挤压能量作用对蛋白质分子质量的影响研究进展

李淑静，张 波，魏益民*，房岩强

(中国农业科学院农产品加工研究所，农业部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193)

摘 要：蛋白质经过挤压后形成的纤维状结构与蛋白质分子质量及其分布有密切关系。挤压过程中的热、压力和机械剪切力等作用通过改变蛋白质分子内能，使蛋白质分子质量发生改变，进而影响挤出产品的质构特性。本文综述食品加工中热、压力、机械剪切力和挤压作用对蛋白质分子质量的影响。加热使蛋白质发生聚集，分子质量增大；蛋白质分子质量随处理压力的增加呈现出先增大后减小的趋势；机械剪切力对蛋白质分子质量具有两方面的影响，使蛋白质聚集或降解。挤压后蛋白质分子质量增加，挤压过程中的热、压力和机械剪切力通过复杂的协同或叠加来控制蛋白质分子质量增加的程度。

关键词：挤压；热；压力；机械剪切；蛋白质分子质量

A Review on Effect of Extrusion Energy on Protein Molecular Weight

LI Shu-jing，ZHANG Bo，WEI Yi-min*，FANG Yan-qiang

(Key Laboratory of Agricultural Product Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Abstract：The formation of the fibrous structure of extrudates in extrusion cooking is closely related to the molecular weight distribution of proteins. During extrusion cooking, protein molecular weight is changed by various energy fields, including thermal energy, pressure and mechanical energy, and then influences the texture properties of the extrudates. The effect of thermal, pressure, mechanical energy and extrusion on molecular weight of proteins were summarized. Thermal energy can induce protein aggregation and increase protein molecular weight. The protein molecular weight reveals an initial increase and a final decrease with the increase of the pressure. The mechanical energy can induce protein to aggregate or disaggregate. The protein molecular weight can reveal an increase after extrusion, and the degree is determined by the synergistic or duplicate effect of thermal, pressure and mechanical energy.

Key words：extrusion；thermal；pressure；mechanical；protein molecular weight

中图分类号：TS201.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)21-0399-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201321078

食品挤压加工是指物料经预处理(粉碎、调湿、混合)后，在机筒内同时受到螺杆的推动作用和节流装置的反向阻滞作用，以及热和压力的作用，物料发生熔融变性，然后通过一个专门设计的模具，以形成具有一定形状和组织结构产品的过程。挤压是一个多阶段或多功能、高温短时的连续热机械操作过程，包括混合、水合、剪切、均化、压缩、脱气、灭菌、流定向、成型、膨化和纤维化等多个单元操作[1]。挤压技术具有以下优点：l)原料适用性广，产品种类多；2)浪费少，无废弃物，生产效率高；3)营养损失小，有利于消化吸收。目前，挤压技术广泛应用于粮油、食品、发酵、饲料、医药等领域[2]。

物料经过挤压加工形成新的结构和质地，其本质原因可能在于物料分子结构受到挤压加工热、压力和机械等能量作用下发生的变化。分子结构的变化可能包括分子质量、化学键等。相比较而言，有关分子质量的研究较多，并且蛋白质的平均分子质量与挤出产品抗拉伸力、咀嚼度等表征强度的特性有一定的相关；平均分子质量越小，强度越弱[3]。高分子质量谷蛋白亚基与低分子质量谷蛋白亚基含量的比值与面包体积呈显著正相关(r=0.64，P＜0.001)，与面包总分呈显著正相关(r=0.43，P＜0.05)[4]。

研究挤压过程中的热、压力和机械剪切3种作用与蛋白质分子质量变化的关系，有助于控制蛋白质分子质量变化方向和程度，进而控制产品质量。本文在整理现有研究结果的基础上，讨论热、压力和机械剪切力作用下蛋白质分子质量的变化。

