蛋白质功能特性

蛋白质功能特性

一、蛋白质的水合性质（溶解性、黏度） 蛋白质的水合是通过蛋白质的肽键和氨基酸侧链与水分子间的相互作用而实现的。 浓缩蛋白质或离析物在应用时必须水合，食品的流变性质和质构性质也取决于水与其他食品组分，尤其像蛋白质与多糖等大分子的相互作用，水能改变蛋白质的物理化学性质。此外，蛋白质的许多功能性质，如分散性、湿润性、溶解性、持水能力、凝胶作用、增稠、黏度、凝结、乳化和气泡等，都取决于水—蛋白质的相互作用。因此了解食品蛋白质的水合性质和复水性质在食品加工中有重要的意义。

1、溶解性

蛋白质的溶解度是蛋白质—蛋白质和蛋白质—溶剂相互作用达到平衡的热力学表现形式。蛋白质的溶解性，可以用水溶性蛋白质（WSP）、水可分散性蛋白质（WDP）、蛋白质分散性指标（PDI）、氮溶解性指标（NSI）来评价。蛋白质溶解度的大小与pH值、离子强度、温度和蛋白质浓度有关。

蛋白质在水中形成的实际是胶体分散体，作为有机大分子化合物，蛋白质在水中以胶体态存在，并不是真正化学意义上的溶解态，所以蛋白质在水中形成的是胶体分散系，只是习惯上将它称为溶液。

蛋白质的溶解度影响其功能性质，包括增稠、气泡、乳化和凝胶作用，起始溶解性较大的蛋白质，能使蛋白质分子迅速地在体系中扩散，也有利于蛋白质分子向空气或油水界面扩散，有利于蛋白质其他功能性质的提高。蛋白质溶解度大小在实际应用中非常重要，蛋白质溶解也是判断蛋白质潜在应用价值的一个指标，此外，蛋白质的溶解性也与其在饮料中的应用直接相关。

影响蛋白质溶解性的因素：

（1）氨基酸组成与疏水性：疏水相互作用增加了蛋白质与蛋白质之间的相互作用，使其溶解性下降；离子相互作用有利于蛋白质与水的相互作用，增加溶解性。

（2）PH：PH不在PI（等电点）时蛋白质分子溶解性大，PH在等电点时溶解度最小。（例如β-乳球蛋白、牛血清蛋白在等电点时溶解度高）

（3）离子强度：μ1时盐析作用，蛋白质和盐离子之间争夺水，其溶解度下降。

（4）温度：0°C~40或50°C时，随温度的增加溶解度增大，高于这个范围随温度的增加而降低。

在恒定的pH值和离子强度下，大多数蛋白质的溶解度在0-40℃范围内随着温度的升高而提高，而一些高疏水性蛋白质，像β-酪蛋白和一些谷类蛋白质溶解性与温度呈负相关。等温度超过40℃时，由于热导致蛋白质结构变性，促进聚集和沉淀作用，使得蛋白质的溶解度下降。

（5）有机溶剂的影响：有机溶剂能使水的介电常数降低，增加了蛋白质分子内和分子之间的静电作用，溶解度降低。

加入有机溶剂，会降低水分子的介电常数，提高蛋白质分子内和分子间的静电作用力，导致蛋白质分子结构的展开；而且介电常数的降低促进暴露的肽集团之间氢键的形成和带相反电荷集团之间的静电相互吸引作用，这些相互作用导致蛋白质在有机溶剂-水体系中溶解度减少甚至沉淀。

2、黏度

溶液的黏度反映了它对流动的阻力，黏度不仅可以稳定食品中的被分散成分，同时也直接提供良好的口感，或间接改善口感，例如控制食品中一些成分结晶、限制冰晶的成长等。影响蛋白质黏度的主要因素是溶液中蛋白质分子或颗粒的表观直径，表观直径主要取决于蛋白质分子固有的特性，蛋白质—溶剂间的相互作用，蛋白质—蛋白质间的相互作用。在常见的加工处理中如高温杀菌、蛋白质水解、无机离子的存在等因素也均会严重影响蛋白质溶液的黏度。

