超高壓對草魚魚糜凝膠特性的影響及其機理初探

梁 燕,周愛梅,郭寶顏,張 風,肖蘇堯,劉 欣

(華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642)

超高壓對草魚魚糜凝膠特性的影響及其機理初探

梁 燕,周愛梅*,郭寶顏,張 風,肖蘇堯,劉 欣

(華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642)

本實驗以草魚魚糜為原料,研究不同的超高壓處理(100～500MPa/15～60min)對其凝膠特性的影響,并與熱處理進行對比,同時探討其凝膠機理。結果表明,超高壓處理能很好地改善草魚魚糜的凝膠特性,在400MPa壓力以上時,其質構指標如凝膠強度、彈性、內聚性、回復性均顯著高于熱處理樣品,且形成的凝膠質地致密均勻,白度和亮度值高,而硬度比熱處理樣品低。超高壓處理樣品的TCA-可溶性肽含量低于熱處理凝膠,表明壓力可抑制引起魚糜凝膠劣化的內源性蛋白酶的活性,且壓力越大對酶活的抑制越大;但其溶解度高于熱處理凝膠,表明壓力也會使其內源性轉谷氨酰胺酶活性降低,不利于形成ε-(γ-谷氨酰)賴氨酸鍵。SDS-PAGE顯示,超高壓處理樣品的大分子蛋白(MW>200ku)的出現可能是肌球蛋白分子通過二硫鍵等共價鍵聚集形成的。結果說明,與熱處理對比,超高壓處理有利于形成凝膠彈性好、色澤佳、質地柔軟的魚糜凝膠,且與熱處理凝膠形成機理有所不同。

超高壓,草魚魚糜,凝膠特性,凝膠機理

魚糜制品是一種高蛋白、低膽固醇、低脂肪、低熱、低鹽食品,在我國、日本及韓國都有悠久的歷史。魚糜制品的加工方式也呈現多樣性。超高壓處理作為一種新型的加工技術,因傳壓速度快、操作過程簡單、耗能少等優點而在魚糜制品中的應用逐漸成為研究的熱點。更重要的是,超高壓處理可以引起食品成分非共價鍵(氫鍵、離子鍵和疏水鍵等)的破壞或形成,使食品中的酶、蛋白質等生物高分子物質分別失去活性和變性[1],從而改變蛋白質的空間結構和功能特性,導致蛋白質變性、聚集和凝膠化[2]。但在此過程中,超高壓處理對維生素、色素和風味物質等低分子物質無影響,故可減少食品營養成分和色、香、味的損失或劣化。目前超高壓已在鱈魚、馬鮫魚、大菱鲆魚等海水魚糜制品加工中得到廣泛的研究[3-5],而在淡水魚糜制品中的研究很少,而淡水魚糜制品的開發已成為我國水產品加工的重要課題。為此,本文以草魚魚糜為原料,研究不同壓力處理對草魚魚糜凝膠特性的影響,并對其凝膠機理做初步研究,以期為超高壓處理在淡水魚糜生產中的應用提供有益的參考。

1 材料和方法

1.1 材料與設備

草魚 購于廣州易初蓮花連鎖超市有限公司;食鹽 市售食用級;其他試劑 均為市售分析純。

RLGY-600全自動超高壓殺菌機 溫州貝諾機械有限公司;TA-XT質構儀 英國Stable Micro Systems公司;JP7100F全自動測色色差儀 日本Juki公司;KDC-140HR高速冷凍離心機 安徽中科中佳化學儀器有限公司;Mini-Protein Ⅱ穩壓穩流型電泳儀 美國Bio-Rad公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚腸的制備 新鮮草魚魚體用冰水洗凈后去頭、去內臟、切片、采肉,然后用絞肉機絞肉(出口直徑0.6mm),用兩倍冰水漂洗3次(每次5min)后脫水即得新鮮魚糜。用高速組織搗碎機搗碎1min,添加2.5%食鹽,并用冰水將魚糜水分含量調至80%,繼續搗碎4min,在砧板上用刀趕氣后用Biscuit Maker將魚糜充填至腸衣中。整個過程溫度控制在10℃以下。

1.2.2 魚腸的熱處理 熱處理凝膠為對照樣,采用二段加熱法(40℃/30min+90℃/20min),加熱后立即將魚腸置于冰水中冷卻,再將其置于4℃放置12h,然后檢測凝膠各項指標。

1.2.3 魚腸的超高壓處理 將魚腸分別于100、200、300、400、500MPa壓力下保壓30min,500MPa壓力下保壓15、30、45、60min,取出后迅速用冰水冷卻,4℃冰箱中放置12h后進行凝膠特性分析。

