食品蛋白质在加工和贮藏中的变化《食品化学》成果

在食品工业中，从原料的处理、加工到产品的贮藏、运输和销售的整个过程中，常常会涉及热处理、低温处理、脱水、碱处理和辐射等处理手段，它们将会不可避免地引起蛋白质的物理、化学和营养的变化。而这些变化有些对食品的营养和产品品质是有利的，有些变化则是不利的。因而，对食品蛋白质在加工和贮藏中的变化作全面详细的了解，有助于我们选择适宜的处理手段和条件，来避免蛋白质发生不利的变化，从而促使蛋白质发生有利的变化。

蛋白质在加工、贮藏过程中发生的主要化学反应如表3-16所示。

表3-16　蛋白质在加工、贮藏过程中发生的主要化学反应

一、热处理的影响

热处理在食品加工中对蛋白质的影响比较大。其影响程度的大小取决于加热温度、加热时间、湿度以及有无还原性物质存在等因素。在热处理过程中与蛋白质相关的化学反应有蛋白质变性、蛋白质分解、氨基酸氧化、氨基酸键之间的交换、氨基酸新键的形成等。因此，在食品加工中选择适宜的热处理条件，对于保持蛋白质的营养价值有着极其重要的意义。

大多数食品蛋白质在60～90℃条件下，经过温热处理1 h或更短的时间，会产生适度变性。蛋白质原有的肽链上的氢键因受热而断裂，使原来折叠部分的肽链松散，容易被消化酶作用，提高了蛋白质的消化吸收率。因此，绝大多数蛋白质的营养价值经过温和热处理后得到了提高。对其所含氨基酸进行分析发现，适度变性的蛋白质中的氨基酸几乎没有发生变化。从营养学的角度来看，温和热处理所引起的蛋白质变性一般都是有利的。例如，哺乳动物胶原蛋白在大量水存在的条件下，加热至65℃以上会出现伸展、解离和溶解现象；肌纤维蛋白在同样的条件下则出现收缩、聚集和持水力降低的现象。

一些植物蛋白质通常含有蛋白质类的抗营养因子，温和热处理可以破坏它们，从而提高食品的营养价值。豆类和油料种子蛋白质含有胰蛋白酶抑制因子和胰凝乳蛋白酶抑制因子，这些抑制因子会降低蛋白质的消化率和生物有效性。同时，这些抑制剂会引起胰腺过量分泌胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，使胰腺肿大，甚至出现胰腺瘤。豆类和油料种子蛋白质中还含有外源凝集素，又称为植物凝血素，它们是糖蛋白。植物凝血素会导致血红细胞的凝集，它们对碳水化合物具有高亲和力，会与肠黏膜细胞的膜糖蛋白结合，从而影响肠功能。当人体摄入含有植物凝血素的蛋白质时，会损害蛋白质的消化作用，造成其他营养成分的肠吸收障碍。由于存在于植物蛋白质中的蛋白酶抑制因子和植物凝血素是热不稳定的，故适当的热处理即可很好地解决这些问题。

热烫或蒸煮可以使酶失去活性，例如酯酶、脂肪氧合酶、蛋白酶、多酚氧化酶和其他氧化酶及酵解酶类。酶失活能防止食品产生不期望的颜色、风味、质地等变化和纤维素含量的降低。例如，油料种子和豆类富含脂肪氧合酶，在大豆油脂提取或大豆分离蛋白的制备过程中，在分子氧存在的条件下脂肪氧合酶可催化多不饱和脂肪酸氧化而产生氢过氧化物，随后氢过氧化物分解并释放出醛和酮。产生的酮会使大豆粉、大豆分离蛋白和浓缩蛋白产生不良风味。为了避免不良风味的形成，有必要在破碎原料前钝化脂肪氧合酶的活性。鸡蛋蛋白中的蛋白酶抑制剂（胰蛋白酶抑制剂和卵类黏蛋白抑制剂）、牛乳中的蛋白酶抑制剂、血纤维蛋白酶抑制剂等，在有水存在的条件下，经适度热处理，都会失活。

对蛋白质品质产生不利影响的热处理一般是过度热处理，因为强热处理蛋白质时，会发生氨基酸的脱氨、脱硫、脱二氧化碳反应，使氨基酸被破坏，从而降低蛋白质的营养价值。当食品中含有还原糖时，赖氨酸残基可与还原糖发生美拉德反应，形成在消化道中不能被酶水解的Schiff碱，从而降低蛋白质的营养价值。非还原糖如蔗糖在高温下水解生成的羰基化合物和脂肪氧化生成的羰基化合物，均能与蛋白质发生美拉德反应。强热处理还会导致赖氨酸残基与谷氨酰胺残基之间发生交联作用（图3-15）。而在高温下对蛋白质进行长时间处理，会使其分子中的肽键在无还原剂存在时发生转化，生成蛋白酶无法水解的化学键，因而降低蛋白质的生物利用率。

