脈沖電場對食品蛋白質改性作用的研究進展

董 銘,白 云,李月秋,王 鵬,韓敏義,*,孫京新,徐幸蓮,周光宏

(1.南京農業(yè)大學農業(yè)部肉品加工重點實驗室,江蘇省肉類生產與加工質量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心,肉品加工與控制教育部重點實驗室,江蘇南京 210095;2.河北大學醫(yī)學綜合實驗中心,河北保定 071000;3.青島農業(yè)大學食品科學與工程學院,山東青島 266109)

自從20世紀60年代報道了電場對微生物作用后,研究人員將就它應用于食品工業(yè)的各個領域,其中也包括了脈沖電場對食品蛋白質的改性方面[1]。脈沖電場(pulsed electric field,PEF)技術主要是通過將脈沖電場(0.1～80 kV·cm-1)作用到放置于2個電極之間的食品物料上,進而實現(xiàn)對食品的非熱加工處理。脈沖電場處理可以改變食品材料結構而不會產生其他副作用(如嚴重結構改變、有害微生物污染、變色和變味等),與傳統(tǒng)熱加工相比,它可以最大限度地保持食品品質,如風味和營養(yǎng)價值[2-3],這是研究人員對此技術青睞的主要原因。脈沖電場加工處理大多在室溫或者低于室溫下操作,它能連續(xù)操作,通過對兩電極間的食品物料施加往復高電壓短脈沖的形式進行,由于加熱導致的能量損失非常小。脈沖電場加工處理的作用效果與施加的電場強度、脈沖波形、處理時間(脈沖個數(shù)×脈沖寬度)、脈沖頻率、處理溫度及被處理食品物料屬性(種類、酸堿度、離子強度、幾何尺寸等)等因素有關,其中電場強度和處理時間最關健[4-5]。對食品品質特性來說,脈沖電場處理技術很大程度上降低了食品感官和理化特性的不利變化,從而優(yōu)于傳統(tǒng)的食品熱加工處理技術,研究顯示PEF能替代熱加工處理技術或與熱加工處理技術聯(lián)用,因此成為食品加工業(yè)極具應用潛力的技術,近年來引起了國內外研究學者的廣泛關注[6-7]。

蛋白質作為食品中的主要營養(yǎng)成份之一,其功能性質對食品品質起到至關重要的作用[8-9]。與其他蛋白質改性方法比較,物理改性方法擁有處理時間短、能耗低、安全可靠、對產品營養(yǎng)性質影響小、終產品品質高等顯著優(yōu)點[10]。當?shù)鞍踪|溶解于水溶劑中時,分子中的帶電氨基酸殘基與極性基團使蛋白質分子也帶電荷,從而為脈沖電場誘使蛋白質改性提供了理論依據(jù)。脈沖電場處理促進分子有序排列,能為蛋白質氨基、巰基和羧基等殘基之間的化學反應提供反應所需能量,從而達到改變蛋白質性質,更有利于蛋白質的聚集,最終誘導改變蛋白質功能性質[11-12]。然而,PEF處理技術在以蛋白質為主要成分的食品物料中尚有很大潛力,然而PEF對蛋白質的作用機理還沒有被完全闡述清楚,需要更多更深入探索研究。本文綜述了脈沖電場處理對食品蛋白質結構和功能特性的影響,以期為今后從事該領域方向的科技工作者提供幫助與參考。

