（农产品加工及贮藏工程专业论文）小麦面筋蛋白的琥珀酰化及磷酸化改性研究.pdf

小麦面筋蛋白的琥珀酰化及磷酸化改性研究 摘要 小麦面筋蛋白( w g p ) 是一种传统的食品添加剂和品质改良剂，因含疏水性 氨基酸较多而导致溶解度较低，限制了它的应用。对其进行一定的改性修饰来 提高它的溶解度和相应的功能特性是一项重要的应用基础研究工作。 本文运用三聚磷酸钠和琥珀酸酐对小麦面筋蛋白进行化学改性。通过单因 素和正交试验优化磷酸化、琥珀酸化以及复合化学改性小麦面筋蛋白的最佳工 艺条件，探讨了化学反应过程中小麦面筋蛋白体外消化性、赖氨酸有效性的变 化以及对面团粘弹性的影响。试验研究的主要结论如下： 1 以溶解度、乳化性、乳化稳定性、起泡性和起泡稳定性等功能特性为考 察指标，在单因素试验的基础上，通过l 。( 34 ) 正交试验，优化出琥珀酰化小 麦面筋蛋白的最佳工艺条件为：小麦面筋蛋白质量分数1 0 ，反应温度4 5 ， 琥珀酸酐小麦面筋蛋白1 5 ，p h 8 5 ；磷酸化小麦面筋蛋白的最佳工艺条件为： 小麦面筋蛋白质量分数5 ，反应温度2 5 ，三聚磷酸钠d , 麦面筋蛋白1 5 ， p h 9 0 ；两者复合改性的最佳工艺条件为：小麦面筋蛋白质量分数1 0 ，改性n 小麦面筋蛋白2 5 ，其中琥珀酸酐三聚磷酸钠为2 ：1 ，添加顺序为先加琥珀酸酐， 酰化反应温度4 5 ，p h 8 5 ，磷酸化反应温度2 5 ，p h 9 0 。改性后蛋白的功 能特性较未改性样有较大程度提高。 2 s d s p a g e 电泳分析表明化学改性后小麦面筋蛋白的谱带几乎没有发生 变化。说明小麦面筋蛋白在化学改性过程中没有发生水解，其功能特性的提高 的确是由琥珀酰化和磷酸化引起的。红外光谱在相应谱带区出现特征吸收峰， 说明对小麦面筋蛋白成功进行化学改性。 3 确定未改性小麦面筋蛋白和经琥珀酰化改性、磷酸化改性及复合改性的小 麦面筋蛋白的胃蛋白酶体外消化时间为1 2 h 。经体外酶法测定，最优条件下琥珀酰 化小麦面筋蛋白体外消化率较未改性小麦面筋蛋白降低1 6 7 ，磷酸化小麦面筋蛋 白降低2 1 2 ，复合改性小麦面筋蛋白体外消化率最低。琥珀酰化小麦面筋蛋白赖 氨酸有效性较未改性小麦面筋蛋白降低1 2 9 ，磷酸化降低2 8 2 ，复合改性赖氨 酸有效性介于琥珀酰化和磷酸化之间。 4 以面团的最大拉伸力、延伸性和粘合功为指标评价化学改性小麦面筋蛋白 的添加对面团粘弹性的影响。各样品添加对面团粘弹性均有不同程度提高，其中 尤以复合改性小麦面筋蛋白对面团粘弹性影响最大，琥珀酰化次之，未改性小麦 面筋蛋白提高率最低。 关键词：小麦面筋蛋白琥珀酰化磷酸化功能特性化学改性 s t u d yo ns u c c i n y l a t i o na n dp h o s p h o r y l a t i o n o fw h e a tg l u t e np r o t e i n a b s t r a c t w h e a tg l u t e np r o t e i n ( w g p ) i sak i n d o fw i d e l yu s e d f o o da d d i t i v e b u ti t s a p p l i c a t i o ni sl i m i t e db e c a u s eo fi t sl o ws o l u b i l i t y s u c c i n i ca n h y d r i d ea n ds t pw e r e u s e dt om o d i f yw g pi nt h i sp a l e i e r t h ei m u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r sw h i c hi n c l u d ew g pc o n c e n t r a t i o n a d d i t i v ed o s a g e a n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，p h ，r e a c t i o nt i m et ot h ee x t e n to fm o d i f i c a t i o na n d f u n c t i o n a l i t i e so fp r o d u c tw e r es t u d i e d o nt h eb a s i so fo n e f a c t o re x p e r i m e n t s ，w e s e l e c t e dw g pc o n c e n t r a t i o n ，a d d i t i v ed o s a g e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dp ha st h e v a r i a b l e s ，t h e