超声波物化效应及其对蛋白质改性的应用研究进展

荆 卉，孙 俊，牟瑶瑶，陈中伟，徐 斌

蛋白质、脂肪和糖类共同构成人体必需的三大能量物质，其中，蛋白质是构成一切生命体的物质基础，对于维持生命体的正常活动必不可少[1]。蛋白质在生物体内发挥着重要的作用，其特有的一些功能特性，如：起泡性、乳化性、凝胶性等在实际生产中也有着广泛应用。天然来源的蛋白质或经某种方法提取的蛋白质的某些功能特性不能满足实际加工的要求，需对其进行改性。蛋白质的改性方法主要包括：物理改性、化学改性、酶法改性。其中，化学改性是通过加入化学试剂使蛋白质的部分肽键断裂或引入其它功能基团进行修饰，虽然化学改性的效果较好，但反应过程较为复杂，且加入化学试剂往往会引发产品的食用安全性问题[2]。酶法改性是利用不同类型的酶使蛋白质适度、精准水解，虽然酶法改性反应条件温和、副反应较少，但是酶法反应条件苛刻，且因生物酶价格较高而使酶法改性的经济成本较高[3]。与化学改性和酶法改性相比，超声波作为一种绿色环保、经济的新兴改性技术正受到越来越广泛的应用[4]。

超声波是指振动频率超出一般人耳所能接收的频率上限的弹性波，其频率范围通常在16 kHz～10 MHz 之间[5-6]。根据其强度的不同，超声波可分为高强度超声波（10～1 000 W/cm2，5～10 MHz）和低强度超声波（<1 W/cm2，20～100 kHz）。低强度超声波能量低，常用于食品质量评估的无损分析，如：硬度、成熟度、含糖量、酸度以及流变学性质等[7-8]；高强度的超声波能量较高，足以改变食品物料的理化特性，常用于蛋白质等大分子改性领域[9]。恰当的低强度超声波或高强度超声波处理能起到提高食品的保质期，缩短加工时间，节约能源的目的。不同类型的蛋白质经不同超声波条件处理后会产生不同的改性效果，本文综述了超声波改性的理论基础及其对蛋白质改性的应用研究进展。

1 超声波的物理化学效应

1.1 超声波的空化效应

超声波作用于液体体系时，发挥主要作用的是其空化效应。超声波的空化效应指的是液体中的微小气泡（汽泡或空穴）在超声波稀疏相和压缩相产生的声波作用下，体积在生长和收缩之间发生多次周期性振荡，直至空化泡崩溃的动力学过程[9]（如图1所示）。超声空化分为两种类型：稳态空化和瞬态空化。声强小于10 W/cm2时产生的空化作用为稳态空化，而瞬态空化产生的声强一般大于10 W/cm2。稳态空化产生的空化泡的大小在平衡尺寸左右振荡，因而能够产生数个循环周期。当空化泡不断扩大时，在某一节点，空化泡的共振频率与声波频率相等，此时声场与气泡之间会发生最大能量耦合，空化效果会十分明显；后者产生的空化泡存留周期比前者短暂很多，空化泡基本在声波负压相半周期内会极速膨胀，而后在正压相半周期转为快速收缩进而发生内爆，这一过程一般在1 个声波周期内就可以完成[10-14]。

图1 驻波模式对空化泡的影响[9]Fig.1 Effects of a standing wave pattern on cavitation bubbles[9]

超声的空化效应能够产生高温和高压，作用于物料时会诱发产生自由基[15]，同时也能够产生强烈的剪切力、高速射流和冲击波[16]，改变物料内环境的理化特性和反应发生的条件[17-19]，对超声波的空化效应加以利用往往能够简化工艺、提高效率。例如：利用高强度超声波的空化作用能够产生自由基使蛋白质分子表面的电荷重新分布，从而形成稳定和功能良好的涂层微泡的特点，来生产蛋白质载药微泡，如溶菌酶微泡[20]；而利用空化过程中产生振荡并能在短时间内释放大量能量的特点，超声波技术也常作为处理植物分离蛋白的手段，如选择不同功率、时间的超声探头处理大豆分离蛋白[21]，能够获得具有不同功能特性的蛋白组分，达到了提高产品附加值的目的。

