小麦蛋白改性技术的研究进展

河南工业大学研究生课程论文封面(2015-2016学年第2学期)小麦蛋白改性技术的研究进展研究生：刘瑞莉提交日期：2016年6月22日研究生签名：刘瑞莉学号20159046学院粮油食品学院课程名称蛋白质科学研究进展课程性质学生类别学硕任课教师田少君教师评语：成绩评定：任课教师签名：年月日小麦蛋白改性技术的研究进展摘要:综述了化学方法、物理方法、生物酶法以及基因工程等技术手段在小麦蛋白改性中的应用及最新进展。其中生物酶法改性技术易于将小麦蛋白改性到所期望的功能值,是提高小麦蛋白功能特性的重要途径,并展望小麦蛋白的应用前景。关键词:小麦蛋白改性技术ABSTRACT:Theapplicationofmodificationtechnologiessuchaschemical,physical,enzymaticandgeneticengineeringmethodsinwheatproteinandup-to-dateprogressweresummarized.Itwaseasytoobtainthedesiredfunctionalvalueofwheatproteinbymeansofenzymaticmodification,whichwasanimportantwaytoimprovethefunctionalpropertiesofwheatprotein.Andtheprospectofapplicationwasalsopredicted.KEYWORDS:wheatproteinmodificationtechnology小麦蛋白(俗称谷朊粉)是小麦淀粉生产的副产物,其蛋白质含量高达72%～85%,主要由溶于体积分数70%乙醇溶液的麦醇溶蛋白和溶于稀酸或稀碱溶液的麦谷蛋白组成。而且氨基酸组成比较齐全,是营养丰富、物美价廉的纯天然植物性蛋白源。但是,由于小麦蛋白自身独特的氨基酸组成,含有较多的疏水性氨基酸和不带电荷的氨基酸,分子内疏水作用区域较大,溶解度较低,往往不能满足食品加工的需要,应用具有很多局限性[1]。因此,考虑采用一定的改性手段,改善小麦蛋白的功能性,拓宽其应用领域,提高副产物的综合利用价值。蛋白质的改性就是用化学因素(如化学试剂)、物理因素(如热、高频电场、射线、机械振荡等)和酶制剂等,使氨基酸残基和多肽链发生某种变化,引起蛋白质大分子空间结构及理化性质改变,从而获得较好的加工功能性和营养特性。目前,我国对小麦蛋白的研究和应用也主要集中在改性上,其方法有化学方法、物理方法、基因工程法和生化方法(即酶促改性)。1化学方法蛋白质改性可采用某些化学试剂,如亲核试剂、氧化剂、还原剂、芳香环取代剂等,它们同蛋白质侧链上各种敏感基团发生反应,可使蛋白质改性。作用方式如酸、碱水解作用、糖基化作用、磷酸化作用、酰化作用、脱酰胺基作用、羧基的酯化作用等。这些方法不仅改进蛋白质功能,而且能定向改变蛋白质的某些功能性质。1.1弱酸改性在小麦蛋白质分子结构中,由于α氨基、α羧基大多结合成肽键,其中谷氨酰胺和天冬酰胺占氨基酸总量的三分之一，对蛋白质的性质起着重要作用。而天冬酰胺和谷氨酰胺能在较温和的条件下(如弱酸、弱碱作用下),发生去酰胺作用,生成天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)。有资料表明:即使很小的去酰胺作用(如2%～6%),也能够使蛋白质的功能显著提高。Bat等发现在酸性条件下,去酰胺反应是直接水解蛋白质酰胺键中的氨,脱氨形成羧酸进行的。Woodar和Short[2]试验在1.0mol/LHCL溶液中,75℃下处理30min得到的去酰胺小麦蛋白具有很好的溶解性和乳化性以及起泡性。国内致力于这方面的研究起步较晚,史新慧等[3]对用酸改性小麦蛋白进行了初步的探索,在盐酸浓度为0.3mol/L,70℃作用30min,溶解度从3.0%上升到54.8%,乳化度从8.0%上升到60.4%,结果较为满意。