e x t e n to fm o d i f i c a t i o n ，s o l u b i l i t y , e m u l s i f y i n g a c t i v i t y , e m u l s i f y i n g s t a b i l i t y , f o a m i n gc a p a c i t ya n df o a ms t a b i l i t ya si n d e x e s u s i n gl 9 ( 3 4 ) o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，t h ef o l l o w i n go p t i m u mp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sf o rp r e p a r a t i o ns u c c i n y l e d a n d p h o s p h o r y l e d w g pw e r e o b t a i n e d s u c c i n y l a t i o no fw g pw e r e ：w g p c o n c e n t r a t i o nw a sl o s u c c i n i ca n h y d r i d ed o s a g ew a s1 5 r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s 4 5 ，p hw a s8 5 ；p h o s p h o r y l a t i o no fw g pw e r e ：w ( 狰c o n c e n t r a t i o nw a s5 s t p d o s a g ew a s1 5 ，r e a c t i o nt e m p e m t u r ew a s2 5 。c ，p hw a s9 0 ；m u l t i p l em o d i f i c a t i o no f w g pw e r e ：w g pc o n c e n t r a t i o nw a s1 0 ，t o t a la d d i t i v ed o s a g ew a s2 5 s u c c i n i c a n h y d r i d e s t p2 ：1 ，s u c c i n i ca n h y d r i d ea d d e df i r s t t h ep r o p e r t i e so fm o d i f i e dw g p w e r em u c hi m p r o v e d s d s p a g ee l e c t r o p h o r e s i si n d i c a t e dt h a ts u c c i n y l a t i o na n d p h o s p h o r y l a t i o nd i di m p r o v ep r o p e r t i e so fw g p f t i rs p e c t r as h o w e dt h a tw g p w e r e s u c c e s s f u l l ym o d i f i e db ys u c c i n i ca n h y d r i d ea n ds tp - t h o u g hs u c c i n i ca n h y d r i d ea n d s t pw e r ei n d u c e dt o p r o t e i nm o l e c u l et oa l t e r i t ss t r u c t u r ea n dt oi m p r o v et h e i r f u n c t i o n a l i t i e s 1 1 1 ed i g e s t i b i l i t i e si nv i t r oa n dl y s i n ev a l i d i t i e so fs u c c i n y l a t e d 、p h o s p h o r y l a t e da n d m u l t i p l em o d i f i e dw g p w e r ea l s os t u d i e db yc h e m i c a lm e t h o d s t h eu l t i m a t ed i g e s t i n g t i m eo f w h e a tg l u t e np r o t e i nw a s1 6 h t h ed i g e s t i b i l i t i e si nv i t r oa n dl y s i n ev a l i d i t i e so f m o d i f i e dw h e a tg l u