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β- 乳球蛋白凝胶及其应用

摘要: 综述了 β- 乳球蛋白凝胶的种类、影响 β- 乳球蛋白凝胶的因素以及 β- 乳球蛋白凝胶在食品工业上的应用, 并对 β- 乳球蛋白凝胶的开发前景进行了展望。
世界上的乳清产量很大, 乳清的开发和利用一直备受人们的关注。乳清蛋白质因具有良好的黏着性和易于形成凝胶的性质, 作为新的食品资源, 在食品工业生产中有着广泛的利用价值和开发前景。占 有 乳 清 蛋 白 质 质 量 约 一 半 的 β- 乳 球 蛋 白( β- Lg) 对乳清蛋白质的机能特性有着重大影响。

1 β- 乳球蛋白的来源及结构
1.1 来源
β- Lg 是由乳腺上皮细胞合成的乳特有蛋白,是主要的乳清蛋白之一。β- Lg 存在于反刍动物、猪、狗、猫、海豚等动物乳汁中, 人乳中也含有β- Lg, 但是含量少。β- Lg 在牛乳乳清中占蛋白质质量的 43.6 %~50.0 % , 在脱脂牛乳中的含量约为 2.0 g/ L~4.0 g/ L。
1.2 结构
牛乳中的 β- Lg 分子量在 18 400 左右, 等电点为 5.1~5.3。β- Lg 分子为一条多肽链, 由 162 个氨基酸残基组成, 有 2 个遗传变异体。β- Lg 在牛乳中主要以二聚体形式存在, 由非共价键连接的 2个单位亚基组成。在 pH<3.5 或 pH>8.0 时, β- Lg二聚体解离成单体。每个单体含有 2 个二硫键Cys66 - Cys160 和 Cysl06 - Cys199, 还 有 1 个Cys121 自由硫氢基。通过旋光色散和圆二色性技术研究发现, β- Lg 的二级结构包括 10 % ~15 % 的α- 螺旋、43 % 的 β- 折叠和 47 % 的无序结构。β- Lg 的三维结构在中性 pH 值时是由 8 条反平行链组成的 β 桶状结构, 有 1 个 α+l 拓扑, 桶外存在着一个具有 3 个转角的 α 螺旋和第 9 条 β 链。在生理状态下, β- Lg 的二聚体像一个拉长的椭圆体, 长约 6.95 nm, 宽约 3.6 nm。