图3-15　谷氨酸残基与赖氨酸残基的交联反应

72℃巴氏杀菌时，牛乳中大部分酶可失去活性，而牛乳中的乳清蛋白、牛乳的香味和牛乳的营养价值变化不大；但若在更高温度下进行杀菌，酪蛋白发生脱磷酸作用，乳清蛋白发生热变性，从而对牛乳的品质产生严重的影响。在进行杀菌时，肉类肌浆蛋白和肌纤维蛋白在80℃时即发生凝集，同时肌纤维蛋白中的—SH基被氧化生成二硫键；杀菌温度为90℃时，则会释放出H2S，同时蛋白质会和还原糖发生美拉德反应，使某些必需氨基酸失去其营养价值。经过煎炸或烧烤处理的食品蛋白质可生成环状衍生物，其中有些具有强致突变作用。肉在200℃以上条件加热时，蛋白质环化生成氨基咪唑基氮杂环（AIAS）类致突变化合物。其中一类是由肌酸酐、糖和某些氨基酸（如甘氨酸、苏氨酸、丙氨酸和赖氨酸）的浓缩产品在剧烈加热时生成的咪唑喹啉类化合物。

在食品工业中，蛋白质往往还需要在碱性pH条件下进行热处理，如蛋白质的浓缩、分离、组织化、乳化或发泡等，此时将会发生一些不良的反应。在碱性pH条件下热处理，精氨酸转变为鸟氨酸、尿素、瓜氨酸和氨，半胱氨酸转变成脱氢丙氨酸，从而引起氨基酸的损失。在酸性pH条件下加热，丝氨酸、苏氨酸和赖氨酸的含量也会降低。不过总体看来，热处理对食品蛋白质品质的影响是利大于弊的。

二、低温处理的影响

在低温下贮藏食品能抑制微生物的繁殖、抑制酶活性及降低化学反应速率的目的，从而延缓或防止蛋白质的腐败。通常低温处理的方法有：

①冷却。即将食品的贮藏温度控制在略高于食品的冻结温度，此时微生物的繁殖受到抑制，蛋白质较稳定，冷却处理对食品风味的影响较小。

②冷冻及冻藏。即将食品的贮藏温度控制在低于食品的冻结温度（一般为-18℃），这对食品的风味则有些影响，一般情况下冷冻处理对蛋白质的营养价值无影响，但对蛋白质的品质往往有比较严重的影响。

肉类食品经冷冻和解冻后，其组织及细胞膜被破坏，水—蛋白质结合状态被破坏，取而代之的是蛋白质—蛋白质之间的相互作用，形成不可逆的蛋白质变性。这些变化导致肉类食品的质地变硬，持水性降低。解冻后鱼肉变得干且有韧性，同时鱼脂肪中不饱和脂肪酸含量一般较高，在冻藏期间也极易发生自动氧化反应，生成的过氧化物和游离基再与肌肉蛋白作用，使蛋白质聚合，氨基酸也被破坏。牛乳中的酪蛋白冷冻后，极其容易形成解冻后不易分散的沉淀，从而影响牛乳的感官品质。蛋黄能冷冻并储存于-6℃，解冻后呈胶状结构，但若在蛋黄冷冻前加10%的糖或盐则可防止该现象的发生。

冷冻使蛋白质变性的原因主要是由于蛋白质分解密度的变化而引起的。由于温度下降，冰结晶逐渐形成，使蛋白质分子中的水化膜减弱甚至消失，蛋白质侧链暴露出来，同时加上在冻结中形成的冰结晶的挤压，使蛋白质分子互相靠近而结合，致使蛋白质凝集沉淀。蛋白质在冷冻条件下的变性程度与冷冻速度有关。一般来说，冻结速度越快，形成的冰结晶越小，挤压作用也越小，变性程度就越小。因此，食品工业一般都是采用快速冷冻的方法，尽量保持食品原有的质地和风味。

三、脱水的影响

食品脱水（dehydration）又叫作食品干燥，其目的在于提高食品的稳定性，延长食品的保藏期限，但同时对蛋白质的品质也将产生一些不利的影响。食品经过脱水干燥后由于质量减轻、水分活度降低从而便于储存和运输。蛋白质溶液中除去部分水，可引起所有非水组分浓度的增加，结果增加了蛋白质—蛋白质、蛋白质—糖类和蛋白质—盐类之间的相互作用，这些相互作用会明显地改变蛋白质功能性质。蛋白质溶液中水分几乎全部除去后，常常引起蛋白质分子的大量聚集，特别是在高温下除去水分，可导致蛋白质溶解度和表面活性剧烈降低，食品的复水性降低、硬度增加、风味变劣。

食品工业中，常用的食品脱水方法如下：

①热风干燥。热风干燥后的畜禽肉、鱼肉会变得坚硬、复水性差、烹调后既无原来的风味又感觉坚韧，目前已经很少采用。

②真空干燥。由于食品处于真空环境中，氧气分压低，所以氧化速度慢，同时干燥温度较低还可以减少美拉德反应和其他化学反应的发生。与热风干燥相比，真空干燥对肉类品质的影响较小。

