食品中的蛋白質交聯技術

李君文，趙新淮

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.滕州市糧食局，山東滕州277500）

食品中的蛋白質交聯技術

李君文1，2，趙新淮1

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.滕州市糧食局，山東滕州277500）

綜述了食品中的美拉德反應衍生的交聯、二硫鍵交聯反應、轉谷氨酰胺酶交聯反應、酪氨酸殘基引發的交聯反應、脫氫蛋白質交聯等五種蛋白質交聯技術以及研究進展，通過蛋白質交聯可以提高蛋白質的功能性質和營養價值，從而擴大了蛋白質的應用范圍。

蛋白質，交聯技術，研究進展

圖1 食品中蛋白質的交聯反應種類

1 美拉德反應衍生的交聯

美拉德反應主要是指食品中的還原糖與氨基酸、蛋白質之間的復雜反應。1912年，法國人Louis-Camille Maillard發現了這個反應，1953年Hodge等把這個反應正式命名為Maillard（美拉德）反應。

美拉德反應過程中，蛋白質交聯會形成一系列的產物，在食品加工中由美拉德反應引起的交聯蛋白研究得已經很清楚，但是這些交聯產物的化學結構還不是很清楚。Jinq等［3］研究了酪蛋白和單糖（果糖、葡萄糖和核酸糖）間的美拉德反應，利用SDS-PAGE、MALDI-TOF質譜等測定不同的單糖-酪蛋白美拉德產物的熒光、紫外和酪蛋白分子質量的變化，得出3d后核酸糖-酪蛋白美拉德產物呈現出顯著的熒光特性，而15d后葡萄糖、果糖-酪蛋白美拉德產物的紫外特性較為顯著，同時質譜結果表明，酪蛋白和單糖間的美拉德反應產生了許多大分子量物質。Rufia′n-Henares等［4］利用糠氨酸對以牛奶為基料的運動營養補品進行質量評價，糠氨酸是賴氨酸美拉德反應的最適底物，常用于運動營養補品中一些成分的評價，結果表明，于干燥的運動營養補品中添加79mg糠氨酸/100g蛋白可以控制以牛奶為基料的產品的質量，過高的添加水平則會導致質量下降，不適宜保藏。Jimenez等［5］研究了β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和牛血清白蛋白和葡聚糖間的美拉德反應，結果表明，美拉德反應產生的聚合物在低pH下溶解度有所增加，主要是多糖和蛋白質間的共價交聯降低了蛋白質的等電點；在酸性條件下，乳清蛋白中不耐熱的牛血清白蛋白和β-乳球蛋白熱穩定性均有提高。因此通過控制乳清蛋白與葡聚糖間美拉德反應可以擴大其在食品加工中的應用范圍，主要是其酸性條件下具有較好的熱穩定性和乳化性能。

在碳水化合物含量較低的食品中，美拉德反應受到限制，而食品加工中劇烈的熱處理過程，可使賴氨酸的ε-氨基與精氨酸或是谷氨酰胺殘基縮合形成異肽鍵，使得蛋白質發生交聯，然而這類交聯還未被廣泛的研究。

2 二硫鍵交聯反應

二硫鍵交聯是在食品蛋白質交聯中最為普遍和最具有特征性的共價交聯，二硫鍵的形成主要是通過合適的氧化劑氧化食品蛋白質基質中相鄰的兩個半胱氨酸殘基，從而產生了二硫鍵交聯，其交聯機理如圖2所示。

圖2 二硫鍵交聯反應機制

在一些食品蛋白質（如乳蛋白、大豆蛋白、雞蛋蛋白、肉蛋白和蔬菜蛋白）的熱致凝膠形成過程中，蛋白質分子間的二硫鍵交聯對其凝膠性有著顯著的影響。蛋白質分子共價交聯形成的凝膠主要是生成了三維的類固體網絡結構，從而賦予了食品更好的質地。Singh等［6］研究了熱處理對牛奶的影響，通過形成二硫鍵，增強變性β-乳球蛋白和κ-酪蛋白之間的相互作用，從而增加牛奶及牛奶制品的穩定性，阻止β-乳球蛋白的沉淀。二硫鍵交聯形成蛋白質網絡結構，還可以提高生面團的粘彈性和結構特性，使面包呈現出更好的特性。Martin等［7］研究了葡萄糖氧化酶氧化生面團中的麥谷蛋白，結果表明，在過氧化氫存在的條件下，葡萄糖氧化酶催化麥谷蛋白中的游離巰基形成二硫鍵，改變了小麥生面團的流變學性質。Bonet等［8］將葡萄糖氧化酶對生面團以及其焙烤產品的影響作了進一步的研究。通過添加葡萄糖氧化酶可以改善小麥面團的流變學性質和面包的質量。利用毛細管電泳和電子掃描電鏡分別從分子、超分子水平上觀察樣品中的谷蛋白，結果顯示處理后樣品中的谷蛋白（麥醇溶蛋白和麥谷蛋白）有二硫鍵形成，還有一些非二硫鍵形成。

