第五章蛋白质2

5.5蛋白质的功能性质v 概念：是指食品体系在加工、储蓄、制备和消费过程中蛋白质对食品产生需要特征 作出贡献 的那些物理、化学性质v 食品蛋白质的功能性质分为四个方面： 水化性质：取决于蛋白质与水的相互作用，包括水吸收和保留、湿润性、溶胀性、粘着性、分散性、溶解度和粘度等。通常与蛋白质的大小、形状和柔顺性有关 表面性质：与蛋白质的表面张力、乳化作用、起泡特性、成膜性以及风味结合等有关的性质 结构性质：与蛋白质的相互作用有关的性质，如产生弹性、沉淀、胶凝作用及形成其它结构（面团形成、纤维化等）的性质 感官性质：颜色、气味、适口性、咀嚼感、爽滑度、浑浊度等第 5章 蛋白质食品体系中蛋白质的功能性质第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质v 食品的感官品质是由各种原料复杂的相互作用产生的。例如蛋糕的风味、质地、颜色和形态等性质，是由原料的热胶凝性，起泡、吸水作用、乳化作用、黏弹性和褐变等多种功能性组合的结果。 一种蛋白质作为蛋糕或其他类似产品的配料使用时，必须具有多种功能特性的要求，如下表第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质v 动物蛋白，例如乳 (酪蛋白 )、蛋和肉蛋白等，是几种蛋白质的混合物，它们有着较宽范围的物理和化学性质，及多种功能特性；又如蛋清具有持水性、胶凝性、黏合性、乳化性、起泡性和热凝结等作用，这些功能来自复杂的蛋白质组成及它们之间的相互作用v 植物蛋白和乳清蛋白等其他蛋白质，它们也是由多种类型的蛋白质组成，但是它们的功能特性不如动物蛋白第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质v 概念： 是指蛋白质能自发地适移至汽 -水界面或油 -水界面的性质。在界面上形成高黏弹性薄膜，其界面体系比由低分子量的表面活性剂形成的界面更稳定。 (主要介绍乳化性和起泡性 )v 影响蛋白质界面性质的因素l 内因有：氨基酸的组成、结构、立体构象、分子中极性和非极性残基的分布与比例、二硫键的数目与交联，以及分子的大小、形状和柔顺性l 外因有： pH、温度、离子强度和盐的种类、界面的组成、蛋白质浓度、糖类和低分子量表面活性剂、能量的输入，甚至形成界面加工的容器和顺序等第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质v 蛋白质作为理想的表面活性剂必须具有 3个属性： 快速吸附到界面的能力 在达到界面后迅速伸展和取向 一旦达到界面，即与邻近分子相互作用形成具有强内聚力和黏弹性的膜，能耐受热和机械的作用由此可见，蛋白质分子疏水和亲水小区的分布模式及蛋白质的形状对蛋白质的界面性质有重要的影响 ， 如下图第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质l只有当蛋白质表面的疏水数目达到足以提供疏水 -界面相互作用需要的能量，才能使蛋白质在界面牢固地吸附，并形成隔离的疏水小区。只有这样方可促进蛋白质吸附，形成稳定的泡沫或乳状液l 由于 Pr具有较大的体积和特定的结构 ,在界面上吸附时 ,疏水残基和亲水残基具有固定的分布模式 ,因而 Pr在界面吸附必须有一定的取向 ,才有利于泡沫和乳状液的形成和稳定。通常 Pr分子的大部分仍然保留在体相中,仅有一小部分固定在界面 ,如果 Pr分子的构象有一定的柔顺性 ,则有利于 Pr在界面的吸附和取向 ,如酪蛋白分子具有高度的柔顺性 ,一旦在界面吸附时 ,可迅速发生构象转变 ,以适合界面性质的需要。因此 ,有较多的肽段结合到界面。相反 ,刚性球状 Pr(如溶菌酶和大豆蛋白 )在界面上不能广泛地发生转变p 在界面上柔顺性多肽链具有三种典型的构型 (图 5-9):列车形、环形和尾形。具有柔顺性的蛋白质可能以一种或多种构型同时在界面上存在。