3.2　課后習題詳解

1解釋下列術語：氨基酸疏水性，單純蛋白，結合蛋白，蛋白質的結構，蛋白質變性，蛋白質功能性質，剪切稀釋，交聯反應，Plastein反應，傳統蛋白。

答：（1）氨基酸疏水性

氨基酸疏水性是指氨基酸的側鏈具有疏水的性質。通過將1mol的氨基酸從水溶液中轉移到乙醇溶液中時所產生的自由能變化來測定。

（2）單純蛋白

單純蛋白是指僅由氨基酸組成的蛋白質。根據來源、受熱凝固性及溶解度等理化性質的不同，分為白蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、組蛋白、魚精蛋白和硬蛋白等七類。

（3）結合蛋白

結合蛋白是指由氨基酸和非蛋白部分所組成的蛋白質。被結合的其他化合物通常稱為結合蛋白質的非蛋白部分（輔基）。結合蛋白按其非蛋白部分的不同分為核蛋白（含核酸）、糖蛋白（含多糖）、脂蛋白（含脂類）、磷蛋白（含磷酸）、金屬蛋白（含金屬）及色蛋白（含色素）等。

（4）蛋白質的結構

蛋白質的結構是指蛋白質分子的空間組成。其基本結構單元是氨基酸，有20種氨基酸（或18種氨基酸）。這些氨基酸以不同的連接順序和酰胺鍵（肽鍵）連接成數目多達幾百個氨基酸殘基的多肽鏈，進而構成不同的蛋白質分子。

（5）蛋白質變性

蛋白質變性是指蛋白質在某些物理和化學因素作用下其特定的空間構象被改變，從而導致其理化性質的改變和生物活性的喪失的現象。

（6）蛋白質功能性質

蛋白質的功能性質是指除營養價值外的那些對食品需宜特性有利的蛋白質的物理化學性質，如蛋白質的膠凝、溶解、泡沫、乳化、黏度等。根據蛋白質所能發揮作用的特點，可以將其功能性質分為水合性質、結構性質和蛋白質的表面性質3大類。

（7）剪切稀釋

剪切稀釋，又稱切變稀釋，是指蛋白質溶液同其他大多數親水性分子的溶液、懸浮液、乳濁液一樣，其黏度系數會隨其流速的增加而降低的現象。

（8）交聯反應

蛋白質交聯反應是指蛋白質分子上的游離氨基（一般為賴氨酸的ε-NH₂）可以與醛類發生縮合反應，生成縮合產物Schiff堿的過程。

（9）Plastein反應

Plastein反應，即轉蛋白反應，是指蛋白質分子水解為肽分子后在蛋白酶催化的催化下重新結合形成新的多肽鏈，甚至可以通過加入氨基酸的方式對原蛋白質中的某種氨基酸進行強化，改變蛋白質的營養特性的過程。最后形成與原來的蛋白質分子的氨基酸序列或組成不同的多肽分子，蛋白質的功能性質改變。

