汤中物质的溶出、迁移以及微纳米颗粒形成的研究进展

樊馨怡,陶宁萍,2,*,王锡昌,2

(1.上海海洋大学食品学院,上海 201306; 2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306)

在中国悠久的烹饪历史中,汤不仅仅是人们日常生活中不可或缺的菜肴,还可以用作一种能够赋予其它菜品鲜味的增鲜剂,其中最为普遍的就是将高汤作为火锅、面食等的底汤。人们一直相信,喝汤不仅能够通过刺激唾液的分泌增加食欲,还能促进胃肠的蠕动便于食物的消化吸收[1],具有一定的食疗效果。

随着研究技术的不断发展,现代临床医学以及药学的研究也验证了部分汤的功效。例如:黄国榕[2]在研究黑鲫鱼汤时发现黑鲫鱼汤对治疗肝硬化腹水有一定的疗效。还有研究表明鲫鱼汤[3]可以通过升高血白蛋白水平、抑制细胞因子IL-17的分泌以及降低IL-23、CXCR2的表达，从而对肾脏起到一定的保护作用。Yoshinaga等[4]研究发现长期饮用味噌汤可减轻盐诱发高血压伴血管损伤的血压升高。也正是由于对汤生理功效研究的逐渐深入,对于复杂体系汤中何种物质发挥了主要作用引起了人们的思考。从中药汤剂中的胶体体系[5-10]得到启发,汤中的微纳米颗粒(micro/nanoparticles,MNPs)逐渐进入人们的视线。研究发现[11]，在熬煮过程中,河蚬汤中形成了颗粒粒径在纳米范围之内的聚集体,它可以有效促进L02肝细胞的增殖。Ke等[12]的研究表明，当过氧化氢自由基诱导剂AAPH攻击口腔巨噬细胞时,骨汤中分离得到的微纳米颗粒减轻的过氧化自由基诱导的膜超极化作用高达70%,并且能够完全抑制线粒体的氧呼吸作用。

目前有关汤中MNPs的研究主要集中于化学性质、分离以及生理功能等方面。本文主要从汤中的营养成分出发,对汤中的MNPs组成、形成及其可能的形成机制的研究进行概括总结。

1 汤中的营养与风味成分

现阶段对汤的研究大部分都集中于它的营养特性以及风味成分方面[13-20]。总的来说,汤中的营养物质主要包括脂类、蛋白质、多糖、核酸、矿物质、维生素以及一些生物活性物质(比如:L-肉碱、牛磺酸、谷胱甘肽、鹅肌肽、共轭亚油酸、肌肽等)。

汤中的蛋白质、多糖以及核酸等大分子营养物质的呈味性能较弱,但是它们都会在汤熬煮过程中水解生成一些小分子的滋味物质。如蛋白质、多糖、核酸会在热作用下水解产生游离氨基酸、小分子糖以及核苷酸[21]。其中游离氨基酸:谷氨酸与天冬氨酸呈鲜味;丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸呈甜味;异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、亮氨酸、蛋氨酸以及组氨酸等疏水性氨基酸呈苦味。而汤中呈现鲜味的小分子滋味物质,除了游离氨基酸之外,还包括5′-腺苷酸、5′-肌苷酸、5′-黄苷酸、5′-鸟苷酸等在内的呈味核苷酸。在多糖等逐渐水解的过程中,汤的滋味品质也慢慢形成。其中小分子糖、糖醇类物质都具有一定的甜味,虽然不太明显,但是它们也能够在一定程度上增加汤的甜味。至于汤中的咸味主要是由人为添加的NaCl、KCl以及苹果酸纳等构成。虽然对于许多食品来讲,酸、甜、苦、咸、鲜是我们所熟知的味觉元素,但是有研究表明不同的食品具有不同的滋味特征,其中汤的滋味特征包括鲜味、咸味和甜味。张克田[22]在研究排骨藕汤时发现鲜味、咸味和甜味是其滋味特征,这意味着人们在品尝排骨藕汤时鲜味、咸味以及甜味是最明显的味感。曾清清[23]研究鸡骨高汤时也发现鸡骨高汤的滋味特征是鲜味、甜味和咸味。

