不同循環(huán)次數凝膠用水的理化性質及其對油炸鰱魚丸表面結構的影響

李晴，李雪宇，劉月月，馬長偉，洪惠,2*

(1.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083；2. 中國農業(yè)大學興化健康食品產業(yè)研究院，江蘇 興化 225700)

中國淡水魚資源豐富，淡水魚類的精深加工是中國漁業(yè)的重要發(fā)展方向[1]。鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)是中國的“四大家魚”之一，2020年鰱的養(yǎng)殖年產量為381.29萬t，僅次于草魚[2]。鰱繁殖速度快，肉質鮮嫩美味且價格低廉[3]，但肌間刺多、土腥味重、鮮活售賣市場小，因此多被用來加工成魚糜及魚糜制品[4]。魚肉經過采肉、漂洗、斬拌、擂潰、成型、凝膠化等一系列工藝可以形成具有一定彈性和質感的凝膠制品[5-7]。魚丸是一種高蛋白、口感好、受眾廣的淡水魚魚糜凝膠制品[8-9]。油炸魚丸作為休閑即食散裝魚丸的前身，深受消費者青睞，但是在工廠實際生產中，隨著凝膠過程中循環(huán)水利用次數增加，魚丸在油炸后常發(fā)生表面皺縮，出現孔洞和坑斑等劣化現象，影響魚丸美觀，不利于工廠魚丸品質的維持和經濟利益的提升。魚糜在水中受熱形成凝膠，凝膠用水指魚糜經擠壓從成球到形成魚丸的凝膠化過程中所用的水。佘文海等[10]使用TRIZ(Theory of inventive problem solving)理論研究油炸魚丸在定型環(huán)節(jié)表面雜質黏附問題，結果表明魚糜在被連續(xù)擠壓成型后進行凝膠化的過程中，凝膠用水中下降魚丸與上浮魚丸之間的碰撞以及切割產生的碎屑雜質不斷溶解、積累，這些雜質顆粒會黏附在魚丸表面，導致魚丸在油炸過程中受熱不均勻，影響表面性狀。此外，循環(huán)凝膠用水中魚丸組分的溶解與積累也會為微生物的生長繁殖提供有利條件，造成水質pH降低，從而影響魚丸表面性狀劣化[11-12]。但是，為解決油炸魚丸表面性狀劣變問題而不斷更換工廠全生產線的清水會大大增加企業(yè)的生產能耗和成本。

因此，本研究立足于工廠實際生產中油炸魚丸表面性狀劣化問題，首先對油炸魚丸生產線中的凝膠用水進行取樣，測定凝膠過程中每次循環(huán)水的相關理化指標(pH、蛋白質含量和等電點)和最終成品魚丸指標(色差及表面感官評價)，然后使用等電點沉淀法沉降循環(huán)水中的蛋白質，結合電泳和質譜分析確定其中主要的蛋白質種類。通過探究凝膠過程中循環(huán)水的理化性質及其對油炸鰱魚丸表面結構的影響，可為解決實際生產過程油炸魚丸表面性狀劣變問題提供思路和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

淡水AA級白鰱魚糜，購自江蘇省興化市大澤水產制品有限公司。乙?；矸哿姿狨?Acetylated distarch phosphate，ADSP)、復合磷酸鹽，購自河南萬邦實業(yè)有限公司；巴氏殺菌冰蛋清，購自蘇州歐福蛋液股份有限公司；豬肥膘，購自北京市海淀區(qū)學清路物美超市；舒可曼白砂糖，購自廣州福正東海食品有限公司；太太樂99度味精，購自上海太太樂食品有限公司；油炸香精，購自廈門市頂味興業(yè)香料發(fā)展有限公司；精制食用鹽，購自中鹽上海市鹽業(yè)有限公司；谷氨酰胺轉氨酶(型號：TG-1)，購自泰興市東圣生物科技有限公司；大豆分離蛋白，購自臨沂山松生物制品有限公司；福臨門一級大豆油，購自中糧福臨門食品營銷有限公司；N,N,N′,N′-四甲基二乙胺(N,N,N′,N1*-Tetramethylethylenediamine, TEMED)、彩虹24plus廣譜蛋白標志物、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)、苯酚，購自北京索萊寶科技有限公司；考馬斯亮藍R250、牛血清蛋白(Bovine serum albumin，BSA)、尿素、碘乙酰胺、磷酸三氯乙酯BondBreakerTMTCEP 溶液、胰蛋白酶、乙腈(色譜級)，購自Sigma-Aldrich公司；PierceTMQuantitative Colorimetric Peptide Assay Kit，購自Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 設備與儀器

