脉冲电场对食品蛋白质改性作用的研究进展

董 铭,白 云,李月秋,王 鹏,韩敏义,*,孙京新,徐幸莲,周光宏

(1.南京农业大学农业部肉品加工重点实验室,江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心,肉品加工与控制教育部重点实验室,江苏南京 210095;2.河北大学医学综合实验中心,河北保定 071000;3.青岛农业大学食品科学与工程学院,山东青岛 266109)

自从20世纪60年代报道了电场对微生物作用后,研究人员将就它应用于食品工业的各个领域,其中也包括了脉冲电场对食品蛋白质的改性方面[1]。脉冲电场(pulsed electric field,PEF)技术主要是通过将脉冲电场(0.1～80 kV·cm-1)作用到放置于2个电极之间的食品物料上,进而实现对食品的非热加工处理。脉冲电场处理可以改变食品材料结构而不会产生其他副作用(如严重结构改变、有害微生物污染、变色和变味等),与传统热加工相比,它可以最大限度地保持食品品质,如风味和营养价值[2-3],这是研究人员对此技术青睐的主要原因。脉冲电场加工处理大多在室温或者低于室温下操作,它能连续操作,通过对两电极间的食品物料施加往复高电压短脉冲的形式进行,由于加热导致的能量损失非常小。脉冲电场加工处理的作用效果与施加的电场强度、脉冲波形、处理时间(脉冲个数×脉冲宽度)、脉冲频率、处理温度及被处理食品物料属性(种类、酸碱度、离子强度、几何尺寸等)等因素有关,其中电场强度和处理时间最关健[4-5]。对食品品质特性来说,脉冲电场处理技术很大程度上降低了食品感官和理化特性的不利变化,从而优于传统的食品热加工处理技术,研究显示PEF能替代热加工处理技术或与热加工处理技术联用,因此成为食品加工业极具应用潜力的技术,近年来引起了国内外研究学者的广泛关注[6-7]。

蛋白质作为食品中的主要营养成份之一,其功能性质对食品品质起到至关重要的作用[8-9]。与其他蛋白质改性方法比较,物理改性方法拥有处理时间短、能耗低、安全可靠、对产品营养性质影响小、终产品品质高等显著优点[10]。当蛋白质溶解于水溶剂中时,分子中的带电氨基酸残基与极性基团使蛋白质分子也带电荷,从而为脉冲电场诱使蛋白质改性提供了理论依据。脉冲电场处理促进分子有序排列,能为蛋白质氨基、巯基和羧基等残基之间的化学反应提供反应所需能量,从而达到改变蛋白质性质,更有利于蛋白质的聚集,最终诱导改变蛋白质功能性质[11-12]。然而,PEF处理技术在以蛋白质为主要成分的食品物料中尚有很大潜力,然而PEF对蛋白质的作用机理还没有被完全阐述清楚,需要更多更深入探索研究。本文综述了脉冲电场处理对食品蛋白质结构和功能特性的影响,以期为今后从事该领域方向的科技工作者提供帮助与参考。

