（食品科學專業(yè)論文）動態(tài)超高壓微射流均質對卵清蛋白改性機理的研究.pdf

摘要 摘要 卵清蛋白是雞蛋的主要組成部分，是一種優(yōu)質蛋白。但是由于其某些功能 性質的不完善，在食品加工工藝中受到限制，為擴展卵清蛋白質的應用范圍， 需要進一步改性。動態(tài)超高壓微射流均質技術是一種集輸送、混合、超微粉碎、 加壓等多種單元操作于一體的物理改性技術。該技術會導致蛋白質結構的變化， 進而影響其功能性質的改變。本課題擬以卵清蛋白為研究對象，研究動態(tài)超高 壓微射流技術對卵清蛋白功能性質和結構的影響，并探討動態(tài)超高壓微射流技 術對蛋白質的改性機理，為改善卵清蛋白功能性質的研究和研發(fā)提供理論依據(jù)， 同時也為蛋白改性和動態(tài)超高壓微射流技術的應用提供一條新途徑。本論文的 實驗和研究結果如下： 1 動態(tài)超高壓微射流均質使卵清蛋白的溶解性、持水力、起泡性、凝膠性 均有不同程度的提高。低濃度( 4 、6 ) 的卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質 處理后其乳化性和乳化穩(wěn)定性有所提高；而高濃度( 8 ) 的卵清蛋白的乳化性 有下降趨勢。經動態(tài)超高壓微射流均質處理后，卵清蛋白的流變粘度變小，不 同濃度的卵清蛋白表現(xiàn)出不同的流體特性。 2 經動態(tài)超高壓微射流均質處理后，卵清蛋白的晶體結構有一定的破壞， 蛋白質聚合體被分散破碎；卵清蛋白的分子量分布未發(fā)生明顯變化；巰基含量 隨著均質壓力的升高而增加；表面疏水性提高，最大吸收波長入m a x 輕微藍移， 但是經1 6 0 m p a 處理后，疏水性有所下降；蛋白分子表面具有紫外吸收的氨基酸 殘基減少；卵清蛋白在1 6 0 m p a 處理后的峰值溫度稍有下降。其他各壓力下的卵 清蛋白峰值溫度不同程度地升高，熱穩(wěn)定性提高，熱變性焓下降。 3 采用傅立葉紅外光譜和圓二色譜對經動態(tài)超高壓微射流均質處理的卵清 蛋白二級結構進行檢測。結果表明，動態(tài)超高壓微射流均質使卵清蛋白的二級 結構發(fā)生了變化。卵清蛋白的酰胺i 峰向短波移動，發(fā)生了藍移。酰胺i 峰和酰胺 i i 峰吸光度均增強。卵清蛋白的0 【螺旋或無規(guī)則卷曲含量增加，并發(fā)生去折疊現(xiàn) 象，蛋白質分子得到伸展。 4 結合卵清蛋白的結構和功能性質的變化關系，探討了動態(tài)超高壓微射流均 質對卵清蛋白的改性機理。 關鍵詞：動態(tài)超高壓微射流；卵清蛋白；功能性質；結構；機理 a b s t r a c t a b s t r a c t o v a l b u m i n ，t h em a i nc o m p o n e n t so fe g g ，i saq u a l i t yp r o t e i n h o w e v e r , b e c a u s e o fs o m ei m p e r f e c tf u n c t i o n a lp r o p e r t i e s ，c a u s et h ea p p l i c a t i o no fo v a l b u m i ni sl i m i t e d i nt h ef o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r y , i ts h o u l db ei m p r o v e df u r t h e rt od e v e l o pa n du t i l i z e t h ed y n a m i cu l t r ah i g h p r e s s u r em i c r o f l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g y i sas e to f t r a n s p o r t a t i o n ，m i x e d ，s u p e r f i n e ，g r i n d i n g ，p r e s s u r ea n do t h e ru n i t so p e r a t i o ni no n e p h y s i c a lm o d i f c a t i o n t h et e c h n o l o g yc a nc h a n g et h es t r u c t u r e so fo v a l b u m i n ，t h e n l e a dt ot h ec h a n g e so fi t sf u n c t i o n a lp r o p e r t i e s s oi nt h i sp a p e r , t h ec h a n g e so f f u n c t i o n a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r eo fo v a l b u m i nt r e a t e db ym i c r o - f l u i d i z a t i o ni s s t u d i e da n dt h em e c h a n i s mo fm o d i f i c a t i o ni sd i s c u s s e d t h i sp a p e ro f f e r e dan e w m e t h o dw i t ht h ep r o t e i nm o d i f i c a t i o n ，m e a n w h