第 4 章 蛋白质 蛋白质（protein）是生物体细胞的重要组成成分，在生物体系中起着核心作用；蛋白质 也是一种重要的产能营养素，并提供人体所需的必需氨基酸；蛋白质还对食品的质构、风味 和加工产生重大影响。 蛋白质是由多种不同的α—氨基酸通过肽链相互连接而成的，并具有多种多样的二级和 三级结构。不同的蛋白质具有不同的氨基酸组成，因此也具有不同的理化特性。蛋白质在生 物具有多种生物功能，可归类如下：酶催化、结构蛋白、收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、 微管蛋白）、激素（胰岛素、生长激素）、传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白）、 抗体蛋白（免疫球蛋白）、储藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）和保护蛋白（毒素和过敏素） 等。 4.1 概述 4.1.1 蛋白质的化学组成 一般蛋白质的相对分子量在 1 万至几百万之间。根据元素分析，蛋白质主要含有 C、H、 O、N 等元素，有些蛋白质还含有 P、S 等，少数蛋白质含有 Fe、Zn、Mg、Mn、Co、Cu 等。多数蛋白质的元素组成如下：C 约为 50%～56%，H 为 6%～7%，O 为 20%～30%，N 为 14%～19%，平均含量为 16%；S 为 0.2%～3%；P 为 0～3%。 4.1.2 组成蛋白质的基本单位—氨基酸 蛋白质在酸、碱或酶的作用下，完全水解的最终产物是性质各不相同的一类特殊的氨基 酸，即 L—α—氨基酸。L—α—氨基酸是组成蛋白质的基本单位，其通式如图 4—1。 NH2 H R C COOH NH3 H R C COO + 非 解 离 形式 两 性 离 子 形 式 图 4—1 L—α—氨基酸 4.2 氨基酸和蛋白质的分类和结构 4.2.1 氨基酸的分类和结构 自然界氨基酸种类很多，但组成蛋白质的氨基酸仅 20 余种。根据氨基酸通式中 R 基团 极性的不同，可将氨基酸分为 3 类：①非极性或疏水的氨基酸；②极性但不带电荷的氨基酸； ③在介质中性条件下带电荷的氨基酸；见表 4—1。 表中由于脯氨酸的结构不符合通式，所以给出了它的全结构式；第一类氨基酸的水溶性 低于后两类，这类氨基酸的疏水性随着 R 侧链的碳数增加而增加；第二类氨基酸含极性但 不带电荷的侧链，它们能和水分子形成氢键，其中半胱氨酸和酪氨酸侧链的极性最高，甘氨 酸的最小；第三类氨基酸的侧链在 pH 接近 7 时带有电荷。随着 pH 变化这些侧链电荷可以 通过质子的得失而得失，这是蛋白质具有两性和等电点的基础。 表 4—1 组成蛋白质的主要氨基酸 分 名称 常用缩写符号 R 基结构
第 4 章 蛋白质 蛋白质（protein）是生物体细胞的重要组成成分，在生物体系中起着核心作用；蛋白质 也是一种重要的产能营养素，并提供人体所需的必需氨基酸；蛋白质还对食品的质构、风味 和加工产生重大影响。 蛋白质是由多种不同的α—氨基酸通过肽链相互连接而成的，并具有多种多样的二级和 三级结构。不同的蛋白质具有不同的氨基酸组成，因此也具有不同的理化特性。蛋白质在生 物具有多种生物功能，可归类如下：酶催化、结构蛋白、收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、 微管蛋白）、激素（胰岛素、生长激素）、传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白）、 抗体蛋白（免疫球蛋白）、储藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）和保护蛋白（毒素和过敏素） 等。 4.1 概述 4.1.1 蛋白质的化学组成 一般蛋白质的相对分子量在 1 万至几百万之间。根据元素分析，蛋白质主要含有 C、H、 O、N 等元素，有些蛋白质还含有 P、S 等，少数蛋白质含有 Fe、Zn、Mg、Mn、Co、Cu 等。多数蛋白质的元素组成如下：C 约为 50%～56%，H 为 6%～7%，O 为 20%～30%，N 为 14%～19%，平均含量为 16%；S 为 0.2%～3%；P 为 0～3%。 4.1.2 组成蛋白质的基本单位—氨基酸 蛋白质在酸、碱或酶的作用下，完全水解的最终产物是性质各不相同的一类特殊的氨基 酸，即 L—α—氨基酸。L—α—氨基酸是组成蛋白质的基本单位，其通式如图 4—1。 NH2 H R C COOH NH3 H R C COO + 非 解 离 形式 两 性 离 子 形 式 图 4—1 L—α—氨基酸 4.2 氨基酸和蛋白质的分类和结构 4.2.1 氨基酸的分类和结构 自然界氨基酸种类很多，但组成蛋白质的氨基酸仅 20 余种。根据氨基酸通式中 R 基团 极性的不同，可将氨基酸分为 3 类：①非极性或疏水的氨基酸；②极性但不带电荷的氨基酸； ③在介质中性条件下带电荷的氨基酸；见表 4—1。 表中由于脯氨酸的结构不符合通式，所以给出了它的全结构式；第一类氨基酸的水溶性 低于后两类，这类氨基酸的疏水性随着 R 侧链的碳数增加而增加；第二类氨基酸含极性但 不带电荷的侧链，它们能和水分子形成氢键，其中半胱氨酸和酪氨酸侧链的极性最高，甘氨 酸的最小；第三类氨基酸的侧链在 pH 接近 7 时带有电荷。随着 pH 变化这些侧链电荷可以 通过质子的得失而得失，这是蛋白质具有两性和等电点的基础。 表 4—1 组成蛋白质的主要氨基酸 分 名称 常用缩写符号 R 基结构
类 三字符号 单字符号 R非极性 丙氨酸 Al a A - C H 3 缬氨酸 Val V - C H C H 3 C H 3 亮氨酸 Leu L - C H 2 - C H C H 3 C H 3 异亮氨酸 Ile I - C H - C H 2 - C H 3 C H 3 蛋氨酸 Met M - C H 2 - C H 2 - S - C H 3 脯氨酸 Pro P N C O O H+ 苯丙氨酸 Phe F - C H 2 色氨酸 Trp W NH R不带电荷具极性 甘氨酸 Gly G - H 丝氨酸 Ser S - C H 2 - O H 苏氨酸 Thr T - C H - C H 3 O H 半胱氨酸 Cys C - C H 2 - S H 酪氨酸 Try Y - C H 2 O H 天冬酰胺 Asn N - C H 2 - C O - N H 2 谷氨酰胺 Gln Q - C H 2 - C H 2 - C O - N H 2 介质近中性时R带电荷 赖氨酸 Lys K - C H 2 - C H 2 - C H 2 - C H 2 - N H 3+ 精氨酸 Arg R 组氨酸 His H N + C H 2 H N H 天冬氨酸 Asp D - C H 2 - C O O 谷氨酸 Glu E - C H 2 - C H 2 - C O O