③冷冻干燥。冷冻干燥的原理是使蛋白质的外层水化膜和蛋白质颗粒间的自由水在低温下结成冰，然后在真空下升华除去水分而达到干燥保存的目的。冷冻干燥可使食品保持原有的色、香、味和形状，具有多孔性，有较好的回复性，是肉类脱水最好的干燥方法。但是，冷冻干燥也会使部分蛋白质变性，持水性下降，不过对蛋白质的营养价值及消化吸收率没有影响，特别适用于对生物活性蛋白（酶、益生菌）的干燥。

④喷雾干燥。液体食品以雾状进入快速移动的热空气，食品中的水分会被快速蒸发而得到小颗粒，同时颗粒物的温度能很快降低，所以对蛋白质本身的性质影响较小。蛋白质食品或一些蛋白质配料常用喷雾干燥方法来脱去其中的水分。

干燥通常是制备蛋白质配料的最后一道工序，所以应该注意干燥处理对蛋白质功能性质的影响。干燥条件对粉末颗粒的大小以及内部和表面孔隙的影响，将会改变蛋白质的可湿润性、吸水性、分散性和溶解度。充分干燥磨碎的蛋白质粉末或浓缩物可形成小的颗粒和大的表面积。这与未磨碎的对应物比较，可以提高蛋白质的吸水性、溶解性和起泡性。当水以蒸汽形式迅速被除去时，可以达到最低限度的颗粒收缩以及盐类和糖类向干燥表面迁移，通常可以得到多孔性的粉末颗粒。

四、碱处理的影响

食品加工中，如果采用碱处理配合热处理，特别是在强碱性条件下，会使蛋白质发生一些不良的变化，如蛋白质的营养价值严重下降，甚至产生安全性问题。

蛋白质经过碱处理后会发生很多变化，生成各种新的氨基酸。发生变化的氨基酸有丝氨酸、赖氨酸、胱氨酸和精氨酸等。大豆蛋白在pH=12.2条件下，于40℃加热4 h后，胱氨酸、赖氨酸逐渐减少，并有赖氨基丙氨酸的生成（图3-16）。脱氢丙氨酸还可与精氨酸、组氨酸、苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸和色氨酸残基之间通过缩合反应形成天然蛋白质中不存在的衍生物，使肽链间产生共价交联（图3-17），从而造成蛋白质营养价值大幅降低。

图3-16　脱氢丙氨酸残基的形成

图3-17　脱氢丙氨酸残基与其他氨基酸的交联

加热条件下的碱处理方式对蛋白质的影响更大。这样处理会导致赖氨酰丙氨酸、羊毛硫氨酸、鸟氨酰丙氨酸的形成以及在分子间或分子内形成共价交联。在强烈热处理条件下，赖氨酸和谷氨酰胺之间，或赖氨酸和天冬酰胺残基之间可分别形成肽链间共价键，高达15%的蛋白质赖氨酸残基参加了这个反应。这种键的形成使蛋白质消化率和蛋白质效率比大大降低。如果温度超过200℃，碱处理还可使精氨酸—胱氨酸、色氨酸、丝氨酸和赖氨酸等发生构型变化，与羰基相连的碳原子（手性碳原子）发生脱氢反应，生成平面结构的负离子，当再次形成氨基酸残基时，H+有两个不同的进攻位置，由天然的L-型转变为D-型，由于D-型氨基酸不具有营养价值，所以外消旋化将使蛋白质的营养价值降低（图3-18）。

图3-18　氨基酸的消旋化及去氢丙氨酸的生成

五、辐射

辐射（irradiation）方法在许多国家被用于食品的保藏。当物质吸收射线，会形成离子与受激分子，然后受激分子和离子降解或者与邻近分子反应引起化学键断裂而产生游离基，游离基可以相互结合或扩散到体相介质中去与其他分子反应。射线对蛋白质的影响随波长和能量的变化而变化。芳香族氨基酸残基（Trp, Tyr和Phe）能吸收紫外线，一旦紫外线的能量水平足够高，就能断裂其间的二硫交联，从而导致蛋白质构象的变化。

辐射可以使水分子离解成游离基和水合电子，使脂肪和蛋白质裂解成游离基或正负碳离子，如果在有氧气存在的条件下，辐射还可产生氧化游离基。当受到γ-辐射或者在有氧化脂肪存在条件下，蛋白质会发生分子间或分子内的共价交联，主要在氨基酸残基α-碳上形成自由基而发生聚合反应。γ-辐射还可引起低水分含量食品的多肽链断裂。当过氧化氢酶存在时，酪氨酸会发生氧化交联生成二酪氨酸残基。与此同时，产生的变化有氨基酸残基氧化、共价键断裂、离子化、形成蛋白质自由基以及重新结合和聚合反应。上述的许多反应是以水的辐射裂解为媒介而发生的。在这些高活性物质存在下，食品的脂肪、蛋白质、色素和维生素等会发生多种形式的分解和变化，生成各种各样的辐照产物。这些辐照产物都有一定的气味，称为辐照味。但一般剂量的辐射对氨基酸和蛋白质的营养价值影响不大。例如，在-5～-40℃采用4.7×104～7.1×104Gy/剂量辐射牛肉时，牛肉蛋白质的氨基酸残基没有变化。然而，某些食品对辐照非常敏感，牛乳就是其中之一，在辐照剂量低于灭菌所需的水平时牛乳就会产生不良风味。在经过辐射的脱脂乳和酪蛋白酸钠溶液中检出甲基硫化物，这显然与蛋白质分子中含硫氨基酸残基的变化有关。

