改善羅非魚皮明膠凝膠特性和熱穩(wěn)定性的因素及條件探索

王竹清，張莉莉，劉志，唐嘉莉，王若愚，劉文軒，王欣鈺，崔琳琳

1(濰坊護理職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊，262500)2(魯東大學(xué) 食品工程學(xué)院，山東 煙臺，264025)

近年來，由于瘋牛病、口蹄疫等陸生動物傳染病以及宗教信仰的影響[1]，哺乳動物明膠的使用受到限制。水產(chǎn)明膠因來源廣泛，性能與豬皮或牛皮明膠相近，而且營養(yǎng)價值比哺乳動物更豐富，成為替代傳統(tǒng)明膠較為理想的選擇[2]。魚明膠中亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)的含量較哺乳動物明膠的低[3]，使得魚明膠的凝膠點和熔化點均比較低，熱穩(wěn)定性較差。這在一定程度上阻礙了魚明膠的應(yīng)用發(fā)展，因此如何改善魚明膠的凝膠性及熱穩(wěn)定性已成為研究熱點。

2020年我國羅非魚淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量為165.5萬t[4]，羅非魚在加工過程中會產(chǎn)生大量的廢棄物，既浪費資源又污染環(huán)境，若能對魚皮明膠進行加工再利用，既可實現(xiàn)魚皮副產(chǎn)物的高值化利用，提高經(jīng)濟效益，又可減少對環(huán)境的污染。

據(jù)報道，添加多糖可有效提高魚明膠的凝膠特性和熱穩(wěn)定性，如海藻多糖、κ-卡拉膠、結(jié)冷膠等的加入可顯著提高魚皮明膠的凝膠點、熔化點和凝膠強度。SINTHUSAMRAN等[5]發(fā)現(xiàn)，瓊脂和κ-卡拉膠可有效提高石斑魚皮明膠的凝膠點和熔化點，添加20%的瓊脂和20%的κ-卡拉膠可將其凝膠點和熔化點分別提高至36、43 ℃。MORRISON等[6]認為，高?；Y(jié)冷膠經(jīng)部分脫?；笮纬傻木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與明膠的類似，其典型特征就是高熔點，非常有利于凝膠的快速形成以及熱穩(wěn)定性的保持。

魚明膠的流變性質(zhì)是其加工利用的重要參考指標。魚明膠溶膠和凝膠具有一定的黏彈性，表現(xiàn)為同時具有儲能模量G′和損耗模量G″。加工條件對魚明膠的流變特性具有一定的影響，通過考查不同條件魚明膠體系的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程的G′和G″的變化情況，可全面反映膠體的流變行為，進而反映出不同加工條件對魚明膠蛋白分子結(jié)構(gòu)微觀變化的影響。

本文旨在探討不同溶膠溫度、溶膠時間，魚明膠濃度及多糖對羅非魚皮明膠流變特性、質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響，探索可改善羅非魚皮明膠凝膠特性和熱穩(wěn)定性的因素及條件，為常溫流通魚明膠產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，更好地滿足食品加工多樣化的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羅非魚皮明膠(凍力200，食品級)，上海鑫汐生物科技有限公司；刺槐豆膠、低/高酰結(jié)冷膠、瓜爾豆膠、果膠、可得然膠、魔芋膠、黃原膠、瓊脂(食品級)，旺鑫生物科技有限公司；κ-卡拉膠，連云港友進食品添加劑技術(shù)開發(fā)有限公司；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CT3-10K質(zhì)構(gòu)儀，美國博勒飛公司；AR1000型流變儀，美國TA儀器公司；JSM-840電子掃描顯微鏡，日本JEOL株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 魚明膠溶膠的制備

用去離子水配制濃度為66.7、100、150、200 g/L(質(zhì)量濃度)的魚明膠溶液，室溫下溶脹1 h，然后在不同溫度(60、70、80、90 ℃)的恒溫水浴中溶解不同時間(0.5、2.5、4.5 h)，待測。

1.3.2 多糖-魚明膠復(fù)配體系的制備

稱取一定量的魚明膠和不同種類多糖，加入蒸餾水，室溫下溶脹1 h，然后在80 ℃恒溫水浴中溶解30 min，待測。復(fù)配體系中魚明膠濃度為100 g/L(質(zhì)量濃度)，多糖的濃度為10 g/L(質(zhì)量濃度)。

