雙蛋白凝膠的形成機理及其在食品加工中的應用

徐潼 丁儉 李彭 嚴曲 方勇

摘要：雙蛋白作為理想的食品成分，在高蛋白食品配方中變得越來越具有吸引力。與單一的蛋白凝膠相比，雙蛋白凝膠具有更好的質地特性、持水性和熱穩(wěn)定性，其凝膠特性的增強機制主要歸因于蛋白質之間增加的鏈纏結、非共價相互作用以及親水基團和水之間的相互作用。文章總結了雙蛋白凝膠的制備方法、形成機理、理化特性以及在食品加工中的應用進展，并展望了雙蛋白凝膠在食品領域的應用前景，旨在為雙蛋白新型營養(yǎng)健康產品的開發(fā)應用提供參考。

關鍵詞：雙蛋白凝膠；理化特性；形成機理；食品加工

中圖分類號：TS201.7 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230127

基金項目：國家青年科學基金項目（32101995）；國家糧食領域青年人才支持計劃（LQ2018301）；江蘇省高等學校重點學科建設項目（PAPD）；江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目（KYCX21_1530）。

Research on formation mechanism and application of dual-protein gels in food processing

Xu Tong， Ding Jian， Li Peng， Yan Qu， Fang Yong

（ College of Food Science and Engineering/ Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing University of Finance and Economics， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract： Dual-protein is becoming increasingly attractive as an ideal food ingredient in high protein food formulations. Compared with single-protein gels， dual-protein gels have better textural properties， water holding capacity， and thermal stability， and the enhancement mechanism of their gel properties is mainly attributed to the increased chain entanglement， non-covalent interactions between biopolymers， as well as interactions between hydrophilic groups and water. The article summarized the preparation methods， physicochemical properties， gelation mechanism and application progress of dual-protein gels in food. The article outlooked the application prospects of dual-protein gels in the food field， aiming to provide the reference for the development and application of new dual-protein nutrition and health products.

Key words： dual-protein gels， physicochemical properties， formation mechanism， food processing

近年來，我國重視食物營養(yǎng)健康產業(yè)，提出加大雙蛋白食物及強化雙蛋白工程等重大項目實施力度[1]。國務院辦公廳印發(fā)的國民營養(yǎng)計劃（2017—2030年）中指出，針對不同人群的健康需求，著力發(fā)展保健食品、營養(yǎng)強化食品、雙蛋白食物等新型營養(yǎng)健康食品，并且強化雙蛋白工程等重大項目實施力度[2]。以優(yōu)質動物、植物蛋白為主要營養(yǎng)基料，加大力度創(chuàng)新基礎研究與加工技術工藝，開展雙蛋白工程重點產品的轉化推廣[3]。

在食品工業(yè)中，許多食品以凝膠的形式存在，或者本質上就是一種凝膠[4]。近年來，凝膠類相關食品因其高含水量、低熱量、誘人的口味和增強飽腹感的特性而在市場上越來越受歡迎[5]。與單一的蛋白質凝膠相比，雙蛋白凝膠在調節(jié)凝膠質地方面通常更有效[6]。大多數(shù)食品是含有不同種類蛋白的混合物體系，不同蛋白間的相互作用對食品品質有重要影響，通過不同種蛋白的復配，調控體系的凝膠性，對賦予食品獨特的營養(yǎng)價值、形態(tài)、風味以及質地等特征更具有重要意義[7-8]。所以本文通過對雙蛋白凝膠的制備方法和凝膠化機制進行歸納，并對雙蛋白凝膠在食品中的應用進行綜述，以期為新型雙蛋白凝膠產品的開發(fā)應用提供參考。

