改性馬鈴薯淀粉對肌原纖維蛋白乳化特性的影響

周鳳超，汪秀妹，林國榮，林授鍇，林大河，張麗芬

(莆田學院 環(huán)境與生物工程學院，福建 莆田， 351100)

馬鈴薯淀粉是具有多種功能特性的大分子多糖類化合物，具有增稠、填充、保水和黏合等作用，可與蛋白質(zhì)形成組織結(jié)構(gòu)良好的復合物，因此是肉制品中的主要添加組分之一，能夠使肉制品保持良好的乳化、持水、凝膠和質(zhì)構(gòu)特性。但原料馬鈴薯淀粉本身也有多種缺點和加工不耐受性，如淀粉糊的老化性高、熱穩(wěn)定性差、抗剪切能力差等，使其在某些食品加工領(lǐng)域受到限制。但這些不足和加工局限性可以通過淀粉的改性來克服[1-2]。氧化處理(oxidation treatment, OT)可以降低馬鈴薯淀粉的高黏性和老化特性，使淀粉糊更加透明并具有良好的成膜性，目前已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中的面團、面包和烘焙食品加工[3]等領(lǐng)域。常用的氧化劑有次氯酸鈉和過氧化氫，其中次氯酸鈉是商業(yè)化生產(chǎn)氧化淀粉最常用的氧化劑[4]。目前，有關(guān)氧化馬鈴薯淀粉應(yīng)用于食品的研究很多[5-6]，但對其應(yīng)用于肉制品的研究卻鮮有報道。濕熱(heat moisture treatment, HMT)和壓熱(heat pressure treatment, HPT)處理是淀粉的2種物理改性方法，因其具有環(huán)境友好和價格低廉的優(yōu)點，目前已被廣泛采用[6-8]。許多學者對濕熱和壓熱處理后馬鈴薯淀粉的體外消化性進行了研究[8]，但在肉制品方面的應(yīng)用研究鮮有報道。

淀粉-蛋白質(zhì)乳化體系屬于O/W型乳狀液，其特性可以通過測定內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來反映[9]，如乳化液液滴表面Zeta電勢、液滴粒徑分布和乳化液的乳化活性等。為使改性馬鈴薯淀粉更好地應(yīng)用于肉制品，提高肉制品的品質(zhì)及功能特性，實驗在前一階段研究的基礎(chǔ)上[10-12]，考察了原料馬鈴薯淀粉(native potato starch, NPS)及改性馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白復合體系的乳化特性。利用0.2%氧化劑處理的馬鈴薯淀粉(0.2% oxidation treatment potato starch, 0.2%OTPS)、2.0%氧化劑處理的馬鈴薯淀粉(2.0% oxidation treatment potato starch, 2.0%OTPS)，以及濕熱處理馬鈴薯淀粉(heat moisture treatment potato starch, HMTPS)、壓熱處理馬鈴薯淀粉(heat pressure treatment potato starch, HPTPS)分別與豬肉肌原纖維蛋白(myofibrillar protein, MP)相互作用，考察各淀粉-肌原纖維蛋白乳化體系的乳化特性。分別用NPS-MP、0.2%OTPS-MP、2.0%OTPS-MP、HMTPS-MP和HPTPS-MP表示各種類型乳化液。

本研究通過對改性馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化特性的考察，旨在進一步探究肌原纖維蛋白與改性馬鈴薯淀粉這2類生物大分子之間的相互作用機理，對添加改性馬鈴薯淀粉肉制品的開發(fā)提供研究思路和研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料馬鈴薯淀粉(NPS)、0.2%次氯酸鈉氧化處理的馬鈴薯淀粉(0.2%OTPS)，2.0%次氯酸鈉氧化處理的馬鈴薯淀粉(2.0%OTPS)、濕熱處理馬鈴薯淀粉(HMTPS，樣品密封、常壓、100 ℃恒溫1 h)和壓熱處理馬鈴薯淀粉(HPTPS，樣品密封、0.2 MPa、120 ℃處理20 min)，實驗室自制(各種類型淀粉理化性質(zhì)見表1)；豬背最長肌，購自黑龍江北大荒肉業(yè)有限公司；牛血清蛋白，美國Sigma公司；十二烷基磺酸鈉(SDS)，北京索萊寶生物科技有限公司；次氯酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等均為國產(chǎn)分析純試劑。

表1 不同類型馬鈴薯淀粉的理化性質(zhì)[10-12]Table 1 Physicochemical properties of different type of potato starches

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差(n=3)；a-c在同一列字母中，相同表示差異不顯著(P>0.05)，不同表示差異顯著(P<0.05)。

