（食品科学专业论文）动态超高压微射流均质对卵清蛋白改性机理的研究.pdf

摘要 摘要 卵清蛋白是鸡蛋的主要组成部分，是一种优质蛋白。但是由于其某些功能 性质的不完善，在食品加工工艺中受到限制，为扩展卵清蛋白质的应用范围， 需要进一步改性。动态超高压微射流均质技术是一种集输送、混合、超微粉碎、 加压等多种单元操作于一体的物理改性技术。该技术会导致蛋白质结构的变化， 进而影响其功能性质的改变。本课题拟以卵清蛋白为研究对象，研究动态超高 压微射流技术对卵清蛋白功能性质和结构的影响，并探讨动态超高压微射流技 术对蛋白质的改性机理，为改善卵清蛋白功能性质的研究和研发提供理论依据， 同时也为蛋白改性和动态超高压微射流技术的应用提供一条新途径。本论文的 实验和研究结果如下： 1 动态超高压微射流均质使卵清蛋白的溶解性、持水力、起泡性、凝胶性 均有不同程度的提高。低浓度( 4 、6 ) 的卵清蛋白经动态超高压微射流均质 处理后其乳化性和乳化稳定性有所提高；而高浓度( 8 ) 的卵清蛋白的乳化性 有下降趋势。经动态超高压微射流均质处理后，卵清蛋白的流变粘度变小，不 同浓度的卵清蛋白表现出不同的流体特性。 2 经动态超高压微射流均质处理后，卵清蛋白的晶体结构有一定的破坏， 蛋白质聚合体被分散破碎；卵清蛋白的分子量分布未发生明显变化；巯基含量 随着均质压力的升高而增加；表面疏水性提高，最大吸收波长入m a x 轻微蓝移， 但是经1 6 0 m p a 处理后，疏水性有所下降；蛋白分子表面具有紫外吸收的氨基酸 残基减少；卵清蛋白在1 6 0 m p a 处理后的峰值温度稍有下降。其他各压力下的卵 清蛋白峰值温度不同程度地升高，热稳定性提高，热变性焓下降。 3 采用傅立叶红外光谱和圆二色谱对经动态超高压微射流均质处理的卵清 蛋白二级结构进行检测。结果表明，动态超高压微射流均质使卵清蛋白的二级 结构发生了变化。卵清蛋白的酰胺i 峰向短波移动，发生了蓝移。酰胺i 峰和酰胺 i i 峰吸光度均增强。卵清蛋白的0 【螺旋或无规则卷曲含量增加，并发生去折叠现 象，蛋白质分子得到伸展。 4 结合卵清蛋白的结构和功能性质的变化关系，探讨了动态超高压微射流均 质对卵清蛋白的改性机理。 关键词：动态超高压微射流；卵清蛋白；功能性质；结构；机理 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 本论文的符号 本论文的符号 e s ：乳化稳定性 c d ：圆二色谱 k 缸：最大吸收波长 e a ：乳化性 s h ：巯基 d s c ：差示扫描 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 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壶昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 壁玉巧签字日期：沙口矽年，乙月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( t - 写) ： 互两 翩瑚：芬锄 签字日期：西d 8 年r 2 月26 e t 签字日期：2 , o o 汐年，2 月“日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 蛋白质是生命的物质基础，也是人类饮食结构的重要成份。蛋白质在食品 中可以体现出不同的功能特性，如乳化性、凝胶性、持水性、起泡性等，这些 功能性质影响食品的感官特性，而且对食品在制造、加工或保藏中的物理化学 性质起着重要的作用，因此蛋白质广泛用于食品加工的各个领域。然而，不少 天然蛋白质虽然表现出一定的功能特性，但是功能特性尚不突出，往往不能满 足现代食品开发与加工的需要。这就要求选择安全、可靠实用的生产方法来改 变蛋白性质，满足生产和生活的需要。