Transcript 第四章 蛋白质
第四章 蛋白质 本章主要内容 – 蛋白质的组成及结构 – 氨基酸的性质 – 蛋白质在食品中的功能特性 – 食品加工对蛋白质的影响 – 蛋白质的水解 – 食品中的蛋白质 第四章 蛋白质 4.1 蛋白质的组成 4.1.1 元素组成 ——C、H、O、N ——S、P ——Zn、Fe、Cu、Mｎ 特点：含氮量为16%, 即6.25g/g粗蛋白中 4.1.2 蛋白质的基本组成单位——氨基酸 4.1.2.1 特点：1）组成蛋白质的氨基酸有20种，这些氨基酸除脯 氨酸外，均为α-氨基酸。 2) 组成蛋白质的氨基酸构型均为L型。 3) α-氨基酸的羧基解离大于氨基。 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 4.1.2.2 氨基酸的分类 1）非极性氨基酸 Ala(A)、Val(V)、Leu(L)、Ile(I) 、Pro(P)、Phe(F)、 Met(M)、Trp(W)；这一类氨基酸在水中的溶解度较极性氨基 酸小，疏水程度随脂肪族侧链的长度而地增大。 2) 极性而不带电荷的极性氨基酸 Gly (G)、Ser(S)、Thr(T)、Cys(C)、Tyr(Y)、Asn(N)、 Gln(Q)；这一类氨基酸的侧链基团能与水等形成氢键。甘氨酸 的侧链为H原子，对极强的α-氨基和α-羧基影响极小。 3）带正电荷的氨基酸 Arg(R)、Lys(K)、His(H)；这一类氨基酸在pH7.0左右，携带 正电荷。 4) 带负电荷的氨基酸 Asp(D)、Glu(E); 这两个氨基酸在pH 6.0~7.0 范围内，第二个 羧基也完全解离。 第四章 蛋白质 上述20种氨基酸中有8种是人体不能合成的，我们将其 称这为必需氨基酸，这8种是：Lys、 Phe、 Val、 Met、 Trp、 Leu、 Ile、 Thr，对于婴儿来说，His也是必需氨基酸。 除了这20种常见的氨基酸外 ，从蛋白质水解物中还分离 出其他的氨基酸，例如，羟基脯氨酸和5-羟基赖氨酸存在于 胶原蛋白中；锁链素和异锁链素存在于弹性蛋白中；甲基组 氨酸、ε-N-甲基赖 氨酸存在于肌肉蛋白质中。 总共有150种氨基酸以游离或结合的形式存在于各种动 物、植物或微生物中。在大多数情况下，这些氨基酸或者是 重要的代谢中间物（或前体），或者是参与神经脉冲输送的 化学媒介物。具有D-构型的氨基酸存在于一些抗菌素中。 第四章 蛋白质 4.1.2.3 氨基酸的性质 1) 氨基酸的味 氨基酸的味感与其立体构型有关，D型氨基酸多数带有 甜味，最强的是D-色氨酸，可达蔗糖的40倍；L型氨基酸有 甜、苦、鲜、酸等四种不同的味感。 甜：Gly、Ala、Ser、Thr、Pro、OH-Pro、 Lys盐酸盐、Gln (8种) 苦：Val、Leu、Ile、Met、Phe、Trp、Arg、His （8种） 酸：His盐酸盐、Asn、Asp、Glu (4种) 鲜：天门冬氨酸钠盐、谷氨酸钠盐 第四章 蛋白质 4.1.2.3 氨基酸的性质 2) 酸碱性质——离子化 a) 熔点高(200℃) 。 b) 一般都溶于水，也能溶于稀酸稀碱中，常用酒精将氨基酸从 溶液中沉淀下来。 c) 胱氨酸难溶于冷水、热水。 d) 脯氨酸和羟脯氨酸可溶于乙醇、乙醚。 e) 处于固体或PI时，氨基酸以两性离子存在。 R OHH3N+ CH OHH3N+ COOH H+ CHR COO- H2N CHR COO- + H2O H+ 第四章 蛋白质 氨基酸的 pKa 和 pI 值（25℃） 氨基酸 丙氨酸 精氨酸 天门冬酰胺 天门冬氨酸 半胱氨酸 谷氨酸胺 谷氨酸 甘氨酸 组氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 pKa1 (a-COO 2.35 2.17 2.02 2.00 1.96 2.17 2.10 2.34 1.82 2.36 2.36 ) pKa2 (a- NH4) 9.59 9.04 8.80 9.82 10.28 9.13 9.67 9.78 9.17 9.68 9.64 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 丝氨酸 2.18 2.28 1.83 1.99 2.21 8.95 9.21 9.24 10.6 9.15 苏氨酸 色氨酸 酪氨酸 缬氨酸 2.71 2.38 2.20 2.32 9.62 9.30 9.11 9.62 pKaR (R=侧链) 12.48 3.86 8.18 4.25 6.00 10.63 10.07 pI 6.02 10.76 5.41 2.97 5.07 6.65 3.22 6.05 7.58 6.02 6.00 9.74 5.75 5.53 8.30 5.68 6.15 5.89 5.65 5.97 第四章 蛋白质 3）氨基酸与甲醛、亚硝酸、茚三酮的作用 （1）甲醛反应：测定氨基酸氨基的含量来定量氨基酸基础，也可 用来测定蛋白质的水解度。 