1.2 儀器與設(shè)備

XT120A 普利塞斯XS系列原裝天平，瑞士普利賽斯有限公司；BS203IP數(shù)碼偏光顯微鏡，重慶光電儀器有限公司；馬爾文激光粒度及ZETA電位儀，英國馬爾文公司；T18 basic型高速勻漿機，德國IKA公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 肌原纖維蛋白的制備

參考XIA等人[13]的方法略有改動，以豬背最長肌為原料提取肌原纖維蛋白，將原料肉中明顯的脂肪和結(jié)締組織去除，切成小肉塊并稱重，加入4倍體積預冷(4 ℃)的提取液(pH 7.0、10 mmol/L磷酸鹽緩沖液：其中包括0.1 mol/L NaCl、2 mmol/L MgCl2和 1 mmol/L EGTA)，在組織搗碎機中勻漿60 s，得到的肉漿在3 500 r/min、2～4 ℃離心15 min，棄上清液取沉淀，按上述步驟重復2次，得到的沉淀物為粗肌原纖維蛋白。向粗肌原纖維蛋白中加入4倍體積預冷(4 ℃)的洗液(0.1 mol/L NaCl)，在組織搗碎機中勻漿60 s，3 500 r/min、2～4 ℃離心15 min，取沉淀，重復上述操作1次，再取沉淀加入4倍體積洗液，勻漿60 s，4層紗布過濾，濾液用0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至6.0，3 500 r/min、2～4 ℃ 離心15 min，取沉淀，得肌原纖維蛋白于2～4 ℃保存，48 h內(nèi)利用。蛋白含量的測定：采用雙縮脲法測定。

1.3.2 乳化液的制備

將肌原纖維蛋白溶解于50 mmol/L pH 6.2的磷酸鹽緩沖液(含有0.6 mol/L NaCl)中，制得肌原纖維蛋白溶膠，并使蛋白質(zhì)含量保持1%恒定。向肌原纖維蛋白溶膠中添加質(zhì)量分數(shù)為3% 的改性馬鈴薯淀粉樣品，充分混勻，得到馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白復合物，再取2 mL 大豆色拉油與8 mL淀粉-肌原纖維蛋白復合物混合，高速勻漿機10 000 r/min攪打1 min后，得到淀粉-肌原纖維蛋白乳化液。

1.3.3 乳化活性和乳化穩(wěn)定性的測定

參考PEARCE等人[14]的方法測定。按1.3.2得到的馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液，立即用移液器在容器底部取樣50 μL，加入5 mL 0.1%的SDS溶液，混勻后在500 nm處測定吸光值，以SDS溶液作為空白。室溫放置10 min后再次取樣測定。乳化活性(EAI)及乳化穩(wěn)定性(ESI)分別按公式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中：ρ，樣品蛋白質(zhì)量濃度，g/mL；ω，油的體積分數(shù)；n，稀釋倍數(shù)；A0，初始乳化液的吸光度；A10，10 min后乳化液的吸光度。

1.3.4 乳化液電勢的測定

將1.3.2得到的馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液注入毛細管吸收池中，室溫下用馬爾文納米電位儀測定乳化液油滴的電勢。

1.3.5 乳化液粒徑和粒度分布的測定

馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液中粒子的平均粒徑和粒度分布采用馬爾文激光粒度儀進行測定，該儀器基于激光衍射的原理，小粒子對激光的散射角大，而大粒子則反之，為了避免散射效應(yīng)，用磷酸鹽緩沖液將按1.3.2方法得到的乳化液稀釋到合適的濃度[15]。測量時以蒸餾水作為分散介質(zhì)，分散劑折射率為1.330。粒徑分布由d3,2(表面積等效平均粒徑)和d4,3(體積等效平均粒徑)表示。d3,2用以表征較小粒徑粒子的變化，d4,3用以表征較大粒徑粒子的變化。

(3)

(4)

式中：di，表示測定的第i個液滴的直徑；ni，表示直徑為di的液滴數(shù)。

測定結(jié)果除了表示為d4,3和d3,2外，還可以表示為d10、d50和d90，分別指樣品的粒徑積累值達到10%、50%和90%時所對應(yīng)的粒徑大小。

1.3.6 乳化液的微觀結(jié)構(gòu)

將1.3.2制得的的乳化液分別取1滴均勻涂布在載玻片上，用蓋玻片蓋好，在10倍物鏡下觀察并拍照。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

