CMC與CMC-Na改性雞蛋清蛋白溶膠-凝膠性質(zhì)研究

徐保立，李 斌，朱 波，夏 瑩，范勁松，鄭曉東，蔡 杰，馬美湖

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

CMC與CMC-Na改性雞蛋清蛋白溶膠-凝膠性質(zhì)研究

徐保立，李 斌*，朱 波，夏 瑩，范勁松，鄭曉東，蔡 杰，馬美湖

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的離子型多糖羧甲基纖維素(CMC)與羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)分別溶于蛋清中，冷凍干燥后，將得到的樣品置于相對濕度為75%的環(huán)境中干熱反應(yīng)一定時(shí)間后，通過質(zhì)構(gòu)分析、色度分析、SDS-PAGE、差示掃描量熱分析、掃描電子顯微鏡研究雞蛋清蛋白與CMC及CMC-Na交聯(lián)改性后性質(zhì)的變化。結(jié)果表明：反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間2d時(shí)，各樣品的凝膠強(qiáng)度顯著增大，凝膠的微觀網(wǎng)絡(luò)更為均勻致密，蛋清粉中的小分子質(zhì)量蛋白質(zhì)減少。證明適度的反應(yīng)可增強(qiáng)蛋清粉的凝膠強(qiáng)度，但隨時(shí)間延長，過度反應(yīng)則會造成分子質(zhì)量過大、溶解度下降，色澤顯著加深。起泡性的分析表明：各反應(yīng)2d后樣品的起泡性均明顯增強(qiáng)，其中以60℃，添加0.25%的CMC和CMC-Na的起泡力最強(qiáng)，分別增大了0.6倍和0.5倍，泡沫穩(wěn)定性亦明顯增強(qiáng)。證明在此反應(yīng)條件下，可獲得同時(shí)兼顧較高凝膠性和較高起泡性的新型蛋白粉。

蛋清蛋白；羧甲基纖維素；交聯(lián)反應(yīng)；凝膠強(qiáng)度

蛋白質(zhì)-糖類糖基化反應(yīng)，是以共價(jià)鍵的形式將碳水化合物與蛋白質(zhì)分子上的α-或ε-氨基連接而生成糖基化蛋白質(zhì)的反應(yīng)。但低分子質(zhì)量還原糖與蛋清蛋白發(fā)生的糖基化反應(yīng)容易發(fā)生褐變[1]。而多糖與蛋白質(zhì)發(fā)生的麥拉德反應(yīng)條件溫和，且提高蛋白質(zhì)凝膠性更為明顯，所以目前利用多糖對蛋白質(zhì)糖基化是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，如在蛋清中添加硫酸葡聚糖和半乳甘露聚糖，通過糖基化修飾后蛋清蛋白質(zhì)的凝膠性、透明性、持水性均有提高。將大豆分離蛋白或蛋清粉與多糖(或多糖水解物)干熱反應(yīng)數(shù)天，用于改善凝膠性、乳化性或起泡性效果顯著，且產(chǎn)物色澤、溶解性均可接受[2-4]。研究發(fā)現(xiàn)，將乳清蛋白或大豆分離蛋白與羧甲基纖維素(CMC)在60℃反應(yīng)數(shù)天后，其乳化穩(wěn)定性明顯提高[5-6]。

利用碳水化合物與蛋清粉蛋白的麥拉德反應(yīng)，制備高凝膠性蛋清粉已有較多研究。但采用具有強(qiáng)親水性的離子型多糖，如CMC對蛋清粉進(jìn)行改性的研究尚未見報(bào)道，然而由于CMC具備一定取代度的羧基及其可能參與的酯化、縮合反應(yīng)，必然對改性產(chǎn)物的性能產(chǎn)生影響，特別是對表面活性產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)采用CMC和CMC-Na與蛋清粉熱改性后，對其凝膠性和起泡性進(jìn)行研究，并對其機(jī)理進(jìn)行初步探討，以開發(fā)可能會同時(shí)兼?zhèn)涓吣z性和高起泡性的蛋白粉。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮雞蛋 市售；葡萄糖氧化酶(生化試劑) 上海晶純試劑有限公司；溴化鉀(分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；羧甲基纖維素(分析純) 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；羧甲基纖維素鈉(化學(xué)純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋、JJ-1精密增力電動攪拌器常州國華電器有限公司；5000S掃描儀 BenQ公司；NDJ-83數(shù)字顯示黏度計(jì)測定 上海精密科學(xué)儀器有限公司；Beta2-8LD真空冷凍干燥機(jī) 德國Christ公司；204-F1差示掃描量熱儀 德國Netzsch公司；DYY-12電泳儀 北京市六一儀器廠；BCD-175冰箱 合肥美菱股份有限公司；FG04高速分散機(jī) 江陰精細(xì)化工機(jī)械廠；TA.XT.PLUS質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Sys公司；JSM-6390LV掃描電子顯微鏡 日本NTC公司。