t e np r o t e i nw e r ed e c l i n e db e c a u s eo fh i g ht e m p e r a t u r e ，p h ，m a l l l a r d r e a c t i o na n d 拄a n s f o r n l a t i o no fa m i n oa c i d t h ed e c r e a s i n ge x t e mo fd i g e s t i b i l i t i e si n v i t r oo fp h o s p h o r y l a t e dw g pw a s1 e s st h a nt h a to fs u c c i n y l a t e dw g pb e c a u s eo fl o w e r r e a c t i o nt e m p e r a t u r e i na d d i t i o n c h e m i c a lm o d i f i c a t e dw g pc o u l da l s oi m p r o v et h es t i c k i n e s so fd o u g h m u l t i p l em o d i f i e dw o pi m p r o v e dt h es t i c k i n e s so f d o u g hm o s t k e yw o r d s ：w h e a tg l u t e np r o t e i n ( w g p ) s u c c i n y l a t i o np h o s p h o r y l a t i o n f u n c t i o n a l i t i e sc h e m i c a lm o d i f i c a t i o n i i 插图清单 图2 1 牛血清蛋白标准曲线 图2 2 小麦面筋蛋白质量分数对其溶解度和酰化程度的影响 图2 3 琥珀酸酐用量对w g p 溶解度和酰化程度的影响一 图2 - 4 温度对w g p 溶解度和酰化程度的影响 图2 5 时间对w g p 溶解度和酰化程度的影响 图2 - 6v i i 对w g p 溶解度和酰化程度的影响 图2 7 未改性w g p 红外光谱图 图2 8 琥珀酰化w g p 红外光谱图一 图3 1 小麦面筋蛋白质量分数对其溶解度和磷酸化程度的影响 图3 2s t p 用量对w g p 溶解度和磷酸化程度的影响一 图3 3 温度对w g p 溶解度和磷酸化程度的影响 图3 - 4 时间对w g p 溶解度和磷酸化程度的影响 图3 5p h 对w g p 溶解度和磷酸化程度的影响 图3 - 6 磷酸化w g p 红外光谱图 图4 1 小麦面筋蛋白化学改性前后电泳图谱 图4 2 复合改性w g p 红外光谱图 图5 1 消化时间对改性前后w g p 体外消化率的影响 图5 2 琥珀酰化程度对w g p 体外消化率和赖氨酸有效性的影响 图5 3 磷酸化程度对w g p 体外消化率和赖氨酸有效性的影响 图6 1 对照组面团粘弹性测定图 图6 2 添加2 未改性w g p 面团粘弹性测定图 图6 3 添加2 琥珀酰化w g p 面团粘弹性测定图 图6 - 4 添加2 磷酸化w g p 面团粘弹性测定图 图6 - 5 添加2 复合改性w g p 面团粘弹性测定图 v i i m m舶埘忽舶嬲”强舛”“甜犍档盼昭豇鲋“弘三要要兰兰薰 表格清单 表1 1 小麦面筋蛋白的化学成分1 表1 2 小麦面筋蛋白的氨基酸组成2 表1 3 改性小麦面筋蛋白的应用1 0 表2 1 未改性小麦面筋蛋白功能特性1 7 表2 2 小麦面筋蛋白质量分数对其功能特性的影响1 8 表2 3 琥珀酸酐用量对w g p 琥珀酰化产物功能特性的影响1 9 表2 - 4 温度对w g p 琥珀酰化产物功能特性的影响2 1 表2 5 时间对w g p 琥珀酰化产物功能特性的影响2 2 表2 - 6r , h 对w g p 琥珀酰化产物功能特性的影响2 3 表2 7 琥珀酰化作用正交试验因素水平表2 4 表2 - 8 琥珀酰化作用正交试验结果2 4 表2 9 正交试验极差分析表2 5 表2 1 0 正交试验方差分析表2 5 表2 1 1 验证试验结果2 5 表3 1 小麦面筋蛋白质量分数对其磷酸化产物功能特性的影响一3 2 表3 。