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1、食品蛋白质第五章 蛋白质（Protein)本章主要内容（Content） 蛋白质的一般性质（General aspects) 结构 蛋白质-水相互作用，影响蛋白质水溶性的因素 蛋白质-脂的相互作用 蛋白质的变性（Denaturation） 蛋白质变性产生的效应 导致蛋白质变性的物理因素 导致蛋白质变性的化学因素蛋白质的功能性质（Functional Properties） 定义与分类 水化性质 溶解度与粘度、凝胶作用 组织化 热凝结和形成、纤维的形成热塑挤压、面团 乳化性质 乳化能力与乳化稳定性 起泡作用 起泡性与泡沫稳定性 蛋白质的营养特性（Nutritional properties） 蛋

2、白质的开发利用（Utilization） 植物蛋白质和动物蛋白质：浓缩蛋白质与分离蛋白质利用微生物生产蛋白质单细胞蛋白第一节 引言（Introducti 蛋白质是构成生物体的基本物质。 病毒，细菌，激素，植物和动物细胞原生 质都是以蛋白质为基础的。 酶是蛋白质 已经发现数以千计的酶。 蛋白质是由20种氨基酸构成的聚合物一、蛋白质的分类： （一）根据组成分类 简单蛋白质（homoproteins） 在细胞中未经酶催 化改性的蛋白质。仅含有氨基酸。 结合蛋白质（conjugated proteins）或杂蛋白质 （heteroproteins） 经过酶催化改性的或与蛋白质组分复合的蛋白质。含有氨基

3、酸和其它非蛋白质化合物。 辅基（prosthetic proteins）结合蛋白中的非蛋白质组分。结合蛋白质包括： 核蛋白（Nucleoproteins）（核蛋白体） 糖蛋白（Glycoproteins)（卵清蛋白、-酪蛋白） 磷蛋白（Phosphoproteins）（-和-酪蛋白、激酶、磷酸化酶） 脂蛋白（Lipoproteins）（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质） 金属蛋白（Metalloproteins）（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）。（二）根据大体上的结构形式分类 球蛋白（Globular proteins）以球状或椭圆状存在的蛋白质，由多肽链自身折叠而成； 纤维状蛋白（Fibrous p

4、roteins） 棒状分子，含有相互缠绕的线状多肽链（例如，原肌球蛋白、胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白）。纤维状蛋白也能由小的球状蛋白经线性聚集而成，例如肌动白和血纤维蛋白。大多数酶是球状蛋白，而纤维状蛋白总 是起着结构蛋白的作用。二、蛋白质的生物功能 酶 结构蛋白 收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白） 激素（胰岛素、生长激素） 传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白） 抗体（免疫球蛋白） 保护蛋白（毒素和过敏素）。 储藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）储藏蛋白主要存在于蛋和植物种子中。 食品蛋白质 易于消化 无毒 富有营养 显示功能特性 来源丰富第二节 氨基酸的物理化学性质 一、氨基酸的一般性质

5、 （一）一般结构和分类 蛋白质含有碳、氢、氧和氮等元素，有些含有硫或磷元素，少数还含有锌、铁、铜、锰等元素。不同的蛋白质其组成和结构也不同。 各种蛋白质的含氮量很接近，其平均值为16%。 组成蛋白质的氨基酸除了脯氨酸和羟脯氨酸外都 是氨基酸。 都是L-型的-氨基酸。蛋白质中常见氨基酸根据其分子结构可归纳为六类 中性氨基酸 一氨基,一羧基 Gly（甘）,Ala（丙）,VAL（缬）, LEU（亮）, ILE（异亮） 酸性氨基酸 一氨基，二羧基 ASP（天冬），GLU（谷） 碱性氨基酸 二氨基，一羧基 ARG（精），LYS（赖） 含羟氨基酸 一氨基，一羧基，一羟基 SER（丝），THR（苏） 含硫氨

