超聲波物化效應(yīng)及其對(duì)蛋白質(zhì)改性的應(yīng)用研究進(jìn)展

荊 卉，孫 俊，牟瑤瑤，陳中偉，徐 斌

蛋白質(zhì)、脂肪和糖類共同構(gòu)成人體必需的三大能量物質(zhì)，其中，蛋白質(zhì)是構(gòu)成一切生命體的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)于維持生命體的正?；顒?dòng)必不可少[1]。蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用，其特有的一些功能特性，如：起泡性、乳化性、凝膠性等在實(shí)際生產(chǎn)中也有著廣泛應(yīng)用。天然來源的蛋白質(zhì)或經(jīng)某種方法提取的蛋白質(zhì)的某些功能特性不能滿足實(shí)際加工的要求，需對(duì)其進(jìn)行改性。蛋白質(zhì)的改性方法主要包括：物理改性、化學(xué)改性、酶法改性。其中，化學(xué)改性是通過加入化學(xué)試劑使蛋白質(zhì)的部分肽鍵斷裂或引入其它功能基團(tuán)進(jìn)行修飾，雖然化學(xué)改性的效果較好，但反應(yīng)過程較為復(fù)雜，且加入化學(xué)試劑往往會(huì)引發(fā)產(chǎn)品的食用安全性問題[2]。酶法改性是利用不同類型的酶使蛋白質(zhì)適度、精準(zhǔn)水解，雖然酶法改性反應(yīng)條件溫和、副反應(yīng)較少，但是酶法反應(yīng)條件苛刻，且因生物酶價(jià)格較高而使酶法改性的經(jīng)濟(jì)成本較高[3]。與化學(xué)改性和酶法改性相比，超聲波作為一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新興改性技術(shù)正受到越來越廣泛的應(yīng)用[4]。

超聲波是指振動(dòng)頻率超出一般人耳所能接收的頻率上限的彈性波，其頻率范圍通常在16 kHz～10 MHz 之間[5-6]。根據(jù)其強(qiáng)度的不同，超聲波可分為高強(qiáng)度超聲波（10～1 000 W/cm2，5～10 MHz）和低強(qiáng)度超聲波（<1 W/cm2，20～100 kHz）。低強(qiáng)度超聲波能量低，常用于食品質(zhì)量評(píng)估的無損分析，如：硬度、成熟度、含糖量、酸度以及流變學(xué)性質(zhì)等[7-8]；高強(qiáng)度的超聲波能量較高，足以改變食品物料的理化特性，常用于蛋白質(zhì)等大分子改性領(lǐng)域[9]。恰當(dāng)?shù)牡蛷?qiáng)度超聲波或高強(qiáng)度超聲波處理能起到提高食品的保質(zhì)期，縮短加工時(shí)間，節(jié)約能源的目的。不同類型的蛋白質(zhì)經(jīng)不同超聲波條件處理后會(huì)產(chǎn)生不同的改性效果，本文綜述了超聲波改性的理論基礎(chǔ)及其對(duì)蛋白質(zhì)改性的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 超聲波的物理化學(xué)效應(yīng)

1.1 超聲波的空化效應(yīng)

