望运滔 王营娟 白艳红

(1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450000；2. 河南省冷链食品质量安全控制重点实验室， 河南 郑州 450000；3. 河南省食品生产与安全协同创新中心，河南 郑州 450000)

蛋白质是关系到人类健康的重要营养物质之一，在食品加工中，蛋白质经常被用作食品乳化剂。因为蛋白质具有亲水性和疏水性基团，可以向油水界面迁移，并且蛋白质会在界面展开并重新排列，疏水基团朝向油相移动，而亲水性基团朝向水相移动，其独特的界面性质可以降低油水界面张力，且在界面处的蛋白质聚集在油滴周围形成黏弹性膜[1]，能够阻止油滴聚集，从而稳定乳液[2]。蛋白质所稳定的乳化液在食品加工中具有广泛的应用价值，如人造奶油、冰淇淋和蛋黄酱等[3]，因此蛋白质作为乳化剂被广泛研究。

然而天然蛋白质的功能性质不能满足实际生产加工需求，如某些蛋白质的溶解性、乳化性差等，并且在加工过程中容易受到环境因素(溶液pH值，离子强度和温度)的影响而变性[4]，从而影响其功能特性及在食品工业中的应用。因此，为了改善蛋白质的乳化性，需要对蛋白质进行改性处理。文章对国内外最新蛋白质改性以提高其乳化性的研究进行综述，以期为蛋白质改性的应用及研究提供一定理论参考。

1 预处理技术改善蛋白质乳化性的原理

蛋白质特异的空间结构决定其独特的功能性质，而影响蛋白质乳化性的内部因素主要包括蛋白质的组成、结构、分子大小、疏水性、表面电荷量等[5]。采用高新技术对蛋白质结构进行修饰就是通过物理和化学作用力对蛋白质的一级、二级、三级、四级结构进行人为修饰，使蛋白质的空间结构发生变化，柔性结构展开，刚柔性区域重排，非极性基团暴露，从而改善蛋白质在油水界面的吸附特性[6]。

2 预处理技术改善蛋白质乳化性的方法

2.1 物理改性

物理改性主要是通过超声波、高压均质、挤压蒸煮、水动力空化等物理手段改变蛋白质结构及蛋白质分子间的聚集状态，从而改善其乳化特性。物理改性的优点在于廉价、安全、处理时间短以及对产品营养性能影响小[7]。

2.1.1 超声处理改善蛋白乳化性 超声处理过程中产生的空化效应可以诱导蛋白质分子结构聚集和展开[8]，改变蛋白质分子之间的相互作用，如疏水相互作用，氢键和二硫键等，增强蛋白质分子的柔韧性并提高蛋白质在油水界面的吸附能力，改善蛋白质的乳化性[9]。目前，单独超声处理已被广泛应用于改善花生蛋白[10]、核桃蛋白[11]、向日葵蛋白[12]、肌原纤维蛋白[13]以及鳕鱼蛋白[14]等蛋白质的乳化性。结果表明单独超声处理可以有效地改善蛋白质的乳化性，但超声时间过长以及超声功率过高会使蛋白质严重变性，降低乳化性[15]。

超声处理也可以与一种或多种改性方法相结合来改善蛋白质的乳化性，Shen等[16]采用超声协同热处理改善蛋白质的功能性质，与未处理的乳清蛋白相比，单独超声和加热处理使乳清蛋白的乳化活性和乳化稳定性都分别提高了1.5倍和2.0倍，二者有相同的改善作用，没有明显差异。而对加热后的乳清蛋白进行超声处理后，它的乳化活性和乳化稳定性分别是未处理组1.9倍和2.5倍，乳清蛋白的乳化活性和乳化稳定性达到最大值，表明超声协同热处理可以更有效地改善蛋白质的乳化性。超声协同其他方法改性蛋白质可以集合多种改性方法的优点或弥补单一改性效果的不足，最大程度提高蛋白质的乳化性。

2.1.2 高压均质改善蛋白质的乳化性 高压均质是一种非热加工技术[17]，主要包括静态高压均质和动态高压均质。静态高压均质改性蛋白质是指将蛋白质放置在具有静电场的密闭容器内，在常温条件下对蛋白质施加一定静压力，通过破坏蛋白质分子的非共价键，改变其理化性质[18]。动态高压均质改性蛋白质是指蛋白质溶液通过高压阀流动时，高压产生的强烈剪切力、空化和湍流作用会使蛋白质的二级、三级结构发生改变，从而改变其功能性质[19]。高压均质技术因其高效快捷的作用方式，经济性、便捷性和安全性，已经被广泛应用到实际生产中。