6、基酸 一氨基，一羧基，一巯基 CYS（ 半胱氨酸），MET（蛋） 含环氨基酸 一氨基，一羧基，一环 PHE（苯丙）,TRP（色）, HIS（组）,PRO（脯）,TYR（酪）按侧链基团的极性可分为四类 1. 非极性氨基酸或疏水性氨基酸。含有脂肪族（Ala、Ile、Leu、Met、Pro和Val）和芳香族侧链的氨基酸 (Phe，Trp)是疏水的。 2. 不带电荷的极性氨基酸，侧链与水结合氢键如： SER，THR，TYR，CYS， ASP，GLY。 3. 在pH7时(生理条件下)带正电荷的极性氨基酸（碱性氨基酸），如LYS，ARG，HIS。 4. 在pH7时(生理条件下)带负电荷的极性氨基酸（酸性氨

7、基酸）， 如ASP，GLU。 碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性。甘丙缬亮异脂链 、丝苏半蛋羟硫添 、脯酪色苯杂芳环 、天谷精赖组酸碱必需氨基酸 有些氨基酸，机体合成不足，必需从食物或饲料中供给，如果食物或饲料中缺乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生长和健康。 人体必需氨基酸有LYS，PHE, VAL, MET, TRP, LEU, ILE及THR八种，此外，HIS对于婴儿的营养也是必需的。第四节 蛋白质的变性 一、概述 蛋白质变性的一般概念 外界因素的作用使构成空间结构的氢键等副键遭受破坏，导致蛋白质的二级，三级和四级结构的变化，天然蛋白质的空间构型则解体，有秩序的螺旋型，球状构型变为无秩序的伸

8、展肽链，使天然蛋白质的理化性质改变并失去原来的生理活性，这种作用称为蛋白质的变性作用。 在某些情况下，变性过程是可逆的，例如，有的蛋白质在加热时发生变性，冷却后，又可复原。 可逆变性一般只涉及蛋白质分子的三级和四级结构变化， 不可逆变性能使二级结构也发生变化。 如果二硫键起着稳定蛋白质构象的作用，那么它的断裂往往导致不可逆的变性。蛋白质变性后其物理化学性质变化表现为： （）因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降 （）结合水能力的改变 （）失去生物活力（酶活力或免疫活力） （）对蛋白酶的敏感性（肽键暴露） （）蛋白质固有粘度增加 （）没有结晶能力引起蛋白质变性的因素 物理因素： 温度、紫外线、超声

9、波、高压等。 化学因素： 酸、碱、有机溶剂、重金属盐类、 脲、胍、表面活性剂等。二、引起蛋白质变性的因素 （一）物理因素1.热 最常见的变性现象，热变性。 热变性所需温度与蛋白质本质、纯度和pH值有关。 蛋白质受热变性的机理 在较高温度下，保持蛋白质空间构象的那些副键断裂，破坏了肽链的特定排列，原来在分子内部的一些非极性基团暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白质的溶解度，促进了蛋白质分子之间相互结合而凝集，形成不可逆的凝胶而凝固。 氢键、静电和范德华尔相互作用具有放热的性质。它们在高温下去稳定而在低温下稳定。 疏水相互作用是吸热的。它们在高温下稳定，而在低温下去稳定。然而，疏水相互作用的稳定性也

10、不会随温度的提高而无限制地增强疏水相互作用的强度在 60-70 时达到最高。 一般认为，温度愈低蛋白质的热稳定性愈高，但并非总是如此。 肌红蛋白和T4噬菌体突变株溶菌酶 冷诱导变性。极性和非极性相互作用对蛋白质稳定性的影响 蛋白质的分子中极性相互作用超过非极性相互作用，蛋白质在冻结温度和低于冻结温度时比较高温度时更稳定。 蛋白质的稳定主要依靠疏水相互作用时，蛋白质在室温时比在冻结温度时更稳定。 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。 蛋白质的平均疏水性和热变性温度之间的正相关只是一个近似，二硫键、盐桥等对蛋白质的稳定性也