超聲波作用于液體體系時(shí)，發(fā)揮主要作用的是其空化效應(yīng)。超聲波的空化效應(yīng)指的是液體中的微小氣泡（汽泡或空穴）在超聲波稀疏相和壓縮相產(chǎn)生的聲波作用下，體積在生長(zhǎng)和收縮之間發(fā)生多次周期性振蕩，直至空化泡崩潰的動(dòng)力學(xué)過程[9]（如圖1所示）。超聲空化分為兩種類型：穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。聲強(qiáng)小于10 W/cm2時(shí)產(chǎn)生的空化作用為穩(wěn)態(tài)空化，而瞬態(tài)空化產(chǎn)生的聲強(qiáng)一般大于10 W/cm2。穩(wěn)態(tài)空化產(chǎn)生的空化泡的大小在平衡尺寸左右振蕩，因而能夠產(chǎn)生數(shù)個(gè)循環(huán)周期。當(dāng)空化泡不斷擴(kuò)大時(shí)，在某一節(jié)點(diǎn)，空化泡的共振頻率與聲波頻率相等，此時(shí)聲場(chǎng)與氣泡之間會(huì)發(fā)生最大能量耦合，空化效果會(huì)十分明顯；后者產(chǎn)生的空化泡存留周期比前者短暫很多，空化泡基本在聲波負(fù)壓相半周期內(nèi)會(huì)極速膨脹，而后在正壓相半周期轉(zhuǎn)為快速收縮進(jìn)而發(fā)生內(nèi)爆，這一過程一般在1 個(gè)聲波周期內(nèi)就可以完成[10-14]。

圖1 駐波模式對(duì)空化泡的影響[9]Fig.1 Effects of a standing wave pattern on cavitation bubbles[9]

超聲的空化效應(yīng)能夠產(chǎn)生高溫和高壓，作用于物料時(shí)會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生自由基[15]，同時(shí)也能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力、高速射流和沖擊波[16]，改變物料內(nèi)環(huán)境的理化特性和反應(yīng)發(fā)生的條件[17-19]，對(duì)超聲波的空化效應(yīng)加以利用往往能夠簡(jiǎn)化工藝、提高效率。例如：利用高強(qiáng)度超聲波的空化作用能夠產(chǎn)生自由基使蛋白質(zhì)分子表面的電荷重新分布，從而形成穩(wěn)定和功能良好的涂層微泡的特點(diǎn)，來生產(chǎn)蛋白質(zhì)載藥微泡，如溶菌酶微泡[20]；而利用空化過程中產(chǎn)生振蕩并能在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量的特點(diǎn)，超聲波技術(shù)也常作為處理植物分離蛋白的手段，如選擇不同功率、時(shí)間的超聲探頭處理大豆分離蛋白[21]，能夠獲得具有不同功能特性的蛋白組分，達(dá)到了提高產(chǎn)品附加值的目的。

1.2 超聲波的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)

空化效應(yīng)會(huì)直接或間接地引起機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)[22]。其中，機(jī)械效應(yīng)指的是超聲波在物料中傳播時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)?？栈荼〞r(shí)會(huì)產(chǎn)生速度約110 m/s 的微射流，微射流在相界面之間形成強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌效應(yīng)，這種效應(yīng)突破了層流邊界層之間的限制，既可以通過強(qiáng)化食品加工中界面間的傳遞過程來提高反應(yīng)效率，也可引發(fā)機(jī)體內(nèi)的若干反應(yīng)。而超聲波的熱效應(yīng)指的是當(dāng)超聲波在某種介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，傳播介質(zhì)會(huì)不斷吸收其能量而使得自身溫度升高，由于超聲作用所引起的溫升有限，所以往往能夠起到加快反應(yīng)速率、改善局部營(yíng)養(yǎng)分布、增強(qiáng)酶活力的效果。

超聲波的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)均與食品加工的效率提高有關(guān)，食品加工中常常利用超聲產(chǎn)生的機(jī)械剪切力和溫升來改善蛋白物料的性能，同時(shí)也能夠起到縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。例如：利用超聲波處理果膠酶酶解果膠的過程，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)能夠使酶與底物暴露出更多的結(jié)合位點(diǎn)，而其產(chǎn)生的熱效應(yīng)則能夠降低反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)速率，從而為制備改性果膠提供了新途徑[23]；利用超聲波處理胰蛋白酶與米渣蛋白的混合液，當(dāng)超聲處理時(shí)間為10 min 時(shí)，酶解率提高，但當(dāng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)，酶解率反而下降，這很可能是由于超聲波的熱效應(yīng)使反應(yīng)體系溫度過高導(dǎo)致胰蛋白酶結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而酶活降低[24]；利用超聲波對(duì)玉米醇溶蛋白進(jìn)行預(yù)處理，使其暴露出更多的活性位點(diǎn)，然后再與單糖和多糖反應(yīng)，以制備性能改善的糖基化玉米醇溶蛋白[25]。