2 三聚磷酸钠用量对w g p 磷酸化产物功能特性的影响3 3 表3 3 温度对w g p 磷酸化产物功能特性的影响3 4 表3 - 4 时间对w g p 磷酸化产物功能特性的影响3 5 表3 - 5p h 对w g - p 磷酸化产物功能特性的影响3 6 表3 6 磷酸化作用正交试验因素水平表3 6 表3 7 磷酸化作用正交试验结果3 7 表3 8 正交试验极差分析表3 7 表3 - 9 正交试验方差分析表3 8 表3 1 0 验证试验结果3 8 表4 1 琥珀酸酐和三聚磷酸钠的添加顺序对小麦面筋蛋白功能特性的影响4 2 表4 2 琥珀酸酐和三聚磷酸钠的配比对小麦面筋蛋白功能特性的影响4 2 表4 3 琥珀酸酐和三聚磷酸钠总用量对小麦面筋蛋白功能特性的影响4 3 表4 4 单一反应和复合反应结果比较4 3 表5 1 最优条件下改性的小麦面筋蛋白体外消化率和赖氨酸有效性变化5 0 表6 1 面团制作配方5 2 表6 2 小麦粉面团粘弹性测定结果5 2 v i 【i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒丝王些盔堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：库文教亭签字日期：九h 6 年f 月产日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆些盘堂有芙保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密厉适用本授权书) 学位论文作者签名：虐史虫芋 导师签名丞通 签字日期：如，年月牛日 签字日，年6 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话：2 夕，一7 邮编：乃，7 ) ， 致谢 本论文是在我的导师姜绍通教授的悉心指导下完成的。导师在我论文的选题、 试验的实施、以及论文的修改等方面都倾注了大量的心血。尤其是在我最困难的 时刻，给予我无私的关怀和帮助，让我毕生难忘。同时还要感谢潘丽军教授。两 位老师的循循善诱的引导方法和严肃认真的治学态度让我受益终生! 此外感谢郑志老师、罗水忠老师、钟昔阳老师、魏兆军老师、马道荣老师、 韩卓同学、赵晓圆同学和黄开华同学在试验中给我的支持和帮助! 最后感谢我的家人的默默支持! i l l 作者：童欠赔 2 0 0 6 年f 月牛日 第一章前言 1 1 小麦面筋蛋白简介 1 1 1 小麦面筋蛋白的组成及性质 小麦面筋蛋( w h e a tg l u t e np r o t e i n ，w g p ) 又名谷朊粉、活性面筋粉，是小麦面 粉与水揉和，洗掉淀粉及其它成分后未变性的面筋粉体，它是小麦淀粉加工的副 产物。其活性是指小麦面筋的吸水性和粘弹性的结合能力，通常以吸水率来衡量 其活性”。1 7 2 8 年b e c c a r i t 2 l 从小麦面粉中洗出面筋蛋白，1 9 0 7 年o s b o r n e 3 1 y 根 据小麦籽粒中蛋白质的溶解特性，将其分成清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋 白等四种蛋白质。 聚丙烯酰胺( s d s p a g e ) 电泳和毛细管电泳( c e ) 电泳分析表明：不同小麦品种 的面筋蛋白质组成不同，主要由品种、品质决定，其次受环境影响。小麦面筋蛋 白化学组成见表1 - 1 。其中主要含麦醇溶蛋白( g l i a d i n ) ，麦谷蛋白( g l u t e n i n ) ， 合称贮藏蛋白，占小麦蛋白干基的8 0 左右，两者比例约1 ：1 。除蛋白质外，小 麦面筋蛋白中还含有少量的脂质、碳水化合物及矿物质m 扪。 表1 - 1 小麦面筋蛋白的化学成分 t a b 1 - 1c h e m i c a lc o m p o n e n t so f w h e a t g l u t e n p r o t e i n 麦谷蛋白是一种非均质的大分子聚合体，不溶于水、醇和中性盐溶液，但易 溶于稀酸或稀碱。其分子量为4 0k d 3 0 0k d ，其中某些聚合体分子量可高达数 百万k d 。麦谷蛋白一般由1 7 4 2 0 种不同的多肽亚基组成，靠分子内和分子间二 硫键连接，呈纤维状，其氨基酸组成多为极性氨基酸，容易发生聚集作用，肽链 间的二硫键和极性氨基酸是决定面团强度的主要因素，它赋予面团以弹性坼j 。麦谷 蛋白的x 和y - 型高分子亚基决定了构成面筋的结构和性质。这些亚基分子术端呈 球形，包含绝大多数的半胱氨酸残基分子，可能使高分子麦谷蛋白亚基末端彼此 相连，少量的半胱氨酸残基可能发生交联作用。亚基中间部位是重复区，使面筋 产生弹性i7 l 。醇溶蛋白为单体蛋白，不溶于水及无水乙醇，但溶于7 0 8 0 乙醇中， 分子量较小，约3 5 k d ，分子内既无亚基结构，又无肽链间二硫键，而是依靠氢键、 疏水键以及分子内二硫键连接单肽，形成较紧密的三维结构，呈球形。它多由非 极性氨基酸组成，因此富于粘性和膨胀性，主要为面团提供延展性。这两种蛋白 独特的氨基酸组成赋予了小麦蛋白能够形成具有粘弹性的网络结构的特性【6 】。高分 子量的麦谷蛋白亚基通过二硫键连接形成面筋络合物的主干结构，低分子量的麦 谷蛋白亚基也通过二硫键交联形成蛋白网络。较小的球状醇溶蛋白主要通过非共 价键( 氢键和疏水键) 掺入面筋蛋白中。当面粉吸水、揉合后形成面团，二硫键重新 排列形成面筋。面筋的独特结构和性质主要取决于其中存在的特殊蛋白质的数量 和类型。