超聲波對蛋白質(zhì)提取及改性影響的研究進(jìn)展

吳 倩 張麗芬 陳復(fù)生

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450000）

蛋白質(zhì)是極其重要的能量物質(zhì)，其良好的功能特性（如凝膠性、起泡性、乳化性）可以在一定程度上改善食品的口感，增加食品的彈性、持水性及保藏性，因此，在食品行業(yè)中應(yīng)用廣泛［1］。但是食品加工過程中對蛋白質(zhì)特定功能性的高強(qiáng)度要求，也使蛋白質(zhì)的應(yīng)用受到限制，因而，采用一定方法改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善其功能特性的蛋白質(zhì)改性技術(shù)近年來備受關(guān)注。目前，常用的蛋白質(zhì)改性技術(shù)主要有物理改性法、化學(xué)改性法以及生物改性法。物理改性技術(shù)主要是依靠熱、電、機(jī)械作用改變蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)來改進(jìn)其功能特性，其改善效果往往比較局限；化學(xué)改性技術(shù)可以有效地改善蛋白質(zhì)的功能特性，但往往會造成環(huán)境和安全問題；生物改性技術(shù)可以有針對性地改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，但技術(shù)還不太完善。物理改性中的超聲波改性方法，由于其獨(dú)特的超聲波效應(yīng)使得蛋白質(zhì)改性效果大大提升而被廣泛應(yīng)用［2］。在提取蛋白質(zhì)的過程中，傳統(tǒng)的提取主要借助加熱和劇烈晃動，通過溶劑的溶解對物質(zhì)進(jìn)行提取，提取率有限；而超聲波的應(yīng)用，使溶劑可以滲入到物質(zhì)的分子內(nèi)部，同時使體系溫度升高，溶解效率得到極大提升。文章擬就近年來國內(nèi)外有關(guān)超聲波效應(yīng)及其對蛋白質(zhì)理化、結(jié)構(gòu)與功能特性影響的研究成果進(jìn)行詳細(xì)綜述。

1 超聲波作用機(jī)理

超聲波是一種機(jī)械波，頻率為20kHz～100MHz，其在介質(zhì)中傳播時會引起介質(zhì)粒子的機(jī)械振動，由此，超聲波與介質(zhì)之間相互作用，引起一系列的物理化學(xué)作用，形成熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)等。超聲波引起的這些獨(dú)特的效應(yīng)使其被廣泛地用于食品、藥物、農(nóng)作物組分物質(zhì)的提取和改性［3－5］。超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)在不同頻率和強(qiáng)度的超聲波的作用下受迫振動，由此，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)位移、速度、加速度以及介質(zhì)中的應(yīng)力會隨著超聲波的振動不斷變化。超聲波在傳播過程中，其引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，會使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生激烈而快速變化的機(jī)械振動［6］。同時，超聲波也是一種電磁波，超聲的非線性振動會產(chǎn)生鋸齒形波動效應(yīng)，此鋸齒形波面在波動過程中產(chǎn)生周期性變化的激波，在波面上會形成很大的壓強(qiáng)梯度，此壓強(qiáng)梯度差形成的振動能量不斷被介質(zhì)吸收后部分轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱量，可升高介質(zhì)的整體溫度以及邊界處的局部溫度等［7］。而超聲波在液體中傳播時，與聲波一樣是一種疏密的振動波，液體分子時而受拉時而受壓，在快速變換受拉和受壓的過程中產(chǎn)生近于真空或含少量氣體的空穴。聲波壓縮時，空穴被壓縮至崩潰，崩潰的瞬間，空穴周圍的液體高速沖入空穴，在空穴附近的液體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部激波，也形成了局部的高溫高壓，空穴的形成、成長和崩潰過程會形成超聲空化效應(yīng)［8］。超聲空化效應(yīng)可以產(chǎn)生粉碎、乳化、分散、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等一系列的效應(yīng)，超聲處理技術(shù)在液體中的應(yīng)用，大部分與超聲的空化效應(yīng)有關(guān)［9］。