类 三字符号 单字符号 R非极性 丙氨酸 Al a A - C H 3 缬氨酸 Val V - C H C H 3 C H 3 亮氨酸 Leu L - C H 2 - C H C H 3 C H 3 异亮氨酸 Ile I - C H - C H 2 - C H 3 C H 3 蛋氨酸 Met M - C H 2 - C H 2 - S - C H 3 脯氨酸 Pro P N C O O H+ 苯丙氨酸 Phe F - C H 2 色氨酸 Trp W NH R不带电荷具极性 甘氨酸 Gly G - H 丝氨酸 Ser S - C H 2 - O H 苏氨酸 Thr T - C H - C H 3 O H 半胱氨酸 Cys C - C H 2 - S H 酪氨酸 Try Y - C H 2 O H 天冬酰胺 Asn N - C H 2 - C O - N H 2 谷氨酰胺 Gln Q - C H 2 - C H 2 - C O - N H 2 介质近中性时R带电荷 赖氨酸 Lys K - C H 2 - C H 2 - C H 2 - C H 2 - N H 3+ 精氨酸 Arg R 组氨酸 His H N + C H 2 H N H 天冬氨酸 Asp D - C H 2 - C O O 谷氨酸 Glu E - C H 2 - C H 2 - C O O
4.2.2 蛋白质的分类和结构 按照化学组成，蛋白质通常可以分为简单蛋白质和结合蛋白质。简单蛋白质是水解后只 产生氨基酸的蛋白质；结合蛋白质是水解后不仅产生氨基酸，还产生其他有机或无机化合物 （如碳水化合物、脂质、核酸、金属离子等）的蛋白质。结合蛋白质的非氨基酸部分称为辅 基。 简单蛋白质（simpleproteins）可分为： ①清蛋白（albumins）：溶于水及稀盐、稀酸或稀碱溶液，能被饱和硫酸铵所沉淀，加 热可凝固。广泛存在于生物体内，如血清蛋白、乳清蛋白、蛋清蛋白等。 ②球蛋白（globulins）：不溶于水而溶于稀盐、稀酸和稀碱溶液，能被半饱和硫酸铵所 沉淀。普遍存在于生物体内，如血清球蛋白、肌球蛋白和植物种子球蛋白等。 ③谷蛋白（glutelins）：不溶于水、乙醇及中性盐溶液，但易溶于稀酸或稀碱。如米谷蛋 白和麦谷蛋白等。 ④醇溶谷蛋白（prolamines）：不溶于水及无水乙醇，但溶于 70％～80％乙醇、稀酸和 稀碱。分子中脯氨酸和酰胺较多，非极性侧链远较极性侧链多。这类蛋白质主要存在于谷物 种子中，如玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白等。 ⑤组蛋白（histones）：溶于水及稀酸，但为稀氨水所沉淀。分子中组氨酸、赖氨酸较多， 分子呈碱性，如小牛胸腺组蛋白等。 ⑥鱼精蛋白（protamines）：溶于水及稀酸，不溶于氨水。分子中碱性氨基酸（精氨酸和 赖氨酸）特别多，因此呈碱性，如鲑精蛋白等。 ⑦硬蛋白（scleroprotein）：不溶于水、盐、稀酸或稀碱。这类蛋白质是动物体内作为结 缔组织及保护功能的蛋白质，如角蛋白、胶原、网硬蛋白和弹性蛋白等。 根据辅基的不同，结合蛋白质（conjugated proteins）可分为： ①核蛋白（nucleoproteins）：辅基是核酸，如脱氧核糖核蛋白、核糖体、烟草花叶病毒 等。 ②脂蛋白（1ipoproteins）：与脂质结合的蛋白质。脂质成分有磷脂、固醇和中性脂等， 如血液中的β1—脂蛋白、卵黄球蛋白等。 ③糖蛋白和黏蛋白（glycoproteins）：辅基成分为半乳糖、甘露糖、己糖胺、己糖醛酸、 唾液酸、硫酸或磷酸等中的一种或多种。糖蛋白可溶于碱性溶液中，如卵清蛋白、γ—球蛋 白、血清类黏蛋白等。 ④磷蛋白（phosphoproteins）：磷酸基通过酯键与蛋白质中的丝氨酸或苏氨酸残基侧链 的羟基相连，如酪蛋白、胃蛋白酶等。 ⑤血红素蛋白（hemoproteins）：辅基为血红素。含铁的如血红蛋白、细胞色素 c，含镁 的有叶绿蛋白，含铜的有血蓝蛋白等。 ⑥黄素蛋白（flavoproteins）：辅基为黄素腺嘌呤二核苷酸，如琥珀酸脱氢酶、D—氨基 酸氧化酶等。 ⑦金属蛋白（metalioproteins）：与金属直接结合的蛋白质，如铁蛋白含铁，乙醇脱氢酶 含锌，黄嘌呤氧化酶含钼和铁等。 蛋白质按其分子形状分为球状蛋白质和纤维状蛋白质两大类。球状蛋白质，分子对称性 佳，外形接近球状或椭球状，溶解度较好，能结晶，大多数蛋白质属于这一类。纤维状蛋白 质，对称性差，分子类似细棒或纤维，它又可分成可溶性纤维状蛋白质，如肌球蛋白、血纤
4.2.2 蛋白质的分类和结构 按照化学组成，蛋白质通常可以分为简单蛋白质和结合蛋白质。简单蛋白质是水解后只 产生氨基酸的蛋白质；结合蛋白质是水解后不仅产生氨基酸，还产生其他有机或无机化合物 （如碳水化合物、脂质、核酸、金属离子等）的蛋白质。结合蛋白质的非氨基酸部分称为辅 基。 简单蛋白质（simpleproteins）可分为： ①清蛋白（albumins）：溶于水及稀盐、稀酸或稀碱溶液，能被饱和硫酸铵所沉淀，加 热可凝固。广泛存在于生物体内，如血清蛋白、乳清蛋白、蛋清蛋白等。 ②球蛋白（globulins）：不溶于水而溶于稀盐、稀酸和稀碱溶液，能被半饱和硫酸铵所 沉淀。普遍存在于生物体内，如血清球蛋白、肌球蛋白和植物种子球蛋白等。 ③谷蛋白（glutelins）：不溶于水、乙醇及中性盐溶液，但易溶于稀酸或稀碱。如米谷蛋 白和麦谷蛋白等。 ④醇溶谷蛋白（prolamines）：不溶于水及无水乙醇，但溶于 70％～80％乙醇、稀酸和 稀碱。分子中脯氨酸和酰胺较多，非极性侧链远较极性侧链多。这类蛋白质主要存在于谷物 种子中，如玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白等。 ⑤组蛋白（histones）：溶于水及稀酸，但为稀氨水所沉淀。分子中组氨酸、赖氨酸较多， 分子呈碱性，如小牛胸腺组蛋白等。 ⑥鱼精蛋白（protamines）：溶于水及稀酸，不溶于氨水。分子中碱性氨基酸（精氨酸和 赖氨酸）特别多，因此呈碱性，如鲑精蛋白等。 ⑦硬蛋白（scleroprotein）：不溶于水、盐、稀酸或稀碱。这类蛋白质是动物体内作为结 缔组织及保护功能的蛋白质，如角蛋白、胶原、网硬蛋白和弹性蛋白等。 根据辅基的不同，结合蛋白质（conjugated proteins）可分为： ①核蛋白（nucleoproteins）：辅基是核酸，如脱氧核糖核蛋白、核糖体、烟草花叶病毒 等。 ②脂蛋白（1ipoproteins）：与脂质结合的蛋白质。脂质成分有磷脂、固醇和中性脂等， 如血液中的β1—脂蛋白、卵黄球蛋白等。 ③糖蛋白和黏蛋白（glycoproteins）：辅基成分为半乳糖、甘露糖、己糖胺、己糖醛酸、 唾液酸、硫酸或磷酸等中的一种或多种。糖蛋白可溶于碱性溶液中，如卵清蛋白、γ—球蛋 白、血清类黏蛋白等。 ④磷蛋白（phosphoproteins）：磷酸基通过酯键与蛋白质中的丝氨酸或苏氨酸残基侧链 的羟基相连，如酪蛋白、胃蛋白酶等。 ⑤血红素蛋白（hemoproteins）：辅基为血红素。含铁的如血红蛋白、细胞色素 c，含镁 的有叶绿蛋白，含铜的有血蓝蛋白等。 ⑥黄素蛋白（flavoproteins）：辅基为黄素腺嘌呤二核苷酸，如琥珀酸脱氢酶、D—氨基 酸氧化酶等。 ⑦金属蛋白（metalioproteins）：与金属直接结合的蛋白质，如铁蛋白含铁，乙醇脱氢酶 含锌，黄嘌呤氧化酶含钼和铁等。 蛋白质按其分子形状分为球状蛋白质和纤维状蛋白质两大类。球状蛋白质，分子对称性 佳，外形接近球状或椭球状，溶解度较好，能结晶，大多数蛋白质属于这一类。纤维状蛋白 质，对称性差，分子类似细棒或纤维，它又可分成可溶性纤维状蛋白质，如肌球蛋白、血纤