1.3 超聲波的化學(xué)效應(yīng)

超聲波的化學(xué)效應(yīng)主要是指高溫的空化泡導(dǎo)致的內(nèi)部分子的熱分解、氣泡爆破的沖擊力引起的化學(xué)鍵斷裂、水分子裂解產(chǎn)生的自由基等，其中自由基化學(xué)是超聲化學(xué)的核心內(nèi)容[26]。自由基作為強(qiáng)氧化劑，將會(huì)啟動(dòng)諸多化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，因此超聲波常作為蛋白質(zhì)和其它物質(zhì)反應(yīng)的預(yù)處理方式。

關(guān)于超聲波化學(xué)效應(yīng)作用機(jī)理的研究尚未形成完整的體系，通常，人們利用電學(xué)理論、熱點(diǎn)理論、超臨界理論和等離子體理論來解釋超聲波化學(xué)效應(yīng)[27-28]，但這些理論有著共同的理論基礎(chǔ)：超聲波的化學(xué)效應(yīng)源于空化效應(yīng)，空化效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生局部高溫、高壓，這為化學(xué)反應(yīng)提供了新的反應(yīng)路徑，最終強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)過程[17，29-31]。

2 超聲波對(duì)生物酶的激活與失活作用

酶解是食品工業(yè)中一類重要的生物化學(xué)反應(yīng)[32-34]，由于超聲頻率、功率、時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)均會(huì)影響酶的活性，且不同模式的超聲處理所攜帶的能量強(qiáng)度也存在差異，所以超聲波對(duì)酶的作用機(jī)理較為復(fù)雜。通過研究超聲波對(duì)酶催化反應(yīng)的影響，有利于把控化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，使其朝著對(duì)生產(chǎn)有利的方向進(jìn)行，因此，近年來，超聲波對(duì)酶催化反應(yīng)的影響已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。

2.1 超聲波對(duì)生物酶的激活作用

大量的研究結(jié)果表明，超聲波可以激活生物酶的活性。如：Tran 等[35]研究了超聲波體系單獨(dú)作用于α-淀粉酶而非淀粉與α-淀粉酶的混合物時(shí)，α-淀粉酶的酶活和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響因素。通過對(duì)超聲波處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化（20 kHz、25 W/mL、30 ℃、75 s），α-淀粉酶的活性提高了47%，這可能是由于超聲波的機(jī)械效應(yīng)使α-淀粉酶的構(gòu)象改變，α-淀粉酶活性位點(diǎn)的可電離基團(tuán)變化，進(jìn)而增強(qiáng)酶活；同時(shí)，經(jīng)超聲波處理后，α-淀粉酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如米氏常數(shù)（Km）、最大速度（Vmax）、周轉(zhuǎn)率（Kcat）以及催化特異性常數(shù)（Kcat/Km）均提高，半衰期降低，而酶學(xué)特性（溫度和pH 值）未有明顯改變。白鴿等[36]同樣發(fā)現(xiàn)超聲處理不會(huì)改變固定化木瓜蛋白酶的酶學(xué)特性（溫度和pH 值），且能夠在一定程度上改善木瓜蛋白酶經(jīng)固定化后活力下降的缺點(diǎn)；此外，超聲處理?xiàng)l件影響酶活的機(jī)制可能有影響空化效應(yīng)的空化泡大小和崩塌時(shí)間、影響木瓜蛋白酶和底物的有效接觸面積、改變木瓜蛋白酶的空間結(jié)構(gòu)。Wang 等[37]關(guān)于雙頻超聲波輔助堿性蛋白酶酶解油菜籽蛋白的酶解效率提高的研究結(jié)果表明，酶解效率的提高也與酶和底物的接觸面積有關(guān)：超聲波的空化效應(yīng)使堿性蛋白酶表面出現(xiàn)大量的裂縫和褶皺，增加了固定化堿性蛋白酶的表面積，并且超聲處理后油菜籽蛋白分子伸展，使得堿性蛋白酶與油菜籽蛋白的接觸面積大大增加；此外，還可能與超聲處理使堿性蛋白酶的固溶度提高、水解性能改善有關(guān)。Cho 等[38]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)低強(qiáng)度超聲波（100 W、37 ℃）處理能提高厭氧消化過程中甲烷的產(chǎn)量，這是由于低強(qiáng)度超聲波能夠激活厭氧消化過程中水解酶（淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶）的活性，原因可能是超聲波除了能夠影響酶與底物的接觸面積外，其聲流作用也能夠減弱掩蔽效應(yīng)、底物抑制和空間約束，進(jìn)而使得水解酶與底物之間的相互作用增強(qiáng)、傳質(zhì)過程加快。

