幾種添加物對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

丘佳韻，張高陽，汪學(xué)榮

（西南大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，重慶 402460）

1 概述

1.1 背景及研究現(xiàn)狀

蛋清蛋白是一種來源豐富、價(jià)格便宜、易消化的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，主要含54%的卵白蛋白，而卵白蛋白的主要功能是凝膠化作用[1-2]。蛋清蛋白良好的凝膠性能在食品、農(nóng)業(yè)等行業(yè)應(yīng)用廣泛，不僅能改進(jìn)食品形態(tài)和質(zhì)地，還可以提高食品持水力、保持脂肪、增稠、使粒子黏結(jié)、改善口感，但目前對凝膠性能的研究還處在初步階段[3]。研究表明，蛋清蛋白熱誘導(dǎo)凝膠作為一種食品工業(yè)加工成分，生產(chǎn)中常加入多種添加物，如糖、鹽、茶葉提取物、淀粉等物質(zhì)，能明顯影響蛋清蛋白的凝膠性能[4]。

三聚磷酸鈉是最常用與食品品質(zhì)改良的多聚磷酸鹽之一，廣泛應(yīng)用于肉、家禽、海產(chǎn)品等食品中。研究發(fā)現(xiàn)三聚磷酸鈉能提高咸蛋清豆腐蛋白質(zhì)的持水性，并且其添加量會影響雞蛋凝膠的感官色澤、組織和滋味，Salek R N 等人[5]還發(fā)現(xiàn)，其能促進(jìn)加工奶酪和牛奶蛋白均勻凝膠結(jié)構(gòu)形成[6]。瓜爾膠是天然大分子半乳甘露聚糖中最易獲得、最便宜，已知的最有效和水溶性最好的一種，也是良好的食品增稠劑和乳化劑[7-8]。目前，發(fā)現(xiàn)瓜爾膠與其他增稠劑復(fù)合使用后，可以提高凝膠強(qiáng)度與持水性、降低豆腐的硬度。段汝清等人[9]發(fā)現(xiàn)，瓜爾膠酶解液與蛋白質(zhì)的接枝反應(yīng)能改善凝膠性質(zhì)，但主要研究美拉德反應(yīng)對凝膠性質(zhì)的影響。酪蛋白酸鈉是酪蛋白鍵合形成的鈉鹽，主要用于增稠劑和乳化劑[10]。酪蛋白酸鈉常與其他增稠劑復(fù)合使用，用于研究肉重組制品的凝膠工藝及對復(fù)合凝膠的影響，能提高蛋白質(zhì)的凝膠強(qiáng)度、彈性、持水性和咀嚼性。陳青等人[11]發(fā)現(xiàn)，酪蛋白酸鈉與結(jié)冷膠形成復(fù)合凝膠后能增加凝膠的黏性。

1.2 研究意義

以上3 種物質(zhì)被證明能改善凝膠性質(zhì)，但大多是研究其產(chǎn)物、結(jié)合物的作用，或是研究對肉類蛋白和大豆蛋白的凝膠作用，它們對蛋清蛋白的熱誘導(dǎo)凝膠是否具有優(yōu)化作用，以及上述添加物是否能直接與蛋清蛋白反應(yīng)的研究，還處在空白階段。此外，目前對蛋清蛋白凝膠性質(zhì)的研究主要集中于單一因素的影響，利用多種添加物的配比組合來優(yōu)化蛋清蛋白的凝膠效果并促進(jìn)凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究仍有欠缺[12]。

將雞蛋蛋清作為原料，通過添加三聚磷酸鈉、瓜爾膠、酪蛋白酸鈉制備熱誘導(dǎo)不可逆凝膠，測定其凝膠強(qiáng)度、持水力，分析幾種添加物對蛋清蛋白凝膠性質(zhì)的影響，然后采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法優(yōu)化試驗(yàn)，找出3 種添加物的最優(yōu)配比組合。探討三聚磷酸鈉、瓜爾膠、酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響，嘗試通過優(yōu)化三者的配比組合來改善凝膠性質(zhì)、提高凝膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以期發(fā)現(xiàn)促進(jìn)蛋清蛋白凝膠的新途徑，為相關(guān)研究提供參考，提高生產(chǎn)價(jià)值。

2 材料與方法

2.1 材料與試劑

鮮雞蛋，榮昌自產(chǎn)市售檢驗(yàn)合格；三聚磷酸鈉（食用級），湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司提供；瓜爾膠（食用級），天津安文水溶膠科技有限公司提供；酪蛋白酸鈉（食用級），鄭州鴻瑞食品有限公司提供。

