五章食品中氨基酸多肽及蛋白类物质

5.1概述5.2蛋白质的理化性质5.3蛋白质的食品加工学特性5.4食品中常见的蛋白质食品中的氨基酸、多肽及蛋白类物质5.1概述5.1.1氨基酸基本的理化性质一、基本物理学性质包括基本组成和结构、溶解性、酸碱性质、立体化学、熔点、沸点、光学行为、旋光性、疏水性等。

(一）溶解性质

氨基酸在水中的溶解度（25℃,g/L）氨基酸溶解度氨基酸溶解度氨基酸溶解度丙氨酸(Ala)167.2精氨酸(Arg)855.6天冬酰胺(Asn)28.5天冬氨酸(Asp)5.0半胱氨酸(Cys)－谷氨酰胺(Gln)7.2(37℃)谷氨酸(Glu)8.5甘氨酸(Gly)249.9组氨酸(His)－异亮氨酸(Ile)34.5亮氨酸(Leu)21.7赖氨酸(Lys)739.0蛋氨酸(Met)56.2苯丙氨酸(Phe)27.6脯氨酸(Pro)1620.0丝氨酸(Ser)422.0苏氨酸(Thr)13.2色氨酸(Trp)13.6酪氨酸(Tyr)0.4缬氨酸(Val)58.1据OwenR.Fennema,FoodChemistry,MarcelDekker,Inc.1996,270根据氨基酸侧链与水相互作用的程度可将氨基酸分作几类含有脂肪族和芳香族侧链的氨基酸，如Ala、Ile、Leu、Met、Pro、Val及Phe、Tyr，由于侧链的疏水性，这些氨基酸在水中的溶解度均较小；侧链带有电荷或极性集团的氨基酸，如Arg、Asp、Glu、His、Lys和Ser、Thr、Asn在水中均有比较大的溶解度；但根据电荷及极性分析也有一些例外，如脯氨酸属于带疏水基团的氨基酸，但在水中却有异常高的溶解度。

（二）氨基酸的疏水性氨基酸的疏水性，是影响氨基酸溶解行为的重要因素，也是影响蛋白质和肽的物理化学性质（如结构、溶解度、结合脂肪的能力等）的重要因素。按照物理化学的原理，疏水性可被定义为：在相同的条件下，一种溶于水中的溶质的自由能与溶于有机溶剂的相同溶质的自由能相比所超过的数值。估计氨基酸侧链的相对疏水性的最直接、最简单的方法就是实验测定氨基酸溶于水和溶于一种有机溶剂的自由能变化。一般用水和乙醇之间自由能变化表示氨基酸侧链的疏水性，将此变化值标作△G′。

氨基酸侧链的疏水性（乙醇→水，kJ/mol）氨基酸△G′氨基酸△G′氨基酸△G′丙氨酸(Ala)2.09精氨酸(Arg)－天冬酰胺(Asn)0天冬氨酸(Asp)2.09半胱氨酸(Cys)4.18谷氨酰胺(Gln)-0.42谷氨酸(Glu)2.09甘氨酸(Gly)0组氨酸(His)2.09异亮氨酸(Ile)12.54亮氨酸(Leu)9.61赖氨酸(Lys)－蛋氨酸(Met)5.43苯丙氨酸(Phe)10.45脯氨酸(Pro)10.87丝氨酸(Ser)-1.25苏氨酸(Thr)1.67色氨酸(Trp)14.21酪氨酸(Tyr)9.61缬氨酸(Val)6.27当氨基酸的△G′值为正时，其侧链具有疏水性，倾向于处在蛋白分子的内部；△G′为负时，其侧链是亲水的，倾向于处在蛋白分子的表面。

（三）氨基酸的光学性质

氨基酸中的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸分子中由于有共轭体系，因此可以吸收近紫外光。它们的最大吸收波长（λmax)分别为260nm、275nm、278nm；在吸收最大波长光线的时候还会发出荧光。需要注意的是，赖氨酸通常是蛋白质分子中亲水性的氨基酸残基，但它的△G′是正值，这是由于它的侧链含有优先选择有机环境的4个-CH2-基。三、重要的分析鉴定反应

