蛋白质的理化功能性质探析

质构、风味、色泽和外观等感官品质是人们选择食品的主要依据。一种食品的感官品质是食品中各种主要组分和次要组分之间复杂的相互作用的结果。通常蛋白质对食品的感官品质具有重要的影响。例如，焙烤食品的感官品质与小麦面筋蛋白质的黏弹性质和面团形成性质有关；肉类产品的质构和多汁特征主要取决于肌肉蛋白质（肌动蛋白、肌球蛋白、肌动球蛋白和一些水溶性的肉类蛋白质）；乳制品的质构和凝乳的形成性质取决于酪蛋白胶团独特的胶体结构；一些蛋糕的结构和一些甜食的搅打起泡性取决于蛋清蛋白的性质。蛋清具有乳化、起泡、水结合和热凝结等多种功能。表5-11所示为各种蛋白质在不同食品中发挥的功能作用。食品蛋白质的功能性质（Functionality）是指在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白质在食品体系中性能的物理性质和化学性质。

表5-11 食品蛋白质在食品体系中的功能作用

蛋白质的功能性质可分成三个主要的类别：①水化性质，包括溶解性、分散性、润湿性、溶胀性、吸水性、持水性等；②与蛋白质表面有关的性质，包括乳化性、起泡性、与脂肪和风味物结合的能力等；③流体动力学性质，包括黏度、黏弹性、胶凝作用、面团形成和组织化性质等功能性质，这类性质主要取决于蛋白质分子的大小、形状和柔性。

决定蛋白质功能性质的因素包括蛋白质的大小、形状、氨基酸组成和顺序、净电荷和电荷的分布、疏水性和亲水性之比、二级结构、三级结构和四级结构、分子柔性/刚性、蛋白质分子间相互作用以及同其他组分作用的能力。

虽然食品科学家对一些食品蛋白质的物理化学性质已有很多的了解，但是目前还不能准确地从蛋白质的分子性质来预测它们的功能性质。在模型蛋白质体系中，蛋白质分子性质和某些功能性质之间的几个经验关系已被确定。然而，蛋白质在模型体系中的性能往往不同于在真实食品中的性能。食品体系往往都是包括几种蛋白质的混合物，因此，每一种蛋白质在食品中都可能具有不同的功能性质。同时在食品加工过程中蛋白质还可能会发生变性，变性的程度取决于pH、温度、其他加工条件以及食品的特性。此外，在实际食品体系中，蛋白质与其他食品组分像脂肪、糖、盐等组分相互作用，从而改变了它们的功能性质。

水是食品的一个必需组分。食品的流变和质构性质取决于水与其他食品组分如蛋白质和多糖等的相互作用。水能够改变蛋白质的物理化学性质。例如，水对无定形和半结晶食品蛋白质的增塑作用改变了它们的玻璃化温度（参见第二章）和T_d。玻璃化温度指的是从脆弱的无定形固体（玻璃）状态到柔性橡胶状态的转变，而熔化温度指的是从结晶固体到无序结构的转变。

蛋白质的许多功能性质，如分散性、润湿性、肿胀、溶解性、增稠、黏度、持水能力、胶凝作用、凝结、乳化性和起泡性，取决于水-蛋白质相互作用。在低水分和中等水分食品（例如，焙烤食品和绞碎肉制品）中，蛋白质结合水的能力是决定这些食品可接受性的关键因素。蛋白质-蛋白质相互作用和蛋白质-水相互作用之间保持适当平衡对于蛋白质发挥其热胶凝作用是非常关键的。

水分子能同蛋白质分子的一些基团相结合，这些基团包括带电基团（离子-偶极相互作用）、主链肽基团、Asn和Gln的酰胺基、Ser、Thr和Tyr残基的羟基（偶极-偶极相互作用）和非极性残基（偶极-诱导偶极相互作用、疏水相互作用）。

蛋白质结合水的能力定义为，当干蛋白质粉与相对湿度为90%～95%的水蒸气达到平衡时，每克蛋白质所结合的水的克数。表5-12所示为蛋白质分子中各种极性基团和非极性基团结合水的能力（有时也称为水合能力）。含带电基团的氨基酸残基结合约6mol H₂O/mol残基，不带电的极性残基结合约2mol H₂O/mol残基，非极性残基结合约1mol H₂O/mol残基。因此，蛋白质的水合能力部分地与它的氨基酸组成有关，带电的氨基酸残基数目愈多，水合能力愈大。可以根据经验式从蛋白质的氨基酸组成计算它的水合能力。

式中 a—水合能力，g H₂O/g蛋白质；

f_c、f_p和f_N—分别代表蛋白质分子中带电的、极性的和非极性残基所占的分数。

表5-12 氨基酸残基的水合能力^*

注：*根据对多肽的核磁共振研究，测定得到的与氨基酸残基相结合的非冻结水。

从实验测得的一些单体球状蛋白质的水合能力与从上述经验式计算所得的结果吻合。然而，对于低聚蛋白质情况并非如此。由于低聚蛋白质的结构涉及在亚基-亚基界面蛋白质表面部分埋藏，因此计算值一般高于实验值。另外，从实验测得的酪蛋白胶团的水合能力（～4g H₂O/g蛋白质）远大于从上述经验式计算的结果；这是因为在酪蛋白胶团结构中存在着大量的空穴，使酪蛋白胶团能通过毛细管作用和截留吸入了水。

在宏观水平上，蛋白质与水结合是一个逐步的过程。在低水分活度时，高亲和力的离子基团首先溶剂化，然后是极性和非极性基团结合水。如图5-16所示，随着水分活度的提高，蛋白质与水逐步发生结合（详见第二章）。蛋白质的吸着等温线，即每克蛋白质结合水的量随着相对湿度的变化，总是呈一条S-形曲线（详见第二章）。对于大多数蛋白质，水的饱和单层覆盖出现在水分活度（a_w）为0.7～0.8，而在水分活度大于0.8范围形成多层水。饱和的单层水相当于0.3～0.5g水/g蛋白质。饱和的单层水主要与蛋白质表面的离子、极性和非极性基团缔合，这部分水不能冻结，不能作为溶剂参与化学反应，常被称作为“结合水”，可以将这部分水理解为流动性受到阻碍的水。在0.07～0.27g水/g蛋白质的水合范围内，水的解吸（从蛋白质表面转移至体相）自由能变化在25℃时仅为0.75kJ/mol。由于在25℃时水的热动能约为2.5kJ/mol（远大于解吸自由能变化），因此有理由认为在单层中的水分子是能够流动的。

图5-16 蛋白质逐步水合过程

A—非水合蛋白质

B—带电基团的最初水合

C—在接近极性和带电的部位形成水簇

D—在极性表面完成水合

E—非极性小区域的水合，完成单分子层覆盖

F—在与蛋白质缔合的水和体相水之间“架桥”

G—完成流体动力学水合

在a_w=0.9时，蛋白质结合0.3～0.5gH₂O/g蛋白质（表5-13）。这部分水中的多数在0℃时不能冻结。当a_w＞0.9时，液态（大量）水凝聚在蛋白质分子结构的缝隙中或者不溶性蛋白质（例如肌纤维）的毛细管中。这部分水的性质类似于体相水，被称作为流体动力学水，和蛋白质分子一起运动。

表5-13 各种蛋白质的水合能力

续表

注：①在90%相对湿度时的值；

②在95%相对湿度时的值。

影响蛋白质结合水的能力的因素包括pH、离子强度、盐的种类、温度和蛋白质的构象等。pH会影响蛋白质分子的离子化作用和净电荷数值，从而改变蛋白质分子间的吸引力和排斥力以及蛋白质分子同水结合的能力。蛋白质处在等电点pH时，由于蛋白质-蛋白质相互作用得到增强而导致最弱的蛋白质与水的相互作用，因此蛋白质显示最低的水合。高于或低于等电点pH，由于净电荷和推斥力的增加使蛋白质肿胀和结合较多的水。大多数蛋白质结合水的能力在pH9～10时比在任何其他pH时都大，这是由于巯基和酪氨酸残基的离子化，当pH超过10时，赖氨酸残基的ε-氨基上正电荷的失去使蛋白质结合水的能力下降。

