phymath999: December 2012

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气功外气对生物分子构象作用的研究之一北京大学褚德萤教授专栏 2007.08 联络方式：chudy0001@sina.com 访问1799 支持0
山风论坛试运行http://sea3000.net/bbs 褚德莹贺卫国周永芬杨文治陈秉才*

北京大学化学与分子工程学院 * 北京大学图书馆北京 100871

摘要

本文用 J500-C型圆二色谱仪测定聚谷氨酸和聚赖氨酸、金属硫蛋白和氨基酸等生物分子的圆二色(CD)谱, 研究气功师发放的外气对生物分子构象的作用. 意图从分子结构与功能的关系阐明气功外气对生命机体的作用. 对14 位气功师多次实验的结果表明: 与对照样比较,气功师发放外气能够使试样水溶液的圆二色谱发生明显变化,其特征峰椭圆率改变值Δθ一般在1×103—10×103度·厘米2·分摩尔-1, 最大变化可达93.88×103 度·厘米2·分摩尔-1; 椭圆率变化可正可负,视不同气功师或同一气功师不同手法而定; 圆二色谱变化的结果表明气功外气可使生物分子构象发生改变,对同一样品可使其朝更加有序的方向变化, 也可使其朝无序方向转化; 实验还表明由外气引起的变化经一定时间后有恢复原状的趋势.

关键词: 气功外气, 生物分子构象, 圆二色谱, 有序与无序.

对于气功外气是否存在和如何与生命机体相作用的问题, 我们从没有主观意识的, 而又是组成生命体的基本物质材料着手, 从物质结构和功能的关系这个.基本层次出发进行研究.
蛋白质分子是组成生命机体的基本物质之一, 是生命的物质基础, 生命是物质运动的特殊形式, 是蛋白质的存在方式. 研究气功外气对生命体的作用首先就会考虑外气对蛋白质分子如何作用. 如果假设气功外气破坏或改组蛋白质分子, 就会涉及分子内旧键断裂, 新键生成. 化学键改组往往需要较大能量, 而且此过程通常不是简单可逆的, 而一般练功人进入气功态和退出气功态的过程极快, 身体没有大的变化, 因此无论从热力学还是从动力学看, "气"使体内蛋白质分子破坏或改组的可能性是不大的. 但是假设在外气作用下蛋白质分子中某些可旋转的化学键和肽面调整方向, 从而改变分子构象, 从能量角度看是可能的和比较合理的.

物质的结构与功能之间的关系是当代科学研究的基本问题之一. 生物分子的结构与功能是现代生命科学和分子生物学研究的基本课题之一. 研究人体科学和外气对生物分子的作用仍然离不开这个基本思想. 生命体内各种生物分子都执行一定的生物功能, 改变或破坏生物分子结构就使生物分子丧失正常的生物功能.
分子构象是分子的高级结构,是指分子中各个原子除了按一定的化学键相联以外还按照一定的结构进行空间排列, 在一定条件下的空间相对位置确保分子整体能量处于最低状态, 从而生命体系的自由能最低.
生物大分子通常有螺旋状,折叠状,无规卷曲状等构象.它的高级结构还包括一些特殊功能团的取向. 在蛋白质中还涉及肽面的的两面角大小及取向. 在生命正常状态下的分子构象若遭到破坏, 轻则生病, 重则死亡. 蛋白质在高温下变性, 就是使蛋白质结构从构象有序态(螺旋,折叠等)变为无序态(无规卷曲)的典型例子. 蛋白质变性导致生物体死亡.
根据上述思想我们设计了气功外气对生物分子构象作用研究的实验. 圆二色谱是反映生物大分子构象改变较灵敏的实验方法. 本文用实验检验外气是否能使分子构象发生改变, 力图从一个侧面回答气功外气是否客观存在以及外气如何作用于生命机体的问题.
我们与功德兼备, 对气功科研抱探索精神的气功师合作, 进行了一系列实验.

材料和方法
用J-500C型自动记录圆二色谱仪(日本岛津公司)测定样品的圆二色谱(简称CD谱). 以蛋白质构象的模型肽-聚谷氨酸(P-D-GLU, 分子量14000, Sigma, USA), 聚赖氨酸(P-D-LYS, 分子量13000, Sigma, USA), 和脱金属硫蛋白(apo-MT), 半胱氨酸(Cys)等为试样. 为避免异时异地受到其它因素干扰采用现场发功当时测谱的办法, 在室温下, 取同一试样两份, 其一为受试样, 另一份为不被外气作用的对照样, 分别放入1cm石英池中, 在相同条件下测定它们的CD谱. 将对照样移放另室, 请气功师对受试样现场发功, 采用的功法和发气的时间由气功师自定.要求气功师在发气时不得接触样品池, 不得照相, 避免体温和闪光灯的干扰, 发气完毕, 立即测定其CD谱并与原谱对比. 随即取回对照样, 重新测定其CD谱, 与原图及受试样对比.
当气功师不在场时, 另外在 pH 7.8, 6.7, 6.3, 5.0 下分别测定D-聚谷氨酸的CD谱. 将外气引起CD谱的变化与pH值改变引起的变化相对比. 还作了一般人的对照实验.

结果与讨论
本实验从1990年9月始至1996年7月, 先后邀请14位气功师进行了40余组实验, 结果见表1(篇幅所限, 未列全). 由表1, 除两人的测试结果无明显改变外其他人发外气作用于受试样都能使其CD谱发生明显变化.特征峰处椭圆率θ一般产生1×103度·厘米2·分摩尔-1以上的变化, 最大改变可达92.0×104度·厘米2·分摩尔-1. 同时进行的对照样测定一般无明显改变. 其中比较典型的图谱见图1和图2.
由图1和表1, No.26 , D-聚谷氨酸样品在浓度0.98×10-5 mol/L, pH6.65的条件下的CD谱在205nm和222nm处出现双峰, 在气功师发放外气的作用下峰值明显下降, 峰型基本未变. 椭圆率θ在205nm, 222nm分别下降65和 92×104度·厘米2·分摩尔-1(dgr·cm2·dmol-1). 将此结果与图3对照, 在pH7.8, 6.7, 6.3, 5.0下分别测定D- 聚谷氨酸的CD谱 (气功师不在场), 实验表明D-聚谷氨酸CD谱的双正峰值随pH下降, 并且改变形状, 双正峰标志聚肽的结构高度有序, 主要为螺旋状, 负峰
出现标志分子构象中无序度增大, pH6.3 标志以折叠结构为主, pH5.0时双峰消失, 出现225nm负峰和 232nm正峰, 可能以无规卷曲形态为主. 介质酸性增加, 聚谷氨酸结构向无序转化, 是由其残基带有羧基所决定. 将图1的结果叠加在图3上可发现在外气作用下, D-聚谷氨酸CD 谱的变化趋势与减少介质pH值时相似但谱形不同. 由图3可推测在这次实验中外气使受试样品的结构无序度增大了, 但与pH 值减小引起的变化有所不同. 说明CD谱改变不是通过pH值改变引起的, 很可能是外气直接作用于聚肽分子产生的. 图2(表1, No.13)所示在外气作用下半胱氨酸与铂氨络离子体系在pH2的CD谱由1到2发生明显改变, 随后气功师意念使体系复原改变手法, 再次对样品发气, 测得CD谱由2向3改变, 表明外气能使体系朝复原的方向变化. 对聚赖氨酸等的实验也多次发生类似情况(见表1, No.2, 14, 22, 23).
39组实验结果表明: (1)在气功外气作用下聚谷氨酸和聚赖氨酸及脱金属硫蛋白, 半胱氨酸与铂氨络离子体系的圆二色谱发生明显的变化, 其特征峰的椭圆率峰高一般产生1—10×103度·厘米2·分摩尔-1以上的变化, 最大变化可达92×104度·厘米2·分摩尔-1; (2)椭圆率改变Δθ可正可负,视不同气功师或同一气功师不同手法而定;(3) 实验还表明由外气引起的变化经一定时间后有恢复原状的趋势(表1, No.3, 4). 圆二色谱变化的结果表明气功师在发放外气时因不同意念和手法可使同一样品的构象朝更加有序的方向变化, 也可使其发生逆转朝无序方向变化.

对本文实验结果我们有以下认识: 首先, 因为实验材料是不为人脑意识控制的分子材料, CD谱的改变表明气功师发外气确实对生物分子构象发生了作用, 排除了对人体实验时产生自我体验的诱导效应和被试者的心理效应, 从更深层次上确证外气存在的客观性.
其次, 因为改变蛋白质等生物分子的构象不是靠断裂分子中的化学键来实现的, 而是靠旋转连接肽面的某些能转动的化学键来实现的, 它所需要的能量比断裂化学键小得多, 但是也需要外界提供能量或使分子微环境发生变化才能实现. 外气使生物分子构象发生变化, 可以有力地证明外气提供了使分子构象改变所需的能量.
第三, 对于"外气如何与生命机体相作用?"提出了一种可能的模式. 即外气能调整和改变蛋白质等生物分子构象, 从而产生治病、强身健体、延缓衰老等效应.
关于气功外气对生物分子的作用曾有报导[1,2]表明外气使生物分子的紫外吸收光谱发生改变, 证实生物分子变性或结构发生某些变化. 本文根据圆二色谱实验结果明确提出气功外气能使蛋白质等生物分子的构象发生改变. 我们认为使生物分子构象发生改变, 是外气和内气与生命机体作用的根本途径之一. 生物分子在外气作用或内气锻炼中,可发生构象的变化从而引起一系列生理或功能反应. 由此推论: 气功师发放外气可以为人治病, 气功锻炼调动内气可以使体内分子各原子间相对位置更加有序化, 使体内产生负熵, 因而延缓衰老甚至长寿.