每個試驗重復3次，結(jié)果表示為平均數(shù)±SD。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Statistix 8.1(分析軟件，St Paul, MN)軟件包中Linear Models程序進行，差異顯著性(P<0.05)分析使用Tukey HSD程序。采用sigmaplot 11.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化液的電勢

大多數(shù)穩(wěn)定的乳化液液滴都帶有電荷，通常用Zeta電勢(ζ-potential)來表示，一般情況下，ζ-電勢的絕對值越大，乳化液體系越穩(wěn)定[16]。肌原纖維蛋白在pH 6.2時帶負電荷，而馬鈴薯淀粉本身帶負電荷[17]，因此馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液呈電負性，并且馬鈴薯淀粉分子鏈上的負電荷基團可與蛋白之間發(fā)生相互作用，從而改善乳化液的穩(wěn)定性[18]。

原料及氧化馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備的乳化液電勢如圖1-a所示。0.2%OTPS-MP和2.0%OTPS-MP乳化液電勢(-7.39 mV和-7.16 mV)無顯著差別(P>0.05)，但上述二者的電勢均顯著低于(P<0.05)NPS-MP乳化液的電勢(-6.18 mV)，而肌原纖維蛋白乳化液(MP)的電勢(-5.23 mV)則顯著高于NPS-MP乳化液的電勢(P<0.05)。由于馬鈴薯淀粉帶負電荷，而在乳化液中肌原纖維蛋白也同樣帶負電荷，因此馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液的電勢相比于肌原纖維蛋白(MP)乳化液電勢顯著降低，而氧化處理馬鈴薯淀粉分子內(nèi)形成的羧基基團使乳化液的電負性進一步增強[10]，因此添加氧化馬鈴薯淀粉的乳化液電勢相比于添加原料馬鈴薯淀粉的乳化液電勢顯著降低。ζ-電勢的絕對值越大，液滴間越會產(chǎn)生良好的靜電排斥效果，不容易相互接近，從而使乳化液更穩(wěn)定[19]。原料、濕熱和壓熱馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備的乳化液電勢如圖1-b所示，淀粉-肌原纖維蛋白復合乳化液較肌原纖維蛋白乳化液電勢顯著降低(P<0.05)，而3種復合乳化液電勢間無顯著差別(P>0.05)，主要是由于濕熱和壓熱處理屬于物理改性，未在淀粉分子內(nèi)引入新的基團，因此電負性未發(fā)生改變。

圖1 原料和改性馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備乳化液的ζ-電勢Fig.1 ζ-potentials of emulsions prepared with myofibrillarproteins and native potato starch, or modified potato starch注：字母a-c不同表示差異顯著(P<0.05)，相同表示差異不顯著(P>0.05)

2.2 乳化液中液滴平均粒徑及粒度分布

乳化液中液滴的大小和粒度分布會影響乳化液的穩(wěn)定性，通常情況下，乳化液液滴的粒度越小，乳化體系越穩(wěn)定，當乳化液液滴表面吸附了蛋白質(zhì)和多糖時會產(chǎn)生一種穩(wěn)定乳化液液滴的作用，即空間位阻作用[16]，此作用是影響乳化液穩(wěn)定性的重要因素之一。原料及改性馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備的乳化液中液滴的平均粒徑大小和粒度分布結(jié)果見表2和圖2。

圖2 原料和改性馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備的乳化液中液滴粒度分布Fig.2 Volume-based droplet size distributions of the emulsions prepared with myofibrillar proteins and native potato starch, or modified potato starch

由表2的結(jié)果看出，添加原料和改性馬鈴薯淀粉的肌原纖維蛋白乳化液平均粒徑均顯著(P<0.05)低于肌原纖維蛋白乳化液(MP)的平均粒徑，說明原料和改性馬鈴薯淀粉對肌原纖維蛋白乳化液具有穩(wěn)定的作用。JIANG等[20]研究報道，乳化液的穩(wěn)定性隨液滴粒徑的減小而增加，主要是由于更多的乳化劑分子吸附到液滴的表面，而馬鈴薯淀粉在乳化液中也可以作為良好的乳化劑發(fā)揮作用。因此，由2.1試驗結(jié)果：加入原料及改性馬鈴薯淀粉后的肌原纖維蛋白乳化液電負性均顯著增加來推斷，帶有負電荷的馬鈴薯淀粉分子吸附到液滴的表面，增強了液滴間的靜電斥力，進一步阻止了液滴的聚集，從而使乳化液中液滴的粒徑減小。其中，HMTPS-MP和HPTPS-MP乳化液的平均粒徑都與NPS-MP乳化液無顯著差別(P>0.05)；而添加氧化馬鈴薯淀粉的乳化液平均粒徑均顯著(P<0.05)低于添加原料馬鈴薯淀粉的乳化液；這可能是由于氧化處理后的馬鈴薯淀粉分子中形成了帶負電荷的羧基[10]，因此帶更多負電荷的淀粉分子吸附到液滴表面，液滴間形成了更大的靜電排斥和空間位阻作用[21-22]，從而使乳化液平均粒徑降低，進一步穩(wěn)定了乳化體系。

