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蛋白质是人类所需最重要的营养物质，传统的热加工方式中蛋白质损失极大，因此蛋白质的适度加工可以显著降低动植物蛋白质加工过程中的营养损失，实现可持续发展的目标，也是肉制品加工的研究热点。通过蛋白质的适度加工与精准控制，可以改善肉类蛋白质的凝胶、质构、乳化、保油保水等性质，提高肉制品的品质。

广东海洋大学韩宗元、刘书成*和沈阳农业大学邵俊花等通过阐述热聚集行为（聚集体结构和形态）对凝胶品质的影响，并综述过度聚集对凝胶结构的影响，以及如何调控肌原纤维蛋白过度聚集，以期对高品质的凝胶类产品的生产起到指导作用。

1、热诱导聚集机制

热诱导聚集是蛋白质非天然聚集，并且是一种不可逆过程。蛋白质非天然聚集是指初始状态下未聚集的蛋白质或多肽自发地组装形成高分子质量且不同于天然蛋白质本身二级结构的聚集过程，自组装后的蛋白质二级结构中常含有较多的β-折叠结构。非天然聚集行为一般包括单体蛋白质解折叠、组装、成核并增长、聚集。LENP模型解决了聚集速率低于折叠-解折叠平衡速率的问题，同时涵盖了蛋白质聚集的成核和生长模型。LENP模型阐释了蛋白质聚集机制包含的5 个阶段，如图1所示：1）未聚集的蛋白质构象转变，此阶段包含在热力学上不同的构象状态之间的跃迁，单体构象中最容易发生聚集反应的构象用R表示；2）预成核过程（可逆的低聚物形成），R链在某个阈值或预成核尺寸发生可逆聚集；3）最小的不可逆聚集体的成核，其中一个重排步骤是R链中的单体改变构象或重新排列，进而构建稳定晶核所需的二级结构或链间交联；4）可溶性聚集体的聚合生长，此阶段包括单体中R链的可逆聚合，以及二级结构的重新排列；5）凝聚过程（聚集体之间的组装），聚集体凝聚导致非晶沉淀、凝胶或其他相分离。每个阶段都有一组特征的实验参数，它们与相对生长速率和成核速率以及阈值大小有关，在此条件下聚集体凝聚形成高阶结构或其他相态。

2、蛋白质聚集模式

蛋白质聚集行为存在不同聚集模式，包括纤维聚集、水凝胶聚集以及无定形聚集，并且蛋白质聚集模式对凝胶结构存在显著影响。加热处理增强了分子间相互作用，促进了蛋白质解折叠和聚集，同时pH值增加可以增大静电斥力，导致蛋白质的聚集程度下降。随着碱性pH值增大，静电斥力显著增加，从而减缓了蛋白质的解折叠和聚集，因此，pH值和热处理可以有效调控聚集体聚集程度和形貌。温度、pH值等外界因素对不同形态聚集体的影响如下：第一，温度对纤维聚集体形成起到重要作用。第二，水凝胶聚集体可通过球蛋白在外界条件（温度、pH值和离子强度）作用下发生变性、聚集、凝胶化而形成，其中植物和动物蛋白质都可以制备水凝胶。第三，热处理可使蛋白质形成无定形聚集体，其中疏水基团暴露从而降低能量状态，蛋白质分子表面的电荷降低或屏蔽效应增加使疏水相互作用成为主要作用力，此时无定形聚集体形成。热处理可以通过给多肽提供动能，促进其热运动，达到破坏蛋白质分子内弱的作用力从而改变蛋白质天然构象的效果。随着温度升高，蛋白质开始解折叠，其三级和二级结构发生改变，解折叠的蛋白质可能会聚集，二硫键被破环，并与其他多肽交联。热处理能够促进肉类蛋白质聚集行为，温和加热方式下会形成纤维状聚集体，而过热处理会导致无定形聚集体形成。

