食品胶体概论.doc

食品凝胶的成胶机理摘要：由于蛋白质形成的凝胶会影响食品的质构和品质，所以研究蛋白质凝胶对于食品科学有极其重要的意义。然而，蛋白质形成凝胶的机理过于复杂，需要更先进的技术来研究。凝胶特性是食品蛋白质最重要的功能特性之一，人类在很久以前就利用蛋白质的凝胶特性来制作凝胶类食品，其中最典型的就是中国的豆腐和西方的奶酪。但是， 蛋白质的凝胶机理及其过程动力学还没有被完全了解。随着现代研究分析技术与方法的发展，有关蛋白质凝胶的机理与过程的研究已经取得大量的成果，下面将有关蛋白质凝胶机理的研究进展作一综述。关键词：蛋白质 凝胶 凝胶机理凝聚和凝胶过程对食品加工起着重要的作用，它们能形成食品所需要的质构，也会带来不需要的沉淀或是分层现象。因此，研究胶体形成的特性对于稳定和形成食品所需结构十分重要，并且通过控制凝胶反应优化食品加工过程，提高食品品质。本文就蛋白质凝胶的定义及类型、影响蛋白质凝胶的因素以及蛋白质凝胶的机理等方面作以下综述。1.蛋白质凝胶的定义及类型蛋白质凝胶的形成可以定义为蛋白质分子的聚集现象， 在这种聚集过程中， 吸引力和排斥力处于平衡，以至于形成能保持大量水分的高度有序的三维网络结构或基体（matrix）。如果吸引力占主导， 则形成凝结物，水分从凝胶基体排除出来。如果排斥力占主导， 便难以形成网络结构。蛋白质凝胶的类型主要决定于蛋白质分子的形状。由于凝胶过程是一个动态过程， 也受外界环境的PH、离子强度以及加热的温度和时间的影响。 纤维状蛋白质分子，如明胶和肌浆球蛋白凝胶的网络结构由随机的或螺旋结构的多肽链组成。Ledward报道，明胶的凝胶网络为线性分子通过形成连接区而形成凝胶网络。 Hermanssan和 Langlon; 观测到肌浆球蛋白凝胶是由线性分子间形成连接点而构建成三维网络。2.影响蛋白质凝胶的因素能形成凝胶的生物材料，除多糖就是蛋白，而蛋白凝胶与多糖凝胶最明显差别就是多糖凝胶为热可逆凝胶，这是因为多糖没有变性问题，所以可以反复加热一融化一冷却一凝胶这个过程。而蛋白凝胶(除明胶外)为热不可逆凝胶，一经成型就不能再加热变成流体，这也是蛋白质本身性质所决定的。蛋白质要形成凝胶，需要蛋白质部分变性，这样蛋白质分子伸展，以利于分子间形成更多相互作用，从而形成一定网络结构，锁住水分，形成凝胶。当然，影响蛋白凝胶因素有很多，如蛋白质组成、蛋白质浓度、pH、离子强度、成胶温度、剪切速率等，因此研究这些因素与凝胶结构关系就显得非常必要。2.1蛋白质组成大豆分离蛋白主要包括7 S和11 S两种球蛋白成分，其中按不同物化性质，7 S又包括B一大豆伴球蛋白，Y一大豆伴球蛋白和碱性7 s球蛋白，其中以p一大豆伴球蛋白为主要成分，而11 S球蛋白就一种。所以，大豆分离蛋白又常常被描述成由大豆球蛋白和p-大豆伴球蛋白组成，就分别指1l s和7 S球蛋白。已经有人分别研究这两种蛋白凝胶性质。由于这两种蛋白结构存在很大不同，因结构不同导致它们对凝胶形成影响不同。大豆球蛋白分子六对亚基均为一个酸性亚基和一个碱性亚基以一个二硫键连接，且各个亚基上还分别含有2到3个半胱氨酸和胱氨酸侧链残基。整个分子显得较致密，分子刚性较强，其受热变性所需能量较高，一旦分子变性蛋白质侧链伸展开后，相互之间可形成较牢固二硫共价键，从而使形成凝胶有较强硬度和脆性。German等发现，大豆球蛋白热转变温度是72，但大豆球蛋白热力学行为与蛋白质浓度、pH、离子强度等相关。在高浓度下，NaCl和NaBr可明显提高大豆球蛋白在溶液而B一大豆伴球蛋白亚基含半胱氨酸残基很少，只有。a和a亚基分别含有一个SH，亚基本身只能通过静电力和盐键连接，因此即使在凝胶过程中，蛋白分子伸展开，也只能形成很少二硫共价交联。为了能形成自支持凝胶，B_大豆伴球蛋白所需浓度要比大豆球蛋白高许多。如在100*C，05 M离子强度下，B一大豆伴球蛋白凝胶浓度为75，而大豆球蛋白仅为25。22盐和pH盐和pH可改变蛋白质功能基团电离(作用)和双电层厚度，影响蛋白质一蛋白质相互作用。加入盐，特别是钙离子，或许对凝胶作用是必要的，也可能促进凝胶作用速度和凝胶强度，钙桥能提高许多凝胶硬度和稳定性。另外，盐的种类对于大豆分离蛋白凝胶性质有着不同影响，NaCI和NaBr能提高凝胶时蛋白变性温度，而NACl和NaSCN则可降低蛋白变性温度。仅以NaCl为例，随加入NaCl量逐渐提高(052)，pH75，5大豆分离蛋白溶液变性温度也随之提高，这可以看作NaCl对分离蛋白在溶液中的稳定作用在较低范围内有较强影响。