致谢
作者诚挚地感谢李夫志等十几位气功界老师对实验所作的无私贡献. 衷心感谢林宏裕气功科研基金于1994年和1996年提供的经费支持, 感谢美国程行中先生提供部分实验材料, 以及北京大学中华气功学会的一贯支持.

参考文献
1. 严新, 郑昌学等, 气功外气对核酸溶液紫外吸收影响的观察, 气功科学文集, 第1 集, 胡海昌, 吴祈跃主编, 北京理工大学出版社,1989年.
2. 周广跃, 年福生等, 气功外气对活性生物大分子作用的研究, 气功科学文集, 第Ⅱ集, 胡海昌, 胡祈跃主编, 北京理工大学出版社,1989年.

表1. 1990-1996年气功外气对生物分子构象作用实验总表

No 日期气功师试样浓度×104/M pH CD峰/nm Δθ

1 90. 9 F. Li PGlu 3.2 3.1 190 -3.10

2 90. 9 F. Li PLys 10 6.4 215 +1.40

改手法 215 复原

3 90. 9 F.Li apo-MT2 0.183 2.0 215 +54.6

半小时后 220 复原

4 90.11 F.Li PLys 10 6.4 215 +0.50

半小时后复原

5 90.11 F.Li PLys 10 6.4 220 +10.0

6 90.11 F.Li PGlu 1.3 4.4 220 +3.85

7 91. 9 Zhao PGlu 6 180-300 未变

8 Zhao PGlu 19.3 180-300 未变

9 Zhao PGlu 9.7 180-300 未变

10 91.10 F.Li PLys 1 6.4 215 +5.0

195,205 +7.5

11 94.11 F.Qiu PLys 1.03 5.0 223 -9.70

12 94.11 F.Qiu PGlu 0.98 5.0 223 -8.16

13 94.11 F.Qiu Cys 4.74 2.0 228 -1.6

意念复原 228 +0.63

14 94.12 J. Xu PLys 1.03 4.75 223 -5.83

改换手法 223 +15.5

15 94.12 Y.Zhu PLys 1.03 4.75 223 -8.74

16 94.12 Y.Zhu PLys 1.03 4.75 223 +4.85

17 94.12 C.Zhu . PLys 1.03 4.75 223 -1.94

18 94.12 C. Zhu Cys 4.74 2.0 232 +0.42

19 J.Xu Cys 4.74 2.0 228 +2.53

20 94.12 Tong PLys 1.03 4.75 223 +19.4

22 Tong Cys 4.74 2.0 233 + 0.63

23 X.Hu Cys 4.74 2.0 233 复原

24 95.1 J.Li. PLys 1.03 4.97 221 +1.94

25 95.1 Tong PGlu 0.98 7.84 207,220 -51.0

26 95.1 X.Hu PGlu 0.98 6.65 207 -650

222 -920

* Δθ= ( 表中数字)×103dgree·cm2·dmol-1
M = mol dm-3

续表1.

No	日期	气功师	试样	浓度×104/M	pH	CD峰/nm	Δθ
27	95.6	Zhong	PLys	1.03	7.0	223	+12.6
28	95.6	Zhong	PGlu	0.98	5.4	224	-2.04
29	95.7	Mon	PGlu	5.0	5.4	224	+1.00
30	95.7.	Cheng	PGlu	3.0	5.4	224	-1.67

气功外气对生物分子构象作用的研究

褚德莹贺卫国周永芬杨文治陈秉才*

北京大学化学与分子工程学院
* 北京大学图书馆北京 100871

摘要

本文用 J500-C型圆二色谱仪测定聚谷氨酸和聚赖氨酸、金属硫蛋白和氨基酸等生物分子的圆二色(CD)谱, 研究气功师发放的外气对生物分子构象的作用. 力图从分子结构与功能的关系阐明气功外气对生命机体的作用. 对14 位气功师多次实验的结果表明: 与对照样比较,气功师发放外气能够使试样水溶液的圆二色谱发生明显变化, 其特征峰椭圆率改变值Δθ一般在1×103—10×103度·厘米2·分摩尔-1, 最大变化可达93.88×103 度·厘米2·分摩尔-1; 椭圆率变化可正可负,视不同气功师或同一气功师不同手法而定; 圆二色谱变化的结果表明气功外气可使生物分子构象发生改变,对同一样品可使其朝更加有序的方向变化, 也可使其朝无序方向转化; 实验还表明由外气引起的变化经一定时间后有恢复原状的趋势.

关键词: 气功外气, 生物分子构象, 圆二色谱, 有序与无序.

一. 问题
1. 气功外气是否客观存在?
2. 外气如何作用于生命机体?
二. 学术思想
1. 生命与蛋白质的关系
(1). 蛋白质是生命的物质基础,
(2). 生命是物质运动的特殊形式,是蛋白质的存在方式
2. 物质的结构与功能的关系
蛋白质的结构
一级结构: 氨基酸的组成和顺序
二级结构: 原子或取代基因单键旋转肽面的的两面角大小及取向形成的立体结构-构象
有序构象- α-螺旋, β-转角, β-折叠
无序构象- 无规卷曲
三级结构: 结构域
四级结构: 亚基聚集体
基本假设: 蛋白质分子构象在外气的作用下可能发生改变.

三. 材料和方法
1. 用J-500C型自动记录圆二色谱仪(日本岛津公司)
测定样品的圆二色谱(简称CD谱).
2. 试样: 聚谷氨酸(P-D-GLU,分子量 14000,Sigma,USA)
聚赖氨酸(P-D-LYS,分子量13000,Sigma,USA)
半胱氨酸, 金属硫蛋白
3. 在室温下, 取同一试样两份,
1) 发功样与对照样对比,分放两室;
发功后与发功前对比, 用同一样品;
2) 现场发功,当时测谱,避免异地异时干扰;
3) 发功时手不许接触样品池;
不许照相, 避免体温, 闪光灯及其它人的干扰.
4. 将外气引起CD谱的变化与pH 值改变引起的变化相对比. 分析其变化趋势.

四. 结果和讨论
1. 统计结果: 见表1, 1990年9月-1996年7月, 14位气功师进行41组实验(表1未全列出). 两人的结果无明显改变, 其他人都有明显变化.
椭圆率峰高改变一般5毫度以上,最大可达92毫度[注].
同时测定对照样一般无明显改变.
作过一般人的对照实验, 无改变.
2. 典型图谱:
图1, D-聚谷氨酸,浓度0.91×10-5mol/L, pH6.65, CD谱在 205nm 和222nm处出现双峰,在外气作用下峰值明显下降,峰型基本未变.
椭圆率θ在205nm,222nm分别下降7和 11× 103dgree·cm2·dmol-1

图3, 在pH7.8, 6.7, 6.3, 5.0下分别测定D-聚谷氨酸的CD谱 ( 气功师不在场).
D-聚谷氨酸CD谱的双正峰值随pH下降, 并且改变形状,
弱碱性溶液中, 双正峰标志聚肽的结构高度有序, 主要为螺旋状,负峰出现标志分子构象中无序度增大,
pH 6.3 标志以折叠结构为主, pH5.0时双峰消失, 出现225nm负峰和 232nm正峰, 可能以无规卷曲形态为主. 介质酸性增加,聚谷氨酸结构向无序转化, 是由其残基带有羧基所决定.

将图1叠加在图3上: 外气作用下, D-聚谷氨酸CD 谱的变化趋势与减少pH值相似但谱形基本未变. 推测在这次实验中外气使受试样品的结构无序度增大了, 但与pH值减小引起的变化有所不同.

图2, 外气作用下半胱氨酸与铂氨络离子体系在 pH2的CD谱由1到2发生明显改变, 随后气功师意念使体系复原再次对样品发气,测得CD 谱由2向3改变, 表明外气能使体系朝复原的方向变化.

结果:
(1)在气功外气作用下模拟蛋白质及氨基酸分子体系的圆二色谱峰高发生5 m。以上的变化,最大变化可达92 m。;
(2)椭圆率改变Δθ可正可负, 视不同气功师或同一气功师不同手法而定. 气功师在发放外气时用不同意念和手法可使同一样品的构象朝更加有序的方向变化, 也可使其发生逆向变化即朝无序方向变化.
(3)由外气引起的变化经一定时间后有恢复原状的趋势.

