文献综述-蛋白氧化

文献综述乳清蛋白氧化的研究摘要 乳清蛋白是从牛奶中提取的一种蛋白质，营养价值高、易消化吸收、含有多种活性成分等，是公认的人体优质蛋白质补充剂之一。近年来乳清蛋白氧化及其对蛋白质结构与功能性的影响已引起广泛关注。本文针对乳清蛋白氧化概括了其在氧化方式、氧化蛋白的应用、蛋白氧化的测定等研究进展。关键词：乳清蛋白 氧化 应用 影响因素 发展趋势1 乳清蛋白1.1 乳清蛋白的成分 乳清蛋白是酪蛋白沉淀分离时保留在上清液中的多种蛋白质组分的统称。其含量约为牛乳总重的0.7%，由-乳球蛋白、-乳白蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白以及具有热稳定、酸溶性的月示胨等成分组成。1.2 乳清蛋白的营养特点 乳清蛋白是采用先进工艺从牛奶分离提取出来的珍贵蛋白质，以其纯度高、吸收率高、氨基酸组成最合理等诸多优势被推为“蛋白之王”。 乳清蛋白不但容易消化，而且还具有高生物价、高消化率、高蛋白质功效比和高利用率，是蛋白质中的精品等特点，是公认的人体优质蛋白质补充剂之一。 其营养特点如下：首先，在各种蛋白质中，乳清蛋白的营养价值是最高的。乳清蛋白属于优质的完全蛋白质，也是动物性蛋白。它含有人体必需的8种氨基酸，且配比合理，接近人体的需求比例，是人体生长、发育、抗衰老等生命活动不可缺少的精华物质。 第二，乳清蛋白较易被消化吸收，乳清中富含半胱氨酸和蛋氨酸，它们能维持人体内抗氧化剂的水平。还有许多实验研究都证明1，服用乳清蛋白浓缩物能促进体液免疫和细胞免疫，刺激人体免疫系统，阻止化学诱发性癌症的发生。所以乳清蛋白又是一种非常好的增强免疫力的蛋白。 第三，乳清蛋白中脂肪、乳糖含量低，但它含有-乳球蛋白、-乳白蛋白、免疫球蛋白，还有其他多种活性成分。正是这些活性成分使乳清蛋白具备了有益于人体的诸多保健功能，因此它被认为是人体所需的优质蛋白质来源之一。从营养学的角度来看，经动物性蛋白质来源的食物中含有对人体有害的过量饱和脂肪、胆固醇等有害物质，过量食用易导致人体脂肪和胆固醇升高，从而导致心血管疾病的发生。通过服用蛋白粉可以在补充蛋白的同时避免这些问题。再加上它服用方便，利用率高，能减少肠胃负担，所以服用蛋白粉是我们补充蛋白质的最佳选择，而乳清蛋白则是我们选择蛋白粉的首要考虑。1.3 乳清蛋白的特性1.3.1 成胶性 当温度达65时乳清蛋白开始成胶，成胶性能使液态或可流动的产品变成固态，在调整食品质地如硬度、粘结性和弹性中发挥重要作用2。1.3.2 持水性 经热处理后，乳清蛋白肽链展开，其持水性增大。乳清蛋白作为持水剂常用于肉馅、香肠、面包及蛋糕等食品2。 1.3.3 搅打起泡性 乳清蛋白在形成泡沫时具有表面活性作用。乳清蛋白的搅打性能使其成为鸡蛋清的有效代用品。特别是低脂肪乳清浓缩蛋白，具有很高的泡沫膨胀性能，使起泡时间延长3。1.3.4 乳化性 乳清蛋白每个分子中既有亲水基团又有疏水基团，在水溶液中，亲水基团大多数分布于外侧，而呈现较好的水溶性。这种结构赋予乳清蛋白极佳的表面活性和乳化稳定性3。1.3.5 成膜型 乳清蛋白具有良好的成膜性和涂布性。以乳清蛋白为基础制备的可食涂层具有较强的氧气和水分阻隔性能,可提高产品的稳定性,保持风味和口感,延长食品保质期2-3。2 蛋白质氧化概述2.1 蛋白质的氧化方式 蛋白质的氧化分为主链和侧链的氧化4。