提高蛋白質(zhì)乳化功能性的研究

劉甜，趙鵬森，張玉玲，王楠，鄭瑩，孫常雁

(哈爾濱理工大學 化學與環(huán)境工程學院 食品科學與工程系，哈爾濱 150080)

蛋白質(zhì)是生命活動物質(zhì)基礎(chǔ)，具有很多功能性質(zhì)，主要包括三方面：(1)水合性質(zhì)，取決于蛋白質(zhì)與水的相互作用，如溶解性，持水性，粘度等；(2)表面性質(zhì)，主要包括蛋白質(zhì)乳化性和起泡性等；(3)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用，體現(xiàn)在蛋白質(zhì)凝膠作用和成膜性等。

通常蛋白質(zhì)被認為是安全的食品添加劑，可以提高食品的平均性，防止油水分離，使油脂中配料在水中溶解度提高，食品的質(zhì)地、外觀、風味的均勻性得以改善，因而作為乳化劑提高乳液物理穩(wěn)定性[1]。

蛋白質(zhì)作為天然的乳化劑有很多優(yōu)點，除了食用安全此外還可以減少加時間、延緩食品老化、改善彈性、易于消化吸收、增強耐熱和耐冷等功能[2]，但是蛋白質(zhì)基團不純降低界面張力能力不強而且乳化穩(wěn)定性較差。此外，在堿性條件下蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)易受到破壞，因而不能在堿性食品中使用。

目前有很多方法可以提高蛋白質(zhì)的乳化功能性質(zhì)，包括物理方法、化學方法和酶法等。

1 物理改性

1.1 溫度對蛋白質(zhì)乳化性的影響

在實際生產(chǎn)過程中，需要對于蛋白質(zhì)穩(wěn)定劑進行熱處理[3]。

韓天翔等[4]發(fā)現(xiàn)熱處理后蛋白表面疏水性增加從而增強其表面活性。Kim等[5]研究發(fā)現(xiàn)如果溫度超過臨界值，球狀蛋白結(jié)構(gòu)會發(fā)生變性，使蛋白結(jié)構(gòu)展開，暴露出原本位于其內(nèi)部的反應(yīng)基團，如巰基或非極性基團，從而進一步揭示了加熱對于乳液穩(wěn)定性的影響。而在經(jīng)過射頻加熱處理后，蛋白質(zhì)分子的柔性會得到提高，對乳化性也有著積極的影響[6]。

1.1.1 動物性蛋白。牛奶蛋白質(zhì)是十分常見的動物性蛋白，因為它們是優(yōu)異的乳化劑，所以其混合物被廣泛用作各種食品中的成分。崔健等[7]研究發(fā)現(xiàn)乳清水解蛋白乳狀液對熱不穩(wěn)定；而乳清分離蛋白乳狀液對冷凍處理敏感，低溫產(chǎn)生的冰晶會使其破乳，導(dǎo)致乳狀液不穩(wěn)定。當水包乳冷卻到水結(jié)晶的溫度時，還會發(fā)生一些別的物理和化學過程，這些過程也會對乳液的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響[8]。最后，乳化劑在溫度降低到一定程度時可能會失去功能，比如球蛋白可能發(fā)生變性[9]。

1.1.2 植物性蛋白。植物性蛋白由于其相對較低的成本，近年來引起了人們的極大興趣和廣泛的研究。此外，由于宗教或道德信仰的飲食限制，對植物蛋白作為動物蛋白替代品的需求有所增加[10]。而大豆蛋白因其良好的營養(yǎng)、功能特性，甚至對健康的影響，被廣泛應(yīng)用于各種食品配方中[11]。 這些蛋白除了具有優(yōu)異的熱致膠凝性能外，還具有良好的乳化性能[12]。

Palazolo等[13]研究發(fā)現(xiàn)，加熱處理后大豆蛋白乳液水合作用增強并產(chǎn)生類似凝膠的結(jié)構(gòu)從而提高了乳液的儲存穩(wěn)定性。還可以使埋藏在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的天然狀態(tài)的疏水基團暴露于表面，從而增加表面疏水性，并且使蛋白質(zhì)分子所帶的凈電荷減少，促進b-片層形成導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)形成[14]。同時乳化性還受到熱處理溫度和蛋白質(zhì)濃度的影響，濃度為4%的大豆分離蛋白進行短時的熱處理會提升其乳化性，而當濃度達到10%的時候卻會達到相反的效果[15]；據(jù)報道，當大豆蛋白在90℃下進行熱處理時，蛋白質(zhì)表現(xiàn)出很好的表面疏水性同時可以與鄰近蛋白質(zhì)形成的二硫鍵，增強了它們的乳液穩(wěn)定性，相反，在120℃處理的大豆蛋白質(zhì)之間過度疏水鍵合會形成聚集體，從而降低其乳化能力[16]。豌豆蛋白的乳化活性也會隨著溫度的增加而增加[17]。