1 雙蛋白凝膠的制備

蛋白質是日常生活中常見的食品原料和人體能量來源，種類繁多，具有重要的營養(yǎng)價值和功能性質[9]。可以利用不同種類和不同性質的蛋白質制備各種各樣具有不同結構、風味的食品，且不同蛋白間的相互作用對食品品質有重要影響[10]。其中，蛋白質的凝膠性是常被用來制備食品的重要性質之一，凝膠性使得蛋白質能夠形成特定的網絡結構，也使得其形成的凝膠具有較強的可塑性[11]。蛋白質能夠通過多種方式形成凝膠體系。目前，雙蛋白凝膠的制備方法主要分為加熱-冷卻法、酶誘導交聯(lián)法和離子誘導交聯(lián)法。

1.1 加熱-冷卻法

在加熱-冷卻過程中，首先將混合的蛋白懸浮液加熱以確保蛋白的完全分散和水合，然后在室溫或冰箱溫度下冷卻以獲得雙蛋白凝膠。加熱-冷卻法操作簡單，成本低[12]，且可適用于幾乎所有種類的蛋白質。對于不同結構的蛋白質形成凝膠的加熱溫度不同，線性蛋白（例如，明膠蛋白）的加熱溫度為40～60 ℃，例如明膠蛋白，然而球蛋白（例如，大豆蛋白和乳清分離蛋白），需要90～95 ℃才能形成凝膠，因為球狀蛋白需要更多能量來暴露其內部疏水基團，并隨后通過疏水相互作用形成凝膠網絡[13]。利用加熱-冷卻法制備的雙蛋白凝膠類型，加熱溫度和時間以及冷卻溫度和時間如表1所示。

1.2 酶促交聯(lián)法

雙蛋白凝膠可以通過蛋白分子的酶催化交聯(lián)來實現(xiàn)。酶誘導凝膠具有特異性強、反應速率快以及安全無污染等優(yōu)點，在食品工業(yè)中得到普遍應用[18]。轉谷氨酰胺酶（TGase）、漆酶和辣根過氧化物酶（HRP）是制備復合凝膠常用的酶，因為它們具有高效、特異性和溫和的反應條件[19]。其中應用最廣泛的是谷氨酰胺轉氨酶（TGase）。TGase可以催化谷氨酰胺和賴氨酸殘基之間的化學反應，TGase誘導的交聯(lián)反應可以改善質地、穩(wěn)定性和水合能力，不會改變食品的風味和營養(yǎng)品質[18]。Sun等[20]研究表明TGase可用于改善豌豆蛋白/肌原纖維蛋白凝膠性能，促進兩種蛋白的相互交聯(lián)。在雙蛋白凝膠的酶法制備中，有兩種常用的方法：一步法和兩步法。一步法是通過將酶直接添加到蛋白混合物中，然后冷卻混合物形成的[21]，適用于單一酶誘導凝膠系統(tǒng)。相比之下，兩步法適用于雙酶順序交聯(lián)的凝膠體系，即先用一種酶形成一層網絡，再加入另一種酶形成另一層網絡，得到最終的雙蛋白凝膠。

1.3 離子誘導交聯(lián)法

離子誘導凝膠化通常用于獲得含有聚電解質的復合凝膠，其中離子作為交聯(lián)劑通過與生物聚合物帶電基團的靜電相互作用介導凝膠結構的形成（例如，羧基）[22]。有多種離子已廣泛用于形成復合凝膠，例如鐵離子（Fe3+）、鈣離子（Ca2+）、鈉離子（Na+）和鉀離子（K+）?？傮w而言，各種金屬離子形成的離子鍵強度如下：三價離子>二價離子>一價離子[23]。為了產生離子誘導的復合凝膠，可以采用兩種方法：第一種是離子添加法，在制備過程中，將一種離子添加到蛋白混合溶液中；第二種是浸漬法，將先前形成的凝膠浸入含有特定離子的溶液中以獲得凝膠[24]。前一種方法可用于制備水凝膠珠，而后一種方法更適合獲得均勻的熱不可逆凝膠[25]。在離子交聯(lián)熱可逆水凝膠時，離子添加法和浸漬法均適用[26]。

