几种添加物对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

丘佳韵，张高阳，汪学荣

（西南大学动物科学学院，重庆 402460）

1 概述

1.1 背景及研究现状

蛋清蛋白是一种来源丰富、价格便宜、易消化的优质蛋白质，主要含54%的卵白蛋白，而卵白蛋白的主要功能是凝胶化作用[1-2]。蛋清蛋白良好的凝胶性能在食品、农业等行业应用广泛，不仅能改进食品形态和质地，还可以提高食品持水力、保持脂肪、增稠、使粒子黏结、改善口感，但目前对凝胶性能的研究还处在初步阶段[3]。研究表明，蛋清蛋白热诱导凝胶作为一种食品工业加工成分，生产中常加入多种添加物，如糖、盐、茶叶提取物、淀粉等物质，能明显影响蛋清蛋白的凝胶性能[4]。

三聚磷酸钠是最常用与食品品质改良的多聚磷酸盐之一，广泛应用于肉、家禽、海产品等食品中。研究发现三聚磷酸钠能提高咸蛋清豆腐蛋白质的持水性，并且其添加量会影响鸡蛋凝胶的感官色泽、组织和滋味，Salek R N 等人[5]还发现，其能促进加工奶酪和牛奶蛋白均匀凝胶结构形成[6]。瓜尔胶是天然大分子半乳甘露聚糖中最易获得、最便宜，已知的最有效和水溶性最好的一种，也是良好的食品增稠剂和乳化剂[7-8]。目前，发现瓜尔胶与其他增稠剂复合使用后，可以提高凝胶强度与持水性、降低豆腐的硬度。段汝清等人[9]发现，瓜尔胶酶解液与蛋白质的接枝反应能改善凝胶性质，但主要研究美拉德反应对凝胶性质的影响。酪蛋白酸钠是酪蛋白键合形成的钠盐，主要用于增稠剂和乳化剂[10]。酪蛋白酸钠常与其他增稠剂复合使用，用于研究肉重组制品的凝胶工艺及对复合凝胶的影响，能提高蛋白质的凝胶强度、弹性、持水性和咀嚼性。陈青等人[11]发现，酪蛋白酸钠与结冷胶形成复合凝胶后能增加凝胶的黏性。

1.2 研究意义

以上3 种物质被证明能改善凝胶性质，但大多是研究其产物、结合物的作用，或是研究对肉类蛋白和大豆蛋白的凝胶作用，它们对蛋清蛋白的热诱导凝胶是否具有优化作用，以及上述添加物是否能直接与蛋清蛋白反应的研究，还处在空白阶段。此外，目前对蛋清蛋白凝胶性质的研究主要集中于单一因素的影响，利用多种添加物的配比组合来优化蛋清蛋白的凝胶效果并促进凝胶结构稳定性的研究仍有欠缺[12]。

将鸡蛋蛋清作为原料，通过添加三聚磷酸钠、瓜尔胶、酪蛋白酸钠制备热诱导不可逆凝胶，测定其凝胶强度、持水力，分析几种添加物对蛋清蛋白凝胶性质的影响，然后采用二次正交旋转组合设计方法优化试验，找出3 种添加物的最优配比组合。探讨三聚磷酸钠、瓜尔胶、酪蛋白酸钠对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响，尝试通过优化三者的配比组合来改善凝胶性质、提高凝胶结构的稳定性，以期发现促进蛋清蛋白凝胶的新途径，为相关研究提供参考，提高生产价值。

2 材料与方法

2.1 材料与试剂

鲜鸡蛋，荣昌自产市售检验合格；三聚磷酸钠（食用级），湖北兴发化工集团股份有限公司提供；瓜尔胶（食用级），天津安文水溶胶科技有限公司提供；酪蛋白酸钠（食用级），郑州鸿瑞食品有限公司提供。

2.2 仪器与设备

BNCH78-1 型磁力加热搅拌器，武汉格莱莫检测设备有限公司产品；MD-NJ-5 型凝胶强度测试仪，临安丰源电子有限公司产品；FA1204B 型电子分析天平，上海建恒仪器有限公司产品；H3-18KR 型离心机，湖南可成仪器有限公司产品；DGH-9140A 型电热恒温干燥烘箱，上海精宏实验仪器有限公司产品；SSY6 型电热恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司产品。

