親水膠體調(diào)控肌原纖維蛋白熱誘導(dǎo)凝膠形成機(jī)制的研究進(jìn)展

徐一寧，曹傳愛，賀俊杰，孔保華，孫方達(dá)，劉 騫,2,*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省綠色食品科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150028）

肌原纖維蛋白（myofibrillar protein，MP）是肌肉中一種重要的蛋白質(zhì)，MP的凝膠特性是決定凝膠肉制品品質(zhì)最重要的因素之一，良好的凝膠性能可以提高產(chǎn)品的持水性，同時(shí)更好地分散油滴，提高產(chǎn)品的乳化性，從而賦予凝膠肉制品良好的質(zhì)地和口感。然而，在MP經(jīng)過加熱誘導(dǎo)形成凝膠的過程中，有許多因素會(huì)制約或破壞凝膠的性質(zhì)，因此，如何改善MP凝膠特性成為肉制品加工中亟待解決的問題。近年來，人們通過外源添加物或者利用新興加工技術(shù)改善和提高M(jìn)P的凝膠特性，然而，由于一些技術(shù)和安全問題，這些新興技術(shù)目前還不能廣泛應(yīng)用于實(shí)際的肉類加工。從更加實(shí)際的角度看，添加親水膠體（如卡拉膠、黃原膠、魔芋膠（konjac gum，KG）等）是一種在生產(chǎn)中更安全的有效手段[1]。

親水膠體通常指能溶解于水中，并在一定條件下充分水合形成黏稠、滑膩或膠凍溶液的大分子物質(zhì)[2]。親水膠體來源豐富、種類繁多，是以單糖為單位形成的大分子多糖及其衍生物，而且其分子中的親水基團(tuán)（如羧基、羥基、氨基和羧酸根等）與水分子發(fā)生水化作用形成黏稠的溶液或凝膠。多糖與蛋白的相互作用在肉制品生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，親水膠體添加到肉制品中不僅能夠改善肉制品食用品質(zhì)（如顏色、風(fēng)味、質(zhì)地、保水性等功能特性），還能進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。多糖類食品膠在肉制品中的添加量甚微，卻能有效地改善最終產(chǎn)品的品質(zhì)特性[3]。此外，親水膠體可以與MP發(fā)生相互作用，引起蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的改變。在MP熱誘導(dǎo)凝膠的形成過程中，有很多因素直接影響親水膠體與MP之間的相互作用，最終對(duì)MP凝膠特性產(chǎn)生顯著影響。因此，本文系統(tǒng)綜述MP的凝膠機(jī)理，探討不同親水膠體與MP之間的互作機(jī)制，梳理親水膠體調(diào)控MP熱誘導(dǎo)凝膠形成的關(guān)鍵因素及其對(duì)最終MP凝膠特性的影響，以期為親水膠體調(diào)控肉制品品質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)體系奠定理論基礎(chǔ)，并為下一步實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 MP熱誘導(dǎo)凝膠概述

MP是由許多蛋白復(fù)合而成的，主要包括肌球蛋白、肌動(dòng)蛋白、肌動(dòng)球蛋白，其中肌球蛋白屬于球類蛋白，在50 ℃左右凝固，易于形成凝膠，使MP具有很強(qiáng)的熱誘導(dǎo)成膠能力，是凝膠形成過程中最重要的蛋白質(zhì)[4-5]。每個(gè)肌球蛋白分子由兩個(gè)橢圓的頭部和一條細(xì)長的尾部組成，頭部含有豐富的疏水基團(tuán)，尾部由兩條多肽鏈組成，是一個(gè)α-螺旋盤繞的線圈，有聚集在外表面的高密度帶電氨基酸，包含肌球蛋白分子的大部分凈電荷[6]。

MP形成凝膠的方式大多以熱誘導(dǎo)為主，肌球蛋白分子的結(jié)構(gòu)與熱誘導(dǎo)凝膠的形成機(jī)制密切相關(guān)。凝膠形成的本質(zhì)是蛋白質(zhì)分子變性后分子間各種作用力即引力和斥力達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定有序的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，Egelandsdal等[7]指出肌球蛋白熱誘導(dǎo)凝膠的形成主要有兩個(gè)過程（圖1）：一是在相對(duì)低溫的狀態(tài)下（40 ℃左右）時(shí)，肌球蛋白的頭部分子受熱展開，隱藏在其中的疏水殘基和反應(yīng)基團(tuán)暴露，通過分子間的共價(jià)側(cè)鏈交聯(lián)發(fā)生聚集，其中二硫鍵起主要作用；二是隨溫度升高（約50～65 ℃），肌球蛋白尾部的α-螺旋與無規(guī)卷曲發(fā)生轉(zhuǎn)換，在這一過程中起作用的是疏水相互作用、靜電相互作用和氫鍵，其中疏水相互作用力起主要作用。陳文博[8]研究發(fā)現(xiàn)，MP在35 ℃時(shí)球狀蛋白開始聚集；在溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，球狀蛋白形成的聚集體逐漸變大，最終形成廣泛交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2 親水膠體改善MP凝膠特性