1 脉冲电场技术处理对食品蛋白质结构的影响

脉冲电场技术处理诱导蛋白质改性是当今蛋白质改性研究的热点,其改性的主要机理是蛋白质的极性基团吸收电场能量产生自由基或聚集,导致蛋白质解折叠。产生的自由基会破坏蛋白质分子之间相互作用(如范德华力、静电和疏水相互作用、氢键、二硫键和离子键等),从而引起蛋白质结构和功能特性的改变[13],脉冲电场技术在食品蛋白质物理改性方面表现出巨大的应用潜力,在脉冲电场影响下,水分子配位能力显著增大;而且,当PEF作用到蛋白质时,处于蛋白质表面的离子就会受到电场的作用力影响,作用力大小和方向都随时间变化而发生变化,从而对蛋白质的结构及功能特性产生影响[14]。在食品加工中就要充分利用这些影响。同时,施加外部高强电场环境会改变蛋白质所在的局部静电场,从而诱导肽链的静电相互作用被破坏[15]。蛋白质分子在电场影响下折叠会解开,之后会发生相互作用,最终形成蛋白质分子聚集。而且,蛋白质分子中的多肽链具有极强的偶极矩,从而受电场、局部静电场作用的影响;蛋白质中多肽链在静电相互作用下遭到外加电场破坏。也有理论认为,蛋白质分子聚集形成过程如下:解折叠后的蛋白质二级及三级结构会变得疏松,通过非共键连接的蛋白质分子二聚体及多聚体会发生解离,从而使更多的疏水基团暴露。这些部分解折叠蛋白会通过较弱的非共价键(如疏水相互作用)和共价键(如二硫键)形成蛋白质聚集[16],脉冲电场技术处理对蛋白质的这些影响作用可以通过疏水性、巯基和二硫键、二级结构和和三级结构等反映出来。

1.1 疏水性

蛋白质表面疏水性是表征蛋白质表面和接触极性溶液环境疏水基团的重要参数,也是维系蛋白质三级结构的主要作用力,与蛋白质的最终功能性质有很大的相关性,对于研究蛋白质的分子结构具有十分重要的意义。在蛋白质结构中,非极性的氨基酸侧链一般包埋于蛋白分子内部,从而使蛋白质出现疏水性内核,而极性氨基酸则会分布于蛋白质分子的表面区域而出现亲水属性,但在蛋白质分子表面也会有一些疏水基团存在,从而导致蛋白质分子表面呈现出一定程度的疏水性。在外部电场作用下的蛋白质分子微小构象上的改变便会诱使以前隐藏在内部的疏水基团暴露出来,从而导致蛋白质疏水性的改变[17]。

Xiang等[18]采用电场强度分别为22、25 kV·cm-1,脉冲个数分别为30、60、90、120的脉冲电场处理大豆分离蛋白(SPI),结果显示脉冲电场技术会改变SPI的结构而使其表面疏水性增加。脉冲电场技术处理对菜籽蛋白的结果表明,脉冲电场电压、脉冲频率及物料处理时间会影响其表面疏水性。电压和物料处理时间会显著增加菜籽蛋白表面疏水性,电压低于35 kV时疏水性随电压增加而提高。物料处理时间低于150 s时,蛋白表面疏水性随着时间延长而提高,150 s时达到最高。在脉冲频率为400 Hz时菜籽蛋白的疏水性达到最高值,400 Hz后会降低。在脉冲宽度为6 μs时其疏水性达到最高值,之后有所降低[19]。脉冲电场技术处理对大豆分离蛋白(SPI)的疏水性也有类似影响,疏水性会随着电场强度的提高和处理时间的延长而增加,在脉冲电场强度和处理时间分别高于30 kV·cm-1和288 μs时会降低[20]。

Perez等在使用脉冲电场技术处理β-乳球蛋白和卵白蛋白的研究中发现,脉冲电场导致蛋白质分子发生了极化,致使疏水性氨基酸或巯基暴露,诱导蛋白质分子结构发生改变,当输入脉冲能量足够高时,在疏水相互作用和共价键的影响下形成蛋白质分子聚集[17]。国内研究人员也得出了相类似的结果,β-乳球蛋白分子表面疏水性和空白对照相比有不同程度的提高,而且随处理时间的增加呈现出先提高后下降的趋势。当处理时间达30 μs时,蛋白质表面疏水性达到最高值,其原因主要是PEF处理导致蛋白质分子结构展开,使蛋白质疏水性提高。当PEF继续作用于β-乳球蛋白溶液时,蛋白质分子的表面疏水性开始降低,原因可能是由于PEF的电击作用改变了蛋白质分子电荷分布,从而使β-乳球蛋白分子内部基团距离变小,蛋白质部分折叠,疏水基团则会重新包埋到蛋白质分子内部,最终导致蛋白质分子表面疏水性降低[21]。国内的曾新安团队、杨瑞金团队及殷涌光团队应用脉冲电场技术做了很多相关工作。他们探究了脉冲电场技术处理对蛋清蛋白表面疏水性作用效果,结果也显示随PEF处理时间的增加蛋清蛋白分子的表面疏水性表现出先提高,然后有所下降的趋势[22]。脉冲电场技术使得乳清蛋白蛋白质内部疏水相互作用发生改变,其主要原因是脉冲电场处理使乳清蛋白的空间结构发生了变化,暴露了更多的疏水性区域,最终表现为蛋白质分子的表面疏水性提高[23]。