3 轉谷氨酰胺酶交聯反應

轉谷氨酰胺酶（Transglutaminase，EC 2.3.2.13，簡稱TG），是一種催化蛋白質分子內或分子間形成ε-（γ-谷氨?；┵嚢彼峁矁r鍵的酶，通過催化反應，可引起各種蛋白質分子內的交聯、分子間的交聯以及蛋白質與氨基酸之間的連接，形成高分子網絡結構。主要是利用肽鏈上的谷氨酰胺殘基的γ-甲酰胺基作為?；w，而?；荏w可以是［9］（Folk，1980）：

a.多肽鏈中賴氨酸殘基的ε-氨基，形成蛋白質分子內和分子間的ε-（γ-谷氨?；┵嚢彼岙愲逆I（圖3a），通過該反應蛋白質分子發生交聯，使食品及其它制品產生質構變化，從而賦予產品特有質構特性和黏合性質。

要讓文物的歷史文化價值得到充分體現，作用得到充分的發揮，首當其沖的工作就是讓文物“活起來”。實現這個目標，我們必須有效發掘出文物中隱藏的歷史、藝術和科學等人文信息，同時通過科學、通俗、多元化的手段傳遞給廣大的民眾。實現這一點并不困難，這需要我們對文物進行由內而外的多層次探究，以及相關的文獻和歷史事實加以證明，將挖掘到的文物的價值和內涵使其有效地外化和具體化，并利用民眾易于接受的方式，以及借助現代科技的手段，把歷史的知識和內涵告訴民眾，向所有的人闡述文物深層次下的故事。

b.伯胺基，形成蛋白質分子和小分子伯胺之間的連接（圖3b），從而可將一些限制性氨基酸引入蛋白質中，以提高其營養價值。

c.當不存在伯胺時，水會成為?；荏w，結果是谷氨酰胺殘基脫去氨基生成谷氨酸殘基（圖3c）。該反應可用于改變蛋白質的等電點及溶解度。

圖3 谷氨酰胺轉胺酶的催化反應機理

轉谷氨酰胺酶早已廣泛地應用于催化食品蛋白質交聯，改善蛋白質的功能性質。李紅［10］利用谷氨酰胺轉胺酶生產大豆蛋白食用保鮮膜，研究了添加轉谷氨酰胺酶對大豆蛋白成膜特性的影響，結果表明，利用轉谷氨酰胺酶生產的大豆蛋白食用保鮮膜，有較好的水蒸氣阻隔性能和隔油性，能達到食品保鮮的要求。劉心偉［11］利用微生物轉谷氨酰胺酶處理的乳蛋白質，乳蛋白質分子間發生聚合作用，且這些聚合物不易發生聚集，從而提高乳化性。αs1-酪蛋白、γ-酪蛋白等經轉谷氨酰胺酶催化后發生交聯，可以作為優良的乳化劑應用于乳品生產中。Farnsworth等［12］以轉谷氨酰胺酶對山羊乳酪進行改性，結果表明添加了轉谷氨酰胺酶的山羊乳酪的黏度有所改善，優于添加總固形物的方法；通過掃描電子顯微鏡觀察處理前后的樣品，處理后樣品的微觀結構更為緊密，說明添加轉谷氨酰胺酶可以提高乳酪凝膠的微觀結構。Hinz等［13］以轉谷氨酰胺酶對全脂乳和脫脂乳進行改性，對乳中脂肪球的穩定性和乳蛋白的乳化性質進行研究。結果表明，酶處理對乳蛋白的乳化性質有很大影響，乳中脂肪球的穩定性得到提高。Huppertz等［14］將轉谷氨酰胺酶催化交聯酪蛋白膠束，通過共價鍵連接形成酪蛋白網絡得到納米膠微粒，與熱致凝膠相比，所形成的納米膠微粒的穩定性有所提高。

4 酪氨酸殘基引發的交聯反應

天然蛋白質或糖蛋白中的酪氨酸殘基交聯已經被證實，Singh［15］研究了植物細胞壁中的蛋白質交聯。研究表明催化酪氨酸殘基交聯的酶主要有多酚氧化酶、過氧化氫、過氧化物酶等。

4.1 多酚氧化酶

多酚氧化酶是指催化酚類底物氧化的一組酶，屬于氧化還原酶類。能作用于羥基處在鄰位的二酚和三酚類化合物，生成相應的醌，它也能作用于單酚，將其轉變成鄰二酚。這種酶根據所作用底物的不同有許多習慣名稱，如酪氨酸酶、甲酚酶、多酚氧化酶、兒茶酚酶、鄰二酚氧化酶、酚酶等。

