超高压对蛋白质的影响

摘要：超高压技术是目前国际上最热门的食品加工技术之一，超高压处理在食品蛋白加工中可通过改变蛋白的结构，从而改变溶解性凝胶性乳化性起泡性等诸多加工特性;还可以改变蛋白质的酶解特性从而产生多种活性肽。超高压处理主要影响蛋白质中非共价键，而对共价键影响很小，其影响方向和程度与压力大小、施压时间、蛋白种类、溶液浓度、温度、溶剂有关。关键词：超高压蛋白影响结构超高压技术是食品加工近年来备受关注的高新技术之一，超高压处理就是将食品密封于弹性容器或置于无菌压力系统中(常以水或其它流体介质作为传递压力媒介),使用100MPa以上压力(一般是静水压)，在常温或较低温度下对食品物料进行处理的方法,使食品中酶、蛋白质、核酸和淀粉等生物大分子改变活性、变性或糊化,而食品天然味道、风味和营养价值不受或很少受影响,具有低能耗、高效率、无毒素产生等特点,是近年来发展较快食品加工方法。在美国及欧洲，许多国家先后对超高压食品的原理方法技术细节以及应用前景等方面进行了广泛的研究早在1914年，美国物理学家P.W.Briagmum提出了在静水压(500MPa)下蛋白质凝固，而在700MPa下形成凝胶的报告;但直到1986年才由日本京都大学林立丸教授提出了超高压可以在食品工业上应用到2007年底，全世界建立了约120家食品高压处理厂，处理容积为35～420L，年生产能力总计超过15万t可见，超高压技术已成为食品产业重要的加工手段，在商业应用中受到广泛关注[1]。1超高压处理技术的概念和特点超高压处理是将食品密封于弹性容器或无菌压力系统中，以水或其它流体介质为传压介质，采用100MPa以上(100～1000MPa)压力，在常温或较低温度下处理食品，使食品中酶蛋白质核酸和淀粉等，生物大分子活性改变变性或者糊化。与传统的热处理相比，超高压处理具有优良的特点:首先，它能在常温或较低温度下达到杀菌灭酶的作用，从而减少了热处理引起食品的营养成分及色香味的损失;其次，它传压速度快，均匀，不存在压力梯度;因此，超高压处理食品效率比较高;另外，超高压技术相对耗能较少目前，超高压技术被认为是近年来在食品加工和保存技术中最有发展潜力的技术，超高压技术在食品加工方面的应用范围相当广泛，但就目前研究现状分析来看，主要集中于两方面的研究:一是以达到食品保藏为目的，研究超高压的杀菌灭酶作用;二是以改变食品大分子的有关特性为宗旨，研究超高压对食品的蛋白质脂类多糖等理化特性的影响本文主要综述超高压处理在蛋白质改性方面的影响作用[2]。2超高压对蛋白质改性作用的研究超高压对食品(生物)大分子作用主要是压力所产生物质的体积变化物质组分在结构上差异而导致，在超高压下压缩变形不同当这一变形足够大时，可能会影响物质分子间结合形式，导致键的破坏和重组，从而使食品(生物)大分子功能特性发生变化许多经高静压变性的蛋白质在压力撤消后，分子构象会有所改变，并随之带来功能特性的改善超高压处理对蛋白质改性作用重要体现以下几个方面。2.1超高压处理对蛋白质结构的影响超高压处理主要是破坏蛋白质的三级四级结构的非共价键，而对共价键作用较小不同超高压力处理对蛋白质结构的影响不同一般在100～200MPa下，蛋白质变化是可逆的;但当压力超过300MPa时，蛋白质会发生氢键断裂，产生不可逆变性而改变蛋白质的三级结构，李汴生等发现在100～500MPa超高压范围内，大豆蛋白游离－SH的含量随处理压力提高而逐渐增加[3];其中400MPa高压处理可使部分蛋白发生变性Tedford等报道了高压和温度复合作用对－lactoglobulin结构变化的影响，观察到蛋白质分子在二级和三级水平上均出现不可逆转的破坏经高压处理后酸奶酪产生颗粒更小的球状蛋白聚集体，会使生产的奶酪凝胶强度更高，交联度更好，一些研究表明，大豆蛋白11S组分在200MPa，1min高压处理下开始变性，而400MPa，10min超高压处理会使蛋白完全变性;这是因为高压均质会导致蛋白质组分相互解离蛋白质凝胶破裂新的二硫键和疏水位点的暴露，从而使得不同组分相互聚集变性[4]。