1.3 測定方法

將制備好的魚腸平衡至室溫,切成直徑30mm、高25mm的柱形體,進行凝膠特性分析。

1.3.1 凝膠強度測定 參考文獻[6]，凝膠強度測試選用探頭型號為P/5,測試模式為壓縮力模式。壓縮變形率為60mm/min。測定破斷強度和凹陷深度,凝膠強度為兩者乘積。

1.3.2 TPA的測定 參考文獻[6]，對樣品硬度、彈性、內聚性、咀嚼性和回復性進行測定。TPA測試選用的探頭型號為P/50。具體測試參數為:測前速度1mm/s,測試速度5mm/s,測后速度1mm/s,壓縮變形率50%,表面感應力為99.0g。

1.3.3 色差測定 參考文獻[7]，將樣品切成厚3mm的圓片,室溫下用色差儀測定樣品色度,儀器采用標準白板校正。L*表示樣品的亮度,+a*表示樣品偏紅,-a*表示樣品偏綠;+b*表示樣品偏黃,-b*表示樣品偏藍。

白度W=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2

1.3.4 SDS-PAGE電泳實驗 參考文獻[8]，SDS-PAGE電泳實驗參考Benjakul[8]的方法

1.3.5 TCA-可溶性肽的測定 參考文獻[8]，TCA-可溶性肽的測定參考Benjakul[8]的方法。

1.3.6 溶解度測定 溶解度的測定參考Benjakul[8]的方法。

2 結果與討論

2.1 不同壓力處理及加壓時間對魚糜凝膠強度的影響

圖1 不同壓力處理(a)及加壓時間(b) 對草魚魚糜凝膠強度的影響Fig.1 Gel strength of gels from grass carp surimi prepared under different pressure and pressure time注:對照組為熱處理,圖2、圖3、圖6、圖7同， 標注不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

草魚魚糜經過不同壓力(100～500MPa/30min)處理后,凝膠強度結果如圖1a所示。凝膠強度隨壓力的增加顯著增大(p<0.05),當壓力增大至500MPa時達到最大值(380.82±0.05)g·cm,較熱處理樣品增加了95.07%。由顯著性分析可知,400MPa以上壓力值加壓30min即可取得高于熱處理樣的凝膠強度(p<0.05)。圖1b表明,草魚魚糜經過不同加壓時間(15～60min/500MPa)處理后,隨加壓時間的延長,凝膠強度呈現先顯著增加而后明顯降低的趨勢(p<0.05),并在500MPa/30min取得最大值(547.20±0.72)g·cm,而對照組僅為(333.69±0.82)g·cm。類似的結果在胡飛華[9]的研究中也出現。這是由于草魚魚糜在壓力作用下,肌球蛋白會發生變性,包括蛋白質構型改變與肽鏈的解開,同時超高壓處理可使蛋白質分子結構中暴露更多的巰基基團,巰基含量的增加促使蛋白質凝膠性能得到改善[9];隨著壓力繼續增大,可能會影響物質分子間結合形式,導致鍵的破壞和重組,從而使大分子功能特性發生變化,形成較熱處理更加有序的三維網絡結構,從而具有更高的魚糜凝膠強度,后續研究證實了這一點;另一方面,超高壓可以很好的抑制內源性組織蛋白酶的活力,減少凝膠劣化現象,從而使凝膠強度增加。此外,實驗結果還表明,加壓時間過長不利于魚糜凝膠強度的改善,可能是由于在500MPa壓力時延長加壓時間導致蛋白分子內部化學鍵斷裂,魚糜凝膠網絡結構交聯度降低,魚糜凝膠強度下降[9]。

2.2 不同壓力處理及加壓時間對魚糜凝膠質構的影響

由圖2a可知,草魚魚糜加壓凝膠的壓縮硬度、耐咀性隨壓力增加而增大,500MPa取得最大值,但分別僅為熱處理凝膠的59.09%和61.41%;由圖2b可以看出,當壓力≥300MPa時,彈性顯著高于熱處理樣(0.955±0.015)(p<0.05),500MPa達最大值,為0.981±0.024。內聚性表示測試樣品經過第一次壓縮變形后所表現出來的對第二次壓縮的相對抵抗能力。由圖2b可知,當壓力≥300MPa時,內聚性顯著高于對照組(0.867±0.021)(p<0.05),最大值出現在400MPa(0.905±0.010),反映此時制品的內部鍵強度最高。回復性可以反映凝膠的壓縮彈性,數值越接近1,蛋白質三維網絡結構越有序和均勻。圖2b表明,當壓力≥200MPa時,加壓凝膠回復性顯著高于對照組(0.499±0.023)(p<0.05),其最大值為0.584±0.011(400MPa處理樣)。魚糜加壓后,樣品體積減小,結構緊湊,因此形成的凝膠較熱處理更致密,內部鍵強度更大,表現在內聚性增加。而超高壓處理較熱處理條件溫和,蛋白質變性不完全,這可能是超高壓樣品硬度較低的原因[9]。綜上所述,草魚魚糜經超高壓處理后,彈性、內聚性、回復性均得以改善,顯示了超高壓在改善凝膠內部結構、提高草魚魚糜凝膠彈性方面的優越性。