孔祥珍等[4]进一步研究并确定了酸法去酰胺小麦蛋白制取的最佳工艺参数为:盐酸浓度0.3mol/L,小麦蛋白的物料比12.5g/100ml,反应时间5h,反应温度65℃。小麦蛋白有明显的去酰胺作用,其溶解性及乳化性都大大提高。早在1976年,WuCH报道这种温和的酸改性提高溶解度部分归功于肽键的水解和高的加热温度。经弱酸处理的蛋白质,结构上最明显的变化就是:随着去酰胺程度的增加,蛋白质表面疏水基团数量明显增高;也正是由于表面疏水基团的增加,加强了蛋白质分子和其他分子的相互作用,从而导致了改性蛋白质一系列性质的改善。1.2碱法改性碱法改性仅我国台湾有报道[1],以0.08mol/LNaOH作用于小麦蛋白,加热进行去酰胺作用,可使面筋的亲水性、功能性增加而提高应用性。经碱变性的小麦蛋白,当pH值大于11时,分子展开于碱液中,并发生去酰胺反应和双硫键断裂,有助于蛋白质在水中的分散性与溶解性的提高。小麦蛋白经碱处理后,其乳化性、乳化稳定性、吸水力等皆有增加的现象。乳化性随温度升高有所增加,但以25℃时为最佳,这可能由于此温度下亲水基与疏水基比例较恰当所致。虽然这种方法速度快,但是容易使氨基酸发生消旋作用,吸收对应体减少,导致消化率降低；而且对赖氨酸有破坏,形成赖氨酸丙氨酸,毒理学研究表明对小鼠肾脏具有毒害作用。1.3磷酸化改性Ferrel等人[5]认为蛋白质的磷酸化改性是有选择的利用蛋白质侧链的活性基团,如Ser、Thr、Tyr的OH及Lys的εNH2,分别接进一个磷酸基团,使之变成(Thr、Tyr)SerPO2-3和LysPO2-3,而磷酸化位置取决于化学反应的pH值。磷酸根基团的引进增加了蛋白质的电负性,提高了蛋白质分子之间的静电斥力,使之更易分散,因而提高了溶解度、进而改善了它的乳化性、起泡性。有资料表明,用三聚磷酸钠对蛋白质进行改性是安全可行的,也是FDA允许使用的食品添加剂。用三聚磷酸钠对蛋白质进行磷酸化改性可同时改善食品蛋白质的功能特性和营养特性,且并不影响食品蛋白的消化率。李瑜等[6]对小麦蛋白进行磷酸化改性处理表明其工艺合理,所用设备简单,制取最佳工艺条件是:pH值为10.0、反应时间0.5h、反应温度20℃、三聚磷酸钠(STP)与小麦蛋白之比3∶10。磷酸化小麦蛋白溶解度、乳化度及其稳定性、起泡性均比未改性前有极其显著的改善。1.4酰化改性其原理是在氨基上嫁接乙酰基团,使蛋白质等电点的值降低,最终使蛋白质在弱酸、中性和碱性溶液中的溶解度增加。酰化试剂不仅要选择性地与一种功能基团,而且与所有亲核基团反应。这些基团包括氨基(N-末端的α-和赖氨酸的ε-氨基)、苯环(酪氨酸)和脂肪族(丝氨酸和苏氨酸)的羟基、疏基(半胱氨酸)和咪唑基(组氨酸)，其中赖氨酸的ε-氨基是一种最容易酰化的基团,由于它有相对高的活性,更易参加反应。一般氨基基团是在弱碱的pH值7.5～8.5范围内进行酰化反应。随着乙酰化试剂量的改变,蛋白质功能特性也改变。张红印等[7]对小麦蛋白质的乙酰化改性进行了研究:经乙酰化改性后,小麦蛋白质功能性得到了较大的提高。以功能性的综合评价为标准,确定乙酰化小麦蛋白制取的最佳工艺条件:小麦蛋白底物质量分数为5%,反应温度35℃,乙酸酐用量为小麦蛋白质量的15%。同时,对小麦蛋白的琥珀酰化改性研究表明:小麦蛋白经琥珀酰化反应后,产物的溶解度、起泡性、起泡稳定性及乳化性等功能特性都得到了较大程度的提高,在强化弱筋粉的试验中也得到了较好的效果。琥珀酰化改性处理降低了改性氨基酸残基的利用率、蛋白质效率比值和净蛋白利用率。但是,酰化的蛋白质可以被肠吸收,而不能被生物利用。小麦蛋白经酰化改性后,其功能性均显著增加。但乙酰化和琥珀酰化改性两者对小麦蛋白功能性的提高程度是不同的,琥珀酰化改性明显优于乙酰化改性。但在相同的反应条件下,小麦蛋白的乙酰化改性程度大于琥珀酰化改性程度。1.5羧基的酯化作用蛋白质的羧基在适宜的条件下(25℃、0.02～0.01mol/LHCl)能被含少量盐酸的甲醇酯化。这种处理会导致两种类型的次级反应,谷氨酰胺和天冬酰胺残基的氨基甲醇醇解和NO重排。