2.3 试验方法

2.3.1 三聚磷酸钠对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

以蛋清质量为计算基准，分别添加质量分数为0，0.025%，0.050%，0.075%，0.100%，0.125%，0.150%，0.175%的食用级三聚磷酸钠于蛋清中，置于90 ℃恒温水浴锅中静置反应0.5 h，冷却后测定其凝胶强度和持水力。

2.3.2 瓜尔胶对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

以蛋清质量为计算基准，分别添加质量分数为0，0.025%，0.050%，0.075%，0.100%，0.125%，0.150%，0.175%的10 g/L 瓜尔胶饱和溶液[13]于蛋清中，置于90 ℃恒温水浴锅中静置反应0.5 h，冷却后测定其凝胶强度和持水力。

2.3.3 酪蛋白酸钠对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

以蛋清质量为计算基准，分别添加质量分数为0，0.025%，0.050%，0.075%，0.100%，0.125%，0.150%，0.175%的25 g/L 酪蛋白酸钠溶液于蛋清中，置于90℃恒温水浴锅中静置反应0.5 h，冷却后测定其凝胶强度和持水力。

2.3.4 二次正交旋转组合设计试验

在单因素试验基础上，选取上述不同添加物的适宜范围，以凝胶强度为主要测试指标，采用三因素五水平二次正交旋转组合设计试验确定3 种添加物的最佳配比。

2.4 测试指标

2.4.1 持水力（water holding capacity，WHC）

取样品不同3 个部位共称量10 g，用规格为150×150 cm 的称量纸包裹后置于50 mL 离心管中，在25 ℃下以转速3 000 r/min 离心10 min[14]，将称量纸剥离后再次称量，计算公式为[15]：

式中：A——离心前质量，g；

B——离心后的质量，g。

2.4.2 凝胶强度

蛋清蛋白凝胶制得后，将凝胶强度测定仪设置为自动挡，分别测定每个样品的5 个点，去除最大值、最小值后，取余下3 个点的平均值作为其凝胶强度值。

2.4.3 数据处理

每组试验平均做3 个平行处理，最后结果以平均值±标准差表示，用Excel 与DPS7.05 软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 试验条件对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

凝胶是一种胶体中含有大量液体却呈现固化的状态，蛋白质凝胶结构是变性的蛋白质分子聚集后形成规则的蛋白质网络结构导致。该结构是一种能保持大量水分、分子间相互作用力平衡且高度有序的三维网络结构或基体。故凝胶强度和持水力往往被作为衡量蛋白质热诱导凝胶性质的重要参数[16]。影响蛋清蛋白热诱导凝胶性质的因素有很多，如蛋的新鲜程度、加热时间、加热温度、添加物等，主要通过改变蛋白质的浓度、pH 值、分子间的疏水相互作用和交联程度进而影响蛋清蛋白的凝胶特性[17]。

新鲜蛋的浓厚蛋白占蛋清蛋白比例大，蛋黄膜完整性好，具有良好的凝胶特性；相反，陈旧的蛋则因浓厚蛋白分解，细菌大量繁殖使蛋清蛋白呈水样化变化，降低凝胶性能。加热时间过长或加热温度过高易使已凝结的蛋白质网络结构分解为小分子的氨基酸，降低凝胶强度；但加热时间不足或加热温度过低，则蛋白质凝胶作用不完全，形成的凝胶结构柔软易碎且不均匀[18]。

3.2 三聚磷酸钠对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

加入不同质量分数三聚磷酸钠制备热诱导凝胶，得到蛋清蛋白凝胶强度和持水力。

三聚磷酸钠对蛋清蛋白凝胶强度和持水力的影响见图1。

图1 三聚磷酸钠对蛋清蛋白凝胶强度和持水力的影响

结果表明，随着三聚磷酸钠质量分数的增加，蛋清蛋白的凝胶强度和持水力均呈现先增加后减小的趋势，当三聚磷酸钠质量分数为0.1%时，蛋清蛋白的凝胶强度达到最大值452 g/cm2，其持水力也达到最大值84.20%。三聚磷酸钠能够螯合蛋液中的金属离子，提高蛋液的pH 值，使蛋液的pH 值偏离等电点，增进蛋白质分子间的交联程度。同时，还可以通过促进蛋白质复杂结构的充分展开，进而促进疏水基团的暴露，增加疏水相互作用，促进蛋白质凝胶化和细链结构形成，进而形成更精细的交联凝胶结构，表现出优异的凝胶质地和保水性能[19]。加入一定量磷酸盐后，能够填充蛋清蛋白凝胶网络之间的空隙，使凝胶形成更为致密的网状界面，增强了蛋清蛋白的凝胶结构捕获更多水的能力，同时磷酸盐使蛋液的pH 值偏离等电点，从而增加蛋白质的交联，通过促进凝胶化提高蛋清蛋白的凝胶强度。但当三聚磷酸钠过量时，则过量的食盐可能会阻碍蛋白质分子间的相互结合、降低蛋白质分子结合水的能力，降低凝胶强度和持水力[20]。

