第五章 蛋白质
第一节 引言
? 蛋白质在生物体系中起着核心作用
? 病毒、细菌、激素、植物和动物细胞原
生质都是以蛋白质为基础的
? 酶是蛋白质
? 蛋白质功能和化学组成有关
? 由 20种氨基酸 (amino acid)构成的聚合物
蛋白质的元素分析
? C 50～ 55%
? H 6～ 7%
? O 20～ 23%
? N 12～ 19%（ 16%,6.25）
? S 0.2～ 3.0%
蛋白质的分类
根据组成分类
? 简单蛋白质（ homoproteins）
?在细胞中未经酶催化改性的蛋白质
? 结合蛋白质（ conjugated proteins）
或杂蛋白质（ heteroproteins）
?经过酶催化改性或与非蛋白质组分复合的
?非蛋白质组分称为辅基
结合蛋白质包括,
? 核蛋白（核蛋白体）
? 糖蛋白（卵清蛋白,κ-酪蛋白）
? 磷蛋白（ α-和 β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）
? 脂蛋白（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质）
? 金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）
? 球蛋白 (globular)
?以球状或椭圆状存在的蛋白质
?由多肽链自身折叠而造成
? 纤维状蛋白（棒状分子） (fibrous)
?含有相互缠绕的多肽链
根据大体上的结构形式分类
蛋白质的生物功能
? 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（免疫球蛋白）
? 贮藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）
? 保护蛋白（毒素和过敏素）
食品蛋白质
? 易于消化
? 无毒
? 富有营养
? 显示功能特性
? 来源丰富
第二节 氨基酸的物理化学性质
一、氨基酸的一般性质
（一）一般结构和分类
?－氨基酸是组成蛋白质的最基本单位
?
决定物化性质
据其分子结构分为六类
? 中性氨基酸 一氨基，一羧基
Ala(丙 ),Gly(甘 ),Val(缬 ),Leu(亮 ),Ile(异亮 )
? 酸性氨基酸 一氨基，二羧基
Asp(天 ),Glu(谷 )
? 碱性氨基酸 二氨基，一羧基
Arg(精 ),Lys(赖 ),His(组 )
? 含羟氨基酸 一氨基，一羧基，一羟基
Ser(丝 ),Thr(苏 )
? 含硫氨基酸 一氨基，一羧基，一巯基
Cys(半 ),Met(蛋 )
? 含环氨基酸 一氨基，一羧基，一环
Phe(苯 ),Pro(脯 ),Trp(色 ),Tyr(酪 )
甘丙缬亮异脂链
丝苏半蛋羟硫添
脯酪色苯杂芳环
天谷精赖组酸碱
按侧链基团 R的极性分为四类
? 非极性氨基酸或疏水性氨基酸
?脂肪族（ Ala,Ile,Leu,Val）
?芳香族侧链的氨基酸 (Phe,Trp)是疏水的
? 不带电荷的极性氨基酸
?侧链与水结合形成氢键,Ser,Thr,Cys
? 在 pH7时带正电荷的极性氨基酸
?碱性氨基酸,Lys,Arg,His(略带）
? 在 pH7时带负电荷的极性氨基酸
?酸性氨基酸,Asp,Glu
碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性
必需氨基酸
? 有些氨基酸，机体合成不足，必需从食
物或饲料中供给，如果食物或饲料中缺
乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生
长和健康。
? 人体必需氨基酸有 Lys,Phe,Val,Met,
Thr,Trp,Leu及 Ile八种，此外,His对于
婴儿的营养也是必需的。
（二）氨基酸的立体化学
? 除甘氨酸外都具有旋光性。
? 在植物或动物组织的蛋白质水解物中，
仅发现Ｌ－型异构体。
Ile和 Thr的 ?-碳原子也是不对称的，因此
它们都有 4个对映体。
?
?
（三）氨基酸的酸 -碱性质
? 羧基能电离成 COO-和 H+；氨基能接受质
子，形成铵盐。氨基酸是两性电解质
? 甘氨酸
提供质子,
可释放质子
提供电子对,
可接受质子
? 在中性 pH范围,?-氨基和 ? -羧基都处在
离子化状态，此时氨基酸分子是偶极离
子或两性离子。
? 偶极离子以电中性状态存在时的 pH被称
为等电点（ isoelectric point,pI）。
? 当 -COO-和 -COOH的浓度相等时的 pH被称为 pKa1
? 当 -NH3+和 -NH2浓度相等时的 pH被称为 pKa2
? 除 ? -氨基和 ? -羧基外,Lys,Arg,His,Asp、
Glu,Cys和 Tyr的侧链也含有可离子化的基团。
? 侧链不含有带电荷基团的氨基酸,
pI=（ pKa1 + pKa2） /2
? 酸性氨基酸,pI=（ pKa1 + pKa3） /2
? 碱性氨基酸,pI=（ pKa2 + pKa3） /2
*下标 1,2和 3分别指 ? -羧基,? -氨基和侧链
上可离子化的基团。
表 6 - 3 在 25 ℃时，游离氨基酸和蛋白质的可离子化基团的 pKa 和 pI 值
p K a
R
氨基酸
p K a
1
( α - C O O H )
p K a
2
( α - NH
3
+
)
A A 侧链
a
pI
丙氨酸 2,34 9,69 -- 6,00
精氨酸 2,17 9,04 12,48 >12,00 10,76
天冬酰胺 2,02 8,80 -- 5,41
天冬氨酸 1,88 9,60 3,65 4,60 2,77
半胱氨酸 1,96 10,28 8,18 8,80 5,07
谷氨酰胺 2, 17 9,13 -- 5,65
谷氨酸 2,19 9,67 4,25 4,60 3,22
甘氨酸 2,34 9,60 -- 5,98
组氨酸 1,82 9,17 6,00 7,00 7,59
异亮氨酸 2,36 9,68 -- 6,02
亮氨酸 2,30 9,60 -- 5,98
赖氨酸 2,18 8,95 10,53 10,20 9,74
蛋氨酸 2,28 9,21 -- 5,74
苯丙氨酸 1,83 9,13 -- 5,48
脯氨酸 1,94 10,60 -- 6,30
丝氨酸 2,20 9,15 -- 5,68
苏氨酸 2,21 9,15 -- 5,68
色氨酸 2,38 9,39 -- 5,89
酪氨酸 2,20 9,11 10,07 9,60 5,66
缬氨酸 2,32 9,62 -- 5,96
a 在蛋白质中的 pKa 值
（四）氨基酸的疏水性 (hydrophobic)
? 蛋白质在水中的溶解度主要取决于氨基
酸组分侧链上极性（带电或不带电）和
非极性（疏水）基团的分布。
? 氨基酸从乙醇 (ethanol)转移到水的自由
能变化
ΔGt（ Et→W）被用来表示氨基酸的疏水
性。
?ΔGt是一个很大的正值，则说明它的疏水
性就很大。
?ΔGt具有加和性
? 缬氨酸
?ΔGt,Val=ΔGt,Gly+ΔGt,异丙基侧链
?ΔGt,异丙基侧链 =ΔGt,Val-ΔGt,Gly
表 6-4 氨基酸侧链的疏水性 （ 25 ℃）
氨基酸 Δ G （乙醇→水）
（ KJ/ mol ）
氨基酸 Δ G （乙醇→水）
（ KJ/ mol ）
丙氨酸 2.09 亮氨酸 9.61
精氨酸 -- 赖氨酸 --
天冬酰胺 0 蛋氨酸 5.43
天冬氨酸 2.09 苯丙氨酸 10.45
半胱氨酸 4.18 脯氨酸 10.87
谷氨酰胺 -0.42 丝氨酸 -1.25
谷氨酸 2.09 苏氨酸 1.67
甘氨酸 0 色氨酸 14.21
组氨酸 2.09 酪氨酸 9.61
异亮氨酸 12.54 缬氨酸 6.27
? 具有大的正的 ΔGt的 AA侧链
?疏水性的
?优先选择处在有机相
?疏水性 AA残基倾向于配置在蛋白质分子的
内部
? 具有负的 ΔGt的 AA侧链
?亲水性的 (hydrophilic)
?配置在蛋白质分子的表面
（五）氨基酸的光学性质
(optical properties)
? 芳香族的氨基酸 Trp(色 ),Tyr(酪 )和 Phe
在近紫外区（ 250-300 nm）吸收光。
? Trp和 Tyr在紫外区还显示荧光。
? 氨基酸所处 环境的极性 影响它们的吸收
和荧光性质，因此可以将氨基酸光学性
质的变化作为考察蛋白质构象变化的手
段。
表 6-5 芳香族氨基酸的紫外吸收和荧光
氨基酸 最大吸收波长 λ max
（ nm ）
摩尔消光系数
（ 1cm
-1
mol
-1
）
最大荧光波长 λ
（ nm ）
苯丙氨酸 260 190 282
a
色氨酸 278 5590 348
b
酪氨酸 275 1340 304
b
a 在 260 nm 处激发
b 在 280 nm 处激发
二、氨基酸的化学反应性
? 存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反
应基团
? 氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫
醚基（ Met）、咪唑基和胍基
? 改变蛋白质和肽亲水 -疏水性质或者功能
性质
? 被利用来定量氨基酸和蛋白质分子中特
定的氨基酸
与茚三酮反应
? 1摩尔的氨基酸，与 2摩尔茚三酮生成 1摩
尔紫色物质，在 570 nm显示最高吸收。
? 脯氨酸和羟脯氨酸产生一种黄色物质，
它在 440 nm显示最高吸收。
? 常用来定量游离氨基酸。
与邻苯二甲醛反应
? 当存在 2-巯基乙醇时氨基酸与邻 -苯二甲醛反应
（ 1,2-苯二甲醛）反应生成 高荧光 的衍生物
? 在 380 nm激发时在 450 nm具有最高荧光发射
? 定量氨基酸、蛋白质和肽
2 - 巯 基 乙 醇
C
C
O
O
H
H
+ R C H C O O H
N H 2
H S - C H 2 - C H 2 O H
N
H
C
N H 2
C O O H
S - C H 2 - C H 2 O H
与荧光胺反应
? 含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应
成高荧光的衍生物
? 在 390 nm激发时，在 475 nm具有最高荧光发射
? 被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。
N+ R - C H - C O O H
NH 2
CH
C O O H
R
O
O
O
O + H 2 O
第三节 蛋白质的结构
（一）一级结构 (primary structure)
? 指氨基酸通过共价键连接而成的线性序列
? 构成蛋白质的主要氨基酸有 20种
? 主链 -N-C-C或 -C-C-N
? n个氨基酸残基构成 (n-1)个肽键
? 游离的 ? -氨基末端称为 N端，开始端
? 游离的 ? -羧基末端称为 C端，末端
? 链长 (n)和序列决定蛋白质的物化性质、
结构和功能性质
? 序列 ——密码（ code）
C—N键具有部分双键的性质
? CO—NH键不可以自由旋转
? N-C ?键 ——φ
C ? -C键 ——ψ
? 理论上具有转动自由度，但因 C ?原子上
侧链原子的立体位阻而被限制
主链扭转角
-NH - Cα- CO – NH
φ ψ ω
? 几乎所有的蛋白质肽键都以 反式 构型存在
? 在热力学上反式比顺式稳定
（二）二级结构 (secondary struture)
? 氨基酸残基周期性的（有规则的）空间
排列
? 氨基酸残基侧链之间近邻或短距离的非
共价相互作用导致局部自由能下降，这
就驱动了 φ和 ψ角的扭转。
1、螺旋结构 (helical structure)
? ? -螺旋：主要的，最稳定的
? 310-螺旋
?π-螺旋
? -螺旋
(? -helix)
? 每圈包含 3.6个氨基酸残基
? 每一个氨基酸残基的转角
为 100?
