預處理技術改善蛋白質乳化性研究進展

望運滔 王營娟 白艷紅

(1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450000；2. 河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室， 河南 鄭州 450000；3. 河南省食品生產與安全協同創新中心，河南 鄭州 450000)

蛋白質是關系到人類健康的重要營養物質之一，在食品加工中，蛋白質經常被用作食品乳化劑。因為蛋白質具有親水性和疏水性基團，可以向油水界面遷移，并且蛋白質會在界面展開并重新排列，疏水基團朝向油相移動，而親水性基團朝向水相移動，其獨特的界面性質可以降低油水界面張力，且在界面處的蛋白質聚集在油滴周圍形成黏彈性膜[1]，能夠阻止油滴聚集，從而穩定乳液[2]。蛋白質所穩定的乳化液在食品加工中具有廣泛的應用價值，如人造奶油、冰淇淋和蛋黃醬等[3]，因此蛋白質作為乳化劑被廣泛研究。

然而天然蛋白質的功能性質不能滿足實際生產加工需求，如某些蛋白質的溶解性、乳化性差等，并且在加工過程中容易受到環境因素(溶液pH值，離子強度和溫度)的影響而變性[4]，從而影響其功能特性及在食品工業中的應用。因此，為了改善蛋白質的乳化性，需要對蛋白質進行改性處理。文章對國內外最新蛋白質改性以提高其乳化性的研究進行綜述，以期為蛋白質改性的應用及研究提供一定理論參考。

1 預處理技術改善蛋白質乳化性的原理

蛋白質特異的空間結構決定其獨特的功能性質，而影響蛋白質乳化性的內部因素主要包括蛋白質的組成、結構、分子大小、疏水性、表面電荷量等[5]。采用高新技術對蛋白質結構進行修飾就是通過物理和化學作用力對蛋白質的一級、二級、三級、四級結構進行人為修飾，使蛋白質的空間結構發生變化，柔性結構展開，剛柔性區域重排，非極性基團暴露，從而改善蛋白質在油水界面的吸附特性[6]。

2 預處理技術改善蛋白質乳化性的方法

2.1 物理改性

物理改性主要是通過超聲波、高壓均質、擠壓蒸煮、水動力空化等物理手段改變蛋白質結構及蛋白質分子間的聚集狀態，從而改善其乳化特性。物理改性的優點在于廉價、安全、處理時間短以及對產品營養性能影響小[7]。

2.1.1 超聲處理改善蛋白乳化性 超聲處理過程中產生的空化效應可以誘導蛋白質分子結構聚集和展開[8]，改變蛋白質分子之間的相互作用，如疏水相互作用，氫鍵和二硫鍵等，增強蛋白質分子的柔韌性并提高蛋白質在油水界面的吸附能力，改善蛋白質的乳化性[9]。目前，單獨超聲處理已被廣泛應用于改善花生蛋白[10]、核桃蛋白[11]、向日葵蛋白[12]、肌原纖維蛋白[13]以及鱈魚蛋白[14]等蛋白質的乳化性。結果表明單獨超聲處理可以有效地改善蛋白質的乳化性，但超聲時間過長以及超聲功率過高會使蛋白質嚴重變性，降低乳化性[15]。

超聲處理也可以與一種或多種改性方法相結合來改善蛋白質的乳化性，Shen等[16]采用超聲協同熱處理改善蛋白質的功能性質，與未處理的乳清蛋白相比，單獨超聲和加熱處理使乳清蛋白的乳化活性和乳化穩定性都分別提高了1.5倍和2.0倍，二者有相同的改善作用，沒有明顯差異。而對加熱后的乳清蛋白進行超聲處理后，它的乳化活性和乳化穩定性分別是未處理組1.9倍和2.5倍，乳清蛋白的乳化活性和乳化穩定性達到最大值，表明超聲協同熱處理可以更有效地改善蛋白質的乳化性。超聲協同其他方法改性蛋白質可以集合多種改性方法的優點或彌補單一改性效果的不足，最大程度提高蛋白質的乳化性。

2.1.2 高壓均質改善蛋白質的乳化性 高壓均質是一種非熱加工技術[17]，主要包括靜態高壓均質和動態高壓均質。靜態高壓均質改性蛋白質是指將蛋白質放置在具有靜電場的密閉容器內，在常溫條件下對蛋白質施加一定靜壓力，通過破壞蛋白質分子的非共價鍵，改變其理化性質[18]。動態高壓均質改性蛋白質是指蛋白質溶液通過高壓閥流動時，高壓產生的強烈剪切力、空化和湍流作用會使蛋白質的二級、三級結構發生改變，從而改變其功能性質[19]。高壓均質技術因其高效快捷的作用方式，經濟性、便捷性和安全性，已經被廣泛應用到實際生產中。

