不同食用蛋白的添加 对鲤鱼鱼糜流变和凝胶特性的影响

崔旭海,毕海丹,崔晓莹,甄宗圆,赵文亚

(枣庄学院食品科学与制药工程学院,山东枣庄 277160)

我国淡水资源丰富,鲤鱼作为淡水鱼中具有代表性的鱼种之一,具有生长繁殖快、分布广、产量高、价格低廉等优点,是加工淡水鱼糜的优良原料[1]。但鲤鱼鱼糜的凝胶性能不如海水鱼,因此如何提高鲤鱼鱼糜品质,一直成为关注焦点[1-2]。

目前,利用非肌肉食用蛋白来提高鱼糜品质已经成为研究热点,关于大豆蛋白、乳清蛋白、谷朊粉、花生蛋白、卵清蛋白、猪血浆蛋白等不同食用蛋白的添加对鱼糜凝胶的改善作用有过一些报道[3-10]。陈海华等[3-4]研究发现,添加大豆分离蛋白和谷朊粉能提高竹荚鱼鱼糜凝胶的持水性,适量添加乳清蛋白可以增强鱼糜制品的凝胶强度并抑制凝胶劣化。夏培浩等[5]研究发现,乳清蛋白、卵清蛋白、猪血浆蛋白、大豆蛋白等蛋白的添加对竹荚鱼鱼糜的凝胶劣化有一定的抑制作用。陈康等[6]对鱼糜的研究也获得了类似的结果。大量的研究表明,鱼糜中适量的添加非肌肉蛋白不仅起到填充物和营养强化作用,也可提高其凝胶强度与保水性,但是目前多数集中在对海洋鱼类的凝胶性能研究[11-14],而对淡水鱼糜尤其是鲤鱼鱼糜添加食用蛋白后对其流变性和凝胶品质的影响规律还不清楚,对适合添加的蛋白种类和添加量还不明确。

因此,本研究主要探讨大豆分离蛋白(SPI)、乳清分离蛋白(WPI)、花生分离蛋白(PPI)的添加对鲤鱼鱼糜流变和凝胶特性的影响,以期为食用蛋白在鱼糜制品中的工业应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

鲜活鲤鱼(每尾质量1000～1500 g) 枣庄大润发超市;大豆分离蛋白(SPI,蛋白含量90%) 临沂山松生物制品有限公司;乳清分离蛋白(WPI,蛋白含量90%) 安徽中旭生物科技有限公司;花生分离蛋白(PPI,蛋白含量90%) 河南昌益生物科技有限公司;食盐(食品级) 枣庄大润发超市。

LFRA型质构仪 美国Brookfield公司;MCR301型旋转流变仪 奥地利安东帕公司;WSC-S型色差计 上海仪电物理光学仪器有限公司;ZB-20型斩拌机 诸城市瑞恒食品机械厂;FW100型高速匀浆组织捣碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;Sigma 3-30K型高速冷冻离心机 德国Sigma公司;FA1104B型电子分析天平 上海越平科学仪器有限公司;HH-S4型数显恒温水浴锅 常州普天仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鱼糜样品的制备 取鲜活鲤鱼用冰水洗净后去头、去皮、去内脏;再用冰水冲洗后手工切取鱼肉;将鱼肉剁碎后用水漂洗,按鱼肉质量5倍的量加食盐水(蒸馏水配制),慢速搅拌8 min,静置10 min使鱼肉充分沉淀,倾去表面漂洗液,再按上述比例加食盐水,如此重复3次(使用的食盐水质量浓度为2.5 g/L,整个过程加冰使鱼肉温度保持在10 ℃左右);然后将鱼肉放在四层纱布中用力绞干脱水分;加入2%的食盐进行擂溃10 min。将擂溃后的鱼糜分成三大组,分别加入鱼糜质量(0%、2%、4%、6%、8%、10%)的SPI、WPI和PPI三种食用蛋白粉,利用斩拌机斩拌搅匀,然后调整鱼糜的含水量为80%(水分含量测定仪测定),再次斩拌搅匀后一部分鱼糜放在4 ℃冰箱静置过夜作为流变指标的待测样品;另一部分将鱼糜填充至30 mm的尼龙肠衣中,制肠后在采用二段加热法(40 ℃/60 min,90 ℃/20 min)制备凝胶,加热结束冷却后,将鱼肠置于4 ℃冰箱静置过夜,作为凝胶质地的待测样品,以不添加蛋白的鱼糜样品作为对照,每组样品重复制备五次。