? 依靠氢键稳定，氢键圈中
包含 13个主链原子,3.613
螺旋。
? 氢键平行于螺旋轴而定向。
? 氢键的 N,H和 O原子几乎
处在一条直线上。
2,β-折叠片结构 (β-sheet)
? 一种锯齿形结构。它比 ?螺旋较为伸展
? C=O和 N-H垂直于主链
? 氢键：片断之间
? 侧链垂直于平面
? 根据多肽主链 N→C的指向,存在着两类
?平行 β-折叠片,各股指向相互平行
?反平行 β-折叠片结构,各股指向彼此相反
? 反平行中,N-H… O原子处在一条直线上
（键角 0° ），增加了稳定性
? 反平行 β-折叠片结构更为稳定
? 稳定性
β-折叠片＞ ?-螺旋
?β-折叠片～高变性温度
??-螺旋 β-折叠
加热和冷却
×
β-旋转（ β-turn）
? β-折叠片结构中多肽
链 反转 180° 就形成
β-旋转。
? 一个 β-旋转结构包含
4个氨基酸残基,
? 由氢键所稳定
? 最常见于 β-旋转结构
中的氨基酸残基是
Asp,Cys,Asn、
Gly,Tyr和 Pro。
几种与食品有关的蛋白质的二级结构组成
蛋白质 α - 螺旋
（ % ）
β - 折叠
片（ % ）
β - 旋转
（ % ）
非周期性
的结构（ % ）
脱氧血红蛋白 85.7 0 8.8 5.5
牛血清清蛋白 67.0 0 0 33.0
胰凝乳蛋白酶原 11.0 49.4 21.2 18.4
免疫球蛋白 G 2.5 67.2 17.8 12.5
胰岛素（二聚体） 60.8 14.7 10.8 15.7
牛胰蛋白酶抑制剂 25.9 44.8 8.8 20.5
核糖核酸酶 A 22.6 46.0 18.5 12.9
溶菌酶 45,7 19.4 22.5 12.4
木瓜蛋白酶 27.8 29.2 24.5 18.5
α - 乳清蛋白 26.0 14.0 - 60.0
β - 乳球蛋白 6.8 51.2 10.5 31.5
大豆 11S 8.5 64.5 0 27.0
大豆 7S 6.0 62.5 2.0 29.5
（三）三级结构 (tertiary strucure)
? 二级结构进一步折叠
成紧密的三维结构
? 多肽链的空间排列
? 不同的基团之间相互作用（疏水、静电和范德
华尔）和氢键的优化，使得蛋白质分子的自由
能尽可能地降至最低。
? 几何排布
?亲水性 ——蛋白质 -水界面
?疏水性 ——内部
? 氨基酸的序列决定着蛋白质分子的形状
?亲水性氨基酸残基 ——呈拉长或棒状
?疏水性氨基酸残基 ——呈球状
? 大多数蛋白质由 100个以上的氨基酸残基构成
（四）四级结构 (quarternary)
? 是指含有多于一条多肽链的蛋白质分子
的空间排列
? 以二聚体、三聚体、四聚体等形式存在
? 四级复合物（寡聚体）由蛋白质亚基
（单体）存在，亚基可以是相同的（同
类）或者是不同的（异类）
? 四级结构是亚基非共价结合的结果
? 热力学角度，疏水性亚基埋藏，驱动四级结构
? 疏水性氨基酸残基高于 30%，无法埋藏
? 疏水小区相互作用
4
4
12
3
6
6
一些低聚体食品蛋白质
（五）稳定蛋白质结构的作用力
? 蛋白质的天然构象是一种热力学状态
?对此状态有利的相互作用达到最大
?不利的相互作用降到最小
? 影响蛋白质结构的作用力包括两类,
?蛋白质分子 固有 的作用力所形成的分子内相
互作用
? 范德华相互作用和空间相互作用
?受 周围溶剂影响 的分子内相互作用
? 氢键、静电相互作用和疏水相互作用
1.空间相互作用 (steric strains)
? 氨基酸残基侧链
?φ和 ψ角的转动受到很大的限制
? 构象有限
? 避免自由能的增加
? 键长和键角的变形
2,Van der Waals 相互作用
? 存在于极性或非极性原子之间
? 距离增大，相互作用减小
? 偶极 -诱导偶极和诱导偶极 -诱导偶极相互
作用产生的净的吸引作用
? 对蛋白质的折叠和稳定性的贡献很大
3,氢键 hydrogen bond
? 氢键主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而
形成的一种键。
? 可在两肽链间，或一条肽链的不同部位
形成氢键。
? 在 ?-螺旋和 β-折叠片结构中肽键的 N-H和
C=O之间形成的氢键数目最大。
? 氢键对于维持蛋白质二级结构，保持蛋
白质稳定性，起着重要的作用。
4,静电相互作用
electrostatic interactions
? 蛋白质含有一些带有可离解基团的氨基酸残基。
?Asp,Glu残基带负电荷（中性 pH）
?Lys,Arg和 His带正电荷
? 在中性 pH，净电荷取决于分子中正、负电荷残
基的相对数目
? 蛋白质分子净电荷为 0时的 pH为等电点（ pI）
? 等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的 pH
? 除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电
基团都分布在分子的表面。
? 相同电荷间的排斥作用或许会导致蛋白
质结构不稳定。
? 相反电荷间的吸引作用有助于蛋白质结
构的稳定。
? 影响蛋白质分子折叠的模式
5,疏水相互作用
hydrophobic interactions
? 驱动蛋白质折叠的主要力量
? 非极性基团溶于水
ΔG=ΔH – TΔS
即使 ΔH＜ 0，由于 ΔS＜ 0, ΔG ＞ 0
? 在水溶液中水结构诱导的非极性基团之
间的相互作用被称为疏水相互作用
? 吸热过程，高温下较强
＜
6,二硫键 (-S-S-)
disulfide bonds
? 球状蛋白
? 二个半胱氨酸分子接近时
? 共价键
? 对稳定蛋白质空间结构起着重要作用
? 二硫键数目多、稳定，如毛、发
? 分子内，也能分子间
7,金属离子
? 蛋白质结合特定的金属离子
?如钙，镁和钠离子等
? 能稳定蛋白质的结构
? 稳定的机制
?中和电荷的效应
?促进其他相互作用（疏水相互作用 )
? 由钙稳定的蛋白质
? 牛乳清蛋白
? ?-淀粉酶
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的净
结果。
（ 六）构象稳定性和适应性
? 蛋白质是高度柔性的
? 构象适应性对蛋白质的功能性质很重要
第四节 蛋白质的变性
denaturation
? 天然状态是热力学最稳定状态
? 环境的变化驱动分子结构新的平衡
? 构象适应性
?分子结构的细微变化而没有剧烈变化
? 变性
?蛋白质的二级，三级和四级结构上的重大变
化，但不涉及主链上肽链的断裂，使天然蛋
白质的理化性质改变并失去原来的生理活性
? 在某些情况下，变性过程是可逆的,
?例如，有的蛋白质在加热时发生变性，冷却
后，又可复原。
? 可逆变性～三级和四级结构变化
? 不可逆变性～二级结构也发生变化
? 二硫键的断裂 →不可逆变性
变性后物化性质变化
? 因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降
? 结合水能力的改变
? 失去生物活力（酶活力或免疫活力）
? 对蛋白酶敏感性提高（肽键暴露）
? 蛋白质固有粘度增加
? 没有结晶能力
? 消化率和生物有效率提高
? 起泡性能和乳化性能提高
一、变性热力学
典型的蛋白质变性曲线
两状态转变
二、变性因素
?物理因素
?温度
?紫外线
?超声波
?高压
?化学因素
?pH
?有机溶剂
?重金属盐类
?脲、胍
?表面活性剂
（一）物理因素
1,热
? 热变性影响功能性质
? 从天然状态至变性状态的转变中点称为
熔化温度 Tm或变性温度 Td
热变性的机理
? 非共价相互作用的去稳定作用
? 在较高温度下，保持蛋白质空间构象的
各种键发生断裂，破坏了肽链的特定排
列，原来在分子内部的一些非极性基团
暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白
质的溶解度，促进了蛋白质分子之间相
互结合而凝集，形成不可逆的凝胶而凝
固。
疏水相互作用的影响
? 氢键、静电和范德华相互作用具有放热
的性质（热焓驱动）。它们在高温下去
稳定而在低温下稳定。
? 疏水相互作用是吸热的（熵驱动）。它
们在高温下稳定，而在低温下去稳定。
? 疏水相互作用的稳定性不会随温度的提高而无
限制地增强
? 某温度下，当疏水作用的稳定作用被克服时，
产生热变性
多肽链的构象熵的影响
? ? GD=GU- GN
= ? H-T ? SD
GU：变性状态的自由能
GN：天然状态的自由能
-T ? SD：构象熵
? ? GD ＞ 0,稳定
? ? GD ＜ 0，去稳定
蛋白质的热变性温度（ T d ）和平均疏水性
蛋白质 T d
平均疏水性
（ KJmol
- 1
残
基
- 1
）
蛋白质 T d 平均疏水性
（ KJmol
- 1
残
基
- 1
）
胰蛋白酶原 55 3.68 鸡蛋白蛋白 76 4.01
胰凝乳蛋白酶原 57 3.78 胰蛋白酶抑制剂 77
弹性蛋白酶 57 肌红蛋白 79 4.33
胃蛋白酶原 60 4.02 α - 乳清蛋白 83 4.26
核糖核酸酶 62 3.24 β - 乳球蛋白 83 4.50
羧肽酶 63 细胞色素 c 83 4.37
乙醇脱氢酶 64 抗生物素蛋白 85 3.81
牛血清白蛋白 65 4.22 大豆球蛋白 92
血红蛋白 67 3.98 蚕豆 11S 蛋白 94
溶菌酶 72 3.72 向日葵 11S 蛋白 95
胰岛素 76 4.16 燕麦球蛋白 108
温度～稳定性
? 一般认为，温
度愈低蛋白质
热稳定性愈高
? 但并非总如此
? 冷诱导变性
30
12.5
极性和非极性相互作用～稳定性
? 蛋白质显示最高稳定性的温度取决于极
性和非极性相互作用对蛋白质稳定性贡
献的 相对值
? 极性＞非极性相互作用
?蛋白质在冻结温度和低于冻结温度时比
较高温度时更稳定
? 主要依靠疏水相互作用
?在室温时比在冻结温度时更稳定 （吸热）
氨基酸的种类～热稳定性
? 含有 较高比例的疏水性 氨基酸残基（尤
