3.2 课后习题详解
1解释下列术语：氨基酸疏水性，单纯蛋白，结合蛋白，蛋白质的结构，蛋白质变性，蛋白质功能性质，剪切稀释，交联反应，Plastein反应，传统蛋白。
答：（1）氨基酸疏水性
氨基酸疏水性是指氨基酸的侧链具有疏水的性质。通过将1mol的氨基酸从水溶液中转移到乙醇溶液中时所产生的自由能变化来测定。
（2）单纯蛋白
单纯蛋白是指仅由氨基酸组成的蛋白质。根据来源、受热凝固性及溶解度等理化性质的不同，分为白蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、组蛋白、鱼精蛋白和硬蛋白等七类。
（3）结合蛋白
结合蛋白是指由氨基酸和非蛋白部分所组成的蛋白质。被结合的其他化合物通常称为结合蛋白质的非蛋白部分（辅基）。结合蛋白按其非蛋白部分的不同分为核蛋白（含核酸）、糖蛋白（含多糖）、脂蛋白（含脂类）、磷蛋白（含磷酸）、金属蛋白（含金属）及色蛋白（含色素）等。
（4）蛋白质的结构
蛋白质的结构是指蛋白质分子的空间组成。其基本结构单元是氨基酸，有20种氨基酸（或18种氨基酸）。这些氨基酸以不同的连接顺序和酰胺键（肽键）连接成数目多达几百个氨基酸残基的多肽链，进而构成不同的蛋白质分子。
（5）蛋白质变性
蛋白质变性是指蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失的现象。
（6）蛋白质功能性质
蛋白质的功能性质是指除营养价值外的那些对食品需宜特性有利的蛋白质的物理化学性质，如蛋白质的胶凝、溶解、泡沫、乳化、黏度等。根据蛋白质所能发挥作用的特点，可以将其功能性质分为水合性质、结构性质和蛋白质的表面性质3大类。
（7）剪切稀释
剪切稀释，又称切变稀释，是指蛋白质溶液同其他大多数亲水性分子的溶液、悬浮液、乳浊液一样，其黏度系数会随其流速的增加而降低的现象。
（8）交联反应
蛋白质交联反应是指蛋白质分子上的游离氨基（一般为赖氨酸的ε-NH2）可以与醛类发生缩合反应，生成缩合产物Schiff碱的过程。
（9）Plastein反应
Plastein反应，即转蛋白反应，是指蛋白质分子水解为肽分子后在蛋白酶催化的催化下重新结合形成新的多肽链，甚至可以通过加入氨基酸的方式对原蛋白质中的某种氨基酸进行强化，改变蛋白质的营养特性的过程。最后形成与原来的蛋白质分子的氨基酸序列或组成不同的多肽分子，蛋白质的功能性质改变。
（10）传统蛋白
传统蛋白质是指动物蛋白质（如肉类、乳、蛋、水产品中的鱼类）和谷物蛋白质（在东方则还包括大豆蛋白质）。
2比较各类氨基酸的化学结构异同，总结氨基酸的氨基反应与应用。
答：（1）①各类氨基酸的化学结构的相同点
a．除脯氨酸外，所有的氨基酸分子都至少含有1个羧基、1个氨基和1个侧链R基团。由于氨基酸的氨基是在α-碳上，所以一般称为α-氨基酸，化学通式如下：
b．一般都以L-构型存在。
②各类氨基酸化学结构的不同点（表3-9）
表3-9 各类氨基酸化学结构的不同点
（2）氨基酸的氨基反应及应用
①与亚硝酸的反应
α-氨基酸的α-NH2能定量与亚硝酸作用，产生氮气和羟基酸。
ε-NH2与HNO2反应较慢，脯氨酸的α-亚氨基不与HNO2作用，精氨酸、组氨酸、色氨酸中被环结合的氮也不与HNO2作用。
②与醛类的反应
α-氨基与醛类化合物反应生成Schiff碱类化合物，Schiff碱是非酶褐变反应的中间产物。
③酰基化反应
α-氨基与苄氧基甲酰氯在弱碱性条件下反应，生成氨基衍生物，可用于肽的合成。
④烃基化反应
如α-氨基可以与二硝基氟苯反应生成稳定的黄色化合物，可用于氨基酸、蛋白质中末端氨基酸的分析。
