论蛋白粉增凝的研究进展

　　摘要：：本文阐述了国内外改善蛋白粉凝胶性能的一些研究进展，其中蛋清蛋白质的糖基化修饰和酶法交联是两种主要的增进蛋白粉凝胶性能的方法。文章还对高凝胶蛋白粉研究生产的前景和意义做了展望。
关键词： 蛋白粉；凝胶性；糖基化；酶；交联

干燥蛋制品是指蛋液除去水分而制得的蛋制品，常见的种类有全蛋粉、蛋黄粉、蛋白片、蛋白粉等。蛋白粉由于继承了蛋白的一些优良功能性质，如高凝胶性、乳化性、保水性、高搅打性等，又因为脱去了水分，比带壳蛋或是液蛋贮藏的空间小、运输成本低、在贮藏过程中细菌不容易繁殖、成分均一，在工业配方中数量能准确控制。因而被广泛应用于食品、纺织、皮革、造纸、医药等工业中。如在食品工业中作胶凝剂或粘结剂，纺织工业中作为固着剂，造纸工业可用作施胶剂等，另外蛋白粉还可以用于制人造象牙、化妆品及发光漆等[1]。高凝胶性是蛋白粉最具价值，应用范围最广的一种功能特性，但在实际应用中发现，普通蛋白粉的凝胶性虽然相对较高，但在某些情况下仍不能满足一些特定行业的需要或是达不到理想的应用效果，有必要进一步改善其凝胶特性，生产具有高凝胶性能的专用蛋白粉。长期以来，我国生产的蛋白粉一直是普通蛋白粉，多是采用简单的加工稀释和添加某些被覆剂，经喷雾干燥制得，高凝胶性蛋白粉的生产目前尚处于空白阶段，而国外已展开了研究和生产，市场前景很好。目前改善蛋白粉的凝胶性主要包括2种方法：化学法和酶处理法。这两种方法的作用机理不同，也存在着自身的优缺点。

1  化学方法

国内外大量的实验研究表明，蛋白质用还原糖进行糖基化修饰能提高食品蛋白质的功能特性，尤其是凝胶特性。糖基化修饰的主要方法有水溶性碳化二亚胺法和美拉德反应法[2]。其中美拉德反应法在食品中应用较多，美拉德反应是一种在食品工业中常见的蛋白质糖基化反应，是醛糖对蛋白质氨基(主要为Lys的ε-氨基)的改性反应。反应产物除了提供给食品特殊的气味、具有抗氧化、抗诱变等特性外，初期糖基化产物(schiff碱)经环化形成N-取代醛糖基胺,再重排形成一种稳定的酮胺化合物,该化合物能在邻近的蛋白质之间形成交联键,并最终形成糖基化蛋白。而随着糖基化程度的提高,糖基化蛋白的凝胶性、乳化特性、热稳定性等功能得到提高。1993年，Akio Kato等人将美拉德反应开始应用于蛋清蛋白质，发现反应后的蛋白质的乳化性质得到了提高[3]。Handa和Kuroda研究了美拉德反应中蛋白粉和葡萄糖之间的相互作用，发现其在特定的控制条件下能提高蛋白粉的胶凝特性[4]。此后又有许多研究发现，蛋清蛋白质与硫酸葡聚糖[5]、寡聚半乳糖醛酸[6]、半乳甘露聚糖[7]等糖类发生美拉德反应后，其凝胶性质（主要是凝胶强度、持水力、凝胶的透明度、微观结构等）得到了很大的改善。在我国，目前也展开了将蛋清蛋白质进行糖基化修饰以增进蛋清凝胶性能的研究，徐雅琴，杨严俊采用果胶酶水解果胶、盐酸水解魔芋胶和瓜尔豆胶的方式得到了三种胶的水解产物，并将其分别与脱糖鸡蛋白粉进行美拉德反应。发现所得蛋白粉-瓜尔豆胶复合物的凝胶强度达1378.9g，比普通蛋白粉提高1207%，且反应后蛋白粉的色泽、消化性、溶解性均可接受[8]。蛋清蛋白质的糖基化修饰可以有效的改善蛋白粉的凝胶性能，有着比较好的研究及应用前景，但是还存在某些问题没有得到很好的解决，比如如何抑制褐变和聚合等不利反应、如何选择合适的糖基化供体。如何更好的控制反应过程，而且化学改性会降低食品蛋白质的营养价值,其营养价值往往由于小肠对改性蛋白的吸收能力的降低而下降。更加值得关注的是可能造成食品的安全性问题，如美拉德反应过程中有可能产生一些对人体有害的杂环胺类化合物[9]，其中天冬酰胺是强致癌物丙稀酰胺的重要前体。随着人们对食品安全性关注的进一步的提升，化学方法由于其自身的缺陷，在应用上还是会受到了一定的限制。   