表2 原料和改性馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備乳化液中油滴的平均粒徑Table 2 Droplet mean diameters, d3,2 and d4,3 of emulsions prepared with myofibrillar proteins andnative potato starch, or modified potato starch

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差(n=3)；a-e在同一列字母中，相同表示差異不顯著(P>0.05)，不同表示差異顯著(P<0.05)。

乳化液液滴粒度(particle diameter)分布也是評價乳化液的重要參數(shù)之一[23]。當乳化液中所有液滴尺寸相近時，乳化液屬于單分散體系；當乳化液中液滴尺寸不同或尺寸范圍較大時，乳化液屬于多分散體系[16]。圖2顯示，所有乳化液均呈現(xiàn)雙峰分布，屬于多分散乳化體系。添加原料和改性馬鈴薯淀粉后的肌原纖維蛋白乳化液粒徑分布相比于肌原纖維蛋白乳化液(MP)均朝著粒徑減小的方向移動，有利于乳化液的穩(wěn)定?？梢钥闯?，相比于NPS-MP乳化液，0.2% OTPS-MP和2.0% OTPS-MP乳化液的粒徑分布朝粒徑減小方向移動的幅度更大；而HMTPS-MP和HPTPS-MP乳化液的粒徑分布朝粒徑減小方向移動的幅度與NPS-MP乳化液的無明顯差別。此結(jié)果與表2的結(jié)果是基本一致的。

2.3 乳化液的乳化活性及乳化穩(wěn)定性

乳化活性和乳化穩(wěn)定性是評價乳化液乳化特性的常用指標。原料、改性馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液的乳化活性(EAI)和乳化穩(wěn)定性(ESI)如圖3和圖4所示。由圖可以看出，添加馬鈴薯淀粉后，復合乳化液的乳化活性和乳化穩(wěn)定性相比于肌原纖維蛋白乳化液(MP)均顯著增加(P<0.05)，說明馬鈴薯淀粉的添加提高了肌原纖維蛋白乳化液的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。多糖作為穩(wěn)定劑能夠促使包裹油滴的蛋白質(zhì)層厚度增加，因此在乳化液中蛋白質(zhì)-多糖的相互作用能夠克服許多不利因素抑制液滴的聚集，提高乳化液的乳化能力[24]。在乳化液中，淀粉顆粒在較低溫度下可逆吸水溶脹，與肌原纖維蛋白發(fā)生相互作用，使吸附著蛋白質(zhì)的油滴被固定在多糖形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不能相互靠近[25-26]，從而使淀粉-蛋白乳化液的乳化活性和乳化穩(wěn)定性得到提高。

圖3 氧化馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備乳化液的乳化活性及乳化穩(wěn)定性Fig.3 Emulsifying activity index (EAI) and emulsionstability index (ESI) of emulsions prepared with myofibrillarproteins and native potato starch, or oxidated potato starch注：對于同一測定指標，字母a-c不同表示差異顯著(P<0.05)，相同表示差異不顯著(P>0.05)。

圖4 原料、濕熱/壓熱處理馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液的乳化活性及乳化穩(wěn)定性Fig.4 Emulsifying activity index (EAI) and emulsion stability index (ESI) of emulsions prepared with myofibrillar proteins and native potato starch, heat moisture treatment potato starch, or heat pressuer treatment potato starch注：對于同一測定指標，字母a-c 不同表示差異顯著(P<0.05)。

由圖3可知，0.2% OTPS-MP乳化液的乳化活性為23.7 m2/g，顯著高于NPS-MP和2.0% OTPS-MP乳化液的乳化活性(P<0.05)，而NPS-MP和2.0% OTPS-MP乳化液之間的乳化活性無顯著差別(P>0.05)。這主要是由于0.2% 氧化劑處理的馬鈴薯淀粉相比于原料馬鈴薯淀粉電負性增強的同時保持了一定的膨潤能力，使其在乳化液中能夠起到較好的吸水溶脹作用，與肌原纖維蛋白在乳化液中保持較穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而保持較高的乳化活性；而2.0% 氧化劑處理的馬鈴薯淀粉膨潤能力相對較低，在乳化液中吸水溶脹作用較弱，使其與肌原纖維蛋白在乳化液中形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，因此表現(xiàn)出來的乳化活性較低。添加不同類型馬鈴薯淀粉乳化液的ESI變化趨勢與EAI相同。

