在食品体系中使用蛋白质时必须考虑它们的营养质量和它们在食品中的功能性质。一些食品蛋白质由于受固有结构的限制，使它们缺乏必需的功能性质，因此有必要进行蛋白质的改性。蛋白质改性就是采用物理、化学、酶法或基因方法使氨基酸残基和多肽链发生某种变化，引起蛋白质大分子空间结构和理化性质的改变，从而获得具有较好功能特性和营养特性的蛋白质。
通过对蛋白质进行一定的化学改性，能改善蛋白质的功能性质。然而，由于蛋白质中的必需氨基酸（如赖氨酸）残基往往参与化学改性，而且化学改性蛋白质和它的消化产物可能有毒，同时还必须考虑所使用的化学试剂以及在蛋白质中任何残留物的毒性，因此化学改性蛋白质在食品中的实际应用受到了限制。化学改性主要包括氨基酸残基的侧链修饰和共价交联。
（一）酰化作用
蛋白质的酰化作用是蛋白质分子的亲核基团（如氨基或羟基）与酰化试剂中的亲电子基团（如羰基）相互反应，而引入新功能基团的过程。乙酸酐和琥珀酸酐是最常使用的酰化剂，它们一般与赖氨酸残基的ε-氨基发生作用。在适当的pH采用乙酸酐酰化蛋白质时，带正电荷的氨基被一个中性的酰基残基取代，使得乙酰化蛋白质具有较低的等电点。对于琥珀酰化蛋白质，在氨基被封闭的同时，又引入了一个额外的带负电荷的羧基。琥珀酰化蛋白质的等电点明显地向酸性方向移动。
蛋白质经酰化后，它的溶解度和水合作用一般都会提高。这说明改性蛋白质有更多的极性残基参与同水的缔结。由于酰化作用封闭了天然蛋白质的带正电荷基团和搅乱了电荷的静电平衡，蛋白质较高的表面净负电荷使蛋白质分子结构展开和亚基离解，使原先埋藏在内部的疏水性残基暴露，改变了蛋白质有效的亲水残基和疏水残基平衡，从而引起蛋白质功能性质的改变，尤其是那些与表面和界面活性有关的功能性质。酰化作用一般能改善蛋白质的乳化性质，这是由于暴露的疏水性残基与油缔结，同时油滴表面负电荷相互推斥使乳状液稳定。乳化性质的改善还与改性后蛋白质溶解度的提高有关。酰化蛋白质的起泡性质取决于电荷、亲水-疏水平衡和蛋白质溶解度。酰化蛋白质一般具有较好的起泡能力和较差的泡沫稳定性。显然，泡沫薄层的高电荷推斥作用导致泡沫解体，削弱了泡沫的稳定性。由于酰化蛋白质具有较无序的结构和电荷推斥作用，因此热稳定性较高，在较高的温度才会凝结。
酰化蛋白质的营养质量（在体外评估）取决于蛋白质的种类、改性的程度和所采用的酰化剂。在大鼠饲养试验中，酰化蛋白质的营养价值通常低于非改性蛋白质的营养价值。相比之下，乙酰化蛋白质的营养价值高于琥珀酰化蛋白质的营养价值。大鼠饲养试验显示，乳清蛋白琥珀酰化至低水平（15%ε-NH2被酰化）时，它的营养质量并没有受到影响。也许这是因为乳清蛋白中赖氨酸的含量较高。中等水平琥珀酰化（37%）的乳清蛋白质仍然具有高的营养质量，它的NPR高于酪蛋白的相应值。乳清蛋白琥珀酰化至很高水平（74%～83%）时，它的营养质量受到损害。
（二）磷酸化作用
蛋白质的磷酸化作用是指无机磷酸与蛋白质上特定的氧原子（丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的—OH）或氮原子（赖氨酸的ε-氨基、组氨酸咪唑环的1，3位N、精氨酸的胍基末端N）形成—C—O—Pi或—C—N—Pi的酯化反应（后者对酸不稳定，在pH≤7环境下发生水解，而前者稳定，故在食品体系中前者较为常用）。常用的磷酸化试剂有磷酰氯（即三氯氧磷，POCl3）、五氧化二磷和多聚磷酸钠（STMP）等。磷酸化改性后，蛋白质中由于引进大量磷酸根基团，从而增加蛋白质体系的负电性，提高蛋白质分子间静电斥力，因而提高了溶解度。磷酸化改性蛋白由于负电荷的引入，大大降低了乳状液表面张力，使之更易形成乳状液滴，同时也增加液滴之间斥力，从而更易分散，因此改性蛋白的乳化能力及乳化稳定性都有较大改善。
可以预料，磷酸化蛋白质具有较高的对Ca2+亲和力。β-乳球蛋白经磷酸化后对Ca2+的亲和力提高一倍；然而，大豆分离蛋白对Ca2+沉淀的灵敏度随磷酸化而降低。酪蛋白经磷酸化后并没有影响微生物对它的消化、吸收和利用。磷酸化蛋白质在营养和毒理方面的性质还需通过饲养哺乳类动物的试验进一步证实。
