熱誘導(dǎo)下蛋清蛋白凝膠特性及其影響因素的研究進(jìn)展

◎ 黃永平，陳良輝，聶 瑩，劉亞群，鄭玉忠，李汴生

（1.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.韓山師范學(xué)院 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，廣東 潮州 521041）

1 蛋清蛋白的基本介紹

1.1 雞蛋組成

雞蛋是自然界中保存完好的生物制品之一，也是蛋白質(zhì)、脂類、維生素和礦物質(zhì)的最佳來源。雞蛋由蛋殼、蛋清和蛋黃3 部分組成，是天然理想食品。雞蛋中蛋清占比最高，可達(dá)60%，其中水和蛋白質(zhì)是其主要組成部分，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，將雞蛋具體組成進(jìn)行匯總[1]，如圖1 所示。

圖1 雞蛋組成部分圖

1.2 蛋清蛋白基本概述

蛋清中的蛋白質(zhì)含量較豐富，主要由卵清蛋白（Ovalbumin）、卵轉(zhuǎn)鐵蛋白（Ovotransferrin）、卵類粘蛋白（Ovomucoid）和溶菌酶（Lysozyme）等成分組成，不同類型的蛋清蛋白的功能特性也有很大的不同[2]。在相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，對蛋清蛋白基本組成進(jìn)行匯總[3]，詳見表1。

表1 雞蛋中蛋白質(zhì)組成及其特性表

2 蛋清蛋白的凝膠特性

凝膠化是蛋白質(zhì)重要的功能特性之一，是由變性蛋白分子聚集并形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。蛋清中的卵白蛋白、卵轉(zhuǎn)鐵蛋白和卵粘蛋白等成分為其凝膠形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，不同加工條件下形成的蛋清蛋白凝膠明顯不同，關(guān)于這方面的文獻(xiàn)報(bào)道非常多，是近幾年的研究熱點(diǎn)[4-5]。其中，加熱是最常見的一種加工方式，不僅可以殺滅有害細(xì)菌，保證食品安全，延長產(chǎn)品貨架期，有利于運(yùn)輸和儲存，適當(dāng)?shù)臒峒庸ぬ幚磉€有利于蛋清蛋白的消化吸收[6]。

研究表明，雞蛋蛋白的凝膠化過程主要有兩步。第一步涉及蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象變化或部分變性。在蛋白質(zhì)變性步驟中，通過物理（加熱）方式，蛋白質(zhì)分子展開，這導(dǎo)致了疏水基團(tuán)和“埋藏”的巰基暴露。這種二級結(jié)構(gòu)上的“疏水效應(yīng)”通常會導(dǎo)致α-螺旋結(jié)構(gòu)略有減少[7]。蛋清蛋白二級結(jié)構(gòu)的這些變化會對蛋清蛋白功能產(chǎn)生影響，從而影響膠凝能力和溶解度等特性。在第二步中，變性蛋白質(zhì)的進(jìn)一步聚集導(dǎo)致粘度指數(shù)增加，并形成一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。在凝膠化的過程中，蛋清中不同的組成成分有不同的變性溫度和聚集行為，最終形成的凝膠特性也有明顯的不同[8]。蛋清是由多種具有不同等電點(diǎn)的蛋白成分組成的混合蛋白，彼此間通過靜電及疏水作用相互吸引，使得蛋白易于聚集。因此，與單一成分的蛋白溶液相比，混合成分組成的蛋清在相同條件下形成聚集的溫度更低。MATSUDOMI 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，雞蛋清中的溶菌酶比單一的溶菌酶溶液更容易形成聚集。這是由于溶菌酶在中性條件下帶正電荷，它有與其他帶負(fù)電荷的變性蛋白質(zhì)（包括卵轉(zhuǎn)鐵蛋白和卵粘蛋白）結(jié)合的趨勢。卵粘蛋白和溶菌酶之間的聚集是由靜電吸引引起的。在熱處理過程中，部分卵粘蛋白β-折疊打開，導(dǎo)致埋藏的疏水區(qū)和SH 基團(tuán)暴露。這一過程導(dǎo)致卵粘蛋白和溶菌酶之間的疏水相互作用，隨后溶菌酶的SS 鍵和卵粘蛋白暴露的SH 基團(tuán)之間發(fā)生SH-SS 交換。在自然狀態(tài)下，蛋清蛋白的疏水基團(tuán)嵌入球形結(jié)構(gòu)中，但加熱可以打開蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并暴露疏水基團(tuán)以形成聚集體[10]。此外，加熱還導(dǎo)致蛋清蛋白自身的共價交聯(lián)N-聚糖，并參與熱聚集查閱凝膠相關(guān)文獻(xiàn)，蛋清蛋白受熱形成凝膠的過程如圖2所示[11]。