（一）与茚三酮的反应（略）

（二）与邻苯二甲醛的反应：在2-巯基乙醇的存在下，氨基酸与邻苯二二、基本化学性质甲醛反应生成高荧光的衍生物，在380nm激发时，在450nm具有最高荧光发射，用来定量分析氨基酸、肽和蛋白质。（三）与荧光胺的反应

含有伯胺基的氨基酸、肽或蛋白质与荧光胺反应生成高荧光的衍生物，在390nm时，在475nm具有最高的荧光发射。此法可被用于氨基酸、肽或蛋白的定量分析。5.1.2肽类物质5.1.2.1活性肽的种类及功能

功能肽按照获得途径的差异可以分作两种类型：由生物体特别是动物体内获得的天然功能肽；利用动植物蛋白，通过水解或酶解，再经过活性筛选而获得的外源性功能肽。一、天然活性肽目前，由自然界已经获得了种类多样、功能各异的生物活性肽，下页列举了一些这方面的例证。

昆虫抗菌肽迄今为止，已有150多种昆虫抗菌肽被分离鉴定，许多抗菌肽的cDNA已被克隆测序并进行了初步的基因定位和表达调控机制研究。昆虫抗菌肽已成为当前研究的热点，某些抗菌肽正在通过基因工程技术开始工业化生产并用于农业、工业和食品卫生等多个领域。二、外源性活性肽

以天然蛋白作为原料通过水解或酶解的方法，获得大量的肽类，从中筛选活性肽。目前已成为扩大功能肽研究范围、发现新型多肽的有效途径。

目前已有实际应用的外源性功能肽的制备方法有化学水解法、酶水解法、合成法等。

化学水解法是以天然蛋白质为原料，在酸或碱的催化下进行水解而获得多肽。此法工艺虽然简单但难以控制水解程度，容易将肽链继续水解为氨基酸，并且水解过程中氨基酸的结构容易受到影响而发生构型甚至构造上的变化，影响肽的结构和功能。此种影响在碱性条件下表现的尤为突出。缺点酶种类和水解条件的选择是制备功能肽的关键。目前可以使用的酶种类较多，如：酶解法最常用原料蛋白预处理酶解灭酶脱苦味脱色分离干燥成品比较便宜易得的还有不同种类的微生物蛋白酶。胰蛋白酶胃蛋白酶碱性蛋白酶菠萝蛋白酶木瓜蛋白酶功能肽具有优良的加工性能，目前在食品中已经应用或出现了应用苗头。

功能肽吸收明显优于蛋白质和单个氨基酸对人体内蛋白质的合成无任何不良影响促进钙吸收、降血压、提高免疫力5.1.2.2肽的理化性质

一、肽的物理性质

A、肽的两性

与氨基酸相似，肽类物质也具有两性和等电点。例如Gly-AsppI3.63；Gly-Gly-GlypI5.58；利用多肽的等电点，可以进行肽类物质的分离。

B、黏度与溶解度

天然蛋白的水溶液当其浓度超过13%时就会形成凝胶，不利于蛋白溶液的制备；而多肽即使在50%的高浓度下和在较宽的pH范围内仍能保持溶解状态，同时还具有较强的吸湿性和保湿性，这使无法实现的高蛋白饮料和高蛋白果冻的生产成为可能。

C、渗透压和对产品质构的调节作用当一种液体的渗透压比体液高时，易使人体周边组织细胞中的水分向胃肠移动而出现腹泻。多肽溶液的渗透压比氨基酸溶液要低，因此可以克服因氨基酸溶液渗透压高而导致的问题。多肽具有抑制蛋白质形成凝胶的性能，可利用此性质来调整食品的质构。如水产、肉、禽蛋白在加热时因形成凝胶而变硬，适量加入大豆多肽，就会起到软化的作用。二、化学性质

