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(1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州 121013;2.蕭山出入境檢驗(yàn)檢疫局,浙江杭州 311208;3.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430068;4.榮成泰祥食品股份有限公司,山東榮成 264300)

微波對(duì)食品蛋白凝膠性和結(jié)構(gòu)影響研究進(jìn)展

馮建慧1,曹愛(ài)玲2,陳小強(qiáng)3,蔡路昀1,*,李鈺金4,李學(xué)鵬1,勵(lì)建榮1,*

(1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)
國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州121013;2.蕭山出入境檢驗(yàn)檢疫局,浙江杭州311208;3.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢430068;4.榮成泰祥食品股份有限公司,山東榮成264300)

本文針對(duì)微波技術(shù)對(duì)蛋白凝膠形成機(jī)理,并對(duì)微波場(chǎng)中影響食品蛋白凝膠特性的主要因素:蛋白質(zhì)的種類、微波時(shí)間、微波功率、添加劑和pH等進(jìn)行分析,且對(duì)其微波處理后蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行深入闡述,并總結(jié)了微波在食品方面的應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上提出微波技術(shù)在食品領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。

微波,蛋白,凝膠,影響因素

Abstract:In this paper,the mechanism for gel formation of protein treated by microwave was studied and the major factors influencing the gel properties of food protein in microwave field were analyzed involving the protein type,microwave time,microwave power,additives and pH value etc. The effects of microwave on the change of molecular spatial structure of the protein were deeply summarized. Application of microwave in food protein was summarized. Moreover,the directions of microwave technology for the future development were proposed.

Keywords:microwave;protein;gelation;influence factors

微波在食品加工領(lǐng)域作為一種常用的技術(shù),憑借著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):高效、快捷、方便、節(jié)能、操作簡(jiǎn)便等已廣泛應(yīng)用于企業(yè)和家庭,而方便快捷的微波食品的開(kāi)發(fā)更是加快了該技術(shù)在各大類食品領(lǐng)域中的研究應(yīng)用。目前微波技術(shù)在食品加工方面的應(yīng)用主要有:微波滅菌、微波干燥、微波解凍、微波改性和微波烹飪等。經(jīng)過(guò)微波處理的蛋白質(zhì),其分子空間構(gòu)象會(huì)發(fā)生改變,并隨之帶來(lái)理化特性和功能特性的改變,包括溶解性、吸水性和凝膠性等,其作用效果取決于蛋白質(zhì)種類及濃度、微波功率、微波時(shí)間、組分間的相互影響以及體系的pH等。本文將在明確微波作用原理和蛋白凝膠化行為的基礎(chǔ)上,著重就近年來(lái)微波對(duì)食品蛋白凝膠化的影響因素及結(jié)構(gòu)特性的影響進(jìn)行綜述,旨在對(duì)微波處理后蛋白質(zhì)凝膠化與空間構(gòu)象之間關(guān)系進(jìn)行深入探討,將可凝膠的食品蛋白作為一種功能性配料添加在凝膠類制品中如香腸、人造肉等,以及為推廣微波作為一種快捷高效的食品加工方式提供一定的理論依據(jù)。