其是 Val,Ile,Leu和 Phe）的蛋白质比
亲水性较强的蛋白质一般 更为稳定 。
? -SH 含量 ↑，热稳定性 ↓
?如大豆蛋白质 (含硫氨基酸较少 )稳定性高
? 脯氨酸或羟脯氨酸能阻碍蛋白质分子彼
此形成交联，使蛋白质不易凝固。如醇
溶谷蛋白 (含脯及羟脯氨酸较多 ) 。
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━
组成的氨基酸 (%) 凝固温度
蛋白质 ───────────────── ( ℃ )
半胱氨酸 胱氨酸 脯氨酸 羟脯氨酸
────────────────────────────
卵清蛋白 1.4 0.5 - - 56
血清清蛋白 0.3 5.7 4.7 67
乳清清蛋白 6.4 - - - 72
β - 乳球蛋白 1.1 2.3 70 - 75
酪蛋白 - 0.3 13.5 160 - 200
明 胶 0 - 16.4 14.1 较高
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━
某些蛋白质的氨基酸的组成与凝固温度关系
正相关
负相关
水～热稳定性
? 水 ↑，热变性 ↑,Td↓
?水分愈少所需变性温度愈高
?干蛋白质粉对热非常稳定
? 机理
?在干燥状态，多肽链段的移动受到限制
?水分含量的增加导致蛋白质的肿胀
?提高了多肽链的移动性和柔性
?稳定性下降，较低的 Td值
↑ ↓
电解质～稳定性
? 电解质的存在，稳定性降低
? 高价离子易使蛋白质凝固
? 例如制造豆腐
?豆浆中的球蛋白仅加热是不会凝固的
?但在 70℃ 以上添加氯化镁或硫酸钙即可凝
固
2,静水压
? 温度诱导,40～ 80℃, 0.1MPa
? 压力诱导,25℃, 100~1200MPa
转变中点 400~800MPa
? 蛋白质是柔性的和可压缩的
?球状蛋白 ——内部有一些空穴，可压缩
?纤维蛋白 ——无空穴，对静水压稳定
? 高度可逆
? 应用
?灭菌
?制备蛋白质凝胶
?牛肉嫩化
3,机械处理
? 揉搓、振动、打擦导致蛋白质变性。
激烈搅动时产生变性和沉淀。
? 当分子吸附在两相界面时，导致不可逆变性。
? 高柔性的比刚性蛋白质较易在气 -液界面变性。
? 剪切速度愈高，蛋白质变性程度愈高。
? 高温和高剪切力相结合能导致蛋白质不可逆的
变性。
4,辐照
? 芳香族氨基酸残基吸收紫外线
? 若能量高，能打断二硫键，导致构象变
化
?γ和其它射线也能导致构象变化
（二）化学因素
1,pH
? 在等电点时比其他 pH值对变性作用更加稳定
? 中性 pH
?大多数蛋白质带负电荷
?净静电推斥能量＜其他相互作用的能量
因此大多数蛋白质是稳定的
? 在极端 pH值
?强烈的分子内斥力导致分子的肿胀和展开
? 变性机理
?多肽链中某些基团发生解离，从而破坏了静
电作用形成的键。
? 多数是可逆的
? 然而，如果肽键的部分水解,Asn和 Gln
的脱酰胺，碱性 pH巯基的破坏或者聚集
作用能导致蛋白质的不可逆变性。
? 酸和碱可以加速热变性。
? 一般水果罐头的杀菌温度较蔬菜低。
2,有机溶质
? 尿素和盐酸胍（ GuHCl）的水溶液
? 变性中点 4～ 6 mol/L 尿素
3～ 4 mol/L GuHCl
? 完全转变 8mol/L 尿素,6 mol/L GuHCl
? 除去变性剂后，可以逆转
? 完全可逆有时很困难
变性机制
? 尿素和盐酸胍优先和变性蛋白质结合，
驱动 N→D向右移动
? 促进疏水氨基酸残基在水相中增溶，也
降低了疏水相互作用
?打断了水的氢键结构
?使蛋白质分子内部的非极性残基展开
3,表面活性剂
?十二烷基硫酸钠（ SDS）
?强有力的变性剂
?3～ 8mmol/L可使大多数球蛋白变性
?作用,
疏水区和亲水区的媒介物，打断了疏水相互作用
?与变性蛋白质强烈结合，使它带大量的负电
?不可逆
4,有机溶剂
? 大多数有机溶剂是变性剂
?乙醇、丙酮
? 机制
?改变水的介电常数，改变静电作用
?非极性侧链在有机溶剂中比在水中更易溶解，
有机溶剂能穿透到疏水区，削弱或打断疏水
相互作用
5,促溶盐（ chaotropic salts）
两种影响方式
? 低浓度（离子强度 ≤0.2）
静电中和作用稳定了蛋白质的结构
? 较高的浓度（＞ 1mol/L）
离子特异效应
?Na2SO4和 NaF这样的盐能促进结构稳定
?NaSCN和 NaClO4是强变性剂
o –Na2SO4
Δ-NaCl
□ -NaBr
■ -脲素
● -NaClO4
? -NaSCN
各种钠盐对变性温度的影响
Td↑
Td↓
? 高浓度的盐总是对蛋白质的结构稳定性产
生不利的影响。
? Hofmeister系列或促溶系列
F-<SO42-<Cl-<Br-<I-<ClO4-<SCN-
? 氟化物、硫酸盐和氯化物是结构稳定剂
? 其它阴离子盐是结构去稳定剂
? NaSCN和 NaClO4是强变性剂
第五节 蛋白质的功能性质
? 蛋白质对食品的感官品质具有重要的影响
? 蛋白质的功能性质指的是能使蛋白质对人们所
期望的食品特征作出贡献的那些物理化学性质。
?,功能性质”（,Functionality”）的定义
在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白
质在食品体系中的性能的那些蛋白质的物理和
化学性质。
决定功能性质的物化性质
? 大小；
? 形状；
? 氨基酸组成和顺序；
? 净电荷和电荷的分布；
? 疏水性和亲水性之比 ;
? 二级、三级和四级结构；
? 分子柔性和刚性；
? 分子间相互作用和同其它组分作用的能力。
功能性质是两类分子性质
的表现形式
? 流体动力学性质
?粘度（增稠）、胶凝作用和组织化
?蛋白质分子的大小、形状和柔性
? 表面性质
?湿润性、分散性、溶解性、起泡、乳化以及
与脂肪与风味物的结合
?取决于表面化学性质
功能性质分成三类
? 水化性质（取决于蛋白质－水的相互作用）
?包括水吸收及保留、湿润性、肿胀、粘着性、分散
性、溶解度和粘度。
? 与蛋白质－蛋白质相互作用有关的性质
?沉淀作用、凝胶作用和面团形成
? 表面性质
?表面张力、乳化作用和泡沫特征。
上述这几类性质不是完全独立的。
一、蛋白质的水合
? 食品的流变和质构性质取决于水与其他
食品组分
蛋白质 -多糖的相互作用
? 取决于水 -蛋白质相互作用的功能性质,
分散性、湿润性、肿胀、溶解性、增稠、粘
度、持水能力、胶凝作用、凝结、乳化和起
泡
水 -基团的结合
? 离子（带电基团） -偶极
? 偶极（极性基团） -偶极相互作用
? 偶极 -诱导偶极（非极性基团）相互作用
? 疏水（非极性基团）相互作用
水合能力
? 定义
当干蛋白质粉与相对湿度为 90-95%的水
蒸汽达到平衡时，每克蛋白质所结合的
水的克数
水合能力～氨基酸组成
? 带电的氨基酸残基数目 ↑，水合能力 ↑
a：水合能力,g水 /g蛋白质；
fc,fp,fN：带电的、极性和非极性的分数
Npc fffa 2.04.0 ???
带电基团为 6 mol水 /mol残基
不带电的极性残基为 2 mol /mol残基
非极性残基为 1 mol /mol残基
干蛋白质 水分子通过与极性 多层水吸附
部位结合而被吸附
蛋白质的水化过程
（ 1） （ 2）
液态水凝聚（ 3）
肿胀（ 4）
溶剂分散（ 5）
溶液
肿胀的不溶
性粒子或块
D
蛋白质的吸着等温线
? S形曲线
? Aw=0.05-0.30，单层水
? Aw= 0.3-0.7，多层水
? Aw =0.9，水合约 0.3-0.5 g H2O/g 蛋白质
多数在 0℃ 时不能冻结。
? Aw ＞ 0.9，体相水
影响水合能力的环境因素
? pH
? 离子强度
? 盐的种类
? 温度
? 蛋白质构象
1,pH
? 在 pI时，蛋白质显示最低的水合作用
? 高于或低于 pI，由于净电荷和推斥力的
增加，使蛋白质肿胀和结合较多的水
? pH 9-10时水合能力较大
2,盐
? 低浓度（＜ 0.2mol/L）
?能提高蛋白质结合水的能力
?水合盐离子与蛋白质分子上带电基团微弱地
结合
? 高浓度的盐
?导致蛋白质的脱水
?因为更多的水与盐离子结合
3,温度
? 温度升高后，氢键作用和离子基团的水
合作用减弱，蛋白质结合水的能力一般
随之下降。
? 变性蛋白质结合水的能力一般比天然蛋
白质约高 10%。因为蛋白质变性时，随
着一些原来埋藏的疏水基团的暴露，表
面积与体积之比增加。
二、溶解度
? 最受蛋白质溶解度影响的功能性质,增
稠、起泡、乳化和胶凝作用。
? 高的起始溶解度是其它功能性质的先决
条件，不溶性蛋白质在食品中的应用非
常有限。
? 蛋白质 -蛋白质 + 溶剂 -溶剂 蛋白质 -溶剂
? 影响蛋白质溶解性质的主要的相互作用
具有疏水和离子的本质。
? 疏水相互作用能促进蛋白质 -蛋白质相互
作用，使蛋白质溶解度降低；
? 离子相互作用能促进蛋白质 -水相互作用，
使蛋白质溶解度增加。
根据溶解度性质的蛋白质分类
? 清蛋白：溶于 pH 6.6 的水
?血清清蛋白、卵清蛋白和 ?-乳白蛋白
? 球蛋白：溶于 pH 7.0 的稀盐溶液
?大豆球蛋白、菜豆球蛋白和 β-乳球蛋白
? 谷蛋白：仅能溶于酸（ pH 2）和碱（ pH 12）
?小麦谷蛋白
? 醇溶谷蛋白：溶于 70%乙醇
?玉米醇溶蛋白和麦醇溶蛋白
谷蛋白和醇溶谷蛋白是高疏水性蛋白质。
（一） pH～溶解度
? 当 pH高于或低于 pI时，促进溶解
? 在 pI时，溶解度最低
? 大多数是酸性蛋白质,pH4～ 5溶解度最
小，碱性 pH溶解度最高
? 某些具有大量亲水性 AA的蛋白质（如 β-
Lg和 BSA），在 pI仍然可溶
U-形曲线
（二）离子强度～溶解度
? 离子强度的计算
? 低离子强度（＜ 0.5） —— 电荷屏蔽效应
?高比例疏水区域～溶解度下降
?高比例亲水区域～溶解度提高
? 高离子强度（＞ 1） ——离子效应
?SO42-,F-～盐析，溶解度降低,导致沉淀
?ClO4-,SCN-～盐溶，提高溶解度
25.0
ii Zc???