1 热处理与蛋白质分子质量变化的关系

热处理是食品加工的重要手段之一，也是对蛋白质分子质量影响较大的处理方式之一，影响的程度取决于原料特性、热处理的温度和时间等因素。蛋白质在热处理过程中发生的化学反应主要有变性、分解、聚集、交联等。

前人普遍认为，蛋白质经过热处理后会发生变性，蛋白质分子聚集。Petruccelli等[5]将7%的大豆分离蛋白溶液于80℃的条件下加热30min，没有观察到聚集体。Cramp等[6]将8%的大豆分离蛋白溶液在95℃条件下加热3h，SDS-PAGE图谱显示大豆分离蛋白的亚基发生了聚集。Tomohiko等[7]将0.5%和5%的大豆球蛋白溶液在100℃条件下加热1min，电泳图谱显示蛋白质发生了聚集；继续加热，聚集体(分子质量8000kD)尺寸增大并且形成沉淀。Petruccelli等[5]认为只有当温度大于85℃时，大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白完全变性后，才能发生聚集反应。由此可见，大豆蛋白的热聚集在80～100℃间存在临界值，只有在高于临界温度的条件下蛋白质才会聚集。LI Xianghong[8]、董蝶[9]等发现随着大豆蛋白质量浓度的增加，热处理后，分子质量为2×102～1×103kD的组分所占比例逐渐降低，取而代之的是分子质量大于1×103kD
的聚集体所占比例增加，说明蛋白质的热聚集程度受原料浓度的影响。Traore等[10]将猪的肌肉在100℃条件下分别加热10min和30min，采用光散射法研究发现，加热10min内，蛋白质迅速聚集，聚集体增加了345%；之后保持稳定。可见，热处理不仅能使植物蛋白发生聚集，也能使动物蛋白发生聚集。

蛋白质受热发生聚集反应可能的机理是：一方面，高温打破了天然蛋白质的结构，蛋白质伸展，暴露出硫醇基团和疏水性残基，氢键发生断裂，使蛋白质分子降解成分子质量相对较小的片段，片段间通过二硫键形成较大的聚合体；另一方面，温度显著影响反应动力学，增加温度会增加反应物的热动能，使反应物具有足够高的碰撞频率来克服活化能。因此，蛋白质的聚集速度增加[11]。

2 压力作用与蛋白质分子质量变化的关系

高压处理是近年来发展较快的食品加工技术。通常在常温或较低温度下进行。压力使食品中的生物大分子失活、变性或糊化，而食品天然味道、风味和营养价值不受或很少受影响，具有低能耗、高效率等特点。

研究发现，压力大小不同，对蛋白质结构的影响规律不同。Puppo[12]和Chapleau[13]等分别将大豆分离蛋白和羽扇豆蛋白在200MPa的压力条件下处理10min，发现两种蛋白质的SDS图谱都没有发生变化，表明蛋白质的分子质量无变化。Martinez等[14]从分子尺寸的角度出发，对压力与蛋白质分子质量的关系进行研究后发现，0(对照)、100、200、300MPa压力条件下处理的大豆分离蛋白粒径分别为0.131、8.816、0.172、0.150µm。Speroni等[15]的实验证明，处理压力从常压(对照)升高至600MPa时，蛋白质溶解度先下降后上升。Tang Chuanhe等[16]采用体积排阻色谱、多角度激光散射仪、傅里叶变换红外光谱研究200～600MPa压力条件下处理15min的大豆分离蛋白的聚集程度，发现200MPa的高压处理能产生不溶性大豆分离蛋白聚合物；但当压力高于200MPa时，可溶性聚集体(分子质量大约为5200kD)所占的比例显著增加(P＜0.05)，不溶性聚集体数量减少。当压力分别为0.1(对照)、200、400、600MPa时，蛋白质的重均分子质量分别为7.63×103、1.63×104、5.17×103、5.16×103 kD，呈现先增加后降低的趋势。这表明400MPa以上的压力处理足够长的时间使最初形成的聚集体进一步分解成较小的聚集体。Jung等[17]研究发现大豆蛋白经过500MPa的高压处理后，分子质量大于158kD的组分含量降低，分子质量小于158kD的组分含量增加。表明高压使高分子质量蛋白质发生分解。由此推测，较低压力处理后，大豆蛋白发生了聚集反应，促使蛋白质分子质量增高；但较高压力处理反而会引起蛋白质聚集体的解聚，造成其向小分子质量方向转变。