一般列车形是多肽链段直接与界面接触形成的 ;多肽链段悬浮在水相时呈环形 ;肽链的 N一端和 C-端位于水相时呈为尾形。其中列车形在界面上出现的概率较多 ,且与界面强烈结合 ,并呈现出较低的表面张力l 蛋白质在界面的稳定性决定了它在界面所形成膜的机械强度 ,而膜的强度又与分子间的相互作用、静电吸引、氢链和疏水相互作用有关。二硫键的形成可以增加蛋白质膜的黏弹性。当界面膜中蛋白质的浓度达到约20% 25%(质量 /体积 )时 ,蛋白质则以凝胶状态存在。各种非共价键相互作用达到所需平衡时 ,才能使凝胶状膜稳定和具黏弹性。倘若疏水相互作用太强 ,则蛋白质会在表面絮凝、聚结甚至沉淀。当静电排斥力大大超过吸引力时 ,不易形成厚的内聚膜第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质1.乳化性v 乳化的概念：是将一种 液体 分散 到另一种不相溶的 液 体中去的 过程 。或是指一种液体在另一种液体中紧密分散形成乳状液的现象，它是两种液体的混合而并非相互溶解v 评价乳化特性的方法有油滴大小和分布、乳化活力、乳化能力和乳化稳定性第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质 乳化活力：主要是指乳状液的总界面面积。常用 乳化活力指数 (EAI)来表示 (表 5-8)，即单位质量的蛋白质所产生的界面面积，可根据乳状液的浊度 (透光率 T)与界面面积的关系，测得透光率后，再计算 EAIv T=2.303A/L(式中 A为吸光度； L为光程 )v 根据光散射的 Mie理论，乳状液的界面面积是它浊度的 2倍。假设 是分散相 (油 )的体积分数， 是每单位体积水相中蛋白质的量，那么可以根据下列式计算蛋白质的 EAIv EAI=2T/(1- ) 式中 (1- ) 代表在单位体积乳状液中总的蛋白质量 第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质 1.乳化性 乳化容量或乳化能力 (EC)：是指乳状液发生相转变之前，每克蛋白质能够乳化油的体积 (mL)。在一定温度下，蛋白质水溶液 (或盐溶液 )或分散液在搅拌下以恒定速率不断加入油或熔化脂肪，当黏度陡然降低或颜色变化 (特别是含油溶性染料 )或者电阻增大时，即可察觉出相转变 乳状液稳定性 (ES)：通常以乳化后，其乳状液在一定温度下放置一定时间前后的体积变化值表示，即：ES=最终乳浊液体积 100/ 最初乳浊液体积ES也可根据乳化后的乳状液在一定时间前后的浊度变化值表示， ES=T2/T1(T1为放置前 A500nm， T2为放置 1h后 A500nm)第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质 1.乳化性(4)关于评价蛋白质的乳化性质，目前尚无标准的统一方法，只能是相对比较。许多因素对乳状液的特性和乳化结果都将产生影响，影响蛋白质乳化作用的因素有：v 蛋白质的溶解度 （正比关系）v pH=pI，溶解度减少时，降低其乳化作用 （多数蛋白质）v pH=pI，溶解度增加，增加其乳化作用。如血清清蛋白、明胶、蛋清蛋白在 pH=pI，具有较高的溶解度v 与蛋白质表面疏水性存在正相关v 适当热诱导蛋白质变性，可增强其乳化作用第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质 1.乳化性2.起泡性 蛋白质的起泡性质： 是指蛋白质在汽 -液界面形成坚韧的薄膜使大量气泡并入和稳定的能力v 食品泡沫： 通常是气泡在连续的液相或可溶性表面活性剂的半固相中形成的分散体系。 气泡的直径从 1m 到几个 cm不等。