（食品科学专业论文）酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究.pdf

摘要 蛋白质和多糖是食品体系中最重要的两类生物大分子，是影响食品质构和质量的重 要因素，蛋白质和多糖在控制条件下通过m a i l l a r d 反应可发生一定程度的复合，而且复 合物具有良好的功能特性。因此，近年来关于蛋白质多糖复合物的功能特性研究是国内 外研究的一个热点。 本文以酶解小麦面筋蛋白为原料，研究了与壳聚糖和l 【- 卡拉胶在加热条件下的成胶 特性。以复合物凝胶的硬度、黏度、熔点和持水性为研究对象，研究了水解度、盐离子 浓度、多糖酶解小麦面筋蛋白比值和反应时间对复合物凝胶的影响。结果表明： ( 1 ) 复合蛋白酶酶解小麦面筋蛋白的最佳条件：酶浓度 e s 0 0 6a u g ，p h7 0 ，温 度5 5 ，时间5h 此条件下水解度为d b 7 6 1 。 ( 2 ) n a c l 的添加能降低壳聚糖酶解小麦面筋蛋白复合物的最低成胶浓度； ( 3 ) 对于壳聚糖酶解小麦面筋蛋白复合物，根据响应面试验得，壳聚糖酶解小麦面 筋蛋白比值的改变能显著改变复合物的凝胶特性；n a c l 浓度在1 8 9 6 到2 6 范围内变化 时，n a c l 浓度的增加能使凝胶硬度不断增加，凝胶持水性不断降低，当n a c l 浓度为2 2 时凝胶的热稳定性达到最佳；水解度在4 到1 0 范围内变化时，凝胶硬度和凝胶黏度的 变化不大，水解度为7 时，复合物凝胶的热稳定性和持水性达到最佳；反应时间对复合 物的凝胶特性影响较小。 ( 4 ) 少量添加k c l 能降低k 一卡拉胶酶解小麦面筋蛋白的最低成胶浓度，但添加量过 多时，反而能使最低成胶浓度升高； ( 5 ) 对于k 一卡拉胶酶解小麦面筋蛋白复合物，根据响应面试验得，卡拉胶酶解小 麦面筋蛋白比值的改变能显著改变复合物的凝胶特性；k c l 浓度对凝胶硬度和持水性的 影响较大，当k c l 浓度为0 0 9 m o l l 时，凝胶硬度和持水性都达到了最大值：水解度在 4 到1 0 9 6 范围内不断增加时，凝胶硬度和黏度的变化不大，凝胶的热稳定性不断增加； 反应时问对i t 一卡拉胶酶解小麦面筋蛋白复合物的凝胶特性影响较小。 关键词：小麦面筋蛋白酶解壳聚糖卡拉胶凝胶特性 a b s t r a c t p r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i d ea r ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h et e x t u r ea n dq u a l i t yo ff o o d p r o t e i na n dp o l y s a c e h a r i d ec a l lf o r mc o n j u g a t et h r o u g hm a i l l a r d sr e a c t i o nu n d e rt h ec o n t r o l c o n d i t i o n ，a n dt h ec o n j u g a t eh a se n h a n c e df u n c t i o n a lp r o p e r t i e s t h e r e f o r e ，t h es t u d ya b o u t t h ec o n j u g a t ed e r i v e df r o mp r o t e i na n d p o l y s a c c h a r i d ei sv e r yh o ti nr e c e n ty e a r s i nt h ep r e s e n tp a p e r , w h e a tg l u t e nh y d r o l y s a t e - p o l y s a c c h a r i d es y s t e mg e l l i n gc h a r a c t e r w a ss t u d i e d t h ei n f l u e n c ea b o u tt h ef o u rf a c t o r s ( d e g r e eo fh y d r o l y s i s ，s a l tc o n c e n t r a t i o n ， r a t i oo fp o l y s a c e h a r i d e w h e a tg l u t e nh y d r o l y s a t e ， a n dr e a c t i o nt i m e ) o nt h eh a r d n e s s , a d h e s i v e ，m e l t i n gp o i n ta n dw a t e r - h o l d i n gc a p a c i t yo fg e lw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d a s f o l l o w s ： ( 1 ) o p t i m a lc o n d i t i o no fc o m p l e xe n z y m e ：t i m eo fh y d r o l y s i s5 h , t e m p e r a t u r e5 5 ，p h 7 0 ，c o n c e n t r a t i o no fe n z y m e ( r a t i oo fe n z y m e s u b s t r a t e ) 0 0 6 a u g d hu n d e rt m sc o n d i t i o n w a s 7 6 1 。 ( 2 ) m i n i m u mc o n c e n t r a t i o ni nw h i c hc a nf o r mg e lw a sd e c r e a s ew h e nn a c lw a si n e x i s t e n c ei nt h eg l u t e nh y d r o l y s a t e c h i t o s a ns y s t e m ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d s ( r s m ) t e s to nt h eg l u t e nh y d r o l y s a t e c h i t o s a ns y s t e m , w ek j l o wt h a tc h a n g eo ft h er a t i oo fc h i t o s a n w h e a tg l u t e nh y d r o l y s a t ea r c s t r o n g l ya f f e c tt h eg e l l i n gc h a r a c t e r ；t h eg e ls t r e n g t hi n c r e a s e db u tt h ew a t e r - h o l d i n gc a p a c i t y o fg e ld e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fn a c lc o n c e n t r a t i o nr a n g eo f1 8 - 2 6 t h eg e l t h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t yw e r eb e s ta t2 。2 o fn a c l ；t h ec h a n g eo fd hi n4 - 1 0 h a ss m a l l i n f l u e n c eo ng e ls t r e n g t ha n da d h e s i v e ，t h eg e lt h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t ya n dw a t e r - h o l d i n g c a p a c i t yw e r eb e s tw h e nw a sd hw a s7 ：r e a c t i o nt i m eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h eg e l ( 4 ) t h em i n i m u mc o n c e n t r a t i o ni nw h i c hc a nf o r mg e lw a sd e c r e a s ew h e na l i t t l ek c iw a s i ne x i s t e n c ei nt h eg l u t e nh y d r o l y s a t e - c a r r a g e e n a ns y s t e m ，b u tt h em i n i m u mc o n c e n t r a t i o n w a si n c r e a s ew h e nm u c hk c lw a si ne x i s t e n c e ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d s ( r s m ) t e s to nt h eg l u t e nh y d r o l y s a t e c a r r a g c e n a ns y s t e m ，t h ec h a n g eo ft h er a t i oo fc a r r a g e e n a n w h e a tg l u t e nh y d r o l y s a t es t r o n g l y a f f e c tt h eg e l l i n gc h a r a c t e r ；k c ic o n c e n t r a t i o nh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ng e ls t r e n g t ha n d w a t e r - h o l d i n gc a p a c i t y , g e ls t r e n g t ha n dw a t e r - h o l d i n gc a p a c i t yw e r