2.2 儀器與設(shè)備

BNCH78-1 型磁力加熱攪拌器，武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司產(chǎn)品；MD-NJ-5 型凝膠強(qiáng)度測試儀，臨安豐源電子有限公司產(chǎn)品；FA1204B 型電子分析天平，上海建恒儀器有限公司產(chǎn)品；H3-18KR 型離心機(jī)，湖南可成儀器有限公司產(chǎn)品；DGH-9140A 型電熱恒溫干燥烘箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；SSY6 型電熱恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司產(chǎn)品。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 三聚磷酸鈉對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

以蛋清質(zhì)量為計(jì)算基準(zhǔn)，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.025%，0.050%，0.075%，0.100%，0.125%，0.150%，0.175%的食用級三聚磷酸鈉于蛋清中，置于90 ℃恒溫水浴鍋中靜置反應(yīng)0.5 h，冷卻后測定其凝膠強(qiáng)度和持水力。

2.3.2 瓜爾膠對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

以蛋清質(zhì)量為計(jì)算基準(zhǔn)，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.025%，0.050%，0.075%，0.100%，0.125%，0.150%，0.175%的10 g/L 瓜爾膠飽和溶液[13]于蛋清中，置于90 ℃恒溫水浴鍋中靜置反應(yīng)0.5 h，冷卻后測定其凝膠強(qiáng)度和持水力。

2.3.3 酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

以蛋清質(zhì)量為計(jì)算基準(zhǔn)，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.025%，0.050%，0.075%，0.100%，0.125%，0.150%，0.175%的25 g/L 酪蛋白酸鈉溶液于蛋清中，置于90℃恒溫水浴鍋中靜置反應(yīng)0.5 h，冷卻后測定其凝膠強(qiáng)度和持水力。

2.3.4 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取上述不同添加物的適宜范圍，以凝膠強(qiáng)度為主要測試指標(biāo)，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定3 種添加物的最佳配比。

2.4 測試指標(biāo)

2.4.1 持水力（water holding capacity，WHC）

取樣品不同3 個部位共稱量10 g，用規(guī)格為150×150 cm 的稱量紙包裹后置于50 mL 離心管中，在25 ℃下以轉(zhuǎn)速3 000 r/min 離心10 min[14]，將稱量紙剝離后再次稱量，計(jì)算公式為[15]：

式中：A——離心前質(zhì)量，g；

B——離心后的質(zhì)量，g。

2.4.2 凝膠強(qiáng)度

蛋清蛋白凝膠制得后，將凝膠強(qiáng)度測定儀設(shè)置為自動擋，分別測定每個樣品的5 個點(diǎn)，去除最大值、最小值后，取余下3 個點(diǎn)的平均值作為其凝膠強(qiáng)度值。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)平均做3 個平行處理，最后結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用Excel 與DPS7.05 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

凝膠是一種膠體中含有大量液體卻呈現(xiàn)固化的狀態(tài)，蛋白質(zhì)凝膠結(jié)構(gòu)是變性的蛋白質(zhì)分子聚集后形成規(guī)則的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。該結(jié)構(gòu)是一種能保持大量水分、分子間相互作用力平衡且高度有序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或基體。故凝膠強(qiáng)度和持水力往往被作為衡量蛋白質(zhì)熱誘導(dǎo)凝膠性質(zhì)的重要參數(shù)[16]。影響蛋清蛋白熱誘導(dǎo)凝膠性質(zhì)的因素有很多，如蛋的新鮮程度、加熱時(shí)間、加熱溫度、添加物等，主要通過改變蛋白質(zhì)的濃度、pH 值、分子間的疏水相互作用和交聯(lián)程度進(jìn)而影響蛋清蛋白的凝膠特性[17]。

新鮮蛋的濃厚蛋白占蛋清蛋白比例大，蛋黃膜完整性好，具有良好的凝膠特性；相反，陳舊的蛋則因濃厚蛋白分解，細(xì)菌大量繁殖使蛋清蛋白呈水樣化變化，降低凝膠性能。加熱時(shí)間過長或加熱溫度過高易使已凝結(jié)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分解為小分子的氨基酸，降低凝膠強(qiáng)度；但加熱時(shí)間不足或加熱溫度過低，則蛋白質(zhì)凝膠作用不完全，形成的凝膠結(jié)構(gòu)柔軟易碎且不均勻[18]。

3.2 三聚磷酸鈉對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)三聚磷酸鈉制備熱誘導(dǎo)凝膠，得到蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力。

