食 物 中 的 主 要 成 分 --- 蛋 白 質 Proteins in Food: An Introduction 102 學 年 第 1 學 期
蛋 白 質 的 四 級 構 造 胺 基 酸 一 級 構 造 二 級 構 造 三 級 構 造 四 級 構 造
表 2-12 蛋 白 質 之 四 級 結 構 結 構 分 類 主 要 鍵 結 方 式 一 級 結 構 (Primary structure) 二 級 結 構 (Secondary structure) 三 級 結 構 (Tertiary structure) 四 級 結 構 (Quaternary structure) 胜 肽 鍵 (peptide bond) 主 要 氫 鍵 雙 硫 鍵 次 要 : 離 子 鍵 疏 水 基 作 用 極 性 官 能 基 之 偶 極 作 用 主 要 鍵 結 是 由 proline 氫 鍵 及 疏 水 基 之 作 用 次 要 鍵 結 是 由 離 子 鍵 極 性 官 能 基 偶 極 作 用 主 要 鍵 結 是 由 疏 水 作 用 力 及 氫 鍵 作 用 次 要 鍵 結 是 由 離 子 鍵 及 極 性 官 能 基 偶 極 作 用 胺 基 酸 之 數 量, 種 類 及 其 排 列 順 序 (1) a- 螺 旋 (a-helix): 為 自 然 界 中 最 規 則 安 定 的 結 構 之 一 每 轉 (0.54nm) 含 有 3.6 個 胺 基 酸, 支 鏈 則 位 於 螺 旋 外, 右 向 旋 轉 的 安 定 性 高 於 左 向 旋 轉 ; 酵 素 及 呼 吸 系 統 的 蛋 白 質 以 此 為 主 a-helix 結 構 的 力 量 主 要 為 氫 鍵 (2) 摺 板 構 形 (-pleated sheet): 自 然 界 少 見, 存 在 於 絲 及 昆 蟲 毛 中 穩 定 此 種 結 構 的 力 量 為 胜 鍵 所 形 成 的 氫 鍵 (3) 膠 原 蛋 白 (Collagen): 介 於 二 級 及 三 級 結 構 之 間, 由 25~ 30% 甘 胺 酸 12% 脯 胺 酸 10% 的 羥 脯 胺 酸 所 組 成, 故 無 法 形 成 穩 定 的 a- 螺 旋, 而 成 穩 定 的 三 股 螺 旋 結 構 為 高 等 動 物 肌 腱 的 主 要 成 分 大 分 子 蛋 白 質 以 規 則 的 次 級 結 構 為 單 位 折 疊 而 成 立 體 結 構 稱 之 親 水 基 向 外, 疏 水 基 在 內 二 條 以 上 的 多 胜 鏈 相 互 作 用 生 成 的 天 然 蛋 白 質 分 子 四 級 結 構 穩 定 的 力 量 與 三 級 結 構 相 同
L-Form Amino Acid 酸 基 COO - 胺 基 + H N 3 a H R group H = Glycine CH 3 = Alanine
補 Tab 2-6
胺 基 酸 的 生 理 活 性 哪 些 天 然 食 物 含 有 Glutamine( 麩 醯 胺 )? 存 在 所 有 蛋 白 質 食 物 中, 例 如 : 海 產 乳 酪 牛 奶 黃 豆 發 酵 製 品 禽 肉 畜 肉
Glutamine( 麩 醯 胺 ) 在 臨 床 上 的 主 要 功 能 : 1. 促 進 體 內 蛋 白 質 合 成 2. 促 進 肝 臟 抗 氧 化 解 毒 物 質 的 合 成 3. 小 腸 細 胞 能 量 來 源, 防 止 腸 絨 毛, 維 持 腸 道 完 整 性 4. 維 持 腸 黏 膜 障 礙, 減 少 細 菌 遷 移 與 沾 黏 至 小 腸 細 胞 5. 活 化 淋 巴 組 織, 提 高 B 與 T 淋 巴 球 的 活 性 6. 減 少 骨 骼 肌 內 Glutamine( 麩 醯 胺 酸 ) 的 流 失 7. 可 幫 助 纖 維 母 細 胞 之 能 量 與 核 酸 合 成, 加 速 傷 口 癒 合
胺 基 酸 的 生 理 活 性
胺 基 酸 的 生 理 活 性 血 清 素 在 中 樞 神 經 系 統 中 為 必 需 的 神 經 傳 遞 物 質 (neurotransmitter), 參 與 控 制 著 許 多 行 為, 如 睡 眠 覺 醒 週 期 食 慾 激 素 分 泌 攻 擊 性 體 溫 情 緒 認 知 功 能 以 及 動 作 調 控 疼 痛 壓 力 反 應 及 免 疫 等 功 能 的 調 節 有 關, 其 中 最 主 要 的 功 能 為 控 制 情 緒 認 知 的 反 應
睡 前 一 杯 熱 牛 奶