动物蛋白与植物蛋白受到高压作用后分子质量的变化有所不同，董晓颖等[18]将虾过敏蛋白在100、200、300、40、500MPa的压力条件下处理45min，结果显示，样品分子质量大小没有发生变化，说明高压处理对虾过敏蛋白分子质量没有影响。可能是由于高压不能使虾肌纤维中肌球蛋白的四级结构发生解聚、交联或裂解，从而不能生成一些小颗粒的亚基单位或者分子质量更大的蛋白质。

3 机械剪切与蛋白质分子质量变化的关系

蛋白质在天然状态下，二硫键的形成速度很慢，但当蛋白质受到机械剪切等作用时，其形成速度将会被大幅提高，从而促进蛋白质分子的聚集交联[19]。Morel等[20]也发现，小麦面筋蛋白与丙三醇在搅拌混合(搅拌速率100r/min)的过程中，随搅拌时间的增加，蛋白质自由巯基含量不断增加，促进了蛋白质亚基之间的聚集交联。张彩猛等[21]研究了10000r/min高速剪切对大豆浓缩蛋白(SPC)在磷酸盐缓冲液中溶解特性的影响，结果显示，未处理SPC溶出的蛋白质分子的分子质量主要分布在130kD左右；经高速剪切处理5min后SPC的溶出量减少，溶出SPC的分子质量主要分布在200kD左右；随着剪切时间的增加，蛋白质的溶出量逐步减少，溶出蛋白质的分子质量逐步增加。但是，刘永乐等[22]研究了6%的大米蛋白溶液黏度与剪切速率的关系，发现溶液黏度随剪切速率的增加而降低，表明蛋白质的分子质量减小。

上述结果表明，剪切力能显著地改变蛋白质分子质量，但是对于剪切作用使蛋白质发生聚集或者分解没有形成统一的认识，这是因为机械剪切对蛋白质分子质量具有两方面的作用：一方面，机械剪切可以使蛋白质分子暴露出更多的巯基基团。在氧气的参与下，巯基基团发生氧化反应，从而促进二硫键的形成。二硫键交联使蛋白质分子聚集，形成分子质量较大的聚集体。另一方面，高速剪切作用可以对蛋白质颗粒产生强烈的剪切、拉伸和挤压作用，使蛋白质颗粒发生破裂，粒径变小，分子质量减小。

4 挤压加工能量作用与蛋白质分子质量变化的关系

与加热、加压和搅拌相比，挤压加工的特点在于同时存在热、压力和机械剪切等作用。理论上分析，蛋白质分子质量在挤压加工中的变化可能是3种作用的叠加或协同效应。

Morel等[20]发现，小麦面筋蛋白在仅受到热的作用时，其蛋白质分子聚集的活化能为137～300kJ/mol；当同时存在剪切作用时，其活化能降为33.7kJ/mol。Puppo等[23]发现，当压力小于400MPa时，提高温度(20～60℃)会促进大豆分离蛋白分子聚集；但当压力大于400MPa时，提高温度(20～60℃)反而会导致蛋白质的聚集程度降低。Fang Yanqiang等[24]通过改变螺杆构型，研究了单位机械能耗与蛋白质分子质量的关系，发现挤压后蛋白质重均分子质量高于挤压前；挤压后蛋白质分子质量随着单位机械能耗的增加而降低。证明挤压过程中的热、压力和剪切力共同影响蛋白质的分子质量。