在肌肉蛋白中的应用效果显示,脉冲电场技术处理的肌原纤维蛋白(MP)的相对荧光强度发生改变。随电场强度的提高,相对荧光强度也开始增加。在脉冲电场强度达到35 kV·cm-1时,相对荧光强度也达到最高值,显示脉冲电场处理使MP分子内部疏水相互作用改变,主要原因是脉冲电场肌原纤维蛋白分子的空间结构发生变化,导致暴露出更多的疏水区域,最终表现为蛋白质的表面疏水性提高。然而当脉冲电场电场强度提高到40 kV·cm-1时,相对荧光强度开始降低,主要原因是由于极化了的MP分子之间相互作用加强,导致蛋白分子聚集体重新形成[24]。从以上可以看出,大部分研究都显示,疏水性都表现出先增加而后降低的趋势,因此要充分利用这个特点,选择合适的脉冲电场作用参数,根据最终的应用目的加以利用。

1.2 巯基和二硫键

大部分蛋白质都含有二硫键(-SS-)和巯基(-SH),并且二硫键和自由巯基对蛋白质的功能特性包括凝胶特性、乳化活性及乳化稳定性有着十分重要的影响。蛋白质分子中巯基是生成二硫键的前体,而二硫键是维持蛋白质三级结构的主要作用力,一般巯基氧化会形成二硫键,从而对产品的最终品质造成影响。脉冲电场技术处理会使蛋白质分子展开,暴露了蛋白质分子内部基团。报道显示含有自由巯基的分子在经过PEF处理后会发生化学变化[16]。

在PEF影响下,巯基发生变化,从而使多肽链构象发生变化。多数研究结果显示,PEF处理会使巯基变得更加活泼,同时表面巯基含量也会随着脉冲场强与处理时间的增加而提高[20-25],然而继续延长处理时间巯基的含量又会降低。研究结果表明,PEF处理使菜籽蛋白的自由巯基含量明显提高,在脉冲电压为35 kV时自由巯基含量是空白组的2倍,表明PEF诱导菜籽蛋白的三级结构发生变化,导致蛋白质结构局部展开,二硫键发生断裂,使形成的巯基暴露在分子表面;不过,随着脉冲电场强度增加或物料处理时间延长,蛋白质总巯基含量却明显下降[19],可能是PEF对两种巯基的作用不同,使总巯基发生氧化,形成二硫键。大豆分离蛋白(SPI)表面自由巯基随着脉冲电场强度的增加与处理时间的延长而提高,然而当脉冲电场强度与处理时间分别高于30 kV·cm-1和288 μs时则会降低[20]。改变主要是由于脉冲电场处理导致暴露了蛋白分子内部疏水基团,改变蛋白质表面疏水性,诱使活性基团间相互反应,巯基与二硫键受到影响,最后致使大豆分离蛋白发生聚集,而过高的PEF又会导致疏水基团间相互作用,致使他们又重新隐藏起来[11]。Dolores等用PEF对蛋清溶液和卵白蛋白溶液处理后的结果显示,PEF处理增加了与5,5′-二硫双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)可反应的自由巯基量,原因可能是蛋白质分子形成了部分解折叠或增强了巯基离子化程度,然而蛋白质的凝胶性质并没有相应发生明显改变[25]。PEF对牛血清白蛋白和卵白蛋白处理的研究结果显示,PEF电场强度从25提高到35 kV·cm-1时暴露巯基明显增加而总巯基降低[16]。因此,对于特定的食品蛋白质,需要确定合适的脉冲电场处理参数来达到应用的目的。

