物理改性在蛋清蛋白功能特性改善中的應用

吳永艷 王 恰 段文珊 張玉鳳 黃 群,2

(1. 福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2. 貴州醫科大學食品科學學院，貴州 貴陽 550025)

中國是禽蛋生產大國，近些年來，無論是全國居民人均蛋品消費量還是中國的禽蛋產量，都呈現出可觀的增長趨勢。1984年中國產蛋量成為世界第一[1]，從此在產蛋量方面中國開始位居榜首，領跑世界30余年[2]。在中國的禽蛋生產中，雞蛋占有量最多，約為70%[3]1。雞蛋中含有人體必需的8種氨基酸，其蛋白質消化吸收率高達98%，具有極高的營養價值[4]。但目前雞蛋的消費以鮮蛋為主，其加工制品較少[5]。與國外蛋品市場相比，中國的蛋品加工企業在生產工藝和技術手段以及產品的市場競爭力等方面都有極大的提升空間[6]。

雞蛋由蛋清、蛋黃、蛋殼3部分組成，其中蛋清蛋白質占蛋清重量的9%～11%[7]。蛋清蛋白的起泡性、乳化性、凝膠性和溶解性等特性優良使得蛋清在食品工業中被廣泛應用[8]，如作為烘焙產品[9]、飲料[10]、冰激凌[11]、肉制品[12]的加工原料。蛋白質改性可以獲得功能特性和營養特性更好的蛋白質。目前蛋白質改性的方法包括物理、化學和酶法改性3種。化學改性的過程中化學試劑殘留會引發安全問題，并且改性過程產生的副產物較多難以去除[13]，對食品的質量沒有保障；酶法改性因所用酶的種類較少而受到限制[14]；而物理改性雖傳統的熱處理時間較長且部分改性方法成本較高，但在實際生產應用的過程中可以選擇性地避免這些缺點，而且相比于化學改性和酶法改性，物理改性具有能耗低、效率高、產品品質高且安全等優點[15]。

Jambrak等[16-17]研究發現大豆蛋白和乳清蛋白經過20 kHz的超聲波處理后，蛋白質溶解性會明顯提高；Ibanolu等[18]研究發現300 MPa壓力下處理乳清蛋白會提高其泡沫穩定性；王麗娟[19]研究發現菜籽蛋白經過高壓脈沖電場處理后溶解度會顯著提高；閻乃珺[20]研究了動態高壓微射流處理濃度為4%的小麥面筋蛋白，結果表明適度的微射流處理可以提高小麥面筋蛋白的溶解度、乳化性、乳化穩定性和泡沫穩定性；Sun等[21]研究發現乳清蛋白經球磨處理后表面疏水性和泡沫穩定性提高。目前物理改性方法已被廣泛應用于多種蛋白質功能特性的提升，同樣，通過物理改性的方法來提升蛋清蛋白的功能特性具有良好的發展前景。文章擬對近年蛋清蛋白物理改性研究成果進行綜述，以期為蛋清蛋白功能特性改善的后續研究提供參考。