随着研究的不断深入，小麦面筋蛋白的用途不断得到扩展，这些都与其 独特的功能特性密切相关，而它的功能特性则取决于贮藏蛋白的功能性4 1 。 衰卜2 小麦面筋蛋白的氧基酸组成( m g g ) t a b 1 2 a m i n oa c i dc o m p o s i t i o no f w h e a t g l u t e np r o t e i n 氨基酸种类含量氨基酸种类含量 精氨酸 2 0 缬氨酸4 5 组氨酸 1 5 亮氨酸 5 9 苏氨酸 9 异亮氨酸 3 3 赖氨酸 2 1 酪氨酸 2 0 丝氨酸 4 0 苯丙氨酸 3 2 天冬氨酸 2 2 色氨酸 6 谷氨酸 2 9 0 半胱氨酸 1 4 甘氨酸 4 7 蛋氨酸 1 2 丙氢酸 3 0脯氨酸 1 3 7 小麦面筋蛋白的氨基酸组成见表i - 2 口i 。从表中可知，小麦面筋蛋白含有大量 的谷氨酸，约占氨基酸总量的3 5 ，它主要以谷氨酰胺的形式存在，和天冬酰胺 在蛋白质的侧链结构中形成氢键，能够稳定蛋白质的结构，提高麦谷蛋白和醇溶 蛋白的交联作用。小麦面筋蛋白中所含的碱性氨基酸( 精、组、赖氨酸) 较少，非极 性氨基酸残基较多，如亮氨酸、脯氨酸，它们通过疏水键相互作用，降低了蛋白 质的亲水性f 9 l 。由于脯氨酸的环状( 氮戊环) 结构，肽链在此位点有一转折，使面筋 蛋白质无法形成a 一螺旋结构，从而形成大量的氢键。由小麦面筋蛋白中氨基酸 的种类( 疏水性氨基酸较多) 以及结合方式可知面筋蛋白的溶解度低。 1 1 2 小麦面筋蛋白的应用 小麦面筋蛋白因其独特的功能特性而在一些传统食品中得到应用，通常是作 为食品添加剂和品质改良剂 1 0 1 。这是因为小麦面筋蛋白与水混合后立即恢复其原 有的活性，呈胶体状，具有很强的粘弹性、成团性、成膜性和形成立体网络的能 力。面筋独特的粘弹性可提高面团的强度、形成时间和操作性能；它的成膜能力 可以保留气体，并控制过度膨胀，达到提高面团体积、均匀性和组织结构改善的 目的；它的凝固性有助必要的结构硬度和耐咬性，其吸水性能则提高了烘烤产品 产量、柔软度，使食品的货架期延长i “i 。 此外小麦面筋蛋白还是一种纯天然的安全无毒的食品添加剂，己被广泛应用 于各种面粉制品中，以增加面粉面筋含量，达到生产各种等级粉和专用粉的要求。 由于某些小麦面粉自身面筋只能形成面团的基本网络结构，难以形成良好的组织 纹理结构，而添$ 1 1 d , 麦面筋蛋自的功效除了进一步提高面粉筋力外，还能使面团 网络结构更具有规律性，使面团纹理清晰、组织均匀、气孔壁薄、透明性好及色 泽洁白| l 捌。小麦面筋蛋白还可以加工成糊状或纤维状蛋白制品，还可以添加到牛 肉饼、饺子、烧麦、火腿肠等食品中，防止了加热过程中脂肪和肉汁的流失。 全世界小麦面筋蛋白的年生产量大约为5 0 万吨，主要用于食品和饲料工业， 如作为面粉品质改良剂、动物饲料粘结剂、营养添加剂。近年来又集中于利用小 麦面筋蛋白制备可再生资源和生物可降解材料。 1 2 小麦面筋蛋白的功能特性及其与结构的关系 蛋白质的功能特性是指蛋白质在食品加工中所表现出的物理化学特性的总 称。它对食品或食品成分在制造、加工或保藏中的理化性质起重要作用。蛋白质 的功能特性主要包括：( 1 ) 感官及运动知觉性，如风味、气味及质构：( 2 ) 水化性能、 分散度、溶解度及溶胀性能；( 3 ) 表面活性相关性质，如乳化性、乳化稳定性、起 泡性、泡沫稳定性、吸水性，吸油性等；( 4 ) 流变学特性，主要有胶凝及组织化作 用；f 5 ) 其它性质，如黏附性、面团制造性、成膜性及纤维制造性能。这些功能的 划分主要取决于三种相互作用：f 1 ) 蛋白质一水相互作用，如吸水性，吸油性、粘 着性、溶解度和粘度等；( 2 ) 蛋白质一蛋白质相互作用，如沉淀、胶凝、纤维组织 化作用等；( 3 ) 表面性质，如蛋白质的表面张力、乳化作用和起泡特性等1 1 3 1 。这些 功能性不是完全独立的，而是相互影响的，例如，凝胶作用不仅包括蛋白质一蛋 白质的相互作用，而且也涉及到蛋白质一水相互作用；粘度和溶解度同时取决于 蛋白质一水和蛋白质一蛋白质相互作用；蛋白质的乳化性能除了和它的表面性质 有关外，还受其溶解度( 水化性质) 的影响。很多食品的加工往往需要蛋白质的多种 功能性质，例如饮料生产中蛋白质溶解度、粘度、清晰度和混浊度等都很重要。 充分掌握蛋白质的功能特性，对于小麦面筋蛋白在食品工业中的应用，以及进行 新型蛋白食品的开发具有重要意义。关于小麦面筋蛋白结构与功能特性相互关系 的许多模型已经建立。下面来简述小麦面筋蛋白的几个主要功能特性以及原因。 ( 1 ) 溶解度1 4 1 蛋白质的溶解性直接影响其它功能特性，其中最受影响的是增稠、起泡、乳 化作用，不溶性蛋白质在食品中的应用非常有限。蛋白质的溶解度是在蛋白质一 蛋白质和蛋白质一溶剂相互作用之间平衡的热力学表现形式。 影响蛋白质溶解性的主要相互作用是疏水相互作用和离子相互作用。疏水相 互作用能促进蛋白质一蛋白质相互作用，使蛋白质溶解度降低；而离子相互作用 能促进蛋白质一水相互作用，使蛋白质溶解度增加。