典型的食品例子就是冰淇淋、啤酒等v 泡沫的构成： 气体 、液体 (含蛋白质的水溶液或悬浊液 )、表面活性剂 (能使 气 /液界面张力 )v 对食品泡沫要求： 含有大量的气体； 在气相和连续相之间要有较大的表面积； 溶质的浓度在表面较高； 要有能膨胀、具有刚性或半刚性和弹性的膜； 有可反射的光，看起来不透明。泡沫食品的柔软性依气泡体积及薄层的厚度及流变学性质而定v 产生的泡沫方法： 将气体通过一个多孔分配器鼓入低浓度蛋白质溶液中产生泡沫 在有大量气体存在的条件下，通过打擦或振荡蛋白质溶液而产生泡沫 将高压气体通入蛋白质溶液，突然减压，气体膨胀形成泡沫 第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质2.起泡性 泡沫性质评价图 5-12 形成泡沫的图解A-液体体积； B-掺入的气体体积； C-分散体的总体积；D-泡沫中的流体体积(=E-B)； E-泡沫体积第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质 稳定泡沫体积 = 100E( 泡沫体积 )/A (液体体积 ) 膨胀量 (率 )=100B( 掺入的气体体积 )/A=100(C( 分散体的总体积 )-A)/A 起泡能力 =100B/D( 泡沫中的流体体积 ) 泡沫相体积 =100B/E2.起泡性 不同溶液蛋白质的起泡能力第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质2.起泡性 影响泡沫形成和稳定性的环境因素v 蛋白质的浓度： 2一 8，随着浓度增加起泡性增加。超过 10，气泡变小，泡沫变硬v 温度 ：泡沫产生前适当的加热处理可提高起泡性能。过度的热处理则会损害起泡能力v pH值： 大多数食品泡沫是在蛋白质非 pI的条件下制备的。例外 :卵清蛋白。在 pI时蛋白质的溶解度很低，形成泡沫数量较少（泡沫膨胀率较低），但泡沫的稳定性较高v 盐：盐析时则显示较好的起泡性质。盐溶时则显示较差的起泡性质。 NaCl：增加膨胀度和降低泡沫的稳定性； Ca2+:能同蛋白质的羧基形成盐桥而提高了泡沫的稳定性一、蛋白质的界面性质第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质2.起泡性 影响泡沫形成和稳定性的外界因素v 糖：损害蛋白质的起泡能力，却改进了泡沫的稳定性 v 脂：脂肪破坏蛋白质的起泡性质，泡沫稳定性下降v 机械处理：适当的搅拌（强度、时间）会使蛋白质伸展而产生吸附和形成泡沫，过度搅拌则会使蛋白质不能有效吸附在界面上而产生絮凝，大大降低膨胀度和泡沫的稳定性v 加热处理：加热会使气体膨胀、不利于泡沫的形成，粘度降低。但发泡前对蛋白质进行适当的热处理对其发泡是有利的，此时可使蛋白质分子伸展并有利于其在空气 -水界面上的吸附v 在某些食品加工中有时不需要产生泡沫，如浓缩、发酵等过程，可能因泡沫的产生造成产物损失或减慢加工速度，此时可加入消泡剂来消除泡沫第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质一、蛋白质的界面性质二、黏弹性v 小麦蛋白是众多食品蛋白质中唯一具有形成黏弹性面团特性的蛋白质v 当小麦面粉与水 (约 3： 1)于室温下混合、揉搓，形成强内聚性和黏弹性的面团，再通过发酵、焙烤便制成面包v 小麦面粉中蛋白质的种类l 可溶性蛋白：占总蛋白的 20%，包括清蛋白 (溶于水 )和球蛋白 (溶于 10%NaCl)，以及少量的糖蛋白，它们与面团的形成无关；l 不溶性蛋白即面筋蛋白：占总蛋白的 80%，主要包含麦醇溶蛋白 (溶于 70% 90%乙醇 )和麦谷蛋白 (不溶于水和乙醇，而溶于酸或碱 )。 小麦面粉发酵时面筋蛋白能够捕捉气体形成黏弹性面团。