i l e ，p r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o r i m p r o v i n gt h ef u n c t i o n a lp r o p e r t i e so fp r o t e i nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nt h e a p p l i c a t i o no fm i c r o f l u i d i z a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 m i c r o f l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yg r e a t l yi m p r o v e dt h es o l u b i l i t y , r e t e n t i o na b i l i t y , f o a m i n gc a p a b i l i t y , g e lp r o p e r t y o fo v a l b u m i n ，t h ee m u l s i b i l i t ya n de m u l s i b i l i t y s t a b i l i t yp r o p e r t i e so f4 a n d6 o v a l b u m i np r o t e i ni n c r e a s e sa f t e rt r e a t m e n t ，w h i l e 8 o v a l b u m i np r o t e i nd e c r e a s e s t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fo v a l b u m i nd e c r e a s e s a n dt h ef l o wp a t t e r no fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o np r o t e i na r ed i f f e r e n t 2 。t h ea p p a r e n ts t r u c t u r ea n dc r y s t a ls t r u c t u r eo fo v a l b u m i nb ym i c r o f l u i d i z a t i o n w i l lb ed e s t r o y e d t h ep r o t e i np o l y m e rw a sb r o k e nu p ；m o l e c u l a rw e i g h ti sn o c h a n g e s ；t b e s hc o n t e n to fo v a l b u m i ni n c r e a s e dw i t ht h ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ； s u r f a c eh y d r o p h o b i c i t yi n c r e a s e da n dt h em a x i m u ma b s o r p t i o nw a v e l e n g t hb l u es h i r s l i 出l y ；f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yd e c r e a s e d a t16 0 m p a ；t h es u r f a c ea m i n oa c i do f a b s o r b i n gu vd e c r e a s e d ；t h ep e a kt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d ，t h et h e r m a ls t a b i l i t y o f o v a l b u m i nb e c a m ew o r s ea t16 0 m p aa n du n d e ro t h e rp r e s s u r e s ，t h ep e a l 【t e m p e r a t u r e e n h a n c e di nv a r y i n gd e g r e e sa n dt h et h e r m a ls t a b i l i t yi n c r e a s e d 3 t h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h ef t - i ra n dc ds p e c t r u mi n d i c a t e dt h es e c o n d a r y s t r u c t u r eo fo v a l b u m i ni sc h a n g e db ym i c r o f l u i d i z a t i o nt r e a t m e n t t h ea m i d eib a n d s b l u es h i f t t h ea b s o r p t i o no fa m i d eia n da m i d ei ib a n d si n c r e a s e d t h ec o n t e n to f 1 1 1 a b s t r a c t a