陳 衛(wèi)， 范大明， 馬申嫣， 張清苗， 趙建新， 張 灝

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.福建安井食品股份有限公司，福建 廈門 361022）

微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物結(jié)構(gòu)和功能的影響

陳 衛(wèi)1， 范大明1， 馬申嫣1， 張清苗2， 趙建新1， 張 灝1

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.福建安井食品股份有限公司，福建 廈門 361022）

微波作為一種新型加熱技術(shù)，在食品領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。研究得出蛋白質(zhì)與微波的相互作用顯著且影響食品品質(zhì)。然而，微波對(duì)蛋白質(zhì)的作用機(jī)制一直是眾多學(xué)者討論的焦點(diǎn)。作者圍繞微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物各級(jí)結(jié)構(gòu)的影響以及微波引起的蛋白質(zhì)功能的改變展開綜述，希望為研究微波對(duì)蛋白質(zhì)等食品大分子的作用機(jī)理提供參考。

微波；蛋白質(zhì)；結(jié)構(gòu)；功能

微波是一種頻率從300 MHz至300 GHz的電磁波，能夠引起極性分子振動(dòng)從而對(duì)物料產(chǎn)生影響。作為一種新型的加熱技術(shù)，微波在食品各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)快速增長，主要有微波殺菌［1］、微波干燥［2］、微波烘焙［3］3方面，除此之外，在蛋白質(zhì)領(lǐng)域，微波輔助水解［4］、微波萃取［5］、微波改性［6］等的研究也很多。介于微波與生物體的相互作用是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，在這些應(yīng)用過程中，微波對(duì)蛋白質(zhì)的作用機(jī)理研究得還不是很透徹。結(jié)構(gòu)決定功能，微波處理后蛋白質(zhì)功能的變化歸根到底是由于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。作者以此為切入點(diǎn)，綜述了微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物結(jié)構(gòu)和功能的影響，希望能夠?yàn)檠芯课⒉▽?duì)蛋白質(zhì)等大分子作用的機(jī)理提供參考，從而推動(dòng)微波食品的發(fā)展。

1 微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物結(jié)構(gòu)的影響

到目前為止，關(guān)于微波是否能夠打破蛋白質(zhì)分子的共價(jià)鍵或其他化學(xué)鍵的爭論很多，微波破壞蛋白質(zhì)分子的確切機(jī)理不是很清楚［7］。從能量水平而言，微波的光子能量不足以斷開分子中的共價(jià)鍵［8］；然而，在特定的條件下它可能影響化學(xué)鍵，水分子的水合作用對(duì)蛋白質(zhì)等生命大分子的介電特性有顯著的作用，微波可通過影響與蛋白質(zhì)結(jié)合的水而影響這些分子［9－10］。

1.1 微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

1.1.1 微波輔助蛋白質(zhì)水解蛋白質(zhì)是細(xì)胞中含量最豐富的生物高分子有機(jī)物，其中蛋白質(zhì)樣品的分離和結(jié)構(gòu)分析在生化分析中占據(jù)很重要的位置。微波技術(shù)作為一種快速高效的加熱技術(shù)，廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)水解和蛋白質(zhì)分析。Lin Shan－shan等［］對(duì)微波輔助酶催化反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，他們?cè)诓煌挠袡C(jī)溶劑中水解不同的蛋白質(zhì)（肌球素、細(xì)胞色素、溶解酵素等），對(duì)比得出胰蛋白酶在不同溶劑中的催化活性：甲醇濃度過高會(huì)使酶失活，而丙酮和氯仿不會(huì)影響酶的活性。但是，無論在哪種溶劑中，微波輔助水解的效率都高于常規(guī)方法，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)方法所需時(shí)間長、升溫慢，這都會(huì)導(dǎo)致酶失活，而微波加熱可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，在酶徹底失活之前就完成水解反應(yīng)。同樣，Zhong Hongying等［12］用微波輔助酸水解，結(jié)果也表明微波方法優(yōu)于常規(guī)方法，他們用6 mol／L HCl處理細(xì)胞色素C等蛋白質(zhì)，在微波輻射下水解30～90 s，再用質(zhì)譜分析多肽鏈結(jié)構(gòu)，得到非常專一的多肽殘基峰位圖，沒有內(nèi)部干擾峰。

