蛋白质化学与工艺学CH4

第四章蛋白质的功能特性、加工与改性技术第一节蛋白质的功能特性蛋白质的功能特性，就是指蛋白质在食品加工中的各种具体性质。一、溶解性蛋白质的溶解性是蛋白质的固有性质。但水溶性蛋白质是否能够维持其水溶性，对决定其之后的实用价值是重要的。一般情况下，为了促使蛋白质溶解，通过碱处理可促进其离解，还可使用CySH，巯基乙醇、乙醇等切断二硫键的试剂，这些方法都是有效的。二、水合性，保水性、膨润性蛋白质的水含性，与水溶性、吸水性、保水性、膨润性、粘度、胶凝性、界面活性等性质有关。食品中的蛋白质，对水的易分散性，易融合性是重要的性质。但这些性质受蛋白质粒子表面的极性、性状、面积大小、微观结构等所影响。三、粘度蛋白质的粘度或流动性在调整食品的物性方是重要的。四、胶凝性食用蛋白质凝胶大致可分为加热凝胶和钙盐等二价金属凝胶。另外加热凝胶又可分为加热后冷却凝胶和加热状态凝胶，前者多为可逆性的。钙凝胶中，二价钙离子(Ca+2)的作用很大。明胶虽然是由胶原加热生成的螺旋状分子，但却是即保水又相互结合而成的凝胶。五、组织形成性组织形成性是在新蛋白食品中要特别强调的一种性质。植物蛋白尤其是大豆蛋白，未变性时虽然溶于稀碱液中，但却完全没有类似畜肉，鱼肉的咀嚼性。小麦蛋白质本身具有粘弹性，通过加热可得到不同于畜肉、鱼肉的咀嚼性，大豆或小麦蛋白质中只要含有一定量的未变性成分，就能使其成为组织状。其方法有纺丝后集束的方法，用蒸煮挤压机在高温高压下，通过小孔挤出，使蛋白质分子按一定方向取向的方法等。第二节蛋白质在食品中的作用与存在的问题一、营养价值即然是蛋白食品，其蛋白质含量及其中的氨基酸组成就自然成了应考虑的问题。硬组织中的蛋白质不易被生物体消化吸收，大豆等油料就有类似倾向，所以要进行各种各样的加工，破坏其组织，通过加热破坏生物活性物质，这样才被生物体消化吸收。另外，未变性的蛋白质由于折叠分子结构，不易被酶分解，只要加热将这种分子结构折解，就易被生物体消化。植物性和动物性蛋白质均可看作是球状蛋白质，都具有较高的营养价值。二、口感及其它蛋白质与口感有直接关系。小麦面筋虽然在小麦粉中只占10%左右，但在形成面包、点心、面类的独特口感方面，却起着主导作用。在制作糕点时，将卵清蛋白添加到小麦粉中，可发挥卵清的起泡性，特别是卵清的热凝固性，而通过向面包中添加大豆蛋白质，可防止淀粉老化。蛋白质的共性是：均具有变幻自如的多样性。用豆腐和腐竹制出了仿肉食品，而且近年来还用大豆蛋白制出了仿火腿、腊肉制品，今后仍有充分的可能性，用各种蛋白原料开发出符合人类嗜好的蛋白食品。三、色、香、味在烹调，加工中进行加热时，蛋白与共存还原糖等的羰基反应形成香味物质，进而生成褐变物。如：焙烤点心类等食品风味来源于此。这是有利的一面。另一方面，该反应有时会对食品产生不良影响，贮存中的奶粉，鱼的干制品或冻豆腐等发生褐变都是蛋白质与糖或油脂的氧化生成物反应的结果,这些反应称为氨基羰基反应蛋白质如果在酶或酸的作用下发生水解，就会生成AA并产生香味、酱油、酱、干酪等食品，就是利用微生物酶作用而制成的蛋白食品，均具有很强的AA香味四、存在的问题(一)加热引起的营养价值下降蛋白食品在加工中，还原糖，油脂氧化物与氨基反应时，生成的香气或着色物。如果这种反应继续，生成物便不能复原为AA，因而会失去营养价值，这是法国化学家Maillard于1912年发现的，又称美拉德反应。美拉德反应分三个阶段进行，初始阶段，高级阶段和终了阶段。1.初始阶段包括羰氨缩合和分子重排两种作用。(1)羰氨缩合羰氨缩合作用是可逆的，在稀酸条件下，羰氨缩合产物很易水解；在碱性条件下有利于羰氨反应。(2)分子重排一阿马都利分子重排(Amadori)葡萄糖+氨基化合物→N—葡萄糖基胺N—葡萄糖基胺→分子重排→N—果糖基胺2.高级阶段N—果糖基胺进一步降解。(1)果糖基胺脱水生产羟甲基糠醛。(2)果糖基胺脱去胺残基生成还原酮。还原酮二羰基化合物+果糖基胺→还原酮是化学性质比较活泼的中间产物，它可以进一步脱水后再与胺缩合，也可以裂解成较小的分子，如果酮醛、乙二酰、乙酸等。