2.2 超聲波對(duì)生物酶的失活作用

綜上研究表明，超聲波會(huì)提高某些生物酶的活性，但在很多研究中也出現(xiàn)了相反的結(jié)果。如：Liu 等[39]利用超聲波對(duì)釀酒酵母中的潛在病原菌進(jìn)行滅活處理，以ATP 酶為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，得出超聲功率越大，處理時(shí)間越早時(shí)ATP 酶的滅活效果越好，其原因可能是超聲處理干擾了離子在細(xì)胞內(nèi)外的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，改變了ATP 酶的活性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致酶活降低。李冰等[40]關(guān)于超聲波對(duì)過氧化氫酶活性的影響機(jī)理的研究卻發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶的活性雖隨著功率的增大而降低，但處理時(shí)間對(duì)過氧化氫酶的活性影響不大，這可能是由于過氧化氫酶經(jīng)超聲處理后分子由有序變?yōu)闊o序，進(jìn)而影響了反應(yīng)進(jìn)行的方向。此外，王文宗[41]研究了超聲-低熱聯(lián)合技術(shù)對(duì)胡蘿卜汁的殺菌效果以及超聲波對(duì)主要酶的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，超聲波主要通過影響酶的空間構(gòu)象或酶中某些氨基酸的含量來改變酶的活性：對(duì)于過氧化氫酶，超聲波主要通過改變過氧化氫酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)來降低酶活（α-螺旋、β-折疊結(jié)構(gòu)的含量均減少）；而對(duì)于多酚氧化酶，超聲波則主要通過破壞其上的酪氨酸和色氨酸基團(tuán)來降低酶活。周磊等[42]研究了超聲波協(xié)同蘋果酸處理對(duì)雙孢蘑菇多酚氧化酶活性及失活動(dòng)力學(xué)的影響，但超聲波主要通過破壞蛋白質(zhì)分子間的非共價(jià)作用力來降低雙孢蘑菇多酚氧化酶的活性。

超聲波處理對(duì)酶的作用是一個(gè)多因素復(fù)合作用的結(jié)果，因此，將超聲波引入酶解反應(yīng)過程時(shí)，選擇合適的超聲模式以及進(jìn)行適宜的條件參數(shù)設(shè)置是調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程的關(guān)鍵。

3 超聲波對(duì)蛋白質(zhì)的改性作用

與化學(xué)改性相比，常見的物理改性雖然具有安全性高、營(yíng)養(yǎng)損失小的特點(diǎn)，但其改性效果往往不夠明顯，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的需要，而超聲波因波長(zhǎng)短、頻率高而具有束射性強(qiáng)、能量易聚集、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，使用超聲波改性技術(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化改性效果。由于蛋白質(zhì)種類繁多，而且超聲波體系的引入又會(huì)產(chǎn)生多種聲化效應(yīng)，作用機(jī)理比較復(fù)雜。所以在超聲波技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改性應(yīng)用越來越廣泛的同時(shí)，人們對(duì)于超聲波對(duì)蛋白質(zhì)的改性機(jī)理和作用規(guī)律的研究也在逐步深入。