低浓度盐（＜0.2mol/L）能提高蛋白质结合水的能力，这主要是由于水合盐离子尤其是阴离子，与蛋白质分子上带电基团微弱地结合所造成的。在此低浓度，离子与蛋白质的结合并没有影响蛋白质分子带电基团的水合壳层，蛋白质结合水能力的提高基本上来自于与结合的离子缔合的水。然而，在高盐浓度，更多的水与盐离子结合，导致蛋白质的脱水。

随着温度的提高，由于氢键作用和离子基团的水合作用减弱，蛋白质结合水的能力一般随之下降。变性蛋白质结合水的能力一般比天然蛋白质高约10%。这是由于蛋白质变性时，随着一些原来埋藏的疏水基团暴露，表面积与质量之比增加的缘故。然而，如果变性导致蛋白质聚集，那么蛋白质结合水的能力由于蛋白质-蛋白质相互作用的增强而下降。通常变性蛋白质在水中的溶解度很低，然而它们结合水的能力与天然状态的蛋白质相比没有发生剧烈的变化，因此蛋白质结合水的能力不能用来预测它们的溶解特性。蛋白质的溶解性不仅取决于结合水的能力，还取决于其他热力学因素。

在食品加工和保藏过程中，蛋白质的持水能力比其结合水的能力更为重要。持水能力是指蛋白质吸收水并将水保留（对抗重力）在蛋白质组织（例如蛋白质凝胶、牛肉和鱼肌肉）中的能力。被保留的水是指结合水、流体动力学水和物理截留水的总和。物理截留水对持水能力的贡献远大于结合水和流体动力学水。有研究表明，蛋白质的持水能力与结合水能力是正相关的。蛋白质截留水的能力与绞碎肉制品的多汁和嫩度有关，也与焙烤食品和其他凝胶类食品的质构性质相关。

蛋白质的功能性质往往受蛋白质溶解度的影响，其中最受影响的功能性质是增稠、起泡、乳化和胶凝作用。

蛋白质的溶解度是在蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂相互作用之间平衡的热力学表现形式。

蛋白质的溶解性质本质上主要受疏水相互作用和离子相互作用的影响。疏水相互作用促进蛋白质-蛋白质相互作用，使蛋白质溶解度降低；而离子相互作用促进蛋白质-水相互作用，使蛋白质溶解度增加。蛋白质分子中的离子化残基使溶液中蛋白质分子间产生两种排斥力。第一种排斥力是在除等电点外的任何pH时由于蛋白质分子带净的正电荷或负电荷而在蛋白质分子间产生的静电排斥力；第二种推斥力是蛋白质分子离子基团周围的水合层之间的排斥力。

Bigelow认为蛋白质的溶解度基本上与氨基酸残基的平均疏水性和电荷频率有关。平均疏水性按式（5-10）定义：

式中 Δg_残基—代表每一种氨基酸残基的疏水性，即残基从乙醇转移至水时自由能的变化；

n—蛋白质分子中总的残基数。

电荷频率按式（5-11）定义

式中 n⁺和n^-—分别代表蛋白质分子中带正电荷和带负电荷残基的总数；

n—蛋白质分子中总的残基数。

按照Bigelow的观点，平均疏水性愈小和电荷频率愈大，蛋白质的溶解度愈高。虽然这个经验关系对于大多数蛋白质是正确的，然而并非绝对。与整个蛋白质分子的平均疏水性和电荷频率相比，与周围水接触的蛋白质表面的亲水性和疏水性是决定蛋白质溶解度更为重要的因素。大多数疏水基团包埋在蛋白质分子内部，只有那些暴露在蛋白质表面的疏水基团影响蛋白质的溶解度。事实上，蛋白质分子表面的疏水小区域愈少，溶解度愈大。

食品蛋白质的溶解性常采用一些术语来描述，包括水溶性蛋白质（WSP）、水可分散蛋白质（WDP）、蛋白质分散性指标（PDI）、氮溶解性指标（NSI）；其中PDI和NSI已被采纳为美国油脂化学家协会的法定方法。

除了前述的蛋白质内在的物理化学性质的影响外，蛋白质的溶解度还受其他条件的影响，包括蛋白质的前处理、pH、离子强度、温度和有机溶剂的存在等。

（一）pH和溶解度

在低于或高于等电点pH时，蛋白质分别带有净的正电荷或净的负电荷。带电的氨基酸残基的静电推斥和水合作用促进了蛋白质的溶解。大多数食品蛋白质的溶解度—pH图是一条U形曲线，最低溶解度出现在蛋白质的等电点附近。大多数食品蛋白质是酸性蛋白质，即蛋白质分子中Asp和Glu残基的总和大于Lys、Arg和His残基的总和。因此，它们在pH4～5（等电点）具有最低的溶解度，而在碱性pH具有最高溶解度。蛋白质在近等电点pH具有最低溶解度是由于缺乏静电排斥作用，因而疏水相互作用导致蛋白质的聚集和沉淀。一些食品蛋白质，像β-乳球蛋白（pI5.2）和牛血清清蛋白（pI4.8）即使在它们的等电点仍然是高度溶解的，这是因为在这些蛋白质分子表面亲水性残基的数量远高于疏水性残基数量。必须指出，蛋白质在等电点时是电中性的，然而分子表面仍然含有相同数量的正负电荷以赋予蛋白质亲水性。如果由这些带电残基产生的亲水性和水合推斥作用大于蛋白质-蛋白质疏水相互作用，那么蛋白质在pI仍然是溶解的。

由于大多数蛋白质在碱性pH（8～9）是高度溶解的，因此从植物资源如脱脂大豆粉提取蛋白质时控制pH在此范围使蛋白质溶出，然后采用等电点沉淀法（调节pH4.5～4.8）从提取液中回收蛋白质。

热变性会改变蛋白质的pH—溶解度关系曲线（图5-17）。天然的乳清分离蛋白在pH2～9范围是完全溶解的，然而，在70℃加热1min至10min后，pH—溶解度关系曲线转变成典型的U形曲线，并且最低溶解度出现在pH4.5。蛋白质热变性后溶解度曲线形状的改变是由于蛋白质结构的展开从而使表面疏水性提高所造成的；蛋白质结构的展开使蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂相互作用之间的平衡向前者移动。

图5-17 乳清分离蛋白溶液在70℃加热不同时间后的pH—溶解度曲线

（二）离子强度和溶解度

可根据下式计算盐溶液的离子强度

式中 c_i—一个离子的浓度；

Z_i—该离子的价数。

在蛋白质溶液中盐离子与蛋白质的作用如图5-18所示。在低离子强度（＜0.5），盐离子中和蛋白质表面的电荷，从而产生了电荷屏蔽效应。此电荷屏蔽效应以两种不同的方式影响蛋白质的溶解度，这取决于蛋白质表面的性质。如果蛋白质含有高比例的非极性区域，那么此电荷屏蔽效应使它的溶解度下降；反之，溶解度提高。蛋白质溶解度下降是由于疏水相互作用增强，而溶解度的提高是由于蛋白质大分子离子活性的减弱。当离子强度＞1.0时，盐对蛋白质溶解度具有特异的离子效应。随着盐浓度的增加，硫酸盐和氟化物（盐）逐渐降低蛋白质的溶解度（盐析），而硫氰酸盐和过氯酸盐逐渐提高蛋白质的溶解度（盐溶）。在相同离子强度下，各种离子对蛋白质溶解度的影响遵循Hofmeister系列，阴离子提高蛋白质溶解度的能力按下列顺序：＜F^-＜Cl^-＜Br^-＜I^-＜＜SCN^-，阳离子降低蛋白质溶解度的能力按下列顺序：＜K⁺＜Na⁺＜Li⁺＜Mg²⁺＜Ca²⁺。离子的这个性能类似于盐对蛋白质热变性温度的影响（详见本章第五节）。图5-19描述各种盐对羧基血红蛋白溶解度的影响。

通常，蛋白质在盐溶液中的溶解度遵循下列关系：

式中 S和S₀—分别代表蛋白质在盐溶液和水中的溶解度；

K_s—代表盐析常数（对盐析类盐K_s是正值，而对盐溶类盐K_s是负值）；

c_s—代表盐的摩尔浓度；

β—常数。

图5-18 盐离子与蛋白质的相互作用

P—蛋白质

图5-19在等电点pH，离子强度和离子类型对羧基血红蛋白溶解度的影响

正如前面已经提及，食品蛋白质往往是几种蛋白质的混合物，因此离子强度对食品蛋白质溶解度影响的机制比上面讨论的更为复杂。此外，离子强度还会影响食品蛋白质如大豆球蛋白的离解和缔合。

