基于凝胶特性的蛋白改性方法研究进展

陈凤莲，吉语宁，贺殷媛，窦新梾，范婧，张娜

（哈尔滨商业大学 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

蛋白质是以氨基酸为基本单位组成的生物高分子物质，因其营养和功能特性较好被人们广泛应用，经过改性后的蛋白凝胶对于调节生理功能、维持新陈代谢、提升食品品质具有重要意义。凝胶性是蛋白质的主要性质之一，蛋白质胶体溶液在一定条件下失去流动性，蛋白质分子聚集，并形成有序的网络结构，最终表现成为“胶凝”状态。蛋白质是一种广泛存在的天然化合物，蛋白凝胶存在于很多日常食品中，如鱼类、肉类、谷物等。

食品中的纯天然蛋白质具有不易消化吸收、保质期短、溶解性差，网络结构有序性差等缺陷，因此对天然蛋白质进行适当的改性是目前广泛研究的课题，无论是通过酶法改性使其二级结构中如二硫键和氢键断键或聚合，亦或是通过物理方法使其疏水基团改变，都会对食品中的蛋白质产生相应的影响。蛋白经过改性后，其分子构象会发生改变，使其持水性、凝胶性、质构等功能特性在原来的基础上得到提高。因此，蛋白质凝胶性改性一直被广泛应用于食品行业中。如何合理地对蛋白凝胶进行改性，以及对蛋白凝胶改性方法的选择，成为现在的研究热点。本文主要讲述了蛋白凝胶的形成原理，并对近年来蛋白凝胶改性方法及其改性后结构上的改变进行综述。

1 蛋白凝胶改性方法的应用现状

蛋白质改性主要是由于受到物理因素或化学因素等的影响，引起了蛋白质二级结构或三级结构的变化，目前常用的蛋白凝胶改性技术主要包括3种，分别为物理、化学以及酶法改性。物理改性主要是使氨基酸残基和多肽链产生某种变化，并不会破坏蛋白质的一级结构[1]。由于不涉及人为添加物，具有安全性高、费用低、作用时间短以及对营养性质破坏性小等优点，物理改性成为研究和工业上优选的蛋白改性手段[2]。化学改性技术反应条件剧烈，过程难以控制，且会破坏部分氨基酸、维生素等物质，造成营养价值降低；后续的水解产物还存在肽类得率较低，盐分含量高等问题，甚至还可能造成环境污染，引入不安全因素，目前工业上几乎已放弃该类蛋白改性方法。酶法改性技术是目前食物蛋白质改性研究的前沿热点，包括酶法聚合改性和酶法降解改性，条件温和、效果显著，既不会损失食品原料本身的营养价值，也不会产生毒理方面的问题，更应该广泛运用在食品研究与工业生产中。

2 物理改性法

物理改性法主要是通过微波、超声波、热、脉冲电场、超高压、辐照等方法来改变蛋白质分子间的作用力，使蛋白质交联、聚集产生凝胶性，并进一步改变蛋白的持水性、持油性、以及凝胶强度。简便性和安全性是物理改性方法中较为凸出的优势，在试验过程中，利用热、电、机械能高频电场微波、超声波等物理形式改变蛋白质高级结构和蛋白质聚集方式，从而改善蛋白质性能[3]。

2.1 微波改性

微波改性大多数是通过微波预处理后热诱导来改善蛋白凝胶的性质，从而使蛋白凝胶形成具有更为致密、均匀的微观三维网络结构。陆毅等[4]研究发现，经过微波预处理后，热诱导的小麦面筋蛋白凝胶特性得到了明显的改善，随着微波功率的增大，凝胶强度出现先减小后增大的趋势。也有研究[5]表明，在微波改性后的蛋白凝胶中，蛋白凝胶的色泽、硬度、弹性、持水性等品质特性得到大幅度改善及提升。Ji等[6]通过微波加热结合水浴加热对多糖-蛋白质混合凝胶的结构和各种质量参数进行研究，发现微波加热的魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）链具有较高的拉伸速率，它们有助于形成多糖-蛋白质网络，而水浴加热的凝胶中的多糖则以聚集体形式插入蛋白质中。

