肉湯中微納米顆粒的表征和形成機(jī)理的研究進(jìn)展

袁波，楊勤子，白春清，陳麗麗，江勇，趙利*

1.國家淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心（南昌 330013）；2.江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（南昌 330013）

肉湯是一種主要由魚、肉、海鮮等湯料，添加一定量香料和調(diào)味劑組成的食物，是世界上最受歡迎的食物之一，在全球范圍內(nèi)普遍食用，如意大利的海鮮湯、美式蛤蜊湯、越南海龍皇湯。中國也有“寧可食無肉，不可食無湯”的飲食文化，美容喝豬蹄湯，催奶喝鯽魚湯，感冒喝老雞湯。在中國人的觀念里，食品原料的精華都濃縮在湯里，飯前喝上一碗湯就是最健康科學(xué)的飲食結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，銅和鎂在沸騰過程中從牛肝遷移到湯，從而提供礦物質(zhì)的生物可及性[1]。湯的煮沸過程可以誘導(dǎo)非血紅素、鐵和血紅素色素從牛肉和羊肉轉(zhuǎn)移到湯中[2]。肉湯以水為介質(zhì)，肉中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及一些水溶性物質(zhì)在加熱條件下溶解入湯中，輔以佐料，可使肉湯營養(yǎng)豐富，口感鮮美。肉湯中的非揮發(fā)性物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、還原糖、氨基酸、核苷酸、多肽、無機(jī)鹽等，揮發(fā)性物質(zhì)主要為脂肪醛、脂肪酸、醇和酯[3]。肉湯有利于營養(yǎng)物質(zhì)在人體的運(yùn)輸，可以促進(jìn)消化，具有補(bǔ)充能量、滋補(bǔ)健康等作用。

根據(jù)產(chǎn)生的途徑，食品中納米顆粒可分為兩類。一類是通過納米技術(shù)，人為編程食品中的原子、分子，形成納米級粒子，如納米級改性淀粉[4]、納米顆粒添加劑[5]等，可以改善食物的風(fēng)味，使食品具有穩(wěn)定性好、保質(zhì)期高等優(yōu)點(diǎn)。納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的包裝、檢測、保鮮、運(yùn)輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，進(jìn)一步推進(jìn)食品科技的創(chuàng)新性發(fā)展。另一類則是食品中天然存在或加工過程中自然產(chǎn)生的伴生物，即微納米顆粒（micro/nano particles，MNPs）。如牛奶中的酪蛋白膠粒[6]、面包和烤肉等食物在高溫加工過程中產(chǎn)生的碳納米粒子[7]、魚頭湯熬煮過程中產(chǎn)生的微納米顆粒[8]，它們是食物中的兩親性化合物通過共價(jià)和非共價(jià)作用產(chǎn)生的大量自組裝顆粒[9]，具有驚人的生物相容性、功能性和穩(wěn)定性，和化學(xué)合成的納米材料相比毒性較小，是制備有機(jī)納米組件的重要建筑材料[10]。許多肉湯或其提取物成為飲食補(bǔ)充劑或藥物等工業(yè)產(chǎn)品，其中一些湯的生物學(xué)功能和臨床效果在藥理和臨床研究中也得到科學(xué)評價(jià)[11]。

有關(guān)肉湯中MNPs的研究主要集中于化學(xué)組分、分離表征及生理功能等方向。主要從MNPs的組成成分出發(fā)，對肉湯中MNPs的表征方法、形成機(jī)理及其影響因素的研究進(jìn)行概括總結(jié)。

1 微納米顆粒的表征方法

食品體系中MNPs因超小尺寸和物理化學(xué)特性，使其具有獨(dú)特的特征和巨大的應(yīng)用潛力。然而，關(guān)于MNPs在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用及其安全方面的評估還知之甚少。因此，獲得MNPs數(shù)量和結(jié)構(gòu)類型的可靠信息變得尤為重要。MNPs的表征包括尺寸、形狀、分布和聚集狀態(tài)、表面積及化學(xué)組成等內(nèi)容。最普遍用到的表征技術(shù)包括以下幾類。

1.1 光散射技術(shù)