FP3010食品加工機，德龍博朗家電有限公司；JYS-A950絞肉機，九陽股份有限公司；N4紫外-可見光分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司；Zetasizer Nano ZS ZEN3700納米粒度和ζ電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；NR110精密色差儀，深圳市3NH科技有限公司；TA-XT2i質構儀，廣州市博勒飛質構儀技術服務有限公司；Model TGL-16A臺式高速冷凍離心機，長沙平凡儀器儀表有限公司；Seven2 Go手持pH計，梅特勒-托利多儀器制造有限公司；WGZ-2PJ 濁度計，上海昕瑞儀器儀表有限公司；SAVANT SPD1010臺式快速離心濃縮干燥器、EASY-nano LC 1000液相色譜儀、Q ExactiveTMPLUS質譜儀、UltiMate制備液相色譜儀，賽默飛世爾科技公司。

1.3 工廠取樣操作

工廠油炸魚丸生產線的制作工藝流程主要為：冷凍魚糜→刨片→絞碎→空擂→鹽擂→混擂→出料→成型→凝膠成型(20 min左右)→熱定型(3 min左右)→冷卻瀝水→油炸→冷卻→成品油炸魚丸。于工廠車間油炸魚丸生產線上取樣，從早晨第一批次開始凝膠即8點10分時取樣，每隔1.5 h在凝膠槽固定位置取一批凝膠用水樣品；從8點35分開始，每隔1.5 h在油炸線上取一批油炸魚丸成品，各取7批，測定各批次凝膠用水和油炸魚丸的相關指標。

1.4 實驗室模擬工廠制作魚丸

實驗室模擬步驟如下：將凍存魚糜經半解凍后切成片狀，置于絞肉機中絞碎。將170 g絞碎的魚糜置于擂潰機中，分別向其中加入0.34 g復合磷酸鹽和0.68 g咸蛋清(食用鹽∶蛋清蛋白=1∶19)。低速混合均勻至漿料稍有粘性，無硬顆粒。然后，向漿料中加入1.19 g食鹽中速擂打3 min，再次加入1.19 g食鹽并高速擂打8 min至漿料粘性較大、有光澤、基本無顆粒狀。隨后，在低速狀態(tài)下，向漿料中加入1.19 g食鹽、1.70 g味精、0.34 g谷氨酰胺轉氨酶、3.40 g 55%糖水(v/w)和30.60 g肥肉乳化漿(大豆分離蛋白∶冰水∶肥肉=2∶12∶1)并高速攪打1 min后再加入1.53 g ADSP高速擂打2 min，制作期間加入8.50 g 冰水控制出料終溫為0～5 ℃。使用800 mL蒸餾水作為凝膠水連續(xù)成型14批魚丸(170 g魚糜/批)，使料水比在1∶5左右。魚丸的制作采用兩步加熱凝膠化法：43 ℃ 20 min+93 ℃ 3 min。加熱完成后，撈出瀝水，每批漿料成型約15粒魚丸。每成型一批魚丸后取出50 mL 43 ℃凝膠用水用于測定后續(xù)指標，再補充蒸餾水至800 mL進行下次凝膠化。待魚丸冷卻至室溫后，置入155 ℃油鍋中，油炸70 s后撈出。油炸魚丸室溫冷卻2 h后用無菌均質袋封裝，4 ℃冷藏保存。

1.5 凝膠用水指標測定

1.5.1 pH的測定

使用手持式pH計對各批次凝膠水樣進行測定，各測定3次，取平均值。

1.5.2 等電點的測定

參考Tan 等[13]和程海明等[14]的方法，使用電位儀對各批次凝膠水樣進行等電點測定，測定不同pH條件下體系ζ-電位的變化(凝膠用水pH的調節(jié)使用1%的檸檬酸及1%的氫氧化鈉)，將不同pH條件下ζ-電位值的變化作一條曲線，當曲線ζ-電位值為0時，該點所對應的pH值即為體系等電點。每個pH體系測定3次ζ-電位值，取平均值。

1.5.3 蛋白質含量的測定

參照Torten等[15]的方法使用雙縮脲法測定凝膠用水中蛋白質含量。

1.6 色差

使用手持式色差儀測定其L*、a*、b*值，其中L*為明度值，a*為紅度值，b*為黃度值，每個批次取3顆魚丸，每顆魚丸表面取3個不同的位置進行測定，最終結果取平均值。