MP熱誘導(dǎo)凝膠形成的過程比較復(fù)雜，需要經(jīng)過蛋白質(zhì)的變性、解離、聚集以及凝膠化等一系列反應(yīng)[9]，有很多因素（如溫度[10]、pH值[11]、鹽離子種類和離子強(qiáng)度[12]等）會(huì)直接制約或破壞凝膠的性質(zhì)。因此，近年來人們不斷嘗試通過添加外源添加物（如其他種類蛋白、淀粉和親水膠體等）或應(yīng)用新興技術(shù)手段（如超聲、超高壓、靜電場(chǎng)和電子輻照等）改善MP凝膠特性[13]。在生產(chǎn)過程中添加一定量的親水膠體有助于MP在加熱過程中形成更為致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖2），可以增強(qiáng)MP凝膠的強(qiáng)度、持水性及功能特性，有利于提高凝膠制品的質(zhì)量，從而最終獲得具有較好品質(zhì)的產(chǎn)品。Gao Yongfang等[14]發(fā)現(xiàn)，在低鹽條件下，添加KG能夠促進(jìn)二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋轉(zhuǎn)化成β-折疊，增強(qiáng)了復(fù)合凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯著提高了KGM-MP復(fù)合凝膠的持水性、凝膠強(qiáng)度。Chen Xing等[15]發(fā)現(xiàn)在pH 5.0～5.5范圍內(nèi)，向MP中加入果膠可以顯著提高M(jìn)P的熱變性溫度，隨著pH值的降低和果膠濃度的增加，果膠和MP之間的分子間作用力和靜電相互作用增強(qiáng)，二者之間的凝膠結(jié)構(gòu)也更加致密且穩(wěn)定。Wu Qianrong等[16]將柑橘纖維添加到降低磷酸鹽含量的MP中，發(fā)現(xiàn)添加柑橘纖維促進(jìn)了α-螺旋的展開，增強(qiáng)分子間氫鍵和疏水相互作用，促進(jìn)更多的自由水轉(zhuǎn)化成結(jié)合水，從而形成更穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。

圖2 添加親水膠體對(duì)MP熱誘導(dǎo)凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effect of incorporation of hydrocolloids on the threedimensional network structure of heat-induced MP gel

按照來源、離子極性等性質(zhì)，親水膠體可進(jìn)行分類，如表1所示，不同來源的親水膠體因結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，對(duì)MP凝膠的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

表1 肉制品中常見親水膠體的理化性質(zhì)及對(duì)MP凝膠特性改善效果Table 1 Physicochemical properties of common hydrocolloids added to meat products and their effects on improving the properties of MP gel

研究和應(yīng)用比較廣泛的是植物源親水膠體，馬云等[20]研究發(fā)現(xiàn)，添加卡拉膠可以提高M(jìn)P凝膠強(qiáng)度和保水性，且卡拉膠與MP濃度比越大，其混合凝膠的黏著性和硬度越大。計(jì)紅芳等[24]研究發(fā)現(xiàn)，隨著菊粉添加量的增加，混合凝膠在加熱過程中的儲(chǔ)能模量（G′）顯著增加，促進(jìn)形成更均勻的凝膠結(jié)構(gòu)。目前，對(duì)動(dòng)物源和微生物源親水膠體的研究較少，添加GL可以促進(jìn)MP重鏈之間的交聯(lián)，CHI可以通過結(jié)合MP分子負(fù)電基團(tuán)形成氫鍵，進(jìn)而改善凝膠強(qiáng)度[25,27]。

同時(shí)，親水膠體可以添加在低脂食品[29]或其他功能性食品中，在不影響產(chǎn)品性能甚至改善口感的條件下起到替代物的作用，這對(duì)于生產(chǎn)新型食品具有重要意義。此外，在添加親水膠體的MP熱誘導(dǎo)凝膠過程中，有許多因素影響著復(fù)合凝膠的性質(zhì)，如鹽離子、加熱條件以及親水膠體的添加方式和濃度等，在這些因素作用下親水膠體調(diào)控MP熱誘導(dǎo)凝膠形成機(jī)制各有不同。

