2008年第2期 粮食与油脂 7 定位酶解与蛋白质表面性质及结构特性关 系研究进展 高育哲,徐红华。黄占权 (东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030) 摘要:定位酶修饰对蛋白质表面性质(如乳化性、起泡性)有一定程度改善,这些表面性质变化产 生原因是蛋白酶特异性断裂蛋白质肽键,从而导致蛋白质结构发生变化,结构变化主要包括蛋白 质表面张力、疏水性、柔性等。该文从蛋白酶作用位点及其处理程度对底物蛋白结构改变的角度, 综述酶修饰蛋白质水解后表面性质变化,并分析蛋白质结构对其表面性质影响。 关键词:酶修饰;蛋白质结构;乳化性;起池}生。 Research progress on superficial properties and structure characterization in limited hydrolysis ol proteln l ・ ● ● ● l● ●・ l l l ● ■ n J ● GAo Yu-zhe。XU Hong-hua。HUANG Zhan—quan (CoHege of Food Science,Northeast Agricultural University,Heilongjiang Harbin 150030,China) Abstract:Protease treatments achieving selective modification of protein were used to improve its superifcial properties(emulsion and foaming properties).The cause of the changes of these superficial properties is the protease with specificity for peptide bonds,which attribute to the changes of protein structure characteristic,including surface tension、hydrophobicity、flexibility etc.This paper summarizes the superficial properties after modiifcations of protein in the view of the protease selective modiifcation and the degrees of hydrolysis.Also analysis the effect of the structure characters on the superifcial pro— prties of protein. Key Words:protease selective modification;protein sturcture;emulsion;foaming 中图分类号:TS201.2 1 文献标识码:A 文章编号:1008--9578(2008)02—0007—03 一些食品蛋白质由于受固有结构,使其缺乏 胰凝乳蛋白酶、木瓜蛋白酶和微生物蛋白酶等 。因酶 必需功能性质。许多研究学者利用蛋白酶对蛋白质进 的种类和来源不同而使一些蛋白酶具有特定的酶切 行性水解所得到蛋白质比天然蛋白质更易消化 位点,能特异性断裂蛋白质肽键 。采用专一性酶切位 及具有较好起泡和乳化等功能性质,且这些功能性质 点酶,如胰蛋白酶或木瓜蛋白酶将蛋白质性水 随水解度增加而明显提高。Walsh(2003)用Alcalase 解,往往可改善蛋白质乳化、起泡等功能性质。现将一 水解大豆分离蛋白,水解后蛋白质溶解性有较大程度 些蛋白酶特定作用位点及处理程度与功能性质关系 提高 。Bemardi Don(1991)利用微生物蛋白酶对大豆 总结于表1。 蛋白进行水解,蛋白水解后乳化性变化不大,乳化稳定 2酶修饰蛋白质结构与乳化性关系 性降低;但当水解度达10%时,除乳化稳定性外,蛋白 蛋白质具有乳化剂特征结构,即两亲结构。蛋白 质大部分功能性质都得以提高。Guan(2007)用胰蛋白 质分子既有亲水基团,又有疏水基团,能在油滴表面 酶水解燕麦麸皮蛋白后,溶解性、乳化性和起泡性随 覆着一层小液滴提供保障使体系既不发生颗粒聚集, 水解度增加而提高;而乳化稳定性和泡沫稳定性在某 也不会产生两相分离。正是具有这种两亲性质,蛋白 种程度上有所降低。蛋白质酶水解产物在分子结构、性 质在油一水混合体系中,能扩散到油一水界面,疏水 质等方面与原来肽分子有显著不同,这是导致水解后蛋 基团转向油相,而亲水基团转向水相,从而使表面张 白质功能性质发生变化主要原因。