蛋清蛋白质的糖基化产物结构与凝胶强度关系的探究

Correlation between Structure of Protein Glycosylates and Gel Strength in Egg White
CHI Yu-jie (Food College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)
参考文献：
[1] [2] 迟玉杰. 鸡蛋深加工系列产品综合开发技术概况[J]. 中国家禽, 2004, 26(23): 6-9. SAKAMOTO H, KUMAZAWA Y, MOTOKI M. Strength of protein gels prepared with microbial transglutaminase as related to reation conditions[J]. Journal of Food Science, 1994, 59(4): 866-870. [3] KATO A, IBRAHIM HR, WATANABE H, et al. New approach to improve the gelling and surface functional properties of dried egg white by heating in dry state[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1989, 37: 433-437. [4] HANDA A, HAYSASHI K, SHIDARA H, et al. Correlation of the protein structure and gelling properties in dried egg white products[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001, 49: 3957-3946. [5] YOSHINORI M. Effect of pH during the dry Heating on the gelling properties of egg white proteins[J]. Food Research International, 1996, 29(2): 155-161. [6] [7] 李俐鑫, 迟玉杰, 孙波. 蛋清蛋白质凝胶质构特性的研究[J]. 食品工 业科技 , 2007, 26(8): 57-63. 李俐鑫, 迟玉杰, 于滨. 蛋清蛋白凝胶特性影响因素的研究[J]. 食品 科学 , 2008, 32(2): 43-46. [8] KATO A, MURATA K, KOBAYASHI K. Preparation and characterization of ovalbumin dextran conjugate having excellent emulsifying properties [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1988, 36(3): 421-425. [9] KATO A, SASAKI Y, FURUTA R, et al. Functional protein polysacharide conjugate prepared by controlled dry heating of ovalbumin-dextran mixtures[J]. Agriculture Biological Chemistry, 1990, 54(l): 107-112. [10] KATO Y, AOKI T, KATO N, et al. Modification of ovalbumin with glucose 6-phosphate by amino-carbonyl reaetion: improvement of protein heat stability and emulsifying activity[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1995, 43(2): 301-305. [11] DICKINSON E, IZGI E. Foam stabilization by protein-polysaccharide complexes[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 1996, 113(1): 191-201. [12] COIA KA, STAUFFER KR. Shelf life study of oil/water emulsions using various commerical hydrolloids[J]. Journal of Food Science, 1987, 52: 166-172. [13] HANDA A, KURODA N. Functional improvements in dried egg white through the Maillard reaction[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1999, 47: 1845-1850. [14] YEBOAH F K, ALLI I, YAYLAYAN V A. Reactivities of D-glucose and
※专题论述
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蛋清蛋白质的糖基化产物结构与 凝胶强度关系的探究
