蛋白质与酶工程课程食品蛋白质改性研究.doc

蛋白质与酶工程本科生课程论文食品蛋白质改性研究Study on Food Protein Modification Methods 学生姓名：xx 学 号：14145201专 业：生物技术学 院：食品工程与生物技术学院15摘 要改性食品蛋白质在现代食品工业中有着及其重要的作用，可以改变蛋白质原有结构，赋予其新的营养功能。目前食品改性方法有物理改性、化学改性、酶法改性及基因工程改性，除基因工程外，其他三种较为常用。关键词：酶法改性；物理改性；化学改性ABSTRACT Modified food protein is playing an important role in modern food industry by making changes in the protein structure and producing new nutrition value. Physical, chemical and enzymatic modification technologies are widely used but genetic engineering technology at present.Key words: physical modification, chemical modification , enzymatic modification目 录1.前 言52.物理改性62.1 热处理改性62.1.1 功能性质62.1.2 蛋白质酶解性质62.2 超高压改性62.2.1 起 泡 性72.2.2 溶 解 性72.2.3 凝 胶 性72.3 超声波改性72.3.1 对蛋白质结构特性72.3.2 对蛋白质功能特性82.4 微波改性83.化学改性93.1 酸调改性93.2 酰化改性93.3 去酰胺改性93.4 糖基化改性103.5 磷酸化改性104.酶法改性114.1 酶的共价交联作用114.2 酶的水解作用115.结束语126.参考文献131.前 言随着食品工业飞速发展，迫切需要大量具有功能特性和营养特性蛋白质，作为食品原料成分或添加剂。因此，除了一方面要大力开发具有优良特性蛋白质资源；另一方面可以对现有蛋白质进行改性，用于满足人们对营养的特殊需求。蛋白质的本质是由各种氨基酸相互联结而构成的具有空间结构生物大分子。其理化性质(尤其是分子量、静电荷和表面疏水性等)与功能特性直接相关。蛋白质改性就是用生化因素(如化学试剂、酶制剂等)或物理因素(如热、射线、机械振荡等)使其氨基酸残基和多肽链发生某种变化引起蛋白大分子空间结构和理化性质改变，从而获得较好功能特性和营养特性蛋白质1。其中，物理法包括超高压、微波、超声波和射线处理等，该法受仪器限制较大；化学法则是利用酸、碱及化学试剂对蛋白质的一些基团如氨基、羧基、羟基和巯基等进行修饰，以改善蛋白质的溶解性、起泡性、乳化性等功能特性。由于化学改性条件苛刻，专一性差，并且安全性低，因此有可能会引发食品安全问题；而酶法改性因其条件温和、专一性强、反应迅速、毒副作用小而为越来越受到关注，目前已经成为一种主要的食物蛋白改性手段2。2.物理改性所谓蛋白质的物理改性是指利用机械处理、热处理、挤压、超声波、微波、超高压、电场等物理作用形式，改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集方式。一般不涉及蛋白质的一级结构。蛋白质物理改性方法具有费用低，无毒副作用，作用时间短及对产品营养性能影响较小等优点。