2 超聲波對蛋白質(zhì)提取的影響

超聲波作為一種獨(dú)特的能量輸入方式，其具有的高效能是單獨(dú)的光、電、熱所無法達(dá)到的。超聲波在傳播過程中產(chǎn)生的超聲效應(yīng)可以使介質(zhì)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)等發(fā)生一定程度的變化，因此被廣泛應(yīng)用于食品加工以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)的提取與改性。低強(qiáng)度的超聲波做為一種非破壞性技術(shù)，常用來分析檢測食品的理化性質(zhì)，如物質(zhì)的組成、質(zhì)構(gòu)及其流變學(xué)性質(zhì)等；高強(qiáng)度的超聲波主要被應(yīng)用于食品的物理和化學(xué)改性領(lǐng)域，如嫩化肉、促進(jìn)乳化、加快化學(xué)反應(yīng)、鈍化酶、提高大豆蛋白質(zhì)的浸提率、改善蛋白的理化性質(zhì)等［9，10］。

2.1 對蛋白質(zhì)提取率的影響

自1982年，Moulton等［11］通過超聲輔助對大豆蛋白進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)20kHz，550W超聲條件下的提取優(yōu)于采用堿溶酸沉法的提取試驗，在超聲波的作用下，高溫脫脂大豆粉的蛋白質(zhì)提取率由30%提高到80%。目前大豆蛋白分離技術(shù)被廣泛關(guān)注［12］。梁漢華等［13］利用低頻超聲波處理大豆?jié){體及其豆渣，結(jié)果表明：大豆?jié){體及其豆渣經(jīng)過低頻超聲處理后其蛋白質(zhì)和固形物的萃取率可以得到有效提高。王小英等［14］也在大量試驗的基礎(chǔ)上證明，超聲處理能顯著提高大豆蛋白的溶解性，在超聲功率700W，超聲20min，蛋白質(zhì)量濃度為12.5mg/mL時，大豆蛋白的NSI（氮溶解指數(shù)）是超聲前的5.9倍。

有研究者［15］還將超聲波技術(shù)應(yīng)用于大豆蛋白質(zhì)的反膠束萃取過程中，采用響應(yīng)面設(shè)計法，優(yōu)化了超聲波輔助反膠束萃取大豆蛋白，最佳得率為（93.78±0.35）%，明顯高于未用超聲波時反膠束萃取蛋白的得率。反膠束后萃動力學(xué)研究［16，17］表明：反膠束后萃過程中存在較大的界面阻力，超聲波所產(chǎn)生的超聲效應(yīng)可增大反膠束界面間的湍動程度，促進(jìn)蛋白質(zhì)向反膠束的表面擴(kuò)散，促進(jìn)蛋白質(zhì)的浸出，從而提高反膠束萃取蛋白質(zhì)的萃取率。

超聲波技術(shù)同樣也可以輔助提高花生、碎米蛋白等的提取率。熊柳等［18］以低變性花生蛋白粉為原料，蛋白得率和氮溶解指數(shù)（NSI）為指標(biāo)，通過單因素和正交試驗得出在超聲波頻率60kHz，料液比1∶10（m∶V），pH 8.5，提取溫度30℃，提取時間30min時，花生分離蛋白得率達(dá)到37.27%，蛋白含量為95.4%，NSI為76.34%，證明了超聲波提取法優(yōu)于傳統(tǒng)的堿溶酸沉法。朱建華等［19］以稻谷加工業(yè)副產(chǎn)物碎米為原料，采用超聲波技術(shù)提取其可溶性蛋白質(zhì)，研究了超聲處理時間、超聲功率、固液比對碎米蛋白質(zhì)提取率的影響，結(jié)果表明：超聲提取碎米蛋白的最優(yōu)條件是超聲處理時間32min，超聲功率495W，固液比1∶15（m∶V）；在該條件下，碎米蛋白的提取率可達(dá)90.47%。

超聲波應(yīng)用于物質(zhì)提取時，耗能少、時間短、純度好、效率高，因此被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)提取。提取率的提高與超聲波獨(dú)特的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)密不可分，但同時也與超聲波對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響有一定聯(lián)系。