eb e s ta t0 0 9 m o l lo fk c i c o n c e n t r a t i o no f0 0 9 t o o l l ；t h ec h a n g eo fd hi n4 - 1 0 h a sn o to b v i o u si n f l u e n c eo ng e l u s t r e n g t ha n da d h e s i v e , t h eg e lt h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t y r e a c t i o nt i m eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h eg e l k e yw o r d sw h e a tg l u t e n ；e n z y m a t i ch y d r o l y s i s ；c h i t o s a n ；c a r r a g e e n a n ；g e l l i n gc h a r a c t e r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南 工业大学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了 谢意。 论文作者签名：盏l 鱼玺日期：型i ：尘：兰篁： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本人授权河南工业大 学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。( 保密的论文在解密后应 遵守此规定) 论文作者签名：垒l 塾望 日期： 7 岁叫 导师签名：呈乞出日期：幽：苎：丛 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 第一章国内外研究进展及立题意义 1 1 国内外研究进展 1 1 1 小麦面筋蛋白 1 1 1 1 小麦面筋蛋白的结构及化学组成 与动物蛋白相比，植物蛋白不仅来源丰富，价格低廉，且有较好的功能特性，可生 物降解，因此，越来越多的研究者们期望用植物蛋白代替动物蛋白。 小麦面筋蛋白( v i t a lw h e a tg l u t e n ) ，工业上称为谷朊粉，是小麦淀粉生产过程 中的副产物，是从小麦粉中提取出来的天然蛋白质，含有7 0 - - 8 0 以上的蛋白质( 干基) ， 和水结合即成面筋。且其氨基酸组成比较齐全，是营养丰富、物美价廉的植物性蛋白源。 1 7 2 8 年，意大利科学家b e c c a r i “1 首先从小麦粉中分离出面筋，但当时其重要性并 没有受到人们的重视。1 9 0 7 年，o s b o r n e 。1 首次将小麦蛋白质按其在不同溶剂中溶解度 的不同分为清蛋白( a l b u m i n ，溶于水和稀盐溶液) 、球蛋白( g l o b u l i n ，溶于1 0 的 n a c l 溶液) 、醇溶蛋白( g l i a d i n ，溶于7 0 的乙醇溶液) 和麦谷蛋白( g l u t e n i n ，溶于 稀酸或稀碱溶液) ，该分类方法的提出，为研究谷物蛋白特别是小麦面筋蛋白的功能特 性及应用奠定了理论基础，从而促进了面筋蛋白的研究进程。 小麦面筋蛋白质 麦醇蛋白麦谷蛋白 ( 单体存在)( 聚集体存在) 厂 广 l m w 亚基h m w 亚基 d 一麦醇蛋白a ，y 一麦醇蛋( 麦醇蛋白聚集体) i一 贫硫醇蛋白 i：一 富硫醇溶蛋白 i一 h m w 醇蛋白 图1 - ! 小麦面筋蛋白质的种类及相互关系 小麦面筋蛋白主要成分为醇溶蛋白和麦谷蛋白，占面筋干物质的8 0 左右，正是由 于其存在，小麦粉与水混合后能形成具有独特粘弹性的面团，经发酵烘烤后可得到体积 河南工业大学硕士学位论文 大且质地均匀、松软可口的食品。研究表明：面筋蛋白即醇溶蛋白和麦谷蛋白的组成和 结构是影响面团流变学特性和小麦粉烘焙品质的主要因素。 醇溶蛋白占面筋总蛋白的4 0 9 6 5 0 9 6 ，在组成上具有高度的异质性和复杂性。在单向 酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳条件下，一个品种可分离出1 5 3 0 个组份，经过双向电泳可 分离出多达5 0 个左右的组份嘲。醇溶蛋白为单体蛋白，分子量较小，约在3 0k d 一8 0k d 之间，富含谷氨酰胺和脯氨酸。醇溶蛋白分子呈球状，表面积小，分子问的相互作用力 不强，分子内既无亚基结构，又无肽链问二硫键，主要靠单肽链间的氢键、疏水键以及 分子内二硫键相互连结，形成较紧密的三维结构“1 ，因此，它缺乏弹性，而具有流动性， 主要赋予面团以延伸性。 麦谷蛋白约占面筋总蛋白的3 0 - - 4 0 ，是一种非均质的大分子聚合体。天然麦谷蛋 白聚合体是由分子量不一的各个亚基通过分子间和分子内二硫键结合而成的。当二硫键 被打断时，形成亚基。1 。麦谷蛋白分子量为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 。