食品化学课件5蛋白质.ppt

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1、本章提要,重点：蛋白质的变性及其对食品品质的影响；蛋白质的功能性质及其在贮藏加工过程中的变化，以及食品加工条件对食品品质和营养性的影响；食品中蛋白质及氨基酸的测定。难点：蛋白质功能性质、蛋白质构象变化对其性质的影响。,Contents,5.1.Introduction 5.2.Physicochemical properties of amino acids5.3.Protein structure5.4 Protein denatutation5.5 Functional properties of proteins5.6 Nutritional properties of proteins

2、5.7 Processing-induced physical chemical and nutritional changes in proteins5.8 Measurement of protein 5.9 New source of Proteins,5.1.概述 Introduction,1.蛋白质在食品加工中的意义,营养功能,感观品质,生物活性,食品安全,蛋白质是食品中三大营养素之一。,蛋白质对食品的色、香、味及组织结构等具有重要意义。,一些蛋白质具有生物活性功能，是开发功能性食品原料之一。,一些蛋白质及短肽具有有害性，对食品安全的影响。,2.蛋白质的分子量及其测定方法,分子量：一

3、万到几百万道尔顿（Dalton)之间或更大。测定方法:渗透压法 超离心法 凝胶过滤法 聚丙烯酰胺凝胶电泳法,3.蛋白质的元素组成The elements of protein,C：50-55%H：6-7%O：20-23%S：0.2-3.0%N：12-19%微量元素：P、Fe、Zn、Cu、I 等。,4.蛋白质的分类The classification of protein,纤维状蛋白质 球状蛋白质 简单蛋白质：只有AA组成 结合蛋白质：辅基/配基 酶 运输蛋白质 营养和贮存蛋白质 收缩蛋白质或运动蛋白质 结构蛋白质 防御蛋白质,按分子形状分,按分子组成分,根据生物功能分,清蛋白（溶于水、稀盐、稀

4、酸、稀碱）球蛋白（不溶于水、溶于稀盐、稀酸、稀碱）谷蛋白（不溶于水、盐、溶于稀酸、稀碱）醇溶蛋白（溶于70-80乙醇、稀酸、稀碱）组蛋白（溶于水、稀酸、稀氨水沉淀）鱼精蛋白（溶于水、稀酸、氨水沉淀）硬蛋白（不溶于水、稀盐、稀酸、稀碱）,简单蛋白质,按蛋白质溶解度分,a 完全蛋白质 b 不完全蛋白质 c 半完全蛋白质,根据营养价值分,5.食品中蛋白质来源The source of protein in food,动物蛋白质:如猪肉、鱼肉、鸡肉、乳植物蛋白质：如大豆、谷物微生物蛋白质：酵母,6.蛋白质的代谢,蛋白质经过多种消化酶的作用，分解为多肽和低分子的氨基酸，然后被肝脏处理，一部分随血液循环到

5、各个组织器官；一部分参与代谢形成糖或脂类；一部分分解成二氧化碳和水；还有一部分合成一些激素或酶。,氨基酸的一般性质General Properties of Amino Acids,NH2,NH2,R R D-氨基酸 L氨基酸 氨基酸的D-、L-构型是跟据甘油醛的构型命名的，而不是根据旋光性。大多数L-氨基酸是右旋的。,(2)分类classification,营养学上将氨基酸分为必需氨基酸和非必需氨基酸两类。必需氨基酸指的是人体自身不能合成或合成速度不能满足人体需要，必须从食物中摄取的氨基酸。对成人来说，这类氨基酸有8种，包括赖氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸、色氨酸、苯丙氨酸。

6、对婴儿来说，组氨酸和精氨酸也是必需氨基酸。非必需氨基酸并不是说人体不需要这些氨基酸，而是说人体可以自身合成或由其它氨基酸转化而得到，不一定非从食物直接摄取不可。这类氨基酸包括谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸、天门冬氨酸、胱氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸等。,(2)分类classification,非极性氨基酸：Ala,Ile,Leu,Phe,Met,Trp（色）,Val,Pro,极性氨基酸,无电荷侧链氨基酸:Ser（丝）,Thr（苏）,Tyr（酪）,Asn,Gln,Cys（半胱）,Gly（甘）,带正电荷侧链氨基酸:Lys,Arg,His,带负电荷侧链氨基酸:Asp,Glu,天然蛋白质中含有20种氨基酸，仅

7、含L氨基酸。R 是侧链基团。,按R的极性分类,半胱氨酸,酪氨酸,苏氨酸,色氨酸,(3)氨基酸在水中的溶解度及旋光性,天然氨基酸中，只有甘氨酸（Gly）无旋光性,(4)氨基酸的酸碱性质Acid-base properties of amino acids,氨基酸为两性电解质，既表现出酸性，又表现出碱的性质。氨基酸在pH=7时水中存在形式:,氨基酸是酸,氨基酸是碱,氨基酸的等电点（pI of amino acids）：定义：指氨基酸在溶液中净电荷为零时的pH值。,提供质子，可释放质子,提供电子对，可接受质子,甘氨酸：,氨基酸的等电点（pI of amino acids）的估算：指氨基酸在溶液中净电