2 β- 乳球蛋白凝胶
由于 β- Lg 中有 5 个半胱氨酸残基, 其中 4 个是以两组二硫键的形式结合, 剩下的 1 个残基作为自由状态的硫氢基存在, β- Lg 在多种条件下都能形成凝胶。根据形成凝胶条件的不同, β- Lg 凝胶可分为热凝胶 ( heat- set gel) 、冷凝胶 ( cool- setgel) , 其中冷凝胶又可分为酸诱导凝胶、加压凝胶、离子诱导凝胶。根据凝胶显微结构的不同, 凝胶又可分为透明凝胶和不透明凝胶。其中透明凝胶又称具有伸展结构的凝胶 ( fine- stranded gels) , 不透明凝胶又称微粒凝胶 ( particulate gels) 。取决于不同的 pH 值和离子强度, β- Lg 会生成上述两种不同显微结构的凝胶。
2.1 热凝胶
β- Lg 是一种热敏感性蛋白, 在有限的 pH 值和温度范围内保持二聚体的天然构象, 处于温度或pH 值的临界值时会使蛋白变性, 天然构象发生变化。β- Lg 的凝胶传统上主要是通过热处理得到的。当浓缩的 β- Lg 溶液加热到 65 ℃以上时, 球状蛋白质分子多肽链的三级结构被破坏, 去折叠, 使包埋在天然结构内部的疏水侧链基团暴露出来, 是 Cys121 的自由巯基的暴露, 然后聚集成三维网络结构, 这样形成的网络结构能通过毛细管力来诱捕水。
2.2 冷凝胶
冷凝胶指的是在室温条件下形成的凝胶。在室温下, 加压、加酸或者加入盐离子 β- Lg 都能形成凝胶。
2.2.1 酸诱导凝胶
β- Lg 酸诱导凝胶过程会形成分子间二硫键。当蛋白质热变性后, 在室温下, 低酸条件就能形成凝胶。当 pH 值比较低时, 分子间二硫键形成于凝胶过程的后期。
2.2.2 加压凝胶
压力能够有效地修饰蛋白质的三级空间结构,导致蛋白质离子键、疏水键的破坏并促进氢键的形成。而且高压使埋藏于 β- Lg 中的巯基的反应性增强, 高压变性可导致巯基的暴露。高浓度的 β- Lg溶液加压后能够生成乳白色的凝胶, 凝胶的微细结构呈现出蜂窝状三级结构。加压蛋白凝胶的内部网状结构不仅通过氢键、离子键、疏水相互作用重新形成, 而且通过蛋白分子之间硫氢基和二硫键内部交换反应而联结。加压凝胶内蛋白质与水的相互作用保持着一种安定的状态。加压凝胶的形成和持水性在本质上是蛋白质未经溶解, 反而“包水”的性质。当加压前添加一定浓度的硫醇抑制剂 ( NEM)时, 加压后凝胶不再生成, 说明分子间内部交换反应所形成的 S- S 键对加压凝胶形成内部网状结构至关重要。作为共价键的 S- S 结合的多少直接响着加压凝胶的质地特性, S- S 结合的增加使加压凝胶更坚硬和具有弹性。
2.2.3 离子诱导凝胶
β- Lg 在 25℃下的凝胶过程经历了两个连续的过程: 热变性蛋白质悬浮液的制备和在冷却的溶液中加入盐离子后网络结构的形成。蛋白质的热变性过程没有发生凝胶化, 但是热变性过程是必要的,因为他能使蛋白质分子展开和相互作用。热变性时, β- Lg 溶液具有低离子强度, pH 值为 7, 远离等电点, 在 70 ℃~ 90℃下加热 5min ~ 60min, 溶液的蛋白质浓度控制在凝胶所需浓度之下。β- Lg 热变性后, 蛋白质分子聚集但不形成凝胶。这些蛋白质聚集物为组成冷凝胶三维网络结构的基本单位。β- Lg 热变性冷却后, 加入盐离子, 盐离子能屏蔽蛋白质聚集物之间的排斥力, 然后就形成了凝胶。
2.3 透明凝胶
透明凝胶由或多或少的柔韧的直链组成, 这种胶在低离子强度, pH > 6 或 pH < 4 的条件下形成。透明凝胶的形成过程中加热过程导致了二聚体分裂成单体, 蛋白质广泛变性, 然后聚集, 形成了立体网络。
2.4 不透明凝胶
不透明凝胶以随意交联形成大的颗粒为特点,而且几乎的球形颗粒连接在一起组成了多线程的网络结构, 这种胶在 4 < pH < 6, 即接近等电点或在高离子强度条件下形成。不透明凝胶的凝胶过程直接开始于二聚体蛋白质的聚集和部分蛋白质的展开, 进一步的聚集导致了凝胶的形成。透明凝胶比不透明凝胶表现出较强的胶体强度和持水性。