另外，溶液的pH有时也影响到超高压处理效果Puppo研究发现，pH为8的大豆分离蛋白溶液经200MPa以上超高压处理即可使其表面疏水性和聚集程度发生增加;而pH3的蛋白发生完全变性这样，超高压对于蛋白质结构的影响不仅取决于压力大小，也与蛋白种类温度和pH等因素有关。2.2超高压处理对蛋白质溶解性的影响蛋白质的溶解性是蛋白质水化作用的重要体现;而蛋白质和水分子的相互作用是通过它们的肽键(偶极－偶极或氢键相互作用)或者是通过它们的氨基酸侧链(离子化极性甚至非极性基团的相互作用)，作为食品蛋白质原料的首要条件是具有良好的溶解性，这对蛋白质在食品中稳定性风味等起直接的影响，当花生分离蛋白进行高压处理时，聚集的球状蛋白质逐渐解缔和伸展，同时蛋白质分子解聚成更小亚基，而球状蛋白内部极性基团和疏水基团的暴露使蛋白质颗粒表面电荷分布加强;暴露基团结合水增多，蛋白质水化作用增强，溶解性改善[5]。另外，随着处理压力升高和时间的延长，花生蛋白溶解性也越高，李汴生等对高压处理后的大豆分离蛋白溶解性和流变特性的变化及其机理进行了研究，发现经400MPa15min高压处理可使低浓度大豆分离蛋白的溶解性明显提高，Rodiles－López等报道，－乳白蛋白在600MPa55℃条件下处理10min，控制溶液pH为7，能显著提高蛋白质的溶解性考虑到蛋白质由于来源不同，蛋白质浓度处理压力和溶液pH的差异，一些高压处理并不会影响到蛋白质的溶解性，甚至还会降低溶解性[6]。2.3超高压处理对蛋白质凝胶性的影响凝胶性是蛋白质最重要的功能特性之一，其中最典型的应用为中国的豆腐和西方的奶酪，蛋白质凝胶类型主要决定于凝胶的分子形状，而凝胶的形成是一个动态的过程，受到溶液pH离子强度温度等影响，研究发现，超高压处理能破坏蛋白质胶体溶液，使蛋白质凝集形成凝胶，从而改变蛋白质的凝胶特性;超高压处理可使蛋白质分子二硫键发生部分断裂，巯基含量增加，蛋白质凝胶性能得到改善。王苑等研究表明，将鸡肉肌原纤维蛋白混和大豆蛋白经100MPa高压，55℃加热处理20min后，制备得到的凝胶明显优于传统加热方法制备得到的凝胶，在硬度弹性和保水性方面均有显著提高，高压处理既可缩短蛋白成胶时间，又可减少热处理对蛋白的破坏作用[7];这为大豆蛋白在肉糜类制品中的应用提供了新方法。李汴生等研究还表明，高压处理(300MPa)可改善豆浆和大豆分离蛋白的凝胶性能，获得持水性良好的凝胶豆腐。与通过加热蛋白质形成凝胶不同，经高压处理的蛋白质形成的凝胶更透明，光滑，柔软且富有弹性。Penna等分别比较了加热处理和高静压复合处理与单独处理对牛奶中益生菌的奶酪凝胶的影响，结果表明加热结合高静压处理可使乳酪凝胶结构更紧密，交联度更高[8];例如，由高静压处理牛奶中制得的乳酪凝胶的干酪素微粒是圆形的且大小均一，平均直径在200nm;而加热制备得到的乳酪凝胶产生的干酪素微粒平均直径在750～850nm。另外，超高压处理对蛋白质的影响是由压力温度和处理时间三个因素共同作用或者其中两个因素的相互作用所引起。例如，随着处理压力增大，温度也随之上升，从而提高了蛋白质凝胶强度，可见。超高压结合热处理更有利于改进蛋白凝胶性。2.4超高压对蛋白质乳化性的影响蛋白质形成及稳定乳状液的能力主要依赖于两个方面:a.通过吸附至表面而降低表面张力;b.通过静电空间作用力等形成高粘弹性保护膜，稳定乳状液。对于球蛋白来说，利用高压等技术手段可对蛋白质起到改性作用从而提高其乳化性在pH中性条件下，高压处理可改善大豆蛋白的乳化性但是不利于乳化稳定性[9]。Wang等研究也表明，高压处理(200～600MPa)能显著提高大豆分离蛋白的乳化活性指数，但降低了乳化稳定指数，这可能是由于高压处理导致了蛋白质的伸展和疏水基团的暴露，进而增强了大豆分离蛋白的乳化特性;而乳化稳定性的降低可能是由于蛋白质聚集造成蛋白质分子流动性降低另外，蛋白的乳化活性在某种程度上还受蛋白质组分浓度pH和压力处理的影响[10]。