11、有贡献。影响热变性的因素 （）组成蛋白质的氨基酸的种类 蛋白质分子中的-SH 含量与变性蛋白质在水中凝固作用成正比。如大豆蛋白质(含硫氨基酸较少) 脯氨酸或羟脯氨酸能阻碍蛋白质分子彼此形成交联，使蛋白质不易凝固。如醇溶谷蛋白(含脯及羟脯氨酸较多) 。（）温度 一般是在50-70之间 蛋白质凝固的温度因其种类而不同， 容易凝固的蛋白质有可溶性清蛋白和球蛋白。如牛乳中含有酪蛋白，有少许乳清蛋白，所以在一般情况下，牛乳不易凝。（）水 水分愈少所需变性温度愈高。 水能显著地促进蛋白质的热变性。干蛋白质粉对热变性是非常稳定的。 在干燥状态，蛋白质具有静止的结构，多肽链段的移动受到限制。水分含量的增加，水

12、合作用和水部分地穿透至蛋白质结构的空洞的表面导致蛋白质的肿胀。蛋白质的肿胀提高了多肽链的移动性和柔性，使蛋白质分子可以采取动力学上更为熔融的结构，当加热时，此动力学上柔性结构比起干燥状态能提供给水更多的机会接近盐桥和肽的氢键，于是造成较低的T d 值。（）电解质 蛋白质凝固温度因电解质的存在而降低，其反应速度则增加，化合价大的离子易使蛋白质凝固。例如制造豆腐时，豆浆中的球蛋白仅加热是不会凝固的，但在70以上添加氯化镁或硫酸钙即可凝固。 （）氢离子浓度 蛋白质凝固温度，亦受氢离子浓度的影响，一般在等电点范围内，最易凝固（分子间容易靠近）。加酸过多至pH4.8以下，则凝固温度上升，甚至不会凝固。2

13、. 冷 低温能导致一些蛋白质的变性。一些在室温下稳定的酶在时变得较不稳定。 一些蛋白质在低温时聚集或沉淀。高疏水性极性氨基酸比例的组成及结构 决定疏水相互作用，易低温变性。3. 机械处理 揉搓、振动、打擦等操作产生的机械剪切可能使蛋白质变性。揉搓或滚压产生剪切力可打螺旋。 当一个转动的叶片产生高剪切时，造成亚音速的脉冲，在叶片的尾随边缘也出现空化，导致蛋白质变性。剪切速度愈高，蛋白质变性程度愈高。 高温和高剪切力相结合能导致蛋白质不可逆的变性。4. 压力 压力诱导蛋白质变性主要是因为蛋白质是柔性的和可压缩的。球状蛋白质分子结构的内部一些空穴仍然存在，这使得蛋白质分子结构具有可压缩性。 压力诱导

14、的蛋白质变性是高度可逆的。 大多数纤维蛋白无空穴，故其对静水压的稳定性较高。 大多数蛋白质在100 1200 Mpa压力下诱导变性。压力诱导转变的中点出现在400 800Mpa。 高压处理：灭菌和蛋白质的凝胶5. 辐照:：芳香族氨基酸残基吸收紫外线，若能量高，能打断二硫键。其它射线能起氧化或打破共价键作用。 6. 界面： 当分子吸附在水和空气、水和非水液体或水和固体的界面时，通常会导致不可逆变性。（二）引起蛋白质变性的化学因素 1. pH 常温下，大多数蛋白质仅在pH4-10的范围内是稳定的。 酸碱引起蛋白质变性的机理 蛋白质溶液pH值的改变导致多肽链中某些基团发生解离，从而破坏了静电作用形成