维蛋白原等和不溶性纤维状蛋白质，包括胶原、弹性蛋白、角蛋白以及丝心蛋白等。 蛋白质按其生物功能分为酶、运输蛋白质、营养和贮存蛋白质、收缩蛋白质或运动蛋白 质、结构蛋白质和防御蛋白质。 所有的由生物生产的蛋白质在理论上都可以作为食品蛋白质而加以利用，而实际上食品 蛋白质是那些易于消化、无毒、富有营养、在食品中具有一定功能性质和来源丰富的蛋白质。 乳、肉、水产品、蛋、谷物、豆类和油料种子都是食品蛋白质的主要来源。为了满足人类对 食品蛋白质日益增长的需要，不仅要寻找新的食品蛋白质资源和开发利用蛋白质的技术方 法，而且还应提高对常规蛋白质的利用率和性能的改进，因此对蛋白质的物理、化学、营养 和功能性质的了解，具有重要的实际意义。 4.2.3 维持蛋白质三维结构的作用力 一个由多肽链折叠成的三维结构的是十分复杂的。蛋白质的天然构象是一种热力学状 态，在此状态下各种有利的相互作用达到最大，而不利的相互作用降到最小，于是蛋白质分 子的整个自由能具有最低值。 影响蛋白质折叠的作用力包括两类：①蛋白质分子固有的作用力所形成的相互作用；② 受周围溶剂影响的相互作用。范德华相互作用和空间相互作用属于前者，而氢键、静电相互 作用和疏水基相互作用属于后者(图 4—2)。 O H HO C O N N H H C O OH OH CH2 CH2 CH CH C O C O N S S NH3 COO + NH3 COO + H Ф μ μ Ф A B C D E A B 图 4—2 维持蛋白质三级结构的作用力 A：氢键 B：空间相互作用 C：疏水作用力 D：双硫键 E：静电相互作用 4.2.3.1 空间作用力 虽然φ和ψ角在理论上具有 360°的转动自由度，实际上由于氨基酸残基侧链原子的空 间位阻使它们的转动受到很大的限制。因此，多肽链的片段仅能采取有限形式的构象。 4.2.3.2 范德华相互作用 蛋白质分子内原子间存在范德华作用力。另外，相互作用力的方式（吸引或排斥）与原 子间的距离有关。就蛋白质而论，这种相互作用力同样与α碳原子周围转角有关。距离大时 不存在相互作用力，当距离小时则可产生吸引力，距离更小时则产生排斥力。原子间存在的 范德华作用力包括偶极—诱导偶极和诱导偶极—诱导偶极的相互作用和色散力。 范德华相互作用是很弱的，随原子间距离增加而迅速减小，当该距离超过 0.6nm 时可忽 略不计。各种原子对范德华相互作用能量的范围从—0.17～—0.8 kJ／mol。在蛋白质中，由 于有许多原子对参与范德华相互作用，因此，它对于蛋白质的折叠和稳定性的贡献是很显著 的。 4.2.3.3 氢键 氢键是指以共价与一个电负性原子（例如 N、O 或 S）相结合的氢原子同另一个电负性 原子之间的相互作用。在蛋白质中，一个肽键的羰基与另一个肽键的 N—H 的氢可以形成氢
维蛋白原等和不溶性纤维状蛋白质，包括胶原、弹性蛋白、角蛋白以及丝心蛋白等。 蛋白质按其生物功能分为酶、运输蛋白质、营养和贮存蛋白质、收缩蛋白质或运动蛋白 质、结构蛋白质和防御蛋白质。 所有的由生物生产的蛋白质在理论上都可以作为食品蛋白质而加以利用，而实际上食品 蛋白质是那些易于消化、无毒、富有营养、在食品中具有一定功能性质和来源丰富的蛋白质。 乳、肉、水产品、蛋、谷物、豆类和油料种子都是食品蛋白质的主要来源。为了满足人类对 食品蛋白质日益增长的需要，不仅要寻找新的食品蛋白质资源和开发利用蛋白质的技术方 法，而且还应提高对常规蛋白质的利用率和性能的改进，因此对蛋白质的物理、化学、营养 和功能性质的了解，具有重要的实际意义。 4.2.3 维持蛋白质三维结构的作用力 一个由多肽链折叠成的三维结构的是十分复杂的。蛋白质的天然构象是一种热力学状 态，在此状态下各种有利的相互作用达到最大，而不利的相互作用降到最小，于是蛋白质分 子的整个自由能具有最低值。 影响蛋白质折叠的作用力包括两类：①蛋白质分子固有的作用力所形成的相互作用；② 受周围溶剂影响的相互作用。范德华相互作用和空间相互作用属于前者，而氢键、静电相互 作用和疏水基相互作用属于后者(图 4—2)。 O H HO C O N N H H C O OH OH CH2 CH2 CH CH C O C O N S S NH3 COO + NH3 COO + H Ф μ μ Ф A B C D E A B 图 4—2 维持蛋白质三级结构的作用力 A：氢键 B：空间相互作用 C：疏水作用力 D：双硫键 E：静电相互作用 4.2.3.1 空间作用力 虽然φ和ψ角在理论上具有 360°的转动自由度，实际上由于氨基酸残基侧链原子的空 间位阻使它们的转动受到很大的限制。因此，多肽链的片段仅能采取有限形式的构象。 4.2.3.2 范德华相互作用 蛋白质分子内原子间存在范德华作用力。另外，相互作用力的方式（吸引或排斥）与原 子间的距离有关。就蛋白质而论，这种相互作用力同样与α碳原子周围转角有关。距离大时 不存在相互作用力，当距离小时则可产生吸引力，距离更小时则产生排斥力。原子间存在的 范德华作用力包括偶极—诱导偶极和诱导偶极—诱导偶极的相互作用和色散力。 范德华相互作用是很弱的，随原子间距离增加而迅速减小，当该距离超过 0.6nm 时可忽 略不计。各种原子对范德华相互作用能量的范围从—0.17～—0.8 kJ／mol。在蛋白质中，由 于有许多原子对参与范德华相互作用，因此，它对于蛋白质的折叠和稳定性的贡献是很显著 的。 4.2.3.3 氢键 氢键是指以共价与一个电负性原子（例如 N、O 或 S）相结合的氢原子同另一个电负性 原子之间的相互作用。在蛋白质中，一个肽键的羰基与另一个肽键的 N—H 的氢可以形成氢
键。氢键距离 O.H 约 1.75Å，键能量约为 8～40kJ/mol。 氢键对于稳定α螺旋和β折叠的二级结构和三级结构起着主要作用。氨基酸的极性基团 位于蛋白质分子表面，可以和水分子形成许多个氢键，因此氢键有利于某些蛋白质的结构保 持稳定和溶解度增加。 4.2.3.4 静电相互作用力 蛋白质可以看成是多聚电解质，因为氨基酸的侧链（如天冬氨酸、谷氨酸、酪氨酸、赖 氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸）以及碳和氮末端氨基酸的可解离基团参与酸碱平衡，肽 键中的α氨基和α羧基在蛋白质的离子性中只占很小的一部分。可解离的基团能产生使二级 结构或三级结构稳定的吸引力或排斥力，例如天冬氨酸和谷氨酸的β和γ羧基、C 末端氨基 酸和羧基通常带有负电荷；赖氨酸的ε氨基、N 末端氨基酸的α氨基、精氨酸的胍基和组氨 酸的咪唑基等带有正电荷。静电相互作用能量范围为 42～84kJ/mol。 某些离子—蛋白质的相互作用有利于蛋白质四级结构的稳定，蛋白质—Ca2+—蛋白质型 的静电相互作用力对维持酪蛋白胶束的稳定性起着重要作用。在某些情况下，离子—蛋白质 的复合物还可产生生物活性，像铁的运载或酶活性。通常，离子在蛋白质分子一定的位点上 结合，过渡金属离子（Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Hg 等）可同时通过部分离子键与几种氨基 酸的咪唑基和巯基结合。 4.2.3.5 疏水作用力 蛋白质分子的极性相互作用是非常不稳定的，蛋白质的稳定性取决于能否保持在一个非 极性的环境中。驱动蛋白质折叠的重要力量来自于非极性基团的疏水作用力。 