圖2 不同壓力處理對草魚魚糜硬度、彈性(a)、 內聚性、耐咀性、回復性(b)的影響Fig.2 Hardness, springiness, cohesiveness, chewiness and resilience of gels from grass carp surimi prepared under different pressure

圖3a表明,草魚魚糜經過不同加壓時間(15～60min/500MPa)處理后,其凝膠硬度和耐咀性均隨加壓時間的延長先緩慢增加,并在45min時分別取得最大值(768.266±6.679)g和(679.894±11.068)g,此后隨加壓時間延長至60min,二者均顯著降低(p<0.05)。由圖3b分析可知,加壓30min處理樣的內聚性、回復性分別取得最大值0.910±0.001和0.608±0.004,但各加壓樣的差別不顯著(p>0.05);彈性的最大值出現在加壓15min樣品(0.999±0.006),但進一步增加加壓時間,彈性有所降低。魚糜凝膠的耐咀性與硬度和彈性有關,反映魚糜制品柔軟或堅韌的程度,硬度和彈性越大,對應的耐咀性也越大,相應的“口感”也越好。草魚魚糜在不同壓力和不同加壓時間處理下,其凝膠硬度和彈性逐漸增加,耐咀性也隨之增大。綜上可推斷,500MPa/45min為草魚魚糜的最佳凝膠壓力條件,過高和過低的壓力和加壓時間都不利于魚糜凝膠的形成和保持。

圖3 不同加壓時間對草魚魚糜硬度、彈性(a)、 內聚性、耐咀性、回復性(b)的影響Fig.3 Hardness, springiness, cohesiveness, chewiness and resilience of gels from grass carp surimi prepared under different pressure time

2.3 不同壓力處理及加壓時間對魚糜凝膠色澤的影響

表1 不同壓力處理對草魚魚糜凝膠色差的影響Table 1 Color of gels from grass carp surimi prepared under different pressure

表2 不同加壓時間處對草魚魚糜凝膠色差的影響Table 2 Color of gels from grass carp surimi prepared under different pressure time

草魚魚糜經不同壓力處理后(表1),其凝膠的亮度(L*)和白度均隨壓力的升高而增大,并在500MPa增至最大;而凝膠的黃度值(b*值)隨壓力的增加而降低,并在500MPa減小至1.10±0.047,顯著低于熱處理樣品(p<0.05)。b*值即黃度值越接近0,魚糜的可接受性越強。表1還表明,對照組凝膠的亮度值大于壓力組樣品,而黃度(b*)偏高,這可能是由于熱處理較超高壓更易于引起魚肉蛋白變性、色素氧化等變化,從而改變魚糜凝膠的感官特性[10]。

表2表明,當草魚魚糜在500MPa加壓不同時間,隨加壓時間的延長,其凝膠亮度值和白度值均先增加而后降低,且都在30min取得最大值,高于對照組凝膠;不同加壓時間的樣品的黃度值也顯著低于對照組樣品(p<0.05)。白度是魚糜制品最重要的質量指標之一,白度值越大,魚糜制品的色澤越容易被消費者接受。由表2可以看出,500MPa/30min加壓處理可獲得表觀色澤最佳的魚糜凝膠。上述結果表明,適當的超高壓處理可以賦予魚糜凝膠較好的白度和亮度。這與超高壓處理下魚糜蛋白內水分子重排,修飾了凝膠網絡結構有關,且與蛋白質的變性方式和程度有關[9]。

2.4 超高壓處理及加壓時間對魚糜凝膠SDS-PAGE圖譜的影響

SDS-PAGE電泳圖譜(圖4、圖5)表明,與新鮮魚糜相比,經超高壓和熱處理后,肌球蛋白重鏈帶(MHC)的強度均有所減弱;與超高壓處理相比,熱處理MHC較淺,沉積在濃縮膠的蛋白條帶較深。當壓力大于200MPa時,在濃縮膠和分離膠頂端上出現大分子蛋白(MW>200ku),且隨壓力的增大先逐漸加深后變淺(圖4),隨加壓時間的延長先加深而后稍變淺(圖5)。這是因為MHC通過共價鍵形成了大分子的蛋白,不能通過聚丙烯酰胺凝膠,沉積在濃縮膠的頂端。

