三聚磷酸钠对热诱导全蛋液凝胶性质的影响

刘 鑫,王步明,曹龙泉,耿 敏,苏宇杰,李俊华,常翠华,顾璐萍,杨严俊,*

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;2.高邮市秦邮蛋品有限公司,江苏扬州 225600)

鸡蛋是一种营养丰富易被消化吸收的高蛋白食物,对人体而言,鸡蛋的蛋白质品质最佳,仅次于母乳,是人们日常生活不可或缺的营养食品之一,蛋与蛋制品在国民经济中占有重要地位。鸡蛋中的蛋白质具有多种功能特性,如凝胶作用、持水性、起泡性和乳化性等,在食品的制造加工中有重要的作用。变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构过程称为胶凝作用[1]。胶凝性是蛋白质的重要功能性质,凝胶的形成可以改善食品的形态,质地,提高食品的持水力、增稠等诸多应用[2]。全蛋液作为一种液态蛋制品和加工原料,有良好的加工特性,保留了新鲜鸡蛋的风味、营养以及功能性质,使其在快餐食品、烘焙糕点、冰淇淋、面包等食品的加工中具有重要的应用[3]。

磷酸盐在食品加工中主要是作水分保持剂、品质改良剂、乳化分散剂、缓冲剂、螯合剂、营养增补剂、pH调节剂、发酵膨松剂等[4],在肉制品、速冻食品、饮料工业、蔬菜水果以及海产品加工中广泛应用[5]。Klç,B等[6]研究发现焦磷酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠可以减少鸡肉牛肉蒸煮损失。Wang Peng等[7]发现磷酸盐可以增加肉制品体系pH,促使肌原纤维蛋白凝胶形成紧密有序的网络结构,增加凝胶硬度和持水力。相对于其他磷酸盐来说,三聚磷酸钠具有较高的水溶解性,是最常用的一种磷酸盐[8]。段昌圣等[8]研究了三聚磷酸钠添加量和冷藏时间对冷冻鸭肉色泽、持水性、质构参数等品质特性的影响,发现三聚磷酸钠浸泡鸭肉后可显著改善鸭肉的质构,提高鸭肉的持水性。刘丽莉等[9]和张根生等[10]采用三聚磷酸钠对鸡蛋清蛋白进行磷酸化改性,并针对蛋清液的溶解性,起泡性,乳化性等功能性质进行了探讨,未对蛋清蛋白的凝胶性质进行研究。在鸡蛋蛋白热诱导凝胶机制的初始阶段,蛋白质的二级和三级结构在加热过程中受到破坏而发生变性,蛋白质内部的疏水区域暴露出来,使得蛋白质之间发生交联,从而形成凝胶[11]。鸡蛋蛋白质的凝胶形成需要一定的温度[12],加热温度对于凝胶的硬度和弹性等性质都有显著的影响[13]。本实验研究了三聚磷酸钠和温度对全蛋液凝胶性质的影响,旨在为热凝固蛋制品如鸡蛋干的生产加工提供一定理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲜鸡蛋 市售;食品级三聚磷酸钠 湖北兴发化工集团股份有限公司;塑封袋 安徽美翔塑业有限公司;其它试剂 均为分析纯。

TA-XT plus型物性分析仪 英国Stable Micro Systems公司;UltraScan Pro1166型高精度分光测色仪 美国HunterLab公司;MesoMR23-060V-I型低场核磁共振成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司;HWS24型电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器公司;C-MAG HS7型磁力搅拌器 德国IKA公司;EL3002型电子天平 瑞士METTLER TOLEDO;5430 R型高速离心机 德国eppendorf公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备

1.2.1.1 不同温度的处理 选择新鲜无破损的鸡蛋,洗净后手工破壳,在室温下用磁力搅拌器充分混匀,每份称取5 g左右混合均匀的全蛋液置于10 mL小烧杯中,分别在80、85、90和95 ℃恒温水浴锅中加热30 min。加热完成后立即放入冰水中冷却,并在4 ℃下储存过夜使凝胶成熟,次日取出恢复至室温后分别测定样品的各项指标。