在水溶液中，非极性基团之间的疏水作用力是水与非极性基团之间热力学上不利的相互 作用的结果。在水溶液中非极性基团倾向于聚集，使得与水直接接触的面积降至最低。水结 构诱导的水溶液中非极性基团的相互作用被称为疏水相互作用。在蛋白质中，氨基酸残基非 极性侧链之间的疏水作用力是蛋白质折叠成独特的三维结构的主要因素。 4.2.3.6 二硫键 二硫键是天然存在于蛋白质中唯一的共价侧链交联，它们既能存在于分子内，也能存在 于分子间。在单体蛋白质中，二硫键的形成是蛋白质折叠的结果。当两个 Cys 残基接近并 适当定向时，在分子氧的氧化作用下形成二硫键。二硫键的形成能帮助稳定蛋白质的折叠结 构。 某些蛋白质含有半胱氨酸和胱氨酸残基，能够发生巯基和二硫键的交换反应。 总之，一个独特的三维蛋白质结构的形成是各种排斥和吸引的非共价相互作用以及几个 共价二硫键作用的结果。 4.3 蛋白质在食品加工中的功能性质 蛋白质的功能性质（functionality）是指在食品加工、贮藏和销售过程中蛋白质对食品 需宜特征做出贡献的那些物理和化学性质。可分为 3 个主要方面： （1）水化性质 取决于蛋白质与水的相互作用，包括水的吸收与保留、湿润性、溶胀、黏着性、分散性、 溶解度和黏度等。 （2）蛋白质——蛋白质相互作用有关的性质 指控制沉淀、胶凝和形成各种其它结构时起作用的那些性质。 （3）表面性质
键。氢键距离 O.H 约 1.75Å，键能量约为 8～40kJ/mol。 氢键对于稳定α螺旋和β折叠的二级结构和三级结构起着主要作用。氨基酸的极性基团 位于蛋白质分子表面，可以和水分子形成许多个氢键，因此氢键有利于某些蛋白质的结构保 持稳定和溶解度增加。 4.2.3.4 静电相互作用力 蛋白质可以看成是多聚电解质，因为氨基酸的侧链（如天冬氨酸、谷氨酸、酪氨酸、赖 氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸）以及碳和氮末端氨基酸的可解离基团参与酸碱平衡，肽 键中的α氨基和α羧基在蛋白质的离子性中只占很小的一部分。可解离的基团能产生使二级 结构或三级结构稳定的吸引力或排斥力，例如天冬氨酸和谷氨酸的β和γ羧基、C 末端氨基 酸和羧基通常带有负电荷；赖氨酸的ε氨基、N 末端氨基酸的α氨基、精氨酸的胍基和组氨 酸的咪唑基等带有正电荷。静电相互作用能量范围为 42～84kJ/mol。 某些离子—蛋白质的相互作用有利于蛋白质四级结构的稳定，蛋白质—Ca2+—蛋白质型 的静电相互作用力对维持酪蛋白胶束的稳定性起着重要作用。在某些情况下，离子—蛋白质 的复合物还可产生生物活性，像铁的运载或酶活性。通常，离子在蛋白质分子一定的位点上 结合，过渡金属离子（Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Hg 等）可同时通过部分离子键与几种氨基 酸的咪唑基和巯基结合。 4.2.3.5 疏水作用力 蛋白质分子的极性相互作用是非常不稳定的，蛋白质的稳定性取决于能否保持在一个非 极性的环境中。驱动蛋白质折叠的重要力量来自于非极性基团的疏水作用力。 在水溶液中，非极性基团之间的疏水作用力是水与非极性基团之间热力学上不利的相互 作用的结果。在水溶液中非极性基团倾向于聚集，使得与水直接接触的面积降至最低。水结 构诱导的水溶液中非极性基团的相互作用被称为疏水相互作用。在蛋白质中，氨基酸残基非 极性侧链之间的疏水作用力是蛋白质折叠成独特的三维结构的主要因素。 4.2.3.6 二硫键 二硫键是天然存在于蛋白质中唯一的共价侧链交联，它们既能存在于分子内，也能存在 于分子间。在单体蛋白质中，二硫键的形成是蛋白质折叠的结果。当两个 Cys 残基接近并 适当定向时，在分子氧的氧化作用下形成二硫键。二硫键的形成能帮助稳定蛋白质的折叠结 构。 某些蛋白质含有半胱氨酸和胱氨酸残基，能够发生巯基和二硫键的交换反应。 总之，一个独特的三维蛋白质结构的形成是各种排斥和吸引的非共价相互作用以及几个 共价二硫键作用的结果。 4.3 蛋白质在食品加工中的功能性质 蛋白质的功能性质（functionality）是指在食品加工、贮藏和销售过程中蛋白质对食品 需宜特征做出贡献的那些物理和化学性质。可分为 3 个主要方面： （1）水化性质 取决于蛋白质与水的相互作用，包括水的吸收与保留、湿润性、溶胀、黏着性、分散性、 溶解度和黏度等。 （2）蛋白质——蛋白质相互作用有关的性质 指控制沉淀、胶凝和形成各种其它结构时起作用的那些性质。 （3）表面性质
指与蛋白质表面张力、乳化作用、起泡特性有关的性质。 上述几类性质并不是完全独立的，而是相互间存在一定的内在联系。如胶凝作用不仅包 括蛋白质一蛋白质相互作用，而且还有蛋白质一水相互作用；黏度和溶解度是蛋白质一水和 蛋白质一蛋白质的相互作用的共同结果。 蛋白质的功能性质在食品中得到了极其广泛的应用，其意义十分重大。例如：制造蛋糕 时就充分地利用了卵蛋白的乳化性、搅打起泡性和热凝聚作用。蛋白质的功能性质是在食品 加工实践、模型体系实验和蛋白质结构特征和功能关系分析研究等多重基础上逐步探明的。 系统地测定各种食品蛋白质（包括新开发的食品蛋白质产品）的功能性质有助于在食品加工 业中正确地使用这些蛋白质资源，而探明、解释、把握和改进食品蛋白质的功能性质就可研 究一种新的食品配方和新的加工工艺。 4.3.1 水合作用 4.3.1.1 概述 蛋白质的水合作用（Hydration）也叫蛋白质的水合性质（Hydration properties），是蛋白 质的肽键和氨基酸的侧链与水分子间发生反应的特性。 蛋白质在溶液中的构象很大程度上与它和水合特性有关。蛋白质的水合作用是一个逐步 的过程，即首先形成化合水和邻近水，再形成多分子层水，如若条件允许，蛋白质将进一步 水化，这时表现为：①蛋白质吸水充分膨胀而不溶解，这种水化性质通常叫膨润性。②蛋白 质在继续水化中被水分散而逐渐变为胶体溶液，具有这种水化特点的蛋白质称为可溶性蛋 白。大多数食品为水合的固态体系。食品蛋白质及其它成分的物理化学和流变学性质，不仅 强烈地受到体系中水的影响，而且还受水分活度的影响。干的浓缩蛋白质或离析物在应用时 必须水合，因此食品蛋白质的水合和复水性质具有重要的实际意义。 4.3.1.2 蛋白质水合特性的测定方法 蛋白质成分的吸水性和持水容量的测定通常有以下四种方法。 （1）相对湿度法（或平衡水分含量法）：测定一定水分活度时所吸收或丢失的水量，该 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沙蕊玻璃过滤器上，让其自发 地吸收过滤器下面毛细管中的水，即可测定水合作用的速度和程度，这种装置称为 Baumann 仪。 （3）过量水法 ：使蛋白质样品同超过蛋白质所能结合的过量水接触，随后通过过滤、 低速离心或挤压，使过剩水分离。这种方法只适用于溶解度低的蛋白质，对于含有可溶性蛋 白质的样品必须进行校正。 （4）水饱和法：测定蛋白质饱和溶液所需要的水量，如用离心法测定对水的最大保留 性。 方法（2）、（3）和（4）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。 几种不同的蛋白质的吸水量见图４－３
