超高压技术在蛋白质食品加工中的应用.pdf

451董新红1，2，4，赵谋明3，蒋跃明1，*(1.中国科学院华南植物园，中国科学院植物资源保存与可持续利用重点实验室，广东广州 510650;2.桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林 541004;3.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州 510640;4.中国科学院研究生院，北京 100039)摘要:超高压技术是目前国际上最热门的食品加工技术之一，超高压处理在食品蛋白加工中可通过改变蛋白的结构，从而改变溶解性、凝胶性、乳化性、起泡性等诸多加工特性;还可以改变蛋白质的酶解特性从而产生多种活性肽。文中对超高压技术在蛋白质改性方面的研究进行了综述，并对超高压技术在改性蛋白的应用前景进行了讨论。关键词:超高压，蛋白质，加工，改性Application of ultrahigh pressure technique in protein food industryDONG Xinhong1，2，4，ZHAO Mouming3，JIANG Yueming1，*(1.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Sustainable Utilization，SouthChina Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650，China;2.College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;3.College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;4.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China)Abstract:Ultra high pressure is one of the most developed technologies.Ultra high pressure can modify thestructures of proteins，thus affects solubility，gelation，emulsify activity and foaming activity of these proteins.Furthermore，ultra high pressure can improve the enzymatic hydrolysis of proteins and then produce morebioactive peptides.The recent application of ultra high pressure to of protein modification was reviewed，anddiscussed the prospect for the application of ultrahigh pressure to modified proteins.Key words:ultrahigh pressure;protein;industry;modification中图分类号:TS201.2+1文献标识码:A文 章 编 号:10020306(2012)02045104檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 45 王岁楼，余金梅，朱光州，等.强化米醋及其分析方法 J.中国调味品，1998(7):1618.46 贺铮怡，敖宗华，吴珏，等.镇江香醋中川芎嗪的测定及生成机理的研究 J.中国调味品，2004(2):3639.47 阿不都瓦尔，如非亚，麦合木提，等.葡萄醋中的黄酮类化学成分槲皮素 J.中国民族民间医药，2010(16):38.超高压技术是食品加工近年来备受关注的高新技术之一。在美国及欧洲，许多国家先后对超高压食品的原理、方法、技术细节以及应用前景等方面进行了广泛的研究。早在 1914 年，美国物理学家 P.W.Briagmum 提出了在静水压(500MPa)下蛋白质凝固，而在 700MPa 下形成凝胶的报告;但直到 1986 年才由日本京都大学林立丸教授提出了超高压可以在食品工业上应用。