离子化残基使溶液中蛋白质 分子间产生两种推斥力；在除等电点外的任何p h 值时，由于蛋白质分子带净正电 荷或负电荷而在蛋白质分子问产生静电推斥力是第一种推斥力；在蛋白质分子的 离子集团的水合壳层之间的推斥力是第二种推斥力。蛋白质的溶解度基本上与氨 基酸的平均疏水性和电荷频率有关。平均疏水性可按下式定义： 一g雌a9 2 。2 式中，譬代表每一种氨基酸残基的疏水性，即残基转移自由能的变化：n 是蛋白 质分子中总的残基数。电荷频率按下式定义： 盯：堕：堕 弹 式中，n + 和n 一分别代表蛋白质分子中带j 下电荷和带负电荷残基的总数，n 是蛋 白质分子中的总残基数。对大多数蛋白质而言，平均疏水性越小，电荷频率越大， 蛋白质的溶解度越高。 如前所述，根据蛋白质的溶解性可将其分为四类：清蛋白，能溶于p h 值为6 6 的水；谷蛋自，仅能溶于酸( p h = 2 ) 和碱( p h = 1 2 ) 的溶液；球蛋白，能溶于p h 值为 7 0 的稀盐溶液：醇溶谷蛋白，能溶于7 0 乙醇。因小麦面筋蛋白主要包含麦谷蛋 白和麦醇溶蛋白，含疏水性氨基酸较多，疏水作用区域较大，因此溶解度较低。 ( 2 ) 乳化性 蛋白质具有乳化性是因为蛋白质具有两亲结构，分子中同时含有亲水性基团 和亲油性基团。在油水混合液中，蛋白质有扩散到油一水界面的趋势，并且使疏 水性多肽部分展开朝向脂质，极性部分朝向水相，蛋白质分子聚集于油一水界面， 使其表面张力下降，促进脂肪和水形成油一水乳化液，形成乳化液后，乳化的油 滴被聚集在其表面的蛋白质所稳定，形成一种保护层。该保护层可以防止油滴的 聚积和乳化状态的破坏。这就是通常所说的蛋白质的乳化性。食品中脂肪和水的 乳胶体，因为两相界面上的张力产生正的自由能，不易稳定。蛋白质的乳化性可 以提高食品对脂肪的吸收和对脂肪的保存性，促进对脂肪的结合，从而减少加工 时脂肪的损失。另外，蛋白质乳化能力还可以便食品组织均匀、细腻、口感良好l l “。 蛋白质的乳化特性不仅与其内在质量有关，而且还受应用环境的影响。主要 影响因素是溶液的p h 值和离子强度。一般情况下，随着含盐量的降低和p h 值的 升高，蛋白质的乳化能力逐渐增强。蛋白质的乳化性、乳化稳定性与蛋白质的溶 解度之间存在着一定的相关关系，不溶性的蛋白质对乳化作用的贡献很小【i “，可 溶性是蛋白质具有乳化特性的先决条件，只有具有这种性质，蛋白质才会有向油 水界面扩散的能力。因此小麦面筋蛋白的低溶解度是导致其乳化作用差的重要原 4 因。小麦面筋蛋白的等电点p h 值在7 8 之间i “l ，这是多数食品所处的酸碱度范 围，小麦面筋蛋白在此范围溶解度更低。小麦面筋蛋白乳化能力较差限制了其在 食品及非食品中的应用范围。 ( 3 ) 起泡性 蛋白质的泡沫性质是蛋白质的表面性质之一，包含蛋白质的起泡能力( 即蛋 白质溶液形成泡沫体积的多少) 和形成泡沫的稳定性。泡沫通常是气泡分散在含 有可溶性表面活性剂的连续液体或半固体的分散体系。泡沫是一个两相体系，气 体被连续相分开，表面张力大，体系不稳定，容易聚集破裂。要使泡沫稳定，就 必须降低其表面张力。蛋白质的两相性质使其能降低泡沫的表面张力，并能在被 截留的气泡之间形成一个弹性的保护壁垒，或吸附在气液界面形成一个保护膜。 食品蛋白质的泡沫性质取决于蛋白质的表面活性和成膜性。食品体系形成的泡沫 一般是很复杂的胶体体系，泡沫大小不一，主要和蛋白质溶液的界面张力、粘度 及起泡时输入的能量有关。均匀分布的泡沫赋予食品均匀、细腻、柔滑的质地和 亮度，还能提高风昧成分的分散性和可觉察性。在泡沫中称为薄层的薄液体层连 续相将气泡分开，气液界面能达到i m 2 m l 液体的水平，形成这个界面需要机械能 量。为保持界面而不使气泡聚集，通常需要加入表面活性剂。表面活性剂能降低 界面自由能，并能在截留的气泡之间形成一个弹性的保护壁垒7 l 。蛋白质分子由 于具有典型的两亲结构，因而在分散液中表现出较强的表面活性，具有一定程度 的降低界面张力的作用。当蛋白质溶液受到快速的机械搅拌时，大量气体混入， 形成相当量的水一空气界面，溶液中的蛋白质分子吸附到水一空气界面上，降低 其界面张力，促进界面形成。同时，由于蛋白质的部分肽链在界面上伸展开，并 通过肽键相互作用，形成一个二维保护网络，使得界面膜得以加强，促进泡沫的 形成与稳定。泡沫的稳定是指泡沫形成以后能保持一定的时间，并具有一定的抗 破坏能力，这是实际应用的先决条件。天然未变性的蛋白质具有一定的起泡性和 泡沫稳定性，偏碱性的p h 值也有利于蛋白质的起泡性和泡沫稳定性。小麦面筋蛋 白作为一种植物蛋白，能通过吸附在气液界面形成一个保护膜，因具有两亲结构， 在分散液中表现出较强的表面活性，具有一定程度的降低界面张力的作用，因此 具有一定的起泡性和泡沫稳定性。 同溶解性和乳化性存在关系相似，因小麦面筋蛋白溶解度低，其起泡性没能 得到充分利用。蛋白质的高溶解度是良好的起泡能力和起泡稳定性的先决条件， 泡沫的稳定性在蛋白质等电点时高，可能是由于在等电点时，分子间的静电吸引 作用使被吸附在气液界面上的薄层厚度和硬度增大。