1 傳統物理改性方式對蛋清蛋白功能提升的影響

1.1 熱處理

熱處理作為一種常用的蛋白質改性方式，會使蛋白質高級結構的構象發生不可逆的改變，從而改變蛋白質的理化性質[22]，使其功能特性得到改善。劉超[3]12-20研究發現熱處理的溫度和時間對蛋清蛋白的起泡性有不同的影響作用；質量濃度為3 g/100 mL的蛋清蛋白溶液于30 ℃ 處理20 min后其起泡性會得到明顯改善，這是因為熱改性使蛋清蛋白質的柔韌性和表面疏水性增加；此前，Kato等[23]研究發現蛋白質的柔韌性與發泡性密切相關。熱改性效果與蛋清液濃度、加熱溫度和加熱時間密切相關。Plancken等[24]研究發現在50～85 ℃下加熱蛋清蛋白液，會使蛋白質的結構展開。這可能會改善蛋清蛋白液的發泡特性[25]，50～85 ℃加熱處理不僅能提高蛋清蛋白起泡性還具有殺菌的效果。有研究[26]發現在適當的熱處理過程中，蛋白質的親水基團與疏水基團保持平衡，所以熱改性不會顯著改變蛋清蛋白的溶解性。但是Wu等[27]研究發現，在61 ℃下加熱處理蛋清蛋白溶液4 min 后，其可溶性蛋白的含量將減少23.95%，而當溫度改為70 ℃加熱處理相同時間后，可溶性蛋白減少率達到29.78%，表明較高溫度下處理蛋清蛋白溶液不利于提升蛋清蛋白的溶解度，所以在改善某個功能性質的同時也要考慮不降低其他功能性質。熱處理改性時不適合的溫度會顯著降低蛋清蛋白的溶解性能，所以利用熱改性蛋白質時要嚴格控制加熱溫度。Chang等[28]研究發現熱改性會提高蛋清蛋白的乳化性，因為熱處理后蛋白質表面會暴露出更多的疏水性氨基酸和凈電荷，使蛋白質能更好地吸附在油水界面。熱處理不但可以提升蛋清蛋白的起泡性和乳化性，也能改善蛋清蛋白的凝膠性。Kato等[29]研究發現，在80 ℃下將蛋清蛋白熱干燥近10 d后，其發泡能力、乳化性和凝膠性均得到很大提升；乳化性的提高是由于熱處理后蛋白質的表面疏水性增加，凝膠性的提高是由于熱處理過程中蛋白質內部的巰基被暴露并且可以與氧氣結合發生氧化，導致部分巰基轉變成二硫鍵[30]；此種處理方式所需時間較長，目前很少應用。由于蛋白質變性的程度受溫度影響較大，所以利用熱處理來改善蛋清蛋白功能特性時，要控制好加熱溫度和時間，否則可能會產生相反的效果[31]，除此之外，也要考慮過度熱處理可能引發的食品安全問題。熱處理改性蛋白質具有易操作、應用廣泛等優點，但此方法的效率低、能耗大等缺點也不可避免。

1.2 冷凍處理

蛋白質的冷凍改性是指凍藏條件下會破壞蛋白質分子緊密、穩定的立體結構，導致蛋白質的理化性質和功能特性發生改變。胥偉等[32]研究經巴氏殺菌(59.5 ℃、4.5 min)預處理的蛋清液在-18 ℃冷凍處理后功能性質的改變，發現蛋清蛋白的起泡性呈先降低后升高但總體降低的趨勢；蛋清蛋白的泡沫穩定性呈先降低后升高但總體升高的趨勢；凝膠性隨冷凍時間的延長而升高；冷凍貯藏21 d后，蛋清蛋白的泡沫穩定性甚至可達100%，凝膠硬度由最初的198 g增高至291 g，此種處理條件在提高蛋清蛋白的泡沫穩定性和凝膠性的同時也降低了起泡性。這可能是由于冷凍初期會導致蛋清蛋白中的部分共價鍵斷裂，暴露出疏水基團和巰基，使蛋清蛋白的溶解度降低，進而降低其起泡性[33]；而疏水基團的增多有利于空氣—水界面膜的形成，并且蛋清蛋白中各種蛋白質分子之間的相互作用力增強，使之形成更加穩定的二維網狀結構[32]，導致泡沫穩定性增高；疏水基團和巰基的暴露使蛋白質分子間疏水相互作用增強，從而提高了凝膠性；隨著冷凍時間的延長，蛋清卵黏蛋白(一種抑制蛋清液起泡性[34]，有助于泡沫穩定性[35]1的物質)形成的復合物會逐漸解離出，從而有助于泡沫的形成；疏水基團和巰基的進一步暴露，會使蛋白質分子在非極性鍵的作用下形成更大的聚集體，降低水—空氣界面膜的穩定性，這是蛋清蛋白的泡沫穩定性降低的原因[36]，持續冷凍過程中，蛋清蛋白的內部結構不斷發生改變，也將使其功能性質在不同時間段發生不同的變化。利用冷凍的方法對蛋白質進行改性時，要精準把握冷凍時間對其功能性質改善的不同影響，以便確定最佳的冷凍改性條件來達到最優改性效果。冷凍方法改性蛋白質周期較長，并且蛋白質功能性質的改變隨冷凍時間的變化規律難以精準掌握，目前已很少有研究者單純用此方法來改性蛋白質。現在研究較多的是冷凍協同其他方法的蛋白質改性或者將冷凍作為蛋白質改性前的一種預處理方式。