Ma等[20]通過高壓均質改變鱈魚蛋白質的結構來提高其油水乳化液的貯藏穩定性。高壓均質處理后鱈魚蛋白質結構展開，疏水性和親水性基團的暴露可以增強蛋白質在油水界面的吸附作用，提高鱈魚蛋白的乳化穩定性。Cha等[19]發現高壓均質處理可以顯著提高由貽貝肌原纖維蛋白和卵磷脂穩定O/W乳狀液的乳化活性和穩定性。當壓力從40 MPa增加到120 MPa時，乳化活性指數和乳化穩定性指數逐漸增大，在80 MPa時達到最大值。這是因為高壓均質處理后，蛋白質的溶解度增加，乳液表觀黏度和電荷量增大。溶解性的增加可以促進蛋白質在油水界面的擴散速度，乳狀液黏度的改善有助于降低液滴的懸浮速度，使其保持較好的穩定性，而分散的油滴表面電荷增加，乳液液滴之間斥力增大，不易發生于凝結或絮凝，使穩定性提高。

2.1.3 擠壓蒸煮技術 擠壓蒸煮改性蛋白質是將蛋白質放在高溫、高壓和機械剪切力條件下，在短時間內使蛋白質結構部分展開和聚集的技術[21-22]。擠壓蒸煮過程中產生的高溫會改變蛋白質表面親水和疏水性位點的分布規律，使蛋白質的官能團暴露出來，而蛋白質的適當變性通常會提高蛋白質的表面活性[23]，有助于其在油—水界面處的吸附，并形成一層物理層，從而提高乳化穩定性。

Mozafarpour等[24]研究了擠壓溫度(110，130，160 ℃)和水分含量(18%，25%)對大豆濃縮蛋白結構和乳化性能的影響，發現當水分含量為18%時，蛋白質的乳化活性隨著溫度的升高而增大，在160 ℃時達到最大值，大約提高了2.2倍，而當蛋白質中的水分含量增加到25%時，乳化活性大約提高了1.6倍，隨著溫度的升高，乳化活性變化不顯著，產生這種現象的原因可能是當水分含量為18%時，擠壓蒸煮技術可以使大豆蛋白產生更多新的疏水位點并且蛋白質柔性增強，更多的疏水性基團可以與油相更好接觸，并且結構更靈活的蛋白質能在油水界面更快吸附，使其具有更高的乳化活性。而當水分含量為25%時，蛋白溶液中水分含量增多，蛋白質的流動性更強，由于蛋白質在擠壓機內平均停留時間較短，蛋白質變性程度減弱，蛋白質分子暴露出較少的疏水性基團，乳化性提高程度相對較低。因此，在擠壓蒸煮過程中，蛋白質的含水量是影響改性后蛋白質乳化性的一個重要因素。

另外，擠壓蒸煮技術也可以通過促進蛋白質的酶解反應，進一步提高蛋白質的乳化性。Chen等[25]發現由花生蛋白穩定乳狀液的體積平均粒徑(D43)為29.4 μm。當對花生蛋白進行單一酶解處理，水解程度為0.9%時，所穩定乳液的D43為20.6 μm。而對于擠壓蒸煮后的花生蛋白，在相同酶解條件下，酶解程度為6.2%， 酶解產物所穩定乳液的D43為4.5 μm，并且形成的乳狀液液滴分布均勻，表明經擠壓蒸煮預處理后花生蛋白酶解所得產物具有更好的乳化性。這是因為擠壓預處理過程中產生的剪切力和高溫可以改變蛋白質的構象，蛋白質分子展開以及重新排列，使其形成易被蛋白酶利用的層狀結構，在相同的酶解條件下，與單一酶解相比，擠壓蒸煮之后蛋白的水解程度顯著升高，木瓜蛋白酶可以更有效地將擠壓蒸煮之后的不可溶蛋白質多肽解聚成較小可溶性多肽，而蛋白質的溶解度提高有利于其在油水界面的吸附，進而改善其乳化性。這些結果表明，擠壓蒸煮協同酶解處理比單一的酶解處理能更有效改善花生蛋白的乳化性能。