2   酶处理法

酶处理法是利用各种酶催化蛋清蛋白质反应达到改性的目的。大量的研究表明，蛋白质的酶法交联改性修饰技术，既使蛋白质通过类蛋白反应（Plastein reaction）人为地引入交联键，可使蛋白质发生交联，产生具有良好流变学性质的聚合物，并改善蛋白质的功能特性，尤其是对蛋白质的凝胶特性有较大的影响。转谷酰胺酶(TG)过氧化酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)等都可以用于蛋白质的酶法交联。其中转谷酰胺酶是研究和应用较多的一种酶。

2.1  转谷氨酰胺酶

转谷氨酰胺酶(以下简称TG)是一种酰基转移酶，可以催化相同或不同蛋白质分子之间的交联与聚合，形成新的共价键[10]。而分子间疏水基、离子键、共价键等对于蛋白质凝胶体系的形成发挥着重要的作用，改变共价键的数目和强度都会使蛋白质的凝胶性能发生转变[11]。目前有关TG促进凝胶形成的研究已相当广泛，seki, et al(1990)[12]，Tsukamasa，et al(1993)[13]发现TG催化形成的GL肽键对于室温下鱼糜凝胶的形成发挥着关键的作用，此外，TG还对食品蛋白的交联存在着广泛的作用[14]，如酪蛋白、大豆分离蛋白(SPI)、谷朊蛋白、乳清蛋白等都可以作为TG作用的底物[15]，在食品工业中有较广泛的应用，如在酸奶生产中添加TG可改善酸奶品质[16]。另外，在奶酪生产中，TG处理后，使乳清蛋白和酪蛋白交联在一起，可以提高奶酪的质量和产量[17]。TG聚合酪蛋白时加人玉米醇溶蛋白水解物能制成柔韧性很强的食用膜[18]；和面过程中添加TG可以提高面团稳定性和面块的积,经TG处理能够减少面条烹饪后结构的破坏，并能增加面包焙烤后的体积。但在以上一系列的研究中，主要以牛奶蛋白质和大豆蛋白质为研究对象，在蛋清蛋白质上的应用鲜有研究和报道，主要原因是TG催化蛋白质形成聚合物的交联程度与底物蛋白的构象有关[19]，TG的应用有一定的限制性,并不是所有包含有Glu 和Lys 残基的蛋白质分子间就可形成交联聚合物。[20～25 ] 。研究发现底物蛋白质的热力学相合性影响着其交联反应,也就是说与底物蛋白质在酶活性部位上的热力学相合性有关,热力学不相同则使蛋白不能在酶催化部位相互重叠,两两之间不能反应,例如亲水蛋白和疏水蛋白相斥也就引起热力学不相合，另外蛋白质结构构象和Lys、Glu 残基部位也影响异原聚合物的形成。一些研究表明蛋清蛋白质并不是TG良好的底物，在普通的反应条件下聚合程度不是很理想，但在一定的反应条件下还是可以达到比较理想的效果[26]。徐幸莲，程巧芬等用转谷氨酰胺酶对蛋清蛋白质进行处理，发现可以改善其凝胶性能，表现在形成凝胶蛋白质极限浓度的降低以及凝胶硬度的提高[27]。