（三）温度和溶解度

在恒定的pH和离子强度，大多数蛋白质的溶解度在0～40℃范围内随温度的升高而提高。然而，一些高疏水性蛋白质，像β-酪蛋白和一些谷类蛋白，是例外，它们的溶解度和温度呈负相关。当温度超过40℃时，由于热动能的增加导致蛋白质结构的展开（变性），于是原先埋藏在蛋白质结构内部的非极性基团暴露，促进了聚集和沉淀作用，使蛋白质的溶解度下降（表5-14）。

表5-14 天然和经加热的蛋白质的溶解度

注：*以天然状态的蛋白质的溶解度为100计算相对溶解度。

（四）有机溶剂和溶解度

加入有机溶剂，像能与水互溶的乙醇和丙酮，降低了水介质的介电常数，提高了分子内和分子间的静电作用力（推斥和吸引）。分子内的静电推斥相互作用导致蛋白质分子结构的展开。在此展开状态，介电常数的降低能促进暴露的肽基团之间分子间氢键的形成和带相反电荷的基团之间的分子间静电相互吸引作用。这些分子间的极性相互作用导致蛋白质在有机溶剂-水体系中溶解度下降或沉淀。在有机溶剂-水体系中的疏水相互作用在导致蛋白质沉淀方面的作用是最低的，这是因为有机溶剂对非极性残基具有增溶的效果。

由于蛋白质的溶解度与它们的结构状态紧密相关，因此在蛋白质（或酶）的提取、分离和纯化过程中常用溶解度的变化来衡量蛋白质（或酶）变性的程度。

泡沫或乳状液类型的天然或加工食品的稳定性依赖于处在两相界面的两亲物质。蛋白质是天然的两亲物质，它能自发地迁移至气-水界面或油-水界面。蛋白质自发地从体相液体迁移至界面，表明蛋白质处在界面上比处在体相水中具有较低的自由能。于是，当达到平衡时，蛋白质的浓度在界面区域总是高于在体相水中的浓度。与低分子质量表面活性剂相比，蛋白质能在界面形成高黏弹性薄膜，从而能经受保藏和处理中的机械冲击。由蛋白质稳定的泡沫和乳状液体系更加稳定，因此蛋白质作为表面活性剂的应用越来越广。

蛋白质具有两亲性，但不同的蛋白质在表面活性上存在着显著的差别。蛋白质表面活性的差别不能简单地归因于疏水性氨基酸残基与亲水性氨基酸残基比值的差异。如果一个大的疏水性/亲水性比值是蛋白质表面活性的主要决定因素，那么疏水性氨基酸残基含量超过40%的植物蛋白比起疏水性氨基酸残基含量小于30%的清蛋白类（如卵清蛋白和牛血清清蛋白）应该是更好的表面活性剂。然而，实际情况并非如此，与大豆蛋白和其他植物蛋白相比，卵清蛋白和血清清蛋白是更好的乳化剂和起泡剂。大多数蛋白质的平均疏水性较为相似，但却表现出显著不同的表面活性。影响蛋白质表面活性的因素包括内在因素和外在因素（表5-15），其中最主要的是蛋白质分子的构象。重要的构象因素包括多肽链的稳定性/柔性、对环境改变适应的难易程度和亲水与疏水基团在蛋白质表面的分布模式。所有这些因素是相互关联的，它们集合在一起对蛋白质的表面活性产生重大的影响。

表5-15 影响蛋白质表面和界面性质的因素

理想的表面活性蛋白质具有三个性能：①能快速地吸附至界面；②能快速地展开并在界面上再定向；③一旦到达界面，能与邻近分子相互作用形成具有强黏合和黏弹性的膜，该膜能经受热和机械运动。

一种蛋白质能否快速地吸附至气-水或气-油界面取决于其分子表面上疏水和亲水小区分布的模式。如果蛋白质的表面是非常亲水的，并且不含有可辨别的疏水小区，那么蛋白质的吸附或许就不能发生，因为该蛋白质处在水相比处在界面或非极性相具有较低的自由能。随着蛋白质表面疏水小区数目的增加，蛋白质自发地吸附至界面的可能性也增加（图5-20）。随机分布在蛋白质表面的单个疏水性残基不能构成一个疏水小区，也不具有能使蛋白质牢固地吸附在界面所需要的相互作用的能量。即使蛋白质整个可接近的表面有40%被非极性残基覆盖，如果这些残基没有形成隔离的小区，那么它们仍然不能促进蛋白质的吸附。换言之，蛋白质表面的分子特性对蛋白质能否自发地吸附至界面和它将如何有效地起着分散体系稳定剂的作用有着重大的影响。

图5-20 表面疏水小区对蛋白质吸附在气-水界面的几率的影响

对于低分子质量表面活性剂，像磷脂和甘油一酯，亲水和疏水部分存在于分子的两端，当它们吸附在界面上时，这两部分分别向水相和油（气）相定向。对于蛋白质，由于它具有体积庞大和折叠的特点，一旦吸附在界面，分子的一大部分仍然保留在体相而仅一小部分固定在界面。蛋白质分子这一小部分束缚在界面上牢固的程度取决于固定在界面上肽片段的数目和这些片段与界面相互作用的能量。仅当肽片段与界面相互作用的自由能变化（负值）在数值上远大于蛋白质分子的热动能时，蛋白质才能保留在界面上。固定在界面上肽片段的数目部分地取决于蛋白质分子构象的柔性。高度柔性分子，像酪蛋白，一旦吸附在界面上能经受快速的构象改变，使额外的多肽链片段结合至界面。

多肽链在界面上采取1种、2种或3种不同的布局（图5-21）：列车状（链状，train）、圈状（环状，loop）和尾状（tail）。当肽链片段直接与界面接触时呈列车状；当多肽片段悬浮在水相时呈圈状；蛋白质分子的N-和C-末端片段通常处在水相呈尾状。这3种布局的相对分布取决于蛋白质的结构特征。一般情况下，存在于界面的列车状布局比例愈大，蛋白质与界面结合愈强烈，并且表面张力愈低。

图5-21 一个柔性的多肽链在界面上采取的各种构型

蛋白质膜在界面上的机械强度取决于黏合的分子间相互作用，它们包括静电相互作用、氢键和疏水相互作用。吸附的蛋白质通过-S-S-2-SH相互交换形成的界面聚合也增加了蛋白质膜的黏弹性。蛋白质在界面膜中的浓度约为200～250g/L，近乎以凝胶状态存在。各种非共价相互作用的平衡对于此凝胶状膜的稳定性和黏弹性至关重要。假如疏水相互作用太强，这会导致蛋白质在界面聚集、凝结和最终沉淀，损害膜的完整性；假如静电推斥力远强于相互吸引作用，这会妨碍厚的黏弹性膜的形成。因此，吸引、推斥和水合作用力之间适当的平衡是形成稳定的黏弹膜的必要条件。

乳状液和泡沫的形成和稳定的基本原理是非常类似的。然而，由于这两类界面在能学上的差别，因此，它们对蛋白质的分子结构具有不完全相同的要求。换言之，一种蛋白质可以是一种好的乳化剂，然而，未必是一种好的起泡剂。蛋白在气-水或油-水界面上吸附和形成膜的机制是一个复杂的过程，许多分子和环境因子影响着此过程，使它进一步地复杂化。

（一）乳化性质

许多天然食品和加工食品，如牛乳、蛋黄、椰奶、豆奶、奶油、涂抹（食品）、色拉酱、冷冻甜食、香肠和蛋糕，都是乳状液类型的产品，其中蛋白质起着乳化剂的作用。天然牛乳中，脂肪球由脂蛋白膜稳定；当牛乳被均质时，脂蛋白膜被由酪蛋白胶束和乳清蛋白组成的蛋白膜所代替。在抵抗乳状液分层方面均质牛乳比天然牛乳较为稳定，这是由于酪蛋白胶束-乳清蛋白膜比天然脂蛋白膜更强。

1.测定蛋白质乳化性质的方法

评价食品乳化性质的方法有油滴大小分布、乳化活力、乳化能力和乳化稳定性。

由蛋白质稳定的乳状液的物理和感官性质取决于所形成的液滴的大小和总界面面积。

测定乳状液平均液滴大小的方法有光学显微镜法、电子显微镜法、光散射法或使用Coulter计数器。由液滴的平均粒径可按下式计算总界面面积。

式中 ϕ—分散相（油）的体积分数；

R—乳状液粒子的平均半径。

对于已知质量（m）的蛋白质，可根据下式计算乳化活力指标（Emulsifying Activity Index，简写为EAI），即单位质量的蛋白质所产生的界面面积。