1.3.3 流變性質(zhì)的測定

魚明膠體系的動態(tài)黏彈性通過流變儀進行測定，選用平行板夾具[7]，直徑40 mm，上下板間距離1 mm，掃描頻率1 Hz，應(yīng)力3.0 Pa，溫度掃描程序設(shè)定：初始溫度65 ℃，以2 ℃/min的速率降溫至10 ℃，穩(wěn)定5 min后以2 ℃/min 的速率升溫至65 ℃。儲能模量G′與損耗模量G″降溫和升溫過程第一次相交的點分別為魚明膠的凝膠點和熔化點。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性的測定

魚明膠體系的質(zhì)構(gòu)特性通過質(zhì)構(gòu)儀進行測定[8]，測定前樣品在4 ℃條件下凝凍16～18 h。測量時選用TPA模式，探頭為直徑12.7 mm 的TA5圓柱形探頭[9]，觸發(fā)點負載為5 g，測試速度為1.0 mm/s，測試距離為5 mm，測試循環(huán)次數(shù)為2。

1.3.5 掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察

采用掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)[10]。樣品切塊后，經(jīng)戊二醛溶液(體積分數(shù)為3%)固定24 h、磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L，pH 7.2)漂洗數(shù)次、鋨酸溶液(體積分數(shù)1%)固定 2 h、磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L，pH 7.2)漂洗數(shù)次后進行梯度脫水(乙醇溶液體積分數(shù)依次為30%、50%、70%、90%、100%)，然后用醋酸異戊酯脫除乙醇，臨界點干燥后，用離子濺射儀噴金。掃描電鏡的加速電壓為15 kV。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溶膠溫度對魚明膠流變性質(zhì)的影響

圖1顯示了不同溶膠溫度(60、70、80、90 ℃)對降溫過程和升溫過程中魚明膠G′和G″的影響，結(jié)果表明，溶膠溫度不同，魚明膠的G′和G″在降溫過程和升溫過程中呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即在降溫過程中，隨著溫度的降低，魚明膠的G′和G″逐漸升高，當(dāng)溫度降低至一定溫度時，G′與G″出現(xiàn)交匯點，這說明體系中的彈性成分增加，魚明膠開始凝膠，隨著溫度的繼續(xù)降低，G′始終大于G″；在升溫過程中，隨著溫度的升高，魚明膠的G′和G″逐漸降低，當(dāng)溫度升高至一定溫度時，G′與G″出現(xiàn)交匯點，這說明體系中的黏性成分增加，魚明膠開始熔化，隨著溫度的繼續(xù)升高，G″始終大于G′。

a-降溫過程；b-升溫過程圖1 不同溶膠溫度對降溫過程和升溫過程中魚明膠G′和G″的影響Fig.1 Effects of different dissolving temperature on the G′ and G″ of fish gelatin during cooling and heating process

以上結(jié)果表明，羅非魚皮明膠為熱可逆凝膠，不同的溶膠溫度對魚明膠的溶膠和凝膠過程影響不顯著。魚明膠的溶膠和凝膠過程就是α鏈由單鏈重構(gòu)成螺旋結(jié)構(gòu)或由螺旋結(jié)構(gòu)解旋成單鏈的一個可逆過程[11]。在魚明膠產(chǎn)品的加工過程中，可根據(jù)實際需要及經(jīng)濟性選取合適的溶膠溫度。

溫度掃描測試中，通常以G′和G″的交匯點作為動態(tài)黏彈性分析中凝膠或溶膠的轉(zhuǎn)折點[12]，CHO等[13]利用溫度掃描測定了明膠的凝膠點和熔化點。因此，圖1中降溫過程G′和G″的交點為凝膠點，升溫過程G′和G″的交點為熔化點。溶膠溫度對羅非魚皮明膠凝膠點和熔化點的影響如圖2所示，羅非魚皮明膠的凝膠點為19 ℃左右，熔化點為25 ℃左右，凝膠點和熔化點受溶膠溫度的影響不顯著。研究表明魚明膠凝膠點和熔化點的大小與其形成凝膠的α鏈的含量有關(guān)[14]，亦與其中亞氨基酸的含量呈正相關(guān)[15]，亞氨基酸含量高的明膠具有較高的熱轉(zhuǎn)變溫度和凝膠性能[16]，由于哺乳動物中的亞氨基酸含量通常為24%，而對大多數(shù)魚類而言僅為16%～18%[17]，因此，羅非魚皮明膠的凝膠點和熔化點較哺乳動物的低，較低的亞氨基酸含量降低了分子間螺旋形成的可能性[18]。