1.2.1.2 不同三聚磷酸钠添加量的处理 选择新鲜无破损的鸡蛋,洗净后手工破壳,在室温下用磁力搅拌器充分混匀,每份称取5 g左右混合均匀的全蛋液置于10 mL小烧杯中,分别加入质量分数为0、0.2%、0.4%、0.6%的三聚磷酸钠,搅拌均匀后在90 ℃恒温水浴锅中加热30 min,加热完成后立即放入冰水中冷却,并在4 ℃下储存过夜使凝胶成熟,次日取出恢复至室温后分别测定样品的各项指标。

1.2.2 质构特性的测定(TPA) 质构测定采用TA-XT plus物性分析仪,对制备好的凝胶样品采用TPA模式进行质构分析,参照邓利玲[14]的方法并稍作修改。样品是高度为10 mm,直径为20 mm的圆柱体,采用直径12.7 mm的P/36R平底型探头。使用Texture Expert软件版本1.22由力-时间变形曲线计算硬度,粘性,咀嚼性,弹性,内聚性和弹性。质构测定参数:测试前速5 mm/s;测试速度1 mm/s;测试后速1 mm/s;压缩模式:样品形变量50%,触发点负载5 g。每个样品平行5次测定相关质构指标。

1.2.3 色差测定 将凝胶样品密封在塑封袋中,先使用UltraScan Pro1166型高精度分光测色仪进行标准黑板和白板背景校准,以空白塑封袋为空白对照,然后依次测量样品的L*、a*和b*值,其中L*值表示亮度(0=黑色,100=白色),a*值表示红绿色度(-a*=绿色,+a*=红色),b*值表示黄蓝色度(-b*=蓝色,+b*=黄色)。每个样品测定三个不同的点并取平均值[15]。

1.2.4 蒸煮损失的测定 计算公式如下[14]:

式(1)

式中:m1为蒸煮前烧杯和相应全蛋溶液的总质量(g);m2为煮制后的总质量(g);m为烧杯质量(g)。

1.2.5 持水性(Water Holding Capacity,WHC)的测定 持水性的测定参照Hu等[16]的方法并稍作修改。将制好的全蛋凝胶切成大小一致的小块状,用滤纸包裹后放于50 mL离心管中,以6000 r/min转速离心10 min,然后用滤纸将表面水分吸干后称重。凝胶持水性计算公式如下:

式(2)

式中:m1:离心前样品凝胶重量(g);m2:离心后样品凝胶重量(g)

1.2.6 低场核磁自旋-自旋弛豫特性分析 参照Goetz[17]的方法并略作修改,利用低场核磁共振成像分析仪检测全蛋凝胶中不同水分种类的含量及分布情况,吸干样品表面水分,将大约5 g的凝胶样品用保鲜膜包好,放入直径25 mm的专用圆柱形核磁玻璃管中,置于永久磁场中心位置的射频线圈中心,利用FID信号调节共振中心频率,利用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间(T2),设置参数为:主频SF:21 MHZ;回波时间TE:0.5 ms;等待时间TW:5000 ms;信号叠加NS:4;前置放大倍数PRG:1。用仪器配套的Multi ExPInv Analysis软件拟合反演CPMG指数衰减曲线,得到样品的T2弛豫信息。

1.3 数据处理

所有数据利用Microsoft Excel 2007进行统计处理,采用Origin 8.0进行作图分析,SPSS 17.0进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 温度和三聚磷酸钠对凝胶质构的影响

鸡蛋蛋白质的热诱导凝胶过程是一个伴随复杂化学反应的过程,主要靠氢键、疏水相互作用、静电相互作用、二硫键等作用力形成和维持蛋白质凝胶稳定结构,凝胶过程是一个动态过程,受外界环境pH、离子强度及加热温度和时间的影响[18]。鸡蛋蛋白质凝胶的形成主要就是蛋白质分子的聚集过程,在聚集的过程中,依靠蛋白质-蛋白质、蛋白质-溶剂间的相互作用,当吸引力和排斥力达到平衡状态时,蛋白质分子之间就形成了高度有序的三维网络结构。

由表1可以看出,全蛋凝胶的硬度、胶着性和咀嚼性随着温度的升高均有显著升高(p<0.05),在95 ℃时达到最大,弹性、内聚性和回复性均上升,但是差异不显著(p>0.05)。鸡蛋蛋白质在一定的温度下形成热诱导凝胶,且鸡蛋中含有的蛋白质种类较多,各种蛋白质具有不同的变性温度[19],因此加热温度会对凝胶质构特性产生较大的影响。在加热的过程中,天然蛋白质受热展开,二级和三级结构被破坏,内部的疏水区域暴露出来,随着温度的升高,变性的蛋白质分子与相邻的结构相似的未展开蛋白质分子相互作用增强,导致高分子量聚集体数量增多,且凝集物之间发生进一步的反应,使得蛋白凝胶网络结构更加稳定,全蛋的凝胶强度增加[13]。