2.1 热处理改性热处理对蛋白质的作用主要包括:杀菌、改善功能性质、钝化抗营养因子等。涉及热处理的操作方式主要包括蒸煮、杀菌、喷雾干燥、干热处理等,这些方法广泛应用于食品工业中。运用热处理方法，蛋白质会出现如下性质改变。2.1.1 功能性质变性对功能性质的影响蛋白质的功能特性是指在加工、贮藏和销售过程中蛋白质贡献出的人们所期望的那些物理化学性质。在热处理时会改变蛋白质的功能性质，这里蛋白质的功能性质主要包括水化性质、表面性质、结构性质和感观性质。2.1.2 蛋白质酶解性质一般来说，蛋白质分子将的肽链卷曲其中，结构稳定，蛋白酶不易将其水解。而热变性可以使得蛋白酶对蛋白质的水解作用加强，因为经过热处理的蛋白质，分子中的许多作用键被打开，使得被卷曲的肽链释放出来，更易于蛋白酶与其作用位点结合，但需要控制加热的温度，过高会产生反结果。不仅水解酶是这样，消化酶也是一样的机理，热变性还有利于提高消化酶的作用，从而提高消化率。从这一点来看，适度的热变性能提高蛋白质的营养3。2.2 超高压改性植超高压技术是指将食品物料密封于弹性容器或耐压装置系统中，在高静压（一般为100700Pa）下进行处理，常以水或其他流体介质作为传递压力的媒介，以达到灭菌、改变物料某些理化特性的目的。此超高压处理对蛋白质的影响主要表现在三、四级结构的变化。研究的发现150200Pa的压力即可使蛋白质的三级空间结构发生改变，非极性氨基酸暴露，而二级结构的改变则需要大于700Pa的压力4。超高压对蛋白质的起泡性、溶解性和凝胶性等产生影响。2.2.1 起 泡 性在食品体系中蛋白质起泡的现象非常常见,如蛋糕、棉花糖、蛋奶酥、啤酒泡沫、面包等。蛋白质泡沫其实质蛋白质在一定条件下与水分、空气形成的一种特殊形态的混合物.实验证实，采用300Pa的压力处理大豆分离蛋白，经处理得到的蛋白起泡性有明显增加5。2.2.2 溶 解 性蛋白质的溶解性是水化作用的重要体现，是蛋白质品质的重要指标。从现有的研究结果可以看出，同一压力对不同蛋白的溶解度或不同压力对同一蛋白溶解度的影响是有差异的。例如麦醇溶蛋白、麦谷蛋白在0.1100Pa压力范围内，压力对种蛋白的溶解度影响较大。然而在100300Pa压力范围内，压力对麦醇溶蛋白的溶解度影响不大，但麦谷蛋白的溶解度随压力增大而增大，300500MPa时种蛋白的溶解度都随压力增大而减少6。相关机理尚未明确，因此超高压处理对蛋白质溶解度的影响还有待于系统地分类研究。2.2.3 凝 胶 性超高压使蛋白质凝胶化的大致原理是压力缩短水分子距离，导致自由水与氨基酸侧链结合，使蛋白质水溶液体积减小，破坏离子键和疏水作用，使蛋白分子之间形成更多氢键，最后使蛋白质内部的氨基酸侧链外露形成凝胶。经超高压处理的大豆分离蛋白凝胶结构较热处理更致密、均匀。适当的超高压处理有利于蛋白质凝胶的形成和一定程度的改善凝胶特性，这给蛋白质凝胶生产提供了一个新方法。2.3 超声波改性超声波是一种机械波，频率为20kHz100MHz，其在介质中传播时会引起介质粒子的机械振动。介质在不同频率和不同强度的超声波的作用下产生受迫振动，由此，介质的质位移、速度和加速度以及介质中的应力会随着超声波的振动不断变化。由于微声波在传播过程中引起的介质质点的位移虽然很小，但是其产生质点的加速度却很大，会使介质质点产生激烈而变化快速的机械振动7。同时，超声波在传播过程中会传递能量，升高介质温度。2.3.1 对蛋白质结构特性超声处理可明显提高蛋白质溶液的溶解性并促使蛋白质悬浮液的乳化以及蛋白质亚基的聚合等。