（三） 温度～溶解度
? 0～ 40℃ 内，温度 ↑，溶解度 ↑
? ＞ 40℃,蛋白质变性，非极性基团暴露，
促进聚集和沉淀
? 例外：高疏水性蛋白质，如 β-酪蛋白和
一些谷类蛋白质，溶解度与温度负相关。
（四）有机溶剂～溶解度
与水互溶的有机溶剂（如乙醇和丙酮）
? 降低水介质的介电常数
? 提高静电作用力
? 静电斥力导致分子结构的展开
? 促进氢键的形成和反电荷间的静电吸引
? 导致蛋白质溶解度下降或沉淀
三、蛋白质的界面性质
? 两亲物质
? 自发地迁移至界面（气 -水或油 -水）
? 在界面区域的浓度总是高于体相
? 蛋白质 (高粘弹性薄膜 )优于表面活性剂
? 不取决于疏水和亲水 AA之比
?植物蛋白～卵清蛋白
? 差别主要与构象上的差别有关
? 重要的构象因素包括多肽链的稳定性 /柔性、对
环境改变适应的难易程度和亲水与疏水基团在
蛋白质表面的分布模式。
影响界面性质的因素
理想的表面活性蛋白质具有三个性能,
? 能快速地 吸附 至界面
? 能快速地 展开 并在界面上再 定向
? 一旦达到界面能与邻近分子相互作用，
形成具有强的粘合和粘弹性质的 膜,并
能忍受热和机械运动的。
疏水小区和亲水小区分布的模式
多肽链在界面上采取的构型
? 列车状 (train)
?当多肽片段 直接与界面接触 时呈列车状
? 圈状 (loop)
?当多肽片段 悬浮在水相 时呈圈状
? 尾状 (tails)
?蛋白质分子的 N-和 C-末端 片段通常处在水相
呈尾状
列车状构象的比例愈大，蛋白质愈是强烈地与界
面相结合，并且表面张力愈是低。
? 界面上蛋白质膜的机械强度取决于内聚
的分子间相互作用
?静电相互作用
?氢键
?疏水相互作用
? 疏水作用太强，蛋白质在界面聚集、沉
淀，损伤膜的完整性
? 斥力远大于引力，妨碍粘结厚膜的形成
? 吸引、推斥和水合作用力之间适当的平
衡是形成稳定的粘弹膜的必要条件。
（一）乳化性质
(emulsifying properties)
? 许多传统或新型食品，都是含乳状液的
多相体系
? 乳状液的形成使食品具有期望的口感，
有助于包合油溶性和水溶性配料，并能
掩蔽不期望有的风味
? 一些蛋白质是理想的乳化剂
1,评价食品乳化性质的方法
? 油滴大小分布
? 乳化活力（ emulsifying activity）
? 乳化能力（ emulsion capacity）
? 乳化稳定性（ emulsion stability）
测定乳状液平均液滴的大小的方法
? 光学显微镜法
? 电子显微镜法
? 光散射
? 质子相关谱
? Coulter计数器
? 界面面积
φ——分散相的体积分数 ;
R——乳状液粒子的平均半径。
? 乳化活力指标（ EAI）
Emulsifying Activity Index
单位质量的蛋白质所产生的界面面积
m——蛋白质质量
R
A ?3?
Rm
EAI ?3?
浊度法测定 EAI
A：吸光度 (500nm)
l：光路长度
根据光散射的 Mie 理论，界面积是浊度的 2倍。
φ：油的体积分数
(1-φ)ρ：单位体积乳状液中总的蛋白质量
简便实用，但不是非常准确
?? )1(
2
?
? TEAI
l
AT 303.2?
2,蛋白质的载量
（ Protein Load ）
? 定义：单位界面面积上吸附的蛋白质量
? 离心出水相，重复洗涤油相
? 一般情况下,1～ 3 mg/m2
3,乳化能力
（ Emulsion capacity,EC）
? 定义
相转变前（ O/W→W/O）每克蛋白质所能乳化
的油的体积
? 测定方法
?油加至蛋白质溶液中，根据粘度、颜色、电
阻的突变检测相变
?相转变,φ=0.65～ 0.85
?并非瞬时过程，先形成 W/O/W双重乳状液
4,乳状液稳定性
? 在数月内稳定
? 剧烈的处理方法（高温、离心力）
? 乳状液稳定性表示方法
? 乳状液稳定性指标（ ESI）,
浊度达到起始值的一半所需要的时间。
%1 0 0??
乳状液总体积
乳油层体积ES
5,影响蛋白质乳化作用的因素
? 内在因子
pH、离子强度、温度、存在的低分子量表面活性剂、
糖、油相体积、蛋白质类型和使用的油的熔点
? 外在因素
制备乳状液的设备类型、能量输入的速度和剪切速度。
目前没有一致认可的系统地评价蛋白质乳化性质
的标准方法。
（ 1）溶解度
? 溶解度对乳化性质很重要
? 高度不溶性的蛋白质不是良好的乳化剂
? 100%的溶解度不是绝对必要
? 一定程度的溶解度可能是必需的
? 良好的乳化性质所必需的最低溶解度取
决于蛋白质的品种
（ 2） pH
? 在 pI具有高溶解度的蛋白质
?例如血清清蛋白、明胶和蛋清蛋白
?缺乏净电荷和静电推斥相互作用，有助于在
界面达到最高蛋白质载量和促使高粘弹膜的
形成
?具有最高乳化活力和乳化能力
? 大多数食品蛋白质
?酪蛋白、商品乳清蛋白、肉蛋白、大豆蛋白
?在 pI时是微溶和缺乏静电推斥力的，不是良
好的乳化剂。
?在远离 pI时可能是有效的乳化剂
（ 3） 疏水性
? 弱正相关联
(二 ) 起泡性质
(Foaming properties)
? 一个连续的水相 + 一个分散的气相
? 蛋白质是主要的表面活性剂，有助于分
散相的形成和稳定
? 经吹气泡、搅打和摇振而形成
起泡能力的评价指标
? 起泡能力是指在汽 -液界面形成坚韧的薄膜使
大量气泡并入和稳定的能力。
? 膨胀率（ Overrun）
稳定状态泡沫值（ Steady-state Foam Value）
? 起泡力（ Foaming Power）
泡沫膨胀（ Foam Expansion）
%1 0 0??? 起始液体的体积 起始液体的体积泡沫体积膨胀率
%100)( ?? 液体的体积并入的气体的体积起泡力 FP
? 泡沫稳定性（ Foam Stability）
?蛋白质稳定处在重力和机械力下的泡沫的
能力。
?50%液体从泡沫中排出所需要的时间
?或者泡沫体积减少 50%所需要的时间
蛋白质溶液的起泡力（ FP）
1.影响泡沫形成和稳定的蛋白质分子性质
作为一个有效的起泡剂，必须满足,
? 快速吸附至气 -水界面
? 易于在界面上展开和重排
? 通过分子间相互作用形成粘合性膜
影响蛋白质起泡性质的分子性质有,
? 溶解度
? 分子柔性
? 疏水性（两亲性）
? 带电基团和极性基团的配置
2,影响起泡性质的环境因素
（ 1） pH
? 在 pI时，若溶解性好
?起泡能力强，泡沫稳定性较好
?如球蛋白，面筋蛋白，乳清蛋白
? 在 pI时，若溶解度很低
?起泡能力差，但稳定性很高
?多数食品蛋白质
? 在 pI以外
?起泡能力好，稳定性差
（ 2）盐
? 盐能影响蛋白质的溶解度、粘度、展开和聚集
? 取决于盐的种类和蛋白质的性质
? NaCl～大豆蛋白（盐析）
?促进起泡能力，降低稳定性
? NaCl～乳清蛋白（盐溶）
?降低起泡能力，降低稳定性
? 二价阳离子（ Ca2+,Mg2+）
?在蛋白质的羧基之间形成桥接
?改进起泡性和稳定性
NaCl对乳清蛋白起泡性和稳定性的影响
盐溶
效应
（ 3）糖
? 蔗糖、乳糖和其他糖
? 能增加粘度,
?在界面上较难展开 →损害起泡能力
?降低了泡沫中薄层液体的排出 →增强稳定性
? 加糖蛋白泡沫打擦后，再加入糖
（ 4）脂
? 磷脂，具有比蛋白质更好的表面活性
?以竞争的方式在界面上取代蛋白质
?减少了膜的厚度和粘接性
?泡沫稳定性下降
? 一般不含脂类的蛋白质有较好的起泡性
质
? 具有表面活性的极性脂类妨碍了吸附蛋
白质的起泡性能
（ 5）蛋白质浓度
? 蛋白质浓度增加，稳定性提高。
? 蛋白质浓度的增加提高了粘度，产生了
较小的气泡和坚硬的膜。
? 蛋白质浓度为 2～ 8%（ w/v），起泡能力
最大。
（ 6）温度
? 降低温度，疏
水作用下降，
膨胀率下降
? 部分热变性可
改进起泡性质
过高
3,制备泡沫的方法
? 鼓泡
?气体通过一个多孔的喷洒器进入一个低蛋白
质浓度的水溶液（ 0.01-2％）。
? 搅打或振荡
? 打擦
?激烈的机械应力和剪切作用
?充气食品
? 预先被加压的溶液突然减压
四、风味结合
? 有利
?作为期望风味物的载体和改良剂
? 不利
?接合不期望的风味，限制了食品的应用
?不饱和脂肪酸氧化生成的醛、酮和醇
（一）蛋白质的构象与风味物的结合
? 机制
?非极性配位体（风味物分子）与蛋白质表面
的疏水小区或空穴的相互作用
?与极性基团间的氢键和静电相互作用
? 完全可逆
? 构象发生了变化
?打断了链段间的相互作用
?蛋白质结构失去稳定性
（二）影响风味结合的因素
任何影响疏水性的因素
? 温度：影响很小
? 热变性：较高的结合能力
? 盐溶：降低风味结合（疏水作用下降）
盐析：提高风味结合
? pH：碱性下变性，促进风味结合
五、凝胶化作用
? 预凝胶的产生是不可逆的
? 凝胶熔化可形成预凝胶
? 当预凝胶被冷却至室温或冷藏温度时，
形成稳定的非共价键
溶胶状态 预凝胶 凝胶
加热、酶
二价金属离子
冷却
加热
网状结构中的作用力
? 氢键、静电相互作用 ——可逆凝胶
?明胶
? 疏水相互作用 ——不可逆凝胶
?蛋清蛋白
? 二硫键 ——不可逆凝胶
?乳清蛋白
两类凝胶
? 凝结块（不透明）凝胶
?大量非极性氨基酸残基
?疏水性聚集，不溶性聚集体
?不可逆凝胶
?聚集和网状结构的形成速度高于变性速度
? 透明凝胶
?少量非极性氨基酸残基
?变性时形成可溶性复合物
?缔合速度低于变性速度
?在加热后冷却时才能凝结成凝胶
?形成有序的透明的凝胶网状结构
影响胶凝性质的因素
? 氨基酸残基的类型
?高于 31.5%非极性 AA——凝结块类型
?低于 31.5%非极性 AA——透明类型
? pH
?pI——凝结块类凝胶
?极端 pH——弱凝胶，半透明
?形成凝胶的最适 pH约 7～ 8
? Ca2+等两价离子
?强化了凝胶结构
?过量钙桥产生凝结块
? 蛋白质浓度
?最低浓度终点
（ Least concentration endpoint,LCE）
请分析影响蛋白质起泡
性质的环境因素。
第一节 引言
? 蛋白质在生物体系中起着核心作用
? 病毒、细菌、激素、植物和动物细胞原
生质都是以蛋白质为基础的
? 酶是蛋白质
? 蛋白质功能和化学组成有关
? 由 20种氨基酸 (amino acid)构成的聚合物
蛋白质的元素分析
? C 50～ 55%
? H 6～ 7%
? O 20～ 23%
? N 12～ 19%（ 16%,6.25）
? S 0.2～ 3.0%
蛋白质的分类
根据组成分类
? 简单蛋白质（ homoproteins）
?在细胞中未经酶催化改性的蛋白质
? 结合蛋白质（ conjugated proteins）
或杂蛋白质（ heteroproteins）
?经过酶催化改性或与非蛋白质组分复合的
?非蛋白质组分称为辅基
结合蛋白质包括,
? 核蛋白（核蛋白体）
? 糖蛋白（卵清蛋白,κ-酪蛋白）
? 磷蛋白（ α-和 β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）
? 脂蛋白（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质）
? 金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）
? 球蛋白 (globular)
?以球状或椭圆状存在的蛋白质
?由多肽链自身折叠而造成
? 纤维状蛋白（棒状分子） (fibrous)
?含有相互缠绕的多肽链
根据大体上的结构形式分类
蛋白质的生物功能
? 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（免疫球蛋白）
? 贮藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）
? 保护蛋白（毒素和过敏素）
食品蛋白质
? 易于消化
? 无毒
? 富有营养
? 显示功能特性
? 来源丰富
第二节 氨基酸的物理化学性质
一、氨基酸的一般性质
（一）一般结构和分类
?－氨基酸是组成蛋白质的最基本单位
?
