酸堿處理技術(shù)在肌肉蛋白質(zhì)分離加工中的應(yīng)用

趙　雪,鄒玉峰,韓敏義,陳　星,徐幸蓮

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)肉品加工與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210095)

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酸堿處理技術(shù)在肌肉蛋白質(zhì)分離加工中的應(yīng)用

趙雪,鄒玉峰,韓敏義,陳星,徐幸蓮*

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)肉品加工與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210095)

酸堿處理技術(shù)作為一種蛋白分離、加工技術(shù)在肉類加工領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。本文介紹了酸堿處理技術(shù)的基本原理及對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和加工特性的影響,其次綜述了該技術(shù)在魚類去腥、改善禽類產(chǎn)品凝膠品質(zhì)以及制備功能食品中的應(yīng)用及相關(guān)研究進(jìn)展,同時(shí)對(duì)該技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討,以期對(duì)該技術(shù)在肌肉蛋白質(zhì)加工中的應(yīng)用提供參考。

酸堿處理技術(shù),蛋白質(zhì),肉品加工

蛋白質(zhì)作為肉與肉制品中重要的化學(xué)組分,其含量及功能特性直接影響肉與肉制品的口感、顏色、風(fēng)味等質(zhì)量與感官品質(zhì)[1]。目前,大量富含優(yōu)質(zhì)蛋白的肉品加工副產(chǎn)物以及低價(jià)值魚類資源因其中的蛋白加工特性差,且與骨骼、脂肪、色素等難以分離而影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]?，F(xiàn)有的蛋白分離提取方法主要有機(jī)械分離法以及水洗法,但上述方法均存在一定缺陷,如在去骨分離過程中,會(huì)造成細(xì)胞破裂導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、色素增加[3],而水洗法獲得的蛋白得率低、且回收蛋白的功能特性較差。因此為提高低價(jià)值肉品原料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,改善分離蛋白功能特性,積極研發(fā)新型蛋白分離技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。相對(duì)于傳統(tǒng)處理技術(shù),研究表明酸堿處理能夠有效提高蛋白得率,改善分離蛋白功能特性,提高產(chǎn)品價(jià)值及利用率。

1986年McCurdy[4]首先將酸堿處理技術(shù)應(yīng)用于雞肉骨肉分離肉糜中,結(jié)果表明能夠有效分離其中的優(yōu)質(zhì)肌肉蛋白,從而提升該加工副產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近十幾年來,國(guó)外對(duì)酸堿處理肉制品技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在魚類蛋白分離加工方面,研究表明酸堿處理能夠有效改善鱈魚[5]、南極磷蝦[6]、銀魚[7]、羅非魚[8]、鯰魚[9]等水產(chǎn)品的蛋白品質(zhì)。2010年以來,多數(shù)研究集中于酸堿處理改善骨肉分離肉糜[2]、淘汰蛋雞[10]、淘汰蛋鴨[11]、雞腿肉[12]等低值禽肉肉制品品質(zhì)及加工利用率等方面。目前對(duì)于酸堿分離蛋白的應(yīng)用研究主要包括:利用酸堿分離蛋白生產(chǎn)魚粉制品[13]、作為營(yíng)養(yǎng)食品原料[14]、作為食品添加劑加入肉制品中改善產(chǎn)品品質(zhì)[15]。然而國(guó)內(nèi)對(duì)于該技術(shù)的研究則少見報(bào)道[16]。本文對(duì)酸堿分離技術(shù)的基本原理以及其對(duì)蛋白的影響進(jìn)行闡述,并詳細(xì)綜述了該技術(shù)目前在肉品加工中的相關(guān)應(yīng)用及研究進(jìn)展,以期為相關(guān)研究者提供理論參考。

1　酸堿處理技術(shù)原理及方法

酸堿處理技術(shù)(pH-shifting method)是一種蛋白提取技術(shù),又稱為ISP技術(shù)(isoelectric solubilization/precipitation method),于20世紀(jì)90年代末發(fā)明并逐漸引用到肉品蛋白提取及加工中[17]。酸堿處理技術(shù)原理是利用大多數(shù)蛋白質(zhì)處于極性環(huán)境時(shí)會(huì)從細(xì)胞中溶解出來,當(dāng)調(diào)節(jié)溶解液pH至蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí),由于外層電荷受到破壞,蛋白質(zhì)分子之間會(huì)發(fā)生聚合沉淀并從溶液中析出,從而達(dá)到分離提取蛋白的目的。

