第五章氨基酸

第五章氨基酸、肽和蛋白质本章内容5.1概述5.2氨基酸5.3肽5.4蛋白质的结构（难点）5.5蛋白质的变性（重点）5.6蛋白质的功能性质（重点）5.7蛋白质在食品加工和贮藏中的物理、化学和营养变化1蛋白质在食品加工中的意义蛋白质是食品中三大营养素之一蛋白质对食品的色、香、味及组织结构等具有重要意义一些蛋白质具有生物活性功能，是开发功能性食品原料之一2蛋白质的分类（1）根据化学组成分为：1）简单蛋白：水解只产生氨基酸2）结合蛋白：由氨基酸和非蛋白质成分组成（2）根据蛋白质的分子形状分为：1）球状蛋白质：如溶菌酶、肌动蛋白等2）纤维状蛋白质：如肌球蛋白、胶原蛋白、角蛋白、丝心蛋白、弹性蛋白等（3）依据蛋白质的生物功能分为：1）酶2）运输蛋白3）营养和贮藏蛋白质4）运动蛋白5）结构和防御蛋白等3食品中蛋白质来源动物中蛋白质：如猪肉、鱼肉、鸡肉、乳植物中蛋白质：如大豆、谷物微生物中蛋白质：酵母5.2氨基酸1结构已经发现的氨基酸有175种，但组成蛋白质的氨基酸为其中的20种左右。2分类1）按R基团极性不同分为：a)非极性R基团氨基酸；b)极性R基团不带电荷的氨基酸c)极性R基团带正电荷的氨基酸(pH7时带正电荷)d)极性R基团带负电荷的氨基酸(pH7时带负电荷)2分类2）按氨基和羧基数目分：a)中性氨基酸；b)酸性氨基酸；c)碱性氨基酸3）营养学上分类a)必需氨基酸---有8种氨基酸在人体内不能合成，或合成的速度不能满足机体的需要，必须从每日膳食中摄取。分别为：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸。b)非必需氨基酸必需氨基酸和非必需氨基酸之间的比例，成人为1：4，婴儿为1：1.86比较合适。3）营养学上分类c)限制性氨基酸大米的主要限制性氨基酸是赖氨酸和苏氨酸大豆的限制性氨基酸是蛋氨酸所以在制取婴儿米粉营养食品时，可以选择米粉为主，添加大豆粉进行强化。3氨基酸的理化性质氨基酸的立体化学氨基酸的酸碱性质---氨基酸的PI氨基酸的疏水性氨基酸的光学性质氨基酸的化学反应与茚三酮反应、与荧光胺反应等4氨基酸的风味及功能1）甜味氨基酸氨基酸的甜味与主体构型有关。D型氨基酸多数有甜味，其中D-色氨酸的甜度为蔗糖的40倍。另外，L型氨基酸中甘氨酸、苏氨酸、脯氨酸均是天然的甜味剂。蛋白糖：天门冬氨酰苯丙氨酸甲酯，商品名为阿斯巴甜，其甜度为蔗糖的200倍。2）鲜味氨基酸a)如天门冬氨酸、精氨酸b)谷氨酸及其钠盐，谷氨酸钠在pH7时鲜味最强，食盐、I＋G有助于提升鲜味。c)水解植物蛋白（HVP）4氨基酸的风味及功能3）氨基酸对饮料风味的缓冲作用可以调和糖、酸的口感，使饮料的口感和风味变的柔和。如在可乐中添加适量的氨基酸可使其苦涩味适当得到收敛。4）氨基酸在各领域中的应用分布调味品和食品添加剂60%饲料添加剂31%药品、化妆品及其他9%5.3肽氨基酸分子通过酰胺键形成的化合物成为肽。可以分为寡肽（小于10）和多肽（大于10）。5.3.1肽的物理和化学性质1肽的两性性质：与氨基酸相似，肽类物质也具有酸碱性质和等电点。例如Gly-AsppI3.63；Gly-Gly-GlypI5.58；利用多肽的等电点，可以进行肽类物质的分离。2黏度与溶解度天然蛋白的水溶液当其浓度超过13%时就会形成凝胶，不利于高蛋白溶液的制备；而多肽即使在50%的高浓度下和在较宽的pH范围内仍能保持溶解状态，同时还具有较强的吸湿性和保湿性，可制成高蛋白饮料和高蛋白果冻，在日化工业中还可以用作毛发和皮肤的保湿剂。5.3肽5.3.1肽的物理和化学性质3渗透压和对产品质构的调节作用（1）当一种液体的渗透压比体液高时，易使人体周围组织细胞中的水分向胃肠移动而出现腹泻。多肽溶液的渗透压比氨基酸溶液要低，因此可以克服因氨基酸溶液渗透压高而导致的问题。（2）多肽具有抑制蛋白质形成凝胶的性能，可利用此性质来调整食品的质构。如水产、肉、禽蛋白在加热时因形成凝胶而变硬，适量加入大豆多肽，就会起到软化的作用。5.3肽5.3.1肽的物理和化学性质4肽化学性质肽类物质基本的化学性质和氨基酸基本的化学性质相同，都是由其特征性官能团决定的。