六、蛋白质与其他物质的反应

除了上述的五种影响因素外，脂类游离基、亚硝酸盐、亚硫酸盐、氧化剂等均能与蛋白质发生作用，影响蛋白质在加工和贮藏过程中的品质。

（一）与脂类游离基的反应

脂蛋白是由蛋白质和脂类组成的非共价复合物，广泛存在于活体组织中。它影响着食品的物理性质和功能性质。脂类氧化产物与蛋白质之间可产生共价键结合，某些食品和饲料的脂类在氧化后，都是蛋白质—脂类的共价相互作用的结果，如冷冻或干制鱼、鱼粉和油料种子。脂类的氧化与蛋白质的共价结合和脂类诱导的蛋白质聚合反应包括以下机理。

①脂类的氧化产物可与蛋白质发生共价结合反应，随后发生蛋白质交联聚合反应。

②脂类游离基可以与蛋白质作用生成蛋白质游离基，随后发生蛋白质聚合反应。

蛋白质的交联聚合会导致蛋白质营养价值的降低。而油脂氧化生成的分解产物丙二醛，则是使一些食品蛋白质功能特性劣化的重要原因。

此外，在模拟体系中的研究表明，氧化脂肪还可以对蛋白质或氨基酸产生破坏作用，造成相应的分解和侧链降解反应，特别是在体系的水分含量降低时。同时还发现了这种破坏作用与蛋白质、反应条件间的依赖关系。模拟体系中氧化脂肪对蛋白质、氨基酸的破坏作用情况如表3-17和表3-18所示。

表3-17　蛋白质与氧化脂肪作用时氨基酸的损失情况

表3-18　氧化脂肪对氨基酸的破坏作用

（二）与亚硝酸盐的作用

硝酸盐存在于土壤、水体和动植物组织中。如果在农产品生长时使用过多的硝酸盐化肥，农产品中硝酸盐的含量就会偏高；奶牛在饮用盐碱水时其分泌的乳汁中的硝酸盐含量也会偏高。硝酸盐在一定条件下可以转化为亚硝酸盐，例如在微生物的还原作用下；蔬菜在正常条件下的储存、腐烂或腌制时，亚硝酸盐的含量就会增大。

亚硝酸盐对人类的健康存在危害，因为在酸性条件下，食品中的亚硝酸盐能与二级胺和三级胺反应，生成N-亚硝胺（图3-19），某些游离的或蛋白质结合的氨基酸如脯氨酸、色氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、精氨酸或组氨酸构成反应底物。蛋白质食品在烹调或胃酸pH条件消化过程中，通常容易发生这种反应。由于已经发现许多亚硝胺具有致突变作用，因而该反应和亚硝酸盐在食品中的安全性问题就引起了人们的关注。肉类食品中通常存在的极低浓度的亚硝酸盐，不致引起赖氨酸、色氨酸和半胱氨酸的含量或有效性明显降低。

图3-19　亚硝胺的形成

（三）与亚硫酸盐的作用

亚硫酸盐是一种还原剂，亚硫酸根离子能够还原蛋白质中的二硫键，生成S-磺酸盐衍生物（图3-20）。当还原剂为半胱氨酸或巯基乙醇时，S-磺酸盐衍生物可被转化为半胱氨酸；在酸性或者碱性条件下，S-磺酸盐衍生物可被分解生成二硫化合物。虽然对二硫键的S-磺化作用不会影响半胱氨酸的生物利用度，但是由于增加了蛋白质的电负性和二硫键的断裂，导致蛋白质的分子构象改变并影响其功能性质。

图3-20　亚硫酸盐与二硫键的作用

由于蛋白质中许多胱氨酸残基的性质比较稳定，因此不容易受到亚硫酸盐的作用，所以亚硫酸盐对蛋白质的营养价值没有影响。通常情况下，亚硫酸盐能与羰基化合物反应，因此，亚硫酸盐的存在还可防止蛋白质发生不利于营养价值的美拉德反应。