决定物化性质
据其分子结构分为六类
? 中性氨基酸 一氨基，一羧基
Ala(丙 ),Gly(甘 ),Val(缬 ),Leu(亮 ),Ile(异亮 )
? 酸性氨基酸 一氨基，二羧基
Asp(天 ),Glu(谷 )
? 碱性氨基酸 二氨基，一羧基
Arg(精 ),Lys(赖 ),His(组 )
? 含羟氨基酸 一氨基，一羧基，一羟基
Ser(丝 ),Thr(苏 )
? 含硫氨基酸 一氨基，一羧基，一巯基
Cys(半 ),Met(蛋 )
? 含环氨基酸 一氨基，一羧基，一环
Phe(苯 ),Pro(脯 ),Trp(色 ),Tyr(酪 )
甘丙缬亮异脂链
丝苏半蛋羟硫添
脯酪色苯杂芳环
天谷精赖组酸碱
按侧链基团 R的极性分为四类
? 非极性氨基酸或疏水性氨基酸
?脂肪族（ Ala,Ile,Leu,Val）
?芳香族侧链的氨基酸 (Phe,Trp)是疏水的
? 不带电荷的极性氨基酸
?侧链与水结合形成氢键,Ser,Thr,Cys
? 在 pH7时带正电荷的极性氨基酸
?碱性氨基酸,Lys,Arg,His(略带）
? 在 pH7时带负电荷的极性氨基酸
?酸性氨基酸,Asp,Glu
碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性
必需氨基酸
? 有些氨基酸，机体合成不足，必需从食
物或饲料中供给，如果食物或饲料中缺
乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生
长和健康。
? 人体必需氨基酸有 Lys,Phe,Val,Met,
Thr,Trp,Leu及 Ile八种，此外,His对于
婴儿的营养也是必需的。
（二）氨基酸的立体化学
? 除甘氨酸外都具有旋光性。
? 在植物或动物组织的蛋白质水解物中，
仅发现Ｌ－型异构体。
Ile和 Thr的 ?-碳原子也是不对称的，因此
它们都有 4个对映体。
?
?
（三）氨基酸的酸 -碱性质
? 羧基能电离成 COO-和 H+；氨基能接受质
子，形成铵盐。氨基酸是两性电解质
? 甘氨酸
提供质子,
可释放质子
提供电子对,
可接受质子
? 在中性 pH范围,?-氨基和 ? -羧基都处在
离子化状态，此时氨基酸分子是偶极离
子或两性离子。
? 偶极离子以电中性状态存在时的 pH被称
为等电点（ isoelectric point,pI）。
? 当 -COO-和 -COOH的浓度相等时的 pH被称为 pKa1
? 当 -NH3+和 -NH2浓度相等时的 pH被称为 pKa2
? 除 ? -氨基和 ? -羧基外,Lys,Arg,His,Asp、
Glu,Cys和 Tyr的侧链也含有可离子化的基团。
? 侧链不含有带电荷基团的氨基酸,
pI=（ pKa1 + pKa2） /2
? 酸性氨基酸,pI=（ pKa1 + pKa3） /2
? 碱性氨基酸,pI=（ pKa2 + pKa3） /2
*下标 1,2和 3分别指 ? -羧基,? -氨基和侧链
上可离子化的基团。
表 6 - 3 在 25 ℃时，游离氨基酸和蛋白质的可离子化基团的 pKa 和 pI 值
p K a
R
氨基酸
p K a
1
( α - C O O H )
p K a
2
( α - NH
3
+
)
A A 侧链
a
pI
丙氨酸 2,34 9,69 -- 6,00
精氨酸 2,17 9,04 12,48 >12,00 10,76
天冬酰胺 2,02 8,80 -- 5,41
天冬氨酸 1,88 9,60 3,65 4,60 2,77
半胱氨酸 1,96 10,28 8,18 8,80 5,07
谷氨酰胺 2, 17 9,13 -- 5,65
谷氨酸 2,19 9,67 4,25 4,60 3,22
甘氨酸 2,34 9,60 -- 5,98
组氨酸 1,82 9,17 6,00 7,00 7,59
异亮氨酸 2,36 9,68 -- 6,02
亮氨酸 2,30 9,60 -- 5,98
赖氨酸 2,18 8,95 10,53 10,20 9,74
蛋氨酸 2,28 9,21 -- 5,74
苯丙氨酸 1,83 9,13 -- 5,48
脯氨酸 1,94 10,60 -- 6,30
丝氨酸 2,20 9,15 -- 5,68
苏氨酸 2,21 9,15 -- 5,68
色氨酸 2,38 9,39 -- 5,89
酪氨酸 2,20 9,11 10,07 9,60 5,66
缬氨酸 2,32 9,62 -- 5,96
a 在蛋白质中的 pKa 值
（四）氨基酸的疏水性 (hydrophobic)
? 蛋白质在水中的溶解度主要取决于氨基
酸组分侧链上极性（带电或不带电）和
非极性（疏水）基团的分布。
? 氨基酸从乙醇 (ethanol)转移到水的自由
能变化
ΔGt（ Et→W）被用来表示氨基酸的疏水
性。
?ΔGt是一个很大的正值，则说明它的疏水
性就很大。
?ΔGt具有加和性
? 缬氨酸
?ΔGt,Val=ΔGt,Gly+ΔGt,异丙基侧链
?ΔGt,异丙基侧链 =ΔGt,Val-ΔGt,Gly
表 6-4 氨基酸侧链的疏水性 （ 25 ℃）
氨基酸 Δ G （乙醇→水）
（ KJ/ mol ）
氨基酸 Δ G （乙醇→水）
（ KJ/ mol ）
丙氨酸 2.09 亮氨酸 9.61
精氨酸 -- 赖氨酸 --
天冬酰胺 0 蛋氨酸 5.43
天冬氨酸 2.09 苯丙氨酸 10.45
半胱氨酸 4.18 脯氨酸 10.87
谷氨酰胺 -0.42 丝氨酸 -1.25
谷氨酸 2.09 苏氨酸 1.67
甘氨酸 0 色氨酸 14.21
组氨酸 2.09 酪氨酸 9.61
异亮氨酸 12.54 缬氨酸 6.27
? 具有大的正的 ΔGt的 AA侧链
?疏水性的
?优先选择处在有机相
?疏水性 AA残基倾向于配置在蛋白质分子的
内部
? 具有负的 ΔGt的 AA侧链
?亲水性的 (hydrophilic)
?配置在蛋白质分子的表面
（五）氨基酸的光学性质
(optical properties)
? 芳香族的氨基酸 Trp(色 ),Tyr(酪 )和 Phe
在近紫外区（ 250-300 nm）吸收光。
? Trp和 Tyr在紫外区还显示荧光。
? 氨基酸所处 环境的极性 影响它们的吸收
和荧光性质，因此可以将氨基酸光学性
质的变化作为考察蛋白质构象变化的手
段。
表 6-5 芳香族氨基酸的紫外吸收和荧光
氨基酸 最大吸收波长 λ max
（ nm ）
摩尔消光系数
（ 1cm
-1
mol
-1
）
最大荧光波长 λ
（ nm ）
苯丙氨酸 260 190 282
a
色氨酸 278 5590 348
b
酪氨酸 275 1340 304
b
a 在 260 nm 处激发
b 在 280 nm 处激发
二、氨基酸的化学反应性
? 存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反
应基团
? 氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫
醚基（ Met）、咪唑基和胍基
? 改变蛋白质和肽亲水 -疏水性质或者功能
性质
? 被利用来定量氨基酸和蛋白质分子中特
定的氨基酸
与茚三酮反应
? 1摩尔的氨基酸，与 2摩尔茚三酮生成 1摩
尔紫色物质，在 570 nm显示最高吸收。
? 脯氨酸和羟脯氨酸产生一种黄色物质，
它在 440 nm显示最高吸收。
? 常用来定量游离氨基酸。
与邻苯二甲醛反应
? 当存在 2-巯基乙醇时氨基酸与邻 -苯二甲醛反应
（ 1,2-苯二甲醛）反应生成 高荧光 的衍生物
? 在 380 nm激发时在 450 nm具有最高荧光发射
? 定量氨基酸、蛋白质和肽
2 - 巯 基 乙 醇
C
C
O
O
H
H
+ R C H C O O H
N H 2
H S - C H 2 - C H 2 O H
N
H
C
N H 2
C O O H
S - C H 2 - C H 2 O H
与荧光胺反应
? 含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应
成高荧光的衍生物
? 在 390 nm激发时，在 475 nm具有最高荧光发射
? 被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。
N+ R - C H - C O O H
NH 2
CH
C O O H
R
O
O
O
O + H 2 O
第三节 蛋白质的结构
（一）一级结构 (primary structure)
? 指氨基酸通过共价键连接而成的线性序列
? 构成蛋白质的主要氨基酸有 20种
? 主链 -N-C-C或 -C-C-N
? n个氨基酸残基构成 (n-1)个肽键
? 游离的 ? -氨基末端称为 N端，开始端
? 游离的 ? -羧基末端称为 C端，末端
? 链长 (n)和序列决定蛋白质的物化性质、
结构和功能性质
? 序列 ——密码（ code）
C—N键具有部分双键的性质
? CO—NH键不可以自由旋转
? N-C ?键 ——φ
C ? -C键 ——ψ
? 理论上具有转动自由度，但因 C ?原子上
侧链原子的立体位阻而被限制
主链扭转角
-NH - Cα- CO – NH
φ ψ ω
? 几乎所有的蛋白质肽键都以 反式 构型存在
? 在热力学上反式比顺式稳定
（二）二级结构 (secondary struture)
? 氨基酸残基周期性的（有规则的）空间
排列
? 氨基酸残基侧链之间近邻或短距离的非
共价相互作用导致局部自由能下降，这
就驱动了 φ和 ψ角的扭转。
1、螺旋结构 (helical structure)
? ? -螺旋：主要的，最稳定的
? 310-螺旋
?π-螺旋
? -螺旋
(? -helix)
? 每圈包含 3.6个氨基酸残基
? 每一个氨基酸残基的转角
为 100?