Lin Hua［13］，Juan H F［14］，Emanuele M［15］等都得到了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了微波水解的高效，但沒有進(jìn)一步研究微波水解與常規(guī)水解方法得到的氨基酸序列是否一致。Emanuele M等［16］以牛血清蛋白為模型蛋白，將微波水解和傳統(tǒng)方法水解得到的氨基酸序列與理論值進(jìn)行比較，得出兩種水解方法的準(zhǔn)確性和精確性幾乎一樣。作者還將這兩種水解方法應(yīng)用于乳酪和硬質(zhì)小麥兩種食品模型上，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性研究，結(jié)果同樣表明這兩種方法得到的水解產(chǎn)物種類、含量顯著相關(guān)。但是，Wu C Y等［17］研究了弱酸環(huán)境中微波裂解肽鏈的情況，得出微波裂解肽鍵相對(duì)傳統(tǒng)方法具有快速、有選擇性的特點(diǎn)，且微波裂解的位置一般在天冬氨酸殘基的羧基和氨基末端。

1.1.2 微波輔助蛋白質(zhì)有機(jī)合成微波作為一種新型的加熱方式已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成等領(lǐng)域，在過去30年，微波輔助合成方法被應(yīng)用到幾乎所有類型的有機(jī)反應(yīng)，與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波可提高反應(yīng)的產(chǎn)率或大大縮短反應(yīng)時(shí)間［18］，有時(shí)還表現(xiàn)出和常規(guī)加熱不同的選擇性［19］。Orliac O等［20］在無溶劑條件下酯化葵花蛋白，對(duì)經(jīng)典酯化方法和微波酯化方法進(jìn)行了比較，得出經(jīng)典酯化方法用時(shí)4 h，有84%的發(fā)生了酯化，而微波酯化只需18 min就有89%的發(fā)生了酯化，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微波酯化得到的酯化蛋白水解程度小。盡管已有有關(guān)微波輔助蛋白質(zhì)有機(jī)合成的研究報(bào)道，但是相比于常規(guī)加熱方式，微波加速或改變化學(xué)反應(yīng)的原因并不十分清楚。Guan Jun－Jun等［21］使用微波改善大豆分離蛋白－糖接枝反應(yīng)，通過對(duì)反應(yīng)體系的氨基酸成分以及產(chǎn)物的紅外光譜分析，得出微波酯化與傳統(tǒng)酯化一樣，產(chǎn)物都是由ε－氨基與還原端通過共價(jià)鍵形成的。

1.2 微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物高級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

許多研究表明，微波能夠影響蛋白質(zhì)分子的折疊與展開，但究其作用機(jī)理，學(xué)術(shù)界普遍存在兩種觀點(diǎn)：一是微波熱效應(yīng)，熱效應(yīng)理論認(rèn)為，水、蛋白質(zhì)等極性分子受到交變電場(chǎng)的作用而劇烈振蕩，相互“摩擦”產(chǎn)生內(nèi)能，從而導(dǎo)致溫度升高，使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Barak I等［22］認(rèn)為綠熒光蛋白熒光光譜500～540 nm段的變化主要是由微波熱效應(yīng)引起的，而540～560 nm段的變化與傳統(tǒng)熱效應(yīng)不同。二是微波的非熱效應(yīng)，Anan B Copty等［23］也以綠熒光蛋白為研究對(duì)象，分別用8.5 GHz微波和傳統(tǒng)加熱方式處理，研究兩種方式對(duì)綠熒光蛋白構(gòu)象的影響。結(jié)果在兩種處理方式下，綠熒光蛋白的熒光強(qiáng)度均下降，光譜中吸收峰向波長增加方向移動(dòng)，但是微波處理對(duì)熒光強(qiáng)度以及吸收峰移動(dòng)程度的影響都顯著大于傳統(tǒng)加熱方式。因此，作者認(rèn)為微波對(duì)綠熒光蛋白構(gòu)象的影響并不僅僅是熱效應(yīng)。Henrik B等［24］則以β－乳球蛋白為研究對(duì)象，研究微波對(duì)球狀蛋白構(gòu)象影響。結(jié)果表明，在可逆變性階段，隨著溫度的升高，在蛋白質(zhì)展開的過程中，微波的加入促進(jìn)了蛋白質(zhì)的展開；隨著溫度的降低，蛋白質(zhì)折疊的過程中，微波的加入對(duì)蛋白質(zhì)的折疊過程同樣起到了促進(jìn)作用。由此，他們認(rèn)為微波促使蛋白質(zhì)折疊變性不僅僅是熵驅(qū)動(dòng)的，也是扭轉(zhuǎn)力和彎曲力競爭的結(jié)果，也就是說微波對(duì)蛋白質(zhì)的影響存在非熱效應(yīng)；更有研究發(fā)現(xiàn)微波的非熱效應(yīng)會(huì)使牛血清白蛋白形成類淀粉質(zhì)結(jié)構(gòu)［25］。