3 親水膠體調(diào)控?zé)嵴T導(dǎo)凝膠形成機(jī)制

親水膠體提高M(jìn)P凝膠特性主要是通過蛋白-多糖之間的相互作用，進(jìn)而促進(jìn)更致密三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生成。食品中的復(fù)合凝膠即兩種或多種物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多糖類親水膠體、淀粉等）通過分子間互作行為重新聯(lián)合或聚合形成的食品凝膠。Ziegler等[30]推測(cè)添加其他成分使蛋白質(zhì)與其形成共混體系的過程中，其復(fù)合凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)主要有5 種互作模型：1）模型A，添加的成分在凝膠機(jī)制中以可溶形式存在；2）模型B，由于熱力學(xué)不相容導(dǎo)致相分離，添加成分以液體分散顆粒或二次凝膠網(wǎng)絡(luò)的形式存在于蛋白凝膠基質(zhì)中；3）模型C，添加成分通過蛋白凝膠基質(zhì)中的非特異性相互作用與蛋白凝膠發(fā)生隨機(jī)結(jié)合；4）模型D，添加成分可能與蛋白質(zhì)基質(zhì)聚合并共聚形成單一的非均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；5）模型E，添加成分自身先形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后與蛋白質(zhì)基質(zhì)纏繞形成互穿聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)系統(tǒng)的相態(tài)，可以區(qū)分兩種類型的填充凝膠：一類是單相凝膠，填料在凝膠體系中保持可溶（圖3A）；一類是兩相凝膠，復(fù)合凝膠中的兩種組分因熱力學(xué)不相容性而導(dǎo)致相分離（圖3B）。將小麥淀粉或者馬鈴薯淀粉添加到鱈魚魚糜中形成的凝膠就是兩相凝膠的一個(gè)實(shí)例。添加物經(jīng)由非特定交互以隨機(jī)方式與復(fù)合凝膠中主要物質(zhì)相互交聯(lián)（圖3C），這種相互作用可以降低網(wǎng)絡(luò)鏈中的柔性并增加凝膠的剛性，或是兩種或更多種蛋白質(zhì)可以共聚形成單一的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（圖3D）。牛血清白蛋白-卵清蛋白凝膠顯然屬于后一種類型。在肉制品加工中，親水膠體-MP復(fù)合凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)主要是模型B和模型E（圖3B、E）。許多研究認(rèn)為，在加熱過程中，MP作為凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的主體先形成凝膠，親水膠體在MP復(fù)合凝膠體系中先發(fā)生分子重排，填充到凝膠空隙中，在冷卻時(shí)形成結(jié)合水分的凝膠片段[31-33]，即模型B。Zhuang Xinbo等[34]研究發(fā)現(xiàn)親水膠體和MP復(fù)合凝膠還存在“互穿”結(jié)構(gòu)，即模型E。MP溶液的熱誘導(dǎo)膠凝過程會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性并引起水分滲出，在MP三維網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)形成水分通道或孔洞，阻礙疏水性基團(tuán)的聚集，破壞MP凝膠網(wǎng)絡(luò)的完整性。MP凝膠網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)被分成幾個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，一些多糖的加入可以轉(zhuǎn)移和限制MP的水分，減少甚至消除隨機(jī)水分通道的出現(xiàn)，從而使MP網(wǎng)絡(luò)更好地聚合并形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

圖3 復(fù)合蛋白凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)類型[30]Fig.3 Types of mixed protein gel network structures[30]

