竹笋膳食纤维对猪肉盐溶性蛋白热诱导凝胶特性的影响

李 可，刘俊雅，扶 磊，赵颖颖，张艳艳，张 华，赵电波，白艳红,*

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南 郑州 450001；3.河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450001）

随着健康食品的发展，低温肉制品加工的核心目的是生产更加营养、低盐和低脂的产品[1]。其中，低温凝胶乳化型肉糜制品是消费者最喜爱的肉制品之一，为提高该类产品的品质同时降低能量和脂肪含量，通常采用热量较低的植物油或水取代动物脂肪，然后添加非肉成分如膳食纤维、大豆分离蛋白、卡拉胶和魔芋粉减少肉品中的脂肪含量[2-5]。膳食纤维有预防糖尿病、肥胖症和高血压等疾病的作用[6]。此外，膳食纤维可以作为增稠剂提高产品的凝胶强度和质构特性，常作为功能型成分被用于肉制品，以改善其持水能力和降低热量[7]。Choe等[8]将猪皮和小麦纤维混合物20%作为脂肪替代物加入到法兰克福香肠中，结果发现，加入猪皮与小麦纤维混合物的香肠含有较低的热量、较好的保水性和较高的蛋白质含量，硬度、凝聚性、黏性和咀嚼性均得到显著提高。Zhuang Xinbo等[9]将甘蔗膳食纤维按比例（0%、1%、2%、3%）和猪背膘10%、预乳化芝麻油10%加入到肉糜产品中，结果表明，甘蔗膳食纤维的添加可以显著提高产品的硬度、黏性、咀嚼性、流变学特性，显著降低肉糜制品中的胆固醇和脂肪含量，并且增强了肉糜保油保水的能力，当甘蔗膳食纤维添加量为2%时整体可接受度最高。竹笋富含膳食纤维，是良好的膳食纤维来源。张华等[10]研究发现竹笋膳食纤维的持水性、持油性、膨胀性以及对亚硝酸根和胆固醇的吸附能力远高于大豆膳食纤维和米糠膳食纤维。将竹笋膳食纤维添加到面粉和冷冻面团中，结果发现，适量的竹笋膳食纤维能够显著提高面团的稳定时间和黏弹性，增强面团持水能力，并且使淀粉颗粒与面筋网络排列更加细腻，有效改善面团品质[10-12]。有研究[13-14]分别以高酯果胶和草莓果酱为原料向其中加入不同比例的竹笋膳食纤维所得的复配体系的流变及凝胶质构特性，结果发现，竹笋膳食纤维的添加能够增加体系的黏弹性和咀嚼性，加强果酱体系的固体特征并提高稳定性。然而，竹笋膳食纤维在低温肉制品中的应用研究还鲜有报道。

肌肉蛋白质的凝胶特性是肉品加工过程中发生的一种最重要的物理化学特性。肌肉蛋白凝胶是提取出来（可溶）的蛋白质分子解聚后交联而形成的集聚体。当集聚体达到了一定程度，就形成了连续的三维网络结构。盐溶性蛋白约占总肌肉蛋白质的60%，可通过热加工形成凝胶，对加工或重组肉制品的脂肪和水的稳定性以及肉片的凝聚性起主要作用[15]。Choi等[15]在猪肉盐溶性蛋白中添加不同量的米糠纤维（0%、0.1%、0.5%、1%、2%），结果发现，米糠纤维能够改善凝胶体系的保水性，然而凝胶体系的硬度、弹性、凝聚性、黏性、咀嚼性则随着米糠纤维的增加而降低。而Zhuang Xinbo等[1]研究了甘蔗膳食纤维（0%、1%、2%、3%）对肌原纤维蛋白凝胶保水性的影响，结果发现，甘蔗膳食纤维同时改善凝胶体系的凝胶强度和保水性。Zhuang Xinbo等[16]研究发现甘蔗膳食纤维的添加可以显著增加凝胶体系的硬度、黏性和咀嚼性。这些研究结果表明，不同种类的膳食纤维对肌肉蛋白质的凝胶特性和保水性的影响不同。竹笋膳食纤维与猪肉盐溶性蛋白的交互作用并不清楚，目前鲜见有相关的研究报道。