1 微波對(duì)蛋白質(zhì)凝膠性的影響

1.1 微波作用原理

采用微波技術(shù)加工食品具有兩方面的作用效果:“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”。微波的熱效應(yīng)是指食品吸收微波能而產(chǎn)生熱量的現(xiàn)象,主要存在兩種機(jī)理:一種是電導(dǎo)損耗機(jī)理,另一種是偶極子極化松馳損耗機(jī)理[1]。電導(dǎo)損耗機(jī)理的主要內(nèi)容是:食品中的基本組成物質(zhì)如水分、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等都屬于電介質(zhì),微波對(duì)它們的加熱稱作介電感應(yīng)加熱[2]。在微波作用下,電介質(zhì)會(huì)引起食品原料介電感應(yīng)發(fā)熱,尤其是電介質(zhì)水分子,它在微波作用下劇烈震動(dòng),使得食品原料內(nèi)能增加,溫度上升。依靠微波穿透食品物料內(nèi)部,與食品的電介質(zhì)分子間相互作用轉(zhuǎn)化為熱能,使微波場(chǎng)內(nèi)的食品在同一瞬間獲得熱量而升溫,這種效應(yīng)稱之為“熱效應(yīng)”。偶極子極化松馳損耗機(jī)理的主要內(nèi)容:微波場(chǎng)強(qiáng)的變化導(dǎo)致偶極分子的旋轉(zhuǎn)和離子的傳導(dǎo)遷移,使食品物料分子間相互摩擦,產(chǎn)生熱能[3]。值得注意的是微波加熱中存在明顯優(yōu)于常規(guī)加熱的特征,如促進(jìn)物質(zhì)的擴(kuò)散、鈍化催化酶的活性、加快結(jié)構(gòu)致密化過(guò)程、加快化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程、影響體系結(jié)晶體相變等,被統(tǒng)稱為微波的“非熱效應(yīng)”。它與微波的電磁效應(yīng)有關(guān),并一直是微波加熱領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[4]。

1.2 蛋白質(zhì)凝膠

食品蛋白質(zhì)最重要的功能特性之一是凝膠性,人類廣泛利用蛋白質(zhì)的凝膠特性來(lái)制作凝膠類食品。生活中常見(jiàn)的有我國(guó)的皮凍、豆腐和西方的奶酪、香腸等。凝膠是蛋白分子動(dòng)態(tài)聚集的結(jié)果,在這種聚集過(guò)程中,吸引力和排斥力一直處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),因此才能形成吸附大量水分或其他食品組分且形成高度有序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或基體,如果吸引力強(qiáng)于排斥力,凝膠基體的水分就會(huì)排除出來(lái),形成凝結(jié)物;如果排斥力強(qiáng)于吸引力,則體系難以形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此只有當(dāng)吸引力和排斥力處于平衡狀態(tài)時(shí),才可以形成凝膠化結(jié)構(gòu)[5]。蛋白質(zhì)的凝膠過(guò)程是一個(gè)多步驟的熱力動(dòng)力學(xué)過(guò)程,包括變性、凝集和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[6]。凝膠類蛋白質(zhì)在受熱或外加電磁場(chǎng)微波等的作用下,蛋白質(zhì)分子會(huì)因變性而解折疊發(fā)生聚集然后形成凝膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Cheftel[7]認(rèn)為蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成是蛋白質(zhì)中相鄰多肽鏈及水分子間吸引力與排斥力共同作用的結(jié)果。另外,蛋白質(zhì)變性和聚集的相對(duì)速率影響著凝膠制品質(zhì)構(gòu)和特性,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)變性速率大于聚集速度時(shí),蛋白質(zhì)分子能充分伸展、發(fā)生相互作用從而形成高度有序的半透明凝膠,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)變性速率低于聚集速率時(shí)會(huì)形成粗糙、不透明凝膠[5]。因此需要對(duì)微波熱處理過(guò)程中食品蛋白的變性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,根據(jù)得出的熱變性參數(shù),探索微波處理過(guò)程中蛋白質(zhì)分子在性質(zhì)上的變化,進(jìn)而揭示微波處理過(guò)程中蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性以及探討微波場(chǎng)內(nèi)蛋白質(zhì)熱變性聚集的機(jī)理。曹燕等人研究了魚(yú)糜微波加熱形成凝膠的動(dòng)力學(xué),結(jié)果表明魚(yú)糜微波加熱凝膠形成的速度比傳統(tǒng)水浴加熱要高兩個(gè)數(shù)量級(jí);與水浴加熱相比,在能量吸收值相同的情況下,微波加熱樣品能達(dá)到更高的凝膠破斷力值[8]。