蛋白质主链断裂可以通过SDS2聚丙烯酰胺凝胶电泳或高效液相色谱HPLC被迅速检测。但由于生物系统中多种蛋白质的存在以及蛋白酶体的潜在水解修复作用，因此在完整的生物体系中，主链断裂产生的片段几乎不能用来作为蛋白质氧化性损伤的标志物。 蛋白质侧链的氧化有以下几种：2.1.1 脂肪族氨基酸 自由基和侧链残基反应可以产生多种产物。在O2 存在时，羟自由基及其他自由基都可以氧化蛋白质的脂肪族侧链，形成氢过氧化物、羟基衍生物和羰基复合物。羟基衍生物比较稳定，不易进一步氧化，其中许多已经作为蛋白质氧化的标志物。蛋白质的羰基衍生物是侧链赖氨酸、脯氨酸、精氨酸等通过大量的烷氧自由基和过氧自由基反应形成的，羰基及其衍生物的存在已经被作为由ROS 介导的重要的蛋白质氧化标志物。2.1.2 芳香族与杂环氨基酸 芳香族与杂环氨基酸中的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸等侧链也很容易被氧化。自由基进攻的主要位点是这些氨基酸残基的芳香环或杂环，结果导致环的氧化或断裂，形成不同的氧化产物。2.1.3 含硫氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸对几乎所有ROS 都特别敏感。即使在比较温和的条件下，半胱氨酸也可以氧化形成二硫化物，蛋氨酸残基可以氧化为蛋氨酸亚砜残基。尽管半胱氨酸、蛋氨酸残基很容易被氧化，但由于生物体系中含有二硫化物还原酶和蛋氨酸还原酶，可以还原氧化型半胱氨酸和蛋氨酸,使损伤得以修复。因此，半胱氨酸和蛋氨酸的氧化产物不能作为理想的蛋白质氧化性损伤的标志物。同时，修复酶体系活性的高低对氧化损伤水平也有显著影响，特别是在慢性低水平氧应激时，修复过程可以和损伤过程进行竞争，在评价氧化损伤的程度时容易产生错误的结论。2.2 蛋白氧化机制 李国林5等人研究了ROS介导的蛋白质氧化的生化机制。课题研究表明ROS 可以通过直接诱导蛋白质主链和侧链氧化，也可通过脂质过氧化和糖基化等过程间接诱导蛋白质氧化，从而导致蛋白质主链断裂、侧链-切除、蛋白质羰基化以及蛋白质-蛋白质交联，最终导致机体生理和病理的改变，乃至加速衰老过程。2.3 蛋白氧化引起的变化 在乳与乳品加工及贮藏过程中，氧化作用引起的质量劣变作用可能仅次于微生物腐败。由于原乳及乳制品中含有较高的不饱和脂肪酸、风味物质、金属催化剂、氧化酶类等成分，以及在加工中添加的一些成分，使之非常容易发生氧化。而氧化会影响乳品感官和营养功能性质，甚至会产生有毒化合物6。另一方面，关于氧化引起的食品质量劣变研究也促使抗氧化技术迅猛发展。早期关于乳品的氧化研究大量针对脂类物质7，直到最近人们才认识到蛋白质对氧化也非常敏感，而蛋白质氧化会导致蛋白质的物理化学性质发生变化，即影响蛋白质的功能性质。但是，在乳制品加工和贮藏条件下由氧化引起的乳清蛋白理化性质改变的原因尚未明确证实6。2.3.1 蛋白氧化导致的蛋白结构与功能性质的变化 崔旭海8等人研究了乳清蛋白氧化后氨基酸含量的影响。文中主要研究了在羟基自由基氧化体系中，不同的H2O2浓度(120mmol/L)和FeCl3浓度（0.12mmol/L）下对乳清蛋白羰基、氨基和氨基酸含量的影响，每种氧化条件的氧化时间分别为1、3、5 h。