2.1.4 旋流空化 旋流空化是一種新興的工藝技術，旋流空化可以產生與超聲相同的空化現象[26]。空化泡的破裂會引發各種物理化學效應，包括產生剪切力、沖擊波、高溫、壓力以及自由基。旋流空化產生的化學效果優于超聲空化,并且旋流空化的能源效率高于超聲空化[27]。目前旋流空化技術已經應用于蛋白質改性研究。Yang等[27]研究了不同壓力和時間的旋流空化對大豆分離蛋白(SPI)乳化性質的影響，結果發現與未處理的SPI相比，處理后的SPI具有更高的乳化活性和乳化穩定性，油滴尺寸和絮凝指數減小，界面吸附蛋白含量增大，表明旋流空化技術可能是改善大豆蛋白乳化性的一種有效技術。

2.2 化學改性

化學改性蛋白質主要是通過化學試劑作用使蛋白質肽鏈部分斷裂或引入新的活性官能團使蛋白質分子結構、電荷特性和親疏水基團等發生改變，從而對蛋白質分子結構進行有效修飾[28]，主要包括pH偏移、磷酸化反應等。

2.2.1 pH偏移對蛋白質乳化性的影響 pH偏移改性蛋白質是指在極端pH條件下使蛋白質結構展開，然后在中性環境中誘導蛋白重新折疊[29]。蛋白質經歷展開—再折疊過程，分子構象會發生部分改變，乳化性從而改變。研究[30]表明，大豆分離蛋白、豌豆蛋白和肌漿蛋白經過pH偏移處理后，其功能特性顯著增強。Chen等[30]將乳清蛋白在pH 12條件下反應1 h，隨后調回中性誘導蛋白結構折疊。結果發現該條件下處理后花生蛋白的乳化活性指數從7.073 m2/g增加到了7.193 m2/g，乳化穩定性指數從66.5 min增加到了73.34 min。這是因為pH 12偏離蛋白質的等電點，可能導致蛋白質分子內較強的靜電排斥作用，從而導致蛋白質結構展開，疏水基團或區域暴露，蛋白質分子靈活性增加。而這些改變均可以促進乳清蛋白分子與水相及油相的接觸，增強其界面吸附特性。

另外，研究還發現pH—偏移協同溫熱處理可以更有效地改善蛋白質的乳化特性。Wang等[31]將大麻種子蛋白在不同溫度(20～60 ℃) pH 12條件下處理5 min使其結構展開，后將溶液的pH值調回pH 7誘導蛋白質折疊。結果發現，未處理組蛋白質的乳化活性指數為5.63 m2/g，pH 12處理之后蛋白質的乳化活性指數為5.43 m2/g，表明單獨在pH 12條件下處理并沒有顯著改善蛋白質的乳化性。而對于pH 12結合溫熱處理改性的蛋白質，隨著熱處理溫度的升高(20～60 ℃)，蛋白質的乳化活性指數從5.43 m2/g增加到7.39 m2/g，蛋白質的TSI值由8.81降低至1.08，共聚焦顯微鏡下油滴尺寸逐漸減小，且分布更均勻，表明pH 12結合溫熱處理能更顯著改善蛋白質的乳化性。溶解度和表面疏水性是影響蛋白質乳化性的重要因素。單一的pH 12處理時，蛋白質溶解度改善不顯著(P>0.05)，并且pH偏移過程中屏蔽了帶電基團，不利于蛋白與水之間的相互作用，進而不能明顯改善蛋白質的乳化性。而pH—偏移協同溫熱處理之后的蛋白質溶解度和表面疏水性明顯增大，二者的增加使蛋白質的親水和親油性顯著增強，從而使蛋白質的乳化性增強。

2.2.2 磷酸化反應 磷酸可以選擇性地與蛋白質的側鏈基團，如絲氨酸、蘇氨酸、絡氨酸中的—OH基團，賴氨酸的ε-NH2，組氨酸咪唑環的1，3個氮原子發生反應，在蛋白質分子表面引入更多的負電荷，增強蛋白質的水化作用，從而提高蛋白質的乳化性[32]。

