（农产品加工及贮藏工程专业论文）酶法提高谷朊粉乳化性能的研究.pdf

酶法提高谷朊粉乳化性能的研究 摘要 谷朊粉是一种优质、廉价的蛋白质资源，但由于其含有较多的疏水性氨基 酸，导致蛋白质功能性质较差，从而限制了其在食品工业中的应用。因此本文 针对提高谷朊粉的乳化性能进行了初步研究。 首先筛选出适合改善谷朊粉乳化性能的蛋白酶。在蛋白酶水解谷朊粉过程 中，研究了谷朊粉浓度、酶浓度和水解度等因素对谷朊粉乳化性能的影响，并 优化其工艺条件。通过喷雾干燥制备酶解谷朊粉，进一步探讨p h 值、盐浓度 对酶解谷朊粉的乳化性能的影响；利用酶解谷朊粉作为乳化剂制作人造奶油。 试验研究的主要结论如下： ( 1 ) 分别采用中性蛋白酶、碱性蛋白酶、f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶、木瓜蛋 白酶和p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉，发现其达到各自较好乳化性能时具有 不同的水解度。中性蛋白酶水解速度较快，乳化稳定性不好；，碱性蛋白酶水解 速度较快，水解后的谷朊粉乳化性能不佳；木瓜蛋白酶水解速度慢，乳化性能 也较差；f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶与p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉后的乳化 性能较好，f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶和p r o t a m e x 复合蛋白酶能够较好地提高谷 朊粉乳化性能。因此选择f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶和p r o t a m e x 复合蛋白酶作为 后续研究用酶。 ( 2 ) 分别采用f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶和p r o t a m e x 复合蛋白酶对谷朊粉进 行水解，探讨了底物浓度、酶用量、水解度、预处理方式对谷朊粉乳化性能的 影响。通过l 9 ( 3 4 ) i e 交试验，优化出f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉的最 佳工艺条件：底物浓度8 ，酶用量1 0 0 0 u g ，水解度7 ，不进行预处理。在 此条件下其乳化性达到7 3 7 l ，乳化稳定性达到6 2 4 4 。p r o t a m e x 复合蛋白 酶水解的最佳工艺条件为：底物浓度80 , ，酶用量1 2 5 0 u g ，水解度7 ，不进 行预处理。在此条件下乳化性达到7 4 5 ，乳化稳定性达到6 3 5 。 ( 3 ) f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶和p r o t a m e x 复合蛋白酶水解后的谷朊粉在 n a c i 浓度为o 2 m o l l 时乳化性能达到最大，在偏酸或偏碱时谷朊粉也具有较 好的乳化性能。 ( 4 ) 将两种蛋白酶水解后的谷朊粉应用于奶油生产，比较两种酶解谷朊粉作 为乳化剂制作的奶油发现：p r o t a m e x 复合蛋白酶水解后的谷朊粉乳化效果较好， 但f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶独特的蛋白脱苦性能使得奶油苦味较淡，品质较好。 关键词：谷朊粉；乳化性；f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶；p r o t a m e x 复合蛋白酶； 人造奶油 s t u d yo nt h ei m p r o v e m e n ti nt h ee m u l s i f y i n g p r o p e r t i e so fw h e a tg l u t e nb yp r o t e i n a s e a b s t r a c t w h e a tg l u t e ni sak i n do fc h e a pa n ds u p e r i o rq u a l i t yp r o t e i nr e s o u r c e s b u t t h ep r e s e n c eo fh y d r o p h o b i ca m i n oa c i d sl e a d st op o o rf u n c t i o n i t sa p p l i c a t i o ni s l i m i t e d e m u l s i f i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tf u n c t i o no fw h e a tg l u t e n s oi ti sa v e r y s i g n i f i c a n tj o b t h a t e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n o fw h e a t g l u t e nb yc o n t r o l l i