h e l i xa n dr a n d o mc o i li n c r e a s e d ，w h e r ea s1 3 - s h e e tc o m e md e c r e a s e d i tc a nb e c o n j e c t u r e d t h a tt h eu n f o l d e d s t r u c t u r eo fo v a l b u m i nw a s c h a n g e db y m i c r o f l u d i z a t i o n 4 t h em e c h a n i s mo ft h em o d i f i c a t i o no fm i c r o f l u i d i z a t i o no no v a l b u m i ni s d i s c u s s e db yc o m b i n i n gt h er e l a t i o nb e t w e e ns t r u c t u r ea n df u n c t i o n a lp r o p e r t i e so f o v a l b u m i n k e yw o r d s ：m i c r o - f l u i d i z a t i o n ；o v a l b u m i n ；f u n c t i o n a lp r o p e r t i e s ；m o d i f i c a t i o n ； m e c h a n i s m i v 本論文的符號 本論文的符號 e s ：乳化穩(wěn)定性 c d ：圓二色譜 k 缸：最大吸收波長 e a ：乳化性 s h ：巰基 d s c ：差示掃描 d t n b ：5 ，5 二硫代2 硝基苯甲酸 a n s ：8 苯胺基1 奈磺酸 v 學位論文獨創(chuàng)性聲明 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得壺昌太堂或其他教育 機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名( 手寫) 壁玉巧簽字日期：沙口矽年，乙月z 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解南昌大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權 保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借 閱。本人授權直昌太堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行 檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編本學位論文。同時授 權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網絡向社會公眾提供信息服務。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名( t - 寫) ： 互兩 翩瑚：芬鋤 簽字日期：西d 8 年r 2 月26 e t 簽字日期：2 , o o 汐年，2 月“日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 蛋白質是生命的物質基礎，也是人類飲食結構的重要成份。蛋白質在食品 中可以體現(xiàn)出不同的功能特性，如乳化性、凝膠性、持水性、起泡性等，這些 功能性質影響食品的感官特性，而且對食品在制造、加工或保藏中的物理化學 性質起著重要的作用，因此蛋白質廣泛用于食品加工的各個領域。然而，不少 天然蛋白質雖然表現(xiàn)出一定的功能特性，但是功能特性尚不突出，往往不能滿 足現(xiàn)代食品開發(fā)與加工的需要。這就要求選擇安全、可靠實用的生產方法來改 變蛋白性質，滿足生產和生活的需要。目前，人們考慮到產品自身的安全而對 化學改性方法有所顧忌，相對而言，蛋白的物理改性因其不含化學試劑的殘留， 且加工工藝及其產品的理化性質得到明顯改善，備受人們的關注。而動態(tài)超高 壓微射流均質技術被認為是新的食品加工與保藏技術中最有潛力和發(fā)展前途的 一種，其加工技術正日益引起人們的關注。 動態(tài)超高壓微射流均質處理技術是集輸送、混合、超微粉碎、加壓、膨化 等多種單元操作于一體的一門全新技術。在均質過程中，劇烈的處理條件如液 體高速撞擊、高剪切、空穴爆炸、高速振蕩等作用可能會導致大分子結構的變 化，其中的生物大分子如蛋白質、淀粉等會發(fā)生結構上的變化，從而導致其功 能性質的改變。采用動態(tài)超高壓微射流均質處理來改善蛋白質的功能性質，并 對蛋白改性的機理進行研究，使動態(tài)超高壓微射流均質技術成為一種新的蛋白 物理改性方法。為動態(tài)超高壓微射流均質在食品醫(yī)藥、飼料等有機生物大分子 材料中的改性研究提供理論依據(jù)。 雞蛋是人類獲得營養(yǎng)素的一種重要來源，幾乎包含了胚胎發(fā)育所需的所有 的蛋白質、脂質、維生素、礦物質和生長因子。雞蛋來源豐富，是人們主要的 食物營養(yǎng)蛋白，易被人體消化吸收。卵清蛋白是雞蛋的重要的蛋白質組分，也 是體現(xiàn)雞蛋優(yōu)質蛋白質資源的重要物質基礎。它含有8 種人體所必需的氨基酸。 因其具有很好的營養(yǎng)價值和功能特性，而被添加到方便面、焙烤制品、魚糜制 品、肉糜制品等各類食品中，從而顯著改善制品的質構，保留風味物質，成為 食品工業(yè)中廣泛使用的功能性配料。