1.2 超声波的机械效应和热效应

空化效应会直接或间接地引起机械效应和热效应[22]。其中，机械效应指的是超声波在物料中传播时产生的效应。空化泡爆炸时会产生速度约110 m/s 的微射流，微射流在相界面之间形成强烈的机械搅拌效应，这种效应突破了层流边界层之间的限制，既可以通过强化食品加工中界面间的传递过程来提高反应效率，也可引发机体内的若干反应。而超声波的热效应指的是当超声波在某种介质内传播时，传播介质会不断吸收其能量而使得自身温度升高，由于超声作用所引起的温升有限，所以往往能够起到加快反应速率、改善局部营养分布、增强酶活力的效果。

超声波的机械效应和热效应均与食品加工的效率提高有关，食品加工中常常利用超声产生的机械剪切力和温升来改善蛋白物料的性能，同时也能够起到缩短生产周期、节约生产成本的目的。例如：利用超声波处理果胶酶酶解果胶的过程，超声波产生的机械效应能够使酶与底物暴露出更多的结合位点，而其产生的热效应则能够降低反应的活化能，加快反应速率，从而为制备改性果胶提供了新途径[23]；利用超声波处理胰蛋白酶与米渣蛋白的混合液，当超声处理时间为10 min 时，酶解率提高，但当时间继续延长时，酶解率反而下降，这很可能是由于超声波的热效应使反应体系温度过高导致胰蛋白酶结构变化进而酶活降低[24]；利用超声波对玉米醇溶蛋白进行预处理，使其暴露出更多的活性位点，然后再与单糖和多糖反应，以制备性能改善的糖基化玉米醇溶蛋白[25]。

1.3 超声波的化学效应

超声波的化学效应主要是指高温的空化泡导致的内部分子的热分解、气泡爆破的冲击力引起的化学键断裂、水分子裂解产生的自由基等，其中自由基化学是超声化学的核心内容[26]。自由基作为强氧化剂，将会启动诸多化学反应的进行，因此超声波常作为蛋白质和其它物质反应的预处理方式。

关于超声波化学效应作用机理的研究尚未形成完整的体系，通常，人们利用电学理论、热点理论、超临界理论和等离子体理论来解释超声波化学效应[27-28]，但这些理论有着共同的理论基础：超声波的化学效应源于空化效应，空化效应会产生局部高温、高压，这为化学反应提供了新的反应路径，最终强化化学反应过程[17，29-31]。

2 超声波对生物酶的激活与失活作用

酶解是食品工业中一类重要的生物化学反应[32-34]，由于超声频率、功率、时间等试验参数均会影响酶的活性，且不同模式的超声处理所携带的能量强度也存在差异，所以超声波对酶的作用机理较为复杂。通过研究超声波对酶催化反应的影响，有利于把控化学反应进程，使其朝着对生产有利的方向进行，因此，近年来，超声波对酶催化反应的影响已经引起了广泛关注。