圖4 不同壓力下草魚魚糜SDS-PAGE圖譜Fig.4 SDS-PAGE of gel from grass carp surimi prepared under different pressure注：1：100MPa；2：200MPa；3：300MPa；4：400MPa； 5：500MPa；6：生魚糜；7：對照組魚糜。

圖5 不同加壓時間草魚魚糜SDS-PAGE圖譜Fig.5 SDS-PAGE of gel from grass carp surimi prepared under different pressure time注：1：15min；2：30min；3：45min； 4：60min；5：對照組魚糜。

肌球蛋白是形成魚糜凝膠網絡結構的最主要蛋白質,而MHC又是肌球蛋白分子中參與凝膠的最主要的部分。已有研究表明,熱處理魚糜凝膠的靜置溫度有利于內源性轉谷氨酰胺酶(TGase)的活性發揮,催化MHC發生共價交聯[11],因此熱處理MHC帶較淺。本實驗的結果表明,草魚魚糜經不同超高壓處理,200MPa下TGase活性較強,故蛋白分子交聯的程度較大。由此推斷,超高壓可能會抑制TGase活性及超高壓過程中的溫度不適于TGase發揮作用,故使MHC交聯程度較小。這可進一步從其凝膠的溶解度實驗結果(見2.6部分)證實。綜上分析,魚糜凝膠性能的改善主要不是由其催化TGase起作用的。由此反映出,超高壓和熱處理魚糜凝膠機制有所不同,超高壓處理后,大分子蛋白的形成可能主要是肌球蛋白分子通過二硫鍵等共價鍵聚集形成的,后續研究進一步證實了這點。

2.5 超高壓處理及加壓時間對魚糜凝膠TCA-可溶性肽的影響

TCA-可溶性肽含量常用于表征蛋白在內源性組織蛋白酶作用下的水解程度。由圖6可知,草魚魚糜經超高壓處理后,TCA-可溶性肽含量隨壓力增加及加壓時間延長而顯著降低(p<0.05),且均明顯低于熱處理凝膠(p<0.05)。表明超高壓處理后,草魚魚糜內源性組織蛋白酶活力減弱。已有研究表明,內源性組織蛋白酶類在50～70℃最活躍,能引起肌球蛋白的分解,從而引起凝膠劣化現象,降低凝膠強度等[12]。超高壓處理可以明顯的抑制內源性組織蛋白酶的活性,且壓力越大,抑制作用越強。由此可推斷,超高壓處理草魚魚糜凝膠性能的改善可能與內源性組織蛋白酶活力受抑制相關。

圖6 不同壓力處理(a)及加壓時間(b) 對草魚魚糜TCA-可溶性肽含量的影響Fig.6 TCA-soluble peptide of gel from grass carp surimi prepared under different pressure and pressure time

2.6 超高壓處理及加壓時間對魚糜溶解度的影響

圖7為草魚魚糜凝膠在含1%SDS、8mol/L尿素、2%β-巰基乙醇和Tris-HCl緩沖溶液中的溶解度。由圖7可以看出,隨壓力增加和加壓時間延長其溶解度逐漸增加,且均大于熱處理凝膠(p<0.05);含SDS尿素和β-巰基乙醇的溶劑能斷開魚糜凝膠中所有的化學鍵,除了ε-(γ-谷酰胺)賴氨酸鍵。ε-(γ-谷酰胺)賴氨酸鍵是由TGase催化形成的一種共價鍵,對魚糜凝膠的形成起重要作用。溶解度越低,ε-(γ-谷酰胺)賴氨酸鍵形成越多。實驗表明,超高壓處理草魚魚糜凝膠中ε-(γ-谷酰胺)賴氨酸鍵的形成較熱處理少。這可能是由于魚糜內源性TGase通常在40～50℃時活性最高,而超高壓過程中溫度一般控制在常溫,因此不利于TGase發揮作用,從而抑制了內源性TGase的活力。也由此說明,超高壓改善魚糜凝膠的性能可能與內源性TGase關系不大。

圖7 不同壓力處理(a)及加壓時間(b) 對草魚魚糜溶解度的影響Fig.7 Solubility of gel from grass carp surimi prepared under different pressure and pressure time

3 結論

草魚魚糜經過超高壓處理后,可獲得凝膠性能較好的魚糜制品,與傳統的熱處理相比,其凝膠強度和彈性增較強,質地柔軟,色澤佳。通過對草魚魚糜超高壓凝膠機理的初步研究表明,超高壓能顯著抑制引起魚糜凝膠劣化的內源性組織蛋白酶活性,魚糜凝膠特性得以明顯改善;肌球蛋白分子主要通過二硫鍵等共價鍵形成聚集大分子物質,反映了超高壓和熱處理下魚糜凝膠的形成機理存在差異。

[1]肖慶生,朱勉學.國內外食品超高壓加工技術[J].食品研究與開發,2004,25(l):22-28.