肽类物质基本的化学性质和氨基酸基本的化学性质相同，都是由其特征性官能团决定的。但肽和蛋白可以发生双缩脲反应而氨基酸则不能。5.2蛋白质与食品相关的理化性质5.2.1与食品相关的物理性质5.2.1.1蛋白质的变性作用一、蛋白质变性的概念及监测方法

A、定义：把蛋白质二级及其以上的高级结构在一定条件（加热、酸、碱、有机溶剂、重金属离子等）下遭到破坏而一级结构并未发生变化的过程叫蛋白质的变性。

B、蛋白质变性所产生的影响：①溶解度降低；②与水的结合能力降低；③生物活性（功能）丧失；④容易被水解；⑤黏度变大；⑥难以结晶。

C、根据一系列物理性质、光学性质、生物功能等的改变来监测蛋白质的变性。二、蛋白质变性的热力学和动力学下图示意了单体球蛋白变性过程中变性程度与变性因素变化之间的关系：

图中Y代表随蛋白质构象变化而变化的任何可测定的物理或化学性质,YN和YD分别代表在天然或变性状态下的Y。两状态之间的相互转化可用下式表示：

由图可以看出，大多数蛋白质当变性条件逐渐剧烈时（浓度增加、温度提高等），Y在开始阶段保持不变，但超过一个临界点后，从YN急剧变化至YD；这表明蛋白质变性是一个协同过程，球状蛋白分子主要以天然态和变性态存在，而以中间态很少存在；此即所谓的“两状态转变模型”。一般情况下，蛋白质变性时△G0增加，表示天然态的稳定性高于变性态；△S0也增加，表示蛋白分子的有序性降低。可逆变性：三、四级结构破坏（温和条件），可恢复原来状态；

不可逆变性：二、三、四级结构破坏，不可恢复原来状态三、影响蛋白变性的因素（一）物理因素A.加热加热变性的基本过程：当蛋白质溶液被逐渐的加热并超过临界温度时，溶液中的蛋白质将发生从天然状态向变性状态的剧烈转变。此转变温度被称作熔化温度（Tm）或变性温度（Td），此时蛋白质的天然状态和变性状态的浓度之比为1。蛋白热变性的一般规律：大多数蛋白质在45～50℃时开始变性，但也有些蛋白的Td可以达到相当高的温度，如大豆球蛋白93℃、燕麦球蛋白108℃等。当加热温度在临界温度以上时，每提高10℃，变性速度提高600倍。

加热使蛋白变性的本质：提高温度对天然蛋白质最重要的影响是促使它们的高级结构发生变化。变性作用使疏水基团暴露并使伸展的蛋白质分子发生聚集，伴随出现蛋白质溶解度降低和吸水能力增强。B.冷冻由于蛋白质周围的水与其结合状态发生变化，这种变化破坏了一些维持蛋白原构象的力，同时由于水保护层的破坏，蛋白质的一些基团就可以发生直接的接触和相互作用，导致蛋白质发生聚集或原来的亚基发生重排。大量水形成冰后，剩余的水中无机盐浓度大大提高，这种局部的高浓度盐也会使蛋白质发生变性。C.流体静压

压力也可使蛋白变性，但一般在25℃下要求100～1200MPa的比较高的压力。D.剪切力一些食品在加工过程，如挤压、打擦、捏合、高速均质等，会产生高的剪切力。这样的剪切力加上高温能使蛋白质发生不可逆的变性。E.电磁辐射

电磁辐射是一种能量，可以通过改变分子内链段间及亚基间的结合状态而使蛋白分子变性；如果仅仅影响蛋白分子的构象，只发生变性而不会导致营养价值的改变；如果能量高至可以通过氧化、共价键断裂、离子化、形成自由基等形式使氨基酸残基发生变化，便会导致营养价值的降低。F.界面性质