圖2 不同溶膠溫度對魚明膠凝膠點和熔化點的影響Fig.2 Effects of different dissolving temperatures on the gel point and melting point of fish gelatin

以上結(jié)果表明，羅非魚皮明膠凝膠在4～10月份室溫下不易保存，僅適用于低溫保藏食品，這在一定程度上限制了魚明膠的應(yīng)用；熔化溫度和凝膠溫度之間有一段溫度差，可用于某些特定食物的研究，例如果凍和蛋奶凍等；溶膠溫度對羅非魚皮明膠凝膠點和熔化點的影響不大，因而食品加工過程中可不作為主要影響因素考慮。

2.2 不同溶膠時間對魚明膠流變性質(zhì)的影響

圖3顯示了不同溶膠時間(0.5、2.5、4.5 h)對降溫過程和升溫過程中魚明膠G′和G″的影響，結(jié)果表明，溶膠時間不同，魚明膠的G′和G″在降溫過程和升溫過程中呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即溶膠時間對羅非魚皮明膠的溶膠和凝膠過程影響不大。

a-降溫過程；b-升溫過程圖3 不同溶膠時間對降溫過程和升溫過程中魚明膠G′和G″的影響Fig.3 Effects of different dissolving time on the G′ and G″ of fish gelatin during cooling and heating process

溶膠時間對羅非魚皮明膠凝膠點和熔化點的影響如圖4所示。凝膠點和熔化點隨溶膠時間的不同變化不顯著，即溶膠時間對羅非魚皮明膠凝膠點和熔化點的影響不大，因而食品加工過程中可根據(jù)生產(chǎn)需求選取溶膠時間。

圖4 不同溶膠時間對魚明膠凝膠點和熔化點的影響Fig.4 Effects of different dissolving time on the gel point and melting point of fish gelatin

2.3 不同魚明膠濃度對魚明膠流變性質(zhì)的影響

圖5顯示了不同的魚明膠濃度(66.7、100、150、200 g/L)對降溫過程和升溫過程中魚明膠G′和G″的影響，結(jié)果表明，不同濃度魚明膠的G′和G″在降溫過程和升溫過程中變化趨勢基本相同。在同一溫度條件下，隨著魚明膠濃度的增加，無論是降溫過程還是升溫過程，G′和G″均呈現(xiàn)增大的趨勢。如在10 ℃條件下，不同濃度的明膠均形成穩(wěn)定的凝膠，明膠濃度越大，G′值越大，魚明膠凝膠的凝凍強度就越大，這是因為明膠溶液濃度越大，整個體系形成多聚肽鏈的三維網(wǎng)狀體的能力越強，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密[19]，使破壞凝膠體系所需應(yīng)力更大，從而使得凝凍強度更大。

a-降溫過程；b-升溫過程圖5 不同魚明膠濃度對降溫過程和升溫過程中魚明膠G′和G″的影響Fig.5 Effects of different fish gelatin concentration on the G′ and G″ of fish gelatin during cooling and heating process

魚明膠濃度對羅非魚皮明膠凝膠點和熔化點的影響如圖6所示，魚明膠的凝膠點和熔化點均隨其濃度的增大而升高，故而增大魚明膠濃度可有效提高其凝膠點和熔化點，這是由于分子的碰撞與纏結(jié)使得高分子溶液流變學(xué)特性發(fā)生改變，通常隨著溶液中高分子濃度的增加而增加[20]。因此在食品加工過程中，在不影響產(chǎn)品風(fēng)味口感的前提下，適當(dāng)增加魚明膠濃度可以達到更高的熔化點(仍低于人口腔的溫度)，既可保持魚明膠入口即化的特性，又可提高魚明膠產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。然而，增加魚明膠濃度對其熔化點的提高具有一定的限制，仍低于30 ℃，不利于常溫流通魚明膠產(chǎn)品的開發(fā)，另外，魚明膠濃度過高會導(dǎo)致體系的流動性降低，不利于操作工藝的進行。