另一个简便而更实际的测定蛋白质EAI的方法是浊度法。乳状液的浊度是由下式所确定

式中 A—吸光度；

l—光路长度。

根据光散射的Mie理论，乳状液的界面面积是它浊度的2倍。假设ϕ是油的体积分数，ρ是每单位体积水相中蛋白质的量，那么就可以根据下式计算蛋白质的EAI。

式中 （1-ϕ）ρ—在单位体积乳状液中总的蛋白质量。

虽然此法简便而又实用，但是它也存在缺陷，即它是根据在单个波长500nm下测定的浊度而计算的。由于食品乳状液的浊度与波长有关，因此，根据在500nm下测定的浊度计算得到的界面面积不是非常准确。在这种情况下，计算乳状液中平均粒子直径或乳化粒子的数目时所得的结果也不是非常可靠。然而这个方法可用于定性比较不同蛋白质的乳化活力或蛋白质经不同方式处理后乳化活力的变化。

2.蛋白质的载量（Protein load）

吸附在乳状液油-水界面上的蛋白质量与乳状液的稳定性有关。为了测定被吸附的蛋白质的量，将乳状液离心，使水相分离出来，然后重复洗油相和离心以除去任何松散被吸附的蛋白质。最初乳状液中总蛋白质量和从乳状液洗出的液体中蛋白质量之差即为吸附在乳化粒子上蛋白质的量。如已知乳化粒子的总界面面积，就可以计算每平方米界面面积上吸附的蛋白质量。一般情况下，蛋白质的载量在1～3mg/m²界面面积范围内。在乳状液中蛋白质含量保持不变的条件下，蛋白质的载量随油相体积分数增加而降低。对于高脂肪乳状液和小尺寸液滴，显然需要有更多的蛋白质才足以涂布在界面上并稳定乳状液。

3.乳化能力

乳化能力（EC）是指在乳状液相转变前（从O/W乳状液转变成W/O乳状液）每克蛋白质所能乳化的油的体积。测定蛋白质乳化能力的方法如下：在一定的温度下，将油或熔化的脂肪加至到蛋白质水溶液中，同时高速搅拌，根据体系的黏度或颜色（通常将染料加入油中）的突然变化或电阻的增加来检测相转变。对于一个由蛋白质稳定的乳状液，相转变通常发生在ϕ为0.65～0.85。相转变并非是一个瞬时过程。在相转变出现之前先形成W/O/W双重乳状液。由于乳化能力是以每克蛋白质在相转变前乳化的油体积表示，因此，此值随相转变到达时蛋白质浓度的增加而减少，而未吸附的蛋白质积累在水相。于是，为了比较不同蛋白质的乳化能力，应采用EC-蛋白质浓度曲线，取代在特定蛋白质浓度下的EC。

4.乳状液稳定性

由蛋白质稳定的乳状液一般可在数月内保持稳定。当试样在正常条件下保藏时，在合理的保藏期内，通常不会观察到破乳或相分离。因此，需在更加剧烈的条件下，诸如保藏在高温或在一定离心力下分离，来评价乳状液的稳定性。如果采用离心的方法，可用乳状液界面面积（即浊度）减少的百分数或者分出的乳油的百分数、或者乳油层的脂肪含量表示乳状液的稳定性。然而，下式是最常采用的表示乳状液稳定性的方式

式中乳油层体积是在乳状液经受标准化的离心处理后测定得到的。

通过浊度法评价乳状液的稳定性时，采用乳状液稳定性指标（ESI）来表示，ESI的定义是乳状液的浊度降为起始值的一半所需要的时间。

测定乳状液稳定性的方法是非常经验性的。与乳状液稳定性相关的最基本的量值是界面面积随时间而改变，然而此量值很难直接测定。

5.影响蛋白质乳化作用的因素

影响由蛋白质稳定的乳状液的因素很多，包括内在因素，如pH、离子强度、温度、低分子质量表面活性剂、糖、油相体积、蛋白质类型和油的熔点等；以及外在因素，如制备乳状液的设备、剪切速度和时间等。(www.xing528.com)

蛋白质的溶解度对其乳化性质起着重要的作用，但是100%的溶解度并不是一个绝对的要求。虽然高度不溶性的蛋白质不是良好的乳化剂，但是在25%～80%溶解度范围内蛋白质溶解度和乳化性质之间不存在一个确切的关系。在油-水界面上蛋白质膜的稳定性同时取决于蛋白质与油相和蛋白质与水相的相互作用，因此，蛋白质具有一定程度的溶解度是乳化所必需的。对于不同种类的蛋白质，良好的乳化性质所要求的最低溶解度也不相同。在香肠那样的肉乳状液中，由于0.5mol/L NaCl对肌纤维蛋白的增溶作用而促进了它的乳化性质。商业大豆分离蛋白由于在加工过程中经受热处理而使其溶解度降低，并影响蛋白质的乳化性质。

pH会影响由蛋白质稳定的乳状液的形成和稳定。由于大多数食品蛋白质（酪蛋白、商品乳清蛋白、肉蛋白、大豆蛋白）在它们的等电点时是微溶和缺乏静电推斥力的，因此在等电点时它们一般不是良好的乳化剂。然而，这些蛋白质在远离它们的等电点pH时可能是良好的乳化剂。在等电点具有高溶解度的蛋白质（例如，血清清蛋白、明胶和蛋清蛋白）在此pH具有最高乳化活力和乳化能力，因为在等电点时缺乏净电荷和静电推斥相互作用有助于在界面达到最高蛋白质载量和促使高黏弹性膜的形成，两者都贡献于乳状液的稳定性。

蛋白质的乳化性质与它的表面疏水性存在着一个弱正相关联，然而与平均疏水性（即J/mol残基）不存在这样的关系。通常蛋白质的表面疏水性是根据与蛋白质结合的疏水性荧光探测剂（如顺—十八碳四烯酸）的量来确定。各种蛋白质降低油—水界面张力的能力和提高乳化活力指标的能力与它们的表面疏水性有关（图5-22），然而此关系决非是完美的。一些蛋白质，像β-乳球蛋白、α-乳清蛋白和大豆蛋白，它们的乳化性质与表面疏水性之间不存在紧密的关联。

图5-22 各种蛋白质的表面疏水性与（1）油/水界面张力和（2）乳化活力指标的关联

表面疏水性：单位重量蛋白质结合的疏水性荧光探测剂的量。

1—牛血清清蛋白 2—β-乳球蛋白 3—胰蛋白酶 4—卵清蛋白 5—伴清蛋白 6—溶菌酶 7—κ—酪蛋白 8～12—卵清蛋白在85℃被加热1，2，3，4，5或6min，使它变性 13～18—溶菌酶在85℃被加热1，2，3，4，5或6min，使它变性19～23—卵清蛋白被结合至0.2，0.3，1.7，5.7或7.9molSDS/mol蛋白质 24～28—卵清蛋白被结合至0.3，0.9，3.1，4.8或8.2mol亚油酸/mol蛋白质

蛋白质在乳化作用前的部分变性（展开），如果没有造成不溶解，通常能改进它们的乳化性质。蛋白质分子与油-水界面的相互作用主要由疏水相互作用所支配，热诱导蛋白质分子部分地展开，使非极性基团暴露，这对蛋白质的乳化能力产生极大的影响。对于像β-乳球蛋白那样的蛋白质，热处理使原先被埋藏在蛋白质分子结构内部的巯基（—SH）暴露，这些活性—SH基很容易与相邻的β-乳球蛋白分子的—SH基形成—S—S—连接，从而产生共价连接二聚物。—SH—与—S—S—交换反应能造成蛋白质在界面上有限的聚合作用，提高了β-乳球蛋白膜的强度，这有助于乳状液的稳定。

（二）起泡性质

泡沫是由一个连续的水相和一个分散的气相所组成。许多加工食品是泡沫类型产品，它们包括搅打奶油、蛋糕、蛋白甜饼、面包、蛋奶酥、奶油冻和果汁软糖。这些产品所具有的独特的质构和口感源自于分散的微细空气泡。在这些产品中，蛋白质是主要的表面活性剂，帮助分散气相的形成和稳定。

