第五章 蛋白质

蛋白质

ProteinsTheSchoolofBiotechnologyandFoodEngineeringtheDepartmentofFoodEngineering2008-9-30

IntroductionAminoacidsStructuresofProteinsFunctionalPropertiesofProteinsChangesofProteinsduringtheFoodProcessing5.45.5ContentsAminoacid,Polypeptide

and

Protein5.1IntroductionHowcanwegetproteins?

1.Animals2.Vegetables3.Microorganism4.SyntheticproteinsAnimalsVegetablesNewsCuteHealthPitifulInnutrientHelplessResearchinProteinsTheNobelPrizeinChemistry2004

IntroductionAminoacidsStructuresofProteinsFunctionsofProteinsChangesofProteinsduringtheFoodProcessing5.45.5ContentsAminoacid,Polypeptide

and

Protein5.2AminoacidsGeneralPropertiesofAminoAcidsCCOOHHRNH2COO-NH3+pI(important!)=pHvaluewhenthenetchargeofaminogroupiszero.(P.139)5.2AminoacidsPhysicochemicalPropertiesofAminoAcids1.Hydrophobicproperties2.AcidityandBasicity3.Spectrum

4.ReactivityHydrophobicproperties△G0=-RTlnSEthanol/SH2OCCOOHHRNH2?(important)=HowtoestimatetheHydrophobicpropertiesofagivenaminoacid

?AcidityandBasicityCCOOHHRNH2n(aminogroup)>n(carboxylgroup)Basicn(carboxylgroup)>n(aminogroup)Acidic

SpectrumVisiblelight(Vis)negativeUltraviolet(UV)Thr,Tyr,PhefluorescenceAbsorbancepeakat280nmReactivityNinhydrinReaction(茚三酮反应)与邻苯二甲醛反应MaillardReaction(美拉德反应)褐变反应BrowningReactionCommonbrowningoffoodsonheatingoronstorageisusuallyduetoachemicalreactionbetweenreducingsugars,mainlyD-glucose,andafreeaminoacidorafreeaminoacidthatispartofaproteinchain.ThisreactioniscalledtheMaillardreaction.5.3StructuresofProteins

Primarystructure

SecondaryStructure

TertiaryStructure指氨基酸通过共价键（肽键）连接而成的线性序列(LinearSequence)氨基酸残基周期性的（有规则的）空间排列。二级结构进一步折叠成紧密的三维结构（多肽链的空间排列）

QuaternaryStructure多于一条多肽链的蛋白质分子的空间排列，以二聚体、三聚体、四聚体等形式存在。5.3StructuresofProteins5.3StructuresofProteinsPrimarystructure5.3StructuresofProteins

SecondaryStructure

-螺旋β折叠结构氢键稳定性：β-折叠片＞-螺旋加热和冷却×-螺旋

β-折叠5.3StructuresofProteinsTertiaryStructure肌红蛋白亲水性——蛋白质-水界面；疏水性——内部β-乳球蛋白5.3StructuresofProteinsQuaternaryStructure5.4FunctionalPropertiesofProteinsTheconceptoffunctionalpropertiesofproteins在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白质在食品体系中的性能的那些蛋白质的物理和化学性质。PropertiesofProteinsHydrationpropertiesInterfacialpropertiesStructuralpropertiesSensorypropertiesPropertiesofproteinsEmulsifying

propertiesFoamingpropertiesCombinationwithfatandflavorcompounds

SolubilityViscosityWatercapacityGelationBondingElasticproperty

PropertiesofProteinsHydrationproperties

蛋白质分子中带电基团、主链肽基团、Asn、Gln的酰胺基、Ser、Thr和非极性残基团与水分子相互结合的性质。PropertiesofProteinsTheprocessinvolvedinhydrationofproteinsFactorsactingonHydrationpropertiespH＝pI时，蛋白质的水合能力最低。温度升高，水合能力下降。极性氨基酸越多，水合能力越高。TemperatureCompositionpH低浓度的盐能提高蛋白质的水合能力。Ionconcentration水的总吸收量随C(P)的增加而增加。ProteinconcentrationImportant！Determinationmethods相对湿度法溶胀法HydrationpropertiesAB水饱和法D过量水法C

测定一定水活度aW时所吸收或丢失的水量，该法可以用于评价蛋白粉的吸湿性和结快现象。将蛋白粉置于下端连有刻度毛细管的烧结玻璃过滤器上，让其吸收毛细管中的水，即测定其水合作用的速度和程度。让蛋白质与过量水接触，再过滤，离心过剩水。该法只适用于溶解度低的蛋白质，对于可溶性蛋白质必须进行校正。测定蛋白质饱和溶液所需要的水量。Important

！StructuralpropertiesViscosity1Viscosityispositivelycorrelatedwiththewaterabsorptioncapacityofproteins.Structuralproperties

Solubility2蛋白质---蛋白质溶剂---溶剂蛋白质----溶剂+实质疏水相互作用离子相互作用+蛋白质的溶解度大小Structuralproperties氨基酸残基平均疏水性的大小电荷频率高低决定蛋白质溶解度决定