3.1 超聲波對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其功能特性的影響

超聲波作用過程中的物理化學(xué)效應(yīng)會(huì)造成瞬時(shí)的高溫、高壓，其所攜帶的巨大能量能夠破壞蛋白質(zhì)分子的內(nèi)鍵或者分子間的相互作用力，進(jìn)而使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。而蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了其所具有的功能，超聲波引起的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化必然也會(huì)影響到蛋白質(zhì)的一系列功能特性，如：溶解性、起泡性、乳化性、凝膠性等。關(guān)于超聲波對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能特性的影響已經(jīng)有了大量的報(bào)道，現(xiàn)總結(jié)如下：

3.1.1 溶解性 蛋白質(zhì)是一種兩親分子，其溶解度取決于蛋白質(zhì)分子中親水、疏水基團(tuán)的分布。蛋白質(zhì)分子中的疏水性氨基酸越高，溶解度越低，此外，如果蛋白質(zhì)表面分布的氨基酸帶電，也可以通過阻止蛋白質(zhì)分子之間的聚集而防止蛋白質(zhì)沉淀。超聲波可以通過影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)使蛋白質(zhì)的溶解度升高或降低。

包中宇[43]關(guān)于超聲波對(duì)大豆分離蛋白的改性研究結(jié)果表明，當(dāng)超聲波作用條件為400 W、60 min 時(shí)，大豆分離蛋白的溶解度達(dá)到最大值，原因可能是超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)使蛋白分子團(tuán)聚體分散，更易與水發(fā)生相互作用，此外，聲化效應(yīng)也促使大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)中的α-螺旋結(jié)構(gòu)含量降低，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量增加，蛋白分子剛性被破壞、柔性增加，均利于大豆分離蛋白的溶解。Nazari 等[44]發(fā)現(xiàn)小米濃縮蛋白經(jīng)超聲波處理后其溶解度也會(huì)升高，其原因可能是超聲波的聲化效應(yīng)除了能改變小米濃縮蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量之外，也增加了小米濃縮蛋白分子表面的負(fù)電荷，阻止了蛋白分子的聚集，進(jìn)而使小米濃縮蛋白的溶解度增加。此外，Jambrak 等[45]利用低/高強(qiáng)度超聲波處理乳清蛋白懸液，在頻率20，40 kHz條件下處理15 min 時(shí)，蛋白質(zhì)的溶解度達(dá)到最大，這可能是由于超聲波的空化效應(yīng)使蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)改變，分子間靜電作用增強(qiáng)；機(jī)械效應(yīng)使更多的親水性氨基酸暴露；熱效應(yīng)使體系的溫度升高，這些作用均能夠加強(qiáng)蛋白質(zhì)與水的相互作用，從而提高其溶解度。任曉鋒[46]同樣發(fā)現(xiàn)經(jīng)40 kHz 掃頻超聲預(yù)處理后，玉米醇溶蛋白的溶解度達(dá)到最大，原因可能是由于超聲波產(chǎn)生的激流導(dǎo)致玉米醇溶蛋白顆粒疏松，此時(shí)超聲波空化頻率可能與體系的固有頻率產(chǎn)生最大的能量耦合，使得分子間、分子與水的相互作用得到加強(qiáng)，進(jìn)而增加其溶解度。