1.3 二级结构

蛋白质二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲[26]。研究显示,脉冲电场处理对食品蛋白质的二级结构有显著影响,蛋白质α-螺旋下降,β-折叠含量上升对蛋白质后期的功能性质改善有利。

Qian等[27]研究发现PEF能改变固体卵清蛋白的二级结构导致二硫键断裂、氢键被破坏,使α-螺旋转变为β-折叠,α-螺旋下降,β-折叠含量上升,但是蛋白质的一级结构没有变化。PEF也使菜籽蛋白的二级结构发生变化,菜籽蛋白肽链解旋,由有序向无序状态改变。经过不同脉冲电压处理后,蛋白质酰胺I带各谱峰百分比含量发生改变,α-螺旋及β-折叠含量都有所下降,无规则卷曲含量明显提高,β-转角含量无明显改变,然而峰值大小几乎无变化[19]。李迎秋[28]通过对PEF处理作用下大豆蛋白分子结构研究显示,PEF处理诱导了蛋白分子的极化,破坏了维持蛋白空间结构的氢键等作用力,使大豆分离蛋白分子部分伸展,基团暴露,从而使二级结构含量增加;较强的脉冲条件使极化的蛋白分子之间相互吸引重新形成分子聚集体,使其伸展的结构又发生折叠。进一步拉曼分析结果显示蛋白质α-螺旋含量下降、β-折叠和无规则卷曲含量提高[11],同时β-折叠随处理时间的增加,呈现先提高后下降的趋势,表明大豆分离蛋白的二级结构被破坏[20]。Liu等也发现,35 kV·cm-1PEF使大豆分离蛋白的反平行β-折叠、β-转角和β-折叠等二级结构发生明显变化[29]。脉冲电场处理后玉米醇溶蛋白的酰胺I带拉曼光谱特征峰相对强度提高,表明处理后的β-折叠结构百分比含量提高。在酰胺III带的拉曼光谱特征峰波数向左偏移,而且相对强度也有所提高,表明β-折叠和无规则卷曲结构含量提高,α-螺旋解开,C=O双键的断裂促使羟基基团含量提高[30-31]。PEF处理后β-乳球蛋白分子的α-螺旋与β-折叠随PEF处理时间增加出现先提高而后降低趋势,与此相反,β-转角与无规则卷曲则先下降后提高,原因是短时脉冲电场处理,破坏了维系蛋白质高级结构的次级键(包括氢键、范德华力和静电相互作用等),致使结构展开,于是β-折叠含量提高。进一步延长处理时间,蛋白分子发生极化,蛋白质带电基团的定位和氨基酸残基间的电场分布破坏,破坏了β-乳球蛋白的二级结构,从而β-折叠含量下降,无规则卷曲提高,之前展开的蛋白结构又变得致密[21]。PEF对蛋白质二级结构的影响不同研究有所差异,大部分研究认为PEF会破坏蛋白质有序结构,但由于所研究蛋白质不同,PEF作用的参数也有差异,导致最终的结果与不尽相同。

1.4 三级结构

内源荧光变化是表征蛋白质三级结构的常用指标。内源荧光主要源于蛋白质中的色氨酸残基(Trp),这种氨基酸残基对微环境的变化十分敏感,因此一般用Trp残基来作为内源荧光探针来表征蛋白三级结构的变化情况。

