高压处理对生物大分子的影响研究进展

摘要：综述了高压处理对生物大分子的影响，并对高压在食品领域的应用前景和发展方向进行了一定的展望。
高压处理 （Ultra—high pressure treatmen）t 技术，又被称为高静压处理技术，一般是指将密封于柔性容器内的食品置于以水或其他液体作为传压介质的压力体系中，采用 100 MPa 以上的压力处理食品，以达到杀菌、灭酶、保鲜和改善食品的功能特性等作用。由于高压处理通常在室温或较低的温度下进行，因而与传统的食品热处理工艺相比，具有减少食品营养成分流失和保持食品色、香、味特性等特点。因此高压处理技术被认为是食品加工和保鲜新技术中最有潜力的一种。
1899 年，Bert Hite 设计和制造了第一台高压食品设备，用于鲜奶的巴氏灭菌和其他食品的保鲜，证明了牛奶、果蔬等食品中的微生物对压力敏感，并说明高压处理能延长食品的货架期。
高压食品真正被人们所关注仅仅只有二十多年，凭借其优越的技术特性、良好的经济和社会效益，是在灭菌、保鲜、节能、环保等方面的优势，得到了人们广泛的关注，并在实际生产中得到了迅速发展。1991 年 4 月，第一种高压食品 （果酱） 在日本面市，引起轰动，并被誉为“21 世纪食品”。许多西方国家也紧随其后，对高压食品的加工原理、工艺及应用前景开展了广泛的研究，取得了不少成果。
食品中重要的生物大分子包括蛋白质 （酶）、脂类、多糖等，这些生物大分子的功能和性质是使食品具有良好质构和功能特性的重要内在因素。高压处理会影响生物大分子的结构，改变分子间和分子内的非共价作用力，从而使其功能特性发生改变。因此，高压处理对生物大分子影响的研究具有重要意义，目前该领域也是高压处理技术研究的前沿。