8、荷为零时的pH值。当用酸滴定时：,(5)氨基酸的疏水性Hydrophobic properties of Amino Acids,疏水性概念：在相同的条件下，一种溶于水中的溶质的自由能与其溶于有机溶剂的自由能的差值。氨基酸的疏水性是指氨基酸从乙醇转移至水中的自由能变化G。G0=-RTlnS乙醇/S水 S乙醇-氨基酸在乙醇中的溶解度 S水-氨基酸在水中的溶解度 R：气体常数；T：热力学温度具有正的G0 的氨基酸侧链是疏水性，具有负的G0 的氨基酸侧链是亲水性。,(6)氨基酸的光学性质及光谱Optical properties of amino acids,氨基酸具有旋光性（除甘氨酸)立体异构体：

9、L、D型，天然只存在L型异构体芳香族氨基酸Trp、Tyr和Phe在紫外区(250300nm)吸光。此外，Trp和Tyr在紫外区还显示荧光。利用氨基酸光学性质的变化来考察蛋白质的构象变化及含量的测定。,(7)氨基酸的化学反应Chemical reactions of amino acids,羧酸性质：成盐、成酯、成酰胺、脱羧、酰氯化 氨基性质：与HCl结合、脱氨、与HNO3作用其他性质：a）与茚三酮反应,440nm时呈黄色，测定脯氨酸和羟脯氨酸；570nm时呈蓝色或紫色，测定其它氨基酸。,b）与荧光胺反应,异吲哚衍生物 强荧光,此化合物和一级胺反应生成强荧光衍生物，因而，可用来快速定量测定氨基酸

10、、肽和蛋白质。此法灵敏度高，激发波长390nm，发射波长475nm。,c）与邻苯二甲醛反应,生成强荧光异吲哚衍生物，激发波长 380nm，发射波长450nm。可用于氨基酸、肽和蛋白质的定量分析。,5.3 肽,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱水形成一个取代的酰胺键，这个键称为肽键。形成的这个化合物称为肽。,5.3.1 肽的物理化学性质,肽的酸碱性质 肽的酸碱性质取决于肽链两端游离的氨基和游离的羧基。粘度与溶解度 多肽的溶解度以及吸湿性和保湿性都高于蛋白质。渗透压和调节产品的结构 多肽的渗透压远比氨基酸小，而大于蛋白质的。当一种液体的渗透压比液体高时，溶易使周围细胞中的水分向胃肠移动而出现腹

11、泻。因此多肽作为口服的肠道蛋白源要好与氨基酸。多肽具有抑制蛋白质形成凝胶的性能，可以调整食品的结构肽的双缩脲反应：定性鉴定蛋白质和多肽。,5.3.2 活性肽,生物体内存在着许多的活性肽，它们是新陈代谢的产物，在生命活动中有着重要的功能。研究发现:人类摄食蛋白质经消化道的酶作用后,大多是以小肽形式消化吸收,以游离氨基酸形式吸收的比例很小,进一步的试验又揭示了小肽的吸收比游离氨基酸的吸收更为迅速。肽营养作用的另一新认识是,蛋白质在酶解过程中可以产生一些具有特殊生理调节功能的生物活性肽。食物蛋白源生物活性肽是现代营养学及食品学研究的热点和极具发展前景的功能因子,近年来受到广泛重视。目前已从各种食物蛋

12、白的不同酶解产物中分离鉴定出阿片肽、血管紧张素转化酶抑制肽(降压肽)、免疫调节肽、抗菌肽、抗血栓肽、矿物元素吸收促进肽、降胆固醇肽等。,1、概述（Introduction）,(1)构象与构型的区别构型：是指原子的空间排列，这种排列的改变会涉及共价键的生成或破坏，但与氢键无关。如氨基酸的D-型和L-型。立体异构体包括光学 异构体和结构异构体。互为镜像,构象构象是指分子内各原子或基团之间的立体关系。当单链旋转时，分子中的基团或原子可能形成不同空间排布，这些不同的空间排列称为不同的构象。构象的改变是由于氢键的旋转而产生的，他不涉及共价键的变化，仅涉及到氢键等次级键的改变。蛋白质分子构象：指蛋白质分子

13、中所有原子在三维空间中的排布。为了避免构象和构型的混淆，1969年IUPAC规定，描述蛋白质等生物大分子空间结构时使用构象。,（2）稳定蛋白质构象的作用力,稳定蛋白质结构的作用力,蛋白质结构稳定,疏水相互作用,二硫键,空间相互作用,范德华力,氢 键,静电相互作用,配位键,氢键：某些侧链与主链骨架之间，如酪氨酸残基上的羟基与主链骨架上的羰基之间。与水分子之间RNA酶中三个分离的残基通过水桥联系起来。,在两条多肽链之间或一条多肽链的不同部位之间，主链骨架上的羰基氧原子与亚氨基氢原子形成氢键 在蛋白质的某些侧链之间，例如酪氨酸残基上的羟基与谷氨酸残基或天门冬氨酸残基上的羧基之间可以形成氢键。,疏水相