由蛋白质稳定的泡沫一般是蛋白质溶液经吹气泡、搅打或摇振而形成的。一种蛋白质的起泡性质是指它在气-液界面形成坚韧的薄膜使大量气泡并入和稳定的能力。一种蛋白质的起泡能力（Foamability或Foaming Capacity）是指蛋白质能产生的界面面积的量，有几种表示的方式，像膨胀率（Overrun）或稳定状态泡沫值（Steady-state Foam Value），或起泡力（Foaming Power）或泡沫膨胀（Foam Expansion）。膨胀率的定义：

起泡力（FP）的定义：

起泡力一般随蛋白质浓度的增加而提高，直至达到一个最高值，起泡的方法也影响此值。常采用FP指定浓度下各种蛋白质起泡性质进行比较。表5-16所示为一些蛋白质在pH8.0时的起泡力。

表5-16 蛋白质溶液的起泡力（FP）

注：*根据式（5-20）计算。

泡沫稳定性（Foam Stability）涉及蛋白质对处在重力和机械力下的泡沫的稳定能力。常用的表示泡沫稳定性的方式是50%液体从泡沫中排出所需要的时间或者泡沫体积减少50%所需要的时间。这些方法都是非常经验性的，它们并不能提供有关影响泡沫稳定性因素的基本信息。泡沫稳定性最直接的量度是泡沫界面面积随着时间的减少程度。

泡沫的强度是指一柱子泡沫在破裂前能经受的最大重量，用测定泡沫黏度的方法评价此性质。

1.影响泡沫形成和稳定的蛋白质的分子性质

作为一个有效的起泡剂，蛋白质必须满足下列基本要求：①必须快速吸附至气-水界面；②必须易于在界面上展开和重排；③必须通过分子间相互作用形成黏合性膜。影响蛋白质起泡性质的分子性质主要有溶解度、分子（链段）柔性、疏水性（两亲性）、带电基团和极性基团的配置（表5-17）。

表5-17 与起泡性质相关的蛋白质分子性质

气-水界面的自由能显著地高于油-水界面的自由能，作为起泡剂的蛋白质必须具有快速吸附至新产生的界面，并随即将界面张力下降至低水平的能力。界面张力的降低取决于蛋白质分子在界面上快速展开、重排和暴露疏水基团的能力。β-酪蛋白具有随机线圈状的结构，它能以这样的方式降低界面张力。而溶菌酶含有4个分子内二硫键，是一类紧密地折叠的球状蛋白，它在界面上的吸附非常缓慢，仅部分展开和稍微降低界面张力。可见，蛋白质分子在界面上的柔性是它能否作为一种良好起泡剂的关键。

除分子柔性外，疏水性在蛋白质的起泡能力方面起着重要的作用。蛋白质的起泡力是与平均疏水性正关联的（图5-23）。蛋白质的表面疏水性达到一定的值对于它在气-水界面上的最初吸附是必要的，然而，一旦吸附，蛋白质在泡沫形成中产生更多界面面积的能力取决于蛋白质的平均疏水性。

拥有良好起泡能力的蛋白质并非一定是好的泡沫稳定剂。例如，β-酪蛋白在泡沫形成中显示卓越的起泡能力，然而泡沫的稳定性很差。另一方面，溶菌酶不具有良好的起泡能力，然而它的泡沫是非常稳定的。一般地说，具有良好起泡力的蛋白质不具有稳定泡沫的能力，而能产生稳定泡沫的蛋白质往往显示不良的起泡力。蛋白质的起泡能力和稳定性似乎受不同的两组蛋白质分子性质的影响，而这两组性质彼此是对抗的。蛋白质的起泡能力受蛋白质的吸附速度、柔性和疏水性影响，而泡沫的稳定性取决于蛋白质膜的流变性质。膜的流变性质取决于水合作用、厚度、蛋白质浓度和有利的分子间相互作用。仅部分展开和保留一定程度的折叠结构的蛋白质（例如溶菌酶和血清清蛋白）比那些在气-水界面上完全展开的蛋白质（例如β-酪蛋白）通常能形成较厚密的膜和较稳定的泡沫。对于前者，折叠结构以环的形式伸展至表面下，这些环状结构之间的非共价相互作用（也有可能是二硫交联）促使凝胶网状结构的形成，此结构具有卓越的黏弹性和力学性质。对于一个同时具有良好起泡能力和泡沫稳定性的蛋白质，它应在柔性和刚性之间保持适当的平衡，易于经受展开和参与在界面上众多的黏合性相互作用。除这些因素外，泡沫的稳定性与蛋白质的电荷密度之间通常显示一种相反的关系（图5-24）。高电荷密度显然妨碍黏合膜的形成。

图5-23起泡力和蛋白质平均疏水性之间的关系（1kcal=4.18kJ）

图5-24起泡稳定性与蛋白质电荷密度之间的关系

大多数食品蛋白质是各种蛋白质的混合物，因此，它们的起泡性质受界面上蛋白质组分之间相互作用的影响。蛋清所具有的卓越的搅打起泡性质应归之于它的蛋白质组分，如卵清蛋白、伴清蛋白和溶菌酶之间的相互作用。酸性蛋白质的起泡性质可通过与碱性蛋白质混合而得到改进，此效果似乎与在酸性和碱性蛋白质之间形成静电复合物有关。

2.影响蛋白质起泡性质的环境因素

（1）pH由蛋白质稳定的泡沫在蛋白质的等电点pH比在任何其他pH更为稳定，前提是蛋白质在pI处具有良好的溶解性。在等电点pI附近，由于缺乏推斥相互作用，这有利于在界面上的蛋白质-蛋白质相互作用和形成黏稠的膜。由于在pI缺乏在界面和吸附分子之间的推斥，因此，被吸附至界面的蛋白质的数量增加。上述两个因素提高了蛋白质的起泡能力和泡沫稳定性。事实上，多数食品蛋白质在pI时蛋白质的溶解度很低，因此仅仅是蛋白质的可溶部分参与泡沫的形成。由于可溶部分蛋白质的浓度很低，因此形成的泡沫的数量较少，然而泡沫的稳定性是高的。尽管蛋白质的不溶解部分对蛋白质的起泡能力没有贡献，然而这些不溶解的蛋白质粒子的吸附增加了蛋白质膜的黏合力，因此稳定了泡沫。一般情况下，疏水性粒子的吸附提高了泡沫的稳定性。在pI以外的pH，蛋白质的起泡能力往往是好的，但是泡沫的稳定性较差。

（2）盐 盐对蛋白质起泡性质的影响取决于盐的种类、盐的浓度和蛋白质的性质。盐对由蛋白质形成的泡沫的影响取决于盐的浓度，在低浓度时，盐提高了蛋白质的溶解度，在高浓度时产生盐析效应，这两种效应都会影响蛋白质的起泡性质和泡沫稳定性。乳清蛋白质的起泡能力和泡沫稳定性随NaCl浓度的提高而降低（表5-18）。这被归之于NaCl对乳清蛋白质（尤其是其中的β-乳球蛋白）的盐溶效应。一般地说，在指定的盐溶液中蛋白质被盐析则显示较好的起泡性质，被盐溶时则显示较差的起泡性质。二价阳离子像Ca²⁺和Mg²⁺，在0.02～0.4mol/L浓度能显著地改进蛋白质起泡能力和泡沫稳定性，这主要归之于蛋白质分子的交联和形成了具有较好黏弹性质的膜。

表5-18 NaCl对乳清分离蛋白起泡性和稳定性的影响

（3）糖 蔗糖、乳糖和其他糖加至蛋白质溶液往往会损害蛋白质的起泡能力，却改进了泡沫的稳定性。糖对泡沫稳定性的正效应是由于它提高了体相的黏度从而降低了泡沫结构中薄层液体的排出速度。泡沫膨胀率的降低主要是由于在糖溶液中蛋白质的结构较为稳定，于是当蛋白质分子吸附在界面上时较难展开，这样就降低了蛋白质在搅打时产生大的界面面积和泡沫体积的能力。在加工蛋白甜饼、蛋奶酥和蛋糕等含糖泡沫型甜食产品时，如有可能在搅打后加入糖，这样做能使蛋白质吸附、展开和形成稳定的膜，而随后加入的糖通过增加泡沫结构中薄层液体的黏度提高泡沫的稳定性。

