食品加工中蛋白质营养和功能性质的变化情况

食品的加工常涉及加热、冷却、干燥、化学试剂处理、发酵、辐照等。加热是最常用的处理方法，能使微生物失活，使内源酶失活，以免食品在保藏中发生氧化和水解。加热也能使生的食品配料组成的混成品转变成卫生的和感官上有吸引力的食品。此外，加热能部分或完全消除有些蛋白质（如牛β-乳球蛋白、α-乳清蛋白和大豆蛋白等）产生的过敏反应。然而，加热在使得含蛋白质的食品产生上述有益效应的同时，也有可能会影响蛋白质营养价值和功能性质。在这一节中将介绍食品加工中蛋白质发生的物理、化学和营养变化，以及随之产生的期望的和不期望的变化。

（一）适度热处理的影响

大多数食品蛋白质在经受适度热处理（60～90℃，1h或更短时间）时产生变性。蛋白质完全变性后失去溶解性，这会损害那些与溶解度有关的功能性质。从营养观点考虑，蛋白质的部分变性能改进它们的消化率和必需氨基酸的生物有效性。适度热处理也能使一些酶失活，例如蛋白酶、脂酶、脂肪氧合酶、淀粉酶、多酚氧化酶和其他的氧化酶和水解酶。如果不能使这些酶失活，将导致食品在保藏期间产生不良风味、酸败、质构变化和变色。例如油料种子和豆类富含脂肪氧合酶，在提取油或制备分离蛋白前的破碎过程中，此酶在分子氧存在的条件下催化多不饱和脂肪酸氧化而引发产生氢过氧化物。随后氢过氧化物分解和释放出醛和酮，后者使大豆粉、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使脂肪氧合酶热失活。

由于植物蛋白通常含有蛋白质类的抗营养因子，因此，通过热处理可以抑制或消除抗营养因子。豆类和油料种子蛋白含有胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶抑制剂，这些抑制剂的存在会降低蛋白质的消化率，从而降低了它们的生物有效性。豆类和油料种子蛋白也含有外源凝集素，它们是糖蛋白；由于它们能导致红血细胞的凝集，因此也被称为植物血球凝集素。植物蛋白中的蛋白酶和外源凝集素是热不稳定的。豆类和油料种子经烘烤或者大豆粉经湿热处理后能使外源凝集素和蛋白酶抑制剂失活，从而提高了这些蛋白质的消化率。对于家庭烧煮、工业加工的豆类或以大豆粉为基料的食品，通过加热使这些抑制剂或酶失活，从而减少其对蛋白质营养质量的影响。

鸡蛋蛋白含有蛋白酶抑制剂，如卵类黏蛋白（Ovomucoid）和卵抑制剂（Ovoinhibitor），牛乳也含有蛋白酶抑制剂，血纤维蛋白溶酶原激活剂的抑制剂（Plasminogenactivator inhibitor PAI）和血纤维蛋白溶酶抑制剂（Plasmin inhibitor PI），当有水存在时经适度的热处理，这些抑制剂都会失活。

（二）在提取和分级时组成的变化

从生物材料制备分离蛋白包括一些单元操作，如提取、等电点沉淀、盐沉淀、热凝结和超滤等。在这些操作中，粗提取液中的一些蛋白质很可能损失。例如，等电点沉淀时，一些清蛋白由于在等电点pI通常是可溶的，因此从上清液中流失，这样，与粗提取液蛋白质相比，从等电点沉淀所得到的分离蛋白的营养价值发生变化。又如在粗椰子粉中Met和Trp的化学评分分别为100和89，而在用等电点沉淀法得到的椰子分离蛋白中，它们的化学评分几乎为零。类似的，采用超滤和离子交换法制备的乳清浓缩蛋白（WPC）在朊和胨的含量上产生了显著的变化，从而影响了它们的起泡性质。

（三）氨基酸的化学变化

在高温下加工时，蛋白质经受一些化学变化，这些变化包括外消旋、水解、去硫和去酰胺。这些变化中的大部分是不可逆的，有些变化可能形成了有毒的修饰氨基酸。

蛋白质在碱性条件下经受热加工，例如制备组织化食品，不可避免地导致L-氨基酸部分外消旋为D-氨基酸。蛋白质酸水解也造成一些氨基酸的外消旋，蛋白质或含蛋白质食品在200℃以上温度烘烤时就可能出现这种情况。Asp、Ser、Cys、Glu、Phe、Asn和Thr残基比其他氨基酸残基更易产生外消旋作用。外消旋作用的速度也取决于OH^-的浓度，与蛋白质的浓度无关。除外消旋作用外，在碱性条件下形成的碳负离子通过β-消去反应产生去氢丙氨酸（DHA）。半胱氨酸和磷酸丝氨酸残基比其他氨基酸残基更倾向于按此路线发生变化，这也是在碱处理蛋白质中D-半胱氨酸含量下降比较多的原因之一。