结果表明：氧化导致了蛋白中羰基含量的增加和氨基含量的降低，并且显著地影响了乳清蛋白的氨基酸含量。同未氧化的对照组乳清蛋白相比，总氨基酸和必需氨基酸含量均发生了明显降低，并且随着氧化时间的增加降低越迅速。总氨基酸含量最多降低达13%，必需氨基酸降低达16% ，尤其在 FeCl3体系中表现更为显著。同时也发现，氨基酸的变化与羰量和氨基的变化是密切相关的。因此，在实际生产中我们应尽量控制蛋白氧化的发生，以减少氨基酸等营养成分的损失。文中利用氨基酸自动分析仪测定的氨基酸含量。不同氧化程度蛋白总氨基酸含量变化如表1所示。同原料蛋白相比，氧化降低了蛋白的总氨基酸和必需氨基酸含量，并且几乎所有氨基酸的含量都有不同程度的降低。从表中看出，两种氧化体系中，随着氧化时间的增加，总氨基酸是明显下降的。表1 氧化体系中不同氧化程度蛋白总氨基酸含量的变化(g氨基酸/100g粗蛋白) 程恒9等人在羟基自由基氧化体系条件下比较研究了氧化反应所致酪蛋白、-酪蛋白和乳清分离蛋白的结构和功能变化。通过测定蛋白质的溶解度和变性程度反映蛋白质经氧化后空间结构变化，通过测定巯基和羰基的含量来反映蛋白氧化还原基团的变化，通过SDS-PAGE来反映氧化所致蛋白质交联情况。现将乳清分离蛋白的实验结果列表如下：表2 乳清分离蛋白各个试验结果氧化反应时间/h乳清分离蛋白溶解度变化/%变形程度/%巯基含量/(mol/L)羰基含量/(nmol/mg蛋白质)079.50.7a17.31.3a79.41.3a89.90.1a269.81.2b35.31.6b67.51.3b97.40.1b463.62.8c44.41.7c50.31.3c114.20.1c652.41.8d49.90.728.51.3d126.10.1d843.82.3e57.22.4d8.81.3e147.90.1e注：3种乳蛋白浓度均为5 mg/ml，在Fenton体系(37 )条件下发生氧化反应，同一列中标有不同字母的组别表示彼此间有显著性差异(p0.05)。 从表2中可以看出，乳清蛋白溶解度随着氧化反应时间的延长逐渐减小，在反应2 h后溶解度显著性降低(p0.05)。这说明乳清分离蛋白经氧化后溶解度降低；乳清蛋白变性程度随着氧化反应时间的延长逐渐增大，并且在反应2 h后变性程度显著性降低(p0.05)，这说明乳清分离蛋白经氧化后变性程度增大；乳清分离蛋白在Fenton体系条件下氧化后，蛋白中巯基含量随着氧化反应时间的延长逐渐减小，并且在反应2 h后巯基含量显著性减小(p0.05)，这说明乳清分离蛋白经氧化后分子中的巯基含量减小；蛋白中羰基含量随着氧化反应时间的延长逐渐增大，并且在反应2 h后巯基含量显著性增大(p0.05)，这说明乳清分离蛋白经氧化后分子中的羰基含量增大。注：图中M为蛋白Marker，其他泳道条带为乳清分离蛋白在Fenton体系(37 )条件下氧化反应0、2、4、6、8 h后电泳图条带。乳清分离蛋白浓度5 mg/ml，上样量为40 l。图1 乳清分离蛋白在不同氧化时间的变化图1为乳清分离蛋白氧化后SDS-PAGE实验结果，由图1可知，乳清分离蛋白在氧化反应之前，蛋白条带清晰可见。在通过Fenton体系氧化反应2 h后，原有条带密度明显减小，并且随着反应时间的延长，原有条带密度逐渐减小，在反应6 h后原有条带几乎完全消失，而在高分子区域出现条带并且密度逐渐增大。