（4）脂 脂类物质，尤其是磷脂，会削弱蛋白质的起泡性质。因为脂类具有比蛋白质更大的表面活性，它们以竞争的方式在界面上取代蛋白质。于是，减少了膜的厚度和黏合性导致泡沫稳定性下降。因此，脱脂的乳清浓缩蛋白、乳清分离蛋白、大豆蛋白、鸡蛋蛋白等拥有良好的起泡性质。

（5）蛋白质浓度 蛋白质浓度影响着泡沫的一些性质。蛋白质浓度愈高，形成的泡沫愈强。泡沫的强度是由小气泡和高黏度造成的。高蛋白质浓度提高了黏度有助于在界面形成多层的黏合蛋白质膜。起泡能力一般随蛋白质浓度的提高在某一浓度值达到最高值。一些蛋白质，像血清清蛋白在1%蛋白质浓度时能形成稳定的泡沫。而另一些蛋白质，像乳清分离蛋白和大豆伴球蛋白需要2%～5%浓度才能形成比较稳定的泡沫。一般地说，大多数蛋白质在2%～8%浓度范围内显示最高的起泡能力。蛋白质在泡沫中的界面浓度约为2～3mg/m²。

（6）温度 随着温度的降低，蛋白质分子的疏水相互作用减弱。温度对疏水相互作用影响也反映在β-乳球蛋白的膨胀率随温度下降而减少上。β-乳球蛋白溶液的膨胀率（pH 7，在390r/min搅打20min）与温度（3～45℃）关系是一条S形曲线（图5-25）。当温度从25℃下降至3℃时，由β-乳球蛋白稳定的泡沫的稳定性下降8倍，这是由于疏水作用下降使界面上形成了不良的蛋白质膜的原因。

图5-25 温度（3～45℃）对β-乳球蛋白膨胀率的影响

部分热变性能改进蛋白质的起泡性质。例如，乳清分离蛋白在70℃加热1min时，它的起泡性质得到改进；而在90℃加热5min时，即使被加热的蛋白质仍然保持溶解状态，它的起泡性质变差。在90℃加热时乳清分离蛋白起泡性质变差的原因是蛋白质通过2-SH-S-S-交换反应形成了广泛的聚合，这些相对分子质量很高的聚合物在起泡过程中难以吸附至气-液界面。

3.制备泡沫的方法

制备泡沫的方法影响着蛋白质的起泡性质。采用鼓泡或压缩空气经过喷雾器搅动液体的方法引入气体，通常形成一种气泡较大的湿泡沫。在适度的速度下搅打液体，一般形成小气泡的泡沫，这是因为剪切作用导致蛋白质在吸附前部分变性之故。然而高剪切速度搅打或过分搅打会因蛋白质聚集和沉淀而降低起泡力。

一些泡沫类型的食品产品，像棉花糖、蛋糕和面包，是在泡沫形成之后再加热的。在加热期间，因空气膨胀和黏度下降会引起气泡破裂和泡沫解体。在这些例子中，泡沫的完整性取决于蛋白质在界面上的胶凝作用，此作用使界面膜具有稳定泡沫所需要的机械强度。明胶、面筋和蛋清具有良好的起泡和胶凝性质，它们在上述产品中可作为合适的起泡剂。

蛋白质本身是没有气味的，然而它们能结合风味化合物，从而影响食品的感官品质。一些蛋白质，尤其是油料种子蛋白和乳清浓缩蛋白，能结合不易被接受的风味物质，限制了它们在食品中的应用。这些不良风味物主要是不饱和脂肪酸经氧化生成的醛、酮和醇类化合物。一旦形成，这些羰基化合物就与蛋白质结合，从而影响它们的风味特性。例如，大豆蛋白制品的豆腥味和青草味被归因于己醛等的存在。在这些羰基化合物中，有的与蛋白质的结合非常强，以至于采用溶剂都不能将它们抽提出来。

蛋白质结合风味物的性质也具有有利的一面，在制作食品时，蛋白质可以作为风味物的载体和改良剂。在加工含植物蛋白的仿真肉制品时，可成功地模仿肉类风味，并使消费者接受。为了使蛋白质能起到风味物载体的作用，它必须同风味物牢固结合并在加工中保留，当食品在口中被咀嚼时，风味物又能释放出来。然而，蛋白质并不是以相同的亲和力与所有的风味物质相结合，这就导致一些风味物不平衡或不成比例保留或在加工中发生一些不期望的损失。

（一）蛋白质-风味物结合的热力学

蛋白质粉末与风味物的结合主要通过范德华力、氢键和静电相互作用。风味物被物理截留于干蛋白质粉末中的裂缝和毛细管中也影响着干蛋白质粉的风味特征。对于液态或高水分食品，蛋白质结合风味物的机制主要包括非极性配位体（风味物分子）与蛋白质表面的疏水性小区或空穴的相互作用。除了疏水相互作用，风味化合物也能与蛋白质分子中的极性基团，像羟基和羧基，通过氢键和静电相互作用而作用。醛类和酮类化合物在结合至蛋白质的表面疏水区域后也可能进一步扩散至蛋白质分子的疏水性内部。

风味物与蛋白质的相互作用通常是完全可逆的。然而，醛类化合物能共价地结合至赖氨酸残基侧链的氨基，这个相互作用是不可逆的。蛋白质产品的香气和味道一般来源于非共价结合的风味物。

假设一种蛋白质P具有许多相同并且彼此独立的结合部位，配位体L（风味物分子）与蛋白质的相互作用能用式（5-21）表示：

根据此模型，风味物分子与蛋白质的相互作用在热力学上能用Scatchard关系表示：

式中 V—每摩尔蛋白质结合的配位体的摩尔数；

[L]—在平衡时游离的配位体的浓度，mol/L；

n—每摩尔蛋白质具有的总结合部位数；

K—平衡结合常数，（mol/L）^-1。

按此方程式，V/[L]对V作图产生一条直线，K为直线的斜率，nK为截距。此关系设想在高浓度配位体条件下不存在蛋白质-蛋白质相互作用，一般适用于单链蛋白质和多肽。配位体与蛋白质结合的自由能变化可根据方程式ΔG=-RTlnK计算，式中R是气体常数和T是绝对温度。表5-19所示为羰基化合物结合至各种蛋白质的热力学常数，配位体分子中每增加一个—CH₂，结合常数提高3倍，每CH₂基团相应的自由能变化为-2.3kJ/mol，这也表明它们的结合本质上是疏水性结合。

表5-19 羰基化合物结合至蛋白质的热力学常数

续表

当风味物与蛋白质相结合时，蛋白质的构象实际上产生了变化。风味物扩散至蛋白质分子内部打断了蛋白质链段之间的疏水相互作用，使蛋白质的结构失去稳定性。含活性基团的风味物配位体，像醛类化合物，能共价地与赖氨酸残基的ε-氨基相结合，改变蛋白质的净电荷，于是导致蛋白质分子展开。蛋白质分子结构的展开伴随着新的疏水部位的暴露，以利于配位体的结合。由于这些结构的变化，Scatchard关系应用于蛋白质时呈曲线。对于低聚体蛋白质，像大豆蛋白，构象的改变同时包括亚基的离解和展开。

（二）影响风味结合的因素

挥发性风味物主要通过疏水相互作用与水合蛋白质相作用，任何影响疏水相互作用或蛋白质表面疏水性的因素都会影响风味结合。温度对风味结合的影响很小，除非蛋白质发生显著的热展开。热变性蛋白质显示较高的结合风味物的能力。盐对蛋白质风味结合性质的影响与盐溶和盐析性质有关。盐溶类型的盐使疏水相互作用去稳定，降低风味结合，而盐析类型的盐提高风味结合。pH对风味结合的影响一般与pH诱导的蛋白质构象变化有关。通常在碱性pH比在酸性pH更能促进风味结合，这是由于蛋白质在碱性pH比在酸性pH经受更广泛的变性。

化学改性会改变蛋白质的风味结合性质。碱性条件下，蛋白质分子中的二硫键断裂，引起蛋白质结构的展开，这通常会提高蛋白质风味结合的能力。蛋白质经酶催化水解时，原先分子结构中的疏水区被打破，疏水区的数量也减少，这会降低蛋白质的风味结合能力，这也是从油料种子蛋白除去不良风味的一个方法。