蛋白质体系的黏度和稠度是流体食品如饮料、肉汤、沙司和奶油的主要功能性质，影响食品的品质和质地，黏度在泵的输送、混合、加热、冷却和喷雾干燥等食品加工中也有实际意义。

黏度和溶解性之间具有相关性，将不溶性的蛋白质置于水介质中不显示高的黏度；吸水性差和溶胀性小的易溶蛋白质在中性或等电点pH值时黏度也很低；而在起始吸水性大的可溶性蛋白质具有高黏度。

影响蛋白质流体黏度特性的主要因素是溶液中蛋白质分子或颗粒的表观直径，表观直径越大，黏度越大。表观直径取决于下列参数：

（1）蛋白质分子固有的特性，如：摩尔质量、大小、体积、结构、电荷等；

（2）蛋白质—溶剂之间的相互作用，这种作用会影响蛋白质的溶胀、水合作用和溶解性等；

（3）蛋白质—蛋白质相互作用，它取决于聚集体的大小。对于高浓度蛋白质体系，蛋白质-蛋白质相互作用是主要因素。

3、蛋白质水合性质的测定

实际生产中通常以持水力或者保水性来衡量蛋白质水合作用的大小，持水能力是蛋白质吸收水并将水保留在蛋白质组织中的能力，被保留的水是指结合水、流体动力学水和物理截留水的总和。蛋白质的持水力或结合水能力影响食品的嫩度、多汁性、柔软性，也与焙烤食品和其他凝胶食品的理想质构有关，所以对食品品质具有重要的实际意义。

常用的测定蛋白质水合性质方法有以下几种：

（1）相对湿度法

测定一定水分活度时所吸收或丢失的水量，该法可用于评价蛋白粉的吸湿性和结块现象。

（2）溶胀法

将蛋白质粉末置于下端有刻度毛细管的沙芯玻璃过滤器，使其自发地吸收过滤器下面毛细管中的水，即可以测定水合作用的速度和程度。

（3）水饱和法

水饱和法是测定蛋白质饱和溶液所需要的水量。

（4）过量水法

使得蛋白质样品同超过蛋白质所能结合的过量水接触，通过过滤或低速离心或挤压，使得过剩水分离。这种方法适用于溶解度低的蛋白质，但对于含有可溶性蛋白质的样品必须校正。溶胀法、过量水法、水饱和法可以用来测定结合水、不可冻结水及蛋白质分子间借助于物理作用保持的毛细血管水。

二、蛋白质的表面性质（乳化、气泡）

蛋白质是两性分子，它们能自发地迁移至气—水界面或油—水界面，所有的蛋白质都是双亲的，但是它们在表面性质上存在显著的差别，因为蛋白质的界面性质非常复杂。

1、蛋白质的乳化特性

乳化性是指两种以上的互不相溶的液体，例如油和水，经机械搅拌或添加乳化液，形成乳浊液的性能。一些天然加工食品，如牛奶、蛋黄、椰奶、豆奶、奶油、人造奶油、色拉酱、冷冻甜食、法兰克福香肠、香肠和蛋糕，都是乳状液类型产品。

蛋白质是天然的两亲物质，既能同水相互作用，又能同脂质作用。在油/水体系中，蛋白质能自发地迁移至油—水界面和气—水界面，到达界面上以后，疏水基定向到油相和气相，而亲水基定向到水相并广泛展开，在界面形成蛋白质吸附层，从而起到稳定乳状液的作用。 很多因素影响着蛋白质的乳化性质，包括内在因素，如pH、离子强度、温度、低分子量的表面活性剂、糖、油相体积分数、蛋白质类型和使用的油的熔点等；外在因素，如制备乳状液的设备类、几何形状、能量输入强度和剪切速度等。