第四章 蛋白质 （2）亚硝酸反应 氨基酸与亚硝酸反应后，放出的氮气是定量的，一半来自 氨基酸分子的α氨基，一半来自亚硝酸，故可通过测定放出的氮 气的体积来算出氨基的含量，这是Van Slyke氨基氮测定法的基础。 （脯氨酸与羟脯氨酸不能进行这一反应） （3） 与茚三酮反应 氨基酸与茚三酮反应，生成紫色化合物（脯氨酸与羟脯氨酸 生成黄色化合物），这一反应常用于氨基酸的定性与定量分析中。 第四章 蛋白质 4）与金属离子的螯合作用 氨基酸的—NH2、— SH、—COOH均可与Cu2+ 、Co 2+ 、 Mn2+ 、Fe2+ 、Zn2+ 等二价离子发生螯合作用。所以，当人们重 金属中毒时，可能服用蛋白质进行解毒。 4.2 蛋白质的结构 4.2.1 概念 一级结构：蛋白质分子中氨基酸的连接方式和排列顺序。 二组结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式，天然蛋白质 一般均含有α-螺旋，β-折叠和β-转角等基本结构。 三级结构：蛋白质分子在二级结构的基础上，进一步沿多个方向 进行卷曲、折叠、盘绕而成紧密的近似球形的结构。 四级结构：由两条或两条以上的具有三级结构的多肽链聚合而成 特定构象的蛋白质 分子叫蛋白质有四级结构。 第四章 蛋白质 4.2.2 蛋白质结构中相互作用的次级键 1) 盐键：是指蛋白质同一分子中带不同电荷的侧链基团之间的离 子对作用。如Lys、Arg 等氨基酸侧链 －NH+3 易与Glu、Asp 侧 链—COO－ 或肽链末端的 —COO－ 形成盐键。盐键在酸碱作 用下易被破坏，且在蛋白质分子中的数目不多。 2) 氢键：主要是肽链上的羰基与亚氨基（— NH —）间形成的。 氢键在蛋白质分子中的数目较多。氢键可在两条多肽链间、一条 多肽链内部形成。 a、主链间羰基与亚氨基之间形成的氢键为 Ｒ－Ｃ Ｈ Ｈ－Ｎ Ｃ＝Ｏ Ｃ Ｏ Ｈ－Ｎ ＣＨＲ 第四章 蛋白质 b、侧链间形成的氢键：如酪氨酸（Tyr） 残基的— OH 与Glu 或 Asp残基的—COOH 形成的氢键为： ＮＨ ＣＨ－ＣＨ2－ Ｏ＝Ｃ ＮＨ －ＯＨ Ｏ＝Ｃ－ＣＨ2－ＣＨ2－CH Ｃ＝Ｏ c、侧链与主链间：如 Tyr 的— OH 与主链的羰基形成的氢键为： ＨＮ ＣＨ－ＣＨ2－ Ｏ＝Ｃ ＣＨＲ －ＯＨ Ｏ＝Ｃ ＮＨ 第四章 蛋白质 3) 二硫键：两个硫原子间的化学键，有链间、链内键。在某些 蛋白质分子中二硫键一旦被破坏，生物活性则丧失。在蛋白质分 子中往往有－ＳＨ和－Ｓ－Ｓ－，它们可发生交换反应： Ｃys1－Ｓ－Ｓ－Cys2 ＋ Cys3S－ Ｃys1－Ｓ－Ｓ－ Cys3 ＋ Cys2S－ 4) 范德华力 三种形式 （学生自学） 5) 疏水键：是指两个疏水基团为避开水相而聚集在一起的作用 力。疏水键与盐键对盐或有机溶剂的反应是相反的： ★ 非极性溶剂能破坏疏水键、但加强盐键； ★ 盐则增强疏水键、但可破坏盐键。 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 4.2.3 蛋白质的变性 4.2.3.1 变性概念 天然的蛋白质因受物理或化学因素影响，其分 子内部原有的高度规律性结构发生变化，致使蛋白 质的理化性质和生物学性质都有所改变，但并不导 致蛋白质一级结构的破坏，这种现象叫做变性作用。 食品中的蛋白质在变性时通常不再溶解并失去 某些功能性质，但部分变性的蛋白质比起天然蛋白 质更易消化、起泡性和乳化性更好，热变性也是热 胶凝形成蛋白质凝胶的先决条件；蛋白质变性时它 的固有粘度提高而结晶能力丧失。 第四章 蛋白质 4.2.3.2 变性热力学 要想测定一个蛋白质溶液中天然的和变性的蛋 白质所占的分数是不可能的。但是，蛋白质变性时 必定会影响到蛋白质的某些化学和物理性质，如紫 外吸光度、荧光、粘度、沉降系数、光学特性、园 二色谱、巯基反应能力和酶活力。因此，测定这些 物理和化学性质的变化可以研究蛋白质的变性。 当测定一种物理或化学性质Y的变化作为变性 剂的浓度或温度的函数时，许多单体球状蛋白质 （仅有三级结构）的变性方式可用下图表示。 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 KD N D KD=[D]/[N] 在变性剂不存在时， KD不可能测出，在转变区时， 由于变性蛋白质分子数目的增加使有可能测定表观 平衡常数。 蛋白质变性在某些情况下是可逆的，当从蛋白 质溶液中除去变性剂时，大多数单体蛋白质（不存 在聚集）在适宜的条件（包括pH、离子强度、氧化 还原电位和蛋白质浓度等）下能重新折叠成它们天 然的构象。