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，呈 纤维状，分子细长巨大，表面积大，分子间相互结合的能力强。其氨基酸组成多为极性 氨基酸，容易发生聚集作用。肽链问的二硫键和极性氨基酸是决定面团强度的主要因素， 它主要赋予面团以弹性m 。 除蛋白质外，小麦面筋蛋白质中还含有5 一1 0 的脂质、少量的碳水化合物及矿物 质。小麦面筋蛋白质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 以及成团性、成膜性和形成立体网络的能力。 任何一种蛋白质的功能特性都是由其结构和组成决定的。不同小麦品种的谷朊粉组 成不同，且蛋白质成分与小麦品质有关。谷朊粉氨基酸的分析表明，谷朊粉中含有大量 的谷氨酸( 包括谷氨酰胺) ，约占氨基酸总量的3 5 ”1 ，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。谷朊粉中所含的碱性氨基酸( 精、 组、赖氨酸) 较少，同时富含大量的非极性氨基酸残基，如亮氨酸、脯氨酸，这些非极 性氨基酸以疏水键交互作用存在，从而降低了其亲水性嘲。由于脯氨酸的环状( 氮戊环) 结构，肽链在此位点有一转折，使蛋白质无法形成a 一螺旋结构，从而形成大量的氢键。 而半胱氨酸以二硫键，极性氨基酸以静电作用结合。这些键合方式对面筋结构的形成很 重要，其中二硫键尤为突出。就象分解高分子聚合物一样，断开谷朊粉中的二硫键， 面筋粘度会急剧下降。谷朊粉中游离巯基( 一s h ) 在某些条件下，有可能发生氧化形成 二硫键，形成分子大小和性质不同的蛋白质“。显然，要提高和拓宽蛋白质的功能 特性，就必须从改变蛋白质的侧链结构入手。 2 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 蛋白质改性就是用生物因素、物理因素( 如热、射线、高频电场、微波、超声波、 机械震荡等) 或化学试剂、酶制剂等使其氨基酸残基和多肽链发生某种变化，引起蛋白 大分子空间结构和理化性质的改变，从而获得较好的功能特性和营养特性的蛋白质“”。 目前，可用于植物蛋白改性的主要方法有物理改性、酶法改性、基因工程改性和化学改 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问的聚集方式，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 蛋白质的定向变性“”，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。但物理改性对设备要求较高，目前尚未有工业化的报道“”。 酶法改性是指通过蛋白酶的水解作用使植物蛋白的空问结构及其功能特性发生相 应的改变。蛋白质进行限制性酶解后，可产生具有一定功能性质的肽段，而这些肽与原 有蛋白质的区别在于它们的分子相对小些，同时通常伴有重要结构的重排，导致一些原 来包埋在蛋白质分子内部的疏水区暴露在溶剂中，因此产生的肽可以具有新的营养、功 能及生物特性。一般说来，蛋白酶的限制性水解可提高蛋白质的溶解性，乳化性和发泡 性等功能性质“”。酶水解工业中常用的蛋白酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、中 性蛋白酶、碱性蛋白酶等，这些酶的来源不同，底物专一性也不相同。因为动物蛋白酶 较昂贵，所以现在在工业上大部分使用微生物蛋白酶。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，且水解时问短，条件温和，专一性强，反应易控制， 改性效果好“”。 基因工程改性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“”。 蛋白质的化学改性是指蛋白质分子化学结构的改变，包括两个方面：蛋白质分子的 侧链基团的改变；蛋白质分子主链结构的改变。化学改性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、咪唑基、羧基和硫咪基等； 氧化还原反应；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 一硝基酪氨酸的衍生物。此外，还有酸碱处理、酰氨化 和酯化、磷酸化、硫醇化、糖基化和共价连接氨基酸等。植物蛋白的化学修饰方法中脱 乙酰化使用最多，但都是提高发泡性和乳化性，对凝胶性贡献较小，而磷酸化可以在很 大程度上提高凝胶性。化学改性，方法简单，对设备要求不高，价格相对便宜，对植物 蛋白的乳化性、溶解性等性质有较大程度的提高，使蛋白用途大为拓宽，但是不可否认 3 河南工业大学硕士学位论文 的是某些化学处理可能会造成营养和毒理方面的问题，使得人们对这种方法的安全性产 生了担忧，但这只是少数，大部分化学改性都是安全的、可靠的。因此，化学改性仍是 目前最常用的改性方法之一。 1 1 1 2 小麦面筋蛋白的应用概况 小麦面筋蛋白质由于其丰富的营养价值，低廉的价格，和安全性高等优点而广泛应 用于许多领域。 在食品领域方面，由于小麦面筋蛋白吸水后能形成具有网络结构的湿面筋，具有优 良的粘弹性、廷伸性、热凝固性、薄膜成型性及清淡酵味或略带谷物口味等独特的物理 特性，可满足多种功能需要，应用于各类食品“”。