指与蛋白质表面张力、乳化作用、起泡特性有关的性质。 上述几类性质并不是完全独立的，而是相互间存在一定的内在联系。如胶凝作用不仅包 括蛋白质一蛋白质相互作用，而且还有蛋白质一水相互作用；黏度和溶解度是蛋白质一水和 蛋白质一蛋白质的相互作用的共同结果。 蛋白质的功能性质在食品中得到了极其广泛的应用，其意义十分重大。例如：制造蛋糕 时就充分地利用了卵蛋白的乳化性、搅打起泡性和热凝聚作用。蛋白质的功能性质是在食品 加工实践、模型体系实验和蛋白质结构特征和功能关系分析研究等多重基础上逐步探明的。 系统地测定各种食品蛋白质（包括新开发的食品蛋白质产品）的功能性质有助于在食品加工 业中正确地使用这些蛋白质资源，而探明、解释、把握和改进食品蛋白质的功能性质就可研 究一种新的食品配方和新的加工工艺。 4.3.1 水合作用 4.3.1.1 概述 蛋白质的水合作用（Hydration）也叫蛋白质的水合性质（Hydration properties），是蛋白 质的肽键和氨基酸的侧链与水分子间发生反应的特性。 蛋白质在溶液中的构象很大程度上与它和水合特性有关。蛋白质的水合作用是一个逐步 的过程，即首先形成化合水和邻近水，再形成多分子层水，如若条件允许，蛋白质将进一步 水化，这时表现为：①蛋白质吸水充分膨胀而不溶解，这种水化性质通常叫膨润性。②蛋白 质在继续水化中被水分散而逐渐变为胶体溶液，具有这种水化特点的蛋白质称为可溶性蛋 白。大多数食品为水合的固态体系。食品蛋白质及其它成分的物理化学和流变学性质，不仅 强烈地受到体系中水的影响，而且还受水分活度的影响。干的浓缩蛋白质或离析物在应用时 必须水合，因此食品蛋白质的水合和复水性质具有重要的实际意义。 4.3.1.2 蛋白质水合特性的测定方法 蛋白质成分的吸水性和持水容量的测定通常有以下四种方法。 （1）相对湿度法（或平衡水分含量法）：测定一定水分活度时所吸收或丢失的水量，该 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沙蕊玻璃过滤器上，让其自发 地吸收过滤器下面毛细管中的水，即可测定水合作用的速度和程度，这种装置称为 Baumann 仪。 （3）过量水法 ：使蛋白质样品同超过蛋白质所能结合的过量水接触，随后通过过滤、 低速离心或挤压，使过剩水分离。这种方法只适用于溶解度低的蛋白质，对于含有可溶性蛋 白质的样品必须进行校正。 （4）水饱和法：测定蛋白质饱和溶液所需要的水量，如用离心法测定对水的最大保留 性。 方法（2）、（3）和（4）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。 几种不同的蛋白质的吸水量见图４－３
图 4-3 几种不同的蛋白质的吸水曲线 通常情况下，蛋白质的溶解度数据对于确定从天然来源提取和纯化蛋白质的最佳条件以 及分离蛋白质的各个部分是非常有用的。溶解度也为蛋白质的食用功能性提供了一个很好的 指标。蛋白质能够溶解，意味着它能极高程度地水合。测定蛋白质的溶解度时应注意，多数 情况下，蛋白质的平衡溶解度的到达是缓慢的。 4.3.1.3 影响蛋白质水合作用的环境因素 环境因素对水合作用有一定的影响，如蛋白质的浓度、pH、温度、水合时间、离子强 度和其它组分的存在都是影响蛋白质水合特性的主要因素。蛋白质的总水吸附率随蛋白质浓 度的增加而增加。 pH 值的改变会影响蛋白质分子的解离和带电性，从而改变蛋白质的水合特性。在等电 点下，蛋白质荷电量净值为零，蛋白质间的相互作用最强，呈现最低水化和肿胀。例如，在 宰后僵直期的生牛肉中，当 pH 值从 6.5 下降至 5.0（等电点）时，其持水力显著下降，并导 致生牛肉的多汁性和嫩度下降。高于或低于等电点 pH 值时，由于净电荷和排斥力的增加使 蛋白质肿胀并结合较多的水。 温度在 0—40℃或 50℃之间，蛋白质的水合特性随温度的提高而提高，更高温度下蛋白 质高级结构破坏，常导致变性聚集。结合水的含量虽受温度的影响不大，但氢键结合水和表 面结合水随温度升高一般下降，可溶性也可能下降。另一方面，结构很紧密和原来难溶的蛋 白质被加热处理时，可能导致内部疏水基团暴露而改变水合特性。对于某些蛋白质，加热时 形成不可逆凝胶，干燥后网眼结构保持，产生的毛细管作用力会提高蛋白质的吸水能力。 离子的种类和浓度对蛋白质吸水性、肿胀和溶解度也有很大的影响。盐类和氨基酸侧链 基团通常同水发生竞争性结合，在低盐浓度时，离子同蛋白质荷电基团相互作用而降低相邻 分子的相反电荷间的静电吸引，从而有助于蛋白质水化和提高其溶解度，这叫盐溶效应。当 盐浓度更高时，由于离子的水化作用争夺了水，导致蛋白质“脱水”，从而降低其溶解度， 这叫做盐析效应。在食品中用于提高蛋白质水化能力的中性盐主要是 NaCl，但也常用（NH4） 2SO4 和 NaCl 来沉淀蛋白质。食品中也常用磷酸盐改变蛋白质的水化性质，其作用机制与前 两种盐不同，它是与蛋白质中结合或络合的 Ca2+、Mg2+等离子结合而使蛋白质的侧链羧基 转为 Na+、K+、和 NH4 +盐基或游离负离子的形式，从而提高蛋白质的水化能力，例如在肉 制品中添加 0.2%左右的聚磷酸盐可增加其持水力。 蛋白质吸附和保持水的能力对各种食品的质地和性质起着重要的作用，尤其是对碎肉和 面团。如果蛋白质不溶解，则因吸水性会导致膨胀，这会影响它的质构、粘度和粘着力等特 性。蛋白质的其它功能性质（如乳化、胶凝）也可使食品产生需宜的特性。 4.3.1.4 蛋白质的水合作用与其食用功能的关系
图 4-3 几种不同的蛋白质的吸水曲线 通常情况下，蛋白质的溶解度数据对于确定从天然来源提取和纯化蛋白质的最佳条件以 及分离蛋白质的各个部分是非常有用的。溶解度也为蛋白质的食用功能性提供了一个很好的 指标。蛋白质能够溶解，意味着它能极高程度地水合。测定蛋白质的溶解度时应注意，多数 情况下，蛋白质的平衡溶解度的到达是缓慢的。 4.3.1.3 影响蛋白质水合作用的环境因素 环境因素对水合作用有一定的影响，如蛋白质的浓度、pH、温度、水合时间、离子强 度和其它组分的存在都是影响蛋白质水合特性的主要因素。蛋白质的总水吸附率随蛋白质浓 度的增加而增加。 pH 值的改变会影响蛋白质分子的解离和带电性，从而改变蛋白质的水合特性。在等电 点下，蛋白质荷电量净值为零，蛋白质间的相互作用最强，呈现最低水化和肿胀。例如，在 宰后僵直期的生牛肉中，当 pH 值从 6.5 下降至 5.0（等电点）时，其持水力显著下降，并导 致生牛肉的多汁性和嫩度下降。高于或低于等电点 pH 值时，由于净电荷和排斥力的增加使 蛋白质肿胀并结合较多的水。 温度在 0—40℃或 50℃之间，蛋白质的水合特性随温度的提高而提高，更高温度下蛋白 质高级结构破坏，常导致变性聚集。结合水的含量虽受温度的影响不大，但氢键结合水和表 面结合水随温度升高一般下降，可溶性也可能下降。另一方面，结构很紧密和原来难溶的蛋 白质被加热处理时，可能导致内部疏水基团暴露而改变水合特性。对于某些蛋白质，加热时 形成不可逆凝胶，干燥后网眼结构保持，产生的毛细管作用力会提高蛋白质的吸水能力。 离子的种类和浓度对蛋白质吸水性、肿胀和溶解度也有很大的影响。盐类和氨基酸侧链 基团通常同水发生竞争性结合，在低盐浓度时，离子同蛋白质荷电基团相互作用而降低相邻 分子的相反电荷间的静电吸引，从而有助于蛋白质水化和提高其溶解度，这叫盐溶效应。当 盐浓度更高时，由于离子的水化作用争夺了水，导致蛋白质“脱水”，从而降低其溶解度， 这叫做盐析效应。在食品中用于提高蛋白质水化能力的中性盐主要是 NaCl，但也常用（NH4） 2SO4 和 NaCl 来沉淀蛋白质。食品中也常用磷酸盐改变蛋白质的水化性质，其作用机制与前 两种盐不同，它是与蛋白质中结合或络合的 Ca2+、Mg2+等离子结合而使蛋白质的侧链羧基 转为 Na+、K+、和 NH4 +盐基或游离负离子的形式，从而提高蛋白质的水化能力，例如在肉 制品中添加 0.2%左右的聚磷酸盐可增加其持水力。 蛋白质吸附和保持水的能力对各种食品的质地和性质起着重要的作用，尤其是对碎肉和 面团。如果蛋白质不溶解，则因吸水性会导致膨胀，这会影响它的质构、粘度和粘着力等特 性。蛋白质的其它功能性质（如乳化、胶凝）也可使食品产生需宜的特性。 4.3.1.4 蛋白质的水合作用与其食用功能的关系
