魔芋膠對豬肉肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性的調(diào)控機制：基于相分離行為和水相穩(wěn)定

羅程，王緩，陳銀基，李超，莊昕波

魔芋膠對豬肉肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性的調(diào)控機制：基于相分離行為和水相穩(wěn)定

1南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023；2雨潤集團肉品加工與質(zhì)量控制國家重點實驗室，南京 210041

【目的】研究魔芋膠對豬肉肌原纖維蛋白微觀結(jié)構(gòu)和相分離結(jié)構(gòu)的影響，進而闡釋魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性的調(diào)控機制，為魔芋膠在低脂香腸中的應(yīng)用提供理論支撐。【方法】試驗以添加不同比例魔芋膠-肌原纖維蛋白為模擬體系，測定模擬體系的質(zhì)構(gòu)和發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)力應(yīng)變、復(fù)合凝膠的水分分布和持水力，觀察魔芋膠和肌原纖維蛋白的相分離行為以及肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)?！窘Y(jié)果】當(dāng)魔芋膠的添加比例＜0.8%時，隨著添加比例的提高，復(fù)合蛋白凝膠的凝膠強度、儲能模量終值和發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)力分別顯著提高到179.21 g、1 192 Pa和9 139.37 Pa（＜0.05）。當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時，隨著添加比例的提高，復(fù)合蛋白凝膠的凝膠強度、儲能模量、斷裂形變時的應(yīng)力和應(yīng)變分別顯著降至83.03 g、566 Pa、4 964.07 Pa和0.64（＜0.05）。低場核磁結(jié)果顯示在魔芋膠添加比例＜0.8%時，復(fù)合凝膠體系不易流動水的弛豫時間和自由水所占百分比隨添加比例的提高顯著降低（＜0.05），而不易流動水所占百分比顯著提高（＜0.05），同時復(fù)合凝膠的持水力由對照組的67.18%顯著提高到80.47%（＜0.05）。魔芋膠高比例添加（≥0.8%）顯著提高了不易流動水的弛豫時間和自由水所占百分比（＜0.05），而不易流動水所占百分比顯著降低（＜0.05），同時持水力顯著降低到55.24%（＜0.05）。石蠟切片顯示魔芋膠以物理填充的形式鑲嵌在復(fù)合蛋白凝膠骨架中，并形成大量的大小和形狀各異的空洞。掃描電鏡顯示對照組蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空洞與溝壑填充了大量水相。魔芋膠在添加比例＜0.8%時，能夠減少蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中相互交錯的水溝壑，使蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密均一。魔芋膠高比例添加（≥0.8%）會增加體系中水溝壑的數(shù)量與體積，致使復(fù)合凝膠微觀結(jié)構(gòu)更加松散。同時，圖像處理分析結(jié)果顯示，添加0.4%魔芋膠的復(fù)合蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分形維度2.809為最高（＜0.05），而缺項值0.264為最低（＜0.05）。【結(jié)論】低濃度魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性有顯著改善效果，魔芋膠的添加比例上限為0.4%，高比例的添加（≥0.8%）會使復(fù)合蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)劣變。