因此，本研究探讨不同添加量的竹笋膳食纤维对猪肉盐溶性蛋白凝胶体系的凝胶强度、流变学特性、保水性、水分分布和微观结构的影响，为开展竹笋膳食纤维在肉制品加工中的应用，提高低温凝胶乳化型肉制品的品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

竹笋膳食纤维原料 浙江耕盛堂生态农业有限公司；猪里脊肉 郑州丹尼斯超市。

牛血清蛋白（bull serum albumin，BSA） 北京索莱宝科技有限公司；NaCl、焦磷酸钠（Na4P2O7）、六偏磷酸钠（(NaPO3)6）、多聚磷酸钠（Na5P3O10）（均为分析纯） 天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Discovery流变仪 美国TA仪器公司；NM120低场核磁共振成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；JSM-6490LV扫描电镜 日本JEOL公司；TA-XT plus质构仪 英国Stable Micro System公司；SZ-22A绞肉机广州旭众食品机械有限公司；HH-42水浴锅 常州国华电器有限公司；XHF-D高速分散器（内切式匀浆机）宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 竹笋膳食纤维的制备

竹笋膳食纤维的制备参照张华等[10]的方法，将竹笋膳食纤维真空冷冻干燥24 h后超微粉碎，然后过100 目筛备用。

1.3.2 猪肉盐溶性蛋白的提取

盐溶性蛋白的提取方法参考Sun Jingxin[17]和栗俊广[18]等的方法，并进行适当修改。将猪里脊肉于0～4 ℃解冻12 h，然后用绞肉机绞碎，加入4 倍质量的提取液（含0.6 mol/L NaCl、1 g/L焦磷酸钠、1.75 g/L多聚磷酸钠和0.75 g/L六偏磷酸钠），用匀浆机每次匀浆30 s，匀浆3 次，再加入HCl或NaOH溶液调节溶液pH值至6.5。将溶液于4 ℃静置24 h，用离心机于4 ℃、10 000×g离心5 min，再过20 目滤网得上清液，加入5 倍上清液体积的去离子水，静置2 h，离心取沉淀，即得盐溶性蛋白。

盐溶性蛋白质含量的测定参考Daum-Thunberg等[19]的方法并稍加修改。以BSA作为标准蛋白。蛋白质标准曲线的回归方程为y=0.250 8x＋0.003 2，R2=0.999 7。

1.3.3 凝胶的制备

在盐溶性蛋白溶液中加入适量的提取液（含0.6 mol/L NaCl、1 g/L焦磷酸钠、1.75 g/L多聚磷酸钠和0.75 g/L六偏磷酸钠），使蛋白质量浓度调节至40 mg/mL，再分别添加不同比例的竹笋膳食纤维（0%、1%、2%、3%和4%），使用均质机1 000 r/min均质30 s使样品混匀。处理组T0表示竹笋膳食纤维添加量为0%；T1表示竹笋膳食纤维添加量为1%；T2表示竹笋膳食纤维添加量为2%；T3表示竹笋膳食纤维添加量为3%；T4表示竹笋膳食纤维添加量为4%。

取8 g混匀后的蛋白溶液装入10 mL离心管中，用于测定离心损失。离心管密封，并在低速下（500×g）离心5 min，以除去样品中的空气。再另外取8 g混匀后的蛋白溶液装入5 mL小烧杯中，用于测定蒸煮损失和凝胶强度。将装有蛋白溶液的离心管和小烧杯放在80 ℃的恒温水浴锅中水浴30 min，然后迅速从水浴锅中取出放入冰屑中冷却，再放入4 ℃冰箱备用。所有样品测试前需在室温下放置30 min。