PEF处理提高了β-乳球蛋白的荧光强度,而且出现先增加后下降的变化,在25 kV·cm-130 μs时荧光强度达到最高值。作者分析原因可能是PEF处理的电场影响导致蛋白质疏水及静电相互作用、氢键等发生改变,致密的立体构象松散,β-乳球蛋白分子的2个Trp残基被暴露在极性环境,荧光强度提高,处理时间30 μs时达到最高。继续延长处理时间,荧光强度有降低的趋势,原因是蛋白质分子又通过非共价键作用导致蛋白质部分折叠,原来暴露于蛋白质表面的Trp残基又掩埋到了分子内部[21]。脉冲电场作用后,固体卵清蛋白自由巯基增加,总巯基降低,表明脉冲电场会作用于蛋白质分子三级结构,导致某些空间结构展开,暴露原来隐藏的巯基结构[27]。

脉冲电场处理对蛋白质分子结构影响与食品蛋白质的种类紧密相关,还有研究结果显示脉冲电场处理在某些条件下对蛋白质结构没有影响,产生这些矛盾的原因除了蛋白质本身的原因之外与脉冲电场的作用参数及处理时间有很大的关系。Singh等[32]从分子水平上研究了外加电场对蛋白质结构的作用,通过脉冲电场诱导微环境中大豆蛋白的色氨酸残基,发现其变化带来的极性是部分变性蛋白质引起的。同时发现低场强对蛋白质分子的结构几乎没有作用,高场强则导致蛋白质构象改变从而导致和溶剂接触面积变大。高强度脉冲电场使蛋白质肽链间静电相互作用遭到破坏,从而可能会诱使蛋白质分子发生宏观结构改变,如暴露了某些内部结构,加剧了蛋白质间相互作用。

2 脉冲电场技术对食品蛋白质功能特性的影响

蛋白质的功能特性在很大程度上由其结构决定。脉冲电场处理改变了蛋白质分子结构,必然会使蛋白质功能特性改善或下降,从而最终影响食品的质构和功能特性。

2.1 溶解度

溶解度是蛋白质十分重要的理化性质,它靠蛋白质与水分子间相互作用维系。溶解度不仅对蛋白质的分离、提取及纯化有影响,对其他功能特性(如乳化性、起泡性、增稠性和凝胶性等)都有明显影响。也是表征蛋白质变性及聚集的一个指标。一般而言,溶解度高的蛋白质功能性质好,而溶解度低的蛋白质的功能特性和使用范围是非常有限的。

脉冲电场对蛋白质溶解度的作用和其作用的电场强度与处理时间有关。吴新用脉冲电场技术处理牛乳蛋白后发现其溶解性改善,在30 kV·cm-1达到最大值[33]。随着电场强度与处理时间的增加,大豆分离蛋白的溶解度提高,当电场强度(电压)与处理时间分别高于30 kV·cm-1和288 μs时降低[20]。电压低于30 kV时,菜籽蛋白质溶解度明显提高,加深了蛋白质分子极化的程度,打破了维持蛋白质空间结构的疏水和静电相互作用、二硫键等非共价键作用力,蛋白质分子局部展开,提高了溶解度。进一步增加电压和物料处理时间,充分暴露了隐藏在分子内部的巯基和疏水基团,展开的蛋白质分子间又形成新的蛋白质分子聚集,降低了蛋白质溶解度[19]。李迎秋等[34]使用0～40 kV·cm-1PEF处理大豆分离蛋白,也发现随着脉冲电场强度(0～35 kV·cm-1)和处理时间(0～432 μs)提高大豆分离蛋白的溶解度得到改善。脉冲强度或处理时间高于35 kV·cm-1或432 μs时溶解度下降。而且较强的PEF也显著改善了对菜籽蛋白的溶解度[19]。PEF也可以与超声波、糖基化等其它手段一起使用,当处理条件为脉冲电场强度15 kV·cm-1、超声波处理时间36 min、超声波功率300 W时,黑豆分离蛋白的溶解度明显改善[14]。Sun Weiwei等[35]利用PEF结合糖基化处理乳清分离蛋白,发现高强度的PEF处理能够加速糖基化反应,改善了乳清分离蛋白溶解度[36]。然而,吴新等[37]研究了脉冲电场处理对酪蛋白溶解度的作用,结果发现随着脉冲强度增加和处理时间延长,酪蛋白溶解度降低。赵伟等[22]使用25～35 kV·cm-1100～800 μs PEF技术处理蛋清蛋白,结果发现PEF处理电场强度及处理时间过长会使蛋白质分子间形成聚集,降低了蛋白质溶解度。蛋白质溶解度降低的原因可能是所用处理参数不当引起的。