1.2.2 鱼糜动态流变性质的测定 参照Xue等[15]和Huang等[16]的方法,稍作修改。采用50 mm平板测试,将上述流变指标的待测样品均匀涂布于测试平台,石蜡密封,以防止水分挥发。测试参数为:采用温度扫描模式,振荡频率为0.1 Hz,应变1%,平行板的间距为1 mm,升温扫描范围为20～85 ℃,升温速率为2.0 ℃/min,测定升温过程中弹性模量(G′)和黏性模量(G″)的变化。每个样品至少做三个平行样,结果取平均值。

1.2.3 凹陷深度、破断强度和凝胶强度的测量 参照崔旭海等[17]和Yu等[18]的方法。将上述鱼肠样品从4 ℃冰箱取出平衡至室温,切成25 mm厚的片段;凹陷深度和破断强度采用质构仪进行测定,测定探头采用5 mm圆柱形探头;测前速率:2.00 mm/s;测试速率:3.00 mm/s;测后速率:2.00 mm/s;穿刺深度:10 mm;触发力:5.0 g。穿刺曲线第一个峰即为破断强度,对应的距离为凹陷深度。二者的乘积为凝胶强度,即:

凝胶强度(g·mm)=破断强度(g)×凹陷深度(mm)

每组实验重复五次,取平均值。

1.2.4 持水性的测定 参照Kong等[19]方法,稍作修改,测定失水率,通过失水率变化来说明持水性。将上述鱼肠样品切成5 mm厚的薄片并称重(W1),下面放3张滤纸,上面放2张滤纸,用5 kg的砝码压制并保持15 min,去掉滤纸,再将样品称重(W2)。

每组实验重复做五次,取平均值。

1.2.5 白度的测定 参照Zhang等[20]的方法,稍作修改,将上述鱼肠样品切成厚5 mm的薄片,室温下用色差计测定,使用O/D测试头,用白板(L*=91.81,a*=-1.52,b*=1.32)对设备进行校正后测定鱼糜样品的L*值、a*值和b*值。L*表示样品的亮度,a*表示样品偏红,-a*表示样品偏绿;b*表示样品偏黄,-b*表示样品偏蓝。白度值(W)采用下面的公式计算:

1.3 数据处理

本实验数据分析使用Statistix 8.1软件包中General Linear Models程序进行,对数据之间的显著性(p<0.05)采用Tukey HSD法进行对比,相关性分析选用Pearson法,作图采用Sigmaplot 12.3软件。

2 结果与分析

2.1 不同食用蛋白的添加对鱼糜流变学特性的影响

储能模量G′也称弹性模量,反映蛋白凝胶网络结构的形成情况,是样品的弹性特征;耗能模量G″也称黏性模量,是样品的粘性特征[21]。由图1～图3可知,在相同的测定条件下,随着三种食用蛋白的增加,鱼糜的 G′和G″均呈现逐渐增加,且三种蛋白的添加对G′和G″的影响趋势相似。这可能是因为蛋白会填充鱼糜网状结构的空隙,使网状结构更易形成,而且随着蛋白添加量的增多,鱼糜中肌原纤维蛋白和添加蛋白的相互作用力增强,体系的粘弹性模量增加[3]。由图1～图3同样可以看出,在升温过程中,三种食用蛋白的G′曲线都经历了三个阶段的变化。在20～32 ℃范围内,体系的储能模量G′随着温度的升高而平缓增加,在32 ℃左右达到最大值。这可能是由于鱼糜蛋白在低温下开始交联,初步形成网状结构的原因[21]。接着在33～50 ℃范围内,体系的储能模量G′随着温度的升高先缓慢后快速降低,在50 ℃左右达到最小值,一方面可能是肌球与肌动蛋白开始解螺旋,轻酶解肌球蛋白变性[18],破坏了蛋白的网络结构,另一方面可能是鱼糜内源蛋白酶作用下影响了凝胶结构的形成[21]。而后在51～85 ℃范围内,体系的储能模量G′随着温度的升高先快速上升达最大值后趋于平缓,这是由于蛋白质分子迅速展开,凝胶结构充分形成[22]。体系的黏性模量G″随着温度增加的变化趋势与G′相类似,也经历了三个阶段,但在第二阶段33～52 ℃范围内,体系的黏性模量G″下降更显著,在第三阶段53～85 ℃范围内,G″增加幅度较小。关于鱼糜蛋白质的凝胶形成过程,目前广受承认的理论是:鱼肉蛋白质形成凝胶过程主要经过凝胶化(suwari)、凝胶劣化(modori)和鱼糕化(kombako)三个阶段。Visessanguan等[23]对鱼糜黏弹性特性形成的三个阶段进行了同样分类:“凝胶化”、“凝胶劣化”、“凝胶加强”。因此推测,本实验中弹性模量G′与黏性模量G″产生以上三个阶段的变化可能是与上述凝胶形成的三个阶段密切相关。