一些液体和半固体类型食品（例如肉汁、汤和饮料等）的可接受性取决于产品的黏度或稠度。溶液的黏度与它在一个力（或剪切力）的作用下流动的阻力有关。对于一个理想溶液，剪切力（即单位面积上的作用力F/A）直接与剪切速度（即两层液体之间的黏度梯度，dγ/dr）成比例变化，这可以用下式表示：

比例常数η被称为黏度系数。服从此关系的流体被称为牛顿流体。

溶液的流动性质主要取决于溶质的类型。可溶性高聚物甚至在很低浓度时都能显著地提高溶液的黏度。可溶性高聚物的这种性质又取决于它们的分子性质，如大小、形状、柔性和水合作用等。如果相对分子质量相同，那么随机线圈状大分子溶液的黏度比紧密折叠状大分子溶液的黏度大。

蛋白质溶液的黏度是蛋白质应用于食品时的增稠能力的指标。蛋白质溶液，尤其是在高浓度时，不具有牛顿流体性质；当剪切速度增加时黏度系数减小，这种性质被称为假塑或剪切变稀，服从下列关系：

式中 m—稠度系数；

n—指数，被称为“流动性质指标”。

造成蛋白质溶液具有假塑性质的原因是蛋白质分子具有将它们的主轴沿着流动方向定向的倾向。依靠微弱的相互作用而形成的二聚体和低聚体离解成单体也是导致蛋白质溶液剪切变稀的原因。当对蛋白质溶液的剪切停止时，它的黏度可能回升至原来的数值，这取决于蛋白质分子松弛至随机定向的速度。纤维状蛋白质，像明胶和肌动球蛋白，通常保持定向，于是不能很快地回复至原来的黏度。另一方面，球状蛋白质溶液，像大豆蛋白和乳清蛋白，当停止流动时，它们很快地回复至原来的黏度，这样的溶液被称为触变体系。

由于存在着蛋白质-蛋白质之间的相互作用和蛋白质分子水合球之间的相互作用，大多数蛋白质溶液的黏度（或稠度）系数与蛋白质浓度之间存在着指数关系。图5-26所示为大豆蛋白溶液的黏度随蛋白浓度的变化曲线。在高浓度蛋白质溶液或蛋白质凝胶中，由于存在着广泛而强烈的蛋白质-蛋白质相互作用，蛋白质显示塑性黏弹性质，在这种情况下，需要对体系施加一个特定数量的力，即“屈服应力”，才能使它开始流动。

图5-26 浓度对7S和11S大豆蛋白溶液在20℃的黏度的影响

蛋白质的黏度与水合状态时蛋白质分子的大小、形状、蛋白质-溶剂相互作用、流体动力学体积和分子柔性等因素有关。当蛋白质溶于水时，蛋白质吸收水并肿胀，水合分子的体积，即它们的流体动力学大小或体积远大于未水合的分子的大小和体积。蛋白质缔合水对溶剂的流动性质产生长距离的影响。蛋白质分子的形状和大小对溶液黏度的影响服从下列关系：

式中 η_sp—比黏度；

β—形状因子；

c—浓度；

υ₂，υ₁—分别是未水合的蛋白质和溶剂的比体积；

m₁—每克蛋白质结合的水的质量，g。

υ₂也与分子柔性有关，蛋白质的比体积愈大，它的柔性愈大。

稀蛋白质溶液的黏度可以采用以下几种方式来表示。相对粘度η_rel是指蛋白质溶液黏度与溶剂的黏度之比。如果采用Ostwald-Fenske黏度计测定，那么相对黏度可用下式表示：

式中 ρ和ρ₀—分别是蛋白质溶液和溶剂的密度；

t和t₀—分别是规定体积的蛋白质溶液和溶剂流经毛细管的时间。

从相对黏度可以得到其他形式的黏度。比黏度可以被定义为：

比浓黏度：

式中 c—蛋白质浓度。

特性黏度：

将比浓黏度li（m）对蛋白质浓度（c）作图，将所得的图线外延至蛋白质浓度为零（lim）就得到特性黏度[η]。由于在无限稀释的溶液中不存在蛋白质-蛋白质相互作用，因此特性黏度能精确地指示形状和大小对个别蛋白质分子流动性质的影响。测定特性黏度可以研究由加热和pH处理而造成的蛋白质流体动力学形状的变化。

凝胶化作用是食品蛋白质重要的功能性质。蛋白质的凝胶化作用在加工果冻、烧煮鸡蛋产品、重组肉制品、豆腐、香肠和仿真海产品中已凸显其重要性。牛乳的凝结和面团网状结构的形成也是以蛋白质的凝胶化作用为基础的，并且这也是许多食品质构的基础。

蛋白质的凝胶化作用是蛋白质从“溶胶状态”转变成“似凝胶”那样的状态。在适当条件下加热、酶和二价金属离子参与能促使这样的转变。但其中所涉及的共价和非共价相互作用的类型以及网状结构形成的机制有显著的不同。

在制备食品蛋白质凝胶时，通常先加热蛋白质溶液。在这种凝胶化作用模式中，溶胶状态的蛋白质首先通过变性转变成“预凝胶”状态。预凝胶状态通常是一种黏稠的液体状态，此时某种程度的蛋白质聚合作用已经出现。这一步导致蛋白质的展开和必需数量的功能基团的暴露，包括能形成氢键的基团和疏水性基团。由于在展开的分子之间存在着许多蛋白质-蛋白质相互作用，因此预凝胶的产生过程是不可逆的。当预凝胶被冷却至室温或冷藏温度时，热动能的降低有助于各种分子上暴露的功能基团之间形成稳定的非共价键，于是产生了凝胶化的作用。

蛋白质凝胶网络结构的形成主要通过氢键、疏水相互作用和静电相互作用。这些作用力的相对贡献取决于蛋白质的品种、加热条件、变性程度和环境条件。除有二价离子参与形成交联之外，氢键和疏水相互作用对网状结构形成的贡献要大于静电相互作用。蛋白质一般带净的负电荷，因此在蛋白质分子间存在着静电推斥，这通常无助于网状结构的形成。然而，带电基团对于维持蛋白质-水相互作用和凝胶的持水能力是必要的。

如果凝胶网状结构的形成主要依靠氢键，那么该结构是热可逆的，即在加热时它们熔化成预凝胶状态，如明胶形成的凝胶。由于疏水相互作用随温度的升高而增强，因此主要依靠疏水相互作用形成的凝胶网状结构是不可逆的，如蛋清形成的凝胶就属于这种情况。含有半胱氨酸和胱氨酸的蛋白质在加热时通过—SH和—S—S—相互交换反应产生聚合和在冷却时形成连续的共价的网状结构，这种凝胶通常也是不可逆的。

蛋白质能形成两类凝胶，即凝结块（不透明）凝胶和透明凝胶。蛋白质形成的凝胶类型取决于它们的分子性质和溶液条件。含有大量非极性氨基酸残基的蛋白质在变性时产生疏水性聚集，随后这些不溶性的聚集体随机缔合形成不可逆的凝结块类型凝胶。由于聚集和网状结构形成的速度高于变性的速度，这类蛋白质甚至在加热时容易凝结成凝胶网状结构。不溶性蛋白质聚集体的无序网状结构产生的光散射造成这些凝胶的不透明性。

仅含少量非极性氨基酸残基的蛋白质在变性时形成可溶性复合物。由于这些可溶性复合物的缔合速度低于变性速度，凝胶网状结构主要是通过氢键相互作用而形成的，因此蛋白质溶液（8%～12%蛋白质浓度）在加热后冷却时才能凝结成凝胶。冷却时可溶性复合物缓慢的缔合速度有助于形成有序的透明凝胶网状结构。

（P_N是天然状态，P_D是展开状态，n是参与交联的蛋白质分子的数目）

一种蛋白质形成凝结块型凝胶或半透明型凝胶主要取决于它的内在结构和分子性质（如平均疏水性、净电荷和相对分子质量等）以及蛋白质的浓度。非极性氨基酸残基含量高于31.5%的蛋白质能形成凝结块类型凝胶，而含量低于31.5%的蛋白质能形成半透明类型凝胶。非极性氨基酸的含量和分子内疏水相互作用的程度会影响蛋白质在加热时的构象和随后在凝胶结构中的相互作用。但上述经验规则也会受到一些因素影响。例如β-乳球蛋白含有32%疏水性氨基酸，它的水溶液能形成一个半透明的凝胶；然而当加入50mmol/L NaCl时，它形成一个凝结块类型凝胶，这是因为NaCl中和蛋白质分子上的电荷从而促进加热时的疏水聚集作用。因此，凝胶化机制和凝胶类型由疏水相互作用和静电推斥相互作用之间的平衡所控制。实际上，这两种作用力控制着凝胶体系中蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂相互作用之间的平衡。如果前者远大于后者，可能形成沉淀或凝结块。如果蛋白质-溶剂相互作用占优势，体系可能不会凝结成凝胶。当疏水性和亲水性作用力之间的关系处在这两个极端之间时，体系将形成凝结块凝胶或半透明凝胶。