迟玉杰
(东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030)
摘 要：鸡蛋清因其良好凝胶性通常以蛋白粉的形式作为食品配料用于肉制品、鱼糜制品等食品中。蛋清蛋白粉凝 胶(性)强度主要取决于蛋清蛋白质本身的结构， 而专用蛋清蛋白粉的高凝胶(性)强度可通过蛋清蛋白质结构修饰得以 实现。前期研究证明，蛋清蛋白质与多糖糖基化接枝改性能够显著提高蛋清蛋白质凝胶性且优于其它改性方法，因 此，研究糖基化产物结构与凝胶强度之间的关系，是进一步广泛应用糖基化蛋白的关键因素，也是蛋白质糖基化 研究中的新课题。 探讨糖基化蛋白质结构与其凝胶性之间的关系， 为蛋清卵白蛋白糖基化改性技术工业化应用提供 一定的理论基础。 关键词： 糖 基 化 ； 结 构 ； 凝 胶 性 ； 卵 白 蛋 白 ； 蛋 清
HC ＝ O HCOH HOCH HCOH HCOH CH2OH D- 葡萄糖 +RNH 2 -H 2 O
HC＝ NR HCOH HOCH HCOH HCOH CH2OH 希夫碱
H RHN-C HCOH HOCH O HCOH HC CH2OH 氮代葡基胺
CH2NHR C＝O HOCH O HCOH HCOH CH2OH
卵白蛋白热稳定性较强、含量高( 占蛋清蛋白质的 54%) ，且对蛋清蛋白质的凝胶性起着主要作用，因此， 选择蛋清卵白蛋白的糖基化为研究对象，既能简化研究 过程，又能真实反映糖基化接枝对蛋清蛋白质结构及凝 胶性的影响[30 ] 。研究蛋清卵白蛋白与麦芽糊精发生接枝 反应的过程，以及通过研究接枝反应前后的卵白蛋白质 空间结构变化，并结合热力学分析和凝胶网络结构的观 察，分析糖基化接枝技术提高蛋清蛋白质凝胶性的原因 及糖基化蛋白质结构与其凝胶性能之间的关系，以期探 讨利用糖基化接枝技术提高蛋清蛋白质凝胶性的机理， 为蛋清卵白蛋白糖基化改性技术工业化应用提供理论基 础 。
蛋白质与单糖或寡糖发生糖基化反应提高其凝胶强 度的原因，可能是由于单糖或寡糖反应活性较强，加 快了美拉德反应进程( 快速进入反应的第二和第三阶段) ， 使其与蛋白质接枝并使蛋白质分子间交联从而提高其凝 胶性。目前，人们对蛋白质与多糖发生糖基化反应提 高蛋白质凝胶性的机理研究尚不清楚，只是一些推测。 如 Handa [13] 、Sun[17] 、Hermansson[27] 及 Kato[28] 等研究者 分别认为： “凝胶强度和持水能力均受蛋白质表面巯基 和总巯基数目的影响” ； “接枝反应提高凝胶性可能是 由于接枝反应影响了蛋清蛋白质的空间网络结构所 致” ； “如果预凝胶状态的蛋白质聚集速率小于蛋白质 变性的速率，可形成非常有序的凝胶网络，此时凝胶 具有良好的弹性和保水性” ； “有至少两分子葡聚糖与 一分子蛋白质结合后，可显著增加蛋白质的分子量，而 其分子量与蛋白质凝胶强度的平方根呈正线性关系 [ 32 ] ， 因而蛋白质与多糖的接枝反应可提高蛋白质的凝胶硬 度” 。作者在前期实验中，利用麦芽糊精 D E 值较低、 羰基位于葡萄糖单元环状结构 C 4 位置上的结构特点，使 该接枝反应处于美拉德反应的初始阶段，稳定了蛋白质 结构，从而提高了蛋清蛋白质的凝胶性。在上述有关 研究者及作者前期研究结果的基础上，如何建立蛋清蛋
3% 的木糖和核糖，其最低的凝胶形成浓度为 1.2% 和 0.5%。 此外，通过增加初始糖的浓度，形成凝胶的时间也有 所下降。 与此相比，由于多糖与蛋白质发生糖基化接枝反应 温和，且提高蛋白质功能性较为明显，因而目前该领 域的研究重点主要集中在利用多糖对蛋白质糖基化方面， 如在蛋清中添加硫酸化葡聚糖[22 ] 和半乳甘露聚糖[23] ，通 过糖基化对蛋白质进行结构修饰，修饰后蛋清蛋白质的 凝 胶 性 、持 水 性 、透 明 性 均 有 提 高 。 目前多采用多糖与球蛋白发生固态反应来提高凝胶 硬度。糖基化蛋白经溶解、加热，再经过一段时间就 可形成硬度较高的凝胶。在干热的条件下加热蛋清蛋白 质和半乳甘露聚糖(60 ℃，65% 相对湿度，蛋粉: 半乳甘 露聚糖 1: 4 ，反应 3d ) ，然后将制备所得的聚合物经过 在 90 ℃加热 30min，所体现的凝胶性有所改善[22] 。乳清 蛋白 - 果胶混合物在干态加热 15d(60 ℃，35% ～40% 相 对湿度) ，制备凝胶过程为 90 ℃加热聚合物的液态溶液 (12%)10min ，然后在 6 ～8 ℃条件下冷却 24h ，也同样 改善了乳清蛋白的凝胶性 [ 2 4 ] 。加热蛋白质和还原糖的 溶液能够加速蛋白变性从而导致蛋白质的结构的变化。 而在固态条件下进行糖基化，不至于改变蛋白质天然 的结构 [ 2 5 - 2 6 ] 。 ３ 糖基化提高凝胶性机理研究进展
[ 16 ,1 8 -2 0]
白蛋白形成凝胶的最低浓度为 7% ，但是如果分别加入
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５ 结 语
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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白质糖基化产物的结构与其凝胶强度之间关系的研究， 是扩大糖基化蛋白应用领域及范围的关键因素，也是深 入研究蛋白质糖基化的新课题。 ４ 糖基化提高蛋清蛋白凝胶性机理的初步确立
图 １ 同葡萄糖反应的初始美拉德反应过程 Fig.1 Initial Maillard reaction with glucose