由圖4可知，隨著馬鈴薯淀粉處理強度的增強(溫度升高和壓力增大)，HMTPS-MP和HPTPS-MP乳化液的EAI和ESI相比于NPS-MP乳化液顯著降低(P<0.05)，這主要是由于處理強度的增強使馬鈴薯淀粉的膨潤能力顯著降低，從而導致淀粉與蛋白質(zhì)在乳化液中形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸下降，因此乳化活性和乳化穩(wěn)定性也隨之降低。

2.4 乳化液的的微觀結(jié)構(gòu)

肌原纖維蛋白乳化液和各類馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

a-MP;b-NPS-MP;c-0.2% OTPS-MP;d-2.0% OTPS-MP;>e-HMTPS-MP;f-HPTPS-MP圖5 原料和改性馬鈴薯淀粉與肌原纖維蛋白制備乳化液的光學顯微鏡圖(×100) Fig.5 Optical microscopy images of emulsions prepared with myofibrillar proteins and native potato starch, or modified potato starch注：白色虛線區(qū)域：空白區(qū)域

肌原纖維蛋白乳化液中(圖5-a)不同大小的油滴分散于水相中，而肌原纖維蛋白則分布于油滴表面及油滴之間。顯微鏡的觀察結(jié)果與2.2小節(jié)的結(jié)果一致，添加原料和改性馬鈴薯淀粉(圖5-b，c，d，e，f)的肌原纖維蛋白乳化液相比于肌原纖維蛋白(MP)乳化液，后者乳化液的液滴粒徑較大，并且肌原纖維蛋白在液滴表面和液滴之間分布不均勻，出現(xiàn)了大面積的未被填充區(qū)域，即空白區(qū)域(圖5-a白色虛線區(qū)域)。空白區(qū)域的形成主要是由于乳化液的乳化性相對較差，均質(zhì)后乳化液內(nèi)部的液滴發(fā)生了聚集。添加淀粉后，這一空白區(qū)域明顯減少，而且淀粉-肌原纖維蛋白乳化液液滴的粒徑變小，肌原纖維蛋白與淀粉在液滴表面和液滴之間的分布致密且均勻。其中，0.2% OTPS-MP乳化液中空白區(qū)域最少、液滴分布的效果最好，2.0% OTPS-MP和HPTPS-MP乳化液油滴之間出現(xiàn)了相對較大面積的空白區(qū)域，這主要是由于2.0% OTPS和HPTPS的膨潤能力相對較低，在乳化液中未能表現(xiàn)出良好的吸水溶脹作用，因此維持乳化液穩(wěn)定的能力相對較弱。

3 結(jié)論

在淀粉-肌原纖維蛋白質(zhì)乳化體系中，淀粉和蛋白質(zhì)作為高聚物分子具有較長的分子鏈，并在分子鏈上分布了大量的親水和親油基團，均可以吸附在脂肪球液滴表面，形成有效的液滴保護層。脂肪球液滴表面吸附的這兩種高聚物分子，能夠在液滴表面形成靜電斥力和空間位阻，使界面張力降低，同時又能夠使液滴表面形成較厚的吸附層增大液面黏度，從而使淀粉-蛋白質(zhì)乳化體系保持良好的穩(wěn)定性。

馬鈴薯淀粉經(jīng)過改性處理后，進一步改善了淀粉-肌原纖維蛋白乳化液的乳化特性。氧化馬鈴薯淀粉-肌原纖維蛋白乳化液中，0.2%OTPS-MP乳化液相比于NPS-MP乳化液表現(xiàn)出了顯著降低(P<0.05)的電勢和粒徑分布以及顯著升高(P<0.05)的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。HMTPS-MP和HPTPS-MP乳化液中，兩種乳化液的電勢和粒徑相比于NPS-MP乳化液無顯著變化，而乳化活性和乳化穩(wěn)定性隨處理強度的增強顯著降低。乳化液的微觀結(jié)構(gòu)觀察顯示，0.2%OTPS-MP乳化液的粒徑大小和分布最均勻，其次為NPS-MP和HMTPS-MP乳化液，而2.0%OTPS-MP和HPTPS-MP乳化液表現(xiàn)出粒徑大小和均勻度相對較差。這一實驗結(jié)論，為改性馬鈴薯淀粉應(yīng)用于乳化凝膠類肉制品提供了理論依據(jù)。