2.2 對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的影響

蛋白質(zhì)是一種具有復(fù)雜天然構(gòu)象的物質(zhì)，它由氨基酸經(jīng)過脫水縮合形成肽鏈后經(jīng)過盤曲折疊形成一定的空間結(jié)構(gòu)，從而發(fā)揮特定的功能特性。因此，超聲效應(yīng)在改變蛋白質(zhì)的功能特性時也會改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。

朱建華等［20］研究了超聲處理對大豆蛋白分子的影響，結(jié)果表明，超聲處理使大豆蛋白發(fā)生先解離后聚合的過程，且超聲主要影響大豆蛋白的7S組分，超聲波處理使大豆蛋白的7S組分發(fā)生可溶性聚合，其亞基降解也較為顯著，然而超聲對大豆蛋白的11S組分的酸性亞基和堿性亞基影響很弱。此類影響會改善大豆蛋白的提取率，也可以用來對大豆蛋白進(jìn)行一定程度的改性。

Wang Li－chuan［21］的研究表明：超聲處理可明顯提高蛋白質(zhì)溶液的溶解性并促使蛋白質(zhì)懸浮液的乳化以及蛋白質(zhì)亞基的聚合等。通過凝膠過濾、凝膠電泳和超速離心法對超聲處理形成的大豆蛋白聚合體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)超聲處理后大豆蛋白形成更多的聚合物，7S組分聚合成40～50S組分，大豆蛋白聚合物的體積接近空穴的體積，且比常規(guī)的蛋白聚合體更穩(wěn)定。主要是由于超聲處理使蛋白質(zhì)中更多疏水基團(tuán)暴露，使更多的蛋白質(zhì)吸附在氣/水界面上，降低了蛋白的黏性和剛性，從而減小了溶液的表面張力同時提高其表面疏水性，其聚合體也更加穩(wěn)定［22］。

超聲處理過程中，超聲空穴效應(yīng)增大了固液接觸的表面積，大量的空穴氣泡使得蛋白顆粒周圍形成較大的壓強(qiáng)，促使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開，肽鍵斷裂，親水性氨基酸暴露出來，改變大豆蛋白溶解度的同時，在很大程度上也改變著大豆蛋白的流變學(xué)特性。超聲過程中體系溫度升高，剪切力增加，使得蛋白分子運(yùn)動加劇，顯著降低表觀黏度，可能是由于超聲處理過程產(chǎn)生的劇烈聲化學(xué)作用導(dǎo)致大分子之間的鍵連作用減弱，揉性減弱，因而使其動態(tài)黏彈性降低，但仍然呈現(xiàn)假塑性流體狀態(tài)［23］。紅外和掃描電鏡結(jié)果顯示，超聲處理也改變了蛋白質(zhì)的膜的空間結(jié)構(gòu)，使膜表面平滑、均勻［24］。超聲波的使用，在一定程度上使蛋白質(zhì)內(nèi)不同的氨基酸基團(tuán)暴露，使得與這些基團(tuán)緊密相關(guān)的結(jié)構(gòu)特性也發(fā)生相應(yīng)的改變。

張海華等［25］在對小麥面筋蛋白進(jìn)行超聲處理時，借助紅外光譜、掃描電鏡、激光粒徑儀了解超聲波功率為540～900W時，其對面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)、非共價鍵、二硫鍵及顯微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明在超聲的作用下，面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)中的α－螺旋結(jié)構(gòu)增加、β－轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)明顯減少，而β－折疊結(jié)構(gòu)的變化隨超聲功率不同變化不同；超聲處理破壞了面筋蛋白分子間或分子內(nèi)氫鍵、二硫鍵以及疏水鍵的緊密連接，使面筋蛋白形成松散的結(jié)構(gòu)，平均粒徑增大。

超聲波的應(yīng)用在不同程度上改變了蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象及其平均粒徑，在提高提取率的同時又改善其功能特性。常見的蛋白質(zhì)物理改性方法雖然相對化學(xué)改性來說安全性好、作用時間短、對物質(zhì)的營養(yǎng)特性影響較小，但其改性效果往往并不十分明顯，借助超聲波輔助提取和改性技術(shù)，可以很好地優(yōu)化改性效果，提高其功能特性。