传统食品中的面筋、烤麸、古老肉、 素鸡、素鸭就是小麦面筋蛋白质的一些功能特性的简单应用；在现代食品中，小麦面筋 蛋白质通常是作为食品添加剂、品质改良剂等。作为一种纯天然的食品添加剂，它在食 品安全等方面也具有无可比拟的优势，已被广泛应用于各种面筋食品中。用来增加面粉 面筋含量，以达到生产各种等级粉和专用粉的要求。某些小麦面粉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，所以作为品质改良剂的小麦面筋蛋白质的特 殊功效就在于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、纹理清 晰、组织均匀、气孔壁薄及透明性好、色泽洁白等“”。在面粉中添加小麦面筋蛋白质后， 可使面包的烘焙特性更好。此外，添加小麦面筋蛋白质还可防止面包水分散失，保持面 包柔软的风味，延缓面包老化。在畜肉制品加工中，可使用在某种程度上经还原剂或 酶等进行加工处理过的变性小麦面筋蛋白质作为香肠制品中的弹性加强物，其添加量为 2 一3 。最近几年，小麦面筋蛋白质还被加工成糊状或纤维状蛋白制品，取代牛肉饼、 饺子、烧麦等食品中的肉糜，防止了加热过程中脂肪和肉汁的流失。在饲料工业中，由 于其强力的粘附能力，当小麦面筋蛋白质与饲料中的其它成分充分拌和后，很容易形成 颗粒，投放到水中吸水后因其中豹饲料颗粒被充分包络在湿面筋网络结构中并悬浮于水 中，所以营养不会损失，大大提高了动物对其的利用率o “。 在非食品领域，由于小麦面筋蛋白质具有独特的吸脂乳化性，粘弹性，成膜性和经 济性，丽受到人们的关注，其在非食品领域的应用，曾做过详尽地综述。4 ，如表卜2 所 示。 4 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 表卜1 谷朊粉在非食品领域的应用 应用 说明 膜类材料 涂层材料 粘接剂 橡胶制品 洗涤剂 化妆品和护发用品 墨水类 多聚物树脂类 成形的食品容器 薄壁医药制品 纸浆 香烟过滤嘴 抗冻结水泥 以谷朊粉为基质的包装膜，具有良好的机械性能，和可食用、 可再生、可生物降解、阻隔空气等。 谷朊粉涂层能保护食品的风味，延长货架期，经改性的谷朊粉 具有比纸涂层更优良的特性。 改性的谷朊粉水解物可用于压敏性粘接剂。 改性谷朊粉可增加非轮胎橡胶的强度。 改性的蛋白水解物可稳定加入清洁剂中酶的活性，除去污渍。 谷朊粉水解物可用作化妆品的增水剂，还可用于护发用品中的 气泡剂和调节剂。 在水释墨水中加入谷朊粉，可减缓笔尖的干结，加速墨水在某 些表面的干燥。 谷朊粉水解物赋予某些多聚物和树脂韧性与弹性，谷朊粉和淀 粉可植入多聚物。 面粉、淀粉、水经加热、加压形成坚固稳定的食品容器，加入 谷朊粉可形成防水层。 在胶原中添加2 - 5 0 的谷朊粉，经挤压和凝固，可制成可生 物降解的、有弹性的医用手套、导管、绷带等。 谷朊粉乙氰化，或脱酰胺，或用醋酸酐、琥珀酸酐、马来酸酐 改性，可用于生产纸浆。 用谷朊粉和小麦粉制备的香烟过滤嘴，具有很高的吸附气体和 释放出美好的烟味的作用。 谷朊粉加入水泥中，可起到掺汽的作用，防止水泥冻裂。 此外，谷朊粉还可应用于医药胶囊，重金属回收，农业害虫防治，各种热塑产品， 废纸除字剂，废油的固化物，颜料，干电池，陶瓷生产等方面。 1 1 2 多糖 1 1 2 1 壳聚糖的结构及化学组成 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素( c h i t i n ) 脱乙酰基后的产物，是甲壳素最基本、最重要 的衍生物。甲壳素又名甲壳质、几丁质，化学名为( 1 ，4 ) 2 一乙酰胺2 一脱氧一b d 一 5 河南工业大学硕士学位论文 葡聚糖，主要存在于虾、蟹、蛹及昆虫等动物外壳以及菌类、藻类植物的细胞壁中。节 肢类动物的干外壳约含2 0 5 嘶甲壳素。自然界中甲壳素有三种结构：q 、y ，其中 最为常见、普通的是n 型。地球上每年甲壳素的生物合成量为数十亿吨，是产量仅次 于纤维素的天然高分子化合物。下图i - 2 和i - 3 是甲壳素和壳聚糖的结构： 图i - 2 甲壳素分子的结构示意图 肇掣h # r 粥 o “h 群h t 罅堪矿船 “i 1 0 1 - i 趣& 冁a h 图1 3 壳聚糖分子的结构示意图 纯净的甲壳素和壳聚糖均为白色片状或粉状固体，比重0 3 ，常温下能稳定存在。 甲壳素分子之间存在强烈的氢键作用，使得甲壳素形成高度的结晶结构，因而甲壳素分 子高度难溶。甲壳素不溶于水及绝大多数有机溶剂，也不溶于稀酸、稀浓碱，只溶于浓 酸和某些溶剂。壳聚糖分子的活性基团为氨基而不是乙酰基，因而化学性质和溶解性较 甲壳素有所改善，可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和绝大多数有机溶剂。由于 氨基和羟基比较活泼，壳聚糖的化学性质较甲壳素活泼，可以发生多种化学反应，比如 烷基化、酰基化反应等等“”。 i 2 2 壳聚糖的国内外应用概况 壳聚糖及其衍生物由于其可再生性、生物相容性以及结构中的多种活性基团，具有 多种优良的性质，已经广泛应用于化妆品、食品、医药、农业、环保等多个行业中。 在环保中的应用 壳聚糖及其衍生物能够通过分子中的氨基和羟基与多种金属离子形成稳定的整合 物且可帮助微粒凝聚，故广泛用作化工、轻工纺织等废水处理中的吸附剂和絮凝剂。