3罗列蛋白质变性所产生的结果以及常用的变性手段，阐述相关的变性机制。
答：（1）蛋白质变性产生的结果
①分子内部疏水性基团的暴露，蛋白质在水中的溶解性能降低。
②某些生物蛋白质的生物活性丧失，如失去酶活性或免疫活性。
③蛋白质的肽键更多的暴露出来，易被蛋白酶催化水解。
④蛋白质结合水的能力发生改变。
⑤蛋白质分散体系的黏度发生改变。
⑥蛋白质的结晶能力丧失。
（2）常用的变性手段及其机制
①物理变性
a．加热
蛋白质在某一温度时，会产生状态的剧烈变化，这个温度就是蛋白质的变性温度。蛋白质经过热变性后，表现出了相当程度的伸展变形。
b．冷冻
第一，由于蛋白质的水合环境变化，破坏了维持蛋白质结构的作用力平衡，并且因为一些基团的水化层被破坏，基团之间的相互作用引起蛋白质的聚集或亚基重排。
第二，由于体系结冰后的盐效应而导致蛋白质的变性。
第三，由于冷冻引起的浓缩效应，可能导致蛋白质分子内、分子间的二硫键交换反应增加，从而也导致蛋白质的变性。
c．机械处理
有些机械处理如揉捏、搅打等，由于剪切力的作用使蛋白质分子伸展，破坏了其中的α-螺旋结构，导致蛋白质变性。剪切的速度越大，蛋白质的变性程度越大。
d．静高压
静高压处理也能导致蛋白的变性。虽然天然蛋白质具有比较稳定的构象，但球形的蛋白质分子不是刚性球，分子内部还存在一些空穴，具有一定的柔性和可压缩性，在高压下蛋白质分子会发生变性。
e．电磁辐射
高能射线被芳香族氨基酸吸收后，将导致蛋白质构象改变，同时还会使氨基酸残基发生各种变化，如破坏共价键、分子离子化、分子游离基化等。所以辐射不仅可以使蛋白质发生变性，而且还可能因结构的改变而导致蛋白质的营养价值变化。
f．界面作用
在气液界面上的水分子的能量较本体水分子的能量高，这些界面上的水分子与蛋白质分子发生相互作用后，能导致蛋白质分子的能量增加，蛋白质分子中一些化学作用（键）被破坏，其结构发生少许伸展，最后水分子进入蛋白质分子的内部，进一步导致蛋白质分子的伸展，并使得蛋白质的疏水性残基、亲水性残基分别向极性不同的两相（空气和水）排列，最终导致蛋白质分子的变性。
②化学变性
a．酸、碱因素（pH值）
大多数蛋白质在特定的pH值范围内是稳定的，但若处于极端pH值条件下，因蛋白质分子内部可离解基团如氨基、羧基等的离解，将产生强烈的分子内静电相互作用，从而使蛋白质分子发生伸展、变性。
b．盐类
第一，碱土金属Ca2＋、Mg2＋可能是蛋白质中的组成部分，对蛋白质构象起着重要作用，所以Ca2＋、Mg2＋的除去会降低蛋白质分子对热、酶等的稳定性。
第二，对于一些重金属离子如Cu2＋、Fe2＋、Hg2＋、Pb2＋、Ag3＋等，由于易与蛋白质分子中的-SH形成稳定的化合物，或者是将二硫键转化为-SH，改变了稳定蛋白质分子结构的作用力，因而导致蛋白质的稳定性改变和蛋白质变性。此外，由于Hg2＋、Pb2＋等还能够与组氨酸、色氨酸残基等反应，它们也能导致蛋白质的变性。
c．有机溶剂
第一，有机溶剂降低了溶液的介电常数，使蛋白质分子内基团间的静电力增加。
第二，破坏、增加了蛋白质分子内的氢键，改变了稳定蛋白质构象原有的作用力情况。
第三，进入蛋白质的疏水性区域，破坏了蛋白质分子的疏水相互作用。
d．有机化合物
第一，高浓度的脲和胍盐（4～8mol/L）将使蛋白质分子中的氢键断裂，导致蛋白质的变性；
第二，表面活性剂如十二烷基磺酸钠（SDS）能在蛋白质的疏水区和亲水区间起着乳化介质的媒介作用，因此不仅破坏了疏水相互作用，还能促使蛋白分子伸展，是一种很强的变性剂。
e．还原剂
巯基乙醇、半胱氨酸、二硫苏糖醇等还原剂，由于具有—SH，能使蛋白质分子中存在的二硫键还原，从而改变蛋白质的原有构象，造成蛋白质的不可逆变性。