2 新型物理改性方式在蛋清蛋白功能提升中的作用

2.1 超聲處理

蛋白質的超聲改性是指利用超聲波產生的直進流作用和空化作用產生高溫高壓，從而改變部分蛋白質的空間結構[37]，進而改善功能性質。超聲波技術包括低頻率高場強超聲和高頻率低場強超聲兩種[38]。高強度超聲可使蛋白質變性和聚集[39]。Sun等[40]研究了單、雙頻高能超聲處理對蛋清蛋白功能性質的影響，結果表明，蛋清粉經超聲處理后其溶解性和泡沫穩定性得到了顯著提升(特別是在25 ℃雙頻20/40 kHz處理30 min時)；在單頻率40 kHz、溫度25 ℃下處理30 min時，蛋清粉的起泡性提升效果最佳。總之，高能超聲處理后蛋清粉的溶解性、發泡性和泡沫穩定性都顯著高于未處理的樣品，這一發現為蛋清蛋白的改性提供了一個新的思路，但是具體的超聲處理條件要視實際生產需求而定。Sheng等[41]研究發現經360 W功率處理10 min后，蛋清蛋白的發泡性能提高至對照組的4.9倍。以上結果表明超聲處理是顯著提升蛋清蛋白起泡性的一個優良方法。經超聲處理后蛋白質結構變疏松，同時表面游離巰基和疏水性增加，這些變化對改善蛋白質發泡性是有利的。李弓中等[42]研究了在超聲頻率20 kHz、輸出功率580 W條件下處理0～30 min 后蛋清蛋白泡沫穩定性的變化，發現此種超聲處理總體降低了蛋清蛋白的泡沫穩定性，與王一博[35]27-28研究得到的結果一致，泡沫穩定性降低的原因是蛋清液的黏度降低，從而影響蛋清蛋白質分子間形成穩定的網狀結構，所以蛋清液中的泡沫難以穩定的維持形態，較易塌陷。Arzeni等[43]研究發現在20 kHz，(4.27±0.71) W下超聲處理不會改變蛋清蛋白的凝膠性，原因可能是此種處理條件過于溫和，對蛋白質結構的影響不大。孫卓等[44]通過正交試驗優化超聲處理條件，結果表明在超聲功率為120 W的條件下對體積分數為50%的蛋清液處理10 min后再噴霧干燥可以顯著提高蛋清粉的速溶性能，即提高了蛋清粉的溶解性，此研究結果在蛋清粉生產工業中有重要意義。超聲改性具有環保、能耗低、能很好地保持食品品質等優點，所以在食品工業中應用廣泛。選擇超聲處理對蛋清蛋白進行改性時，要根據生產所需的特定功能性質來選擇適當的超聲類型和處理條件。

2.2 高壓脈沖電場處理

高壓脈沖電場作為一種非熱殺菌技術，能夠很好地保持食品品質，所以在食品工業中得到了廣泛應用[45]。目前，利用高壓脈沖電場處理蛋清蛋白從而提升其功能特性的研究已有報道。張鐵華等[46]研究發現高壓脈沖電場處理特別是脈沖強度大于35 kV/cm時會顯著降低蛋清蛋白的溶解度；而脈沖強度為30 kV/cm時能最大程度地提高蛋清蛋白的乳化性、乳化穩定性、起泡性和泡沫穩定性。趙偉等[47]發現經高壓脈沖電場處理后蛋清蛋白的溶解度下降，雖然下降程度受處理參數的影響，但與未處理組相比，總體呈下降趨勢，這勢必會對蛋清蛋白的其他功能性質造成影響，此結果與張鐵華等[46]的研究結果一致；35 kV/cm高壓脈沖電場處理300 μs時，蛋清蛋白的起泡性、泡沫穩定性、乳化性和乳化穩定性都得到最大提升，分別是未處理組的1.30，1.43，1.60，1.28倍，究其原因，可能是適當的高壓脈沖電場處理使得蛋清蛋白中原本比較緊密的蛋白質結構發生改變，結構展開，從而提升了起泡性和泡沫穩定性；乳化功能的提高是由于疏水基團和巰基的外露；35 kV/cm高壓脈沖電場處理300 μs可以作為高壓脈沖電場改性蛋清蛋白的一個很好選擇，但是改性過程中不能忽略此條件對溶解性能的不利影響。Wu等[48]研究發現25 kV/cm的高壓脈沖電場處理后蛋清蛋白的溶解度降低，且隨處理時間的延長降低程度增大，可能是高壓脈沖電場處理過程中形成了聚集物，從而導致可溶性蛋白含量減少。從高壓脈沖電場處理對蛋清蛋白不同方面功能特性的影響來看，如果單純以提高蛋清蛋白的溶解性為目的，高壓脈沖電場處理顯然不是最佳選擇，但是可以用高壓脈沖電場處理蛋清蛋白來提高其乳化性、乳化穩定性、起泡性和泡沫穩定性。在改性過程中最好能探索出一種既有效提高蛋清蛋白其他方面功能特性，又對其溶解性影響較小的條件。