1.2 pH值對蛋白質(zhì)乳化性的影響

在靜電和空間斥力的共同作用下，蛋白質(zhì)可以使液滴穩(wěn)定，防止絮凝，其對水相的pH值和離子強度特別敏感[18]。另一方面，非離子表面活性劑主要通過空間排斥來穩(wěn)定乳液，因此其有效性對pH值和離子強度不敏感[19]。因此，pH對乳化穩(wěn)定的影響主要是通過影響蛋白質(zhì)或者說影響靜電力來實現(xiàn)的。所以將非離子型表面活性劑與蛋白質(zhì)配合使用可能會起到良好的效果。

Demetriades K等[20]在研究中指出在沒有吐溫20的情況下，乳劑容易在蛋白質(zhì)等電點附近發(fā)生液滴絮凝作用，但在pH值較高和較低時都是穩(wěn)定的；研究表明，添加非離子表面活性劑可以控制蛋白質(zhì)穩(wěn)定乳液的理化性質(zhì)。

1.2.1 動物性蛋白。Kulmyrzaev A等[21]說明了絮凝穩(wěn)定性對pH的依賴關(guān)系，并提出了離子濃度與pH相互作用對乳化穩(wěn)定的影響，在沒有CaCl2的情況下，乳清蛋白的等電點(4

1.2.2 植物性蛋白。酸性pH處理是一種方便高效的修飾蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和改善大豆分離蛋白(SPI)的功能[22]。Jiang等[23]指出pH值為1.5的極酸性能增強SPI的乳化活性、溶解度和穩(wěn)定性。研究表明[24]pH1.5的酸性處理與60℃熱處理結(jié)合，會誘導(dǎo)SPI形成“熔融球狀”結(jié)構(gòu)，增加顆粒大小，增加表面疏水性和巰基含量，從而增強其乳化性。

1.3 超聲對蛋白質(zhì)乳化性的影響

超聲波的第一個工業(yè)應(yīng)用之一是在乳化過程中。當通過超聲波照射液體時，當施加的聲源的壓力幅度達到最小值時發(fā)生空化。這被稱為空化閾值。在油/水體系中，當達到空化閾值時，乳化過程開始。超聲波可以為新的界面形成提供過剩的能量，因此即使在沒有表面活性劑(乳化劑)的情況下也可以獲得乳液，甚至只需要少量表面活性劑的情況下便可產(chǎn)生非常穩(wěn)定的乳液[25]。

1.3.1 動物性蛋白。趙穎穎等[26]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理影響酪蛋白酸鈉-大豆油預(yù)乳化液的穩(wěn)定性，改變粒度分布范圍，減小粒徑，增加乳液的粘度，延長乳液的儲存期。食品工業(yè)中使用的乳化劑轉(zhuǎn)向食品級乳化劑，其中包括來自不同來源的蛋白質(zhì)。乳清蛋白濃縮物(WPC)廣泛用于食品工業(yè)，因為它們被認為是高功能和營養(yǎng)成分。它們的功能與蛋白質(zhì)含量有關(guān)，主要是β-乳球蛋白和α-乳清蛋白[27]。Jambrak等[28]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波對乳清蛋白的粒徑和分子量有明顯的影響，同時可以促使乳清蛋白部分水解。一個合適的蛋白水解度，能對乳液的穩(wěn)定性有積極的影響[29]。

1.3.2 植物性蛋白。研究發(fā)現(xiàn)pH處理后超聲法制備的可溶性納米大豆蛋白團聚體的功能特性。將商品大豆分離蛋白(SPI)在酸性(pH 2-4)或堿性(pH 9-12)條件下進行pH處理，然后進行中和至pH 7。pH12處理后，超聲處理5 min，對降低可溶性蛋白團聚體的大小和濁度、提高蛋白的溶解度和表面疏水性、修飾蛋白亞基最有效[30]。