（四）氧化剂的氧化

在食品加工过程中，氧化剂的使用比较广泛。过氧化氢是常用的杀菌剂和漂白剂，用于干酪加工中牛乳的冷灭菌；也可用于鱼蛋白质浓缩物和谷物面粉、麦片、油料种子蛋白质离析物等产品的色泽改善；还可用于含黄曲霉毒素的面粉、豆类和麦片的脱毒以及种子去皮。过氧化苯甲酰是面粉和乳清粉常用的漂白剂。次氯酸钠具有杀菌作用也常广泛应用于肉品的喷雾法杀菌和受黄曲霉毒素污染的花生粉脱毒。次氯酸钠脱毒的原理主要是根据黄曲霉毒素的内酯环在碱性介质中开环后很容易被次氯酸氧化，生成无毒的衍生物，从而达到脱毒的目的。

多酚类物质广泛存在于很多植物中，多酚类物质在中性或碱性pH条件下容易被氧化生成醌类化合物或聚合物。反应生成的过氧化物属于强氧化剂，因而容易引起蛋白质中氨基酸的损失。另外，一些色素通过光敏氧化或碱加工处理产生的自由基等，也对蛋白质的营养性和功能性造成影响。

脂类氧化产生的过氧化物及其降解产物存在于许多食品体系中，它们通常会引起蛋白质成分发生降解反应。氨基酸残基由于光氧化反应、辐射、亚硫酸盐—微量金属—氧体系的作用、热空气干燥和发酵过程中充气等原因，也会发生氧化。

在氧化反应中最为敏感的氨基酸是含硫氨基酸和色氨酸，其次是酪氨酸和组氨酸。

（1）甲硫氨酸的氧化

甲硫氨酸残基能被强氧化剂（过甲酸）氧化生成甲硫氨酸砜，游离的或结合的甲硫氨酸可被过氧化氢氧化成甲硫氨酸亚砜，有时也被氧化成甲硫氨酸砜（图3-21）。例如，将pH=5～8，浓度为10 mmol/L的甲硫氨酸溶液或pH=7，浓度为5%的酪蛋白溶液与0.1 mol/L的过氧化氢于50℃加热30 min，甲硫氨酸将全部转变成甲硫氨酸亚砜。此外，蛋白质与次氯酸钠、亚硫酸盐—锰—氧体系、氧化的脂类或多酚类化合物共存时，也可以形成甲硫氨酸亚砜。在有光、氧和敏化剂（如核黄素和次甲基蓝）存在时，甲硫氨酸残基由于光氧化作用可生成甲硫氨酸亚砜。某些情况下，也会生成高半胱氨酸或同型半胱氨酸。(www.xing528.com)

图3-21　甲硫氨酸的氧化

对氧化结合型甲硫氨酸的营养价值的研究发现，甲硫氨酸砜和高半胱氨酸对鼠在生理上是不可利用的物质，甚至还表现出某种程度的毒性。然而，游离的或蛋白质结合的甲硫氨酸亚砜可代替鼠或鸡饲料中甲硫氨酸，所产生的效率依甲硫氨酸构型（L-或D-型）而异。用将甲硫氨酸全部氧化成甲硫氨酸亚砜的酪蛋白进行鼠喂饲试验，结果表明蛋白质功效比（或蛋白质净利用率）比对照的未氧化酪蛋白大约低10%。如果用经消化的酪蛋白喂饲鼠，鼠的血液和肌肉中甲硫氨酸亚砜的水平会增高，这说明甲硫氨酸亚砜在鼠体内的还原过程是缓慢的。

（2）半胱氨酸和胱氨酸的氧化

半胱氨酸和胱氨酸发生氧化反应后存在多种氧化衍生物。这些氧化衍生物一般都是不稳定的，所以很难对每一种产物进行鉴定，其中有一些已经用核磁共振法鉴定。从营养学的角度来看，L-胱氨酸的一、二亚砜衍生物和半胱次磺酸能部分代替L-半胱氨酸，而磺基丙氨酸和半胱亚磺酸则不能代替L-半胱氨酸。

（3）色氨酸的氧化

色氨酸是人体必需氨基酸，有着十分重要的生理作用。在强氧化剂存在时，游离色氨酸氧化成β-氧吲哚基丙氨酸和N-甲酰犬尿氨酸、犬尿氨酸等（图3-22）。从营养学角度来看，犬尿氨酸无论是甲酰化或非甲酰化，至少对鼠来说它们都不能代替色氨酸的作用。犬尿氨酸注射至动物膀胱内会产生致癌作用，色氨酸得到这类降解产物对培养的鼠胚胎成纤维细胞的生长有抑制作用，并且表现出致突变性。色氨酸—核黄素的光加合物对哺乳动物的细胞产生细胞毒性，并在胃肠外营养中引起肝功能障碍。

（4）酪氨酸的氧化

酪氨酸溶液在过氧化物酶和过氧化氢作用下可被氧化为二酪氨酸（图3-23）。这类交联产物已经在天然蛋白质（如节肢弹性蛋白、弹性蛋白、角蛋白和胶原蛋白）和面团中被发现。