圖2 蛋清蛋白受熱誘導(dǎo)形成凝膠過程圖

3 影響蛋清蛋白凝膠性質(zhì)的因素

非共價鍵（疏水作用、氫鍵/離子鍵）和共價鍵（二硫鍵）穩(wěn)定蛋清蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)，每種鍵的相對貢獻(xiàn)與形成凝膠的環(huán)境條件，如pH 值、離子強(qiáng)度和多糖等因素有關(guān)。

3.1 pH 值對蛋清凝膠的影響

pH 值變化會影響蛋白質(zhì)分子的電離和凈電荷值，從而改變蛋白質(zhì)分子的吸引力和排斥力以及結(jié)合水分子的能力。VAN DEN BERG 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，pH 值為7 時，羧丙基甲基纖維素不會改變蛋清凝膠的硬度和彈性，但在pH 值為3 時，可以觀察到蛋清凝膠的硬度和彈性增加。BABAEI 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，蛋清結(jié)冷膠混合物因?yàn)閜H 值的變化而導(dǎo)致彼此間的靜電斥力明顯不同，與pH=7.0 條件下形成的混合凝膠相比，在pH=4.0 下形成的混合凝膠在微觀結(jié)構(gòu)均勻性和紋理緊密性方面都明顯較優(yōu)。

蛋清各成分具有不同的等電點(diǎn)，不同pH 值影響聚集行為，從而影響蛋清蛋白的凝膠溫度。pH 值低于4 時形成的凝膠需要較低的凝膠溫度，pH 值高于6.0 且溫度較高時形成的凝膠更堅(jiān)硬。卵清蛋白凝膠化發(fā)生在48.5 ℃（pH=2.0）和76.5 ℃（pH=9.5）之間。加熱處理過程中，蛋清蛋白中各類蛋白成分都會形成可溶性的聚集，在遠(yuǎn)離其主要蛋白質(zhì)成分的等電點(diǎn)的pH 值區(qū)域，蛋白質(zhì)分子的相互排斥力增加，所以一般不會形成凝集物的團(tuán)塊[14]。

3.2 離子強(qiáng)度對蛋清凝膠的影響

離子強(qiáng)度也是影響凝膠性質(zhì)的重要因素，因?yàn)樗绊懙鞍踪|(zhì)的溶解度。NaCl/pH 可以通過改變蛋白質(zhì)的溶解度、表面疏水性和電荷狀態(tài)來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的凝膠分子間作用力[15]。JIN 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磷酸鹽處理的蛋清凝膠的質(zhì)地特性得到顯著改善。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)鞍踪|(zhì)變性時，分子間的氫鍵被破壞，露出疏水基團(tuán)，隨著加熱時間的增加，蛋白負(fù)電荷與磷酸基團(tuán)相互排斥，從而導(dǎo)致疏水基團(tuán)的暴露和疏水相互作用顯著增強(qiáng)。同時，報(bào)道中還指出六偏磷酸鈉比三聚磷酸鈉的聚合度高，解離度底，鈉離子參與凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的貢獻(xiàn)就低，因此六偏磷酸鈉處理的凝膠的咀嚼性比三聚磷酸鈉處理的凝膠低27.86%。此外，六偏磷酸鈉還因較高的聚合度，使其對蛋清蛋白凝膠微觀結(jié)構(gòu)的改善不如預(yù)期，聚合度較低的焦磷酸鈉和三聚磷酸鈉對提高蛋清凝膠的保水性效果更好，經(jīng)處理的樣品的保水性能分別提高了31.65%和23.82%。

焦磷酸鈉和三聚磷酸鈉的添加使蛋清的pH 值偏離等電點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊膲A度更高，這也導(dǎo)致更多二硫鍵的形成和交聯(lián)度的增加。測試結(jié)構(gòu)顯示當(dāng)焦磷酸鈉處理的蛋清加熱30 min 時，二硫鍵含量最高（0.98），比對照組（0.58）高1.69 倍。此時，三聚磷酸鈉處理的凝膠（0.96）與焦磷酸鈉處理的凝膠（0.98）的二硫鍵含量沒有顯著差異。

此外，在LI 等[17]的研究報(bào)道有類似的結(jié)論，在蛋清蛋白熱凝膠過程中添加磷酸鹽，會影響雞蛋分散體的溶解性、表面疏水性、z-平均粒徑和pH 值，從而使蛋凝膠的保水性能得到了有效改善，并且二磷酸鈉比磷酸三鈉更能有效地改善蛋凝膠的顏色特性。