14、互作用：是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而群集在一起的集合力。Leu、Ile、Phe、Val、Trp、Pro等氨基酸残基。40-60左右：减弱。范德华力:取向力；诱导力；色散力 特点：引力随作用基团之间距离的增大而迅速减小，但两个作用基团只互相吸引，并不相碰。,离子相互作用：是由带相反电荷的两个基团间的静电吸引所形成。配位键：指在两个原子之间由其中一个原子单独提供电子对而形成的一种特殊的共价键。金属离子与蛋白质之间。二硫键：两个硫原子之间形成的作用力。氢键、疏水相互作用、范德华力和离子相互作用这四种次级键是维持和稳定蛋白质分子构象的主要作用力。在一些蛋白质分子中，二硫键和配位键也参与维持和

15、稳定蛋白质的三、四级结构。,2、蛋白质结构层次 一级结构 Primary Structure 二级结构 Secondary Structure 超二级结构 Super secondary Structure 结构域 Domain 三级结构 Tertiary Structure 四级结构 Quaternary Structure,（1）蛋白质分子一级结构The primary structure of protein,概念 又称化学结构，是指氨基酸在肽链中的排列顺序及二硫键的位置。肠促胰液肽和胰高血糖素含有20100个氨基酸残基；多数含100500个氨基酸残基；某些含几千个氨基酸残基。,肽键的结

16、构,肽单位结特征,肽键不同于C-N单键和C=N双键；肽键具有部分单键性质；肽键有双键性质不能自由旋转；肽键键长0.132nm，比C-N单键（sp3杂化，键长0.147nm）短，比C=N双键（sp2杂化，键长0.127）长，由此可见肽键有双键性质不能自由旋转。,肽单位是刚性平面结构 肽平面上的6个原子都位于同一个平面。称为酰氨平面。,两面角（dihedral angle）：,一对两面角（，）决定了相邻两个肽单位的相对位置。,肽单位平面有一定的键长和键角。,（2）蛋白质分子的二级结构The secondary structure of protein,概念 是指多肽链中彼此靠近的氨基酸残基之间由于

17、氢键相互作用而形成的空间关系。二级结构类型-螺旋结构-折叠结构-转角（发夹和环）三股螺旋无规卷曲,A、螺旋结构（Helical structure）是指多肽链主链骨架围绕一个轴一圈一圈地上升，从而形成一个螺旋式的构象。在一段连续的肽单位中，如果所有的 碳原子其成对的二面角（，）都分别取相同的值，这一段连续的肽单位的构象一般是 螺旋构象。,View of a right-handed alpha helix,螺旋结构特征：每一圈包含3.6个残基，螺 距0.54nm,螺旋上升时，每个残基延螺旋 旋转100 残基高0.15nm,螺距半径 0.23nm;每一个角为-57，每一个 角为-47；相邻螺旋之

18、间形成链内氢键；氢键的取向与螺轴几乎平行。,侧链R对-螺旋的影响：在多肽链上，连续存在带相同电荷极性基团的AA残基（Asp，Glu，Lys），则-螺旋不稳定。如果这些残基分散存在，就不影响-螺旋构象的稳定性。当Gly残基在多肽链上连续存在时，则-螺旋不能形成。Pro残基和羟脯氨基酸残基存在时，则不能形成-螺旋结构。,B、-折叠 指两条或多条几乎完全伸展的多肽链靠链间氢键连结而形成的锯齿状折叠构象。,-折叠的特点：-折叠是肽链或肽段的一种相当伸展的结构。a、在-折叠的构象中，若干条肽链或一条肽链的若干肽段平行排列，相邻主链骨架之间靠氢键来维系（C=OH-N）。b、为了在主链骨架之间形成最多氢键，

19、避免相邻侧链间的空间障碍，锯齿状的主链骨架必须做一定的折叠（=139，=135）。c、与原子相连的侧链R交替地位于片层的上方或下方，它们均与片层相垂直。d、-折叠包括平行-折叠和反平行-折叠。,平行-折叠：肽链或肽段的排列方向相同，都是从 氨基端到羧基端。,反平行-折叠：肽链或肽段按正反方向交替的方式排列，即肽链或肽段排列时，氨基端到羧基端的方向一顺一反。,-折叠主要存在于纤维状蛋白和球状蛋白中。纤维蛋白：-折叠反平行型式存在，-折叠的形成是依靠不同肽链之间的氢键。球蛋白：平行和反平行近乎相等，-折叠的形成即可靠不同肽链之间的氢键，也可依靠同一肽链的不同部分之间的氢键。稳定性：-折叠片-螺旋,