圖6 不同魚明膠濃度對魚明膠凝膠點和熔化點的影響Fig.6 Effects of different fish gelatin concentration on the gel point and melting point of fish gelatin

2.4 添加不同多糖對魚明膠復(fù)配體系流變性質(zhì)的影響

圖7顯示了添加不同種類多糖對魚明膠復(fù)配體系G′和G″的影響。添加1%黃原膠的復(fù)配體系黏性大,無法攪拌均勻，溶膠中含有大量氣泡，無法測定其流變特性。由圖7可知，添加刺槐豆膠、瓜爾豆膠、果膠、魔芋膠及瓊脂對復(fù)配體系的G′和G″影響不顯著，而添加結(jié)冷膠、卡拉膠和可得然膠可有效提高復(fù)配體系的G′和G″，如在10 ℃ 條件下結(jié)冷膠和卡拉膠對G′和G″的提高效果最顯著，可得然膠次之。通常認為G′、G″的增加對應(yīng)著復(fù)配體系內(nèi)部新結(jié)構(gòu)的形成，可以認為隨著G′、G″的上升，體系內(nèi)部由無序的卷曲逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻你q鏈，所以G′、G″會增大[21]。多糖與羅非魚皮明膠蛋白質(zhì)可形成大量的氫鍵，使復(fù)配體系的溶膠-凝膠過程發(fā)生改變，即黏性和彈性均得到了很大提高。多糖賦予了復(fù)配體系較好的黏彈性，復(fù)配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，也就是說復(fù)配體系的孔隙越小，凝膠強度越大，即儲能模量越大。結(jié)冷膠、卡拉膠和可得然膠的加入，使得復(fù)配體系形成的有序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密，從而使體系中水分子的流動受阻，所以復(fù)配體系表現(xiàn)出較好的固體特征，即彈性增強。前期研究結(jié)果表明，1%的高酰結(jié)冷膠、卡拉膠、可得然膠隨著掃描溫度的降低可形成凝膠，而1%的低酰結(jié)冷膠在掃描溫度降低到10 ℃時仍呈現(xiàn)溶液的狀態(tài)。因此，多糖-明膠復(fù)配體系的相互作用機制仍有待于進一步研究。

a-降溫過程；b-升溫過程圖7 添加不同多糖對降溫過程和升溫過程中魚明膠復(fù)配體系G′和G″的影響Fig.7 Effects of different polysaccharide on the G′ and G″ of fish gelatin complex system during cooling and heating process

圖8顯示了添加不同種類多糖對魚明膠復(fù)配體系凝膠點和熔化點的影響。結(jié)果表明，添加刺槐豆膠、瓜爾豆膠、果膠、魔芋膠及瓊脂對明膠體系的凝膠點和熔化點影響不顯著，而添加結(jié)冷膠、卡拉膠和可得然膠可顯著提高明膠體系的凝膠點和熔化點。復(fù)配體系內(nèi)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點增多，從而使得體系內(nèi)結(jié)構(gòu)更致密，所以凝膠強度增加，進而熔化點升高。結(jié)冷膠、卡拉膠和可得然膠與魚明膠形成的復(fù)配體系熔化點均在45 ℃以上，因而適合常溫魚明膠產(chǎn)品的開發(fā)，另外，實驗發(fā)現(xiàn)添加了結(jié)冷膠和卡拉膠的復(fù)配體系均呈現(xiàn)均一透明的狀態(tài)，而添加可得然膠的復(fù)配體系呈現(xiàn)均一不透明的狀態(tài)，因此在實際生產(chǎn)中可根據(jù)不同的保存條件選擇加入不同的多糖來滿足需要。

2.5 添加不同多糖對魚明膠TPA質(zhì)構(gòu)特性的影響

TPA質(zhì)構(gòu)通過模擬人口腔對食品的咀嚼過程對食品質(zhì)構(gòu)進行感官評價，對樣品進行2次壓縮測試[22]，獲得質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)。由圖7和圖8可知，添加刺槐豆膠、瓜爾豆膠、果膠、魔芋膠、瓊脂，對魚明膠復(fù)配體系G′、G″的影響不大，添加可得然膠的復(fù)配體系呈現(xiàn)均一不透明的狀態(tài)，使用受限，因此在質(zhì)構(gòu)實驗中，僅測定低酰結(jié)冷膠、高酰結(jié)冷膠和卡拉膠3種多糖對魚明膠復(fù)配體系TPA質(zhì)構(gòu)特性的影響。