n g p r o t e o l y s i sc a ne n h a n c et h ef u n c t i o n a l i t y c h o o s i n gt h er i g h tp r o t e o l y t i ce n z y m e ， e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o nf o rh y d r o l y s i sa n dd e g r e eo fh y d r o l y s i si sc r u c i a lf o r e n h a n c i n ge m u l s i f i c a t i o no fw h e a tg l u t e n w h e a tg l u t e nw a sh y d r o l y z e db yn e u t r a s e ，a l c a l a s e ，p a p a i n ，p r o t a m e x ，a n d f l a v o u r z y m e ，r e s p e c t i v e l y f l a v o u r z y m ea n dp r o t a m e xw e r ef o u n dt ob et h eb e s t p r o t e o l y t i ce n z y m eb yc o m p a r i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed e g r e eo fh y d r o l y s i sa n d e m u l s i a b i l i t y t h ei n f l 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 h e a tg l u t e nc o n c e n t r a t i o n a d d i t i v ed o s a g eo fp r o t e o l y t i ce n z y m e ，a n dt h ed e g r e eo fh y d r o l y s i sw e r es t u d i e da t t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ea n dp ho fe n z y m e s 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 ， t h ef o l l o w i n g o p t i m u mp r o c e s s i n gc o n d i t i o nf o rf l a v o u r z y m ea n dp r o t a m e x h y d r o l y z i n gw h e a tg l u t e nw e r eo b t a i n e du s i n gl 9 ( 3 4 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sh y d r o l y z e db y f l a v o u r z y m e w e r et h a t c o n c e n t r a t i o no fs u b s t r a t e8 ，t h ep r o t e a s eu s a g e10 0 0 u g 。t h ed e g r e eo fh y d r o l y s i s 7 w i t h o u tp r e t r e a t m e n t i t se m u i s i f y i n ga b i l i t ya n dt h ee m u l s i f y i n gs t a b i l i t yc o u l d r e a c h7 3 7 1 a n d6 2 4 4 r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sh y d r o l y z e d b yp r o t a m e xw e r et h a tc o n c e n t r a t i o no fs u b s t r a t e8 ，t h ep r o t e a s eu s a g e1 2 5 0 u g 。 t h ed e g r e eo fh y d r o l y s i s7 w i t h o u tp r e t r e a t m e n t i t se m u l s i l y i n ga b i l i t ya n dt h e e m u l s i f y i n gs t a b i l i t yc o u l dr e a c h7 4 5 a n d6 3 5 r e s p e c t i v e l y w h e a tg l u t e nh y d r o l y z e db yf l a v o u r z y m ea n dp r o t a m e xh a dm u c hh i g h e r e m u l s i f i c a t i o