1.7 SDS-PAGE

用5%的檸檬酸將凝膠用水的pH調至等電點，沉淀其中蛋白質后離心、透析脫鹽、凍干。將蛋白質重新溶解后，用雙縮脲法測定蛋白質濃度，將濃度調整至2 μg/μL后，以3∶1(v/v)的比例與上樣緩沖液混合后置于沸水浴加熱10 min。取20 μL凝膠用水蛋白和同濃度的蛋清蛋白上樣至SDS-PAGE(4%濃縮膠，10%分離膠)。在80 V電壓下使樣品通過濃縮膠，120 V電壓下使樣品到達分離膠底部?？捡R斯亮藍R250染色SDS-PAGE 1 h后，用脫色液[25%乙醇 (v/v)和 8% 乙酸溶液(v/v)]脫色至底色接近透明，拍照保存[16]。

1.8 質譜鑒定

取100 mg蛋白凍干粉樣品，用8 mol/L尿素將體積調節(jié)為100 mL。取0.1 mL蛋白溶液加入2 μL 0.5 mol/L的磷酸三氯乙酯，37 ℃下靜置1 h，再向其中添加4 μL 1 mol/L碘乙酰胺，室溫下避光反應40 min。再按樣品∶丙酮為1∶5(v/v)的比例向其中加入-20 ℃預冷丙酮，-20 ℃靜置過夜。隨后在12 000 r/min, 4 ℃下高速離心20 min，棄去上清液。向沉淀中加入1 mL -20 ℃預冷丙酮，混勻，高速離心(12 000 r/min, 20 min, 4 ℃)后棄去上清，并重復2次。室溫干燥至沉淀表面丙酮完全揮發(fā)，將其重新溶于100 μL 100 mmol/L 三乙胺-碳酸緩沖液中，按酶∶蛋白為1∶50(m/m)向其中加入胰蛋白酶，37 ℃過夜酶解。C18柱除鹽后凍干。

將樣品復溶于水后經Nano-HPLC-MS/MS鑒定凝膠用水中的蛋白質組成。樣品上樣量為3 μL(分析柱：Acclaim PepMap C18, 75 μm x 25 cm)，柱流量控制在300 nL/min，柱溫為40 ℃，電噴霧電壓2 kV，色譜梯度如表1所示(流動相A相：0.1% 甲酸水溶液；B相：含0.1%甲酸的乙腈溶液)。

表1 流動相梯度設置表Tab.1 Mobile phase gradient setting table

質譜儀在數據依賴采集模式下運行，自動在MS和MS/MS采集間切換。質譜參數設置如下：MS：掃描范圍(m/z)=350～1 800；分辨率=70 000； C-trap最大容量(AGC target)=3×106; 最大注入時間=50 ms；MS/MS：分辨率=17 500；C-trap最大容量(AGC target)=1×105; 最大注入時間=45 ms; 碰撞能量=28 eV。

設置搜庫參數，串聯(lián)質譜圖用PEAKS Studio version X+ 軟件分析。PEAKS DB對鰱、雞肉和大豆3個數據庫，名稱分別為uniprot_Hypophthalmichthys_molitrix、Gallus_gallus、glycine_max進行搜庫，設置條件為trypsin酶解。碎片離子質量容許誤差：0.02 Da，母離子質量容許誤差：7×10-6，最大漏切數：2[17]。

1.9 蛋清處理凝膠用水實驗

設置6組凝膠用水：(1)未經任何處理的純凈水組；(2)pH調至4.35組；(3)添加20 g蛋清組(卵白蛋白濃度為 2 mg/mL)；(4)添加20 g蛋清調pH組(卵白蛋白濃度為 2 mg/mL，pH 4.35)；(5)添加40 g蛋清組(卵白蛋白濃度為 4 mg/mL)；(6)添加40 g蛋清組調pH組(卵白蛋白濃度為 4 mg/mL，pH 4.35)。分別用以上6組凝膠用水制作油炸魚丸，并進行油炸魚丸表面性狀的感官評價。

1.10 感官評價

隨機選取10粒不同批次的魚丸，由9名受過專門培訓的感官評定小組人員參照圖1和表2的評價標準進行感官評價。

表2 油炸魚丸的表面感官評價標準Tab.2 Standard of surface sensory evaluation of fried silver carp balls

圖1 油炸魚丸的表面劣化現象 (a)較優(yōu)性狀 (b)表面空洞 (c)表面皺縮Fig.1 Surface degradation of fried fish balls(a)superior properties (b) surface holes (c) surface shrinkage