注: 椭圆率值按下式计算:
[θ]/dgre·cm2·dmol-1 =(灵敏度×峰高)/(样品浓度×样品池长)

致谢
作者诚挚地感谢李夫志等十几位气功界老师对实验所作的无私贡献. 衷心感谢林宏裕气功科研基金于1994年和1996年提供的经费支持, 感谢美国程行中先生提供部分实验材料, 以及北京大学中华气功学会的一贯支持.

参考文献
1. 严新, 郑昌学等, 气功外气对核酸溶液紫外吸收影响的观察, 气功科学文集, 第1 集, 胡海昌, 吴祈跃主编, 北京理工大学出版社,1989年.
2. 周广跃, 年福生等, 气功外气对活性生物大分子作用的研究, 气功科学文集, 第Ⅱ集, 胡海昌, 胡祈跃主编, 北京理工大学出版社,1989年.

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胶凝作用是指蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构的过程

第五节 蛋白质

蛋白质存在于一切生物体内，在细胞的结构和功能中起着十分重要的作用。根据蛋白质的元素分析，发现其元素组成与糖类和脂类不同，除含有碳、氢、氧以外，还含有氮和少量的硫，有些还含有磷、铁、铜、碘、锌、钼等。蛋白质的平均含氮量为16%，这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算依据。蛋白质的基本结构单位是氨基酸，蛋白质分子中的氨基酸残基依靠肽键连接。生物界中蛋白质的种类数估计在10¹⁰～10¹²数量级之间，造成种类如此众多的原因，主要是20种参与蛋白质组成的氨基酸在肽链中的排列顺序不同所引起的。蛋白质的这种顺序异构现象是蛋白质生物功能多样化和种属特异性的结构基础。

根据其分子组成，蛋白质可以分为两类。有些蛋白质完全由氨基酸构成，称为简单蛋白质。简单蛋白质又可根据其物理化学性质分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、组蛋白、鱼精蛋白、硬蛋白等。而另有一些蛋白质除了蛋白质部分外，还含有非蛋白质成分，这类蛋白质称为结合蛋白质。结合蛋白质的非蛋白质部分称为辅助因子。结合蛋白质又可按辅助因子成分分为核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、血红素蛋白、黄素蛋白、金属蛋白等等。

每一种蛋白质都有其特定的三维结构。蛋白质分子中氨基酸的排列顺序仅仅是蛋白质最基本的结构，叫做蛋白质的一级结构。而蛋白质的二级结构和三级结构与多肽链三维结构有关。有些蛋白质由数条充分折叠、卷曲的多肽链缔合，组成蛋白质的最高级结构，称为四级结构。在蛋白质的四级结构中，具有三级结构的多肽链单元称为亚基。蛋白质的三维结构主要由一些非共价键维系。

食品加工的对象是一切具有可食特性的生物材料，而所有的生物材料中都含有蛋白质。蛋白质是食品的主要营养成分，它除了为机体提供各种氨基酸和含氮物质所需的氮源外，在决定食品的色、香、味及结构特征上都有很重要的作用。因此，了解蛋白质的组成、结构、功能和性质，及其在加工过程中所发生的变化，具有很重要的实际意义。

一、蛋白质的结构及其中的主要作用力

蛋白质是以氨基酸为单位而构成的大分子物质，结构非常复杂。蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的连接方式和排列顺序。在蛋白质分子中氨基酸彼此以肽键相连呈链状结构。肽链中的肽键是一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合而成的酰胺键。蛋白质一级结构不但影响蛋白质的基本性质，也会使二级和三级结构有所不同。蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。多肽链的二级结构主要是a-螺旋结构和β-折叠结构。它们是依靠分子内形成的氢键维持其稳定性。二级结构的肽链进一步折叠、卷曲可形成复杂的三级结构。蛋白质的三级结构大部分为球形，但也有纤维状等其他形状的蛋白质。稳定蛋白质三级结构的化学键有离子键、氢键、二硫键、范德华力及非极性的疏水作用力等，这些作用力和键可统称为次级键。在蛋白质三级结构中，依靠次级键作用，亲水性的极性R基团位于分子表面，而非极性的R基团则位于分子内部，从而提高了蛋白质在水溶液中的溶解度。蛋白质四级结构是指在三级结构基础上两条或多条多肽链以特殊方式结合形成的有生物活性的蛋白质。例如，血红蛋白是由两条a-链和两条β-链组成的聚合体，这些多肽链称为亚基或亚单位。蛋白质四级结构是蛋白质亚基间次级键作用的结果。

蛋白质的一级结构是基础结构，而蛋白质的二、三、四级结构为高级结构，即空间结构（构象）。蛋白质的功能表现依赖于空间结构的稳定。维持蛋白质空间结构的作用力和键有以下几种类型（图1- 4）：

图1-4 维持蛋白质分子构象的化学键

1.离子键 2.氢键 3.疏水键 4.范德华引力 5.二硫键

1．范德华引力范德华引力的实质是静电引力。它包括三种力：（1）二个极性基团偶极之间的静电吸引（取向力）；（2）极性基团的偶极与非极性基团的诱导偶极之间的静电吸引（诱导力）；（3）二个非极性基团瞬时偶极之间的静电吸引（色散力）。范德华引力参与维持蛋白质的三、四级结构。

2．氢键与电负性较大、原子半径较小的X原子（如N、O等）共价结合的氢原子，还可以与另一个电负性较大、半径较小的Y 原子（如N、O等）结合，所形成的第二个较弱的化学键，即为氢键。氢键一般指：X-H…Y，但亦有人指：H…Y之间的结合力。

氢键对维持蛋白质分子的二级结构起主要的作用，对维持三、四级结构亦有一定的作用。

3．疏水作用力两个或两个以上的疏水基团（非极性基团），由于周围的极性水分子对它们的排斥，而被迫彼此接近，这时，由于范德华引力而互相结合，这种结合力称为疏水作用力。有人称为疏水键。疏水键对维持蛋白质分子的三、四级结构起主要作用。

4．离子键离子键是指正离子与负离子之间的静电作用而形成的化学键。离子键又称为盐键、盐桥。在一定条件下，蛋白质分子中的-NH₃⁺与-COOˉ可以形成离子键。在一些蛋白质分子中，离子键参与维持三、四级结构。

5．配位键两个原子之间的共价键，如果是由一个原子单独提供电子对而形成的，此共价键就是配位键。在金属蛋白质分子中，如血红蛋白等，金属离子与多肽链的连接，往往是配位键。配位键在一些蛋白质中参与维持三、四级结构。

6．二硫键指两个硫原子之间的共价键，又称二硫桥、硫硫桥。在一些蛋白质中，二硫键对稳定蛋白质分子构象起重要的作用。

二、蛋白质的变性

当蛋白质用酸、碱、浓盐溶液、有机溶剂、热、高压、激烈振荡和辐射处理时，会不同程度地改变其构象。这个过程称为变性。从分子结构上看，变性作用是多肽链特有的折叠结构发生的变化，成为无规卷曲或混乱伸展的结构，它仅涉及蛋白质二、三、四级结构的变化，而并不包括一级结构肽链的破坏。也就是说，变性时蛋白质中氢键、盐键和疏水作用等遭受到破坏，而肽键的共价键并未打断。变性时蛋白质的性质也发生变化：（1）由于疏水基团大量暴露在分子表面，从而降低了蛋白质的溶解度；（2）改变了对水的结合能力；（3）由于变性后的蛋白质分子空间结构破坏，很难保持原有的生物活性；（4）发生絮集，形成不可逆的凝胶；（5）由于肽键暴露，特别容易受到蛋白酶的攻击，从而提高对蛋白酶水解的敏感性；（6）黏度增加；（7）不能形成结晶等。

天然蛋白质的变性可以是可逆或不可逆的。当变性因素解除以后，蛋白质恢复原状的变化称为复性。如果变性时二硫键等较强的键合力被破坏，往往就不能完全复性。

在食品加工和储藏中，有控制的和适度的蛋白质变性，可能有利于发挥蛋白质的营养属性和功能性质；强烈的变性则会破坏蛋白质的功能性质，给食品的性状带来不利。

（一）导致蛋白质变性的物理因素

加热：热是引起蛋白质变性最普通的物理因素，热变性是最常见的变性现象，大多数蛋白质在45～50 ℃已可察觉到变性，55 ℃左右变性进行得较快。在这样不太高的温度下，蛋白质热变性仅仅涉及非共价键的变化，蛋白质分子变形伸展的这种较短时间的变性为可逆变性。但在70～80 ℃以上，蛋白质二硫键受热而断裂的这种蛋白质在较高温度的长时间变性是不可逆变性。变性作用的速度取决于温度的高低，在典型的变性作用范围内，温度每上升10 ℃，速度可增加600倍左右。

蛋白质对热变性作用的敏感性取决于许多因素。例如，蛋白质的性质、浓度、水分活度、pH、离子强度和离子种类等等。蛋白质、酶和微生物在干燥条件下耐受热变性失活的能力比含水时更大，浓蛋白液受热变性后的复性更加困难。