2.2 乳化特性

乳化特性是食品蛋白质的另外一项重要功能特性,它与食品的保油性密切相关。多数研究结果证实适度的脉冲电场处理会改善蛋白质的乳化特性,最终产品(尤其是肉制品)的保油性十分有吸引力。

赵伟等[22]采用25～35 kV·cm-1PEF处理蛋清蛋白100～800 μs后,发现蛋清蛋白乳化特性有所提高。而继续增加PEF处理电场强度和延长处理时间,蛋白质分子之间会形成聚集,导致其乳化功能下降。李迎秋等[34]研究了脉冲电场对大豆分离蛋白功能性质的作用,结果显示PEF会显著提高β-乳球蛋白的乳化性和乳化稳定性。脉冲电压为30 kV时,乳化能力最优。脉冲电场强度高于30 kV·cm-1或处理时间大于144 μs时乳化性下降。其原因可能是PEF导致蛋白分子极化,从而破坏了维系蛋白质分子空间结构的非共价作用力,而且局部伸展的蛋白质分子提高了分子的柔性,油水界面结合了更多的蛋白质分子,原来隐藏于蛋白分子内部的疏水残基暴露到表面,使蛋白质的乳化性能提高[28]。进一步提高电压和处理时间,极化的蛋白质分子之间会相互吸引,通过非共价键而形成更大蛋白质分子聚集,导致蛋白质分子柔性降低,最终,降低了蛋白质乳化及乳化稳定性[19]。糖基化处理结合不同电场强度PEF后,β-乳球蛋白的乳化稳定性和乳化性都明显改善[36]。Sun Weiwei等[35]也发现糖基化处理结合PEF改善了乳清分离蛋白的乳化特性。

2.3 凝胶特性

蛋白质的凝胶特性(包括凝胶强度和凝胶微观结构等)与最终食品的质构关系密切[38]。

研究发现与空白组相比,较低的PEF电场强度会降低乳清蛋白凝胶硬度,随着PEF电场强度的逐步增强,硬度开始提高,PEF电场强度为35 kV·cm-1时,硬度达到最高值[23-24]。对于肌原纤维蛋白也有类似效果,在PEF电场强度小于35 kV·cm-1时,随PEF电场强度的增强肌原纤维蛋白凝胶弹性增加,大于35 kV·cm-1时,随PEF电场强度增强肌原纤维蛋白凝胶弹性下降,随PEF脉冲个数的增多肌原纤维蛋白凝胶弹性提高,增加到脉冲数为4时,脉冲个数继续增加,增幅会下降[24]。Rodrigues等发现用温和PEF处理乳清分离蛋白后蛋白质凝胶形成性、黏弹性和分散性发生变化[39]。同时,脉冲电场和超声波也有相互促进作用,超声波处理时间为36 min、超声波功率300 W、脉冲电场强度为15 kV·cm-1时,黑豆分离蛋白凝胶硬度得到改善,扫描电子显微镜(SEM)的结果也表明此时黑豆蛋白形成了更为均一、致密、规则和表面平整的凝胶[14]。