Jung(2005)利用内 力降低。 切蛋白酶对蛋白质进行有限水解(DH为2%~4%), 2.1蛋白质表面张力对乳化性影响 发现水解后蛋白质溶解性(pH3 ̄7)、乳化性、乳化稳 蛋白质在界面处发生变性,去折叠时,疏水基团 定性、起泡性、泡沫稳定性及粘弹性都系由蛋白质表面 会插入到油相,插入油相疏水氨基酸有较低活化能并 疏水性和水解产生肽的大小所决定“ 。Rusi-Henestrosa 自发进行。作为乳化剂蛋白质必须具有快速吸附至新 (2007)通过对7 S大豆球蛋白进行水解研究得 的油一水界面,并随即将界面张力下降至低水平的能 出,7 S球蛋白在气一水界面处吸附速率与起泡性呈 力。蛋白质表面张力下降是乳化和起泡首要条件,而 正相关。Akio Kato(1985)研究发现,蛋白质结构柔性 表面张力下降程度能反映出蛋白质在界面上快速展 是影响蛋白质起泡性和乳化性主要因素之一””。因此 开,重排和暴露疏水基团能力大小,是乳化力和起泡 无论在生产上或在理论研究中,从分子水平角度理解蛋 力大小重要因素。一般来说,蛋白质疏水性越强,在界 白质结构与功能性质之间关系具有极其重要意义。 面吸附蛋白质浓度越高;界面张力越低,乳状液越稳 1酶修饰对蛋白质功能性质影响 定。NaofumiKitabatake(1982)研究指出,蛋白质溶液 水解蛋白质常用蛋白酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、 表面张力真实值与起泡性无关,但表面张力减弱速率 收稿日期:2007—12—24 作者简介:高育哲(1982一 ),女,硕士,从事食品化学及营养研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com
8 粮食与油脂 2008年第2期 木瓜蛋白酶,无花果蛋Lys/Arg/Phe羧基端 酶解液溶解度、乳化能力、发泡能KoderaT,2006 巯基蛋白酶 白酶 力大大提高,乳化及发泡稳定性下崔继科,1998 降,粘度下降,酶解大豆分离蛋白 苦味增加而豆腥味减弱” 。 嗜热链球菌蛋白酶 Ile/Ieu/Val/Phe氨基端 水解小麦醇溶蛋白(DH=5.2%~Tschimirov,1983 9.8%)起泡性无明显变化,但泡沫 稳定性明显下降 枯草杆菌中性蛋白酶Tyr/Try/Phe等芳香族疏水性氨 水解大豆分离蛋白后溶解性(酸性赵国华,2002 基酸羧基端 条件溶解性好)、起泡性、乳化性和张洪,2003 乳化稳定性明显提高,并随水解度马宇翔,2006 增加呈曲线变化,苦味减小。 常数与蛋白质溶液起泡性密切相关。阚健全(1999)也 比整体疏水性对蛋白质功能性质具有更大影响。蛋白 在研究蛋白质溶液表面张力与其功能性质间关系时 酶对蛋白质进行有限水解使蛋白质部分变性,使一些 发现,随蛋白溶液浓度增加,起泡性和乳化性增强,同 天然态内埋疏水肽段暴露于溶剂并有效改变蛋白表 时表面张力系数与功能性呈正相关”∞。 面性质,引起疏水性变化。一般来说,表面疏水性越高, 2.2蛋白质疏水性对乳化性影响 蛋白质乳化性越好。Qi M(1997)用胰蛋白酶水解大豆 蛋白质乳化性根本上取决于亲水和亲油间平衡, 分离蛋白(SPI)得到水解液乳化性明显提高,同时水 一般来说,多数构成蛋白质非极性氨基酸侧链分布在 解增加蛋白质表面疏水性。 分子内部形成疏水内核,而极性氨基酸分布在表面亲 2.3蛋白质柔性对乳化性影响 水环境中。疏水作用是控制蛋白质在溶液中结构主导 虽很多研究得出结论:蛋白质表面疏水性是影响 作用力,对于一些已知结构蛋白质表面性质分析表 蛋白质功能性质最重要因素;然而蛋白质功能性质并 明,一些疏水基团也会出现在蛋白质表面,使蛋白质 不是仅受表面疏水性影响,如乳清蛋白具有较低疏水 表面也具有一定疏水性。Kato和Nakai第一次报道蛋 性,但却表现出较好起泡性和乳化性 们。 白质表面疏水性(Surface Hydrophobicity)与乳化性关 可以认为,在界面处更易发生变性蛋白质分子具 系。Kato和Nakai(1980),Nakai(1980),Shuryo 有较大柔性,相反,在界面处较不易发生变性分子具 Nakai(1983)研究指出,表面疏水性与加热变性蛋白质 有较大刚性。Shimizu(1981)已提出蛋白质分子柔性 乳化能力有关。Damodarau(1988)提出蛋白质大分子 对功能性重要作用。KinseHa等(1988)研究得出结论, 结构,表面疏水性是影响分子间相互作用主要因素, B一乳球蛋白乳化性与分子柔性关系比与疏水性关系 维普资讯 http://www.cqvip.com