（三）脱酰胺作用
脱酰胺作用是将蛋白质中天门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基脱去氨基变成天门冬氨酸和谷氨酸的过程。许多植物来源的蛋白质中都含有大量的酰胺基团，通过去除此类蛋白质的侧链酰胺基团，可使其获得良好的溶解性、乳化性及起泡性。
脱酰胺作用可通过化学方法（酸或碱作用）或酶法进行，而酸碱脱酰胺改性一般是在比较温和的条件下进行。如采用稀的盐酸溶液（0.05mol/L HCl）处理面筋蛋白质和大豆蛋白质，使它们的天冬氨酰胺残基和谷氨酰胺残基去酰胺化，这就增加了蛋白质表面的负电荷，导致蛋白质结构的展开和疏水性残基的暴露。以去酰胺面筋蛋白质为例，随着去酰胺程度的增加，蛋白质分子中螺旋结构的含量下降；而表面张力的下降与去酰胺化程度成比例，这也反映了两性性质的增加。另一方面，面筋蛋白质的表面疏水性的增加也与去酰胺程度成比例；而已证实面筋蛋白质的乳化性质与表面疏水性有关。如果延长温和酸处理的时间会产生相对分子质量较高的去酰胺多肽链段，后者在放置过程中会通过疏水相互作用或形成二硫键缔合或聚合，这些聚合产品具有较好的功能性质，包括溶解度、乳化性质和起泡性质。
（四）糖基化作用
蛋白质的糖基化作用是指将糖类物质以共价键与蛋白质分子上的氨基（主要为Lys的ε-氨基）或羧基相结合的化学反应（包括美拉德反应），这种方法也被广泛用来提高蛋白质的功能特性。
蛋白质-多糖共价复合物对于环境条件具有较高的适应性，与以次级力结合的蛋白质-多糖复合物相比，其结合不受热或pH的变化而被破坏。而且，蛋白质-多糖的共价复合物在胶体体系中具有乳化和稳定的双重作用。复合物的蛋白质部分可以有效地吸附在油水界面上降低界面张力，同时，共价结合的多糖分子链在吸附膜的周围形成立体网状结构，增加了膜的厚度和机械强度。另外，研究还发现在蛋白质中引入多糖形成复合物，蛋白质的溶解性、抗氧化性、抗菌性以及热稳定性等性能都会大大改善。
Kitabatake等以葡萄糖酸或6-O-α-半乳糖-D-葡萄糖酸作为糖基供体，在键合试剂存在的条件下对乳球蛋白的氨基进行了糖基化。合成的糖基化蛋白在较低的离子强度或天然乳球蛋白的等电点pH仍表现出较高的溶解性。同时，糖基化也提高了蛋白质的热稳定性。并且，随着糖基化程度的提高，糖基化蛋白质的功能特性也随之提高。Courthaudon等进一步以多种单糖或双糖作为糖基供体，对牛酪蛋白Lys的ε-氨基进行糖基化也发现，所有类型的糖基化蛋白于等电点pH范围的溶解性皆有提高，并且溶解能力取决于糖配基的类型和分子质量。糖配基分子质量越大，糖基化蛋白的溶解能力也越大。葡萄糖基化和半乳糖基化程度高的酪蛋白黏度也增加了。Kato将葡萄糖-6-磷酸通过美拉德反应而与卵清蛋白的自由氨基相连，导致卵清蛋白酸性提高，溶解性增强，抵抗热凝聚的作用提高。
（五）蛋白质的化学交联作用
通过化学交联作用可以改善蛋白质的功能特性。交联可发生在两个蛋白质分子之间，亦可发生于多个分子间形成网状交联，还可将一个蛋白质分子偶联到一个化学惰性水不溶性生物大分子上，形成固定化蛋白质。蛋白质可通过化学交联，亦可通过酶交联实现功能改善。
化学交联试剂中有一类在交联之后具有稳定交联桥，一般情况下是不可切断的，这类试剂中典型例子是戊二醛。戊二醛有两个活性醛基，可与蛋白质分子中氨基酸残基侧链上的氨基发生作用，从而形成交联。
物理改性是利用电、热、机械能、电磁场、压力、声能、射线等物理作用形式改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集方式。例如，热处理可使蛋白质凝胶或凝聚，增加溶解度；利用超声波能提高热变性或醇变性大豆蛋白的提取率等。物理改性具有费用低、无毒副作用、作用时间短及对产品营养性能影响小等优点。
（一）热改性