3.3 瓜尔胶对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

加入不同质量分数瓜尔胶溶液制备热诱导凝胶，得到蛋清蛋白凝胶强度和持水力。

瓜尔胶对蛋清蛋白凝胶强度和持水力的影响见图2。

图2 瓜尔胶对蛋清蛋白凝胶强度和持水力的影响

结果表明，随着瓜尔胶质量分数的增加，蛋清蛋白的凝胶强度和持水力均呈现先增加后减小的趋势，当瓜尔胶质量分数为0.1%时，蛋清蛋白的凝胶强度达到最大值509.8 g/cm2，其持水力也达到最大值84.38%。瓜尔胶大分子聚合物间的静电和非静电作用能增强凝胶结构的坚固性、弹性和机械性能。此外，瓜尔胶在胶体存在条件下加热能促进蛋白质的热聚集，进一步提高凝胶强度[21]，加入一定量的瓜尔胶后，瓜尔胶大分子聚合物间的静电作用能提高凝胶结构的坚固性并促进蛋白质的热凝集，从而提高了凝胶强度。但当瓜尔胶质量分数较高时，可能会由于混合液中聚合大分子的大量分布，使蛋清蛋白凝胶网络产生拮抗作用[22]，从而降低了蛋清蛋白凝胶强度。对于持水力，当瓜尔胶质量分数升高到一定程度并下降，可能是由于存在阈值，在达到阈值点前由于凝胶孔隙的不断减少而越加紧密，从而有较高的持水力，当超过阈值时则可能因为大分子多糖的浓度过饱和，中断了蛋白质网络结构，从而降低了持水力[23]。

3.4 酪蛋白酸钠对蛋清蛋白热诱导不可逆凝胶性质的影响

加入不同质量分数酪蛋白酸钠溶液制备热诱导凝胶，得到蛋清蛋白凝胶强度和持水力。

酪蛋白酸钠对蛋清蛋白凝胶强度和持水力的影响见图3。

结果表明，随着酪蛋白酸钠质量分数的增加，蛋清蛋白的凝胶强度和持水力均呈现先增加后减小的变化，当酪蛋白酸钠质量分数为0.75%时，蛋清蛋白的凝胶强度达到最大值614 g/cm2，其持水力也达到最大值84.69%。酪蛋白酸钠是以水不溶性的胶束形式存在的酪蛋白与钠盐键合形成的产物，在水溶液中本身便具有一定的黏性[24]。而酪蛋白酸钠颗粒间的相互吸引力，能使蛋白质凝胶孔径变小、交联增多，促进相邻的蛋白质大分子间形成桥梁和凝胶网络结构，同时其良好的乳化性和界面特性能使凝胶的三维网络结构更光滑规律、结实均匀[25]。当酪蛋白酸钠质量分数一定时，酪蛋白酸钠颗粒之间的相互吸引力能增加凝胶结构间的交联程度、缩小孔径，提高了蛋清蛋白的凝胶强度和持水力。但是，当酪蛋白酸钠质量分数过大时，则可能因高交联程度下蛋白质- 蛋白质之间的相互作用减弱，使凝胶强度和持水力下降[26]。