光散射是指顆粒將照射到其上的激光向周圍散射，顆粒的大小、多少決定了散射光各個特性參數(shù)的變化，因此可以通過測量光強(qiáng)、偏振度、衰減比等激光參數(shù)的空間分布獲得待測顆粒的信息[12]。如丁達(dá)爾效應(yīng)被用于區(qū)分膠體和溶液，在暗室觀察下，激光照射肉湯可見明顯的通道現(xiàn)象[11]。光散射技術(shù)主要分為靜態(tài)光散射技術(shù)（static light scattering，SLS）和動態(tài)光散射技術(shù)（dynamic light scattering，DLS）。SLS是測定固定角度的散射光強(qiáng)，具有濃度依賴性和角度依賴性[13]?？梢詼y定納米顆粒的粒徑大小和形狀，不適合測量直徑在亞微米級及以下的顆粒，因?yàn)闀l(fā)生多重衍射，而使測量結(jié)果的準(zhǔn)確性明顯降低。肉湯中微納米顆粒的測量主要使用動態(tài)光散射法。DLS是通過測量納米顆粒做布朗運(yùn)動引起的激光強(qiáng)度波動實(shí)現(xiàn)粒度測量的，可將粒子直徑的檢測范圍延伸到納米或亞納米數(shù)量級[10]。DLS被用于表征食品模型[14]、牛乳中的粒徑分布[15]及肉湯中納米顆粒的平均水合粒徑和Zeta電位[16]，與顯微鏡技術(shù)結(jié)合可獲知MNPs的形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)，與純度色譜（size exclusion chromatography，SEC）結(jié)合可分離食品中微納米顆粒[17]。

1.2 顯微鏡技術(shù)

食品體系中微納米顆粒的粒徑、外觀、理化性質(zhì)和組學(xué)分布等分析均與顯微鏡技術(shù)密不可分，主要采用透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、激光共聚焦掃描顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM）和原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）。

TEM[18]是一種利用電子束穿透樣品，形成散射電子與透過電子，聚焦在熒光屏上的納米級成像技術(shù)，分辨率約0.2 nm。TEM被廣泛用于檢測液體食品中微納米顆粒、包埋功能性成分的蛋白質(zhì)/多糖納米顆粒和血清白蛋白納米顆粒等[19-20]各種納米粒子的成像和表征。Gao等[21]用TEM觀察到豬骨湯中微納米顆粒呈現(xiàn)均勻的球形外觀。Ma等[22]利用TEM觀察金槍魚頭湯在熬煮過程中的微納米顆粒，為MNPs的殼核膠體球形結(jié)構(gòu)提供一定證據(jù)。SEM則是通過電子束在樣品表面掃描，激發(fā)樣品的二次電子，經(jīng)探頭檢測器接收并在熒光屏上成像，形成暗場像。TEM分辨率較高，但僅適用于足夠薄的樣品。而SEM依賴于表面處理而非投射，因此能對較大樣品成像，產(chǎn)生樣品表面的高分辨三維圖像。SEM多用于觀察蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)體納米顆粒的形狀及表面結(jié)構(gòu)。Rubilar等[23]通過SEM可以明顯觀察到亞麻籽油微膠囊的顆粒表面形態(tài)及大小分布。

激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)上，利用激光作為光源，采用共拖聚焦原理和裝置，掃描樣品并收集信號，通過計(jì)算機(jī)處理，還原樣品二維、三維圖像[24]。它具有靈敏度高、多色熒光成像等優(yōu)點(diǎn)，可以直觀觀察到MNPs中各組分的位置及相互作用。蘇紅[25]利用CLSM觀察鳙魚和三文魚頭湯中的MNPs結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，湯中脂肪自組裝成球形顆粒，而磷脂、蛋白質(zhì)和糖則分布在脂肪球的外圍，各組分共同組成穩(wěn)定的顆粒。翟爭妍等[26]采用CLSM對魚頭湯中磷脂、蛋白質(zhì)和糖基化分子（糖脂和糖蛋白）進(jìn)行染色，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加鹽后Cl-進(jìn)入MNPs與甘油三酯結(jié)合，Na+則與MNPs外圍的電負(fù)性多糖結(jié)合。陳旭[27]利用CLSM觀察到大豆蛋白與酶的結(jié)合穩(wěn)定程度。