测定蛋白质乳化性质的常用的方法有乳化能力、乳化活性指数和乳状液的稳定性。

（1）乳化容量

乳化容量又叫乳化能力是指在乳状液相转变前每克蛋白质所能乳化油的体积（mL）。它是将一定量的蛋白质配成水溶液，在不断搅拌下以不变的速度加入油或溶化的脂，在颜色变化、黏度变化或者是电阻突然增加是测定相转变到来时加入油的体积。一般EC随着蛋白质浓度的增加而降低，在测定乳化能力时需要固定蛋白质溶液的浓度。

（2）乳状液的稳定性

乳状液形成后，测量乳状液的最初体积，然后在低速离心机或者静置状态下放几小时后测定乳状液中未分离的最终体积。ES=（乳状液的最终体积/乳状液的最初体积）×100

（3）乳化活性指数

乳化活性指数是反映蛋白质乳化活性的大小。

EAI=2T/ΦC

T为浑浊度；

Φ为乳浊液中油相的体积分数；

C为单位体积蛋白质水溶液中蛋白质的质量。

乳化性质是蛋白质重要功能之一，蛋白质与脂类的相互作用有利于食品体系中的分散及乳浊液的稳定，但是也可能产生不利的影响，特别是从富含脂肪的原料中提取蛋白质时，会因为乳浊液的形成而影响蛋白质的提取和纯化，这些在具体的加工生产中必须注意。

乳化的影响因素

（1）溶解度：溶解度在25%~80%时乳化液容量和乳化稳定性之间存在正相关。

（2）PH：血清蛋白和卵清蛋白在PI处乳化性好，β-乳球蛋白在碱性条件乳化性质好

（3）温度：加热可以降低蛋白质的粘度和刚性乳浊液稳定性降低。

（4）蛋白质的乳浊液的表特性：向两相界面扩散和在界面吸附的能力，因为泡沫的形成包括可溶性蛋白在空气和水界面扩散、伸展、浓集和快速扩展降低界面张力。

2、蛋白质的起泡性质

泡沫通常是指气泡分散在含有表面活性剂的连续液相或半固体的分散体系。许多加工食品是泡沫型产品，如搅打奶油、蛋糕、蛋白甜饼、面包、蛋奶酥、冰激淋、啤酒等。蛋白质能作为起泡剂主要取决于蛋白质的表面活性和成膜性，例如鸡蛋清中的水溶性蛋白质在鸡蛋液搅打时可被吸附到气泡表面来降低表面张力，又因为搅打过程中的变性，逐渐凝固在气液界面间形成有一定刚性和弹性的薄膜，从而使泡沫稳定。

形成泡沫通常采用的方法有：一是将气体通过一个多孔分配器鼓入低浓度的蛋白质溶液中产生泡沫；二是在有大量气体存在的条件下，通过打擦或振荡蛋白质溶液而产生泡沫；三是将一个预先被加压的气体溶于要生成泡沫的蛋白质溶液中，突然减压，系统中的气体则会膨胀而形成泡沫。