这说明乳清分离蛋白在通过Fenton体系氧化反应之后发生蛋白质交联反应，从而生成了高分子物质。2.4 蛋白氧化值得测定 引起蛋白质氧化损伤的反应中，许多都涉及到蛋白质羰基的产生。蛋白质羰基的产生是蛋白质分子被自由基氧化修饰的一个重要标记，由于这一特征具有普遍性，因而通过测定羰基含量可判断蛋白质是否被氧化损伤10。目前，测定羰基含量的方法有4种：段丽菊11等人DNPH(2,4-二硝基苯肼)比色法测定羰基含量。原理是：被氧化后的蛋白质羰基含量增多，羰基可与2 ,4-二硝基苯肼反应生成2 ,4-二硝基苯腙，2 ,4-二硝基苯腙为红棕色的沉淀，将沉淀用盐酸胍溶解后即可在分光光度计上读取370 nm下的吸光度值，从而测定蛋白质的羰基含量。蛋白质羰基形成是多种氨基酸在蛋白质的氧化修饰过程中的早期标志，蛋白质羰基含量可直接反映蛋白质氧化损伤的程度，因此，蛋白质羰基含量的测定具有实际意义。2 ,4-二硝基苯肼(DNPH)比色法作为测定蛋白质羰基含量的经典方法具有操作简单、所需药品廉价、设备要求低等特点,其有很广的应用范围。熊绪杰12在其研究中在1,3,5,7-四甲基取代的二氟化硼-二毗咯甲烷 (BOIDPY)母核上引入肼功能团，开发用于测定羰基化合物的荧光衍生试剂建立新的HPLC-FD测定羰基化合物的分析方法。原理是：氟化硼-二毗咯甲烷 (BOIDPY )是一类具有较高的荧光量子产率(典型 0.6-1.0)和摩尔吸光系数(一般 6000 -8000M-1cm-1)的荧光团，其荧光强度对PH以及溶剂不敏感，窄的吸收、发射带宽等综合荧光性能已优于荧光素、四甲基罗丹明、得克萨斯红等染料，并且通过结构设计可以调节该染料的荧光量子产率和发射波长，1,3,5,7-四甲基取代的 BOD IP Y , 其荧光激发波长在490nm左右，与商业化的氩离子激光器波长(488 nm) 相匹配。故采用1,3,5,7-四甲基取代的 BOIDPY 母核上引入肼功能团，开发用于测定羰基化合物。尹燕霞13等人对荧光光谱法在蛋白质研究中的应用进行探究，文中介绍到，蛋白质中伯胺可以与荧光胺反应生成发荧光的化合物，其荧光强度与蛋白质的含量成正比，因而可利用荧光胺测定蛋白质的含量，但必须预先测定已知浓度的标准蛋白溶液的荧光强度。除了上述介绍的测定氧化蛋白的含量的方法外，还有硼氢化钠法测羰基含量14等方法。3 蛋白氧化的影响因素 莫玲15等人研究了干燥方法对乳蛋白氧化的影响。试验方法为：通过不同的进风温度（160、170、180）对全脂乳和脱脂乳进行喷雾干燥及全脂乳的冷冻干燥处理，测定其羰基、巯基的含量。结果表明，乳蛋白经喷雾干燥及冷冻干燥处理后，羰基含量随温度的上升及脂肪含量的增多显著上升（p0.05），巯基含量呈下降趋势。冷冻干燥组羰基含量比全脂喷雾干燥组低，巯基与之相比呈上升趋势。结论是，喷雾干燥等加工方法会导致乳蛋白发生不同程度的氧化，导致乳蛋白理化性质的改变。图2 喷雾干燥及冷冻处理对乳蛋白羰基含量的影响注：图柱上不同小写字母代表差异显著（p0.05）图3 同。 蛋白质羰基含量是判定蛋白质氧化损伤的一项重要指标，因此可用来衡量事物抗氧化能力。图2显示，随着喷雾干燥进风温度升高，乳蛋白羰基含量显著升高（p0.05），巯基含量下降；脱脂组与喷雾170相比，羰基含量极显著降低（p120s）的微波加热会使WPI的羰基含量、二聚酪氨酸含量明显的增加，巯基含量明显下降，表面疏水性与荧光光谱结果显示长时间微波加热可能对WPI结构有明显修饰作用并改变其空间构象，SDS-PAGE结果显示长时间微波加热有明显的交联现象产生。 