運 動 員 --- 營 養 增 補 劑 BCAA 在 長 時 間 耐 力 運 動 訓 練 上 的 應 用, 主 要 的 功 效 在 於 增 進 耐 力 運 動 表 現 以 及 提 高 個 人 的 免 疫 力 目 前 對 於 BCAA 增 進 耐 力 運 動 表 現 的 研 究, 仍 具 有 許 多 爭 議
胺 基 酸 與 呈 味
胜 肽 peptide 胜 肽 也 有 許 多 生 理 活 性
蛋 白 質 的 功 能 Functional Roles of Proteins in Foods 蛋 白 質 在 人 體 中 的 功 能 包 括 : 構 成 人 體 體 質, 以 及 作 為 抗 體 酵 素 等 機 能 性 功 能 蛋 白 質 在 食 品 的 功 能 性 質 主 要 以 質 地 性 (texture) 的 官 能 品 質 為 主 (as thickening, binding, or gelling agents and as emulsifiers or foaming agents) 由 於 具 有 一 至 四 級 複 雜 的 多 層 次 結 構, 蛋 白 質 在 加 工 過 程 容 易 發 生 變 性 現 象 (denaturation), 而 使 食 品 在 質 地 與 口 感 上 具 有 多 樣 性 的 變 化
不 同 食 品 中 所 需 的 蛋 白 質 功 能 性 質 食 品 肉 品 填 充 料 肉 製 品 乳 製 品 食 品 塗 料 蛋 代 用 品 蛋 白 糰 生 成 烘 焙 食 品 湯 醬 飲 料 糖 果 蜜 餞 功 能 性 水 和 脂 質 的 吸 附 與 保 留 不 溶 性 硬 度 咀 嚼 性 凝 聚 性 熱 變 性 乳 化 性 凝 膠 性 凝 聚 性 水 和 脂 質 的 吸 附 與 保 留 乳 化 性 脂 質 保 留 性 黏 度 起 泡 性 凝 膠 性 凝 固 性 凝 聚 性 附 著 性 起 泡 性 凝 膠 性 黏 度 彈 力 性 質 凝 聚 性 熱 變 性 凝 膠 性 附 水 性 乳 化 性 起 泡 性 褐 變 性 黏 度 乳 化 性 保 水 力 在 不 同 的 ph 值 下 均 可 溶 對 熱 安 定 黏 度 分 散 性 乳 化 性
蛋 白 質 分 類 單 純 蛋 白 質 (simple protein) 複 合 蛋 白 質 (conjugated protein) 衍 生 蛋 白 質 (derived protein)
單 純 蛋 白 質 (simple protein)
複 合 蛋 白 質 (conjugated protein)
衍 生 蛋 白 質 (derived protein)
蛋 白 質 分 類 2. 依 照 蛋 白 質 的 營 養 價 值 分 類 : (1) 完 全 蛋 白 質 (2) 不 完 全 蛋 白 質
提 供 蛋 白 質 的 食 物 肉 和 肉 製 品 蛋 及 蛋 製 品 乳 和 乳 製 品 豆 類
蛋 白 質 的 反 應 與 特 性 Reactions and Properties of Proteins Amphoteric Isoelectric Point Water-Binding Capacity Salting-In and Salting-Out Denaturation Hydrolysis of Peptides and Proteins Maillard Browning
蛋 白 質 的 反 應 與 特 性 Reactions and Properties of Proteins Proteins are amphoteric (being able to act as an acid or a base) depending on the ph. The isoelectric point of a protein is the ph at which the protein is electrically neutral (it is denoted by pi). At this ph, the global or overall charge on the protein is zero. At the isoelectric point, the protein molecules usually precipitate because they do not carry a net charge. Depending on the nature of their side chains, proteins may bind varying amounts of water they have a water-binding capacity.