2.2 超高压改性

超高压改性处理是将食品放进密闭的容器中，以水或液体为介质，对压力进行传递。经过不同程度的超高压处理后，食品中蛋白质的二级、三级和四级结构发生变化，胶凝性能得到提高。超高压改性处理能起到杀菌和灭酶的作用，进而使食品的保质期得到延长。根据Li等[7]研究可知，猪肉肌原纤维蛋白在经过高压（200 MPa）处理后，其溶解度有所提高，而在300 MPa下的肌原纤维蛋白的溶解度逐渐降低，并且伴随着大量的聚合产生。同时大豆分离蛋白因其用途广泛通常会用于非肉类制品的加工，具有良好的凝胶性和乳化性，可以和猪肉肌原纤维蛋白相结合，提高复合物的保水能力和内聚性。Jiao等[8]在超高压条件下将不同种类的多糖和花生分离蛋白进行混合，发现高压均质后的混合物凝胶经历了凝固、弱化、强化3个阶段，且研究表明花生分离蛋白与黄原胶混合物的蛋白凝胶性没有出现凝胶弱化的情况。王健一等[9]研究表明，经过超高压处理后的低盐鱼糜，其品质特性均出现先增加后减小的趋势。另有研究中综述了超高压在对于蛋白凝胶改性的过程中，只对食品中的共价键产生作用，所以可以最大程度上保留食品中的营养物质[10]。Chen等[11]研究发现，超高压改性鱼糜α-helix和β-turn的含量降低，而β-sheet的含量升高，因此可以得出，鱼糜经过超高压改性后其品质有所提升。

2.3 超声波改性

超声波处理可以减小蛋白质的分子粒度，促进蛋白凝胶形成复杂的网络结构，从而使蛋白的凝胶强度增加。经过超声波处理的蛋白，其分子间相互吸引的作用力会增加，疏松多孔的结构变得更加紧密，形成标准的网络结构，而其中二硫键的断裂和疏水基团的显露，表现出其凝胶性的增强，持油能力增强。随着超声波功率的增大，蛋白凝胶作用逐渐增强，当超声波功率过大时，会使蛋白质分子的疏水残基在结构中显露出来，使蛋白凝胶的作用力下降。Zhao等[12]在研究中以大豆分离蛋白和麦芽糊精为原料，分别在不同条件下进行超高压改性，其研究结果表明，尽管麦芽糊精的糖基化降低了蛋白凝胶的酸诱导凝胶特性，但经过5 min超声波处理的偶联物比未处理的偶联物更快地形成凝胶，并且它们的凝胶具有更高的储能模量、凝胶强度和持水能力，持水性先增大后减小。有研究[13]表明，经过超声波处理后，蛋白质二硫键和疏水基团的暴露会增大蛋白质对油脂的结合，从而增大肌原纤维蛋白的吸油能力。张潮等[14]在研究中指出，超声波处理冷冻的食品，可以避免由于空气冷冻食品产生的冰晶对食品造成的损伤，最大程度地保留食品中的营养成分，并缩短由于空气冷冻食品时间过长的缺点。

3 化学改性法

化学改性主要是利用酸、碱、盐等化学试剂对蛋白质、多肽中的一些特殊基团进行改性，（如氨基、羟基、巯基及羧基等）以达到改善其功能特性的目的。常见的化学改性方式有：酰基化、脱酰胺、磷酸化、糖基化、共价交联等[15]。