原子力顯微鏡（AFM）是依靠懸臂下納米大小的針尖接近樣品表面時(shí)，檢測針尖與樣品間的作用力（原子力），觀察樣品形態(tài)的裝置[28]。AFM由于其檢測精度高、對樣品無特殊處理要求等，被廣泛使用于食品科學(xué)研究[29]。石燕[30]用AFM觀察酥油微膠囊的顆粒形貌及其表面粗糙度。Guo等[31]采用AFM研究玉米醇溶蛋白精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。

其他表征方法也被用于MNPs的研究，如：Lin等[32]利用光學(xué)顯微鏡觀察到魚湯中微納米顆粒的形成趨勢，隨著熬煮時(shí)間的延長，湯中MNPs數(shù)量不斷增加，熬煮150 min時(shí)，MNPs數(shù)量最多、結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定；Yao等[33]利用紅外透射成像在空間上揭示肉湯中MNPs各組分的分布和化學(xué)變化規(guī)律，證實(shí)MNPs同時(shí)含有甘油三酯和與其空間合并的糖綴合物；金紹娣等[34]采用傅里葉變換紅外光譜測試制備的納米顆粒機(jī)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)阿拉伯膠與蛋白質(zhì)形成新的氫鍵絡(luò)合。

2 微納米顆粒的形成機(jī)理

肉湯在燉煮時(shí)，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)和物理變化，遷移到溶液中的兩性化合物成分（如蛋白質(zhì)、脂肪酸和多糖），在分子間次級鍵作用下發(fā)生自組裝形成膠體顆粒，即微納米顆粒[4]。Yao等[33]利用丁達(dá)爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)激光照射肉湯可以觀察到明顯的通道現(xiàn)象，證明肉湯是一個復(fù)雜的膠體體系，即在燉煮過程中形成膠體顆粒；肉湯在熬煮過程中通過脂質(zhì)氧化、美拉德反應(yīng)等積累甘油三酯和糖綴合物，肉湯中MNPs的持續(xù)形成逐漸促進(jìn)分子間相互作用，驅(qū)動下游離物質(zhì)的空間合并和自組裝，從而使主要的營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味化合物進(jìn)一步在MNPs中積累。Ke等[10]發(fā)現(xiàn)豬骨湯經(jīng)過文火熬制后，每毫升湯中約含有10億個粒徑約230 nm的顆粒。Qian等[35]在金槍魚頭湯熬煮過程中發(fā)現(xiàn)MNPs，經(jīng)過抗氧化研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑大小的球形顆粒具有一定抗氧化作用。Wang等[36]研究發(fā)現(xiàn)，豬骨湯中的食物膠體顆粒可直接與腹膜巨噬細(xì)胞相互作用，腹膜巨噬細(xì)胞可以取代口腔巨噬細(xì)胞，食物攝入導(dǎo)致食物MNPs與免疫細(xì)胞直接接觸，這可能意味著一種食物-身體相互作用的新模式。與人工編程的納米粒子相比，肉湯中自發(fā)產(chǎn)生的MNPs的未知性、復(fù)雜性和不可控性更強(qiáng)。MNPs與人體生理效應(yīng)的研究需要系統(tǒng)地探索MNPs的分子特征、形成機(jī)理，包括分子大小、電荷分布、鏈支化和親水疏水平衡等因素。肉湯中MNPs的形成原理和機(jī)制主要是從分子間的相互作用來解釋的，包括蛋白質(zhì)間的相互作用、蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)間的相互作用。