1.3 微波對(duì)蛋白質(zhì)凝膠的影響因素

微波場(chǎng)內(nèi)蛋白凝膠性受到多種因素的調(diào)控,包括凝膠體系中的蛋白質(zhì)種類及濃度、微波功率、微波時(shí)間、添加劑的種類及凝膠體系的pH等,它們與蛋白所表現(xiàn)出的功能特性密切相關(guān)。

1.3.1 蛋白質(zhì)種類及濃度 日常生活中各種各樣的蛋白質(zhì)作為人們食用原料,但并不是所有的食品蛋白都具有良好的凝膠特性,且不同種類的蛋白所形成凝膠特性也存在不同程度的差異。其中,植物性蛋白如大豆分離蛋白和動(dòng)物性蛋白如鹽溶性蛋白都具有典型的凝膠特性,但是相比兩種蛋白的凝膠性有著顯著差異,在相同濃度下,大豆分離蛋白的凝膠強(qiáng)度顯著高于鹽溶性蛋白,這是由于蛋白質(zhì)的基本組成存在差異,大豆蛋白中只有7S和11S組分才具有凝膠性,同時(shí)發(fā)現(xiàn)11S含量越高,凝膠特性越好;7S/11S比例越大,凝膠硬度和粘度越低[9],而鹽溶性蛋白有更高的凝膠形成能力,原因是鹽溶性蛋白中的基本組分肌球蛋白重鏈(MHC)的交聯(lián)能力和由它的解折疊結(jié)構(gòu)域所表現(xiàn)出更強(qiáng)的凝膠力。

值得注意的是,即使同一種蛋白,在不同的來(lái)源下都表現(xiàn)出不同的凝膠特性。李繼紅[10]研究不同來(lái)源的肌肉鹽溶性蛋白凝膠特性的影響,發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源肌肉蛋白在相同條件下,所得到的肌肉鹽溶蛋白凝膠特性不同,文中指出凝膠功能特性最好的是雞胸肉蛋白,次之的是牛背最長(zhǎng)肌蛋白,最差的是豬背最長(zhǎng)肌,這是由于來(lái)源于不同的肌肉鹽溶性蛋白中,肌球蛋白的含量不同,導(dǎo)致其凝膠特性不同。

在微波場(chǎng)中,除蛋白質(zhì)的種類影響凝膠特性外,蛋白質(zhì)的濃度也會(huì)影響凝膠性,高濃度蛋白質(zhì)形成的凝膠強(qiáng)度要大于低濃度蛋白質(zhì),而在相同濃度下,純蛋白的凝膠強(qiáng)度高于混合蛋白的凝膠強(qiáng)度,如相同濃度下,肌球蛋白凝膠強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肌原纖維蛋白。在一定范圍內(nèi),蛋白質(zhì)量濃度與凝膠特性呈正相關(guān),但超過(guò)一定的濃度值也會(huì)對(duì)凝膠體系產(chǎn)生不利的影響。徐幸蓮等[11]研究蛋白質(zhì)濃度、pH、離子強(qiáng)度在微波處理下對(duì)兔骨骼肌肌球蛋白熱凝膠特性的影響,結(jié)果表明腰大肌(Psoas major,PM)和半膜肌(Semimembranosus proprius,SMP)肌球蛋白的凝膠硬度均隨蛋白質(zhì)濃度增大而顯著升高,蛋白質(zhì)凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此,在微波處理下,選用不同種類的蛋白和適宜的添加濃度是實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用凝膠類原輔料蛋白質(zhì)一個(gè)必須考慮的重要因素。