但是由于某些功能性質的不完善，如卵清 蛋白的乳化能力不高，容易發(fā)生表面變性等，使其在食品加工工藝中受到限制， 第1 章前言 需要進一步進行改性。以利于卵清蛋白質的進一步開發(fā)利用。而且卵清蛋白因 其具有較為敏感的表面變性和界面凝固特性，對于理解大分子體系中食品蛋白 質的功能性質，是最好的研究模型。故本課題擬以卵清蛋白為研究對象，研究 動態(tài)超高壓微射流均質技術對蛋白質功能性質和結構的影響，探討動態(tài)超高壓 微射流均質對蛋白質功能性質的改性機理，能為蛋白改性和動態(tài)超高壓微射流 均質技術的應用提供一條新途徑，為卵清蛋白的綜合利用提供一種新方法。 1 2 卵清蛋白的組成 圖il 天然卵清蛋白的晶體結構( p i - n 端。p l 。c 端) f i gl lt h ec r y s t a ls t r u c t u r e s o f n a t i v e o v a l b u m i n ( p i - n ，p l ：c ) 雞蛋中的卵清蛋白是一種優(yōu)質蛋白，是蛋清中的主要蛋白質，占蛋清蛋白 總量的5 4 一6 9 ，分子量4 5 0 0 0 ，等電點p h 為4 5 】。屬單體磷糖蛋白，為電泳 性質稍有不同的三組分a 1 ，a 2 和舢的混合物。a l 古兩個磷酸基，a 2 含一個磷 酸基，a 3 不含磷酸基，它們之間的比例為8 5 ：1 2 ：3 哪】。 卵清蛋白是典型的球蛋白，也是蛋清蛋白中唯一含有自由巰基的蛋白，這 些巰基都被埋藏在蛋白質的疏水核心部分1 1 。卵清蛋白包含一條有3 8 5 個氨基酸 殘基的聚縮氨酸鏈，每一個分子有一段糖鏈，n - 端和c 一端的氨基酸分別為乙酰 甘氨酸和脯氨酸，這些殘基相互纏繞折疊成具有高度二級結構的球型結構，主 要是小螺旋和b 一折疊h 月。天然卵清蛋白晶體結構中，5 股b - 折疊平行于分子的長 軸，曠螺旋突出而成為反應中心( 圖11 ) ，其結構中舍有二硫鍵( c y s 7 3 ，1 2 0 ) 第1 章前言 和巰基( s h ，c y s ll ，3 0 ，3 6 7 ，3 8 2 ) 1 6 ，7 】，這些基團與卵清蛋白分子的聚集行為息息相 關。天然卵清蛋白的疏基雖然包裹在分子內部，但它在重新折疊蛋白質因變性 而展開的過程中起很大作用1 8 , 9 。蛋白質聚集體的形成以及熱處理下凝膠結構( 通 過二硫鍵交換機制) 的穩(wěn)定性都與疏基有關【1 0 1 。在貯藏期間，卵清蛋白轉變成s 卵白蛋白，它是一種耐熱蛋白質。從功能上講，卵清蛋白具有膠凝性、起泡性 和乳化特性【l ，但是卵清蛋白在雞蛋中的生物學地位至今不清楚，有學者建議， 卵清蛋白可以作為胚胎發(fā)育中氨基酸的一種來源【1 2 】。 1 3 卵清蛋白的功能性質與結構的關系 卵清蛋白具有較好的起泡性、凝膠性，而被廣泛的應用于嬰兒食品、肉加 工業(yè)、面包和甜點制造業(yè)中。通過動態(tài)超高壓微射流均質處理，卵清蛋白的功 能性質會發(fā)生變化，這與其結構的變化是有關系的。如卵清蛋白的乳化性能和 形成凝膠的能力都與其結構有關【1 3 】。因此研究蛋白質結構與功能性質的關系將 有助于理解功能性質的改變機理。 1 3 1 起泡性與結構的關系 蛋白質的起泡特性取決于眾多的因素，包括處理過程中的物理化學條件和 蛋白質分子的結構特征，而其結構特征在處理過程中是有可能被改變的，進而 影響到蛋白質的起泡性。蛋白質分子的柔順性和疏水性都將影響泡沫的特性。 卵清蛋白是表面變性和界面凝固都較為特殊的敏感性蛋白質，因此，它對蛋清 的特殊起泡性有重要的作用。攪打適當黏度的蛋清蛋白的水分散體系，其中卵 清蛋白的重疊分子部分伸展開，捕捉并且滯留住氣體，形成泡沫。 二硫鍵可以導致天然蛋白質的固有彈性，理解自由巰基二硫鍵之間的相互 轉化關系對于維持蛋白質的功能特性是非常重要的。d o i 等【l5 】研究了卵清蛋白 的最終起泡特性和泡沫的二硫鍵之間的關系。他們得出結論是分子之間的二硫 鍵的形成對于卵清泡沫的穩(wěn)定性不是最為重要的，他們認為網絡結構的形成是 其他非共價鍵之間的相互作用，這是氣泡形成的主要原因。起泡能力主要是由 巰基含量和蛋白質分子的柔軟性決定的。提高蛋白質一蛋白質之間的相互作用( 溶 解性和s h 的暴露量) 可以提高處理后卵清蛋白溶液的穩(wěn)定性【1 4 1 。 3 第1 章前言 1 3 2 凝膠性與結構的關系 凝膠性使蛋白具有較高的粘度、可塑性和彈性，既可做水的載體，也可做 風味劑、糖及其它配合物的載體，這對食品加工極為有利。凝膠的形成過程是 蛋白質先由天然狀態(tài)轉變?yōu)樽冃誀顟B(tài)，通過1 3 折疊作用形成高相對分子質量的 可溶性聚集物，然后在二硫鍵的作用下，預凝膠聚集物逐漸變稠形成凝膠或凝 結，是形成凝膠還是凝結則取決于蛋白質展開和聚集的相對速度。 卵清蛋白是蛋清中唯一的含有自由巰基的蛋白質，業(yè)已證明它在蛋清的熱 誘導凝膠形成過程中起著非常重要的作用。有研究表明：卵清蛋白的熱變性和 凝聚的過程中，形成了穩(wěn)定的分子相互作用d 折疊結構，這是最大的變化，可 以使用拉曼和圓二色譜技術進行分析。熱誘導變性的卵清蛋白的凝集和凝膠的 形成，是由于部分折疊結構的展開，通過p 折疊結構的分子間的相互交聯(lián)作用， 導致了疏水殘基的暴露【1 4 1 。 1 3 3 乳化性與結構的關系 蛋白質是表面活性劑，它既能降低水和油的表面張力，又能降低水和空氣 的表面張力，易于形成穩(wěn)定的乳狀液。乳化的油滴被聚集在油滴表面的蛋白質 所穩(wěn)定，形成一種保護層，這個保護層可以防止油滴聚集和乳化狀態(tài)的破壞， 促使乳化性能穩(wěn)定。