图3-22　色氨酸的氧化产物

图3-23　酪氨酸的酶促氧化

（五）蛋白质的交联

蛋白质分子上的游离氨基（一般为赖氨酸的ε-NH2）可以与醛类发生缩合，生成缩合产物Schiff碱。例如，两分子蛋白质与一分子脂类的氧化产物丙二醛会发生反应，因而产生了蛋白质的交联（图3-24）。

图3-24　丙二醛与蛋白质的交联作用

蛋白质的交联改变了蛋白质本身的溶解度、保水能力等功能性质。酪蛋白经过交联处理后，生成的交联酪蛋白甚至可以抗拒蛋白酶的水解作用。人体内由于脂类氧化生成的丙二醛与蛋白质发生交联反应，生成的产物在体内不断蓄积，随着年龄的增长而成为所谓的脂褐质（lipofusin），又被称作增龄色素，这是机体衰老的标志。

一些食品蛋白质同时含有分子内和分子间的交联。例如球状蛋白质、锁链素（desmosine）和异锁链素（isodesmosine）中的二硫键和纤维状蛋白质角蛋白、弹性蛋白、节肢弹性蛋白和胶原蛋白中的二酪氨酸和三酪氨酸类的交联。胶原蛋白中也含有ε-N-（γ-谷氨酰基）赖氨酰基和ε-N-（γ-天冬氨酰基）赖氨酰基交联。存在于天然蛋白质中的这些交联作用使得代谢性的蛋白质水解降到最低。蛋白质在食品加工中，尤其在碱性pH条件下，也能诱导交联的形成。在多肽链之间形成非天然的共价交联降低了包含在或接近交联的必需氨基酸的消化率和生物有效性。

经碱处理的蛋白质，由于形成蛋白质—蛋白质之间的交联，它们的消化率和生物价降低。离子辐照能导致蛋白质聚合作用。在70～90℃和中性pH条件下加热蛋白质会引起—SH和—S—S—的交换反应，因而造成蛋白质的聚合作用。这类热诱导的交联一般不会影响蛋白质和必需氨基酸的消化率和生物有效性。纯蛋白质溶液或低碳水化合物含量的蛋白质食品经过长时间加热也会形成ε-N-（γ-谷氨酰基）赖氨酰基和ε-N-（γ-天冬氨酰基）赖氨酰基交联，这些交联并不存在于原先的蛋白质中，它们又被称作异肽键（isopeptide bonds）。

（六）与糖类或醛类的相互作用

在食品加工和贮藏过程中，含有还原性糖或羰基化合物（如脂类氧化产生的醛和酮）的蛋白质食品，有可能发生非酶褐变（美拉德反应）。因为非酶褐变中的许多反应具有高活化能，所以在蒸煮、热处理、蒸发和干燥时这些反应也明显增强。中等水分含量的食品，如焙烤食品、炒花生、焙烤早餐谷物和用滚筒干燥的奶粉其褐变转化速率最大。

非酶褐变反应中生成的羰基衍生物，很容易与游离氨基酸发生斯特雷尔（strecker）降解反应，生成醛、氨和二氧化碳。生成的醛可在食品中产生特殊的香气，如表3-19所示。这些醛类是食品产生风味物质的重要途径之一，甚至是一些食品（如面包、可可豆、茶叶、酱油等）产生风味物质的必需途径，但有时可能有副作用，过度的反应会产生焦糊味。

食品在比较温和的条件下发生美拉德反应时，降低了Lys的利用率和食品中蛋白质的含量，从而降低了食品的营养价值。蛋白质与葡萄糖在高温高压下，即使是经过短时间的加热，损失的营养价值也很大。蛋白质加热时，还原糖对氨基酸破坏的同时，蔗糖也参与这种破坏作用。通过Lys的氨基进行的1，2-配糖键的氨基分解，配糖键的裂解导致还原基团的形成，生成的还原性基团可以与Lys的另一个分子发生典型的美拉德反应，氨基分解对美拉德反应起着一种刺激反应的机制。

表3-19　氨基酸和葡萄糖反应生成的醛类及产生的风味

续表

除了已经提到的羰基氨基反应以外，有两种与特殊醛类的反应在食品加工中也起着一定的作用：一种是在棉籽酚加工过程中与棉籽酚的反应；另一种是肉类烟熏时与甲醛的反应。这两种反应都会使Lys的利用率降低。

七、加工和贮藏中蛋白质的变化对食品感官质量的影响

加工和贮藏过程中，蛋白质本身的变化会直接影响到食品的感官质量。食品蛋白质在美拉德反应中会降解产生一些风味化合物；乳制品的灭菌处理对其中的蛋白质也造成了破坏，从而影响乳制品的风味；由于微生物的污染繁殖，水产品中的蛋白质极容易发生分解反应，产生影响产品风味的化合物。