1.3 方法

1.3.1 原料的制備

將鮮雞蛋的蛋清手工分離，用高速分散機(jī)35r/s攪拌20min，靜置1h棄除底層臍帶等雜質(zhì)，用1mol/L的HCl溶液將其pH值調(diào)至6.7～7.2，按100mg/kg蛋清的比例加入葡萄糖氧化酶(GOD)，30℃水浴3h，按表1所示加入7%的雙氧水脫糖[7]。

脫糖完畢后，將其配制成含CMC和CMC-Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%、0.5%、1%的溶液，冷凍干燥得到不同CMC與CMC-Na含量的蛋清粉樣品，分別記為0.25%CMC、0.5% CMC、1% CMC和0.25%CMC-Na、0.5% CMC-Na、1%CMC-Na。將冷凍干燥得到的樣品置于相對濕度75%(底部放置KBr飽和溶液)的干燥器中，分別在60℃和70℃反應(yīng)數(shù)天，每隔一定時(shí)間取樣檢測[8]。

表1 葡萄糖氧化酶脫糖方法Table1 Elimination of glucose in egg white using glucose oxidase

1.3.2 色度的測定

將樣品用5000SBenQ掃描儀掃描所得圖片用Vision.Builder AI 6.3分析得出L*、a*及 b*[9]。L*：亮度；a*：紅(＋)或綠(－)；b*：黃(＋)或藍(lán)(－)。

1.3.3 凝膠制備及凝膠強(qiáng)度的測定

將樣品配制成固含量為10%的溶液在凝膠溫度90℃、凝膠時(shí)間30min的條件下制備凝膠，于4℃冰箱中放置14h，利用物性測試儀的P0.5探頭，測定雞蛋清的凝膠強(qiáng)度(用測定所得硬度表示，平行樣n=6)[10]測定條件如下：測前速度：5mm/s；測試速度：1mm/s；測后速度：5 mm/s；壓縮比：5 0%；觸發(fā)力：5 g。

1.3.4 起泡性的測定

室溫下將各樣品配成固含量為5%的溶液后，各取70mL于直徑為40mm的圓柱形玻璃瓶中，使用JJ-1精密增力電動攪拌器在2000r/min條件下攪打 2min，測定泡沫體積(V0)，將其靜置30min后，測定泡沫體積(V1)。起泡力(FAI)和泡沫穩(wěn)定性(FS)的計(jì)算方法分別如下[11]：

1.3.5 SDS-PAGE分析

十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)8%分離膠，5%濃縮膠。樣品質(zhì)量濃度為1mg/mL、上樣量為10μL、濃縮膠電泳電壓60V、電流50mA、分離膠電壓110V、電流50mA。染色液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的考馬斯亮藍(lán)R-250染色液(取1.25g考馬斯亮蘭R-250，加甲醇227mL、冰醋酸46mL、蒸餾水227mL、溶解混勻后過濾備用)，脫色用0.5mol/L的NaCl脫色液[12]。

1.3.6 差示掃描量熱分析

利用Netzsch DSC 204 F1型差示掃描量熱儀研究樣品熱特性。利用純金屬銦(99.99%)校正儀器的溫度和熱焓。準(zhǔn)確稱取5mg樣品樣品放入蓋子中心帶孔的鋁坩堝中，密封，用相同的空坩堝作參比。以5℃/min從25℃加熱到200℃。整個(gè)過程均在干燥N2下進(jìn)行，吹掃氣20mL/min，保護(hù)氣60mL/min。