2.3 對蛋白質(zhì)功能特性的影響

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性決定其功能特性。蛋白質(zhì)多樣的功能性質(zhì)與其復(fù)雜多變的空間構(gòu)象有密切聯(lián)系，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是其功能特性的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)的改變會在一定程度上引起蛋白質(zhì)功能特性的變化。

低頻超聲波降低蛋白質(zhì)的儲能模量和耗能模量，形成更有黏性的大豆分離蛋白。Hu Hao等［26］研究表明，超聲處理后大豆分離蛋白的電泳現(xiàn)象無明顯改變，但其自由巰基、表面疏水基和溶解度都有增加，表明超聲后蛋白質(zhì)分子間非共價鍵的相互作用減弱，大部分蛋白暴露了部分展開的7S和11S組分，尤其是11S組分，部分變性和蛋白的無序結(jié)構(gòu)使其在油水界面可以更好地吸附，因而乳化性能提升。0.6W/cm2功率密度的超聲波可以有效改善醇法提取的大豆?jié)饪s蛋白的乳化性，使用超聲技術(shù)后，大豆?jié)饪s蛋白的起泡能力與起泡穩(wěn)定性分別提高了26.0%和13.7%，可能是因為超聲波的空化效應(yīng)使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)疏松，分子內(nèi)部的一些非極性基團(tuán)暴露出來，這些暴露的非極性基團(tuán)有效地改善了大豆?jié)饪s蛋白的某些功能特性［27，28］。

超聲處理對乳清蛋白和芝麻蛋白的影響具有與大豆蛋白同樣的效果。超聲技術(shù)的使用減小了乳清蛋白的顆粒度，能明顯改善其起泡性和泡沫穩(wěn)定性，這可能與超聲波的均質(zhì)作用有關(guān)，均質(zhì)作用使乳清蛋白的蛋白質(zhì)和油脂成分更均勻地分散開來［29，30］。在超聲功率400W下處理3min時，芝麻濃縮蛋白的乳化性由0.15提高到0.23，乳化穩(wěn)定性也由19.10min提高到38.63min。與此同時，芝麻濃縮蛋白的起泡性由30.78%提高到47.23%，泡沫穩(wěn)定性也由38.89%提高到57.84%［31］。

超聲波處理后，亞基的聚集程度、表面電荷的數(shù)量、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變都影響著蛋白的凝膠特性。凝膠破裂強(qiáng)度的大小是反映凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)牢固程度的重要參數(shù)。高強(qiáng)度的超聲預(yù)處理能增強(qiáng)酸化大豆分離蛋白凝膠的持水能力、凝膠強(qiáng)度［32］。朱建華等［33］認(rèn)為超聲功率的增加使超聲波產(chǎn)生更強(qiáng)烈的剪切作用和空化效應(yīng)，使更多的聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能，超聲所形成的這些效應(yīng)協(xié)同鹽溶和鹽析效應(yīng)使大豆蛋白的亞基更易于解離，蛋白解離后吸水溶脹，致使蛋白溶膠轉(zhuǎn)變成蛋白凝膠，因此，經(jīng)過超聲處理的大豆蛋白所形成的凝膠的結(jié)構(gòu)更緊致，也提高了大豆蛋白凝膠的硬度。

超聲波處理不只對蛋白質(zhì)的理化功能特性有影響，對蛋白質(zhì)的生物活性也有一定程度的影響。在間歇性大功率超聲波輻射下，酵母菌存活率下降，但在發(fā)酵前期使用高頻低功率超聲水浴會使啤酒酵母發(fā)酵速率加快，由于超聲輻照改善啤酒酵母的發(fā)酵活性并能保持其活性，與一般啤酒發(fā)酵相比在發(fā)酵前期采用超聲處理可以至少提前72h完成發(fā)酵［34］。

3 展望

目前，超聲波技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的提取和改性研究中，超聲波可提高蛋白質(zhì)的提取率，改善其功能特性及生物活性。因此，將超聲波技術(shù)用于蛋白質(zhì)加工領(lǐng)域越來越受到研究者的關(guān)注。但目前對超聲波技術(shù)的研究大多處于試驗水平，還未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)模化的操作。同時，超聲設(shè)備的精密度也有待提高。相信在大量試驗的基礎(chǔ)上，超聲技術(shù)一定可以在食品行業(yè)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

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