（10）傳統蛋白

傳統蛋白質是指動物蛋白質（如肉類、乳、蛋、水產品中的魚類）和谷物蛋白質（在東方則還包括大豆蛋白質）。

2比較各類氨基酸的化學結構異同，總結氨基酸的氨基反應與應用。

答：（1）①各類氨基酸的化學結構的相同點

a．除脯氨酸外，所有的氨基酸分子都至少含有1個羧基、1個氨基和1個側鏈R基團。由于氨基酸的氨基是在α-碳上，所以一般稱為α-氨基酸，化學通式如下：

b．一般都以L-構型存在。

②各類氨基酸化學結構的不同點（表3-9）

表3-9　各類氨基酸化學結構的不同點

（2）氨基酸的氨基反應及應用

①與亞硝酸的反應

α-氨基酸的α-NH₂能定量與亞硝酸作用，產生氮氣和羥基酸。

ε-NH₂與HNO₂反應較慢，脯氨酸的α-亞氨基不與HNO₂作用，精氨酸、組氨酸、色氨酸中被環結合的氮也不與HNO₂作用。

②與醛類的反應

α-氨基與醛類化合物反應生成Schiff堿類化合物，Schiff堿是非酶褐變反應的中間產物。

③酰基化反應

α-氨基與芐氧基甲酰氯在弱堿性條件下反應，生成氨基衍生物，可用于肽的合成。

④烴基化反應

如α-氨基可以與二硝基氟苯反應生成穩定的黃色化合物，可用于氨基酸、蛋白質中末端氨基酸的分析。

3羅列蛋白質變性所產生的結果以及常用的變性手段，闡述相關的變性機制。

答：（1）蛋白質變性產生的結果

①分子內部疏水性基團的暴露，蛋白質在水中的溶解性能降低。

②某些生物蛋白質的生物活性喪失，如失去酶活性或免疫活性。

③蛋白質的肽鍵更多的暴露出來，易被蛋白酶催化水解。

④蛋白質結合水的能力發生改變。

⑤蛋白質分散體系的黏度發生改變。

⑥蛋白質的結晶能力喪失。

（2）常用的變性手段及其機制

①物理變性

a．加熱

蛋白質在某一溫度時，會產生狀態的劇烈變化，這個溫度就是蛋白質的變性溫度。蛋白質經過熱變性后，表現出了相當程度的伸展變形。

b．冷凍

第一，由于蛋白質的水合環境變化，破壞了維持蛋白質結構的作用力平衡，并且因為一些基團的水化層被破壞，基團之間的相互作用引起蛋白質的聚集或亞基重排。

第二，由于體系結冰后的鹽效應而導致蛋白質的變性。

第三，由于冷凍引起的濃縮效應，可能導致蛋白質分子內、分子間的二硫鍵交換反應增加，從而也導致蛋白質的變性。

c．機械處理

有些機械處理如揉捏、攪打等，由于剪切力的作用使蛋白質分子伸展，破壞了其中的α-螺旋結構，導致蛋白質變性。剪切的速度越大，蛋白質的變性程度越大。

d．靜高壓

靜高壓處理也能導致蛋白的變性。雖然天然蛋白質具有比較穩定的構象，但球形的蛋白質分子不是剛性球，分子內部還存在一些空穴，具有一定的柔性和可壓縮性，在高壓下蛋白質分子會發生變性。

e．電磁輻射

高能射線被芳香族氨基酸吸收后，將導致蛋白質構象改變，同時還會使氨基酸殘基發生各種變化，如破壞共價鍵、分子離子化、分子游離基化等。所以輻射不僅可以使蛋白質發生變性，而且還可能因結構的改變而導致蛋白質的營養價值變化。

f．界面作用

在氣液界面上的水分子的能量較本體水分子的能量高，這些界面上的水分子與蛋白質分子發生相互作用后，能導致蛋白質分子的能量增加，蛋白質分子中一些化學作用（鍵）被破壞，其結構發生少許伸展，最后水分子進入蛋白質分子的內部，進一步導致蛋白質分子的伸展，并使得蛋白質的疏水性殘基、親水性殘基分別向極性不同的兩相（空氣和水）排列，最終導致蛋白質分子的變性。

②化學變性

a．酸、堿因素（pH值）

大多數蛋白質在特定的pH值范圍內是穩定的，但若處于極端pH值條件下，因蛋白質分子內部可離解基團如氨基、羧基等的離解，將產生強烈的分子內靜電相互作用，從而使蛋白質分子發生伸展、變性。

b．鹽類

第一，堿土金屬Ca^2＋、Mg^2＋可能是蛋白質中的組成部分，對蛋白質構象起著重要作用，所以Ca^2＋、Mg^2＋的除去會降低蛋白質分子對熱、酶等的穩定性。

第二，對于一些重金屬離子如Cu^2＋、Fe^2＋、Hg^2＋、Pb^2＋、Ag^3＋等，由于易與蛋白質分子中的-SH形成穩定的化合物，或者是將二硫鍵轉化為-SH，改變了穩定蛋白質分子結構的作用力，因而導致蛋白質的穩定性改變和蛋白質變性。此外，由于Hg^2＋、Pb^2＋等還能夠與組氨酸、色氨酸殘基等反應，它們也能導致蛋白質的變性。

c．有機溶劑

第一，有機溶劑降低了溶液的介電常數，使蛋白質分子內基團間的靜電力增加。

第二，破壞、增加了蛋白質分子內的氫鍵，改變了穩定蛋白質構象原有的作用力情況。

第三，進入蛋白質的疏水性區域，破壞了蛋白質分子的疏水相互作用。

d．有機化合物

第一，高濃度的脲和胍鹽（4～8mol/L）將使蛋白質分子中的氫鍵斷裂，導致蛋白質的變性；

第二，表面活性劑如十二烷基磺酸鈉（SDS）能在蛋白質的疏水區和親水區間起著乳化介質的媒介作用，因此不僅破壞了疏水相互作用，還能促使蛋白分子伸展，是一種很強的變性劑。