目前，人们考虑到产品自身的安全而对 化学改性方法有所顾忌，相对而言，蛋白的物理改性因其不含化学试剂的残留， 且加工工艺及其产品的理化性质得到明显改善，备受人们的关注。而动态超高 压微射流均质技术被认为是新的食品加工与保藏技术中最有潜力和发展前途的 一种，其加工技术正日益引起人们的关注。 动态超高压微射流均质处理技术是集输送、混合、超微粉碎、加压、膨化 等多种单元操作于一体的一门全新技术。在均质过程中，剧烈的处理条件如液 体高速撞击、高剪切、空穴爆炸、高速振荡等作用可能会导致大分子结构的变 化，其中的生物大分子如蛋白质、淀粉等会发生结构上的变化，从而导致其功 能性质的改变。采用动态超高压微射流均质处理来改善蛋白质的功能性质，并 对蛋白改性的机理进行研究，使动态超高压微射流均质技术成为一种新的蛋白 物理改性方法。为动态超高压微射流均质在食品医药、饲料等有机生物大分子 材料中的改性研究提供理论依据。 鸡蛋是人类获得营养素的一种重要来源，几乎包含了胚胎发育所需的所有 的蛋白质、脂质、维生素、矿物质和生长因子。鸡蛋来源丰富，是人们主要的 食物营养蛋白，易被人体消化吸收。卵清蛋白是鸡蛋的重要的蛋白质组分，也 是体现鸡蛋优质蛋白质资源的重要物质基础。它含有8 种人体所必需的氨基酸。 因其具有很好的营养价值和功能特性，而被添加到方便面、焙烤制品、鱼糜制 品、肉糜制品等各类食品中，从而显著改善制品的质构，保留风味物质，成为 食品工业中广泛使用的功能性配料。但是由于某些功能性质的不完善，如卵清 蛋白的乳化能力不高，容易发生表面变性等，使其在食品加工工艺中受到限制， 第1 章前言 需要进一步进行改性。以利于卵清蛋白质的进一步开发利用。而且卵清蛋白因 其具有较为敏感的表面变性和界面凝固特性，对于理解大分子体系中食品蛋白 质的功能性质，是最好的研究模型。故本课题拟以卵清蛋白为研究对象，研究 动态超高压微射流均质技术对蛋白质功能性质和结构的影响，探讨动态超高压 微射流均质对蛋白质功能性质的改性机理，能为蛋白改性和动态超高压微射流 均质技术的应用提供一条新途径，为卵清蛋白的综合利用提供一种新方法。 1 2 卵清蛋白的组成 图il 天然卵清蛋白的晶体结构( 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 ) 鸡蛋中的卵清蛋白是一种优质蛋白，是蛋清中的主要蛋白质，占蛋清蛋白 总量的5 4 一6 9 ，分子量4 5 0 0 0 ，等电点p h 为4 5 】。属单体磷糖蛋白，为电泳 性质稍有不同的三组分a 1 ，a 2 和舢的混合物。a l 古两个磷酸基，a 2 含一个磷 酸基，a 3 不含磷酸基，它们之间的比例为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巯基的蛋白，这 些巯基都被埋藏在蛋白质的疏水核心部分1 1 。卵清蛋白包含一条有3 8 5 个氨基酸 残基的聚缩氨酸链，每一个分子有一段糖链，n - 端和c 一端的氨基酸分别为乙酰 甘氨酸和脯氨酸，这些残基相互缠绕折叠成具有高度二级结构的球型结构，主 要是小螺旋和b 一折叠h 月。天然卵清蛋白晶体结构中，5 股b - 折叠平行于分子的长 轴，旷螺旋突出而成为反应中心( 图11 ) ，其结构中舍有二硫键( c y s 7 3 ，1 2 0 ) 第1 章前言 和巯基( s h ，c y s ll ，3 0 ，3 6 7 ，3 8 2 ) 1 6 ，7 】，这些基团与卵清蛋白分子的聚集行为息息相 关。天然卵清蛋白的疏基虽然包裹在分子内部，但它在重新折叠蛋白质因变性 而展开的过程中起很大作用1 8 , 9 。蛋白质聚集体的形成以及热处理下凝胶结构( 通 过二硫键交换机制) 的稳定性都与疏基有关【1 0 1 。在贮藏期间，卵清蛋白转变成s 卵白蛋白，它是一种耐热蛋白质。从功能上讲，卵清蛋白具有胶凝性、起泡性 和乳化特性【l ，但是卵清蛋白在鸡蛋中的生物学地位至今不清楚，有学者建议， 卵清蛋白可以作为胚胎发育中氨基酸的一种来源【1 2 】。 