改变蛋白质水溶液的界面性质，也可以加速或直接使蛋白质分子发生变性。其主要原因是界面性质变化，水分子进入蛋白分子内部，改变内部的结构属性，从而使蛋白的构象发生变化。（二）化学因素PH值pH是导致蛋白变性的重要因素，这是因为在极端pH值时，蛋白质分子内的离子基团产生强静电排斥作用，促使蛋白质分子的构象发生变化。无机离子无机离子特别是高价态的无机离子通过改变蛋白分子的表面性质、改变蛋白分子自身的结构状态而使蛋白变性。阳离子和阴离子均有这种性质，但不同的离子要求不同的浓度。有机溶剂许多有机溶剂可以导致蛋白质分子发生变性。亲水有机溶剂通过改变蛋白分子表面性质使蛋白分子变性，疏水有机溶剂由于进入蛋白分子内部而改变蛋白分子构象，从而导致变性。有机化合物的水溶液尿素和胍盐、SDS复习重点氨基酸的结构蛋白质的变性、变性机理蛋白质变性影响因素热变性作用机理选择题1、可引起蛋白质变化的物理因素有（

）。A、热B、静水压C、剪切D、辐照填空题1、一般在温和条件下，蛋白质较易发生______的变性；在高温、强酸、强碱等较强烈的条件下则趋向于发生______的变性。5.2.2蛋白质的功能性质

在食品加工、贮藏和销售过程中蛋白质对食品需宜特征做出贡献的那些物理和化学性质。5.2.2.1水合性质

蛋白质与水结合的能力。蛋白质分子可以通过氢键、静电引力、疏水作用等形式与水分子相互结合：

在宏观水平上，蛋白质与水的结合是一个逐步进行的过程，即首先形成化合水和邻近水，再形成多分子层水，如若条件允许，蛋白质将进一步水合，这时表现为：①蛋白质吸收水分充分膨胀而不溶解，这种水合性质通常叫膨润性；②蛋白质在继续水化中被水分散而逐渐变为胶体溶液，具有这种特点的蛋白质叫可溶性蛋白质。蛋白质结合水的能力：干蛋白质与相对湿度为90～95%的空气达到平衡时，每克蛋白质所结合水的克数。蛋白质的水合能力可以通过相对湿度法、溶胀法、过量水法、水饱和法等方法进行测定。影响蛋白质水合性质的因素有多种，主要为：

蛋白质的总吸水量随蛋白质浓度的增加而增加蛋白质在其等电点时水合性质最差，吸水量最少；偏离等电点吸水量增加

随温度的升高，蛋白质水合能力变差(氢键键合力降低，蛋白质变性和聚集)盐溶：低盐浓度(<0.2mol/L)，有助于蛋白分子的水合，在水中的溶解度增加（结合的离子缔合的水）盐析：高盐浓度将降低蛋白分子的水化能力（水与盐离子结合，蛋白质脱水）蛋白质的持水能力：蛋白质吸收水并将水保留在蛋白组织中的能力。5.2.2.2蛋白质的溶解度

蛋白质－蛋白质、蛋白质－溶剂之间相互作用达到平衡时的热力学表现形式。蛋白质的溶解性能可以用水溶性蛋白质（WSP）、水可分散蛋白质（WDP）、蛋白质分散性指标（PDI）、氮溶解性指标（NSI）来评价；其中PDI和NSI已是美国油脂化学家协会采纳的法定评价方法。蛋白质在水中的溶解度不仅与自身组成和结构有关，也与溶液pH、离子强度、温度和蛋白质浓度有关。

5.2.2.3蛋白质的界面性质理想表面活性剂的属性：快速吸附到界面的能力；达到界面后迅速伸展和取向；与邻近分子相互作用形成具有强内聚力和粘弹性的膜，能耐受热和机械作用。柔顺性多肽链构型：列车形、环形、尾形。膜的稳定性：范德华力、静电吸引力、氢键、疏水相互作用5.2.2.4蛋白质溶液的黏度一种流体的黏度(viscotity)反映了它对流动的阻力，其本质可用黏度系数（μ）来表示，其关系式为：