3.1.2 起泡性/泡沫穩(wěn)定性 孫冰玉等[47]利用超聲波處理大豆?jié)饪s蛋白，處理后大豆?jié)饪s蛋白的起泡能力、起泡穩(wěn)定性可分別提高26.0%和13.7%，原因可能是超聲波機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的剪切力使肽段伸展，可溶性蛋白含量增加，能夠同時(shí)改善起泡性和泡沫穩(wěn)定性。Stefanovi 等[48]同樣發(fā)現(xiàn)蛋清蛋白經(jīng)高強(qiáng)度超聲波處理后起泡性、泡沫穩(wěn)定性均顯著增加，其原因可能是超聲波的聲化效應(yīng)使蛋清蛋白變性和展開，蛋清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，平均粒徑減小且表面電荷發(fā)生重排。Xiong 等[49]卻發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度超聲波作用于卵白蛋白時(shí)，卵白蛋白的起泡性提高、泡沫穩(wěn)定性無顯著變化，這可能是多因素作用的結(jié)果：一方面，超聲波處理使卵白蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，卵白蛋白表面疏水性增加、靜電荷減小，這些變化對(duì)發(fā)泡能力有利；另一方面，超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)會(huì)使卵白蛋白分子分散并重新聚集成更大的分子造成卵白蛋白粒徑增大，進(jìn)而導(dǎo)致其吸附率降低，而這種變化對(duì)發(fā)泡能力不利。

3.1.3 乳化活性/乳化穩(wěn)定性 孫英杰[50]利用超聲波處理大豆分離蛋白，400 W 處理時(shí)大豆分離蛋白的乳化活性基本上達(dá)到峰值而乳化穩(wěn)定性有所降低，這可能是由于超聲波的機(jī)械效應(yīng)使大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)變得松散，易于吸附至油水界面并在界面展開，進(jìn)而導(dǎo)致大豆分離蛋白乳化活性增加，而隨后大豆分離蛋白分子發(fā)生聚集導(dǎo)致乳化穩(wěn)定性下降。Arzeni 等[51]卻發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度超聲波使蛋清蛋白團(tuán)聚體生成速率加快、乳化穩(wěn)定性提高，原因可能是由于超聲波的空化效應(yīng)導(dǎo)致蛋清蛋白分子中疏水基團(tuán)暴露從而對(duì)乳化特性產(chǎn)生較大影響。O'Sullivan 等[52]也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)論：乳蛋白經(jīng)超聲波處理后乳化穩(wěn)定性增強(qiáng)，這可能是由于超聲波空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的湍流和剪切作用破壞了乳蛋白膠束的結(jié)構(gòu)，乳蛋白表面疏水性增加、表面張力降低，且膠束破裂后會(huì)重新組織成更小的亞膠束，進(jìn)而使乳化穩(wěn)定性增加。此外，Nazari 等[44]發(fā)現(xiàn)小米濃縮蛋白經(jīng)超聲波處理后乳化活性、乳化穩(wěn)定性均增強(qiáng)，其原因可能是由于超聲波產(chǎn)生的湍流使得小米濃縮蛋白分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子質(zhì)量減小，蛋白質(zhì)易于吸附至油水界面，小米濃縮蛋白表面疏水性增加，進(jìn)而提高其乳化活性、乳化穩(wěn)定性。Xiong 等[49]同樣發(fā)現(xiàn)利用高強(qiáng)度超聲波處理卵白蛋白時(shí)，卵白蛋白的乳化活性提高，而乳化穩(wěn)定性無顯著變化，這也是多因素綜合作用的結(jié)果，且影響趨勢(shì)與發(fā)泡能力一致。

3.1.4 凝膠性 Shen 等[53]關(guān)于高強(qiáng)度超聲波對(duì)乳清蛋白凝膠特性的研究表明，高強(qiáng)度超聲處理能夠使乳清蛋白表面游離巰基含量增加，這可能是由于超聲波產(chǎn)生的湍流和剪切力使得乳蛋白分子內(nèi)部的巰基基團(tuán)暴露出來，體系能夠形成更多的二硫鍵，有利于形成均勻致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而增強(qiáng)了乳清蛋白的凝膠強(qiáng)度。Arzeni 等[54]同樣發(fā)現(xiàn)乳清濃縮蛋白、蛋清蛋白經(jīng)超聲波處理后，凝膠速率加快、強(qiáng)度增加，其中速率加快可能是由于蛋白質(zhì)表面疏水性顯著提高造成更強(qiáng)作用的團(tuán)聚，同時(shí)，超聲波的熱效應(yīng)也有利于蛋白分子的自締合；而凝膠強(qiáng)度的增加則可能是由于分子間形成了更多的二硫鍵。此外，常海霞[55]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚砟軌蛱岣卟蒴~肌原纖維蛋白的凝膠強(qiáng)度，其原因可能也是超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)導(dǎo)致肌原纖維蛋白的疏水性增加、粒徑減小，利于形成致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)超聲功率持續(xù)增加時(shí)，凝膠強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，這可能是由于超聲波的熱效應(yīng)使體系溫度過高導(dǎo)致肌原纖維蛋白變性，不溶性蛋白含量增加，進(jìn)而對(duì)凝膠強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