1 3 卵清蛋白的功能性质与结构的关系 卵清蛋白具有较好的起泡性、凝胶性，而被广泛的应用于婴儿食品、肉加 工业、面包和甜点制造业中。通过动态超高压微射流均质处理，卵清蛋白的功 能性质会发生变化，这与其结构的变化是有关系的。如卵清蛋白的乳化性能和 形成凝胶的能力都与其结构有关【1 3 】。因此研究蛋白质结构与功能性质的关系将 有助于理解功能性质的改变机理。 1 3 1 起泡性与结构的关系 蛋白质的起泡特性取决于众多的因素，包括处理过程中的物理化学条件和 蛋白质分子的结构特征，而其结构特征在处理过程中是有可能被改变的，进而 影响到蛋白质的起泡性。蛋白质分子的柔顺性和疏水性都将影响泡沫的特性。 卵清蛋白是表面变性和界面凝固都较为特殊的敏感性蛋白质，因此，它对蛋清 的特殊起泡性有重要的作用。搅打适当黏度的蛋清蛋白的水分散体系，其中卵 清蛋白的重叠分子部分伸展开，捕捉并且滞留住气体，形成泡沫。 二硫键可以导致天然蛋白质的固有弹性，理解自由巯基二硫键之间的相互 转化关系对于维持蛋白质的功能特性是非常重要的。d o i 等【l5 】研究了卵清蛋白 的最终起泡特性和泡沫的二硫键之间的关系。他们得出结论是分子之间的二硫 键的形成对于卵清泡沫的稳定性不是最为重要的，他们认为网络结构的形成是 其他非共价键之间的相互作用，这是气泡形成的主要原因。起泡能力主要是由 巯基含量和蛋白质分子的柔软性决定的。提高蛋白质一蛋白质之间的相互作用( 溶 解性和s h 的暴露量) 可以提高处理后卵清蛋白溶液的稳定性【1 4 1 。 3 第1 章前言 1 3 2 凝胶性与结构的关系 凝胶性使蛋白具有较高的粘度、可塑性和弹性，既可做水的载体，也可做 风味剂、糖及其它配合物的载体，这对食品加工极为有利。凝胶的形成过程是 蛋白质先由天然状态转变为变性状态，通过1 3 折叠作用形成高相对分子质量的 可溶性聚集物，然后在二硫键的作用下，预凝胶聚集物逐渐变稠形成凝胶或凝 结，是形成凝胶还是凝结则取决于蛋白质展开和聚集的相对速度。 卵清蛋白是蛋清中唯一的含有自由巯基的蛋白质，业已证明它在蛋清的热 诱导凝胶形成过程中起着非常重要的作用。有研究表明：卵清蛋白的热变性和 凝聚的过程中，形成了稳定的分子相互作用d 折叠结构，这是最大的变化，可 以使用拉曼和圆二色谱技术进行分析。热诱导变性的卵清蛋白的凝集和凝胶的 形成，是由于部分折叠结构的展开，通过p 折叠结构的分子间的相互交联作用， 导致了疏水残基的暴露【1 4 1 。 1 3 3 乳化性与结构的关系 蛋白质是表面活性剂，它既能降低水和油的表面张力，又能降低水和空气 的表面张力，易于形成稳定的乳状液。乳化的油滴被聚集在油滴表面的蛋白质 所稳定，形成一种保护层，这个保护层可以防止油滴聚集和乳化状态的破坏， 促使乳化性能稳定。卵清蛋白具有亲水和亲油基团，因而使其溶液显现出乳化 性能。它的乳化性能与溶解性呈正相关，还与其分子的柔性有着重要的关系。 但是由于其具有稳定的结构和很高的表面持水性，除非通过预处理使它们伸展 而不降低其溶解性，否则它们不是一种良好的乳化剂。所以改性卵清蛋白以提 高其乳化性具有很大的潜力。 1 3 4 流变性与结构的关系 食品的流变特性是由化学组成、分子结构、分子内外结合、胶体组织、分 散状态等因素决定，流变特性甚至成为决定其品质好坏的主要指标。 蛋白质溶液一般是非牛顿流体的假塑性液体。一般认为，蛋白质的流变学 特征是在其界面处的连续网络结构形成之后表现的，受疏水相互作用与一个较 低程度二硫键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 】等认为天然卵清蛋 白在热处理过程中的流变弹性的升高是由于分子间1 3 一折叠的形成。 0 第1 章前言 1 4 蛋白质的改性研究 决定蛋白质功能性质的蛋白质的物理和化学性质包括：大小、形状、氨基酸 组成和序列、净电荷和电荷分布、疏水性和亲水性之比、二级、三级和四级结 构、分子柔性和刚性、蛋白质分子间相互作用和同其他组分作用的能力【l 酬。