1.3.7 凝膠掃描電鏡分析

將所需樣品制備成凝膠后切片，用0.2%戊二醛溶液固定12h后，漂洗，然后經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為50%、70%、90%、100%的乙醇梯度脫水，用醋酸異戊酯置換出乙醇，臨界點(diǎn)干燥，經(jīng)離子濺射儀噴金后，于掃描電子顯微鏡下觀察其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、拍照[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝膠強(qiáng)度分析

圖1 反應(yīng)時(shí)間對CMC蛋清粉凝膠強(qiáng)度影響Fig.1 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(60 ℃, CMC)

圖2 反應(yīng)時(shí)間對CMC-Na蛋清粉凝膠強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(60 ℃, CMC-Na)

由圖1、2可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃時(shí)，CMC與CMC-Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%的樣品的凝膠強(qiáng)度均隨反應(yīng)時(shí)間的延長先增大后降低，在反應(yīng)時(shí)間為2d時(shí)，凝膠強(qiáng)度均達(dá)到最大值，此時(shí)含量分別為0.25%和0.5%的CMC凝膠強(qiáng)度分別增大104%和79%，0.25%和0.5%的CMC-Na凝膠強(qiáng)度分別增大111%和67%而后隨反應(yīng)時(shí)間的延長而逐步降低。CMC與CMC-Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的樣品的凝膠強(qiáng)度均隨反應(yīng)時(shí)間的延長而降低。

由圖3、4可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，0.25%CMC與0.25%CMC-Na的凝膠強(qiáng)度均隨反應(yīng)時(shí)間的延長先增大后降低，在反應(yīng)時(shí)間為1d時(shí)，凝膠強(qiáng)度最大，此時(shí)其凝膠強(qiáng)度分別增大86%和67% 。CMC與CMC-Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1%的樣品的凝膠強(qiáng)度均隨反應(yīng)時(shí)間的延長而降低，反應(yīng)時(shí)間為4d時(shí)其形成的凝膠強(qiáng)度已十分微弱。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對CMC蛋清粉凝膠強(qiáng)度影響Fig.3 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(70 ℃, CMC)

圖4 反應(yīng)時(shí)間對CMC-Na蛋清粉凝膠強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(70 ℃, CMC-Na)

2.2 樣品色度分析

表2 反應(yīng)過程中CMC和CMC-Na蛋清粉色度的變化Table2 Chromaticity change of egg white powder during reaction

續(xù)表2

實(shí)驗(yàn)所用蛋清粉雖經(jīng)脫糖處理，但脫糖不可能將所含葡萄糖完全脫除，故高溫下易于發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生褐變、不良風(fēng)味，影響產(chǎn)品的感官品質(zhì)[14-15]。由表2可知，各樣品在反應(yīng)過程中均發(fā)生了不同程度的褐變反應(yīng)。反應(yīng)溫度為60℃時(shí)，L*隨反應(yīng)時(shí)間的延長而不斷變小；70℃時(shí)，反應(yīng)2d后，各樣品L*趨于穩(wěn)定。含CMC的樣品的a*均在反應(yīng)時(shí)間為1d時(shí)出現(xiàn)一個(gè)最小值，而后逐漸增大。反應(yīng)溫度為60℃時(shí)，含CMC-Na的樣品的a*在反應(yīng)時(shí)間為4d前隨時(shí)間的延長而逐漸增大，4d后a*趨于穩(wěn)定；而反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，2d后a*即趨于穩(wěn)定。反應(yīng)1d后各樣品的b*明顯增大，而后基本趨于穩(wěn)定值。由上述結(jié)果可知，蛋清粉在反應(yīng)過程中均發(fā)生了不同程度的褐變，反應(yīng)溫度為60℃時(shí)的褐變程度要比70℃小。

2.3 起泡性分析

圖5 改性前后蛋清粉的起泡力比較Fig.5 Change of FAI of egg white powder after modification (2 d)

圖6 改性前后蛋清粉的泡沫穩(wěn)定性比較Fig.6 Change of FS of egg white powder after modification (2 d)

