食品化学 第五章 蛋白质,刘志彬 liuzhibin@ 22866378,福州大学生物科学与工程学院,2,Outline,概述 蛋白质的变性 蛋白质的功能性质 蛋白质的营养性质 食品加工中蛋白质的物理、化学和营养变化 食品蛋白质,3,第二节 蛋白质的变性,蛋白质变性：外界因素的作用使构成空间结构的氢键等副键遭受破坏，导致蛋白质的二级，三级和四级结构的变化，天然蛋白质的空间构型则解体，有秩序的螺旋型，球状构型变为无秩序的伸展肽链，使天然蛋白质的理化性质改变并失去原来的生理活性，这种作用称为蛋白质的变性作用在某些情况下，变性过程是可逆的，例如，有的蛋白质在加热时发生变性，冷却后，又可复原 可逆变性一般只涉及蛋白质分子的三级和四级结构变化 不可逆变性能使二级结构也发生变化 如果二硫键起着稳定蛋白质构象的作用，那么它的断裂往往导致不可逆的变性4,蛋白质的变性导致溶解性的降低,,,,,,,,,,,,,,,,,,,蛋白质变性,,,,,,,,,,,,,,,,,暴露的疏水基团 倾向于联结,,聚集,形成沉淀,,疏水基团暴露,第二节 蛋白质的变性,6,物理因素： 温度、紫外线、超声波、高压等 化学因素： 酸、碱、有机溶剂、重金属盐类、脲、胍、表面活性剂等。
引起蛋白质变性的因素：,引起蛋白质变性的因素： （一）物理因素,（1）热 热是蛋白质变性最普通的物理因素，伴随热变性，蛋白质的伸展程度相当大 蛋白质对热变性的敏感性取决于多种因素，例如蛋白质的性质、蛋白质浓度、水活性、pH、离子强度和离子种类等 蛋白质受热变性的机理： 在较高温度下，保持蛋白质空间构象的那些副键断裂，破坏了肽链的特定排列，原来在分子内部的一些非极性基团暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白质的溶解度，促进了蛋白质分子之间相互结合而凝聚，形成不可逆的凝胶而凝固8,蛋白质中的氢键、静电和范德华相互作用是放热反应（焓驱动），因此，这些作用力随着温度的升高而减弱，在高温下是去稳定作用的，而在低温下起到稳定作用 疏水相互作用是吸热反应（熵驱动），随温度升高疏水作用增强然而，疏水相互作用的稳定性也不是随温度的提高而无限制的增强疏水相互作用一般在60～70℃时达到最高值（与疏水侧链的结构有关），但温度超过一定值（＞70℃，因侧链而异）后，又会减弱氢键、疏水相互作用和构象熵对稳定蛋白质的自由能所作贡献的相对变化与温度的函数关系,9,蛋白质稳定性与温度的关系 肌红蛋白（…） 核糖核酸酶（--） T4噬菌体突变株溶菌酶（0）,一般认为，温度越低蛋白质的热稳定性越高。
然而实际并非总是如此 肌红蛋白和T4噬菌体突变株溶菌酶最稳定的温度，分别为30℃和12.5℃，低于或高于此温度二者的稳定性均下降 在蛋白质分子中极性相互作用超过非极性相互作用时，则蛋白质在冻结温度或低于冻结温度比在较高温度时稳定(核糖核酸酶） 对于那些主要以疏水相互作用稳定的蛋白质，在室温下比冻结温度时更稳定10,氨基酸的组成 氨基酸的组成影响蛋白质的热稳定性，含有较多疏水氨基酸残基（尤其是缬氨酸，异亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸）的蛋白质，对热的稳定性高于亲水性较强的蛋白质 蛋白质的热稳定性不仅决定于分子中氨基酸的组成，极性与非极性氨基酸的比例，而且还依赖于这两类氨基酸在肽链中的分布，一旦这种分布达到最佳状态，此时分子内的相互作用达到最大值，自由能降低至最小，多肽链的柔顺性也随之减小，蛋白质则处于热稳定状态影响热变性的因素:,11,水是极性很强的物质，对蛋白质的氢键相互作用有很大影响，因此水能促进蛋白质的热变性干蛋白粉似乎是很稳定的 水分越少，热变性温度越高水,水分含量对卵清蛋白的变性温度下Td和变性热焓ΔHd的影响,在干燥状态，蛋白质具有一个静止的结构，多肽链序列的运动受到了限制 当向干燥蛋白质中添加水时，水渗透到蛋白质表面的不规则空隙或进入蛋白质的小毛细管，并发生水合作用，引起蛋白质溶胀。