1.11 數據統(tǒng)計與分析

使用Microsoft Excel 2019分析各項數據指標，結果使用平均值±標準差表示，顯著性分析使用SPSS 21.0的單因素方差分析(one-way ANOVA)，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 工廠和實驗室生產過程中不同循環(huán)次數凝膠用水pH、蛋白質含量、等電點的變化

由圖2(a)和(d)可知，工廠和實驗室條件下的凝膠用水pH隨著生產批次的增加而逐漸下降，工廠條件下pH由初始值7.25(第1批)逐步降至4.35(第7批)，實驗室條件下凝膠用水的pH從第1批的7.10逐漸下降至第8批的6.89后趨于平緩。pH的迅速下降可能是因為凝膠用水中蛋白質、淀粉、油脂等營養(yǎng)物質的不斷積累使得微生物繁殖產酸。張月美等[18]的研究表明pH會影響肌原纖維蛋白的聚集，在pH為6.00時肌原纖維蛋白可形成較好的凝膠結構。Tan等[19]的研究顯示pH降低會破壞肌原纖維蛋白的二級和三級結構，暴露部分疏水基團，從而造成肌原纖維蛋白的聚集。由此推測pH的迅速下降可能會影響魚丸表面肌原纖維蛋白的交聯(lián)，使蛋白質-水相互作用減弱，蛋白質無法大面積展開，水分流失，表面性狀劣化。圖2(b)和(e)顯示凝膠用水中的蛋白質濃度隨著生產批次的增加而逐漸上升，但工廠中第5批和第6批之間的蛋白質含量呈現了顯著下降。這可能是因為第5、6批凝膠用水的pH在4.50左右，達到了蛋白質等電點，從而造成蛋白質的絮凝，降低了水中蛋白質含量。如圖2(c)和(f)所示，在一天的凝膠過程中，工廠凝膠用水的等電點在4.56浮動。研究表明，肌原纖維蛋白的等電點范圍為5.00～5.20[20]，卵白蛋白在pH 4.50時到達等電點附近，卵轉鐵蛋白的等電點在6.50左右[21-22]，此時其溶解度最小，易沉淀析出。因此，凝膠用水中的蛋白可能是源于魚丸中蛋清的卵白蛋白，但還需要通過凝膠電泳和質譜技術進一步鑒定。

圖2 工廠和實驗室條件下各批次凝膠用水的pH、蛋白質含量和等電點變化Fig.2 Changes in pH、the content of protein and isoelectric point of each batch circulating water of factory

2.2 實際生產過程中不同批次油炸魚丸色澤、感官評價以及表面性狀的變化

油炸主要是為了改善食品色澤以及風味，在高溫油炸條件下，油炸食品表面發(fā)生美拉德反應，呈現出金黃色或棕黃色的誘人色澤，同時食物會吸附油炸中產生的風味物質，賦予食物特殊的炸制香味[23]。油炸期間，食品發(fā)生水油置換，水分蒸發(fā)、油分進入的過程導致食品表面干燥形成硬殼。如圖3所示，隨著生產批次的增加，油炸魚丸的表面明度值先升高后降低，而紅度值和黃度值均在前3批之后顯著降低(P<0.05)，這表明在剛開始生產時，油炸魚丸色澤較深，之后隨著第3批魚丸生產，凝膠用水的pH迅速降至5.00以下，油炸魚丸的色澤也隨之下降。而魚丸的顏色在第6批時紅度值和黃度值有顯著升高(P<0.05)。這可能歸因于第5批魚丸生產后的凝膠用水中的pH趨于蛋白質等電點，導致蛋白質發(fā)生絮凝。由圖4可知，隨著凝膠用水循環(huán)利用次數的增加，工廠生產的油炸魚丸的表面性狀評分均呈現先增高后降低的趨勢，第3批的整體表面評分最高。圖5也顯示，油炸魚丸的表面孔洞和凹陷隨著凝膠用水循環(huán)次數的增加而逐漸明顯。魚丸表面色差以及表面感官評分的變化趨勢與pH值下降趨勢相吻合，與循環(huán)水中的蛋白質含量相反，因此推測凝膠過程中，循環(huán)水的pH下降及蛋白質含量增加是影響油炸過程中油炸魚丸表面上色情況以及表面感官性狀的關鍵因素。

圖3 工廠各批次油炸魚丸的明度(a)、紅度(b)、黃度(c)變化注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Fig.3 Changes in brightness(a)、redness(b)、yellowness(c) of each batch of fried silver carp balls of factoryNote：Different letters represent significant difference.