nw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn a c ii s0 2 m o l la n d p hi sa tl o wo rh i g h v a l u e t h et w ok i n d so fw h e a tg l u t e nh y d r o l y z e db yf l a v o u r z y m ea n dp r o t a m e x w e r eu s e df o rm a k i n gb u t t e r i n e r e s p e c t i v e l y t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h e e m u l s i f i c a t i o no fw h e a tg l u t e nh y d r o l y z e db yp r o t a m e xw a sb e t t e rt h a nt h a tb y f l a v o u r z y m e b u tt h eb u t t e r i n e sq u a l i t yo ft h ew h e a tg l u t e nh y d r o l y z e db y f l a v o u r z y m ew a sb e t t e r t h a nt h a t b yp r o t a m e x ，b e c a u s ef i a v o u r z y m ec o u l d e l i m i n a t et h ep r o t e i n sb i t t e r n e s s k e yw o r d s ：w h e a tg l u t e n ；e m u l s i f i c a t i o n ；f l a v o u r z y m e ；p r o t a m e x ；b u t t e r i n e n 插图清单 图2 1l 酪蛋白标准曲线1 2 图2 2 自制试验装置简图1 3 图2 3 水解谷朊粉水解度与水解时间的关系曲线1 5 图2 4 中性蛋白酶水解谷朊粉水解度与乳化性能的关系1 6 图2 5 碱性蛋白酶水解谷朊粉水解度与乳化性能的关系一1 7 图2 6 木瓜蛋白酶水解谷朊粉水解度与乳化性能的关系1 7 图2 7f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉水解度与乳化性能的关系”1 8 图2 8p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉水解度与乳化性能的关系“1 8 图3 1f l a v o u r z y m c 风味蛋白酶水解谷朊粉的酶用量对乳化性能的影响”2 2 图3 2f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉的水解度对乳化性能的影响2 2 图3 3f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉的底物浓度对乳化性能的影响“2 3 图3 4f i a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉的预处理方式对乳化性能的影响2 4 图3 5f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉应用p h 值与乳化性能的影响2 7 图3 6f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉应用盐浓度与乳化性能的影响2 8 图4 1p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉的酶用量对乳化性能的影响”3 l 图4 2p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉的水解度对乳化性能的影响“3 l 图4 3p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉的底物浓度对乳化性能的影响3 2 图4 4p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉的预处理方式对乳化性能的影响3 3 图4 5p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉应用p h 值对乳化性能的影响3 6 图4 6p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉应用盐浓度对乳化性能的影响3 6 表格清单 表1 1 小麦面筋蛋白的氨基酸组成2 表1 2 食品蛋白质的现行价格3 表1 3 不同食品运用的蛋白质功能性质5 表2 1 蛋白酶的最适反应条件1 2 表2 2 蛋白酶活力测定结果“1 5 表3 1f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉的正交实验设计方案一2 5 表3 2f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉l 