一 般的蛋白很难同时兼具多种功能性，而生产上需求的是具有专项最佳功能或几 种功能性质达到最佳平衡点的产品。这就要求对蛋白采取不同的改性处理技术， 获取专用性极强的蛋白。 蛋白质的改性就是用化学因素( 如化学试剂) 或物理因素( 如热、高频电场、 射线、机械振荡等) ，使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，从而获得较好的功能性和营养特性。 1 4 1 物理改性 蛋白质的物理改性是指通过加热、冷冻、加压、磁场、电场、声场、机械 作用( 超微粉碎、挤压等) 、低剂量辐射及添加小分子双亲物质等物理手段来 改善蛋白质的功能特性、提高营养价值的方法。物理改性方法一般只改变蛋白 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。实际上， 物理改性就是在控制条件下的蛋白质定向变性。具有加工费用低、耗时少、无 毒副作用、对蛋白营养价值破坏小的优点【1 7 , 1 8 1 。 1 4 1 1 热变性 蛋白质在加热情况下，其蛋白质分子会吸热展开，在适当的温度情况下进行 改性处理，可以改变蛋白质的功能性质和理化性质。例如：在加热时，卵清蛋 白能迅速凝结成固体，在正常p h ( 约为9 ) 下，6 0 开始凝结，温度升高，凝 结的速度加快。从而提高了胶凝性。目前，k a t o e t a l 【1 9 j 研究发现在8 0 的环境 下干燥几天得到的蛋清蛋白粉的功能性质有很重要的提高，包括起泡性、乳化 性和凝胶特性。经过热干燥十天的蛋清蛋白的凝胶强度、起泡能力和乳化稳定 性都几乎提高了4 倍。i e s e lv a nd e r p l 锄c k e n 【1 4 】研究发现经过温度处理的卵清蛋白 溶液形成的泡沫比较湿润，呈乳脂状。 1 4 1 2 高压变性 目前，4 0 1 0 0 m p a 的静压已经在食品工业和天然食品保存中得到应用。 5 第1 章前言 s t e f a n i ai a m e t t i 等【2 5 】研究发现经6 0 0 m p a 处理5 m i n 后的卵清蛋白有着很好的性 能。l e e 等对超高压处理液体蛋中蛋白质的凝结进行了流变学研究。在压力为 1 0 0 m p a 和1 5 0 m p a ，温度在5 和2 5 下，受压时间直到1 h ，也没有出现蛋白 质的凝结。当温度上升至4 5 时，压力为1 0 0 m p a 和1 5 0 m p a 下都出现了蛋白 质的凝结。在保持温度不变的情况下增加压力，蛋白质的凝结速率会加快，开 始凝结时的受压时间会缩短。在4 0 0 m p a 2 5 和2 5 0 m p a 4 5 条件下，蛋白质的 凝结几乎瞬时( 约1 s ) 完成。a h m e d 等1 2 2 j 对超高压下液体全蛋、蛋白和蛋黄进行 了流变性能研究，得出了与l e e 等基本一致的结论。 1 4 2 化学改性 蛋白质的化学改性是指采用化学方法改变蛋白质的结构、静电荷和疏水基 团。蛋白质的化学改性方法主要包括磷酸化改性、酸碱处理、酰基化改性、去 酰胺改性、糖基化改性、烷基化改性。在众多的化学修饰方法中，磷酸化蛋白 是很有前途的用于改善食物蛋白功能性质的方法。化学改性常常会引起蛋白质 基本结构( 初级结构) 的改变，具有反应简单、应用广泛、效果显著的特点。 1 4 2 1 糖基化 很多入试图设计合理的分子模式，通过化学或酶法修饰来提高蛋白质的凝 胶性、乳化性和起泡性，对于食品应用物质来说，就安全性而言，化学改性应 该是尽量避免的。k a t oe ta l t 2 3 】报道说，根据蛋白质上的e 一氨基和多糖上的羰基 发生美拉德反应，通过调控干燥状态( 6 0 ，相对湿度为7 9 ) 将多糖吸附在 蛋白质上。已经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 ) 的分子量分别变化为1 1 5 k d a 和1 5 0 k d a ，蛋白质多糖聚合物的蛋白质结构 的稳定性得到了提高，并且乳化特性得到了明显提高，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剂( 蔗糖酸酯和甘油三酯) 的乳化能力 还要好，并且改性后的乳化能力不会受到酸性环境的影响。 