加熱是影響MP凝膠形成過程中的主要因素之一，而MP熱誘導(dǎo)凝膠特性對(duì)肉制品質(zhì)構(gòu)品質(zhì)和感官品質(zhì)至關(guān)重要。楊芳[35]研究發(fā)現(xiàn)，在40～70 ℃范圍內(nèi)，隨溫度升高M(jìn)P凝膠中總巰基含量減少速率加快。除溫度以外，加熱速率也對(duì)MP凝膠特性有重要的影響。Smyth等[36]發(fā)現(xiàn)，溫度由40 ℃升高至80 ℃，升溫速率從5 ℃/min降低到1 ℃/min時(shí)，雞肉糜的凝膠強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。Han Keying等[37]研究表明，菊粉的添加不影響MP熱誘導(dǎo)凝膠的形成，但可以使MP更容易變性，增強(qiáng)復(fù)合凝膠中的疏水相互作用、二硫鍵和氫鍵，從而增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并最終改善凝膠性能。隨溫度的升高，根據(jù)G′值的變化，MP凝膠形成過程可分為凝膠形成、凝膠弱化和凝膠強(qiáng)化3 個(gè)階段[38]。在凝膠形成初始階段，51 ℃左右MP-菊粉的G′達(dá)到峰值，這是由于肌球蛋白頭部展開并暴露了疏水基團(tuán)；在51～55 ℃時(shí)，G′突然下降，這一階段的結(jié)果表明蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)結(jié)構(gòu)被破壞[39]。菊粉的加入可以通過氫鍵吸收從MP溶膠體系中溢出的水分，使其均勻分布在整個(gè)MP凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，從而提高G′，增強(qiáng)凝膠化能力[40]。凝膠強(qiáng)化階段開始于55 ℃，此時(shí)G′隨溫度升高顯著增加，這是由于肌球蛋白分子完全變性和相互交聯(lián)作用，形成不可逆的凝膠結(jié)構(gòu)。菊粉的添加對(duì)凝膠強(qiáng)化階段有很大影響，這與加熱變性過程中蛋白質(zhì)分子的展開有關(guān)。添加菊粉有助于重新激活MP的活性基團(tuán)，從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)聚集和交聯(lián)[41]。Jiang Shuai等[13]指出，當(dāng)溫度從60 ℃升高到80 ℃時(shí)，MP與可得然膠之間的復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，Tornberg[42]認(rèn)為疏水相互作用在這種轉(zhuǎn)變中占主導(dǎo)地位，將黏性溶膠轉(zhuǎn)化為彈性凝膠網(wǎng)絡(luò)。

3.1 親水膠體種類對(duì)MP熱誘導(dǎo)凝膠形成影響及其機(jī)制

在熱誘導(dǎo)MP凝膠的過程中，MP變性聚集成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，凝膠內(nèi)部的水分滲出形成水分通道，這會(huì)影響MP分子之間進(jìn)一步的相互作用，阻礙更致密和完整凝膠結(jié)構(gòu)的形成。親水膠體在完全水合或分散在溶液中時(shí)能夠形成黏性溶液，因此，親水膠體經(jīng)常作為增稠劑或水分穩(wěn)定劑添加到MP中，減少凝膠網(wǎng)絡(luò)中水分通道的出現(xiàn)，促進(jìn)MP分子間的相互作用，從而形成更為緊密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。親水膠體是一類天然的大分子多糖，根據(jù)電荷特性不同分為陽離子多糖、陰離子多糖和中性多糖，其中陰離子多糖和中性多糖與蛋白結(jié)合提高蛋白穩(wěn)定性的效果多優(yōu)于陽離子。KG和LBG作為被廣泛使用的中性多糖，一直廣受專家學(xué)者的重視。Gao Yongfang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的KG可以與MP的親水基團(tuán)結(jié)合，這使得蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)更加松散，從而暴露出更多的疏水基團(tuán)，促進(jìn)了疏水相互作用的形成，所形成的凝膠空間結(jié)構(gòu)更加緊密，凝膠的持水性和凝膠強(qiáng)度有所改善。Zhou Yanzi等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肌球蛋白的熱凝膠化不可逆時(shí)，LBG能夠增強(qiáng)肌球蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度，凝膠冷卻后凝膠硬度有所增加，隨著溫度的降低氫鍵作用逐漸增強(qiáng)，顯著提升MP凝膠的保水能力和硬度。對(duì)于陰離子多糖而言，在一定條件下可與MP發(fā)生靜電相互作用，同時(shí)陰離子多糖與MP都攜帶負(fù)電荷，二者之間存在靜電排斥作用和空間位阻效應(yīng)。Zhang Tao等[43]發(fā)現(xiàn)κ-卡拉膠的添加影響MP凝膠化，當(dāng)溫度升高至45 ℃時(shí)，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)展開，內(nèi)部正電荷基團(tuán)暴露出來并中和硫酸鹽基團(tuán)，溫度持續(xù)升高到80 ℃后，復(fù)合凝膠由于蛋白質(zhì)聚集交聯(lián)形成更致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可見中性多糖與蛋白結(jié)合可顯著提高凝膠的穩(wěn)定性。Gao Tingxuan等[44]發(fā)現(xiàn)添加亞麻籽膠（flaxseed gum，F(xiàn)G）會(huì)促進(jìn)復(fù)合凝膠中α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊，同時(shí)FG與MP之間形成靜電相互作用，進(jìn)而形成更為致密的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。陽離子多糖可以結(jié)合MP中的負(fù)電基團(tuán)，促進(jìn)蛋白質(zhì)與親水膠體分子間的氫鍵、離子鍵以及疏水相互作用，使凝膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更緊密，有利于增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度和保水性[45-46]。另外，CHI是一種典型的陽離子多糖，Li Xingke等[47]發(fā)現(xiàn)，在加熱前加入CHI后，混合凝膠的G′更高，這一結(jié)果表明，CHI與連續(xù)相中的蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，可以產(chǎn)生具有彈性特征的無定形網(wǎng)絡(luò)，在熱誘導(dǎo)過程中G′通常隨著CHI濃度的增加而增加，其中CHI作為冷固化黏合劑可以通過形成各種分子力促進(jìn)鹽溶性蛋白質(zhì)的凝膠化。復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度隨CHI的濃度增加而成比例地增加，CHI的加入可以使多糖中氨基的反應(yīng)基團(tuán)與MP的谷氨酰胺殘基相互作用，最終CHI與MP之間通過共價(jià)與非共價(jià)相互作用形成更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。脫乙酰度與聚合度是表征CHI理化性質(zhì)的兩個(gè)重要參數(shù)。Li Xingke等[47]研究表明，添加脫乙酰度為77.3% CHI的復(fù)合凝膠中氫鍵和離子鍵為主要的作用力，凝膠具有良好的破裂強(qiáng)度和G′，有助于形成更致密的結(jié)構(gòu)。Benjakul等[48]研究發(fā)現(xiàn)添加CHI的魚糜凝膠破裂力隨CHI脫乙酰度的增加而降低，這是因?yàn)槊撘阴６仍礁叩腃HI具有越多的氨基，并且與MP谷氨酰胺殘基發(fā)生越多的交聯(lián)作用，導(dǎo)致MP在分子間或者分子內(nèi)的聚合越少。對(duì)于脫乙酰度較低的CHI，一些氨基與MP會(huì)發(fā)生部分交聯(lián)，在凝膠基質(zhì)中起填充作用，在一定程度上改善了MP凝膠的持水性和凝膠強(qiáng)度。由于每種親水膠體側(cè)鏈基團(tuán)與自身特性各有不同，調(diào)控MP凝膠特性的方式也存在差異，對(duì)復(fù)合凝膠特性的影響也有所不同，因此，不同種類的親水膠體應(yīng)在具體情況下單獨(dú)研究。