到 2007 年底，全世界建立了约 120 家食品高压处理厂，处理容积为 35420L，年生产能力总计超过 15 万 t。可见，超高压技术已成为食品产业重要收稿日期:20101029*通讯联系人作者简介:董新红(1977)，女，博士研究生，讲师，研究方向:食品营养与功能。基金项目:国家 863 计划项目(2006AA10Z326);国家杰出青年科学基金(30425040)。的加工手段，在商业应用中受到广泛关注1。1超高压处理技术的概念和特点超高压处理是将食品密封于弹性容器或无菌压力系统中，以水或其它流体介质为传压介质，采用100MPa 以上(1001000MPa)压力，在常温或较低温度下处理食品，使食品中酶、蛋白质、核酸和淀粉等生物大分子活性改变、变性或者糊化2。与传统的热处理相比，超高压处理具有优良的特点:首先，它能在常温或较低温度下达到杀菌、灭酶的作用，从而减少了热处理引起食品的营养成分及色、香、味的损失;其次，它传压速度快，均匀，不存在压力梯度;因此，超高压处理食品效率比较高;另外，超高压技术相对耗能较少。目前，超高压技术被认为是近年来在食品加工和保存技术中最有发展潜力的3。超高压技术在食品加工方面的应用范围相当广DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2012.02.093452泛，但就目前研究现状分析来看，主要集中于两方面的研究:一是以达到食品保藏为目的，研究超高压的杀菌、灭酶作用;二是以改变食品大分子的有关特性为宗旨，研究超高压对食品的蛋白质、脂类、多糖等理化特性的影响。本文主要综述超高压处理在蛋白质改性方面的影响作用。2超高压对蛋白质改性作用的研究超高压对食品(生物)大分子作用主要是压力所产生物质的体积变化、物质组分在结构上差异而导致在超高压下压缩变形不同。当这一变形足够大时，可能会影响物质分子间结合形式，导致键的破坏和重组，从而使食品(生物)大分子功能特性发生变化。许多经高静压变性的蛋白质在压力撤消后，分子构象会有所改变，并随之带来功能特性的改善。超高压处理对蛋白质改性作用重要体现以下几个方面。2.1超高压处理对蛋白质结构的影响超高压处理主要是破坏蛋白质的三级、四级结构的非共价键，而对共价键作用较小。不同超高压力处理对蛋白质结构的影响不同。一般在 100 200MPa 下，蛋白质变化是可逆的;但当压力超过300MPa 时，蛋白质会发生氢键断裂，产生不可逆变性而改变蛋白质的三级结构45。李汴生等6 发现在100500MPa 超高压范围内，大豆蛋白游离SH 的含量随处理压力提高而逐渐增加;其中 400MPa 高压处理可使部分蛋白发生变性。Tedford 等7 报道了高压和温度复合作用对 lactoglobulin 结构变化的影响，观察到蛋白质分子在二级和三级水平上均出现不可逆转的破坏。经高压处理后酸奶酪产生颗粒更小的球状蛋白聚集体，会使生产的奶酪凝胶强度更高，交联度更好5。一些研究表明，大豆蛋白 11S 组分在200MPa、1min 高压处理下开始变性，而 400MPa、10min 超高压处理会使蛋白完全变性;这是因为高压均质会导致蛋白质组分相互解离、蛋白质凝胶破裂、新的二硫键和疏水位点的暴露，从而使得不同组分相互聚集变性810。另外，溶液的 pH 有时也影响到超高压处理效果。Puppo 等11 研究发现，pH 8 的大豆分离蛋白溶液经 200MPa 以上超高压处理即可使其表面疏水性和聚集程度发生增加;而 pH 3 的蛋白发生完全变性。这样，超高压对于蛋白质结构的影响不仅取决于压力大小，也与蛋白种类、温度和 pH等因素有关。2.2超高压处理对蛋白质溶解性的影响蛋白质的溶解性是蛋白质水化作用的重要体现;而蛋白质和水分子的相互作用是通过它们的肽键(偶极偶极或氢键相互作用)或者是通过它们的氨基酸侧链(离子化、极性甚至非极性基团的相互作用)6。作为食品蛋白质原料的首要条件是具有良好的溶解性，这对蛋白质在食品中稳定性、风味等起直接的影响。当花生分离蛋白进行高压处理时，聚集的球状蛋白质逐渐解缔和伸展，同时蛋白质分子解聚成更小亚基，而球状蛋白内部极性基团和疏水基团的暴露使蛋白质颗粒表面电荷分布加强;暴露基团结合水增多，蛋白质水化作用增强，溶解性改善。另外，随着处理压力升高和时间的延长，花生蛋白溶解性也越高12。李汴生等6 对高压处理后的大豆分离蛋白溶解性和流变特性的变化及其机理进行了研究，发现经 400MPa、15min 高压处理可使低浓度大豆分离蛋白的溶解性明显提高。