素和肉样风味物的形成，有些植物蛋白水解物用碱中和过滤后可用作增香剂。蛋白质在碱性介质中加热也可使肽键发生有限水解，这种解聚与水解结合的方法可用于增溶和提取不易溶的植物、微生物或鱼蛋白质，也能明显提高牛奶蛋白质的起泡能力。奶粉中的酪蛋白在中性和偏碱性溶液中比酸性溶液中更易结合有极性的挥发性风味物质分子，这就是为什么含高浓度奶粉的冰淇淋浆料更容易调控风味，使之具备诱人风味的原因之一[9]。另外，碱处理还可以引起氨基酸的降解、变旋和交联[10]。

3 蛋白质结构变化对食品营养方面的影响

3.1 热处理引起的变化

加热处理分离蛋白或含蛋白质的食品会引起蛋白质结构的改变，使其失去生物活性和改变功能性质，但若加热温度保持适度时，共价键不会破坏也不会形成，也不会强烈影响到蛋白质的高级结构。从营养学观点来看，温和热处理引起的变化一般是有利的。

当种子、面粉或蛋白质浓缩物在高温潮湿条件下加热如高压灭菌、挤压加工、焙烤和烹煮时，所有抗营养因子都会变性和失活。由于适当热处理可以明显提高植物蛋白对某些动物的营养价值，所以某些动物饲料中植物蛋白质成分通常要经过加热处理。许多蛋白质例如大豆球蛋白、骨胶原和卵清蛋白在适当热处理后更容易消化，这是由于蛋白质发生伸展而使原来被掩蔽的氨基酸残基暴露，从而使蛋白酶更迅速和广泛的起作用。

蛋白质及蛋白质食品在不添加外来物质的条件下进行高热处理，即可引起氨基酸的脱硫、脱酰胺、异构化和其它化学改性，甚至有时会伴随产生有毒化合物[11]。例如在115℃时灭菌，会引起半胱氨酸和胱氨酸残基遭到破坏，生成硫化氢、二甲基硫化物和磺基丙氨酸。用肉、鱼的肌肉、牛奶等实验，所产生的硫化氢和其它挥发性化合物能使这些经过加热的食品具有很好的风味。在超过100℃的情况下加热蛋白质，将会发生脱酰胺反应，释放出的氨主要来自谷氨酰胺和天氨酰胺的酰胺基水解反应，所以该反应并不损害蛋白质的营养价值。温度超过200℃的剧烈处理和在碱性pH时的热处理都会使氨基酸残基发生β-消除反应，形成负碳离子，经质子化后可随机形成D型或L型氨基酸的外消旋混合物。由于大多数D-氨基酸不具有营养价值，因此，必需氨基酸的外消旋反应会使其营养价值降低50%左右。再者，某些D-氨基酸可产生毒性物质。在碱性pH条件下热处理，精氨酸可能转变成鸟氨酸、尿素、胍氨酸和氨，半胱氨酸可能变成脱氢丙氨酸，丝氨酸、苏氨酸和赖氨酸的含量在碱性pH下加热也会降低。

3.2 辐射引起的变化

当蛋白质受到γ-辐射或在有氧化脂肪存在时可发生分子间或分子内的共价交联，主要在氨基酸残基α-碳上形成的自由基发生聚合反应。γ-辐射还可引起低水分食品的多肽链断裂。在有过氧化氢酶存在时酪氨酸会发生氧化交联生成二酪氨酸残基。辐射引起的营养和安全性问题的研究还在继续。

3.3 氧化引起的变化

应用氧化剂的食品工艺并不少见，例如过氧化氢具有杀菌和漂白的性质，乳品工业中用来加工某种干酪或用它作为贮存罐、利乐包装用的“低温杀菌剂”，它还可以用于改善鱼蛋白浓缩粉、面粉、油料种子蛋白质分离物等加工产品的色泽。另外，过氧化苯甲酰可用于面粉的漂白，在某些情况下还用作乳清粉的漂白剂。不应用氧化剂制作的食品也可能有过氧化物的出现，例如脂类氧化产生的过氧化物及其降解产物存在于很多食品体系之中，这些过氧化物往往是引起它们共存的蛋白质成分发生降解的原因。氨基酸残基由于光氧化反应、辐射、微量金属、氧、热空气干燥和发酵过程时充气等原因，也可以发生氧化变性。

3.4 美拉德反应引起的变化

美拉德反应可形成高分子量和结构复杂的褐色或黑色的类黑精，这类色素是面包和焙烤食品产生褐色的原因。类黑精类的产物对营养的影响至今还不完全了解，有人认为这类产物能抑制某些必需氨基酸在肠道内的吸收。类黑精形成中伴随着少量蛋白质发生共价交联，这种交联能明显的损害这些蛋白质部分的消化性。某些蛋白质—碳水化合物模拟体系和加热产生的类黑精还表现出诱变性质[12]。这种性质的能力决定于美拉德反应的程度。类黑精是不溶于水的物质，肠壁对其仅有微弱的吸收。因此，它们在生理方面的危险性很小。但是低分子量类黑精前体较容易吸收。

4 结论

在食品的加工储藏中，蛋白质结构会随着处理条件的不同发生或多或少的变化，其功能性质和营养价值等各方面的品质也会随之改变。其中有有利于食品成型或食品色泽、口感、营养等各方面的变化，也有不利的变化。我们要充分深入的了解这些变化，以便在食品加工和储藏中更有效的控制处理条件，生产出形状、色泽、口感和营养等各方面都更加出色的食品，使我国的食品加工水平上一个新的台阶。

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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（汉），讲师,硕士，研究方向：农产品的贮藏与加工。

2011-03-09