2.1 蛋白質(zhì)間的相互作用

加工過程中，原料中的蛋白質(zhì)不斷遷移進(jìn)溶液，維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力在熱的作用下被破壞，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生去折疊，蛋白質(zhì)變性。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開，使蛋白質(zhì)分子表面的親水基團(tuán)相對減少，埋藏在內(nèi)部的疏水基團(tuán)和半胱氨酸殘基暴露出來，導(dǎo)致疏水作用力大于親水作用力。加上高溫導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子運(yùn)動加劇，蛋白質(zhì)分子間相互碰撞、聚合的概率增大，從而引起蛋白質(zhì)聚集[37-38]。蛋白質(zhì)聚集體具有特殊的尺寸效應(yīng)和表面性質(zhì)，通常擁有著與天然蛋白質(zhì)不同的表面活性，其在油-水界面處形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)的流變性質(zhì)均不相同，對乳液的穩(wěn)定性和脂肪的消化產(chǎn)生不同的影響，界面活性、黏彈性、乳化特性等均可能優(yōu)于天然蛋白[39-40]。這些聚集物由于結(jié)合了靜電和空間穩(wěn)定機(jī)制，是一種非常有效的膠體穩(wěn)定劑，能夠保護(hù)液體防止絮凝[41]，為食品工業(yè)化提供一些參考。蘇紅[25]研究發(fā)現(xiàn)，隨著熬煮時(shí)間的延長，湯中蛋白質(zhì)含量持續(xù)增加，微納米顆粒也增多并趨于穩(wěn)定，證明蛋白質(zhì)聚集現(xiàn)象。尤娟等[42]在研究中觀察到鰱肌球蛋白的熱聚集現(xiàn)象。

2.2 蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)間的相互作用

蛋白質(zhì)與糖類之間的相互作用是通過糖基化實(shí)現(xiàn)的，糖鏈通過共價(jià)鍵與蛋白質(zhì)肽鏈相連接[43]。美拉德反應(yīng)機(jī)理的非酶糖基化是食品中蛋白質(zhì)糖基化的主要方法，僅通過加熱就能促使蛋白質(zhì)與糖發(fā)生共價(jià)結(jié)合，且產(chǎn)生的糖基化產(chǎn)物具有溶解度高、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)[44]。汪胡芳等[45]利用糖基化成功生產(chǎn)出甜菊苷、橙皮苷及蘆丁苷等新型藥物載體。

蛋白質(zhì)與脂質(zhì)間的相互作用主要是二者形成乳化體系[46-47]，β-乳球蛋白和脂肪酸主要是通過疏水作用相結(jié)合，位于β-乳球蛋白內(nèi)部的疏水孔穴是脂肪酸最主要的結(jié)合位點(diǎn)[48]。熬煮過程中，蛋白質(zhì)經(jīng)熱變性后與脂肪作用的結(jié)合位點(diǎn)增多，脂肪與蛋白質(zhì)或小肽發(fā)生乳化作用。祿彥科[49]研究發(fā)現(xiàn)豬骨湯中MNPs顆粒的主要影響因素是湯中脂肪的溶出量，脂肪的遷移與MNPs數(shù)量的增加呈現(xiàn)正相關(guān)。汪慧勤[50]對河蜆湯和豬骨湯的研究中發(fā)現(xiàn)，2種湯的微納米顆粒均主要由蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)組成，且河蜆湯MNPs能顯著改善非酒精性脂肪肝，豬骨湯MNPs在胞內(nèi)外均有明顯的抗氧化活性，二者均可以改善巨噬細(xì)胞的氧化應(yīng)激狀態(tài)。

β-乳球蛋白還被報(bào)道可以和脂溶性維生素、脂肪酮和芳香族化合物等反應(yīng)生成蛋白質(zhì)復(fù)合物[51-52]。祿彥科[49]研究發(fā)現(xiàn)，豬骨湯MNPs中包含蛋白質(zhì)、多糖、核苷酸、金屬離子等營養(yǎng)物質(zhì)都結(jié)合組裝于顆粒中。