τ＝μγ

其中τ为剪切力，γ为剪切速度（或流动速度）。蛋白溶液不属于牛顿流体，即不属于恒定黏度系数的溶液，其黏度系数随流动速度的增加而降低。这种性质成为假塑或剪切稀释。

影响蛋白流体黏度的主要因素是溶液中蛋白分子或蛋白颗粒的表观直径，表观直径越大，黏度越大；表观直径又取决于：①蛋白分子固有的特性，如摩尔质量、大小、体积、结构、电荷和易变形程度；②蛋白质－溶剂间的相互作用，这种作用会影响蛋白质的溶胀、溶解度和水合作用；③蛋白质－蛋白质的相互作用，它将决定聚集体的大小。对于高浓度的蛋白质体系，这种作用起主要的作用。分子朝着流动方向逐渐定向，摩擦阻力降低蛋白质水合体朝流动方向，形状向阻力变小方向变化氢键和其他弱键的断裂使蛋白质聚集体和网络解离总之，朝着流动方向的分子或颗粒的表观直径下降5.2.2.5蛋白质的胶凝作用关于蛋白在溶液中聚集形态变化的几个概念：缔合(association)：指蛋白质在亚单位或分子水平上发生的变化；聚合(polymerization)或聚合反应(aggregation)：一般是指大的复合物的形成；沉淀作用(precipitation)：指由于蛋白质的溶解性完全或部分丧失而引起的聚集反应；絮凝(flocculation)：指蛋白质未发生变性时的无规则聚集反应，这常常是因为链间的静电排斥力降低而发生的一种现象；凝结作用(coagultion)：将发生变性的无规则聚集反应和蛋白质－蛋白质的相互作用大于蛋白质－溶剂相互作用引起的聚集反应；胶凝作用（gelation)：变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构的过程。凝胶化过程：变性

“预凝胶”(功能基团暴露氢键、疏水键)冷却凝胶化（网状结构）可逆凝胶：明胶（氢键）不可逆凝胶：蛋清（二硫交联键）凝结块、半透明、透明（变性、缔合速度）非极性（疏水性）、盐（静电相互作用、亲水性）影响因素：温度、pH、离子、蛋白质浓度5.2.2.6蛋白质的织构化

织构化(texturization)指经过一定的处理过程，使原本不具有畜肉那样组织结构的蛋白质（特别是植物蛋白），变得具有畜肉的组织结构和咀嚼性。也就是人造肉的过程。蛋白质织构化的方法由热凝结、纤维形成、热塑性挤压等方法。5.2.2.7面团的形成面团形成性：一些植物（小麦、黑麦、燕麦、大麦等）的面粉在室温下与水混合并揉搓后可形成粘稠、有弹性的面团面团形成的主要因素——含有面筋蛋白，包括麦醇溶蛋白和麦谷蛋白，是小麦中蛋白质的主体成分（80%)，在水中不溶解。麦醇溶蛋白指那些可溶解于70%醇中的面粉蛋白，相对分子量在35000～75000之间，含有链内二硫键；麦谷蛋白分子质量可达数百万，既含有链内二硫键，也含有链间二硫键。由于面筋蛋白中富含谷氨酰胺（超过33%）、脯氨酸(15%～20%)、丝氨酸及苏氨酸等，它们倾向于形成氢键，这在很大程度上解释了面筋蛋白的水吸收能力（其吸水量为干蛋白质重量的180%～200%)黏着性质麦谷蛋白决定着面团的弹性、黏合性和扩张强度；麦溶蛋白具有促进面团流动性、伸展性和膨胀性的作用。面团形成的过程——当面粉和水混合并被揉搓时，面筋蛋白开始水化、定向排列和部分展开，促进了分子内和分子间二硫键的交换反应及增强了疏水的相互作用，当最初面筋蛋白质颗粒变成薄膜时，二硫键也使水化面筋形成了黏弹性的三维蛋白质网络，截留淀粉粒和其它面粉成分。面筋蛋白在水化揉搓过程中网络的形成可通过加入半胱氨酸、偏亚硫酸氢盐等还原剂破坏二硫键、加入溴酸盐等氧化剂促使二硫键形成，从而降低面团的黏弹性或促进黏弹性。5.2.2.8蛋白质的乳化性质