? 依靠氢键稳定，氢键圈中
包含 13个主链原子,3.613
螺旋。
? 氢键平行于螺旋轴而定向。
? 氢键的 N,H和 O原子几乎
处在一条直线上。
2,β-折叠片结构 (β-sheet)
? 一种锯齿形结构。它比 ?螺旋较为伸展
? C=O和 N-H垂直于主链
? 氢键：片断之间
? 侧链垂直于平面
? 根据多肽主链 N→C的指向,存在着两类
?平行 β-折叠片,各股指向相互平行
?反平行 β-折叠片结构,各股指向彼此相反
? 反平行中,N-H… O原子处在一条直线上
（键角 0° ），增加了稳定性
? 反平行 β-折叠片结构更为稳定
? 稳定性
β-折叠片＞ ?-螺旋
?β-折叠片～高变性温度
??-螺旋 β-折叠
加热和冷却
×
β-旋转（ β-turn）
? β-折叠片结构中多肽
链 反转 180° 就形成
β-旋转。
? 一个 β-旋转结构包含
4个氨基酸残基,
? 由氢键所稳定
? 最常见于 β-旋转结构
中的氨基酸残基是
Asp,Cys,Asn、
Gly,Tyr和 Pro。
几种与食品有关的蛋白质的二级结构组成
蛋白质 α - 螺旋
（ % ）
β - 折叠
片（ % ）
β - 旋转
（ % ）
非周期性
的结构（ % ）
脱氧血红蛋白 85.7 0 8.8 5.5
牛血清清蛋白 67.0 0 0 33.0
胰凝乳蛋白酶原 11.0 49.4 21.2 18.4
免疫球蛋白 G 2.5 67.2 17.8 12.5
胰岛素（二聚体） 60.8 14.7 10.8 15.7
牛胰蛋白酶抑制剂 25.9 44.8 8.8 20.5
核糖核酸酶 A 22.6 46.0 18.5 12.9
溶菌酶 45,7 19.4 22.5 12.4
木瓜蛋白酶 27.8 29.2 24.5 18.5
α - 乳清蛋白 26.0 14.0 - 60.0
β - 乳球蛋白 6.8 51.2 10.5 31.5
大豆 11S 8.5 64.5 0 27.0
大豆 7S 6.0 62.5 2.0 29.5
（三）三级结构 (tertiary strucure)
? 二级结构进一步折叠
成紧密的三维结构
? 多肽链的空间排列
? 不同的基团之间相互作用（疏水、静电和范德
华尔）和氢键的优化，使得蛋白质分子的自由
能尽可能地降至最低。
? 几何排布
?亲水性 ——蛋白质 -水界面
?疏水性 ——内部
? 氨基酸的序列决定着蛋白质分子的形状
?亲水性氨基酸残基 ——呈拉长或棒状
?疏水性氨基酸残基 ——呈球状
? 大多数蛋白质由 100个以上的氨基酸残基构成
（四）四级结构 (quarternary)
? 是指含有多于一条多肽链的蛋白质分子
的空间排列
? 以二聚体、三聚体、四聚体等形式存在
? 四级复合物（寡聚体）由蛋白质亚基
（单体）存在，亚基可以是相同的（同
类）或者是不同的（异类）
? 四级结构是亚基非共价结合的结果
? 热力学角度，疏水性亚基埋藏，驱动四级结构
? 疏水性氨基酸残基高于 30%，无法埋藏
? 疏水小区相互作用
4
4
12
3
6
6
一些低聚体食品蛋白质
（五）稳定蛋白质结构的作用力
? 蛋白质的天然构象是一种热力学状态
?对此状态有利的相互作用达到最大
?不利的相互作用降到最小
? 影响蛋白质结构的作用力包括两类,
?蛋白质分子 固有 的作用力所形成的分子内相
互作用
? 范德华相互作用和空间相互作用
?受 周围溶剂影响 的分子内相互作用
? 氢键、静电相互作用和疏水相互作用
1.空间相互作用 (steric strains)
? 氨基酸残基侧链
?φ和 ψ角的转动受到很大的限制
? 构象有限
? 避免自由能的增加
? 键长和键角的变形
2,Van der Waals 相互作用
? 存在于极性或非极性原子之间
? 距离增大，相互作用减小
? 偶极 -诱导偶极和诱导偶极 -诱导偶极相互
作用产生的净的吸引作用
? 对蛋白质的折叠和稳定性的贡献很大
3,氢键 hydrogen bond
? 氢键主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而
形成的一种键。
? 可在两肽链间，或一条肽链的不同部位
形成氢键。
? 在 ?-螺旋和 β-折叠片结构中肽键的 N-H和
C=O之间形成的氢键数目最大。
? 氢键对于维持蛋白质二级结构，保持蛋
白质稳定性，起着重要的作用。
4,静电相互作用
electrostatic interactions
? 蛋白质含有一些带有可离解基团的氨基酸残基。
?Asp,Glu残基带负电荷（中性 pH）
?Lys,Arg和 His带正电荷
? 在中性 pH，净电荷取决于分子中正、负电荷残
基的相对数目
? 蛋白质分子净电荷为 0时的 pH为等电点（ pI）
? 等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的 pH
? 除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电
基团都分布在分子的表面。
? 相同电荷间的排斥作用或许会导致蛋白
质结构不稳定。
? 相反电荷间的吸引作用有助于蛋白质结
构的稳定。
? 影响蛋白质分子折叠的模式
5,疏水相互作用
hydrophobic interactions
? 驱动蛋白质折叠的主要力量
? 非极性基团溶于水
ΔG=ΔH – TΔS
即使 ΔH＜ 0，由于 ΔS＜ 0, ΔG ＞ 0
? 在水溶液中水结构诱导的非极性基团之
间的相互作用被称为疏水相互作用
? 吸热过程，高温下较强
＜
6,二硫键 (-S-S-)
disulfide bonds
? 球状蛋白
? 二个半胱氨酸分子接近时
? 共价键
? 对稳定蛋白质空间结构起着重要作用
? 二硫键数目多、稳定，如毛、发
? 分子内，也能分子间
7,金属离子
? 蛋白质结合特定的金属离子
?如钙，镁和钠离子等
? 能稳定蛋白质的结构
? 稳定的机制
?中和电荷的效应
?促进其他相互作用（疏水相互作用 )
? 由钙稳定的蛋白质
? 牛乳清蛋白
? ?-淀粉酶
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的净
结果。
（ 六）构象稳定性和适应性
? 蛋白质是高度柔性的
? 构象适应性对蛋白质的功能性质很重要
第四节 蛋白质的变性
denaturation
? 天然状态是热力学最稳定状态
? 环境的变化驱动分子结构新的平衡
? 构象适应性
?分子结构的细微变化而没有剧烈变化
? 变性
?蛋白质的二级，三级和四级结构上的重大变
化，但不涉及主链上肽链的断裂，使天然蛋
白质的理化性质改变并失去原来的生理活性
? 在某些情况下，变性过程是可逆的,
?例如，有的蛋白质在加热时发生变性，冷却
后，又可复原。
? 可逆变性～三级和四级结构变化
? 不可逆变性～二级结构也发生变化
? 二硫键的断裂 →不可逆变性
变性后物化性质变化
? 因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降
? 结合水能力的改变
? 失去生物活力（酶活力或免疫活力）
? 对蛋白酶敏感性提高（肽键暴露）
? 蛋白质固有粘度增加
? 没有结晶能力
? 消化率和生物有效率提高
? 起泡性能和乳化性能提高
一、变性热力学
典型的蛋白质变性曲线
两状态转变
二、变性因素
?物理因素
?温度
?紫外线
?超声波
?高压
?化学因素
?pH
?有机溶剂
?重金属盐类
?脲、胍
?表面活性剂
（一）物理因素
1,热
? 热变性影响功能性质
? 从天然状态至变性状态的转变中点称为
熔化温度 Tm或变性温度 Td
热变性的机理
? 非共价相互作用的去稳定作用
? 在较高温度下，保持蛋白质空间构象的
各种键发生断裂，破坏了肽链的特定排
列，原来在分子内部的一些非极性基团
暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白
质的溶解度，促进了蛋白质分子之间相
互结合而凝集，形成不可逆的凝胶而凝
固。
疏水相互作用的影响
? 氢键、静电和范德华相互作用具有放热
的性质（热焓驱动）。它们在高温下去
稳定而在低温下稳定。
? 疏水相互作用是吸热的（熵驱动）。它
们在高温下稳定，而在低温下去稳定。
? 疏水相互作用的稳定性不会随温度的提高而无
限制地增强
? 某温度下，当疏水作用的稳定作用被克服时，
产生热变性
多肽链的构象熵的影响
? ? GD=GU- GN
= ? H-T ? SD
GU：变性状态的自由能
GN：天然状态的自由能
-T ? SD：构象熵
? ? GD ＞ 0,稳定
? ? GD ＜ 0，去稳定
蛋白质的热变性温度（ T d ）和平均疏水性
蛋白质 T d
平均疏水性
（ KJmol
- 1
残
基
- 1
）
蛋白质 T d 平均疏水性
（ KJmol
- 1
残
基
- 1
）
胰蛋白酶原 55 3.68 鸡蛋白蛋白 76 4.01
胰凝乳蛋白酶原 57 3.78 胰蛋白酶抑制剂 77
弹性蛋白酶 57 肌红蛋白 79 4.33
胃蛋白酶原 60 4.02 α - 乳清蛋白 83 4.26
核糖核酸酶 62 3.24 β - 乳球蛋白 83 4.50
羧肽酶 63 细胞色素 c 83 4.37
乙醇脱氢酶 64 抗生物素蛋白 85 3.81
牛血清白蛋白 65 4.22 大豆球蛋白 92
血红蛋白 67 3.98 蚕豆 11S 蛋白 94
溶菌酶 72 3.72 向日葵 11S 蛋白 95
胰岛素 76 4.16 燕麦球蛋白 108
温度～稳定性
? 一般认为，温
度愈低蛋白质
热稳定性愈高
? 但并非总如此
? 冷诱导变性
30
12.5
极性和非极性相互作用～稳定性
? 蛋白质显示最高稳定性的温度取决于极
性和非极性相互作用对蛋白质稳定性贡
献的 相对值
? 极性＞非极性相互作用
?蛋白质在冻结温度和低于冻结温度时比
较高温度时更稳定
? 主要依靠疏水相互作用
?在室温时比在冻结温度时更稳定 （吸热）
氨基酸的种类～热稳定性
? 含有 较高比例的疏水性 氨基酸残基（尤