除了不挥发性的滋味物质之外,挥发性的气味物质也是影响汤风味的主要因素。其中滋味物质不仅只是对汤的滋味构成有作用,同时还是挥发性气味物质的重要前体物质。比如游离氨基酸会在汤熬煮过程中发生斯特雷克降解,生成具有香味的小分子醛类。糖类物质在汤熬煮过程中会发生热降解从而生成呋喃类化合物。同时游离氨基酸还会与小分子还原糖类物质发生美拉德反应,生成吡嗪、吡啶、吠喃酮和噻吩等一系列的挥发性风味物质。核苷酸在加热过程中也会发生降解,生成核糖与碱基,其中核糖易与氨基酸发生美拉德反应生成呋喃类化合物。在汤熬煮过程中,除了滋味物质的降解以及相互作用之外,不饱和脂肪酸的热氧化也是汤中挥发性风味物质形成的另一重要反应。脂类物质会在汤熬煮过程中经过热作用降解产生几百种挥发性化合物,其中酸类是其主要的降解产物,且含有6～10个碳原子的饱和或非饱和酸类对汤的风味有重要作用,它们会赋予汤淡淡的果香味。徐红梅[24]研究加热对鳙鱼汤品质影响时发现，鳙鱼汤中的特征性气味物质是由挥发性的羰基化合物以及醇类物质产生的。曾清清[23]研究了鸡骨高汤,结果表明其特征气味物质主要包括烃类、羰基类化合物以及一些杂环类化合物。李琴等[25]在研究酶解预处理对蘑菇汤挥发性风味物质的影响时发现，蘑菇汤中的挥发性风味物质主要包括正己醇、5-戊基-2(3H)-呋喃酮、3-甲级丁醛、十六酸甲酯、2-戊基呋喃、吡啶、三甲基吡嗪、甲基吡嗪、二甲基三硫化合物、糠醛、2-戊酮、2,6-二甲基吡嗪、2-乙酰吡咯等化合物。

2 汤熬煮过程中的物质迁移

2.1 迁移原理

汤的品种比较繁多,各地区也会根据自己的地方饮食特色形成许多风味独特的汤品,比如淮南的牛肉汤、湖北的排骨藕汤、江西的瓦罐汤、单县的羊肉汤以及四川的酸辣汤等。不同的汤在制作方法上有所差异,有的汤甚至在制作过程中还有一些独特的细节和诀窍。但是熬汤的基本原理都可以通过费克定律来解释:原料和水在刚开始加热的时候,其表层营养物质的浓度大于水中的物质浓度,此时营养物质就会从原料的表层迁移到水中。当表层的营养物质进入水中之后,原料表层营养物质的浓度低于内层的浓度,从而导致其整个体系中营养物质浓度的不均匀,使营养物质从原料内层向外层迁移,接着再从表层向汤汁中迁移。在熬煮过程中经过一段时间的受热之后,逐渐使原料中的营养物质迁移到汤汁中,并达到浸出的相对平衡,从而形成了相对稳定的汤。

2.2 迁移方式

按照汤熬煮时间的长短,人们将汤大致分成高汤以及毛汤。相较于毛汤而言,高汤具有浓度高、口感鲜醇以及能够增加菜肴的鲜香和浓厚感等优点。从物质迁移的角度来解释高汤和毛汤的区别,即熬煮时间越长,汤中物质迁移的完成度越高,MNPs的状态也越趋于稳定状态。通俗来讲,物质从原料迁移到汤中,它并不是一次性全部“灌入”汤中,不同的物质迁移到汤中的时间点也会有所不同。研究表明,汤熬煮过程的物质迁移主要分为三个阶段。