4比较蛋白质的热变性和非热变性的异同点，以及对食品品质的影响异同。从化学反应动力学原理解释UHT技术在液态食品中应用所产生的好处。
答：（1）蛋白质的热变性和非热变性的相同点
①都使蛋白质发生变性，导致蛋白质生物活性丧失。
②蛋白质变性后影响食品品质。
③在变性因素除去后，都可能发生复性。
（2）蛋白质的热变性和非热变性的不同点
①蛋白质的热变性是由升高温度导致的；而非热变性是由重金属离子、有机溶剂等导致的。
②蛋白质的热变性是物理变性，非热变性包括物理变性和化学变性。
（3）蛋白质的热变性和非热变性及对食品品质影响的比较
①相同点
蛋白质的热变性和非热变性对食品品质都有一定的有利影响。加热使蛋白质空间结构发生改变而变性，但并未破坏氨基酸，所以其营养并未太大的变化，如鸡蛋煮熟、豆浆凝固。非热变性如细菌、病毒加酸，加重金属（汞）因蛋白质变性而灭活（灭菌、消毒）。
②不同点
蛋白质的热变性和非热变性影响食品品质的作用原理不同。
（4）UHT技术在液态食品中应用的解释
超高温杀菌（UHT）技术是利用高温大大提升蛋白质的变性速度，短时间内破坏生物活性蛋白质或微生物中的酶，而由于其他营养素化学反应的速度变化相对较小，确保了其他营养素的较少损失。
5总结不同食品蛋白质的功能性质特点，以及它们在食品中的重要应用。
答：不同食品蛋白质的功能性质特点及其应用如下：
（1）水合性质
①特点
水合性质取决于蛋白质同水之间的相互作用，包括水的吸附与保留、湿润性、膨胀性、黏合、分散性和溶解性等。
②应用
a．蛋白质的持水力与其水结合能力有关，可影响到食品的嫩度、多汁性、柔软性，所以持水力对食品品质具有更重要的实际意义。
b．溶解度特性数据在确定天然蛋白质的提取、分离和纯化时是非常有用的，蛋白质变性的程度也可以通过蛋白质的溶解行为的变化作为评价指标。
c．蛋白质体系的黏度、稠度是流体食品如饮料、肉汤、汤汁等的主要功能性质，影响食品的品质、质地，对于蛋白质食品的输送、混合、加热和冷却等加工过程也有实际意义。
（2）结构性质
①特点
与蛋白质分子之间的相互作用有关，如沉淀、胶凝作用、组织化和面团的形成等。
②应用
a．蛋白质的胶凝作用除可以用来形成固体弹性凝胶、提高食品的吸水性、增稠、黏着脂肪外，对食品中成分的乳化-发泡稳定性还有帮助。
b．组织化可以使粉状蛋白质再加入食品后形成具咀嚼性能和良好持水性能的薄膜或纤维状产品，并且在以后的水合或加热处理中，蛋白质能保持良好的性能。经过组织化处理的蛋白质可以作为肉的代用品或替代物，在食品加工中使用范围广泛。
（3）蛋白质的表面性质
①特点
蛋白质的表面性质是涉及蛋白质在极性不同的两相之间所产生的作用，主要有蛋白质的起泡、乳化等方面的性质。
②应用
a．蛋白质在稳定常见的乳状液体系时起重要作用，它在分散的油滴和连续水相的界面上吸附，能使液滴产生抗凝集性的物理学、流变学性质，如静电斥力、黏度等。
b．泡沫通常是指气体在连续液相或半固相中分散所形成的分散体系，典型的泡沫食品例子就是冰淇淋、啤酒、搅打的奶油等。
6解释小麦粉形成面团时谷蛋白所发挥的作用。
答：小麦粉形成面团时谷蛋白所发挥的作用的解释是：
麦谷蛋白决定面团的弹性、黏合性以及强度，麦谷蛋白分子中含有大量的二硫键（链内与链间），所以在面团中它们紧密连接在一起，使其具有韧性。当面粉被揉捏时蛋白质分子伸展，二硫键形成，疏水相互作用增强，面筋蛋白转化形成了立体的、具有黏弹性的蛋白质网状结构，并截留了淀粉粒和其他的成分。
7总结蛋白质的表面性质，说明乳蛋白或肌肉蛋白在动物性食品中产生的功能作用。
答：（1）蛋白质的表面性质