圖1　酸堿處理提取蛋白流程圖Fig.1　The isoelectric solubilization/precipitation processfor protein isolates as performed in the laboratory

酸堿處理提取蛋白方法主要包括如下步驟:絞碎的原料肉與去離子水勻漿;調(diào)整勻漿液pH為酸性(2.5～3.5)或堿性(10.8～11.2),使肌肉蛋白在極端的酸性或堿性條件下溶解,其中只有極少數(shù)蛋白,如結(jié)締組織蛋白、膜蛋白以及部分發(fā)生變性的細(xì)胞骨架蛋白不溶解;將勻漿液離心后去除底層不溶雜質(zhì)沉淀(包括皮、碎骨等)及最上層脂肪,中間層主要是溶解的蛋白溶液;將蛋白溶液的pH調(diào)至蛋白質(zhì)等電點(diǎn),回收蛋白沉淀?；厥盏牡鞍踪|(zhì)水分含量較高,可以通過擠壓或二次離心將水去除,最終將蛋白調(diào)至需要的pH[18]。

2　酸堿處理技術(shù)對(duì)蛋白功能特性的影響

蛋白質(zhì)經(jīng)酸堿處理后其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,對(duì)分離提取后蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、溶解性及分子間相互作用力等均可造成顯著的影響。酸堿處理過程中,蛋白發(fā)生部分解折疊。蛋白的解折疊導(dǎo)致蛋白構(gòu)象和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并影響復(fù)折疊(pH調(diào)至中性)后蛋白的功能特性。

研究發(fā)現(xiàn)酸處理和堿處理得到的蛋白組成和含量皆有不同。目前的研究發(fā)現(xiàn),酸處理后肌原纖維蛋白的蛋白變性程度大于堿處理[19-20]。電泳圖譜顯示,對(duì)于酸處理蛋白,分子量較大的蛋白有所損失,低分子量蛋白有所形成。而對(duì)于堿處理蛋白,大分子量蛋白變性分解后重新聚合,形成了分子量大于肌球蛋白重鏈的蛋白[21]。付慶[22]在研究酸堿處理對(duì)鰱魚魚糜品質(zhì)的影響過程中,發(fā)現(xiàn)了常規(guī)水洗法中,肌球蛋白重鏈和輕鏈、肌動(dòng)蛋白、肌鈣蛋白、以及小分子清蛋白都存在。而酸法制備魚糜中,肌球蛋白重鏈占據(jù)了最主要的組分,其他蛋白組分包括各種水溶性蛋白比例均有顯著下降,而堿法制備的魚糜中,肌球蛋白重鏈也占主要成分,但是相比于酸法,其他蛋白如肌鈣蛋白及小分子清蛋白相對(duì)含量要高。對(duì)酸堿處理過程中肌球蛋白的變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在酸性條件下肌球蛋白頭部可能由于靜電斥力完全分解成圈螺旋卷曲狀,在堿性條件下則不發(fā)生這種改變。但是兩種條件下肌球蛋白重鏈的頭部都發(fā)生構(gòu)象改變,變?yōu)槿苋趹B(tài)球體,并且大部分的肌球蛋白輕鏈消失[23]。

蛋白質(zhì)的鹽溶性是評(píng)價(jià)蛋白功能性的重要指標(biāo),研究表明酸堿分離蛋白中的鹽溶性蛋白含量較低[24]。Vareltzis等[25]研究貽貝分離蛋白發(fā)現(xiàn)堿溶解分離蛋白的鹽溶蛋白含量較酸溶解分離蛋白高。Sofia[26]在研究鯡魚分離蛋白時(shí),發(fā)現(xiàn)當(dāng)將回收pH從5.5調(diào)整到6.5時(shí),其分離蛋白鹽溶性從19%提升至59%,說明調(diào)整回收pH能夠顯著提升分離蛋白的鹽溶性。

酸堿處理可改變蛋白質(zhì)間的相互作用力。采用共聚焦顯微鏡對(duì)酸堿處理和對(duì)照組蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,用雙重染色法對(duì)蛋白和油脂進(jìn)行染色,可以觀察到未酸堿處理的對(duì)照組有均勻的蛋白結(jié)構(gòu)以及大量、豐富的油滴,表明酸堿處理組蛋白有聚集現(xiàn)象,此外,酸堿處理可使蛋白表面疏水性增加[26]。Mohan等[27]的實(shí)驗(yàn)也證明,通過酸堿處理在等電點(diǎn)pH5.5處回收蛋白能夠使蛋白間形成疏水交聯(lián),同時(shí)生成二硫健。Hordur[28]研究酸堿分離鱈魚肌球蛋白發(fā)現(xiàn),在溶解pH為11時(shí),獲得的蛋白表面疏水性最高。