魔芋膠；凝膠特性；質(zhì)構(gòu)；肌原纖維蛋白

0 引言

【研究意義】以乳化香腸為代表的凝膠類肉制品因具有誘人的風(fēng)味和良好的口感特性，深受我國消費者的喜愛。然而，乳化香腸含有近30%的動物脂肪，其富含飽和脂肪酸和膽固醇[1]。高脂肪飲食會顯著增加罹患脂肪肝、高血脂、冠心病等心血管疾病的風(fēng)險[2]。根據(jù)美國食品和藥物管理局（FDA）及英國農(nóng)業(yè)儀器安全與檢測部（USDA-FSIS）的標(biāo)準(zhǔn)，長期低脂肉制品（脂肪含量不高于10%）攝入能有效改善身體健康狀況[2]。因此，本研究旨在添加魔芋膠降低乳化香腸的脂肪含量，改善低脂香腸的口感和質(zhì)構(gòu)，同時闡釋魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性和持水特性的影響機制。為滿足消費者的健康飲食需求，推動肉制品加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，肉類行業(yè)已經(jīng)著手創(chuàng)新低脂肉類產(chǎn)品配方，而黏性多糖則被認為是當(dāng)前改善低脂產(chǎn)品口感劣變的最佳脂肪替代物之一[3]。黏性多糖是一類分子主鏈結(jié)構(gòu)為葡甘聚糖或甘露聚糖，能溶于水形成高黏度溶液甚至粘膠的多糖的總稱。常見黏性多糖包括黃原膠、卡拉膠、瓜爾膠等?！厩叭搜芯窟M展】近年來，研究人員專注于利用黏性多糖作為脂肪替代品來改善低脂香腸的凝膠特性。研究表明，在加熱誘導(dǎo)凝膠化過程中，肌原纖維蛋白受熱變性，部分吸附的水分會滲出，滲出發(fā)生在蛋白質(zhì)內(nèi)部，形成大量空洞與溝壑，統(tǒng)稱為水溝壑[3]。KIM等[4]把大豆皮果膠以一定比例添加到低脂香腸中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比對照組，添加大豆皮果膠的水相穩(wěn)定作用占主導(dǎo)地位，香腸中水相所占溝壑體積減小，蛋白質(zhì)的聚集度大幅提高，低脂香腸蒸煮損失降低，彈性、回復(fù)性增強，其質(zhì)構(gòu)特性和感官評價均保持較高水平。因此，利用多糖替代脂肪能夠有效改善低脂凝膠肉制品感官質(zhì)構(gòu)，然而其潛在的調(diào)控機制尚不清楚。低脂凝膠肉制品本質(zhì)是以熱誘導(dǎo)蛋白凝膠為骨架結(jié)構(gòu)，以多糖作為主要填相、蛋白基質(zhì)為連續(xù)相的復(fù)合物[3]。從骨架結(jié)構(gòu)角度看，肌球蛋白受熱變性后在疏水作用下聚集成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其聚集交聯(lián)易受到其他因素的影響，包括添加物（交聯(lián)劑和填充劑）、pH和離子強度等因素。CUI等[5]研究豬肉蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，不穩(wěn)定水相在蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成相互交錯的水溝壑使蛋白整體性的崩析導(dǎo)致持水力下降和硬度劣化。從填充結(jié)構(gòu)角度看，膳食纖維和肌球蛋白因熱力學(xué)不相容形成相分離微觀結(jié)構(gòu)。分散相的儲能模量和空間分布（均勻分布或絮凝分布）均會影響最終復(fù)合凝膠微觀結(jié)構(gòu)。ZHAO等[6]研究了蛋清蛋白—多糖相分離對復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)影響，激光共聚焦顯示隨著卡拉膠的濃度提高，復(fù)合凝膠從蛋清蛋白連續(xù)相結(jié)構(gòu)、到蛋清蛋白多糖共連續(xù)相結(jié)構(gòu)、到蛋清蛋白絮凝結(jié)構(gòu)、到卡拉膠連續(xù)相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，相分離結(jié)構(gòu)的變化顯著影響最終凝膠質(zhì)構(gòu)?！颈狙芯壳腥朦c】魔芋膠是一種可溶性膳食纖維，其黏度較高，是一種天然的食品添加劑。魔芋膠具有良好的親水特性，并能夠通過氫鍵形成具有黏彈特性的水凝膠[7]，而魔芋膠作為親水膠體如何去穩(wěn)定和規(guī)劃不穩(wěn)定水相值得深入研究。隨著魔芋膠的添加比例提高，魔芋膠-肌原纖維蛋白復(fù)合凝膠體系會形成蛋白連續(xù)相結(jié)構(gòu)、到蛋白多糖共連續(xù)相結(jié)構(gòu)、卡拉膠連續(xù)相結(jié)構(gòu)的相分離結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。因此，當(dāng)魔芋膠作為脂肪替代物運用在低脂凝膠肉制品時，其水相穩(wěn)定和相分離行為分別如何調(diào)控復(fù)合蛋白凝膠的凝膠特性和持水特性還需深入研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】以添加不同比例魔芋膠-肌原纖維蛋白為模擬體系，測定體系的動態(tài)流變學(xué)特性、質(zhì)構(gòu)特性和斷裂形變時的應(yīng)力應(yīng)變，通過低場核磁測定體系中不同水分的分布、比例以及弛豫時間，通過石蠟切片觀察魔芋膠在體系基質(zhì)中的空間分布，通過掃描電鏡觀察體系網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)，探究魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性的影響。

1 材料與方法

試驗于2021—2022年在南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院和雨潤集團肉品加工與質(zhì)量控制國家重點實驗室進行。