1 脈沖電場技術處理對食品蛋白質結構的影響

脈沖電場技術處理誘導蛋白質改性是當今蛋白質改性研究的熱點,其改性的主要機理是蛋白質的極性基團吸收電場能量產生自由基或聚集,導致蛋白質解折疊。產生的自由基會破壞蛋白質分子之間相互作用(如范德華力、靜電和疏水相互作用、氫鍵、二硫鍵和離子鍵等),從而引起蛋白質結構和功能特性的改變[13],脈沖電場技術在食品蛋白質物理改性方面表現(xiàn)出巨大的應用潛力,在脈沖電場影響下,水分子配位能力顯著增大;而且,當PEF作用到蛋白質時,處于蛋白質表面的離子就會受到電場的作用力影響,作用力大小和方向都隨時間變化而發(fā)生變化,從而對蛋白質的結構及功能特性產生影響[14]。在食品加工中就要充分利用這些影響。同時,施加外部高強電場環(huán)境會改變蛋白質所在的局部靜電場,從而誘導肽鏈的靜電相互作用被破壞[15]。蛋白質分子在電場影響下折疊會解開,之后會發(fā)生相互作用,最終形成蛋白質分子聚集。而且,蛋白質分子中的多肽鏈具有極強的偶極矩,從而受電場、局部靜電場作用的影響;蛋白質中多肽鏈在靜電相互作用下遭到外加電場破壞。也有理論認為,蛋白質分子聚集形成過程如下:解折疊后的蛋白質二級及三級結構會變得疏松,通過非共鍵連接的蛋白質分子二聚體及多聚體會發(fā)生解離,從而使更多的疏水基團暴露。這些部分解折疊蛋白會通過較弱的非共價鍵(如疏水相互作用)和共價鍵(如二硫鍵)形成蛋白質聚集[16],脈沖電場技術處理對蛋白質的這些影響作用可以通過疏水性、巰基和二硫鍵、二級結構和和三級結構等反映出來。

1.1 疏水性

蛋白質表面疏水性是表征蛋白質表面和接觸極性溶液環(huán)境疏水基團的重要參數(shù),也是維系蛋白質三級結構的主要作用力,與蛋白質的最終功能性質有很大的相關性,對于研究蛋白質的分子結構具有十分重要的意義。在蛋白質結構中,非極性的氨基酸側鏈一般包埋于蛋白分子內部,從而使蛋白質出現(xiàn)疏水性內核,而極性氨基酸則會分布于蛋白質分子的表面區(qū)域而出現(xiàn)親水屬性,但在蛋白質分子表面也會有一些疏水基團存在,從而導致蛋白質分子表面呈現(xiàn)出一定程度的疏水性。在外部電場作用下的蛋白質分子微小構象上的改變便會誘使以前隱藏在內部的疏水基團暴露出來,從而導致蛋白質疏水性的改變[17]。

Xiang等[18]采用電場強度分別為22、25 kV·cm-1,脈沖個數(shù)分別為30、60、90、120的脈沖電場處理大豆分離蛋白(SPI),結果顯示脈沖電場技術會改變SPI的結構而使其表面疏水性增加。脈沖電場技術處理對菜籽蛋白的結果表明,脈沖電場電壓、脈沖頻率及物料處理時間會影響其表面疏水性。電壓和物料處理時間會顯著增加菜籽蛋白表面疏水性,電壓低于35 kV時疏水性隨電壓增加而提高。物料處理時間低于150 s時,蛋白表面疏水性隨著時間延長而提高,150 s時達到最高。在脈沖頻率為400 Hz時菜籽蛋白的疏水性達到最高值,400 Hz后會降低。在脈沖寬度為6 μs時其疏水性達到最高值,之后有所降低[19]。脈沖電場技術處理對大豆分離蛋白(SPI)的疏水性也有類似影響,疏水性會隨著電場強度的提高和處理時間的延長而增加,在脈沖電場強度和處理時間分別高于30 kV·cm-1和288 μs時會降低[20]。

Perez等在使用脈沖電場技術處理β-乳球蛋白和卵白蛋白的研究中發(fā)現(xiàn),脈沖電場導致蛋白質分子發(fā)生了極化,致使疏水性氨基酸或巰基暴露,誘導蛋白質分子結構發(fā)生改變,當輸入脈沖能量足夠高時,在疏水相互作用和共價鍵的影響下形成蛋白質分子聚集[17]。國內研究人員也得出了相類似的結果,β-乳球蛋白分子表面疏水性和空白對照相比有不同程度的提高,而且隨處理時間的增加呈現(xiàn)出先提高后下降的趨勢。當處理時間達30 μs時,蛋白質表面疏水性達到最高值,其原因主要是PEF處理導致蛋白質分子結構展開,使蛋白質疏水性提高。當PEF繼續(xù)作用于β-乳球蛋白溶液時,蛋白質分子的表面疏水性開始降低,原因可能是由于PEF的電擊作用改變了蛋白質分子電荷分布,從而使β-乳球蛋白分子內部基團距離變小,蛋白質部分折疊,疏水基團則會重新包埋到蛋白質分子內部,最終導致蛋白質分子表面疏水性降低[21]。國內的曾新安團隊、楊瑞金團隊及殷涌光團隊應用脈沖電場技術做了很多相關工作。他們探究了脈沖電場技術處理對蛋清蛋白表面疏水性作用效果,結果也顯示隨PEF處理時間的增加蛋清蛋白分子的表面疏水性表現(xiàn)出先提高,然后有所下降的趨勢[22]。脈沖電場技術使得乳清蛋白蛋白質內部疏水相互作用發(fā)生改變,其主要原因是脈沖電場處理使乳清蛋白的空間結構發(fā)生了變化,暴露了更多的疏水性區(qū)域,最終表現(xiàn)為蛋白質分子的表面疏水性提高[23]。