此外，很多蛋白質(zhì)是高活性酪蛋白血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）抑制肽的重要來源，這些蛋白質(zhì)可用于開發(fā)保健食品，能夠?yàn)楦哐獕旱闹委熖峁┬峦緩?。常?guī)提純后的蛋白質(zhì)對(duì)ACE 的抑制率有限，因此很多研究人員對(duì)超聲波引入蛋白質(zhì)體系后蛋白質(zhì)的ACE 抑制率進(jìn)行了一系列研究，見表1所示。

表1 超聲波改性對(duì)蛋白質(zhì)ACE 抑制活性的影響Table 1 Effects of ultrasonic pretreatment on the ACE inhibitory activity of protein

超聲波提高蛋白質(zhì)酶解產(chǎn)物的ACE 抑制活性的機(jī)理主要包括兩個(gè)方面：一是超聲波空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部高溫、高壓以及機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力使蛋白分子變得疏松，同時(shí)，也能破壞蛋白分子之間的交聯(lián)，使蛋白分子破碎為更小的顆粒，這些作用均能增大酶與蛋白質(zhì)分子的接觸面積，從而產(chǎn)生更多抑制ACE 活性的肽片段；二是與抗高血壓活性密切相關(guān)的疏水性氨基酸含量的增加，超聲波的聲化效應(yīng)使蛋白分子展開，有利于疏水性氨基酸暴露進(jìn)而提高其ACE 抑制活性。

3.2 超聲波輔助化學(xué)法對(duì)蛋白質(zhì)的改性

美拉德反應(yīng)是一種在食品中普遍存在的非酶褐變現(xiàn)象，蛋白質(zhì)的化學(xué)改性方法中美拉德反應(yīng)的效果也比較理想[60]，但此反應(yīng)的速度比較慢，因此常通過引入超聲波體系來縮短反應(yīng)時(shí)間，已有研究表明：與干法或濕法相比，引入超聲波體系均有一定優(yōu)勢(shì)，超聲波協(xié)同美拉德對(duì)蛋白質(zhì)的影響見表2所示。

表2 超聲波協(xié)同美拉德對(duì)蛋白質(zhì)的影響Table 2 Effect of ultrasonic coupled with Maillard reaction on properties of protein

超聲波能夠促進(jìn)美拉德反應(yīng)是因?yàn)槠湮锢砘瘜W(xué)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生短暫而非持續(xù)的高溫高壓，這能夠?yàn)榻又Ψ磻?yīng)提供能量，而且，合適的超聲處理?xiàng)l件也能夠使蛋白質(zhì)暴露出更多參與接枝反應(yīng)的游離氨基，因此，將超聲波引入美拉德反應(yīng)體系有望獲得較好的美拉德反應(yīng)風(fēng)味類型，而且也有利于對(duì)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)控。