许多蛋白质当它们的浓度低于1μmol/L 时能重新折叠，当浓度超过此值时，则不能可逆。 如果蛋白质溶液的氧化还原电位接近生理液体的氧 化还原电位，那么在重新折叠时有助于形成正确的 二硫键。 第四章 蛋白质 4.2.3.3 影响变性的因素 1） 物理因素 （1）热与蛋白质变性 当一个蛋白质溶液被逐渐地加热并超过临界 温度时，它产生了从天然状态至变性状态的剧烈 转变，在此转变过程中的中点温度称为变性温度Td 或熔化温度Tm.一种蛋白质的变性温度大小取决于 如下三个因素： A.蛋白质的氨基酸组成； B.蛋白质中氨基酸的排布状态（构象） C.蛋白质的水分含量； 第四章 蛋白质 A.蛋白质的氨基酸组成 在稳定蛋白质空间构象的作用力中，氢键、静 电引力和范德华作用力均随着温度的升高而减弱， 但疏水作用则随着温度的升高而增强，在60-70度时， 达到最大值。所以含有较高比例的疏水性氨基酸残 基(尤其是Val,Ile,Leu和Phe)的蛋白质比亲水性较 强的蛋白质一般更为稳定。耐热性生物体的蛋白质 通常含有大量的疏水性氨基酸。不过这种关系是近 似的，二硫键和埋藏在疏水裂缝中的盐桥对蛋白质 的热稳定性也有一定的贡献。 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 B.蛋白质中氨基酸的排布状态（构象） 第四章 蛋白质 C.蛋白质的水分含量 干蛋白质粉对于热变性是非常稳定的，当水份 含量增加，其稳定性变差。 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 注意：一般认为，温度越低，蛋白质的稳定越高， 其实情况并非如此。 第四章 蛋白质 蛋白质显示最高稳定性的温度（最低自由能） 取决于极性和非极性相互作用对蛋白质稳定性贡献 的相对值。如果蛋白质分子中极性相互作用超过非 极性相互作用，那么蛋白质在冻结温度或低于冻结 温度时比在较高温度时较为稳定。如果蛋白质的稳 定主要依靠疏水相互作用，那么它在室温时比在冻 结温度时更为稳定。 第四章 蛋白质 （2）压力与蛋白质变性 温度诱导的蛋白质变性一般发生在40-80 ℃范 围和0.1MPa下；而在充分高的压力条件下，蛋白质 能在25 ℃下发生变性。大多数蛋白质在1001200MPa压力范围下会发生变性，变性的压力点一 般为400-800MPa。 压力诱导变性在食品工业通常用于微生物杀菌 和蛋白质的胶凝作用。因为压力诱导的凝胶比热诱 导的凝胶更软，它也不会损害蛋白质中的必需氨基 酸或天然色泽和风味，它也不会导致有毒化合物的 形成，所以它常常用于肉的嫩化工序上。 第四章 蛋白质 （3）剪切和变性 由于振动、捏和和打擦等产生的机械剪切力 能导致蛋白质的变性。许多蛋白质当被激烈时产 生变性和沉淀。食品加工中的挤压、高速搅拌和 均质等作业均能使蛋白质分子变性，剪切力越大， 则蛋白质变性程度越高，高温和高剪切力可以导 致蛋白质不可逆变性。 Simplesse脂肪代用品就是将蛋白质溶液在高 温条件下进行挤压处理制得的。 第四章 蛋白质 （4）辐射与变性 电磁射线对蛋白质的影响随波长和能量而变 化。芳香族氨基酸残基能吸收紫外线；如果紫外 线的能量水平足够高，那么就能打断二硫交联， 从而导致蛋白质构象的改变。大多数研究表明， 在合适的条件下，离子辐射不会对蛋白质的营养 质量产生明显的损害作用，但少数食品（如牛 乳），辐射会使其营养价值下降。 第四章 蛋白质 2）化学因素 (1) pH 蛋白质在等电点时最为稳定，在pH7.0时，由于 净电推斥力小于其他稳定蛋白质的相互作用力，所 以此时大多数蛋白质是稳定的。蛋白质的变性多数 是可逆的，但在某些极端情况下，由于两种酰胺的 脱胺基作用而导致蛋白质不可逆的变性。 第四章 (2) 蛋白质 有机溶质与变性 许多球状蛋白质在室温条件下，当尿素与盐酸胍 浓度分别为4-6mol/L和3-4mol/L时，则有一半处于变 性状态，当其浓度分别为8mol/L与6mol/L时，则几乎 全部处于变性状态。这两种物质引起的蛋白质变性在 除去变性剂后可以逆转，然而，由尿素诱导的蛋白质 变性要实现可逆有时是困难的，这是因为一部分尿素 转变成氰酸盐和氨，而氰酸盐与氨基作用改变了蛋白 质的电荷。 （3）表面活性剂和变性 当SDS浓度为3-8mol/L时，大多数球状蛋白质都 会变性，而且这种变性是不可逆的。 第四章 蛋白质 （4）有机溶剂与变性 大多数有机溶剂均能使蛋白质变性， 与水互溶的有机溶剂通过改变水的介电 常数，从而改变稳定蛋白质结构的静电 力；非极性溶剂能穿透到蛋白质疏水区， 打断疏水相互作用，从而导致蛋白质变 性。 第四章 4.3 4.4 蛋白质 蛋白质的分类 （了解, 学生自学） 蛋白质的功能特性 在食品加工、保藏和消费期间影响食品体系 性能的蛋白质的物理和化学性质统称为蛋白质的 功能性质。 