热改性是指蛋白质在一定温度下加热一定时间，使其发生改性的方法。研究表明热改性对大豆蛋白的溶解性、黏性、凝胶性、乳化性及其稳定性均有不同程度的影响。天然蛋白质靠分子中的氢键、离子相互作用、疏水相互作用、偶极相互作用、二硫键等来维持其稳定的结构。通过加热等处理会破坏这些相互作用，使蛋白质亚基解离，分子变性，分子内部的疏水基团、巯基暴露出来，分子间的相互作用加强，同时分子内的一些二硫键断裂，形成新的巯基，巯基在分子间再形成二硫键，形成立体网络结构，并改变蛋白质的其他功能性质。
（二）机械改性
机械改性一般与热改性同时进行效果较好，机械力使蛋白质在高速运动的条件下受到剪切、碰撞等外力的作用，蛋白质的次级键断裂，再经高温作用，使蛋白质分子重组，转变为大分子结构，类似于天然蛋白质结构，恢复了蛋白质原有的一些功能特性，但该结构与未经加工的蛋白质结构仍有一定区别，各种功能性也有所不同。
利用高温均质对大豆蛋白进行改性，蛋白质高温时加速溶解，蛋白质分子随之热变性并形成聚集体。但由于高速均质产生的剪切和搅拌作用，流体中任何一个很小的部分都相对于另一部分作高速运动，巯基和二硫键基团之间无法正确取向并形成二硫键，防止了聚集体的进一步聚合。然而在蛋白聚集体内，蛋白分子位置相对固定，有利于聚集体内二硫键的形成，这又降低了巯基浓度及聚集体形成二硫键，使改性大豆蛋白的分子聚集体有一疏水核心，外层被亲水基团包围，类似于天然可溶性蛋白分子结构。加热-均质处理后，蛋白分子模式发生了很大变化，非共价键基本消失，而共价键成为主要作用力。高温均质通过减少不溶性蛋白质内键能较低的非共价键增加溶解度。增溶后，广泛分布于蛋白分子间的作用力集中在分子聚集体内，而聚集体间的作用力减弱。Ker Y.C.和Chen T.H.报道了剪切力导致结构改变后，对其凝胶性的影响，并且指出剪切引起的大豆球蛋白中疏水基团的暴露，有利于凝胶网络的形成，从而提高了大豆分离蛋白的凝胶性。而在大豆分离蛋白加热形成凝胶的过程中，适当提高加热温度有利于提高凝胶的透明性；超高压均质处理也会使大豆分离蛋白的结构发生变化，而单纯的超高压处理得到的凝胶强度随着大豆分离蛋白质量分数的增大、温度及处理压力的增高而增高，同热处理相比超高压处理得到的大豆分离蛋白凝胶强度更高，且凝胶外观更加平滑、细致。
（三）声波改性(www.xing528.com)
超声改性主要通过超声空化对溶液中悬浮的蛋白粒子产生强烈振荡、膨胀及崩溃作用，破坏蛋白质的空间结构，提高大豆蛋白的溶解性，其作用与机械改性相似。
不同超声处理时间和功率以及在不同pH和离子强度下超声处理对蛋白质有不同程度的影响。
与蛋白质的物理法和化学法改性相比，酶法改性尤其是酶解改性具有酶促反应速度快，反应条件温和，专一性强，无有害物质产生等特点。
（一）酶法水解
酶法水解是利用蛋白酶将蛋白质分子降解成肽类以及更小的氨基酸分子的过程。
蛋白酶可以催化肽键的断裂反应，由于蛋白质水解时总是伴随质子的释放与吸收，若要维持反应体系pH恒定，则必须随时加入一定量的酸或碱，而加碱当量数与水解肽键的当量数成正比关系。这就构成了pH-stat方法的理论基础，该法可以连续跟踪反应中蛋白质水解度的变化。
蛋白质水解过程中被断裂的肽键数h（meqv/g蛋白质）与给定蛋白质的总肽键数htot（meqv/g蛋白质）之比称为水解度（DH）。
显然，水解反应中被断裂的肽键数最能反映蛋白酶的催化性能，因而该法比其他的蛋白质水解度定义方法（如TCA溶解度指数）更准确。
采用pH-stat方法，DH可根据下式得到：
式中 B—碱消耗量，mL或L；
Nb—碱当量浓度；
α—α-NH2的平均电离度；
MP—蛋白质的质量（N×6.25）。
从DH可以按以下方法进一步计算水解蛋白平均肽链长度（PCL）：
经酶水解作用后，蛋白质具有以下三种特性：相对分子质量降低、离子性基团数目增加、疏水性基团暴露。这样可使蛋白质的功能性质发生变化，从而达到改善乳化性、持水性、消化吸收性等目的。按照酶解程度（DH）和酶解产物分子质量分布，蛋白质酶解技术可以分为轻度酶解、适度酶解和深度酶解。蛋白质深度酶解产物主要是小肽和氨基酸，主要应用于调味品和营养配方；适度酶解和轻度酶解则被认为是限制性酶解，可实现酶解程度和酶解产物多样性的调控，主要应用于生产具有优良加工特性的功能性蛋白或具有特殊生理活性的肽。
