外源添加物对海杂鱼鱼糜凝胶特性的影响

梁光灿，范鑫，袁方，陆瑞琪，卞忠明，刘苗苗，张欢*，曹云刚*

（1.陕西科技大学 食品与生物工程学院，陕西 西安 710021；2.江南大学 生物工程学院，江苏 无锡 214122；3.江苏一鸣生物股份有限公司，江苏 泰兴 225400）

海杂鱼是从海中捕捞的各种非养殖水产鱼类的总称，通常为海鱼的一些常见品种，如梭鱼、小鲳鱼、刺儿鱼、鲈鱼、愣蹦鱼、鳎目尖（即小鳎目鱼）、小黄鱼、小黄花鱼、黑头等，它们不仅含有大量的优质动物蛋白和卵磷脂，还具有多种人体所需的微量元素，营养丰富。然而，海杂鱼普遍个头偏小、品种混杂、刺多肉薄，导致消费者对其鲜销的接受度并不高。因此，利用鱼糜加工和重组技术，将大量海杂鱼加工成鱼糜及鱼糜制品可以有效提高海杂鱼的附加值，解决其量多价廉的问题。

鱼糜是一种低脂肪、低胆固醇、易被消化吸收的肌原纤维蛋白浓缩物[1]，在水产食品加工中占有重要地位[2]。但是，某些海水鱼类制成的鱼糜，特别是一些海杂鱼混合制作成的鱼糜，它们的凝胶特性普遍较差。因此，选择合适的添加剂或技术来改善此类鱼糜的凝胶性能与品质是目前研究的热点。有研究表明，谷氨酰胺转氨酶（transglutaminase，TGase）可以促进鱼糜蛋白质分子之间形成ε（γ-谷氨酰）赖氨酸共价键，增强鱼糜凝胶的弹性和紧实度[3-5]；蛋清蛋白粉具有良好的成胶能力，可以促使鱼糜中水分、脂肪和肌肉蛋白等成分形成稳定均匀的体系，继而提升鱼糜的凝胶强度和持水性[6-7]。Jafarpour等[8]研究指出与未添加蛋清蛋白的对照组相比，添加3%蛋清蛋白的鲤鱼糜凝胶的断裂力和断裂距离分别提高了41%和31%。复合磷酸盐可以使鱼糜凝胶的pH值偏离其等电点，同时还具有解离肌动球蛋白的作用，能够增强鱼糜的持水性和弹性[9]。

鉴于此，本研究以海杂鱼为主要原料，选择外源添加物TGase、蛋清蛋白粉以及复合磷酸盐的添加量为单因素，根据Box-Behnken设计原理，以海杂鱼鱼糜凝胶强度为响应值，采用响应面优化法优化海杂鱼鱼糜的凝胶性能，同时对外源添加物作用机理进行初步探究，以期为高品质海杂鱼鱼糜的工业化生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷冻海杂鱼鱼糜、谷氨酰胺转氨酶（酶活100IU/g）：江苏一鸣生物股份有限公司；蛋清蛋白粉：河南万邦化工科技有限公司；食盐、复合磷酸盐（焦磷酸钠:三聚磷酸钠=1:1）、白砂糖：市售；戊二醛（C5H8O2）、乙醇（C2H6O）、叔丁醇（C4H10O）：天津市天力化学试剂有限公司，所用试剂均为分析纯及以上纯度。

HR/T20MM立式高速冷冻离心机：湖南赫西仪器装备有限公司；TA.Plus物性测试仪：英国Stable Micro System公司；Haake mars 60型流变仪：美国赛默飞世尔科技公司；NMI20-040V-I低场核磁共振分析仪：苏州纽迈分析仪器股份有限公司；FEI Q45+EDAX Octane Prime环境扫描电子显微镜：美国FEI公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

海杂鱼鱼糜解冻（4℃，8 h～10 h）→斩拌（空斩1 min；添加1.5%NaCl斩拌2 min；加入其他配料斩拌5 min）→模具成型（型号50 mm×20 mm）→二段式加热（40℃水浴加热30 min，90℃水浴加热20 min）→冰水冷却（1 h）→4℃放置过夜→测定凝胶性质。

1.2.2 单因素试验

1.2.2.1 TGase添加量对鱼糜凝胶性能的影响

取100 g鱼糜，分别添加3%冰水、8%白砂糖、4.0%蛋清蛋白粉、0.25%复合磷酸盐和不同添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%） 的TGase充分搅拌，二段式加热制备鱼糜凝胶，冷却至室温后放入冷藏温度（4℃）下贮藏，测定不同TGase添加量的鱼糜凝胶性能。