9 ( 3 4 ) 正交实验结果“2 6 表3 3f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉正交实验极差分析2 6 表3 4f l a v o u r z y m e 风味蛋白酶水解谷朊粉方差分析表2 6 表4 1p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉的正交实验设计方案3 4 表4 2p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉l 9 ( 3 4 ) 正交实验结果3 4 表4 3p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉正交实验极差分析3 5 表4 4p r o t a m e x 复合蛋白酶水解谷朊粉方差分析表”3 5 表5 1 奶油的制作配方3 9 表5 2 谷朊粉添加量对奶油的质量的影响4 0 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金肥互些盔堂 或其他教育机构的学位或 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 学位论文作者签字： 誓开绎 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王业太堂 有关保留、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，允许论文被套阅或借阅。 本人授权 贪匿王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进 行捡索，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) 名：翻绰 解眺节6 月目4 导师签名： 签字e t 期：年月日 j 。乙 电话： 邮编： 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姜老师严谨求 实的工作作风、深厚的专业理论和丰富的实践经验，都深深地感染了我：在生 活上，姜老师也给予我无微不至的关怀和帮助。我感谢姜老师，从他身上，我 学到了很多，也还有很多需要我继续学习在我的人生里有了这么一位老师， 我将终生受益 此外，我要感谢潘丽军教授、王泽南教授、陈从贵教授、杨俊老师、郑志 老师、罗水忠老师、老师、钟昔阳老师、陈晓燕老师等给我提出宝贵意见和建 议；我还要感谢李岩、朱羽、肖小发，程璐，胡海江、赵晓园、张婵婵、高慧、 林洁等同一实验室的兄弟姐妹们，感谢他们一直鼓励我，支持我，关心我! 最后感谢我的家人们对我的默默支持1 1 1 1 作者：黄开华 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 随着人们生活水平的不断提高，食品工业迫切需要大量具有功能特性和营 养特性的蛋白质作为食品的原料或添加剂在对蛋白质的开发和利用时，食品 科学家已经认识到蛋白质功能特性的重要性。所谓植物蛋白的功能特性就是指 植物蛋白在配制、加工、制取和储藏的过程中，对产品质量能产生影响的某些 物理和化学性质，例如吸水性、吸水膨胀性、粘性、凝胶性、乳化性、脂肪吸 水性、发泡性、组织化功能以及漂白和着色性等然而，一些常见的蛋白质资 源应用于食品工业时，表现出的功能性质却不能充分满足食品加工的要求因 此，一方面人们大力开发新的具有优质特性的蛋白质资源，一方面对现有的蛋 白质( 植物蛋白质) 进行改性。小麦谷朊粉的改性研究正是为了通过改善其功 能特性扩大谷朊粉的应用范围，以满足食品工业的相应的应用要求 1 1 谷朊粉简介 1 1 1 谷朊粉的组成与结构 谷朊粉l l l 又名活性面筋粉、小麦面筋蛋白，是小麦淀粉生产加工的副产物。 谷朊粉中蛋白质含量在7 0 - - 8 0 ( 千基) ，此外还含有5 1 0 的脂质，少量的 碳水化合物及矿物质【4 l 。在1 7 2 8 年b w c c a r i | 2 l 从小麦面粉中洗出小麦面筋，其 重要性并未受到人们的重视，在1 9 0 7 年，o s b o r n e 【3 i 根据小麦籽粒中蛋白质的 溶解特性，将小麦蛋白分成清蛋白、球蛋白、酵溶蛋白和麦谷蛋白等四种蛋白 质。 小麦面筋蛋白主要由麦醇溶蛋白和麦谷蛋白组成 l ，其中麦醇溶蛋白约占 4 9 ，麦谷蛋自约占3 9 ，此外还含有少量的球蛋白、清蛋白及少量的淀粉， 纤维，糖，脂肪，类脂和矿物质等。麦醇溶蛋白为单体蛋白，分子量约3 5 k d ， 呈球形，不溶于水及无水乙醇，但溶于7 0 一8 0 的乙醇溶液中，组成上的特点 是脯氨酸和酰胺较多，非极性侧链远较极性侧链多，分子内既无亚基结构，又 无肽链间二硫键，单肽链间依靠氢键、疏水键以及分子内二硫键连结，形成较 紧密的三维结构。由于它多由非极性氨基酸组成，故富于粘性和膨胀性，主要 为面团提供延展性。麦谷蛋白是一种非均质的大分子聚合体，分子量为4 0 k d 3 0 0k d ，其中某些聚合体分子量可高达数百力k d 。不溶于水、醇及中性盐溶液， 但易溶于稀酸或稀碱。