3.2 親水膠體添加方式對(duì)MP熱誘導(dǎo)凝膠形成影響及其機(jī)制

一般來說，為方便肉制品實(shí)際生產(chǎn)，親水膠體通常以粉末的形式加入其中。然而，由于某些親水膠體自身的特性，例如分散性、水合速率、黏度和與蛋白質(zhì)的作用方式等，在食品體系或者蛋白質(zhì)基質(zhì)中，其添加形式（粉末或預(yù)水合懸浮液）會(huì)對(duì)MP-親水膠體共混體系產(chǎn)生不同影響。GL是一種陰離子微生物多糖，在高溫（＞90 ℃）條件下以無序的隨機(jī)盤繞狀態(tài)分散在水中，冷卻至膠凝溫度后形成雙螺旋，在其中形成連接區(qū)，最后在單價(jià)或二價(jià)陽離子的存在下形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于GL的水不溶性，低溫時(shí)在MP凝膠中的分布較差，可能會(huì)阻礙有序凝膠網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[49]。Tanyamon等[50]研究表明，GL的添加形式對(duì)GL-魚糜MP凝膠特性的影響有顯著差別。魚糜凝膠強(qiáng)度的增加可能是GL通過靜電作用在MP凝膠中起到“填料”或“黏合劑”的作用所致。在GL相同添加量下，結(jié)冷膠懸濁液（gellan suspension，GLS）-魚糜凝膠的G′高于結(jié)冷膠粉末（gellan powder，GLP）-魚糜凝膠，這可能是由于GLS經(jīng)預(yù)水化和超聲處理后具有較強(qiáng)的分散性，GLS與MP之間形成氫鍵或離子相互作用，并隨GLS添加量的增加而增加；而GLP與MP之間幾乎沒有相互作用，并隨GLP添加量的增加而降低。