1 4 2 2 磷酸化 蛋白质由于他们大的分子量和三级结构而使其具有独特的表面特性，而它 们的两性特性使蛋白质很适合作为有效的表面活性剂。m i n ee ta l t 2 4 】发现磷脂酰 胆碱和自由氨基酸提高了卵清蛋白的吸附，并且这个联合体具有热稳定性，这 些联合体的乳化性同样非常稳定，并且磷脂和卵清蛋白质问的相互作用和它们 6 第1 章前言 在油水界面的相互吸附现象已经用n m r 和c d 色谱进行了分析。研究发现，磷 脂酰胆碱不会影响卵清蛋白的蛋白结构，但是改变了卵清蛋白的构象，增加了a 一 螺旋的含量，减少了d 折叠的含量。并且分析结果表明，这个联合物应该是通 过磷脂酰胆碱的酰胺链的疏水相互作用结合到蛋白质，并且改变蛋白质的结构。 1 4 3 酶法改性 酶处理是一种制造低粘度、高分散性和不凝胶蛋白的方法，而且作用条件 温和，专一性强。通过酶部分降解蛋白质，增加其分子内或分子间交联或连接 特殊功能基团，可以显著改变蛋白质的功能特性，提高营养价值。酶法改性通 常是蛋白酶的有限水解。酶法改性的程度取决于所用的酶、处理的时间以及人 们所需要的功能性质。据有关报道，用卵白蛋白配制的蛋白水解物类产品，在 氮平衡保持和氮吸收方面明显优于其它形态的蛋白食品。徐明生【2 6 j 等人采用酶 水解的方法从鸡蛋卵白蛋白中获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 采用生物酶解技术将蛋清蛋白水解，得到卵清蛋白粉。 1 5 动态超高压微射流均质的改性研究 近几年来超高压技术由于其不会造成食品营养成分损失、风味变化等劣化 现象，不会产生有毒有害因子，能更好保持食品原有营养与风味，因而在食品 领域内得到了迅速发展【2 8 】。在高压处理过程中，压力使得液体高速流过狭窄的 缝隙时而受到强大的剪切力、液体被冲击到金属环上而产生强大撞击力以及因 静压力突降与突升而产生的空穴爆炸力等综合作用，把原先颗粒比较粗大的乳 浊液或悬浮液加工成颗粒非常细微的稳定的乳浊液或悬浮液【2 9 】，从而改变食品 中某些高分子物质如蛋白质、淀粉等的空间结构，使一些生物材料发生一些可 逆和不可逆的变化，使其发生变性或改性。以达到杀菌、抑酶和改善食品的功 能性质等作用。动态超高压微射流均质技术是集输送、混合、超微粉碎、加压、 膨化等多种单元操作于一体的- - i - 全新技术。它能对流体混合物料进行强烈剪 切、高速撞击、压力瞬时释放、高频振荡、膨爆和气穴作用等一系列的综合作 用，从而起到很好的细化、乳化和均一化效果。尽管这些作用产生的基本条件 仍为高压，但形式已经远远不止超高静压中单纯的挤压作用。相对而言，超高 压微射流技术使用压力仅为超高静压的下限压力，在技术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 动态超高压微射流均质机理 动态超高压微射流均质技术与传统的超高压技术在作用方式、操作方式、 处理时问和温度等方面都有显著的不同。微射流均质机主要是由液压泵和振荡 头( i n t e r a c t i o nc h a m b e r ) 所组成，它是利用由电机驱动的液压平台产生高压， 液压平台产生的压力推动一个内装有高压活塞的双动作增压器，液压驱动增压 器内的活塞推动高压往复活塞产生一个交替的抽吸，使流体加速至高速进入反 应室( 振荡头) 内，在振荡头中，被增速到3 0 0 m s 以上的液体分成两股或更多 股细流，然后在极小空间进行强烈的垂直撞击或y 型撞击，在撞击的过程中瞬 间转化其大部分能量，产生巨大的压力降，从而使得液体颗粒高度破碎【3 引。液 体物料在振荡头内经历高速撞击作用、涡旋作用、振动作用、气穴作用、膨化 作用等一系列历程后，其中的生物大分子如蛋白质、淀粉等会发生结构上的变 化，从而导致其功能性质的改变。