图1 大豆分离蛋白的添加量对鲤鱼 鱼糜弹性模量G′和黏性模量G″的影响Fig.1 Effects of the addition amount of SPI on the G′ and G″ of carp surimi

图2 乳清分离蛋白的添加量对鲤鱼 鱼糜弹性模量G′和黏性模量G″的影响Fig.2 Effects of the addition amount of WPI on the G′ and G″ of carp surimi

图3 花生分离蛋白的添加量对鲤鱼 鱼糜弹性模量G′和黏性模量G″的影响Fig.3 Effects of the addition amount of PPI on the G′ and G″ of carp surimi

在相同的添加量条件下(以8%蛋白添加量为例,图1～图3),可以发现添加大豆分离蛋白组的鱼糜G′和G″最大,其次是花生分离蛋白,添加乳清分离蛋白组的G′和G″最小,而且不同类型蛋白G′和G″分别具有相似的变化趋势。结果表明,不同食用蛋白的添加可以提高鱼糜粘弹性,降低鱼糜的凝胶劣化作用,但不同类型食用蛋白的影响效果不同。推测可能与食用蛋白的组成和结构有关,虽然添加量相同,但是大豆分离蛋白、乳清分离蛋白和花生分离蛋白三者的蛋白组成和结构差异较大,对鱼糜肌原纤维蛋白的交联及其蛋白网络结构的形成影响不同[9]。大豆分离蛋白中球蛋白含量较高,可以更好地填充到鱼糜网状结构的空隙,所以形成的粘弹性最大。该结果与Luo等[9-10]对鲢鱼和鳙鱼鱼糜中添加大豆分离蛋白的实验结果是一致的。

2.2 不同食用蛋白的添加对鱼糜凝胶质构的影响

三种不同食用蛋白添加量对鱼糜凝胶质地的影响如图4～图6所示。由图4中可知,随着三种食用蛋白的添加,凹陷深度呈现不断下降的趋势,其中PPI的下降趋势最明显,基本呈线性下降(p<0.05),相同添加量时SPI组与WPI组的凹陷深度差异不显著(p>0.05)。当SPI组、WPI组、PPI组添加量为10%时,与对照(添加量为0%时的样品)6.18 mm相比,凹陷深度分别降低了12.11%、13.78%和19.33%。

图4 食用蛋白添加量和种类 对鲤鱼鱼糜凝胶凹陷深度的影响 Fig.4 Effects of the edible protein addition amount and kinds on deformation distance of carp surimi gel

图5 食用蛋白添加量和种类 对鲤鱼鱼糜凝胶破断强度的影响Fig.5 Effects of the edible protein addition amount and kinds on breaking force of carp surimi gel

图6 食用蛋白添加量和种类 对鲤鱼鱼糜凝胶强度的影响Fig.6 Effects of the edible protein addition amount and kinds on gel strength of carp surimi

而从图5可以看出,破断强度的变化趋势与凹陷深度相反,随着三种食用蛋白添加量的增加而增强,相同添加量时PPI组>SPI组>WPI组,当SPI和PPI的添加量在超过8%后趋于平缓,差异不显著(p>0.05),而WPI组超过8%后仍有明显增加趋势(p<0.05)。当SPI组、WPI组、PPI组添加量为10%时,破断强度达到最大值,与对照组457.33 g相比,分别增加了47.61%、33.68%和58.59%。这是由于随着添加蛋白的增加,制品中的鱼糜蛋白含量相对减少,从而导致鱼糜制品破断强度和凹陷深度呈现相反的趋势[6]。Kudre等[24]在沙丁鱼糜中添加黑豆和绿豆的分离蛋白,也表明蛋白的添加会显著提高凝胶的破断强度,推测可能是外源性蛋白的添加抑制了内源性的热激活蛋白酶的活性,维持了凝胶结构[24],此结果与本文的研究是一致的。