①乳化性质
乳状液形成的分散系有油包水型（W/O）或水包油型（O/W）。影响乳化性的因素有：
a．加热。加热通常降低了吸附于界面上的蛋白质膜的黏度，因而会降低乳状液的稳定性，但是如果加热使蛋白质产生了胶凝作用，就能提高其黏度和硬度，提高乳状液的稳定性。
b．低分子表面活性剂。低分子表面活性剂的加入一般不利于蛋白质的乳化稳定性，原因是它们的加入，会与蛋白质竞争在界面的吸附，并使蛋白质吸附于界面的作用力减弱，降低蛋白膜的黏度，结果是降低了乳状液的稳定性。
②发泡性质
泡沫通常是指气体在连续液相或半固相中分散所形成的分散体系。
a．蛋白质在泡沫稳定中的作用
由于分散的两相之间同样存在界面张力，蛋白质的作用就是吸附在气-液界面，降低界面张力，同时对所形成的吸附膜产生必要的流变学特性和稳定作用，以增加膜的强度、增加膜的黏度和弹性以对抗外来不利作用等。
b．影响蛋白质发泡性质的蛋白质的内禀性质和环境因素
第一，蛋白质的内禀性质。一个具有良好发泡性质的蛋白质应是蛋白质分子能够快速的扩散到气-液界面，易于在界面吸附、展开和重排，并且通过分子间的作用形成黏弹性的吸附膜。
第二，盐类。盐类不仅可影响蛋白质的溶解、黏度、伸展和解聚，也能影响其发泡性质，例如NaCl虽然增加了膨胀量但却降低了泡沫的稳定性，而Ca2＋由于能同蛋白质的羧基形成盐桥作用而提高了泡沫的稳定性。
第三，糖类。糖类通常都是抑制蛋白质的泡沫膨胀，但是它们又可提高蛋白质溶液的黏度，所以可以提高泡沫的稳定性。
第四，脂类。蛋白溶液中污染低浓度脂类时，会严重损害蛋白质的发泡性能，特别是极性脂类可在空气-水界面吸附，干扰了蛋白质在界面的吸附，影响已经被吸附的蛋白质之间的相互作用，从而影响蛋白质的泡沫稳定性。
第五，蛋白质的浓度。蛋白质浓度在2%～8%的范围内，即可达到最大膨胀度，并且液相具有最好的黏度，膜具有适宜的厚度和稳定性；当蛋白质浓度超过10%时，溶液的黏度过大，影响到蛋白质的发泡能力，气泡变小，泡沫变硬。
第六，机械处理。为了形成泡沫需要适当的搅拌，使蛋白质伸展，才能产生较好的吸附。过度地搅拌会使蛋白质产生絮凝，降低了膨胀度和泡沫的稳定性，因为絮凝后的蛋白质不能适当地吸附在界面上。
第七，加热处理。加热一般不利于泡沫的形成，因为加热使气体膨胀、黏度降低，导致气泡破裂。
第八，pH值。在接近pI时，蛋白质所稳定的泡沫体系很稳定，这是由于蛋白之间的排斥力很小，有利于蛋白质和蛋白质之间的相互作用和蛋白质在膜上的吸附，可形成黏稠的吸附膜，从而提高蛋白质的发泡力和泡沫稳定性。在pI之外蛋白质的发泡能力通常较好，但是其稳定性一般不好。
（2）乳蛋白在食品中的作用
①酪蛋白是食品加工中的重要配料。酪蛋白钠盐在pH＞6时的稳定性好，在水中有很好的溶解性及热稳定性，是一种好的乳化剂、保水剂、增稠剂、搅打发泡剂和胶凝剂。
②来自乳清的乳清蛋白浓缩物或乳清蛋白分离物也是很好的功能性食品配料，特别是在模拟人类母乳构成的婴幼儿食品中有广泛的应用。
8总结在碱性条件下蛋白质所发生的不良反应。
答：碱性条件下蛋白质所发生的不良反应有：
（1）处于极端pH值条件下，因蛋白质分子内部可离解基团如氨基、羧基等的离解，将产生强烈的分子内静电相互作用，从而使蛋白质分子发生伸展、变性。酪氨酸、半胱氨酸在强碱性条件下也可离解。
（2）发泡稳定性差。
（3）在较高的温度下碱处理蛋白质时，丝氨酸残基、半胱氨酸残基会发生脱磷、脱硫反应生成脱氢丙氨酸残基。而脱氢丙氨酸残基非常活泼，可与食品蛋白质中的赖氨酸残基、半胱氨酸残基发生加成反应，生成了人体不能消化吸收的赖氨酸丙氨酸残基（LAL）和羊毛硫氨酸残基。