Molina等报道采用400MPa高压处理可提高在中性条件下0.75%大豆蛋白7S组分的乳化稳定性;而Puppo等的研究结果表明，在碱性条件下，高压处理可以减小大豆分离蛋白质的粒径大小和蛋白吸附量，从而改善蛋白的乳化活性;而在酸性条件下，高压处理则改善由于酸化作用而降低的乳化特性。由于高压均质过程具有巨大的剪切撞击作用和空穴效应;因而，使蛋白质乳化性质发生一定变化，并且蛋白质大分子由于具有复杂的多级结构，其乳化作用更容易受到高压均质的影响。Lee等研究了高压均质处理对乳清蛋白的乳液稳定性的影响，发现在高压处理下乳清蛋白会形成紧实的界面层，蛋白质之间相互作用的机会增加，使蛋白质粒径尺寸减小而提高蛋白质的乳化稳定性此外，高压均质对乳清蛋白的平均粒径大小和界面吸附蛋白的影响取决于乳液的pH:当pH从8.0降低到6.5时，乳液的平均粒径会有些许增加，即在酸性条件下增大乳液的平均粒径。一些研究结果还表明，高压处理对蛋白质乳液结构特性和粒径尺寸的影响是相互联系的。高压处理可以改变界面蛋白层的结构，同时改变乳液粒径的大小，增强蛋白质在界面上的吸附性和蛋白质在界面上的相互作用效果，从而有助于形成比较紧密的界面层和稳定性强的乳状液[11]。2.5超高压处理对蛋白质起泡性的影响起泡性是指蛋白质在加工中体积的增加率，在冰淇淋混合碳酸饮料以及糖果生产中可赋予食品以酥松的结构和良好的口感蛋白质经过强烈搅拌后，蛋白膜将混入的空气包围起来而形成泡沫，并且由于蛋白表面张力作用而使泡沫成为球形不仅如此，蛋白胶体本身的黏度使这种泡沫变得厚实和坚固，从而使蛋白具有一定的泡沫稳定性蛋白质起泡性受蛋白质浓度溶解性黏度疏水性溶液pH离子种类及强度和温度等因素影响研究发现，经加热和高压处理后的蛋清蛋白的起泡性更强，且泡沫不宜破碎;而经过超高压微射流均质处理后的大豆蛋白溶液随着均质压力的上升和溶解性增强，其起泡性也明显改善;这可能是随着溶解性的增强蛋白质扩散并吸附在界面的能力界面张力的降低，从而增加了泡沫的形成。刘坚等研究结果表明，超高压处理均能显著提高鹰嘴豆分离蛋白的起泡能力，并且在pH为6.0～8.0范围内，提高处理压力和延长保压时间均显著提高了鹰嘴豆分离蛋白的起泡能力[12]。Bouaouina等研究还发现，动态高压处理能更好提高蛋白的起泡性和气泡稳定性;但在pH接近等电点时，高压处理可导致蛋白质相互聚集增强，从而降低乳清蛋白在等电点附近的起泡性当乳清蛋白浓度过高(2%)或缓冲液离子浓度过高(100mmol/L)时，高压处理也会降低乳清蛋白的起泡性。研究认为，超高压作用可以使蛋白质发生聚合，这种聚合效应在一定范围内可以提高蛋白液的起泡性质，增强其黏度和表面张力;但当超过一定范围后，随着蛋白质大量聚合，会导致起泡性降低;另一方面，蛋白质的起泡性和表面疏水性之间密切相关，高压处理可使蛋白质中原来隐藏的疏水性基团暴露，蛋白的柔韧性增强，从而以更快吸附速率聚合更多蛋白，改善蛋白起泡特性[13]。2.6超高压处理对蛋白质酶解的影响超高压处理能影响蛋白质的结构和性质从而也影响到酶对蛋白质的催化特性超高压处理对蛋白的影响主要是在于蛋白三级四级结构的非共价键;蛋白经超高压处理后结构伸展而变得松散，从而暴露出更多位点，易于酶解反应进行，研究表明，－乳球蛋白卵清蛋白经高压处理后更容易被胰凝乳酶和胃蛋白酶所水解。VanderPlancken等报道，经400～700MPa超高压处理后的鸡蛋清蛋白不仅粘度表面疏水性和表面－SH含量提高，而且也更易被胰蛋白酶所水解，说明高压处理对蛋白酶解的促进作用与其蛋白结构的改变相联系研究还表明，超高压处理结合酶水解可提高蛋白功能特性，并形成具有多种生理活性的短肽。王章存等究表明，超高压处理可提高大豆蛋白的酶解产物如抗氧化性等活性，并促进酶水解。Chicón等人研究了高压处理对乳清蛋白酶解产物功能特性及免疫活性的影响，发现400MPa超高压结合胃蛋白酶处理乳清蛋白