1.2.2.2 蛋清蛋白粉添加量对鱼糜凝胶性能的影响

取100 g鱼糜，分别添加3%冰水、8%白砂糖、0.3%TGase、0.25%复合磷酸盐和不同添加量（0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%）的蛋清蛋白粉进行搅拌，二段式加热制备鱼糜凝胶，测定不同蛋清蛋白粉添加量的鱼糜凝胶性能。

1.2.2.3 复合磷酸盐添加量对鱼糜凝胶性能的影响

取100 g鱼糜，分别添加3%冰水、8%白砂糖、0.3%TGase、4.0%蛋清蛋白粉和不同添加量（0%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%）的复合磷酸盐并充分搅拌，二段式加热制备鱼糜凝胶，测定不同复合磷酸盐添加量的鱼糜凝胶性能。

1.2.3 响应面优化设计

利用Design-Expert 8.0.6软件，根据Box-Behnken设计原理，以海杂鱼糜凝胶强度为响应值，进行三因素三水平共17个点响应面优化试验，因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.4 鱼糜凝胶性能的测定

1.2.4.1 鱼糜凝胶强度的测定

1.2.4.2 鱼糜凝胶持水性测定

将鱼糜凝胶样品切成圆柱，质量记为M1（g），用滤纸包裹置于离心管中，3 000×g离心10 min，称其质量记为M2（g），每组测量平行3次，试验重复3次，取平均值。鱼糜凝胶性持水性按式（1）进行计算。

1.2.4.3 鱼糜凝胶质构的测定

参考Petcharat等[11]的方法并略作修改。采用质地剖面分析（texture profile analysis，TPA）法，将鱼糜凝胶切成2 cm×2 cm×2 cm的正方体块状，放置于平板上进行质构测定。测定参数设置：测前、测中、测后速率均为1 mm/s；下压程度50%；两次下压时间间隔5 s；探头型号P/75；触发力5 g。

1.2.4.4 鱼糜凝胶动态流变的测定

参考Cao等[12]的方法并稍加修改。使用型流变仪进行振荡温度连续扫描。将鱼糜样品在20℃下平衡3min，扫描温度范围为20℃～90℃，程序升温1℃/min。振荡模式选择CD-AutoStrain，控制应变为0.02，监测鱼糜样品凝胶化过程。

1.2.4.5 低场核磁共振的测定

2) 将液压千斤顶进行升压，加载油压升压到23.89 MPa，系统稳定15 min后输入150 t，标定满量程。

参考Jiao等[13]的方法并稍加修改。将鱼糜凝胶样品在室温下恒温30 min，切取约2 g的样品放入直径为15 mm的核磁管中，采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脉冲序列进行自旋-自旋弛豫时间T2、T2峰比例的测定。

1.2.4.6 鱼糜凝胶微观结构表征

参考Mi等[14]的方法并稍加修改。将鱼糜凝胶样品切成4mm×4mm×4mm的小方块，使用2.5%（体积分数）戊二醛缓冲液固定4h，随后用磷酸盐缓冲液（pH7.2）漂洗3次，然后通过不同浓度（30%、50%、70%、90%、95%、100%）的乙醇溶液进行梯度脱水，每次30 min，最后用叔丁醇置换3次，-80℃冷冻干燥后离子溅射喷金，然后使用扫描电子显微镜观察其微观结构。

1.3 统计分析

使用SPSS 23.0对试验数据进行方差分析（ANOVA）。采用LSD全配对多重比较方法进行显著性分析，P＜0.05为差异性显著。试验数据以平均数±标准差表示，使用Origin 2019软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 TGase添加量对海杂鱼鱼糜凝胶性能的影响TGase添加量对鱼糜凝胶性能的影响见图1。