蛋 白 質 的 反 應 與 特 性 Reactions and Properties of Proteins Some proteins cannot be dispersed in pure water but are readily dispersed in dilute salt solutions. When a salt solution increases the dispersibility of a protein, this is termed salting-in. Salting-out occurs at high salt concentrations, when salts compete with the protein for water. Denaturation is the change in the secondary, tertiary, and or quaternary structure of a protein. There is no change in the primary structure. In other words, denaturation does not involve breaking of peptide bonds.
Denaturation may occur as a result of the following: Heat ph change Ionic strength change (changes in salt concentration) Freezing Surface changes (occuring while beating egg whites)
二 蛋 白 質 的 變 性 天 然 的 蛋 白 質 都 有 其 固 定 的 構 造 與 形 狀, 當 在 某 些 處 理 之 後, 會 產 生 一 些 物 理 或 化 學 變 化, 稱 之 為 變 性 (denaturation) 主 要 是 二 三 四 級 之 立 體 結 構 的 改 變, 而 一 級 結 構 的 胜 肽 鍵 之 斷 裂 或 改 變 則 不 屬 於 變 性 造 成 蛋 白 質 變 性 的 原 因 有 物 理 性 : 加 熱 冷 凍 高 速 攪 拌 高 壓 輻 射 照 射 化 學 性 : 酸 鹼 重 金 屬 離 子 有 機 溶 劑 尿 素 界 面 活 性 劑 蛋 白 質 變 性 的 結 果 可 能 是 黏 度 增 加 溶 解 度 降 低 胜 肽 鏈 更 容 易 水 解 生 理 活 性 降 低 凝 結 或 沈 澱
冷 凍 的 影 響
加 熱 的 影 響 http://www.sumanasinc.com/webcontent/ani mations/content/proteinstructure.html
Denaturation may be desirable and can be deliberately brought about by food processing. Examples of desirable denaturation heating beaten egg white foams to form meringues adding acid to milk to form cottage cheese inactivating enzymes by heat, as occurs when vegetables are blanched before freezing. Blanching is a mild heat treatment that denatures and inactivates enzymes that would cause rancidity or discoloration during frozen storage.
Sometimes denaturation is undesirable. For example frozen egg yolks are lumpy and unacceptable when thawed because the lipoproteins denature and aggregate. Overheating of foods also can cause unwanted denaturation. Food processors must be careful to utilize processing methods that do not cause unnecessary deterioration of food quality due to protein denaturation.
蛋 白 質 的 反 應 與 特 性 Reactions and Properties of Proteins Hydrolysis of Peptides and Proteins Hydrolysis of proteins involves breaking peptide bonds to form smaller peptide chains. Hydrolysis also is catalyzed by proteolytic enzymes such as papain and rennet.
蛋 白 質 的 反 應 與 特 性 Reactions and Properties of Proteins Maillard browning is the reaction that is responsible for the brown color of baked products. nonenzymatic browning The reaction causes loss of the amino acids lysine, arginine, tryptophan, and histidine, as these are the amino acids with free amino groups that are able to react with reducing sugars. With the exception of arginine, these are essential amino acids. (The body cannot make them, and so they must be included in the diet.) Therefore, it is important to retard the Maillard reaction, particularly in susceptible food products (such as food supplies sent to underdeveloped countries) in which the nutritional quality of the protein is very important.