干燥：蛋白质大量脱水，甚至用温和方法，例如冷冻干燥法脱水，仍然可引起某些蛋白质的变性，这是由于蛋白质的保护性水化膜脱去，蛋白质互相靠近，分子间相互作用所致。自然风干法脱水时，氧化反应会加大变性程度；喷雾干燥法脱水时界面作用会加大变性程度；高温脱水中又难免热变性。

低温：低温能使某些蛋白质变性，如L-苏氨酸脱氨酶在室温下稳定，而在零度时不稳定。大豆球蛋白、麦醇溶蛋白、鸡蛋和牛乳蛋白冷却或冷冻时会发生凝集和沉淀。但是有些脂酶和氧化酶不仅能耐受冷冻，而且在低温下能保持活性，这是因为某些氧化酶因冷冻而能从细胞膜中释放出来而被激活。还应提及的是某些植物和海洋动物可耐受低温，这是因为其蛋白质中具有较大比例的疏水性氨基酸和依赖疏水相互作用的结构，因而在低温下能控制变性。但是这类蛋白质一般在耐寒的植物和动物中并不存在。

机械处理：在加工面包或其他类型的食品面团时，因采用机械处理，如揉捏或滚压，会由于产生剪切力而导致蛋白质变性。反复拉伸而导致a-螺旋的破坏将致使蛋白质网络发生变化。

液压（流体静压）：液压可以产生变性效应，但低于50 kPa时效果不明显。卵清蛋白和胰蛋白酶分别在50 kPa和60 kPa时才表现出变性。

辐射：辐射对蛋白质的影响因波长和能量而变化，紫外辐射可被芳香族氨基酸残基（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）所吸收，因而导致蛋白质构象改变。如果能量水平非常高，则二硫键也会断裂。g-辐射和其他电离辐射也可以使构象发生变化，同时使氨基酸残基氧化、共价键断裂、电离、形成蛋白质自由基和发生重组以及聚合反应，这些反应有许多是由水的辐解作用来传递的。

界面：凡在水和空气、水和非水溶液或水和固相等界面上吸附的蛋白质分子，一般会发生不可逆变性。由于蛋白质可作为界面活性剂，许多蛋白质倾向于向界面迁移及被吸附，吸附速率受天然蛋白质向界面扩散速率的控制。在分散系中，水以不同能量水平存在：（1）远离界面的那些水分子处于低能态，它们不仅同其他水分子，而且同蛋白质的离子和极性部位相互作用，（2）靠近界面的水分子处于高能态，它们主要与其他水分子相互作用。蛋白质向界面扩散过程中，蛋白质可能同高能量的水分子相互作用，许多蛋白质一蛋白质氢键可能同时遭到破坏，并且发生结构的“微伸展”，因而许多疏水基团和水相接触，使部分伸展的蛋白质更加不稳定，最后蛋白质在界面进一步伸展和扩展，亲水和疏水残基力图分别在水溶液和非水相中取向，导致被吸附在界面上的蛋白质发生变性。

蛋白质在界面上的性质在各种食品体系中都是很重要的，如吸附在界面上的蛋白质有助于乳浊液和泡沫的形成和稳定。但若欲保持蛋白质的天然构象和功能性质，在加工或分离中应避免产生如泡沫或乳状液这样的分散系。

（二）导致蛋白质变性的化学因素

酸和碱：蛋白质所处介质的pH对变性过程有很大影响，大多数蛋白质在一定pH范围内是稳定的，若与十分高或低的pH介质接触，则一般会发生变性。因为在极端pH时，分子内离子基团会产生强烈的静电排斥，这将促使蛋白质分子伸展（变性）。然而，在某些情况下，当pH调节到最初稳定范围时，蛋白质可以恢复原有的结构。

金属：碱金属如Na⁺和K⁺仅有限度地与蛋白质起反应，而碱土金属如Ca²⁺、Mg²⁺则稍为活泼。过渡金属如Cu²⁺、Fe²⁺、Hg²⁺和Ag⁺等离子容易同蛋白质起作用，能与其中的巯基形成稳定的络合物。Ca²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺和Mg²⁺可以成为某些蛋白质分子中的一个组成部分。当用透析法或螯合剂将这些金属离子从蛋白质中除出时，会明显降低蛋白质结构对热和蛋白酶作用的稳定性。

有机溶剂：大多数有机溶剂可用作蛋白质变性剂，除了降低溶剂（水）与蛋白质的作用外，它们能改变介质的介电常数，从而改变了有助于蛋白质稳定的静电作用力，非极性有机溶剂能够渗入疏水区，破坏疏水相互作用，因而促使蛋白质变性。这类溶剂的变性作用也可能是它们同水彼此间产生的相互作用而引起的。2-氯乙醇能使a-螺旋构象占优势，这种作用也可认为是一种变性，例如卵清蛋白在水溶液介质中有31%的a-螺旋，而在2-氯乙醇中为85%。

有机化合物：脲素或胍盐当配制成高浓度（4～8 mol/L）水溶液时，会导致氢键的断裂，并引起蛋白质不同程度的变性。这些化合物还通过增加疏水氨基酸残基在水溶液中的溶解度而降低疏水的相互作用。表面活性剂如十二烷基硫酸钠也是很强的变性剂，这类化合物在蛋白质疏水区和亲水环境之间起着媒介作用。因此，它们除能破坏疏水相互作用外，还有利于天然蛋白质的伸展。还原剂（半胱氨酸、抗坏血酸、b-巯基乙醇、二硫苏糖醇）可使二硫键还原，因而改变蛋白质的构象。

三、食品蛋白质的功能性质

食品蛋白质的功能性质是指蛋白质对食品产生必要特征的那些物理、化学性质。食品蛋白质的功能性质分为三大类：（1）水合性质，包括水的吸收和保持、湿润性、溶胀性、黏附性、分散性、溶解度和黏度等，这一类性质主要取决于蛋白质-水的相互作用；（2）蛋白质-蛋白质相互作用的有关性质，包括沉淀、胶凝和形成其他各种结构时起作用的性质；（3）表面性质，包括蛋白质的表面张力、乳化作用和蛋白质的发泡性等。这些性质之间不是绝然分开的，是互相关联的。例如，黏度和溶解度取决于蛋白质-水和蛋白质-蛋白质的相互作用；凝胶作用不仅包括蛋白质-蛋白质相互作用，而且还有蛋白质-水相互作用。

（一）水合性质

蛋白质在溶液中的构象主要取决于它和水之间的相互作用。大多数食品是水合固态体系。食品中的蛋白质和其他成分的物理化学及流变学性质，不仅受到体系中水的强烈影响，而且还受到水活性的影响。

蛋白质从干燥状态开始逐渐水合涉及5个步骤（图1-5）：

干蛋

白质

①

通过极性位点

结合吸附水分子

②

多分子层

水吸附

③

液体水

凝聚

④

溶胀

溶剂化

分散作用

⑤

溶胀的不溶性

颗粒或块状物

溶液

图1-5 干蛋白质的蛋白质-水相互作用步骤

蛋白质制品的许多功能性与水合作用有关。例如水吸收作用（也叫水摄取、亲和性或结合性）、溶胀、润湿性、持水容量（或水保留作用），以及黏附和内聚力都与水合作用的前4个步骤有关；分散性和黏度（或增稠力）涉及第5个步骤；蛋白质的最终状态，可溶性或不溶性（部分或全部）也与功能性质（例如溶解性或速溶性）有关。胶凝作用是指充分水合的不溶性块状物的形成，而且要求产生特殊的蛋白质-蛋白质相互作用；与表面性质有关的功能性，例如乳化作用和发泡性，蛋白质还必须是高度水合和分散的。

蛋白质的水合性质是食品化学上的重要性质。例如当向肉制品、面包或干酪等食品中添加大豆蛋白时，蛋白质的吸水性便成为一个重要因素。即使加热也能保持水分，这对肉制品来说是至关重要的，因为只有保持肉汁，肉制品才能有良好的口感和风味。

1．影响蛋白质水合性质的因素

（1）浓度水的总吸收率随蛋白质浓度的增大而增加。

（2）pH pH的变化影响蛋白质分子的解离和净电荷量，因而可影响蛋白质-蛋白质、蛋白质水相互作用力。在等电点pH时，蛋白质蛋白质相互作用最强，蛋白质的水合作用和溶胀最小。例如宰后僵直前的生牛肉（或牛肉匀浆）pH从6.5下降至近5.0（等电点），其持水容量显著减小（图1-6），并导致肉的汁液减少和嫩度降低。

图1-6 pH对牛肌肉持水容量的影响

（3）温度蛋白质结合水的能力一般随温度升高而降低，这是因为降低了氢键的缔合，同时蛋白质加热时发生变性和聚集，导致减少蛋白质的表面积和降低极性侧链对水结合的有效性。但另一方面，结构很紧密的蛋白质在加热时，由于发生解离和伸展，使原来被掩蔽的肽键和极性侧链暴露在表面，从而提高了极性侧链结合水的能力。例如乳清蛋白质加热时，可发生不可逆胶凝，如果将凝胶干燥，可增加不溶性蛋白质网络内的毛细管作用，因而使蛋白质的吸水能力显著增强。