2 微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物功能的影響

根據(jù) Anfin－sen原理［26－27］可知蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定其高級(jí)結(jié)構(gòu)，而其功能性質(zhì)多與其空間結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)聯(lián)［28］。微波處理后蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化最終引起了蛋白質(zhì)功能變化。

2.1 微波對(duì)蛋白質(zhì)基本功能性質(zhì)的影響

蛋白質(zhì)在食品中的基本功能性質(zhì)是指在食品加工、貯藏和銷售過程中蛋白質(zhì)對(duì)人們所期望的食品特征作出貢獻(xiàn)的那些物理化學(xué)性質(zhì)，如蛋白質(zhì)的水合性質(zhì)、凝膠性、乳化性、起泡性等。微波作為一種頻率范圍在300 MHz～300 GHz的電磁波，對(duì)蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)影響顯著，國內(nèi)外研究人員對(duì)此做了大量研究。蔡建榮等［29］以大豆分離蛋白為原料，研究微波處理時(shí)間對(duì)其起泡性、泡沫穩(wěn)定性、乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響，得出微波1 000 W處理40 s，可改善大豆分離蛋白的功能特性。對(duì)于大豆蛋白的溶解性，Youssef S H等［30］認(rèn)為微波加熱可使其顯著下降，而熊犍等［31］則認(rèn)為大豆蛋白的溶解性隨著微波功率和處理時(shí)間的增加呈現(xiàn)先提高后下降的結(jié)果。蛋白質(zhì)的溶解度與蛋白質(zhì)表面疏水作用與親水作用相關(guān)，Rani［32］推測(cè)經(jīng)微波處理后的蛋白可能發(fā)生了交聯(lián)，而且這種交聯(lián)作用只限于親水基團(tuán)，疏水集團(tuán)間沒有發(fā)生交聯(lián)作用，以至于蛋白疏水性提高，溶解性下降。在微波焙烤過程中，大量實(shí)驗(yàn)［33－35］發(fā)現(xiàn)微波焙烤食品質(zhì)地比傳統(tǒng)焙烤食品硬，研究人員認(rèn)為這與微波焙烤導(dǎo)致面筋性質(zhì)改變有關(guān)［36］。Erkan Y等［37］報(bào)道微波功率和處理時(shí)間對(duì)面筋蛋白溶解性、起泡性和乳化性影響顯著，這可能是導(dǎo)致微波焙烤食品品質(zhì)惡劣的原因。研究結(jié)果表明，面筋蛋白的溶解性在所有功率下均隨著處理時(shí)間的增加而下降，起泡性則正好相反，而最大功率下，乳化能力最差。

2.2 微波對(duì)蛋白質(zhì)催化活性的影響

目前，酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究的較為透徹，酶只有在保持其特有的三維空間結(jié)構(gòu)時(shí)，才能具有其特定的催化活性［38］。蛋白質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就很可能會(huì)導(dǎo)致其生物活性的降低，甚至失活［39－40］。文中已報(bào)道微波能影響蛋白質(zhì)的折疊和展開的觀點(diǎn)，同時(shí)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微波能通過改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象影響酶的催化活性，微波與傳統(tǒng)加熱方法對(duì)酶活的影響存在顯著性差異。