酵 素 Enzymes
一 什 麼 是 酵 素? 酵 素 是 一 種 蛋 白 質, 也 是 一 種 生 物 性 的 催 化 劑 什 麼 是 催 化 劑? 有 許 多 化 學 反 應 在 自 然 狀 態 下, 反 應 速 率 非 常 慢, 而 催 化 劑 則 可 以 使 化 學 反 應 加 速 進 行 因 此, 酵 素 是 一 種 具 有 生 物 性 催 化 劑 功 能 的 蛋 白 質 酵 素 廣 泛 地 存 在 於 生 物 體 中, 除 非 酵 素 受 抑 制, 即 使 動 植 物 死 後, 酵 素 仍 能 發 揮 其 催 化 作 用
二 影 響 酵 素 活 性 的 因 素 有 哪 些? 1. 溫 度 : 大 部 分 酵 素 最 適 作 用 溫 度 約 35~40 溫 度 活 性, 溫 度 超 過 則 可 能 變 性 而 失 去 活 性 2.pH 值 : 每 一 種 酵 素 都 有 其 最 適 的 ph 值 範 圍 離 開 此 範 圍 輕 則 活 性 降 低, 重 則 變 性 而 失 去 活 性 3. 水 分 : 水 分 太 低 酵 素 活 性 低, 水 分 增 加 活 性 提 高 水 分 太 高 反 而 有 稀 釋 作 用, 活 性 反 而 降 低 4. 酵 素 濃 度 : 水 分 太 低 酵 素 活 性 低, 水 分 增 加 活 性 提 高 觀 念 解 析 : 水 分 太 高 反 而 有 稀 釋 作 用, 活 性 反 而 降 低 酵 素 是 一 種 蛋 白 質, 換 言 之, 所 有 會 使 蛋 白 質 變 性 的 因 素, 都 可 能 影 響 酵 素 活 性
食 物 有 關 的 主 要 酵 素
在 食 品 中 --- 牛 乳 牛 乳 中 主 要 的 酵 素 包 含 : 鹼 性 磷 酸 酶 (alkaline phosphatase) 酸 性 磷 酸 酶 (acid phosphatase) 觸 酶 (catalase) 過 氧 化 酶 (peroxidase) 黃 嘌 呤 氧 化 酶 (xanthine oxidase)
在 食 品 中 --- 蛋 溶 菌 酶 (lysozyme) 存 在 於 蛋 白 中, 可 溶 解 細 菌 的 細 胞 壁 在 ph 7~9 之 間 較 為 安 定 在 ph>7 之 條 件 下, 並 於 63.5 加 熱 處 理 10 分 鐘, 容 易 使 溶 菌 酶 失 去 活 性
在 食 品 中 --- 肉 類 組 織 自 溶 酶 (cathepsin): 蛋 白 分 解 酶, 可 促 進 食 肉 的 軟 化 腺 核 苷 三 磷 酸 酶 (ATPase) 分 解 ATP 形 成 ADP, 並 釋 放 能 量 促 使 肌 肉 進 行 收 縮 或 舒 張 運 動, 與 無 機 磷 酸 的 釋 出 膠 原 蛋 白 酶 (collagenase) 可 促 進 屠 後 食 肉 的 嫩 化 作 用 鈣 致 活 性 中 性 蛋 白 酶 (calcium-activated factor;caf) 可 促 進 解 僵 後 的 嫩 化, 主 要 與 肌 節 Z 帶 之 分 解 有 關 脂 肪 分 解 酶 (lipase) 磷 脂 酶 (phospholipase) 與 食 肉 儲 藏 過 程 中 脂 質 分 解 產 生 之 脂 肪 酸 氧 化 酸 敗 有 關
在 食 品 中 --- 穀 類 穀 類 中 所 含 的 酵 素 主 要 有 澱 粉 分 解 酶 脂 解 酶 與 脂 質 氧 化 酶 (lipoxygenase) 等 澱 粉 分 解 酶 : 促 進 澱 粉 之 分 解 α- 澱 粉 酶 (α-amylase) β- 澱 粉 酶 (β-amylase) 脂 解 酶 脂 肪 加 氧 酶 與 穀 類 儲 藏 過 程 中 脂 質 分 解 產 生 之 脂 肪 氧 化 酸 敗 有 關
在 食 品 中 --- 蔬 果 蔬 菜 水 果 在 成 熟 及 採 收 過 程 中 含 有 豐 富 的 酵 素 系 統, 如 : 葉 綠 素 酶 轉 化 酶 纖 維 素 分 解 酶 半 纖 維 素 分 解 酶 與 果 膠 酶 葉 綠 素 酶 (chlorophyllase) 分 解 葉 綠 素 a b 形 成 葉 綠 酸 a b
多 酚 氧 化 酶 (polyphenol oxidase) 會 使 花 青 素 氧 化 脫 色, 亦 可 使 酚 化 物 氧 化 形 成 褐 變 產 物 的 黑 色 素 轉 化 酶 (invertase) 可 水 解 組 織 中 的 蔗 糖 形 成 葡 萄 糖 與 果 糖 纖 維 素 分 解 酶 (cellulase) 與 半 纖 維 素 分 解 酶 (hemicellulase) 可 促 進 細 胞 壁 的 分 解 或 產 生 木 質 化 作 用 果 膠 酶 (pectinase) 果 膠 酯 酶 與 聚 半 乳 糖 醛 酸 酶 常 伴 隨 水 果 之 熟 成 而 增 強 其 活 性, 會 引 起 果 肉 之 軟 化 利 用 其 酵 素 活 性 使 蘋 果 或 葡 萄 等 果 汁 之 澄 清 化 抑 制 其 活 性 以 維 持 蕃 茄 果 汁 之 混 濁 安 定 性
食 品 學 相 關 名 詞 解 釋 GLOSSARY
Glossary Amino acid: Building block of proteins; contains an amino group, a carboxyl group, a hydrogen, and a side chain, all attached to a central carbon atom. Amphiphilic: A molecule that contains both hydrophobic and hydrophilic sections. Amphoteric: Capable of functioning as either an acid or as a base depending on the ph of the medium. Alpha helix: Ordered protein secondary structure: corkscrew shape, stabilized by intrachain hydrogen bonds. Beta-pleated sheet: Ordered protein secondary structure; zigzag shape, stabilized by interchain hydrogen bonds.