蛋白质的溶解度与氨基酸残基的平均疏水性△G0=Σ△G0＇/n）和电荷频率[σ＝(n++n-)/n]有关，平均疏水性愈小和电荷频率愈大，蛋白质的溶解度愈大。Bigelowtheory最受蛋白质溶解度影响的功能性质:增稠、起泡、乳化和胶凝作用。StructuralpropertiesFactorsaffectingthesolubilitypHpH＝pI时，蛋白质的溶解度最低。

利用这一性质进行蛋白质提取：在弱碱性8～9时提取，在4.5～4.8等电点沉淀。P.155低离子强度（＜0.5）—电荷屏蔽效应高离子强度（＞1）—离子效应Ionstrength

T0～40℃，温度↑，溶解度↑＞40℃，温度↑，溶解度↓Organicsolvent一般溶解度↓Important！5.4FunctionalPropertiesofProteinsInterfacialproperties

蛋白质能自发地迁移至汽-水界面或油-水界面的性质。5.4FunctionalPropertiesofProteinsEmulsifying

propertiesInterfacialpropertiesFoamingpropertiesInterfacialpropertiesP.158Emulsifying

properties1一般而言，P的疏水性越强，P在界面的浓度越大，表面张力愈低，乳状液愈稳定。疏水值↑，表面张力↓乳化活力↑(乳化活性指数，m2/g).疏水值表面张力软化活力疏水值InterfacialpropertiesFactorspHpH=PIProteinsolubilitySolubility↑emulsifyingcapacity↑emulsionstability↑SalteffectEmulsifying

propertiesSalting-outeffectsalting-ineffect

ProteinsurfacehydrophobicityWeakpositivecorrelationHeatingEmulsionstability↓

Surfactant

Emulsifyingcapacity↓Important！InterfacialpropertiesFoamingproperties2汽--液界面形成坚韧的薄膜使大量气泡并入和稳定的能力。P.160InterfacialpropertiesFoamingmethods搅打法：在有大量气体存在的条件下，通过打擦或振荡蛋白质溶液而产生泡沫减压法：将高压气体通入蛋白质溶液，突然减压，气体膨胀形成泡沫鼓泡法：将气体通过一个多孔分配器鼓入低浓度蛋白质溶液中产生泡沫Interfacialproperties

必须快速地吸附至气--水界面

必须易在界面上展开和重排必须在界面上形成一层粘合性膜蛋白质作为起泡剂的必要条件Interfacialproperties影响泡沫形成和稳定性的因素Foaming

properties

pHSaltFatProteinconcentrationC<10%,C↑,稳定性↑一般不在pI。卵清蛋白（例外）Salting-outeffect，起泡性质好salting-ineffect，起泡性质差Sugar起泡能力↓，稳定性↑。稳定性↓过度激烈搅拌，稳定性↓StirringImportant！InterfacialpropertiesEvaluationofFoamingpropertiesP.161膨胀率（Overrun）起泡力（FoamingPower）SensorypropertiesCombinationwithflavorcompounds蛋白质风味+蛋白质----风味有利不有利良好风味载体与不良风味结合Sensoryproperties干蛋白粉液态或高水分食品中蛋白质物理吸附范德华力和毛细管作用吸附化学吸附静电吸附、氢键结合和共价结合非极性配位体与蛋白质表面的疏水性小区相互作用通过氢键相互作用静电相互作用醛类化合物通过共价键结合至赖氨酸残基上CombinationfashionsSensorypropertiesFactorsactingonsensorypropertiesProteinconformationAnychangescouldinfluencethecombinationWaterPromotethecombinationwithpolarvolatilespHBasicconditionspromotethecombinationHeatingHeat-denaturedproteinsbearhighercombinationcapacityChemicalmodificationAnychemicalmodificationscouldalterthecombinationpropertiesP.162Important！StructuralpropertiesGelationElasticpropertyStructuralpropertiesStructuralpropertiesGelationS指变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构过程。Structuralproperties

TypesofAminoAcidResidues高于31.5%非极性AA—凝结块类型低于31.5%非极性AA—透明类型

pH

ConcentrationofProteins

MetalIonspI—凝结块类凝胶极端pH—弱凝胶，半透明形成凝胶的最适pH约7～8Ca2+强化了凝胶结构过量钙桥产生凝结块Factorsactingongelationofproteins浓度越大，越易形成凝胶Important！P.157Proteindenaturation