其是 Val,Ile,Leu和 Phe）的蛋白质比
亲水性较强的蛋白质一般 更为稳定 。
? -SH 含量 ↑，热稳定性 ↓
?如大豆蛋白质 (含硫氨基酸较少 )稳定性高
? 脯氨酸或羟脯氨酸能阻碍蛋白质分子彼
此形成交联，使蛋白质不易凝固。如醇
溶谷蛋白 (含脯及羟脯氨酸较多 ) 。
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━
组成的氨基酸 (%) 凝固温度
蛋白质 ───────────────── ( ℃ )
半胱氨酸 胱氨酸 脯氨酸 羟脯氨酸
────────────────────────────
卵清蛋白 1.4 0.5 - - 56
血清清蛋白 0.3 5.7 4.7 67
乳清清蛋白 6.4 - - - 72
β - 乳球蛋白 1.1 2.3 70 - 75
酪蛋白 - 0.3 13.5 160 - 200
明 胶 0 - 16.4 14.1 较高
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━
某些蛋白质的氨基酸的组成与凝固温度关系
正相关
负相关
水～热稳定性
? 水 ↑，热变性 ↑,Td↓
?水分愈少所需变性温度愈高
?干蛋白质粉对热非常稳定
? 机理
?在干燥状态，多肽链段的移动受到限制
?水分含量的增加导致蛋白质的肿胀
?提高了多肽链的移动性和柔性
?稳定性下降，较低的 Td值
↑ ↓
电解质～稳定性
? 电解质的存在，稳定性降低
? 高价离子易使蛋白质凝固
? 例如制造豆腐
?豆浆中的球蛋白仅加热是不会凝固的
?但在 70℃ 以上添加氯化镁或硫酸钙即可凝
固
2,静水压
? 温度诱导,40～ 80℃, 0.1MPa
? 压力诱导,25℃, 100~1200MPa
转变中点 400~800MPa
? 蛋白质是柔性的和可压缩的
?球状蛋白 ——内部有一些空穴，可压缩
?纤维蛋白 ——无空穴，对静水压稳定
? 高度可逆
? 应用
?灭菌
?制备蛋白质凝胶
?牛肉嫩化
3,机械处理
? 揉搓、振动、打擦导致蛋白质变性。
激烈搅动时产生变性和沉淀。
? 当分子吸附在两相界面时，导致不可逆变性。
? 高柔性的比刚性蛋白质较易在气 -液界面变性。
? 剪切速度愈高，蛋白质变性程度愈高。
? 高温和高剪切力相结合能导致蛋白质不可逆的
变性。
4,辐照
? 芳香族氨基酸残基吸收紫外线
? 若能量高，能打断二硫键，导致构象变
化
?γ和其它射线也能导致构象变化
（二）化学因素
1,pH
? 在等电点时比其他 pH值对变性作用更加稳定
? 中性 pH
?大多数蛋白质带负电荷
?净静电推斥能量＜其他相互作用的能量
因此大多数蛋白质是稳定的
? 在极端 pH值
?强烈的分子内斥力导致分子的肿胀和展开
? 变性机理
?多肽链中某些基团发生解离，从而破坏了静
电作用形成的键。
? 多数是可逆的
? 然而，如果肽键的部分水解,Asn和 Gln
的脱酰胺，碱性 pH巯基的破坏或者聚集
作用能导致蛋白质的不可逆变性。
? 酸和碱可以加速热变性。
? 一般水果罐头的杀菌温度较蔬菜低。
2,有机溶质
? 尿素和盐酸胍（ GuHCl）的水溶液
? 变性中点 4～ 6 mol/L 尿素
3～ 4 mol/L GuHCl
? 完全转变 8mol/L 尿素,6 mol/L GuHCl
? 除去变性剂后，可以逆转
? 完全可逆有时很困难
变性机制
? 尿素和盐酸胍优先和变性蛋白质结合，
驱动 N→D向右移动
? 促进疏水氨基酸残基在水相中增溶，也
降低了疏水相互作用
?打断了水的氢键结构
?使蛋白质分子内部的非极性残基展开
3,表面活性剂
?十二烷基硫酸钠（ SDS）
?强有力的变性剂
?3～ 8mmol/L可使大多数球蛋白变性
?作用,
疏水区和亲水区的媒介物，打断了疏水相互作用
?与变性蛋白质强烈结合，使它带大量的负电
?不可逆
4,有机溶剂
? 大多数有机溶剂是变性剂
?乙醇、丙酮
? 机制
?改变水的介电常数，改变静电作用
?非极性侧链在有机溶剂中比在水中更易溶解，
有机溶剂能穿透到疏水区，削弱或打断疏水
相互作用
5,促溶盐（ chaotropic salts）
两种影响方式
? 低浓度（离子强度 ≤0.2）
静电中和作用稳定了蛋白质的结构
? 较高的浓度（＞ 1mol/L）
离子特异效应
?Na2SO4和 NaF这样的盐能促进结构稳定
?NaSCN和 NaClO4是强变性剂
o –Na2SO4
Δ-NaCl
□ -NaBr
■ -脲素
● -NaClO4
? -NaSCN
各种钠盐对变性温度的影响
Td↑
Td↓
? 高浓度的盐总是对蛋白质的结构稳定性产
生不利的影响。
? Hofmeister系列或促溶系列
F-<SO42-<Cl-<Br-<I-<ClO4-<SCN-
? 氟化物、硫酸盐和氯化物是结构稳定剂
? 其它阴离子盐是结构去稳定剂
? NaSCN和 NaClO4是强变性剂
第五节 蛋白质的功能性质
? 蛋白质对食品的感官品质具有重要的影响
? 蛋白质的功能性质指的是能使蛋白质对人们所
期望的食品特征作出贡献的那些物理化学性质。
?,功能性质”（,Functionality”）的定义
在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白
质在食品体系中的性能的那些蛋白质的物理和
化学性质。
决定功能性质的物化性质
? 大小；
? 形状；
? 氨基酸组成和顺序；
? 净电荷和电荷的分布；
? 疏水性和亲水性之比 ;
? 二级、三级和四级结构；
? 分子柔性和刚性；
? 分子间相互作用和同其它组分作用的能力。
功能性质是两类分子性质
的表现形式
? 流体动力学性质
?粘度（增稠）、胶凝作用和组织化
?蛋白质分子的大小、形状和柔性
? 表面性质
?湿润性、分散性、溶解性、起泡、乳化以及
与脂肪与风味物的结合
?取决于表面化学性质
功能性质分成三类
? 水化性质（取决于蛋白质－水的相互作用）
?包括水吸收及保留、湿润性、肿胀、粘着性、分散
性、溶解度和粘度。
? 与蛋白质－蛋白质相互作用有关的性质
?沉淀作用、凝胶作用和面团形成
? 表面性质
?表面张力、乳化作用和泡沫特征。
上述这几类性质不是完全独立的。
一、蛋白质的水合
? 食品的流变和质构性质取决于水与其他
食品组分
蛋白质 -多糖的相互作用
? 取决于水 -蛋白质相互作用的功能性质,
分散性、湿润性、肿胀、溶解性、增稠、粘
度、持水能力、胶凝作用、凝结、乳化和起
泡
水 -基团的结合
? 离子（带电基团） -偶极
? 偶极（极性基团） -偶极相互作用
? 偶极 -诱导偶极（非极性基团）相互作用
? 疏水（非极性基团）相互作用
水合能力
? 定义
当干蛋白质粉与相对湿度为 90-95%的水
蒸汽达到平衡时，每克蛋白质所结合的
水的克数
水合能力～氨基酸组成
? 带电的氨基酸残基数目 ↑，水合能力 ↑
a：水合能力,g水 /g蛋白质；
fc,fp,fN：带电的、极性和非极性的分数
Npc fffa 2.04.0 ???
带电基团为 6 mol水 /mol残基
不带电的极性残基为 2 mol /mol残基
非极性残基为 1 mol /mol残基
干蛋白质 水分子通过与极性 多层水吸附
部位结合而被吸附
蛋白质的水化过程
（ 1） （ 2）
液态水凝聚（ 3）
肿胀（ 4）
溶剂分散（ 5）
溶液
肿胀的不溶
性粒子或块
D
蛋白质的吸着等温线
? S形曲线
? Aw=0.05-0.30，单层水
? Aw= 0.3-0.7，多层水
? Aw =0.9，水合约 0.3-0.5 g H2O/g 蛋白质
多数在 0℃ 时不能冻结。
? Aw ＞ 0.9，体相水
影响水合能力的环境因素
? pH
? 离子强度
? 盐的种类
? 温度
? 蛋白质构象
1,pH
? 在 pI时，蛋白质显示最低的水合作用
? 高于或低于 pI，由于净电荷和推斥力的
增加，使蛋白质肿胀和结合较多的水
? pH 9-10时水合能力较大
2,盐
? 低浓度（＜ 0.2mol/L）
?能提高蛋白质结合水的能力
?水合盐离子与蛋白质分子上带电基团微弱地
结合
? 高浓度的盐
?导致蛋白质的脱水
?因为更多的水与盐离子结合
3,温度
? 温度升高后，氢键作用和离子基团的水
合作用减弱，蛋白质结合水的能力一般
随之下降。
? 变性蛋白质结合水的能力一般比天然蛋
白质约高 10%。因为蛋白质变性时，随
着一些原来埋藏的疏水基团的暴露，表
面积与体积之比增加。
二、溶解度
? 最受蛋白质溶解度影响的功能性质,增
稠、起泡、乳化和胶凝作用。
? 高的起始溶解度是其它功能性质的先决
条件，不溶性蛋白质在食品中的应用非
常有限。
? 蛋白质 -蛋白质 + 溶剂 -溶剂 蛋白质 -溶剂
? 影响蛋白质溶解性质的主要的相互作用
具有疏水和离子的本质。
? 疏水相互作用能促进蛋白质 -蛋白质相互
作用，使蛋白质溶解度降低；
? 离子相互作用能促进蛋白质 -水相互作用，
使蛋白质溶解度增加。
根据溶解度性质的蛋白质分类
? 清蛋白：溶于 pH 6.6 的水
?血清清蛋白、卵清蛋白和 ?-乳白蛋白
? 球蛋白：溶于 pH 7.0 的稀盐溶液
?大豆球蛋白、菜豆球蛋白和 β-乳球蛋白
? 谷蛋白：仅能溶于酸（ pH 2）和碱（ pH 12）
?小麦谷蛋白
? 醇溶谷蛋白：溶于 70%乙醇
?玉米醇溶蛋白和麦醇溶蛋白
谷蛋白和醇溶谷蛋白是高疏水性蛋白质。
（一） pH～溶解度
? 当 pH高于或低于 pI时，促进溶解
? 在 pI时，溶解度最低
? 大多数是酸性蛋白质,pH4～ 5溶解度最
小，碱性 pH溶解度最高
? 某些具有大量亲水性 AA的蛋白质（如 β-
Lg和 BSA），在 pI仍然可溶
U-形曲线
（二）离子强度～溶解度
? 离子强度的计算
? 低离子强度（＜ 0.5） —— 电荷屏蔽效应
?高比例疏水区域～溶解度下降
?高比例亲水区域～溶解度提高
? 高离子强度（＞ 1） ——离子效应
?SO42-,F-～盐析，溶解度降低,导致沉淀
?ClO4-,SCN-～盐溶，提高溶解度
25.0
ii Zc???