总的来说，其间的主要作用力有以下三种1 3 。 ( 1 ) 高速流体撞击作用 两股相同的高速流体在撞击管区剧烈地碰撞，流体猛然失去原来流动方向 上的速度，产生巨大的撞击能量。从而达到颗粒之间的撞击粉碎目的。颗粒间 冲击产生的压缩粉碎以及稀疏波产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 ) 强剪切作用 高速流体在分流管区高速剪切，撞击后，在撞击区会形成强烈的涡旋作用。 流体质点出现强烈横向方向的撞击和摩擦，流体中的颗粒经垂直撞击后又经历 横向撞击和摩擦，同时微射流高速通过微孔流道产生的极强的剪切力，使物料 易于破碎；同时所有被处理物料都必须通过微孔道，使颗粒粉碎后粒度分布的 散度较小，粉碎均匀。 ( 3 ) 空穴作用力 对于微孔流道内高速流动的液体，由于静压力的突升和突降会导致其中的 气泡瞬时生成和破灭，这就形成了“空穴 现象。 1 。5 2 国内外对动态超高压微射流均质技术的研究 ( 1 ) 基本原理的研究：张志森，唐书泽等研究了微射流高压均质过程动量及流 场结构，利用m a r t l a b 软件计算了速度场情况，并绘制了特定流场的详细结构 8 第1 章前言 图【3 3 1 。刘成梅等【3 2 1 研究了微射流均质机振荡头内部的结构，将射流均质头内部 孔道分为六部分( 进料管区、分流管区、撞击管区、射流管区、扩流管区和出 料管区) ；并对其流场的动力学行为进行了分析。 ( 2 ) 对蛋白改性的研究：本课题组研究了超高压微射流均质对蛋清蛋白溶液的 粒度和流变性影响，结果表明蛋清蛋白经高压微射流处理后粒度减小、粘度增 加f 3 4 】；微射流均质使大豆分离蛋白起泡性、凝胶性均有不同程度的提高【3 5 】；采 用超高压均质制各纳米级蛋白并对其功能特性进行了研究p q ；国外研究了利用 高压微射流均质对热变性小麦蛋白的功能性影响，结果表明微射流处理可以提 高含有热变性小麦蛋白的小麦产品溶解性【3 7 】。 ( 3 ) 对其它物料改性的研究：本课题组研究了微射流均质机对带肉胡萝卜汁、 带肉芹菜汁流变特性的影响【3 8 , 3 9 1 ；微射流均质对膳食纤维微粒粒度分布、溶液物 理性质的影响【4 0 ，4 1 】；微射流对大米淀粉物性的影响【4 2 】。国外研究了高压微射流 对奶酪微细结构的作用，结果表明均质的压力更高时，奶酪中的脂肪球会变小 4 3 1 。其他的研究也证明了微射流均质会影响聚合体的结构而得到小的聚合体【删。 总之，国内外主要研究的是微射流均质机的结构及其动力学，和对物料进 行处理时的一些功能性质的影响。但是对于动态超高压微射流均质技术如何影 响卵清蛋白的功能性质和结构的变化及动态超高压微射流技术对其改性机理的 影响研究甚少。 1 6 本课题的研究意义 蛋白质在食品中可以体现出不同的功能特性，影响食品的感官特性，而且 对食品在制造、加工或保藏中的物理化学性质起着重要的作用，因此蛋白质广 泛用于食品加工的各个领域。但是，不少天然蛋白质虽然表现出一定的功能特 性，但是功能特性尚不突出，往往不能满足现代食品开发与加工的需要。这就 要求选择安全、可靠实用的生产方法来改变蛋白性质，满足生产和生活的需要。 目前，人们考虑到产品自身的安全而对化学改性方法有所顾忌，相对而言，蛋 白的物理改性因其不含化学试剂的残留，且加工工艺及其产品的理化性质得到 明显改善，备受人们的关注。而高压处理技术被认为是新的食品加工与保藏技 术中最有潜力和发展前途的一种。采用动态超高压微射流均质处理来改善蛋白 的理化及功能性质，并对蛋白改性的机理进行研究，使超高压微射流技术成为 9 第1 章前言 一种新的蛋白物理改性方法。为动态超高压在食品医药、饲料等有机生物大分 子材料中的改性研究提供理论依据。 鸡蛋是人类获得营养素的一种重要来源，几乎包含了胚胎发育所需的所有 的蛋白质、脂质、维生素、矿物质和生长因子。