在肌肉蛋白中的應用效果顯示,脈沖電場技術處理的肌原纖維蛋白(MP)的相對熒光強度發(fā)生改變。隨電場強度的提高,相對熒光強度也開始增加。在脈沖電場強度達到35 kV·cm-1時,相對熒光強度也達到最高值,顯示脈沖電場處理使MP分子內部疏水相互作用改變,主要原因是脈沖電場肌原纖維蛋白分子的空間結構發(fā)生變化,導致暴露出更多的疏水區(qū)域,最終表現(xiàn)為蛋白質的表面疏水性提高。然而當脈沖電場電場強度提高到40 kV·cm-1時,相對熒光強度開始降低,主要原因是由于極化了的MP分子之間相互作用加強,導致蛋白分子聚集體重新形成[24]。從以上可以看出,大部分研究都顯示,疏水性都表現(xiàn)出先增加而后降低的趨勢,因此要充分利用這個特點,選擇合適的脈沖電場作用參數(shù),根據(jù)最終的應用目的加以利用。

1.2 巰基和二硫鍵

大部分蛋白質都含有二硫鍵(-SS-)和巰基(-SH),并且二硫鍵和自由巰基對蛋白質的功能特性包括凝膠特性、乳化活性及乳化穩(wěn)定性有著十分重要的影響。蛋白質分子中巰基是生成二硫鍵的前體,而二硫鍵是維持蛋白質三級結構的主要作用力,一般巰基氧化會形成二硫鍵,從而對產品的最終品質造成影響。脈沖電場技術處理會使蛋白質分子展開,暴露了蛋白質分子內部基團。報道顯示含有自由巰基的分子在經過PEF處理后會發(fā)生化學變化[16]。

在PEF影響下,巰基發(fā)生變化,從而使多肽鏈構象發(fā)生變化。多數(shù)研究結果顯示,PEF處理會使巰基變得更加活潑,同時表面巰基含量也會隨著脈沖場強與處理時間的增加而提高[20-25],然而繼續(xù)延長處理時間巰基的含量又會降低。研究結果表明,PEF處理使菜籽蛋白的自由巰基含量明顯提高,在脈沖電壓為35 kV時自由巰基含量是空白組的2倍,表明PEF誘導菜籽蛋白的三級結構發(fā)生變化,導致蛋白質結構局部展開,二硫鍵發(fā)生斷裂,使形成的巰基暴露在分子表面;不過,隨著脈沖電場強度增加或物料處理時間延長,蛋白質總巰基含量卻明顯下降[19],可能是PEF對兩種巰基的作用不同,使總巰基發(fā)生氧化,形成二硫鍵。大豆分離蛋白(SPI)表面自由巰基隨著脈沖電場強度的增加與處理時間的延長而提高,然而當脈沖電場強度與處理時間分別高于30 kV·cm-1和288 μs時則會降低[20]。改變主要是由于脈沖電場處理導致暴露了蛋白分子內部疏水基團,改變蛋白質表面疏水性,誘使活性基團間相互反應,巰基與二硫鍵受到影響,最后致使大豆分離蛋白發(fā)生聚集,而過高的PEF又會導致疏水基團間相互作用,致使他們又重新隱藏起來[11]。Dolores等用PEF對蛋清溶液和卵白蛋白溶液處理后的結果顯示,PEF處理增加了與5,5′-二硫雙(2-硝基苯甲酸)(DTNB)可反應的自由巰基量,原因可能是蛋白質分子形成了部分解折疊或增強了巰基離子化程度,然而蛋白質的凝膠性質并沒有相應發(fā)生明顯改變[25]。PEF對牛血清白蛋白和卵白蛋白處理的研究結果顯示,PEF電場強度從25提高到35 kV·cm-1時暴露巰基明顯增加而總巰基降低[16]。因此,對于特定的食品蛋白質,需要確定合適的脈沖電場處理參數(shù)來達到應用的目的。