2.1 超声波对生物酶的激活作用

大量的研究结果表明，超声波可以激活生物酶的活性。如：Tran 等[35]研究了超声波体系单独作用于α-淀粉酶而非淀粉与α-淀粉酶的混合物时，α-淀粉酶的酶活和动力学参数的影响因素。通过对超声波处理条件进行优化（20 kHz、25 W/mL、30 ℃、75 s），α-淀粉酶的活性提高了47%，这可能是由于超声波的机械效应使α-淀粉酶的构象改变，α-淀粉酶活性位点的可电离基团变化，进而增强酶活；同时，经超声波处理后，α-淀粉酶的动力学参数，如米氏常数（Km）、最大速度（Vmax）、周转率（Kcat）以及催化特异性常数（Kcat/Km）均提高，半衰期降低，而酶学特性（温度和pH 值）未有明显改变。白鸽等[36]同样发现超声处理不会改变固定化木瓜蛋白酶的酶学特性（温度和pH 值），且能够在一定程度上改善木瓜蛋白酶经固定化后活力下降的缺点；此外，超声处理条件影响酶活的机制可能有影响空化效应的空化泡大小和崩塌时间、影响木瓜蛋白酶和底物的有效接触面积、改变木瓜蛋白酶的空间结构。Wang 等[37]关于双频超声波辅助碱性蛋白酶酶解油菜籽蛋白的酶解效率提高的研究结果表明，酶解效率的提高也与酶和底物的接触面积有关：超声波的空化效应使碱性蛋白酶表面出现大量的裂缝和褶皱，增加了固定化碱性蛋白酶的表面积，并且超声处理后油菜籽蛋白分子伸展，使得碱性蛋白酶与油菜籽蛋白的接触面积大大增加；此外，还可能与超声处理使碱性蛋白酶的固溶度提高、水解性能改善有关。Cho 等[38]研究发现经低强度超声波（100 W、37 ℃）处理能提高厌氧消化过程中甲烷的产量，这是由于低强度超声波能够激活厌氧消化过程中水解酶（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶）的活性，原因可能是超声波除了能够影响酶与底物的接触面积外，其声流作用也能够减弱掩蔽效应、底物抑制和空间约束，进而使得水解酶与底物之间的相互作用增强、传质过程加快。

2.2 超声波对生物酶的失活作用

综上研究表明，超声波会提高某些生物酶的活性，但在很多研究中也出现了相反的结果。如：Liu 等[39]利用超声波对酿酒酵母中的潜在病原菌进行灭活处理，以ATP 酶为评价标准时，得出超声功率越大，处理时间越早时ATP 酶的灭活效果越好，其原因可能是超声处理干扰了离子在细胞内外的转运过程，改变了ATP 酶的活性结构，进而导致酶活降低。李冰等[40]关于超声波对过氧化氢酶活性的影响机理的研究却发现过氧化氢酶的活性虽随着功率的增大而降低，但处理时间对过氧化氢酶的活性影响不大，这可能是由于过氧化氢酶经超声处理后分子由有序变为无序，进而影响了反应进行的方向。此外，王文宗[41]研究了超声-低热联合技术对胡萝卜汁的杀菌效果以及超声波对主要酶的影响机理。研究结果表明，超声波主要通过影响酶的空间构象或酶中某些氨基酸的含量来改变酶的活性：对于过氧化氢酶，超声波主要通过改变过氧化氢酶的二级结构来降低酶活（α-螺旋、β-折叠结构的含量均减少）；而对于多酚氧化酶，超声波则主要通过破坏其上的酪氨酸和色氨酸基团来降低酶活。周磊等[42]研究了超声波协同苹果酸处理对双孢蘑菇多酚氧化酶活性及失活动力学的影响，但超声波主要通过破坏蛋白质分子间的非共价作用力来降低双孢蘑菇多酚氧化酶的活性。

超声波处理对酶的作用是一个多因素复合作用的结果，因此，将超声波引入酶解反应过程时，选择合适的超声模式以及进行适宜的条件参数设置是调控反应进程的关键。

3 超声波对蛋白质的改性作用

与化学改性相比，常见的物理改性虽然具有安全性高、营养损失小的特点，但其改性效果往往不够明显，难以满足实际生产加工的需要，而超声波因波长短、频率高而具有束射性强、能量易聚集、方向性强等特点，因此，使用超声波改性技术，可以进一步优化改性效果。由于蛋白质种类繁多，而且超声波体系的引入又会产生多种声化效应，作用机理比较复杂。所以在超声波技术对蛋白质进行改性应用越来越广泛的同时，人们对于超声波对蛋白质的改性机理和作用规律的研究也在逐步深入。