2.3 聚丙烯酰胺凝膠電泳分析

如圖6所示，凝膠用水中經等電點沉淀后的蛋白質聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)有4個豐度較高的條帶，分別在17、36、42和75 kDa附近，其中在42 kDa的條帶豐度最高，蛋清蛋白在42 kDa和75 kDa 的條帶豐度較高。肖娜等[24]和吳燁婷等[25]的研究結果均顯示卵白蛋白分子量45 kDa 左右，卵轉鐵蛋白分子量77 kDa 左右，因此凝膠用水中42 kDa 和75 kDa的條帶可能為卵白蛋白和卵轉鐵蛋白，但還需進一步質譜鑒定。

圖5 實驗室各批次魚丸油炸后的表面性狀Fig.5 Surface properties of each batch of fried silver carp balls of laborary

圖6 凝膠用水中沉降蛋白和蛋清中蛋白的SDS-PAGE分析圖Fig.6 SDS-PAGE analysis of protein in circulating water and egg white

2.4 質譜分析

經前期質控后篩選出999種可能存在的蛋白質，結合SDS-PAGE電泳結果(圖6)，篩選出峰面積>1×109且分子量在17、36、42和75 kDa附近的蛋白，結果如表3，其中卵白蛋白峰面積為4.69×1010，肽段含量為236，特殊肽段覆蓋率高達99%；2種卵轉鐵蛋白峰面積分別為6.78×109和1.92×109，肽段含量分別為118和117，特殊肽段覆蓋率分別為80%和77%。以上結果表明，凝膠用水中積累的蛋白質主要是魚丸中溶出的卵白蛋白。蛋清是制作魚糜制品的常用外源添加物，可以輔助增強魚丸的彈性和質構特性[26]。卵白蛋白是蛋清的主要蛋白之一，約占蛋清蛋白總量的54%。研究表明，卵白蛋白可能是決定油炸魚丸表面結構特性的關鍵蛋白[27]。魚丸凝膠結構是否穩(wěn)定主要與蛋白變性和聚集的相對速率有關，當蛋白質展開速度超過聚集速度時易形成細密的網絡結構，而當其聚集速率超過展開速率時則會偏向于形成較為粗糙的、蛋白排列雜亂的凝膠結構[28]。隨著凝膠過程中循環(huán)水利用次數的增加，卵白蛋白溶出量不斷增多，魚丸表面的蛋白組成和結構發(fā)生改變。高溫油炸條件下導致魚丸表面水分大量流失，從而形成孔洞和發(fā)生皺縮。

2.5 蛋清處理凝膠用水驗證實驗

為驗證含有卵白蛋白和低pH凝膠用水對油炸魚丸表面性狀劣化的影響，用添加了蛋清和調低pH的凝膠用水制作魚丸并對魚丸表面性狀進行感官評價來判定魚丸表面性狀劣化程度，結果如圖7所示。在凝膠用水中添加蛋清和調低pH都會引起油炸魚丸表面性狀的劣化，導致油炸魚丸表面孔洞、開裂、皺縮，使色澤評分以及整體表面評分降低。蛋清添加量越高，評分越低。其中，添加40 g蛋清組的表面孔洞最多，表面皺縮程度最大，且整體表面評價最低。與純凈水pH 7.00組相比，調節(jié)pH至4.35組整體表面評分顯著降低，這表明pH降低會導致油炸魚丸表面形成孔洞和產生開裂現象，降低表面色澤。因此認為在凝膠用水中添加蛋清或者降低pH確實會造成油炸魚丸表面性狀劣化，使得魚丸發(fā)生表面孔洞、皺縮、開裂現象，影響其感官品質，降低油炸魚丸的產品質量[29-30]。

表3 凝膠用水中蛋白質譜分析結果Tab.3 Results of protein mass spectrum analysis in circulating water

圖7 不同處理組油炸魚丸表面感官評價結果對比Fig.7 Comparison of surface sensory evaluation of fried silver carp balls in different treatment groups

3 結論

本研究為解決循環(huán)凝膠用水生產魚丸油炸后表面劣化問題，在實驗室條件下模擬工廠中油炸魚丸生產過程，證實了凝膠用水中的蛋白含量和pH降低可能是造成魚丸表面劣化的關鍵因素，利用SDS-PAGE和質譜技術，確定了循環(huán)凝膠用水中的蛋白主要是源于蛋清的卵白蛋白。這為解決油炸魚丸生產企業(yè)產品表面性狀劣化問題提供了理論支持。為解決這一問題，未來魚丸生產企業(yè)可以考慮通過降低蛋清使用量、尋找蛋清蛋白替代品以及在生產過程中實時調節(jié)凝膠用水pH的方式來改善油炸魚丸后期的表面劣化現象。