20、C、-转角：在蛋白质分子中，肽链经常出现180的回折，回折部分就是-转角（也称回折、-弯曲或发夹结构）。-转角有3种类型，每种类型都有4个氨基酸残基，弯曲处的第一个残基的羰基和第四个残基的氨基之间形成氢键，产生一种不很稳定的环状结构。,在I型-转角中，中间肽平面的C=O基氧原子与相邻两个残基的侧链(图中的R2和R3)呈反式位置；而型-转角中，它们都在同一侧。只有第三个残基为甘氨酸即R3为氢原子型才能存在。,I型-转角构象,型-转角构象,D、超二级结构 是指二级结构的基本单位相互聚集，形成有规律的二级结构的聚集体。超二级结构是介于二级结构与结构域之间的结构层次，并充当三级结构的基本构件。E、胶原

21、三股螺旋：由三条肽链组成的三股螺旋。每条肽链形成一股左手螺旋，三股左手螺旋绞合在一起形成一个右手的三股超螺旋，胶原三股螺旋结构实际上是一种三股超螺族结构。,F、结构域,二级结构和超二级结构单元紧密相连，折叠成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠区域（通常为球状），如动物的免疫球蛋白G(IgG)含有12个结构域。结构域与蛋白质亚基的区别：蛋白质分子间的结构域以共价键连接。残基：40400个（100200常见）。许多酶活性中心位于结构域之间的裂隙中。,蛋白质分子的二级结构与一级结构的关系,蛋白质的一级结构决定空间结构。多肽链的二级结构是由蛋白质氨基酸顺序决定的，也可以说，可种氨基酸残基在形成二

22、级结构时具有不同的倾向或能力。从氨基酸残基顺序推测蛋白质二级结构区段。处于折叠状态的蛋白质其空间结构是有多肽氨基酸序列所决定的。,（3）三级结构 The tertiary structure of protein,概念（Concept）指多肽链在二级结构的基础上进一步折叠、盘曲而形成特定的球状分子结构。单链蛋白质：三级结构就是分子本身的特征立体结构。多链蛋白质：三级结构是各组成链（亚基）的主链和侧链的空间排布。,结构特征,a、在球状蛋白质分子中，一条多肽链往往是通过一部分-螺旋、一部分-折叠、一部分-转角和一部分无规则卷曲形成紧密的球状构象。,b、在球状蛋白质分子中，大多数非极性侧链总是埋在分

23、子的内部，形成疏水核；而大多数极性侧链总是暴露在分子的表面上，形成一亲水区。极性基团的种类、数目与排布决定了蛋白质的功能。c、在蛋白质分子的表面，往往有一个内陷的空穴(裂隙、凹槽、袋)。此空穴往往是疏水区，能够容纳一个或两个小分子配体，或大分子配体的一部分。,典型的蛋白质三级结构,肌红蛋白的三级结构,稳定三级结构的作用力,（4）蛋白质分子的四级结构The quaternary structure of protein,、概念（Concept）由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的具有特定三维结构的蛋白质构象叫做蛋白质四级结构。,血红蛋白的四级结构,、蛋白质亚基：是一条多肽链。、寡聚蛋白

24、质：由少数亚基聚合而成的蛋白质、多聚蛋白质：由几十个，甚至上千个亚基聚合而成的蛋白质。、四级结构的狭义定义：是指寡聚蛋白质中的亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。、四级结构的广义定义：由相同或不同球蛋白分子所构成的聚合体。,1、蛋白质变性的概念The concept of protein denaturation,蛋白质变性定义：由于外界因素的作用，使天然蛋白质分子的构象发生了异常变化，从而导致生物活性的丧失以及物理、化学性质的异常变化，不包括一级结构上肽键的断裂。蛋白质变性本质：蛋白质分子次级键的破坏引起的二级、三级、四级结构的变化。变性后的蛋白质称为变性蛋白质。,2、蛋白质变

25、性对其结构和功能的影响,物理性质的改变 凝集、沉淀（由于疏水基团暴露在分子表 面，引起溶解度降低）流动双折射 粘度增加 旋光值改变 紫外、荧光光谱发生变化 改变对水结合的能力。不能结晶。,化学性质的改变 酶水解速度增加（由于肽键的暴露，容易受到蛋 白酶的攻击，使之增加了蛋白质对酶水解 的敏感性。）分子内部基团暴露生物性能的改变 抗原性改变 生物功能丧失（失去酶活或免疫活性）,3、可逆变性 Conformational adaptability of protein,除去变性因素之后，在适当的条件下蛋白质构象可以由变性态恢复到天然态。如:核糖核酸酶用8mol/L的尿素和巯基乙醇作用时，由于分子中

26、的二硫键被还原，酶的空间结构也随之破坏，酶即变性失活。但是，用透析法除去这些试剂后，变性的酶蛋白质就自动氧化恢复原来的空间结构，酶的活性也随之恢复。,4、不可逆变性The protein denaturation,除去变性因素之后，在适当的条件下蛋白质构象由变性态不能恢复到天然态。如：鸡蛋，大豆蛋白质。,5、蛋白质变性测定方法The methods of determination on protein denaturation,测定蛋白质的比活性以天然蛋白质作对照，测定蛋白质物理性质的变化。测定蛋白质化学性质的变化观察蛋白质的溶解度变化测定蛋白质的抗原性是否改变,6、影响蛋白质变性的因素Th

