蛋清粉凝膠特性改性研究進展

蔡　杰,張　倩,雷　苗,陳璟瑤,劉　剛，何靜仁,湯尚文

(1.武漢輕工大學食品科學與工程學院,湖北武漢 430023;2.華中農業大學食品科學技術學院,湖北武漢 4300703.湖北文理學院化學工程與食品科學學院,湖北襄陽 441053)

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蛋清粉凝膠特性改性研究進展

蔡杰1,2,張倩1,雷苗1,陳璟瑤2,劉剛1，何靜仁1,湯尚文3

(1.武漢輕工大學食品科學與工程學院,湖北武漢 430023;2.華中農業大學食品科學技術學院,湖北武漢 4300703.湖北文理學院化學工程與食品科學學院,湖北襄陽 441053)

蛋清粉作為一類干燥的蛋制品,既保有了蛋清蛋白優良的功能特性,同時規避了液蛋制品難貯藏、難運輸的固有弊端,因而用途十分廣泛。為了進一步滿足市場對高凝膠性蛋清粉的需求,國內外研究者對此做了大量的工作。本文從蛋清蛋白的組成著手,闡述了蛋清蛋白凝膠性能的影響機理,著重對蛋清粉凝膠特性的改性研究進展進行了綜述,以期為豐富食品蛋白質凝膠化理論研究以及拓展蛋清粉高效應用提供參考。

蛋清蛋白,蛋清粉,凝膠性能,改性

雞蛋是人類理想的天然食品,富含蛋白質、脂肪酸、各種維生素以及Ca、Fe、P、K等人體所需要的礦物質元素,因此,雞蛋在提供人體營養和疾病防治等方面發揮著重要的作用[1-7]。已有文獻報道從蛋黃中分離純化出了ω-3脂肪酸、卵磷脂、膽堿等生物活性物質,并成功實現了其工業化生產[8-10],因而大幅度地提升了雞蛋的營養學附加價值。雞蛋清同樣具有高營養價值,其蛋白質含量高達80%[11]。研究表明,雞蛋清中的蛋白質具有與食品的加工性、嗜好性相關聯的多種功能特性,如凝膠性、持水性、起泡性和乳化性等,特別是蛋清蛋白的凝膠性在食品的制造中效果顯著[12-15]。由于蛋清液自身存在難貯藏、難運輸、難保存的缺點,目前更多的是利用干燥技術將蛋清制備成為粉狀產品加以綜合利用。

蛋清粉作為一類干燥的蛋制品,既擁有蛋清蛋白的優良功能特性,同時規避了液蛋制品固有的弊端,在食品、紡織、造紙、皮革、醫藥等各工業領域有所應用[16-19]。然而,在實際的工業化生產中卻發現蛋清粉的凝膠性不足以達到某些特定行業的需求。因此,為了改善蛋清粉的凝膠特性,以拓寬其更廣泛的市場前景,本文就國內外科研工作者對此所開展研究的動態進行了綜述,以期為雞蛋蛋清蛋白的深度開發與綜合應用提供一定的思路。

1　蛋清蛋白的主要組成

蛋清存在于雞蛋蛋白膜之內,顏色呈微黃色,其含量約占全蛋總重的60%～63%。蛋清的主要成份是水和蛋白質,因此其結構是以水作為分散介質、蛋白質作為分散相所組成的膠體物質。在蛋清蛋白體系中,蛋白質的含量約為全蛋總蛋白量的11%～13%,其主要包括卵清蛋白(Ovalbumin,OVA)、卵伴白蛋白(Conalbumin)、卵粘蛋白(Ovomucin)、卵類粘蛋白(Ovomucoid,OVM,GaidI)、溶菌酶(Lysozyme)、卵球蛋白(OVO-globulin)以及抗生物素蛋白(生物素結合蛋白)(Avidin)(如表1)[19-25]。蛋清蛋白所擁有的這些蛋白質共同決定了其的優良的功能特性,為我們全效開發蛋清及蛋清制備,提升雞蛋的附加值提供了重要的理論基礎。