[2]Messens W,Camp J V,Huyghebaert A. The use of high pressure to modify the functionality of food proteins[J]. Trends in Food Science and Technology,1997,8:107-112.

[3]Luo X L,Yang R J,Zhao W,etal. Gelling properties of Spanish Mackerel(Scomberomorusniphonius)surimi as affected by washing process and high pressure[J]. International Journal of Food Engineering,2010,6(4):1-16.

[4]Pérez-Mateos M,Montero P. Response surface methodology multivariate analysis of properties of high-pressure-induced fish mince gel[J]. European Food Research Technology,2000,211:79-85.

[5]Chevalier D,Bail A L,Ghoul M. Effects of high pressuretreatment(100～200MPa)at low temperature on turbot(Scophthalmusmaximus)muscle[J]. Food Research International,2001,34:425-429.

[6]Uresti M R,Velazquez G,Ramírez J,etal. Effect of high-pressure treatments on mechanical and functional properties of restructured products from arrowtooth flounder(Atheresthesstomias)[J]. Journal of the Science of Food Agriculture,2004,84:1741-1749.

[7]Hsu KC,Jao CL. Effect of pretreatment of hydrostatic pressure on physicochemical properties of tilapia muscle protein gels induced by setting[J]. Journal of Food Science,2007,72:73-78.

[8]Benjakul S,Chantarasuwan C,Visessanguan W. Effect of medium temperature setting on gelling characteristics of surimi from some tropical fish[J]. Journal of Food Chemistry,2003,82(4):567-574.

[9]胡飛華.梅魚魚糜超高壓凝膠化工藝及凝膠機理的研究[D].杭州:浙江工商大學,2010.

[10]Pérez-Mateos M,Montero P. Response surface methodology multivariate analysis of properties of high-pressure-induced fish mince gel[J]. European Food Research Technology,2000,211:79-85.

[11]Benjakul S,Visessanguan W. Transglutaminase-mediated setting in bigeye snapper surimi[J]. Food Research International,2003,36(3):253-266.

[12]陸海霞.秘魯魷魚肌原纖維蛋白質凝膠特性的研究[D].杭州:浙江工商大學,2009.

Study on the gelling properties and mechanism of the grass carp surimi induced by ultra-high pressure

LIANG Yan,ZHOU Ai-mei*,GUO Bao-yan,ZHANG Feng,XIAO Su-yao,LIU Xin

(College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Effect of different pressures(100～500MPa/15～60min)on the gelling properties and mechanism of gels from the grass carp surimi were investigated and compared with heat-induced surimi gels. According to the results,surimi gels induced by pressure above 400MPa possessed higher gel-strength and TPA than surimi gels induced by heat treatment. Besides,the surimi gels induced by pressure had well-distributed structure and higher whiteness and brightness,but lower hardness. The content of TCA-soluble peptide of pressure-induced gels were lower than that of heat-induced gels and the higher the pressure,the lower the content of TCA-soluble peptide,suggesting endogenous protease in surimi which could result in gel-weakening might be inactived by high pressure. Higher solubility of surimi gels treated with pressurization were observed,indicating that endogenous transglutaminase might be inactived under pressurization,which resulted in the decrease of ε-(γ-glutamyl)lysine linkage formation. The appearance of large molecule(MW>200ku)was probably due to the formation of disulfide bond through oxidation of SH group or disulfide interchanges. The above results demonstrated that ultra-high pressure could improve the gelling properties of grass carp surimi when compared to heat-induced surimi gels,and there existed differences in mechanism of surimi induced by ultra-high pressure and heat-induced surimi gels.

ultra-high pressure;grass carp surimi;gelling properties;mechanism

2014-02-21

梁燕(1988-),女,研究生,研究方向：食品化學與營養。

*通訊作者:周愛梅(1971-),女,博士,副教授,主要從事食品化學及水產品加工研究。

國家自然科學基金(31101311)。

TS254.1

A

1002-0306(2015)01-0086-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.010