3 影响 β- 乳球蛋白凝胶的因素
β- Lg 的凝胶性受多种因素的影响, 如 pH 值、盐离子浓度、油含量和多聚糖含量等。在 β- Lg 中加入非离子表面活性剂、牛乳清白蛋白、藻酸丙二醇脂等能影响凝胶性质。
3.1 pH 值的影响
pH 值不同时, 形成的凝胶结构不同。在 pH 值为 4.6 的条件下形成的凝胶比在 pH 值为 7.0 的条件下形成的凝胶强度更高, 而且对应变更为敏感 ( 低的临界应变量) 。这些在流变学性质上的不同反映了显微结构的不同。在共聚焦激光扫描显微镜的放大倍率范围内观察发现, 在这两个 pH 值下形成的凝胶都是匀的, 但是在 pH4.6 时凝胶更粗糙一些。
在 pH7.0 时形成的凝胶, 与 pH 在 4.6 ~ 7.0 时形成的凝胶相比, 凝胶强度较低, 但是在破碎时具有更强的应变力。在 pH7.0 时形成的匀凝胶由卷曲的不是十分僵直的细链组成 ( <5nm) , 而且交联细链间的距离短, 但是在 pH5.3 时形成的凝胶, 由的柔韧长链组成, 球形的微粒像水珠似的排在链上, 孔隙的大小为 20μm~ 50μm。
3.2 盐离子浓度的影响
盐离子浓度对冷凝胶的结构和空间构象起着决定作用。盐离子浓度主导着网络结构的形成过程,不同的盐离子浓度会引起凝胶机制和结构种类的不同。而凝胶的结构决定了凝胶的持水性、渗透性、质地和外观。
盐离子是形成蛋白质网络所需成分。在低离子浓度下形成的凝胶为伸展结构的凝胶, 这种凝胶比微粒凝胶保留有更多的水。高离子浓度下形成微粒凝胶, 当增加盐离子浓度时, 蛋白质聚集物的大小增大, 形成更加松散和多孔的结构, 而持水性逐渐变小。具有不同种类且大的孔隙的凝胶往往持水少, 这是因为毛细作用力变小。盐离子浓度增加时, 蛋白质之间的交互作用也增大。而且高浓度盐离子条件下形成的凝胶具有更大的储存系数。
由于电荷的分散作用, 二价盐, 比如 cacl2, 比一价盐形成凝胶所需的蛋白质浓度低。
3.3 油含量的影响
油滴不仅仅能填补空间区域, 还能增进凝胶结构的形成。油滴进入热凝胶网络结构是因为蛋白质分子吸附在油滴表面相互作用, 这是二硫键结合、疏水作用和氢键力作用的结果。
在蛋白质溶液中增加油含量会导致大量的油滴进入凝胶基质, 这些油滴相当于固定的支持点, 加固了网络的三维结构。所以在凝胶过程中加大油的用量能提高凝胶的强度。而且凝胶的某些机械特性也是因为油滴包裹着网络结构而形成的。增加油含量提高了凝胶的持水性, 在某种程度上持水性的增加可以增大凝胶的密度, 因为水被毛细管力捕获在孔隙中。
3.4 多聚糖的影响
在蛋白质溶液中添加多聚糖也许能改进凝胶过程。当蛋白质和中性多聚糖混合时, 最普遍的现象是热力学的不相容性导致了两种生物高聚物的分离, 当浓度足够高时, 能引起两个不能混合的水相之间的相分离, 两种高聚物分别在各自的水相中富集。
在 β- Lg 中加入多聚糖后, 能影响 β- Lg 凝胶的流变学性质和微观结构, 这是因为加入多聚糖导致了系统相分离。多聚糖链在蛋白质聚集表面上的损耗可能是相分离的原因之一。在混合物加热过程中, 蛋白质聚集慢慢变大, 一旦当蛋白质聚集到临界大小时就产生了损耗诱导的相分离, 这个过程取决于多聚糖的浓度。因为相分离, 在蛋白质富集相中蛋白质的浓度增加, 所以混合物的聚集和凝胶速度更快。多聚糖的浓度越大, 则显微结构更粗糙。这是因为, 当蛋白质浓度一定时, 蛋白质微粒聚集越密集则微粒聚集后的体积分数越小。多聚糖的浓度越大, 凝胶的强度越大。

4 β- 乳球蛋白凝胶在食品工业中的应用
β- Lg 的凝胶性优于卵白蛋白, 加上其良好的持水性能, 已成为众多食品中功能性较高的添加剂。目前, 一些生产商已采用热诱导 β- Lg 胶来模仿和替代脱脂食品中的动物脂肪, 从而带动以乳清为原料的脂肪替代品的开发, 如应用于低脂肉制品中。由于 β- Lg 的某些凝胶需要盐的参与, 最近科学家考虑用 β- Lg 形成的一个细丝网状结构来捕获铁离子, 用于铁的保护和运输。
当 β- Lg 与多聚糖的混合物加热时, 相分离和凝胶过程的竞争可导致凝胶微观结构的不同, 这取决于两个过程动力学之间的互相影响, 这种竞争过程会产生很多种特性。在食品制造中, 这种机制是有用的, 他为开发新型产品提供了机会。

来源:惠合冷热缸

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