27、e factors affecting denaturation,物理因素 化学因素温度（热、低温）酸碱机械处理（剪切）金属和盐液压 有机溶剂辐射 尿素和胍盐界面 表面活性剂 还原剂,A、物理因素（1）热变性温度,在加热条件下，肽键产生强烈的热振荡，导致维持蛋白质空间结构的次级键破坏，天然构象解体。,伴随热变性，蛋白质的伸展程度相当大。例如，天然血清清蛋白分子是椭圆形的，长、宽比为3：1，经过热变性后变为5：5。变性速率取决于温度，当温度上升10，速率可增加600倍左右。热变性的敏感性取决于多种因素：蛋白质的性质、蛋白质浓度、水活性、pH、离子强度和离子种类。蛋白质在有水存在时易变性。,热变性

28、产生的其他影响：二硫键的断裂有时会释放出硫化氢。丝氨酸脱水，或谷氨酰胺和天冬酰胺的脱 氨反应。在分子内或分子间形成新的共价交联键，如-谷氨酰基-N-赖氨酸）。,熔化温度Tm 或变性温度Td：蛋白质溶液在逐渐加热到临界温度以上时，蛋白质的构象从天然状态到变性状态有一个显著地转变，这个转变的中点温度称为熔化温度Tm 或变性温度Td。此时天然状态与变性状态浓度比为1。,氨基酸的组成对蛋白质的热稳定性影响,含有较多疏水氨基酸残基（尤其是缬氨酸，异亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸）的蛋白质，对热的稳定性高于亲水性较强的蛋白质。天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、色氨酸和酪氨酸的残基百分数与热变性温度呈正

29、相关（r=0.98）。丙氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸等氨基酸的残基百分数则是与热变性温度呈负相关（r=0.975）。其他氨基酸对蛋白质的Td影响甚少。,蛋白质的立体结构对热稳定性影响,单体球状蛋白在大多数情况下热变性是可逆的，许多单体酶加热到变性温度以上，甚至在100短时间保留，然后立即冷却至室温，它们也能完全恢复原有活性。而有的蛋白质在90100加热较长时间，则发生不可逆变性。,水对蛋白质的热变性的影响,水能促进蛋白质的热变性。在干燥状态，蛋白质具有一个静止的结构，多肽链序列的运动受到了限制。当向干燥蛋白质中添加水时，水渗透到蛋白质表面的不规则空隙或进入蛋白质的小毛细管，并

30、发生水合作用，引起蛋白质溶胀。水的加入，增加了多肽链的淌度和分子的柔顺性，这时蛋白质分子处于动力学上更有利的熔融结构。当加热时，蛋白质的这种动力学柔顺性结构，相对于干燥状态，则可提供给水更多的几率接近盐桥和肽链的氢键，结果Td 降低。,（2）低温,主要是一些酶在冷冻条件下失活冻结使蛋白质周围的水与其结合状态发生变化，从而破坏了维持蛋白质的构象的力。大量的水结成冰后，使得剩余水中的无机盐浓度大大提高，局部高浓度的盐也会使蛋白质发生变性。某些蛋白质经过低温处理后发生可逆变性，如有些酶（L-苏氨酸脱氨酶）在室温下比较稳定，而在0时不稳定。某些蛋白质（11S 大豆蛋白、麦醇溶蛋白、卵蛋白和乳蛋白）在低

31、温或冷冻时发生聚集和沉淀。当温度回升至室温，可再次溶解。,（3）机械处理,揉捏、振动、挤压或搅打等高速机械剪切，都能引起蛋白质变性。原因：空气泡的并入使蛋白质分子吸附在气液界面。气液界面的能量高于主体相的能量，因此蛋白质在界面上经历构象的变化。剪切速率愈高，蛋白质变性程度则愈大。同时受到高温和高剪切力处理的蛋白质，则发生不可逆变性。,(4)静液压（流体静压）,蛋白质的柔顺性和可压缩性是压力诱导蛋白质变性的主要原因。不同于热变性，当压力很高时，一般在25即能发生变性；而热变性需要在0.1M Pa 压力下，温度为4080范围才能发生变性。光学性质表明大多数蛋白质在1001200MPa 压力范围作用

32、下才会产生变性。静液压不易引起纤维状结构的蛋白质变性。,球状蛋白质因压力作用产生变性原因：蛋白质伸展而使空隙不复存在；非极性氨基酸残基因蛋白质的伸展而暴露，并产生水合作用。压力引起的蛋白质变性是高度可逆的，比如酶。,高压加工不同于热加工，它不会损害蛋白质中的必需氨基酸和天然色泽和风味，也不会导致有毒化合物的生成。,加压251001200MPa,外压消失,（5）辐射,因波长和能量大小而异。紫外辐射可被芳香族氨基酸残基(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)所吸收，导致蛋白质构象的改变，如果能量水平很高，还可使二硫交联键断裂。辐射和其他电离辐射能改变蛋白质的构象，同时还会氧化氨基酸残基、使共价键断裂、离子化、