1.美拉德反应中风味化合物的形成

美拉德反应的必要条件是有极少量氨基化合物存在，通常是氨基酸、肽、蛋白质、还原糖和少量水作为反应物。美拉德反应生成可溶和不溶的高聚物及其他化合物，有的则是风味化合物、香气和深色的高聚物等，这些色素和风味化合物有的是需要的，有的是不需要的。它们在贮藏过程中只能缓慢产生，但在高温（如油炸、烘烤或焙烤）时则很快形成。在美拉德反应的最后阶段，由于发生了复杂的醇醛缩合和聚合反应，食品或溶液开始变为红棕色或深褐色，并有明显的焦糖香味和不溶解的胶体状类黑精物质出现，以及少量二氧化碳产生，这时即使再添加亚硫酸盐也不能褪色。

2.乳制品风味的形成

未消毒的牛乳因含有丙酮、乙醛、丁酸和甲基硫化物等而呈现出生乳的气味，但经过杀菌处理后，牛乳将产生加工后的气味——乳香味，并且香气与杀菌方式相关。一般来讲，牛乳和乳制品中的二甲基硫化物是重要的香气成分，二甲基硫化物是由S-甲基甲硫氨酸磺酸盐分解而产生的（图3-25），而风味化合物中其他含—SH基的化合物来自于乳清蛋白中的半胱氨酸残基，所以蛋白质的分解产物对乳制品的风味形成有着重要的意义。

图3-25　牛乳加热时二甲基硫的生成

对于乳制品中的干酪，蛋白质更是产生风味物质的典型例子。干酪的风味主要是在成熟过程中形成，涉及氨基酸的脱羧反应、脱氨反应、转氨基反应、脱硫反应、Strecker降解反应等，最后形成胺类、醛类、醇类、含硫化合物等。

3.水产品的变质

在水产品的腐败变质中，蛋白质分解及产生的化合物对风味、安全性问题产生显著的影响。当引起水产品污染的微生物繁殖到一定程度时，就可以分泌出蛋白酶，蛋白酶将蛋白质分解成游离的氨基酸后，再将氨基酸分子的氨基、羧基脱去，生成低分子的风味化合物。例如由谷氨酸产生γ-氨基丁酸，由赖氨酸产生尸胺（图3-26），由鸟氨酸产生腐胺，由组氨酸产生组胺，由色氨酸产生吲哚等，导致水产品的感官质量异常。此外，尸胺、组胺的毒性较大，人在食用组胺含量高的鱼类时可以产生过敏性食物中毒（摄入量大于1.5 mg/kg），鱼肌肉组织中组胺含量超过2000 mg/kg也可产生毒性作用。

图3-26　淡水鱼中尸胺的生成

八、蛋白质的化学改性

由于蛋白质分子的侧链上含有一些活性基团，在酸性pH或碱性pH条件下，加热都可引起氨基酸残基侧链的改变。例如麦谷蛋白在酸性条件下加热，使30%的天冬酰胺和谷氨酰胺残基脱氨，从而提高了蛋白质的溶解度和表面性质，特别是乳化性质。蛋白质的化学改性可以改变蛋白质的功能性质，改性主要是通过水解反应、烷基化反应、酰化和磷酸化等方法来完成的。

1.水解反应

水解反应实际上相当于一种基团转换，典型例子是将侧链上的酰氨基转化为羧酸基，例如将谷氨酰胺或天冬酰胺水解转化为相应的谷氨酸或天冬氨酸。

2.烷基化反应

用卤代乙酸盐或卤代烷基酰胺试剂对氨基、酚羟基、咪唑基、吲哚基、硫醇基和硫醚基的烷基化。通过反应在侧链上引入烷基或取代的烷基（如羧甲基），引入烷基的方法有直接引入或间接引入，氨基酸侧链参与反应的基团包括羟基、氨基、巯基等。

3.酰化

在侧链上引入羧基，常用的有机酸是低分子有机酸或者是二羧酸，有时也可以使用长链脂肪酸，氨基酸侧链参与反应的基团包括氨基、羟基。

4.磷酸化

在侧链上引入磷酸基，通常利用的化学试剂是三氯氧磷或者是多聚磷酸盐，氨基酸侧链参与反应的基团包括羟基、氨基。

在蛋白质分子中引入一些基团后，对蛋白质功能性质的影响主要取决于所引入基团的性质。引入羧甲基、二羧酸基、磷酸基等离子基团以后，由于增加了蛋白质分子内的静电斥力，将导致蛋白质分子的伸展，所以将会改变它的溶解度。引入羧基、磷酸基后会增加蛋白质对钙离子的敏感性。对蛋白质侧链的酰胺基进行水解，可以增加其溶解性能，改善其发泡能力和乳化能力。如果引入的基团是非极性基团，则蛋白质的疏水性增强，其表面性质发生改变。

九、蛋白质的酶法改性

在生物体中存在一系列酶和蛋白质，许多酶对蛋白质的修饰已有研究。在食品加工过程中，通过酶的作用可改善食品蛋白质的功能性。蛋白质酶法改性的常用方法有蛋白质的限制性酶水解、转蛋白反应和蛋白质的酶促交联。