普通小麦籽粒中的麦谷蛋白一般由1 7 2 0 种不同的多肽 亚基组成，靠分子内和分子间二硫键连结，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，肽链闯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【6 】。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 7 1 当水分子与蛋白质的亲水基团互 相作用时会形成水化物一湿面筋水化作用由表及里逐步进行，表面作用阶段 体积增大，吸水量较少当吸水胀润进一步进行时，水分子进一步扩散到蛋自 质分子中去，蛋白质胶粒犹如一个渗透袋，使吸水量大增吸水后的湿面筋保 持了原有的自然活性及天然物理状态，具有粘性、弹性、延伸性、薄膜成型性 和吸脂乳化性等1 5 j 。 面筋、麦谷蛋白、醇溶蛋白的氨基酸及组成见表1 11 9 1 。从表1 1 可知，这 三种蛋白质中均含有大量的谷氨酸，约占氨基酸总量的3 5 ，主要以谷氨酰胺 的形式存在，和天冬酰胺共同在蛋白质的侧链结构中参与氢键的形成，在稳定 蛋白质的结构、提高麦谷蛋白和醇溶蛋白的交联作用方面扮演着重要的角色。 面筋蛋白中所含的碱性氨基酸较少，同时富含大量的非极性氨基酸残基，如亮 氨酸、脯氨酸，它们以疏水键交互作用存在，进一步降低了其亲水性i 】，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 螺旋结构，从而形成大量的氢键。面筋蛋白中氨基酸的这种结合方式可知面筋 蛋白的水溶性差，即溶解度低 表1 - 1 小麦面筋蛋白的氨基酸组成，m 魄 ! ! ! ! ：! 垒坐! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 堡! ! ! 坐垡! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 里g 丝 基堇鲤鱼墨! 堑! 里基酸含量( ) 1 1 2 谷朊粉的生产 谷朊粉是作为小麦面粉生产小麦淀粉的副产物。在小麦淀粉的生产工艺中， 常用的蛋白分离方法有两种：湿法蛋白分离和干法蛋白分离。 湿法蛋白分离i l l l l l 2 l 【1 3 】1 1 4 j 是将小麦面粉与水混合后，分离淀粉和蛋白，再 利用如真空低温干燥、喷雾干燥、气流干燥等技术对干燥湿面筋进行。湿法谷 朊粉生产工艺又分为两种：一种为水洗法( 面团法) ，包括马丁法和改良的马丁 法等。即先用水和面，形成面团，然后加足量水揉搓洗出淀粉。这是一种传统 生产谷朊粉的方法。其优点为设备价格低廉，对原料的选择性低，能结合原料 的特点调整p h 和添加食盐等可生产制品，可任意进行面筋的水洗。另一种为 离心分离法( 面浆法) ，包括瑞休工艺、旋液分离器工艺( k s h 公司工艺) 和杰 克林工艺等。采用了均质工艺，面粉和水混合形成大致均相的面浆，使面浆中 小麦蛋白质与淀粉颗粒充分游离，然后用离心分离的方法使二者分离。其优点 2 是可节约大量的水，缩短分离时同，使工艺更容易连续化、自动化 干法蛋白分离技术l t 5 | 1 6 j 是国内外制粉工业中一项新技术。其原理利用面粉 粒度不同，蛋白质含量不同，以常规小麦面粉为原料经过气流分级而同时得到 高蛋白粉和低蛋白粉。面粉气流分级由两种方法：一是将小麦粉直接分缎：二 是将小麦面粉破碎后再进行气流分级。德国a l p i n e 公司采用气流分级法能取得 更好的分离效果其工艺流程为：将原料面粉通过定量喂料绞龙入钉盘研磨机 中研磨。物料随气流进入气流分级机中，粗粒由分级导向轮叶片甩落，经其下 端的闭风器捧出，即是低蛋白粉；细粒再随气流穿越导向轮叶片进入滤风集料 器，由滤风集料器中若干布袋将细粒滤出，使气流通过风机后排出，细粒由集 料器下端的闭风器排出，即得到高蛋白粉a l p i n e 面耢蛋白分离设备可以将普 通面粉分离成高蛋白粉和低蛋白粉，解决了中等蛋白质小麦难以生产专用粉的 问熙，但该工艺动耗大、损耗高，且需要质量稳定的原料粉，单独用该工艺建 造工厂，是很难解决其生产中的缺点，不易取得较好的经济效益但如果该工 艺应用于大型面粉厂中，将蛋白分离工艺与制粉工艺更紧密地结合。耨会大大 降低成本，发挥整体优势，取得更好地经济效益 表l - 2 食品蛋白质的现行价格( 2 0 0 5 年9 月，最大利亚) t a b l e l - 2 ，c u ，r r e n ，t p r i c e 。o f f o o d p r o t e i n i n g r e d i e n t s i 。n a u s t r a 1 i a 蛋白质种类蛋白质含量( )价格( s t ) 1 1 3 谷朊粉的应用 当前，植物蛋白质越来越广泛地应用于食品加工的各个领域，一方面是由 于植物蛋白质的营养价值高，资源丰富，原料成本低( 国际市场主要食品蛋白 质的价格如表l 一2 f ”j ) ；另一方面则是因为植物蛋白质的各种功能特性还与食 品的嗜好性、加工性等相关。 从营养价值方面来说，虽然小麦面筋蛋白缺乏赖氮酸i ”】，但是将其与其他 食用蛋白混合，便可保证营养充分，同时其中钙、磷、铁含量较高，远远大于 鸡蛋、牛肉的含量。因此面筋蛋白在保健食品、婴儿食品中也得到了广泛应用。 面筋蛋白经酸或酶水解后，可用于饮料中【l “。面筋蛋白还可以作为口香糖的基 料。面筋蛋白用于油炸食品可降低含油率。工业中用其制成集营养，保健，方 便于一体的各类食品，如水面筋，油面筋、素鸡等【2 “。