磷酸化反應改善蛋白乳化性的關鍵因素是控制其磷酸化程度。Hu等[32]將米糠蛋白在不同pH值(3，5，7，9，11)條件下采用三偏磷酸鈉進行水熱磷酸化反應，結果發現在pH 9.0條件下磷酸化所得米糠蛋白具有最高的溶解性和乳化活性，米糠蛋白的溶解度和乳化活性分別提高了8.7倍和8.1倍。一方面，隨著磷酸鹽含量的增加，米糠蛋白表面的凈負電荷增加。在乳液的制備過程中，液滴的電位絕對值越大，液滴的靜電斥力越強，液滴之間不易聚集和結合。另一方面，親水性/疏水性平衡也可以影響蛋白質的乳化活性，蛋白質被吸收并迅速移動到油/水界面后，可通過疏水相互作用來穩定油滴的聚集狀態。磷酸化處理使米糠蛋白的表面疏水性增大，親水親油平衡較好，油滴更容易被蛋白質固定，從而使其乳化性得到改善。同理， Sánchez-Reséndiz等[33]采用三偏磷酸鈉對花生蛋白和大豆蛋白進行磷酸化處理也得到類似結論。

2.3 酶法改性

酶法改性主要是指通過酶解反應使蛋白質分子中多肽鏈斷裂、分子內或分子間交聯以及蛋白質分子側鏈基團發生改變，從而使蛋白質分子的組成、空間結構及理化性質發生變化，進而改善其功能特性[34]。酶法改性常用酶的種類主要有蛋白酶[35]、轉谷氨酰胺酶[36]、胰蛋白酶[37]等。

選取最佳酶解反應條件并控制蛋白水解度是改善蛋白質乳化性的關鍵因素。Ghribia等[38]研究了堿性蛋白酶對鷹嘴豆分離蛋白乳化性的影響，結果發現蛋白質的乳化性隨著酶解程度的增加先增大后減小，在蛋白水解度較低(4%)時，鷹嘴豆蛋白的乳化活性大約是未酶解蛋白質的1.85倍。堿性蛋白酶可以將鷹嘴豆蛋白分解成小分子多肽，而多肽分子具有更強的靈活性，更易吸附到油水界面。而當水解度>4%時，蛋白質的乳化活性逐漸下降，可能是因為酶解程度過高時，水解過程中產生過多的小分子多肽在界面的相互作用減弱，界面膜黏彈性下降，并且由于多肽分子間的電荷排斥作用，低分子量肽在界面上既不能展開也不能重新定向排列，導致乳化性降低[38]。Liu等[39]發現經微生物谷氨酰胺轉胺酶(MTG)改性后的蠶豆分離蛋白是一種高效乳化劑，經最佳改性時間(60 min)改性后的蠶豆分離蛋白，在改善乳液脂質氧化穩定性的同時，還可保持乳液物理穩定性，但延長MTG處理時間(>60 min)可能導致蛋白質嚴重變性，過高的表面疏水性會降低蛋白質的水溶性和表面活性，不利于蛋白質在油水界面吸附，從而減弱其乳化性。這些研究表明采用酶法改善蛋白乳化性時，需要根據蛋白質的性質來控制反應時間和反應條件。

酶法改性也可以和物理方法(高壓微射流，超微粉碎)相結合來改善蛋白質的乳化性質。張雪春等[40]采用胰蛋白酶處理花生蛋白得到花生蛋白酶解液，然后對酶解液進行高壓均質處理，研究均質壓力對花生蛋白酶解液乳化性的影響。結果發現在均質壓力為100 MPa時，乳化性達到最高。這可能是由于高壓均質可使花生蛋白酶解物的粒徑變小，溶解性增大；同時蛋白酶解物的柔性增大，吸附到乳狀液表面量增多，乳化性增強。但均質壓力過大時(>100 MPa)，可能會使花生蛋白酶解物聚集，乳化性下降。Wang等[41]研究了超微粉碎處理時間對轉谷氨酰胺酶交聯乳清分離蛋白結構、理化及乳化性能的影響。結果發現超微粉碎結合轉谷氨酰胺酶處理后乳清蛋白的乳化性和黏度高于單獨轉谷氨酰胺酶處理乳清蛋白的乳化特性和黏度。這是因為超細粉碎處理可以提高轉谷氨酰胺酶交聯度，從而改善了轉谷氨酰胺酶交聯乳清蛋白的乳化性。

3 展望

通過物理、化學以及酶法改性對蛋白質的結構進行修飾，可以得到乳化性較好的蛋白質，對于單一改性方法，控制改性過程參數是得到具有理想乳化性蛋白質的關鍵。隨著單一物理化學方法被廣泛用于修飾蛋白質，多種高新技術相結合來改善蛋白質的乳化性是今后蛋白質改性研究的一個主要發展方向，且研究協同相互作用的內在機理是以后研究需要解決的問題。另外，隨著更多新型技術的誕生，采用更新穎和更高新的技術進而更有效地改善蛋白質的乳化性也是今后的一個研究方向。