3.1 超声波对蛋白质结构及其功能特性的影响

超声波作用过程中的物理化学效应会造成瞬时的高温、高压，其所携带的巨大能量能够破坏蛋白质分子的内键或者分子间的相互作用力，进而使蛋白质的结构发生变化。而蛋白质的结构决定了其所具有的功能，超声波引起的蛋白质结构变化必然也会影响到蛋白质的一系列功能特性，如：溶解性、起泡性、乳化性、凝胶性等。关于超声波对蛋白质的结构及其功能特性的影响已经有了大量的报道，现总结如下：

3.1.1 溶解性 蛋白质是一种两亲分子，其溶解度取决于蛋白质分子中亲水、疏水基团的分布。蛋白质分子中的疏水性氨基酸越高，溶解度越低，此外，如果蛋白质表面分布的氨基酸带电，也可以通过阻止蛋白质分子之间的聚集而防止蛋白质沉淀。超声波可以通过影响蛋白质结构使蛋白质的溶解度升高或降低。

包中宇[43]关于超声波对大豆分离蛋白的改性研究结果表明，当超声波作用条件为400 W、60 min 时，大豆分离蛋白的溶解度达到最大值，原因可能是超声波的机械效应和空化效应使蛋白分子团聚体分散，更易与水发生相互作用，此外，声化效应也促使大豆分离蛋白结构中的α-螺旋结构含量降低，无规则卷曲结构含量增加，蛋白分子刚性被破坏、柔性增加，均利于大豆分离蛋白的溶解。Nazari 等[44]发现小米浓缩蛋白经超声波处理后其溶解度也会升高，其原因可能是超声波的声化效应除了能改变小米浓缩蛋白的二级结构和分子质量之外，也增加了小米浓缩蛋白分子表面的负电荷，阻止了蛋白分子的聚集，进而使小米浓缩蛋白的溶解度增加。此外，Jambrak 等[45]利用低/高强度超声波处理乳清蛋白悬液，在频率20，40 kHz条件下处理15 min 时，蛋白质的溶解度达到最大，这可能是由于超声波的空化效应使蛋白质的三维结构改变，分子间静电作用增强；机械效应使更多的亲水性氨基酸暴露；热效应使体系的温度升高，这些作用均能够加强蛋白质与水的相互作用，从而提高其溶解度。任晓锋[46]同样发现经40 kHz 扫频超声预处理后，玉米醇溶蛋白的溶解度达到最大，原因可能是由于超声波产生的激流导致玉米醇溶蛋白颗粒疏松，此时超声波空化频率可能与体系的固有频率产生最大的能量耦合，使得分子间、分子与水的相互作用得到加强，进而增加其溶解度。

3.1.2 起泡性/泡沫稳定性 孙冰玉等[47]利用超声波处理大豆浓缩蛋白，处理后大豆浓缩蛋白的起泡能力、起泡稳定性可分别提高26.0%和13.7%，原因可能是超声波机械效应产生的剪切力使肽段伸展，可溶性蛋白含量增加，能够同时改善起泡性和泡沫稳定性。Stefanovi 等[48]同样发现蛋清蛋白经高强度超声波处理后起泡性、泡沫稳定性均显著增加，其原因可能是超声波的声化效应使蛋清蛋白变性和展开，蛋清蛋白二级结构发生变化，平均粒径减小且表面电荷发生重排。Xiong 等[49]却发现高强度超声波作用于卵白蛋白时，卵白蛋白的起泡性提高、泡沫稳定性无显著变化，这可能是多因素作用的结果：一方面，超声波处理使卵白蛋白三级结构发生变化，卵白蛋白表面疏水性增加、静电荷减小，这些变化对发泡能力有利；另一方面，超声波的空化效应和机械效应会使卵白蛋白分子分散并重新聚集成更大的分子造成卵白蛋白粒径增大，进而导致其吸附率降低，而这种变化对发泡能力不利。