蛋白质起泡性的评价指标主要有：泡沫的密度、泡沫强度、气泡的平均直径和直径分布、蛋白质气泡能力和泡沫的稳定性，最常使用的蛋白质起泡力和泡沫的稳定性。

（1）测蛋白质起泡能力方法

将一定浓度和体积的蛋白质溶液加入带有刻度的容器内，按照上述的泡沫形成的方法使其起泡，测定形成泡沫的最大体积，计算泡沫的起泡力。

起泡力=(泡沫中气体的体积/泡沫中液体的体积)×100

起泡力一般随着蛋白质浓度的增加而增加。在比较不同蛋白质起泡力时要比较最高起泡力和相应最高起泡力一半时蛋白质浓度等多项指标。

（2）测泡沫稳定性的方法

泡沫稳定性的测定一是在泡沫起泡后，迅速测定泡沫体积，然后放置一段时间后测定泡沫的体积，继而得泡沫稳定性。泡沫稳定性也随着蛋白质浓度的变化而变化。

泡沫稳定性=(泡沫放置30min后体积/泡沫的初体积)×100

泡沫稳定性的测定二是测定液膜完全排水或排水一半所需要的时间。如果是搅打起泡，测定需要在特制不锈钢仪器中进行，有专门的下水装置收集排水，连续测量排水过程和时间。

气泡的必要条件

（1）快速的吸附到水-气界面

（2）必须易在界面上易展开重排

（3）必须在界面上形成一层粘合性膜

影响泡沫稳定的因素

（1）PH：PH可以影响蛋白质的溶解度，

（2）盐类:加盐减少溶液的粘性，有利于泡沫膨胀，但降低了泡沫稳定性。

（3）糖类：加糖可增加溶液的沾性，泡沫稳定性增加，但抑制泡沫膨胀。

（4）脂类：脂类严重影响气泡稳定性，可以作为消泡剂

（5）蛋白质浓度：蛋白质在2%~8%之间显示最高的起泡性。

（6）温度：适当加热蛋白质部分变性改善泡沫的起泡性

（7）搅动时间和和强度：是蛋白质充分的伸展、吸附。

三、与蛋白质分子之间的相互作用有关的性质（蛋白质的织构化、面团的形成、蛋白质的胶凝作用） 与蛋白质分子之间的相互作用有关的性质主要有凝胶作用、织构化、面团的形成等。

1、蛋白质的织构化

蛋白质是许多食物质地或结构的构成基础，但是自然界中的一些蛋白质，不具备相应的组织结构和咀嚼性，如从植物组织中分离出的植物蛋白或从牛乳中得到的乳蛋白，因此在食品中应用时就会存在一些限制。通过一些加工处理可以使它们形成咀嚼性能和良好的持水性能的薄膜或者纤维状的制品，仿造出肉或其代用品，这就是蛋白质的组织化。此外，织构化加工方法还可用于一些动物蛋白“重组织化”或“重整”。蛋白质的织构化是在开发利用植物蛋白和新蛋白质中特别强调的一种功能性质。

常见的蛋白质织构化方式有三种：热凝固和形成薄膜；热塑性挤压；纤维的形成。目前用于植物蛋白质织构化的主要方法是热塑性挤压，挤压较为经济，工艺也较为简单，原料要求比较宽松。采用这种方法得到干燥的纤维状多孔颗粒或小块，等复水时具有咀嚼质地，蛋白质含量较低的原料如脱脂大豆粉可以进行热塑性挤压组织化加工，蛋白质含量为90%以上的分离蛋白也可以作为加工原料。

常见的蛋白质织构化方式有三种：热凝固和薄膜形成；热塑性挤压；纤维形成。

（1）热凝固和薄膜形成（thermalcoagulationandfilmformation）

将大豆蛋白溶液置于平滑的表面上使其水分蒸发，蛋白质即可产生热凝结作用，形成水合蛋白薄膜。这类蛋白膜是一类组织化蛋白，其结构稳定，热处理不会发生改变，有正常的咀嚼感，腐竹就是采用这种方法加工而成的。

（2）纤维形成（fiberformation）

蛋白质还可以借鉴合成纤维的生产原理形成组织化结构。蛋白质溶液经过脱气、澄清处理，然后在高压下通过多孔喷头，从喷头出来的液体进入含氯化钠的酸性溶液，在等电点和盐析效应作用下蛋白质发生凝结，蛋白分子在氢键、离子键和二硫键相互作用下形成水合蛋白纤维，该法可用于人造肉类的蛋白质加工制品。

（3）热塑性挤压（thermoplasticextrusion）

目前植物蛋白织构化常用的方法是热塑性挤压，热塑挤压可以得到纤维多孔状颗粒或小块产品，复水后具有良好的咀嚼性能和良好的质地，而且热塑挤压较为经济，工艺也较为简单，原料要求比较宽松。热塑性挤压所得到的组织化蛋白，虽然不具有肌肉纤维那样明显的结构，但具有同肌肉组织相似的口感。热塑挤压是将含蛋白质的混合物在旋转螺杆的作用下通过一个圆筒，在高温高压和强剪切力的作用下使固态物料转化为粘稠状，然后迅速进入常压环境，物料水分蒸发后，就形成织构化的蛋白质。