在大多數水果中，多酚氧化酶主要以結合狀態存在，例如桃、甜櫻桃、杏子和蘋果。從食品原料分離出的多酚氧化酶是一種每個亞基均含有銅的寡聚體。銅以Cu+-Cu2+離子對形式緊密結合在一起，并在酶的活性部位形成二硫-銅的結合物。圖4給出了酪氨酸酶的催化反應機制。

圖4 多酚氧化酶催化反應機制

酪氨酸酶催化循環包括三種形式的酶：脫氧-酪氨酸（Ed，Cu+Cu+）、氧合酪氨酸酶（Eox，Cu2+-O2-Cu2+）和金屬酪氨酸酶（Em，Cu2+Cu2+）。以催化單酚和二酚為例，Ed結合氧氣轉化為Eox。Eox催化單酚（如酪氨酸）生成二酚，然后氧化成醌，同時Eox轉化成Ed或通過中間產物生成Em；Eox也可以催化二元酚（如多巴）生成相應的醌。Em氧化二酚生成醌，自身轉化為Ed，Em可與單酚結合產生化合物EmM，該化合物不能與氧結合。同時醌轉化為二羥基吲哚啉（如多巴醌轉化為環多巴），催化循環結束。

酪氨酸酶可使食品中的酪氨酸殘基和酚類化合物氧化為醌，也能與半胱氨酸、賴氨酸、組氨酸和色氨酸殘基反應，從而減少了必需氨基酸含量［16］。Jee等［17］以酪氨酸酶催化含有酪氨酸的多肽，利用基質輔助激光解吸電離時間飛行器質譜分析得知，酪氨酸酶催化的多肽交聯反應是直接氧化交聯酪氨酸殘基上的苯環，從而生成黑色素。Selinheimo等［18］利用漆酶和酪氨酸酶分別催化蛋白質和糖、α-酪蛋白和酚酸之間的交聯，通過SDS-PAGE、體積排阻色譜、熒光分析等進行分析，結果表明，這兩種酶均可催化蛋白質和糖、蛋白質和酚類物質之間的交聯反應，只是這兩種酶的催化效率有較大的差別。

4.2 過氧化物酶

過氧化物酶系統名為供體：過氧化氫-氧化還原酶，是指在有供氫體參與下，催化過氧化氫分解的酶（EC 1.11.1）。當以過氧化氫為供氫體時，該酶稱為過氧化氫酶（EC 1.11.1.6）。

圖5 過氧化物酶催化反應

過氧化氫酶廣泛地分布于自然界中，在植物細胞中以可溶和結合兩種形式存在，可溶形式存在于細胞漿中，結合形式是與細胞壁或細胞器相結合而存在。在大多數的水果和蔬菜中過氧化物酶以可溶態、離子結合態和共價結合態存在?？芍苯訌闹参锊牧现刑崛∵^氧化物酶。此外，也可以先制備丙酮粉，然后再從丙酮粉提取。辣根是過氧化物酶最重要的一個來源。

辣根過氧化物酶（Horesradish peroxidase，HRP，EC 1.11.1.7）是廣泛存在于辣根體內的過氧化物酶。HRP是以鐵卟啉為輔基的血紅素蛋白。在過氧化氫存在時，它能夠催化一系列底物發生反應。辣根中的過氧化物酶由眾多的同工酶組成，40種以上的辣根過氧化物酶的同工酶在辣根植物中被發現，它們具有類似的相對分子質量（40000～45000）。這種酶是糖蛋白，每一個酶分子中含有一個正鐵血紅素Ⅲ、一條酶蛋白多肽鏈和兩個Ca2+，酶蛋白含有308個氨基酸殘基，3～8個糖類側基鏈與丙氨酸殘基相連，糖含量可達18%。辣根過氧化物酶分子中含10個突出的螺旋段。辣根過氧化物酶催化反應的機制如圖6所示［19］。

圖6 辣根過氧化物酶催化反應機制

在辣根過氧化物酶催化的反應中，過氧化氫首先取代了與過氧化物酶分子（E）中血紅素相結合的H2O，形成酶-底物絡合物（Ei），Ei和外源氫供體底物作用生成化合物Eii，并形成自由基（RO·）?；衔顴ii和第二個氫供體底物分子作用后，過氧化物酶分子E再生，同時生成第二個自由基。這些自由基可以進一步聚合生成新的化合物。