1.3.2 微波功率 微波處理食品蛋白能形成穩(wěn)定的凝膠,并且微波功率對(duì)所形成的凝膠有顯著的影響。李秋慧等[12]結(jié)果表明在一定的功率范圍內(nèi),微波功率與混合體系的凝膠持水力呈正相關(guān),其中大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系在微波處理1100 W時(shí)凝膠持水力最強(qiáng)。但是經(jīng)1300 W處理后的大豆分離蛋白,微波功率與凝膠持水力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。文中指出蛋白在低功率時(shí),有助于體系結(jié)構(gòu)的舒展,暴露出較多的氫鍵,導(dǎo)致體系電荷的增加,通過(guò)對(duì)體系氫鍵和疏水相互作用力的改變提升凝膠體系的凝膠持水性;但在高微波功率下,復(fù)合體系形成聚集體,使其混合物的交互作用減弱,阻礙凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。Yalcin等[13]研究發(fā)現(xiàn)微波功率對(duì)小麥蛋白功能特性有顯著性影響,隨著功率的增加蛋白質(zhì)的溶解度降低,進(jìn)而影響了凝膠持水性?？傊?微波功率會(huì)影響蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象,進(jìn)而影響其凝膠特性。Qin等[14]用不同功率的微波處理大豆分離-小麥谷蛋白混合物,發(fā)現(xiàn)隨著微波功率的增加,體系的凝膠強(qiáng)度、凝膠持水力和儲(chǔ)能模量逐漸增大。

1.3.3 微波時(shí)間 微波處理時(shí)間與蛋白質(zhì)的凝膠性質(zhì)密切相關(guān)。一般認(rèn)為短時(shí)間內(nèi),微波加熱和普通加熱無(wú)明顯區(qū)別,但是長(zhǎng)時(shí)間微波處理就會(huì)產(chǎn)生顯著差異,對(duì)此國(guó)內(nèi)外已有大量研究證明此觀點(diǎn)。閆虹[15]在研究?jī)煞N微波加熱處理方式對(duì)白鰱魚(yú)糜凝膠特性的影響中發(fā)現(xiàn),魚(yú)糜凝膠強(qiáng)度隨著微波時(shí)間的增加,先增大后減小,當(dāng)微波時(shí)間為60 s時(shí),魚(yú)糜凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值,這是由于隨著魚(yú)糜凝膠強(qiáng)度的增加,凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密,魚(yú)糜持水性增強(qiáng),但隨著微波時(shí)間增加,魚(yú)糜中水分損失加劇,凝膠變硬,使得魚(yú)糜凝膠發(fā)生劣變。另外長(zhǎng)時(shí)間的微波加熱(>60 s),會(huì)影響凝膠白度,隨著微波時(shí)間的增加,魚(yú)糜的凝膠白度逐漸降低,色澤由白色變?yōu)榈S色。Liu等[16]研究表明,微波加熱與傳統(tǒng)加熱相比,適宜的微波處理時(shí)間使大豆分離蛋白具有較高的粘彈性,表現(xiàn)出較好的凝膠特性。因此,工業(yè)化生產(chǎn)凝膠類制品,應(yīng)該綜合考慮蛋白質(zhì)的凝膠白度和凝膠強(qiáng)度,選擇最佳的微波時(shí)間,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.3.4 添加劑 食品凝膠體系是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),由于不同組分間存在相互作用,導(dǎo)致其凝膠性發(fā)生改變。Qin等[14]用微波誘導(dǎo)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(TG酶)對(duì)大豆分離-小麥谷蛋白混合物凝膠特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨著微波功率的增加,體系的凝膠強(qiáng)度、凝膠持水力和儲(chǔ)能模量逐漸增大,而且TG酶的添加促進(jìn)了二硫鍵的形成,活性巰基的含量驟減,最終使蛋白質(zhì)凝膠體系的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加均一、使凝膠結(jié)構(gòu)更致密。錢(qián)娟[17]研究了三種植物油脂(大豆油、稻米油和橄欖油)及動(dòng)物油脂(豬油)的添加量對(duì)低鹽魚(yú)糜的凝膠特性的影響,結(jié)果表明植物油的添加能改善低鹽魚(yú)糜的凝膠強(qiáng)度,而豬油的添加則對(duì)魚(yú)糜凝膠強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,其影響效果取決于油脂濃度。Feng等[18]研究發(fā)現(xiàn)NaCl的添加對(duì)阿拉斯加鱈魚(yú)肌原纖維蛋白的凝膠持水力有影響,NaCl可以增加蛋白的溶解度,進(jìn)而改變體系的介電常數(shù)。總之,不同種類的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出不同的凝膠特性,同樣,不同種類的添加劑對(duì)蛋白質(zhì)凝膠特性的影響也會(huì)不同,因此在具體的食品工業(yè)應(yīng)用中,需要篩選出適宜的添加劑及用量來(lái)改善蛋白的凝膠特性。