NaCl加入使溶液中蛋白分子间静电相互作用加强，而凝胶刚度则是在05NaCl浓度下达到最高值，表明低离子强度，亚基解离得到加速，而进一步提高离子强度，可能会阻碍四级结构解聚。盐对蛋白质凝胶性能影响可能有两方面原因在低离子强度时，盐可通过屏蔽蛋白质上电荷从而减少蛋白质分子间静电斥力：但随着盐浓度增加，蛋白质上电荷饱和，在此情况下，由于溶剂水的性质因盐的存在而改变并导致疏水相互作用增强成为主导效应。2.3剪切力一般在凝胶制备中，对于剪切力影响很少考虑。而高剪切力可明显改变大豆分离蛋白在溶液中结构变化，并进而影响其形成凝胶性质。采用高剪切力(5X 104S_1)，170gL大豆分离蛋白溶液在50剪切，冷却后形成凝胶，或在60剪切，不经冷却而直接凝胶。电镜图片显示球蛋白聚集体在剪切过程中，随剪切及升温作用而变成纤维状结构。这是剪切力诱导蛋白变性，其形成凝胶有很好功能性质。对疏水性参数测定发现，在凝胶形成过程中疏水性不断提高，这是球蛋白由于剪切变性而暴露内部疏水基团，从而结果使疏水性增加。3.蛋白质凝胶的机理当适度变性的蛋白质分子聚集，形成一个有规则的蛋白质网络结构，此过程被称为凝胶作用。早在1948年，Ferry提出蛋白质凝胶的形成经两步完成的：第一步是天然构象蛋白质多肽链受热而变性展开；第二步是变性的蛋白质因聚合作用而形成较大分子的凝胶体。蛋白质分子的解聚和伸展，使反应基团暴露出来，特别是球蛋白的疏水基团，有利于蛋白质之间的相互作用。肌球赁白是肌肉蛋白质中最主要的凝胶因素，单独条件下可形成好的凝胶，其它的肌原纤维蛋白质如肌动蛋白、调节蛋白和细胞骨骼蛋白不形成凝胶，但是对肌球蛋白形成的凝胶的粘弹特性具有重要的影响。肌球蛋白的解链变性是一个过程，包含有熵和焓的增加，因为稳定肌球蛋白构象的键需要打破，混乱度需要增加，因此解链变性过程在较高的温度容易进行，顺从自由能降低的方向。肌球蛋白的聚集是一个混乱度减小的过程，聚集过程中化学键的生成是一个放热过程。当温度很低时，负焓变容易弥补熵降低导致的自由能增加趋势，当温度升高时，聚集过程不容易发生。学者Ziegler和Foegeding认为肌球蛋白凝胶形成归因于加热使其超螺旋dhelix尾部变性，失去非共价键稳定的仅一螺旋结构，然后分子间相互结合，从而形成刚性的蛋白网络结构，该结构由共价二硫键和其它非共价键相互作用稳定，随着尾部螺旋解开的程度逐渐增大，凝胶的弹性也越来越大，如55时，肌球蛋白分子中有32的dhelix存在，而在70时仅有4的仅一helix，所以后者形成的凝胶要比前者强得多。Yasul和他的合作者提出的热凝胶机制为：当肌球蛋白以单体的形式分散在高离子强度溶液中时，首先是肌球蛋白的头部片段发生聚集，可能是通过疏基的作用；然后是尾部发生交联，包含有肌球蛋白分子螺旋一卷曲的构象变化；当肌球蛋白在低离子强度溶液时以纤丝状态存在，纤丝间通过肌球蛋白头部来发生相互交联，尾部的作用比较少。蛋白质凝胶的形成是一个动态的动力学聚集过程，在这种聚集过程中，吸引力和排斥力处于平衡，以至于形成能保持大量水分的高度有序的三维网络结构或基体。一般认为，凝胶网络的形成是蛋白质一蛋白质和蛋白质一水相互作用之间及相邻多肽链吸引力和排斥力之间达到均衡的结果。Foegeding等通过溶解度和层析图谱得出，兔骨骼肌球蛋白在胶凝过程中，疏水作用和氢键要比二硫键所起的作用大。凝胶结构及其物理化学性质取决于变性和聚集的相对速率，蛋白质聚集速度相对展开的速率慢，这有利于形成更细致的凝胶网络，当蛋白质聚集的速率高于展开的速率时，就形成粗糙、无序的凝胶结构或凝结。4.展望虽然对球蛋白凝胶的微观结构、 凝胶作用力、 凝胶过程中蛋白质分子高级结构和构象的变化、蛋白质分子的聚集及凝胶动力学已经进行了广泛和深入的研究，但对蛋白质凝胶这一复杂物理化学现象的理解还仅是冰山一角。新的研究手段与观测技术， 如小角中子散射 （SNS） 、 动态光散射 （DLS） 和静态光散射 （SLS） 已被用于描述相分离机制和过程的动力学，但在描述凝胶状态相图的介质中大分子的定位却很难做到。利用更合适的技术， 如傅立叶转换红外显微镜 （FTIRM） 、 激光共聚焦显微镜 （CLSM） 、 拉曼共聚焦显微镜 （Confocal Ramam microscopy） 以及原子力显微镜 （AFM） 在这方面及蛋白质分子的聚集过程和空间网络结构的动态形成过程的观测方面更具应用潜力。参考文献：1石彦国，任莉大豆制品工艺学