1.1 材料與試劑

豬里脊肉購于南京華潤蘇果超市（長白豬，12月齡，公豬，宰后成熟24 h，4℃），氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙酸（Ethylene glycol bis (2-aminoethyl ether) tetraacetic acid，EGTA）、碳酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鎂、戊二醛、多聚甲醛、脫脂棉紗布，購于南京丁貝生物試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；DHG-90338S-Ⅲ烘箱，中國上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司；PHS-3C pH計，瑞士METTLER公司；T25DS25I KA均質(zhì)機，德國IKA有限公司；GL-21M高速冷凍離心機，上海耐圣卡蘭實業(yè)有限公司；CM-500d色度計，日本美能達公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；MCR301流變儀，奧地利Anon Paar公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro systems公司；Axio Lab. A1正置熒光顯微鏡，德國Olympus Optical公司；FEI Quanta 200掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 肌原纖維蛋白的提取和復(fù)合蛋白凝膠體系的制備 將豬里脊的結(jié)締組織和脂肪剔除，用絞肉機攪碎成肉糜，置于-18℃冰箱儲藏備用。肌原纖維蛋白的提取參照HAN[8]的方法，并略作調(diào)整。具體方法如下：取50 g肉糜和4倍體積的磷酸緩沖溶液（10 mmol·L-1NaH2PO4/Na2HPO4，0.1 mol·L-1NaCl，2 mmol·L-1MgCl2，1 mmol·L-1EGTA，pH 7.0，4℃）于500 mL離心瓶內(nèi)混合均質(zhì)（8 000×，30 s）。均質(zhì)后的混合溶液用雙層紗布過濾后離心（4 000×，10 min，4℃），取沉淀。上述過程重復(fù)3遍，最終離心后沉淀物即為肌原纖維蛋白(myofibrillar protein，MP)。參照HAN[8]的方法，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白，采用雙縮脲法測定肌原纖維蛋白濃度，雙縮脲標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程的決定系數(shù)2=0.9813。蛋白濃度稀釋至50 mg·mL-1（0.6 mol·L-1NaCl，pH 7.0）后，將魔芋膠添加到肌原纖維蛋白溶液中。依據(jù)肌原纖維蛋白溶液總質(zhì)量，魔芋膠添加比例分別為：0、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%和1.2%（其中0為對照組）。用玻璃棒攪拌混合體系5 min，以確保魔芋膠在肌原纖維蛋白溶液體系中呈均勻分布。取部分樣品放入80℃的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱30 min后取出，待冷卻至室溫后置于4℃冰箱儲存，剩余樣品用于動態(tài)流變測定。

1.3.2 色差 使用CM-500d色度計對復(fù)合蛋白凝膠切塊進行測定，每個樣品測定5次。其中L*代表亮度值，a*代表紅度值，b*代表黃度值。

1.3.3 持水力 取5 g凝膠樣品于10 mL離心管內(nèi)離心（10 000×，10 min，4℃），持水力為復(fù)合蛋白凝膠樣品離心后的質(zhì)量占離心前質(zhì)量的百分比。每個樣品測定5次。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性 參照WU等[9]的方法，利用TA-XT plus型質(zhì)構(gòu)儀，將復(fù)合蛋白凝膠切割成高度為2 cm的圓柱體用于TPA測定。具體參數(shù)設(shè)置如下：探頭型號為P36R，測試前速度為2.0 mm?s-1，測試速度為2.0 mm?s-1，測試后速度為2.0 mm?s-1，觸發(fā)力為5 g，壓縮比為30%。

1.3.5 形變特性 參照ZHUANG等[10]的方法測定復(fù)合蛋白凝膠的形變特性。將復(fù)合凝膠切割為直徑2 cm、高度2 cm的圓柱體，使用質(zhì)構(gòu)儀測定樣品的復(fù)合凝膠的形變特性。具體參數(shù)設(shè)置如下：質(zhì)構(gòu)探頭型號為P0.5，下降速度為2.0 mm?s-1，測試速度為1.0 mm?s-1，上升速度為2.0 mm?s-1，壓縮比為90%。

復(fù)合蛋白凝膠發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)變計算公式為：

式中，0：凝膠的初始高度；：凝膠發(fā)生斷裂形變時的壓縮高度。

復(fù)合蛋白凝膠發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)力計算公式為：

式中，：壓縮過程中所測得的力的大??；：凝膠接觸探頭的表面積。

1.3.6 流變特性 參照JIANG等[11]的方法使用流變儀測定魔芋膠-肌原纖維蛋白溶液體系的動態(tài)流變特性。將樣品均勻涂抹于測試平臺上，所用夾具型號為PP50平板，夾具和平臺間隙設(shè)定為1 mm，夾具外周涂抹一圈硅油以減少水分蒸發(fā)，并蓋上防蒸發(fā)罩。動態(tài)升溫流變特性參數(shù)設(shè)置如下：應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1 Hz，從20℃升溫至80℃，升溫速率為2℃?min-1[12]。記錄儲能模量的變化情況，每個樣品重復(fù)測定3次。