（三） 温度～溶解度
? 0～ 40℃ 内，温度 ↑，溶解度 ↑
? ＞ 40℃,蛋白质变性，非极性基团暴露，
促进聚集和沉淀
? 例外：高疏水性蛋白质，如 β-酪蛋白和
一些谷类蛋白质，溶解度与温度负相关。
（四）有机溶剂～溶解度
与水互溶的有机溶剂（如乙醇和丙酮）
? 降低水介质的介电常数
? 提高静电作用力
? 静电斥力导致分子结构的展开
? 促进氢键的形成和反电荷间的静电吸引
? 导致蛋白质溶解度下降或沉淀
三、蛋白质的界面性质
? 两亲物质
? 自发地迁移至界面（气 -水或油 -水）
? 在界面区域的浓度总是高于体相
? 蛋白质 (高粘弹性薄膜 )优于表面活性剂
? 不取决于疏水和亲水 AA之比
?植物蛋白～卵清蛋白
? 差别主要与构象上的差别有关
? 重要的构象因素包括多肽链的稳定性 /柔性、对
环境改变适应的难易程度和亲水与疏水基团在
蛋白质表面的分布模式。
影响界面性质的因素
理想的表面活性蛋白质具有三个性能,
? 能快速地 吸附 至界面
? 能快速地 展开 并在界面上再 定向
? 一旦达到界面能与邻近分子相互作用，
形成具有强的粘合和粘弹性质的 膜,并
能忍受热和机械运动的。
疏水小区和亲水小区分布的模式
多肽链在界面上采取的构型
? 列车状 (train)
?当多肽片段 直接与界面接触 时呈列车状
? 圈状 (loop)
?当多肽片段 悬浮在水相 时呈圈状
? 尾状 (tails)
?蛋白质分子的 N-和 C-末端 片段通常处在水相
呈尾状
列车状构象的比例愈大，蛋白质愈是强烈地与界
面相结合，并且表面张力愈是低。
? 界面上蛋白质膜的机械强度取决于内聚
的分子间相互作用
?静电相互作用
?氢键
?疏水相互作用
? 疏水作用太强，蛋白质在界面聚集、沉
淀，损伤膜的完整性
? 斥力远大于引力，妨碍粘结厚膜的形成
? 吸引、推斥和水合作用力之间适当的平
衡是形成稳定的粘弹膜的必要条件。
（一）乳化性质
(emulsifying properties)
? 许多传统或新型食品，都是含乳状液的
多相体系
? 乳状液的形成使食品具有期望的口感，
有助于包合油溶性和水溶性配料，并能
掩蔽不期望有的风味
? 一些蛋白质是理想的乳化剂
1,评价食品乳化性质的方法
? 油滴大小分布
? 乳化活力（ emulsifying activity）
? 乳化能力（ emulsion capacity）
? 乳化稳定性（ emulsion stability）
测定乳状液平均液滴的大小的方法
? 光学显微镜法
? 电子显微镜法
? 光散射
? 质子相关谱
? Coulter计数器
? 界面面积
φ——分散相的体积分数 ;
R——乳状液粒子的平均半径。
? 乳化活力指标（ EAI）
Emulsifying Activity Index
单位质量的蛋白质所产生的界面面积
m——蛋白质质量
R
A ?3?
Rm
EAI ?3?
浊度法测定 EAI
A：吸光度 (500nm)
l：光路长度
根据光散射的 Mie 理论，界面积是浊度的 2倍。
φ：油的体积分数
(1-φ)ρ：单位体积乳状液中总的蛋白质量
简便实用，但不是非常准确
?? )1(
2
?
? TEAI
l
AT 303.2?
2,蛋白质的载量
（ Protein Load ）
? 定义：单位界面面积上吸附的蛋白质量
? 离心出水相，重复洗涤油相
? 一般情况下,1～ 3 mg/m2
3,乳化能力
（ Emulsion capacity,EC）
? 定义
相转变前（ O/W→W/O）每克蛋白质所能乳化
的油的体积
? 测定方法
?油加至蛋白质溶液中，根据粘度、颜色、电
阻的突变检测相变
?相转变,φ=0.65～ 0.85
?并非瞬时过程，先形成 W/O/W双重乳状液
4,乳状液稳定性
? 在数月内稳定
? 剧烈的处理方法（高温、离心力）
? 乳状液稳定性表示方法
? 乳状液稳定性指标（ ESI）,
浊度达到起始值的一半所需要的时间。
%1 0 0??
乳状液总体积
乳油层体积ES
5,影响蛋白质乳化作用的因素
? 内在因子
pH、离子强度、温度、存在的低分子量表面活性剂、
糖、油相体积、蛋白质类型和使用的油的熔点
? 外在因素
制备乳状液的设备类型、能量输入的速度和剪切速度。
目前没有一致认可的系统地评价蛋白质乳化性质
的标准方法。
（ 1）溶解度
? 溶解度对乳化性质很重要
? 高度不溶性的蛋白质不是良好的乳化剂
? 100%的溶解度不是绝对必要
? 一定程度的溶解度可能是必需的
? 良好的乳化性质所必需的最低溶解度取
决于蛋白质的品种
（ 2） pH
? 在 pI具有高溶解度的蛋白质
?例如血清清蛋白、明胶和蛋清蛋白
?缺乏净电荷和静电推斥相互作用，有助于在
界面达到最高蛋白质载量和促使高粘弹膜的
形成
?具有最高乳化活力和乳化能力
? 大多数食品蛋白质
?酪蛋白、商品乳清蛋白、肉蛋白、大豆蛋白
?在 pI时是微溶和缺乏静电推斥力的，不是良
好的乳化剂。
?在远离 pI时可能是有效的乳化剂
（ 3） 疏水性
? 弱正相关联
(二 ) 起泡性质
(Foaming properties)
? 一个连续的水相 + 一个分散的气相
? 蛋白质是主要的表面活性剂，有助于分
散相的形成和稳定
? 经吹气泡、搅打和摇振而形成
起泡能力的评价指标
? 起泡能力是指在汽 -液界面形成坚韧的薄膜使
大量气泡并入和稳定的能力。
? 膨胀率（ Overrun）
稳定状态泡沫值（ Steady-state Foam Value）
? 起泡力（ Foaming Power）
泡沫膨胀（ Foam Expansion）
%1 0 0??? 起始液体的体积 起始液体的体积泡沫体积膨胀率
%100)( ?? 液体的体积并入的气体的体积起泡力 FP
? 泡沫稳定性（ Foam Stability）
?蛋白质稳定处在重力和机械力下的泡沫的
能力。
?50%液体从泡沫中排出所需要的时间
?或者泡沫体积减少 50%所需要的时间
蛋白质溶液的起泡力（ FP）
1.影响泡沫形成和稳定的蛋白质分子性质
作为一个有效的起泡剂，必须满足,
? 快速吸附至气 -水界面
? 易于在界面上展开和重排
? 通过分子间相互作用形成粘合性膜
影响蛋白质起泡性质的分子性质有,
? 溶解度
? 分子柔性
? 疏水性（两亲性）
? 带电基团和极性基团的配置
2,影响起泡性质的环境因素
（ 1） pH
? 在 pI时，若溶解性好
?起泡能力强，泡沫稳定性较好
?如球蛋白，面筋蛋白，乳清蛋白
? 在 pI时，若溶解度很低
?起泡能力差，但稳定性很高
?多数食品蛋白质
? 在 pI以外
?起泡能力好，稳定性差
（ 2）盐
? 盐能影响蛋白质的溶解度、粘度、展开和聚集
? 取决于盐的种类和蛋白质的性质
? NaCl～大豆蛋白（盐析）
?促进起泡能力，降低稳定性
? NaCl～乳清蛋白（盐溶）
?降低起泡能力，降低稳定性
? 二价阳离子（ Ca2+,Mg2+）
?在蛋白质的羧基之间形成桥接
?改进起泡性和稳定性
NaCl对乳清蛋白起泡性和稳定性的影响
盐溶
效应
（ 3）糖
? 蔗糖、乳糖和其他糖
? 能增加粘度,
?在界面上较难展开 →损害起泡能力
?降低了泡沫中薄层液体的排出 →增强稳定性
? 加糖蛋白泡沫打擦后，再加入糖
（ 4）脂
? 磷脂，具有比蛋白质更好的表面活性
?以竞争的方式在界面上取代蛋白质
?减少了膜的厚度和粘接性
?泡沫稳定性下降
? 一般不含脂类的蛋白质有较好的起泡性
质
? 具有表面活性的极性脂类妨碍了吸附蛋
白质的起泡性能
（ 5）蛋白质浓度
? 蛋白质浓度增加，稳定性提高。
? 蛋白质浓度的增加提高了粘度，产生了
较小的气泡和坚硬的膜。
? 蛋白质浓度为 2～ 8%（ w/v），起泡能力
最大。
（ 6）温度
? 降低温度，疏
水作用下降，
膨胀率下降
? 部分热变性可
改进起泡性质
过高
3,制备泡沫的方法
? 鼓泡
?气体通过一个多孔的喷洒器进入一个低蛋白
质浓度的水溶液（ 0.01-2％）。
? 搅打或振荡
? 打擦
?激烈的机械应力和剪切作用
?充气食品
? 预先被加压的溶液突然减压
四、风味结合
? 有利
?作为期望风味物的载体和改良剂
? 不利
?接合不期望的风味，限制了食品的应用
?不饱和脂肪酸氧化生成的醛、酮和醇
（一）蛋白质的构象与风味物的结合
? 机制
?非极性配位体（风味物分子）与蛋白质表面
的疏水小区或空穴的相互作用
?与极性基团间的氢键和静电相互作用
? 完全可逆
? 构象发生了变化
?打断了链段间的相互作用
?蛋白质结构失去稳定性
（二）影响风味结合的因素
任何影响疏水性的因素
? 温度：影响很小
? 热变性：较高的结合能力
? 盐溶：降低风味结合（疏水作用下降）
盐析：提高风味结合
? pH：碱性下变性，促进风味结合
五、凝胶化作用
? 预凝胶的产生是不可逆的
? 凝胶熔化可形成预凝胶
? 当预凝胶被冷却至室温或冷藏温度时，
形成稳定的非共价键
溶胶状态 预凝胶 凝胶
加热、酶
二价金属离子
冷却
加热
网状结构中的作用力
? 氢键、静电相互作用 ——可逆凝胶
?明胶
? 疏水相互作用 ——不可逆凝胶
?蛋清蛋白
? 二硫键 ——不可逆凝胶
?乳清蛋白
两类凝胶
? 凝结块（不透明）凝胶
?大量非极性氨基酸残基
?疏水性聚集，不溶性聚集体
?不可逆凝胶
?聚集和网状结构的形成速度高于变性速度
? 透明凝胶
?少量非极性氨基酸残基
?变性时形成可溶性复合物
?缔合速度低于变性速度
?在加热后冷却时才能凝结成凝胶
?形成有序的透明的凝胶网状结构
影响胶凝性质的因素
? 氨基酸残基的类型
?高于 31.5%非极性 AA——凝结块类型
?低于 31.5%非极性 AA——透明类型
? pH
?pI——凝结块类凝胶
?极端 pH——弱凝胶，半透明
?形成凝胶的最适 pH约 7～ 8
? Ca2+等两价离子
?强化了凝胶结构
?过量钙桥产生凝结块
? 蛋白质浓度
?最低浓度终点
（ Least concentration endpoint,LCE）
请分析影响蛋白质起泡
性质的环境因素。