2．蛋白质的吸水性和持水容量的测定方法

（1）相对湿度法测定一定水活性（Aw）时所吸收的水量。这种方法用于评价蛋白粉的吸湿性和结块现象。

（2）溶胀法将蛋白质粉末置于下端连有刻度毛细管的烧结玻璃过滤器上，让其自发地吸收毛细管中的水，即可测定水合作用的速度和程度。

（3）过量水法蛋白质试样同超过蛋白质所能结合的水接触，然后通过过滤、低速离心或挤压等方法使过剩水与蛋白质分离。此法仅适用于溶解度低的蛋白质。

（4）水饱和法测定蛋白质饱和溶液所需要的水量。

后3种方法可用来测定结合水、不可冻结的水，以及蛋白质分子间借助于物理作用保持的毛细管水。

（二）溶解度

蛋白质的溶解度是蛋白质的固定性质之一，它随pH、离子强度、温度和蛋白质浓度等因素的不同而改变。但水溶性蛋白质是否能够维持其水溶性，对决定其以后的实用价值是重要的。如果经加热或其他处理后蛋白质的水溶性降低，则其胶凝性、乳化性、发泡性等其他许多功能性质也会下降。因此，溶解度也是评价蛋白质饮料的一个主要特征。

蛋白质在中性或等电点pH时的溶解性，通常是在制备和加工一种蛋白质过程中必须首先测定的功能性质。这一试验的目的是测定氮溶解指数（NSI）和找出溶解度与pH、离子强度或热处理的关系。

大多数蛋白质在加热时，溶解度会明显地不可逆降低。在通常情况下，为了使蛋白质溶解，可通过碱处理促进其离解，还可使用半胱氨酸、巯基乙醇、乙醇等切断二硫键的试剂，这些方法都是有效的。大豆蛋白质受pH、离子强度的影响较大，当pH为7～10时，随着离子强度增加，溶解度降低；但当pH为4～5时，添加食盐后可提高溶解度。特别是当蛋白质呈酸性时，这类盐类可促使阴离子与蛋白质的阳离子结合，使溶解度增加。

在制作蛋白质饮料时，有必要考虑使溶液透明、黏度低。因此，pH、离子强度及温度必须在较大范围内保持稳定。同时还应考虑到该饮料能以溶液状态或浓缩状态、粉末状态进行贮存。另外，碳酸饮料必须在酸性状态下溶解。类似这类溶解度与应用直接有关的例子很多。

（三）黏度

流体的黏度反映它对流动的阻力，用黏度系数μ表示。包括蛋白质在内的大多数亲水性大分子的溶液中分散体（匀浆或悬浮体）、乳浊液、糊状物或凝胶，都不符合牛顿流体的特性，其黏度系数随剪切速度的增加而降低。

蛋白质分子的体积很大，而且由于水化作用而使蛋白质分子表面带有水化层，更增大了分子的体积，使得蛋白质溶液的流动阻力很大，其黏度要比一般小分子溶液大得多。

影响蛋白质流体黏度特性的主要因素如下：

1．浓度由于蛋白质-蛋白质的相互作用，大多数蛋白质流体的黏度系数随蛋白质浓度的增加呈现指数增加。

2．蛋白质分子的形状和表面状况球形分子蛋白质溶液的黏度，一般低于纤维分子蛋白质溶液的黏度。如果蛋白质分子带有电荷，会增加蛋白质分子表面水化层的厚度，则溶液的黏度变得更大。

在给定的溶液中，蛋白质并不总是具有相同的黏度。在测定黏度之前，蛋白质所经历的不同抽提、纯化过程，将影响蛋白质分子结构，从而会导致黏度的差异。

蛋白质溶液的黏度是液态、酱状食品（例如饮料、肉汤、汤汁、沙司和稀奶油等）的主要功能性质，了解蛋白质分散体的流体性质对于确定最佳食品加工工艺具有实际意义。例如泵传送、混合、加热、冷却和喷雾干燥等，都包括质和热的传递。

（四）凝胶作用

所谓胶凝作用是指蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构的过程。

蛋白质的胶凝作用与蛋白质溶液分散程序的降低（如缔合、聚集、聚合、沉淀、絮凝和凝结等）不同。蛋白质的缔合一般是指亚单位或分子水平发生的变化；聚集或聚合一般包括大的复合物的形成；沉淀是指由于溶解性完全或部分失去而导致的聚集反应；絮凝是指不发生变性的无规则聚集反应；凝结是指将发生变性的无规则聚集反应和蛋白质-蛋白质的相互作用大于蛋白质-溶剂的相互作用引起的聚集反应。

迄今为止，对蛋白质凝胶的立体网络形成机制还不十分清楚。一般认为蛋白质网络的形成是蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂（水）的相互作用，以及邻近的肽链之间的吸引力和排斥力平衡的结果。在蛋白质的胶凝作用中，疏水相互作用、静电相互作用（如与Ca²⁺或其他二价离子桥接）、氢键键合和二硫键的相对贡献，随蛋白质本身所具有的性质、浓度、环境条件等不同而异。

通常热处理是蛋白质产生胶凝作用必不可少的，因为加热增强了疏水作用，同时还可以使内部的巯基暴露，促进二硫键的形成或交换，使分子间的网络得到加强。但有些蛋白质不经过加热也可以发生胶凝，仅需适度酶水解（如酪蛋白胶束、卵白和血纤维蛋白）即可。或者添加钙离子（钙离子形成桥键，如酪蛋白胶束）。也可以先碱化，然后恢复到中性或等电点pH（如大豆蛋白），使蛋白质发生胶凝作用。因此可以估计在有序的蛋白质-蛋白质相互作用导致聚集之前，蛋白质必定发生了变性和伸展。变性和伸展使反应基团更易暴露，特别是球蛋白的疏水基团，有利于蛋白质-蛋白质的疏水相互作用，所以相对分子质量大和疏水氨基酸含量高的蛋白质容易形成稳定的网络结构。

二硫键的形成通常生成不可逆凝胶（如卵清蛋白和β-乳球蛋白凝胶）。当蛋白质浓度高时，通常更容易产生胶凝作用，因为更容易产生蛋白质分子间的吸引力。有时甚至在对胶凝不利的条件下（如不加热、pH偏离等电点pH很大），仍然可以发生胶凝，因为高浓度蛋白质中的许多疏水键和二硫键，能补偿因pH与蛋白质等电点相差很大时由于大量净电荷所产生的静电排斥力。

将某些不同种类的蛋白质放在一起加热，可产生共胶凝作用形成凝胶。此外，蛋白质还能通过和多糖胶凝剂相互作用形成凝胶。带正电荷的明胶和带负电荷的褐藻酸盐或果胶酸盐之间通过非特异离子相互作用，可形成高熔点（80 ℃）凝胶。

胶凝作用是某些蛋白质的一种十分重要的性质，在许多食品的制备中起着主要作用。如各种乳品、凝结蛋白、明胶凝胶、各种加热的碎肉或鱼制品、大豆蛋白质凝胶、膨化或喷丝的组织化植物蛋白和面包面团的制作等。蛋白质胶凝作用不仅可用来形成固态黏弹性凝胶，而且还能增稠，提高吸水性和颗粒黏结、乳浊剂或泡沫的稳定性。

（五）乳化性质

牛奶、乳脂、冰淇淋、黄油、干酪、蛋黄酱和肉馅等食品均属于乳胶体。蛋白质成分在稳定这些胶态体系中通常起着重要的作用。可溶性蛋白质乳化作用最重要的特征是其向油/水界面扩散和在界面吸附的能力。一般认为蛋白质的一部分一旦与界面接触，非极性氨基酸残基则朝向非水相，于是体系的自由能降低，蛋白质的其余部分自动在界面上被吸附。蛋白质的疏水性愈大，界面的蛋白质浓度也愈大，使界面张力更小，乳浊液更稳定。但是蛋白质的总疏水性（按亲水和疏水氨基酸残基的体积比或平均疏水性确定）与乳化性质不密切相关。根据疏水亲和色谱、疏水分配或用疏水性试剂测定的结果，增加蛋白质的表面疏水性与降低界面张力和增大乳化作用指数，均存在明显的相关性。

蛋白质在乳化性质中所起的作用是：它依靠降低界面张力促进乳浊液的形成，并依靠界面形成物理势垒维持乳浊液的稳定。

蛋白质一般对水/油（W/O）型乳浊液的稳定性较差，这是因为大多数蛋白质的强亲水性使大量被吸附的蛋白质分子位于界面的水相一侧。

1．影响蛋白质乳化性质的主要因素

（1）溶解度蛋白质溶解度和乳化容量或乳浊液稳定性之间通常存在正相关。因为蛋白质在出现表面性质之前必须溶解，并向界面扩散。不溶性蛋白质对乳化作用的贡献很小。在肉馅胶体中（pH 4～8）有氯化钠（0.5～1 mol/L）存在时,可提高蛋白质的乳化容量,这是因为肌原纤维蛋白质发生盐溶,其结果导致溶解度和分子的伸展性都增大。但不溶性蛋白质颗粒通常在已经形成的乳浊液中起稳定作用。