1.3 二級結構

蛋白質二級結構主要包括α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規(guī)則卷曲[26]。研究顯示,脈沖電場處理對食品蛋白質的二級結構有顯著影響,蛋白質α-螺旋下降,β-折疊含量上升對蛋白質后期的功能性質改善有利。

Qian等[27]研究發(fā)現(xiàn)PEF能改變固體卵清蛋白的二級結構導致二硫鍵斷裂、氫鍵被破壞,使α-螺旋轉變?yōu)棣?折疊,α-螺旋下降,β-折疊含量上升,但是蛋白質的一級結構沒有變化。PEF也使菜籽蛋白的二級結構發(fā)生變化,菜籽蛋白肽鏈解旋,由有序向無序狀態(tài)改變。經過不同脈沖電壓處理后,蛋白質酰胺I帶各譜峰百分比含量發(fā)生改變,α-螺旋及β-折疊含量都有所下降,無規(guī)則卷曲含量明顯提高,β-轉角含量無明顯改變,然而峰值大小幾乎無變化[19]。李迎秋[28]通過對PEF處理作用下大豆蛋白分子結構研究顯示,PEF處理誘導了蛋白分子的極化,破壞了維持蛋白空間結構的氫鍵等作用力,使大豆分離蛋白分子部分伸展,基團暴露,從而使二級結構含量增加;較強的脈沖條件使極化的蛋白分子之間相互吸引重新形成分子聚集體,使其伸展的結構又發(fā)生折疊。進一步拉曼分析結果顯示蛋白質α-螺旋含量下降、β-折疊和無規(guī)則卷曲含量提高[11],同時β-折疊隨處理時間的增加,呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢,表明大豆分離蛋白的二級結構被破壞[20]。Liu等也發(fā)現(xiàn),35 kV·cm-1PEF使大豆分離蛋白的反平行β-折疊、β-轉角和β-折疊等二級結構發(fā)生明顯變化[29]。脈沖電場處理后玉米醇溶蛋白的酰胺I帶拉曼光譜特征峰相對強度提高,表明處理后的β-折疊結構百分比含量提高。在酰胺III帶的拉曼光譜特征峰波數(shù)向左偏移,而且相對強度也有所提高,表明β-折疊和無規(guī)則卷曲結構含量提高,α-螺旋解開,C=O雙鍵的斷裂促使羥基基團含量提高[30-31]。PEF處理后β-乳球蛋白分子的α-螺旋與β-折疊隨PEF處理時間增加出現(xiàn)先提高而后降低趨勢,與此相反,β-轉角與無規(guī)則卷曲則先下降后提高,原因是短時脈沖電場處理,破壞了維系蛋白質高級結構的次級鍵(包括氫鍵、范德華力和靜電相互作用等),致使結構展開,于是β-折疊含量提高。進一步延長處理時間,蛋白分子發(fā)生極化,蛋白質帶電基團的定位和氨基酸殘基間的電場分布破壞,破壞了β-乳球蛋白的二級結構,從而β-折疊含量下降,無規(guī)則卷曲提高,之前展開的蛋白結構又變得致密[21]。PEF對蛋白質二級結構的影響不同研究有所差異,大部分研究認為PEF會破壞蛋白質有序結構,但由于所研究蛋白質不同,PEF作用的參數(shù)也有差異,導致最終的結果與不盡相同。

1.4 三級結構

內源熒光變化是表征蛋白質三級結構的常用指標。內源熒光主要源于蛋白質中的色氨酸殘基(Trp),這種氨基酸殘基對微環(huán)境的變化十分敏感,因此一般用Trp殘基來作為內源熒光探針來表征蛋白三級結構的變化情況。