蛋白质的水合性质主要用溶解度、吸水能力和持水性表示。但这三种性质不是相互一致 的，不同食品对这些水合特性的要求不同。 在制作蛋白饮料时，要求溶液透明、澄清或为稳定的乳状液，还要求黏度低。这就要求 蛋白质溶解度高，pH、离子强度和温度必须在较大范围内稳定，在此范围内蛋白质的水合 性质应相对稳定而不聚集沉淀。 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问 题。应通过改变 pH 或加入中性盐及控制添加量以确保制品即使受热也能保持充足水分，因 为只有保持肉汁，肉制品才能有良好的口感和风味。 乳清蛋白质、酪蛋白和其他的蛋白质必须具有相当高的最初溶解度才能在乳状液、泡沫 和凝胶中表现出良好的功能性质。正因为如此，工业上生产等电点干酪素虽然容易，但这种 产品用途有限，应将其转化为酪蛋白的钠盐或钾盐并在低温下浓缩干燥，这样生产的产品才 具有更好的水分散性和较好的乳化性质。初始溶解性高的主要优点是在水中分散快，形成一 良好的和分散的胶体体系，并具有均一的宏观结构和润滑的质构。此外，初始溶解性有助于 蛋白质扩散到气/水和油/水界面，提高它的表面活性。 4.3.2 溶解度 蛋白质的溶解度（solubility）是蛋白质一蛋白质和蛋白质一溶剂相互作用达到平衡的热 力学表现形式。Bigelow 认为蛋白质的溶解度与氨基酸残基的疏水性有关，疏水性越小蛋白 质的溶解度越大。蛋白质的溶解性，可用水溶性蛋白质（WSP）、水可分散蛋白（WDP）、 蛋白质分散性指标（PDl）、氮溶解性指标（NSl）来评价；其中 PDI 和 NSI 已是美国油脂化 学家协会采纳的法定评价方法。 蛋白质的溶解度大小还与 pH 值、离子强度、温度和蛋白质浓度有关。大多数食品蛋白 质的溶解度 pH 值图是一条 U 形曲线，最低溶解度出现在蛋白质的等电点附近。在低于和高 于等电点 pH 值时，蛋白质分别带有净的正电荷或净的负电荷，带电的氨基酸残基的静电推 斥和水合作用促进了蛋白质的溶解。但β—乳球蛋白（pI5.2）和牛血清清蛋白（pI4.8）即 使在它们的等电点时，仍然是高度溶解的，这是因为其分子中表面亲水性残基的数量远高于 疏水性残基数量。由于大多数蛋白质在碱性 pH8～9 是高度溶解的，因此总是在此 pH 值范 围从植物资源中提取蛋白质，然后在 pH4.5～4.8 处采用等电点沉淀法从提取液中回收蛋白 质。 蛋白质在盐溶液中的溶解度一般遵循下列关系: 1g（S／So）＝βKsCs 式中：S 和 S。分别代表蛋白质在盐溶液和水中的溶解度；Ks 代表盐析常数（对盐析类 盐 Ks 是正值，而对盐溶类盐 Ks 是负值）；Cs 代表盐的摩尔浓度；β是常数。 在低离子强度（1.0 时，盐对蛋白质溶解度具有特异的离子效应，硫酸盐和氟化 物（盐）逐渐降低蛋白质的溶解度（盐析 salting out），硫氰酸盐和过氯酸盐逐渐提高蛋白质 的溶解度（盐溶 salting in）。在相同的离子强度时，各种离子对蛋白质溶解度的相对影响遵 循 Hofmeister 系列规律，阴离子提高蛋白质溶解度的能力按下列顺序：SO4 2-< F-< Cl-< Br-< I-< ClO4 -< SCN-，阳离子降低蛋白质溶解度的能力按下列顺序：NH4+< K+ <Na+ < Li+ <Mg2+ < Ca2+，离子的这个性能类似于盐对蛋白质热变性温度的影响。 在恒定的 pH 值和离子强度下，大多数蛋白质的溶解度在 0～40℃范围内随温度的升高
蛋白质的水合性质主要用溶解度、吸水能力和持水性表示。但这三种性质不是相互一致 的，不同食品对这些水合特性的要求不同。 在制作蛋白饮料时，要求溶液透明、澄清或为稳定的乳状液，还要求黏度低。这就要求 蛋白质溶解度高，pH、离子强度和温度必须在较大范围内稳定，在此范围内蛋白质的水合 性质应相对稳定而不聚集沉淀。 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问 题。应通过改变 pH 或加入中性盐及控制添加量以确保制品即使受热也能保持充足水分，因 为只有保持肉汁，肉制品才能有良好的口感和风味。 乳清蛋白质、酪蛋白和其他的蛋白质必须具有相当高的最初溶解度才能在乳状液、泡沫 和凝胶中表现出良好的功能性质。正因为如此，工业上生产等电点干酪素虽然容易，但这种 产品用途有限，应将其转化为酪蛋白的钠盐或钾盐并在低温下浓缩干燥，这样生产的产品才 具有更好的水分散性和较好的乳化性质。初始溶解性高的主要优点是在水中分散快，形成一 良好的和分散的胶体体系，并具有均一的宏观结构和润滑的质构。此外，初始溶解性有助于 蛋白质扩散到气/水和油/水界面，提高它的表面活性。 4.3.2 溶解度 蛋白质的溶解度（solubility）是蛋白质一蛋白质和蛋白质一溶剂相互作用达到平衡的热 力学表现形式。Bigelow 认为蛋白质的溶解度与氨基酸残基的疏水性有关，疏水性越小蛋白 质的溶解度越大。蛋白质的溶解性，可用水溶性蛋白质（WSP）、水可分散蛋白（WDP）、 蛋白质分散性指标（PDl）、氮溶解性指标（NSl）来评价；其中 PDI 和 NSI 已是美国油脂化 学家协会采纳的法定评价方法。 蛋白质的溶解度大小还与 pH 值、离子强度、温度和蛋白质浓度有关。大多数食品蛋白 质的溶解度 pH 值图是一条 U 形曲线，最低溶解度出现在蛋白质的等电点附近。在低于和高 于等电点 pH 值时，蛋白质分别带有净的正电荷或净的负电荷，带电的氨基酸残基的静电推 斥和水合作用促进了蛋白质的溶解。但β—乳球蛋白（pI5.2）和牛血清清蛋白（pI4.8）即 使在它们的等电点时，仍然是高度溶解的，这是因为其分子中表面亲水性残基的数量远高于 疏水性残基数量。由于大多数蛋白质在碱性 pH8～9 是高度溶解的，因此总是在此 pH 值范 围从植物资源中提取蛋白质，然后在 pH4.5～4.8 处采用等电点沉淀法从提取液中回收蛋白 质。 蛋白质在盐溶液中的溶解度一般遵循下列关系: 1g（S／So）＝βKsCs 式中：S 和 S。分别代表蛋白质在盐溶液和水中的溶解度；Ks 代表盐析常数（对盐析类 盐 Ks 是正值，而对盐溶类盐 Ks 是负值）；Cs 代表盐的摩尔浓度；β是常数。 在低离子强度（1.0 时，盐对蛋白质溶解度具有特异的离子效应，硫酸盐和氟化 物（盐）逐渐降低蛋白质的溶解度（盐析 salting out），硫氰酸盐和过氯酸盐逐渐提高蛋白质 的溶解度（盐溶 salting in）。在相同的离子强度时，各种离子对蛋白质溶解度的相对影响遵 循 Hofmeister 系列规律，阴离子提高蛋白质溶解度的能力按下列顺序：SO4 2-< F-< Cl-< Br-< I-< ClO4 -< SCN-，阳离子降低蛋白质溶解度的能力按下列顺序：NH4+< K+ <Na+ < Li+ <Mg2+ < Ca2+，离子的这个性能类似于盐对蛋白质热变性温度的影响。 在恒定的 pH 值和离子强度下，大多数蛋白质的溶解度在 0～40℃范围内随温度的升高