壳 聚糖作为吸附剂和絮凝剂，能够有效地捕集溶液中的重金属离子和有机物，并可以抑制 细菌生长，使污水变清，特别是对于汞、铬、铜、铅、钴、锌和砷等元素的离子有明显 的吸附滤除作用胁”。盯。 6 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 在食品中的应用 壳聚糖作为絮凝剂已应用于饮料、食品加工等液体的处理上。在酸性介质中，壳聚 糖作为阳聚电解质与果汁中的蛋白质等阴电解质絮凝，形成絮凝物而沉淀，从而达到果 汁澄清的耳的。将其用于各种流体如饮料、果汁包括苹果汁、山楂汁、葡萄汁和其它甜 果汁的处理，以及作为酿酒澄清剂、原料糖汁纯化剂、饮用水高效复合絮凝剂等，效果极 佳。”。壳聚糖及其衍生物在人体内降解后生成无害的氨基葡萄糖，可以放心使用，作为保 水剂、乳化剂、增粘剂在食品工业中广泛使用。壳聚糖还有抗菌、杀菌作用，可抑制 细菌、霉菌的生长，常添加于腌制食品中或用于海产( 虾) 、水果( 荔枝、猕猴桃) 的保鲜。 壳聚糖已被f d a ( 美国食品药物管理局) 批准为食品添加剂。食品壳聚糖为带氨基葡萄 糖，与胃酸作用生成水溶性壳聚糖胺盐，有助于调节消化道的酸性平衡，创造一个不易生 病的体质，是一种天然的机能性食品。研究表明，壳聚糖对人体有五大功能免疫强 化机能，抑制老化，预防疾病，促进疾病痊愈和调节人体的生理机能。因此，1 9 9 1 年被欧美 学术界誉为继蛋白质、脂肪、糖类、维生素和无机盐之后的第六生命要素。甲壳素和壳 聚糖及其衍生物在食品工业方面作为食品和饮料的功能组分、营养添加剂已得到应用， 如作为减肥食品、功能性甜味剂啪1 。 在日用化妆品工业中的应用 壳聚糖及其衍生物具有极强的附着力，同时有成膜、保温、防尘、抗静电等优良性 能，因此可用于制备发型固定剂、毛发保护剂、柔软剂等，不仅能使头发蓬松、易于梳 理、保持头发的色泽，而且还具有促进毛发生长的作用，广泛应用于配制香波、润肤剂、 固发摩丝和洗发水等，其性能优于传统的配料产品。 在医药工业中的应用 在医药工业中，由壳聚糖制得的手术缝合线机械强度好，可长期存放，能用常规方 法消毒，能被人体内组织液降解而吸收，伤口愈合后无须拆除手术线。“。由壳聚糖制成 的人造皮肤，具有柔软、舒适的特点，覆盖在烧伤面上能减轻痛苦，加速伤口愈合，促 进皮肤再生。此外，壳聚糖还可用于微型胶囊的制备和疫苗的缓释，用作消炎眼膏的载 体和用于制造隐形眼镜等。 在纺织工业中的应用 用壳聚糖醋酸溶液作直接染料和疏化染料的固化剂，不仅可以增进织物和花布的耐 光和耐磨性，而且可使织物富有滑爽和硬挺的外观嘲。 1 1 2 3 卡拉胶的结构及化学组成 卡拉胶是一类从红藻中提取出来的水溶性多糖，始于爱尔兰。在2 0 世纪5 0 年代，美 国化学学会将它正式命名为c a r r a g e e n a n 。2 0 世纪6 0 年代r e e s 等人“1 对卡拉胶的组 7 河南工业大学硕士学位论文 成和结构进行了深入的研究，证实卡拉胶是由1 ，3 一b d - 吡喃半乳糖和1 ，4 - a d - 吡喃半 乳糖作为基本骨架交替连接而成的线性多糖1 。根据半酯式硫酸基在半乳糖上连接的位 置不同，可分为7 种类型，可以用简单的通式表示如下： n-半乳糖一a一硫酸i蓍茎；|；萎量量三一硫酸脂 。一半乳糖一z 一硫酸脂 薹圣三| i 圣差蓁一。一硫酸脂 i i 一卡拉胶 v 一卡拉胶 k 一卡拉胶 l 一卡拉胶 一卡拉胶 一卡拉胶 0 一卡拉胶 1 1 2 4 卡拉胶的国内外应用概况 卡拉胶用作天然食品添加剂已有多年的历史，它是一种无害而又不能被人消化的植 物纤维，用途非常广泛。国外的卡拉胶商业性生产是从2 0 世纪2 0 年代开始的，我国则从 1 9 8 5 年开始生产商业用卡拉胶，其中8 0 用于食品或与食品有关的工业。 凝固剂 卡拉胶具有形成半固体状凝胶的特点。 卡拉胶是制作水果冻的一种极好的凝固剂，在室温下即可凝固，成型后的凝胶呈半 固体状，透明度好，而且不易倒塌。也可用卡拉胶添加营养物质做成果冻粉，食用时加水 溶化非常方便，还可作牛奶布丁和水果布丁的凝固剂，具有泌水性小，组织细腻，黏度低， 传热好。用豆沙作羊羹时，可加入卡拉胶作凝固剂。用卡拉胶作凝固剂制成的水果冻罐 头，食用和携带都很方便，其中加有水果，营养成分比一般的水果冻更好。卡拉胶也可作 肉类罐头的凝固剂。在制作透明水果软糖中用卡拉胶作凝固剂，软糖的透明度好，水果香 味浓，甜度适口，爽口不粘牙。在一般硬糖中加入卡拉胶，能使产品均匀、光滑，稳定性增 高。 稳定剂 干的卡拉胶粉末很稳定，长期放置不会很快降解：卡拉胶的溶液在微碱性或中性时 很稳定，但在酸性情况下便不稳定，容易发生水解。卡拉胶可作冰淇淋的稳定剂，使脂肪 和其他固体成分分布均匀，防止乳浆分离以及冰晶在制造与存放时增大，使冰淇淋组织 8 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 细腻、结构良好、润滑适口。制作婴儿食用的牛奶和豆奶食品需要加入卡拉胶，能使脂 肪和蛋白质稳定，不会分离。在咖啡或茶的提取物中加入卡拉胶作稳定剂，可制成千粉状 或膏状，这样的产品用热水冲开即可饮用，非常方便。在水果酸奶中加入卡拉胶，能使产 品均匀而又稳定，以防止热和酸的分解，增加果肉的悬浮和减少泌水性。 