蛋白质具有多种物理性质与化学性质，在一 种食品中往往表现出多种功能特性。 4.4.1 水合性质 （1）水合过程 浓缩蛋白质或蛋白离析物其水合过程是逐渐水化的，过 程图解如下： 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 （2）影响蛋白质水合能力的因素 当干蛋白质与相对湿度为90%-95%的水蒸气达到 平衡时，每克蛋白质所结合的水的克数即为蛋白质 结合水的能力。 A.与其氨基酸组成有关 带电基团的氨基酸残基水合能力为6molH2O/mol; 不带电的极性残基水合能力为2molH2O/mol;非极性残 基水合能力为1 2molH2O/mol;蛋白质的水合能力可以 根据下列公式进行计算。 a= fc+0.4fp+0.2fN 第四章 蛋白质 上式中，a为蛋白质的水合能力，gH2O/g蛋白质； fc、fp 、fN 分别代表蛋白质分子中带电的、极性的 和非极性残基所占的分数。 第四章 蛋白质 在Aw=0.9时，蛋白质结合水约为0.3-0.5gH2O/g蛋白 质（如下表），这部分水多数在0 ℃时不能结冰。当 Aw>0.9时，液态水凝聚在蛋白质分子结构的裂缝 中或者不溶性蛋白质的毛细管中。这部分水称为 流体动力学水，和蛋白质分子一起运动。 第四章 蛋白质 B.pH 在pI时，蛋白质水合能力最弱；高于或低于pI 时，其水合能力增加，当pH为9-10时，水合能力最 大，这是此时巯基和酪氨酸残基的离子化，当pH超 过10时，赖氨酸残基的侧链氨基上正电荷的失去使 蛋白质水合能力下降。 C.温度 随温度的升高氢键作用和离子基团的水合作用 减弱，因而其水合能力也随之降低。当蛋白质变性 而没发生凝集时，其水合能力会有增加，但变性引 起凝集后则会使蛋白质的水合能力大为下降，变性 蛋白其溶解度一般很小，所以水合能力与溶解度是 两个不同的概念。 第四章 蛋白质 D.盐浓度 低盐浓度(<0.2mol/L),此时因水合盐离子与蛋 白质分子上带电基团微弱结合而使其水合能力增加； 但是在高盐浓度下，因更多的水与盐离子结合，导 致蛋白质脱水而使其水合能力下降。 (3)蛋白质的持水力 蛋白质的持水力比其水合能力在食品加工过程 中更为重要。蛋白质的持水力是指蛋白质吸收水并 将水保留在蛋白质组织中的能力，它包括了结合水、 流体动力学水和物理截留水三部分。物理截留水的 数值远大于其它两部分水，蛋白质的截留水的能力 与绞碎肉制品的多汁和嫩度有关，也与焙烤食品和 其他凝胶食品的期望质构有关。 第四章 蛋白质 4.4.2 溶解度 （1）溶解度的含义 蛋白质的增稠、起泡、乳化和胶凝作用与其溶解 度密切相关。 蛋白质—蛋白质+溶剂—溶剂 蛋白质—溶剂 （2）影响蛋白质溶解度的因素 蛋白质溶解度的大小与其结构及pH、离子强度等 密切相关。 A.结构： Bigelow认为蛋白质的溶解度基本上与氨基酸 的平均疏水性电荷频率有关。 第四章 蛋白质 平均疏水性= 各个氨基酸残基疏水性之和/蛋白质分子中总的残 基数 电荷频率= 蛋白质分子中带正电荷与带负电荷残基总数之和 /蛋白质分子中总的残基数 B.pH: 在pI时，溶解度最小。 氮溶解度（%） 乳清浓缩蛋白质（凝胶过滤） 酪蛋白酸钠 100 － 大豆分离蛋白 50 － 鱼浓缩蛋白质 pH 2 4 6 8 10 12 蛋白质溶解度与溶液（0.2M NaCl）pH 的关系 第四章 蛋白质 C.盐：低浓度时，盐溶；高浓度时，盐析。 D.温度：影响比较复杂。 第四章 4.4.3 蛋白质 黏度 在饮料、汤料、酱料、奶油等流体食品中，其可接受性很大 程度上取决于食品的粘度与稠度，蛋白质对这些食品的黏度与稠 度特性具有非常重要的作用。 低浓度的可溶性蛋白质在很多情况时能显著地提高这些食 品的黏度与稠度，粘度与剪切速率无关，为牛顿液体。蛋白质的 这种性质与蛋白质分子的大小、形状、柔性、水合能力等有密切 的关系。 高浓度蛋白质溶液中，蛋白质流体的黏度系数随浓度呈指 数增加。 在高浓度的蛋白质溶液中，由于存在着广泛而强烈的蛋白 质-蛋白质相互作用，蛋白质显示塑性粘弹性质，对体系需要施 加一个特定数量的力，即“屈服应力”，才能使它开始流动。 第四章 蛋白质 第四章 4.4.4 凝胶化作用 1）凝胶化作用的概念 蛋白质 蛋白质的凝胶化作用是指蛋白质从“溶胶状态”转变 成“似凝胶”那样状态的过程。 蛋白质凝胶化作用和形成凝胶结构是食品蛋白质重要 的功能性质，它在果冻、烧煮鸡蛋制品、豆腐、香肠和仿 真海产品、组织化蛋白、面包加工过程中起着非常重要的 作用。 特别注意：蛋白质的可溶性对于凝胶的形成不一定是必须 的条件，因为某些不溶或难溶蛋白质的水或盐的分散体系 也能形成凝胶。如胶束、肌纤维蛋白、部分或完全变性的 大豆分离蛋白等。 