图1 TGase添加量对鱼糜凝胶性能的影响Fig.1 Effect of TGase amount on gel properties of surimi

由图1可知，TGase添加量在0.1%～0.4%时，鱼糜凝胶强度逐渐增强，当添加量超过0.4%后，鱼糜凝胶强度开始减弱，其中添加量为0.4%时，样品的凝胶强度达到最大值627.86 g·cm，这与张一鸣等[15]的研究结果一致。上述结果表明，TGase可以有效改善海杂鱼鱼糜的凝胶特性。TGase的添加会促进鱼糜蛋白质分子之间形成ε-（γ-Glu）-Lys共价键，且在鱼糜制作过程中存在加热工序，蛋白质分子受热后会发生变性、伸展，为TGase提供了更多的交联位点，有利于蛋白质之间非二硫共价键的形成，从而使鱼糜凝胶的网状结构更加紧密，增强鱼糜的凝胶强度[16]。过量添加TGase使凝胶强度减弱可能是因为ε-（γ-Glu）-Lys共价键的过量形成促进了鱼糜蛋白质分子内和分子间的相互作用，使鱼糜体系中形成了大的蛋白质聚集体，导致在加热时蛋白结构的变性伸展速率低于交联速率，阻碍了蛋白凝胶网络的形成[17]。海杂鱼鱼糜持水性的变化与凝胶强度的变化趋势一致，综合而言，TGase添加量为0.4%时，鱼糜凝胶性能最佳。

2.1.2 蛋清蛋白粉添加量对海杂鱼鱼糜凝胶性能的影响

蛋清蛋白粉添加量对鱼糜凝胶性能的影响见图2。

图2 蛋清蛋白粉添加量对鱼糜凝胶性能的影响Fig.2 Effect of egg white protein amount on gel properties of surimi

由图2可知，蛋清蛋白粉可以提高海杂鱼鱼糜的凝胶强度，当蛋清蛋白粉添加量在0%～6.0%时，鱼糜凝胶强度逐渐增强，在添加量为6%时，凝胶强度达到了627.01 g·cm，相比不添加蛋清蛋白粉的样品增加了29.90%。当蛋清蛋白粉添加量大于6.0%时，凝胶强度无显著变化（P＞0.05）。蛋清蛋白粉作为一种活性黏连剂，能够与蛋白质基质形成相互作用，增强鱼糜的凝胶形成能力，从而提高鱼糜的凝胶强度[18]。持水性是鱼糜凝胶品质的一个重要指标，由图2可知，随蛋清蛋白粉添加量的增加，鱼糜凝胶的持水性逐渐增大，当蛋清蛋白粉添加量大于6.0%时持水性无显著变化（P＞0.05），与凝胶强度的变化一致。综合而言，蛋清蛋白粉添加量为6.0%最为合适。

2.1.3 复合磷酸盐添加量对海杂鱼鱼糜凝胶性能的影响

GB 2760—2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》中规定鱼糜制品中磷酸根（PO43-）含量不得高于5 g/kg，因此本试验分别对0%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%的复合磷酸盐添加量进行了分析。复合磷酸盐添加量对海杂鱼鱼糜凝胶性能的影响见图3。

图3 复合磷酸盐添加量对凝胶性能的影响Fig.3 Effect of composite phosphate amount on gel properties

由图3可知，复合磷酸盐提高了海杂鱼鱼糜的凝胶强度，当添加量为0.35%时，凝胶强度达到最大值574.69 g·cm。在复合磷酸盐添加量0%～0.35%时，持水性随着复合磷酸盐添加量的增加而增加，添加0.35%的复合磷酸盐可以显著提高鱼糜样品的持水性（P＜0.05），相比未添加组（84.73%）提升了7.63%，这可能是因为复合磷酸盐呈碱性，会使鱼糜蛋白的pH值偏离等电点而使凝胶持水性提高，同时磷酸盐还有螯合金属离子和解离肌动球蛋白的作用，也能增强持水性[19]。但随着添加量的增大，持水性略有下降。综合而言，复合磷酸盐添加量浓度为0.35%时，鱼糜凝胶性能最好。

2.2 响应面试验

2.2.1 试验设计与结果

鱼糜的凝胶强度与鱼糜本身的品质息息相关，凝胶强度越大证明鱼糜品质越好，因此，凝胶强度的高低常常被用来评估鱼糜品质的优劣[20]。三因素三水平Box-Behnken响应面试验设计及结果如表2所示。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Experimental designs and results for response surface methodology

表2中1～12为析因试验，13～17为中心试验，每次试验均重复3次，以估计误差。采用Design-Expert 8.0.6对表2中的数据进行多元回归拟合，得到响应值Y（凝胶强度）与各因素（X1、X2、X3）的多元二次回归方程：Y=680.36+8.54X1+27.86X2-10.54X3-1.69X1X2+6.59X1X3-1.99X2X3-54.73X12-32.45X22-15.63X32。

2.2.2 回归模型方差分析

对上述试验结果拟合出的二次模型进行方差分析，结果见表3。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