15、的键。 蛋白质在等电点时比在任何其他pH值时对变性作用更加稳定（自身不容易展开） 在中性pH附近，净负电推斥能量小于其他稳定蛋白质的相互作用的能量，因此大多数蛋白是稳定的。 在极端pH值，高静电荷引起的强烈的分子内电推斥力导致蛋白质分子的肿胀和展开。 pH诱导的蛋白质变性多数是可逆的 然而，如果肽键的部分水解，Asn和Gln的脱酰胺，巯基的破坏，或者聚集作用能导致蛋白质不可逆变性。 酸和碱可以加速热变性。 一般水果罐头的杀菌温度较蔬菜低。2.金属 碱金属作用有限，碱土金属具有较高的能力，过渡金属容易反应，其中许多能形成络合物。用螯合剂除去这些金属离子，降低蛋白质对热和蛋白酶的稳定性。 3.有机

16、溶剂 有机溶剂以不同的方式影响蛋白质的疏水相互作用、 氢键和静电相互作用。 在蛋白质水溶液中加入大量的有机溶剂，能引起蛋白质的变性作用主要是影响蛋白质的疏水相互作用非极性侧链在有机溶剂中比在水中更易溶解，因此会削弱疏水相互作用。4. 有机化合物的水溶液（1）一些有机化合物，如脲素和盐酸胍（GuHCl）的水溶液，能打断氢键导致蛋白质不同程度的变性。这些物质通过提高疏水氨基酸残基在水相的浓度，也降低了疏水相互作用。 （2）表面活性剂是强有力的变性剂。其作用如同蛋白质疏水区和亲水环境的媒介物，打断了水相互作用。5. 促溶盐（chaotropic salts）和变性 盐以两种不同的方式影响蛋白质的稳定

17、性。 在低浓度时，离子通过非特异性的静电相互作用与蛋白质作用，此类蛋白质电荷的静电中和一般稳定了蛋白质的结构。完全的电荷中和出现在离子强度等于或低于0.2，与盐的性质无关。在较高的浓度（1M），盐具有影响蛋白质结构稳定 性的离子特异效应，像Na 2 SO 4 和NaF这样的盐能促进蛋白质结构的稳定性，而NaSCN和NaClO 4 的作用相反。阴离子对蛋白质结构的影响甚于阳离子阴离子对蛋白质结构的影响甚于阳离子 在等离子强度下各种阴离子影响蛋白质结构稳定性的能力一般遵循下面顺序（Hofmeister系 列或促溶）系列。 F - SO 4 2- Cl - Br - I - ClO 4 - SCN

18、- Cl 3 CCOO - 氟化物、氯化物和硫酸盐是结构稳定剂，而其它阴离子盐是结构去稳定剂。NaSCN和NaClO 4 是强变性剂。 高浓度的盐总是对蛋白质的结构稳定性产生不利的影响。 稳定蛋白质的盐能促进蛋白质的水合作用并与蛋白质微弱地结合。 使蛋白质不稳定的盐能降低蛋白质的水合作用并与蛋白质强烈地结合。（六）还原剂 还原剂能还原蛋白质分子中的二硫键交联，因而改变了蛋白质的构象。第五节 蛋白质的功能性质 一、蛋白质水合 二、蛋白质溶解度 三、蛋白质的界面性质 乳化 气泡 四、风味结合 五、粘度 六、凝胶化作用食品蛋白质的“功能性质” 在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白质在食品体系中的

19、性能的那些蛋白质的物理和化学性质。 Functionality：physical and chemical properties which affect the behavior of proteins in food systems during processing, storage, preparation and consumption。Functional properties of protein 粘度viscosity (thickening) 凝胶作用（gelation） 组织好（texturization ） 湿润性（wettability） 分散性（dispersibil

20、ity） 溶解度（solubility） 起泡性（foaming） 乳化性（emulsification） 风味结合（ flavor binding ）与蛋白质功能性质相关的物理和化学性质 physical and chemical properties 大小（size） 形状（shape) 氨基酸组成和顺序（amino acid composition and sequence ） 净电荷和电荷的分布（net charge and distribution of charges） 疏水性和亲水性之比（hydrophobicity/hydrophilicity ratio） 二级、三级和四级结