2.3 影響微納米顆粒形態(tài)及性質(zhì)的相關(guān)因素

肉湯中營養(yǎng)和風(fēng)味物質(zhì)的遷移，是MNPs原料的主要來源途徑。湯中物質(zhì)的遷移主要有2個原因：一是食物在熱和其他因素作用下組織完整性被破壞，導(dǎo)致組織中各物質(zhì)遷移到湯中；二是在濃度差的作用下，食物中的營養(yǎng)物質(zhì)從食物表層向水中遷移，當(dāng)內(nèi)外層營養(yǎng)物質(zhì)形成濃度差后，內(nèi)層營養(yǎng)物質(zhì)向表層遷移，從表層向湯中遷移[9]。Qi等[53]研究發(fā)現(xiàn)雞湯燉煮過程中游離氨基酸含量顯著增加，這是由于烹飪過程誘導(dǎo)游離氨基酸從雞肉組織遷移到湯中。熬煮工藝對羊肉產(chǎn)品的脂肪酸組成也有較大規(guī)模的影響，Campo等[54]發(fā)現(xiàn)燉菜可以增加羊肉中n-6多不飽和脂肪酸的百分比。Zhang等[55]關(guān)于鯽魚湯的研究發(fā)現(xiàn)，溫度對鯽魚湯中蛋白質(zhì)的水解和溶解度起著至關(guān)重要的作用，隨著溫度的升高，湯中的總肽和氨基酸的含量隨之上升。曾清清等[56]研究骨塊大小、料液比和不同熬煮條件對雞骨高湯品質(zhì)及風(fēng)味的影響，結(jié)果表明料液比對高湯品質(zhì)有顯著影響，適當(dāng)?shù)牧弦罕炔粌H能溶出較多營養(yǎng)物質(zhì)，風(fēng)味也較好。

料液質(zhì)量比、熬煮溫度、熬煮時(shí)間、配料的添加等加工工藝條件的不同，決定湯中各物質(zhì)成分的濃度和比例，進(jìn)而影響湯中MNPs的形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理特性。錢雪麗[57]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著熬煮時(shí)間的延長，魚湯中的脂質(zhì)、水溶性蛋白、總糖、維生素E等物質(zhì)含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在150 min時(shí)達(dá)到最佳；湯中MNPs也隨時(shí)間不斷產(chǎn)出，數(shù)目增多，粒徑增大，150 min時(shí)MNPs結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定；相比較清湯，油煎后熬煮的白湯中MNPs表面較為粗糙。潘馨怡[58]研究發(fā)現(xiàn)，加鹽濃度的改變與湯中各營養(yǎng)物質(zhì)的遷移顯著相關(guān)；隨著加鹽濃度的增加，湯中微納米顆粒的變化趨勢呈現(xiàn)尺寸先減小后增大，數(shù)量先增多后減少，穩(wěn)定性先增強(qiáng)后削弱。主要原因可能是食鹽促進(jìn)原料中鹽溶性球蛋白和陰離子多糖的遷移，促使大量表面帶羥基的蛋白質(zhì)及帶負(fù)電的陰離子多糖與MNPs表面的磷脂結(jié)合，共同構(gòu)成MNPs的膜結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致MNPs之間的靜電斥力的增大，抑制MNPs與MNPs之間的聚集，導(dǎo)致MNPs的粒徑較小，數(shù)量較多，且各組分之間的分布也很穩(wěn)定。而鹽濃度過高時(shí)，MNPs膜結(jié)構(gòu)所帶的負(fù)電荷被過多的Na+中和，從而導(dǎo)致MNPs的表面靜電斥力降低，MNPs能夠彼此相互“吸引”，形成尺寸較大的聚集體。蘇麗等[59]研究發(fā)現(xiàn)，食鹽的添加時(shí)機(jī)對烏鱧魚頭湯中MNPs的形態(tài)有顯著影響，熬煮90 min時(shí)加鹽，湯中形成很多大顆粒，60 min組的MNPs呈現(xiàn)穩(wěn)定的雙層球形小顆粒。

3 結(jié)語與展望

食品體系納米顆粒的研究雖然取得一些進(jìn)展，但仍有很多問題亟待解決。微納米顆粒因其特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，其營養(yǎng)成分的分布、相互作用、風(fēng)味等表現(xiàn)出與原料不同的特性，但微納米顆粒的形成機(jī)制、化學(xué)定位、與原料中蛋白質(zhì)/多糖等物質(zhì)在人體中的相互作用還需深入研究。從食品安全的角度來看，納米食品仍面臨一些挑戰(zhàn)，雖然微納米顆?？蔀槭称芳{米加工提供一些技術(shù)參考，有助于改善食品的感官特性，并可能發(fā)揮健康益處，但對微納米顆粒的安全方面還知之甚少。微納米顆粒被證實(shí)對巨噬細(xì)胞、胃腸道屏障等具有積極的生理功效影響，但其與機(jī)體的相互作用機(jī)制和途徑尚不明確，成為后續(xù)有待研究的內(nèi)容。