在食品储藏保鲜方面， 利用小麦面筋虽自制成可食用膜处理荔枝等水果，可以大大延长水果的保鲜期 1 2 ”。小麦面筋蛋白是一种很好的可生物降解的材料，可存放期长，更重要的是 小麦面筋蛋白生产的薄膜具有很好的机械和阻挡气体的性能，因此，小麦面筋 除了在食品行业应用广泛外，在其他行业的应用亦得到蓬勃发展，如医用胶囊 【2 2 i 、发胶 2 3 1 、香烟过滤嘴 2 4 1 、鱼虾的饲料眵鲫、可降解可重新利用的绿色粘贴 剂等1 2 6 1 1 2 7 l 、环境保护者可将其作为处理废水的固化物2 8 】【2 9 】等。谷朊粉经特定 的蛋白酶降解所形成的小分子肽类容易吸收，而且具有多种生理活性，可作为 功能性食品、肽类药物进行开发。s i g m a 公司已成功地将谷蛋白肽作为动物血 清的替代品用于细胞培养实验。 在现代食品中谷朊粉通常作为食品添加剂和品质改良剂1 3 0 1 面筋独特的粘 弹性提高了面团的强度、形成时间和操作性能，它的成膜能力可以保留气体和 控制过度膨胀以提高体积、均匀性和组织结构【3 ，它的凝固性有助必要的结构 硬度和耐咬性，它的水吸收能力，提高了产品产量、柔软度，使食品的货架期 延长 3 2 j 。此外，谷朊粉还能使面团网络结构更具规律性、纹理清晰，组织均匀、 气孔壁薄、透明性好及色泽洁白p 引。谷朊粉在食品工业的主要应用范围有：在 面包、蛋糕等烘焙食品中调节蛋白质水平，添加到筋力不足的面粉中，改良面 粉的品质，并能防止食品老化1 3 8 1 。在方便面制作中，使面条更有弹性、不易起 糊、不易断裂、改善口感；谷朊粉具有吸脂乳化性，可防止脂肪分离，给予肉 类制品良好的粘和作用、保水作用及高温硬化( 热凝固) 效果；谷朊粉的高粘 合及营养成分特别适用于多种鱼用饲料；谷朊粉可使早餐麦片更为松脆及更富 营养价值：作为乳化剂制作乳酪或高蛋白乳酸饮料。 1 2 谷朊粉的功能性质 蛋白质的功能性质分为三类：( 1 ) 水合性质，它取决于蛋白质一水相互作用。 这类性质涉及到蛋白质的吸水性、润湿、溶胀、粘合、分散性、可溶性和粘度： ( 2 ) 蛋白质一蛋白质相互作用有关的性质，表现蛋白的沉淀作用、凝胶作用；( 3 ) 表面性质，主要关系到蛋白质的表面张力、乳化作用和起泡作用。然而，这三 种性质不是完全独立的，例如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；凝胶作用不仅包括蛋白质一蛋白质的相互作用，而且也包括 蛋白质一水相互作用【3 2 1 如表1 _ 3 3 0 l 所示，蛋白质的乳化性质在食品中的运用 是很广泛的。蛋白质的乳化性质与蛋白质其他功能性质共同作用创造出食品的 多样性，满足了人类对蛋白质食品的需求，蛋白质的乳化性质在食品生产中起 着重要作用。 蛋白质的乳化性质m l 通常用乳化活性、乳化能力和乳化稳定性测定和描 述。乳化活性表示在稳定的蛋白质溶液中，单位质量的蛋白质展开的最大表面 面积。乳化能力表示在一定的条件下，单位质量的蛋白质能乳化油的最大数量。 乳化稳定性表示在一定温度和重力场下，一定时间内保持乳状液不变的能力。 蛋白质中的氨基酸组成，疏水性基团、亲水性基团的含量和蛋白质分子柔性等 都是影响蛋白质乳化性质的重要因素。蛋白质良好乳化性质需具备三个条件 p 2 l ：( 1 ) 能快速地吸附至界面；( 2 ) 能快速地展开并在界面上再定向；( 3 ) - - 酗j 达界面，能与临近分子相互作用形成具有强粘结性和粘弹性的膜，能经受热和 机械运动。 表1 - 3 不同食品运用的蛋白质功能性质 食 品 功能性质 饮料 在不同p h 值下的溶解度、热稳定性、黏度 汤、调味料乳化作用、水吸收，黏度 焙烤食品( 面包、蛋糕等) 凝胶作用、水吸收、乳化作用，起泡作用，褐变 乳品( 干酪、冰淇淋、甜食) 乳化作用、脂肪保留、黏度、起泡、凝胶作用 肉制品( 香肠、火腿等) 乳化作用、凝胶作用、粘合性、承和脂肪的吸收及保留 蛋的代用品起泡作用、凝胶作用 肉的代用品( 植物蛋白质)牯合性 食品涂层粘合、粘着 糖食乳化作用、分散性 乳化性食品中脂肪和水是乳胶体，因为两相界面上的张力产生正的自由能， 不易稳定，而添加适量的蛋白质可以起到乳化稳定的作用。这是因为蛋白质具 有乳化剂的特征结构，即两亲结构，在蛋白质的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，分散蛋白质有扩散到油水界面的趋势，并且使 疏水性多肽部分展开朝向脂质，极性部分朝向水相、蛋白质分子聚焦于油水界 面，使其表面张力下降，促进脂肪和水形成油水乳化液，形成乳化液后，乳化 的油滴被聚焦在其表面的蛋白质所稳定，形成一种保护层，这个保护层可以防 止油滴的聚积和乳化状态的破坏。蛋白质的乳化能力，在食品中可以提高食品 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 质的乳化能力还可以使食品组织均匀、细腻、口感良好【3 3 j 。 影响谷朊粉乳化性能有许多因素【4 蛋白质的乳化性能与蛋白质的溶解度 存在着一致的关系，不溶性的蛋白质对乳化作用的贡献很小，但1 0 0 的蛋白 质溶解度也不会有较好的乳化性能。由于在油一水界面上蛋白质膜的稳定性同 时取决于起促进作用的蛋白质一油相和蛋白质一水相的相互作用，因此，蛋白 质具有一定程度的溶解度可能是必需的。蛋白质良好的乳化性质所必需的最低 溶解度取决于蛋白质的品种。