蛋白质加工中的变性及影响因素

（一）蛋白质变性

大豆蛋白的变性是由于物理或化学条件改变而引起大豆蛋白内部结构的改变，从而导致蛋白质的物理、化学和功能特性的改变。

变性的机理：从分子结构来看，变性作用是蛋白质分子多肽链特有的有规则排列发生了变化，成为较混乱的排列。变性作用不包括蛋白质的分解。变性前后蛋白质的化学组成及氨基酸的排列顺序并未改变，它仅涉及蛋白质的二、三、四级结构的变化。蛋白质在变性因素影响下，原来维持蛋白质分子的空间构象——二、三、四级结构的次级键被破坏，使其紧密的空间结构变得松散，形成新的构象。大豆蛋白质的许多特性都是由它特殊的空间构象决定的，因此发生变性作用后，蛋白质的许多性质发生了改变，包括溶解度降低、发生凝结、形成不可逆凝胶、—SH等反应基团暴露、对酶水解的敏感性提高、失去生理活性等。在某些情况下，变性过程是可逆的，当变性因素被除去之后，蛋白质可恢复原状。一般说来，在温和条件下，比较容易发生可逆的变性，而在比较强烈的条件下，加高温、强酸、强碱等，则蛋白质分子的三维结构改变大时，结构和性质难于恢复，趋向于不可逆性。可逆变性一般只涉及蛋白质分子的四级和三级结构，不可逆变性涉及二级结构的变化。

（二）大豆蛋白热变性的影向因素

在大豆进行加工时，几乎都需要进行加热。因此，大豆中所含的蛋白质自然也就发生了变性。所以热变性是大豆和大豆制品加工中最常见的一种变性形式。这种变性的机理，日前仍在研究中，述没有确切和完整的理论解释。有资料介绍，热变性主要是在较高温度下，肽链受过分的热振荡，保持蛋白质空间结构的次级键（主要是氢键）受到破坏，蛋白质分子内部的有序排列被解除，原来在分子内部的一些非极性基团暴露于分子的表面，因而改变了大豆蛋白质的一些物化特性及生物活性。如尿素酶、脂肪氧化酶、胰蛋白酶抑制因子、凝集素等具有生理活性的蛋白质，变性以后表现为活性下降，而大豆蛋白的主要成分变性后溶解度降低。所以，在实际应用中，常常通过测定产品（或原料）中蛋白质的溶解度（如氮溶解度指数NSI或蛋白质分散度指数PDI）来考察其变性程度。

大豆蛋白热变性的影响因素如下。

1.时间

大豆或低温脱脂大豆粉中的蛋白质在水或碱性溶液中，溶出量为80%～90%。若将低温脱脂大豆粉利用蒸汽进行加热，可发现大豆蛋白的溶出率会随加热时间的延长而迅速降低，仅10min时间，可溶性氮从原来的80%以上降到20%～25%。

2.温度

一般认为，大豆蛋白的开始变性温度在55～60℃之间，在此基础上，温度每提高10℃时，变性作用的速度提高600倍左右。

图9-2 蒸汽加热豆粕时间对于水溶性蛋白质溶解度（NSI)的影响

3.水分

若用干空气代替蒸汽加热脱脂豆粉时，可以发现，虽经较长时间加热，蛋白质不会发生明显的变性，见图9-2。必须注意的是：大豆粉含水量应相当低，否则，即使干热处理，蛋内质也会发生较大程度的变性。对于整粒大豆（含水量在13%）来说，水分的影响也是这样。

大豆粉加热时，只要有少量水存在，蛋白质的溶解度会显著降低。但当水量增多时，蛋白质可在水中溶出一部分。当水量充足时，则大部分蛋白质溶出，看不到不溶现象，不过这种蛋白质已发生了热变性。在高浓度下加热，蛋白质发生变性的同时，蛋白质分子间进行相互作用，导致不溶解；而在低浓度下加热时，由于分子间相互碰撞的几率要小，所以，即使蛋白质变性仍能保持其一定的分散性。

上面蛋白质的溶出，针对的是大豆粉的加热情况。对于整粒大豆，即使与水混合加热，蛋白质也不溶出，水溶性的降低与水量无关。生产发酵豆制品时，将大豆在水中浸泡加热，这时大部分蛋白质已经丧失了水活性，即使将其粉碎，用水萃取，也不能使蛋白质溶出。(www.xing528.com)

（三）蛋白质热变性与蛋白质聚集

对于蛋白质变性，我们通常只认识到它的负面作用，但实际上变性是功能性大豆蛋白加工过程中不可缺少的一步，特别是在杀菌阶段的热变性过程已被证明可以有效地提高蛋白质的功能性质。重要的是如何控制蛋白质变性的条件及变性程度，从而得到我们所希望的蛋白质结构。