2008年第2期 粮食与油脂 9 强。Akio Kato等(1985)研究表明,蛋白质分子柔性 与蛋白质表面功能性质存在一定关系,分子柔性越 大,起泡性、乳化性越好。这就说明在油一水界面蛋白 质分子柔性可能是决定蛋白质乳化性质最重要因素 之一。 3酶修饰蛋白质结构与起泡性关系 蛋白质起泡能力和泡沫稳定性受不同分子性质 影响,而这两组性质彼此呈对抗性。蛋白质起泡能力 受蛋白质吸附速度、柔性及平均疏水性影响“引;泡沫 稳定性取决于蛋白质膜流变性质。而膜流变性质取决 于水合作用、厚度、蛋白质浓度及有利分子间相互作 用。表2总结一些影响蛋白质泡沫稳定性因素。 表2一些影响蛋白质稳定性因素 17) 促进稳定性因素 抑制稳定性因素 蛋白质浓度和膜厚度 不对称性结构 膜机械强度和表面粘弹性 机械震动 Gibbs-Marangoni效应 表面张力 膜表面静电荷 可渗透膜 具有残留三级结构不同蛋白质 具有表面活性脂类 3.1蛋白质平均疏水性对起泡性影响 蛋白质疏水性可被分为两类:(1)表面疏水性,它 与疏水基在蛋白质表面暴露程度有关;(2)蛋白质氨基 酸残基平均疏水性,平均疏水性由氨基酸残基从水相 转移到有机物相自由能来决定。研究显示,在Bigelou 平均疏水性与蛋白质起泡能力间存在着正相关。 Horiuchi等(1978),ShuryoNakai(1983)研究得出蛋白 质平均疏水性与起泡性有关,如or.一乳球蛋白表面疏水 性比溶菌酶要低,但起泡能力要好于后者。尽管蛋白 质疏水性看似对蛋白质起泡性有积极影响,但含有高 疏水氨基酸残基蛋白质更易产生界面凝固和界面变 性,因此,将形成更不稳定泡沫。另一方面,蛋白质电 负性高,因表面存在强的静电斥力,疏水基少也可能 形成聚集网状结构。虽到目前为止,已有很多学者在 研究中得出一些疏水性与起泡性关系结论;但疏水性 与蛋白质起泡性之间具体关系仍尚未很明嘹。 3.2蛋白质柔性对起泡性影响 在分子水平上,蛋白质形成泡沫稳定性在根本上 与其蛋白质分子柔性密切相关“”;而分子柔性对起泡 性也很重要。Althea-Amm Townsend和Shuryo Nakai (1983)研究显示,柔性蛋白质分子表现出较好起泡性; 而钢性蛋白质分子表现出较差起泡性,但蛋白质分子 刚性对泡沫稳定性似乎也很重要。因此,要产生良好 起泡性和泡沫稳定性需要蛋白质分子在柔性与刚性 之间存在合适平衡性。 4结束语 综上所述,利用蛋白酶对蛋白质进行定位修饰能 提高蛋白质表面性质,而修饰程度取决于各种蛋白酶 作用位点;从而可得出结论:蛋白质结构特性与其表 面性质间存在着紧密关系。首先,蛋白质疏水性与表 面性质存在着正相关性,如蛋白质表面疏水性越高, 乳化性越好;蛋白质平均疏水性是影响起泡性因素之 一。其次,蛋白质柔性与表面性质关系密切,它对蛋白 质能产生良好乳化性和起泡性起着重大作用。此外, 蛋白质其它结构特性,如表面张力也是影响表面性质 因素之一。总之,影响蛋白质表面性质因素很多,若欲 清楚了解蛋白质在表面性质方面作用机理,还需科研 工作者不懈努力。 [参考文献] [1】Jung S,Murphy P A,Johnson L A.Physicochemical and fimc— tional properties of soy protein substrates modified by low levels ofproteasehydrolysis[J].Journal ofFoodScience,2005,70(2): l80一l87. [2】Walsh D J,Cleary D,McCarthy E,et a1.Modiifcation ofnitrogen solubility properties ofsoy protein isolate following proteolysis and transglutaminase cross-linking[J].Food Research International, 2003,36(7):677—683. [3】Ortiz SEM,WagnerJR.Hydrolysates ofnative andmodiifed soy protein isolates:structural characteristics,solubiliyt and foaming properties[J].FoodResearchIntemational,2002,35(6):51l一5l8. [4】Calderon de la Barea A M,Ruiz-Salazar R A,Jara.Matini M E. Enzymatic hydrolysis and synthesis of soy protein to improve its maino acid