2.2  其他酶类 

漆酶[28](氧化还原酶，EC 1.10.3.2)是含铜的糖蛋白 ，漆酶的作用底物广泛，除了可催化氧化酚和芳胺类化合物及其衍生物外，并能催化酚和其氧化产物醌及蛋白质交联反应，增强蛋白质的凝胶强度。这些性质决定了漆酶在食品行业、废水处理、造纸等领域具有很大的应用潜力。多酚氧化酶(PPO)也能通过氧化硫基来实现蛋白质间的交联，已在面团的改良中得到了应用[29]。另外徐雅琴、杨严俊等在利用葡萄糖氧化酶(GOD)去除蛋清中葡萄糖的工艺研究中发现，原蛋清和葡萄糖氧化酶脱糖蛋清的穿刺实验图峰形明显不同，就其凝胶强度而言，脱糖前后的数值分别为583g和655.8g[30]，其凝胶强度增加了12.4％。说明经葡萄糖氧化酶处理，脱糖的同时也能改善蛋白粉的凝胶性能。

2.3  酶改性的优势及存在的问题

由于酶的制取及提纯工艺日渐成熟，目前酶的来源已不是问题，比如1993年日本味之素公司就推出了商品级的转谷氨酰胺酶，国内江南大学现已将其发酵液酶活力做到7U/mL[31]。且酶在比较温和的条件下进行反应，能很好的控制生产，但酶改性后，蛋白粉的营养价值是否会发生变化以及其安全性是人们非常关注的问题。在蛋白质的酶法改性上，转谷氨酰胺酶是应用较多的一种酶，转谷氨酰胺酶催化蛋白质分子内或分子间形成L-G键，由于此键对胃液有很强的抵抗性，不能被胃液分解，但可在肾脏中被 γ-谷氨酰环化转移酶分解为赖氨酸和5-羟脯氨酸，5-羟脯氨酸进一步转化为谷氨酸[32]。最近的研究发现，在小肠刷状缘细胞、血液中也存在着γ-谷氨酰环化转移酶，可分解ε-(r-谷氨酰)赖氨酰的二肽，形成赖氨酸和谷氨酸，因此，使用转谷氨酰胺酶不会影响对蛋白质营养成分的吸收[33]，即不会降低蛋白质的营养价值。另外，由于转谷氨酰胺酶天然存在于各种畜肉，鱼虾中，在肉类的烹调过程中，这些内源性酶也会在肉类蛋白质之间形成L-G键。因此，蛋白质经转谷氨酰胺酶作用后，在食用上是安全的。但研究表明，多酚氧化酶可使食品中的酪氨酸残基和酚类化合物氧化，也可以与半胱氨酸、赖氨酸、组氨酸和色氨酸残基反应，使食品中的必需氨基酸的含量减少[29]。而且目前酶的价格仍较贵，所以经酶处理后的产品价格也相对要高。

3  展望

从上面的论述可以看出，目前国内外改善蛋白粉凝胶性能的主要方法有蛋清蛋白质的糖基化修饰和酶法改性修饰，以上两种方法都具有了一定的研究基础，其研究应用前景也都比较乐观，但从目前食品行业发展的形势来看，酶法改性由于其安全性高、反应易控制等优点，将是未来发展的趋势。研制生产高凝胶性专用蛋白粉，能显著提高蛋白粉在特定领域的应用效果，满足国内外市场的需要，增强我国专用蛋粉的国际竞争力。而且由于我国的某些饮食习惯和一些行业的特殊需求，蛋黄的需求量较大，而在大多数生产过程中，蛋清被当成废弃物遗弃，没有对其进行综合利用开发或仅仅是在很低水平上的回收利用，造成了蛋清资源的极大浪费，如能通过各种方法将其加工成高凝胶蛋白粉，不但能够将废弃物变成有用的资源，创造出显著的经济效益，还能够有效解决这些废弃物所造成的环境污染问题。

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