蛋白质的乳化特性不仅与其内在结构有关，而且 还受到应用环境的影响。主要影响因素是溶液的p h 值、离子强度和温度等。 对于在等电点有较好溶解度的蛋白质( 血清蛋白、明胶、蛋清蛋白等) ，由于缺 乏净电荷和静电排斥相互作用有助于在界面达到最高蛋白质载量和促使高粘弹 性膜的形成，并且蛋白质在等电点p h 是高度水合，乳化粒子之间的水合推斥 力能防止絮凝和聚结，从而使形成的乳状液稳定但大多数食品蛋白质( 酪蛋 5 白、乳清蛋白、大豆分离蛋白等) 在等电点是微溶和缺乏静电捧斥的，乳化粒 子间絮凝和聚结，影响了乳状液的稳定性因此它们都不是良好的乳化剂。谷 朊粉在等电点时溶解度是很低，降低了它促进形成乳化液的能力，因而谷朊粉 的乳化性能差盐对蛋白质的盐溶和盐析作用，影响蛋白质的溶解度，如在香 肠的肉乳状液中，o 5 m o l l 的n a c i 对肌纤维蛋白的增溶作用而促进了它的乳 化性质。 1 3 谷朊粉改性与研究进展 由于谷朊粉含有较多的疏水性氨基酸，分子内疏水作用区域大，限制了面 筋在食品上的利用范围。因此，为拓宽谷朊粉的应用范围，采用一些方法对谷 朊粉进行改性是必要的。 1 3 1 谷朊粉改性 1 3 1 1 物理改性 物理改性是指利用热、电机械能等能量形式的改变蛋白质特性。该方 法主要通过适度的热变性、机械处理，挤压、冷冻、质构化和超生波等方式改 变蛋白质的高级结构和分子的聚集方式，从而改变植物蛋白质的功能特性和营 养特性。物理改性方法一般不涉及蛋白质的一级结构，是一种定向的变性。物 理改性具有费用低，无毒副作用以及对产品营养性能影响较小等优点。但物理 改性的稳定性和产品质量难以保证，对设备的要求较高，设备投资较大难于展 开大规模的工业化应用生产。主要改性方法有搅拌、超声波、微波，热处理和 挤压等方法。 1 3 1 2 化学改性 化学改性1 4 7 】是通过化学手段在小麦蛋白中引入各种功能基团而使之具有 特殊加工特性。化学改性的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。化学改性包括还原烷基化、氨基 酸共价连接、硫醇化、酸化、磷酸化、胍基化等。然而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的效应。 1 3 1 3 基因改性 基因工程改性【”l 是通过重组植物蛋白的合成基因来改进蛋白质的功能特 性，但由于该技术周期长，见效慢，目前仍处于实验室阶段，尚未在生产中应 用。 1 3 1 3 酶法改性 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，还具有许多优点：( 1 ) 酶作用具有特异性；( 2 ) 在低酶浓度下也能产生很显著 的效果；( 3 ) 酶法改性可以在温和的条件下进行，能耗很低【3 l 】。随着一些新用途 的酶的发现和应用，进一步降低了酶法蛋白质改性的成本，极大的拓宽了酶法 6 改性的应用范围，使其更具有实用性例如各类蛋白水解酶、转谷氨酰胺酶、 磷酸酶以及过氧化氢酶的应用，使得过去只能采用化学方法进行的去酰胺、水 解、磷酸化，交联聚合、氧化等改性方式都可以采用酶法改性来进行，能够将 普通的低价值蛋白原料通过改性变成高附加值的产品。蛋白质的酶法改性受到 食品工作者的普遍重视，并且已在食品加工中得到广泛的应用。 酶法改性分为两类：非水解改性和水解改性曾有人对植物蛋白尤其是大 豆分离蛋白进行了非水解改性如：转谷氨酰胺酶催化蛋白质分子交联；胰凝乳 蛋白酶脱酰胺能增加蛋白质的亲水性，提高蛋白的溶解度和分散性能 然而，蛋白质的酶水解改性具有更为重要的实用价值，蛋白质的酶水解能 提高它从食品原料中的回收率及功能特性，并且酶水解过程易于控制酶催化 下控制水解作用的原理口9 】：1 9 7 6 年a d l e r n i s s e n 首先提出了水解度( d e g r e eo f h y d r o l y s i s ) 的概念：d h = h ( 被裂开的肤键数) h 总( 蛋白质的总肽键数) 。1 9 7 7 年a d l e r n i s s e n 又采用这个参数描述了控制蛋白质酶催化水解的原理和方法蛋 白质在催化下水解，随着被裂开的肽键数不断增加，反应体系的p h 不断下降， 如果在反应过程中连续地加入碱液就有可能保持反应体系的p h 不变从化学角 度上看，肽键的水裂解过程中，其机理为： ( 1 ) 打开肽键： 一c h r - c o n h - c h r ”- + h 2 0 一 - c h r - c o o h + n h 2 一c h r ”一 ( 2 ) 质子交换： - c h r - c o o h + n h 2 - c h r “- r c h r - c o o 一+ n h 3 + = c h r ” ( 3 ) 氨基滴定： n h 3 + - c h r ”- + o h 一_ n h 2 c h r ”+ h 2 0 1 3 2 研究进展 我国于9 0 年代中后期才开始对谷朊粉改性进行研究，西南农业大学，中国 农业大学，江南大学，河南工业大学，华南理工大学等研究单位相继开展了对 谷朊粉的研究和产品开发工作，并取得了一系列的重大进展。早期对谷朊粉的 研究集中在谷朊粉生产工艺上，进入2 l 世纪后，我国对谷朊粉的研究主要集中 于改性方面。 