在pH值7～10之间,甲酯被缓慢水解,但pH值大于10之后,水解发生较快。甲酯化作用减少了蛋白质中的阴离子基团,而增加了等电点。用甲醇或乙醇进行小麦蛋白的酯化,小麦蛋白的流变学特性发生变化。随着酯化度的增加,小麦蛋白的流变特性变松弛时间明显缩短。2物理方法物理改性是利用热能、机械能、微波和声波能等进行蛋白质改性的方法。目前比较集中于对热变性和挤压蒸煮过程的研究。温度升高对蛋白质中许多化学键都有所影响,当热处理较为温和时,多肽链中的共价键没有被破坏,多肽链成为一种自由伸展状态,这有利于多肽链间形成新的联结,从而聚集在一起成为不溶状态。故热处理关键是要控制好反应条件使得在提高疏水性的同时蛋白质不会发生聚集沉淀。据SchofieldBooth、Davies、Honseney报道:高温下即使处理蛋白质的时间很短,蛋白质的结构也能发生很大的变化,而最为明显的变化就是溶解度大大降低。但是,Wenceslaus[8]研究表明:超高温瞬时处理后喷雾干燥能够显著增加小麦蛋白的溶解度。而且笔者对小麦蛋白在不同温度下热处理进行了研究,结果表明在90℃条件下处理25min溶解度能够显著提高。2.1湿热赵冬艳等[9]对小麦蛋白进行湿热处理的改性研究表明,湿热法是一种较好的物理改性方法;试验分析表明湿热处理的最佳作用条件为:pH值4.0、小麦蛋白底物质量分数9.0%。加热时间20min和温度100℃。且经过湿热改性后溶解度由7.67%提高到48.4%。2.2微波微波是一种热变性,但它本身并不生热,只是在被物体吸收后才会发热,这与传统的加热方式有很大的区别,故用微波作用于小麦蛋白对其改性以提高其功能特性。赵冬艳等利用正交试验研究得到微波处理的最佳作用条件为:pH值10.0,小麦蛋白质量分数9.0%,加热时间100s,微波能量560W;小麦蛋白的乳化活性及乳化稳定性均为100%,且经过微波改性后溶解度由7.67%提高到37.62%。湿热、微波两种不同的热处理都能显著提高小麦蛋白的溶解度。当然不排除调节pH值对于小麦蛋白溶解度的影响。因此对于可溶性和难溶性蛋白的热处理效果还有待进一步研究。2.3机械能利用挤压组织化处理,在高温、高压及高剪切作用条件下,蛋白质结构展开,分子重新排列。蛋白质分子间主要通过疏水键和二硫键交联,也存在一部分异肽键。一般来说,挤压引起蛋白质生物价降低要比其它形式热处理大,因此,应用范围受到一定的限制。2.4超声波当液体介质经受快速膨胀时,溶解的气体成为液体分裂的核心,而形成气液两相空穴,当引起液体膨胀的力被移去时,空穴会迅速扩大,瞬间形成了很大的压力,因而在很小的范围内得到了很大的切应力,使物体被粉碎。Singh等[10]利用超声波对面粉悬浮液进行处理,发现SDS中蛋白质的提取率增大。Singh和Macrithie亦发现上述现象。目前,国内还没有见到利用超声波对小麦蛋白改性的报道。2.5γ射线有研究表明:γ射线照射能引起小麦蛋白的解聚,从而增溶。相关食品保藏方面的文献记载,1megaerp剂量的γ射线足以影响小麦蛋白的质与量。3基因工程法基因工程法通过重组蛋白质的合成基因,从而改变小麦蛋白的功能特性。但由于该技术周期长、见效慢,目前仍处于实验室阶段。4生化方法(即酶促改性)蛋白质分子在酶的催化下有控制的水解,将蛋白质分子中肽键打开,一般不会导致营养方面的损失,也不会产生毒理上的问题。此外,蛋白质的酶法改性还具有水解时间短,容易控制产物分子量大小,在低酶浓度下即产生显著效果等优点。常用于水解蛋白质的酶有碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、复合蛋白酶、风味蛋白酶、嗜热蛋白酶、胰酶、胃蛋白酶等。4.1酶解的原理通常情况下,采用水解度(DH)这个参数来描述控制蛋白酶催化水解的原理和方法[12]。DH=h(被裂开的肽键数)/h(蛋白质的总肽键数),随着蛋白酶的催化水解,蛋白总质中的肽键不断地被打开,反应体系的pH值不断地下降。若在反应体系中不断加入碱溶液,就能使体系pH值维持恒定。同样,