3.1 醛基化改性

醛基化改性主要是通过化学物质中的活性醛对蛋白质的结构进行改性，在活性醛种类中，丙烯醛属于适合对蛋白质改性的醛类。以大米蛋白为例，大米蛋白质固有荧光强度的降低和表面疏水性的降低，表明由丙烯醛氧化修饰引起的蛋白质聚集体的形成[16]。丙烯醛浓度的升高会使大豆蛋白硬度降低，而大豆蛋白凝胶中二硫键含量会随着凝胶硬度的下降而降低，导致蛋白羰基化和巯基生成。丙烯醛修饰大豆蛋白与α-螺旋结构的降低和β-折叠结构的增加有关。但吴伟等[17]研究表明，丙烯醛可以对大豆蛋白进行较大程度的氧化改性，且改性程度稳定。当丙烯醛浓度较低时，对于大豆蛋白的流变学性质影响程度很小。冯程等[18]在研究中指出，随着丙烯醛氧化的加深，会对蛋白凝胶产生结构以及凝胶性质的影响，籽瓜种仁中的蛋白质会形成非共价二硫键，二硫键的数量逐渐减少，蛋白质的粒径数量增大，聚集现象产生。Wang等[19]研究了脂氧化的副产物丙烯醛对从兔肉中分离的肌原纤维蛋白的结构和凝胶特性的影响，丙烯醛含量的加大，使总巯基含量呈现减小的趋势，丙烯醛引起α-螺旋结构的破坏，疏水位点暴露和肌原纤维蛋白的展开，并通过电泳分析得出，中等浓度和高浓度的丙烯醛分别可以诱导蛋白质交联和蛋白质聚集。由此可知，适度的氧化修饰能够导致蛋白质在凝胶中解折叠以及α-螺旋结构的降低和β-折叠结构的增加，从而影响凝胶的性能。

3.2 羟基氧化改性

近年来，羟基氧化的方法逐渐用于蛋白凝胶的改性，在氧化过程中蛋白间的分子作用力被破坏，其二级结构发生改变，疏水性增强，结构变得疏松。Zhang等[20]研究了羟基自由基对肌原纤维蛋白的氧化修饰以及对μ-钙蛋白酶的影响，结果表明，随着H2O2浓度的增加，蛋白的氧化程度增加，肌原纤维蛋白的敏感性也提升，而总巯基和色氨酸荧光强度逐渐降低。二硫键和其他共价键导致蛋白质的交联和聚集，从而改变肌原纤维蛋白的结构及其对μ-钙蛋白酶水解的敏感性，为蛋白质氧化与蛋白水解相结合的机理进一步提供更加直观的理论。

Zhang等[21]的研究表明，氧化能够对金枪鱼肌原纤维蛋白间的分子作用力产生影响，降低其凝胶强度。通过分析持水量和低场核磁共振表明，低程度的氧化可增强蛋白质基质的水结合力，而高氧化可大大降低肌原纤维蛋白的胶凝特性。金枪鱼肌原纤维蛋白凝胶经过氧化后，其羰基化合物和二硫键的含量变少，氧化还可减少离子键和氢键的含量，增加疏水性相互作用。Bertram等[22]研究表明，离子强度、肌肉收缩程度、pH值是对于肌原纤维蛋白氧化程度影响较为明显的因素。其中，氧化程度、离子强度会对保水能力产生明显的影响。当pH值达到5.4、6.2和7.0，离子强度选取0.29、0.46、0.71 mol/L时，会对样品中的二酪氨酸的含量产生影响，经过H2O2激活后，二酪氨酸浓度逐渐升高。张洪超等[23]在研究乌贼蛋白分子间的作用力时表明，逐步增加H2O2的浓度，会降低蛋白质结构离子键的数量，使氢键含量减少。由此可知，氧化改性修饰对于乌贼蛋白分子的氨基酸及其侧链基团产生影响，氧化后的肌原纤维蛋白结构趋于疏松、肌丝变细且断裂卷曲量增多，使乌贼蛋白分子发生交联现象，改变蛋白理化性质。