由表3的方差分析结果可知，该试验模型极显著（P=0.000 2＜0.01），失拟项不显著（P=0.180 5＞0.05），说明模型有效可用。回归方程的二次项相关系数R2=0.969 0，调整后R2=0.929 2，信噪比为14.56，远高于临界值4，说明该试验具有较好的拟合性，试验误差小，对海杂鱼鱼糜样品凝胶强度的预测准确性高。通过对P值的比较，可以发现一次项蛋清蛋白粉添加量（X2）对响应值Y影响极显著（P＜0.01），复合磷酸盐添加量（X3）对响应值Y影响显著（P＜0.05）；二次项 TGase添加量（X12）与蛋清蛋白粉添加量（X22）对响应值Y影响极显著（P＜0.01），复合磷酸盐添加量（X32）对响应值Y影响显著（P＜0.05）。通过F值还可以看出，各因素对海杂鱼鱼糜凝胶强度的影响显著性次序为蛋清蛋白粉添加量＞复合磷酸盐添加量＞TGase添加量。

2.2.3 各因素交互作用响应面分析

利用软件对结果进行拟合分析，响应面分析图中的三维曲面的弧度可以说明各因素对响应值的影响程度，弧度越大，影响越大。各因素交互作用的响应面图见图4～图6。

图4 TGase与蛋清蛋白粉对鱼糜凝胶强度的交互作用Fig.4 Interaction of TGase and egg white protein with the gel strength of surimi

图5 TGase与复合磷酸盐对鱼糜凝胶强度的交互作用Fig.5 Interaction of TGase and composite phosphate with the gel strength of surimi

图6 蛋清蛋白粉与复合磷酸盐对鱼糜凝胶强度的交互作用Fig.6 Interaction of egg white protein and composite phosphate with the gel strength of surimi

如图4～图6所示，各因素之间具有不同程度的交互作用，其中TGase与复合磷酸盐的交互作用对海杂鱼鱼糜的凝胶强度影响较大，因为两者交互的响应面图最陡。为确定最佳响应值的因素水平，通过方程求出最优解为TGase添加量为0.41%，蛋清蛋白粉添加量为6.88%，复合磷酸盐添加量为0.31%，此时鱼糜凝胶强度的理论值为688.55 g·cm。根据优化后的添加量并结合实际生产需要选择TGase添加量为0.4%，蛋清蛋白粉添加量为7.0%，复合磷酸盐添加量为0.30%，进行验证性试验，测得鱼糜凝胶强度为（697.66±4.86）g·cm，相对于理论预测值误差较小，证明所得数学模型的准确性和可行性较高，具有一定的实际应用价值。

2.3 海杂鱼鱼糜凝胶质构特性

质构特性是评价鱼糜凝胶感官品质的重要参数。表4展示了优化组（添加了最优复配比的TGase、蛋清蛋白和复合磷酸盐）与普通组（空白对照）鱼糜样品的质构特性。

表4 普通组和优化组鱼糜样品的质构特性Table 4 Texture characteristics of surimi samples in the control group and the optimization group

由表4可知，优化组鱼糜凝胶的硬度、内聚性、咀嚼性和回复性均显著高于普通组（P＜0.05），二者弹性无显著差异。与本研究结果类似的是，Fang等[21]将TGase加入到含有乳化猪油的真鲷鱼鱼糜中，发现在相同乳化油含量下，添加TGase的鱼糜凝胶硬度和咀嚼性均显著高于未添加TGase的鱼糜凝胶。复合磷酸盐能够增强鱼糜凝胶体系的pH值，使鱼糜肌球蛋白进一步偏离其等电点（pH5.4）；焦磷酸钠能够解离肌动球蛋白，对提高鱼糜凝胶的质构特性具有促进的作用[22]。鱼糜凝胶的硬度和咀嚼性与其蛋白质含量有关，添加蛋清蛋白直接增加了鱼糜凝胶体系的蛋白质含量，从而质构特性得到了提升。

2.4 海杂鱼鱼糜凝胶流变特性

海杂鱼中蛋白质的流变学特性与其凝胶特性密切相关，在热诱导凝胶过程中动态流变行为的变化主要通过储能模量（G′）来体现[23]。海杂鱼鱼糜的温度扫描流变特性变化曲线如图7所示。

图7 普通组和优化组鱼糜样品的流变特性Fig.7 Rheological properties of surimi samples in the control group and the optimization group