1.4 高壓對蛋白質(zhì)乳化性的影響

高壓對于食品乳化性影響主要體現(xiàn)在高壓作用于蛋白質(zhì)。高達350MPa的大豆蛋白乳液的超高壓均質(zhì)化似乎是非常有效的乳化過程，以產(chǎn)生高粘度和穩(wěn)定的乳液[31]。

1.4.1 動物性蛋白。刁小琴等[32]對肌原纖維蛋白(MP)的研究中發(fā)現(xiàn)，高壓均質(zhì)可以改善MP的理化性和乳化性，總巰基和活性巰基的分析得出其含量隨著均質(zhì)壓力的變化而變化，表面疏水性隨著均質(zhì)壓力的增加，也表現(xiàn)出上升趨勢。

1.4.2 植物性蛋白。張媛等[33]在大豆分離蛋白乳化特性的研究中，將10%的大豆分離蛋白水溶液經(jīng)不同梯度高壓均質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)隨著高壓均質(zhì)處理的壓力升高，乳化性呈上升趨勢，乳化穩(wěn)定性呈下降趨勢。故我們在處理蛋白質(zhì)類乳化劑的時候要注意尋找合適的壓力。但是也要注意溫度升高導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性對其特性的影響，高壓均質(zhì)可能會帶來乳化體系的溫度升高，還能造成蛋白質(zhì)分子間發(fā)生橋連，使乳液不穩(wěn)定[33]。但單獨作用于混合體系效果仍有提升空間。畢爽等[35]在大豆分離蛋白的基礎(chǔ)上進一步研究了高壓均質(zhì)對大豆蛋白-磷脂復(fù)合體系乳化性的影響，實驗表明高壓可以提高兩者的相互作用程度，使復(fù)合體系效果更加顯著。需要注意的是球狀蛋白在高壓均質(zhì)過程中可能發(fā)生明顯的變性，這是由于蛋白吸附到液滴表面后發(fā)生表面變性，而不是勻質(zhì)器內(nèi)產(chǎn)生的高壓梯度所致，這種蛋白質(zhì)的變性可能對乳液的穩(wěn)定性和性能有明顯的影響[36]。

2 化學改性

蛋白質(zhì)性質(zhì)取決于功能團如氨基、羧基、巰基(-SH)、胍基、酚基、羥基等以及二硫鍵。這些功能團能與化學試劑進行反應(yīng)從而改變蛋白質(zhì)的功能特性的方法稱之為化學改性。

其中化學改性和酶法改性是研究、應(yīng)用較多改性方法，化學改性具有簡單、應(yīng)用廣泛和效果顯著特點。雖然蛋白質(zhì)的化學修飾可以有效的改善蛋白質(zhì)的功能特性，但是在反應(yīng)過程中或反應(yīng)后可能會產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，并且存在較大的安全問題。考慮到營養(yǎng)性與安全性，化學改性后的產(chǎn)品在運用到食品之前，需要進行動物毒性試喂實驗，研究其毒副性以保證安全性。

酰化改性常用琥珀酸酐和乙酸酐作為?；噭梢耘c蛋白質(zhì)分子中游離的氨基或羥基發(fā)生親核取代反應(yīng)，從而導(dǎo)入新功能基團，改變蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)。

脫酰胺改性通過去除此類蛋白質(zhì)的酰胺基團，可使其獲得良好的溶解性、乳化性以及發(fā)泡性。蛋白質(zhì)的化學脫酰胺作用可通過以下兩種機制進行：①酸或堿催化下的水解；②β-轉(zhuǎn)變機制(β-shift mechanism)。李丹等[37]研究表明脫酰胺乳清分離蛋白產(chǎn)物的乳化穩(wěn)定性、起泡性及對Fe2+、Zn2+的螯合能力均高于乳清分離蛋白，并隨脫酰胺度的增大而略有提高。

磷酸化改性后的蛋白質(zhì)等電點發(fā)生遷移，同時溶解性明顯提高[38]，是一種效果盈著且合理的方法。POCl3進行磷酸化作用，可提高酪蛋白的凝膠形成能力，而用STMP處理，可增加大豆蛋白在酸性條件下的溶解性能和乳化能力。采用STMP對大豆蛋白進行了磷酸化改性研究，結(jié)果顯示，改性后大豆蛋白的等電點向酸性區(qū)域遷移，其乳化性能、溶解性能以及持水性也有顯著提高[39]。