而提高，而一些高疏水性蛋白质，如β-酪蛋白和一些谷类蛋白质的溶解度却和温度呈负相 关。当温度超过 40℃时，由于热导致蛋白质结构的展开（变性），促进了聚集和沉淀作用， 使蛋白质的溶解度下降。 加入能与水互溶的有机溶剂，如乙醇和丙酮，降低了水介质的介电常数，从而提高了蛋 白质分子内和分子间的静电作用力（排斥和吸引），导致蛋白质分子结构的展开；在此展开 状态下，介电常数的降低又能促进暴露的肽基团之间氢键的形成和带相反电荷的基团之间的 静电相互吸引作用，这些相互作用均导致蛋白质在有机溶剂一水体系中溶解度减少甚至沉 淀。有机溶剂—水体系中的疏水相互作用对蛋白质沉淀所起的作用是最低的，这是因为有机 溶剂对非极性残基具有增溶的效果。 由于蛋白质的溶解度与它们的结构状态紧密相关，因此，在蛋白质的提取、分离和纯化 过程中，它常被用来衡量蛋白质的变性程度。它还是判断蛋白质潜在的应用价值的一个指标。 4.3.3 黏度 液体的粘度（viscosity）反映它对流动的阻力。蛋白质流体的粘度主要由蛋白质粒子在 其中的表观直径决定（表观直径越大，黏度越大）。表观直径又依下列参数而变：（1）蛋白 质分子的固有特性（如摩尔浓度、大小、体积、结构及电荷等）；（2）蛋白质和溶剂间的相 互作用，这种作用会影响膨胀、溶解度和水合作用；（3）蛋白质和蛋白质之间的相互作用会 影响凝集体的大小。 当大多数亲水性溶液的分散体系（匀浆或悬浊液）、乳浊液、糊状物或凝胶（包括蛋白 质）的流速增加时，它的黏度系数降低，这种现象称为剪切稀释（shear thining）。剪切稀释 可以用下面的现象来解释：①分子在流动的方向逐步定向，因而使摩擦阻力下降。②蛋白质 水化球在流动方向变形。③氢键和其他弱键的断裂导致蛋白质聚集体或网络结构的解体。这 些情况下，蛋白质分子或粒子在流动方向的表观直径减小，因而其黏度系数也减小。当剪切 处理停止时，断裂的氢键和其他次级键若重新生成而产生同前的聚集体，那么黏度又重新恢 复，这样的体系称为触变（Thixotropic）体系。例如大豆分离蛋白和乳清蛋白的分散体系就 是触变体系。 黏度和蛋白质的溶解度无直接关系，但和蛋白质的吸水膨润性关系很大。一般情况下， 蛋白质吸水膨润性越大，分散体系的黏度也越大。 蛋白质体系的粘度和稠度是流体食品如饮料、肉汤、汤汁、沙司和奶油的主要功能性质。 蛋白质分散体的主要功能性质对于最适加工过程也同样具有实际意义，例如，在输送、混合、 加热、冷却和喷雾干燥中都包括质量或热的传递。 4.3.4 胶凝作用 蛋白质的胶凝作用（gelation）同蛋白质的缔合、凝集、聚合、沉淀、絮凝和凝结等分 散性的降低是不同的。蛋白质的缔合（association）一般是指亚基或分子水平上发生的变化； 聚合或聚集（polymerization）一般是指较大复合物的形成；沉淀作用（precipitation）指由 于溶解度全部或部分丧失而引起的一切凝集反应；絮凝（flocculation）是指没有变性时的无 序凝集反应，这种现象常常是因为链间静电排斥力的降低而引起的；凝结作用（coagultion） 是指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。变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构的过程称为胶凝作 用。 食品蛋白凝胶可大致可分为以下类：①加热后冷却产生的凝胶，这种凝胶多为热可逆凝 胶，例如：明胶溶液加热后冷却形成的凝胶；②加热状态下产生凝胶，这种凝胶很多不透明
而提高，而一些高疏水性蛋白质，如β-酪蛋白和一些谷类蛋白质的溶解度却和温度呈负相 关。当温度超过 40℃时，由于热导致蛋白质结构的展开（变性），促进了聚集和沉淀作用， 使蛋白质的溶解度下降。 加入能与水互溶的有机溶剂，如乙醇和丙酮，降低了水介质的介电常数，从而提高了蛋 白质分子内和分子间的静电作用力（排斥和吸引），导致蛋白质分子结构的展开；在此展开 状态下，介电常数的降低又能促进暴露的肽基团之间氢键的形成和带相反电荷的基团之间的 静电相互吸引作用，这些相互作用均导致蛋白质在有机溶剂一水体系中溶解度减少甚至沉 淀。有机溶剂—水体系中的疏水相互作用对蛋白质沉淀所起的作用是最低的，这是因为有机 溶剂对非极性残基具有增溶的效果。 由于蛋白质的溶解度与它们的结构状态紧密相关，因此，在蛋白质的提取、分离和纯化 过程中，它常被用来衡量蛋白质的变性程度。它还是判断蛋白质潜在的应用价值的一个指标。 4.3.3 黏度 液体的粘度（viscosity）反映它对流动的阻力。蛋白质流体的粘度主要由蛋白质粒子在 其中的表观直径决定（表观直径越大，黏度越大）。表观直径又依下列参数而变：（1）蛋白 质分子的固有特性（如摩尔浓度、大小、体积、结构及电荷等）；（2）蛋白质和溶剂间的相 互作用，这种作用会影响膨胀、溶解度和水合作用；（3）蛋白质和蛋白质之间的相互作用会 影响凝集体的大小。 当大多数亲水性溶液的分散体系（匀浆或悬浊液）、乳浊液、糊状物或凝胶（包括蛋白 质）的流速增加时，它的黏度系数降低，这种现象称为剪切稀释（shear thining）。剪切稀释 可以用下面的现象来解释：①分子在流动的方向逐步定向，因而使摩擦阻力下降。②蛋白质 水化球在流动方向变形。③氢键和其他弱键的断裂导致蛋白质聚集体或网络结构的解体。这 些情况下，蛋白质分子或粒子在流动方向的表观直径减小，因而其黏度系数也减小。当剪切 处理停止时，断裂的氢键和其他次级键若重新生成而产生同前的聚集体，那么黏度又重新恢 复，这样的体系称为触变（Thixotropic）体系。例如大豆分离蛋白和乳清蛋白的分散体系就 是触变体系。 黏度和蛋白质的溶解度无直接关系，但和蛋白质的吸水膨润性关系很大。一般情况下， 蛋白质吸水膨润性越大，分散体系的黏度也越大。 蛋白质体系的粘度和稠度是流体食品如饮料、肉汤、汤汁、沙司和奶油的主要功能性质。 蛋白质分散体的主要功能性质对于最适加工过程也同样具有实际意义，例如，在输送、混合、 加热、冷却和喷雾干燥中都包括质量或热的传递。 4.3.4 胶凝作用 蛋白质的胶凝作用（gelation）同蛋白质的缔合、凝集、聚合、沉淀、絮凝和凝结等分 散性的降低是不同的。蛋白质的缔合（association）一般是指亚基或分子水平上发生的变化； 聚合或聚集（polymerization）一般是指较大复合物的形成；沉淀作用（precipitation）指由 于溶解度全部或部分丧失而引起的一切凝集反应；絮凝（flocculation）是指没有变性时的无 序凝集反应，这种现象常常是因为链间静电排斥力的降低而引起的；凝结作用（coagultion） 是指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。变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构的过程称为胶凝作 用。 食品蛋白凝胶可大致可分为以下类：①加热后冷却产生的凝胶，这种凝胶多为热可逆凝 胶，例如：明胶溶液加热后冷却形成的凝胶；②加热状态下产生凝胶，这种凝胶很多不透明