（2）pH pH能影响蛋白质的乳化性质。某些蛋白质在等电点pH时仅能微溶，因而降低乳化能力。此外在等电点或一定离子强度时，由于蛋白质以高黏弹性紧密结构形式存在，故可防止蛋白质伸展或在界面吸附，不利于乳浊的形成，或者可以稳定已吸附的蛋白质膜，有利于乳浊液保持稳定。

（3）加热加热通常可降低被界面吸附的蛋白质膜的黏度和刚性，使乳浊液稳定性降低。但是高度水合的界面蛋白质膜的胶凝作用可以提高表面的黏度和刚性，结果使乳浊液保持稳定。因此肌原纤维蛋白的胶凝作用有助于肉类乳胶体的热稳定性，以提高这类食品对水和脂肪的保持力和黏结性。

（4）小分子表面活性剂这类物质的添加能降低蛋白质膜的刚性，使蛋白质保留在界面的能力减弱，因而通常不利于依靠蛋白质得以稳定的乳浊液。

2．测定蛋白质乳化性质的方法

（1）乳化容量（EC）所谓乳化容量是指乳浊液在发生相转变之前，1 g蛋白质能够乳化油的体积（ml）。蛋白质水溶液在搅拌下以恒定速度不断地加入油或熔化脂肪，当黏度突然降低或者电阻增大时，即可察觉出相转变，从而得出其乳化容量。蛋白质的乳化容量随蛋白质浓度增大而降低。

（2）乳浊液稳定性（ES）

ES=

预先加热（或不加热）的乳浊液，经低速离心（或放置）几小时后，乳浊液被破坏会出现水和油层分离的现象，当油滴向上移动形成密集的填充层时，乳浊液常常出现分层（不聚结），同时水相向下移动在底部形成水层。

（六）发泡性

食品泡沫通常是气泡在连续的液相或含可溶性表面活性剂的半固相中形成的分散体。大多数情况下，气体是空气或二氧化碳，连续相是含蛋白质的水溶液或悬浊液。泡沫中的薄液层连续相使气泡分散，通常用表面活性剂以保持界面防止气泡聚集，因为表面活性剂能够降低界面张力，并且在气泡之间形成有弹性的保护层。各种泡沫的气泡大小很不相同，直径大小可从mm级到cm级不等。气泡的大小取决于液相的表面张力、黏度、输入的能量等。所以泡沫是由可溶性蛋白质向空气/水界面扩散、伸展、浓集和快速扩展、降低界面张力而形成的。泡沫的稳定性取决于气泡是否具有一层黏结、富有弹性而不透气的蛋白质膜。分布均匀的细微气泡可以使食品具有稠性及细腻和松软的口感，提高分散性和风味感。

具有良好发泡性质的蛋白质有卵清蛋白、血红蛋白中的球蛋白部分、牛血清蛋白、明胶、乳清蛋白、酪蛋白胶束、β-酪蛋白、小麦蛋白（特别是麦谷蛋白）、大豆蛋白和某些蛋白质的低度水解产物。

1．产生泡沫的方法

（1）鼓泡法气体经过多孔分配器（例如烧结玻璃）通入低浓度的（0.01 ～2.0 g/100mL）蛋白质水溶液中，产生泡沫，一般可膨胀10倍，在某些情况下可达到100倍。

（2）搅打（搅拌）振摇法这种方法是大多数食品充气最常用的方法。由于搅打产生更强的机械应力和剪切作用，故可使气体分散得更均匀。但是更剧烈的机械应力会影响气泡的聚集和形成，阻碍蛋白质在界面的吸附，因而会增加对蛋白质的需要量（1～40 g/100mL）。

（3）突然解除预先加于溶液的压力。

2．发泡性的评价

蛋白质的发泡性可以通过气泡的平均大小、发泡率、发泡能力等加以评价。

（1）发泡率的表示方法发泡率一般可以用以下几种方法表示：

“稳态”泡沫体积：100×泡沫体积/液相最初体积；

膨胀量：100×（分散体总体积 - 流体最初体积）/ 流体最初体积；

发泡能力：100×泡沫中气体的体积 / 泡沫中液体的体积；

泡沫中气体与鼓泡气体的体积比；

泡沫密度。

（2）发泡能力（F_p）评价发泡能力一般随液相中蛋白质浓度的增大而增大，直至某一最大值。各种蛋白质发泡能力的大小可以通过测定F_p最大值和相当于F_p最大值的一半的相应蛋白质浓度进行比较。

（3）泡沫稳定性评价泡沫稳定性可以采用以下几个标准来衡量：

经一定时间后，液体泄漏或泡崩溃（体积减少）的程度；

全部或一半泄漏（体积减少一半）的时间；

泄漏开始前的时间。

四、食品蛋白质在加工中的变化

（一）营养和安全性的变化

一般来说，食品加工能延长食品的保质期，并能使各种季节性的食品能以稳定的形式供应，这种形式必须是吸引人的、有营养的、安全的。大多数情况下，加工过程对蛋白质的营养价值没有显著影响，有时甚至能得到改善。但是有时也可发生一些不需要的反应，通常是蛋白质一级结构改变，使必需氨基酸含量降低或形成抗营养的可能有毒的衍生物。当破坏的氨基酸并未构成膳食中营养限制因素时，或者受损坏的蛋白质仅为膳食中蛋白质很少的一部分时，营养价值降低是不重要的。如果膳食是由有限几类食品所构成时，如牛乳、谷物或豆类，或者膳食仅具有营养要求的最低含量的蛋白质时，那么这样的损坏是十分有害的。

热处理引起的变化：加热处理分离蛋白或含蛋白质的食品会引起蛋白质结构的改变，使其失去生物活性和改变功能性质，但若加热温度保持适度时，共价键不会破坏，也不会形成，也不会强烈影响到蛋白质的高级结构。从营养学观点来看，温和热处理所引起的变化一般是有利的。

热烫或蒸煮可以使酶失去活性，例如脂酶、脂氧合酶、蛋白酶、多酚氧化酶和糖水解酶。酶失活能防止食品产生非需要的颜色、风味、质地变化和纤维素含量的降低。食品中存在的大多数天然蛋白质毒素或抗营养因子都可通过加热而变性钝化，由微生物污染产生的大多数蛋白质毒素亦然，但少数微生物蛋白需高温灭活，如肉毒杆菌毒素在100 ℃下加热10 min可破坏，而金色葡萄球菌产生的毒素，必须经218～248 ℃下加热30 min，才使毒素完全消除。

豆科植物（大豆、花生、菜豆、蚕豆、豌豆和苜蓿等）的种子或叶片含有能在体内结合和抑制酶的蛋白质，因而会降低摄入蛋白质的消化率和营养价值。例如大豆种子中存在的胰蛋白酶抑制剂和胰凝乳蛋白酶抑制剂。这种热不稳定性蛋白质抑制剂可以使某些动物胰脏过度分泌和增生，从而影响其生长。豆科植物的植物红血球凝集素是一种能和多糖苷类分子结合的热不稳定性蛋白质，随膳食进入人体后，可能是由于与肠细胞膜多糖形成复合物，因而减弱了氨基酸的转移和消化能力，并且还发现对人和动物可产生毒性作用。

当种子、面粉或蛋白质浓缩物在高温潮湿条件下加热如高压灭菌、挤压加工、焙烤和烹煮时，所有抗营养因子都会变性和失活。由于适当热处理可明显提高植物蛋白对某些动物的营养价值，所以某些动物饲料中植物蛋白质成分通常要经过加热处理。许多蛋白质，例如大豆球蛋白、骨胶原和卵清蛋白在适当热处理后更容易消化，这是由于蛋白质结构发生伸展而使原来被掩蔽的氨基酸残基暴露，从而使蛋白酶迅速、广泛地作用。

蛋白质及蛋白质食品在不添加外来物质的条件下进行高热处理，即可引起氨基酸的脱硫、脱酰胺、异构化和其他化学改性，甚至有时会伴随产生有毒化合物。例如在115 ℃时灭菌，会引起半胱氨酸和胱氨酸残基遭到破坏（不可逆化学改性），生成硫化氢、二甲基硫化物和磺基丙氨酸。用肉、鱼的肌肉、牛奶等实验，所产生的硫化氢和其他挥发性化合物能使这些经过加热的食品具有很好的风味。在超过100 ℃的情况下加热蛋白质，将会发生脱酰胺反应，释放出的氨主要来自谷氨酰胺和天冬酰胺的酰胺基水解反应，所以该反应并不损害蛋白质的营养价值。温度超过200 ℃的剧烈处理和在碱性条件下的热处理都会使氨基酸的残基发生b-消除反应，形成负碳离子，经质子化后可随机形成D型或L型氨基酸的外消旋混合物。由于大多数D-氨基酸不具有营养价值，因此，必需氨基酸残基的外消旋反应将会使其营养价值降低50%左右。D-氨基酸残基的产生还会使蛋白质的消化率降低，因为在体内D-残基肽键比L-残基肽键更难水解。再者，某些D-氨基酸可产生毒性物质，这种毒性的大小与肠壁吸收的D-氨基酸量成正比。在碱性条件下热处理，精氨酸可能转变成鸟氨酸、尿素、胍氨酸和氨，半胱氨酸可能变成脱氢丙氨酸，丝氨酸、苏氨酸和赖氨酸的含量在碱性条件下加热也会降低。