食品蛋白质的变性通常定义为一个变化过程，在这个过程中，肽链从天然蛋白质的空间结构转变为更加无序的结构形式，变性程度就是天然结构无序化的程度。随着蛋白质结构的无序化，肽链间原先相互平衡的作用力的强度和性质都发生了变化，其结果是变性蛋白质之间相互结合与聚集。与蛋白质聚集有关的作用力包括二硫键、氢键、盐键和疏水键。二硫键的形成主要通过热变性后“活化”的巯基的自身氧化，或者是与已经存在的二硫键发生交换反应，它被认为是蛋白质凝胶或凝聚的必要条件。氢键的主要作用是增加黏度，它是一种非定向作用力，有助于保持水分。盐键主要作用在蛋白质—溶剂界面上，是一种对蛋白质水化非常重要的作用力。疏水键并非作用在某些特定的基团之间，但是在热变性蛋白质的聚集和凝胶方面起重要作用。由此可见，蛋白质变性和聚集是有利（如凝胶）述是不利于功能性质（如沉淀）将取决于是否在合适的时刻、在合适的空间位置、出现合适的相互作用力。

蛋白质热变性时，温度是最关键的因素，温度每升高10℃，变性速率增加600倍。对于一定的变性程度，每升高7.5℃，所需要的时间缩短10倍。加热速率和时间同样对热变性蛋白质的功能性质有影响。加热过快、温度过高，蛋白质分子将没有足够的时间进行有序排列，因而变性产物将是水化性很差的蛋白质聚集体或沉淀。但是在较高温度下加热时间过长将引起过度变性，产生所谓异溶胶，不能形成凝胶。pH对蛋白质热变性的影响非常大，以至于在实际情况中很少见到“纯粹的”热变性。在等电点蛋白质的变性温度最高，不容易变性；另一方面，如果在等电点变性则容易形成蛋白质沉淀，因为这时蛋白质不带电荷，分子间容易通过疏水键结合。强碱性条件下—NH₂不能质子化，因此不能与—COO^-形成盐键，将影响凝胶的形成。一些研究表明，将蛋白质的pH调到一定的碱度，然后再回调到中性，可以“活化”蛋白质分子，从而改善功能性质。蛋白质体系中存在的离子能对变性聚集产生不同的影响。就阳离子而言，NH₄⁺、K⁺能稳定蛋白质结构，防止变性，而Ca²⁺、Mg²⁺能破坏稳定性，促进变性，同时，Ca²⁺、Mg²⁺述能显著地促进变性蛋白质聚集。

蛋白质变性与聚集的检测技术对于功能性蛋白的生产有重要意义。大豆蛋白产品功能性质不稳定在很大程度上就是没有对蛋白质分子的结构变化进行监测，从而无法实行实时控制。目前有很多种方法可以测定蛋白质变性与聚集，由于蛋白质结构的高度复杂性，任何一种方法都不能全面反应变性过程中的结构变化，表9-6对这些方法进行了对比。

表9-6 测定蛋白质变性与聚集的方法

最近，免疫化学与生物传感技术也被应用于蛋白质结构的控制，并有可能实现蛋白质结构的在线检测与实时控制。一些蛋白酶对不同结构蛋白质有不同水解速度，如果能够制成酶电极，那么这种电极产生的电信号将对不同变性程度的蛋白质做出相应的反应。

（四）低变性脱溶工艺

大豆浸出后的湿粕，一般含25%～30%的溶剂。湿粕脱溶的目的就是最彻底地去除溶剂，但由于常规的浸出湿粕的脱溶过程是在比较高的温度（120～130℃）下进行，从而使其所含蛋白质发生了热变性。只有低变性的脱脂豆粕才能用来提取蛋白质和加工食用蛋白产品。在脱溶时，为了保持大豆蛋白的低变性或未变性状态，脱溶器内的最高温度不得超过80℃，若在脱溶器内喷入100℃的直接蒸汽进行加热，也会造成蛋白质的大量变性，为此脱溶必须在真空状态下进行，在低温、低湿度情况下进行。这样得到的豆粕可作为各种蛋白质制品的原料，使大豆中的蛋白质得到充分的利用，从而提高豆粕的使用价值。

低温、真空脱溶装置基本上有两种，一种是卧式低温脱溶设备，另一种是管式闪蒸脱溶设备。

Blaw-Knox公司曾报道，真空脱溶器运转的最高温度为85℃，限定在77～88℃时最佳。按照这一条件，使用新大豆制得的大豆蛋白中的可溶性蛋白质含量保持在80%～85%。在真空脱溶器脱溶过程中，蛋白质变性量约为2%～3%，因此采取低温、真空脱溶技术，是保持蛋白质具有较高水溶性的良好方法。

闪蒸脱溶的原理就是利用过热的己烷蒸气与浸出后的湿粕接触，在极短的时间内使湿粕中的己烷挥发。由于接触时间短（最多也不过3～4min），尽管己烷过热蒸气的温度较高（一般在150℃以上），脱溶后的豆粕升温也不大，最高不过85℃，从无水蒸气介入，所以大豆蛋白质几乎无变性，蛋白质分散指数一般只比浸出粕低1%～2%。

闪蒸脱溶一个最突出的问题是：溶剂蒸气的温度较高，且在设备内是强制循环，因此对设备的耐压性和密封性要求较高，既要防止溶剂外泄，又要防止空气漏入，以免造成爆炸事故。