(3)二羰基化合物与AA的作用：AA发生脱羧脱氨作用。这一反应称为斯特克勒降解作用，从而进一步形成褐色色素。二羰基化合物氨基酸美拉德在1912年就发现褐变反应中有CO2放出。实验证明：食品在贮存过程中自发地放出CO2，在羰氨反应中产生的CO2中，90～100%来自氨基酸残基而不是来自糖残基部分。所以，斯特克勒反应在褐变反应体系中即使不是唯一的，也是主要产生CO2的来源。氨基酮醛3.终了阶段包括两类反应(1)醇醛缩合是由两分子醛的自相缩合作用→生成不饱和醛。(2)聚合作用生成类黑色素。反应的最终产物称为类黑色素，其反应式和结构式仍不清楚。蛋白食品中Lys残基存在游离的ε-NH2，所以很容易发生上述反应，变成人类不能利用的形态。这是引起蛋白食品营养价值降低的因素之一。不能利用的Lys称为失效Lys。而在碱性条件下，蛋白质加热会生成一种称之为赖·丙缩合物的毒性物质。赖丙缩合物鸟丙缩合物赖氨酸鸟氨酸脱氢丙氨脱氢丙氨酸酸这是蛋白食品营养价值降低的原因之二。另外，蛋白质中的Met残基在高温下会发生氧化反应。水解下来最后生成的Met矾也不能被人体利用，称之为失效Met，这是引起蛋白质营养价值降低的又一原因。Met残基Met残基亚矾Met残基矾(二)加热及冻结引起的品质下降蛋白食品，尤其是动物性食品，如牛奶、鸡蛋等一般都是贮存性很低的食品。冻结有可能引起制品的物理性质完全改变。第三节蛋白质改性技术人类喜欢的食品往往基于它的味感特性，如外观、颜色、气味和组织，蛋白质在各种食品味感特性的表现方面起了一些功能作用。酪蛋白胶束和大豆蛋白的凝乳形成性，鸡蛋蛋白的起泡性，搅拌和热定形性质，肉蛋白的持水、乳化和组织形成性等，都在许多食品中起了重要作用。如在奶酪，日常食品肉，肉制品，焙烤食品，冰淇淋等动物来源的蛋白质（如牛奶、鸡蛋、肉蛋白等），在传统食品和组合食品中应用较多，但不同食品体系和应用中要求蛋白质发挥不同的功能特性，没有一种单一的蛋白质能满足各种食品所要求功能特性，这方面植物蛋白是显得尤为突出，虽然植物蛋白资源广，价格便宜，但因食品缺乏令人满意的功能特性而受到限制。改变天然的动植物蛋白质的物化性质和功能特性，以满足食品加工和食品营养性的需要，已成为当今经济发达国家中一些食品学家和营养学家研究课题。1998年美国9家大豆蛋白主干企业之——ADM公司在中国展销34个大豆蛋白制品中，属大豆分离蛋白有18种，各种蛋白制品专用性较强，如有高分散性注射肉用蛋白粉，高乳化性、高凝胶性肉制品用蛋白粉以及婴儿专用粉等，我国自20世纪80年代开发大豆蛋白以来，已有10多家大豆蛋白生产企业，但他们只注重产品生产、得率以及营养价值，而纯度较低，蛋白含量难保证，国内外差距最大的是我国蛋白生产品种单一，功能性，专用性较差。如美国产的大豆分离蛋白Supro590的持水性为7.08mL水/g蛋白，国内产品仅为4.86mL水/g蛋白，凝胶性方面差距更大，我们必须要研究蛋白的改性修饰技术，提高功能性质，使之达到国际上同类产品的质量功能特性指标。蛋白质改性修饰技术就是利用化学因素或物理因素或生物因素使蛋白质分子中氨基酸残基侧链基团和多肽链发生某种变化，引起蛋白质大分子空间结构和理化物质发生改变，在不影响其营养价值的基础上改善其加工功能特性。一、物理改性所谓物理改性是指利用热、电、机械能、声能等物理作用形式。如采用蒸煮、挤压、搅打、纺丝均属物理改性方法，它具有费用低，无毒无副作用，作用时间短，对产品营养性能影响较小等优点。例如利用高频电场对大豆蛋白质分子进行处理，大豆蛋白质分子正负电荷在高速交变的电场作用下，产生往复极化、蛋白质分子受到强烈的位伸、撞击、摩擦、挤压等作用并产生极化效应，使大豆蛋白质分子部分降低作用或空间结构改变，产生分子改性现象，NSI值明显提高。例如利用高温均质对醇法大豆浓缩蛋白进行改性处理，可使其溶解度、乳化性和起泡性提高。溶解度由16%增至70%，乳化性由2%增至91%。