溶液的pH会影响蛋白质的疏水相互作用和静电推斥相互作用之间的平衡，进而影响凝胶的网状结构和凝胶的性质。这主要是通过影响蛋白质分子所带的净电荷而实现的。例如，在较高pH，乳清蛋白溶液形成半透明凝胶，随着pH下降，蛋白质分子所带的净电荷减少，在等电点（pH5.2）时，由于疏水相互作用占优势，乳清蛋白溶液形成了凝结块凝胶。

Ca²⁺或其他两价金属离子能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基（提供带负电荷的基团）之间形成交联。交联的形成强化了蛋白质的凝胶结构。例如，在pH7.0或更高时，CaCl₂（3～6mmol/L）能提高β-乳球蛋白形成凝胶的硬度。然而，一旦钙离子的浓度超过此水平时，由于过量钙桥的形成而产生凝结块。因此，通过控制蛋白质交联的程度能够制备所需强度的蛋白质凝胶。

另一个影响蛋白质凝胶化作用的重要因素是蛋白质的浓度。为了形成一个静置后自动凝结的凝胶网状结构，存在一个最低的蛋白质浓度，即最小浓度终点（Least concentration endpoint，LCE）。大豆蛋白、鸡蛋清蛋白和明胶的LCE分别为8%、3%和0.6%。超过此最低浓度时，凝胶强度G和蛋白质浓度c之间的关系通常服从一个指数定律

式中c₀是LCE。对于蛋白质，n的数值在1和2之间变动。

必须指出，球状蛋白质的相对分子质量低于23000时，在任何合理的蛋白质浓度下，它们都不能形成热诱导凝胶，除非蛋白质分子中含有至少1个游离的—SH或1个二硫键。蛋白质凝胶硬度的平方根与蛋白质相对分子质量之间呈线性关系。

蛋白质组织化（Texturization）是指通过一些处理使植物蛋白具备类似于动物肉的持水性、咀嚼特性和口感的方法。此外，组织化可还用于一些动物蛋白的“重组织化”或“重整”。组织化蛋白可以多种形态呈现，如纤维状、碎片状、块状、粒状、片状及其他形状。常见的组织化蛋白有肉填充物、结构化肉类似物、纤维大豆蛋白和高水分肉类似物等。完美的组织化植物蛋白应具有肉样纤维结构、吸水性和脂肪性，以与肉类具有相似的口感和外观，经食品加热和加工后仍能保持完整性。

蛋白质的组织化方式主要有热凝固和薄膜形成、热塑性挤压、纺丝三种。

（1）热凝固和薄膜形成 指浓缩的蛋白溶液在滚筒干燥机等的金属表面加热，由于水分蒸发、蛋白质热变性凝结，形成薄的蛋白质膜的过程。另外，常见的还有腐竹的加工，即豆浆加热后表面会形成一层薄膜，揭膜干燥得到腐竹。

（2）热塑性挤压 是目前植物蛋白组织化的主要方法。挤压是在螺杆挤压机中完成，将含水（10%～30%）的蛋白质物料，在高压下使其在20～150s内温度升高到150～200℃变为黏稠状态，快速通过模具被挤出，在压差和温差的推动下，物料水分迅速蒸发并膨胀形成多孔结构。研究认为，热塑性挤压法首先分散蛋白质，然后又将其重新组合成一种经调整的纤维状结构。在螺杆的剪切作用下，伸展的蛋白质逐渐定向排列，分子间作用加强，又可能重新形成一些新的化学键。采用改法得到的干燥的纤维状多孔颗粒或小块，复水时具有咀嚼质地。热塑性挤压较为经济，工艺也较为简单，原料要求比较宽松。蛋白质含量较低的原料如脱脂大豆粉可以进行热塑性挤压，蛋白质含量在90%以上的分离蛋白也可以作为加工原料。

（3）纺丝 蛋白质纺丝类似于人造纺织纤维的生产。在pH＞10条件下，高浓度蛋白溶液通过静电斥力而使分子离解并充分伸展，经脱气、澄清后，将高黏度、高浓度的蛋白质溶液从模板小孔经高压挤入蛋白质凝结剂（如酸性食盐溶液）中，肽链平行定向凝结成丝，经适度干燥、加黏合剂、调味、压力成形后形成产品。

面团形成是指小麦粉在有适当水分（粉∶水约3∶1）存在时，在室温下混合和揉搓形成强内聚力和黏弹性物质的过程。面团形成是利用面粉制作面制品的基础，面团的性能也直接决定着后续面制品的品质，如面包、馒头、拉面等的生产。与面粉能形成面团不同，大麦粉、荞麦粉、燕麦粉等谷物粉体都无法形成面团。小麦粉能形成面团，主要归因于小麦蛋白质。根据溶解性可将小麦蛋白质分为可溶性和不溶性蛋白质，前者约占总蛋白质的20%，主要包括清蛋白、球蛋白以及少量糖蛋白，它们对面团形成没有贡献。后者主要指面筋蛋白，它是小麦粉中不溶性蛋白质的总称，占80%，主要包括麦醇溶蛋白和麦谷蛋白。

面筋蛋白的性能与其氨基酸组成密切相关：①谷氨酰胺、天冬酰胺和脯氨酸残基占比在50%以上。酰胺氨基酸和羟基氨基酸残基极易通过氢键而发生水合，并易产生分子间氢键而有助于蛋白质分子黏合；②荷电氨基酸残基的占比很低（＜10%），且约有30%的疏水性氨基酸残基，这使得面筋蛋白具有较强的疏水性。一方面通过疏水相互作用促进面筋蛋白分子聚集，另一方面能实现与脂类等其他非极性成分的结合；③含有较为丰富的胱氨酸和半胱氨酸残基（2%～3%），这为面筋蛋白通过巯基氧化交联形成二硫键提供了基础。

面团具有两个典型的特征，即拉伸性和膨胀性。拉伸性是指面团在两个相反方向牵引力作用下发生形变而延长，直至成条状或丝状而保持不断裂的性能，这在拉面等产品加工中非常重要。膨胀性，也称为持气性，是指面团在发酵过程中能将微生物产生的二氧化碳保留在面团内而不散失的能力，这在馒头和焙烤食品的加工中尤为重要。

影响面团形成的因素包括以下几点：

（1）面筋的含量与质量 面筋蛋白含量高或面筋蛋白筋力强的面粉，需要长时间揉搓才能产生黏合的面团，其忍受机械损伤的能力也较高；而面筋蛋白含量低的面粉形成的面团，则很容易出现塌陷。用不同比例的麦醇溶蛋白-麦谷蛋白混合制作面团的试验表明，麦谷蛋白决定着面团的弹性、黏结性和混合耐受性，而麦醇溶蛋白决定着面团的流动性、延伸性和膨胀性。因此，在面包制作过程中，麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的平衡非常重要。大分子的麦谷蛋白与面包的强度有关，含量过高会抑制膨胀，而麦醇溶蛋白含量过高会导致过度的膨胀，面团容易出现塌陷。

（2）氧化、还原剂 向面粉中加入半胱氨酸、偏亚硫酸氢盐等还原剂可通过二硫交换反应等打断部分二硫键而降低面团的黏弹性；相反，氧化剂的加入则能诱导形成更多的二硫键而提高面团的硬度和黏弹性。

（3）添加物 面粉中加入糖、淀粉等可争夺面筋蛋白的水分，阻碍其水化作用；脂肪也可能改变面筋网络。在小麦面粉中补充过多的清蛋白和球蛋白，例如乳清蛋白和大豆蛋白，会对面团的黏弹性质和焙烤质量产生不利的影响。这些蛋白质因妨碍面筋网状结构的形成而减小面包的体积。在面团中加入磷脂和其他表面活性剂能抵消外加蛋白质对面包体积的不良影响。在这种情况下，表面活性剂/蛋白质膜补偿了受损害的面筋膜。