21、构（secondary, tertiary, and quaternary structures） 分子柔性和刚性（molecular flexibility/rigidity） 蛋白质分子间相互作用和同其它组分作用的能力 （ability to interact/react with other components）。蛋白质的两类分子性质 Two molecular aspects of proteins 流体动力学性质（hydrodynamic properties） 粘度、胶凝和组织化流体动力学性质大小、 形状和柔性。 蛋白质表面性质 （ protein surface-related

22、 properties）。 湿润性、分散性、溶解性、起泡、乳化以及与脂肪与风味物的结合蛋白质表面的化学性质地形性质 （topographical properties）。食品蛋白质的功能性质可以分成三个主要类别： （1） 水化性质（ Hydration，蛋白质水的相互作用） 包括水吸收及保留、湿润性、肿胀、粘着性、分散性、溶解度和粘度。 （2）蛋白质蛋白质相互作用（Proteinprotein interaction） 包括沉淀作用、胶凝作用和形成各种其它结构（蛋白质面团和纤维）。 （3）表面性质（ protein surface-related properties ） 主要关系到蛋白质的表

23、面张力、乳化作用和泡沫特征。一、蛋白质的水合（ Protein Hydration ） The interaction of water with other food constituents 取决于水-蛋白质相互作用的蛋白质的功能性质： 分散性、湿润性、肿胀、溶解性、增稠、粘度、持水能力、胶凝作用、凝结、乳化和起泡。 水与蛋白质分子一些基团的相互作用 离子-偶极相互作用 ：偶极-偶极相互作用 ：偶极-诱导偶极相互作用 疏水相互作用蛋白质结合水的能力（水合能力） water binding capacity (WBC) of proteins 定义：当干蛋白质粉与相对湿度为90- 95%的水

24、蒸汽达到平衡时，每克蛋白质所结合的水的克数。 蛋白质的水合能力部分地与它的氨基酸组成有关，带电的氨基酸残基数目愈大，水合能力愈大。（1）pH pH会影响蛋白质分子的离子化作用和净电荷数值，从而改变蛋白质分子间的吸引力和推斥力 以及蛋白质分子同水结合的能力。（3）Temperature A加热时，变性和凝聚作用，降低蛋白质的表面积及极性氨基酸的有效性。另一方面，加热时，内部的疏水性氨基酸转向表面。 B. 一些蛋白质，如乳清蛋白，加热时形成凝胶。如将凝胶干燥，蛋白质网中毛细管作用力使蛋白质吸收的能力显著地增加。 WBC of proteins generally decreases as the

25、temperature is raised. 温度升高后，氢键作用和离子基团的水合作用减弱。 变性蛋白质结合水的能力一般比天然蛋白质约高10%。因为蛋白质变性时，随着一些原来埋藏的疏水基团的暴露，表面积与体积之比增加。 然而，如果变性导致蛋白质聚集，蛋白质结合水的能力会由于蛋白质蛋白质相互 作用而下降。二、蛋白质的溶解度（SolubilitProtein-Protein + Solvent-Solvent Protein-Solvent 高的起始溶解度是其它功能性质的先决条件。 thickening, foaming, emulsifying, and gelling只有具有高溶解度乳清蛋白质

26、和一些其它蛋白质才能在乳状液，泡沫和凝胶中表现出良好的功能性质。 影响蛋白质溶解性质的主要的相互作用：疏水相互作用能促进蛋白质蛋白质相互作用，使蛋白质溶解度降低；离子相互作用能促进蛋白质水相互作用，使蛋白质溶解度增加。描述食品蛋白质的一些术语 WSP：水溶性蛋白质 WDP：水可分散蛋白质 PDI：蛋白质分散性指标 NSI：氮溶解性指标 PDI和NSI已被确定为美国油脂化学家协会的法定方法： 氮溶解度指标（NSI）、溶解度-pH或溶解度-离子强度或溶解度-热处理曲线是食品加工中常进行的试验。 商业大豆粉，浓缩大豆蛋白和分离大豆蛋白质的NSI值可以在1090之间变动。 热处理时，大多数蛋白质的溶解