Ma等[20]通过高压均质改变鳕鱼蛋白质的结构来提高其油水乳化液的贮藏稳定性。高压均质处理后鳕鱼蛋白质结构展开，疏水性和亲水性基团的暴露可以增强蛋白质在油水界面的吸附作用，提高鳕鱼蛋白的乳化稳定性。Cha等[19]发现高压均质处理可以显著提高由贻贝肌原纤维蛋白和卵磷脂稳定O/W乳状液的乳化活性和稳定性。当压力从40 MPa增加到120 MPa时，乳化活性指数和乳化稳定性指数逐渐增大，在80 MPa时达到最大值。这是因为高压均质处理后，蛋白质的溶解度增加，乳液表观黏度和电荷量增大。溶解性的增加可以促进蛋白质在油水界面的扩散速度，乳状液黏度的改善有助于降低液滴的悬浮速度，使其保持较好的稳定性，而分散的油滴表面电荷增加，乳液液滴之间斥力增大，不易发生于凝结或絮凝，使稳定性提高。

2.1.3 挤压蒸煮技术 挤压蒸煮改性蛋白质是将蛋白质放在高温、高压和机械剪切力条件下，在短时间内使蛋白质结构部分展开和聚集的技术[21-22]。挤压蒸煮过程中产生的高温会改变蛋白质表面亲水和疏水性位点的分布规律，使蛋白质的官能团暴露出来，而蛋白质的适当变性通常会提高蛋白质的表面活性[23]，有助于其在油—水界面处的吸附，并形成一层物理层，从而提高乳化稳定性。

Mozafarpour等[24]研究了挤压温度(110，130，160 ℃)和水分含量(18%，25%)对大豆浓缩蛋白结构和乳化性能的影响，发现当水分含量为18%时，蛋白质的乳化活性随着温度的升高而增大，在160 ℃时达到最大值，大约提高了2.2倍，而当蛋白质中的水分含量增加到25%时，乳化活性大约提高了1.6倍，随着温度的升高，乳化活性变化不显著，产生这种现象的原因可能是当水分含量为18%时，挤压蒸煮技术可以使大豆蛋白产生更多新的疏水位点并且蛋白质柔性增强，更多的疏水性基团可以与油相更好接触，并且结构更灵活的蛋白质能在油水界面更快吸附，使其具有更高的乳化活性。而当水分含量为25%时，蛋白溶液中水分含量增多，蛋白质的流动性更强，由于蛋白质在挤压机内平均停留时间较短，蛋白质变性程度减弱，蛋白质分子暴露出较少的疏水性基团，乳化性提高程度相对较低。因此，在挤压蒸煮过程中，蛋白质的含水量是影响改性后蛋白质乳化性的一个重要因素。

另外，挤压蒸煮技术也可以通过促进蛋白质的酶解反应，进一步提高蛋白质的乳化性。Chen等[25]发现由花生蛋白稳定乳状液的体积平均粒径(D43)为29.4 μm。当对花生蛋白进行单一酶解处理，水解程度为0.9%时，所稳定乳液的D43为20.6 μm。而对于挤压蒸煮后的花生蛋白，在相同酶解条件下，酶解程度为6.2%， 酶解产物所稳定乳液的D43为4.5 μm，并且形成的乳状液液滴分布均匀，表明经挤压蒸煮预处理后花生蛋白酶解所得产物具有更好的乳化性。这是因为挤压预处理过程中产生的剪切力和高温可以改变蛋白质的构象，蛋白质分子展开以及重新排列，使其形成易被蛋白酶利用的层状结构，在相同的酶解条件下，与单一酶解相比，挤压蒸煮之后蛋白的水解程度显著升高，木瓜蛋白酶可以更有效地将挤压蒸煮之后的不可溶蛋白质多肽解聚成较小可溶性多肽，而蛋白质的溶解度提高有利于其在油水界面的吸附，进而改善其乳化性。这些结果表明，挤压蒸煮协同酶解处理比单一的酶解处理能更有效改善花生蛋白的乳化性能。