通过凝胶过滤、凝胶电泳和超速离心法对超声处理形成的大豆蛋白聚合体进行分析，发现超声处理后大豆蛋白形成更多的聚合物，7组分聚合成4050组分，大豆蛋白聚合物的体积接近空穴的体积，且比常规的蛋白聚合体更稳定。主要是由于超声处理使蛋白质中更多疏水基团暴露，使更多的蛋白质吸附在气水界面上，降低了蛋白的黏性和刚性，从而减小了溶液的表面张力同时提高其表面疏水性，其聚合体也更加稳定。超声处理过程中，超声空穴效应产生大量的空穴气泡使得蛋白颗粒周围形成较大的压强，促使蛋白质结构展开，肽键断裂，亲水性氨基酸暴露出来，因此蛋白质的溶解性得到提高。超声过程中体系温度升高，剪切力增加，使得蛋白分子运动加剧，显著降低表观黏度，可能是由于超声处理过程产生的剧烈声化学作用导致大分子之间的键连作用减弱，揉性减弱，因而使其动态黏弹性降低，但仍然呈现假塑性流体状态8。2.3.2 对蛋白质功能特性低频的超声波能形成更具有黏度的大豆分离蛋白。超声后蛋白质分子间非共价键的相互作用减弱，大部分蛋白的7和11组分被打开，尤其是11组分，部分变性和蛋白的无序结构使其在油水界面可以更好地吸附，因而乳化性能提升。超声处理对乳清蛋白和芝麻蛋白的影响具有与大豆蛋白同样的效果。起泡性和泡沫稳定性得到提高主要是由于超声技术的使用减小了乳清蛋白的颗粒度，这可能与超声波的均质作用有关。均质作用使乳清蛋白的蛋白质和油脂成分更均匀地分散开来8。经超声波改性处理后的花生浓缩蛋白，出现少量片层状结构，分子间的聚集作用减弱，结构排列明显松散，与原料花生蛋白结构相似程度很大9。2.4 微波改性微波是一种频率在300-300GHz的电磁波，通过对蛋白质中的极性分子高速的振荡作用，产生的热作用和机械作用改变蛋白质结构，从而改变蛋白质的功能性质10。当微波处于较高频率时，蛋白质改性的功能比较好，包括其溶解性的增大。由于蛋白质的辐射和其产生的大量的热使蛋白质的空间结构发生变化，并且蛋白质的分子质量减小，从而导致其一些亲水性的氨基酸残基大量暴露，溶剂化能力增强，因而蛋白质的溶解性得到提高11。3.化学改性 物蛋白质化学改性主要是对其多肽中一些氨基、羟基、琉基以及羧基进行改性，从而起到改善其各项功能特性，包括溶解性、表面性质、吸水性、凝胶性及热稳定性等。其实质是通过改变蛋白质的结构、静电荷、疏水基团，从而改变其功能性质。食品蛋白质化学改性方法，包括酰化、脱酰胺、磷酸化、糖基化(即美拉德反应)、共价交联、水解及氧化等方法12。3.1 酸调改性酸调改性的原理是蛋白质在其等电点正负电荷相等，分子自身容易聚集，从而沉淀这。通过调节pH，从而改变蛋白质结构特征和功能性质。反应包括肽键水解、酰胺基水解、侧链水解和某些氨基酸被破坏，使得蛋白质分子间静电斥力增大，氢键作用增强及疏水相互作用力减弱，经酸调改性的蛋白质大都具有较好的溶解性、起泡性、泡沫稳定性等13。常用的调节pH的酸性物质有：盐酸、硫酸、醋酸、丙酸、磷酸和柠檬酸等。3.2 酰化改性酰化改性就是蛋白质分子中的亲核基团（氨基、羟基）与酰化试剂中的亲电基团（羰基）相互反应，引入亲水基团，然后在催化剂作用下又引入长碳链亲油基团，使蛋白具有双极性基团13。酰化改性主要是通过使用酰化剂，最为常见酰化剂为琥珀酸酐和乙酸酐。酰化后蛋白质的静电荷增加，分子更伸展，蛋白质等电点降低，在弱酸性、中性和碱性溶液中的溶解度增加，同时乳化性、乳化稳定性、起泡性等得到改善。酰化改性主要目的是改善蛋白质乳化性和起泡性。为了研究蛋白质功能特性与其分子结构关系，蛋白质表面特性改性研究是一个极为重要的突破口。原因在于，蛋白质可用不同类型和数量酰基化试剂进行改性，致使其结构可以逐渐被改性，这对研究蛋白质结构与功能之间关系很有帮助；另一方面，也有助于在更广应用范围内制造所需特定蛋白质。