33、形成蛋白质自由基、重组、聚合，这些反应大多通过水的辐解作用传递。,（6）界面,在水和空气，水和非水溶液或固相等界面吸附的蛋白质分子，一般发生不可逆变性。蛋白质大分子向界面扩散并开始变性，在这一过程中，蛋白质可能与界面高能水分子相互作用，许多蛋白质-蛋白质之间的氢键将同时遭到破坏，使结构发生“微伸展”。由于许多疏水基团和水相接触，使部分伸展的蛋白质被水化和活化，处于不稳定状态。蛋白质在界面进一步伸展和扩展，亲水和疏水残基力图分别在水相和非水相中取向，因此界面吸附引起蛋白质变性，某些主要靠二硫交联键稳定其结构的蛋白质不易被界面吸附。,B、化学因素,1.pH大多数蛋白质在pH 4-10比较稳定。超过

34、这个范围就会发生变性。蛋白质在等电点时最稳定，溶解度最低。,蛋白质分子在极端碱性pH环境下，比在极端酸性pH时更易伸长。因为碱性条件有利于部分埋藏在蛋白质分子内的羧基、酚羟基、巯基离子化，结果使多肽链拆开，离子化基团自身暴露在水环境中。pH 引起的变性大多数是可逆的。在某些情况下，部分肽键水解，天冬酰胺、谷氨酰胺脱酰胺，碱性条件下二硫键的破坏，或者聚集等都将引起蛋白质不可逆变性。,2金属 碱金属(例如Na+和K+)只能有限度地与蛋白质起作用，而Ca2+、Mg2+略微活泼些。过渡金属例如Cu、Fe、Hg和Ag等离子很容易与蛋白质发生作用，其中许多能与巯基形成稳定的复合物（牛奶解毒）。Ca2+(还

35、有Fe2+、Cu2+和Mg2+)可成为某些蛋白质分子或分子缔合物的组成部分。一般用透析法或螯合剂可从蛋白质分子中除去金属离子，但这将明显降低这类蛋白质对热和蛋白酶的稳定性。,3有机溶剂 改变介质的介电常数，从而使保持蛋白质稳定的静电作用力发生变化。非极性有机溶剂渗入疏水区，可破坏疏水相互作用，促使蛋白质变性，这类溶剂的变性行为也可能是因为它们和水产生相互作用引起的。某些溶剂例如2-氯乙醇，能增加-螺旋构象的数量，这种作用也可看成是一种变性方式(二级，三级和四级结构改变)，例如卵清蛋白在水溶液介质中有31的-螺旋，而在2-氯乙醇中达到85。,4有机化合物水溶液 某些有机化合物例如尿素和胍盐的高浓

36、度(48mol/L)水溶液能断裂氢键，从而使蛋白质发生不同程度的变性。同时，还可通过增大疏水氨基酸残基在水相中的溶解度，降低疏水相互作用。,尿素 O 盐酸胍 NH H2N-C-NH2 H2N-C-NH2 可与蛋白质形成复合物,尿素和盐酸胍引起的变性包括两种机制：第一种机制是变性蛋白质能与尿素和盐酸胍优先结合，形成变性蛋白质-变性剂复合物。当复合物被除去，随着变性剂浓度的增加，天然状态的蛋白质不断转变为复合物，最终导致蛋白质完全变性。由于变性剂与变性蛋白的结合是非常弱的。因此，只有高浓度的变性剂才能引起蛋白质完全变性。,第二种机制是尿素与盐酸胍对疏水氨基酸残基的增溶作用。因为尿素和盐酸胍具有形成

37、氢键的能力，当它们在高浓度时，可以破坏水的氢键结构，结果尿素和盐酸胍就成为非极性残基的较好溶剂，使之蛋白质分子内部的疏水残基伸展和溶解性增加。,尿素和盐酸胍引起的变性通常是可逆的，但是，在某些情况下，由于一部分尿素可以转变为氰酸盐和氨，而蛋白质的氨基能够与氰酸盐反应改变了蛋白质的电荷分布。因此，尿素引起的蛋白质变性有时很难完全复性。还原剂（半胱氨酸、抗坏血酸、-巯基乙醇、二硫苏糖醇）可以还原二硫交联键，因而能改变蛋白质的构象。,5.表面活性剂表面活性剂例如十二烷基磺酸钠（SDS）是一种很强的变性剂。SDS 浓度在38m mol/L 范围可引起大多数球状蛋白质变性。而且是不可逆变性。由于SDS

38、可以在蛋白质的疏水和亲水环境之间起着乳化介质的作用，且能优先与变性蛋白质强烈地结合，破坏了蛋白质的疏水相互作用，促使天然蛋白质伸展，非极性基团暴露于水介质中，导致天然与变性蛋白质之间平衡移动。,6.盐,易溶盐对蛋白质稳定性的影响：在低盐浓度时，离子与蛋白质之间为非特异性静电相互作用。当盐的异种电荷离子中和了蛋白质的电荷时，有利于蛋白质的结构稳定，这种作用与盐的性质无关，只依赖于离子强度。一般离子强度0.2 时即可完全中和蛋白质的电荷。在较高浓度（1mol/L），盐具有特殊离子效应，影响蛋白质结构的稳定性。,各种阴离子在离子强度相同时，对蛋白质（包括DNA）结构稳定性的影响顺序如下：F-SO42