第四章 蛋白质 2） 凝胶形成的条件 内因：蛋白质的氨基酸组成与结构。 外因：热、酶、酸及和二价金属离子的有无。 蛋白质分子之间引力的增加有利于凝胶的形成。 温度升高疏水相互作用增强； 降低温度能增强氢键的作用和二硫键的交联 作用。 钙或其它二价离子的参与能提高蛋白质分子 之间的静电作用； 第四章 蛋白质 蛋白质在远离pI时，蛋白质分子间的相互引力会增强，特别 是蛋白质浓度高时，这种相互作用更为明显。在较高的浓度时， 蛋白质的凝胶在不利的条件如无加热、远离pI等也易形成。 二硫键的形成往往会出现热不可逆凝胶 ，如卵清蛋白合 β—乳球蛋白凝胶；而主要由氢键稳定的凝胶如明胶则在加热 时（约30℃）熔化 ，冷却时凝结，而且能反复进行。 共凝胶作用：一些不同种类的蛋白质共热时形成凝胶的作用。 蛋白质也可在多糖凝胶剂的作用下形成凝胶。如海藻酸钠、 果胶酸等往往带有负电荷，能与某些带正电荷的蛋白质结合发 生凝胶化作用。 凝胶多数是以高度膨胀和水化的结构存在，在网状结构中 截留了相当于蛋白质10倍以上的水和其他食品成分。 第四章 蛋白质 4.4.5 质构化 可溶性蛋白在一定温度与压力条件下，能形成咀 嚼性和持水性良好的薄膜或纤维的性质称为~。这种薄 膜或纤维在后续的加工过程（如 水化、加热等）中仍 保持着不变的性质。 质构化的蛋白质常常用于人造食品或制造某些食品 填充料。 1）热凝结合膜的形成 浓缩的大豆蛋白质溶液置于平坦光滑的金属滚筒 干燥器表面时，蛋白质溶液会发生热凝结，产生薄而水 化的蛋白质膜，这种膜能被压缩、折叠或切割。 第四章 蛋白质 此外，在95℃下加热数小时的豆奶表面也会形成薄 的膜 ，这些膜是蛋白质脂膜，是由于表面水分的蒸发 和蛋白质的表面热凝结所致。当去掉膜后，又可生成新 的膜。腐竹的生产就是利用这一原理。 2）纤维的形成：关键点在于蛋白质分子必须展开。 展开剂可以是碱、也可以是有机剂（后者在拉丝时可直 接蒸发）。 A、原料的准备：将pH10以上的高蛋白质（10-40%）溶 液的粘稠物经脱气和澄清处理，即具有高粘性，此粘性 来源于蛋白质完全解离的亚基和亚基的展开。 B、拉丝：在压力的作用下迫使粘稠物通过1000目 （孔径50-150μm）以上的模板，展开的蛋白质分子沿 流动方向定向。 第四章 蛋白质 C、固定：蛋白质细丝进入酸性氯化钠浴。由于PI和盐析效应使 蛋白质凝结，每一蛋白质细丝内部的蛋白质分子则经氢键、离子 键和二硫键强烈地结合为蛋白质纤维。 D、转移：将蛋白质纤维从酸性氯化纳浴中转移至转动的滚筒上。 E、成型：蛋白质纤维在滚筒上经挤压和加热处理后，可以除去 部分水分并促进黏着性和提高硬度。在加热前，常还加入结合剂， 如明胶、鸡蛋白、谷蛋白，还可加入风味剂或脂类进行调味。 经过以上处理的蛋白质纤维细束可经切割、调剂或压缩处 理制造出各种各样的人造食品如 鱼肉、禽肉等。 3）热塑挤压 这是最常用的方法，其原因如下： 第四章 蛋白质 A、产品在复水时仍具有良好的咀嚼结构； B、对原料要求低，可用浓缩蛋白或蛋白质粉末（蛋白质含 量45-70%），无需分离蛋白； C、直链淀粉能改善其结构； D、3%NaCl或CaCl2 使结构更坚固； E、脂肪含量≤5%。 ★ 工艺概述 ⑴ 粘稠物的产生：蛋白质与多糖溶液在高压（10 KPa）加热20～30秒（升温至150～200℃） ～2 x10 ⑵ 快速挤压：由圆筒通过模板快速挤压至常压环境，冷却后， 蛋白质-多糖基本具有高度膨胀和干燥结构。在60℃条件下复水 可吸2～3倍水，产生纤维状、海绵状并带有弹性的类似肉的结构 的食品。常用于汉堡包、饺子或肉产品。 第四章 蛋白质 4.4.6 乳化性质 1）乳化性的概念 许多食品都是蛋白质稳定的乳浊液：如乳、奶油、冰淇淋、 白脱油、干酪、蛋黄酱、肉糜、豆奶、豆浆等。天然牛奶是脂 肪球膜稳定的胶体体系： 牛乳脂肪球膜中脂类部分的组成 组成 类胡萝卜素 角鲨烯 胆固醇酯 三酰基甘油 游离脂肪酸 胆固醇 二酰基甘油 一酰基甘 磷脂 在膜脂类中所占的百分数 0.45 0.61 0.79 53.41 6.30 6.20 8.14 4.70 20.40 第四章 蛋白质 脂肪球膜依次吸附着三酰甘油、磷脂、不溶解的蛋白质、 可溶解的蛋白质。 蛋白质并不是水/油乳状液的良好稳定剂。其主要原因是 蛋白质的亲水性强于疏水性，其结果是被吸附的蛋白质的主要部 分朝向水/油界面水的一侧。 2）乳化能力（Ec） 是指每克蛋白质在相转变前所能乳化油的体积（ml）。该 值随蛋白质浓度的增加而降低。对于蛋白质的乳化性质的定量描 述，主要是用乳化能力（Ec）和乳状液的稳定性（Es） 测定：在不断搅拌蛋白质水（或盐）溶液的情况下以恒定的 速度加入油或熔化的脂肪。从粘度的突然下降、颜色的变化（可 用油 溶性的染料作指示剂）或电阻的增加测定相的转变。 