食品加工过程中热处理对蛋白质结构与功能特性的影响研究

引言

蛋白质是食品中的主要营养成分之一，同时也是决定食品质构、乳化性、起泡性和稳定性的关键物质。在食品加工过程中，热处理是一种广泛应用的技术手段，旨在实现杀菌、改善质构、提高可消化性等目的。然而，热处理不仅改变蛋白质的理化性质，还可能对其结构与功能特性产生深远影响。合理掌控热处理条件，有助于在确保食品安全的同时，最大程度保留或增强蛋白质的功能性。本文围绕热处理对蛋白质的结构与功能的影响进行探讨，为食品工业的蛋白质加工与改性技术提供参考。

1 食品加工中的热处理技术应用广泛

热处理主要包括巴氏杀菌、蒸煮、烘焙、炸制、超高温灭菌（UHT）等形式，广泛用于乳制品、肉类、水产品、豆制品及预制食品中。其主要目的是破坏食品中致病菌及酶的活性，延长保质期，同时改善风味和口感。在实际应用中，热处理对食品蛋白质的作用具有双重性：一方面可提高蛋白质的消化率和风味表现，另一方面也可能引发结构变性、功能失活、营养流失等不利影响。因此，研究其对蛋白质的作用机理，成为现代食品科学中的研究热点。

2 蛋白质的结构与功能特性概述

2.1 蛋白质的结构层次

蛋白质的结构由四个层级组成：一级结构是氨基酸的线性排列；二级结构包括α-螺旋与β-折叠，由氢键稳定；三级结构指整体空间构型，受疏水作用、范德华力、二硫键等调控；四级结构是多肽链聚集后的三维构造。热处理主要影响二级及以上结构，导致蛋白质功能性发生变化。

2.2 食品中常见蛋白质类型

2.3 蛋白质的主要功能特性

蛋白质在食品中的功能性包括以下，这些功能性通常与蛋白质的结构完整性和表面性质直接相关。

① 溶解性：影响其在液体食品中的分散性；

② 乳化性：决定其稳定乳状液的能力；

③ 起泡性：影响焙烤产品和冰淇淋等气泡结构④ 凝胶性：决定食品的质构与保形性；

⑤ 保水性/ 吸油性：与食品的口感与储藏稳定性密切相关。

3 热处理方式与参数分类

3.1 热处理方法

热处理方法是食品加工中常见的物理处理手段，主要通过加热改变食品中蛋白质、脂类、碳水化合物等成分的结构与功能。常见的热处理方法包括湿热处理（如蒸煮、巴氏杀菌）、干热处理（如烘焙、油炸）、高温短时处理（HTST）和超高温处理（UHT）等。湿热处理适用于液态食品，加热均匀且温和；干热处理则常用于面点、肉制品的风味和质构改良。高温短时和超高温处理主要用于灭菌，广泛应用于乳制品和饮料。不同方法在热量传递效率、对蛋白质结构破坏程度以及功能影响方面存在差异，需根据食品类型和加工目标合理选择。

3.2 关键参数

热处理中的关键参数主要包括温度、时间和加热速率。温度决定了蛋白质变性与结构破坏的程度，高温往往导致更深层次的结构变化；加热时间影响蛋白质在热作用下的反应深度，过长可能引起功能特性严重丧失；加热速率则影响变性过程的平衡与稳定性，缓慢加热有利于形成较为均匀的结构改变。这些参数相互影响，共同决定蛋白质的最终结构状态和功能保持程度，需精准控制以实现加工目标。

3.3 热处理的目的与控制难点

热处理在食品加工中的主要目的是杀灭有害微生物、延长保质期、改善口感与风味，同时改变或优化蛋白质的结构与功能特性，如提高消化率、增强乳化性和起泡性等。然而，在实际操作中，热处理存在诸多控制难点。首先，不同类型的蛋白质对温度敏感程度不同，容易发生不可逆的变性和功能丧失。其次，加热不均或时间控制不当，可能导致营养物质破坏或质构异常。此外，高温处理还可能引发美拉德反应或蛋白质交联，进一步影响产品质量。因此，热处理过程需要在食品安全与品质之间寻求平衡，通过精准调控温度、时间和处理方式，实现对蛋白质结构的可控改性。

4 热处理对蛋白质结构的影响

4.1 分子结构变化机制

蛋白质在热处理过程中会发生一系列分子结构变化，主要机制包括构象改变、键断裂与重组。受热后，蛋白质分子内的非共价键（如氢键、疏水作用和范德华力）首先被破坏，导致其天然结构（尤其是二级与三级结构）松解，表现为变性现象。变性过程中，疏水基团暴露，蛋白质链展开，易发生聚集或交联。此外，高温还可能引发二硫键的断裂与重组，改变蛋白质的稳定性和功能区的空间构型。这些分子级的变化不仅影响蛋白质的溶解性、乳化性、起泡性等功能特性，还可能形成新的蛋白复合结构，改变其在食品体系中的行为。因此，理解热诱导的分子结构变化机制，是优化热处理工艺与控制食品品质的基础。

4.2 不同蛋白类型结构变化对比

不同类型的蛋白质在热处理中的结构响应存在明显差异。动物源蛋白（如肌肉蛋白、乳清蛋白）通常具有较为复杂的三级结构，在加热过程中易发生变性与凝聚，例如乳清蛋白在 70% 以上即出现聚集现象，影响其乳化与起泡能力；而肌肉蛋白受热后则表现为凝固与质构增强。植物源蛋白（如大豆蛋白、豌豆蛋白）则含有较多二硫键和抗热结构，变性温度较高，但在加热过程中易形成不可逆聚集，导致溶解性下降。此外，球状蛋白质如卵白蛋白受热后变性明显，而纤维状蛋白如胶原蛋白则需更高温度才能发生结构破坏。总体而言，不同蛋白质在热处理中的结构变化受其氨基酸组成、结构层级及分子间作用力等因素影响，需根据其热稳定性差异制定合理加工参数。

4.3 热处理导致的结构功能失活与再构建

在一定条件下，蛋白质结构失活不可避免，如溶解性降低、乳化稳定性下降；但热处理也可通过诱导分子重构形成新功能结构，例如热凝胶的形成、疏水作用增强导致吸油能力提高、蛋白质颗粒形成提高乳化稳定性等。因此，热处理既是风险点，也是优化蛋白功能的重要工具。

结语

热处理作为食品加工中的核心环节，其对蛋白质结构与功能特性的影响贯穿整个食品开发过程。从结构层次变化到功能性提升或削弱，蛋白质在热处理过程中表现出复杂的动力学行为。深入理解不同蛋白质在不同热处理条件下的结构响应规律，有助于食品工业实现蛋白功能的定向调控与改性。未来可进一步结合新兴技术（如高压处理、脉冲电场、微波）与传统热处理协同使用，在保障食品安全的前提下，提升蛋白质的营养与功能价值。

参考文献：

[1] 薛逸秋 . 减少食品加工过程中营养素损失的策略 [J]. 食品安全导刊，2024，（22）：104-106.

[2] 朱建飞 ; 王琳琳 . 食品加工与保藏原理 [M]. 化学工业出版社：202309.286.