PEF處理提高了β-乳球蛋白的熒光強度,而且出現(xiàn)先增加后下降的變化,在25 kV·cm-130 μs時熒光強度達到最高值。作者分析原因可能是PEF處理的電場影響導致蛋白質疏水及靜電相互作用、氫鍵等發(fā)生改變,致密的立體構象松散,β-乳球蛋白分子的2個Trp殘基被暴露在極性環(huán)境,熒光強度提高,處理時間30 μs時達到最高。繼續(xù)延長處理時間,熒光強度有降低的趨勢,原因是蛋白質分子又通過非共價鍵作用導致蛋白質部分折疊,原來暴露于蛋白質表面的Trp殘基又掩埋到了分子內部[21]。脈沖電場作用后,固體卵清蛋白自由巰基增加,總巰基降低,表明脈沖電場會作用于蛋白質分子三級結構,導致某些空間結構展開,暴露原來隱藏的巰基結構[27]。

脈沖電場處理對蛋白質分子結構影響與食品蛋白質的種類緊密相關,還有研究結果顯示脈沖電場處理在某些條件下對蛋白質結構沒有影響,產生這些矛盾的原因除了蛋白質本身的原因之外與脈沖電場的作用參數(shù)及處理時間有很大的關系。Singh等[32]從分子水平上研究了外加電場對蛋白質結構的作用,通過脈沖電場誘導微環(huán)境中大豆蛋白的色氨酸殘基,發(fā)現(xiàn)其變化帶來的極性是部分變性蛋白質引起的。同時發(fā)現(xiàn)低場強對蛋白質分子的結構幾乎沒有作用,高場強則導致蛋白質構象改變從而導致和溶劑接觸面積變大。高強度脈沖電場使蛋白質肽鏈間靜電相互作用遭到破壞,從而可能會誘使蛋白質分子發(fā)生宏觀結構改變,如暴露了某些內部結構,加劇了蛋白質間相互作用。

2 脈沖電場技術對食品蛋白質功能特性的影響

蛋白質的功能特性在很大程度上由其結構決定。脈沖電場處理改變了蛋白質分子結構,必然會使蛋白質功能特性改善或下降,從而最終影響食品的質構和功能特性。

2.1 溶解度

溶解度是蛋白質十分重要的理化性質,它靠蛋白質與水分子間相互作用維系。溶解度不僅對蛋白質的分離、提取及純化有影響,對其他功能特性(如乳化性、起泡性、增稠性和凝膠性等)都有明顯影響。也是表征蛋白質變性及聚集的一個指標。一般而言,溶解度高的蛋白質功能性質好,而溶解度低的蛋白質的功能特性和使用范圍是非常有限的。

脈沖電場對蛋白質溶解度的作用和其作用的電場強度與處理時間有關。吳新用脈沖電場技術處理牛乳蛋白后發(fā)現(xiàn)其溶解性改善,在30 kV·cm-1達到最大值[33]。隨著電場強度與處理時間的增加,大豆分離蛋白的溶解度提高,當電場強度(電壓)與處理時間分別高于30 kV·cm-1和288 μs時降低[20]。電壓低于30 kV時,菜籽蛋白質溶解度明顯提高,加深了蛋白質分子極化的程度,打破了維持蛋白質空間結構的疏水和靜電相互作用、二硫鍵等非共價鍵作用力,蛋白質分子局部展開,提高了溶解度。進一步增加電壓和物料處理時間,充分暴露了隱藏在分子內部的巰基和疏水基團,展開的蛋白質分子間又形成新的蛋白質分子聚集,降低了蛋白質溶解度[19]。李迎秋等[34]使用0～40 kV·cm-1PEF處理大豆分離蛋白,也發(fā)現(xiàn)隨著脈沖電場強度(0～35 kV·cm-1)和處理時間(0～432 μs)提高大豆分離蛋白的溶解度得到改善。脈沖強度或處理時間高于35 kV·cm-1或432 μs時溶解度下降。而且較強的PEF也顯著改善了對菜籽蛋白的溶解度[19]。PEF也可以與超聲波、糖基化等其它手段一起使用,當處理條件為脈沖電場強度15 kV·cm-1、超聲波處理時間36 min、超聲波功率300 W時,黑豆分離蛋白的溶解度明顯改善[14]。Sun Weiwei等[35]利用PEF結合糖基化處理乳清分離蛋白,發(fā)現(xiàn)高強度的PEF處理能夠加速糖基化反應,改善了乳清分離蛋白溶解度[36]。然而,吳新等[37]研究了脈沖電場處理對酪蛋白溶解度的作用,結果發(fā)現(xiàn)隨著脈沖強度增加和處理時間延長,酪蛋白溶解度降低。趙偉等[22]使用25～35 kV·cm-1100～800 μs PEF技術處理蛋清蛋白,結果發(fā)現(xiàn)PEF處理電場強度及處理時間過長會使蛋白質分子間形成聚集,降低了蛋白質溶解度。蛋白質溶解度降低的原因可能是所用處理參數(shù)不當引起的。