也有一些蛋白质在极端p h 时 泡沫稳定性反而增大，可能是薄层黏度增大的原因引起的f 1 8 】。影响蛋白质起泡性 和泡沫稳定性的其它因素还有蛋白质的浓度、搅打时间和强度、糖类、脂类和盐 类。蛋白质浓度增加，形成的泡沫膜较厚较硬，泡沫体积和稳定性均有增加。但 浓度增加到一定值，溶解度不再增加，起泡性反而下降。适宜的搅打时间和强度 输入足够能量，保证使蛋白质展开成柔顺的链状分子，但过分搅打会破坏蛋白质 分子间的部分交联，降低泡沫膜上的蛋白质网络强度。糖类因增加蛋白质溶液粘 度而降低蛋白质起泡性，增加泡沫稳定性。脂类因干扰吸附在界面膜上蛋白质的 理想构象，降低蛋白质亲水力，使蛋白质起泡性和泡沫稳定性均有所降低。盐类 因影响蛋白质的溶解度、粘度、展开和聚集而改变泡沫性质。 ( 4 ) 延伸性0 6 i 它是指把面筋拉到某种长度而不致断裂的性能，可用面筋拉到断裂时的最大 长度来表示。据此可将小麦面筋蛋白分为延伸性好、中、差三种。小麦面筋蛋白 中的醇溶蛋白，延伸性好，弹性小；麦谷蛋白分子为纤维状，弹性好，但延伸性 较小。两者共同作用，使得小麦面筋蛋白具有其它植物蛋白所没有的粘弹性。 ( 5 ) 薄膜成型性拉i 小麦面筋蛋白的薄膜成型性是由其粘弹性决定的。有足够压力而克服部分弹 性，其内部可形成c o 。和水汽，使面筋呈海绵状或纤维状结构，所产生的气体被连 续蛋白相所包围，孔内充满气体，形成薄膜面筋。 ( 6 ) 吸水性l 引 高质量的面筋可吸收二倍面筋量的水。小麦面筋的这种吸水性可增加食品产 品的得率，延长食品货架期。 ( 7 ) 口味| _ 6 】 小麦面筋在加工适当而又合理储藏时，略带“谷物味”，并具有“清淡醇味”。 将小麦面筋蛋白与其它食品配料混合，在大量加入时也不会产生异昧。 总之，蛋白质的功能特性与其结构有关，即氨基酸组成、排列顺序、构象、 分子的形状和大小、电荷分布以及分子内和分子间化学键的作用。高比例的极性 残基影响肽链间相互作用、水化作用、溶解性和表面活性，疏水性相互作用在蛋 白质的三级折叠中相当重要，它影响乳化作用、起泡性和风味结合能力。带电氨 基酸能增强静电相互作用，起到稳定球蛋白，结合水分的作用。巯基( 一s h ) f 匏被氧 化形成二硫键，硫醇和二硫化物的相互转化影响其流变特性。共价键和非共价键 的性质和数量决定了蛋白质的大小、形状和表面电荷。所有这些性质又受p h 、温 度等环境因素及加工条件的影响。 1 3 小麦面筋蛋白及其它植物蛋白改性研究进展 目前对植物蛋白质的改性方法有物理改性、化学改性、酶法改性和基因工程 改性。 1 3 1 物理改性 物理改性是通过适度的热变性、添加增稠剂、机械处理、挤压、冷冻、质构 化和超声波等方式改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集方式，从而改善植物蛋 白的功能性和营养特性。物理改性一般不涉及蛋白质的一级结构，实际上物理改 性就是在控制条件下蛋自质的定向变性 1 9 1 ，具有费用低、无毒副作用、作用时间 短以及对产品营养性质影响较小等优点【2 0 l 。贾光锋陋1 i 等用微波处理明显改善了小 麦面筋蛋白的粘性。赵冬艳i 2 2 i 用湿热处理使小麦面筋蛋白的溶解度由7 6 7 上升到 4 8 4 ，乳化活性和乳化稳定性均达到1 0 0 。s c h i f i e l d - 1 3 1d a v i e s 2 4 1 、h o n s e n e y l ”j 等研究发现，即使高温下对小麦蛋白进行短暂处理，蛋白质的结构也能发生明显 的变化。植物蛋白的物理改性方法还有超滤，利用高频电场处理拉6 l 等方法。华欲 飞等 27 j 从分子问作用力的角度对不溶性大豆浓缩蛋白物理改性机理进行研究，发 现改性大豆浓缩蛋白的蛋白分子通过共价键形成聚集体，聚集体间无任何形式的 作用力，荧光光谱证明疏水性基团处于聚集体内部，因而具有可溶性蛋白结构。 另外还有研究表明，8 5 条件下加热处理2 m ir l 能明显提高大豆蛋白的表面活性和 营养特性【2 8 1 。但物理改性对设备要求很高，难于展开太规模的工业化应用生产。 1 3 2 化学改性 化学改性是通过化学手段在植物蛋白中引入各种功能基团而使之具有特殊的 加工特性。化学改性可以改善植物蛋白的功能和营养特性，主要包括两个方面： 蛋白质分子的侧链基团的改变和蛋白质分子主链结构的改变。化学修饰是研究蛋 白质的结构与功能关系的一种主要手段，也是定向改造蛋白质性质的一种有力工 具1 2 9 1 。其实质是通过改变蛋白质的结构、静电荷和疏水基，除去抗营养因子，从 而改善植物蛋白的性质。化学改性包括磷酸化、酰化、还原烷基化、氨基酸共价 连接、硫醇化、酸化、胍基化等p q 。化学修饰试剂与蛋白质反应的主要类型有： 酰化及其相关反应，被作用的蛋白质分子侧链基团有氨基、羟基、巯基以及酚基； 烷基化反应，被作用的蛋白质分子侧链基团有氨基、巯基、昧唑基、羧基和硫咪 基等；氧化还原反应，连四硫酸钠或连四硫酸钾是一种温和的氧化剂，在化学修 饰反应中常用来作为s h 的可逆保护剂；芳香环取代反应，这类修饰反应的一个 典型例子是四硝基甲烷( t n m ) ，它可以作用酪氨酸的酚羟基，形成3 ，硝基酪氨酸 的衍生物。