在室温下大概当每克蛋白质的水分含量达到0.3～0.4g时，蛋白质吸水即达到饱和 水的加入，增加了多肽链的淌度和分子的柔顺性 当加热时，蛋白质的这种动力学柔顺性结构，相对于干燥状态，则可提供给水更多的几率接近盐桥和肽链的氢键，结果Td降低12,某些蛋白质经过低温处理后发生可逆变性，例如有些酶（L-苏氨酸脱氨酶）在室温下比较稳定，而在0℃时不稳定 某些蛋白质（11S大豆蛋白、麦醇溶蛋白、卵蛋白和乳蛋白）在低温或冷冻时发生聚集和沉淀例如大豆球蛋白在2℃保藏，会产生聚集和沉淀，当温度回升至室温，可再次溶解 有的蛋白质分子由于具有较大的疏水-极性氨基酸比因而在低温下易发生变性2）低温,13,机械处理，例如揉捏、振动或搅打等高速机械剪切，都能引起蛋白质变性在加工面包或其他食品的面团时，产生的剪切力使蛋白质变性，主要是因为α-螺旋的破坏导致了蛋白质的网络结构的改变 食品在经高压、剪切和高温处理的加工过程（例如挤压，高速搅拌和均质等）中，蛋白质都可能变性剪切速率愈高，蛋白质变性程度则愈大同时受到高温和高剪切力处理的蛋白质，则发生不可逆变性 10%～20%乳清蛋白溶液，在pH3.4～3.5，温度80～120℃条件下，经7,500～10,000S-1的剪切速率处理后，则变成直径为1μm，不溶于水的球状大胶体颗粒。
3）机械处理,14,压力诱导蛋白质变性主要是因为蛋白质是柔性的和可压缩的球状蛋白质分子结构的内部有一些空穴仍然存在，这使的蛋白质分子结果具有可压缩性 压力诱导的蛋白质变性是高度可逆的 大多数纤维蛋白无空穴，故其对静水压的稳定性较高 大多数蛋白质在100－1200Mpa压力下诱导变性压力诱导转变的中点出现在400－800Mpa 高压处理：灭菌和蛋白质的凝胶4）压力,15,（5）辐射 紫外辐射可被芳香族氨基酸残基(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)所吸收，导致蛋白质构象的改变，如果能量水平很高，还可使二硫交联键断裂γ辐射和其他电离辐射能改变蛋白质的构象，同时还会氧化氨基酸残基、使共价键断裂、离子化、形成蛋白质自由基、重组、聚合，这些反应大多通过水的辐解作用传递1）pH 常温下，大多数蛋白质仅在pH4－10的范围内是稳定的 在极端pH时，蛋白质分子内的离子基团产生强静电排斥，这就促使蛋白质分子伸展和溶胀蛋白质分子在极端碱性pH环境下，比在极端酸性pH时更易伸长，因为碱性条件有利于部分埋藏在蛋白质分子内的羧基，酚羟基，巯基离子化，结果使多肽链拆开，离子化基团自身暴露在水环境中 蛋白质在等电点时最稳定（自身不容易展开）。
pH引起的蛋白质变性大多数是可逆的，然而，在某些情况下，部分肽键水解，天冬酰胺、谷氨酰胺脱酰胺，碱性条件下二硫键的破坏，或者聚集等都将引起蛋白质不可逆变性引起蛋白质变性的因素： （二）化学因素,（2）金属 碱金属(例如Na+和K+)只能有限度地与蛋白质起作用，而Ca2+、Mg2+略微活泼些 过渡金属例如Cu、Fe、Hg和Ag等离子很容易与蛋白质发生作用，其中许多能与巯基形成稳定的复合物 Ca2+(还有Fe2+、Cu2+和Mg2+)可成为某些蛋白质分子或分子缔合物的组成部分 一般用透析法或螯合剂可从蛋白质分子中除去金属离子，但这将明显降低这类蛋白质对热和蛋白酶的稳定性3）有机溶剂 有机溶剂以不同的方式影响蛋白质的疏水相互作用、氢键和静电相互作用 在蛋白质水溶液中加入大量的有机溶剂，能引起蛋白质的变性作用主要是影响蛋白质的疏水相互作用 非极性侧链在有机溶剂中比在水中更易溶解，因此会削弱疏水相互作用 某些溶剂例如2-氯乙醇，能增加α-螺旋构象的数量，这种作用也可看成是一种变性方式(二级，三级和四级结构改变)，例如卵清蛋白在水溶液介质中有31％的α-螺旋，而在2-氯乙醇中达到85％4）有机化合物水溶液 某些有机化合物例如尿素和盐酸胍的高浓度(4～8mol/L)水溶液能断裂氢键，从而使蛋白质发生不同程度的变性。