1 高压处理对蛋白质的影响
由于高压对生物大分子作用，使物质体积发生变化，组分结构发生改变，从而使分子间的连接方式随之发生改变，导致键的破坏和重组，使生物大分子宏观特性发生变化。该处理的结果影响了蛋白质的溶解性、凝胶性及乳化特性等。
1.1 高压处理对蛋白质溶解度的影响
蛋白质的溶解性是蛋白质水化作用的重要体现，蛋白质和水分子的相互作用是通过肽键的偶或氢键的相互作用，或者氨基酸侧链离子化、性及非性基团的相互作用体现出的。通过高压处理，蛋白质四级结构发生解聚成为亚基单元，使性基团暴露增多，水化作用增强，从而使溶解性得到提高。
研究发现，大豆分离蛋白的溶解度随压力的增大而增大，在 0 MPa～100 MPa 时的溶解度变化较大。这是由于在 0 MPa～100 MPa 的高压质作用下，大量球状的大豆分离蛋白发生解聚成为颗粒更小的亚基单位，使球状蛋白质内部的性基团暴露出来，这样蛋白质分子表面电荷分布加强，围绕着新暴露的性基团的结合水增多，蛋白质的水化作用增强，溶解性也得到改善。进一步研究发现，在压力 300 MPa 下，大豆分离蛋白溶解度随高压处理时间延长而明显增加，但当处理压力大于 400 MPa 时，大豆分离蛋白质质量分数大于 5%，其溶解度就会降低，这是因解聚蛋白质重新聚合造成的。
1.2 高压处理对蛋白质溶液黏度和乳化特性的影响
由于高压处理，更多的疏水键暴露出来，使蛋白质溶液的黏度随之增加。同时，蛋白质的疏水键的暴露，可以使蛋白质溶液的乳化活性和乳化稳定性相应提高，高压处理后蛋白溶液的乳化特性的变化与高压处理后蛋白质分子的表面疏水性和巯基含量的变化密切相关。研究发现，豆奶中蛋白质的黏度随压力的增高而增高，在 500 MPa，处理10 min，黏度达到 0.14 Pa·s，溶液出现凝胶状态。
这种变化趋势与蛋白质在热处理下的变化趋势相吻合。随着处理压力的提高，蛋白质暴露出的疏水键随之增加，蛋白质溶液的乳化特性和乳化稳定性也随之提高。
1.3 高压处理对蛋白质凝胶的影响
高压能破坏蛋白质胶体溶液，使蛋白质凝集形成凝胶。在高压下，蛋白质分子中的二硫键部分断裂，巯基含量增加，从而改善了蛋白质的凝胶特性。早在 1914 年，Bridgman 就观察了高压下(700 MPa，30 min)鸡蛋蛋白的凝胶现象。研究发现，高压处理鸡蛋可使蛋白质变性凝聚，比加热凝胶柔软且更富弹性，消化率比加热处理高。有学者使用高压处理牛肉蛋白，发现高压处理可以提高肌肉蛋白的凝胶性。此外高压处理可使豆浆和大豆分离蛋白溶液凝胶性能有所改善，所形成的凝胶持水性高，质地细腻。
1.4 高压处理对蛋白质结构的影响
蛋白质分子一般具有四级结构。一级结构是由肽链中氨基酸的排列顺序决定的，该结构主要决定了蛋白质的营养成分，至今还没有有关高压对蛋白质一级结构影响的报道，说明高压处理不破坏食品的营养成分。二级结构是多肽链借助氢键排列成特有的 α 螺旋和 β 折叠股片段，高压对这一级结构会产生影响，在很高的压力下，二级结构发生变化，导致不可逆的变性，研究显示这种变化也与升压的速率和二级结构重新排列的程度有关。维持蛋白质三级结构的作用力主要是范德华力、氢键、静电作用力和疏水力，在 200 MPa 以上的压力作用下，可以观察到三级结构的显著变化，但一些小分子蛋白质，如核糖核酸酶 A 在较高压力下 （400 MPa～800 MPa），根据可逆性解链显示，变性过程中体积和可压缩性变化并不完全是疏水作用变化的结果，变性是一个复杂的过程，是从中间形式到多样性的过程。四级结构主要是靠对压力十分敏感的疏水作用力稳定的，在低于150 MPa 的压力下就能使低聚蛋白质解离，同时伴随着体积的减小，通过聚丙烯酰胺凝胶电泳分析可以看出压力过 150 MPa，出现小分子量的亚基，四级结构被破坏。
1.5 高压处理对酶的影响
大部分酶的化学本质是蛋白质，其生物活性产生于活性中心，活性中心是由蛋白质分子的三级结构产生的。破坏蛋白质的三级结构，可以使酶活性中心的氨基酸组成发生改变或丧失活性中心，从而改变其催化活性。在食品加工过程中，由于食品自身的酶作用会产生变色、变味甚至变质，使食品品质受到很大影响。通过高压处理可将这些酶灭活，同时可以激活对食品品质有益的酶，从而提高食品品质。研究发现，在 500 MPa、60 ℃或 750 MPa、50 ℃时可使鲜榨梨汁中多酚氧化酶失去 60%以上活性。在 600 MPa 时处理 10 min，可有效抑制多酚氧化酶活性，防止褐变，且经保藏 9 d 后，仍然具有较好的理化指标。在 400 MPa～600 MPa 压力下处理番茄切片，可使其果胶甲基酯酶活性上升。