1.3.5 pH 除了上述的影響因素外,蛋白質(zhì)的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由許多生物大分子構(gòu)成,蛋白質(zhì)的靜電荷和溶液的pH密切相關(guān),在酸性體系中,蛋白質(zhì)帶正電荷,在堿性體系中,蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷。無(wú)論蛋白質(zhì)帶正負(fù)電荷,分子間總存在著排斥力,只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)達(dá)到等電點(diǎn)時(shí)蛋白質(zhì)分子間才能保持靜電平衡[19]。pH可以提高蛋白質(zhì)的凝膠保水性,這是由于高的pH使凝膠蛋白質(zhì)偏離其等電點(diǎn),由于蛋白質(zhì)存在較多的正負(fù)電荷,加強(qiáng)了蛋白質(zhì)與水的相互作用,因此蛋白質(zhì)溶解度增大,進(jìn)而改善了蛋白質(zhì)的凝膠保水性。Gustaw等[20]比較了在不同pH3～10的范圍內(nèi)微波加熱和傳統(tǒng)加熱對(duì)大豆分離蛋白凝膠性質(zhì)的影響,結(jié)果顯示在pH4～9范圍內(nèi)傳統(tǒng)加熱方式表現(xiàn)出更高的凝膠強(qiáng)度,而且當(dāng)pH在3和10時(shí),微波處理后的蛋白凝膠強(qiáng)度迅速下降。pH對(duì)不同種類的鹽溶性蛋白影響的研究表明,當(dāng)pH為4.5時(shí)提取的鹽溶性蛋白凝膠具有粘性特征,但很難形成網(wǎng)狀的凝膠結(jié)構(gòu),pH上升到5.5時(shí),可以形成凝膠,但是結(jié)構(gòu)較差,而pH在6.5～7.5范圍時(shí),形成的凝膠具有較高的彈性[10]。

2 微波對(duì)蛋白空間構(gòu)象的影響

在現(xiàn)有的研究資料中發(fā)現(xiàn),微波對(duì)蛋白質(zhì)的作用是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,在應(yīng)用過(guò)程中,微波對(duì)蛋白質(zhì)的作用機(jī)理研究的還不是很透徹。蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象決定功能特性,微波處理后蛋白質(zhì)功能的變化歸根到底是由于蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象發(fā)生了改變。微波處理使蛋白空間結(jié)構(gòu)發(fā)生伸展,使得反應(yīng)基團(tuán)暴露出來(lái),分子間的相互作用力改變,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)空間構(gòu)象發(fā)生變化,理化性質(zhì)和功能特性也隨之發(fā)生改變。