Chen Fengliang等[25]在机筒温度为150℃的条件下对大豆分离蛋白进行挤压，发现挤出后大豆分离蛋白中7S/11S比例显著降低，表明大豆分离蛋白发生了聚集，高分子质量亚基增多。朱永义等[26]采用单螺杆膨化挤出机对糙米进行挤压膨化，比较膨化前后的蛋白谱带，发现未处理糙米的全蛋白分子质量由43、31、20.1、17.2、14.4kD的谱带组成，而挤出物增加了分子质量为97.4kD和66.2kD的两条谱带，说明挤压使蛋白质亚基聚集。这是因为挤压过程会促进二硫键交联，从而促进蛋白质聚集[27]。

魏益民等[3]固定挤压机喂料速率20g/min，螺杆转速160r/min，Ⅰ～Ⅴ区温度分别为80℃—110℃—150℃—135℃—80℃，通过调节物料水分含量(28%和60%)改变挤压作用强度，发现高水分(60%)条件下挤压机各区样品中蛋白质的平均分子质量均显著高于低水分(28%)条件下蛋白质的平均分子质量(P＜0.01)。分析可能是因为低水分含量挤压时，水合变性的蛋白质分子受螺杆机械剪切作用而聚集成大分子的程度较低；而高水分含量条件下挤压时，蛋白质分子受到螺杆的机械剪切作用减弱，受水分塑化作用形成大分子的程度增加。这与Vaz等[28]的观点一致。

Fang Yanqiang等[24]固定喂料速率30g/min，物料水分含量50%，螺杆转速160r/min，机筒Ⅰ～Ⅴ区温度80℃—110℃—150℃—135℃—80℃，通过改变螺杆构型获得不同的单位机械能耗，发现挤压机单位机械能耗从839.81kJ/kg增加至1277.01kJ/kg时，大豆分离蛋白挤出物的分子质量从2.688×106g/mol降低至2.340×106g/mol，表明蛋白质分子质量随着挤压机械能的增加而降低。

多数研究表明，蛋白质挤压过程一般不涉及肽键等主化学键的断裂或改变，也基本上不会形成异肽键，主要涉及维持蛋白质高级结构的较弱的相互作用力的改变[29]。较多研究者认为挤压过程中新的二硫键交联是蛋白质聚集的主要作用力[30-33]。Li等[34]对小麦蛋白进行挤压，结果显示，挤出物中在十二烷基磺酸钠-磷酸盐缓冲液中不可溶的组分在十二烷基磺酸钠-巯基乙醇溶液中可被溶解，证明挤压过程中小麦蛋白聚集的主要作用力是二硫键交联。

由以上分析可知，蛋白质经过挤压加工后发生聚集，分子质量增加。挤压过程中不同操作条件对蛋白质分子质量的作用趋势和幅度不同，热作用可能与蛋白质聚集有关，剪切力可能与蛋白质解聚有关，目前尚未见挤压过程中压力对蛋白质分子质量影响的研究报道。

5 结 语

蛋白质经加热处理后，发生聚集反应，促使蛋白质分子质量显著增大。蛋白质分子质量随着处理压力的增加呈现出先增加后降低的趋势。机械剪切作用显著影响蛋白质的分子质量，目前对于剪切作用使蛋白质发生聚集或者分解没有形成统一的认识。挤压过程中物料含水率、机筒温度、螺杆构型、螺杆转速、模头等通过影响输入物料的热能、压力、机械能等影响蛋白质分子质量。不同能量的作用趋势和幅度存在差异，挤压过程中的热和压力可能促使蛋白质聚集，而剪切力可能引起蛋白质降解。挤压过程中的热、压力和剪切力3种作用通过复杂的协同或叠加来控制蛋白质的分子质量，因此还需进一步研究挤压过程中压力对蛋白质分子质量的影响及不同形式能量对蛋白质分子质量变化的贡献率。

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