从图6可以看出,随着三种不同食用蛋白的添加,凝胶强度的变化趋势为先上升后下降。相同添加量时凝胶强度值SPI组>PPI组>WPI组,但SPI组与PPI组曲线变化趋势一致,差异不显著,当添加量超过6%时,SPI组与PPI组的凝胶强度值显著高于WPI组(p<0.05)。当添加量为8%时,同时达到最大值,SPI组、PPI组和 WPI组分别为3806.70、3717.97和3374.32 g·mm,与对照组分别增加了34.63%、31.49%和19.33%。此结果与前文中弹性模量G′和黏性模量G″的变化规律是一致的,进一步表明适当添加外源性蛋白可以提高鱼糜制品的凝胶强度。但是蛋白添加量过高时会阻碍肌球蛋白分子之间形成凝胶的能力,会降低凝胶强度,导致鱼糜制品变得硬而无弹性[6,9]。此研究结果与陈海华等[3]、陈康等[6]报道的结果相似。

2.3 不同食用蛋白的添加对鱼糜凝胶持水性的影响

鱼糜的持水能力与其失水率呈负相关[7],本实验通过测定失水率研究其持水性变化。添加三种食用蛋白对鱼糜制品失水率的影响如图7所示。由图7可知,三种蛋白添加的曲线变化趋势相似,但在2%添加时,PPI组和SPI组与对照组(未添加蛋白的样品)的失水率24.4%相比,变化不显著(p>0.05),而WPI组的失水率却显著降低了5.87%(p<0.05);当三种食用蛋白的添加量在2%～8%范围时,都可以使鱼糜凝胶的失水率显著下降(p<0.05);添加量在8%～10%时,随着添加量的增加,失水率趋于平衡。当添加量相同时,凝胶失水率的变化为PPI组>SPI组>WPI组,但添加量为2%时差异不显著(p<0.05);当添加量在4%～10%时,与PPI组和SPI组相比,WPI组失水率显著降低(p<0.05);而PPI组和SPI组在2%～8%范围添加时,变化不显著(p<0.05);当添加量在8%时,PPI组、SPI组和WPI组失水率与对照组相比,分别降低了35.94%、40.45%和48.36%。以上结果表明,上述三种食用蛋白均可提高鲤鱼鱼糜凝胶的持水性,并且乳清分离蛋白的保水效果最好,大豆分离蛋白次之,花生分离蛋白的保水效果相对最弱。这可能是由于三种食用蛋白本身有一定的吸水性,会和鱼糜本身的蛋白等相互作用形成更加紧密的网状结构并锁住水分,但是不同来源蛋白其本身性质差异较大,加热后蛋白变性程度不同,导致所形成的三维网络结构不同,因此表现出不同的保水性。Kudre与Oujifard等[24-25]指出,鱼糜中添加黑豆、绿豆、班巴拉花生分离蛋白后,失水率的降低是由于蛋白的添加抑制了鱼糜中肌球蛋白重链(MHC)的降解作用,进而提高了保水性。陈海华等[4]研究也指出,乳清浓缩蛋白(WPC)在鱼糜中的添加能有效吸收和保留样品中的水分。以上研究结果与本实验的结果是高度一致的。

图7 食用蛋白的添加量和种类 对鲤鱼鱼鱼糜凝胶失水率的影响Fig.7 Effects of the edible protein addition amount and kinds on the water loss rate of carp surimi gel

2.4 不同食用蛋白的添加对鱼糜凝胶白度的影响

由表1可以看出,不同食用蛋白的添加对鲤鱼鱼糜的凝胶颜色影响较大,均会导致鱼糜凝胶的白度降低。其中SPI组与PPI组,随着添加量的增多,白度值会发生显著性降低(p<0.05);WPI组在0%～2%添加时,白度值变化不明显(p<0.05),2%～8%添加时,白度值显著降低(p<0.05),8%～10%添加时,白度变化平缓(p<0.05)。与对照组相比,当蛋白添加10%时,SPI组、WPI组和PPI组白度分别降低了31.59%、24.37%和22.21%。这表明添加上述三种食用蛋白对鱼糜凝胶的白度会产生负面影响,且SPI组下降最明显。由表1同样可以看出,当添加量相同时,在0%～2%添加时,不同种类的食用蛋白对鱼糜凝胶白度没有显著影响;4%～10%添加时,SPI组的白度值显著低于PPI组(p<0.05),而此范围内WPI组与PPI组的白度值差异不显著(p<0.05);而6%～10%添加时,SPI组的白度值显著低于WPI组(p<0.05)。随着蛋白的添加导致鱼糜白度下降的主要原因,可能是由于这三种食用蛋白本身就带有一定的黄色,从而影响鱼糜制品的色泽,导致颜色偏黄,白度下降显著。Kudre与Oujifard等[24-25]的研究也指出,随着蛋白的添加鱼糜的白度降低,与蛋白的固有颜色、蛋白的种类以及添加数量密切相关。此外,Kudre等[24]也指出,凝胶基质中水分释放到凝胶表面越多,会促进光散射作用,进而会增加凝胶白度。本实验中,添加PPI组失水率最大,凝胶表面水分释放最多,而对应的白度值也最大,这与Kudre等[24]的结论是一致的。由于白度是鱼糜制品的重要质量指标之一,因此在实际应用时,上述三种食用蛋白的添加量均不应太高,同时也要考虑所选择的食用蛋白类型。