但肽和蛋白可以发生双缩脲反应而氨基酸则不能。5.3肽5.3.2活性肽的种类及功能生物活性肽也称作功能肽，是近年来非常活跃的研究领域，其应用涉及到生物学、医学、化学等多种学科，在食品科学研究及功能食品开发中也显示出美好的前景。1分类功能肽按照获得途径的差异可以分作两种类型，一类是从生物体特别是动物体内获得的天然功能肽；另一类是利用动植物蛋白，通过水解或酶解，再经过活性筛选而获得的外源性功能肽。（1）天然功能肽目前，由自然界已经获得了种类多样、功能各异的生物活性肽。如下表：（2）外源性功能肽a)以天然蛋白作为原料通过水解或酶解的方法，获得大量的肽类，从中筛选活性肽。包括化学水解法、酶水解法。b)合成法化学水解法工艺简单但难以控制水解程度，容易将肽链继续水解为氨基酸，并且水解过程中氨基酸的结构容易受到影响而发生构型甚至构造上的变化，影响肽的结构和功能。酶水解法此方法的一般工艺流程为：原料蛋白→预处理→酶解→灭酶→脱苦味脱色→分离→干燥→成品。目前可以使用的酶种类较多，如胰蛋白酶、胃蛋白酶、碱性蛋白酶等动物蛋白酶及菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶等植物蛋白酶，而比较便宜易得的还有不同种类的微生物蛋白酶。到底选择何种，可根据酶的水解特性、原料蛋白的来源及欲得到的功能多肽类型来综合考虑决定。如酪蛋白磷酸肽的生产（CCP）。5.4蛋白质的结构TheConformationofProteins5.4蛋白质的结构5.4蛋白质的结构5.4.1蛋白质分子一级结构1概念---指氨基酸通过共价键即肽键连接而成的线性序列。2肽键的结构5.4.1蛋白质分子一级结构5.4.1蛋白质分子一级结构5.4.2蛋白质分子二级结构概念----主要是指多肽链主链本身通过氢键盘绕、折叠而形成的构象。5.4.2蛋白质分子二级结构1α-螺旋结构是指多肽链主链骨架围绕一个轴一圈一圈地上升，从而形成一个螺旋式的构象。1）每一圈包含3.6个残基，螺距0.54nm,残基高0.15nm,螺距半径0.23nm;5.4.2蛋白质分子二级结构2β-折叠股和β-折叠片5.4.2蛋白质分子二级结构2β-折叠股和β-折叠片2）β-折叠片5.4.2蛋白质分子二级结构3β–转角（β–回折或发夹结构）主要存在于球状蛋白中，特点是肽链回折180度，形成氢键。5.4.2蛋白质分子二级结构4无规卷曲指没有确定规律的盘曲，这种构象称为无规卷曲。在这部分肽段中，不同氨基酸残基扭角不同，因而表现出多种构象，有利于多肽链形成灵活的、具有特异生物活性的球状构象。5.4.3蛋白质分子三级结构5.4.3蛋白质分子三级结构5.4.4蛋白质分子四级结构5.5蛋白质的变性5.5.1概述1定义：把蛋白质二级及其以上的高级结构在一定条件（加热、酸、碱、有机溶剂、重金属离子等）下遭到破坏而一级结构并未发生变化的过程叫蛋白质的变性。2蛋白质变性对其结构和功能产生的影响：①溶解度降低，原因是二级结构发生变化，疏水基团暴露于分子表面；②与水的结合能力降低；③生物活性（功能）丧失，如抗菌酶失活，煮熟的鸡蛋易变质；④容易被水解（肽键暴露）；⑤黏度变大；⑥难以结晶5.5蛋白质的变性5.5.1概述3蛋白质变性的分类（1）可逆变性除去变性因素之后，在适当的条件下蛋白质构象可以由变性态恢复到天然态。（2）不可逆变性除去变性因素之后，在适当的条件下蛋白质构象不能由变性态恢复到天然态。5.5蛋白质的变性5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素1）加热与蛋白质的变性如鸡蛋清加热凝固，瘦肉加热凝固变硬等a)加热变性的基本过程：当蛋白质溶液被逐渐的加热并超过临界温度时，溶液中的蛋白质将发生从天然状态向变性状态的剧烈转变。此转变中点的温度被称作熔化温度（Tm）或变性温度（Td）。b)蛋白热变性的一般规律：大多数蛋白质在45～50℃时开始变性，但也有些蛋白的Td可以达到相当高的温度，如大豆球蛋白93℃、燕麦球蛋白108℃等。当加热温度在临界温度以上时，每提高10℃，变性速度提高600倍。