一、蛋白质的乳化性质及其本质

蛋白质可以促进乳浊液形成及稳定的性质，称为蛋白质的乳化性质；蛋白质具有乳化性质的原因是其具有两亲性，即既亲水也亲油的性质；其促进乳浊液形成并稳定的本质是在油水体系中，蛋白质能自发地迁移到油－水界面和气水界面，到达界面后，疏水基定向到油相和气相而亲水基定向到水相并广泛展开和扩散，在界面形成一种蛋白质吸附层，从而起到稳定乳浊液的作用。

二、影响蛋白质乳化作用的因素蛋白质的疏水性和界面存在形式；pH、离子强度对蛋白质乳化作用有明显的影响；加热使蛋白的乳化性能减弱；加入小分子的表面活性剂也使蛋白的乳化性能降低。5.2.2.9蛋白质的起泡性质

食品泡沫的形成与破坏

泡沫通常指气泡分散在含有表面活性剂的连续液相或半固相的分散体系。泡沫的基本单位是液膜包围的气泡，气泡的直径从1μm到数cm不等。液膜和气泡间的界面上吸附着表面活性剂，起着降低表面张力和稳定气泡的作用。蛋白质在食品生产中可以作为起泡剂使用。因为蛋白质具有表面活性剂的性质和成膜性。产生泡沫的方法：鼓泡法；搅打法；气溶胶。影响蛋白质泡沫形成和稳定性的因素：pH，大多数离开等电点；盐类，Nacl增大膨胀量、降低泡沫稳定性，二价阳离子提高泡沫稳定性；糖类，抑制泡沫膨胀、提高泡沫稳定性；脂类，严重损害起泡性；加热部分变性，改善起泡性，降低泡沫稳定性，加热剧烈损害起泡性；搅打时间和强度蛋白质浓度5.2.2.10蛋白质的改性蛋白质的改性即指通过采用物理、化学、酶学或基因的方法是蛋白质的组成、大小、所带基团及分子的结构（包括高级结构）发生变化，从而改变蛋白质的理化性质和生物活性的过程。一、化学改性酸或碱的有限水解利用酸或碱的催化作用将蛋白质部分水解，可以增加蛋白质的溶解度，从而提高其持水性、乳化性和起泡性等，也可提高人体的吸收利用程度。磷酸化蛋白质的磷酸化可以通过POCl3或三聚磷酸钠与蛋白质的反应而实现。酰基化利用乙酸酐、琥珀酸酐等物质与蛋白质反应，可以将酰基结合于蛋白分子中的羟基、氨基、巯基等基团上而导致酰基化。二、酶法改性酶法水解利用大量可供利用的蛋白水解酶，可以对不同来源的蛋白质进行水解。蛋白经过水解后，可以提高溶解性能，增加体内的吸收；也可以降低蛋白的乳化性和起泡性；还可以得到多种具有特殊作用的功能肽类物质。胃合蛋白反应蛋白质部分水解后，再经木瓜蛋白酶或胰凝乳蛋白酶作用而形成的高相对分子量的多肽。蛋白交联转谷氨酰胺酶(transglutaminase)能在蛋白质分子间引入共价交联。5.3蛋白质的食品加工学特性5.3.1蛋白质在热处理中的变化热处理的有利影响：经过适当的热处理，绝大多数蛋白质的营养价值会得到提高。提高了消化率和必需氨基酸的生物利用率和生物有效性。适度的热处理也能使食品中的大多数酶由于变性而失活，保证食品在贮藏期间不发生酸败、变色或质构变化。

热处理的不利影响：热处理的不利影响主要表现在氨基酸结构（残基）发生变化，导致营养价值降低。氨基