1.蛋白质的限制性酶水解

利用蛋白酶对蛋白质进行水解处理时，深度水解产生的是小分子肽类以及游离氨基酸，导致蛋白质功能性质的大部分损失，只保留其高度溶解性和溶解度对pH的不敏感两个特点，这对于只需要蛋白质溶解性的食品是一个比较理想的处理方法。但对于其他食品来说，则需要蛋白质的限制性酶水解（limited enzymatic hydrolysis）。

利用特异性蛋白酶对蛋白质的限制性水解，可以改善蛋白质的乳化、发泡性质，但同时也会破坏蛋白质的胶凝性质，并且由于分子内部疏水区的破坏、疏水基团的暴露，其溶解性有时降低。例如通过限制性酶水解将大豆蛋白水解至水解度为4%左右时，水解物的发泡、乳化性能得到明显的改善，但是还存在稳定性的问题，因为此时形成的蛋白质吸附膜不足以维持泡沫或乳化液的稳定性；又如在生产干酪时，凝乳酶对酪蛋白的水解导致酪蛋白的聚集，从而可以分出乳凝块。而对于一些疏水氨基酸含量较高的蛋白质在水解时将会产生具有苦味的肽分子（苦味肽），所以会影响感官质量。苦味肽的苦味强度取决于蛋白质中氨基酸的组成和所使用的蛋白酶，一般来说，平均疏水性大于5.85 kJ/mol的蛋白质容易产生苦味，而非特异性蛋白酶较特异性蛋白酶更容易水解出苦味肽。

2.转蛋白反应

转蛋白反应不是单一的反应，实际上它包括一系列反应。在转蛋白反应中，首先是蛋白质的酶水解，接着是在蛋白酶催化作用下的蛋白质再合成反应。第一步反应在一般条件下进行，蛋白质分子水解为小肽分子；第二步反应是在高底物浓度条件下进行，蛋白酶催化先前产生的小肽链重新结合形成新的多肽链，此时甚至可以通过加入氨基酸的方式对原蛋白质中的某种氨基酸进行强化，改变蛋白质的营养特性。由于最后形成的多肽分子与原来的蛋白质分子的氨基酸序列或组成不同，所以蛋白质的功能性质改变。转蛋白反应也可以通过在高蛋白质浓度下进行蛋白酶催化处理，直接进行两步反应。

蛋白质经过转蛋白反应对氨基酸进行强化以后，其氨基酸的组成改变如表3-20所示。

表3-20　转蛋白反应对蛋白质中甲硫氨酸含量的影响

3.蛋白质的酶促交联

转谷氨酰胺酶（transglutaminase）通过催化转酰基反应，在赖氨酸残基和谷氨酰胺残基间形成新的共价键，由此改变了蛋白质分子的大小，从而改变蛋白质的流变学性质。

目前，研究人员已经对许多蛋白质进行过相关的交联研究，包括酪蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白、谷蛋白和肌动蛋白等。通过对蛋白质的交联处理，一般可以达到保护赖氨酸，使其避免发生各种不利的反应，避免形成热致凝胶，提高所形成的蛋白膜的抗水、抗热、抗氧化等多种能力。如在食品加工中，利用蛋白质的酶促交联改善乳制品（酸奶）、谷物制品（面包）的品质。

在温和的反应条件下，经过转谷氨酰胺酶的催化交联反应，蛋白质分子发生分子间的交联和聚合的结果，可以通过蛋白质分子的色谱或电泳分析图谱中看出。经过蛋白质的酶催化交联反应以后，蛋白质有不同的聚集体生成，使得该交联反应可能成为未来蛋白质功能性质酶法改性的重要手段之一。

蛋白质的转谷氨酰胺酶催化交联反应对蛋白质功能性质的影响尚未彻底进行研究，但是已经有一些结论。例如对β-酪蛋白的研究表明，交联反应导致β-酪蛋白的乳化活性指数（EAI）降低，但对酪蛋白—脂肪乳化体系的稳定性却随着交联程度的增加而增加，这可能与交联作用导致的空间位阻有关；对谷蛋白的交联研究却发现，适当地添加转谷氨酰胺酶可以提高面包的品质，过多的添加反而会导致面包品质的降低；对酸奶产品的研究发现，通过交联反应，提高了酸奶的破裂强度。

近年来，酪氨酸残基在过氧化酶作用下的交联反应也被有目的地应用于改善蛋白质的功能性质，但有关其交联反应机理，却有不同的看法。例如在利用来自蘑菇中的酪氨酸酶对溶菌酶、酪蛋白和核糖核酸酶进行交联的研究中，发现只有存在少量的低分子酚类化合物时才有蛋白质交联反应的发生，因此研究者认为蛋白质的交联反应实际上涉及酚类物质的氧化、蛋白质残基的加成反应，参与加成反应的氨基酸残基包括含有—SH、—NH2等基团的氨基酸残基。当然，蛋白质本身存在的酪氨酸，由于可以作为一个酚类物质发生氧化生成醌类化合物，所以也可以直接使蛋白质发生交联反应。