影响蛋白质酶解的因素包括：酶的特性、蛋白质的变性程度、底物和酶的浓度、pH、离子浓度、温度和抑制剂的存在与否等。其中酶的特性是关键因素，它影响着蛋白质酶解肽链的位点和区域。在食品蛋白质水解中使用的蛋白酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、木瓜蛋白酶和微生物蛋白酶等。
如果采用非专一性蛋白酶，例如碱性蛋白酶，充分水解蛋白质，能够大大增溶原先溶解度低的蛋白质，而水解物中通常2～4个氨基酸残基的低相对分子质量肽。充分水解会大大削弱蛋白质的某些功能性质，例如凝胶化、起泡和乳化性质。按此方式改性的蛋白质通常被应用于汤和酱油等液态食品，在这些食品中溶解度是蛋白质质量的首要标志，它们也被用来饲喂不能消化固体食品的人群。如果采用部位专一性酶（例如胰蛋白酶或胰凝乳蛋白酶）或者采用控制水解时间的方法将食品蛋白质部分水解，往往能改进蛋白质的泡沫和乳化等性质。对于某些蛋白质，部分水解会导致溶解度瞬时下降，这是因为原先埋藏的疏水区域暴露所造成的。
在蛋白质水解中释出的一些低聚肽已被证明具有生理活性，像类鸦片（Opioid）活性，免疫刺激活性和血管紧张肽转化酶的抑制。表5-23所示为存在于人和牛酪蛋白的胃蛋白酶消化物中生物活性肽的氨基酸顺序。在完整的蛋白质中这些肽段并不具有生物活性，它们一旦从母体蛋白质中释出时就具有活性。这些肽的生理效应包括痛觉缺失、强直性昏厥、镇静、呼吸抑制、降低血压、调节体温和食物摄入、胃分泌抑制和性行为改变。
表5-23 从酪蛋白获得的类鸦片肽
大多数食品蛋白质在水解时释出苦味肽，这会影响它们在应用时的可接受性。肽的苦味与它们的平均疏水性有关。通常，平均疏水性值超过5.85kJ/mol的肽具有苦味，低于5.43kJ/mol的肽没有苦味。苦味的强度取决于蛋白质中氨基酸的组成、序列和蛋白质水解时所使用的酶。亲水蛋白质（例如明胶）的水解物比起疏水蛋白质（例如酪蛋白和大豆蛋白）的水解物较少苦味或没有苦味。嗜热菌蛋白酶（Thermolysin）产生的水解蛋白比胰蛋白酶、胃蛋白酶和胰凝乳蛋白酶产生的水解蛋白具有较少苦味。
（二）酶法交联
转谷氨酰胺酶（TGase）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）和脂肪氧合酶（LOX）等都能使蛋白质发生交联作用。
转谷氨酰胺酶能在蛋白质之间引入共价交联。此酶催化酰基转移反应，导致赖氨酰基残基（酰基接受体）经异肽键与谷氨酰胺残基（酰基给予体）形成共价交联。利用此反应能产生新形式的食品蛋白质以满足食品加工的要求。在高蛋白质浓度的条件下，转谷氨酰胺酶催化交联反应能在室温下形成蛋白质凝胶和蛋白质膜。利用此反应也能将赖氨酸或甲硫氨酸交联至谷氨酰胺残基，从而提高了蛋白质的营养质量。
（三）类蛋白反应
类蛋白反应（Plastein Reaction），又称胃合蛋白反应。这一术语被应用于蛋白质部分水解后再经木瓜蛋白酶或胰凝乳蛋白酶作用生成的高相对分子质量多肽。胃合蛋白反应是指一组反应，它包括蛋白质的最初水解，接着肽键的重新合成，参与作用的酶通常是木瓜蛋白酶或胰凝乳蛋白酶。在低底物（蛋白质）浓度和酶的最适作用pH条件下，蛋白质首先被木瓜蛋白酶部分水解，然后将含有酶的水解蛋白质浓缩至30%～50%浓度保温，酶随机地将肽重新合成，产生新的多肽。胃合蛋白反应也可以按一步方式完成，即将30%～35%浓度的蛋白质溶液和木瓜蛋白酶以及L-半胱氨酸一起保温。由于胃合蛋白产物的结构和氨基酸顺序不同于原始的蛋白质，因此它们的功能性质也发生了变化。当L-甲硫氨酸也被加入至反应混合物，它能共价地并入新形成的多肽。于是，利用胃合蛋白反应能提高甲硫氨酸或赖氨酸缺乏的食品蛋白质的营养质量。
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