第一个阶段主要是原料中的水溶性物质迁移进入汤里,比如水溶性蛋白、矿物质、维生素、多糖、核苷酸、游离氨基酸等,其中又以水溶性蛋白、多糖、核苷酸为主。

第二阶段的溶出物主要是水溶性蛋白、多糖等,甘油三酯和脂肪酸在这一阶段也开始慢慢地迁移到汤中。

第三个阶段主要是甘油三酯、水溶性蛋白以及多糖从原料迁移到汤中。此时金属离子(如Mg2+、Ca2+、Fe3+等)可能会因为共聚沉淀而从汤中分离。

禄彦科[26]研究发现在猪骨汤的熬煮过程中蛋白质、多糖以及一价金属元素的迁移率基本上呈现线性关系;核酸的迁移率呈现前快后慢的特点;脂类的迁移过程则恰好与核酸相反,其迁移率呈现先慢后快的趋势,并与颗粒数量的増加呈现正相关;而随着熬煮时间的延长,汤中多价金属离子的含量则呈现先升后降的趋势。徐红梅[24]在对鳙鱼汤进行研究时发现，加热过程中鳙鱼汤中蛋白质和氨基态氮的溶出量是随着温度的升高和熬煮时间的延长而增加的,汤在熬煮两小时后其中的营养物质溶出基本达到平衡。蒋静[14]对鲫鱼汤的研究表明在熬煮的过程中,鱼汤中的固形物、总糖、粗蛋白以及水溶性蛋白含量不断增多,其中糖类物质的溶出较快;并且在高压熬煮阶段,鱼骨中矿物质向肉中溶出速率最快,肉质的灰分含量显著增加。郐鹏[27]的研究表明随着加热熬煮时间的延长,鸡汤中的总糖、蛋白等含量的增加速率逐渐减缓。其原因是在高温热处理条件下,肉中的总糖逐渐溶到汤中，促进了汤中总糖含量的增加,但随着肉中糖类含量的降低,溶解到汤中的含量随之越来越低。同时,一部分糖类在高温下参与美拉德反应或者自身进一步发生降解反应形成新的化合物,从而使总糖含量的增加量呈现逐渐减缓的趋势。

3 汤中的微纳米胶粒

与牛奶相似,在汤中能够观察到胶体系统的标志性丁达尔效应[28],因此汤也可以看作是一种胶体溶液,其中的水为分散介质,蛋白质、糖类、脂类等物质和各种离子单独存在或者以结合体的形式存在于水中,就是分散相。作为一种沸水提取物,营养物质进入汤中不仅仅是一个简单的浸提过程。食品原料是一种多相分散系统,它通常含有大量的两亲化合物,在加工中会受到各种结合力的影响(例如加热、提取和均质化),通过共价和非共价相互作用,分子间会产生大量的自组装胶体颗粒,其尺寸分布范围从微米到纳米,即微米/纳米颗粒。禄彦科[26]在研究猪骨汤时发现骨汤熬煮过程有微纳米胶粒的生成,并且胶粒的组分是骨汤固形物的主要组成部分,其中主要的成分是蛋白质(如骨胶原)、多糖、脂类以及核苷酸等两性分子。孔玉婷[29]利用尼罗红染色光学显微镜和透射电子显微镜观察研究骨汤时发现,骨汤中有大量的相互粘连颗粒的存在并且它们之间能够形成较大的聚合体。对其粒径分布以及化学成分进行更加深入的研究,结果表明骨汤的成分分子主要是以聚集物的状态存在,而脂类、多糖、蛋白质等都是聚集物的组成成分。

与其它合成MNPs相比,源自汤的MNPs代表着更加复杂的胶体系统,在形态和化学结构上也表现出很大的差异,导致难以阐明它们的自组装机制。目前有关于汤中MNPs分子的自组装机制主要有两种,但是鉴于汤中复杂性给自组装的研究带来了极大的困难,因此模拟单纯的物质之间的聚集来进行一个阐述。这两种聚集过程包括:同种大分子之间的聚集、不同大分子之间的聚集。