表1　蛋清蛋白的主要組成及其理化性質

2　蛋清蛋白質的凝膠性質研究

2.1蛋清蛋白凝膠的形成過程

凝膠作用是指蛋白質分子經適度變性后,聚集形成一個規則的蛋白質分子空間網狀結構的過程?；贔lory理論,凝膠過程的形成一般分為:預凝膠態、膠凝點和后凝膠態三個部分。在預凝膠態,蛋白質分子間通過β-折疊作用開始形成相對分子量較高的、有限的可溶性聚集體;再經膠凝點,分子體系中粘彈性液體逐漸轉變為粘彈性固體,導致不溶性網狀凝膠的形成,此時整個體系仍以單體、二聚體或較大些的聚集體為主要存在形式,三維凝膠結構非常少;最終在后凝膠態,體系中各種形態的聚集體互相交聯構成一個連續的分子結構,這個均勻的分子構型即為蛋清蛋白凝膠[24,28-30](如圖1)。

圖1　蛋清凝膠形成的過程[24]Fig.1　The process of protein gel formation

2.2蛋清蛋白凝膠化機理

蛋白質分子鏈通過展開、結合和交聯聚集過程形成三維網狀結構的蛋白凝膠。在蛋白凝膠化過程中,首先加熱作用促使天然狀的蛋白質多肽鏈部分展開呈現融球狀,分子鏈中一些功能團(如疏水基團和巰基等)隨之暴露于表面,蛋白質分子的分散速率下降,整體表現出彈性固體特征;隨后,蛋白質分子逐步變性,在暴露出的二硫鍵和疏水相互作用下交聯形成聚集體,體系粘性呈指數增加,一旦當蛋白質粘性濃度超過膠凝點的臨界值時,這些聚集體就會逐漸形成連續的網狀結構,最終導致均勻凝膠基質的形成;后凝膠態下,蛋白質分子鏈間和水分子之間存在著二硫鍵、氫鍵、靜電力和疏水相互作用,通過這些化學鍵的相互作用使得蛋白凝膠形成穩定的平衡體,且整個形成過程中二硫鍵和氫鍵分別控制著蛋白質凝膠的不可逆和可逆過程[28-31]。

2.3影響蛋清粉凝膠性質的因素

2.3.1外部因素對蛋清蛋白凝膠特性的影響蛋白質分子多肽鏈經適度變性后,相互交聯聚集形成三維網狀結構,這種空間結構易受到外界理化條件的影響,其中以離子/鹽濃度、pH以及干燥溫度這些因素的影響較為顯著。

2.3.1.1離子強度與鹽濃度金屬陽離子(如高濃度的Na+)對蛋白質表面負電荷具有屏蔽效應,能降低蛋白質分子間的靜電相互作用,致使蛋白質-蛋白質間相互作用增強,蛋白質-水間相互作用減弱,蛋白質發生聚集,凝膠持水性下降[32]。Croguennee等[33]采用不同種類的金屬離子作用于蛋清蛋白質來研究其凝膠性能的變化:當體系pH=7時,Ca2+,Fe3+和Mg2+對蛋白質的粘彈性和微觀結構有一定的影響,且Fe3+表現最為顯著;而高濃度NaCl降低了蛋白質凝膠的持水性能。劉西海[34]通過研究不同金屬離子對腌制蛋清蛋白質結構的影響,發現金屬離子能加劇蛋白質的β-折疊和分子展開,進而促進其交聯;但金屬離子長時間作用可導致蛋白質分子因疏水作用而部分簇集,其表面疏水性降低;且二價金屬離子較一價離子對蛋清蛋白質構象以及蛋清凝膠微觀結構影響更顯著,基本符合霍夫曼斯特離子序。凝膠的形成同樣受到鹽的種類的影響,如低濃度的Ca+能降低卵清蛋白的變性溫度以及熱誘導凝膠的微觀結構,而Na+對此無作用。

2.3.1.2pHHanda A等[35]人發現pH對蛋清蛋白凝膠特性影響很大,在蛋白質濃度為10%的實驗條件下,pH=4和1l時,蛋白凝膠強度較大;而pH=3、7時,蛋白凝膠強度較小。這是由于pH能降低蛋白質分子的凈電荷,且高pH時,蛋白質分子的巰基反應性受到影響,二硫鍵作用增強,從而導致分子間的排斥力降低,當蛋白質分子受熱時迅速聚集成“粗凝膠”,粘彈性增強。葉陽等[36]以雞蛋清為對象,分析了不同堿溶液(NaOH、KOH和Na2CO3)的添加對蛋清凝膠強度和持水性的影響,結果表明隨著堿濃度的提高,蛋清的pH逐步升高,凝膠強度逐步下降。