2.3 超高壓處理

超高壓技術是一種在食品工業中應用廣泛并被譽為世界十大尖端科技之一的非熱加工技術[49]。利用超高壓對蛋白質進行改性不僅不會破壞蛋白質的共價鍵，還能很好地保留蛋白質的營養品質，并且具有能耗低，操作簡單等優點[50]。超高壓技術包括靜態超高壓和動態超高壓均質。涂宗財等[51]利用動態超高壓均質的方法處理質量分數為80%(蛋清/溶液)的蛋清液，研究發現20 mL蛋清液經160 MPa的高壓壓力處理后，其泡沫高度可提高至原來的2.35倍，經研究發現此種處理條件會促使蛋清中不同組分的蛋白質進一步接觸，從而提高了蛋清液的起泡性。Plancken等[52]在10～60 ℃下采用400～700 MPa的靜態超高壓處理蛋清蛋白并對其起泡性的變化進行研究，結果表明處理后的蛋清蛋白更加濕潤滑膩，泡沫也更加致密，極大程度上提高了蛋清蛋白的起泡性，分析原因可能是適度的超高壓處理破壞了蛋白質分子表面疏水性和靜電相互作用[53]，并且作用溫度較為溫和，不會對其他功能性質產生較大的不利影響。總之，兩種類型的超高壓處理方式都會提高蛋清蛋白的起泡性。此外，Plancken等[24]研究發現，在不同的溫度和壓力下，超高壓處理蛋白溶液后其發泡能力都得到了提高，因為處理后蛋白質—蛋白質之間的相互作用增強有利于蛋清蛋白起泡性的提高。此外，Iametti等[54]在以NaCl或蔗糖作為保護劑的條件下對蛋白質進行高壓處理，結果發現添加保護劑后蛋白質的凝膠強度和起泡性比未添加保護劑的理想；吳溪[55]采用超高壓輔助木瓜蛋白酶來改善大豆分離蛋白的起泡性，這些都可以為利用超高壓處理來改性蛋清蛋白功能性質的未來研究提供新思路。

2.4 球磨處理

球磨處理通過不同尺寸的研磨球與物料顆粒間產生碰撞與摩擦的作用，改變蛋白質的分子結構進而改變其功能性質[56]，有干法球磨和濕法球磨兩種方式。目前，球磨法在化工領域的應用研究較多，但其憑借綠色、快捷、成本低等優點，被廣泛應用于食品加工領域[57]。近年來學者開始利用球磨法來改善蛋白質的功能性質。Liu等[58]研究發現，對大豆分離蛋白進行適當球磨處理可以提高其持水性和凝膠特性。Sun等[59]研究發現，乳清蛋白濃縮物經過球磨處理后提高了其泡沫穩定性。Zhang等[60]研究發現，球磨處理可以提高食品蛋白質的乳化性。Li等[61-62]研究發現，經24 h球磨處理之后，卵白蛋白溶液的表面疏水性提高至原來的1.5倍以上，而表面疏水性的變化會影響其起泡性能；此外，卵白蛋白是蛋清液中含量最高的一種蛋白質[63]，它的存在可能對蛋清液的起泡性有很大影響。譚文等[64]研究了球磨處理對蛋清蛋白起泡性的影響，發現對蛋清蛋白粉進行球磨處理后，其溶液的起泡性未發生明顯變化，但是在球磨時間為40 min時蛋清蛋白液的泡沫穩定性比處理前的樣品增加了4.187 5倍，分析原因，適當的球磨處理改善了蛋白質的分子柔性，使更多的蛋白參與泡沫的形成，從而更好地維持泡沫的形態，使其保持更高的泡沫穩定性，可見此方法對蛋清蛋白起泡性和泡沫穩定性的改善都是有利的。此外，球磨處理還可以顯著提高蛋清蛋白的水解度，這一改變可能會降低其致敏性[65]，這是利用球磨工藝對蛋清蛋白進行改性的顯著優點之一。目前應用球磨工藝對蛋清蛋白進行改性的研究尚未透徹，在對蛋清蛋白的乳化性、乳化穩定性、凝膠性和溶解性方面的影響以及影響機理仍存在諸多空白，值得后續研究。