39、-Cl-Br-I-ClO4-SCN-Cl3CCOO-这个顺序称为Hofmeister序列（感胶离子序）或离液序列（chaotropic series）。顺序中左侧的离子能稳定蛋白质的天然构象；而右侧的离子则使蛋白质分子伸展、解离，为去稳定剂。如：Na2SO4、NaF能促进结构稳定；NaSCN和NaClO4是强变性剂。,5.5.蛋白质功能性质Functional Properties of Proteins,1.蛋白质的功能性质概念The concept of functional properties of proteins,在食品加工、贮藏、销售过程中蛋白质对食品需宜特征作出贡献的那些物理和

40、化学性质。结构决定性质,食品蛋白质的功能性质分为四个方面：水化性质：取决于蛋白质与水的相互作用，包括水吸收和保留、湿润性、溶胀性、粘着性、分散性、溶解度和粘度等。通常与蛋白质的大小、形状和柔顺性有关。表面性质：与蛋白质的表面张力、乳化作用、起泡特性、成膜性以及风味结合等有关的性质。结构性质：与蛋白质的相互作用有关的性质，如产生弹性、沉淀、胶凝作用及形成其它结构（面团形成、纤维化等）的性质。感官性质：颜色、气味、适口性、咀嚼感、爽滑度、浑浊度等。,2.食品蛋白质在食品体系中的功能作用Functional roles of food proteins in food systems,水化性质,结构

41、性质,表面性质,感观性质,3.蛋白质的水合性质Hydration properties of proteins,(1)概念（Concept）蛋白质分子中带电基团、主链肽基团、Asn、Gln的酰胺基、Ser、Thr和非极性残基 团与水分子相互结合的性质。蛋白质水合性质与食品的功能性：如分散性、湿润性、溶解性、黏度、胶凝作用、乳化和起泡性等，都取决于水-蛋白质的相互作用。,（2）作用方式,(3)蛋白质结合水的能力The hydration capacities of proteins 当干蛋白质粉与相对湿度为90%-95%的水蒸汽达到平衡时每克蛋白质所结合的水的克数即为蛋白质结合水的能力。,C+0

42、.4 P+0.2 N,：水合能力，g水/g蛋白质；C,P,N：带电的、极性和非极性的分数,带电的氨基酸残基数目越大，水合能力越大。,(4)蛋白质水合过程The process involved in hydration of proteins,A.未水合蛋白；B.带电基团的初始水合；C.在接近极性和带电部位形成水簇；D.在极性表面完成水合作用；E.非极性小区的水合形成单分子层覆盖；F.蛋白质-缔合水与体相水桥；G.完成流体动力学作用,(4)各种蛋白质的水合能力,(5)蛋白质水合性质的测定方法,相对湿度法：测定一定水活度aW时所吸收或丢失的水量，该法可以用于评价蛋白粉的吸湿性和结快现象。溶涨法：

43、将蛋白质粉末置于下端连有刻度毛细管的沙芯玻璃过滤器上，让其自发吸收毛细管中的水，即可测定水合作用的速度和程度。过量水法：让溶解度低的蛋白质与过量水接触，采用过滤、离心或挤压等方法除去过量水。水饱和法：测定饱和溶液所需的水量。,(6)影响蛋白质结合水的环境因素The factors affecting hydration capacities of protein,蛋白质结合水,温度（反比，变性高10）,离子强度（低有利，高不利）,pH（等电点）,盐的种类钠有利，钙镁不利,蛋白质的浓度（正比）,1）温度,蛋白质结合水的能力一般随温度升高而降低，这是 因为降低了氢键作用和离子基团结合水的能力，使蛋

44、白质结合水的能力下降。2）pH,pHpI 水合作用最低高于或低于pI，水合作用增强（净电荷和推斥力增加）pH 9-10时水合能力较大,3）蛋白质浓度,510，浓度，水合作用 1520，Pr沉淀,4）离子的种类和浓度,低盐，“盐溶”,在低盐浓度（0.2mol/L）时，离子同蛋白质荷电基团相互作用而降低相邻分子的相反电荷间的静电吸引，从而有助于蛋白质水化和提高其溶解度，这叫盐溶效应。,高盐，“盐析”,当盐浓度更高时，由于离子的水化作用争夺了水，导致蛋白质“脱水”，从而降低其溶解度，这叫做盐析效应。,Bigelow认为，蛋白质的溶解度与氨基酸残基的平均疏水性（G0=G0/n）和电荷频率(n+n-)/