1.3.7 低場核磁 使用PQ001型號紐邁低場核磁共振儀對凝膠樣品進行測定，質(zhì)子共振頻率為22.3 MHz，樣品的測試溫度為32℃，采用的測試算法為CPMG序列（carr-purcell-meiboom-gill sequence）[13]。具體測試參數(shù)如下：90°脈沖和180°脈沖時間間隔為250 μs，回波次數(shù)12 000，采樣重復(fù)次數(shù)為16次。對所測定的CPMG弛豫時間進行擬合。本試驗對弛豫時間先進行3組分?jǐn)M合，根據(jù)3組分算法所得的結(jié)果為：生成的弛豫時間圖；3個不同水分組分的弛豫初始時間，峰值時間和結(jié)束時間以及3個不同水分組分對應(yīng)的峰面積和所占比例。為了方便描述，弛豫圖第i個組分的峰值時間作為弛豫時間，用T2i表示，而第i個組分峰面積所占總積分面積的百分比用符號PT2i表示。

1.3.8 微觀結(jié)構(gòu)

1.3.8.1 石蠟切片 將凝膠樣品切割成側(cè)面積為1 cm2的長方體，并用4%的多聚甲醛進行結(jié)構(gòu)固定。固定后的樣品用不同濃度酒精依次進行洗脫。洗脫后進行石蠟包埋，切片后用HE染色，染色后的樣品用石蠟封裝于載玻片內(nèi)。每個樣品分別選取5個區(qū)域用正置熒光顯微鏡放大200倍觀察切片的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.8.2 掃描電鏡 將凝膠樣品切割成側(cè)面積為1 cm2的長方體，并用2.5%的戊二醛進行固定。固定48 h后用磷酸緩沖溶液對樣品進行多次漂洗，用不同濃度酒精對樣品進行脫水。脫水干燥后的樣品粘于金屬臺上進行噴金鍍膜。用FEI Quanta 200掃描電鏡進行放大2 000倍觀察，加速電壓為20 kV。每個樣品分別選取5個區(qū)域進行觀察。將經(jīng)過灰度處理的掃描電鏡圖像導(dǎo)入imageJ，對蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行分維分析和缺項分析[14]。

分維分析反映不規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)占有空間的有效性[2]。分形維度基于下列方程的計算得出：

式中，：不同尺寸網(wǎng)格中所包含的像素數(shù)量；：網(wǎng)格的大小尺寸。

缺項分析是反映凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中水分空穴或溝壑的均一程度[5]。缺項分析基于下列方程計算得出：

式中，：所有大小網(wǎng)格內(nèi)目標(biāo)像素數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)差；：所有大小網(wǎng)格內(nèi)目標(biāo)像素數(shù)量的平均值。

1.3.9 數(shù)據(jù)分析 試驗所有數(shù)據(jù)以IBM SPSS Statistics 26統(tǒng)計軟件進行分析，利用ANOVA進行方差分析，Duncan’s進行多重比較分析。采用Origin 2019b繪圖軟件進行圖像繪制，采用ImageJ v1.8.0_172（Wayne Rasband and Contributors, National Institutes of Health, USA）和Frac_Lac v2015_15_Sept插件進行分維分析和缺項分析。

2 結(jié)果

2.1 色差和持水力

如圖1所示，隨著魔芋膠添加比例的提高，復(fù)合蛋白凝膠的亮度值顯著降低（＜0.05），由對照組的71.63降至最終的61.31，降幅達到14.41%，這可能是魔芋膠本身呈灰白色所致。當(dāng)魔芋膠添加比例＜0.8%時，復(fù)合蛋白凝膠的黃度值逐漸升高；而當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時，凝膠體系的黃度值降低。而肌原纖維蛋白凝膠的紅度值并未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。復(fù)合蛋白凝膠持水力的變化如圖1所示，魔芋膠的添加比例對肌原纖維蛋白凝膠的持水力有顯著影響（＜0.05）。在魔芋膠添加比例為0.4%時，魔芋膠-肌原纖維蛋白復(fù)合凝膠的持水力由67.18%顯著提高到80.47%（＜0.05）；但當(dāng)魔芋膠的添加比例≥0.8%時，復(fù)合蛋白凝膠的持水力急劇下降，甚至顯著低于對照組（＜0.05）。

2.2 質(zhì)構(gòu)特性

質(zhì)構(gòu)特性能夠反映出凝膠品質(zhì)的高低，測試結(jié)果如表1所示。在魔芋膠添加比例＜0.8%時，隨著魔芋膠添加比例的提高，復(fù)合蛋白凝膠的凝膠強度由對照組的113.24 g顯著提高到179.21 g（0.4%處理組）（＜0.05），增幅達到58.26%；而當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時，凝膠強度急劇下降，最終降至83.03 g顯著低于對照組（＜0.05）。隨魔芋膠添加比例增加，凝膠強度的變化趨勢與圖1持水力相同。

不同小寫字母表示不同添加比例組之間存在顯著差異（P＜0.05）。下同

表1 魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)、分形維度和缺項值的影響

不同小寫字母表示不同添加比例組之間存在顯著差異（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant differences (＜0.05) between groups with different addition ratios. The same as below