（4）在温度超过200℃时的碱处理，会导致蛋白质氨基酸残基的发生异构化反应，天然氨基酸的L-型结构将有部分转化为D-型结构，从而使得氨基酸的营养价值降低。
9总结在加热处理时蛋白质或氨基酸残基可能发生的不良变化。
答：在加热处理时蛋白质或氨基酸残基可能发生的不良变化有：
（1）在高温度进行杀菌，则蛋白质发生凝集，酪蛋白发生脱磷酸作用，乳清蛋白发生热变性，从而对牛乳的品质产生严重的影响。
（2）对蛋白质品质产生不利影响的热处理一般是过度的热处理，因为强热处理蛋白质时会发生氨基酸的脱氨、脱硫、脱二氧化碳反应，使氨基酸被破坏，从而降低了蛋白质的营养价值。当食品中含有还原糖时，赖氨酸残基可与它们发生美拉德反应，形成了在消化道中不被酶水解的Schiff碱，从而降低蛋白质的营养价值。
（3）强热处理还会导致赖氨酸残基与谷酰胺残基之间的反应，蛋白质发生交联反应。而在高温下长时间处理，蛋白质分子中的肽键在无还原剂存在时可发生转化，生成了蛋白酶无法水解的化学键，因而降低了蛋白质的生物可利用率。
（4）强热处理还会导致赖氨酸残基与谷酰胺残基之间的反应，蛋白质发生交联反应。
（5）在进行肉类杀菌时，肌浆蛋白和肌纤维蛋白0℃发生凝集，同时肌纤维蛋白中的巯基氧化生成二硫键，90℃时则会释放出H2S，同时蛋白质会和还原糖发生美拉德反应，使某些必需氨基酸失去其营养价值。
10总结蛋白质的改性技术，说明不同酶催化产生交联反应时的作用特点。
答：（1）蛋白质改性技术
①化学改性
化学改性是在蛋白质分子上导入基团的反应，主要包括水解反应、烷基化反应、酰化反应及磷酸化反应。
②酶法改性
酶法改性一般不使氨基酸的化学结构产生改变，较为重要的是蛋白质的酶水解反应、转蛋白反应和交联反应。
（2）不同酶催化产生交联反应时的作用特点
①蛋白质的限制性酶水解
a．利用蛋白酶对蛋白质进行水解处理时，深度水解产生的是小分子肽类以及游离氨基酸，导致蛋白质功能性质的大部分损失，只保留其高度溶解性和溶解度对pH值不敏感两个特点。
b．利用特异性蛋白酶或控制水解条件的方法对蛋白质的限制性水解，可以改善蛋白质的乳化、发泡性质，但仍然会破坏蛋白质的胶凝性质，并且由于分子内部疏水区的破坏、疏水基团的暴露，其溶解性有时降低。
②转蛋白反应
a．最后形成的多肽分子与原来的蛋白质分子的氨基酸序列或组成不同，所以蛋白质的功能性质改变。
b．转蛋白反应可以通过在高蛋白质浓度下进行蛋白酶催化处理，直接进行两步反应。
③蛋白质的酶促交联
a．转酰基反应
转谷氨酰胺酶通过催化转酰基反应，在赖氨酸残基和谷氨酰胺残基间形成新的共价键，由此改变了蛋白质分子的大小，从而改变了蛋白质的流变学性质。
b．交联反应
蛋白质的交联反应实际上涉及到酚类物质的氧化、蛋白质残基的加成反应，参与加成反应的氨基酸残基包括含有-SH、-NH2等基团的氨基酸残基。
蛋白质本身存在的酪氨酸，由于可以作为一个酚类物质发生氧化生成醌类化合物，所以也可以直接使蛋白质发生交联反应。
通过对蛋白质的交联处理，一般可以达到保护赖氨酸，可使其不能发生各种不利的反应，避免形成热致凝胶，提高所形成的蛋白膜的抗水、抗热、抗氧化诸多能力。
11查阅一篇英文文献，涉及内容为单细胞蛋白的提取、分离或乳蛋白中活性蛋白质的提取技术。
答：本题为开放题，自己查找有关文献即可。例如：
Esabi Basaran Kurbanoglu, Omer Faruk Algur. Single-cell protein production from ram horn hydrolysate by bacteria.[J]. Bioresource Technology, 2002, 85(2):125-129.