物理改性方面：赵冬艳【”5 1 采用微波、湿热对谷朊粉进行处理，试验分析 表明，微波处理提高乳化性的最佳工艺条件为：p i l l 0 0 、谷朊粉浓度9 o 、加 热时间l o o s 和微波功率5 6 0 w 。在最佳条件下，谷朊粉的乳化活性及乳化稳定 性均为1 0 0 ，溶解度为3 7 6 。说明微波处理显著提高了谷朊粉的乳化性；用 湿热处理使谷朊粉的溶解度由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 。 化学改性方面：w o o d a 和s h o r t 4 6 1 用1 0m o l lh c i 溶液，7 5 处理3 0 分 钟得到的去酰胺面筋蛋白有很好的溶解性和乳化性以及起泡性，但酸去酰胺由 7 于作用温度高，而且在酸的催化下难以控制肽键水解程度，蛋白质也部分变性 李瑜【4 s 】等利用三聚磷酸钠对谷朊粉改性，改性后可使乳化性。溶解性，气泡性 及其稳定得到极大的提高。张红印1 4 9 1 等利用乙酸酐，琥珀酸酐对谷朊粉改性， 实验表明，在相同的反应条件下，乙酰化改性的程度大于琥珀酸酐改性，但琥 珀酸酐改性对谷朊粉功能的提高程度明显优于乙酰酐改性。史新慧1 5 0 1 等对用酸 改性面筋蛋白，在盐酸浓度为0 3 m o l l ，7 0 作用3 0 分钟，溶解度从3 o 上 升到5 4 8 ，乳化性也有明显提高张小麟等利用葡聚糖对谷朊粉糖基化反应 改性，大大提高了谷朊粉的溶解性和乳化性 基因改性方面：m a n s u r 5 2 1 等用基因工程的方法对中国春小麦的面筋蛋白进 行改性，将夏安小麦( 英文名c h e y e n n e ，一种高品质的制作面包的小麦) 的一条 染色体取代中国春小麦的一对染色体，实验结果表明：这种转基因小麦，面团 流变学性质好，制作的面包体积增大，品质良好。 酶改性方面：a k i ok a t o ”】报道在p h = l o 时，胰凝乳蛋白酶可进行去酰胺作 用，使大豆分离蛋白的乳化性和起泡性明显提高，其中约2 0 的天冬酞胺和谷 氨酰胺脱去了酰胺基。齐军茹p 5 1 等采用中性蛋白酶水解谷朊粉，对水解物的乳 化性能进行了研究，水解后的谷朊粉的乳化能力大大提高，并分析了酶水解前 后蛋白质结构的变化。赵冬艳等利用碱性蛋白酶【”1 和转谷氨酰胺酶【5 7 l 对谷朊粉 乳化性进行改良，研究了酶浓度，p h 、反应时问、反应温度对谷朊粉乳化性和 乳化稳定性的影响。孔祥珍”8 】等用木瓜蛋白酶对谷朊粉进行改性，在温度2 5 ， p h l l 0 ，物料浓度6 ，加酶量e s 为1 2 0 0 条件下水解3 h ，去酰胺度达5 0 ，溶 解度和乳化度都大大提高。顾振宇【5 9 】等采用蛋白质乳化容量电导法，对不同浓 度、p h 值和酶水解条件下大豆分离蛋白乳化容量和乳化稳定性进行研究，结果 表明乳化容量和乳化稳定性在低浓度下随浓度上升而增加，浓度 6 时趋于稳 定；等电点时乳化性最差，偏离等电点尤其在偏碱性条件下，乳化性明显增加； 酶水解后，乳化性交化较大，水解度1 7 时，乳化性最佳。y v e sp o p i n e a u 【6 0 1 等 利用胰蛋白酶水解谷朊粉，并通过超滤分离水溶性蛋白和疏水性蛋白，分别对 酶水解未分离蛋白，水溶性蛋白，疏水性蛋白的乳化性和气泡性做了研究，并 探讨了盐浓度，p h 值对蛋白乳化性和气泡性的影响。s r d r a g o ，i l l g o m z a l e z l 6 1 】 等利用真菌蛋白酶对谷朊粉改性，针对谷朊粉的起泡性与酶水解度的关系做了 研究，探讨了较好起泡力的p h 值范围和酶水解度。孔祥珍 6 2 1 等用蛋白酶水解改 性小麦面筋粉，研究了水解过程中水解度( d h ) 的变化，以及改性面筋粉的溶 解性、乳化性和吸水性，取得良好的效果。 1 4 课题研究意义以及主要内容 1 4 1 课题的研究意义 谷朊粉作为小麦淀粉生产的副产品，是一种优质、廉价的蛋白质资源，在 食品及非食品( 工业) 领域的应用正逐步受到人们的青睐。深入开发利用食品蛋 8 白质资源，关键是进一步提高其功能特性。目前国内把谷朊粉作为一种高效的 面粉增筋剂，将其用于高筋粉、面包专用粉的生产添加小麦面筋蛋白还是增 加食品中植物蛋白质含量的有效方法，能满足食品多种功能的需要，为开发食 品新领域提供了功能多、感官好、富有营养和经济性强的基础原料但由于谷 朊粉功能特性的某些局限性，尤其是乳化性能较差，不能满足食品工业以及其 它行业的要求，极大地限制了谷朊粉的应用因此，通过各种方法提高谷朊粉 的乳化性能以拓宽小麦面筋蛋白的应用范围，正是本课题的研究目的 目前谷朊粉的改性主要集中在酶法改性和化学改性化学改性虽然反应历 程短、成本低、设备要求不商、改性效果明显，但易在营养和毒理方面造成有 害的效应而酶法水解谷朊粉反应条件温和，酶水解过程易于控制，而且能保 留蛋白质更多的营养成分目前，国内外有关蛋白酶水解改善谷朊粉功能性质 的研究主要集中于单一蛋白酶改性研究，而在同一条件下，不同蛋白酶对面筋 蛋白改性的比较研究较少。从众多常用水解蛋白酶中筛选出改善谷朊粉乳化性 能的蛋白酶，提高谷朊粉的乳化性能，以拓宽谷阮粉的应用范围，正是本课题 的目的 本研究以安徽省“十五”重点科技攻关项目 水解度 酶用量。底物浓度、水解度、酶用量都为显著因素较好的工艺条件 为底物浓度8 ，水解度7 ，酶用量1 0 0 0 u g 乳化性达到7 3 7 1 ，乳化稳定 性达到6 2 4 4 3 5 应用条件对酶解谷朊粉乳化性能的影响 3