2.3 形變特性

將質(zhì)構(gòu)儀所測定的結(jié)果通過公式模型轉(zhuǎn)化成復(fù)合蛋白凝膠在發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)力和應(yīng)變。如圖2所示，隨著魔芋膠添加比例的提高，復(fù)合凝膠斷裂形變時的應(yīng)變發(fā)生了顯著的降低（＜0.05），對照組斷裂形變時的應(yīng)變?yōu)?.93，是所有處理組中最高值。而復(fù)合凝膠在發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)力在魔芋膠添加比例＜0.8%時持續(xù)提高，由對照組的5 734.89 Pa顯著提高到9 139.37 Pa（＜0.05），但當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時顯著降低，最終顯著低于對照組，與質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果相吻合。

2.4 動態(tài)升溫流變特性

圖3顯示不同添加比例的魔芋膠對肌原纖維蛋白熱凝膠過程中儲能模量（G'）的影響，曲線顯示G'隨著溫度升高經(jīng)歷了先上升再下降最后再升高的過程。當(dāng)魔芋膠添加比例為0—0.4%時，隨著溫度升高G'最終值均顯著高于其初始值；當(dāng)魔芋膠添加比例為0.8%—1.2%時，隨著溫度升高G'最終值均顯著低于其初始值。如表1所示當(dāng)魔芋膠添加比例＜0.8%，隨著添加比例增大，復(fù)合體系G'終值顯著增加（＜0.05）；處理組（0.4%）的最終G'值（1 192 Pa）相比對照組（889 Pa）增長了34.08%。而當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%，最終G'值顯著降低至566 Pa（＜0.05）。

2.5 低場核磁

在復(fù)合蛋白凝膠體系中，根據(jù)水分的弛豫時間將水分劃分為3類：1）T2b（結(jié)合水），這部分水能夠和蛋白分子緊密地結(jié)合在一起；2）T21（不易流動水），這部分水主要被束縛于蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中；3）T22(自由水)，這部分水不受凝膠體系束縛，可以自由流動。如表2所示，魔芋膠的添加并沒有規(guī)律性地影響凝膠體系中結(jié)合水的弛豫時間（T2b）和相對百分比（P2b）。但是在魔芋膠添加比例＜0.8%時，隨著魔芋膠添加比例提高，不易流動水的弛豫時間（T21）由349.94 ms顯著降低至251.61 ms，而百分比（PT21）由78.51%顯著增加至89.87%，同時自由水的百分比（PT22）由17.02%顯著降低至7.64%（＜0.05）。不易流動水的弛豫時間越低，說明凝膠體系對水分的束縛能力越強[8]。證明魔芋膠的添加能夠改善復(fù)合蛋白凝膠結(jié)構(gòu)，使其對水分的束縛能力增強，束縛水分的比例增多。而當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時，與上述結(jié)果相反，此變化趨勢也與持水力結(jié)果相吻合。

圖2 魔芋膠對復(fù)合凝膠斷裂形變時應(yīng)力應(yīng)變的影響

圖3 魔芋膠對肌原纖維蛋白熱凝膠過程中儲能模量的影響

2.6 微觀結(jié)構(gòu)

圖4顯示的是添加不同比例魔芋膠復(fù)合蛋白凝膠的石蠟切片結(jié)果。圖中紅色部分為染色后的肌原纖維蛋白，白色部分為復(fù)合蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成的空穴。當(dāng)魔芋膠添加比例＜0.8%時，隨著添加比例的提高，魔芋膠吸附水分后均勻分布在復(fù)合蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)中，相比對照組空洞與水壑?jǐn)?shù)量大量減少。當(dāng)魔芋膠添加比例為0.4%時，石蠟切片顯示空洞與水壑?jǐn)?shù)量最少，而肌原纖維蛋白染色最深，說明蛋白交聯(lián)程度最高。而當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時，復(fù)合蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)中大量的魔芋膠空洞相互貫通，形成了多條不規(guī)則的溝壑貫穿于復(fù)合蛋白凝膠體系中，肌原纖維蛋白骨架松散。當(dāng)魔芋膠添加比例為1.2%時，可見白色部分水壑極大程度地阻隔了肌原纖維蛋白間的相互交聯(lián)。

表2 魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠中不同組分水分的弛豫時間和相對百分比的影響

A：對照組；B：添加0.05%的魔芋膠；C：添加0.1%的魔芋膠；D：添加0.2%的魔芋膠；E：添加0.4%的魔芋膠；F：添加0.8%的魔芋膠；G：添加1.2%的魔芋膠