鸡蛋来源丰富，是人们主要的 食物营养蛋白，易被人体消化吸收。由于我国市场对鸡蛋的消费主要以鲜蛋为 主，对于鸡蛋产品的深加工、开发和研究起步都较晚，现在仍十分落后，大大 限制了我国蛋品行业的发展。因此大力开发和研制高功能性的鸡蛋制品是我国 蛋品行业发展的当务之急。然而在加工过程中蛋白质的变化对加工有着十分重 要的影响，对蛋白质功能特性的进行深入研究就越发显得重要。 卵清蛋白是蛋清蛋白中的主要蛋白，它含有8 种人体所必需的氨基酸。是 一种优质蛋白。因其具有很好的营养价值和功能特性如起泡性、凝胶性等而受 到食品工业界的欢迎。但是由于某些功能性质的不完善，如卵清蛋白的乳化能 力不高，使其在食品加工工艺中受到限制，需要进一步进行改性，以利于卵清 蛋白质的进一步开发利用。另一方面，由于卵清蛋白具有较为敏感的表面变性 和界面凝固特性，对于理解大分子体系中食品蛋白质的功能性质，它是最好的 研究模型i l 。而且本课题组已经对蛋清蛋白动态超高压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质来源于它的多种蛋白质组分的相互作用， 而对于单体蛋白经动态超高压微射流均质处理后功能性质的变化不甚清楚，故 在此基础上，本课题拟以卵清蛋白为研究对象，研究动态超高压微射流均质技 术对卵清蛋白功能性质和结构的影响，初步探讨动态超高压微射流均质对卵清 蛋白功能性质的改性机理，能为蛋白改性和动态超高压微射流均质技术的应用 提供一条新途径，为鸡蛋制品的综合利用提供一种新方法。因此，本课题的研 究具有深远的现实意义。 1 7 本课题的主要研究内容 本论文进行的研究工作是属于国家自然科学基金“蛋白质动态超高压微射 流改性机理的研究 ( 编号：2 0 6 6 6 0 0 4 ) 。本论文的研究工作主要从以下几个方 面开展： 动态超高压微射流均质压力对卵清蛋白各功能性质( 溶解性、持水性、 乳化性、起泡性、流变性、凝胶性) 的影响。 1 0 第1 章前言 化 将卵清蛋白配成质量分数为4 、6 、8 的溶液，利用动态超高压微 射流均质处理后，检测其在各个浓度下功能性的变化。 研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理前后功能基团与结构的变 利用扫描电镜研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理后蛋白质微 观结构变化； 利用x 衍射仪研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理后晶体结构 的变化； 利用s d s 聚丙烯酰胺凝胶电泳法研究卵清蛋白经动态超高压微射流均 质处理后其分子量分布的变化； 利用可见分光光度法研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理后巯 基基团的变化； 利用荧光光谱法研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理后蛋白质 表面疏水性； 利用差示扫描研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理后蛋白质热 变性情况； 利用紫外光谱法研究卵清蛋白经动态超高压微射流均质处理后蛋白质 氨基酸残基展开情况； 利用圆二色谱、红外光谱技术研究经动态超高压微射流均质处理后卵清 蛋白分子二级结构的变化。 探讨动态超高压微射流均质技术对卵清蛋白的改性机理。 1 8 本课题的主要创新点 创新性的把动态超高压微射流均质技术应用到卵清蛋白的改性研究中， 能为其功能性质改善的研究和研发提供理论依据； 率先研究动态超高压微射流均质对卵清蛋白的功能性质和结构的影响； 率先探讨了动态超高压微射流均质对卵清蛋白的改性机理，为其它蛋白 的改性提供理论依据。 第2 章动态超高压微射流均质压力对卵清蛋白功能性质的影响 第2 章动态超高压微射流均质压力对卵清蛋白功能性质的 影响 2 1 引言 蛋白质是食品的主要营养成分，也是使食品具有良好质构的重要因素。