表1 温度对全蛋凝胶质构的影响Table 1 Effect of different heating temperatures on the texture of whole egg gel

由表2可得,相比对照组,添加STPP后凝胶品质得到明显改善,硬度、胶着性、咀嚼性、内聚性、回复性均有显著提高(p<0.05),STPP为碱性磷酸盐,添加STPP后体系pH升高,呈弱碱性,偏离蛋白质等电点,从而增加了蛋白质表面负电荷,使蛋白质之间的静电相互作用增强,从而使凝胶强度增大[20]。当STPP添加量为0.2%时,全蛋液凝胶的硬度达到最大值,随着STPP添加量从0.2%增加到0.6%,凝胶硬度反而呈现下降趋势。其原因可能是虽然STPP添加量增多,但是蛋白质侧链可引入的磷酸根基团已趋于饱和,过量的磷酸基团也不会再进行交联,相反会破坏凝胶分子间的氢键相互作用[21],从而导致凝胶强度开始下降。

表2 三聚磷酸钠对全蛋凝胶质构的影响Table 2 Effect of different STPP concentrations on the texture of whole egg gel

2.2 温度和三聚磷酸钠对凝胶色泽及外观的影响

不同温度和STPP添加量对全蛋液凝胶外观的影响如图1和图2所示,当加热温度从80 ℃上升到95 ℃时,凝胶外观颜色由淡黄色逐渐变为墨绿色,且在95 ℃时,可以观察到很多孔洞结构,可能是因为温度为95 ℃时,接近蛋液中水分的沸点,溶解在蛋液中的空气溢出,在蛋液形成热诱导凝胶的过程中,空气被包裹在全蛋凝胶结构中,形成肉眼可见的多孔结构。当STPP添加量从0.2%增加到0.6%时,凝胶外观孔洞逐渐减少，是因为随着STPP添加量的增多，液膜包裹空气能力下降，蛋白起泡性降低[10]。

图1 不同加热温度下全蛋凝胶照片

图2 不同三聚磷酸钠添加比例下全蛋凝胶照片

高精度分光测色仪测定结果如图3和图4所示,由两图中可以看出,在不同温度和STPP添加量下,凝胶的亮度L*、红值a*、黄值b*均有显著变化(p<0.05)。当温度从80 ℃增加到95 ℃时,凝胶的亮度L*、红值a*和黄值b*都逐渐降低,而添加STPP时出现相反的规律,随着STPP添加量的增多,凝胶的亮度、红值和黄值都逐渐增加,这和王也[20]的研究结论相一致。出现这些颜色的变化可能是受到硫化亚铁和脂溶性类胡萝卜素及其衍生物的联合影响[22]。鸡蛋中大部分铁元素和类胡萝卜素都存在于蛋黄中,随着温度的升高,半胱氨酸和甲硫氨酸这些含硫氨基酸降解产生硫,与金属亚铁离子结合生成绿色硫化亚铁,与蛋黄中的黄色素形成黄绿色外观。在添加STPP的一组样品中,磷酸盐具有较好的金属离子螯合能力,与金属离子形成络合物,减少了金属硫化物的产生,能够显著改善全蛋凝胶色泽。

图3 不同加热温度对全蛋凝胶色泽的影响

图4 不同三聚磷酸钠添加比例对全蛋凝胶色泽的影响

2.3 温度和三聚磷酸钠对凝胶蒸煮损失和持水性的影响

温度和STPP添加量对全蛋液凝胶的蒸煮损失和持水性的影响如图5和图6所示,随着加热温度的增加,凝胶蒸煮损失也逐渐增加,持水性呈现逐渐下降趋势,可能是蒸煮过程中,温度增加导致水分散失速度加快,且95 ℃加热时,凝胶持水性显著下降(p<0.05),从直观图中可以看出,加热温度为95 ℃时形成的凝胶有较多孔洞结构,孔洞内部会包裹较多的水分,在高速离心的过程中容易析出,故持水性较差。