3　酸堿處理技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1酸堿處理技術(shù)在水產(chǎn)品脫腥方面的應(yīng)用

水產(chǎn)品肌纖維骨架蛋白結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且其中含有豐富血液、脂肪、色素等其它成分,因此蛋白分離困難且不易保持穩(wěn)定[29]。研究表明,與水洗法相比,酸堿法處理魚類蛋白能顯著提高蛋白得率,避免水洗法造成的蛋白損失,同時(shí)酸堿處理可改善分離蛋白凝膠特性并去除魚腥味。目前酸堿處理技術(shù)在水產(chǎn)品中的應(yīng)用主要集中于產(chǎn)品脫腥方面,其機(jī)理在于蛋白質(zhì)在極酸、極堿的條件下會(huì)溶解展開,原來與蛋白質(zhì)結(jié)合的腥味物質(zhì)與蛋白質(zhì)分開,此外蛋白之間的脂質(zhì)和色素在處理過程中溶出,抑制脂肪氧化腥味的形成;當(dāng)采用有機(jī)酸進(jìn)行提取時(shí),其抑菌、消除組胺作用,以及對(duì)螯合金屬離子的螯合都有助于減少腥味物質(zhì)的產(chǎn)生,有機(jī)酸處理還能夠有效降低蛋白中的微生物存活率,提高產(chǎn)品的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性,從而減少在微生物作用過程中產(chǎn)生的不愉快氣味[30]。通常用于處理魚類蛋白脫腥的酸有醋酸,檸檬酸,蘋果酸等,堿有氫氧化鈉、氫氧化鉀等。

付湘晉[31]對(duì)酸堿處理去除白鰱魚魚腥方法進(jìn)行研究,結(jié)果表明當(dāng)調(diào)整pH為2.3和11.8時(shí),白鰱魚肌肉蛋白對(duì)腥味物質(zhì)的吸附能力明顯低于pH7.0,此外堿法處理的魚腥味、土霉味脫除效果較好。然而張乾元[32]對(duì)厚殼貽貝粉及其酸堿處理得到的提取物腥味值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),堿性條件浸提所得提取物的腥味和異味較重,酸性條件浸提可以有效減少貽貝粉提取物的腥味以及其他不愉快的氣味,這可能是由于酸性條件更利于貽貝粉中的一些可產(chǎn)生腥味和異味的胺類和氨基酸類物質(zhì)的水解,從而降低了其腥味和異味。王方[33]研究采用酸堿法對(duì)鯽魚魚糜的腥味進(jìn)行改善,發(fā)現(xiàn)與水洗法脫腥相比,酸堿處理能有效地去除鯽魚的魚腥味和土霉味,這是由于酸堿處理可通過去除富集在魚肉的脂肪組織中的土臭素和2-甲基異冰片,從而達(dá)到去除鯽魚腥味的目的。

3.2酸堿處理技術(shù)在禽類蛋白凝膠功能特性改善方面的應(yīng)用

酸堿處理技術(shù)可以改善禽肉蛋白的凝膠、乳化等加工特性,其原理主要是基于在酸堿處理過程中蛋白變性、復(fù)性中的結(jié)構(gòu)變化。研究表明蛋白經(jīng)酸堿處理后,蛋白的表面疏水基團(tuán)充分暴露,增強(qiáng)了蛋白分子之間的疏水作用力,有助增加凝膠強(qiáng)度,提高乳化能力[34]。Dileep等[35]對(duì)不同pH溶解條件下雞腿肉蛋白凝膠特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明當(dāng)處理pH為11.5、12.0時(shí)與未處理組相比活性巰基含量與蛋白提取率均顯著增加,但三個(gè)處理組的肌原纖維蛋白疏水性間無顯著差異,證明表面疏水基團(tuán)的比例比其數(shù)目更能反應(yīng)疏水能力的大小。此外酸堿處理過程中蛋白質(zhì)巰基氧化形成的二硫鍵及蛋白質(zhì)聚集可促進(jìn)并增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成及強(qiáng)度[20,25]。