由于反應(yīng)2d后樣品的凝膠強(qiáng)度較高，本實(shí)驗(yàn)取反應(yīng)2d的樣品測定其起泡力(FAI)和泡沫穩(wěn)定(FS)，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，各反應(yīng)2d后樣品的起泡力均明顯增強(qiáng)，并且CMC和CMC-Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，起泡力越好，其中以0.25%的CMC和CMC-Na的起泡力最強(qiáng)，分別增大0.6和0.5倍。70℃反應(yīng)2d后樣品的起泡力比60℃反應(yīng)得到的樣品略小。由圖6可看出，各組的泡沫穩(wěn)定性分別隨CMC和CMC-Na含量的增大而降低。反應(yīng)溫度為60℃時(shí)比70℃得到樣品的起泡力和泡沫穩(wěn)定性好。

2.4 SDS-PAGE分析

為了研究雞蛋清蛋白與CMC及CMC-Na改性后其蛋白質(zhì)分子交聯(lián)程度的變化，利用SDS-PAGE對脫糖蛋清粉及交聯(lián)反應(yīng)后的蛋清粉進(jìn)行分子質(zhì)量分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 改性前后蛋清粉的SDS-PAGE照片F(xiàn)ig.7 SDS-PAGE of egg white powder before and after modification

由圖7可知，與脫糖蛋清粉相比，各交聯(lián)后樣品的蛋白質(zhì)分子質(zhì)量均明顯增大，蛋白質(zhì)溶解度降低，小分子質(zhì)量蛋白減少，且反應(yīng)時(shí)間的延長和反應(yīng)溫度的升高可加劇小分子質(zhì)量蛋白質(zhì)減少的程度，故各樣品的交聯(lián)度亦隨反應(yīng)時(shí)間的延長和反應(yīng)溫度的升高而變大。電泳圖譜中條帶顏色的深淺亦可反映出蛋清粉溶解度的變化。結(jié)果表明，蛋清粉的溶解度亦隨反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的升高而逐漸降低，其中樣品在70℃反應(yīng)6d后圖中只能看出微弱的條帶，溶解度非常低，而60℃反應(yīng)2d的樣品溶解度與改性前相比無明顯變化。

2.5 差示掃描量熱分析

將改性2d與未改性的蛋清粉進(jìn)行DSC分析結(jié)果如圖8、9所示。結(jié)果表明，6個(gè)樣品均在50～100℃之間出現(xiàn)一個(gè)明顯的吸熱寬峰，蛋清蛋白的主要變性溫度在60～90℃之間，然而由于改性后的樣品分別在60℃和70℃下反應(yīng)了2d，故其變性溫度應(yīng)分別在60℃和70℃以上。由于CMC、CMC-Na及蛋清蛋白均具有較好的親水性，樣品中含有一定量的水分，因此升溫過程中水分不斷散失吸熱。樣品與水的相互作用弱，則加熱過程中更快、更容易散失，吸熱峰出現(xiàn)的早結(jié)束的早；相反，與水的相互作用力強(qiáng)，吸熱峰出現(xiàn)的晚結(jié)束的晚。未改性的0.25%CMC-Na及0.25%CMC的峰值分別為46.94℃和56.97℃，而各樣品改性后的峰值均在55℃左右，熱焓值明顯增大。這可能是由于CMC-Na 及CMC的加入影響了蛋清蛋白的熱力學(xué)性質(zhì)。

圖8 改性前蛋清粉和改性后CMC-Na蛋清粉DSC圖譜Fig.8 DSC curves of egg white powder before and after modification(CMC-Na)

圖9 改性前蛋清粉和改性后CMC蛋清粉DSC圖譜Fig.9 DSC curves of egg white powder before and after modification(CMC)

2.6 凝膠掃描電鏡分析

為了從微觀結(jié)構(gòu)上對改性后蛋清粉凝膠強(qiáng)度增加的機(jī)理進(jìn)行分析探討，對改性前后CMC和CMC-Na含量均為0.25%的樣品凝膠進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，樣品反應(yīng)2d后其凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更為均勻緊密，而以60℃反應(yīng)2d后的樣品凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為緊密均勻。各組樣品中含0.25%CMC-Na的樣品凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均比含0.25%CMC的樣品凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻緊密。這與2.1節(jié)得出的凝膠強(qiáng)度60℃反應(yīng)2d后的樣品凝膠強(qiáng)度最強(qiáng)的結(jié)論相符合。