27、度显著地和不可逆地降低。根据溶解度性质的蛋白质分类 (1) 清蛋白（Albumins），能溶于pH 6.6的水。血清清蛋白、卵清蛋白和-乳清蛋白等。 (2) 球蛋白（Globulins），能溶于pH 7.0的稀盐溶液。大豆球蛋白、菜豆球蛋白和-乳球蛋白等。 (3) 谷蛋白（Globulins），仅能溶于酸（pH 2）和碱（pH 12）溶液。小麦谷蛋白等。 (4) 醇溶谷蛋白（Prolamines），能溶于70%乙醇。玉米醇溶蛋白和麦醇溶蛋白等。 谷蛋白和醇溶谷蛋白是高疏水性蛋白质。其它影响溶解度的因素 pH 当pH高于或低于等电点时，蛋白质带净的负电荷或净的正电荷，水分子能同这些电荷相互作用并

28、起着稳定作用。 U-形曲线，最低溶解度出现在蛋白质的等电点附近 Ionic Strength and Solubility “盐溶”（salted in） 中性盐的离子在0.1-1能提高蛋白质的溶解度。 “盐析” （salted out）中性盐的离子大于，蛋白质的溶解度降低，并可能导致蛋白质沉淀。 当离子强度0.5时，离子中和蛋白质表面的电荷。 电荷掩蔽效应对蛋白质的溶解度的影响取决于蛋白质的表面性质。如果蛋白质含有高比例的非极性区域，那么此电荷掩蔽效应使它的溶解度下降，反之，溶解度提高。 当离子强度1.0时，盐对蛋白质溶解度具有特殊的离子效应。 硫酸盐和氟化物（盐）逐渐降低蛋白质的溶解度。在

29、相同的，各种离子对蛋白质溶解度的相对影响（提高溶解度）的能力。Hofmeister系列 阴离子（提高蛋白质溶解度的能力）： SO 4 2- F - Cl - Br - I - ClO 4 - SCN - 阳离子（降低蛋白质溶解度的能力） ： NH 4 + K + Na + Li + Mg 2+ Ca 2+ 。Organic Solvents 能与水互溶的有机溶剂（ ethanol or acetone ）降低水介质的介电常数提高蛋白质分子内和分子间的静电作用力（推斥和吸引）。 分子内静电推斥相互作用导致蛋白质分子结构的展开。在此展开状态，介电常数的降低能促进暴露的肽基团之间的分子间氢键的形成和

30、带相反电荷的基团之间的分子间静电相互吸引作用。 这些分子间的极性相互作用导致蛋白质在有机溶剂水体系中溶解度下降或沉淀。 Temperature 040 蛋白质的溶解度随温度的提高而 提高。 温度超过40时，由于热动能的增加导致 蛋白质结构的展开 （变性），蛋白质内 部的疏水基团暴露， 促进蛋白质聚集和沉淀。三、蛋白质的界面性质（ Interfacial Properties ） 蛋白质稳定乳浊液牛奶、豆奶等动植物蛋白饮品，奶油、人造黄油、蛋黄酱、色拉调料、香肠等。 蛋白质稳定泡沫食品面包、蛋糕、冰淇淋、啤酒泡沫 不同蛋白质在表面活性性质上差别主要与它们在构象上的差别有关。 重要的构象因素（conformational factors） 多肽链的稳定性/柔性（stability/flexibility） 对环境改变适应的难易程度（ease of adaptability to changes in the