同时，还可通过增大疏水氨基酸残基在水相中的溶解度，降低疏水相互作用 （5）表面活性剂 表面活性剂例如十二烷基磺酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）是一种很强的变性剂SDS浓度在3～8m mol/L范围可引起大多数球状蛋白质变性 由于SDS可以在蛋白质的疏水和亲水环境之间起着乳化介质的介作用，且能优先与变性蛋白质强烈地结合，因此，破坏了蛋白质的疏水相互作用，促使天然蛋白质伸展，非极性基团暴露于水介质中，导致了天然与变性蛋白质之间的平衡移动6）促溶盐（chaotropic salts） 盐以两种不同的方式影响蛋白质的稳定性 在低盐浓度时，离子与蛋白质之间为非特异性静电相互作用当盐的异种电荷离子中和了蛋白质的电荷时，有利于蛋白质的结构稳定，这种作用与盐的性质无关，只依赖于离子强度 在较高浓度（＞1mol/L），盐具有特殊离子效应，影响蛋白质结构的稳定性在离子强度相同时，Na2SO4和NaCl能促进蛋白质结构的稳定性，NaSCN和NaClO4的作用相反阴离子对蛋白质结构的影响甚于阳离子,pH 7 时各种钠盐对β-乳球蛋白质变性温度的影响 ○ Na2SO4 、△ NaCl 、□ NaBr 、 ●NaClO4 、▲ NaSCN 、■ 尿素,根据感胶离子序，各种阴离子在离子强度相同时，对蛋白质（包括DNA）结构稳定性的影响顺序如下：F-＜SO42-＜Cl-＜Br-＜I-＜ClO4-＜SCN-＜Cl3CCOO- 氟化物、氯化物和硫酸盐是结构稳定剂，而其它阴离子盐是结构去稳定剂。
NaSCN和NaClO4是强变性剂 稳定蛋白质的盐能促进蛋白质的水合作用并与蛋白质微弱地结合 使蛋白质不稳定的盐能降低蛋白质的水合作用并与蛋白质强烈地结合7) 还原剂 巯基乙醇、半胱氨酸、二硫苏糖醇等还原剂能使蛋白质分子中存在的二硫键还原，从而改变蛋白质的构象24,第三节 蛋白质的功能性质,25,大小 形状 氨基酸的组成和序列； 净电荷及其分布； 亲水性和疏水性之比； 二级、三级和四级结构； 分子的柔顺性或刚性； 分子内和分子之间同其他组分作用的能力等诸多因素决定蛋白质功能性质的蛋白质的物理和化学性质,26,蛋白质功能性质的分类,①流体动力学性质：包括水吸收和保持、溶胀性、粘附性、粘度、沉淀、胶凝和形成其他各种结构时起作用的那些性质（例如蛋白质面团和纤维），它们通常与蛋白质的大小、形状和柔顺性有关； ②表面性质：如蛋白质的湿润性、分散性、溶解度、表面张力、乳化作用、蛋白质的起泡特性，以及脂肪和风味的结合等有关的性质，这些性质之间并不是完全孤立和彼此无关的例如，胶凝作用不仅包括蛋白质-蛋白质相互作用，而且还有蛋白质-水相互作用；粘度和溶解度取决于蛋白质-水和蛋白质-蛋白质的相互作用 目前，还不能从蛋白质的分子性质预测它们的功能性质。
27,1.蛋白质的水合,食品的流变和质构性质取决于水与其他食品组分，尤其像蛋白质和多糖那样的大分子的相互作用 取决于水－蛋白质相互作用的蛋白质的功能性质：分散性、湿润性、肿胀、溶解性、增稠、粘度、持水能力、胶凝作用、凝结、乳化和起泡 水与蛋白质分子一些基团的结合，通过：,离子（蛋白质分子中的带电基团）－偶极相互作用 偶极（蛋白质分子中的极性基团）－偶极相互作用 偶极－诱导偶极（蛋白质分子中的非极性基团）相互作用 疏水（蛋白质分子中的非极性基团）相互作用,28,定义：当干蛋白质粉与相对湿度90-95%的水蒸汽达到平衡时，每克蛋白质所结合的水的克数定义为蛋白质结合水的能力 蛋白质的水合能力部分地与它的氨基酸组成有关，带电的氨基酸残基数目愈大，水合能力愈大 带电基团的氨基酸残基约为6molH2O/mol残基 不带电荷的的极性残基大约是2molH2O/mol残基 非极性残基结合水的能力最低约为1molH2O/mol残基蛋白质的水合能力（蛋白质结合水的能力）,29,各种蛋白质的水合能力,30,影响蛋白质结合水能力的因素,（1） pH pH值的。