κ-卡拉膠是一種典型的陰離子多糖，被廣泛用于改善MP的凝膠特性。本課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)，卡拉膠的不同添加形式會(huì)對(duì)肌肉蛋白的凝膠特性產(chǎn)生影響。當(dāng)κ-卡拉膠完全溶解在水中時(shí)，可以形成具有擬塑性行為的黏性溶液，因庫侖力的排斥作用產(chǎn)生具有膨脹線圈的多糖分子呈線性排列[51]。同時(shí)，由于κ-卡拉膠本身容易形成穩(wěn)定牢固的凝膠網(wǎng)絡(luò)，其在加熱處理過程中纏結(jié)在MP基質(zhì)中形成互穿的MP凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Cao Chuan’ai等[52]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組和κ-卡拉膠粉末組相比，κ-卡拉膠水合組有效提高了G′，這是因?yàn)棣?卡拉膠懸浮液在MP-κ-卡拉膠共混體系中具有更好的分散性，可以加強(qiáng)與MP之間形成氫鍵或離子相互作用，這與分子間作用力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同[53]。Cao Chuan’ai等[54]研究發(fā)現(xiàn)，在κ-卡拉膠存在時(shí)，氫鍵是MP凝膠化最關(guān)鍵的分子力，其次是二硫鍵，疏水相互作用和離子鍵影響較小。在相同κ-卡拉膠濃度下，κ-卡拉膠水合組的氫鍵含量明顯高于κ-卡拉膠粉末組，這可能與MP的側(cè)鏈極性氨基酸和κ-卡拉膠中的羥基之間的相互作用有關(guān)[55]。同時(shí)，κ-卡拉膠水合組的二硫鍵含量明顯高于κ-卡拉膠粉末組，這可能是由于預(yù)水合的親水膠體在MP基質(zhì)中的分散程度比粉末形式更均勻[50]，從而有效降低空間位阻效應(yīng)并促進(jìn)了二硫鍵的形成。MP基質(zhì)與不同添加形式的κ-卡拉膠潛在的機(jī)制如圖4所示。

圖4 MP基質(zhì)與不同添加形式的κ-卡拉膠之間可能作用模式[52]Fig.4 Possible interaction modes between MP matrix and κ-carrageenan in different forms[52]

可得然膠在不同的加熱條件下可以形成兩種類型的凝膠，將其水溶液加熱至55～60 ℃然后冷卻至40 ℃以下，得到熱可逆可得然凝膠（thermal reversible curdlan gum，TRC）；當(dāng)溶液加熱到80 ℃以上，得到熱不可逆可得然凝膠（thermal irreversible curdlan gum，TIRC）[56]。由于兩種凝膠類型及其各自獨(dú)特的熱凝膠機(jī)制和流變行為，可得然膠已被廣泛用于食品工業(yè)，以改變面條、豆腐和魚糜等加工產(chǎn)品的質(zhì)地和改善持水性[57]。本課題組之前的研究發(fā)現(xiàn)，這兩種凝膠可以有效促進(jìn)可得然膠-MP復(fù)合凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善不同作用模式法蘭克福香腸的凝膠特性。Jiang Shuai等[13]使用掃描電鏡觀察法蘭克福香腸的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組的凝膠（僅MP）是一個(gè)粗糙、不均勻、多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖5），同時(shí)也觀察到比較大的間隙和水通道（圖5A1箭頭所示）；Zhuang Xinbo等[34]研究表明水通道顯著影響MP凝膠的完整性，并對(duì)凝膠質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。如圖5B、C所示，較高的TRC濃度表現(xiàn)出更緊湊均勻的凝膠網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下，TRC的三鏈螺旋在加熱過程中會(huì)重新形成部分打開的三螺旋鏈或單螺旋鏈，這可能會(huì)纏繞在MP凝膠基質(zhì)中形成互穿聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生更均勻和有序的MP凝膠結(jié)構(gòu)。而由于TIRC的熱穩(wěn)定性，TIRC顆粒僅作為簡(jiǎn)單的“填料”存在，主要通過氫鍵或作為單獨(dú)的不連續(xù)凝膠部分分布在MP基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中（圖5D、E）。根據(jù)Ziegler等[30]的理論，在這種情況下，MP和TIRC可能在熱力學(xué)上不相容，從而導(dǎo)致相分離，其潛在機(jī)制如圖6所示。

圖5 添加TRC和TIRC的法拉克福香腸的掃描電子顯微鏡圖像[13]Fig.5 Scanning electron microscopic images of Frankfurt sausages with TRC or TIRC[13]

圖6 TRC與TIRC影響法蘭克福香腸凝膠特性的潛在機(jī)制[13]Fig.6 Potential mechanisms by which TRC and TIRC affect the gel properties of Frankfurt sausages[13]