悬浮剂 卡拉胶能作水果汁的悬浮稳定； i ，在果汁中加入卡拉胶，能使果肉颗粒均匀地悬浮 在果汁中，减缓下沉速度，并能改进饮用时的口感。在可可牛奶中加入卡拉胶，卡拉胶能 与蛋白质起反应，使可可粉悬浮而不下沉。 成型剂 西式奶油点心、大型蛋糕等西点，在其表面有很多花样或文字装饰，在装饰物中加入 卡拉胶，能使花纹成型好，不易变形或倒塌，而且不粘包装纸。在制作奶酪制品时，加入卡 拉胶，能形成稳定的膏状体，保持形态，防止泌水。 澄清剂 卡拉胶是一带负电荷的高分子多稽，分子上带有半硫酸酯基团，能与蛋白质反应。卡 拉胶作澄清剂常用于酒、醋、酱油等，在啤酒生产中，卡拉胶作为澄清剂，除去使啤酒发 混的蛋白质，使产品澄清透明，效果很好，同时还能提高啤酒的挂杯能力和啤酒泡沫的稳 定性。 增稠剂 卡拉胶能形成高黏度的溶液，是由于它们无分支的直链型大分子结构和聚电解质的 性质所造成的。在酱油、鱼露和虾膏等调味品中加入卡拉胶作增稠剂，能提高产品的稠 度和调整口味。用卡拉胶调制西餐的色拉效果也很好。制作红豆酱时可加入卡拉胶作增 稠剂、凝固剂和稳定剂，使产品分散均匀，口感好。 黏合剂 卡拉胶能形成高黏度的溶液，在果酱或鱼子酱等罐头中可用卡拉胶作凝结黏合剂， 效果很好。 1 1 3 蛋白质一多糖交互作用国内外研究概况 我国在食用天然高分子之间的交互作用这一领域的研究起步较晚，目前已有了一 些文献报道，但主要集中于蛋白质一多藉体系的感性研究，其重点是研究在食品加工中 的应用。 许多发达国家如美国、英国、法国和俄罗斯等对天然高分子的研究起步较早，但它 们普遍侧重于蛋白质与多糖混合后的流变性质的变化规律等方面，利用差热分析方法来 探讨交互作用的强弱及交互作用键的种类和稳定性，从而揭示交互作用的机理。目前， 9 河南工业大学硕士学位论文 研究蛋白质一多糖体系功能特性最多的是美国、英国、法国和俄罗斯等一些发达国家。 对于体系的凝胶特性的研究起于八十年代中期，主要研究血清蛋白、肉类蛋白等蛋白质 与海藻酸钠、低甲基果胶和甲基纤维素等阴性多糖的凝胶体系的特性，而且主要研究其 凝胶强度和持水性。”，而对于凝胶体的其它特性，如熔点、凝固点以及热可逆性等方面 的研究不多。至于我国在这一方面的研究则更少，而且多偏重于生产应用研究。 从目前所报道的文献来看，蛋白质一多糖的共价复合物都是通过控制的自发的 m a i l l a r d 反应来实现的。由m a i l l a r d 反应制得的蛋白质一多糖的共价复合物，其功能 性质受蛋白质和多糖的种类、分子量及反应底物配比和复合程度等多种因素的影响嘲。 交互作用在食品工业中的应用主要有以下几方面： 蛋白质的回收和分离提纯 s l e r b e r g 等人研究从乳酪的废水中回收蛋白质，结果表明：海藻酸钠、羧甲基纤维 素( c m c ) 等可用来沉淀蛋白质，其中利用c m c 的回收率高达9 0 以上，并且其回收率与 溶液的p h 值、离子强度和多糖浓度等因索有关。 抑制蛋白质沉淀 在等电点时，阴电多糖可抑制蛋白质的沉淀，这是因为多糖的结合使蛋白质的等电 点发生漂移。 提高食品的保存性 g a t f i e d 等人发现：低p h 值下，由于多糖上的负电基团与酶蛋白上的阳性基团的交 互作用，导致酶的构型发生变化。实际上，多糖扮演了竞争性酶抑制剂的角色。因而 可以认为，离子聚合物的添加具有钝化食品中酶的功能，可延长食品的保存性。n a k a m u r a 也发现溶菌酶与半乳甘露聚糖、糊精等，通过共价键相连的聚合物也表现了较好的抗菌 活性，从而得知此聚合物也可作为一种食品抗菌剂1 。 提高食品体系的凝胶稳定性 蛋白质一多糖络合物被认为是一种新型的胶凝剂，通过控制其形成条件，可控制凝 胶的流变特性，例如，酪朊酸钠与海藻酸钠形成的凝胶，在8 0 也不融化。更为有意义 的是，两大分子组分在不能单独形成凝胶的条件下，混合后却能形成凝胶体，如明胶一 海藻酸钠复合物，且其凝胶特性随组成配比、p h 值和离子强度的变化而变化。 提高食品体系的乳化稳定性 蛋白质与多糖形成复合物后，其乳化能力有很大的提高。k a t o 等发现卵白蛋白与葡 聚糖形成络合物后乳化特性远高于单独使用的卵白蛋白，也优于市售的乳化剂，即使在 酸性环境及高盐份状态，其乳化能力仍能保持。 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 i 2 立题的背景和意义、课题研究内容及创新 1 2 i 立题背景和意义 小麦面筋蛋白作为一种植物蛋白，来源丰富，价格低廉，安全性高并且可生物降解， 有着许多动物蛋白所不能比的优势。小麦通过深加工，可分离出淀粉和小麦面筋蛋白， 淀粉可进一步转化成葡萄糖、酒精或生产味精、变性淀粉等，其应用和研究已比较多， 且方法已比较成熟。但对于小麦面筋蛋白，一方面随着小麦淀粉生产行业的蓬勃发展， 其产量呈上升趋势，世界每年平均产量达1 0 0 万t ；另一方面，传统市场对面筋蛋白的 需求已趋饱和，并造成相对过剩。因此，开发利用小麦面筋蛋白成为小麦深加工中不可 忽视的问题。 凝胶特性是蛋白质重要的功能特性之一，蛋白凝胶的网状结构可吸附水分、脂肪、 风味物质、糖及其它食品成分，因此应用十分广泛。如用于午餐肉、香肠、馅饼等碎肉 制品中。目前国内外对植物蛋白凝胶形成性的研究大多集中在大豆蛋白的研究上，对小 麦面筋蛋白成胶特性的研究很少，尤其是对小麦面筋蛋白多糖复合物的成胶特性的研 究更少，而利用酶解小麦面筋蛋白、多糖反应的成胶特性尚未见报道。