图5 不同加热温度对全蛋凝胶蒸煮损失和持水性的影响

图6 不同三聚磷酸钠添加比例对全蛋凝胶蒸煮损失和持水性的影响

而添加了磷酸盐的样品蒸煮损失较小,相对于对照组有显著降低(p<0.05),凝胶持水性相对于对照组也有提高,当STPP添加量增多时,凝胶持水性也有一定改善,但是增加不显著(p>0.05)。STPP溶液偏碱性,使得溶液pH大于蛋白质等电点,pH的增加使蛋白质所带电量增加,同时磷酸基团的引入使蛋白质体系的电负性增强,分子间的静电斥力增大,形成了良好的凝胶网络结构,因此持水性变大。这与磷酸盐提高肌原纤维蛋白凝胶持水性的原理类似[5]。

2.4 全蛋凝胶LF-NMR分析

LF-NMR是利用氢质子(以水中的氢质子为主)与基质的结合强度不同,引起共振的射频在激发时和激发后其相位变化,能量传递后复原所需时间,即弛豫时间T2的差异来分辨水分的存在状态,且水分含量的不同会导致信号幅度、反演峰面积的不同。横向弛豫时间T21(10 ms以下)代表结合水,表示主要通过化学作用力结合到蛋白质分子上的水分子,T22(10～100 ms)代表不易流动的中间态水,表示存在于蛋白质致密的网络结构之间的不易流动的水分子,T23(100～1000 ms)代表自由水,存在于凝胶空间网络结构外部能自由流动的水[23],A21、A22、A23分别代表不同峰的比例。

由图7和表3可以得出,全蛋凝胶T2谱有3个峰,其中不易流动水含量最多,占全部水分的90%以上,温度对全蛋凝胶不易流动水和自由水影响较大,加热温度从80 ℃升高到90 ℃时,T21和T22峰值弛豫时间保持不变,T23逐渐增加,加热温度为95 ℃时,T23峰面积显著升高,T22峰面积显著降低,这可能是由95 ℃加热时凝胶形成的多孔结构导致的,孔洞结构中包裹了较多的自由水,也使得束缚在蛋白质凝胶网络结构中的不易流动水含量减少。

表3 不同加热温度下全蛋凝胶的横向弛豫时间及峰面积比例Table 3 Relaxation time and peak proportion of whole egg gel at different heating temperatures

图7 不同加热温度下全蛋凝胶的T2弛豫分布曲线

从图8和表4中可以看出,STPP添加量从0.2%增加到0.6%时,T21弛豫峰左移,可能是由于蛋白质的溶解度提高,蛋白质和水结合更加紧密[22]。T22峰值弛豫时间保持不变,都为43.29 ms,而峰面积逐渐增大,说明不易流动水随着STPP的增加而逐渐增多;相对于对照组,添加磷酸盐后T23峰面积变小表明自由水流动性降低,原因是添加磷酸盐后,蛋白质带电量增加,分子间斥力增大,形成持水的空间网络结构,更多的自由水被束缚在网络结构中,表明添加STPP后凝胶持水性有所提高,蛋白质分子与水分子结合更加紧密。

图8 不同三聚磷酸钠添加比例下全蛋凝胶的T2弛豫分布曲线

3 结论

本文研究了三聚磷酸钠对热诱导全蛋液凝胶性质的影响,发现温度和STPP对凝胶质构特征、颜色、持水性以及水分存在状态均有一定影响。当加热温度从80 ℃升高到95 ℃时,蛋白凝胶网络结构变得更加稳定,全蛋的凝胶硬度从1669.48 g升高到2544.81 g,颜色由黄色逐渐变为墨绿色,当STPP添加比例从0.0%增加到0.6%时,凝胶的硬度和弹性呈现先增大后减小的趋势,在添加量为0.2%时,凝胶硬度、弹性都达到最高,并利用LF-NMR技术检测了凝胶内部水分的状态变化,当加热温度从80 ℃升高到90 ℃时,T21和T22峰值弛豫时间保持不变,T23逐渐增加,当加热温度为95 ℃时,自由水含量增加,中间态水减少;当STPP添加量从0.2%增加到0.6%时,结合水结合更加紧密,中间态水逐渐增多。结果表明STPP的添加改善了凝胶的质构特征和颜色特征,增强了凝胶持水力,这为热凝固蛋制品的开发与研究提供参考。