而且是非可逆凝胶；例如：蛋清蛋白在煮蛋中形成的凝胶；③由钙盐等二价金属盐形成的凝 胶，例如：大豆蛋白质形成豆腐；④不加热而经部分水解或 pH 调整到等电点而产生凝胶， 例如：凝乳酶制作干酪、乳酸发酵制作酸奶和皮蛋等生产中的碱对蛋清蛋白的部分水解等。 大多数情况下，热处理是胶凝作用所必需的条件，然后必须冷却，略微酸化也是有利的。 增加盐类，尤其是钙离子也可以提高胶凝速率和胶凝强度（大豆蛋白、乳清蛋白和血清蛋白）。 但是，某些蛋白质不加热也可胶凝，而仅仅需经适当的酶解（酪蛋白胶束、卵白和血纤维蛋 白），或者只是单纯地加入钙离子（酪蛋白胶束），或者在碱化后使其恢复到中性或等电点 pH（大豆蛋白）。虽然许多凝胶是由蛋白质溶液形成的（鸡卵清蛋白和其它卵清蛋白等）， 但不溶或难溶性的蛋白质水溶液或盐水分散液也可以形成凝胶（胶原蛋白、肌原纤维蛋白）。 因此，蛋白质的溶解性并不是胶凝作用必需的条件。 一般认为蛋白质凝胶网络的形成是由于蛋白质一蛋白质、蛋白质一溶剂（水）的相互 作用，邻近肽链之间的吸引力和排斥力达到平衡时引起的。疏水作用力、静电相互作用、氢 键合和二硫键等对凝胶形成的相对贡献随蛋白质的性质、环境条件和胶凝过程中步骤的不同 而异。静电排斥力和蛋白质一水之间的相互作用有利于肽链的分离。蛋白质浓度高时，因分 子间接触的几率增大，更容易产生蛋白质分子间的吸引力和胶凝作用。蛋白质溶液浓度高时 即使环境条件对凝集作用并不十分有利（如不加热、pH 值与等电点相差很大时），也仍然可 以发生胶凝作用。共价二硫交联键的形成通常会导致热不可逆凝胶的生成，如卵清蛋白和β —乳球蛋白凝胶。而明胶则主要通过氢键的形成而保持稳定，加热时（约 30℃）熔融，并 且这种凝结—熔融可反复循环多次而不失去胶凝特性。 将种类不同的蛋白质放在一起加热可产生共凝胶作用而形成凝胶，而且蛋白质还能与多 糖胶凝剂相互作用而形成凝胶，带正电荷的明胶与带负电荷的海藻酸盐或果胶酸盐之间通过 非特异性离子间的相互作用能生成高熔点（80℃）的凝胶。同样，在牛乳 pH 时，酪蛋白胶 束能够存在于卡拉胶的凝胶中。 许多凝胶以一种高度膨胀（敞开）和水合结构的形式存在。每克蛋白质约可含水 10g 以上，而且食品中的其它成分可被截留在蛋白质的网络之中。有些蛋白质凝胶甚至可含 98％ 的水，这是一种物理截留水，不易被挤压出来。曾有人对凝胶具有很大持水容量的能力作出 假设，认为这可能是二级结构在热变性后，肽链上未被掩盖的肽链的 CO 和 NH 基的各自成 为负的和正的极化中心，因而可能建立一个广泛的渗层水体系。冷却时，这种蛋白质通过重 新形成的氢键而相互作用，并提供固定自由水所必需的结构。也可能是蛋白质网络的微孔通 过毛细管作用来保持水分。 凝胶的生成是否均匀，这和凝胶生成的速度有关。如果条件控制不当，使蛋白质在局部 相互结合过快，凝胶就较粗糙不匀。凝胶的透明度与形成凝胶的蛋白质颗粒的大小有关，如 果蛋白颗粒或分子的表观分子质量大，形成的凝胶就较不透明。同时蛋白质凝胶强度的平方 根与蛋白质相对分子质量之间呈线性关系。 4.3.5 质构化 蛋白质的质构化（texturization）或者叫组织形成性，是在开发利用植物蛋白和新蛋白 质中要的一种的功能性质。这是因为这些蛋白质本身不具有像畜肉那样的组织结构和咀嚼 性，经过质构化后可使它们变为具有咀嚼性和持水性良好的片状或纤维状产品，从而制造出 仿造食品或代用品。另外，质构化加工方法还可用于动物蛋白质的“重质构化” （retexturization）或“重整”，如牛肉或禽肉的“重整”。 现将蛋白质质构化的方法和原理介绍如下：
而且是非可逆凝胶；例如：蛋清蛋白在煮蛋中形成的凝胶；③由钙盐等二价金属盐形成的凝 胶，例如：大豆蛋白质形成豆腐；④不加热而经部分水解或 pH 调整到等电点而产生凝胶， 例如：凝乳酶制作干酪、乳酸发酵制作酸奶和皮蛋等生产中的碱对蛋清蛋白的部分水解等。 大多数情况下，热处理是胶凝作用所必需的条件，然后必须冷却，略微酸化也是有利的。 增加盐类，尤其是钙离子也可以提高胶凝速率和胶凝强度（大豆蛋白、乳清蛋白和血清蛋白）。 但是，某些蛋白质不加热也可胶凝，而仅仅需经适当的酶解（酪蛋白胶束、卵白和血纤维蛋 白），或者只是单纯地加入钙离子（酪蛋白胶束），或者在碱化后使其恢复到中性或等电点 pH（大豆蛋白）。虽然许多凝胶是由蛋白质溶液形成的（鸡卵清蛋白和其它卵清蛋白等）， 但不溶或难溶性的蛋白质水溶液或盐水分散液也可以形成凝胶（胶原蛋白、肌原纤维蛋白）。 因此，蛋白质的溶解性并不是胶凝作用必需的条件。 一般认为蛋白质凝胶网络的形成是由于蛋白质一蛋白质、蛋白质一溶剂（水）的相互 作用，邻近肽链之间的吸引力和排斥力达到平衡时引起的。疏水作用力、静电相互作用、氢 键合和二硫键等对凝胶形成的相对贡献随蛋白质的性质、环境条件和胶凝过程中步骤的不同 而异。静电排斥力和蛋白质一水之间的相互作用有利于肽链的分离。蛋白质浓度高时，因分 子间接触的几率增大，更容易产生蛋白质分子间的吸引力和胶凝作用。蛋白质溶液浓度高时 即使环境条件对凝集作用并不十分有利（如不加热、pH 值与等电点相差很大时），也仍然可 以发生胶凝作用。共价二硫交联键的形成通常会导致热不可逆凝胶的生成，如卵清蛋白和β —乳球蛋白凝胶。而明胶则主要通过氢键的形成而保持稳定，加热时（约 30℃）熔融，并 且这种凝结—熔融可反复循环多次而不失去胶凝特性。 将种类不同的蛋白质放在一起加热可产生共凝胶作用而形成凝胶，而且蛋白质还能与多 糖胶凝剂相互作用而形成凝胶，带正电荷的明胶与带负电荷的海藻酸盐或果胶酸盐之间通过 非特异性离子间的相互作用能生成高熔点（80℃）的凝胶。同样，在牛乳 pH 时，酪蛋白胶 束能够存在于卡拉胶的凝胶中。 许多凝胶以一种高度膨胀（敞开）和水合结构的形式存在。每克蛋白质约可含水 10g 以上，而且食品中的其它成分可被截留在蛋白质的网络之中。有些蛋白质凝胶甚至可含 98％ 的水，这是一种物理截留水，不易被挤压出来。曾有人对凝胶具有很大持水容量的能力作出 假设，认为这可能是二级结构在热变性后，肽链上未被掩盖的肽链的 CO 和 NH 基的各自成 为负的和正的极化中心，因而可能建立一个广泛的渗层水体系。冷却时，这种蛋白质通过重 新形成的氢键而相互作用，并提供固定自由水所必需的结构。也可能是蛋白质网络的微孔通 过毛细管作用来保持水分。 凝胶的生成是否均匀，这和凝胶生成的速度有关。如果条件控制不当，使蛋白质在局部 相互结合过快，凝胶就较粗糙不匀。凝胶的透明度与形成凝胶的蛋白质颗粒的大小有关，如 果蛋白颗粒或分子的表观分子质量大，形成的凝胶就较不透明。同时蛋白质凝胶强度的平方 根与蛋白质相对分子质量之间呈线性关系。 4.3.5 质构化 蛋白质的质构化（texturization）或者叫组织形成性，是在开发利用植物蛋白和新蛋白 质中要的一种的功能性质。这是因为这些蛋白质本身不具有像畜肉那样的组织结构和咀嚼 性，经过质构化后可使它们变为具有咀嚼性和持水性良好的片状或纤维状产品，从而制造出 仿造食品或代用品。另外，质构化加工方法还可用于动物蛋白质的“重质构化” （retexturization）或“重整”，如牛肉或禽肉的“重整”。 现将蛋白质质构化的方法和原理介绍如下：