composition and functional properties[J].Journal of Food Science,2000,65(2):246--253. [5】Kodera T.Asano M,Nio N.Characteristic property of low bitter- ness in protein hydrolysates by a novel soybcan protease D3[J]. Journal ofFood Science,2006,71(9):S609一S6l4. [6】Minones Conde J,Yust Escobar M del M,Pedroche Jimenez J J, et a1.Effect of enzymatic rteatment of extracted sunflower proteins on solubiliyt,amino acid composition,and surface activity[J]. JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2005,53(20):8038— 8045. [7】刘欣,徐红华,李铁晶.微生物蛋白酶改性大豆分离蛋白的研究 进展[J].大豆通报,2005,(4):27—28. [8】何国庆,丁立孝.食品酶学[M1].北京:化学工业出版社,2006. [9】于国萍,迟玉杰.酶及其在食品中应用[M].哈尔滨:哈尔滨工 程大学出版社,2007. [1 o]阐健全,陈宗道,杨辉,等.蛋白质溶液表面张力及其与功能性 质的关系[J].中国粮油学报,1999,14(5):30—34。 [11]Akio Kato,Keiji Komatsu,Kum ̄o Fujimoto,et a1.Relationship between surface fimctional properties and flexibiliyt of proteins detected by the pmtease susceptibility[J].J.Agric.Food Chem., 1985,33:93l一934. [12】Nakai S.Structure—ifmction relationships of food protein with an mephasis on the importance ofprotein hydrophobicity[J].J.Agric. FoodChem.,l985,3l:676. (1 3]Kinsella J E,Whitehead D M.Emulsifying and foaming properties of chemically modiifed proteins[A].Dickinson E,Stainsby G. Advances in food emulsions and foam[c].New York:Elsevier Applied Science,1988. [14】Shimizu M,Takahashi T,Kaminogawa S,et a1.Adsorption onto an oi1 surface and emulsifying properties ofbovine casein in relation toitsmolecular structure LJ].J.Agric.FoodChem.,1983,3l(6): 12l4. [1 5】Kinsella J E Phillips.Structure function relationship in fuod proteins:film and foaming behavior[A].Proteins:sturcture and ufnctional relationships[C].Champaing:Am.Oil Chem.Soc., 1989. [16】Liao S Y,Mangono M E.Characterization of the composition, physicochemical and fimctional properties of acid whey protein LJ】.J.Food Sci.,1987,52:1033. [1 7】Navam S Hettiarachchy,Gregory R Ziegler.Protein fimctionality in f0od systems 】.NewYork:Marcel DekkerInc.,1993.
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