2、面团的形成

小麦、大麦、燕麦等谷物食品具有一个共同的特性，就是胚乳中面筋蛋白质在与水一起混合和揉搓后形成粘稠、有弹性和可塑的面团，其中小麦粉的这种能力最强，这是小麦面粉转化为面团、并经发酵烘烤形成面包的基础。

面筋蛋白主要是由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成，在面粉中占总蛋白量的80%，面团的特性与它们的性质直接有关。首先，这些蛋白质的可以离解氨基酸含量低，在中性水中不溶解；其次，面筋蛋白含有大量的谷氨酸酰胺和羟基氨基酸，所以易形成分子间氢键，使面筋具有强吸水能力和黏聚性质；最后，面筋蛋白含有巯基，能形成双硫键，增强疏水作用，使面筋蛋白转化形成立体结构、形成网状结构。

焙烤不会再引起面筋蛋白的变形，因为面筋蛋白在面粉中已经部分伸展，在揉搓面团时进一步伸展，在正常温度下焙烤面包时面筋蛋白不会再伸展。当焙烤温度高于80℃时，面筋蛋白释放出来的水分能被部分糊化的淀粉粒吸收，因此即使在焙烤时，面筋蛋白质也能使面包柔软和保持水分，但是焙烤能使面粉中可溶性蛋白质变形和凝集，这种部分胶凝作用有利于面包心的形成。

3、蛋白质的胶凝作用

变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构过程称为胶凝作用。胶凝作用是蛋白质非常重要的功能性质，在食品制备中起着重要的作用，主要包括各种乳品、果冻、凝结蛋白、明胶凝胶、各种加热的碎肉或鱼制品、大豆蛋白质凝胶、膨化或膨丝的组织化植物蛋白和面包面团的制作、豆腐的制作等。

食品蛋白凝胶大致可以分为：加热后再冷却形成的凝胶；在加热下形成的凝胶；与金属盐形成的凝胶；不加热而经部分水解或pH调整形成的凝胶等。食品蛋白质胶凝作用不仅可以形成固态弹性凝胶，而且还能增稠，提高吸水性、颗粒粘结、乳浊液或者泡沫的稳定性。

迄今为止，对蛋白质凝胶的形成机制和相互作用还不十分清楚，但一般认为，蛋白质网络的形成是由于蛋白质—蛋白质和蛋白质—溶剂的相互作用以及邻近肽链之间的吸引力和排斥力达到平衡的结果。

四、蛋白质的感官性质（风味物质结合、蛋白质与其他物质结合）

涉及蛋白质在食品体系中的感官性质有颜色、气味、口味、适口性、咀嚼度、爽滑感和混浊度等。

1、风味物质结合

食品中存在着醛、酮、酸、酚和氧化脂肪的分解产物，可以产生相应的异味，这些物质与蛋白质或其他物质产生结合，在加工过程中或食用时释放出来，被食用者所察觉，从而影响食品的感官质量。蛋白质与风味物质的结合包括物理吸附和化学吸附。物理吸附是通过范德华力和毛细血管作用吸附；化学吸附主要是静电吸附、氢键的结合和共价键的结合等。

蛋白质结合风味物的性质也有非常有利的一面，在制作食品时，蛋白质可以用作风味物的载体和改良剂，在加工含有植物蛋白质的仿真肉制品时，成功地模仿肉类风味是这类产品能使消费者接受的关键。为使蛋白质起到风味载体的作用，必须同风味物牢固结合并在加工中保留它们，当食品被咀嚼时，风味就能释放出来。

2、蛋白质与其他物质结合

蛋白质除了与水分、脂类、挥发性物质结合之外，还可以与金属离子、色素、燃料等物质结合，也可以与其他生物活性的物质结合。这种结合会产生解毒作用，但有时还会使蛋白质的营养价值降低，甚至产生毒性增强作用。从有利的角度看，蛋白质与金属离子的结合会促进一些矿物质的吸收，与色素的结合可以便于对蛋白质的定量分析，而与大豆蛋白的异黄酮的结合，保证了大豆蛋白健康有益的作用。