2.1.4 旋流空化 旋流空化是一种新兴的工艺技术，旋流空化可以产生与超声相同的空化现象[26]。空化泡的破裂会引发各种物理化学效应，包括产生剪切力、冲击波、高温、压力以及自由基。旋流空化产生的化学效果优于超声空化,并且旋流空化的能源效率高于超声空化[27]。目前旋流空化技术已经应用于蛋白质改性研究。Yang等[27]研究了不同压力和时间的旋流空化对大豆分离蛋白(SPI)乳化性质的影响，结果发现与未处理的SPI相比，处理后的SPI具有更高的乳化活性和乳化稳定性，油滴尺寸和絮凝指数减小，界面吸附蛋白含量增大，表明旋流空化技术可能是改善大豆蛋白乳化性的一种有效技术。

2.2 化学改性

化学改性蛋白质主要是通过化学试剂作用使蛋白质肽链部分断裂或引入新的活性官能团使蛋白质分子结构、电荷特性和亲疏水基团等发生改变，从而对蛋白质分子结构进行有效修饰[28]，主要包括pH偏移、磷酸化反应等。

2.2.1 pH偏移对蛋白质乳化性的影响 pH偏移改性蛋白质是指在极端pH条件下使蛋白质结构展开，然后在中性环境中诱导蛋白重新折叠[29]。蛋白质经历展开—再折叠过程，分子构象会发生部分改变，乳化性从而改变。研究[30]表明，大豆分离蛋白、豌豆蛋白和肌浆蛋白经过pH偏移处理后，其功能特性显著增强。Chen等[30]将乳清蛋白在pH 12条件下反应1 h，随后调回中性诱导蛋白结构折叠。结果发现该条件下处理后花生蛋白的乳化活性指数从7.073 m2/g增加到了7.193 m2/g，乳化稳定性指数从66.5 min增加到了73.34 min。这是因为pH 12偏离蛋白质的等电点，可能导致蛋白质分子内较强的静电排斥作用，从而导致蛋白质结构展开，疏水基团或区域暴露，蛋白质分子灵活性增加。而这些改变均可以促进乳清蛋白分子与水相及油相的接触，增强其界面吸附特性。

另外，研究还发现pH—偏移协同温热处理可以更有效地改善蛋白质的乳化特性。Wang等[31]将大麻种子蛋白在不同温度(20～60 ℃) pH 12条件下处理5 min使其结构展开，后将溶液的pH值调回pH 7诱导蛋白质折叠。结果发现，未处理组蛋白质的乳化活性指数为5.63 m2/g，pH 12处理之后蛋白质的乳化活性指数为5.43 m2/g，表明单独在pH 12条件下处理并没有显著改善蛋白质的乳化性。而对于pH 12结合温热处理改性的蛋白质，随着热处理温度的升高(20～60 ℃)，蛋白质的乳化活性指数从5.43 m2/g增加到7.39 m2/g，蛋白质的TSI值由8.81降低至1.08，共聚焦显微镜下油滴尺寸逐渐减小，且分布更均匀，表明pH 12结合温热处理能更显著改善蛋白质的乳化性。溶解度和表面疏水性是影响蛋白质乳化性的重要因素。单一的pH 12处理时，蛋白质溶解度改善不显著(P>0.05)，并且pH偏移过程中屏蔽了带电基团，不利于蛋白与水之间的相互作用，进而不能明显改善蛋白质的乳化性。而pH—偏移协同温热处理之后的蛋白质溶解度和表面疏水性明显增大，二者的增加使蛋白质的亲水和亲油性显著增强，从而使蛋白质的乳化性增强。

2.2.2 磷酸化反应 磷酸可以选择性地与蛋白质的侧链基团，如丝氨酸、苏氨酸、络氨酸中的—OH基团，赖氨酸的ε-NH2，组氨酸咪唑环的1，3个氮原子发生反应，在蛋白质分子表面引入更多的负电荷，增强蛋白质的水化作用，从而提高蛋白质的乳化性[32]。