2.1 微波對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由多肽鏈中的氨基酸順序決定的,目前關(guān)于微波對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響主要有:微波輔助蛋白質(zhì)的水解、微波輔助蛋白質(zhì)的合成和微波處理對(duì)蛋白質(zhì)氧化的影響。蛋白質(zhì)的氨基酸組成分析研究是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,其中蛋白質(zhì)水解是其必不可少的一步。微波輔助蛋白質(zhì)水解的效率高于常規(guī)方法,這是由于微波相比于傳統(tǒng)加熱方法,微波加熱可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的高溫。所以微波可以加快酶水解蛋白的速度,提高酶水解蛋白的能力而微波輔助水解大大縮短了水解時(shí)間,提高了分析效率,由于微波加熱預(yù)處理時(shí),微波輔助蛋白質(zhì)水解主要打斷了氨基酸之間的肽鍵,可以使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,并且得到大量的多肽和氨基酸,進(jìn)而提高了水解速率。杜雪莉等[21]在微波輔助魚(yú)粉-豆粕蛋白水解的研究中指出,微波輔助水解對(duì)外界環(huán)境要求低且穩(wěn)定性好。參與研究的16種氨基酸含量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%,而另外兩種氨基酸酪氨酸和脯氨酸的含量標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4%。同樣,Marconi等[22]采用微波水解和傳統(tǒng)方法水解牛血清蛋白,將兩種方法得到的水解物進(jìn)行氨基酸序列與理論值比較分析,得出兩種水解方法的準(zhǔn)確性和精確性無(wú)顯著性差異。Messia等[23]快速測(cè)定肉類食品中膠原蛋白含量,結(jié)果表明微波水解將傳統(tǒng)水解時(shí)間由24 h縮短到20 min?？傊?微波輔助蛋白質(zhì)水解的方法操作簡(jiǎn)便,簡(jiǎn)捷高效,結(jié)果穩(wěn)定,有廣泛的應(yīng)用前景。

近些年關(guān)于微波輔助蛋白質(zhì)合成的研究很多,但是相比于常規(guī)合成方式,微波加速或改變化學(xué)反應(yīng)速率的機(jī)理并不十分清楚。Guan[24]等使用微波改善大豆分離蛋白-糖接枝反應(yīng)表明,在高功率微波輻照下,蛋白質(zhì)二硫鍵破壞,隨著微波時(shí)間的增加,巰基含量先增加后減少,最終導(dǎo)致大豆蛋白亞基的聚集,并且對(duì)終產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析,得出終產(chǎn)物都是由氨基與還原端通過(guò)共價(jià)鍵形成的。

2.2 微波對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈沿一維空間的規(guī)則性循環(huán)式排列,也指多肽鏈沿著某個(gè)軸盤(pán)旋轉(zhuǎn)或折疊,并以氫鍵維系的作用力而形成的有規(guī)則的構(gòu)象,如α-螺旋、β-折疊以及β-轉(zhuǎn)角等[25]。Wang等[26]研究經(jīng)微波輻照玉米蛋白和大豆蛋白的復(fù)合膜后,α-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角均有不同程度的變化,其中α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、自由轉(zhuǎn)角分別降低了9.2%、2%和3%,但是β-折疊增加了40%。Ochoa-Rivas[27]采用微波處理對(duì)大豆分離蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響表明,蛋白的α-螺旋降低了4%,β-折疊增加了8%。研究表明,微波處理使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使包埋蛋白質(zhì)分子內(nèi)的疏水性殘基暴露于分子表面,從而發(fā)生蛋白變性,蛋白變性程度越大導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度降低越多[28]。

2.3 微波對(duì)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過(guò)巰基和二硫鍵的變化以及蛋白質(zhì)表面疏水作用進(jìn)一步折疊或卷曲構(gòu)成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)[29]。肖瀛[30]在微波對(duì)牛乳蛋白的影響中指出長(zhǎng)時(shí)間(>120 s)的微波加熱牛乳蛋白與普通方式加熱相比,可使其羰基含量、二聚酪氨酸含量明顯提高,而巰基含量明顯降低。Guan[24]探究微波改善大豆分離蛋白-糖接枝反應(yīng)時(shí)得出,大豆分離蛋白在高功率輻照下,會(huì)引起二硫鍵的斷裂以及肽鍵的展開(kāi),這樣會(huì)增強(qiáng)蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)的有效碰撞,進(jìn)而改善蛋白質(zhì)的功能特性。同樣,李秋慧等[12]的研究表明大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合物經(jīng)過(guò)微波處理后,大豆分離蛋白分子的非共價(jià)鍵被破壞,同時(shí)空間結(jié)構(gòu)部分展開(kāi),分子的柔性提高,與親水性較好的磷脂形成雙親結(jié)構(gòu)的大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合物。