圖9顯示了3種多糖(低/高酰結(jié)冷膠、卡拉膠)對魚明膠復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)特性的影響。結(jié)果表明，3種多糖對魚明膠體系的硬度和咀嚼性均具有顯著提高作用，對其彈性和內(nèi)聚性的影響均不顯著。多糖對羅非魚皮明膠TPA質(zhì)構(gòu)的影響主要是因為多糖與魚皮明膠分子間的交聯(lián)作用。加入多糖后與水分子結(jié)合形成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的能力越強，硬度增大，咀嚼性增強，而彈性和內(nèi)聚性與交聯(lián)作用及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使凝膠體系自行恢復(fù)的能力有關(guān)，變化不顯著。

圖8 添加不同多糖對魚明膠復(fù)配體系凝膠點和熔化點的影響Fig.8 Effects of different polysaccharide on the gel point and melting point of fish gelatin complex system

a-硬度；b-彈性；c-內(nèi)聚性；d-咀嚼型圖9多糖對魚明膠復(fù)配體系硬度、彈性、內(nèi)聚性和咀嚼性的影響Fig.9 Effects of different polysaccharide on the hardness, springiness, cohesiveness, and chewiness of fish gelatin complex system

2.6 添加不同多糖對魚明膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

明膠是膠原蛋白部分水解的產(chǎn)物，是多肽鏈的混合物。明膠的凝膠過程被認為是由無序的明膠單鏈線性分子部分折疊恢復(fù)有序的膠原自然結(jié)構(gòu)的過程。圖10顯示了多糖對魚明膠微觀結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果。由圖10-a可知，隨著溫度的降低，多肽鏈形成橢圓形或圓形的球狀聚集體。球形聚集體通過氫鍵恢復(fù)部分三螺旋交聯(lián)點，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由圖10-b～圖10-d可知，低/高酰結(jié)冷膠、卡拉膠分子均可與水分子結(jié)合形成緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)的相，明膠多肽鏈形成的球狀聚集體均勻分布其中。LAU等[23]認為在結(jié)冷膠明膠復(fù)配體系中，明膠分子形成不連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分布在結(jié)冷膠分子形成的連續(xù)相中，使復(fù)配體系凝膠特性提高。多糖的加入改變了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機制，故對其流變特性和質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生了顯著的影響。

a-空白；b-低酰結(jié)冷膠；c-高酰結(jié)冷膠；d-卡拉膠圖10 添加不同多糖對魚明膠復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)的影響(SEM，×10 000) Fig.10 Effects of different polysaccharide on the microstructure of fish gelatin complex system (SEM, ×10 000)

3 結(jié)論

溶膠溫度和溶膠時間對羅非魚皮明膠流變特性的影響不顯著，生產(chǎn)過程中可根據(jù)實際需要及經(jīng)濟性綜合考慮選取合適的溶膠溫度和時間。提高魚明膠濃度可顯著提高魚明膠體系的凝膠點和熔化點，但二者仍低于30 ℃，不利于常溫流通產(chǎn)品的開發(fā)。低酰結(jié)冷膠、高酰結(jié)冷膠和卡拉膠改變了羅非魚皮明膠復(fù)配體系的凝膠形成機制，從而對其流變特性和質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生了顯著性的影響，3種多糖均可將復(fù)配體系的熔化點提高至45 ℃以上，使得以魚明膠為主要原料的產(chǎn)品，如魚明膠凍、明膠軟糖等，可以在常溫條件下流通及貯存，即使夏季也不會因為溫度太高而發(fā)生產(chǎn)品熔化的情況，另外，3種多糖的成本均低于魚明膠且用量很少，綜合考慮，在魚明膠溶膠之前，將其與適量多糖復(fù)配，操作工藝簡單，而且可以顯著改善魚明膠的熱穩(wěn)定性，降低流通及貯存成本，因此可為常溫流通魚明膠產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。