Rodiles Lpez等13 报道，乳白蛋白在 600MPa、55 条件下处理10min，控制溶液 pH 为 7，能显著提高蛋白质的溶解性。考虑到蛋白质由于来源不同，蛋白质浓度、处理压力和溶液 pH 的差异，一些高压处理并不会影响到蛋白质的溶解性，甚至还会降低溶解性8，1416。2.3超高压处理对蛋白质凝胶性的影响凝胶性是蛋白质最重要的功能特性之一，其中最典型的应用为中国的豆腐和西方的奶酪。蛋白质凝胶类型主要决定于凝胶的分子形状，而凝胶的形成是一个动态的过程，受到溶液 pH、离子强度、温度等影响17。研究发现，超高压处理能破坏蛋白质胶体溶液，使蛋白质凝集形成凝胶，从而改变蛋白质的凝胶特性;超高压处理可使蛋白质分子二硫键发生部分断裂，巯基含量增加，蛋白质凝胶性能得到改善2。王苑等18 研究表明，将鸡肉肌原纤维蛋白混和大豆蛋白经 100MPa 高压，55 加热处理 20min后，制备得到的凝胶明显优于传统加热方法制备得到的凝胶，在硬度、弹性和保水性方面均有显著提高。高压处理既可缩短蛋白成胶时间，又可减少热处理对蛋白的破坏作用;这为大豆蛋白在肉糜类制品中的应用提供了新方法。李汴生等19 研究还表明，高压处理(300MPa)可改善豆浆和大豆分离蛋白的凝胶性能，获得持水性良好的凝胶豆腐。与通过加热蛋白质形成凝胶不同，经高压处理的蛋白质形成的凝胶更透明，光滑，柔软且富有弹性20。Penna 等5 分别比较了加热处理和高静压复合处理与单独处理对牛奶中益生菌的奶酪凝胶的影响，结果表明加热结合高静压处理可使乳酪凝胶结构更紧密，交联度更高;例如，由高静压处理牛奶中制得的乳酪凝胶的干酪素微粒是圆形的且大小均一，平均直径在 200nm;而加热制备得到的乳酪凝胶产生的干酪素微粒平均直径在 750850nm。另外，超高压处理对蛋白质的影响是由压力、温度和处理时间三个因素共同作用或者其中两个因素的相互作用所引起。例如，随着处理压力增大，温度也随之上升，从而提高了蛋白质凝胶强度21。可见，超高压结合热处理更有利于改进蛋白凝胶性。2.4超高压对蛋白质乳化性的影响蛋白质形成及稳定乳状液的能力主要依赖于两个方面:a.通过吸附至表面而降低表面张力;b.通过静电、空间作用力等形成高粘弹性保护膜，稳定乳状液22。对于球蛋白来说，利用高压等技术手段可对蛋白质起到改性作用从而提高其乳化性。在 pH 中性条件下，高压处理可改善大豆蛋白的乳化性但是不利于乳化稳定性23。Wang 等16 研究也表明，高压处理(200600MPa)能显著提高大豆分离蛋白的乳化活性指数，但降低了乳化稳定指数，这可能是由于高压处理导致了蛋白质的伸展和疏水基团的暴453露，进而增强了大豆分离蛋白的乳化特性;而乳化稳定性的降低可能是由于蛋白质聚集造成蛋白质分子流动性降低。另外，蛋白的乳化活性在某种程度上还受蛋白质组分、浓度、pH 和压力处理的影响。Molina 等8 报道采用 400MPa 高压处理可提高在中性条件下 0.75%大豆蛋白 7S 组分的乳化稳定性;而Puppo 等23 的研究结果表明，在碱性条件下，高压处理可以减小大豆分离蛋白质的粒径大小和蛋白吸附量，从而改善蛋白的乳化活性;而在酸性条件下，高压处理则改善由于酸化作用而降低的乳化特性。由于高压均质过程具有巨大的剪切、撞击作用和空穴效应;因而，使蛋白质乳化性质发生一定变化，并且蛋白质大分子由于具有复杂的多级结构，其乳化作用更容易受到高压均质的影响24。Lee 等25 研究了高压均质处理对乳清蛋白的乳液稳定性的影响，发现在高压处理下乳清蛋白会形成紧实的界面层，蛋白质之间相互作用的机会增加，使蛋白质粒径尺寸减小而提高蛋白质的乳化稳定性。此外，高压均质对乳清蛋白的平均粒径大小和界面吸附蛋白的影响取决于乳液的 pH:当 pH 从 8.0 降低到 6.5 时，乳液的平均粒径会有些许增加，即在酸性条件下增大乳液的平均粒径26。一些研究结果还表明，高压处理对蛋白质乳液结构特性和粒径尺寸的影响是相互联系的。高压处理可以改变界面蛋白层的结构，同时改变乳液粒径的大小，增强蛋白质在界面上的吸附性和蛋白质在界面上的相互作用效果，从而有助于 形 成 比 较 紧 密 的 界 面 层 和 稳 定 性 强 的 乳状液2526。2.5超高压处理对蛋白质起泡性的影响起泡性是指蛋白质在加工中体积的增加率，在冰淇淋、混合碳酸饮料以及糖果生产中可赋予食品以酥松的结构和良好的口感。蛋白质经过强烈搅拌后，蛋白膜将混入的空气包围起来而形成泡沫，并且由于蛋白表面张力作用而使泡沫成为球形。