2 雙蛋白凝膠的形成機制

雙蛋白凝膠具有良好的質構、流變特性以及保水性等物理特性，因此闡明雙蛋白凝膠的凝膠化機制至關重要。雙蛋白凝膠的制備過程影響其結構，進而影響功能特性，這可以進一步控制雙蛋白凝膠的質地，從而為拓展復合蛋白的應用奠定基礎[27]。

蛋白質凝膠的形成是一個復雜的過程，通常涉及幾個階段，例如變性、聚集和網絡形成。在雙蛋白凝膠的形成過程中，涉及到兩個重要的過程。第一個與雙蛋白凝膠中單個蛋白質凝膠網絡的形成有關[28]。第二個涉及多層網絡間可能的相互作用，例如氫鍵、靜電和疏水相互作用，這可能導致更密集的交聯(lián)網絡。幾種分子間/分子內相互作用與蛋白質凝膠的形成有關，包括非共價相互作用（例如氫鍵、疏水相互作用和靜電相互作用）和共價相互作用（即二硫鍵）[28]。

雙蛋白凝膠的制備過程可能會受到各種因素的影響，包括蛋白質的分子量、蛋白濃度、離子強度、酶、溫度和pH值[29]。可以通過操縱這些影響因素來調節(jié)蛋白質肽鏈的分子內和分子間相互作用，影響所獲得的凝膠的微觀結構，并最終確定它們的機械性能[30]。一般來說，增加蛋白質的分子量和濃度有助于形成更致密、更緊湊的凝膠網絡，從而提高凝膠的機械強度[31]。

雙蛋白混合后形成凝膠的類型可根據形成凝膠的機制進行分類。兩種蛋白進行混合，如果其中一種蛋白濃度在自身可形成凝膠的臨界濃度之下，那么該蛋白可能會擔當非凝膠組分的角色[32]。雙蛋白凝膠可以根據非凝膠組分蛋白在連續(xù)相蛋白凝膠網絡中的分散情況，分為兩種填充型凝膠：一是某種蛋白以散布的顆粒填充于連續(xù)相蛋白凝膠網絡中（圖1 A）。二是蛋白以可溶狀態(tài)填充于單相凝膠網絡中（圖1 B）[33]8。另外，雙蛋白凝膠可根據兩種蛋白間的相互作用分為以下3種凝膠網絡：一是當兩種蛋白間進行相互作用產生了物理結合，那么充當非凝膠組分的蛋白可能會通過非特異性作用隨機吸附在連續(xù)相蛋白凝膠網絡中（圖1 C）；二是兩種蛋白可能會發(fā)生共聚合形成雜合單一的凝膠網絡（圖1 D）；三是當兩種蛋白各自獨立建立凝膠網絡結構，形成相互穿插貫穿的聚合網絡（圖1 E）[33]8。

3 雙蛋白凝膠的理化特性

雙蛋白凝膠具有良好的理化特性，特別是質構特性、熱穩(wěn)定性和持水性[34]。這些理化特性在決定食品的質地、口感和風味保存方面發(fā)揮著重要作用[22]。雙蛋白凝膠的口感更加令人愉悅，例如肉制品的柔軟多汁、果凍糖果的韌性以及豆腐和面條的順滑和嚼勁[4]。從化學上講，這些令人愉悅的口感特征主要歸因于蛋白質之間增加的鏈纏結、非共價相互作用（例如，氫鍵、范德華力和靜電相互作用）以及親水基團和水之間的相互作用（例如，羥基、羧基、氨基、醛和羰基）[35]。對于酶促交聯(lián)的雙蛋白凝膠，由于引入共價反應位點，β-折疊含量的增加有利于高分子量聚合物的形成，從而增加雙蛋白凝膠的彈性和韌性[36]。雙蛋白凝膠的物理特性受各種內部因素（例如，蛋白質的分子量、大小和構象）和外部因素（例如，pH、溫度、交聯(lián)劑的類型和濃度）的影響[37]。