5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素1）加热与蛋白质的变性c)加热使蛋白变性的本质：提高温度对天然蛋白质最重要的影响是促使它们的高级结构发生变化，这些变化在什么温度出现和变化到怎样的程度是由蛋白质的热稳定性决定的。一个特定蛋白质的热稳定性又由许多因素所决定，这些因素包括氨基酸的组成、蛋白质－蛋白质接触、蛋白质与金属离子及其它辅基的结合、分子内的相互作用、蛋白浓度、水分活度、pH、离子强度和离子种类等等。变性作用使疏水基团暴露并使伸展的蛋白质分子发生聚集，同时伴随出现蛋白质溶解度降低。5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素2）冷冻与蛋白质的变性如肌红蛋白＜0℃，大豆球蛋白在2℃，乳酸脱氢酶、甘油醛磷酸脱氢酶在4℃时就可以发生变性。蛋白质冷冻变性的原因：a)蛋白质周围的水与其结合状态发生变化，这种变化破坏了一些维持蛋白原构象的力；b)由于水保护层的破坏，蛋白质的一些基团就可以发生直接的接触和相互作用，导致蛋白质发生聚集或原来的亚基发生重排；c)由于大量水形成冰后，剩余的水中无机盐浓度大大提高，这种局部的高浓度盐也会使蛋白质发生变性。5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素3）静水压与蛋白质的变性a)压力可使蛋白变性，但一般在25℃下要求100～1200MPa的高的压力。b)压力诱导蛋白质变性的原因主要是蛋白质的柔性和可压缩性。虽然氨基酸残基被紧紧地包裹在球状蛋白分子结构的内部，但一些空穴仍然存在，这就导致蛋白分子结构的可压缩性。大多数纤维状蛋白质分子不存在空穴，因此它们对压力作用的稳定性高于球状蛋白质。压力导致的蛋白变性通常伴随着30～100mL/mol的体积减少，同时是高度可逆的。由于高流体压力可以使微生物细胞膜及细胞内的蛋白发生变性，从而导致微生物死亡，因此现在高流体静压加工正在成为食品加工中的一项新技术-----绿色杀菌技术。5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素4）剪切与蛋白质的变性一些食品在加工过程，如挤压、打擦、捏合、高速均质等，会产生高的剪切力和高温。这样的剪切力加上高温能使蛋白质发生不可逆的变性。蛋白质的剪切变性是由于空气泡的并入和蛋白质分子吸附在气-液界面，由于气-液界面的能量高于主体相的能量，因此界面上的蛋白质发生构象的变化。5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素5）电磁辐射与蛋白质的变性电磁辐射是一种能量，可以通过改变分子内链段间及亚基间的结合状态而使蛋白分子变性。如果辐射仅仅影响蛋白质分子的构象，则不会导致营养价值的改变；如果能量高至可以通过氧化、共价键断裂、离子化、形成自由基等形式使氨基酸残基发生变化，便会导致营养价值的降低。5.5.2影响蛋白质变性的因素（1）物理因素6）界面与蛋白质的变性改变蛋白质水溶液的界面性质，也可以加速或直接使蛋白质分子发生变性。主要原因是：界面上的水分子处于高能态，能与蛋白质作用，导致蛋白质的氢键断裂，结构伸展，水分子进一步渗入蛋白分子内部，改变内部的结构属性，从而使蛋白的构象发生变化。5.5.2影响蛋白质变性的因素（2）化学因素1）pH值与蛋白质的变性a)pH是导致蛋白变性的重要因素，这是因为在极端pH值时，蛋白质分子内的离子基团产生强静电排斥作用，促使蛋白质分子的构象发生变化。b)蛋白质分子构象变化的程度在极端碱性pH值时高于极端酸性pH值,因为在极端碱性pH值时，肽键可以部分水解，天冬酰胺和谷氨酰胺会发生脱酰胺作用，巯基会被破坏。c)酸碱可以加速热变形的速度。5.5.2影响蛋白质变性的因素（2）化学因素2）无机离子或盐与蛋白质的变性a)无机离子特别是高价态的无机离子通过改变蛋白质分子的表面性质，改变蛋白分子自身的结构状态而使蛋白变性。其中，过渡态金属如Cu、Hg、Ag等离子易与蛋白质发生作用，其中还能与巯基形成稳定的复合物。b)盐对蛋白质稳定性的影响与盐的种类和浓度有关。低浓度时，往