表1 食用蛋白的种类和添加量对鲤鱼鱼糜凝胶白度的影响Table 1 Effects of the edible protein addition amount and kinds on the whiteness of carp surimi gel

2.5 不同食用蛋白的添加对各指标影响的相关性分析

由表2可知,三种不同食用蛋白的添加对各指标进行对应比较分析,其整体相关性变化是一致的。添加三种蛋白时,随着鱼糜流变性指标弹性模量G′和黏性模量G″的增加,凝胶的破断强度和凝胶强度增加,且是差异显著的正相关(p<0.05),G′与破断强度的相关度可分别达到0.9065、0.9325和0.9251;而凹陷深度、失水率和白度值等三个指标随着G′和G″的增加呈现下降趋势,且是差异显著的负相关(p<0.05),G′与失水率的相关度可分别达到-0.9442、-0.9832和-0.9397。同时还发现,三种蛋白添加时,弹性模量G′、黏性模量G″、破断强度、凝胶强度等四个指标彼此之间均呈现差异显著的正相关(p<0.05);而凹陷深度、失水率和白度值等三个指标彼此之间均呈现差异显著的正相关(p<0.05)。这与陈海华[3-4]、陈康等人[6]关于添加非肌肉蛋白对鱼糜制品品质影响的相关结果是一致的,尤其是陈海华实验中破断强度、凝胶强度、白度值、失水率的研究结果与本实验结果是高度一致的。此结果说明,不同食用蛋白的添加影响了鱼糜的流变性和凝胶特性,而且适量的蛋白添加可以提高鱼糜的弹性模量G′、黏性模量G″、破断强度、凝胶强度和保水性,使鱼糜的质地特性提高,但在一定程度会影响鱼糜的色泽。根据本实验相关性结论,推测不同食用蛋白的添加对鱼糜流变和凝胶特性影响的原因可能如下:本实验中SPI、WPI、PPI三种食用蛋白具有蛋白酶抑制剂的作用,可以被看作是蛋白酶抑制剂[3,5,25]。鱼糜加工过程中,热激活蛋白酶作用于肌原纤维蛋白的肌球蛋白重链导致凝胶劣化,而非肌肉食用蛋白的添加能抑制内源性热激活蛋白酶的降解作用[24-25],降低鱼糜制品中组织蛋白酶的活性,从而改善各种鱼糜制品的质构特性[4];此外,食用蛋白本身也具有较好的凝胶性能和持水能力,与鱼糜肌原纤维蛋白相互作用,加热后形成了更加致密的三维网络结构,提高了粘弹性、凝胶强度和保水性。因此,不同食用蛋白添加后鱼糜流变和凝胶特性的相关指标得到了较大改进。

表2 不同类型食用蛋白添加的各指标相关性分析Table 2 Correlation analysis between each index of different kinds of the edible protein

3 结论

本实验研究表明,添加一定量的SPI、WPI 和PPI能够有效地改善鲤鱼鱼糜的流变性(弹性模量G′和黏性模量G″)、破断强度、凝胶强度和持水性,但破断深度和白度有所下降,然而各测定指标间存在显著相关(p<0.05)。实验数据表明:对流变性的影响效果是SPI组>PPI组>WPI组,对于破断强度的影响效果是PPI组>SPI组>WPI组,对于凝胶强度的影响效果是SPI组>PPI组>WPI组,对于凝胶失水率的影响效果是PPI组>SPI组>WPI组,对于凝胶白度的影响效果是SPI组>WPI组>PPI组。综上所述,大豆分离蛋白的添加对提高鱼糜的凝胶强度和粘弹性效果最好;乳清分离蛋白的添加对鱼糜的持水性效果最好;花生分离蛋白的添加对鱼糜色泽的保持效果最好。因此,在实际鱼糜制品的生产中,应根据产品的特征选择适合的蛋白种类和合理的添加量,来提高鱼糜制品的品质。