3.3 超聲波協(xié)同其它物理場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的改性

超聲波的作用效果可能無法滿足生產(chǎn)加工中對(duì)某種蛋白質(zhì)功能特性的具體要求，因此部分研究人員研究了超聲波與其它物理場(chǎng)協(xié)同處理對(duì)蛋白質(zhì)的影響，以超聲-微波的協(xié)同處理為例：張燕鵬等[65]利用超聲-微波協(xié)同處理優(yōu)化菜籽蛋白的糖基化反應(yīng)，通過對(duì)糖基化產(chǎn)物的性能進(jìn)行測(cè)定優(yōu)化了處理?xiàng)l件，接枝度可達(dá)67.1%，并測(cè)得蛋白質(zhì)溶解度、乳化活性、起泡性、泡沫穩(wěn)定性等均有提高，其原因可能是超聲-微波協(xié)同處理后，菜籽蛋白分子結(jié)構(gòu)變化，分子柔性增加，有利于糖基化反應(yīng)朝著正反應(yīng)方向進(jìn)行。隋思瑤等[66]同樣利用超聲-微波協(xié)同處理以制備乳清蛋白/殼聚糖可食用膜，通過單因素實(shí)驗(yàn)（原料配比、山梨醇濃度、pH值和協(xié)同作用時(shí)間）優(yōu)化了處理?xiàng)l件，并制備出膜透氣率低且物理性質(zhì)較好的可食用膜，這可能是由于超聲波攜帶的能量能夠使較大的乳清蛋白分子破碎、粒徑減小，而微波處理則會(huì)使乳清蛋白分子內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)方向改變，分子重新排列成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，超聲波與微波協(xié)同處理也可用于提高蛋白質(zhì)的提取率，Hu 等[67]利用超聲-微波萃取裝置提取大米蛋白肽大大縮短了提取時(shí)間，提取率高達(dá)72.2%，含硒量也達(dá)到6.88 μg/mL，為解決硒源不足問題提供了一條很好的路徑。

隨著超聲波應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，常見的固定頻率的超聲裝置已經(jīng)不能滿足加工要求，因?yàn)閷?duì)于蛋白質(zhì)這樣一個(gè)復(fù)雜體系而言，固定頻率的超聲波難以產(chǎn)生與體系相匹配的共振頻率，不能充分發(fā)揮超聲波的作用，因此，有必要開發(fā)不同作用形式的超聲波技術(shù)，以滿足生產(chǎn)中具體的加工要求和市場(chǎng)需求。

4 總結(jié)與展望

作為一種節(jié)能環(huán)保的綠色新興改性技術(shù)，超聲波已被證明能夠用于提高食品的功能特性和生物活性，且不同工作模式、工作條件的超聲波處理對(duì)蛋白質(zhì)品質(zhì)的影響程度也存在差異，因此，超聲波在蛋白質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛的同時(shí)也有了更多的作用方式。如在工作模式上，有聚能逆流單頻、聚能逆流多頻、脈沖掃描多頻、發(fā)射三頻、對(duì)振雙頻等；在頻率選擇上，有多種頻率單獨(dú)作用、同步作用和交替作用多種形式。此外，對(duì)于一些輔助設(shè)備，如：溫控設(shè)備、功率設(shè)備都設(shè)置了不同條件下的可選擇性，極大地方便了最佳處理?xiàng)l件的篩選。

超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用和超聲波設(shè)備的不斷更新，使得經(jīng)超聲波或超聲波和其它改性方法協(xié)同處理得到的功能特性加強(qiáng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，如：超聲波預(yù)處理能夠提高大豆蛋白的凝膠強(qiáng)度，將其作為核黃素的包埋體系能夠使核黃素的緩釋性能良好[68]；利用超聲波處理麥麩蛋白后再與可溶性淀粉發(fā)生美拉德反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物添加到肉丸中，肉丸組織完整、黏彈性好，顏色為褐色并伴有麥麩香氣，口感好且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，具有良好的感官品質(zhì)和加工性能[69]。因此，超聲波不僅可以作為一種提高食品質(zhì)量的快速、高效和可靠的技術(shù)手段，它更具有開發(fā)新產(chǎn)品的巨大潛力，有助于研發(fā)出更多營(yíng)養(yǎng)健康的功能型食品。