3.3 酰基化改性

蛋白质酰基化改性主要是指在反应过程中，蛋白质与“乙酰基”基团进行嫁接，形成乙酰化修饰，同样的，对于酰基化改性来说，还有磷酸化修饰、甲基化修饰。而乙酰化是相对于其他种类的修饰，用途比较广泛，且效果较好的一种。Yao等[24]在翻译修饰后的马铃薯中发现了赖氨酸的乙酰化，可能是自然形成，或在加工过程中形成，从而对于他们的生物活性以及溶解度产生影响。Lawal等[25]在研究班巴拉花生蛋白时发现，乙酰化和琥珀酰化均能够提升其发泡性，但在其他pH值和离子强度增加时，也会增强花生蛋白的凝胶性，而不同盐浓度可能会导致凝胶能力下降。左峰等[26]研究表明，经过乙酰化的芸豆蛋白，在乙酰化程度逐步提高的情况下，即乙酸酐与蛋白质的质量比提升后，显著提高了芸豆蛋白凝胶的硬度、灵活性和凝聚力。Jandal等[27]对乳清蛋白进行乙酰化处理，发现在乙酰浓度为0.3%时，乳清蛋白吸水能力有所提升，大于未经过乙酰化处理的乳清蛋白。酰化处理后蛋白质会产生拉伸程度变长的现象，使分子内嵌入的部分巯基因分子结构变化暴露于分子表面[28]。

3.4 焦亚硫酸钠改性

目前，焦亚硫酸钠改性大多数都用于对面团品质的改性。添加焦亚硫酸钠后，面团的拉伸特性会有明显的提升，适用于工业生产，具有低成本、用量少、效果显著等特点。通过石林凡等[29]的研究可知，面团中焦亚硫酸钠添加量为0.1%～0.15%时，拉面面团的拉伸性、面团筋力、耐揉性达到最好，面团的延展性较强且不易断裂，说明面筋蛋白经过焦亚硫酸钠的修饰改性后，二硫键含量下降，氢键含量升高，而在小麦面筋蛋白中二硫键对结构起着关键性的作用，导致面团的拉伸性增强。

3.5 糖基化改性

由于蛋白质的化学性质不稳定，过酸或过碱都会使蛋白质的性质发生改变，而与碳水化合物或生物多聚合物的交联能使蛋白质变得稳定，并赋予蛋白质一些新的特性，改善其持水性，流变性，乳化性等。于枫[30]在研究中发现，经过糖基化改性后，米糠蛋白溶解度、乳化活性和乳化稳定性等性质有明显的提升，且米糠蛋白糖基化后，其优良的乳化性可以替代大豆蛋白。Li等[31]的研究表明，不同浓度的茶多酚可以对肌原纤维进行氧化修饰，使羟基自由基的氧化程度、理化结构、胶凝特性改变。茶多酚对肌原纤维浓度的依赖性效应，取决于肌原纤维的氧化修饰程度和它们之间的相互作用，这表明适量的茶多酚有保护肌原纤维蛋白免受氧化的潜力，并能够在加工过程中增强鱼糜的胶凝能力。

4 酶法改性

酶制剂是一种天然的生物制品，与物理、化学改性相比，酶法改性的特点主要是安全性高，且针对性强，在最大程度保持营养物质的情况下改善功能特性。酶法改性处理手段因具有反应条件温和、产品得率高、生产过程安全等特点受到了广泛关注。

4.1 脂肪酶改性

脂肪酶是一种特殊的酯键水解酶，可降解面粉中的甘油三酯及半乳糖脂，使其无法与谷蛋白相结合，因而面筋内部网络结构得以改善，面团筋力增强，稳定时间增加。吴骏威等[32]研究表明，加入脂肪酶的面团拉伸能量有所增加，但增加程度有限，延伸度、拉伸阻力均有着明显增加，说明脂肪酶能够改善面团延伸特性，增加面筋筋度。高坦等[33]在研究中表示，添加了脂肪酶的面团中，冷冻面团改性后制得的面包硬度和胶黏性的感官评价较好。Serventi等[34]在研究中发现，在面团中添加一定量的脂肪酶能够使面包的比容增加，结构更加有凝聚力。Melis等[35]表示，对于非极性脂类具有水解特异性的脂肪酶，可用作小麦粉分离的加工助剂，以最大限度地提高加工效率。