1.3.4 凝胶保水性分析

1.3.4.1 蒸煮损失

将凝胶从4 ℃冰箱取出，室温放置30 min，用吸水纸除去多余水分，记录5 mL烧杯和蒸煮前后样品的质量。每个处理进行6 个重复。计算公式如下：

式中：m0为5 mL烧杯的质量/g；m1为蒸煮前样品质量/g；m2为蒸煮后样品和5 mL烧杯的总质量/g。

1.3.4.2 离心损失

将制备好的凝胶在4 ℃、10 000 r/min离心10 min，用吸水纸除去多余水分，记录离心前后离心管和样品的质量。每个处理有6 个重复。计算公式如下：

式中：m0为离心管的质量/g；m1为离心前样品和离心管总质量/g；m2为离心后样品和离心管的总质量/g。

1.3.5 凝胶强度的测定

参考Chen Xing等[20]的方法并加以修改，采用质构仪的凝胶强度测试程序，使用P0.5探头进行测定。测试前速率2 mm/s，测试速率1 mm/s，测试后速率1 mm/s，下压距离4 mm，触发力5 g。测定后用软件（TA-XT Express）处理得到一条曲线，第1个峰顶点为样品破裂点，定义为样品的凝胶强度/g。

1.3.6 动态流变特性分析

参考Kang Zhuangli等[21]的方法测定样品的动态流变特性。采用40 mm平板夹具，用硅油密封，防止水分蒸发。上下板间隙为0.5 mm，应变为0.5%。测定方法为：25 ℃保温10 min，升温过程为25～80 ℃线性升温，升温速率1 ℃/min。加热过程是在振荡模式和一个固定频率0.1 Hz的条件下对样品进行连续剪切。测定指标为流变储能模量（G’）、损耗模量（G”）。

1.3.7 低场核磁共振分析

参考Han Minyi等[22]的方法并稍加改动。称取质量约1.5 g的凝胶样品放入直径15 mm的核磁管中，进行低场核磁共振测定。测量温度为32 ℃，质子共振频率为18 MHz，采样频率为100 kHz，半回波时间τ值（90°脉冲和180°脉冲之间的时间）为250 µs，重复扫描8 次，重复间隔时间110 ms，扫描12 000 个回波，自旋-自旋弛豫时间T2用CPMG序列测量，得到的图为指数衰减图形，每个样品测定6 个重复，结果取平均值。

1.3.8 扫描电镜观察

参考Han Minyi等[22]的方法并稍作改动。将凝胶样品切成1 mm×1 mm×1 mm的小块，放入体积分数2.5%的戊二醛溶液中4 ℃固定过夜，使用磷酸缓冲液（0.1 mol/L、pH 7.0）漂洗3 次，每次15 min。接着使用体积分数为50%、70%、90%的乙醇溶液各脱水15 min，最后用100%乙醇脱水3 次，每次10 min。冷冻干燥后喷10 nm厚的金镀膜，在2 000 倍扫描电镜下观察并拍照。加速电压为20 kV。

1.4 数据分析

实验重复3 次。采用软件Origin 8.5作图，用软件SPSS v.21.0进行统计分析，使用单因素方差分析（ANOVA）对数据进行分析，采用Duncan’s方法进行多重比较，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 凝胶强度和保水性测定结果

表1 不同竹笋膳食纤维添加量的猪肉盐溶蛋白的凝胶强度和保水性Table 1 Gel strength and water-holding capacity of porcine salt-soluble protein with various amounts of added BSDF

由表1可知，竹笋膳食纤维显著影响凝胶体系的凝胶强度（P＜0.05）。随着竹笋膳食纤维添加量的增加，凝胶强度呈现先显著增加后降低的趋势（P＜0.05）。当竹笋膳食纤维添加量为3%时，凝胶强度达到最大。Zhuang Xinbo等[1]研究发现了类似结果，甘蔗膳食纤维可以有效增强肌原纤维蛋白的凝胶强度。这可能是因为膳食纤维中含有大量亲水性的多聚糖成分[23]，在加热过程中可以有效地与水结合，使盐溶性蛋白的巯基含量、Ca2＋-ATPase等活性基团数目增加，导致蛋白质分子间相互作用力发生变化，促进了蛋白质-蛋白质之间发生交联反应，从而形成更稳定的三维网络结构，凝胶体系的凝胶强度增强[24]。然而过量地添加膳食纤维，会导致蛋白质-多糖之间过度聚集，盐溶性蛋白的疏水基团暴露，从而破坏了蛋白基质，导致蛋白的凝胶形成能力下降，凝胶强度降低[25-26]。