45、n有关，平均疏水性愈小和电荷频率愈大，蛋白质的溶解度愈大。,蛋白质溶解性评价方法：WSP：水溶性蛋白质 WDP：水可分散蛋白质 PDI：蛋白质分散性指标 NSI：氮溶解指数,1）pH和溶解度大多数的蛋白质在pH 89范围内是高度溶解的，在4.5-4.8处溶解度很小。利用这一性质进行蛋 白质提取,2）离子强度与蛋白质溶解度盐溶效应（Salting in effect）盐析效应（Salting out effect）离子强度对蛋白质溶解度的影响可表示为：在低盐浓度时：1og S=Ks 在高盐浓度时：1og SKs+1ogS0 或1og(S/S0)=-KCs式中：S0是离子强度为零时的溶解度，为离子

46、强度，Cs为盐的摩尔浓度，为常数，Ks为盐析常数,阴离子提高蛋白质溶解度的能力按下列顺序：SO2-4F-CI-Br-I-CIO4-SCN-；阳离子降低蛋白质溶解度的能力按下列顺序：NH4KNaLiMg2Ca2。,低离子强度（0.5）电荷屏蔽效应 高比例疏水区域溶解度下降 高比例亲水区域溶解度提高 高离子强度（1.0）离子效应 SO42-、F-盐析，溶解度降低 ClO4-、SCN-盐溶，提高溶解度,导致沉淀,离子强度和溶解度,3)温度和溶解度,T40,T40,溶解度增大,溶解度减少,温度升高,温度升高,一些高疏水性蛋白质，像-酪蛋白和一些谷类蛋白质的溶解度却和温度呈负相关。,5.蛋白质的界面性质

47、Interfacial properties of proteins,(1)概念 指蛋白质能自发地移至汽-水界面或油-水界面的性质。(2)具有界面性质的蛋白质必要条件 能否快速地吸附至界面 能否快速地展开并在界上面再定向 能否形成经受热和机械运动的膜,如果蛋白质表面非极性残基很多，且形成的疏水小区很多，则蛋白质能快速自发地吸附至界面。,是指吸附于,（多数蛋白质）,（正比关系）,（液体奶加工）,乳清蛋白质的自然状态(左侧)及变性状态(右侧)乳清蛋白特别是占乳清蛋白总量50%的-乳球蛋白，其热敏性较强，当在65加热时，就开始变性，在90温度下保持5分钟则几乎全部变性。,酪蛋白粘附乳清蛋白上,牛乳经

48、过90-95保温3-5s的热处理可使乳清蛋白质变性并与酪蛋白反应，这一过程有助于防止脱水收缩，提高黏度，使乳制品的质量得以提高。,(5)起泡性（Foaming properties）,蛋白质的起泡性质 是指蛋白质在汽-液界面形成坚韧的薄膜使大量气泡并入和稳定的能力。典型的食品泡沫的要求：含有大量气体。在气相和连续相之间要有较大的表面积。溶质的浓度在表面高。要有能涨大，具有刚性或半刚性并有弹性的膜或壁。有可反射的光，所以看起来不透明。,形成泡沫的方法：将气体通过一个多孔分配器鼓入低浓度蛋白质溶液中产生泡沫 在有大量气体存在的条件下，通过打擦或振荡蛋白质溶液而产生泡沫 将高压气体通入蛋白质溶液，突

49、然减压，气体膨胀形成泡沫。蛋白质起泡性质的评价：泡沫密度 泡沫强度、气泡平均直径和直径分布、蛋白质的起泡能力和泡沫的稳定性。,蛋白质的起泡力 是指蛋白质能产生的界面面积的量。,泡沫稳定性泡沫放置30min后的体积泡沫的初体积100,蛋白质作为起泡剂的必要条件必须快速地吸附至气-水界面必须易在界面上展开和重排必须在界面上形成一层粘合性膜对具有起泡性蛋白质的要求 a、缺乏二、三级结构的蛋白质分子 b、具有较好的溶解性 c、蛋白质分子之间存在一定的粘着作用力 d、蛋白质分子有一定疏水值,影响蛋白质起泡性质的环境因素 A、蛋白质分子的性质与起泡性的关系,有良好起泡力的蛋白质不具有稳定泡沫的能力，而能产

50、生稳定泡沫的蛋白质往往不具有良好的起泡力。,B、蛋白质浓度（28，正比；超过10反比）C、pH：在pI时蛋白质的溶解度很低，形成泡沫数量较少（泡沫膨胀率较低），但泡沫的稳定性较高。D、盐 盐析时则显示较好的起泡性质。盐溶时则显示较差的起泡性质。NaCl：增加膨胀度和降低泡沫的稳定性 Ca2+:提高泡沫的稳定性，形成 羧-Ca2+-羧 桥键),E、糖（降低起泡能力，提高泡沫稳定性）F、脂脂肪破坏蛋白质的起泡性质（消泡剂）G、温度（泡沫产生前适度热处理有利提高起泡能力，但过渡热处理会损害起泡能力）。H、搅打（有利，过度不利）过度激烈搅打也会导致泡沫稳定性降低。,6.与风味物质结合,(1)蛋白质与风