為了進一步觀察復(fù)合蛋白凝膠的結(jié)構(gòu)，對微觀結(jié)構(gòu)進行了掃描電鏡試驗。掃描電鏡清晰地顯示了魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的影響。如圖5所示，未添加魔芋膠對照組的肌原纖維蛋白呈粗絲狀，部分區(qū)域甚至呈現(xiàn)團狀結(jié)構(gòu)，形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在很多空洞（圖示黑色區(qū)域）[3]。圖像處理軟件分析結(jié)果顯示了各肌原纖維蛋白體系的分形維度和缺項值。分形維度越小，表明蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的相互交聯(lián)作用弱，結(jié)構(gòu)相對松散。缺項值越小，表明蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的水穴分布均一、大小相似，能夠間接地反映蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均一致密[15]。當(dāng)魔芋膠添加比例＜0.8%時，由圖5和表1可見隨著魔芋膠添加比例的提高，試驗組的分形維度由對照組的2.773顯著提高到2.809（＜0.05），而缺項值由對照組的0.326顯著降低至0.264（＜0.05）。而當(dāng)魔芋膠添加比例≥0.8%時，試驗組的分形維度由對照組的2.773顯著降低至2.756（＜0.05），而缺項值由對照組的0.326顯著提高到0.344（＜0.05）。

A：對照組；B：添加0.05%的魔芋膠；C：添加0.1%的魔芋膠；D：添加0.2%的魔芋膠；E：添加0.4%的魔芋膠；F：添加0.8%的魔芋膠；G：添加1.2%的魔芋膠

3 討論

3.1 魔芋膠影響肌原纖維蛋白的凝膠特性

本試驗中魔芋膠低比例添加（＜0.8%）顯著改善了肌原纖維蛋白的凝膠特性，而高比例添加（≥0.8%）反而使其凝膠特性劣化，甚至低于對照組。凝膠強度代表了肌原纖維蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚集程度[16]，質(zhì)構(gòu)特性反映出高比例添加魔芋膠會顯著降低復(fù)合蛋白凝膠的凝膠特性。在此前的相關(guān)研究中也出現(xiàn)過類似情形：將卡拉膠作為脂肪替代物添加到火雞香腸中，結(jié)果顯示，添加1.5%的卡拉膠可以顯著改善火雞香腸的質(zhì)構(gòu)，但當(dāng)卡拉膠添加比例超過1.5%時，香腸的持水力顯著下降[15]。這表明魔芋膠類似卡拉膠，對肌原纖維蛋白凝膠的改善作用有添加比例極限。復(fù)合凝膠的形變特性反映了凝膠在外力作用下的抗性，與凝膠肉制品的食用口感密切相關(guān)[17]。圖2所示斷裂形變時的應(yīng)力反映的是凝膠在咀嚼過程中的硬度，其與硬度呈正相關(guān)[18]；而應(yīng)變則是反映凝膠食品在咀嚼過程中的彈性，其與彈性呈正相關(guān)[19]。這表明魔芋膠的添加會降低肌原纖維蛋白凝膠的彈性，而低比例的添加能維持或增強其原有硬度。復(fù)合蛋白凝膠在加熱過程中主要經(jīng)歷3個階段：1）42—48℃，肌球蛋白頭部發(fā)生交聯(lián)形成二聚體，導(dǎo)致G'上升；2）54—58℃，肌球蛋白尾鏈發(fā)生降解，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的崩塌，進而G'下降；3）最后階段為60℃以后，肌球蛋白變性暴露的疏水基團發(fā)生交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，G'開始急劇上升[10,16,20]。從圖3可以看出魔芋膠的低比例添加（＜0.8%）并沒有改變G'發(fā)生轉(zhuǎn)變的3個階段溫度點，說明魔芋膠并沒有和肌原纖維蛋白發(fā)生共價交聯(lián)。而魔芋膠的高比例添加（≥0.8%）影響了第三階段G'的快速上升，這表明肌球蛋白變性暴露出的疏水基團位點大幅減少[16]，魔芋膠阻礙了疏水基團間的相互交聯(lián)，致使三維結(jié)構(gòu)松散，復(fù)合蛋白凝膠的質(zhì)構(gòu)發(fā)生劣變[21]。石蠟切片顯示了肌原纖維蛋白和魔芋膠在復(fù)合體系中的分布情況，結(jié)果表明魔芋膠僅僅物理鑲嵌在肌原纖維蛋白內(nèi)部的水壑中。此前有研究表明，在加熱過程中，肌原纖維蛋白受熱變性，部分吸附的水分會滲出，由于滲出發(fā)生在蛋白質(zhì)內(nèi)部并形成大量水壑[22]，這些水壑的形成導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏松[16]。掃描電鏡進一步展示了肌原纖維蛋白的微觀形態(tài)，對照組的肌原纖維蛋白多呈粗絲狀或團狀結(jié)構(gòu)，這說明在加熱過程中這些蛋白折疊結(jié)構(gòu)并未能充分展開[23]，大量的疏水基團依然包埋在分子內(nèi)部，進而導(dǎo)致在后續(xù)加熱過程中大量的疏水基團進行彼此交聯(lián)受阻[24]。添加魔芋膠0.4%試驗組的高分形維度和低缺項值表明肌原纖維蛋白逐漸展開呈細絲狀，促進了疏水基團直接的相互交聯(lián)，凝膠體系中的空洞面積減小，形成致密均一的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而添加魔芋膠1.2%處理組的低分形維度和高缺項值表明肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中數(shù)量多、體積大的空洞貫穿形成溝壑，致使疏水基團的交聯(lián)受阻，使復(fù)合蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松多孔[25]。