e．還原劑

巰基乙醇、半胱氨酸、二硫蘇糖醇等還原劑，由于具有—SH，能使蛋白質分子中存在的二硫鍵還原，從而改變蛋白質的原有構象，造成蛋白質的不可逆變性。

4比較蛋白質的熱變性和非熱變性的異同點，以及對食品品質的影響異同。從化學反應動力學原理解釋UHT技術在液態食品中應用所產生的好處。

答：（1）蛋白質的熱變性和非熱變性的相同點

①都使蛋白質發生變性，導致蛋白質生物活性喪失。

②蛋白質變性后影響食品品質。

③在變性因素除去后，都可能發生復性。

（2）蛋白質的熱變性和非熱變性的不同點

①蛋白質的熱變性是由升高溫度導致的；而非熱變性是由重金屬離子、有機溶劑等導致的。

②蛋白質的熱變性是物理變性，非熱變性包括物理變性和化學變性。

（3）蛋白質的熱變性和非熱變性及對食品品質影響的比較

①相同點

蛋白質的熱變性和非熱變性對食品品質都有一定的有利影響。加熱使蛋白質空間結構發生改變而變性，但并未破壞氨基酸，所以其營養并未太大的變化，如雞蛋煮熟、豆漿凝固。非熱變性如細菌、病毒加酸，加重金屬（汞）因蛋白質變性而滅活（滅菌、消毒）。

②不同點

蛋白質的熱變性和非熱變性影響食品品質的作用原理不同。

（4）UHT技術在液態食品中應用的解釋

超高溫殺菌（UHT）技術是利用高溫大大提升蛋白質的變性速度，短時間內破壞生物活性蛋白質或微生物中的酶，而由于其他營養素化學反應的速度變化相對較小，確保了其他營養素的較少損失。

5總結不同食品蛋白質的功能性質特點，以及它們在食品中的重要應用。

答：不同食品蛋白質的功能性質特點及其應用如下：

（1）水合性質

①特點

水合性質取決于蛋白質同水之間的相互作用，包括水的吸附與保留、濕潤性、膨脹性、黏合、分散性和溶解性等。

②應用

a．蛋白質的持水力與其水結合能力有關，可影響到食品的嫩度、多汁性、柔軟性，所以持水力對食品品質具有更重要的實際意義。

b．溶解度特性數據在確定天然蛋白質的提取、分離和純化時是非常有用的，蛋白質變性的程度也可以通過蛋白質的溶解行為的變化作為評價指標。

c．蛋白質體系的黏度、稠度是流體食品如飲料、肉湯、湯汁等的主要功能性質，影響食品的品質、質地，對于蛋白質食品的輸送、混合、加熱和冷卻等加工過程也有實際意義。

（2）結構性質

①特點

與蛋白質分子之間的相互作用有關，如沉淀、膠凝作用、組織化和面團的形成等。

②應用

a．蛋白質的膠凝作用除可以用來形成固體彈性凝膠、提高食品的吸水性、增稠、黏著脂肪外，對食品中成分的乳化-發泡穩定性還有幫助。

b．組織化可以使粉狀蛋白質再加入食品后形成具咀嚼性能和良好持水性能的薄膜或纖維狀產品，并且在以后的水合或加熱處理中，蛋白質能保持良好的性能。經過組織化處理的蛋白質可以作為肉的代用品或替代物，在食品加工中使用范圍廣泛。

（3）蛋白質的表面性質

①特點

蛋白質的表面性質是涉及蛋白質在極性不同的兩相之間所產生的作用，主要有蛋白質的起泡、乳化等方面的性質。

②應用

a．蛋白質在穩定常見的乳狀液體系時起重要作用，它在分散的油滴和連續水相的界面上吸附，能使液滴產生抗凝集性的物理學、流變學性質，如靜電斥力、黏度等。

b．泡沫通常是指氣體在連續液相或半固相中分散所形成的分散體系，典型的泡沫食品例子就是冰淇淋、啤酒、攪打的奶油等。

6解釋小麥粉形成面團時谷蛋白所發揮的作用。

答：小麥粉形成面團時谷蛋白所發揮的作用的解釋是：

麥谷蛋白決定面團的彈性、黏合性以及強度，麥谷蛋白分子中含有大量的二硫鍵（鏈內與鏈間），所以在面團中它們緊密連接在一起，使其具有韌性。當面粉被揉捏時蛋白質分子伸展，二硫鍵形成，疏水相互作用增強，面筋蛋白轉化形成了立體的、具有黏彈性的蛋白質網狀結構，并截留了淀粉粒和其他的成分。