Tenovuo等［20］將乳過氧化物酶分別作用于人體牙周膜膠原、牛跟骨腱膠原、胃蛋白酶、胰島素和α-淀粉酶，利用紫外和熒光分析可知，胃蛋白酶的交聯程度最高，在牙周膜膠原中也有交聯產生，而在α-淀粉酶沒有交聯反應。Steffensen等［21］將灰蓋鬼傘過氧化物酶作用于多肽，利用電子自旋共振研究得出灰蓋鬼傘過氧化物酶催化反應首先定位于芳香環的碳1位置，通過消去兩個氫原子形成二酪氨酸鍵或是異二酪氨酸鍵得到酪氨酸自由基中間產物，最后形成酪氨酸多肽的聚合物。此聚合反應表明灰蓋鬼傘過氧化物酶可以修飾蛋白質結構去改善蛋白質的功能性質。

4.3 酚類化合物

酚類化合物是一種非常有發展潛力的新型天然蛋白質交聯劑。阿魏酸、綠原酸、咖啡酸、單寧酸等酚酸類化合物，能與蛋白質中的賴氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等反應而使蛋白質交聯。其交聯反應機理如圖7所示：二元酚酸或者其它的多元酚（1）經分子氧或酶作用氧化成醌。醌發生側鏈反應生成二聚體（2），或者與多肽側鏈氨基或巰基反應形成酚環上的C-N或C-S共價鍵，并再次形成酚羥基結構。后者可以再次被氧化并結合第二個多肽，從而形成交聯化合物（3）。另外，具有一個側鏈的兩個醌之間也可以聚合形成交聯化合物（4）［22］。

圖7 酚酸與多肽氨基側鏈的反應

多酚化合物作為蛋白質交聯劑，最早應用于制革工業的皮革鞣制，而在食品中的應用，近幾年才有報道。歐仕益等［23］在制備大豆分離蛋白可食性膜時，通過添加單寧、阿魏酸和玉米淀粉等交聯劑，提高了蛋白膜的機械特性以及膜蛋白的消化率。Strauss等人［22］用純酚酸和含有酚酸的咖啡、葡萄汁等交聯明膠制備凝膠和明膠-果膠復聚微球。研究結果表明，制備的凝膠具有較強的機械特性，含有較少的游離氨基團。DSC結果顯示，交聯凝膠形成了致密的網絡結構，阻止了pH偏離等電點時的肽鏈伸展；與未交聯聚微球相比，交聯形成的明膠-果膠聚微球脂溶性較強，200℃時穩定。這些性質使得交聯明膠凝膠和交聯明膠-果膠聚微球作為新型食品添加劑運用于食品加工中。

5 脫氫蛋白質交聯

在食品加工中，堿處理常常被用來去除食品中的有毒成分，或是使蛋白質增溶制備組織化產品，同時堿處理引發的反應會給食品帶來一些不需要的性質，而且其食品安全性也有爭議。在堿性條件下，熱處理可使氨基酸殘基發生消旋作用，形成共價交聯，如脫氫丙氨酸、賴氨酸丙氨酸和羊毛硫氨酸［24］。脫氫丙氨酸主要是通過催化消除二硫鍵中的過硫化物；賴氨酸丙氨酸和羊毛硫氨酸是通過半胱氨酸和磷酸化絲氨酸蛋白質殘基的β-消除作用發生交聯，形成脫氫蛋白質。脫氫蛋白質易與許多親核基團（如賴氨酸殘基上的ε-氨基、半胱氨酸的巰基）發生反應，劇烈的熱處理或是堿處理，還可以與咪唑、吲哚、胍基以及其他的氨基酸殘基發生反應，形成了分子間或是分子內的交聯，而且這種交聯結構是比較穩定的。

6 展望

食品中的各交聯反應在其適宜的條件下，均能引起蛋白質-蛋白質或蛋白質與其它基質的交聯，并能較顯著地改善食品的功能性質。然而，由于食品中蛋白質結構的限制，僅一些活性較大的分子參與反應，若要產生數量較多的交聯產物，還有更多的工作需要去做，這可能是一個漫長的過程，需要多種技術手段作保證。但是我們仍可預見蛋白質交聯的應用前景是非常廣闊的。

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Research progress in protein cross-linking in food

LI Jun-wen1，2，ZHAO Xin-huai2
（1.Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Grain Administration of Tengzhou，Tengzhou 277500，China）

The protein crosslinking，including crosslinks derived from the Maillard reaction，disulfide crosslinks，crosslinks formed via transglutaminase catalysis，crosslinks derived from tyrosine and crosslinks derived from dehydroprotein were studied.lmproving proteins functionality properties and nutrition can be accomplished by means of cross-linking，while can expend their food application.

protein；cross-linking；research progress

TS201.2+1

A

1002-0306（2011）01-0380-05

2009-12-15

李君文（1984-），女，碩士研究生，講師。