不仅如此，蛋白胶体本身的黏度使这种泡沫变得厚实和坚固，从而使蛋白具有一定的泡沫稳定性27。蛋白质起泡性受蛋白质浓度、溶解性、黏度、疏水性、溶液pH、离子种类及强度和温度等因素影响。研究发现，经加热和高压处理后的蛋清蛋白的起泡性更强，且泡沫不宜破碎28;而经过超高压微射流均质处理后的大豆蛋白溶液随着均质压力的上升和溶解性增强，其起泡性也明显改善29;这可能是随着溶解性的增强、蛋白质扩散并吸附在界面的能力、界面张力的降低，从而增加了泡沫的形成30。刘坚等31 研究结果表明，超高压处理均能显著提高鹰嘴豆分离蛋白的起泡能力，并且在 pH 为 6.08.0 范围内，提高处理压力和延长保压时间均显著提高了鹰嘴豆分离蛋白的起泡能力。Bouaouina 等15 研究还发现，动态高压处理能更好提高蛋白的起泡性和气泡稳定性;但在pH 接近等电点时，高压处理可导致蛋白质相互聚集增强，从而降低乳清蛋白在等电点附近的起泡性。当乳清蛋白浓度过高(2%)或缓冲液离子浓度过高(100mmol/L)时，高压处理也会降低乳清蛋白的起泡性32。研究认为，超高压作用可以使蛋白质发生聚合，这种聚合效应在一定范围内可以提高蛋白液的起泡性质，增强其黏度和表面张力;但当超过一定范围后，随着蛋白质大量聚合，会导致起泡性降低33;另一方面，蛋白质的起泡性和表面疏水性之间密切相关，高压处理可使蛋白质中原来隐藏的疏水性基团暴露，蛋白的柔韧性增强，从而以更快吸附速率聚合更多蛋白，改善蛋白起泡特性34。2.6超高压处理对蛋白质酶解的影响超高压处理能影响蛋白质的结构和性质从而也影响到酶对蛋白质的催化特性。超高压处理对蛋白的影响主要是在于蛋白三级、四级结构的非共价键;蛋白经超高压处理后结构伸展而变得松散，从而暴露出更多位点，易于酶解反应进行35。研究表明，乳球蛋白、卵清蛋白经高压处理后更容易被胰凝乳酶和胃蛋白酶所水解3637。Van der Plancken 等14 报道，经 400700MPa 超高压处理后的鸡蛋清蛋白不仅粘度、表面疏水性和表面SH 含量提高，而且也更易被胰蛋白酶所水解，说明高压处理对蛋白酶解的促进作用与其蛋白结构的改变相联系。研究还表明，超高压处理结合酶水解可提高蛋白功能特性，并形成具有多种生理活性的短肽。王章存等35 研究表明，超高压处理可提高大豆蛋白的酶解产物如抗氧化性等活性，并促进酶水解。Chicn 等38 研究了高压处理对乳清蛋白酶解产物功能特性及免疫活性的影响，发现 400MPa 超高压结合胃蛋白酶处理乳清蛋白可提高酶解产物的热稳定性和乳化稳定性，并且产生低抗原性的活性肽。Quirs 等36 工作表明，200400MPa超高压处理会促进卵清蛋白的水解，并促进具有抗高血压效应的三种活性肽的释放。这样，超高压处理结合酶解技术将成为食品领域生产活性肽的一个有效手段。3展望超高压处理是近年来新兴的食品加工技术，在蛋白质的结构与功能特性改进方面已取得了不少的成果，在生产蛋白功能食品方面已显示出明确的发展前景。目前，超高压在我国发展时间相对较短，在蛋白质改性方面研究还属于起步阶段，主要集中在实验室研究阶段。由于食品中蛋白质结构复杂，不同品种原料差异也大，需要进行系统的研究。考虑到超高压处理结合酶解技术不但可以改善蛋白质的功能性质，还会形成多种生物活性肽;因此，这方面的工作将成为今后的研究热点，包括经超高压处理后蛋白质在酶解过程中结构变化、酶解产物形成、生物活性变化及超高压酶解反应机理等。此外，超高压处理条件和工艺也需要进一步完善和优化，以便生产出满足消费者不同需求的功能蛋白相关食品。参考文献 1 励建荣，王泓.超高压技术在食品工业中的应用及前景 J.现代食品科技，2006，22(1):171173.2 王章存，徐贤.超高压处理对蛋白质结构及功能性质影响 J.粮食与油脂，2007(11):1012.454 3 李汴生.超高压处理蛋白质和多糖胶体特性的变化及其机理研究 D.广州:华南理工大学，1997.4 苏丹，李树君，赵凤敏，等.超高压对大豆蛋白结构和功能性质影响研究进展J.包装与食品机械，2009，27(5):111115.5 Penna A L B，SubbaraoGurram，BarbosaCnovas G V.Highhydrostatic pressure processing on microstructure of probiotic lowfat yogurt J.Food 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