3.1 質地特性

與單一的蛋白凝膠相比，雙蛋白凝膠表現(xiàn)出更好的質構特性，包括硬度、彈性、咀嚼性、黏附性、內聚性和回彈性。Zhang等[11]研究發(fā)現(xiàn)大豆蛋白-蛋清蛋白凝膠的硬度和彈性均高于單一的大豆蛋白凝膠，主要是由于兩種蛋白質之間良好的分子相互作用以及更加致密的微觀結構。此外，Sun等[14]發(fā)現(xiàn)添加花生分離蛋白可增加雞胸和雞腿肉鹽溶蛋白的持水能力、凝膠強度和彈性。Wu等[17]在對大豆蛋白和鱈魚蛋白復合凝膠體系的研究中發(fā)現(xiàn)，與鱈魚蛋白凝膠相比，大豆蛋白-鱈魚蛋白凝膠的強度更大，且當大豆蛋白的比例增加時，雙蛋白凝膠中無序結構的空隙減少，凝膠具有更加緊密均勻的網絡結構。

3.2 熱穩(wěn)定性

蛋白凝膠食品的熱穩(wěn)定性在很大程度上決定了它們的加工性能。以蛋白凝膠為基礎的食品，如面條、包裝豆腐和肉類類似物，需要通過加熱滅菌以延長保質期。此外，它們通常在使用前需要經過烹飪和煮沸過程[38]。因此，有必要在生產雙蛋白凝膠時評價其熱穩(wěn)定性。雙蛋白凝膠通常比單一蛋白凝膠具有更高的玻璃化轉變溫度 （Tg）、熔化溫度 （Tm）、起始分解溫度 （Td） 和焓[39]。

3.3 持水性

持水性可以顯著影響蛋白凝膠產品的口感和經濟價值，并且可以揭示凝膠體系中蛋白—蛋白和蛋白—溶劑的相互作用。例如提高持水性可以改善豆腐產品的外觀、彈性和烹飪特性[40]。肉制品的保水能力直接影響其色澤、多汁性和嫩度[41]?？傮w而言，相較于單一蛋白凝膠，雙蛋白凝膠具有更密集的交聯(lián)網絡，因而其持水性更高。這些特性使雙蛋白凝膠在減少水分流失、保持新鮮度、賦予固態(tài)酸奶順滑的口感等方面更具優(yōu)勢[42]。

4 雙蛋白凝膠在食品加工中的應用

4.1 在面制品中的應用

隨著生活水平的不斷提高，人們對營養(yǎng)有了更好的認知和更高的需求，雙蛋白凝膠是將不同來源的蛋白質通過簡單復配后，營養(yǎng)價值高于原單一蛋白產品，因此，雙蛋白凝膠更加符合目前“新營養(yǎng)科學”的理念。小麥蛋白為原料的面制品是我國居民主要的日常主食之一，但小麥蛋白中缺乏賴氨酸，為了平衡面制品中的氨基酸，通?？梢栽诿嬷破分刑砑哟蠖沟鞍?。汪亞強等[43]利用TG酶將富含賴氨酸的大豆蛋白和富含谷氨酰胺的小麥蛋白進行混合交聯(lián)，不僅平衡了各種必需氨基酸含量，在營養(yǎng)價值上完美互補，而且有助于形成質地較好的凝膠，復配得到的雙蛋白凝膠彌補了小麥蛋白中賴氨酸含量較低的缺陷，使得蛋白質的效用比大大提高[9]。劉鑫碩等[44]利用蛋清蛋白與馬鈴薯蛋白制備雙蛋白凝膠，與單一的馬鈴薯蛋白凝膠相比，雙蛋白凝膠中的蛋氨酸含量明顯增加，馬鈴薯蛋白通過與蛋清蛋白復配，可以拓展其在面制品加工中的應用。