3.1 同种大分子之间的聚集

蛋白质的稳定性一方面取决于其分子间或是分子内的疏水作用、盐键、氢键以及范德华力等次级键的作用,而另一方面则取决于肽链内二硫键的作用。当蛋白质从原料迁移到汤中时,在热的作用下,其高级结构会发生去折叠。蛋白质的高级结构在受到了破坏之后,其分子表面结构也会随之发生变化,主要表现为蛋白表面亲水基团的相对减少。同时原本位于蛋白质分子内部的疏水基团也会大量暴露在其分子的表面,使得蛋白质不能与水相溶而失去水膜的保护。从而比较容易引起蛋白质分子间的相互碰撞并且缠结、解离或者聚合,形成可溶性的MNPs,即为蛋白质热聚集。蛋白质的热聚集一般是由疏水作用、氢键、范德华力、静电作用以及共价键等作用力所驱动。

β-乳球蛋白(β-lactoglobulin,β-Lg)是脂质运载蛋白家族中的一种以二聚体形式存在的球形蛋白[30]。对于食物蛋白而言,特别是β-Lg的聚集行为的研究最为广泛,其聚集的机制也是最清晰的。如图1所示,首先β-Lg分子经加热后发生解聚,以单体的形式存在,蛋白发生去折叠之后会形成一种柔性的结构,位于蛋白分子内部的疏水基团以及巯基等会暴露在分子的表面,从而蛋白质之间发生相互作用。初期,具有小分子量的寡聚体主要是通过二硫键的连接而形成的。当寡聚体浓度超过临界浓度时,形成相对单分散的聚集体,可称为初级聚集体。临界结合浓度是随着离子强度的增大以及体系pH的减小而减小,所以形成的初级聚集体粒径较大。在pH5.8时,中性条件加热后β-Lg形成了水力学半径高达150 nm的近似球形的初级聚集体,这种聚集体是不规则的。如果蛋白质的浓度较高,这些初级聚集体还可以进一步形成尺度更大的多分散聚集体。

图1 β-蛋白无定形热聚集示意图[31]Fig.1 Schematic diagram of amorphous heat accumulation of β-protein

Donato等[32]报道较高温度处理β-Lg之后所得聚集体的水力学半径较大,且其单体蛋白转化为聚集体的数量较多。王立枫等[33]研究的结果表明,在牦牛乳清中α-乳白蛋白与β-Lg的热聚合反应中,当加热温度高于β-Lg的变性温度时会有蛋白的聚合现象产生,而β-Lg在该反应中起到了主导地位。Corredig M等[34]研究热诱导牛奶中乳清蛋白和酪蛋白相互作用的机理时发现在一定的加热条件下,牛奶中的乳清蛋白之间会发生相互作用,从而形成多种具有可溶性的复合物。并且该复合物在热诱导的过程中,参与了α-乳白蛋白和β-Lg进一步与酪蛋白的反应,是该反应的中间体。

3.2 不同大分子之间的聚集

汤中的蛋白质、脂类、多糖会在热作用下分解成小分子滋味物质的过程需要一定的时间,那么在它们分解释放出小分子物质之前,共存于汤中的它们之间会产生怎样的相互作用呢？一个常见的例子就是脂肪酸的烃链和可溶性蛋白质的疏水部分之间会发生相互作用从而结合在一起。这种相互作用是通过将膜蛋白锚定在磷脂双分子膜上,从而形成细胞膜通道的驱动力[35]。然后通过类似的机制,两亲分子就会在汤中形成超分子复合物。