三聚磷酸鈉對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力的影響見圖1。

圖1 三聚磷酸鈉對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力的影響

結(jié)果表明，隨著三聚磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度和持水力均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)三聚磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值452 g/cm2，其持水力也達(dá)到最大值84.20%。三聚磷酸鈉能夠螯合蛋液中的金屬離子，提高蛋液的pH 值，使蛋液的pH 值偏離等電點(diǎn)，增進(jìn)蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián)程度。同時(shí)，還可以通過促進(jìn)蛋白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的充分展開，進(jìn)而促進(jìn)疏水基團(tuán)的暴露，增加疏水相互作用，促進(jìn)蛋白質(zhì)凝膠化和細(xì)鏈結(jié)構(gòu)形成，進(jìn)而形成更精細(xì)的交聯(lián)凝膠結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的凝膠質(zhì)地和保水性能[19]。加入一定量磷酸鹽后，能夠填充蛋清蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的空隙，使凝膠形成更為致密的網(wǎng)狀界面，增強(qiáng)了蛋清蛋白的凝膠結(jié)構(gòu)捕獲更多水的能力，同時(shí)磷酸鹽使蛋液的pH 值偏離等電點(diǎn)，從而增加蛋白質(zhì)的交聯(lián)，通過促進(jìn)凝膠化提高蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度。但當(dāng)三聚磷酸鈉過量時(shí)，則過量的食鹽可能會阻礙蛋白質(zhì)分子間的相互結(jié)合、降低蛋白質(zhì)分子結(jié)合水的能力，降低凝膠強(qiáng)度和持水力[20]。

3.3 瓜爾膠對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)瓜爾膠溶液制備熱誘導(dǎo)凝膠，得到蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力。

瓜爾膠對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力的影響見圖2。

圖2 瓜爾膠對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力的影響

結(jié)果表明，隨著瓜爾膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度和持水力均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)瓜爾膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值509.8 g/cm2，其持水力也達(dá)到最大值84.38%。瓜爾膠大分子聚合物間的靜電和非靜電作用能增強(qiáng)凝膠結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性、彈性和機(jī)械性能。此外，瓜爾膠在膠體存在條件下加熱能促進(jìn)蛋白質(zhì)的熱聚集，進(jìn)一步提高凝膠強(qiáng)度[21]，加入一定量的瓜爾膠后，瓜爾膠大分子聚合物間的靜電作用能提高凝膠結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性并促進(jìn)蛋白質(zhì)的熱凝集，從而提高了凝膠強(qiáng)度。但當(dāng)瓜爾膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，可能會由于混合液中聚合大分子的大量分布，使蛋清蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生拮抗作用[22]，從而降低了蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度。對于持水力，當(dāng)瓜爾膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到一定程度并下降，可能是由于存在閾值，在達(dá)到閾值點(diǎn)前由于凝膠孔隙的不斷減少而越加緊密，從而有較高的持水力，當(dāng)超過閾值時(shí)則可能因?yàn)榇蠓肿佣嗵堑臐舛冗^飽和，中斷了蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低了持水力[23]。

3.4 酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白熱誘導(dǎo)不可逆凝膠性質(zhì)的影響

加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酪蛋白酸鈉溶液制備熱誘導(dǎo)凝膠，得到蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力。

酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力的影響見圖3。

結(jié)果表明，隨著酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度和持水力均呈現(xiàn)先增加后減小的變化，當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時(shí)，蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值614 g/cm2，其持水力也達(dá)到最大值84.69%。酪蛋白酸鈉是以水不溶性的膠束形式存在的酪蛋白與鈉鹽鍵合形成的產(chǎn)物，在水溶液中本身便具有一定的黏性[24]。而酪蛋白酸鈉顆粒間的相互吸引力，能使蛋白質(zhì)凝膠孔徑變小、交聯(lián)增多，促進(jìn)相鄰的蛋白質(zhì)大分子間形成橋梁和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)其良好的乳化性和界面特性能使凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更光滑規(guī)律、結(jié)實(shí)均勻[25]。當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，酪蛋白酸鈉顆粒之間的相互吸引力能增加凝膠結(jié)構(gòu)間的交聯(lián)程度、縮小孔徑，提高了蛋清蛋白的凝膠強(qiáng)度和持水力。但是，當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，則可能因高交聯(lián)程度下蛋白質(zhì)- 蛋白質(zhì)之間的相互作用減弱，使凝膠強(qiáng)度和持水力下降[26]。

圖3 酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度和持水力的影響

3.5 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)

3.5.1 模型的建立與檢驗(yàn)

根據(jù)上述圖表特征，分別選取每種添加物5 個適宜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平來進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

因素與水平設(shè)計(jì)見表1，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)矩陣及結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表1 因素與水平設(shè)計(jì)/%

由表1 可知，運(yùn)用DPS 軟件，可以得到蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度與三聚磷酸鈉、瓜爾膠和酪蛋白酸鈉間的三因素五水平二次回歸方程（1）：