7總結蛋白質的表面性質，說明乳蛋白或肌肉蛋白在動物性食品中產生的功能作用。

答：（1）蛋白質的表面性質

①乳化性質

乳狀液形成的分散系有油包水型（W/O）或水包油型（O/W）。影響乳化性的因素有：

a．加熱。加熱通常降低了吸附于界面上的蛋白質膜的黏度，因而會降低乳狀液的穩定性，但是如果加熱使蛋白質產生了膠凝作用，就能提高其黏度和硬度，提高乳狀液的穩定性。

b．低分子表面活性劑。低分子表面活性劑的加入一般不利于蛋白質的乳化穩定性，原因是它們的加入，會與蛋白質競爭在界面的吸附，并使蛋白質吸附于界面的作用力減弱，降低蛋白膜的黏度，結果是降低了乳狀液的穩定性。

②發泡性質

泡沫通常是指氣體在連續液相或半固相中分散所形成的分散體系。

a．蛋白質在泡沫穩定中的作用

由于分散的兩相之間同樣存在界面張力，蛋白質的作用就是吸附在氣-液界面，降低界面張力，同時對所形成的吸附膜產生必要的流變學特性和穩定作用，以增加膜的強度、增加膜的黏度和彈性以對抗外來不利作用等。

b．影響蛋白質發泡性質的蛋白質的內稟性質和環境因素

第一，蛋白質的內稟性質。一個具有良好發泡性質的蛋白質應是蛋白質分子能夠快速的擴散到氣-液界面，易于在界面吸附、展開和重排，并且通過分子間的作用形成黏彈性的吸附膜。

第二，鹽類。鹽類不僅可影響蛋白質的溶解、黏度、伸展和解聚，也能影響其發泡性質，例如NaCl雖然增加了膨脹量但卻降低了泡沫的穩定性，而Ca^2＋由于能同蛋白質的羧基形成鹽橋作用而提高了泡沫的穩定性。

第三，糖類。糖類通常都是抑制蛋白質的泡沫膨脹，但是它們又可提高蛋白質溶液的黏度，所以可以提高泡沫的穩定性。

第四，脂類。蛋白溶液中污染低濃度脂類時，會嚴重損害蛋白質的發泡性能，特別是極性脂類可在空氣-水界面吸附，干擾了蛋白質在界面的吸附，影響已經被吸附的蛋白質之間的相互作用，從而影響蛋白質的泡沫穩定性。

第五，蛋白質的濃度。蛋白質濃度在2%～8%的范圍內，即可達到最大膨脹度，并且液相具有最好的黏度，膜具有適宜的厚度和穩定性；當蛋白質濃度超過10%時，溶液的黏度過大，影響到蛋白質的發泡能力，氣泡變小，泡沫變硬。

第六，機械處理。為了形成泡沫需要適當的攪拌，使蛋白質伸展，才能產生較好的吸附。過度地攪拌會使蛋白質產生絮凝，降低了膨脹度和泡沫的穩定性，因為絮凝后的蛋白質不能適當地吸附在界面上。

第七，加熱處理。加熱一般不利于泡沫的形成，因為加熱使氣體膨脹、黏度降低，導致氣泡破裂。

第八，pH值。在接近pI時，蛋白質所穩定的泡沫體系很穩定，這是由于蛋白之間的排斥力很小，有利于蛋白質和蛋白質之間的相互作用和蛋白質在膜上的吸附，可形成黏稠的吸附膜，從而提高蛋白質的發泡力和泡沫穩定性。在pI之外蛋白質的發泡能力通常較好，但是其穩定性一般不好。

（2）乳蛋白在食品中的作用

①酪蛋白是食品加工中的重要配料。酪蛋白鈉鹽在pH＞6時的穩定性好，在水中有很好的溶解性及熱穩定性，是一種好的乳化劑、保水劑、增稠劑、攪打發泡劑和膠凝劑。

②來自乳清的乳清蛋白濃縮物或乳清蛋白分離物也是很好的功能性食品配料，特別是在模擬人類母乳構成的嬰幼兒食品中有廣泛的應用。

8總結在堿性條件下蛋白質所發生的不良反應。

答：堿性條件下蛋白質所發生的不良反應有：

（1）處于極端pH值條件下，因蛋白質分子內部可離解基團如氨基、羧基等的離解，將產生強烈的分子內靜電相互作用，從而使蛋白質分子發生伸展、變性。酪氨酸、半胱氨酸在強堿性條件下也可離解。

（2）發泡穩定性差。

（3）在較高的溫度下堿處理蛋白質時，絲氨酸殘基、半胱氨酸殘基會發生脫磷、脫硫反應生成脫氫丙氨酸殘基。而脫氫丙氨酸殘基非常活潑，可與食品蛋白質中的賴氨酸殘基、半胱氨酸殘基發生加成反應，生成了人體不能消化吸收的賴氨酸丙氨酸殘基（LAL）和羊毛硫氨酸殘基。