3.2.1 蛋白质与脂肪酸以及脂溶性维生素之间的相互作用 在蛋白质相互作用中提到过,作为脂质运载蛋白家族中的一员,β-Lg的聚集是目前研究的比较透彻的。除了与其它蛋白之间的作用之外,β-Lg因为具有较强的配体结合能力,也特别容易和脂溶性维生素以及脂肪酸结合[36]。其结合脂溶性维生素和脂肪酸的结构区域的具体位置经过圆二色谱、原子吸收光谱和分子模型预测等技术得到了进一步的明确,这两种分子与β-Lg的结合部位不在同一位置,脂溶性维生素及脂肪酸的结合区域分别位于β-Lg分子内部的疏水孔穴以及表面的疏水裂缝。也正是这种特殊结合部位使得β-Lg对脂溶性维生素及脂肪酸具有较强的结合能力,并且β-Lg除了可以与脂溶性小分子结合之外,还能够促进这些物质的吸收[37]。

对β-乳球蛋白与脂肪酸的研究主要分为三个方面:

a. 与脂溶性的小分子物质自主结合对其的影响。Barbiroli等[38]发现在β-Lg与软脂酸自主结合之后,其对酶水解的抵抗能力有所提高,随之提高的还有对热和离液剂所引起变性的抵抗能力。

b. 与β-Lg自主结合对脂肪酸的影响。Maux等[39]的研究结果表明亚油酸盐与β-Lg自主结合之后能够减少细胞的毒性。

c. 改性的β-Lg对自主结合作用的影响。Maux等[39]研究热变性后的β-Lg与软脂酸盐的自主结合时发现,它们之间的缔合常数会增加。

3.2.2 蛋白质与多糖之间的相互作用 蛋白质和多糖通常都是多分散性的,由于连接在主链上不对称分布的带电基团,大部分蛋白质和多糖属于聚合电解质甚至聚两性电解质。不同条件下,两者在水溶液中的表现形式主要有不相容、络合以及共溶[40]。但是由于蛋白质和多糖在汤中的浓度较低,并且加热会增加汤体系中的热力学活力,此时汤中的混合熵占据着主导地位,因此蛋白质和多糖在汤中会结合生成可溶性的MNPs。

糖基化(glycosylation)是蛋白质翻译后一种最常见的修饰类型。它发生在内质网,在糖基转移酶和糖苷酶的共同调控下,糖类通过共价结合的方式连接到蛋白质的特定位点,形成糖蛋白[41]。Zhou等[9]的研究表明汤中MNPs的形成中起到关键性的作用。蛋白质糖基化可以改变蛋白质的疏水性及其二级结构,并且还能够提高蛋白质的热稳定性和抑制蛋白质的热聚集。Chun-Li Song等[42]研究了在加热条件下使大豆蛋白质糖基化后与原大豆蛋白相比较高的乳化稳定性和水溶性。刘颖等[43]研究南极磷虾蛋白的糖基化,其结果表明，随着加热时间的延长，南极磷虾糖基化蛋白的溶解性和吸油性得到了很好的改善。Jackson等[44]的研究表明糖结合在蛋白质上能够防止浓度在30 mg/mL以下的β-酪蛋白的聚集。

4 展望

汤中MNPs的形成是汤具有生理功效的可能原因之一,对汤中MNPs形成机制的研究还较少。但是作为汤功效的一个“执行者”,MNPs在汤中的形成机制需要进行更加深入的研究。大量的研究表明二十碳五烯酸(EPA)以及二十二碳六烯酸(DHA)具有抗氧化、抗炎等生理功能。但是汤中所含的EPA和DHA等物质在进行了纳米自组装之后,其形成的MNPs是否保留了抗氧化等生理功能的研究仍然是一片空白,这也是接下来需要进一步研究的内容。汤中微纳米颗粒的形成需要多糖、脂类以及蛋白质等热稳定的分子作为“参与者”。这些分子在人体中的生物利用度各有所不同,那么MNPs的形成,是否会对多糖/脂类以及蛋白等物质在人体中的生物利用度有所影响等问题都亟需解决。