图4 普通加热与微波加热对WPI结构的影响由图4 可以很明显的对比出普通加热和微波加热对牛乳清蛋白氧化的影响。图5 普通加热与微波加热对WPI结构影响的电泳图 由图5可以看出，普通加热随着时间增加，交联体条带增多。短时间微波加热聚合物形成相对不明显，而随微波加热时间增加WPI蛋白交联聚合现象更为明显增加。本研究结果显示应该合理地控制微波加热牛乳及其制品的时间，减少氧化作用的产生，防止其营养价值的降低。4 氧化蛋白在食品中的应用4.1 在酸奶中的应用崔旭海9-17研究了研究了经羟基自由基产生体系氧化后的乳清蛋白在酸奶中的应用。结果表明：在酸奶中添加经H2O2体系氧化后的乳清蛋白，产品各项指标明显好于添加FeCl3体系的酸奶，且能够提高产品的性能和口感，尤其是添加氧化3h的氧化蛋白其感官评分达到最大。这说明，适当的氧化可以改进产品的品质，提高了产品的可接受性。4.2 在冰淇淋中的应用崔旭海18-19等人研究经羟基自由基产生体系氧化后的乳清蛋白在冰淇淋中的应用，测定蛋白氧化的主要指标羰基含量，并对影响冰淇淋品质的主要参数(包括膨胀率、抗融性、保形性)以及感官指标进行评定。结果表明：在冰淇淋中添加经 H2O2体系氧化后的乳清蛋白，产品各项指标明显好于添加 FeCl3体系的冰淇淋，且能够提高产品的性能，尤其是添加氧化 1h 的氧化蛋白其感官评分达到最大，但同对照比口感略有降低。这说明，适当的氧化可以改进产品的品质，提高产品的可接受性，但需改进口感。5 结束语 乳制品在加工储藏过程中，蛋白质由于发生氧化反应而导致质量劣变，会给乳品加工带来很大的损失。蛋白质的氧化会改变食品的风味，并且还会导致其物理化学性质的改变，例如氨基酸含量的降低、溶解度的降低、巯基的减少以及羰基化合物的生成，虽然氧化作用可以损坏蛋白的一些功能性质，但是，有研究表明一些蛋白可以通过适当的氧化作用而增强一些加工特性。比如肌肉蛋白的凝胶性质和乳化性质可以通过轻微的氧化作用得到增强20；大豆蛋白和小麦蛋白的流变学性质可以通过适当的氧化作用得到增强21；崔旭海在研究乳清蛋白时发现，氧化作用可以提高乳清蛋白的交联聚合能力。 综合以上论述来看，蛋白氧化有利有弊，我们应该充分利用氧化蛋白的优点，将其应用到食品行业；更要有效地规避其缺点，避免蛋白氧化造成不必要的食品的营养损失及不良的变化。参考文献：1 吴志贤,薛耀明. 蛋白质氧化的研究进展J. 临床检验杂志,2007,25(6):476-477.2 张丹凤. 乳清蛋白的特性及其在乳制品生产中的应用J. 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ROS介导的蛋白质氧化的生化机制J. 生命的化学,2007,27(6):516-520.6 崔旭海,孔保华. 蛋白质氧化及其对乳蛋白结构与功能性的影响J. 中国乳品工业,2008,36(1):44-47.7 姜晴晴,鲁 珺,叶兴乾. 肉制品中蛋白质氧化的研究进展J. 食品工业科技,2013(23):386-389.8 崔旭海,孔保华. 羟基自由基氧化对乳清蛋白氨基酸含量的影响J. 食品工业科技,2010,3