3.3 親水膠體濃度對(duì)MP熱誘導(dǎo)凝膠形成影響及其機(jī)制

在肉制品中添加親水膠體通常存在最適添加濃度，在該濃度下，肉制品的持水性、乳化性等相對(duì)最佳。親水膠體的濃度也是MP熱誘導(dǎo)凝膠過程中重要的影響因素，不同濃度的親水膠體與MP基質(zhì)的相互作用會(huì)影響三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。

于晶超等[58]研究表明，在可得然膠添加量為蛋白質(zhì)量的1%～5%時(shí)，凝膠強(qiáng)度和持水性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；在1%～4%時(shí)，共混體系的G′隨可得然膠添加量的增加而增加，可得然膠對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)形成仍起積極作用；而當(dāng)添加量達(dá)到5%時(shí)，可得然膠會(huì)干擾MP的共價(jià)交聯(lián)，破壞MP凝膠形成從而導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度變差。Han Keying等[37]研究表明，隨著菊粉添加量的增加，MP之間的氫鍵作用力增強(qiáng)，在菊粉質(zhì)量濃度為10 mg/mL時(shí)疏水相互作用最強(qiáng)，MP凝膠的硬度、彈性和持水性也隨之增強(qiáng)。這是因?yàn)榫辗鄯肿痈缓u基，其可以與MP分子的羥基基團(tuán)競(jìng)爭(zhēng)從而與水分子形成氫鍵，添加菊粉可以減少M(fèi)P與水分子之間的氫鍵，并增強(qiáng)MP分子之間的氫鍵。此外，菊粉可以形成含有疏水中心的α-螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)暴露于極性環(huán)境時(shí)，該疏水中心在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，α-螺旋可以自發(fā)地與MP分子的疏水基團(tuán)締合，從而誘導(dǎo)更多的MP疏水基團(tuán)暴露，隨著菊粉添加量的增加，菊粉與MP之間的疏水相互作用增加。Zhang Tao等[43]研究表明，κ-卡拉膠添加量較少時(shí)，G′降低，且與MP流變學(xué)特性趨勢(shì)相同；隨著κ-卡拉膠添加量增加，G′峰值溫度降低，這主要是由于MP與κ-卡拉膠形成復(fù)合物，從而降低熔點(diǎn)。同時(shí)，在降溫階段，κ-卡拉膠被截留在凝膠化的蛋白質(zhì)基質(zhì)中，會(huì)產(chǎn)生填充在基質(zhì)中的卡拉膠微凝膠。因此，當(dāng)加入少量κ-卡拉膠時(shí)，復(fù)合凝膠的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度增加，但當(dāng)κ-卡拉膠濃度較高時(shí)，復(fù)合凝膠的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度逐漸降低。Zhuang Xinbo等[59]對(duì)KG-MP復(fù)合凝膠的蠕變行為的測(cè)試結(jié)果表明，添加低濃度的KG可以增強(qiáng)MP分子間的相互作用，主要是疏水相互作用和二硫鍵，同時(shí)，熱誘導(dǎo)MP變性促進(jìn)α-螺旋向β-折疊轉(zhuǎn)化，使更多的疏水基團(tuán)暴露出來，隨著溫度升高而聚集，最終形成一個(gè)緊湊而完整的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)；但是，當(dāng)KG濃度逐漸增高，KG通過氫鍵形成弱凝膠，在熱處理前與MP互穿，由于MP分布的斷裂、未折疊的疏水基團(tuán)無法進(jìn)一步相互連接，導(dǎo)致復(fù)合凝膠的織構(gòu)性能較差；并且，KG水凝膠明顯阻礙了MP從α-螺旋向β-折疊的轉(zhuǎn)變，暴露的疏水基團(tuán)較少，隨著溫度的升高導(dǎo)致聚集不良，最終形成了一個(gè)松散且未聚集的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)。KG影響MP凝膠功能的潛在機(jī)制如圖7所示。

圖7 KG影響MP凝膠功能的機(jī)制[59]Fig.7 Mechanism by which konjac gum affects MP gel functions[59]