3.3 多糖對蛋清凝膠的影響

多糖是一種經(jīng)濟(jì)、無毒、穩(wěn)定、可降解的天然高分子聚合物。多糖種類很多，食品中常用的包括淀粉、纖維素及其衍生物、黃原膠、阿拉伯膠、果膠以及卡拉膠等。許多研究表明，多糖與蛋白通過靜電作用、疏水作用和共價相互作用形成混溶復(fù)雜狀態(tài)，可以顯著改善蛋清蛋白的功能特性，并且蛋清蛋白與多糖形成的復(fù)合物也會受到pH 值、離子強(qiáng)度等因素的影響[18]。ZHANG 等[19]報(bào)道了黃原膠的加入可以通過分子間靜電吸引使蛋清蛋白凝膠變得更致密、更光滑。

不同程度的離子強(qiáng)度會影響蛋白質(zhì)和多糖之間的結(jié)合和相互作用。雖然鹽離子和多糖之間沒有化學(xué)反應(yīng)，但鹽離子仍會引起凝膠粘彈性和穩(wěn)定性的變化。較低的離子強(qiáng)度促進(jìn)蛋白多糖凝聚形成，而較高的離子強(qiáng)度會顯著降低凝膠粘彈性，從而阻礙蛋白多糖復(fù)合物的形成。這主要?dú)w因于溶液屏蔽聚合物電荷中存在的離子，從而降低了它們的結(jié)合作用。然而，對于卵清蛋白/原膠或溶菌酶/黃原膠體系，當(dāng)NaCl 濃度從0.01 mol·L-1增加到0.1 mol·L-1時，鹽離子的屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致凝聚物的分子間靜電相互作用較弱，但卵清蛋白/黃原膠復(fù)合物在較高的鹽含量（0.2 mol·L-1和0.4 mol·L-1）下表現(xiàn)出粘彈性。這是因?yàn)殡S著NaCl 濃度的增加，會影響蛋清蛋白的等電點(diǎn)、分子量和疏水性等內(nèi)部特征，使蛋白呈現(xiàn)不同的凝聚行為。然而，當(dāng)多糖分子側(cè)鏈上的結(jié)合位點(diǎn)完全飽和時，蛋白質(zhì)濃度的增加不會促進(jìn)復(fù)雜聚集體的形成[20]。

蛋清蛋白與多糖在高溫條件下也可能發(fā)生共價交聯(lián)，其中美拉德反應(yīng)是主要的共價結(jié)合方法（即碳水化合物的還原基和蛋白質(zhì)的氨基共價交聯(lián)）。MATSUDOMI 等[21]研究表明，美拉德反應(yīng)形成的蛋清蛋白-乳甘露聚糖復(fù)合物提高了蛋清的凝膠強(qiáng)度和保水能力。然而，不受控制的美拉德反應(yīng)或美拉德反應(yīng)的后期可能會產(chǎn)生有害成分，這是食品加工過程中需要考慮的一個難題。然而，多糖對不同蛋白質(zhì)凝膠性能的影響似乎是不同的。例如，糖分子引起的空間位阻會阻礙蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)，從而延遲熱誘導(dǎo)的乳清蛋白聚集。

4 結(jié)語

目前關(guān)于蛋清蛋白凝膠化溫度的研究主要集中在50 ～90 ℃，更高溫度條件下的凝膠行為、質(zhì)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)分析等相關(guān)研究，未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。由于分析測試手段的原因，目前關(guān)于熱誘導(dǎo)蛋清蛋白的研究比較局限，更多是針對低濃度下（10%～15%），通過測定蛋清蛋白溶液受熱過程中電位、聚集度、巰基含量變化等參數(shù)，研究蛋清蛋白受熱過程內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化機(jī)理及其影響因素，但是應(yīng)用性不強(qiáng)，與產(chǎn)品實(shí)際的生產(chǎn)加工條件相差甚遠(yuǎn)。

此外，相關(guān)的研究報(bào)道還未能將熱誘導(dǎo)蛋清蛋白凝膠機(jī)理研究與凝膠質(zhì)構(gòu)分析、微觀結(jié)構(gòu)、持水能力等很好結(jié)合起來。在更加多元復(fù)雜的產(chǎn)品體系中（如蛋白質(zhì)-多糖-多酚），凝膠形成機(jī)理的干擾和影響因素太多，蛋白內(nèi)部分子交聯(lián)機(jī)制和凝膠形成過程尚未完全闡明，分析表征難度非常大，有很多不確定性。因此，針對凝膠質(zhì)構(gòu)、感官、穩(wěn)定性等方面的應(yīng)用研究顯得更加重要。