与未添加竹笋膳食纤维相比（表1），竹笋膳食纤维可以显著降低凝胶体系的蒸煮损失和离心损失（P＜0.05），并且随着竹笋膳食纤维添加量的增加，凝胶体系的蒸煮损失和离心损失均呈现显著下降趋势，说明竹笋膳食纤维具有良好的持水力，可以有效地截留水分于凝胶网络体系中，从而改善凝胶体系的保水性。Choi等[15]将米糠纤维按比例（0.1%、0.5%、1%、2%）加入到猪肉盐溶性蛋白中，结果显示，凝胶体系的保水性呈现先显著增加后保持不变的趋势，当米糠纤维添加量为1%时达到最大值。这可能是由于添加的膳食纤维种类不同。

2.2 动态流变学特性测定结果

不同添加量的竹笋膳食纤维对猪肉盐溶性蛋白加热过程中G’的影响结果如图1A所示。所有实验组都有类似的升温曲线，主要包含4 个温度范围：25～38、38～48、48～56、56～80 ℃。其中，在25～38 ℃区间，G’基本保持不变，随着温度从38 ℃升高到48 ℃，G’急剧增加，这是凝胶网络形成的初始阶段，此时肌球蛋白头部通过二聚作用开始交联，形成弹性或蛋白质网络结构[27]。第3阶段是温度从48 ℃升高到56 ℃，G’逐渐下降，这是因为热效应致使肌球蛋白尾部变性，导致蛋白质分子发生重组，之前低温下形成的蛋白质网络结构可能遭到破坏[28-29]。最后，在第4阶段中，温度升高到80 ℃，G’迅速增加，此时盐溶性蛋白由黏性溶胶转变成一个弹性凝胶网络[30]。

在加热过程中，添加竹笋膳食纤维的处理组（T1、T2、T3、T4）的G’值都明显高于空白对照组T0，并且随着竹笋膳食纤维添加量的增加，凝胶体系的G’明显增大。竹笋膳食纤维添加到盐溶性蛋白体系中，作为增稠剂和填充剂，吸收了盐溶性蛋白体系中的水分，并且随着温度的升高，蛋白质分子展开，蛋白质-蛋白质之间作用力增强，使得盐溶蛋白聚集或交联形成更强的三维网络凝胶结构[31]，从而促使凝胶G’值增大，凝胶强度增加。

图1 竹笋膳食纤维对猪肉盐溶蛋白热诱导凝胶G’（A）和G”（B）的影响Fig. 1 Effects of BSDF on storage modulus G’ (A) and loss modulus G” (B) of heat-induced gel of PSSP

图1 B显示了不同处理组猪肉盐溶性蛋白质从 25～80 ℃加热过程中G”的变化。随着温度从25 ℃升高至48 ℃时，G”从迅速增加到最高点。然后，随着温度增加，G”又迅速下降。添加竹笋膳食纤维处理组最终的G”均高于对照组，并且随着竹笋膳食纤维量的增加，G”也持续增加。Choi等[15]在盐溶性蛋白中加入米糠纤维，结果发现，盐溶性蛋白溶液的表观黏度也随着米糠纤维的增加而显著增强。Zhuang Xinbo 等[16]研究认为膳食纤维是多孔的，有像树枝一样的形状，它的物理结构导致其在凝胶体系中产生更大的阻力，使体系的黏稠度增加。Hu Hongyan等[31]认为凝胶体系的G”增加是由于增稠剂和乳化剂添加量的增加，使凝胶体系稳定性增强导致的。

2.3 低场核磁共振分析

图2 添加不同竹笋膳食纤维的猪肉盐溶蛋白凝胶水分核磁共振弛豫时间T2分布规律Fig. 2 Transverse relaxation time (T2) distribution of porcine saltsoluble protein gels with different amounts of added BSDF