卵清蛋白具有親水和親油基團，因而使其溶液顯現(xiàn)出乳化 性能。它的乳化性能與溶解性呈正相關，還與其分子的柔性有著重要的關系。 但是由于其具有穩(wěn)定的結構和很高的表面持水性，除非通過預處理使它們伸展 而不降低其溶解性，否則它們不是一種良好的乳化劑。所以改性卵清蛋白以提 高其乳化性具有很大的潛力。 1 3 4 流變性與結構的關系 食品的流變特性是由化學組成、分子結構、分子內外結合、膠體組織、分 散狀態(tài)等因素決定，流變特性甚至成為決定其品質好壞的主要指標。 蛋白質溶液一般是非牛頓流體的假塑性液體。一般認為，蛋白質的流變學 特征是在其界面處的連續(xù)網絡結構形成之后表現(xiàn)的，受疏水相互作用與一個較 低程度二硫鍵的相互作用而形成的。而t h o m a sc r o g u e n n e c 2 0 】等認為天然卵清蛋 白在熱處理過程中的流變彈性的升高是由于分子間1 3 一折疊的形成。 0 第1 章前言 1 4 蛋白質的改性研究 決定蛋白質功能性質的蛋白質的物理和化學性質包括：大小、形狀、氨基酸 組成和序列、凈電荷和電荷分布、疏水性和親水性之比、二級、三級和四級結 構、分子柔性和剛性、蛋白質分子間相互作用和同其他組分作用的能力【l 酬。一 般的蛋白很難同時兼具多種功能性，而生產上需求的是具有專項最佳功能或幾 種功能性質達到最佳平衡點的產品。這就要求對蛋白采取不同的改性處理技術， 獲取專用性極強的蛋白。 蛋白質的改性就是用化學因素( 如化學試劑) 或物理因素( 如熱、高頻電場、 射線、機械振蕩等) ，使氨基酸殘基和多肽鏈發(fā)生某種變化，引起蛋白大分子空 間結構和理化性質改變，從而獲得較好的功能性和營養(yǎng)特性。 1 4 1 物理改性 蛋白質的物理改性是指通過加熱、冷凍、加壓、磁場、電場、聲場、機械 作用( 超微粉碎、擠壓等) 、低劑量輻射及添加小分子雙親物質等物理手段來 改善蛋白質的功能特性、提高營養(yǎng)價值的方法。物理改性方法一般只改變蛋白 質的高級結構和分子間的聚集方式，一般不涉及蛋白質的一級結構。實際上， 物理改性就是在控制條件下的蛋白質定向變性。具有加工費用低、耗時少、無 毒副作用、對蛋白營養(yǎng)價值破壞小的優(yōu)點【1 7 , 1 8 1 。 1 4 1 1 熱變性 蛋白質在加熱情況下，其蛋白質分子會吸熱展開，在適當?shù)臏囟惹闆r下進行 改性處理，可以改變蛋白質的功能性質和理化性質。例如：在加熱時，卵清蛋 白能迅速凝結成固體，在正常p h ( 約為9 ) 下，6 0 開始凝結，溫度升高，凝 結的速度加快。從而提高了膠凝性。目前，k a t o e t a l 【1 9 j 研究發(fā)現(xiàn)在8 0 的環(huán)境 下干燥幾天得到的蛋清蛋白粉的功能性質有很重要的提高，包括起泡性、乳化 性和凝膠特性。經過熱干燥十天的蛋清蛋白的凝膠強度、起泡能力和乳化穩(wěn)定 性都幾乎提高了4 倍。i e s e lv a nd e r p l 鋤c k e n 【1 4 】研究發(fā)現(xiàn)經過溫度處理的卵清蛋白 溶液形成的泡沫比較濕潤，呈乳脂狀。 1 4 1 2 高壓變性 目前，4 0 1 0 0 m p a 的靜壓已經在食品工業(yè)和天然食品保存中得到應用。 5 第1 章前言 s t e f a n i ai a m e t t i 等【2 5 】研究發(fā)現(xiàn)經6 0 0 m p a 處理5 m i n 后的卵清蛋白有著很好的性 能。l e e 等對超高壓處理液體蛋中蛋白質的凝結進行了流變學研究。在壓力為 1 0 0 m p a 和1 5 0 m p a ，溫度在5 和2 5 下，受壓時間直到1 h ，也沒有出現(xiàn)蛋白 質的凝結。當溫度上升至4 5 時，壓力為1 0 0 m p a 和1 5 0 m p a 下都出現(xiàn)了蛋白 質的凝結。在保持溫度不變的情況下增加壓力，蛋白質的凝結速率會加快，開 始凝結時的受壓時間會縮短。在4 0 0 m p a 2 5 和2 5 0 m p a 4 5 條件下，蛋白質的 凝結幾乎瞬時( 約1 s ) 完成。a h m e d 等1 2 2 j 對超高壓下液體全蛋、蛋白和蛋黃進行 了流變性能研究，得出了與l e e 等基本一致的結論。 1 4 2 化學改性 蛋白質的化學改性是指采用化學方法改變蛋白質的結構、靜電荷和疏水基 團。蛋白質的化學改性方法主要包括磷酸化改性、酸堿處理、?；男?、去 酰胺改性、糖基化改性、烷基化改性。在眾多的化學修飾方法中，磷酸化蛋白 是很有前途的用于改善食物蛋白功能性質的方法?；瘜W改性常常會引起蛋白質 基本結構( 初級結構) 的改變，具有反應簡單、應用廣泛、效果顯著的特點。 1 4 2 1 糖基化 很多入試圖設計合理的分子模式，通過化學或酶法修飾來提高蛋白質的凝 膠性、乳化性和起泡性，對于食品應用物質來說，就安全性而言，化學改性應 該是盡量避免的。k a t oe ta l t 2 3 】報道說，根據(jù)蛋白質上的e 一氨基和多糖上的羰基 發(fā)生美拉德反應，通過調控干燥狀態(tài)( 6 0 ，相對濕度為7 9 ) 將多糖吸附在 蛋白質上。已經研究成功的卵清蛋白右旋糖苷( 1 ：1 ) 和溶菌酶。右旋糖苷( 1 ： 2 ) 的分子量分別變化為1 1 5 k d a 和1 5 0 k d a ，蛋白質多糖聚合物的蛋白質結構 的穩(wěn)定性得到了提高，并且乳化特性得到了明顯提高，溶菌酶半乳甘露聚糖 ( 15 k d a - 2 0 k d a ) 的乳化能力比商用乳化劑( 蔗糖酸酯和甘油三酯) 的乳化能力 還要好，并且改性后的乳化能力不會受到酸性環(huán)境的影響。 