2.3.1.3干燥溫度Lee等[37]人研究發現干燥過程的溫度對蛋清粉的凝膠特性存在著影響,實驗表明當干燥溫度超過95 ℃時,蛋白質發生嚴重變性,已不具備形成凝膠的能力。王麗娜等[38]利用同步熱分析儀在恒溫條件下測量了蛋清和蛋黃水凝膠的熱流隨時間的變化規律,深入分析發現隨著體系水含量的逐漸減少,凝膠樣品依次可能經歷:類體水的蛋白質水凝膠態、鍵合水的蛋白質水凝膠態、鍵合水和鍵合蛋白質的混合態,以及鍵合蛋白質態這4個狀態。

2.3.2內部因素對蛋清蛋白凝膠特性的影響蛋清蛋白含有總量高達70%的卵清蛋白和卵轉鐵蛋白這兩類蛋白質,其共同決定著蛋清蛋白的凝膠特性。一方面,卵清蛋白中含有的自由琉基基團,可以顯著的作用于蛋清的熱誘導凝膠形成過程;另一方面,卵轉鐵蛋白能與Fe、Cu、Al等金屬元素結合形成復合物,具有穩定蛋白質熱變性的功能,從而對蛋清的初期凝結有著重要的作用。

3　蛋清粉凝膠特性改性的方法

原蛋清液經干制去除水分后制得的粉末蛋制品稱為蛋清粉。加工成的蛋清粉保有了蛋清蛋白營養價值高、來源豐富、成本低廉的優點,同時具有與食品的加工性、嗜好性相關聯的一些優良功能性質。為了進一步適應某些行業對蛋清粉高凝膠性的需求,因此有必要對其進行改性處理。目前常用于改善蛋清粉凝膠特性的方法主要有3類:物理改性、化學改性、酶改性。

3.1物理改性

3.1.1熱處理物質的功能性質往往與其結構之間存在著必然的聯系。蛋白質經加熱處理后結構隨之發生了變化,從而引起其功能性質的改變?；谶@一理念,Matsudomi等人[39]對蛋清蛋白進行加熱處理,導致蛋白中卵清蛋白總巰基和表面巰基發生改變:熱處理溫度升高,總巰基數下降,表面巰基數增多。而蛋白的總巰基數和表面巰基數對其凝膠性能起著明顯的作用:暴露于表面的巰基數增多,分子間和分子內的相互作用增強,蛋清蛋白的凝膠性能提高。Xu等人[40]首先在60 ℃條件下對蛋清粉液熱處理2.0～3.5 min,隨后再放入5 ℃的低溫環境中靜置20 h以形成凝膠,凝膠強度測試結果顯示:熱處理后的樣品比未經任何處理的原樣在凝膠性能上有所提高。在后續研究中[41-43],同樣印證了熱處理能夠有效的改變蛋清粉的凝膠特性。熱處理法因其簡便的操作、明顯的效果,因此在改善蛋白凝膠性能上得到了廣泛的應用。

3.1.2加壓處理目前,高壓處理技術已經應用到食品領域中來改善一些原料的功能特性。物料在超高壓作用下可發生強烈剪切、高速撞擊、劇烈震蕩、以及壓力瞬間釋放等效應,從而引起生物大分子結構的改變。研究表明,對蛋清蛋白進行加壓處理(400 MPa靜壓)可引起蛋白質部分變性聚集,凝膠強度增大;加壓至600 MPa以上30 min會形成較硬的凝膠,且由壓力致使的凝膠化較加熱引起的凝膠化所得到的蛋白凝膠具有更好的粘彈性、光澤性以及天然的味道。在工業生產中,一般使用500～1000 MPa壓力范圍來誘導蛋白凝膠改性。Van等[44]采用DTNB法分別研究熱誘導(50～85 ℃)與壓力誘導(100～700 MPa)對蛋清蛋白質中總巰基變化影響,發現兩種方法均能導致巰基基團暴露并經巰基氧化反應與SS-SH交換反應協同作用使得其含量明顯下降;但在壓力作用下巰基基團暴露更為容易、減少更為明顯,且蛋白質分子可溶性聚集程度更為顯著。王輝[45]采用動態超高壓微射流技術對蛋清蛋白進行改性,實驗結果發現隨著壓力的增大,動態超高壓微射流處理對蛋清蛋白溶解性的影響較小,而凝膠性、成膜性、起泡性、流變性均得到了有效改善。何軒輝等[46]研究者就超高壓對食品蛋白凝膠性的形成影響因素及機理進行了綜合闡釋,在此基礎進一步分析了加壓處理改善物料功能特性在未來的發展動向。