第四章 蛋白质 3） 乳状液稳定性（Es） ES = 乳油层体积/乳状液总体积 x 100 乳油层体积——低速离心或放置几小时后测定的。 4）影响乳化作用的因素： ●蛋白质的溶解性：不溶性蛋白质乳化能力低， 可溶性蛋白质高。主要因为蛋白质在到达油水界面时 必须溶解和移动到界面。但当乳状液一旦形成，不溶 性蛋白质有稳定作用。 ●ＮaCl：０.５~１.０mol/LＮaCl能提高pＨ４~ ８的肉糜乳状液的乳状液的乳化能力.主要因为提高了 肌纤维的盐溶和蛋白质的展开程度. 第四章 蛋白质 ● pＨ 有两种情况, 在PI附近乳化能力最佳的蛋白质有:明胶和蛋 清蛋白; 在远离PI时, 乳化能力最佳的蛋白质有：大豆蛋白、花 生蛋白、酪蛋白、乳清蛋白、牛血清蛋白和肌纤维蛋白等。 ●热处理：降低稳定性，因为降低了膜上蛋白质的黏度和硬度。 高度水化的界面蛋白质膜的凝胶作用提高了表面黏度和硬 度，因而可稳定乳状液。 ●表面活性剂：小分子的表面活性剂能降低稳定性。其原因是此 类物质降低了蛋白质膜的硬度，削弱蛋白质留在界面的作用力。 蛋白质－脂类相互作用的其它结果： 在从富油脂的食品中分离蛋白质时，由于蛋白质－脂肪的相 互作用较难进行。如用水或稀碱直接从油料种子提取蛋白质时， 由于形成了由蛋白质稳定的乳状液而防碍了离心分离。对于中性 脂分离需用己烷等非极性溶剂，而对磷脂则需要乙醇异丙醇等极 性溶剂。 第四章 4.4.7 1) 蛋白质 起泡性质 食品泡沫的形成与破裂 (1) 食品泡沫：是指气体分散在含有可溶性表面活性剂的连续 液体或半固体相中的分散体系。 食品泡沫的气相通常是空气或CO2 的水溶液或悬浊液。 ，连续相则是含蛋白质 食品泡沫以许多不同的结构存在。加糖蛋白、蛋糕、棉花 糖、起泡奶油、冰淇淋、啤酒、面包等泡沫的结构均不同。 (2) 泡沫形成方法－－喷洒鼓泡、打擦、加压－减压 a) 喷洒：将气体通过多孔喷洒器喷入低蛋白水溶液（１.０ １~２%Ｗ/Ｖ)。形成的气泡上升后处于上层并在压力的作用下扭 曲为多种形状。 如果在体系中通入大量的气体，液体能完全转变为泡沫，甚 至从稀蛋白溶液也能制备很大体积的泡沫。 第四章 蛋白质 b) 打擦：在有整体气相时，通过打擦或振荡蛋白质水溶液也能 形成泡沫。 打擦所需要的蛋白质浓度比喷洒高（１~40%Ｗ/Ｖ)。 c) 加压－减压：将蛋白质溶液加压后突然减压。 乳状液与泡沫间是有区别的，泡沫中分散相气体所占的体积 分数比乳状液更多，变动幅度更大。 3）泡沫破裂的原因 a. 由于重力、气泡外压力差及气泡表面水的蒸发导致泡沫的 破裂； b.由于气体在水中的溶解，小气泡逐渐向大气泡转变； c.由于将气泡分开的液体薄层的破裂，使气泡聚结变大，最终 导致泡沫解体。 ★ 泡沫稳定性的原因 低的界面张力、高粘度的主体液相、牢固而有弹性的蛋白 质膜。 第四章 4) 蛋白质 蛋白质起泡能力的定量描述 起泡力Fp=气体体积/ 泡沫中液体体积x 100 （起泡度） 膨胀率= 泡沫体积—起始液体的体积/起始液体的体积x 100 5）影响泡沫形成与稳定的环境因素 ⑴ 蛋白质：蛋白溶解度高是形成良好泡沫的先决条件，同时 也对其稳定性有着重要的作用；不溶性蛋白质对泡沫的稳定性 起着有益的作用； ⑵ pＨ：在 pI 时，不利于泡沫的形成，但对泡沫的稳定却 是有益的；如球蛋白（PＨ５-６)、面筋蛋白（pH６.５-７.５)、 乳清蛋白（pＨ４-５), 因为在ＰＩ时蛋白质分子间的相互吸 引力增强了蛋白质膜的厚度和硬度.也有一些蛋白质在极端pH时 稳定性反而提高的情况,如鸡蛋清在天然pH(8-9)和接近pI(4-5) 时都具有最佳的泡沫性质。 第四章 蛋白质 (3) 盐：盐能影响蛋白质的溶解度、黏度、展开和聚集， 故能改善起泡性质。ＮaCl 往往能提高起泡能力但却降低 泡沫的稳定性；Ｃa离子与蛋白质的羧基形成桥键而提高泡 沫的稳定性。 ⑷ 糖：糖能增加整体相的黏度，因此对泡沫的形成不利， 但对稳定性却有利。因而一般要求在泡沫形成后再加入糖。 ⑸ 脂类：低浓度脂类（低至0.1%）会严重影响蛋白质的 起泡性质。在食品工业常采用脂类来消除不必要的泡沫。 ⑹ 浓度：蛋白质的初浓度过2%-8% w/v 时，一般就超过 了最高限，则不能形成气泡。 ⑺ 时间：对于打擦产生泡沫时，时间要足够；但时间过 长时会严重破坏泡沫。 ⑻ 加热：在形成泡沫前，适当加热能改善起泡沫性质， 但可能降低稳定性。如大豆蛋白70-80℃, 乳清蛋白４０６０℃等。 要注意过度的热处理反而会影响起泡能力。 4.4.8 与风味物质结合的性质 1）概念： 蛋白质分子借助其表面的亲水或疏水基团 吸附其它物质的能力称为蛋白质的结合性质。 蛋白质具有很强的结合风味物质的能力。 结合的物质包括低级的醛、酮、醇、酚、酸及 氧化的脂肪（它们往往具有豆腥味、酸败味、 苦味及涩味等）以及一些香味物质。