磷酸化反应改善蛋白乳化性的关键因素是控制其磷酸化程度。Hu等[32]将米糠蛋白在不同pH值(3，5，7，9，11)条件下采用三偏磷酸钠进行水热磷酸化反应，结果发现在pH 9.0条件下磷酸化所得米糠蛋白具有最高的溶解性和乳化活性，米糠蛋白的溶解度和乳化活性分别提高了8.7倍和8.1倍。一方面，随着磷酸盐含量的增加，米糠蛋白表面的净负电荷增加。在乳液的制备过程中，液滴的电位绝对值越大，液滴的静电斥力越强，液滴之间不易聚集和结合。另一方面，亲水性/疏水性平衡也可以影响蛋白质的乳化活性，蛋白质被吸收并迅速移动到油/水界面后，可通过疏水相互作用来稳定油滴的聚集状态。磷酸化处理使米糠蛋白的表面疏水性增大，亲水亲油平衡较好，油滴更容易被蛋白质固定，从而使其乳化性得到改善。同理， Sánchez-Reséndiz等[33]采用三偏磷酸钠对花生蛋白和大豆蛋白进行磷酸化处理也得到类似结论。

2.3 酶法改性

酶法改性主要是指通过酶解反应使蛋白质分子中多肽链断裂、分子内或分子间交联以及蛋白质分子侧链基团发生改变，从而使蛋白质分子的组成、空间结构及理化性质发生变化，进而改善其功能特性[34]。酶法改性常用酶的种类主要有蛋白酶[35]、转谷氨酰胺酶[36]、胰蛋白酶[37]等。

选取最佳酶解反应条件并控制蛋白水解度是改善蛋白质乳化性的关键因素。Ghribia等[38]研究了碱性蛋白酶对鹰嘴豆分离蛋白乳化性的影响，结果发现蛋白质的乳化性随着酶解程度的增加先增大后减小，在蛋白水解度较低(4%)时，鹰嘴豆蛋白的乳化活性大约是未酶解蛋白质的1.85倍。碱性蛋白酶可以将鹰嘴豆蛋白分解成小分子多肽，而多肽分子具有更强的灵活性，更易吸附到油水界面。而当水解度>4%时，蛋白质的乳化活性逐渐下降，可能是因为酶解程度过高时，水解过程中产生过多的小分子多肽在界面的相互作用减弱，界面膜黏弹性下降，并且由于多肽分子间的电荷排斥作用，低分子量肽在界面上既不能展开也不能重新定向排列，导致乳化性降低[38]。Liu等[39]发现经微生物谷氨酰胺转胺酶(MTG)改性后的蚕豆分离蛋白是一种高效乳化剂，经最佳改性时间(60 min)改性后的蚕豆分离蛋白，在改善乳液脂质氧化稳定性的同时，还可保持乳液物理稳定性，但延长MTG处理时间(>60 min)可能导致蛋白质严重变性，过高的表面疏水性会降低蛋白质的水溶性和表面活性，不利于蛋白质在油水界面吸附，从而减弱其乳化性。这些研究表明采用酶法改善蛋白乳化性时，需要根据蛋白质的性质来控制反应时间和反应条件。

酶法改性也可以和物理方法(高压微射流，超微粉碎)相结合来改善蛋白质的乳化性质。张雪春等[40]采用胰蛋白酶处理花生蛋白得到花生蛋白酶解液，然后对酶解液进行高压均质处理，研究均质压力对花生蛋白酶解液乳化性的影响。结果发现在均质压力为100 MPa时，乳化性达到最高。这可能是由于高压均质可使花生蛋白酶解物的粒径变小，溶解性增大；同时蛋白酶解物的柔性增大，吸附到乳状液表面量增多，乳化性增强。但均质压力过大时(>100 MPa)，可能会使花生蛋白酶解物聚集，乳化性下降。Wang等[41]研究了超微粉碎处理时间对转谷氨酰胺酶交联乳清分离蛋白结构、理化及乳化性能的影响。结果发现超微粉碎结合转谷氨酰胺酶处理后乳清蛋白的乳化性和黏度高于单独转谷氨酰胺酶处理乳清蛋白的乳化特性和黏度。这是因为超细粉碎处理可以提高转谷氨酰胺酶交联度，从而改善了转谷氨酰胺酶交联乳清蛋白的乳化性。

3 展望

通过物理、化学以及酶法改性对蛋白质的结构进行修饰，可以得到乳化性较好的蛋白质，对于单一改性方法，控制改性过程参数是得到具有理想乳化性蛋白质的关键。随着单一物理化学方法被广泛用于修饰蛋白质，多种高新技术相结合来改善蛋白质的乳化性是今后蛋白质改性研究的一个主要发展方向，且研究协同相互作用的内在机理是以后研究需要解决的问题。另外，随着更多新型技术的诞生，采用更新颖和更高新的技术进而更有效地改善蛋白质的乳化性也是今后的一个研究方向。