这种产物有特殊的光谱，可直接用于定量测定| 7 f 。化学改性引入带电基 团能改善蛋白质的水溶性：在蛋白质分子接上疏水基团或非极性长链，会增强蛋白 质的疏水性；蛋白质链还能以共价键互相连接产生交联作用，交联作用不仅增强 蛋白质在水中的稳定性，还能提高其强度。不同蛋白质中可进行化学改性的活性 功能基团的数量及种类不一。小麦面筋蛋白的特点是酰胺基团含量较多，对酰胺 基的改性主要是进行脱酰胺改性。对羧酸基团的化学改性需对基团预活化f 3 qo 酚 基基团略带酸性，改性需要特殊的反应条件。巯基几乎都以二硫键的形式存在， 采用还原反应可进一步活化，经还原的功能基团性质与氨基、胍基、咪唑基相似， 容易发生交联反应和连接疏水基团。但化学改性在产生预期效果的同时，可能在 营养和毒理方面造成有害效应，例如，蛋白质采用酸或碱处理后会造成某些氨基 酸的损失，又如，采用各种化学试剂处理蛋白质时所产生的蛋白质衍生物所包含 的非天然结构或许不能被人体代谢i ”l 。 w o o d a r i ”1 将小麦面筋蛋白用1 0 m h c l 溶液在7 5 下处理3 0 m i n ，面筋蛋白去酰 胺后具有很好的溶解性、乳化性和起泡姓。孔祥珍l = ；j 等采用盐酸对小麦面筋蛋白 去酰胺改性，去酰胺度高达6 8 2 ，溶解度由3 3 7 提高n 8 2 3 。台湾曾有入用碱 催化去酰胺改性小麦面筋蛋白，但赖氨酸有破坏，毒理学研究表明对小鼠肾有毒 害作用，因此少有研究| 3 4j 。王亚平等1 3 5 1 用乳糖在控制条件下通过美拉德反应明显 改善了谷朊粉的乳化活性。张红 3 6 , 3 7 研究发现乙酰化、琥珀酰化能提高小麦面 筋蛋白的溶解度、乳化能力和起泡能力，琥珀酰化小麦面筋蛋白对弱筋粉粉质特 性的改善效果强于普通谷朊粉。邬应龙f 3 s 等将琥珀酰化小麦面筋蛋白应用于蛋糕 中，发现添加适量的酰化面筋蛋白，加工方法得当就可以起到和专用蛋糕油几乎 相同的品质改良效果。李瑜d 9 l 用三聚磷酸钠改性小麦面筋蛋白，使得其乳化性、 溶解性、起泡性及其稳定性都有极大的提高。贾光锋【4 0 1 用三氯氧磷显著提高了小 麦面筋蛋白的粘性。n a o t o s h i l 4 t 研究发现，2 的大豆蛋白和0 0 5 m o l l h c l ，在9 0 时处理3 0 m i n ，大豆蛋白有明显的去酰胺作用，其溶解性、乳化性、起泡性有了明 显的提高。f r a n k 【4 2 ，4 ”，m a t h e i s 和w h i t a k e r 4 4 1 等用不同的化学试剂对大豆分离蛋 白进行磷酸化改性，发现p o c l 3 能很大程度地提高蛋白质的经济和实用价值。卢寅 泉f 4 5 1 采用三聚磷酸钠( s t p ) 对大豆蛋白进行改性，得到3 大豆分离蛋白在p h 8 0 ， s t p 浓度3 ，3 5 保温3 5 h 条件下进行磷酸化反应，此时磷酸化程度最大，为5 7 。 潘秋琴等1 4 6 采用低摩尔比的p o c h 蛋白质对花生蛋白进行磷酸化改性，其溶解度 乳化能力和乳化稳定性显著提高，从而拓宽了花生蛋白在食品体系中的应用范围。 吴向明等| 47 l 用磷酸盐对大豆分离蛋白( s p i ) 进行去酰胺，在既保持大豆蛋白的大分 子构象又提高大豆分离蛋白功能性质的条件下，得出去酰胺改性的最佳工艺条件， 结果表明改性后，大豆分离蛋白的等电点随去酰胺程度的增加，向低p h 值移动， 大豆蛋白的功能性质均有不同程度的提高和改善。洪庆慈1 48 】采用酰化法改善大豆 分离蛋白功能性质，发现高度酰化的蛋白质仅在碱性条件下溶解度= 才增大，而低 度酰化蛋白质在偏离等屯点时溶解度均增大。t h o m p s o n 发现琥珀酰化几乎能改善 乳清浓缩蛋白所有功能特性，v i d a l 研究发现琥珀酰化使酪蛋白的净负电荷增加， 延缓了其絮凝时闻，d u a l s 道琥珀酰化能显著改善油菜籽蛋白的溶解性、起泡性和 粘度，w a n a s u n d a r a 研究指出琥珀酰化能显著改善亚麻籽蛋白的乳化性和溶解性， 对起泡性影响不大h 。 化学改性反应历程短，成本低，设备要求不高，且改性效果最为明显，因此， 化学改性仍然是蛋白质改性的主流方向，是蛋白质改性中可研究范围最广的一类。 1 3 3 酶法改性 食品蛋白质酶法改性分为两类：非水解改性和水解改性。其中蛋白质的水解 改性具有重要的实用价值，除酶水解之外，酶法脱酰胺也能增加蛋白质的亲水性， 从而提高溶解性及分散性能。目前发现很多酶可以催化蛋白质分子交联，其中以 转谷氨酰胺酶最具代表性【5 0 l 。蛋白质的酶法改性一般不会导致营养方面的损失， 也不会产生毒理上的问题，还具有如下优点：( 1 ) 反应具有特异性；( 2 ) 在低酶浓度 下也能产生很显著的效果：(