3.2 魔芋膠影響肌原纖維蛋白的保水特性

當(dāng)魔芋膠低比例添加時能改善肌原纖維蛋白的保水特性，而高比例的添加會降低其保水能力。魔芋膠對肌原纖維蛋白保水特性的影響反映為持水力和低場核磁水分分布的變化。相關(guān)文獻也曾報道過相似的碳水化合物對肌原纖維蛋白凝膠的影響[17]，有研究認為卡拉膠和魔芋膠等碳水化合物是以填充物的形式存在，填充在肌原纖維蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空隙中，從而改善體系中的水分分布和影響產(chǎn)品的最終品質(zhì)[18]。低場核磁結(jié)果也顯示體系中大量自由水向不易流動水轉(zhuǎn)化，這是肌原纖維蛋白保水特性發(fā)生變化的直接原因[26]。不易流動水的弛豫時間顯示了凝膠體系對水分的束縛能力，魔芋膠的添加能夠改變復(fù)合蛋白凝膠結(jié)構(gòu)，使其對水分的束縛能力和束縛水分的比例發(fā)生變化。而體系中自由水占比的變化證實了肌原纖維蛋白對水分的束縛能力發(fā)生改變，這與魔芋膠的相分離行為密切相關(guān)。

3.3 魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性的影響機制

根據(jù)前述試驗結(jié)果中水分在復(fù)合體系內(nèi)的分布情況，以及多組分之間的相分離行為，闡釋魔芋膠黏性多糖對復(fù)合蛋白凝膠結(jié)構(gòu)形成的影響機制如圖6所示。當(dāng)魔芋膠以較低比例添加（＜0.8%）時，其水相穩(wěn)定作用占主導(dǎo)地位，能吸附并穩(wěn)定肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的水分，減小體系中空洞和溝壑的體積。魔芋膠物理鑲嵌在體系內(nèi)部，規(guī)劃不穩(wěn)定的水相填充在水溝壑內(nèi)。相分離結(jié)構(gòu)時，魔芋膠作為填充結(jié)構(gòu)分布在蛋白網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)部，不僅沒有破壞原肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，還提高了其均一性和致密性，促進肌原纖維蛋白疏水基團在熱誘導(dǎo)過程中二級結(jié)構(gòu)由-螺旋向-折疊轉(zhuǎn)化[27]，提高了體系的蛋白聚集度，因而改善了復(fù)合凝膠的凝膠特性和保水特性。而體系中結(jié)合的不易流動水占比增加，不穩(wěn)定的自由水占比減少，進一步表現(xiàn)為凝膠強度、應(yīng)力和持水力的顯著提高（＜0.05）。當(dāng)魔芋膠以較高濃度添加（≥0.8%）時，其相分離行為作用占主導(dǎo)地位，吸附大量的水分使自身形成連續(xù)的黏性水凝膠，交錯貫穿在肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，增大了體系中空洞和溝壑的體積。相分離結(jié)構(gòu)時，魔芋膠自身形成水凝膠不再作為填充結(jié)構(gòu)，而是與肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)共同形成骨架結(jié)構(gòu)，而魔芋膠本身的結(jié)構(gòu)特性致使骨架結(jié)構(gòu)更加松散，破壞了原肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，阻礙了肌原纖維蛋白疏水基團的熱交聯(lián)作用，體系蛋白聚集度隨之下降。同時，魔芋膠水凝膠的形成使體系內(nèi)不穩(wěn)定自由水的占比增加，結(jié)合的不易流動水占比減少，進而破壞了復(fù)合凝膠的凝膠特性和保水特性，表現(xiàn)為凝膠強度、應(yīng)力、應(yīng)變和持水力的顯著降低（＜0.05）。