2.4 保水保油性

保水保油性作为食品蛋白质凝胶最重要的功能特性之一,提高食品蛋白质的保水性及保油性,一方面可以有效维持食品风味,增强食品口感;同时可降低食品水分及脂肪的流失[19],从而增加产品的出品率,降低生产成本。在适当条件下,食品蛋白质形成的热诱导凝胶可以保留大量水、脂肪及其他食品成分[40]。研究表明,PEF对食品蛋白质保水保油性有显著改善效果。

在PEF电场强度小于35 kV·cm-1时,随着脉冲电场强度的增加凝胶保水性提高,但电场强度大于35 kV·cm-1后增幅改变不明显[23]。当处理条件为超声波处理时间36 min、超声波处理功率300 W、PEF电场强度15 kV·cm-1时,黑豆分离蛋白保水性提高[14]。然而,金声琅等[23]发现,与对空白照组相比,15～25 kV·cm-1的PEF处理后乳清蛋白蛋白凝胶保水性下降。原因可能是PEF使蛋白分子极化,破坏了维系蛋白空间结构的非共价键作用,凝胶网络结构变得不稳定,导致蛋白凝胶保水性降低。PEF强度大于35 kV·cm-1时,凝胶保水性明显提高,他们认为原因可能是:第一,蛋白分子被PEF诱导极化,打破了二硫键和氢键,部分展开的蛋白分子和溶剂水相互作用加强,从而形成了新的蛋白质稳定结构;第二,水分子在脉冲电场作用下聚合,水分子之间的距离缩小,导致自由水填充到蛋白质氨基酸侧链周围转变成结合水,样品保水性得到改善;第三,PEF通过电致伸缩作用导致二价阳离子和蛋白质分子之间的键合作用破坏,使添加食盐的乳清蛋白构象改变,蛋白质分子与阳离子间形成盐桥的可能性下降,从而提高了蛋白质凝胶保水性[23]。肌原纤维蛋白与此类似,与空白对照组相比,2～8个脉冲使肌原纤维蛋白凝胶保水性明显改善,脉冲个数为4时,肌原纤维蛋白凝胶保水性最优,更为稳定肌原纤维蛋白网络结构形成,继续增加脉冲个数其保水性不会再提高[24]。王丽娟[19]发现,脉冲电压在25 kV时菜籽蛋白的保油性达到最高。脉冲电压大于25 kV后又明显下降。可能是由于菜籽蛋白的对PEF耐受性比较低,PEF处理使菜籽蛋白变性,打开了蛋白质空间结构,更多的亲油基暴露出来,导致菜籽蛋白吸油性改善[19]。不同蛋白质受PEF影响不同,因此针对不同食品原料需要优化PEF处理的参数,以达到理想的效果。

2.5 变性聚集

一般研究认为,脉冲电场导致的温度升高会造成蛋白质变性和聚集[2]。但变性和聚集对蛋白质的功能特性改善是否有利还需要进一步研究。

PEF诱使牛血清蛋白中卵白蛋白和β-乳球蛋白通过二硫键形成蛋白质聚集[16-17]。拉曼光谱结果也显示溶菌酶的二硫键构像发生显著改变,表明PEF使蛋白质通过巯基/二硫键间相互作用形成蛋白质聚集[41]。PEF电场强度(电压)和处理时间是主要的参数,在PEF电压20～35 kV时没有发现牛血清白蛋白(BSA)聚集形成,可能是BSA中巯基含量较少,在中度PEF处理条件下一般可以保持稳定,当PEF强度大于25 kV时BSA和卵白蛋白混合蛋白会形成聚集[16]。对于大豆分离蛋白(SPI)和蛋清蛋白(egg white proteins)也是如此,增加PEF处理强度与延长处理时间,蛋白质变性和聚集就会发生[20,42]。