图3 酪蛋白酸钠对蛋清蛋白凝胶强度和持水力的影响

3.5 二次正交旋转组合设计试验

3.5.1 模型的建立与检验

根据上述图表特征，分别选取每种添加物5 个适宜的质量分数水平来进行二次正交旋转组合设计试验。

因素与水平设计见表1，试验结构矩阵及结果见表2，方差分析见表3。

表1 因素与水平设计/%

由表1 可知，运用DPS 软件，可以得到蛋清蛋白凝胶强度与三聚磷酸钠、瓜尔胶和酪蛋白酸钠间的三因素五水平二次回归方程（1）：

由表3 可知，失拟性检验：F1=0.53＜F0.05（5，8）=3.69，说明在α=0.05 水平上失拟差异不显著，即不存在失拟因素，得到的模型拟合性较接近期望的函数模型，选取的因素水平范围较合适。对于显著性检验：F2=4.62＞F0.01（9，13）=4.19，说明在 α=0.01 水平上差异极显著，建立的模型合理，可靠性强。将Fα与表2 中各项 F 值进行比较可知：X1X2，X1X3，X2X3在α=0.25 水平上差异不显著，说明 X1与 X2，X1与 X3，X2与X3之间的交互作用不大，可以认为各因素相互独立，其中任何一个因素的变化都不会引起其他因素的变化。X12，X22在α=0.01 水平上差异极显著，X32在α=0.05 水平上差异显著；说明三聚磷酸钠、瓜尔胶对蛋清蛋白凝胶强度有极显著的影响，酪蛋白酸钠对蛋清蛋白凝胶强度有显著影响，三者影响蛋清蛋白凝胶强度主次顺序依次为三聚磷酸钠、瓜尔胶、酪蛋白酸钠。

表2 试验结构矩阵及结果

表3 方差分析

3.5.2 回归模型寻优方法

经3.5.1 模型的建立与检验后剔除掉不显著项，并经过中心组合设计优化后可得简化方程（2）：

3.5.3 单因素效应分析

对公式（1） 进行降维法运算，可得公式（3）所示的各因素对蛋清蛋白凝胶强度影响的偏回归解析子模型。

根据公式（3） 中的模型，可作出单因素效应图。

单因素效应见图4。

图4 单因素效应

由图4 可知，蛋清蛋白凝胶强度随着三聚磷酸钠、瓜尔胶和酪蛋白酸钠的质量分数增加，均呈现先增加后减小的趋势。说明3 种添加物在合适范围内能提高凝胶强度，超过最适水平后，则会降低凝胶强度。

3.5.4 边际效应分析

对单因素效应方程（3） 求一阶偏导数，可得到公式（4） 的单因素的边际效应方程。

根据（4） 中的边际效应方程，可作出边际效应曲线。

边际效应见图5。

图5 边际效应

由图5 可知，三聚磷酸钠、瓜尔胶和酪蛋白酸钠随着编码值的增加，Y 值均呈现出直线急剧下降的趋势，其中酪蛋白酸钠（X3） 相比三聚磷酸钠（X1） 和瓜尔胶（X2） 下降的速度更快、下降的范围更大，说明3 种添加物中，酪蛋白酸钠质量分数变化对蛋清蛋白凝胶强度的影响最大，三聚磷酸钠和瓜尔胶的质量分数变化对蛋清蛋白凝胶强度的影响相对较小。

3.5.5 蛋清蛋白最优凝胶化条件的确定与验证

DPS 7.05 软件对回归模型求解后得出的最佳凝胶化条件为三聚磷酸钠质量分数0.100%，瓜尔胶质量分数0.100%，酪蛋白酸钠质量分数0.250%，以此为凝胶化条件，最后进行3 组平行试验，得出的蛋清蛋白最大的凝胶强度为550 g/cm2，实际值为542 g/cm2，相对误差为1.476%，小于2%，表明二者数值相近，预测值与实际值较为符合，说明二次回归模型预测性良好。

3.6 讨论

目前，对应用多种添加物优化蛋清蛋白凝胶性质的研究尚处存在空白阶段，暂时还没有一种很好的配比优化方法能够使蛋清蛋白的热诱导凝胶或碱诱导凝胶[27-28]在温度、酸碱[29]等因素的共同影响下发生有目的的改性。该工艺的建立为进一步研究多种添加物配比、优化蛋清蛋白热诱导凝胶性质提供了参考，这也将成为日后蛋清蛋白研究领域的一个热门趋势。

4 结论

三聚磷酸钠、瓜尔胶和酪蛋白酸钠对蛋清蛋白凝胶强度均有不同程度的影响，均能改善蛋清蛋白凝胶性质，三者共同作用时能明显提高凝胶结构的稳定性。通过二次正交旋转组合设计模型可得出最佳工艺条件为三聚磷酸钠质量分数0.100%，瓜尔胶质量分数0.100%，酪蛋白酸钠质量分数0.250%，蛋清蛋白最大的凝胶强度与测试值为550 g/cm2，实际值为542 g/cm2，二者相近，优化结果可靠。