醇法大豆浓缩高温时其蛋白质加速溶解，蛋白分子随之热变性并形成聚集，但由于高速均质产生的剪切及搅拌作用，流体中任何一个很小的部分都相对于另一部分作高速运动，-SH和-S-S-基团之间无法正确取向并形成二硫键，防止了聚集体的进一步聚合。然而在蛋白聚集体内，蛋白分子位置相对固定，有利于聚集体内二硫键的形成，反过来又降低了-SH基浓度及聚集体形成二硫键，改性醇法大豆浓缩蛋白的分子聚集体具有一疏水核心，外层被亲水基团包围，类似于天然可溶性蛋白分子结构，在溶解时蛋白质以聚集体方式溶解，因此改性醇法大豆浓缩蛋白也被称为“可溶性蛋白聚集体”。二、化学改性根据食品工业的实际需要，通过化学试剂作用，使蛋白质中部分肽键断裂或者引入各种功能基团，如带负电荷基团、亲水、亲油基团、疏基等，生产出多种具有特殊加工功能特性的蛋白品种。美国、日本等发达国家已经利用化学改性技术生产出各种功能特性的大豆蛋白，国外报道中大豆蛋白改性为最多，可作化学改性的原料大豆蛋白有：豆粉和豆粕—全脂和脱脂、浓缩大豆蛋白、分离蛋白、组织蛋白制品（喷丝、挤压纺丝、挤压制品、压缩制品）、大豆蛋白提取物（豆乳）、大豆“乳清”。化学改性是利用蛋白侧链基团的化学活性，选择性的将某些基团转化为衍生物，以此来达到改变蛋白质的功能特性。蛋白质改性除提高蛋白功能特性外，如乙酰化后的蛋白还可降低美拉德反应。（一）碱处理大豆蛋白发泡剂的常压碱解（氢氧化钙）工艺流程如图：脱脂大豆配→浸泡→水磨→重磨→水洗→用石灰水配成碱液进行水解→压滤→浓缩→含固形物30%~32%装瓶或者喷雾干燥装袋。这是20世纪80年代初，工业生产应用较广的蛋白发泡粉工艺流程，成本较低，设备要求不高。但产品有时带有生石灰味，废渣的后处理环保问题均棘手。近年来，对浓碱高温下可能生成赖氨酰丙氨酸的毒性问题也提及过，在碱性试剂作用下，氨基酸由L型转D型可能性增加，成品的发泡性和泡沬稳定性均很高，色泽呈乳白。（二）酸处理大豆蛋白发泡剂的稀盐酸水解工艺流程如下：大豆粕→提取蛋白→酸水解→离心分离→水解液→调pH值→喷雾干燥→成品酸水解工艺条件：盐酸浓度3%，水解温度85℃，水解时间1.5h，这条件下使大豆蛋白的大分子水解为较小分子量的胨，肽分子约占水解液的5～4%，分解率达15～20%。此时起泡性能强，起泡速度快，泡沫细腻，呈乳白色的细泡沫群持泡时间长，由产品质量检测指标所示，起泡度可达320%以上，失水率为20%以下（泡沫稳定性指标），SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测得成品相对分子质量在6万～7万范围内。酸法水解的工艺优点是成品得率较高，工艺流程短，生产周期快，设计投资少，操作简单，产品质量稳定。酸碱处理可催化多种反应，从而使蛋白质的分子结构及功能特性发生重大变化。这反应包括肽键水解，酰胺基水解，精氨酸侧链水解，某些氨基酸被破坏。其结果是蛋白分子间静电斥力增大，氢键，疏水键作用力减少，因此酸碱处理的蛋白质大都具有较高的溶解度。（三）琥珀酰化作用蛋白质分子的亲核基团（如氨基或羟基等）与琥珀酸酐（丁二酸酐）的亲电子基团（如羧基）相互反应，见表4-4，从而在大豆蛋白质分子结构中引入琥珀酸亲水基团，然后在催化剂作用下引入长碳链亲油基团，使蛋白质成为具有双极性基团的高分子表面活性剂，琥珀酰化作用对蛋白质的特性主要有三个作用：①增加净负电荷；②改变结构；③提高蛋白质分裂成亚单位倾向，破坏蛋白聚合，增加了蛋白质的溶解性。琥珀酰化作用是氨基被负羧基所取代，在蛋白质内部引起静电吸引，而在邻近的羧基之间引起静电排斥，这样就反过来促进蛋白质多肽链的张开，增加蛋白质的溶解性，改变了其他的物理化学特性和功能。蛋白质经琥珀酰化改性后其溶解性、乳化能力及其稳定性、起泡性及其稳定性、吸水性等功能特性均比未改性处理的蛋白有明显的提高，琥珀酰化蛋白结构非常蓬松，外观洁白，易溶于水，有很好感官，颗粒细微，类似咖啡伴侣。例如棉籽蛋白琥珀酰化的改性。取原料棉籽蛋白粉（CPF）,边搅拌边加水（固-液比为1:1