4.2 在肉制品中的應用

蛋白質對于食品復雜體系的質地、風味、品質等尤其是食品凝膠的形成機理具有十分重要的意義，將其他蛋白作為功能性成分應用在肉制品中，可通過形成雙蛋白凝膠基質和乳化穩(wěn)定體系，防止脂肪和汁液向肉制品表面遷移分離，起到吸油保水，提高出品率和改善口感的作用[33]1。大豆蛋白與肌原纖維蛋白復配得到的雙蛋白凝膠由于其較強保水性，常被應用到火腿腸、香腸、午餐肉等制品中，以達到增加產品的熱穩(wěn)定性，減少產品的蒸煮損失率[49-50] ；蛋清蛋白與魚肉蛋白復配，可以使得魚丸凝膠產品保持原有的風味，且可以改善食品的彈性和質地[47]。Tome等[15]研究表明，在鱈魚蛋白凝膠中添加豌豆蛋白可使蛋白凝膠質地更柔軟，彈性更小。Chao等[48] 研究發(fā)現(xiàn)，在碎牛肉中添加豌豆蛋白，制成的牛肉餅更柔軟、更嫩。目前，雙蛋白凝膠已被應用到3D打印肉制品中，當單獨打印肌原纖維蛋白凝膠時，打印出的產品，支撐性不強且容易坍塌。相比之下，雙蛋白基凝膠具有出色的可印刷性、出色的可擠出性和高形狀保真度，研究發(fā)現(xiàn)雙蛋白作為3D打印的起始材料比單一蛋白更具優(yōu)勢[49]。此外，凝膠的流變特性（例如，剪切變稀和蠕變行為）在控制3D打印結構的分辨率和形狀保真度方面發(fā)揮著重要作用[49-50]。石蕊[51]研究發(fā)現(xiàn)添加大豆分離蛋白可以提高雙蛋白豬肉糜的凝膠性能，改善3D打印雙蛋白豬肉糜打印特性，大豆分離蛋白可做肉制品打印的塑型劑，對3D打印肉制品的加工極為有利。

4.3 在乳制品中的應用

隨著人們對健康的日益關注，消費者們期待從優(yōu)質乳制品中獲得更好的營養(yǎng)和健康益處[3]。優(yōu)質的動物蛋白和植物蛋白進行復配能夠優(yōu)勢互補，發(fā)揮各自的生理調節(jié)功效，從而起到改善人體健康的作用[52]。有研究[53]發(fā)現(xiàn)，與單一乳清蛋白相比，將大豆蛋白與乳清蛋白混合可以增強酸奶的凝膠特性，增強乳蛋白的熱穩(wěn)定性，提高酸奶的品質。因此，以大豆蛋白替代部分牛奶生產酸奶，既可以提高雙蛋白酸奶的營養(yǎng)價值，又可以降低生產成本，還可以緩解我國牛奶資源緊張的局面。雙蛋白酸奶將成為未來乳品工業(yè)市場開發(fā)的新熱點[54]。

5 結論與展望

雙蛋白凝膠具有獨特的營養(yǎng)特性和優(yōu)良的功能特性，且集優(yōu)質動植物蛋白的豐富營養(yǎng)和風味于一體，符合當代新營養(yǎng)科學創(chuàng)新理念，同時可以幫助優(yōu)化我國居民膳食營養(yǎng)結構，對于滿足人們對優(yōu)質蛋白日益增長的需求具有重要意義。目前，雙蛋白凝膠已廣泛應用到面制品、肉制品以及乳制品中，對食品生產加工具有非常重要的意義，但是仍需要積極拓展雙蛋白凝膠的應用范圍。可通過調控不同來源的蛋白質來制備具有不同功能的雙蛋白凝膠，例如用雙蛋白凝膠作為載體包埋營養(yǎng)物質，以期達到保護和緩釋的效果。未來，深入研究融合現(xiàn)代技術，制備精準互作營養(yǎng)的雙蛋白凝膠對食品加工領域具有更加重要的現(xiàn)實意義。

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