由图2可以看出，凝胶体系存在4 个峰组（T2b、T21、T22、T23），分别集中在0.1～1 ms（T2b），10～40 ms（T21），100～200 ms（T22），400～1 300 ms（T23）4 个弛豫时间段。其中T2b代表凝胶系统中与蛋白质等大分子结合紧密的水组分，称为结合水；T21代表与大分子结合程度较弱的水，称为弱可移动水；T22代表由于毛细管作用力等因素滞留于样品内部结构中的水，称为中度可移动水；T21和T22均可归结为不易流动水[32]；T23代表自由水。由表2可知，同一样品的4 个T2弛豫峰面积相对百分比中，PT22数值最大，说明在凝胶体系中大部分的水分是中度可移动水。

表2 添加不同竹笋膳食纤维的猪肉盐溶蛋白凝胶水分核磁共振弛豫时间T2和弛豫峰面积相对百分比Table 2 T2 and peak area fractions of three water types from porcine salt-soluble protein gels with different amounts of added BSDF

由表2可以看出，竹笋膳食纤维显著影响凝胶的不易流动水和自由水的弛豫时间和弛豫峰面积相对百分比（P＜0.05）。随着竹笋膳食纤维添加量的增加，弛豫时间T21、T22、T23均向快弛豫方向移动，弛豫时间显著减小，说明凝胶体系中大分子截留水的结合程度增加。随着竹笋膳食纤维添加量的增加，自由水的峰面积相对百分比PT23显著降低，而不易流动水的峰面积相对百分比PT22显著增加。说明在加热形成凝胶的过程中，自由水向不易流动水移动。Zhuang Xinbo等[33]研究认为膳食纤维消除了互连水通道的形成，促进蛋白体系形成更紧凑的凝胶网络，从而导致各处理组的弛豫时间T2降低。Verbeken等[34]研究报道肉制品的弛豫时间T2减小表征凝胶的保水性增强。结合保水性的分析结果发现，与对照组相比，添加竹笋膳食纤维的各处理组自由水的弛豫时间T23减小，弛豫峰面积相对百分比PT23降低，说明凝胶体系中水分的自由度下降，自由水减少，凝胶保水性增强[35]。

2.4 扫描电镜测定结果

未添加竹笋膳食纤维的对照组微观结构外观粗糙，有不连续性和无序的凝胶基质（图3A）。添加竹笋膳食纤维的凝胶网络结构分布更均匀和致密（图3B～E）。竹笋膳食纤维增强了凝胶的密度，消除了一些空腔，并形成了一种光滑、连续和更均匀的凝胶基质，当竹笋膳食纤维的添加量达到3%时（图3D），凝胶体系的微观结构最为均匀和致密。Kao等[36]认为具有均匀致密微观结构的凝胶体系具有较高的持水力，因为与不均匀致密的结构的凝胶相比，小孔可以更牢固地保留水分子。竹笋膳食纤维的添加可以有效地吸收凝胶体系中的水分，增加凝胶体系的凝胶强度。

图3 添加不同竹笋膳食纤维的猪肉盐溶蛋白凝胶微观结构Fig. 3 Microscopic appearance of porcine salt-soluble protein gels with different amounts of added BSDF

3 结 论

竹笋膳食纤维可以有效改善凝胶体系的凝胶特性和保水性。添加不同比例的竹笋膳食纤维可以显著增加凝胶体系的凝胶强度、保水性、G’和G”。低场核磁共振分析显示，竹笋膳食纤维改变了凝胶体系的水分分布，随着竹笋膳食纤维添加量的增加，自由水的峰面积显著降低而不易流动水的峰面积则显著提高，增强了凝胶体系的持水能力。扫描电镜分析表明，竹笋膳食纤维添加后改变了凝胶体系的微观结构，使其形成更加均匀致密的凝胶微观结构。本研究结果显示竹笋膳食纤维能够明显改善猪肉盐溶性蛋白的凝胶功能特性，为肉与肉制品的品质改善和竹笋膳食纤维在肉制品加工中的应用提供了一定的理论基础。