2.2 乳化特性

乳化特性是食品蛋白質的另外一項重要功能特性,它與食品的保油性密切相關。多數(shù)研究結果證實適度的脈沖電場處理會改善蛋白質的乳化特性,最終產品(尤其是肉制品)的保油性十分有吸引力。

趙偉等[22]采用25～35 kV·cm-1PEF處理蛋清蛋白100～800 μs后,發(fā)現(xiàn)蛋清蛋白乳化特性有所提高。而繼續(xù)增加PEF處理電場強度和延長處理時間,蛋白質分子之間會形成聚集,導致其乳化功能下降。李迎秋等[34]研究了脈沖電場對大豆分離蛋白功能性質的作用,結果顯示PEF會顯著提高β-乳球蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性。脈沖電壓為30 kV時,乳化能力最優(yōu)。脈沖電場強度高于30 kV·cm-1或處理時間大于144 μs時乳化性下降。其原因可能是PEF導致蛋白分子極化,從而破壞了維系蛋白質分子空間結構的非共價作用力,而且局部伸展的蛋白質分子提高了分子的柔性,油水界面結合了更多的蛋白質分子,原來隱藏于蛋白分子內部的疏水殘基暴露到表面,使蛋白質的乳化性能提高[28]。進一步提高電壓和處理時間,極化的蛋白質分子之間會相互吸引,通過非共價鍵而形成更大蛋白質分子聚集,導致蛋白質分子柔性降低,最終,降低了蛋白質乳化及乳化穩(wěn)定性[19]。糖基化處理結合不同電場強度PEF后,β-乳球蛋白的乳化穩(wěn)定性和乳化性都明顯改善[36]。Sun Weiwei等[35]也發(fā)現(xiàn)糖基化處理結合PEF改善了乳清分離蛋白的乳化特性。

2.3 凝膠特性

蛋白質的凝膠特性(包括凝膠強度和凝膠微觀結構等)與最終食品的質構關系密切[38]。

研究發(fā)現(xiàn)與空白組相比,較低的PEF電場強度會降低乳清蛋白凝膠硬度,隨著PEF電場強度的逐步增強,硬度開始提高,PEF電場強度為35 kV·cm-1時,硬度達到最高值[23-24]。對于肌原纖維蛋白也有類似效果,在PEF電場強度小于35 kV·cm-1時,隨PEF電場強度的增強肌原纖維蛋白凝膠彈性增加,大于35 kV·cm-1時,隨PEF電場強度增強肌原纖維蛋白凝膠彈性下降,隨PEF脈沖個數(shù)的增多肌原纖維蛋白凝膠彈性提高,增加到脈沖數(shù)為4時,脈沖個數(shù)繼續(xù)增加,增幅會下降[24]。Rodrigues等發(fā)現(xiàn)用溫和PEF處理乳清分離蛋白后蛋白質凝膠形成性、黏彈性和分散性發(fā)生變化[39]。同時,脈沖電場和超聲波也有相互促進作用,超聲波處理時間為36 min、超聲波功率300 W、脈沖電場強度為15 kV·cm-1時,黑豆分離蛋白凝膠硬度得到改善,掃描電子顯微鏡(SEM)的結果也表明此時黑豆蛋白形成了更為均一、致密、規(guī)則和表面平整的凝膠[14]。