由于外界因素的作用，使天然蛋白质分子的构象发生了异常变化，从而导致生物活性的丧失以及物理、化学性质的异常变化，不包括一级结构上肽键的断裂。Proteindenaturation物理性质的改变凝集、沉淀流动双折射粘度增加旋光值改变紫外、荧光光谱发生变化化学性质的改变酶水解速度增加分子内部基团暴露生物性能的改变抗原性改变生物功能丧失蛋白质变性现象ProteindenaturationFactorsinducingproteindenaturationP144物理因素热致变辐射变性高压变性超声波变性Proteindenaturation化学因素酸和碱有机溶剂重金属盐Proteindeposition可逆沉淀盐析有机溶剂沉淀等电点沉淀法不可逆沉淀重金属沉淀生物碱试剂或酸热凝固沉淀DepositionmethodsImportant！Proteindeposition盐析沉淀Salting-ineffectSalting-outeffect在盐浓度很稀的范围内，随着盐浓度增加，蛋白质的溶解度也随之增加，这种现象称为盐溶。当中性盐浓度增加到一定程度时，蛋白质的溶解度明显下降并沉淀析出的现象，叫作盐析。盐溶机理：蛋白质表面电荷吸附某种盐离子后，带电表层使蛋白质分子彼此排斥，而蛋白质分子与水分子间的相互作用却加强，因而使溶解度提高。盐析机理：大量盐的加入，使水的活度降低，使原来溶液中的大部分自由水转变为盐离子的水化水，从而降低了蛋白质极性基团与水分子间的相互作用，破坏蛋白质分子表面的水化层。Proteindeposition有机溶剂沉淀

水溶性有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等达到相当饱和度时可以使蛋白质沉淀。这些溶剂与水的亲和力比蛋白质强，能夺取蛋白质分子表面的水化膜，同时降低水的介电常数，增加蛋白质分子间的静电相互作用，导致蛋白质分子聚集沉淀。Proteindeposition等电点沉淀法（弱酸或弱碱沉淀法）

用弱酸或弱碱调节蛋白质溶液的pH处于等电点处，使蛋白质沉淀。破坏蛋白质表面净电荷。Proteindeposition重金属沉淀

当溶液pH大于等电点时，蛋白质颗粒带净负电荷，易与重金属离子结合成不溶性盐而沉淀析出。重金属盐加入之后，与带负电的羧基结合。Proteindeposition生物碱试剂或酸当pH小于等电点时，蛋白质分子以阳离子形式存在，易与生物碱或酸根负离子结合成不溶性盐而沉淀。热凝固沉淀蛋白质受热变性后，再加入少量盐类或将pH值调至等电点，则很容易发生凝固变性。5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessing

ChangesofProteinsHeat-treatmentP.145Lowtemperature-treatmentAlkali-treatmentOxidation-treatmentDehydration-treatment5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessingHeat-treatmentBenefits

改善其营养价值，变性蛋白质利于人体消化吸收蛋白质的热凝固利于食品造型和强度蛋白质经适当热处理后引起的美拉德反应可赋于食品各种优美的色、香、味等。抑制有害酶活性，提高食品品质5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessingHeat-treatmentExcessHeating

Harmful

consequences

产生有毒物质导致蛋白质效价的降低导致硫蛋白的分解5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessingLowtemperature-treatment

食品的低温贮藏可延缓或阻止微生物的生长并抑制酶的活性及化学变化。冷却（冷藏）4～7℃冷冻（冻藏）-18℃以下冰结晶，蛋白质变性水化作用降低；快速冷冻法。5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessingAlkali-treatment蛋白质的浓缩、分离、起泡、乳化或使溶液中的蛋白质连成纤维状，常需要碱处理。可使精氨酸、胱氨酸、色氨酸和赖氨酸发生构型变化，同L型变为D型，营养价值降低。5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessingOxidation-treatment导致蛋白质营养价值的降低，甚至还产生有害物质。

H2O2引起酪氨酸发生氧化性交联

形成蛋白质自由基PH

+LOO·→P·+LOOH·

天然蛋白质脂类自由基脂类过氧化物

形成的蛋白质自由基P·，随后发生多肽链聚合等P·+P·→P-P5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessing蛋白质与氧化剂之间的相互作用蛋氨酸的氧化5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessing蛋白质与氧化剂之间的相互作用

半胱氨酸的氧化5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessing蛋白质与氧化剂之间的相互作用色氨酸的氧化5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessingDehydration-treatment早期乳粉、周村烧饼脱水蔬菜(方便面)（自然干燥法）山野菜、蘑菇蛋粉、乳粉桂圆粉、大蒜粉、香蕉粉、南瓜粉传统的脱水方法真空干燥冷冻干燥喷雾干燥鼓膜干燥5.5ChangesofProteinsduringthe

FoodProcessing辐照处理下的变化机械处理下的变化杀菌（紫外线）；诱变育种（太空辣椒等）均质－－牛奶等面团形成－－面包发泡面糊－－蛋糕挤压组织化－－膨化食品，人造肉。ModificationofProteinsinFoodChemicalModificationEnzymaticModificationModificationAcidic/basicLimitedHydrolysisPhosphorylation

Acylation

EsterificationEnzymeCatalyzed-HydrolysisPlasteinReactionProteinCross-Linking

Acylation

酰化试剂（乙酸酐、琥珀酸酐）与赖氨酸残基的ε-氨基作用带更多的负电荷溶解度和水合作用提高教好的起泡能力较差的泡沫稳定性教好的热稳定性ModificationofProteinsinFoodChemica