在碱性pH的热处理条件下还会导致赖氨酰丙氨酸、羊毛硫氨酸、鸟氨酰丙氨酸的形成以及在分子间或分子内形成共价交联。这些交联键是由赖氨酸、半胱氨酸或鸟氨酸等残基和脱氢丙氨酸残基缩合产生的。脱氢丙氨酸是通过半胱氨酸或磷酸丝氨酸残基的b-消除反应形成的。当大鼠摄取含有赖氨酰丙氨酸的蛋白质后，往往发生腹泻、胰腺肿大和脱毛。必需氨基酸残基的异构化和可能形成的其他毒性物质可能也是大鼠产生这类症状的原因。在激烈热处理条件下，赖氨酸和谷氨酰胺之间，或赖氨酸和天冬酰胺残基之间可分别形成e-N-（g-谷氨酰）赖氨酰或e-N-（b-天冬氨酰）赖氨酰类的肽间共价键，高达15%的蛋白质赖氨酸残基参加了这个反应。这种键的形成可以使蛋白质消化率和蛋白质效率比降低，还影响蛋白质的生物效价。经激烈热处理的蛋白质又可形成环链衍生物，其中有些还有强诱变作用，如色氨酸在200 ℃以上加热时，通过环化可转变成为a、b和g-咔啉及其衍生物。

辐射引起的变化：当蛋白质受到g-辐射或者在有氧化脂肪存在时，发生分子间或分子内的共价交联，主要在氨基酸残基a-碳上形成自由基而发生聚合反应。g-辐射还可引起低水分食品的多肽链断裂。在有过氧化氢酶存在时酪氨酸会发生氧化交联生成二酪氨酸残基。辐射引起的营养与安全性问题的研究尚在继续。

氧化引起的变化：应用氧化剂的食品工艺并不少见，例如过氧化氢具有杀菌和漂白的作用，乳品工业中用来加工某种干酪用的牛奶或用它作为贮存罐、利乐包装用的“低温杀菌剂”。它还可以用于改善鱼蛋白浓缩物、面粉、油料种籽蛋白质分离物等加工产品的色泽。此外，含黄曲霉毒素的谷物、豆类、种籽壳皮可以用过氧化氢脱毒。又如，过氧化苯甲酰可用于面粉的漂白，在某些情况下还用作乳清粉的漂白剂。不应用氧化剂制作的食品也可能有过氧化物的出现，例如脂类在氧化过程中产生的过氧化物及其降解产物存在于很多食品体系之中，这些过氧化物往往是引起它们共存的蛋白质成分发生降解的原因。氨基酸残基由于光氧化反应、辐射、微量金属、氧、热空气干燥和发酵过程时充气等原因，也可以发生氧化变性。

对氧化反应最敏感的氨基酸是含硫氨基酸和色氨酸，其次是酪氨酸和组氨酸。含硫氨基酸的氧化主要涉及含硫侧链的氧化，含芳香环的氨基酸的氧化主要涉及芳香环所在侧链的氧化。

美拉德反应引起的变化：含还原性碳水化合物或羰基化合物（例如脂类氧化产生的醛和酮）的蛋白质食品，在加工和贮藏过程中发生非酶褐变（美拉德反应），非酶褐变反应在蒸煮、热处理、蒸发和干燥时明显地增强，以中等水分食品的褐变反应速度最高，例如焙烤食品、炒花生、焙烤的早餐谷物和滚筒法干燥奶粉即是。

美拉德反应可形成相对分子质量较大和结构复杂的褐色或黑色的类黑精，这类色素是面包和焙烤产品产生褐色的原因。类黑精类的产物对营养的影响至今还不完全了解，有人认为这类产物能抑制某些必需氨基酸在肠道内的吸收。类黑精形成中伴随着少量蛋白质发生共价交联，这种交联能明显地损害这些蛋白质部分的消化性。某些蛋白质-碳水化合物模拟体系和加热产生的类黑精还表现出诱变性质，这种性质的能力决定于美拉德反应的强度。类黑精是不溶于水的物质，肠壁对其仅微弱地吸收。因此，它们在生理方面的危险性很小。但是分子较小的类黑精前体较容易吸收。

（二）功能性质的变化

蛋白质作为食品配料，在配制或应用时通常要进行物理或化学处理，这些处理会影响蛋白质的功能性。例如在提取和纯化时，应注意尽量避免蛋白质结构和功能性质遭到损伤。另一方面，有目的地改性却可用以改进分离蛋白质现有的性质或产生一些新的性质。

1．普通的化学和物理处理引起的变化将蛋白质溶液的pH调节至等电点或用盐析法使蛋白质沉淀，这是简单而又有效的分离提纯蛋白质的方法，这些方法可以使蛋白质可逆聚集，一般不会导致高级结构的广泛或不可逆伸展，特别是在低温下进行处理更是如此。但酪蛋白例外。等电凝聚和超滤法可导致它的四级胶束结构破坏，由于羧基质子化使得羧基--Ca²⁺--羧基桥削弱或者断裂，释放出磷酸和增加酪蛋白分子之间的静电吸引力而凝集，这种酪蛋白可阻止凝乳酶的作用，也不会象天然胶束酪蛋白那样受钙离子的影响。

蛋白质溶液中除去部分水，可引起所有非水组分浓度增加，结果增加了蛋白质-蛋白质、蛋白质-碳水化合物和蛋白质-盐类之间的相互作用，这些相互作用能明显地改变蛋白质的功能性质，特别是在较高温度下除去水分时效果更为明显。但是用超滤法以除去牛奶中的水分能得到极易溶解的蛋白质浓缩物。

用阳离子交换树脂处理乳清，结果交换出蛋白质中的Ca²⁺、K⁺和Na⁺等阳离子，从而生成低盐乳清，用低盐乳清制成的蛋白质浓缩物可显示出非常好的胶凝性和起泡性，采用电渗析法也可以制成良好的胶凝性和起泡性的产品。

酸性或碱性pH能分别促进阴离子和阳离子同蛋白质的结合，这会影响蛋白质的功能性质，特别是它们的溶解度。在中性和碱性pH时，Ca²⁺能降低许多蛋白质的溶解度，在等电点pH时，氯化钠能增加蛋白质的溶解度，但在碱性pH时使溶解度降低。因此，用电渗析、离子交换、反渗透和超滤法等方法预先除去阳离子，有利于植物蛋白或酪蛋白的碱性增溶。

在制备蛋白质时采用适当碱性，离子化羧基的静电排斥会使低聚蛋白质解离，所以经喷雾干燥的酪蛋白酸钠（或钾）盐和大豆蛋白盐具有高度溶解性、良好吸水性和表面性质。

腌肉时添加聚磷酸盐会提高其持水能力，可能是由于钙离子被络合而蛋白质被解离之故。氯化钠可能通过对肌纤维蛋白质部分增溶作用提高其持水能力，这种部分增溶作用还增强了聚磷酸盐的效果。

聚电解质也同样可用来使多肽链交联和产生沉淀，例如在微酸的pH条件下，带有负电荷的羧甲基纤维素、藻酸盐、聚丙烯酸或聚磷酸盐能和带正电荷的蛋白质结合，用这种方法可以从乳清和血浆中回收蛋白质。虽然这些聚电解质大部分能随后和蛋白质分离，但某些聚电解质仍残留一部分而结合在蛋白质中，在这种情况下，聚电解质会改变回收蛋白质的溶解度和功能性质。

溶剂沉淀法可使蛋白质形成沉淀或凝胶，例如向8%大豆蛋白质溶液中添加乙醇，当乙醇浓的质量分数为20%时会产生胶凝作用，超过40%时，由于蛋白质—蛋白质之间相互作用胜过蛋白质-水之间的相互作用，所以引起蛋白质沉淀。

脱水作用：当蛋白质溶液中水分几乎全部除去时，常常引起蛋白质大量聚集，特别是在高温下除去水分，可导致蛋白质溶解度和表面活性剧烈降低，所以不应忽视干燥处理对蛋白质功能性质的影响。干燥条件影响粉末颗粒的大小以及内部和表面的多孔性，从而对蛋白质的润湿性、吸水性、分散性和溶解性产生影响。当水以蒸汽形式迅速被除去时，造成最低限度的颗粒收缩以及盐类和（或）碳水化合物向干燥表面迁移，通常可以得到多孔性的粉末颗粒。在冷冻干燥和喷雾干燥时就可产生这种效果，在干燥之前预先将气泡通入蛋白质溶液和干燥中蛋白质的有控聚集也可用来增加粒子的多孔性。