面筋蛋白中还含有淀粉粒、戊聚糖、极性和非极性脂类及可溶性蛋白质，所有这些成分有助于面团形成三维的黏弹性蛋白质网络和 (或 )面包质地的形成第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质v 面团形成的本质：面筋蛋白主要由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成，面团的特性与它们密切相关（ 1）在面包制作过程中麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的平衡非常重要。大分子的 麦谷蛋白 与面包的强度有关，它的含量过高会抑制发酵过程中残留 CO2的膨胀，抑制面团的鼓起； 麦醇溶蛋白 含量过高会导致过度的膨胀，产生的面筋膜易破裂和易渗透，面团塌陷（ 2）在面团中加入极性脂类、变性球蛋白有利于麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的相互作用，提高面筋的网络结构，而中性脂肪、球蛋白则不利面团结构（ 3）面筋蛋白的 AA组成： *在面筋蛋白中因 可离解氨基酸少 而不易溶于中性水中， *另外大量的 谷氨酰胺、羟基氨基酸 易形成 氢键 ，使面筋具有吸水能力和粘聚性质（粘聚性质还与疏水相互作用有关）， *含有 一 SH AA能形成双硫键，所以在面团中它们紧密连接在一起。当面粉被揉捏时分子伸展，二硫键形成，疏水作用增强，面筋蛋白转化形成了立体的具有粘弹性的蛋白质网络，载留了一些淀粉粒和其它成份加入还原剂破坏 S S ,则可破坏面团的内聚结构，但加入 KBrO3氧化剂则有利于面团的弹性和韧性第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质 二、黏弹性 三、胶凝作用v 胶凝作用的概念：变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构过程称为胶凝作用v 蛋白质的胶凝作用不仅可用来形成固态黏弹性凝胶，而且还能增稠，提高吸水性和颗粒黏结、乳状液或泡沫的稳定性。因此胶凝是蛋白质重要的功能性质，在许多食品的制备中起着主要的作用v 形成凝胶的条件（ 1）在多数情况下热处理是凝胶形成的必需条件，然后再冷却。有时加入少量的酸或 Ca2+盐可提高胶凝速度和胶凝强度（ 2）有时不需要加热也可以形成凝胶，如有些蛋白质只需要加入 Ca2+盐，或适当的酶解，或加入碱使之碱化后再调 pH值至等电点，就可发生胶凝作用第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质三、胶凝作用v 蛋白质还能通过和多糖胶凝作用形成，带正电荷的明胶和带负电荷的褐藻酸盐或果胶酸盐之间通过特异离子相互作用可形成高熔点 (80) 凝胶v 许多胶凝以高度膨胀 (稀疏 )和水合结构的形式存在，通常每克蛋白质能保持 10克以上的水，而且其他食品成分可被蛋白质的网络所截留。有些蛋白质凝胶含水量甚至高达 98%，虽然这种水大部分和稀盐溶液中水的性质相似，但这些水是以物理的方式被截留，因而不易挤出v 蛋白质的胶凝与蛋白质的缔合、聚集或聚合、沉淀、絮凝和凝结等有区别： l Pr的 缔合 是指在亚基或分子水平上发生的变化l Pr的 聚合或聚集 是指由于溶解度部分或全部丧失而引起的一切聚集反应l Pr的 絮凝 是指没有蛋白质变性时的无序聚集反应l Pr的 凝结 是变性蛋白质的无序聚集反应第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质四、水化性质v 溶液中每个蛋白质的构象主要决定于它与水的相互作用。大多数固态食品中的蛋白质也存在着与水的相互作用，此类食品为水化的固态体系v 此外，干的浓缩蛋白质或分散物在应用时必须先水化。