1 4 2 2 磷酸化 蛋白質由于他們大的分子量和三級結構而使其具有獨特的表面特性，而它 們的兩性特性使蛋白質很適合作為有效的表面活性劑。m i n ee ta l t 2 4 】發(fā)現(xiàn)磷脂酰 膽堿和自由氨基酸提高了卵清蛋白的吸附，并且這個聯(lián)合體具有熱穩(wěn)定性，這 些聯(lián)合體的乳化性同樣非常穩(wěn)定，并且磷脂和卵清蛋白質問的相互作用和它們 6 第1 章前言 在油水界面的相互吸附現(xiàn)象已經用n m r 和c d 色譜進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，磷 脂酰膽堿不會影響卵清蛋白的蛋白結構，但是改變了卵清蛋白的構象，增加了a 一 螺旋的含量，減少了d 折疊的含量。并且分析結果表明，這個聯(lián)合物應該是通 過磷脂酰膽堿的酰胺鏈的疏水相互作用結合到蛋白質，并且改變蛋白質的結構。 1 4 3 酶法改性 酶處理是一種制造低粘度、高分散性和不凝膠蛋白的方法，而且作用條件 溫和，專一性強。通過酶部分降解蛋白質，增加其分子內或分子間交聯(lián)或連接 特殊功能基團，可以顯著改變蛋白質的功能特性，提高營養(yǎng)價值。酶法改性通 常是蛋白酶的有限水解。酶法改性的程度取決于所用的酶、處理的時間以及人 們所需要的功能性質。據(jù)有關報道，用卵白蛋白配制的蛋白水解物類產品，在 氮平衡保持和氮吸收方面明顯優(yōu)于其它形態(tài)的蛋白食品。徐明生【2 6 j 等人采用酶 水解的方法從雞蛋卵白蛋白中獲得了具有高抗氧化活性的卵白蛋白抗氧化肽。 潘超然【2 7 l 采用生物酶解技術將蛋清蛋白水解，得到卵清蛋白粉。 1 5 動態(tài)超高壓微射流均質的改性研究 近幾年來超高壓技術由于其不會造成食品營養(yǎng)成分損失、風味變化等劣化 現(xiàn)象，不會產生有毒有害因子，能更好保持食品原有營養(yǎng)與風味，因而在食品 領域內得到了迅速發(fā)展【2 8 】。在高壓處理過程中，壓力使得液體高速流過狹窄的 縫隙時而受到強大的剪切力、液體被沖擊到金屬環(huán)上而產生強大撞擊力以及因 靜壓力突降與突升而產生的空穴爆炸力等綜合作用，把原先顆粒比較粗大的乳 濁液或懸浮液加工成顆粒非常細微的穩(wěn)定的乳濁液或懸浮液【2 9 】，從而改變食品 中某些高分子物質如蛋白質、淀粉等的空間結構，使一些生物材料發(fā)生一些可 逆和不可逆的變化，使其發(fā)生變性或改性。以達到殺菌、抑酶和改善食品的功 能性質等作用。動態(tài)超高壓微射流均質技術是集輸送、混合、超微粉碎、加壓、 膨化等多種單元操作于一體的- - i - 全新技術。它能對流體混合物料進行強烈剪 切、高速撞擊、壓力瞬時釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴作用等一系列的綜合作 用，從而起到很好的細化、乳化和均一化效果。盡管這些作用產生的基本條件 仍為高壓，但形式已經遠遠不止超高靜壓中單純的擠壓作用。相對而言，超高 壓微射流技術使用壓力僅為超高靜壓的下限壓力，在技術措施和工程措施上更 具可操作性i 刈。 7 第1 章前言 1 5 1 動態(tài)超高壓微射流均質機理 動態(tài)超高壓微射流均質技術與傳統(tǒng)的超高壓技術在作用方式、操作方式、 處理時問和溫度等方面都有顯著的不同。微射流均質機主要是由液壓泵和振蕩 頭( i n t e r a c t i o nc h a m b e r ) 所組成，它是利用由電機驅動的液壓平臺產生高壓， 液壓平臺產生的壓力推動一個內裝有高壓活塞的雙動作增壓器，液壓驅動增壓 器內的活塞推動高壓往復活塞產生一個交替的抽吸，使流體加速至高速進入反 應室( 振蕩頭) 內，在振蕩頭中，被增速到3 0 0 m s 以上的液體分成兩股或更多 股細流，然后在極小空間進行強烈的垂直撞擊或y 型撞擊，在撞擊的過程中瞬 間轉化其大部分能量，產生巨大的壓力降，從而使得液體顆粒高度破碎【3 引。液 體物料在振蕩頭內經歷高速撞擊作用、渦旋作用、振動作用、氣穴作用、膨化 作用等一系列歷程后，其中的生物大分子如蛋白質、淀粉等會發(fā)生結構上的變 化，從而導致其功能性質的改變?？偟膩碚f，其間的主要作用力有以下三種1 3 。 ( 1 ) 高速流體撞擊作用 兩股相同的高速流體在撞擊管區(qū)劇烈地碰撞，流體猛然失去原來流動方向 上的速度，產生巨大的撞擊能量。從而達到顆粒之間的撞擊粉碎目的。顆粒間 沖擊產生的壓縮粉碎以及稀疏波產生的拉伸粉碎是射流粉碎中可能是最主要、 最有效的粉碎作用之一。 ( 2 ) 強剪切作用 高速流體在分流管區(qū)高速剪切，撞擊后，在撞擊區(qū)會形成強烈的渦旋作用。 流體質點出現(xiàn)強烈橫向方向的撞擊和摩擦，流體中的顆粒經垂直撞擊后又經歷 橫向撞擊和摩擦，同時微射流高速通過微孔流道產生的極強的剪切力，使物料 易于破碎；同時所有被處理物料都必須通過微孔道，使顆粒粉碎后粒度分布的 散度較小，粉碎均勻。 ( 3 ) 空穴作用力 對于微孔流道內高速流動的液體，由于靜壓力的突升和突降會導致其中的 氣泡瞬時生成和破滅，這就形成了“空穴 現(xiàn)象。 1 。5 2 國內外對動態(tài)超高壓微射流均質技術的研究 ( 1 ) 基本原理的研究：張志森，唐書澤等研究了微射流高壓均質過程動量及流 場結構，利用m a r t l a b 軟件計算了速度場情況，并繪制了特定流場的詳細結構 8 第1 章前言 圖【3 3 1 。劉成梅等【3 2 1 研究了微射流均質機振蕩頭內部的結構，將射流均質頭內部 孔道分為六部分( 進料管區(qū)、分流管區(qū)、撞擊管區(qū)、射流管區(qū)、擴流管區(qū)和出 料管區(qū)) ；并對其流場的動力學行為進行了分析。 ( 2 ) 對蛋白改性的研究：本課題組研究了超高壓微射流均質對蛋清蛋白溶液的 粒度和流變性影響，結果表明蛋清蛋白經高壓微射流處理后粒度減小、粘度增 加f 3 4 】；微射流均質使大豆分離蛋白起泡性、凝膠性均有不同程度的提高【3 5 】；采 用超高壓均質制各納米級蛋白并對其功能特性進行了研究p q ；國外研究了利用 高壓微射流均質對熱變性小麥蛋白的功能性影響，結果表明微射流處理可以提 高含有熱變性小麥蛋白的小麥產品溶解性【3 7 】。 ( 3 ) 對其它物料改性的研究：本課題組研究了微射流均質機對帶肉胡蘿卜汁、 帶肉芹菜汁流變特性的影響【3 8 , 3 9 1 ；微射流均質對膳食纖維微粒粒度分布、溶液物 理性質的影響【4 0 ，4 1 】；微射流對大米淀粉物性的影響【4 2 】。國外研究了高壓微射流 對奶酪微細結構的作用，結果表明均質的壓力更高時，奶酪中的脂肪球會變小 4 3 1 。其他的研究也證明了微射流均質會影響聚合體的結構而得到小的聚合體【刪。 總之，國內外主要研究的是微射流均質機的結構及其動力學，和對物料進 行處理時的一些功能性質的影響。但是對于動態(tài)超高壓微射流均質技術如何影 響卵清蛋白的功能性質和結構的變化及動態(tài)超高壓微射流技術對其改性機理的 影響研究甚少。 1 6 本課題的研究意義 蛋白質在食品中可以體現(xiàn)出不同的功能特性，影響食品的感官特性，而且 對食品在制造、加工或保藏中的物理化學性質起著重要的作用，因此蛋白質廣 泛用于食品加工的各個領域。但是，不少天然蛋白質雖然表現(xiàn)出一定的功能特 性，但是功能特性尚不突出，往往不能滿足現(xiàn)代食品開發(fā)與加工的需要。這就 要求選擇安全、可靠實用的生產方法來改變蛋白性質，滿足生產和生活的需要。 目前，人們考慮到產品自身的安全而對化學改性方法有所顧忌，相對而言，蛋 白的物理改性因其不含化學試劑的殘留，且加工工藝及其產品的理化性質得到 明顯改善，備受人們的關注。而高壓處理技術被認為是新的食品加工與保藏技 術中最有潛力和發(fā)展前途的一種。采用動態(tài)超高壓微射流均質處理來改善蛋白 的理化及功能性質，并對蛋白改性的機理進行研究，使超高壓微射流技術成為 9 第1 章前言 一種新的蛋白物理改性方法。為動態(tài)超高壓在食品醫(yī)藥、飼料等有機生物大分 子材料中的改性研究提供理論依據(jù)。 雞蛋是人類獲得營養(yǎng)素的一種重要來源，幾乎包含了胚胎發(fā)育所需的所有 的蛋白質、脂質、維生素、礦物質和生長因子。雞蛋來源豐富，是人們主要的 食物營養(yǎng)蛋白，易被人體消化吸收。由于我國市場對雞蛋的消費主要以鮮蛋為 主，對于雞蛋產品的深加工、開發(fā)和研究起步都較晚，現(xiàn)在仍十分落后，大大 限制了我國蛋品行業(yè)的發(fā)展。因此大力開發(fā)和研制高功能性的雞蛋制品是我國 蛋品行業(yè)發(fā)展的當務之急。然而在加工過程中蛋白質的變化對加工有著十分重 要的影響，對蛋白質功能特性的進行深入研究就越發(fā)顯得重要。 卵清蛋白是蛋清蛋白中的主要蛋白，它含有8 種人體所必需的氨基酸。是 一種優(yōu)質蛋白。因其具有很好的營養(yǎng)價值和功能特性如起泡性、凝膠性等而受 到食品工業(yè)界的歡迎。但是由于某些功能性質的不完善，如卵清蛋白的乳化能 力不高，使其在食品加工工藝中受到限制，需要進一步進行改性，以利于卵清 蛋白質的進一步開發(fā)利用。另一方面，由于卵清蛋白具有較為敏感的表面變性 和界面凝固特性，對于理解大分子體系中食品蛋白質的功能性質，它是最好的 研究模型i l 。而且本課題組已經對蛋清蛋白動態(tài)超高壓微射流的改性做了初步 研究，由于蛋清蛋白所具有的功能性質來源于它的多種蛋白質組分的相互作用， 而對于單體蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后功能性質的變化不甚清楚，故 在此基礎上，本課題擬以卵清蛋白為研究對象，研究動態(tài)超高壓微射流均質技 術對卵清蛋白功能性質和結構的影響，初步探討動態(tài)超高壓微射流均質對卵清 蛋白功能性質的改性機理，能為蛋白改性和動態(tài)超高壓微射流均質技術的應用 提供一條新途徑，為雞蛋制品的綜合利用提供一種新方法。因此，本課題的研 究具有深遠的現(xiàn)實意義。 1 7 本課題的主要研究內容 本論文進行的研究工作是屬于國家自然科學基金“蛋白質動態(tài)超高壓微射 流改性機理的研究 ( 編號：2 0 6 6 6 0 0 4 ) 。本論文的研究工作主要從以下幾個方 面開展： 動態(tài)超高壓微射流均質壓力對卵清蛋白各功能性質( 溶解性、持水性、 乳化性、起泡性、流變性、凝膠性) 的影響。 1 0 第1 章前言 化 將卵清蛋白配成質量分數(shù)為4 、6 、8 的溶液，利用動態(tài)超高壓微 射流均質處理后，檢測其在各個濃度下功能性的變化。 