3.2化學改性

根據國內外科研者的研究結論,發現對蛋白質進行還原糖糖基化修飾可以改變食品蛋白質的某些功能性質,其中對提高蛋白質的凝膠特性有較好的效果。蛋白質-糖基化修飾是指利用分子間共價鍵將碳水化合物同蛋白質分子上的氨基(主要是α-或ε-氨基)相連接進而反應生成糖基化蛋白的變化。在蛋白質-糖基化反應中,美拉德反應作為一種常見的糖基化修飾方法,在改善蛋清蛋白凝膠性能方面應用相對較多。早在1997年,Noatohsi Matsudomi等人[47]通過在蛋清液中分別添加硫酸化葡聚糖(Dextrna Sulfate,DS)和半乳甘露聚糖(GalaCtomnanan,GM)進行美拉德反應來分析蛋清粉的凝膠性質變化,實驗結果表明DS含量為0.05%或GM含量為0.25%時復合體系的凝膠強度有所提高。隨后,我國研究者也陸續對蛋清蛋白質-糖基化修飾進行了研究以提高蛋清粉的凝膠性能。徐雅琴等人[48]在2005年分別利用鹽酸水解瓜爾豆膠和魔芋膠,以及果膠酶水解果膠;再將水解后所得的三種產物與脫糖雞蛋白粉發生美拉德反應,結合發現所生成的蛋白粉-瓜爾豆膠反應復合物的凝膠強度有明顯的提高(約為1378.9 g),比普通蛋清粉凝膠性增加了1207%。徐保立等人[49]在2010年采用具有強親水性的離子型多糖羧甲基纖維素(CMC)和羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)對蛋清粉進行凝膠改性,實驗結果表明在反應溫度為60 ℃和反應時間2 d,CMC蛋清蛋白和CMC-Na蛋清蛋白復合物的凝膠強度顯著增大,掃描電鏡(SEM)觀察到蛋清粉中小分子質量蛋白質在減少,凝膠的微觀網絡變得均勻致密。利用碳水化合物與蛋清粉蛋白間的美拉德反應所制得的蛋清粉其凝膠特性顯著的提高,但反應過程往往伴隨著制褐變產生和營養價值的降低情況,因此在一定程度上限制了化學方法的應用。涂勇剛等[50]研究發現在蛋清蛋白凝膠體系發生相變的濃度點,結冷膠、黃原膠和阿拉伯樹膠均對體系強度有明顯的作用;蔗糖對體系的凝膠強度沒有明顯的影響;麥芽糖對蛋清蛋白凝膠的作用明顯,在低濃度可以促進蛋清蛋白凝膠強度而在高濃度可以減弱蛋清蛋白凝膠強度;玉米淀粉在一定濃度可顯著改善蛋清蛋白凝膠的強度。

3.3酶法交聯改性

酶法交聯改性修飾技術是指采用各種酶對蛋白質進行催化反應,人為地向蛋白質分子中引入交聯鍵,促使蛋白質分子間的相互交聯,因而使其具備更高的功能特性,尤其是良好的蛋白質凝膠性質。酶法交聯改性常用的酶的種類有:轉谷酰胺酶(TG)、多酚氧化酶(PPO)、過氧化酶(POD)等,其中以TG應用較為廣泛。