Marina P等［41］從火山口土壤中分離出一株屬于極端嗜熱的古細(xì)菌——硫磺礦硫化葉菌 （Sulfolobussolfataricus）并從中提取了兩種較純的嗜熱 酶：S－adenosyl Homocysteine （Ado Hcy）hydr olase和5P－methylt－h(huán)i oadenosine（MTA）phos phorylase。他們將Ado Hcy水解酶在70℃的水浴中處理90 min后酶活沒有變化；MTA磷酸酶十分穩(wěn)定，在100℃的水浴中處理2 h后酶活沒有變化。利用10.4 GHz的微波將2種酶分別經(jīng)過70、80、90℃的微波處理。在90℃微波處理?xiàng)l件下，Ado Hcy水解酶與MTA磷酸酶的剩余酶活分別為原來的18%與78%。通過熒光圓二相色譜（CD）測(cè)定2種酶的空間構(gòu)象，證實(shí)微波輻射引起了Ado Hcy水解酶與MTA磷酸酶構(gòu)象的變化，從而導(dǎo)致其失活。與水浴處理溫度相比，微波處理的溫度與之相同，但是微波處理卻導(dǎo)致嗜熱酶更多地失活。

Francesco L C等［42］從嗜熱芽孢桿菌（Bacillus acidocaldarius）提取了嗜熱β－乳糖酶，并比較低能微波處理與傳統(tǒng)水浴加熱對(duì)不同濃度酶活的影響。證實(shí)在70℃條件下微波處理1 h可以使質(zhì)量濃度為10～50μg／m L的嗜熱β－乳糖酶產(chǎn)生不可回復(fù)的失活，而70℃水浴加熱對(duì)酶活沒有影響；當(dāng)酶質(zhì)量濃度為50～100μg／mL時(shí)，微波對(duì)酶活沒有影響。所以，微波對(duì)酶活性的影響并不僅僅是熱效應(yīng)，即使在沒有吸收大量熱的情況下也能改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象［26］。

食品材料中一些酶的作用與在食品加工中營養(yǎng)組分的損失以及貯藏過程中食品的變質(zhì)有著很大的關(guān)聯(lián)。目前采用的熱加工滅酶可能導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的損失，感官品質(zhì)的惡化，而使用適當(dāng)?shù)奈⒉訜岱椒?，可以在不影響食品品質(zhì)的前提下破壞酶的活性。Hernandez－Infante M［43］、Wang S［44］等以豆科種子為原料，比較了微波和傳統(tǒng)方法抑制脂肪氧合酶酶活的效果，以及對(duì)豆科種子蛋白質(zhì)品質(zhì)的影響；張立彥等［45］以香蕉中的多酚氧化酶為研究對(duì)象，得出了微波滅酶的最佳參數(shù)；Qian Keying等［46］用微波對(duì)裸燕麥仁進(jìn)行前處理，研究了水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、燕麥緩蘇時(shí)間、包裝方式對(duì)脂肪酶活性的影響，得出裸燕麥仁達(dá)到適合的水分含量后用真空包裝并馬上進(jìn)行微波處理，可以提高微波滅酶的效率。

3 展 望

目前，國內(nèi)外關(guān)于微波對(duì)蛋白質(zhì)及其衍生物結(jié)構(gòu)和功能影響的研究較廣泛、系統(tǒng)，但尚不完善，有待于進(jìn)一步深入。在微波對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響方面，需進(jìn)一步建立相應(yīng)模型，對(duì)微波影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)因素動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，從而弄清楚微波使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的相應(yīng)機(jī)理；在微波對(duì)蛋白質(zhì)功能的影響方面，需與微波對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的模型建立關(guān)系，以完善整個(gè)知識(shí)體系，為微波更好的應(yīng)用于食品體系奠定基礎(chǔ)。

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Effect of Microwave on the Structure and Functions of the Protein and Its Derivatives

CHENWei1，F(xiàn)ANDa－ming1，MAShen－yan1，ZHANGQing－miao2，ZHAOJian－xin1，ZHANGHao1

（1.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Fujian Anjoy food Share Co.Ltd.，Xiamen 361022，China）

As a newly－developing heat technology，microwave has been used widely in food areas.For the protein as an important component of the food，the interaction between protein and microwave will affect the food quality significantly.However，the mechanisms of microwave interact on the protein are controversial.The recent advance in effect of microwave on the structure and functions of the protein and its derivatives has been summarized in this paper，hoping to provide reference for the researches of the mechanisms that microwave interact on the food macromolecules such as protein.

microwave，protein，structure，function

Q 501

A

1673－1689（2012）03－0232－06

2011－03－28

國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BAD91B03）；國家科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（2008GB2B200083）。

陳衛(wèi)（1966－），男，江蘇江都人，工學(xué)博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事食品科學(xué)與生物技術(shù)方面的研究。

E－mail：weichen＠jiangnan.edu.cn