蛋白质 - 糖类发生的糖基化接枝反应，就是将碳水 化合物以共价键与蛋白质分子上的α- 或ε- 氨基相连接 而形成糖基化蛋白质的化学反应[14-15] (图 1)。研究糖基化 反应必须注意的一个关键问题是糖类的选择与褐变的控 制。单糖和寡糖来源广泛，但糖基化反应不易控制， 蛋白质褐变严重[16-17] 。有研究表明在低分子量还原糖(例 如：乳糖、核糖、木糖 ) 存在条件下，加热球蛋白溶 液 ( 例如：溶菌酶、牛血清白蛋白、大豆蛋白 ) ，使得 凝胶具有较高的凝胶强度 。凝胶强度的增加归因 于糖导致的蛋白质共价交联。此外，在还原糖存在的 条件下，凝胶能够在较低的浓度形成。例如：牛血清
中国作为禽蛋生产大国，2008 年禽蛋总产量达到 2800 万 t ，人均占有量超过 20kg ，连续 20 年位居世界 第一 [ 1 ] 。蛋清蛋白质因具有良好凝胶性，而被作为火 腿、腊肠、鱼糜制品的增稠剂及面类制品的增强剂， 使其成为食品加工业的重要配料。国外蛋清蛋白粉产品 的凝胶性明显好于国内同类产品。欧美厂家生产的蛋清 蛋白粉凝胶强度一般可达到 600g/cm2 以上，尤以意大利 厂家生产的蛋清蛋白粉凝胶强度高达 1100g/cm 2 ，国内 厂家生产的蛋清蛋白粉凝胶强度仅为 350～500g/cm2，其 原因主要是国外厂家对其生产的蛋清蛋白粉经过了适当 的改性处理。
收稿日期：2009-08-31 基金项目：国家自然科学基金项目 (30871954)
１
提高蛋清蛋白凝胶性的方法 迟玉杰对高凝胶性蛋清蛋白粉的开发技术进行了攻
关及产业化研究。主要采用以下三种方法：一是利用酶 制剂提高蛋清蛋白质凝胶性：蛋清中添加谷氨酰胺转胺 酶，催化谷氨酰胺γ- 氨基与赖氨酸上的ε- 氨基共价交 联[ 2 ] 以及形成致密的蛋白质网络结构，提高了蛋清蛋白 粉凝胶强度约 1 倍(600～1000g/cm2 )，但因谷氨酰胺转胺 酶价高而限制了它的工业化应用。二是干热法提高蛋清 蛋白质凝胶性：将蛋清蛋白粉在一定温度下加热 1 0 ～ 15d ，其凝胶强度即可提高至 800 ～1000g/cm 2 ，其原因
作者简介：迟玉杰 (1963 － ) ，女，教授，博士，研究方向为食品化学及农产品深加工。 E-mail ：yjchi@126.com
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可能是由于蛋清蛋白质分子处于一种介于天然状态与变 性状态之间的“融球态” 。处于“融球态”的蛋白 质分子之间作用剧烈而发生一定程度的交联从而提高其 凝胶强度[3-5] 。干热法提高蛋清蛋白粉凝胶性技术虽简单 易行，但也存在着加热处理时间长、能耗大等问题。 三是利用糖基化接枝技术提高蛋清蛋白质凝胶性：蛋清 蛋白粉的生产过程中，添加一定量的麦芽糊精，在对 经混合干燥处理而得到的蛋清蛋白粉进行适当处理后， 其凝胶强度可提高到 1200g/c m 2 。前期研究结果表明， 糖基化接枝改性技术生产成本低、加工技术简单、产 品凝胶性及溶解性良好，与其他技术相比，表现出明 显的优越性[ 6 - 7 ] 。国外研究结果表明，糖基化蛋白在乳 化 性 、溶 解 性 、热 稳 定 性 、凝 胶 性 、起 泡 性 、抗氧 化性等方面均比非糖基化蛋白有不同程度的改善。除蛋 白质中赖氨酸有少量损失外，其他氨基酸基本没受影 响，仍具有很好的营养性和安全性 [ 8 - 1 3 ] 。 ２ 糖基化提高凝胶性的研究进展
Abstract ： Egg white is usually used as a food ingredient in meat and surimi and other products due to its excellent gelling properties. The gel strength of egg white powder depends largely on its structure and accordingly the high gel strength of egg white powder could be gained by modifying protein structure. Previous studies indicated that glycosylation between egg white protein and polysaccharide to improve gelling properties of egg white protein is superior to other modification methods. Thus, correct understanding of the correlation between structure of protein glycosylates and gel strength can tremendously favor the extensive applications of glycosylated protein. This conclusion will provide some theoretical bases for industrial applications of glycosylation modification technology in the production of egg white protein-related products. Key words：glycosylation；structure；gelatin ；ovalbumin；egg white 中图分类号：TS253.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2009)21-0485-04