2.4 保水保油性

保水保油性作為食品蛋白質凝膠最重要的功能特性之一,提高食品蛋白質的保水性及保油性,一方面可以有效維持食品風味,增強食品口感;同時可降低食品水分及脂肪的流失[19],從而增加產品的出品率,降低生產成本。在適當條件下,食品蛋白質形成的熱誘導凝膠可以保留大量水、脂肪及其他食品成分[40]。研究表明,PEF對食品蛋白質保水保油性有顯著改善效果。

在PEF電場強度小于35 kV·cm-1時,隨著脈沖電場強度的增加凝膠保水性提高,但電場強度大于35 kV·cm-1后增幅改變不明顯[23]。當處理條件為超聲波處理時間36 min、超聲波處理功率300 W、PEF電場強度15 kV·cm-1時,黑豆分離蛋白保水性提高[14]。然而,金聲瑯等[23]發(fā)現(xiàn),與對空白照組相比,15～25 kV·cm-1的PEF處理后乳清蛋白蛋白凝膠保水性下降。原因可能是PEF使蛋白分子極化,破壞了維系蛋白空間結構的非共價鍵作用,凝膠網絡結構變得不穩(wěn)定,導致蛋白凝膠保水性降低。PEF強度大于35 kV·cm-1時,凝膠保水性明顯提高,他們認為原因可能是:第一,蛋白分子被PEF誘導極化,打破了二硫鍵和氫鍵,部分展開的蛋白分子和溶劑水相互作用加強,從而形成了新的蛋白質穩(wěn)定結構;第二,水分子在脈沖電場作用下聚合,水分子之間的距離縮小,導致自由水填充到蛋白質氨基酸側鏈周圍轉變成結合水,樣品保水性得到改善;第三,PEF通過電致伸縮作用導致二價陽離子和蛋白質分子之間的鍵合作用破壞,使添加食鹽的乳清蛋白構象改變,蛋白質分子與陽離子間形成鹽橋的可能性下降,從而提高了蛋白質凝膠保水性[23]。肌原纖維蛋白與此類似,與空白對照組相比,2～8個脈沖使肌原纖維蛋白凝膠保水性明顯改善,脈沖個數(shù)為4時,肌原纖維蛋白凝膠保水性最優(yōu),更為穩(wěn)定肌原纖維蛋白網絡結構形成,繼續(xù)增加脈沖個數(shù)其保水性不會再提高[24]。王麗娟[19]發(fā)現(xiàn),脈沖電壓在25 kV時菜籽蛋白的保油性達到最高。脈沖電壓大于25 kV后又明顯下降。可能是由于菜籽蛋白的對PEF耐受性比較低,PEF處理使菜籽蛋白變性,打開了蛋白質空間結構,更多的親油基暴露出來,導致菜籽蛋白吸油性改善[19]。不同蛋白質受PEF影響不同,因此針對不同食品原料需要優(yōu)化PEF處理的參數(shù),以達到理想的效果。

2.5 變性聚集

一般研究認為,脈沖電場導致的溫度升高會造成蛋白質變性和聚集[2]。但變性和聚集對蛋白質的功能特性改善是否有利還需要進一步研究。

PEF誘使牛血清蛋白中卵白蛋白和β-乳球蛋白通過二硫鍵形成蛋白質聚集[16-17]。拉曼光譜結果也顯示溶菌酶的二硫鍵構像發(fā)生顯著改變,表明PEF使蛋白質通過巰基/二硫鍵間相互作用形成蛋白質聚集[41]。PEF電場強度(電壓)和處理時間是主要的參數(shù),在PEF電壓20～35 kV時沒有發(fā)現(xiàn)牛血清白蛋白(BSA)聚集形成,可能是BSA中巰基含量較少,在中度PEF處理條件下一般可以保持穩(wěn)定,當PEF強度大于25 kV時BSA和卵白蛋白混合蛋白會形成聚集[16]。對于大豆分離蛋白(SPI)和蛋清蛋白(egg white proteins)也是如此,增加PEF處理強度與延長處理時間,蛋白質變性和聚集就會發(fā)生[20,42]。