圖6 魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性和保水特性的調(diào)控機制

4 結(jié)論

當(dāng)魔芋膠添加比例＜0.8%時，其水相穩(wěn)定作用占主導(dǎo)地位，能顯著改善復(fù)合蛋白凝膠體系的質(zhì)構(gòu)。復(fù)合蛋白凝膠體系的亮度值、不易流動水的弛豫時間、自由水的百分比降低，持水力、凝膠強度提高。石蠟切片和掃描電鏡結(jié)構(gòu)顯示，魔芋膠的添加減少了復(fù)合蛋白凝膠體系中的空洞與溝壑，促進了疏水基團之間的熱交聯(lián)。當(dāng)魔芋膠以較高濃度添加（≥0.8%）時，其相分離行為作用占主導(dǎo)地位，增加了體系中水溝壑的數(shù)量與體積，持水力顯著降低，復(fù)合凝膠微觀結(jié)構(gòu)更加松散。因此，魔芋膠對肌原纖維蛋白凝膠特性有顯著改善效果，但魔芋膠的添加比例有極限且為0.4%，高比例的添加（≥0.8%）會使復(fù)合蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)劣變，研究結(jié)果為魔芋膠在低脂凝膠類肉制品的應(yīng)用提供了一定理論支撐。

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The Mechanism of Effects of Konjac Gum on the Gel Property and Water Holding Property of Pork Myofibrillar ProteinBased on Phase Separation Behavior and Moisture Stabilization

1College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety, Nanjing 210023;2State Key Laboratory of Meat Processing and Quality Control, Yurun Group, Nanjing 210041

【Objective】The purpose of this experiment was to study the effects of konjac gum on the microstructure and phase-separated structure of pork myofibrillar proteins, and then to explain the regulation mechanism of konjac gum on the gel property and water holding property of myofibrillar proteins. 【Method】The simulated system with different ratios of konjac gum and myofibrillar protein was used to measure the texture property, stress and strain during fracture deformation, the water distribution and water holding capacity of the composite gel, and to observe the phase separation behavior of konjac gum and myofibrillar protein and the microstructure of myofibrillar protein gel network. 【Result】When the addition ratio of konjac gum was less than 0.8%, the gel strength, final value of storage modulus and stress at fracture deformation of the composite protein gels significantly increased to 179.21 g, 1 192 Pa and 9 139.37 Pa respectively with the increase of the addition ratio (＜0.05). When the addition ratio of konjac gum was greater than or equal to 0.8%, the gel strength, storage modulus, stress and strain at fracture deformation of the composite protein gels significantly decreased to 83.03 g, 566 Pa, 4 964.07 Pa and 0.64 (＜0.05) respectively with the increase of the addition ratio. Low-field NMR results showed that the relaxation time and the percentage of free water in the composite gel system of immobilized water decreased significantly (＜0.05) with the increase of the addition ratio of konjac gum less than 0.8%, while the percentage of immobilized water increased significantly (＜0.05), and the water holding capacity of the composite gel increased significantly from 67.18% to 80.47% in the control group (＜0.05). In contrast, the high percentage addition of konjac gum (greater than or equal to 0.8%) significantly increased the relaxation time and the percentage of free water in the immobilized water (＜0.05), while the percentage of immobilized water significantly decreased (＜0.05), and the water holding capacity significantly decreased to 55.24% (＜0.05). Paraffin sections showed konjac gum was embedded in the composite protein gel backbone in a physically filled form with many cavities of various sizes and shapes. Scanning electron microscopy showed that the cavities and gullies in the protein gel network structure of the control group were filled with many moisture phases. The addition ratio of konjac gum less than 0.8% could reduce the interlocking water gullies in the protein network structure and make the protein gel network structure denser and more homogeneous. The high addition of konjac gum (greater than or equal to 0.8%) increased the number and volume of water gullies in the system, resulting in a looser microstructure of the composite gel. The results of image processing analysis showed that the fractal dimension of the composite protein gel network structure with 0.4% konjac gum was the highest (＜0.05), and the lowest (＜0.05) with the lacunary value of 0.264.【Conclusion】The low concentration of konjac gum on myofibrillar protein gel property and water-holding property had a significant improvement effect, but the upper limit of the addition of konjac gum ratio was 0.8%, because a high percentage of the addition (greater than or equal to 0.8%) would make the composite protein gel texture deteriorated.

konjac gum; gelation property; textural property; myofibrillar protein

2022-08-11；

2022-09-29

國家自然科學(xué)基金面上項目（31871822）、江蘇省自然科學(xué)青年基金項目（BK20210671，BK20210674）、江蘇高校自然科學(xué)項目（21KJA550002，20KJB550012）、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）

羅程，E-mail：412182384qq@gmail.com。通信作者莊昕波，E-mail：zhuangxb@nufe.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.09.013

（責(zé)任編輯 趙伶俐）