2.4 微波對(duì)蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指亞基與亞基之間通過(guò)化學(xué)作用鍵如疏水相互作用等次級(jí)鍵締合成有特定空間結(jié)構(gòu)的聚集體[31]。低功率和短時(shí)間微波處理食品蛋白,可以使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生部分解離,但是電磁效應(yīng)和熱效應(yīng)隨著時(shí)間的不同發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化,能導(dǎo)致蛋白質(zhì)的聚合,最終發(fā)生凝膠化或凝結(jié)。Liu等[16]證實(shí)了球蛋白的伸展,并能使分裂的低聚體亞基再聚合。Francesco等[32]研究微波加熱與水浴加熱對(duì)嗜熱β-乳糖酶活性的影響,證實(shí)70 ℃微波加熱使酶不可恢復(fù)地失活,但是水浴加熱對(duì)酶活性無(wú)影響,證實(shí)微波對(duì)酶活性的影響并不僅僅存在熱效應(yīng),非熱效應(yīng)也能改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從各個(gè)角度研究分析了微波加工對(duì)食品蛋白結(jié)構(gòu)特性發(fā)生的變化,但對(duì)于微波影響食品蛋白的機(jī)理及其與凝膠性變化的關(guān)系還缺少系統(tǒng)性的研究,在未來(lái),關(guān)于微波改善蛋白凝膠特性的機(jī)理有待于深入展開(kāi)。

3 微波在蛋白質(zhì)加工中的應(yīng)用

食品中的蛋白質(zhì)不僅可以為人體提供能量和基礎(chǔ)代謝物,具有重要營(yíng)養(yǎng)特性，而且具有一些獨(dú)特的功能性質(zhì),對(duì)產(chǎn)品加工品質(zhì)具有顯著影響。以蛋白質(zhì)為原料,利用微波加工技術(shù)來(lái)研究蛋白質(zhì)品質(zhì)的變化詳見(jiàn)表1。

表1 微波處理方式在蛋白質(zhì)加工中的應(yīng)用Table 1 The effects of microwave application on protein processing properties

微波技術(shù)作為一種快速高效的加熱技術(shù),廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)加熱、干燥、滅菌、改性、殺蟲(chóng)和水解。由于水分子具有快速吸收微波能的介電性質(zhì),微波干燥特別適用于高水分含量的蛋白質(zhì)的干燥,比如乳清蛋白、大豆分離蛋白等。Lamacchia等[40]通過(guò)研究微波處理對(duì)小麥蛋白脫水的影響,發(fā)現(xiàn)其不僅干燥速率快,而且對(duì)面筋蛋白的流變特性影響較小。Wu等[41]研究發(fā)現(xiàn)微波干燥的草魚(yú)蛋白脂肪含量損失少,蛋白質(zhì)溶解度高,甲氧基苯胺值低于熱風(fēng)干燥的產(chǎn)品。Gursoy等[44]研究表明隨著微波功率和時(shí)間的延長(zhǎng),玉米中的水分含量會(huì)逐漸降低,并且導(dǎo)致發(fā)芽率的減少,因此深入研究微波干燥動(dòng)力學(xué)很有必要。Wang等[45]研究微波對(duì)大豆分離蛋白和玉米蛋白共混改性后對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特性的影響發(fā)現(xiàn),微波處理不僅提高了玉米-大豆分離蛋白共混物的機(jī)械強(qiáng)度,而且提升了體系的熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。因此微波處理可以對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)機(jī)械特性產(chǎn)生積極的影響。Wang等[36]也證實(shí)微波處理可以改善大豆分離蛋白的乳化性。Messia等[23]研究發(fā)現(xiàn)微波水解膠原蛋白測(cè)定羥脯氨酸,與傳統(tǒng)水解方式相比,大大縮短了水解時(shí)間。微波提取米糠蛋白不僅可以增加蛋白質(zhì)的提取率,而且與堿法提取蛋白相比,微波提取對(duì)蛋白質(zhì)消化率無(wú)顯著影響。Ochoa-Rivas等[27]研究表明微波輔助堿法提取花生分離蛋白，其蛋白純度更高。Ji等[46]研究微波處理對(duì)鱈魚(yú)魚(yú)糜-魔芋膠體系凝膠強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明微波加熱比水浴加熱所形成的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密。