蛋 白质的功能性质是指蛋白质在食品加工中，如制取、配制、加工、烹调、贮藏、 销售过程中所表现出来的理化特性的总称。它不仅影响食品的感官特性，而且 关系到食品在加工和保藏过程中其它状态特性的变化。蛋白质的功能性质对于 决定产品的质量和可食用性具有十分重要的作用。 蛋白质的功能性质主要分为三类：( 1 ) 水化性质，包括水吸收及保留、湿 润性、溶胀、粘着性、分散性、溶解性和粘度。由蛋白质肽链骨架上的极性基 团与水分子发生水化作用。( 2 ) 与蛋白质一蛋白质相互作用有关的性质，包括 产生沉淀作用、凝胶作用和形成各种其它结构( 如蛋白质面团和纤维) 。蛋白 质分子受热舒展，内部的疏水基团暴露出来，通过疏水作用( 高温能提高此类 作用) 、静电作用( 通过c a 2 + 和其它二价离子桥联接的) 、氢键( 冷却能提高 此类作用) 或二硫交联形成空间网状结构。( 3 ) 表面活性，包括表面张力、乳 化作用和泡沫特征。蛋白质结构中既有亲水基又有亲油基，能够吸附在油一水 或空气一水界面上，一旦被界面吸附，蛋白质形成一层膜，可阻止小液滴或气 泡聚集，有助于稳定乳化液和气泡。但是这些性质并不是完全独立的，例如， 溶解性和粘度不仅取决于蛋白质和水的相互作用，而且也涉及到蛋白质和蛋白 质的相互作用，凝胶作用与蛋白质和蛋白质、蛋白质和水的相互作用都有关。 此外，蛋白的功能性质还直接与制取蛋白的加工工艺条件有关，尤其是加工后 产品的蛋白质变性程度、粗细度等将直接影响其功能和用途。 动态超高压微射流均质技术是利用高压使得液体物料高速流过狭窄的缝 隙时受到强大的剪切力、液料被冲击到金属环上而产生强大撞击力以及因静压 力突降与突升而产生的空穴爆炸力等综合作用，把原先颗粒比较粗大的乳浊液 或悬浮液加工成颗粒非常细微的乳浊液或悬浮液的过程。在这种均质过程中， 剧烈的处理条件如液体高速撞击、高剪切、空穴爆炸、高速振荡等作用可能会 导致大分子结构的变化，尤其是蛋白质，从而引起蛋白质功能性质的变化。均 质压力的不同，微流机对物料所产生的综合作用力则会发生改变，这种改变可 1 2 第2 章动态超高压微射流均质压力对卵清蛋白功能性质的影响 能会使蛋白的功能性质发生变化，本章主要研究动态超高压微射流的均质压力 对卵清蛋白溶解性、持水性、起泡性、乳化性、流变性、凝胶性的影响。 2 2 材料与方法 2 2 1 实验材料 新鲜鸡蛋( 购于南昌天虹超市) 2 2 2 试剂 表2 1 实验试剂 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 主要仪器与设备 第2 章动态超高压微射流均质压力对卵清蛋白功能性质的影响 表2 2 实验仪器与设备 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 仪器设备名称产地和产家 高速分散均质机f j 2 0 0 凯氏定氮仪k d y - 9 8 2 0 控温消煮炉k x l 一1 0 1 0 微射流均质机m 一7 0 0 型 物性测定仪1 a x tp l u s 紫外可见分光光度计v i s 7 2 0 0 流变仪 离心机a n k et g l 1 6 c 电泳仪d y c z 真空冷冻干燥机f r e e z o n e4 5l i a e r 上海标本模型厂 北京市通润源机电技术有限公司 北京市通润源机电技术有限公司 美国m i c r o f l u i d i c s 公司 英国s t a b l em i c r os y s t e m 公司 北京普析通用仪器有限责任公司 美国b r o o k f i e l d 公司 上海安亭科学仪器厂 北京人一仪器厂 美国l a b c o n c o 公司 2 2 4 实验方法 ( 1 ) 卵清蛋白的分离提取 将新鲜鸡蛋的蛋清和蛋黄用漏斗进行分离，大孔纱布过滤，除去蛋清中的 系带等杂质。采用硫酸铵饱和结晶法和等电点沉淀法分离出蛋清