3.1.3 乳化活性/乳化稳定性 孙英杰[50]利用超声波处理大豆分离蛋白，400 W 处理时大豆分离蛋白的乳化活性基本上达到峰值而乳化稳定性有所降低，这可能是由于超声波的机械效应使大豆分离蛋白结构变得松散，易于吸附至油水界面并在界面展开，进而导致大豆分离蛋白乳化活性增加，而随后大豆分离蛋白分子发生聚集导致乳化稳定性下降。Arzeni 等[51]却发现高强度超声波使蛋清蛋白团聚体生成速率加快、乳化稳定性提高，原因可能是由于超声波的空化效应导致蛋清蛋白分子中疏水基团暴露从而对乳化特性产生较大影响。O'Sullivan 等[52]也发现了类似结论：乳蛋白经超声波处理后乳化稳定性增强，这可能是由于超声波空化效应和机械效应产生的湍流和剪切作用破坏了乳蛋白胶束的结构，乳蛋白表面疏水性增加、表面张力降低，且胶束破裂后会重新组织成更小的亚胶束，进而使乳化稳定性增加。此外，Nazari 等[44]发现小米浓缩蛋白经超声波处理后乳化活性、乳化稳定性均增强，其原因可能是由于超声波产生的湍流使得小米浓缩蛋白分子结构遭到破坏，分子质量减小，蛋白质易于吸附至油水界面，小米浓缩蛋白表面疏水性增加，进而提高其乳化活性、乳化稳定性。Xiong 等[49]同样发现利用高强度超声波处理卵白蛋白时，卵白蛋白的乳化活性提高，而乳化稳定性无显著变化，这也是多因素综合作用的结果，且影响趋势与发泡能力一致。

3.1.4 凝胶性 Shen 等[53]关于高强度超声波对乳清蛋白凝胶特性的研究表明，高强度超声处理能够使乳清蛋白表面游离巯基含量增加，这可能是由于超声波产生的湍流和剪切力使得乳蛋白分子内部的巯基基团暴露出来，体系能够形成更多的二硫键，有利于形成均匀致密的凝胶网络，进而增强了乳清蛋白的凝胶强度。Arzeni 等[54]同样发现乳清浓缩蛋白、蛋清蛋白经超声波处理后，凝胶速率加快、强度增加，其中速率加快可能是由于蛋白质表面疏水性显著提高造成更强作用的团聚，同时，超声波的热效应也有利于蛋白分子的自缔合；而凝胶强度的增加则可能是由于分子间形成了更多的二硫键。此外，常海霞[55]发现适当的超声波处理能够提高草鱼肌原纤维蛋白的凝胶强度，其原因可能也是超声波的空化效应和机械效应导致肌原纤维蛋白的疏水性增加、粒径减小，利于形成致密的凝胶网络，但当超声功率持续增加时，凝胶强度趋于稳定，这可能是由于超声波的热效应使体系温度过高导致肌原纤维蛋白变性，不溶性蛋白含量增加，进而对凝胶强度产生不利影响。

此外，很多蛋白质是高活性酪蛋白血管紧张素转化酶（ACE）抑制肽的重要来源，这些蛋白质可用于开发保健食品，能够为高血压的治疗提供新途径。常规提纯后的蛋白质对ACE 的抑制率有限，因此很多研究人员对超声波引入蛋白质体系后蛋白质的ACE 抑制率进行了一系列研究，见表1所示。

表1 超声波改性对蛋白质ACE 抑制活性的影响Table 1 Effects of ultrasonic pretreatment on the ACE inhibitory activity of protein

超声波提高蛋白质酶解产物的ACE 抑制活性的机理主要包括两个方面：一是超声波空化效应产生的局部高温、高压以及机械效应产生的强剪切力使蛋白分子变得疏松，同时，也能破坏蛋白分子之间的交联，使蛋白分子破碎为更小的颗粒，这些作用均能增大酶与蛋白质分子的接触面积，从而产生更多抑制ACE 活性的肽片段；二是与抗高血压活性密切相关的疏水性氨基酸含量的增加，超声波的声化效应使蛋白分子展开，有利于疏水性氨基酸暴露进而提高其ACE 抑制活性。