由于含有D-氨基酸残基的肽键较难被胃和胰蛋白酶水解，因此氨基酸残基的外消旋使蛋白质的消化率下降。必需氨基酸的外消旋导致它们的损失并损害蛋白质的营养价值。D-氨基酸不易通过小肠被吸收，即使被吸收，也不能在体内被用来合成蛋白质。而且，已发现一些D-氨基酸，像D-脯氨酸，会引起鸡的神经性中毒。

食品在煎炸和烧烤时，处在它表面的蛋白质会经受200℃以上的温度，此时蛋白质会产生分解和热解，从Ames试验证实蛋白质热解的某些产物是高度诱变的。肉在190～200℃烤制时也能产生诱变化合物，这些诱变化合物被称为咪唑喹啉（IQ）化合物。在烧烤鱼中发现的3个最强的诱变剂如图5-27所示。

图5-27 烧烤鱼中的3种强诱变剂

当按照推荐的工艺加热食品时，通常IQ化合物的浓度是很低的（微克数量级）。

（四）蛋白质交联

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、锁链素（Desmosine）和异锁链素（Isodesmosine）中的二硫键和纤维状蛋白角蛋白、弹性蛋白、节枝弹性蛋白和胶原蛋白中二酪氨酸类和三酪氨酸类的交链。胶原蛋白中也含有ε-N-（γ-谷氨酰基）赖氨酰基和/或ε-N-（γ-天冬氨酰基）赖氨酰基交联。存在于天然蛋白质的这些交联的一个功能是使代谢性的蛋白质水解降到最低。加工食品蛋白质，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共价交联附近的必需氨基酸的消化率和生物有效性。

上文中曾提到一些氨基酸残基在碱性条件下，或在中性条件下经受200℃以上温度的加热，经碳负离子和β-消去反应形成去氢丙氨酸残基（DHA）。高活性的DHA残基能与亲核基团，例如赖氨酸残基的ε-氨基、半胱氨酸的巯基和鸟氨酸（精氨酸的分解产物）的δ-氨基分别形成赖氨酸基丙氨酸、羊毛硫氨酸和鸟氨酸基丙氨酸交联。由于蛋白质中含有众多的易接近的赖氨酰基残基，因此在经碱处理的蛋白质中赖氨酸基丙氨酸是主要的交联形式。

经碱处理的蛋白质，由于可能形成蛋白质-蛋白质之间的交联，消化率和生物价会降低。

离子辐照能导致蛋白质聚合作用。食品经离子辐照时，在有氧存在的条件下水产生辐解作用而形成过氧化氢，进而造成蛋白质的氧化和聚集。离子辐射也能经由水的离子化而直接产生自由基，进而造成蛋白质的聚集。

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，进而造成蛋白质的聚合作用。由于二硫键在体内能被断开，因此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长时间加热也会形成前述的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，由于这些交联并不存在于原先的蛋白质中，因此它们也被称为异肽键（Isopeptide bonds）。

（五）氧化剂的影响

氧化剂如过氧化氢、过氧化苯甲酰和次氯酸钠常作为灭菌剂、漂白剂和去毒剂被加入到各类食品中去。除了上述外加的氧化剂外，在加工过程中，还会产生内源氧化性化合物例如食品经受辐射、脂肪经受氧化、化合物（例如核黄素和叶绿素）经受光氧化和食品经受非酶褐变期间产生的自由基。此外，存在于植物蛋白质中的酚类化合物被分子氧氧化，先生成醌，最终产生过氧化物。这些高活性的氧化剂能导致一些氨基酸残基的氧化和蛋白质的聚合。对氧化作用最敏感的氨基酸残基是Met、Cys/cystine、Trp和His，其次是Tyr。

1.甲硫氨酸和半胱氨酸的氧化(www.xing528.com)

（1）甲硫氨酸至甲硫氨酸亚砜和甲硫氨酸砜。

（2）半胱氨酸至磺基丙氨酸。在低pH时半胱氨酸的氧化速度下降，甲硫氨酸的氧化速度提高。

2.色氨酸的氧化

在酸性、温和、氧化条件下，例如有过甲酸、二甲基亚砜或N-溴代琥珀亚胺（NBS）存在时，色氨酸主要被氧化成β-氧代吲哚基丙氨酸。在酸性、激烈、氧化条件下，例如，有臭氧、过氧化氢或过氧化脂质存在时，色氨酸被氧化成N-甲酰犬尿氨酸、犬尿氨酸和其他未被鉴定的产物。

（六）羰-胺反应

蛋白质参与羰-胺反应（美拉德反应）后，感官和营养性质受到很大的影响。除了还原糖外，食品中的醛和酮也参与了羰-胺反应。双官能团醛，例如丙二醛，能产生交联使蛋白质聚合，蛋白质失去溶解性。赖氨酸的消化率和生物有效性、蛋白质功能性质的丧失都与此作用有关。甲醛也能与赖氨酰基残基的ε-氨基反应，鱼肌肉在冻藏期间变硬被认为是由甲醛与鱼蛋白质的反应所致。