由图7可知，普通组鱼糜的G′值在20℃～32℃缓慢上升，此阶段为凝胶预备阶段，在低温条件下，鱼糜肌球蛋白重链发生变性聚集，溶胶体系形成了一个相对较弱网络结构，从而G′值增加。32℃～53℃为凝胶劣化阶段，此时G′值急剧下降，在53℃时达到最小值，这可能是因为在此温度区间，鱼糜中内源性蛋白酶活性增强，在蛋白酶的作用下肌球蛋白轻链亚基发生解离，打乱了肌球蛋白头部间的交联，从而增强了凝胶体系的流动性[24]。当温度在53℃～90℃时，G′值迅速上升并逐步趋于稳定，表明鱼糜进入了鱼糕化阶段，形成了结构致密、热不可逆的凝胶网络结构[25]。优化组G′值的变化趋势与普通组基本一致，但G′值的大小在整个升温过程中均显著高于普通组，普通组鱼糜的最终弹性模量G′值为15 654.88 Pa，添加了外源添加物后G′值达到了31 128.23 Pa，提高了98.84%。表明外源添加物的加入显著改善了鱼糜凝胶的网络结构，这与上述鱼糜凝胶质构特性的研究结果一致。

2.5 海杂鱼鱼糜凝胶低场核磁共振

海杂鱼鱼糜的弛豫时间T2分布如图8所示。

从图8可以看出，图谱被拟合为3个波峰，即对应3种不同的水分分布状态及波峰范围：结合水T21（1 ms～10 ms）、不易流动水T22（10 ms～100 ms）、自由水T23（100 ms～1 000 ms）[26]。从图中可以看出，添加了外源添加物的海杂鱼鱼糜凝胶样品的T23有降低的趋势，说明添加外源添加物可能使海杂鱼鱼糜凝胶中的自由水朝不易流动水方向迁移。

图8 普通组和优化组鱼糜样品的T2弛豫时间Fig.8 T2relaxation time of surimi samples in the control group and the optimization group

T21、T22、T23的积分面积所占总积分面积的百分比分别用P21、P22和P23表示，代表上述3种不同状态水分的相对含量[27]。普通组和优化组鱼糜样品的T2弛豫峰比例见表5。

表5 普通组和优化组鱼糜样品的T2弛豫峰比例Table 5 T2relaxation peak area fraction of surimi samples in the control group and the optimization group

由表5可知，相对于普通组，优化组的P22显著增加，P23显著降低（P＜0.05），这说明水分由自由水向不易流动水方向迁移，自由度降低，也解释了添加外源添加物的鱼糜凝胶的持水性增强的原因。分析上述变化的原因，TGase的添加能够促进海杂鱼鱼糜凝胶内部的非二硫共价键的形成，促进鱼糜蛋白之间的交联聚集；蛋清蛋白粉可以起到黏合鱼糜的作用，也可以直接填充到鱼糜凝胶网络结构的缝隙中，有助于鱼糜形成良好的凝胶网络结构，增大对水分的截留。这与上述凝胶特性变化结果相一致。

2.6 海杂鱼鱼糜凝胶微观结构

海杂鱼鱼糜普通组与优化组的凝胶微观结构如图9所示。

由图9可知，普通组鱼糜凝胶的微观网络结构粗糙、不规则、且具有较大的不规则孔隙，这也是其凝胶强度、持水性低，质构特性普遍较差（表4）的原因。而优化组由于外源添加物的作用，使鱼糜凝胶的微观结构发生了显著变化，形成了连续、均匀、致密的网络结构，这解释了T22不易流动水水分含量上升（图8）的原因，进一步验证了添加物的作用。

图9 鱼糜样品的微观结构Fig.9 Microstructure of surimi samples

3 结论

通过单因素试验和响应面优化试验考察TGase、蛋清蛋白粉及复合磷酸盐3个因素对海杂鱼鱼糜凝胶性质的影响，得到最佳外源添加物的配方为TGase添加量0.4%、蛋清蛋白粉添加量7.0%、复合磷酸盐添加量0.30%，在此条件下，鱼糜凝胶强度最大。根据此配方（优化组）所得鱼糜的质构特性参数、G′、不易流动水含量均显著高于未添加外源物的普通组（P<0.05），此外，优化组鱼糜的凝胶网状结构更为致密、均匀。本研究旨在优化3种外源添加物的组成比例，并将此最优比例应用于海杂鱼鱼糜，以充分改善鱼糜的凝胶性能，为进一步实现海杂鱼鱼糜制品的工业化生产提供一定的数据支撑。