2.6 其它蛋白質功能特性

PEF電壓低于30 kV時,菜籽蛋白的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性都明顯改善,當電壓為30 kV時,起泡性和泡沫穩(wěn)定性最優(yōu),原因是PEF導致菜籽蛋白局部伸展,使蛋白質內部的疏水性殘基暴露到表面,導致水和空氣界面的形成,蛋白質分子之間通過非共價相互作用力生成了穩(wěn)定的界面膜和二維網絡結構,從而使起泡性和泡沫穩(wěn)定性改善。然而當進一步加大電壓和處理時間時,導致蛋白質分子內部的巰基和疏水基團充分暴露。蛋白質分子極化生成新的蛋白質分子聚集,降低了空氣和水形成的界面膜穩(wěn)定性,最終起泡性和泡沫穩(wěn)定性下降[19]。PEF處理改善了玉米醇溶蛋白膜特性,在PEF和乙醇共同影響下,有序排列的玉米醇溶蛋白分子形成均一的蛋白質網狀結構,薄膜均一性提高,形成的蛋白膜形狀完整、內部結合更為緊密、表面平整光滑,PEF處理的玉米醇溶蛋白膜拉伸強度高于未經PEF處理組[30]。田明等[36]用15 kV·cm-1的PEF處理90 μs與糖基化結合處理β-乳球蛋白,結果顯示β-乳球蛋白分子解折疊,自由氨基含量明顯下降,β-乳球蛋白過敏原性降低。同一研究團隊的Yang WH等近期也得到類似結論,PEF與糖基化結合可以降低β-乳球蛋白過敏原性[43]。研究證實,未PEF處理的蛋白質溶液羰基值為零,而經過25 kV·cm-1PEF處理800 μs后蛋白質的羰基值沒有改變,表明蛋白質氧化沒有發(fā)生[44]。Guan YG等研究證實PEF處理可以加速牛血清白蛋白(BSA)-葡聚糖溶液體系的糖基化反應進程[45]。另外,PEF對液全蛋起泡性[46]、豆奶流變特性[47]有顯著影響。綜上所述,多數(shù)研究結果都證實,PEF對蛋白質的功能性質都有改善作用,但作用的參數(shù)需要針對特定的蛋白質進行優(yōu)化。

3 結論和展望

脈沖電場技術(PEF)屬于典型的交叉學科,涉及到物理學、電子學、化學、微生物學和工程技術等多個學科,被譽為本世紀最具潛力的食品非熱加工處理高新技術,它能應用到非連續(xù)相的固體食品物料或連續(xù)相的液體食品,與電極不接觸或不同接觸,在原料運輸與預處理過程中也可施加脈沖電場處理,從而對實現(xiàn)工業(yè)化的大規(guī)模處理十分有利[19]。PEF處理可以改變食品生物大分子與內分子間的非共價作用,進而影響食品生物大分子的結構,誘導其功能特性發(fā)生改變,使食品的品質特性得以改善。以PEF處理食品蛋白質,對蛋白質進行物理改性研究,其處理過程零污染,操作方便。PEF改變食品蛋白質理化性質處理操作時間短、能耗低而且加工過程中食品組分變化小,因此探索利用PEF技術來影響對食品中蛋白質等生物大分子結構與功能特性具有十分重要的意義。

當前影響PEF在食品蛋白質改性中應用的主要瓶頸在于PEF對食品組分結構和功能的作用及對食品質量與安全的影響等基礎理論還需進一步完善,同時,PEF設備的處理量、PEF處理引起的物料溫度升高、食品物料受PEF作用的不均勻性及設備投入等這些制約著PEF在食品工業(yè)中進一步應用。因此掌握PEF對食品中主要組分的作用機理及其對食品品質和安全的影響,找到PEF作用下食品組分的穩(wěn)定方法是解決這些瓶頸問題的基本途徑。除此之外,盡管在生產線中引入PEF單元較容易,但是,食品組分由于不同介電性質,PEF會對這種不均一的產品性狀產生不同的效果,因此,相對于簡單的懸浮系統(tǒng),PEF應用于較復雜的真實食品體系中具有一定的挑戰(zhàn)性。隨著PEF在食品加工中的應用越來越廣泛,展現(xiàn)出來的局限性和瓶頸也越來越明顯。通過豐富的基礎理論探索促進PEF技術的工業(yè)化進程,是該技術發(fā)展應用亟待解決的問題。