3、热诱导聚集行为与凝胶结构形成

热诱导聚集和凝胶化通常在高于蛋白质变性温度条件下开始，该温度会导致蛋白质的展开和内部活性位点的暴露。然后，带有疏水基团和游离巯基的蛋白质相互作用形成聚集体，当蛋白质浓度足够高时，聚集体可以形成具有三维网络结构的凝胶。肌球蛋白的凝胶形成过程可以看作是天然蛋白变性、聚集和凝胶网络结构形成的过程。在这个过程中，肌球蛋白的解折叠和聚集同时发生。当聚集速度大于解折叠速度时，凝胶形成无序的网络结构；而当聚集速度小于解折叠速度时，凝胶形成均匀有序的网络结构。热诱导凝胶作用产生两种类型的凝胶，即有序排列的链状凝胶和颗粒状凝胶，有序排列的链状凝胶是由变性蛋白质聚合成弯曲、灵活的链状结构（pH＞pI），或形成刚性的淀粉纤维状结构（pH＜pI）；颗粒状凝胶是由较低展开程度的蛋白质聚合成大颗粒而形成的（图2）。颗粒状凝胶在等电点附近或在高离子强度下形成，由直径在1 µm左右随机关联的球体组成。当静电斥力增大时，交联的柔性链组成了有序排列的链状凝胶。除pH值外，增强离子强度也可以通过改善静电势垒，降低分子间静电斥力，从而影响聚集体的形成。热处理会形成4 种不同形貌的聚集体，分别为球形颗粒、柔性链、半柔性纤维和分形粒子簇。颗粒状凝胶和有序排列的链状凝胶分别是在初次聚集形成球形颗粒或链时形成的，但高浓度钠离子会影响链状凝胶形成，从而导致颗粒凝胶形成。最终在蛋白质临界浓度以上，凝胶通过二次聚集形成两种不同的形态——有序排列的链状和颗粒状。综上，聚集体的形貌会影响凝胶三维网络结构的有序排列。

Ferry最初提出热诱导凝胶机理和模型，指出在恒定的变性速率（k1）下，缓慢的聚集速率（k2）会产生变性蛋白的积累，这些蛋白会聚集成有序排列的凝胶网络结构。该模型还指出存在一个临界结构变化（从流体状态转变为固体凝胶），即形成凝胶网络的变性温度（Td）和蛋白临界浓度（co），如图3所示。

4、过度聚集与调控对凝胶品质的影响

加热处理是肉制品加工所必需的，既能够使产品拥有良好的风味和质构特性，又能够延长产品的货架期。二次加热处理会导致蛋白质过度聚集，降低水的流动性和蛋白质消化率，引起二级结构的改变，从而破坏产品（如肉制品）的品质，降低其营养价值。为了解决这一问题，需要进一步研究凝胶体系的有序聚集机制。而尺寸较大的蛋白质聚集体会降低凝胶网络的连续性，减少其表面连接的蛋白质分子数量，导致蛋白质聚集体之间的非共价交联减少，从而造成凝胶的热稳定性和质构特性降低。所以，肌原纤维蛋白质分子的过度聚集是降低凝胶特性的根本原因，适当大小、均一的蛋白质聚集体有利于凝胶网络的形成，控制聚集程度有利于提高热稳定性和凝胶性能。

疏水型与还原型小分子、pH值对过度聚集的调控

由于疏水作用在蛋白质交联聚集过程中起到重要作用，因而可采用辛烯基琥珀酸酐作为疏水型小分子抑制高温加工过程中的过度聚集。通过辛烯基琥珀酸酐与肌原纤维蛋白之间的疏水相互作用，减小聚集体尺寸，增强其热稳定性，改善高温条件下肌原纤维蛋白凝胶的质构性能。还原型谷胱甘肽在高温条件下（95 ℃）也能够抑制肌原纤维蛋白过度聚集，提高凝胶性能。合理调控pH值也可有效抑制蛋白质过度聚集。在低温条件下（室温或30 ℃），酸处理（pH 5.0）比中性（pH 7.0）和碱性（pH 8.0）处理能更大程度地诱导蛋白质结构展开，使内部疏水基团暴露出来。当温度超过40 ℃，二硫键形成促进肌原纤维蛋白的聚集；在pH 6.0、70 ℃时形成最佳的三维网络结构，此时肌原纤维蛋白热诱导聚集体有规则地排列。因此，通过疏水型与还原型小分子、pH值调控蛋白质分子间化学键（疏水作用、巯基/二硫键与静电作用等）可以有效抑制肌原纤维蛋白过度聚集，形成均匀、有序的聚集体，并改善热诱导凝胶性能。