因此，食品蛋白质的水化和复水性在实践中是很有用的v 干蛋白质与水相互作用的顺序 (逐步水化过程 )：干蛋白质 水分子通过与极性部位结合而被吸附 多层水吸附 液态水吸附 肿胀 溶剂分散 溶液肿胀的不溶性粒子或块状物第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质四、水化性质v影响水化作用的 (环境 )因素 蛋白质的浓度：水的总吸收量随蛋白质浓度的增加而加大，但每个蛋白质的水化程度则可能下降 pH值的变化：在等电点时，蛋白质与蛋白质达到最大的相互作用，而缔合和收缩的蛋白质表现出最弱的水化作用和膨胀力 温度的影响： A蛋白质结合水的能力随 T 而 。原因是降低了氢键的键合力和造成了蛋白质的变性和聚集 B将结构十分致密的蛋白质加热处理时，能提高其结合水的能力 离子的种类和浓度对蛋白质的吸水力、膨胀性和溶解度有很大的影响，水、盐和氨基酸侧链之间常会发生竞争性结合。低盐浓度时蛋白质的水化能力增强；高盐浓度时，水 -盐间的相互作用会超过水 -蛋白质之间的相互作用，此时可能引起蛋白质的脱水第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质五、溶解性v 蛋白质平衡溶解度的达到是缓慢的，而且溶解度随最终的 pH值、离子强度、温度及蛋白质浓度的变化而变化。 大多数蛋白质在加热时溶解度明显地不可逆降低v 溶解度数据对天然来源蛋白质的提取、纯化和分离条件的确定至关重要，为蛋白质的可应用性提供了一个很好的指标 不溶解程度可能是评价蛋白质变性和凝集作用最实际的量度 具有较大起始溶解度的蛋白质能快速而且大量地分散，从而得到很好的胶体体系，而且具有均匀的宏观结构和润滑的质地 起始溶解度有利于蛋白质向气 /水和油 /水界面扩散，提高其表面活性第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质六、 黏度v 一种液体的黏度反映出它对流动的阻力，可以用 黏度系数 表示， 的定义是剪切力与剪切速度 (或流动速度 )之比。 影响蛋白质流体黏度性质的主要因素 是分散的蛋白分子或颗粒的表观直径，表观直径又与以下的参数而有关： 蛋白质分子的固有特性 (摩尔浓度、分子大小、分子体积、分子结构和电荷等 )； 蛋白质和溶剂间的相互作用； 蛋白质分子之间的相互作用v 当流体分散体系如匀浆、乳浊液、糊状物或凝胶 (包括蛋白质 )的流速增加时，它们的黏度系数降低，这种现象称为剪切稀释，它可以用下述现象来解释： 分子朝着流动方向逐渐取向，使得摩擦阻力降低； 蛋白质的水合体朝向流动方向的一侧，形状向阻力变小的方向变化； 氢键和其它弱键的断裂会使蛋白质聚集体和网络解离。v Pr的粘度、稠度是流体食品如饮料、肉汤、汤汁等的主要功能性质，蛋白质分散体系流动性质方面的知识在确定最佳操作条件时具有实际意义，例如在蛋白质食品的输送、混合、加热、冷却和喷雾干燥中，蛋白质分散系的流动性都影响到质和热的传递第 5章 蛋白质 5.5蛋白质的功能性质5.6食品蛋白质原料特性及新型蛋白质开发主要包括 肌浆蛋白质：含有大量糖解酶，还含有肌红蛋白和血红蛋白 (影响肉的颜色 )、细胞色素和黄蛋白。前三种参与活体肌肉中氧的运输 肌纤维蛋白质：占动物骨骼肌中蛋白质的一半，它们在生理条件下，即在活体肌肉中是不溶解的，它们高度带电和结合着水 基质蛋白质：形成了肌肉结缔组织的骨架，包括胶原蛋白、网硬蛋白和弹性蛋白。与肌浆蛋白和纤维蛋白相比，基质蛋白质都较难溶解第 5章 蛋白质一、肌肉蛋白二、酪蛋白在牛乳中含有多种蛋白质，各有着不同的性质v 酪蛋白约占脱脂牛乳的蛋白质中 80%v 酪蛋白是一类磷蛋白，在 pH4.6和 20 条件下从脱脂牛乳中沉淀出来v 酪蛋白属于疏水性最强的那类蛋白质，在牛乳聚集成胶团形式v 酪蛋白的胶团由亚胶团集合而成；亚胶团由各种不同的酪蛋白依靠疏水相互作用聚集而成第 5章 蛋白质 5.6食品蛋白质原料特性及新型蛋白质开发三、乳清蛋白v 乳清蛋白中的主要成分按含量递减依次为 - 乳清蛋白、 - 乳清蛋白和血清蛋白v 在天然或未变性状态时，这些蛋白质在 pH4.6保持可溶状态v 乳清蛋白在宽广的 pH、温度和离子范围内具有良好的溶解度，甚至在等电点附近