3.3 去酰胺改性一般认为蛋白质中的脱酰胺应通过羧基中的O和H直接发生质子化作用，导致NH释放，即将蛋白质中天冬酰氨和谷氨酰胺脱去酰胺基生成天冬氨酸和谷氨酸。通过去除此类蛋白质酰胺基团，便可获得良好溶解性、乳化性及发泡性。蛋白质化学去酰胺作用有以下方法:(1)酸或碱催化下水解；(2)-转变机制12。实验证明，去酰胺改性后的大豆蛋白在整个pH范围内的溶解度，比改性前的大豆蛋白均有提高，特别是在pH3和pH6的范围内提高幅度较大。大豆蛋白溶解度的增加，主要是由于去酰胺引起天冬酰胺(Asn)和谷氨酰胺（Gln）转化为天冬氨酸14。3.4 糖基化改性 糖基化作用就是还原糖与蛋白质分子上游离赖氨酸的-NH2或-NH2共价连接（即美拉德反应）而形成糖蛋白的过程，结果可以明显改善蛋白质的热稳定性、乳化性等。一般来说，合成糖基化蛋白在较低离子强度或天然蛋白等电点处仍表现出较高溶解性；同时，糖基化也提高蛋白质热稳定性，且随着糖基化程度提高，糖基化蛋白质功能特性也随之提高。研究发现，精蛋白半乳甘露聚糖具有良好的乳化特性，其乳化活性是精蛋白的6倍，乳化稳定性是它的10倍15。3.5 磷酸化改性 蛋白质由于大的分子量和三级结构而具有独特的表面特性,而其两性特性使蛋白质很适合作表面活性剂。磷酸化改性后的蛋白中,由于引进大量磷酸根基团,从而增加蛋白质体系电负性,提高蛋白质分子之间静电斥力,使之在食品体系中更易分散,相互排斥,因而提高溶解度,聚集稳定性,降低等电点,而且其净电荷只有在相当低环境中才会被中和,故可有效拓宽在食品中应用范围。常用的磷酸化试剂有化学磷酸化试剂和蛋白激酶。化学磷酸化由于效率高、功能特性改善明显、磷酸化试剂价格低廉、易于实现工业化等优点深受重视。酶磷酸化虽然能在温和条件下实现磷酸化，但由于其是在识别蛋白质一级结构的基础上进行的，导致酶磷酸化效率较低、磷酸化部位单一等，酶磷酸化法很难实现工业化13。4.酶法改性酶法改性是利用酶试剂使蛋白质的氨基酸残基和多肽链发生变化，引起其结构的改变，从而达到改善蛋白质功能特性和营养特性的目的。酶法改性的方法主要有共价交联作用、水解作用、脱酰胺作用和磷酸化作用等。其中共价交联作用指通过酶试剂，在蛋白质内部多肽链之间(分子内交联)或蛋白质之间(分子间交联)形成共价键，改变蛋白质的结构2。酶法水解蛋白质是利用蛋白酶在温和的条件下催化水解蛋白，使其中的肽键断裂，达到蛋白质改性的目的。目前常用的有胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、转谷氨酰胺酶、多酚氧化酶等。4.1 酶的共价交联作用蛋白质酶促交联主要由转谷氨酰胺酶(TG)，多酚氧化酶(PPO)以及过氧化物酶(POD)引起。转谷氨酰胺酶能与不同来源的蛋白质相互结合催化酰基转移反应，使蛋白质分子间发生共价交联，交联使得赖氨酸残基和谷氨酰胺残基形成谷-赖键。可以把该交联反应应用在食品中，保证食品中赖氨酸的营养价值。同时由于共价交联作用，蛋白质的凝胶性和乳化性得到提高。研究发现，转谷氨酰胺酶对不同食物蛋白的力学性和疏水性有一定作用。经转谷氨酰胺酶作用后的大部分食品蛋白质的拉伸强度和断裂深度均增大，且蛋白质的表面疏水性也得到显著改善16。4.2 酶的水解作用工业上常使用的蛋白酶有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、链霉蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶。在水解过程中，特异性蛋白酶与蛋白质多肽链中的特定位点发生作用，使肽键断裂生成分子质量较小的多肽；而非特异性蛋白酶则能水解蛋白质的多种肽键，形成各种小肽，甚至游离氨基酸。酶法水解引起蛋白质的极性基团(如NH2+、COO)数目增加，多肽链平均分子质量降低，肽链长度缩短，疏水基团暴露。这些方面的变化均能使蛋白质的功能特性发生改变，如溶解性、吸油性、乳化性、起泡性等2。5.结束语目前的食品蛋白质改性方法中常用的为物理、化学和酶法改性。最后出现的基因工程改性技术由于其尚处于开发早期，多数用于实验室研究，离应用于工业生产尚需一段时间。随着对物理学研究的深入以及更高端仪器技术的开发，相信在蛋白质改性方面会有更多应用。化学改性由于其不易控制且污染问题较为严重，还有很多问题需要解决。而酶法改性则综合了以上两者的多数特点，应用前景十分宽广。目前蛋白质改性有几种以上方法共同使用的趋势，这样可以发挥优势，弥补某一种方法的短板。在目前的技术发展程度来看，这也是比较可行的方法。可以想象，食品蛋白改性方面会涌现出越来越多的技术，而人类对功能食品的需求会得到最大程度的满足。6.参考文献1孔祥珍,周惠明. 食品蛋白质改性研究J. 粮食与油脂,2004,02:22-24.2刘潇,吴进菊,高金燕,陈红兵. 食物蛋白质的酶法改性研究进展J. 食品科学,2010,19:409-413.3 吴雯倩,左姣丽,肖冰等.热处理对蛋白质的影响J.食品安全导刊,2015,36:45.4 朱松明，苏光明，王春芳等水产品超高压加工技术研究与应用J农业机械学报，2014,45（1）：168-177.5 刘国琴，李琳，李冰等超声和超高压处理对大豆分离蛋白特性影响的研究J河南工业大学学报：自然科学版,2005,26（3）:1-4.6 钟昔阳,姜绍通，潘丽军等超高压对麦醇溶蛋白/麦谷蛋白功能性质的影响J中国粮油学报,2009,28（8）：8-11.7 Malcolm J.W.Povey. 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Food Research International, 2007, 40(4): 504-509.目 录第一章 总 论1第一节 项目名称及承办单位1第二节 研究工作的依据与范围2第三节 简要研究结论3第四节 主要经济技术指标5第二章 项目提出的背景及必要性7第一节 项目提出的背景7第二节 项目建设的必要性13第三章 市场预测与需求分析19第一节 车用生物燃气市场发展分析19第二节 有机肥市场分析23第四章 建设规模与产品方案29第一节 建设规模29第二节 产品方案29第五章 厂址选择与建设条件31第一节 厂址方案31第二节 建设条件32第六章 工艺技术方案40第一节 项目组成40第二节 生产技术方案40第三节 生产设备53第七章 原辅材料供应56第一节 原辅材料供应56第二节 公用设施58第八章 工程建设方案59第一节 总图运输59第二节 建筑结构工程62第三节 公用工程70第九章 环境保护、劳动安全卫生75第一节 环境保护75第二节 劳动安全卫生77第十章 节能与消防84第一节 节 能84第二节 消 防89第十一章 企业组织与劳动定员92第一节 企业组织92第二节 劳动定员92第三节 人员培训93第十二章 项目实施进度计划94第十三章 建设项目招标方案95第十四章 投资估算与资金筹措97第一节 投资估算97第二节 资金筹措98第十五章 财 务 评 价100第十六章 社会影响分析105第一节 社会效益分析105第二节 社会风险分析106