酸處理與堿處理對(duì)分離蛋白質(zhì)溶解度及凝膠強(qiáng)度有顯著影響。Yuliya Hrynets等[36]對(duì)酸堿處理雞骨肉分離肉糜蛋白溶解度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)pH從1.5至7時(shí)溶解度逐漸增大,在pH為11.5時(shí)溶解度達(dá)到最大值,而pH繼續(xù)增加時(shí),溶解度反而下降。Patroklos K[37]指出在酸堿處理過程中,溶解pH對(duì)所得蛋白凝膠特性有顯著影響,且得到凝膠的硬度、彈性等品質(zhì)指標(biāo)與其原材料品種之間有較高的相關(guān)性。

近年來研究表明,該技術(shù)在禽肉制品及加工副產(chǎn)物再利用等方面有較大的研究?jī)r(jià)值。Nurkhoeriyati等[11]對(duì)酸堿處理淘汰蛋鴨蛋白凝膠研究表明,與未處理組相比,酸堿分離蛋白的凝膠品質(zhì),凝膠強(qiáng)度及持水力均得到顯著改善。Zied Khiari[15]等研究表明,ISP蛋白可被用于肉制品添加劑改良肉品加工特性。添加酸堿處理禽肉蛋白能夠有效減少肉制品的蒸煮損失和形狀收縮?？紤]到產(chǎn)品的接受度,添加不超過10%的ISP蛋白作為添加劑是比較合適的量。OZIMEK[4]等對(duì)比研究了酸堿處理與機(jī)械分離法對(duì)雞骨殘留蛋白的功能及營(yíng)養(yǎng)特性,結(jié)果表明酸堿法處理較機(jī)械去骨法得到的蛋白具有更好的穩(wěn)定性,但在氮溶解指數(shù),吸水特性,乳化能力以及熱凝膠強(qiáng)度等方面尚有待改善。

3.3酸堿處理技術(shù)在復(fù)合凝膠營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)品開發(fā)方面的應(yīng)用

酸堿分離蛋白作為一種具有優(yōu)質(zhì)加工特性的原料,與添加劑配合使用研究其對(duì)蛋白凝膠特性的影響成為目前研究的熱點(diǎn)。研究表明,向酸堿分離蛋白中添加其它物質(zhì)有助于改善凝膠產(chǎn)品品質(zhì),提高產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)功能,改善酸堿處理對(duì)蛋白變性可能造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷及營(yíng)養(yǎng)損失。

Reza Tahergorabi等[38]發(fā)現(xiàn)向ISP處理得到的分離蛋白中添加1 g/100 g的二氧化鈦后,其白度值與未處理雞胸肉無顯著差異,表明二氧化鈦可通過增加分離蛋白凝膠的亮度從而改善產(chǎn)品的白度值,同時(shí)研究表明,向ISP分離蛋白中加入二氧化鈦可增加凝膠強(qiáng)度[39]。Reza等[40]向酸堿提取魚蛋白中加入不飽和脂肪酸(包括亞麻籽油、魚油、藻油、磷蝦油以及混合油)研究其對(duì)蛋白營(yíng)養(yǎng)功能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著多不飽和脂肪酸比率的增加,分離蛋白的致血栓性、致動(dòng)脈粥樣化的能力降低,所得的凝膠有輕微腐臭,但在可接受范圍內(nèi)。此外,Alicia等[41]向阿拉斯加鱈魚魚糜中添加0%～8%長(zhǎng)鏈纖維素,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈纖維在蛋白凝膠中可形成一個(gè)物理的水聚集區(qū)域,使蛋白結(jié)構(gòu)間的化學(xué)鍵更加穩(wěn)定。目前研究表明纖維-蛋白之間的相互作用是通過水以物理化學(xué)形式進(jìn)行介導(dǎo)的。有學(xué)者對(duì)膳食纖維結(jié)合不飽和脂肪酸對(duì)ISP蛋白的協(xié)同作用進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)膳食纖維及脂肪酸共同加入對(duì)流變特性的改善有協(xié)同作用并有利于更好的凝膠,其中膳食纖維能夠使蛋白脫水,增加蛋白聚集程度。脂肪酸能夠通過填充蛋白矩陣中的空位進(jìn)行固定。差示掃描量熱法結(jié)果表明膳食纖維和不飽和脂肪酸并沒有影響魚分離蛋白的正常變性。所得產(chǎn)品的色澤特征受到輕微影響,但膳食纖維和脂肪酸的加入可有效改善魚糜的營(yíng)養(yǎng)特性[42]。