轉谷氨酰胺酶(TG)又稱谷氨酰胺轉氨酶[51-52],這種轉移酶能夠作用于γ-羧酰胺基供體和胺類?；荏w之間的?；D移反應。當向蛋白質中添加TG時,會在蛋白質分子間和分子內形成新的共價鍵,從而使得蛋白質發生交聯聚合形成高分子量聚合物,這些復合體系的產生有利于改善蛋白質凝膠性質。目前,研究者已經廣泛的對TG促進凝膠形進行了研究。Sakamoto等人[53]利用微生物轉谷氨酰胺酶(MTGase)對多種蛋白交聯改性反應,實驗結果表明MTGase對所有的樣品的凝膠性能均有一定的影響,其中在反應溫度65 ℃和pH=6時,與蛋清蛋白所形成的交聯蛋白的凝膠強度較好,比所對照樣品的性能提高了約1倍。王然和遲玉杰[54]從轉谷氨酰胺酶用量、作用時間以及反應溫度方面分析酶對蛋清粉凝膠強度的影響,為優化蛋清粉的加工品質提供理了一定的論基礎。實驗結果表明:在酶用量6 U/g,反應時間3.99 h,反應溫度35 ℃的條件下,蛋清粉的凝膠強度高達820 g/cm2,這說明TG交聯改性蛋清粉可以大大優化其凝膠品質。同時,TG交聯改性蛋清粉也存在一定的限制,當酶作用的底物蛋白質活性部位上熱力學相合性不同時,產生的蛋白互相不重疊性將阻礙蛋白質分子間的交聯反應,最終導致蛋白聚合物無法形成,也就起不到改善蛋清蛋白凝膠性質的作用了。徐東紅[55]通過正交實驗優化得出蛋清蛋白凝膠性最優谷氨酰胺轉氨酶作用工藝條件是:酶作用溫度50 ℃,酶作用pH=4,酶添加量0.3 g,酶作用時間1.5 h條件下,蛋清蛋白的凝膠強度達到391.2 g,比普通蛋清蛋白凝膠強度(173 g)提高了126%。目前已有研究者運用堿性蛋白酶限制性對乳清蛋白酶解,并就其凝膠特性、凝膠粒徑、成膠溫度以及蛋白組分水解情況進行分析,實驗結果表明堿性蛋白酶解可以改善乳清蛋白的凝膠特性[56]。

隨著現有的提取純技術藝的日趨成熟,酶的來源越發豐富,此外酶本身具備反應條件溫和、反應過程易于控制的特點,很大程度的促進酶的廣泛用途。但是酶改性后的蛋清粉制品,營養價值下降、價格相對較高的弊端仍需進一步研究改進。

4　結語

由于雞蛋具有最優質的全價蛋白質,因而被稱作“人類理想的天然食品”。近年來,科研工作者開始著手于研究蛋清的開發與綜合利用。為了進一步發掘蛋清粉的應用潛力,以適應某些特定行業的高凝膠性的需求,不少研究者對蛋清粉凝膠性能的改性進行了研究,同時取得了一定的理論研究基礎和實際功效。但蛋清中蛋白質種類繁雜多樣,對凝膠化影響功能各異,因此,有必要從分子水平上深入,以結構與功能為導向,系統探明其凝膠化機制,并結合多種方法聯用來改善蛋清粉凝膠特性,這對豐富食品蛋白質凝膠化機理的理論基礎以及拓展蛋清粉的高效應用發揮著重要的意義。

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Review on improvement in the gel properties of egg albumen powder

CAI Jie1,2,ZHANG Qian1,LEI Miao1,CHEN Jing-yao2,LIU Gang1,HE Jing-ren1,TANG Shang-wen3

(1.College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;3.College of Chemical Engineering and Food Science,Hu Bei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,China)

Egg albumen powder,a kind of the dried egg products,has a very wide range of applications because not only has the outstanding properties of egg white protein but eliminates the disadvantage of the liquid egg product,such as difficult storage and transportation. In order to further improve the gel property of the egg albumen powder,the researchers have done a lot of research in this field. This paper discussed the composition and the gel formation mechanism of egg white protein,and focused on the progress of improvement in the gel properties of egg albumen powder. This review was to provide a reference to enrich the theory system on gelation mechanism of egg albumen protein and its high effective application.

egg albumen;egg albumen powder;gel properties;modification

2015-12-04

蔡杰(1987-),男,博士,講師,研究方向:生物大分子改性與納米技術,E-mail:caijievip@hotmail.com;caijievip@whpu.edu.cn。

國家自然科學基金(31401640);武漢市青年科技晨光計劃(2014072704011258)。

TS253

A

1002-0306(2016)13-0395-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.073