由表3 可知，失擬性檢驗(yàn)：F1=0.53＜F0.05（5，8）=3.69，說明在α=0.05 水平上失擬差異不顯著，即不存在失擬因素，得到的模型擬合性較接近期望的函數(shù)模型，選取的因素水平范圍較合適。對于顯著性檢驗(yàn)：F2=4.62＞F0.01（9，13）=4.19，說明在 α=0.01 水平上差異極顯著，建立的模型合理，可靠性強(qiáng)。將Fα與表2 中各項(xiàng) F 值進(jìn)行比較可知：X1X2，X1X3，X2X3在α=0.25 水平上差異不顯著，說明 X1與 X2，X1與 X3，X2與X3之間的交互作用不大，可以認(rèn)為各因素相互獨(dú)立，其中任何一個因素的變化都不會引起其他因素的變化。X12，X22在α=0.01 水平上差異極顯著，X32在α=0.05 水平上差異顯著；說明三聚磷酸鈉、瓜爾膠對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度有極顯著的影響，酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度有顯著影響，三者影響蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度主次順序依次為三聚磷酸鈉、瓜爾膠、酪蛋白酸鈉。

表2 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)矩陣及結(jié)果

表3 方差分析

3.5.2 回歸模型尋優(yōu)方法

經(jīng)3.5.1 模型的建立與檢驗(yàn)后剔除掉不顯著項(xiàng)，并經(jīng)過中心組合設(shè)計(jì)優(yōu)化后可得簡化方程（2）：

3.5.3 單因素效應(yīng)分析

對公式（1） 進(jìn)行降維法運(yùn)算，可得公式（3）所示的各因素對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度影響的偏回歸解析子模型。

根據(jù)公式（3） 中的模型，可作出單因素效應(yīng)圖。

單因素效應(yīng)見圖4。

圖4 單因素效應(yīng)

由圖4 可知，蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度隨著三聚磷酸鈉、瓜爾膠和酪蛋白酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。說明3 種添加物在合適范圍內(nèi)能提高凝膠強(qiáng)度，超過最適水平后，則會降低凝膠強(qiáng)度。

3.5.4 邊際效應(yīng)分析

對單因素效應(yīng)方程（3） 求一階偏導(dǎo)數(shù)，可得到公式（4） 的單因素的邊際效應(yīng)方程。

根據(jù)（4） 中的邊際效應(yīng)方程，可作出邊際效應(yīng)曲線。

邊際效應(yīng)見圖5。

圖5 邊際效應(yīng)

由圖5 可知，三聚磷酸鈉、瓜爾膠和酪蛋白酸鈉隨著編碼值的增加，Y 值均呈現(xiàn)出直線急劇下降的趨勢，其中酪蛋白酸鈉（X3） 相比三聚磷酸鈉（X1） 和瓜爾膠（X2） 下降的速度更快、下降的范圍更大，說明3 種添加物中，酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度的影響最大，三聚磷酸鈉和瓜爾膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度的影響相對較小。

3.5.5 蛋清蛋白最優(yōu)凝膠化條件的確定與驗(yàn)證

DPS 7.05 軟件對回歸模型求解后得出的最佳凝膠化條件為三聚磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%，瓜爾膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%，酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.250%，以此為凝膠化條件，最后進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)，得出的蛋清蛋白最大的凝膠強(qiáng)度為550 g/cm2，實(shí)際值為542 g/cm2，相對誤差為1.476%，小于2%，表明二者數(shù)值相近，預(yù)測值與實(shí)際值較為符合，說明二次回歸模型預(yù)測性良好。

3.6 討論

目前，對應(yīng)用多種添加物優(yōu)化蛋清蛋白凝膠性質(zhì)的研究尚處存在空白階段，暫時(shí)還沒有一種很好的配比優(yōu)化方法能夠使蛋清蛋白的熱誘導(dǎo)凝膠或堿誘導(dǎo)凝膠[27-28]在溫度、酸堿[29]等因素的共同影響下發(fā)生有目的的改性。該工藝的建立為進(jìn)一步研究多種添加物配比、優(yōu)化蛋清蛋白熱誘導(dǎo)凝膠性質(zhì)提供了參考，這也將成為日后蛋清蛋白研究領(lǐng)域的一個熱門趨勢。

4 結(jié)論

三聚磷酸鈉、瓜爾膠和酪蛋白酸鈉對蛋清蛋白凝膠強(qiáng)度均有不同程度的影響，均能改善蛋清蛋白凝膠性質(zhì)，三者共同作用時(shí)能明顯提高凝膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)模型可得出最佳工藝條件為三聚磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%，瓜爾膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%，酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.250%，蛋清蛋白最大的凝膠強(qiáng)度與測試值為550 g/cm2，實(shí)際值為542 g/cm2，二者相近，優(yōu)化結(jié)果可靠。