2 高压处理对淀粉的影响
淀粉作为一种来源广泛、价格低廉的食品，长久以来都是人类主要的主食之一。随着经济的发展和粮食生产的不断发展，对淀粉的应用研究也越来越广泛。近年来人们应用高压技术对淀粉的结构与性质的研究越来越多。
2.1 高压处理对淀粉结晶结构的影响
淀粉颗粒大多是由直链淀粉和支链淀粉按一定顺序聚合而成，是一种天然的多晶体系，在淀
粉的颗粒结构中包括着结晶区和无定型区两大部分。一般认为，直链淀粉在天然淀粉颗粒中是以无规则线团的形式存在的，主要形成无定型区域，其中的部分链段也可能参与到结晶区域中。淀粉颗粒的结晶区域则主要由支链淀粉形成。由于淀粉具有结晶性结构，因此呈现一定的 X—射线衍射图样。按照各种淀粉的 X—射线衍射图形可将他们分成 A—型、B—型、C—型 3 种不同的形态。通常情况下，研究淀粉结晶结构所采用的主要方法有偏光显微镜法、X—射线衍射法、差示扫描量热分析法、红外光谱分析法等，其中最常用的是偏光显微镜法和 X—射线衍射法。研究显示压力 100 MPa 以下时玉米淀粉的 X—衍射图像没有发生改变，当压力增加到 140 MPa 时玉米淀粉的 X—衍射图像发生明显变化，说明其结晶机构被破坏。
2.2 高压处理对淀粉偏光特性的影响
由于淀粉颗粒内部存在着两种不同的结构，即结晶结构和无定型结构的缘故，在结晶区淀粉分子链是有序排列的，而在无定型区淀粉分子链是无序排列的，这两种结构在密度和折射率上存在差别，即产生各向异性现象，从而在偏振光通过淀粉颗粒时形成了偏光十字，同时淀粉偏光十字的变化在一定程度上也反映了淀粉颗粒结晶结构的变化。如果淀粉分子链有序排列的结晶结构受到破坏，偏光十字就会消失。研究发现，450 MPa 压力下，使用偏光显微镜观察，大部分小麦淀粉分子颗粒失去了其原有的偏光十字。在 200 MPa～450 MPa压力范围内，随着处理压力的增加，A—型和 C—型淀粉的部分颗粒失去偏光十字，且压力越高失去越多，同时有少量 B—型结晶结构出现，随着处理压力的增加，B—型淀粉的偏光十字仍然很明显，表明压力在这一范围内对 B—型淀粉的结晶结构无明显影响。
2.3 高压处理对淀粉糊化特性的影响
淀粉的应用，无论是食品的增稠、纺织品的上浆、纸的施胶，以及淀粉的其他应用，都是将淀粉在水中加热使之糊化。通过高压处理可以降低糊化温度、缩短时间、节约能源等。研究显示，质量分数 5%小麦淀粉悬浮液中于常温下处理，当压力为 500 MPa 时，小麦淀粉被完全糊化。
大米淀粉在压力 500 MPa 下，也被糊化，且糊化时间比加热糊化短。与太白葛根原样淀粉的峰值黏度相比可知，经 300 MPa 处理的太白葛根淀粉糊化温度、最终黏度略有提高，而峰值黏度、破损值明显下降，增加压力到 500 MPa，太白葛根淀粉糊化温度、最终黏度、峰值黏度略有下降、破损值明显提高。这可能与高压处理对太白葛根淀粉链状结构影响程度不同有关。

3 高压技术存在的问题
通过对高压处理蛋白质和淀粉影响的研究，可以了解这些生物大分子在高压下的变化规律，从而为研究生物大分子的结构和拓展其应用打下坚实的理论基础。但高压技术也存在自身的缺点和问题，在今后高压处理对生物大分子的研究，应注意以下几方面的问题：
a） 高压食品技术用到的设备存在投资成本高、设备密封和强度要求高、设备耗材寿命短等问题，因此大部分研究仅停留在理论实验阶段，距离工业化生产还有较大的差距，这也是今后研究的重点内容之一。
b） 对蛋白质和淀粉变化机理的研究虽然有相关报道，但对其他大分子，如油脂、纤维素等的研究还是空白，且对蛋白质和淀粉的研究也只限于理论机理方面。今后应该拓宽研究范围，加强对油脂、纤维素的研究，同时对蛋白质和淀粉进行更深入的研究。
c） 目前高压对于生物大分子影响的研究也只是停留在理论阶段，下一步研究重点应该是高压对生物大分子的影响作用，确定经高压处理后食品组分及各组分间相互作用的规律，为工业化生产提供必要的参数。

来源：惠合浓缩器