研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理前后功能基團與結構的變 利用掃描電鏡研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后蛋白質微 觀結構變化； 利用x 衍射儀研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后晶體結構 的變化； 利用s d s 聚丙烯酰胺凝膠電泳法研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均 質處理后其分子量分布的變化； 利用可見分光光度法研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后巰 基基團的變化； 利用熒光光譜法研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后蛋白質 表面疏水性； 利用差示掃描研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后蛋白質熱 變性情況； 利用紫外光譜法研究卵清蛋白經動態(tài)超高壓微射流均質處理后蛋白質 氨基酸殘基展開情況； 利用圓二色譜、紅外光譜技術研究經動態(tài)超高壓微射流均質處理后卵清 蛋白分子二級結構的變化。 探討動態(tài)超高壓微射流均質技術對卵清蛋白的改性機理。 1 8 本課題的主要創(chuàng)新點 創(chuàng)新性的把動態(tài)超高壓微射流均質技術應用到卵清蛋白的改性研究中， 能為其功能性質改善的研究和研發(fā)提供理論依據(jù)； 率先研究動態(tài)超高壓微射流均質對卵清蛋白的功能性質和結構的影響； 率先探討了動態(tài)超高壓微射流均質對卵清蛋白的改性機理，為其它蛋白 的改性提供理論依據(jù)。 第2 章動態(tài)超高壓微射流均質壓力對卵清蛋白功能性質的影響 第2 章動態(tài)超高壓微射流均質壓力對卵清蛋白功能性質的 影響 2 1 引言 蛋白質是食品的主要營養(yǎng)成分，也是使食品具有良好質構的重要因素。蛋 白質的功能性質是指蛋白質在食品加工中，如制取、配制、加工、烹調、貯藏、 銷售過程中所表現(xiàn)出來的理化特性的總稱。它不僅影響食品的感官特性，而且 關系到食品在加工和保藏過程中其它狀態(tài)特性的變化。蛋白質的功能性質對于 決定產品的質量和可食用性具有十分重要的作用。 蛋白質的功能性質主要分為三類：( 1 ) 水化性質，包括水吸收及保留、濕 潤性、溶脹、粘著性、分散性、溶解性和粘度。由蛋白質肽鏈骨架上的極性基 團與水分子發(fā)生水化作用。( 2 ) 與蛋白質一蛋白質相互作用有關的性質，包括 產生沉淀作用、凝膠作用和形成各種其它結構( 如蛋白質面團和纖維) 。蛋白 質分子受熱舒展，內部的疏水基團暴露出來，通過疏水作用( 高溫能提高此類 作用) 、靜電作用( 通過c a 2 + 和其它二價離子橋聯(lián)接的) 、氫鍵( 冷卻能提高 此類作用) 或二硫交聯(lián)形成空間網狀結構。( 3 ) 表面活性，包括表面張力、乳 化作用和泡沫特征。蛋白質結構中既有親水基又有親油基，能夠吸附在油一水 或空氣一水界面上，一旦被界面吸附，蛋白質形成一層膜，可阻止小液滴或氣 泡聚集，有助于穩(wěn)定乳化液和氣泡。但是這些性質并不是完全獨立的，例如， 溶解性和粘度不僅取決于蛋白質和水的相互作用，而且也涉及到蛋白質和蛋白 質的相互作用，凝膠作用與蛋白質和蛋白質、蛋白質和水的相互作用都有關。 此外，蛋白的功能性質還直接與制取蛋白的加工工藝條件有關，尤其是加工后 產品的蛋白質變性程度、粗細度等將直接影響其功能和用途。 動態(tài)超高壓微射流均質技術是利用高壓使得液體物料高速流過狹窄的縫 隙時受到強大的剪切力、液料被沖擊到金屬環(huán)上而產生強大撞擊力以及因靜壓 力突降與突升而產生的空穴爆炸力等綜合作用，把原先顆粒比較粗大的乳濁液 或懸浮液加工成顆粒非常細微的乳濁液或懸浮液的過程。在這種均質過程中， 劇烈的處理條件如液體高速撞擊、高剪切、空穴爆炸、高速振蕩等作用可能會 導致大分子結構的變化，尤其是蛋白質，從而引起蛋白質功能性質的變化。均 質壓力的不同，微流機對物料所產生的綜合作用力則會發(fā)生改變，這種改變可 1 2 第2 章動態(tài)超高壓微射流均質壓力對卵清蛋白功能性質的影響 能會使蛋白的功能性質發(fā)生變化，本章主要研究動態(tài)超高壓微射流的均質壓力 對卵清蛋白溶解性、持水性、起泡性、乳化性、流變性、凝膠性的影響。 2 2 材料與方法 2 2 1 實驗材料 新鮮雞蛋( 購于南昌天虹超市) 2 2 2 試劑 表2 1 實驗試劑 t a b l e 2 1e x p e r i m e n tr e a g e n t s 2 2 3 主要儀器與設備 第2 章動態(tài)超高壓微射流均質壓力對卵清蛋白功能性質的影響 表2 2 實驗儀器與設備 t a b l e 2 2e x p e r i m e n ti n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t s 儀器設備名稱產地和產家 高速分散均質機f j 2 0 0 凱氏定氮儀k d y - 9 8 2 0 控溫消煮爐k x l 一1 0 1 0 微射流均質機m 一7 0 0 型 物性測定儀1 a x tp l u s 紫外可見分光光度計v i s 7 2 0 0 流變儀 離心機a n k et g l 1 6 c 電泳儀d y c z 真空冷凍干燥機f r e e z o n e4 5l i a e r 上海標本模型廠 北京市通潤源機電技術有限公司 北京市通潤源機電技術有限公司 美國m i c r o f l u i d i c s 公司 英國s t a b l em i c r os y s t e m 公司 北京普析通用儀器有限責任公司 美國b r o o k f i e l d 公司 上海安亭科學儀器廠 北京人一儀器廠 美國l a b c o n c o 公司 2 2 4 實驗方法 ( 1 ) 卵清蛋白的分離提取 將新鮮雞蛋的蛋清和蛋黃用漏斗進行分離，大孔紗布過濾，除去蛋清中的 系帶等雜質。采用硫酸銨飽和結晶法和等電點沉淀法分離出蛋清