另外，蛋白質(zhì)通過糖基化反應(yīng)可以改變蛋白質(zhì)表面上的電荷密度，并且增加靜電排斥以改善親水性和親脂性，從而改善蛋白質(zhì)的乳化特性。Nakamura[40]等人發(fā)現(xiàn)溶菌酶-葡聚糖的共價復(fù)合物不僅提高了溶菌酶的抑菌范圍，也具有很好的乳化特性。很多研究結(jié)果都表明，經(jīng)過糖基化改性后的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的乳化特性更好，甚至比一些小分子的乳化劑性能更好[41]，所以糖基化產(chǎn)物作為乳化劑可以在食品領(lǐng)域使用。張軼等[42]人研究了馬鈴薯蛋白糖基化改性后其乳化性能的改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度和時間與反應(yīng)物配比顯著影響了糖基化產(chǎn)物的乳化性。任先娥[43]等人研究了小麥蛋白粉與三種不同糖的糖基化改性，結(jié)果表明，改性之后的小麥蛋白的乳化性和溶解性都得到了不同程度的改善。

化學共價交聯(lián)是通過一定化學試劑或催化劑，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)(cross-linking)，從而起到改善蛋白質(zhì)功能特性目的。劉英杰等[44]研究了在不同共價交聯(lián)條件(生物酶法和化學堿法)下，花青素對大豆分離蛋白(soy protein isolate，SPI)的表面疏水性與功能特性的影響。結(jié)果表明，通過共價交聯(lián)法添加花青素使SPI的起泡性能和乳化性能得以改善，當添加相同濃度的花青素時，生物酶法比化學堿法的改善效果更明顯。活性氧自由基可攻擊蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈和肽鏈骨架，是因為蛋白質(zhì)中的半胱氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等氨基酸殘基對活性氧自由基敏感[45]，蛋白質(zhì)氧化后其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進而影響蛋白的溶解性、乳化性、 保水性和凝膠形成能力等功能特性[46]。Srinivasan等[47]制性(或可控)氧化可改善蛋白質(zhì)許多功能特性。

3 基因工程改性

基因工程改性也稱生物工程改性，是采用植物育種和分子技術(shù)的手段，使蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象發(fā)生改變，從而對其功能特性產(chǎn)生影響的改性途徑。由于見成效的速度較慢、使用這一技術(shù)需要的時間較長等因素，當前只能在實驗室進行，無法應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

大豆蛋白本身具有的溶解性、起飽性、乳化性凝膠性等功能特性，經(jīng)適當?shù)母男院?，其某一功能特性就會得到改善此外，基因工程可以從根本上改變蛋白質(zhì)的 性質(zhì)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。酶改性中，由于微生物蛋白酶來源豐富、產(chǎn)量較大且價格低廉，將會逐漸成為最重要的工業(yè)用蛋白酶。隨著改性技術(shù)的不斷開發(fā)研究，選用無毒副作用的酶法改性與其他改性法的聯(lián)合應(yīng)用，將成為主要的發(fā)展趨勢[48]。

4 復(fù)合改性技術(shù)

由于單獨使用一種乳化劑可能效果不理想，我們可以將多種乳化劑進行復(fù)配，利用他們的協(xié)同作用達到更好的乳化效果[49]。通常乳化劑的復(fù)配方法有三種：第一種是將性質(zhì)不同的乳化劑復(fù)配，可以起到增強乳化效果的作用。第二種是將食品乳化劑與其他功能不同的食品添加劑，對食品起到增加功能性種類的作用。第三種根據(jù)食品加工條件的需要以一種食品添加劑為主料，少量的添加輔料，形成復(fù)配[50]。另外我們還可以將結(jié)構(gòu)相似的乳化劑，如司盤和吐溫按比例混合也可以得到性能良好的復(fù)配乳化劑[51]。降低負面作用的一個很好的方法，便是用反應(yīng)性表面活性劑取代傳統(tǒng)的低分子量的表面活性劑，或者將離子單體加入到聚合物配方中，使在聚合后發(fā)揮表面活性劑作用[52]。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠通過物理、化學、生物及基因工程等方法對蛋白質(zhì)進行改性，從而提高蛋白質(zhì)的乳化性能并用于食品生產(chǎn)。不斷深入研究表明，蛋白質(zhì)改性后會對加工食品的品質(zhì)、口感、貨架期等總體質(zhì)量產(chǎn)生積極作用。因此可以預(yù)見，蛋白質(zhì)改性作為乳化劑使用對未來的食品制造將會產(chǎn)生巨大影響。