4.2 谷氨酰胺转氨酶改性

转谷氨酰胺酶（transglutaminase，TG 酶），又称谷氨酰胺转氨酶，可催化蛋白质、多肽发生分子内和分子间的共价交联，改变蛋白质的性质，如：发泡性、乳化性、乳化稳定性、热稳定性，其在豆制品、米制品等食品加工工业中得到了广泛的应用[36]。

臧学丽等[37]在研究中表示，谷氨酰胺转氨酶在与其他酶类作比较时，在大豆蛋白中添加的效果最为明显，也有试验研究[38]表明，通过添加转谷氨酰胺酶处理的蛋白质，功能特性提高，TG酶与鸡肉中的蛋白质和芸豆蛋白进行共价交联时效果最好。微生物来源的转谷氨酰胺酶不仅能够改善大豆蛋白分子的空间交联形成网状结构，而且可以催化蛋白质中的谷氨酰胺残基与水结合，提高其保水能力和凝胶特性。因此如果添加适量的转谷氨酰胺酶，能够使蛋白质形成均匀致密的空间网状结构，增强凝胶强度和持水性。但添加高浓度的转谷氨酰胺酶则会使蛋白质发生过度交联聚合而脱水，蛋白质的凝胶强度降低[39]。TG酶在大米蛋白改性中应用十分常见，主要是通过交联一些蛋白质分子间和分子内的键合，包括疏水键、氢键以及没有严重裂解的肽键，使蛋白质以更加灵活的方式组合[40]。

5 复合法改性

复合法改性在现在的改性过程中十分常见，不同于单一改性对蛋白质的作用，大多数是以两种不同或相同的方法对蛋白质进行改性修饰，使其性质优于未改性的蛋白质，或只采用单一改性法的蛋白质，并结合多种改性方法的优点，更好地对蛋白凝胶进行研究。TG酶能够单独用于蛋白质的改性，效果十分明显，同样在与其他改性方法联合使用时，效果更加显著，TG酶作为修饰剂对蛋白质改性时主要通过导入、交联及脱胺3种途径，使蛋白质的功能特性以及品质特性得到极大地改善。

申瑞玲等[41]在面团中分别添加了4种添加剂，通过研究不同的比例，来优化面包的配方，探究了酶添加量对蛋白凝胶结构、面包质构的影响，最优条件下制得的面包芯柔软而富有弹性，口感较好，总体评价要优于市售普通面包。Wang等[42]将辐照技术与糖基化修饰方法相结合，证明了辐照可以促进大豆分离蛋白与麦芽糖之间的美拉德反应，显著改善了改性蛋白的功能特性，辐照技术具有时间短，效率高的特点，易于工业化实施。

6 展望

目前，国内外关于物理、化学方法在蛋白凝胶改性方面的应用研究较为全面、系统。物理改性方法虽然具有简便性、安全性的特点，但相对于现在成熟的蛋白质改性方法显得过于单一，化学改性方法由于其极易产生危害性，逐渐不再被人们所选择。而酶法改性以及复合法改性仍有较大的空间，该方法形成的蛋白凝胶性能更好，营养价值更高，且操作方法较为安全，不仅会使食品变得易被消化酶分解，提高消化率，还会减少食品贮藏期间酸败、变色、风味质地改变等情况的发生，这对于食品行业的发展具有重大意义。复合改性方法灵活，安全性更强，效果更好。对于不同食品中的蛋白凝胶，所对应的改性方法也有所不同，而在试验过程中，除了要提高蛋白凝胶的功能特性，更应该将凝胶的改性应用到实际生产中，提升产品的品质，研制适合不同人群、年龄段的产品。