结合前者 在烧煮或咀嚼过程中释放出来，会使人难以忍 受；若蛋白质结合的是一些香味物质，在咀嚼 时快速完全释放出来，使人产生愉快感。 第四章 蛋白质 2）影响蛋白质结合性质的因素 任何能改变蛋白质构象的因素都会影响其结合能 力。 （1）水：促进极性挥发物的结合，对非极性化合物影 响不大； （2）pH：酪蛋白在中性或碱性条件下比酸性条件下能 结合更多的羰基、醇或酯类挥发物。 （3）盐：较高浓度的氟化物、硫酸盐能改变水的结构， 导致蛋白质的展开，因而可提高结合能力。另外，使 蛋白质解离或能打开二硫键的试剂也能提高结合能力。 （4）分解：蛋白质受热变性后，往往会提高结合能力。 （如下图） 第四章 蛋白质 4.4.9 面团的形成 1）面团形成能力的概念 小麦中的面筋蛋白（醇溶谷蛋白和谷蛋白）在室温条件下 与水混合揉搓形成非常粘稠糊状物的能力。这种能力叫面团形 成能力。是面粉转变为面团、面包的基础。 2）与面团形成能力蛋白结构基础 ●中性水中的溶解度低：主要因为分子中极性的氨基酸的含量 低； ●分子中富谷氨酰胺（超过重量的33%）和羟基氨基酸， 形成 氢键的能力强，因而面筋蛋白具有很强的吸收水的能力和很强 的粘性； ●分子中存在很多非极性氨基酸以及由此而形成的疏水作用同 样使面团具有粘性；面筋蛋白能形成很多的二硫交联，使面团 能形成牢固的网状结构。 第四章 4.5 蛋白质 食品加工对蛋白质的影响 4.5.1 热加工 热加工会引起蛋白质变性、分解、氨基酸氧化、氨基酸键 的交换、氨基酸键的形成等。而影响的程度则取决于加热的时间、 温度、湿度以及是否有还原物质等。 大多数蛋白质进行适度加热处理后，营养价值得到提高。 一方面使其更有利于消化酶的作用，另一方面对于植物蛋白质来 说可以破坏一些抗营养因子（如蛋白酶抑制因子）；但是，过度 的热处理会降低蛋白质的消化吸收，改变食品的风味，使蛋白质 的营养价值降低。其营养价值的降低主要是蛋白质发生水解，水 解后的一些氨基酸转变成了一些非营养性的成分造成的，易发生 变化的氨基酸主要有Lys、Met、Trp、Thr等。 第四章 蛋白质 ★ 赖氨酸的损失 A. 酶促褐变与非酶褐变 褐变的色素复合物在消化道 中不能被蛋白酶水解，因而降低了蛋白质的利用率。除赖氨酸 外，还有Arg、Trp、His、Thr等也能产生这类反应。 B. Lys的ε-氨基与胱氨酸发生分子内反应生成赖氨酰丙 氨酸,这个生成物不能被消化酶水解,所以使蛋白质的营养价值 降低 C. 赖氨酸在250℃下加热1h，会生成吡啶衍生物与内酰胺 等物质，降低了其营养价值。 D. 在高温下，蛋白质中L-赖氨酸很容易变成外消旋体即 DL-Lys。 人体不能吸收D-Lys，故其营养价值降低了。 第四章 蛋白质 ★ 蛋氨酸的损失 蛋氨酸在一定温度与氧的作用下很易氧化成亚矾，进一步 氧化为蛋氨酸矾，此二种化合物人体均不能吸收，从而降低了 其营养价值。 ★ 胱氨酸的变化 胱氨酸在无糖条件下，最易受热氧化而丧失其营养价值。 机制如下： R-CH2-S-S-CH2-R + H2O R-CH2-SH + CH2-SOH R-CHO +H2S ★ 氨基酸加热会生成致突变物 毒性最强的是色氨酸的分解产物。主要产物有如下几种 第四章 蛋白质 第四章 蛋白质 ● Arg、Trp、Thr、His等在加热过程中易与还原糖发生非酶褐变。 4.5.2 碱处理 ● 蛋白质经碱处理,尤其是热碱处理能生成很多新的氨基酸。Ser、 Lys、胱氨酸及Arg等。如： S－ＣＨ2 ＣＨ（ＮＨ2 ）ＣＯＯＨ OH－ ２ＣＨ2 ＝Ｃ－ＣＯＯＨ + Ｈ2 Ｓ+Ｓ S－ＣＨ2 ＣＨ（ＮＨ2 ）ＣＯＯＨ ＮＨ2 ＨＯＯＣＣＨ－（ＣＨ2 ）4 －ＮＨ2 ＮＨ2 ＋ ＣＨ2 ＝Ｃ－ＣＯＯＨ ＮＨ2 ＨＯＯＣ－ＣＨ－（ＣＨ2 ）4 －ＮＨ－ＣＨ2 －ＣＨ－ＣＯＯＨ ＮＨ2 ＮＨ2 (人体不能吸收) 第四章 蛋白质 ● 在强碱作用下，温度超过60℃时，丝氨酸也逐渐减少； ● 精氨酸被分解为脲素和鸟氨酸，后者与脱氢丙氨酸结合生成 鸟氨基丙氨酸。 ● 碱处理使精、胱、色、丝、赖氨酸由L-构型转变为D-构型。 4.5.3 冷冻加工 4.5.4 脱水与干燥 蛋白质变性。 ●干燥温度过高，使蛋白质变性，复水性降低、硬度增加、风味 改变； ●最好的方法是冷冻真空干燥，使蛋白质外层水化膜和自由水在 低温下结冰，然后在高真空下升华除去水分而达到干燥的目的。 不仅蛋白质变性小，而且能保持食品的色香味。 4.5.5 辐射 与水的含量、氧气、pH、温度及辐射量有关。 总的来说，对氨基酸与蛋白质的营养价值影响不大。 第四章 4.6 蛋白质 食品蛋白质的酶处理——蛋白水解作用(酶法改性) 在大多数情况下，通过蛋白酶水解蛋白质可以改变食品蛋 白质的一些功能特性。如用木瓜蛋白酶处理肉蛋白可使肉嫩化； 用凝乳酶或霉菌蛋白酶处理奶制品可使酪蛋白沉淀；用细菌或 霉菌蛋白酶处理可改进干酪的质地等。 