氨基酸对过度聚集的调控

氨基酸也可以应用到肉制品和水产品中以改善其品质及凝胶性能，同时抑制蛋白质过度聚集。赖氨酸和精氨酸通过抑制肌球蛋白的聚集并与酸性氨基酸残基相互作用提高肌球蛋白的溶解度。赖氨酸、精氨酸和L-组氨酸可以抑制肌球蛋白的热聚集。精氨酸和组氨酸抑制肌球蛋白的热聚集行为原理是其能够增加pH值，改变静电相互作用，并破坏疏水相互作用。精氨酸抑制热诱导肌球蛋白聚集的机制可归纳为3 个方面：1）带正电荷的精氨酸和带负电荷的肌球蛋白之间发生离子吸引，较高的pH值诱导肌球蛋白分子之间的斥力增强。2）精氨酸的两个氨基优先与肌球蛋白分子上羰基氧原子形成氢键。3）精氨酸抑制蛋白质聚集也可能是由于精氨酸的胍基与蛋白质分子中芳香族残基之间的相互作用导致蛋白质之间的结合反应减慢，这些芳香族氨基酸残基隐藏在蛋白质内部或参与分子内的相互作用。精氨酸抑制肌球蛋白热诱导聚集机制，其发现精氨酸抑制热诱导肌球蛋白聚集是由于肌球蛋白分子在加热过程中不能形成有序的二级结构，特别是β-折叠含量降低，无规卷曲含量增加（图5）。

多酚类化合物对过度聚集的调控

蛋白质-多酚共聚物是由于蛋白质对多酚具有内在的亲和力，使它们自发或诱导结合在一起形成蛋白质-多酚聚集体，一个蛋白质分子主要通过非共价键形式与多个多酚分子结合。蛋白质在热处理过程中会发生聚集和凝胶行为，其中巯基大量转变为二硫键，二硫键又会使蛋白质发生分子间交联，尤其是高温热处理会导致蛋白质过度聚集，从而引起凝胶类产品的品质降低。没食子酸可以抑制肌原纤维蛋白的热聚集和凝胶行为，这是由于没食子酸自氧化形成醌类物质，并与蛋白质亲核物质结合形成共聚物。低浓度条件下，通过氧化还原反应形成的二硫键是肌原纤维蛋白聚集的主要驱动力；而高浓度条件下，通过没食子酸桥联控制蛋白质聚集，即没食子酸（醌类物质）-肌原纤维蛋白共聚物改变了多肽链内和多肽链间的相互作用，导致热聚集过程中主要作用力发生变化，胶体溶液的热稳定性增强。在共聚物中，随着多酚含量增加，肌原纤维蛋白α-螺旋结构含量减少，卵清蛋白、乳铁蛋白和β-乳球蛋白也有相似的结果。综上，多酚化合物可以调节蛋白质空间结构、化学作用力和结合位点，从而抑制蛋白质热聚集。

分子伴侣蛋白质对过度聚集的调控

分子伴侣蛋白质是一类具有辅助其他大分子化合物进行非共价折叠/展开与组装/分解功能的蛋白质，且它们不是这些大分子化合物的永久组成部分，可独立执行正常的生物功能。因分子伴侣蛋白具有抑制其他蛋白质热聚集、提高蛋白质热稳定性的作用，这类分子伴侣蛋白也被称作热休克蛋白（Hsp）。在食品领域，研究人员主要研究了Hsp抑制折叠蛋白（天然蛋白）聚集以及保护解折叠蛋白维持特定生物功能。酪蛋白已被证实是分子伴侣蛋白，它是牛奶蛋白主要成分，主要包括αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白4 类，分子质量为20～30 kDa，属于小分子质量Hsp，并具有类似胶束/微团结构。酪蛋白具有较高的疏水性，因此酪蛋白可作为分子伴侣通过疏水作用与目标蛋白结合。酪蛋白作为常见食品蛋白的分子伴侣可以有效提高富含蛋白质食品的热稳定性，降低蛋白质的聚集程度。因此，分子伴侣蛋白质具有推动食品蛋白质在热加工中应用的潜力。

结语

热处理促使蛋白质大量聚集，从而导致肉糜和鱼糜制品凝胶化。聚集模式、形态与程度都会影响三维凝胶网络结构（有序排列的链状凝胶和颗粒状凝胶），从而导致凝胶类制品保油、保水性的差异。本文从蛋白质热聚集行为入手，阐述了热诱导聚集模式及形成机制、热诱导聚集行为与凝胶结构形成的内在联系，分析热诱导聚集行为，尤其是过度聚集对凝胶品质的影响（图6）；并分别讨论了小分子（疏水型与还原型小分子、酸/碱、氨基酸、多酚类化合物）与大分子（分子伴侣蛋白质）对动物蛋白质过度聚集的调控。在今后的研究中仍需不断探索蛋白质的适度加工条件，完善蛋白质热聚集的机制以及精准控制过度聚集的方式，推动高营养与高品质肉制品行业发展。

本文《蛋白质适度加工：热聚集与凝胶品质阐述以及过度聚集的调控对策》来源于《食品科学》2023年44卷09期177-184页.作者：韩宗元，邵俊花，潘燕墨，程开兴，孙钦秀，魏帅，夏秋瑜，王泽富，刘书成. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220416-201. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：彭凯雄 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。

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