3.2 超声波辅助化学法对蛋白质的改性

美拉德反应是一种在食品中普遍存在的非酶褐变现象，蛋白质的化学改性方法中美拉德反应的效果也比较理想[60]，但此反应的速度比较慢，因此常通过引入超声波体系来缩短反应时间，已有研究表明：与干法或湿法相比，引入超声波体系均有一定优势，超声波协同美拉德对蛋白质的影响见表2所示。

表2 超声波协同美拉德对蛋白质的影响Table 2 Effect of ultrasonic coupled with Maillard reaction on properties of protein

超声波能够促进美拉德反应是因为其物理化学效应会产生短暂而非持续的高温高压，这能够为接枝反应提供能量，而且，合适的超声处理条件也能够使蛋白质暴露出更多参与接枝反应的游离氨基，因此，将超声波引入美拉德反应体系有望获得较好的美拉德反应风味类型，而且也有利于对反应进程进行调控。

3.3 超声波协同其它物理场对蛋白质的改性

超声波的作用效果可能无法满足生产加工中对某种蛋白质功能特性的具体要求，因此部分研究人员研究了超声波与其它物理场协同处理对蛋白质的影响，以超声-微波的协同处理为例：张燕鹏等[65]利用超声-微波协同处理优化菜籽蛋白的糖基化反应，通过对糖基化产物的性能进行测定优化了处理条件，接枝度可达67.1%，并测得蛋白质溶解度、乳化活性、起泡性、泡沫稳定性等均有提高，其原因可能是超声-微波协同处理后，菜籽蛋白分子结构变化，分子柔性增加，有利于糖基化反应朝着正反应方向进行。隋思瑶等[66]同样利用超声-微波协同处理以制备乳清蛋白/壳聚糖可食用膜，通过单因素实验（原料配比、山梨醇浓度、pH值和协同作用时间）优化了处理条件，并制备出膜透气率低且物理性质较好的可食用膜，这可能是由于超声波携带的能量能够使较大的乳清蛋白分子破碎、粒径减小，而微波处理则会使乳清蛋白分子内部热运动方向改变，分子重新排列成致密的网络结构。此外，超声波与微波协同处理也可用于提高蛋白质的提取率，Hu 等[67]利用超声-微波萃取装置提取大米蛋白肽大大缩短了提取时间，提取率高达72.2%，含硒量也达到6.88 μg/mL，为解决硒源不足问题提供了一条很好的路径。

随着超声波应用范围的扩展，常见的固定频率的超声装置已经不能满足加工要求，因为对于蛋白质这样一个复杂体系而言，固定频率的超声波难以产生与体系相匹配的共振频率，不能充分发挥超声波的作用，因此，有必要开发不同作用形式的超声波技术，以满足生产中具体的加工要求和市场需求。

4 总结与展望

作为一种节能环保的绿色新兴改性技术，超声波已被证明能够用于提高食品的功能特性和生物活性，且不同工作模式、工作条件的超声波处理对蛋白质品质的影响程度也存在差异，因此，超声波在蛋白质领域应用越来越广泛的同时也有了更多的作用方式。如在工作模式上，有聚能逆流单频、聚能逆流多频、脉冲扫描多频、发射三频、对振双频等；在频率选择上，有多种频率单独作用、同步作用和交替作用多种形式。此外，对于一些辅助设备，如：温控设备、功率设备都设置了不同条件下的可选择性，极大地方便了最佳处理条件的筛选。

超声波技术的广泛应用和超声波设备的不断更新，使得经超声波或超声波和其它改性方法协同处理得到的功能特性加强的蛋白质产品的应用范围不断扩大，如：超声波预处理能够提高大豆蛋白的凝胶强度，将其作为核黄素的包埋体系能够使核黄素的缓释性能良好[68]；利用超声波处理麦麸蛋白后再与可溶性淀粉发生美拉德反应，将反应产物添加到肉丸中，肉丸组织完整、黏弹性好，颜色为褐色并伴有麦麸香气，口感好且营养价值高，具有良好的感官品质和加工性能[69]。因此，超声波不仅可以作为一种提高食品质量的快速、高效和可靠的技术手段，它更具有开发新产品的巨大潜力，有助于研发出更多营养健康的功能型食品。