圖10 改性前后蛋清粉凝膠的SEM照片(×1000)Fig.10 SEM of egg white gel before and after modification (×1000)

3 討 論

脫糖蛋清粉經(jīng)與CMC和CMC-Na的改性后，發(fā)生了交聯(lián)聚合反應(yīng)[16]，凝膠強(qiáng)度、表觀黏度等均發(fā)生變化，反應(yīng)溫度為60℃、反應(yīng)時(shí)間為2d時(shí)各樣品的凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值，且60℃反應(yīng)溫度下得到的樣品的凝膠強(qiáng)度比70℃強(qiáng)，褐變程度較低，可以被用于食品工業(yè)中。起泡性的分析表明，各反應(yīng)2d后樣品的起泡性均明顯增強(qiáng)，其中以60℃，添加0.25%的CMC和CMC-Na的起泡力最強(qiáng)，分別增大 0.6和0.5倍，泡沫穩(wěn)定性亦明顯增強(qiáng)。通過SDS-PAGE凝膠電泳和SEM分析得出，小分子質(zhì)量蛋白含量明顯降低，說明蛋白質(zhì)分子與CMC或CMC-Na之間，或者蛋白質(zhì)分子之間發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)[16]。結(jié)果表明，適度的交聯(lián)反應(yīng)可以增大蛋清粉的凝膠強(qiáng)度，提高起泡力和泡沫穩(wěn)定性，而過度交聯(lián)則會造成分子質(zhì)量過大、溶解度降低等，進(jìn)而影響蛋清粉的各種功能性質(zhì)[17]。因此，在生產(chǎn)中可根據(jù)對產(chǎn)品的不同需求，調(diào)整生產(chǎn)工藝，制備高凝膠性或高起泡性等專用蛋清粉。

利用碳水化合物與蛋清粉蛋白的美拉德反應(yīng)，制備高凝膠性蛋白粉已有較多研究。但采用具有強(qiáng)親水性的離子型多糖羧甲基纖維素及羧甲基纖維素鈉對蛋清粉進(jìn)行改性的研究尚未見報(bào)道，然而由于CMC具備一定取代度的羧基及其可能參與的酯化、縮合反應(yīng)，必然對改性產(chǎn)物的性能產(chǎn)生影響，特別是對表面活性產(chǎn)生影響。對于蛋清粉與CMC和CMC-Na改性后功能性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化仍需進(jìn)一步研究。

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Properties Improvement of Egg Albumen by Conjugation with CMC or CMC-Na

XU Bao-li，LI Bin*，ZHU Bo，XIA Ying，F(xiàn)AN Jin-song，ZHENG Xiao-dong，CAI Jie，MA Mei-hu
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Egg white was blended with sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na) or carboxymethyl cellulose (CMC) of certain concentration respectively, and the dry-heated products were obtained at relative humidity (75%) after freeze drying. The products were analyzed on gel strength, color scale, scanning electron microscope observation, SDS-PAGE, and Differential Scanning Calorimetric (DSC) at intervals. The results showed that a significant increase in the gel strength of egg white, more uniform and compact gel network structure and a significant reduction in the content of proteins with small molecular weight were found after 2 days of reaction at 60 ℃. The foaming capacity of egg albumen was found to be enhanced significantly by 2-day-long reaction, but the excessive cross-linking might lead to a large molecular weight, decrease the solubility of egg white powder and darken its color. Adding CMC or CMC-Na at a concentration of 0.25% resulted in the best foaming capacity at 60 ℃, with 0.6-fold and 0.5-fold increases in comparison with a blank sample, respectively and meanwhile, a significant improvement was observed for foam stability. It was proved that a novel egg white powder with both higher gel property and foaming capacity can be obtained under the reaction conditions.

egg albumen；carboxymethyl cellulose；crosslinking reaction；gel strength

TS253.1

A

1002-6630(2011)03-0040-06

2010-05-23

國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z310；2007AA100408)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項(xiàng)目(NECT-2007073)；湖北省杰出青年人才基金項(xiàng)目(2007ABB016)

徐保立(1984—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿忸惖捌坊瘜W(xué)。E-mail：baoli84@163.com

*通信作者：李斌(1972—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭澄锎蠓肿踊瘜W(xué)與工藝學(xué)。E-mail：libinfood@mail.hzau.edu.cn