Glossary Conformation: The specific folding and shape that a protein assumes in space. Denaturation: Changes in the conformation (secondary, tertiary, or quaternary structure) of a protein caused by changes in temperature, ph or ionic strength, or by surface changes. Dipeptide: Two amino acids joined by a peptide bond. Disulfide bond: Strong covalent bond formed by the reaction of two thiol (SH) groups. Functional property: Characteristic of the molecule that enables it to perform a specific role in a food. Examples of functional properties of proteins include solubility, thickening, binding, gelation, foaming, and emulsifying capacity.
Glossary Hydrolysis: Breaking of one or more peptide bonds in a protein to form smaller polypeptide chains. Hydrophilic: Water-loving; characteristic of polar and charged groups. Hydrophobic: Water-hating; characteristic of nonpolar groups Isoelectric point: pi; the ph at which the overall charge on a protein is zero; the number of positive charges is equal to the number of negative charges; the protein is most susceptible to denaturation and precipitation at this ph. Maillard browning: The free carbonyl group of a reducing sugar and the free amino group of a protein react to form a brown color; complex nonenzymatic reaction that is favored by high temperatures.
Glossary Peptide bond: Bond formed by the reaction of the amino group of one amino acid and the carboxyl group of another. Polypeptide: Several amino acids joined together by peptide bonds. Protein primary structure: Specific sequence of amino acids along the protein chain, joined by peptide bonds, the covalently bonded protein backbone. Protein quaternary structure: The non-covalent association of protein chains to form a discrete unit. Protein secondary structure: Three-dimensional arrangement of sections of the protein chain; secondary structures include the -helix, -pleated sheet, and random coil.
Glossary Protein tertiary structure: Three-dimensional arrangement of the whole protein chain; the shape that a protein chain assumes in space; includes fibrous and globular structures. Proteolytic: Breaks down or hydrolyses proteins. Salting-in: Addition of a dilute salt solution to improve the dispersibility of a protein. Salting-out: Addition of a concentrated salt solution to precipitate a protein. Water-binding capacity: The ability of a protein to bind water; this ability depends on the number of charged and polar groups along the protein chain.