对于蛋白质溶液，可以用凝胶渗透色谱测定蛋白水解物的 分子量来估计肽键水解的程度。在pH（7-8）一定条件下，用电 位法滴定蛋白质水解中释放出的质子，可以简单地计算出水解 度（DH)。在此范围，裂开一个肽键将会形成一个非离解的α氨基和一个离解的羧基。 第四章 蛋白质 1） 蛋白质进行一定程度的特异性水解可以造成蛋白质凝结 如凝乳酶处理酪蛋白或者凝血酶作用于血纤维蛋白原时的情况。 2） 蛋白质进行一定程度特异性水解可以增加蛋白质溶解度 如用木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、胃蛋白酶或者从曲霉、芽胞杆菌或 链球菌生产的蛋白酶将热变性的鱼和植物蛋白质部分地水解，能使它们 增溶，当水解度为3%或8%时，变性的大豆分离蛋白质的溶解度（在pH3或 5.5）能从10％分别增加到50%或80% 。甚至在等电点pH下，大的聚集物 也不再形成，因而部分水解的蛋白质的溶解度在整个pH范围一般都得到 了提高。有限的蛋白水解之所以能提高蛋白质的溶解度可归之于形成了 较小的、亲水较强的和较溶剂化的多肽单位。这些部分水解的蛋白质可 用在酸性饮料或热加工饮料。 3）蛋白质的水解常常也会释出有苦味的疏水性肽 这种肽一般含有亮氨酸或苯丙氨酸末端残基。这些水解蛋白质对于 消化功能不健全的病人和对牛乳或面筋蛋白质过敏的人是有用的。 在实际工作中可根据平均疏水性来预测蛋白质水 解产物是否有苦味. ∑ｎ１△ＧＯ侧链 Ｏ Ｇ ＝ ΔＧ值见下表 ｎ ｎ－代表蛋白质分子中氨基酸残基数目； 氨基酸侧链的疏水性（乙醇 氨基酸 丙氨酸 精氨酸 精氨酰氨 △G 侧链（J/mol） 3，100 3，100 △G 侧链（J/mol） 10，100 6，250 甲硫氨酸 5，450 苯丙氨酸 11，100 4，200 －400 脯氨酸 丝氨酸 10，850 170 谷氨酸 甘氨酸 2，300 0 苏氨酸 色氨酸 1，850 12，550 组氨酸 2，100 酪氨酸 12，000 12，400 缬氨酸 7，050 天门冬氨酸 半胱氨酸 谷氨酰氨 异亮氨酸 －40 氨基酸 亮氨酸 赖氨酸 水） 2，250 第四章 蛋白质 ★ 如果平均疏水性＞５.８５ＫＪ/残基,则水 解产物可能有苦味; ★ 如果平均疏水性<５.４３ＫＪ/残基,则水 解产物不可能有苦味; 按此公式计算,大豆蛋白质、酪蛋白、玉 米醇溶蛋白、胶原蛋白的平均疏水性分别为： ６.４４、６.７１、６.１９、５.３９。 第四章 4） 蛋白质 蛋白质的水解对其乳化与起泡能力也有影响 第四章 蛋白质 蛋白部分水解引起蛋白质的乳化或起泡性 质（上图）发生变化这可能是由于水解蛋白质的 溶解度得到了提高，从而有助于它们的扩散和散 布在油／水和气／水界面造成的。然而，当水解 度超过３-５％时，吸附蛋白质膜的粘度和厚度 显然不足以稳定乳状液和泡沫。 蛋白质水解造成的分子体积的减小显然有害 于蛋白质的凝胶和粘弹性质。然而，面筋蛋白质 的有限水解能提高面包加工中面团的膨胀和改进 饼干的成片性。 第四章 4.7 4.7.1 食品中的蛋白质 肌肉蛋白 肌浆蛋白 （20~30%） 肌肉 蛋白质 肌原纤维蛋白 （肌肉结构蛋白） （51~53%） 肌质蛋白 肌溶蛋白：溶于水，５５~６５℃变性凝固 球蛋白Ｘ：溶于盐，５０℃时变性凝固 少量的肌红蛋白 肌球蛋白（肌纤蛋白） ：５５％，溶于盐并于３０℃开始变性 肌动蛋白（肌纤蛋白） ：宰后与前者结合为第三者 肌动球蛋白（肌纤凝蛋白） ：溶于盐，４５~５０℃变性 肌原球蛋白 胶元蛋白：不溶于水、盐，加热膨润，８０℃以上分解为明胶 弹性蛋白：加热至於３０℃分解 第四章 蛋白质 4.7.2 胶元和明胶 4.7.2.1 胶元：皮、骨、结缔组织中的主要蛋白质。其蛋白质的氨基 酸构成具 有下列特征： １）脯氨酸、羟氨酸、甘氨酸含量高； ２）蛋氨酸含量少； ３）不含胱氨酸或色氨酸。 4.7.2.2 明胶：是胶元的热解产物。用皮或骨在碱或酸性条件长时间加 热而提取的。在食品工业中用作胶凝剂，但很不稳定。 4.7.3 乳蛋白 4.7.3.1 酪蛋白： 80%~82%的乳蛋白含胱氨酸、蛋氨酸、不含半胱氨酸。 含磷酸并与苏丝氨酸的羟基以酯键的形式结合。冻结或加热易发生凝结， 130℃数分钟可凝固，酸或凝乳酶也可使之凝固（制造干酪的原理）。 4.7.3.2 乳清蛋白：包括β－乳球蛋白、α－乳清蛋白及少量的血清 清蛋白、免疫球蛋白、酶等。 4.7.3.3 脂肪球膜蛋白 第四章 4.7.4 种子蛋白 4.7.4.1 谷物蛋白 蛋白质 (小麦等) 醇溶蛋白：溶于６０~７０％乙醇，含分子内二硫键。 面筋蛋白 （约８０％） 谷蛋白：溶于稀酸或稀碱，含分子内和分子间二硫键。 面粉蛋白 清蛋白 水溶蛋白 球蛋白 4.7.4.2 油料种子蛋白： 主要是球蛋白。