2.6 其它蛋白质功能特性

PEF电压低于30 kV时,菜籽蛋白的起泡能力和泡沫稳定性都明显改善,当电压为30 kV时,起泡性和泡沫稳定性最优,原因是PEF导致菜籽蛋白局部伸展,使蛋白质内部的疏水性残基暴露到表面,导致水和空气界面的形成,蛋白质分子之间通过非共价相互作用力生成了稳定的界面膜和二维网络结构,从而使起泡性和泡沫稳定性改善。然而当进一步加大电压和处理时间时,导致蛋白质分子内部的巯基和疏水基团充分暴露。蛋白质分子极化生成新的蛋白质分子聚集,降低了空气和水形成的界面膜稳定性,最终起泡性和泡沫稳定性下降[19]。PEF处理改善了玉米醇溶蛋白膜特性,在PEF和乙醇共同影响下,有序排列的玉米醇溶蛋白分子形成均一的蛋白质网状结构,薄膜均一性提高,形成的蛋白膜形状完整、内部结合更为紧密、表面平整光滑,PEF处理的玉米醇溶蛋白膜拉伸强度高于未经PEF处理组[30]。田明等[36]用15 kV·cm-1的PEF处理90 μs与糖基化结合处理β-乳球蛋白,结果显示β-乳球蛋白分子解折叠,自由氨基含量明显下降,β-乳球蛋白过敏原性降低。同一研究团队的Yang WH等近期也得到类似结论,PEF与糖基化结合可以降低β-乳球蛋白过敏原性[43]。研究证实,未PEF处理的蛋白质溶液羰基值为零,而经过25 kV·cm-1PEF处理800 μs后蛋白质的羰基值没有改变,表明蛋白质氧化没有发生[44]。Guan YG等研究证实PEF处理可以加速牛血清白蛋白(BSA)-葡聚糖溶液体系的糖基化反应进程[45]。另外,PEF对液全蛋起泡性[46]、豆奶流变特性[47]有显著影响。综上所述,多数研究结果都证实,PEF对蛋白质的功能性质都有改善作用,但作用的参数需要针对特定的蛋白质进行优化。

3 结论和展望

脉冲电场技术(PEF)属于典型的交叉学科,涉及到物理学、电子学、化学、微生物学和工程技术等多个学科,被誉为本世纪最具潜力的食品非热加工处理高新技术,它能应用到非连续相的固体食品物料或连续相的液体食品,与电极不接触或不同接触,在原料运输与预处理过程中也可施加脉冲电场处理,从而对实现工业化的大规模处理十分有利[19]。PEF处理可以改变食品生物大分子与内分子间的非共价作用,进而影响食品生物大分子的结构,诱导其功能特性发生改变,使食品的品质特性得以改善。以PEF处理食品蛋白质,对蛋白质进行物理改性研究,其处理过程零污染,操作方便。PEF改变食品蛋白质理化性质处理操作时间短、能耗低而且加工过程中食品组分变化小,因此探索利用PEF技术来影响对食品中蛋白质等生物大分子结构与功能特性具有十分重要的意义。

当前影响PEF在食品蛋白质改性中应用的主要瓶颈在于PEF对食品组分结构和功能的作用及对食品质量与安全的影响等基础理论还需进一步完善,同时,PEF设备的处理量、PEF处理引起的物料温度升高、食品物料受PEF作用的不均匀性及设备投入等这些制约着PEF在食品工业中进一步应用。因此掌握PEF对食品中主要组分的作用机理及其对食品品质和安全的影响,找到PEF作用下食品组分的稳定方法是解决这些瓶颈问题的基本途径。除此之外,尽管在生产线中引入PEF单元较容易,但是,食品组分由于不同介电性质,PEF会对这种不均一的产品性状产生不同的效果,因此,相对于简单的悬浮系统,PEF应用于较复杂的真实食品体系中具有一定的挑战性。随着PEF在食品加工中的应用越来越广泛,展现出来的局限性和瓶颈也越来越明显。通过丰富的基础理论探索促进PEF技术的工业化进程,是该技术发展应用亟待解决的问题。