目前有很多研究集中于適當(dāng)?shù)奈⒉ㄌ幚韥?lái)改善蛋白質(zhì)的凝膠特性方面的應(yīng)用,包括提高凝膠強(qiáng)度,增加凝膠持水力和降低凝膠蒸煮損失等。微波加熱改善凝膠制品的機(jī)理主要有:微波加熱能有效避免蛋白質(zhì)分子降解,使蛋白空間聚集體展開(kāi),促進(jìn)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-水分子等分子間的相互作用,生成更多S-S鍵,形成分子質(zhì)量更大的蛋白質(zhì)交聯(lián)體,最終形成三維網(wǎng)狀的超微結(jié)構(gòu)[33]。

總之,微波在日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,已有研究成果顯示微波加工蛋白質(zhì)對(duì)其營(yíng)養(yǎng)成分破壞性小,加工效率高、產(chǎn)率高、質(zhì)量好、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),可預(yù)見(jiàn)其在未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)中將具有廣泛應(yīng)用前景。綜上所述,經(jīng)微波處理后,蛋白的溶解性、乳化性和起泡性等功能特性和理化特性得以改善,從而拓寬了蛋白的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,微波對(duì)食品蛋白的凝膠特性的影響研究比較全面、系統(tǒng)。由于凝膠形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可吸附食品體系中的其他成分如水分、風(fēng)味物質(zhì)、脂肪、碳水化合物等,進(jìn)而影響食品的感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),因此研發(fā)凝膠性能好且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的蛋白食品對(duì)食品工業(yè)的發(fā)展有重大意義。目前對(duì)其凝膠形成的機(jī)理研究尚不完善,有待于進(jìn)一步深入探索研究。在明確微波對(duì)食品蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的影響后,需與微波對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的數(shù)學(xué)模型建立關(guān)系,并模擬凝膠體系與食品其他成分的相互作用,模擬其體系動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程,以完善整個(gè)知識(shí)體系,為微波更好的應(yīng)用于食品工業(yè)奠定基礎(chǔ)。

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Researchprogressofeffectofmicrowaveheatingongelationpropertiesandstructureoffoodprotein

FENGJian-hui1,CAOAi-ling2,CHENXiao-qiang3,CAILu-yun1,*,LIYu-jin4,LIXue-peng1,LIJian-rong1,*

(1.College of Food Science and Engineering of Bohai University,National & Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Food Safety Key Lab of Liaoning Province,Jinzhou 121013,China;2.Xiaoshan Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Hangzhou 311208,China;3.College of Food and Biological Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;4.Rongcheng Taixiang Food Co.,Ltd.,Rongcheng 264300,China)

TS254.9

A

1002-0306(2017)18-0317-06

2017-04-05

馮建慧(1992-)，女，碩士研究生，主要從事水產(chǎn)品副產(chǎn)物功能性物質(zhì)提取方面的研究，E-mail：jhfeng0122@163.com。

*通訊作者:蔡路昀(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：海洋食品化學(xué)與功能食品，E-mail：clyun2007@163.com。 勵(lì)建榮(1964-)，男，博士，教授，主要從事水產(chǎn)品和果蔬貯藏加工及安全方面的研究，E-mail：li34008@126.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金(31401478)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD17B03)；國(guó)家博士后基金面上項(xiàng)目(2015M570760)；遼寧省自然科學(xué)基金(20170540006)；重慶市博士后特別資助項(xiàng)目(Xm2015021)。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.060