机械处理：充分干燥磨碎的蛋白质粉末或浓缩物可形成小的颗粒和大的表面积。与未磨碎的对应物比较，可以提高水吸收、溶解性、脂肪吸收和起泡性。蛋白质悬浊液或溶液体系在强烈的剪切力作用下（如牛奶均质时）可引起蛋白质聚集体（胶束）碎裂成亚基，这种处理可提高蛋白质的乳化能力。但在气/液分界面施加剪切力，通常会引起蛋白质变性和聚集。适度搅打造成的蛋白质变性可以使泡沫稳定，但某些蛋白质，例如鸡蛋清过度搅打，由于蛋白质的过度聚集使形成泡沫能力和泡沫稳定性均有所降低。在蛋白质质构过程中，机械力同样起着重要的作用，例如面团形成、纤维丝的形成和挤压加工等方法即时，有些时候剪切力的作用可以促使蛋白质分子定向排列、二硫键交换和蛋白质网络的形成。

热处理：热处理可以造成蛋白质结构发生变化、肽键水解、氨基酸侧链改性和与其他分子缩合。后两种反应对营养价值是有害的。轻度热处理所引起的结构变化和肽键的有限水解并不会影响到营养品质，但可以明显地影响蛋白质的功能性质。蛋白质的热变性程度和结果（构象改变和聚集）主要依赖于蛋白质本身的性质和环境条件。哺乳动物胶原蛋白在有大量水存在时，加热到65 ℃以上即发生伸展、解离和溶解。肌纤维蛋白质在同样条件下则发生收缩、聚集并降低持水能力。然而，酪蛋白酸盐单体即使激烈加热也几乎没有影响。

冷冻：冰点以下的冷冻温度也会引起蛋白质变性和损害其功能性质，例如鱼肌动球蛋白变硬和持水能力变小，牛奶酪蛋白胶束沉淀，蛋黄脂蛋白变得黏稠和胶凝，某些蛋白凝胶发生脱水收缩等。主要原因是冻结引起的蛋白质-水氢键作用力降低和蛋白质-蛋白质之间的相互作用增大。

酸碱处理：植物蛋白在1～3 mol/L盐酸溶液中100 ℃加热10～15 h，可引起肽键的有限水解，这种水解能使非蛋白氮含量增加3倍，显著提高溶解性，因而改善配料的溶解度和表面性质。酸水解蛋白质时还有色素和肉样风味物的形成，有些植物蛋白水解物用碱中和过滤后可用作增香剂。蛋白质在碱性介质中加热也可使肽键发生有限水解，这种解聚与水解结合的方法可用于增溶和提取不易溶的植物、微生物或鱼蛋白质，也能明显提高牛奶蛋白质的起泡性质。

2．酶处理引起的变化通过蛋白酶催化的蛋白质水解作用能改善食品蛋白质品质。例如用外加木瓜蛋白酶能使肉嫩化，用凝乳酶或霉菌蛋白酶能使酪蛋白凝结，用细菌或微生物蛋白酶可从鱼或植物蛋白质制备可溶性水解蛋白质等。采用木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、胃蛋白酶或者从曲霉、芽孢杆菌或链球菌生产的蛋白酶能将热变性或溶剂变性的鱼或植物蛋白质部分地水解，使它们增溶。当水解度为3%或8%时，变性大豆分离蛋白质的溶解度在很大的pH范围内显著地提高。有限的蛋白水解之所以能提高蛋白质的溶解度是由于形成了较小的、较亲水的和较溶剂化的多肽单位。这些部分水解的蛋白质可用在酸性饮料或热加工饮料中。有消化系统疾病的患者和对牛乳或面筋蛋白质过敏的人可以食用这些产品。

部分蛋白质水解作用也被用来改进热变性蛋白质的乳化或起泡性质，这可能是由于提高了水解蛋白质的溶解度而有助于它们向油/水和气/水界面扩散。但是当水解度超过3%～5%时，界面上的吸附蛋白质膜的黏度和厚度显然不足以稳定乳状液和泡沫。蛋白质水解造成的分子体积的减小，对蛋白质的胶凝性和黏弹性也不利，但是面筋蛋白质的有限水解能提高面包加工中面团的膨胀和改进饼干的成片性。

在所谓合成类蛋白的形成中，第一步反应为用胃蛋白酶或木瓜蛋白酶在中性pH下使一种5%的蛋白质悬浊液水解产生相对分子质量低于20KD的多肽，第二步反应为将此水解蛋白质溶液浓缩到固形物含量为30%～40%，然后加入相同的或另一种蛋白酶，同时调节pH，这样处理能发生转肽反应，使相对分子质量低的多肽以新的排列顺序重新连结成相对分子质量高的多肽（即类蛋白）。

类蛋白的生产很有前途。例如：将富含硫的肽共价地结合到大豆水解蛋白质中去，可以使大豆蛋白在焙烤工业中得到更好应用。采用氨基酸酯将各种不同的必需氨基酸直接结合到蛋白质中，可以提高其营养价值。通过非极性的亮氨酰和烷基酰的酯类、琥珀酰蛋白质和木瓜蛋白酶的相互作用已获得了具有明显乳化和起泡性质的两亲分子。蛋白质水解中产生的苦味肽也可用类蛋白合成的方法得以消除。但是当前要将合成的类蛋白工艺应用于食品工业或许成本过分昂贵。

3．专一的化学改性化学改性主要包括氨基酸残基侧链的改变和共价交联的形成。

侧链改变：在酸性或碱性的pH条件下，加热都可以引起氨基酸侧链的改变。例如，麦谷蛋白在酸性环境中加热，可使30%天冬酰胺和谷氨酰胺基产生脱酰胺作用，从而提高蛋白质的溶解度和表面性质，特别是乳化性质。氨基酸残基侧链的化学改变的主要反应有酰化、烷基化、氧化和还原反应等。氨基酸残基的改性往往会造成极性的改变，也会造成净电荷发生变化。当这些变化达到一定程度时，蛋白质分子可出现折叠、伸展和(或)与其他蛋白质分子聚集，并且还能改变蛋白质对水和（或）其他组分如脂类所表现出来的性质。

碘乙酸烷基化（巯基和其他基团羧甲基化）、二羧酸酐酰化（e-氨基的琥珀酰化、马来酰化和柠康酰化）或丝氨酸残基用三氯氧化磷（POCl₃）磷酸化等反应，都可以向蛋白质分子引入可解离的羧基。由于引入了这些额外的负电荷基团，在造成静电排斥、伸展和解离的同时，改进了蛋白质的溶解度（甚至在等电点时）和分散性。这样的改性有利于植物或微生物蛋白质的提取和与核酸或其他成分的分离，同时还可提高蛋白质对水的吸收能力和热稳定性以及增强对钙离子沉淀的敏感性。如在研究鱼蛋白、大豆蛋白、面筋蛋白等时，都已观察到有这些效应。另外，蛋白质浓缩物经过琥珀酰化后胶凝性质明显改善，面筋蛋白分子在引入磷酸或硫酸基后，水的吸收、胶凝性和成膜能力显著提高也是已知事实。蛋白质的功能性质还取决于化学衍生作用的程度，例如酪蛋白e-氨基的琥珀酰化程度低于40%时，水的吸收能力提高而乳化能力降低，增加琥珀酰化程度可提高乳化能力。

蛋白质通过e-氨基、巯基或羧基的酰化或还原性烷基化作用引入非极性侧链会提高其疏水性，对游离脂肪酸或氨基酸的羧基与蛋白质的e-氨基酰化研究的较多，结果说明改性蛋白质的巯水程度决定于所采用氨基酸或脂肪酸的种类（长或短链，预聚合或非预聚合）和衍生化程度。例如，利用乙酰化反应，可以提高牛奶蛋白质的乳化性质，而降低了大豆蛋白吸收水的能力。

e-氨基衍生化反应会损害蛋白质的营养价值。首先是蛋白质消化速度和程度往往降低，因为对赖氨酰键专一的胰蛋白酶会部分地受到抑制；其次，赖氨酸衍生物即使从多肽链中释放出来和被吸收后，仍然是生物学上不可利用的。

共价交联的形成：当有空气、氧化剂（如溴酸盐）以及氧化酶存在时，巯基的温和氧化能促使二硫交联的形成。这些反应通常用于焙烤工业中提高面筋蛋白质的黏弹性（二硫交换比二硫键形成占优势）。添加还原剂（例如半胱氨酸）或在强碱条件下可使二硫键断裂，这种被还原的蛋白质有较好的溶解性，因而较易提纯。另外，它们对进一步的化学改性更为敏感。但是，蛋白质的还原将会导致某些功能性（如胶凝作用）的损伤。

最后应当指出：虽然蛋白质的化学改性是提高其功能性有发展前途的方法，但值得注意的是化学改性控制不当时会带来营养和毒理上的不良结果。例如，改性中可能产生有毒的氨基酸衍生物，产品中可能残留的有毒试剂等问题，目前还没有很好解决。