（4）在溫度超過200℃時的堿處理，會導致蛋白質氨基酸殘基的發生異構化反應，天然氨基酸的L-型結構將有部分轉化為D-型結構，從而使得氨基酸的營養價值降低。

9總結在加熱處理時蛋白質或氨基酸殘基可能發生的不良變化。

答：在加熱處理時蛋白質或氨基酸殘基可能發生的不良變化有：

（1）在高溫度進行殺菌，則蛋白質發生凝集，酪蛋白發生脫磷酸作用，乳清蛋白發生熱變性，從而對牛乳的品質產生嚴重的影響。

（2）對蛋白質品質產生不利影響的熱處理一般是過度的熱處理，因為強熱處理蛋白質時會發生氨基酸的脫氨、脫硫、脫二氧化碳反應，使氨基酸被破壞，從而降低了蛋白質的營養價值。當食品中含有還原糖時，賴氨酸殘基可與它們發生美拉德反應，形成了在消化道中不被酶水解的Schiff堿，從而降低蛋白質的營養價值。

（3）強熱處理還會導致賴氨酸殘基與谷酰胺殘基之間的反應，蛋白質發生交聯反應。而在高溫下長時間處理，蛋白質分子中的肽鍵在無還原劑存在時可發生轉化，生成了蛋白酶無法水解的化學鍵，因而降低了蛋白質的生物可利用率。

（4）強熱處理還會導致賴氨酸殘基與谷酰胺殘基之間的反應，蛋白質發生交聯反應。

（5）在進行肉類殺菌時，肌漿蛋白和肌纖維蛋白0℃發生凝集，同時肌纖維蛋白中的巰基氧化生成二硫鍵，90℃時則會釋放出H₂S，同時蛋白質會和還原糖發生美拉德反應，使某些必需氨基酸失去其營養價值。

10總結蛋白質的改性技術，說明不同酶催化產生交聯反應時的作用特點。

答：（1）蛋白質改性技術

①化學改性

化學改性是在蛋白質分子上導入基團的反應，主要包括水解反應、烷基化反應、酰化反應及磷酸化反應。

②酶法改性

酶法改性一般不使氨基酸的化學結構產生改變，較為重要的是蛋白質的酶水解反應、轉蛋白反應和交聯反應。

（2）不同酶催化產生交聯反應時的作用特點

①蛋白質的限制性酶水解

a．利用蛋白酶對蛋白質進行水解處理時，深度水解產生的是小分子肽類以及游離氨基酸，導致蛋白質功能性質的大部分損失，只保留其高度溶解性和溶解度對pH值不敏感兩個特點。

b．利用特異性蛋白酶或控制水解條件的方法對蛋白質的限制性水解，可以改善蛋白質的乳化、發泡性質，但仍然會破壞蛋白質的膠凝性質，并且由于分子內部疏水區的破壞、疏水基團的暴露，其溶解性有時降低。

②轉蛋白反應

a．最后形成的多肽分子與原來的蛋白質分子的氨基酸序列或組成不同，所以蛋白質的功能性質改變。

b．轉蛋白反應可以通過在高蛋白質濃度下進行蛋白酶催化處理，直接進行兩步反應。

③蛋白質的酶促交聯

a．轉酰基反應

轉谷氨酰胺酶通過催化轉酰基反應，在賴氨酸殘基和谷氨酰胺殘基間形成新的共價鍵，由此改變了蛋白質分子的大小，從而改變了蛋白質的流變學性質。

b．交聯反應

蛋白質的交聯反應實際上涉及到酚類物質的氧化、蛋白質殘基的加成反應，參與加成反應的氨基酸殘基包括含有-SH、-NH₂等基團的氨基酸殘基。

蛋白質本身存在的酪氨酸，由于可以作為一個酚類物質發生氧化生成醌類化合物，所以也可以直接使蛋白質發生交聯反應。

通過對蛋白質的交聯處理，一般可以達到保護賴氨酸，可使其不能發生各種不利的反應，避免形成熱致凝膠，提高所形成的蛋白膜的抗水、抗熱、抗氧化諸多能力。

11查閱一篇英文文獻，涉及內容為單細胞蛋白的提取、分離或乳蛋白中活性蛋白質的提取技術。

答：本題為開放題，自己查找有關文獻即可。例如：

Esabi Basaran Kurbanoglu, Omer Faruk Algur. Single-cell protein production from ram horn hydrolysate by bacteria.[J]. Bioresource Technology, 2002, 85(2):125-129.