2.5 動態高壓微射流處理

動態高壓微射流是一種新興的均質化技術，在食品工業上屬于一種“綠色”技術[66]，已被廣泛應用于蛋白質的改性[67]。它憑借產生的高速流體撞擊、熱力、氣穴、振蕩和渦旋等綜合作用[68]，使蛋白質的結構發生改變從而引起蛋白質功能性質的改變。涂宗財[69]研究了動態高壓微射流處理對蛋清蛋白功能性質的影響，結果表明，對于質量分數為6%和8%(蛋清/溶液)的蛋清蛋白溶液來說，處理壓力為160 MPa時蛋白液的起泡性最好，而對于質量分數為4%(蛋清/溶液)的蛋清蛋白溶液，處理壓力為100 MPa時起泡性最佳，說明在蛋白質改性的過程中，針對不同濃度的蛋清蛋白溶液，要靈活改變處理條件進行改性；對乳化性的影響方面，動態高壓微射流處理質量分數為2%和4%(蛋清/溶液)的蛋清蛋白溶液時，其乳化性呈先升高后降低的趨勢，但是對于質量分數為6%和8%(蛋清/溶液)的蛋清蛋白溶液來說，乳化性整體呈降低趨勢，所以無法通過動態高壓微射流處理來改善這兩種蛋清蛋白溶液的乳化性。總體來看，動態高壓微射流處理對蛋清蛋白乳化性沒有很好的改善效果，所以該法不是提升蛋清蛋白溶液乳化特性的很好選擇；由于不同的處理條件會產生不同的改性效果，所以在實際生產應用中，要探究最優處理條件，以期達到最佳改性效果。遲玉杰等[70]研究發現動態高壓微射流處理蛋清蛋白可以降低其致敏性并提高消化效率，降低致敏性是因為處理后提高了蛋清蛋白的水解度，這一發現有助于推廣動態高壓微射流處理在改性蛋清蛋白功能性質中的應用。關于動態高壓微射流對其他種類蛋白質改性的研究，Liu等[71]研究發現，經壓力分別為80 MPa和120 MPa 的動態高壓微射流處理后，卵清蛋白的起泡性和乳化性均有所提高。Shen等[72]研究發現，動態高壓微射流處理未加熱和預熱大豆蛋白分離物后，其溶解度、乳化性、二硫鍵和表面疏水性均被提高。Chen等[73]研究發現動態高壓微射流處理可以提高β-乳清蛋白的消化率并降低其抗原性。動態高壓微射流方法在多種蛋白質的改性方面都表現出很大優勢，不僅可以作為一種有效的蛋白質改性方法，還可以作為一種降低蛋白質致敏性并提高其消化率的技術手段。

3 結論

文章綜述了7種傳統或新型的蛋白質改性方法在蛋清蛋白功能特性提升中的作用。其中，熱處理可以用來改善蛋清蛋白的起泡性、泡沫穩定性、乳化性和凝膠性。冷凍處理可以提升蛋清蛋白的泡沫穩定性和凝膠特性。超聲處理可以提高蛋清蛋白的溶解性、起泡性和泡沫穩定性。高壓脈沖電場處理能夠提高蛋清蛋白的乳化性、乳化穩定性、起泡性和泡沫穩定性。超高壓和動態高壓微射流處理對蛋清蛋白起泡性的提高效果顯著。球磨處理會顯著提高蛋清蛋白溶液的泡沫穩定性以及水解度。在選擇物理方法對蛋白質進行改性時，要考慮不同的處理方法對蛋白質不同方面功能特性的影響，以便選用到最合適的改性方法從而達到最優的改性效果。