此外酸堿分離蛋白與其它添加物配合使用能夠在不影響蛋白凝膠品質(zhì)的前提下降低食鹽用量并提高產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。邵俊杰等[43]研究發(fā)現(xiàn),酸堿處理技術(shù)可以減少雞胸肉凝膠形成過程中鈉鹽的需要量,因此酸堿處理在加工低鈉肉制品方面有應(yīng)用前景。Reza[44]等用酸堿處理的方法對(duì)虹鱒魚(除去骨骼、表皮以及鱗片)進(jìn)行處理,得到的產(chǎn)品富含二十二碳六烯酸,在鈉鹽含量較少的情況下有良好的顏色和質(zhì)構(gòu)特性,并且凝膠性能有所提升,同時(shí)該產(chǎn)品中也添加了二氧化鈦,馬鈴薯淀粉,磷酸鹽和轉(zhuǎn)谷酰胺酶,結(jié)果表明該復(fù)合凝膠產(chǎn)品對(duì)心血管疾病有顯著改善作用,因此采用酸堿處理方法從低價(jià)值的肉類副產(chǎn)物中提取蛋白并制備功能食品是可行的。此外與酸處理相比,堿處理獲得的蛋白中必需氨基酸含量更高,在氨基酸組成方面,酸堿分離蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高于大豆蛋白,與牛奶蛋白類似,但是稍低于雞蛋蛋白[45]。因此ISP處理得到的分離蛋白和脂肪的營(yíng)養(yǎng)和安全特性完全符合人類的需求。但是運(yùn)用酸堿處理技術(shù)提取的水產(chǎn)品蛋白對(duì)健康的影響還需要進(jìn)一步的研究。

3.4酸堿處理技術(shù)的其他應(yīng)用

近年來研究者們將該種方法應(yīng)用到其他肉品加工領(lǐng)域。有學(xué)者研究熱處理、甘油以及ISP蛋白含量對(duì)阿根廷鳀魚ISP處理蛋白成膜特性的影響,發(fā)現(xiàn)利用該類分離蛋白制備一種均勻、拉伸性好的可食用膜是完全可行的。在低溫、低蛋白和甘油含量下獲得的膜有最低的溶解性、延展性以及最高的拉伸強(qiáng)度[46]。Nuria等利用酸堿分離技術(shù)從鱈魚中獲得分離蛋白,進(jìn)而制備成蛋白粉,說明利用該種方法加工蛋白粉有其發(fā)展前景[47]。

4　結(jié)論與展望

通過探討酸堿處理技術(shù)對(duì)肌肉分離蛋白品質(zhì)的影響,表明酸堿分離技術(shù)作為一種食品蛋白分離技術(shù),非常適合應(yīng)用在低價(jià)值肉制品蛋白分離以及劣質(zhì)蛋白改性方面,其在提升肉品風(fēng)味,改善蛋白品質(zhì),生產(chǎn)復(fù)合型功能食品等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),它是肉制品加工副產(chǎn)物蛋白回收的一條新途徑,為提升該類產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值提供了廣泛的前景。

近年來,酸堿處理技術(shù)在肉制品蛋白分離加工中的應(yīng)用研究取得了一定的進(jìn)展,但仍需進(jìn)一步的研究,如蛋白的動(dòng)物消化實(shí)驗(yàn)、風(fēng)味感官評(píng)定等等。除此之外,酸堿分離蛋白的凍藏穩(wěn)定性以及氧化特性也值得更多的關(guān)注。此外,酸堿分離蛋白對(duì)人體健康的影響還值得深入研究。

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A review of the application of isoelectric solubilization/precipitation method in meat proteinseparation and processing

ZHAO Xue,ZOU Yu-feng,HAN Min-yi,CHEN Xing,XU Xing-lian*

(Key Laboratory of Meat Processing and Quality Control,Ministry of Education,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Isoelectric solubilization/precipitation method was widely investigated and applied for protein extraction and separation. Following the introduction to the principle of the method,protein conformation changes during the process are described. Focus is then placed on summarizing the applications of the method,which include removal of off-flavors,improvement of gelation properties and help function food production. Some suggestions for further studies are finally listed.

isoelectric solubilization/precipitation method;protein;meat product

2015-10-16

趙雪(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：肉品質(zhì)量安全控制，E-mail:2014108062@njau.edu.cn。

徐幸蓮(1962-)，博士，教授，研究方向：畜產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制，E-mail：xlxu@njau.edu.cn。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-42)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31171707)。

TS251.9

A

1002-0306(2016)11-0395-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.072