通过研究酶解小 麦面筋蛋白多糖交互作用复合物的成胶特性，探讨小麦面筋蛋白多糖复合物的成胶机 理；开发制各出小麦面筋蛋白多糖复合物所形成的凝胶，并讨论凝胶在食品中的应用， 对拓宽小麦面筋蛋白在食品中的应用范围和提高小麦的附加值有着深远的意义。 1 2 2 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 小麦面筋蛋白酶解工艺研究 主要研究p h 、反应温度、反应时间、底物浓度和酶浓度对小麦面筋蛋白酶解过程中 水解度的影响，并利用正交实验探讨酶解的最佳条件； ( 2 ) 各因素对酶解小麦面筋蛋白多糖复合物成胶特性的影响 主要研究：水解度、离子强度、酶解小麦面筋蛋白多糖比值、反应时间等因素对 酶解小麦面筋蛋白与多糖相互作用的影响； ( 3 ) 酶解小麦面筋蛋白多糖成胶特性研究 主要研究：酶解小麦面筋蛋白多糖的最低成胶浓度；小麦面筋蛋白多糖凝胶的流 变学特性； ( 4 ) 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶的热特性研究 1 2 3 本课题的特色及创新点 本课题的特色及创新点在于： l l 河南工业大学硕士学位论文 1 、本课题利用限制性酶解小麦面筋蛋白为原料，和多糖发生交互作用，研究复合物 的凝胶特性，这在国内外尚未见报道。 2 、本课题探讨了水解度、离子强度、p h 值等对蛋白质一多糖复合物凝胶特性的影响， 这在国内外尚未见报道。 酶解小麦面筋蛋白多糖凝胶特性研究 第二章小麦面筋蛋白酶解物的制备 2 1 引言 由于小麦面筋蛋白的功能特性存在某些局限性，尤其是其溶解性和乳化性较差，难 以满足食品及非食品工业的要求，所以在食品中的应用受到制约。蛋白质的功能特性与 其组成及结构密切相关。为提高小麦面筋蛋白的功能特性，改性是目前国内外常用的技 术手段，蛋白质水解是其中一种常见的方法。 化学法、物理法和酶法是蛋白质水解的三种常见方法。其中酶法水解仅使肽键断裂， 而氨基酸的结构和构型保持不变，不会产生有毒、有害物质。随着人们对食品安全日益 关注酶法水解将成为食品工业发展的必然趋势“”酶是由生物活细胞产生的具有催化功 能的蛋白质。利用蛋白酶可以将蛋白不同程度的水解，生成具有不同分子量的多肽片段 水解蛋白。 酶法水解蛋白的机理是在蛋白酶的作用下，断裂肽键而实现。水解反应过程如 下： 一c h r - c o 一i v ：h c h r 。+ 。h 2 d 臣鲤堕璺o c 舰- - c o o h + f 岍2 一c 丑r ” p r o t a m e x 是一种诺维信公司为水解食物蛋白质而开发的枯草杆菌( b a c i l l u s ) 蛋白酶 复合物，它的最佳工作条件为p h 5 5 7 5 ，温度为3 5 - - 6 0 c t 4 2 j 。 本章以酶解蛋白的水解度为指标，利用复合蛋白酶进行小麦面筋蛋白的酶解，利用 单因素试验和正交试验确定酶解过程中的最佳条件，为后续反应奠定基础。 2 2 材料与方法 2 2 1 试验材料与试剂 小麦面筋蛋白 复合蛋白酶( p r o t a m e x ，1 5 a u g ) n a o h 2 2 2 主要仪器与设备 市售 丹麦n o v 0 公司 洛阳市化学试剂厂 1 3 河南工业大学硕士学位论文 电子天平 7 8 1 型磁力恒温搅拌器 p h s 一2 5 b 型酸度计 d f - i i 集热式磁力加热搅拌器 m 一6 a 型数显多头磁力恒温搅拌器 1 0 1 a - 1 型干燥箱 日本s h i m a d z n 公司 上海南江电讯器材厂 上海大中分析仪器厂 江苏省金坛市医疗仪器厂 江苏金坛市荣华仪器制造有限公司 上海市实验仪器总厂 2 2 3 实验方法 2 2 3 1 小麦面筋蛋白基本指标测定 含水量测定：1 0 5 恒重法( g b 5 4 9 7 - 8 5 ) 粗蛋白含量测定：微量凯氏定氮法( g b t 5 5 1 1 - 8 5 ) 。蛋白质换算系数为5 7 0 。 粗脂肪含量测定：索氏提取法( g b 5 5 1 2 - 8 5 ) 粗淀粉含量测定：1 盐酸旋光法 2 2 3 2 水解度测定：p h - $ t a t 法 水解度( d e g r e eo fh y d r o l y s i s ，d h ) 是指蛋白质分子中通过生物的或化学的方法 水解而断裂的肽键占蛋白质分子中总肽键的比例。它是衡量蛋白质水解程度的一个重要 指标，也是决定水解度性质的重要因素。 水解度的计算d 隅= b n ( qmh 总) * 1 0 0 其中b ：水解过程中消耗的n a o h 量( m 1 ) 。 n ：n a o h 的摩尔浓度( o 1 m o l l ) m ：蛋白质总质量 h 总：每克蛋白质中肽键的总量( 通常为常数8 3 8 ) n ：a 一氨基的解离度 而的计算为：l o p h - p k ( 1 + l o p h p k ) p h ：实验时采用的p h 值 p k ：d 一氨基的解离常数( 7 o ) 2 2 3 3 酶解小麦面筋蛋白的制备 将小麦面筋蛋白，边搅拌边加入蒸馏水中，制成一定浓度的悬浊液，调节适当p h 值 后，恒温搅拌，加热到酶的适宜温度，将酶按比例加入悬浊液，开始记时