3.4 鹽離子濃度對(duì)親水膠體-MP熱誘導(dǎo)凝膠形成影響及其機(jī)制

MP是一種鹽溶性蛋白，在眾多影響MP凝膠的因素中，能夠影響MP溶解度的鹽離子濃度備受關(guān)注[60-61]。NaCl 是肉制品中常用的鹽，通常認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%的NaCl是溶解MP、展現(xiàn)凝膠良好性能的必要條件[62]。賈娜等[63]指出適量的NaCl濃度（0～0.6 mol/L）可以顯著提高親水膠體-MP的凝膠強(qiáng)度和保水性，但隨NaCl濃度進(jìn)一步升高，凝膠強(qiáng)度和保水性均有所減弱。潘麗華等[64]研究發(fā)現(xiàn)，隨著NaCl濃度升高，MP-FG共混體系二級(jí)結(jié)構(gòu)、疏水相互作用發(fā)生變化，使MP結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且更易變性，所以其熱變性溫度隨之降低。Zhu Ning等[65]研究了在NaCl不同濃度下洋車前子殼粉對(duì)羔羊MP凝膠結(jié)構(gòu)的影響，NaCl濃度降低時(shí)，離子鍵、疏水相互作用和二硫鍵的含量也顯著降低，這一結(jié)果表明維持凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的力在較低NaCl濃度時(shí)會(huì)遭到破壞，從而影響凝膠質(zhì)量。

Feng Meiqin等[66]研究發(fā)現(xiàn)，隨NaCl濃度增加，F(xiàn)G-MP體系的G′隨之增加，這是因?yàn)榧词笷G通過靜電相互作用促進(jìn)MP交聯(lián)，在低鹽溶液中，MP溶解度較低，也不能形成彈性較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在高鹽溶液中，F(xiàn)G的添加會(huì)顯著降低α-螺旋含量，顯著增加β-折疊含量，這是因?yàn)楦啕}濃度促進(jìn)MP分子的溶解，在熱誘導(dǎo)形成凝膠的過程中，高溫誘導(dǎo)巰基和疏水基團(tuán)等活性基團(tuán)的暴露，導(dǎo)致化學(xué)交聯(lián)并形成可以截留住水分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；含F(xiàn)G的MP凝膠基質(zhì)在不同NaCl濃度下具有不同結(jié)構(gòu)，在高鹽濃度下，MP分子之間以及MP和FG之間的相互作用、MP和FG之間的物理截留效應(yīng)，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)致密、孔徑均勻、高持水性凝膠的形成。類似的現(xiàn)象已在其他親水膠體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，例如刺槐豆、瓜爾膠、黃原膠和羧甲基纖維素[67]。

4 結(jié)語

添加親水膠體是改善MP熱誘導(dǎo)凝膠品質(zhì)的途徑之一。在MP熱誘導(dǎo)凝膠形成過程中親水膠體對(duì)凝膠中的二硫鍵和疏水相互作用力有一定改善，二者對(duì)凝膠特性起決定性作用。同時(shí)，一些親水膠體會(huì)纏繞在MP凝膠基質(zhì)中形成互穿聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)，或轉(zhuǎn)移和限制MP中的水分，減少甚至消除隨機(jī)水分通道的出現(xiàn)，進(jìn)而產(chǎn)生更均勻和有序的MP凝膠結(jié)構(gòu)。這一影響效果也同時(shí)被多重因素所影響，一方面與親水膠體種類與用量等因素有關(guān)；另一方面也與熱誘導(dǎo)溫度和離子強(qiáng)度等外界條件密切相關(guān)。

盡管目前在親水膠體與MP相互作用方面已經(jīng)展開較為廣泛的研究，但仍存在一些問題亟待深入解決。其一，現(xiàn)階段國內(nèi)外在研究親水膠體調(diào)控MP熱誘導(dǎo)凝膠方面取得了一定進(jìn)展，但對(duì)親水膠體調(diào)控MP凝膠形成的機(jī)制研究還不夠深入；其二，應(yīng)更多關(guān)注不同鹽離子濃度對(duì)親水膠體-MP共混體系的影響，MP在低鹽環(huán)境下溶解度明顯下降，添加親水膠體可以彌補(bǔ)因鹽含量降低導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)的劣化問題，這在低鹽肉糜制品中有很大的參考價(jià)值；其三，溫度作為MP熱誘導(dǎo)凝膠最為重要的影響因素之一，加熱頻率對(duì)親水膠體-MP復(fù)合凝膠的影響和加熱溫度過高引起凝膠劣化的機(jī)制還缺少較為深入的研究；其四，在過去的研究中大多只涉及蛋白和多糖二者之間的互作，而在實(shí)際生產(chǎn)中往往是多組分共混體系，如在乳化肉糜制品中存在“蛋白-多糖-脂質(zhì)”體系，因此在未來的研究中，考慮在多組分體系的凝膠結(jié)構(gòu)中食品膠對(duì)該復(fù)合體系凝膠性能的改善對(duì)于肉及肉制品的加工具有重要意義。