（七）食品中蛋白质的其他反应

1.与脂质的反应

不饱和脂肪的氧化导致形成烷氧化自由基和过氧化自由基，这些自由基继续与蛋白质反应生成脂-蛋白质自由基，而脂-蛋白质结合自由基能使蛋白质聚合交联。此外，脂质自由基能诱导蛋白质的半胱氨酸和组氨酸侧链形成自由基，然后再发生交联和聚合反应。

食品中脂质的氢过氧化物会分解产生醛和酮，这些羰基化合物与蛋白质反应会影响蛋白质的营养价值和功能性质。

2.与多酚的反应

酚类化合物，像对-羟基苯甲酸、儿茶酚、咖啡酸、棉酚和槲皮素，存在于所有的植物组织中。在植物组织的浸渍过程中，这些酚类化合物能在碱性条件下被分子氧氧化成醌；存在于植物组织中的多酚氧化酶也能催化此反应。这些高度活性的醌能与蛋白质的巯基和氨基发生不可逆的反应。此外，醌能缩合形成高相对分子质量的褐色素，这些褐色素易于同蛋白质的—SH和氨基相结合。这些反应使蛋白质中赖氨酸和半胱氨酸残基的消化率和生物有效性降低。

3.与亚硝酸盐的反应

亚硝酸盐与仲胺（在某种程度上与伯胺和叔胺）反应生成N-亚硝胺，后者是食品中形成的最具毒性的致癌物质。在肉制品中加入亚硝酸盐的目的通常是为了改进色泽和防止细菌生长。参与此反应的氨基酸（或氨基酸残基）主要是Pro、His、Trp、Arg、Tyr和Cys。反应主要在酸性和较高的温度下发生。

在美拉德反应中形成的仲胺也能与亚硝酸盐反应。食品在烧煮、煎炸和烘烤中形成N-亚硝胺是公众非常关心的一个问题。

4.与亚硫酸盐的反应

亚硫酸盐还原蛋白质中的二硫键产生S-磺酸盐衍生物。亚硫酸盐不能与半胱氨酸残基作用。当存在还原剂半胱氨酸或巯基乙醇时，S-磺酸盐衍生物被转回半胱氨酸残基。S-磺酸盐衍生物在酸性和碱性pH下分解产生二硫化合物。硫代磺化作用并没有降低半胱氨酸的生物有效性，然而由于S-磺化作用使蛋白质的电负性增加和二硫键断裂，这会导致蛋白质分子展开和影响到它们的功能性质。

从天然资源提取和分离蛋白质的方法能够影响蛋白质的功能性质。在各种分离步骤中，总希望将蛋白质的变性程度降到最低，以使得蛋白质具有良好的溶解度。溶解度往往是蛋白质在食品中发挥其功能性质的先决条件。在某些情况下，蛋白质的有控制地或部分变性也能改善它们的某些功能性质。

等电点沉淀是常用的分离蛋白质的方法。在等电点（pI）时，大多数球状蛋白质的二级、三级和四级结构保持稳定；当pH回调至中性时，蛋白质易于重新溶解。然而，胶束的结构在等电点沉淀时失去稳定性，这主要是由于胶体磷酸钙的溶解以及酪蛋白分子之间疏水相互作用和静电相互作用平衡的破坏所致。采用等电点沉淀方法分离的蛋白质组成往往不同于原料中蛋白质的组成，这是因为原料中少部分等电点可溶的蛋白质成分无法被沉淀下来。这些蛋白质组成的变化会影响到所制备的蛋白质的功能性质。

采用超滤（UF）制备乳清浓缩蛋白（WPC）时，由于除去了乳清中部分的乳糖和灰分而显著影响WPC的功能性质。而且，超滤处理（50～55℃）时，由于蛋白质-蛋白质相互作用的增强而降低了所制备蛋白质的溶解度和稳定性，进而改变了它的水结合能力和凝胶化作用、起泡作用和乳化作用等。WPC中钙和磷酸盐含量的变化会显著影响它的凝胶性质。采用离子交换法生产的乳清分离蛋白含有少量的灰分，它的功能性质一般优于采用UF生产的乳清分离蛋白。

在碱性pH（尤其是在较高温度下）处理蛋白质会导致蛋白质构象发生不可逆的变化。经碱处理的蛋白质一般较易溶解和具有较好的乳化和起泡性质。采用有机溶剂提取油料种子大豆和棉籽中的油脂时，不可避免地会使脱脂大豆粉和棉籽粉中的蛋白质发生一定程度的变性，从而降低了它们的溶解度和其他功能性质。

热处理造成蛋白质的化学变化和功能性质的改变已在第五节中讨论过。在碱性和酸性pH条件热处理也能导致蛋白质部分水解，蛋白质中低分子量肽的含量能影响它们的功能性质。