小麥蛋白和谷氨酰胺轉氨酶對120 ℃高溫處理魚糜凝膠特性影響的研究

于繁千惠,孔文俊,韋依儂,薛 勇,李兆杰,薛長湖

(中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266003)

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小麥蛋白和谷氨酰胺轉氨酶對120 ℃高溫處理魚糜凝膠特性影響的研究

于繁千惠,孔文俊,韋依儂,薛 勇*,李兆杰,薛長湖

(中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266003)

以阿拉斯加狹鱈魚糜為原料,研究了小麥蛋白和谷氨酰胺轉氨酶(TG酶)對120 ℃高溫殺菌魚糜制品凝膠特性的影響。通過分別測定在一段加熱和兩段加熱兩種加熱方式下,添加小麥蛋白和TG酶的復合樣品的破斷力,破斷距離,凝膠強度,動態流變學,白度和掃描電鏡等指標,發現二者的添加對高溫處理魚糜凝膠的破斷力,破斷距離均有較好的改善效果,可顯著增強其凝膠強度(p<0.01)。尤其是同時添加兩種添加劑對魚糜凝膠特性的增強更為顯著,采用兩段加熱成型的方式其凝膠強度可增加至2倍。掃描電鏡觀察結果表明同時添加兩種添加劑的殺菌魚糜具有更為致密的凝膠網絡結構。添加TG酶的樣品采用二段加熱比直接殺菌成型有更好的凝膠特性,而添加小麥蛋白會使魚糜凝膠發黃導致白度降低。本文為以后高溫殺菌魚糜制品的研發提供了依據。

魚糜,小麥蛋白,TG酶,凝膠特性,高溫

魚糜制品是一種消費量較大的海洋加工食品。其主要結構是肌原纖維蛋白在高溫誘導下形成的蛋白網絡凝膠。它不但味道鮮美,而且營養價值豐富,其消費量在發達國家和發展中國家均日益增加[1]。目前市售的魚糜制品主要是冷藏保存的,其保存時間相對較短,而且消費者購買后還需再次加熱才可食用。這極大的限制了魚糜制品食用的方便性。如果將魚糜制品經過120 ℃高溫殺菌處理后進行真空保存,不但能夠使其保存更長的時間,延長其貨架期;也可實現常溫流通,增強其食用的方便性。但是當魚糜經過100～120 ℃的高溫處理后,蛋白質三四級結構會遭受較大破壞,蛋白質由于共價結合而發生聚集,水和蛋白質間的相互作用發生改變——離子鍵和疏水相互作用下降劇烈,而氫鍵和二硫鍵呈現上升趨勢,從而魚糜凝膠的網狀結構骨架變得脆弱,空隙變大,進而會顯著破壞其凝膠特性,導致凝膠強度顯著下降[2]。魚糜制品的凝膠特性是魚糜制品的重要指標,對魚糜制品的品質有重要的影響。如何提高魚糜制品在120 ℃高溫條件下凝膠熱穩定性是目前亟待解決的問題。目前,提高魚糜凝膠高溫加熱穩定性的研究和報道相對較少。小麥蛋白作為一種非肌肉蛋白添加劑,可于120～130 ℃形成很強的凝膠[3],并且在低溫儲藏過程中其物性變化小,能有效的減輕產品在儲藏過程中的脫水、干裂、彈性下降等不良現象。將小麥蛋白和肉類蛋白相結合,在復合凝膠體系的研究中具有很大的前景[4],如卞智英[5]等發明了一種添加小麥蛋白的兒童魚肉調理食品,萬建榮[6]證實了添加7%的小麥蛋白能夠使新鮮馬面鲀魚糜獲得更好的凝膠強度。并且據報道,小麥蛋白已成功地用于經過高溫滅菌寵物食品罐頭[7]。谷氨酰轉胺酶(簡稱TG酶)是一種能催化蛋白質}氨酸的ε-氨基與谷氨酸的γ-羥酰胺基形成共價鍵而導致蛋白質聚合的酶。它能顯著增強魚糜制品的彈性與硬度。目前,利用谷氨酰胺轉氨酶來改善食品的品質已在多種肉糜制品中得到應用。本文主要研究了利用小麥蛋白和TG酶來改善魚糜在高溫加熱條件下的凝膠特性,從而為120 ℃高溫殺菌魚糜制品的研發提供依據。

表1 小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜曲折的影響Table 1 Effects of wheat protein and TGase on bending experiment of surimi

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

阿拉斯加狹鱈魚糜(AAA) 購自山東錦燦食品有限公司,-20 ℃凍藏;食鹽 市售食品級;小麥蛋白 武漢科泰生化科技有限公司;TG酶(酶活200) 武漢維美科技有限公司。

TMS-PRO質構儀 美國Food Technology公司;UMC5型真空斬拌機 德國Stephan公司;冷卻循環機 鄭州長城科工貿有限公司;日本AND快速水分測定儀 MX-50日本;電熱恒溫水浴鍋 金壇市榮華儀器制造有限公司;WSC-S色度儀 上海凱千機電設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚糜凝膠的制備 取250 g半解凍的阿拉斯加狹鱈魚糜,放入斬拌機中空斬5 min,加入3%的食鹽鹽斬5 min,然后加入6%的小麥蛋白和0.3%的TG酶(同時調節水分含量為75%)繼續斬拌2～3 min,最后抽真空斬拌5 min。整個斬拌過程用冷卻循環機控制斬拌溫度,保持斬拌溫度在10 ℃以下。最后將魚糜擠入30 mm的尼龍腸衣中,封口4 ℃保存過夜。

1.2.2 魚糜凝膠高溫殺菌成型 將通宵放置的樣品放入反壓殺菌鍋中成型殺菌20 min。溫度120 ℃,壓力:1.2 MPa。將添加TG酶的樣品和120 ℃殺菌的對照樣品分成兩組,一組采取兩段加熱,先在40 ℃中保存30 min再進行成型殺菌,另一組直接成型殺菌。對單獨添加小麥蛋白的樣品采用直接120 ℃成型殺菌的一段式加熱方法。另外,選取一組通宵放置的未添加任何物質的空白組采用90 ℃加熱30 min的方法加熱成型以作為低溫加熱魚糜的對照組。

1.2.3 魚糜破斷力和破斷距離的測定 將魚糜腸切成30 mm左右的小段,用TMS-PRO質構儀測定魚糜腸的破斷力。測定條件:探頭為5 mm球形探頭,下壓速率60 mm/min[8]。

1.2.4 魚糜腸白度的測定 用WSC-S色度儀測定魚糜凝膠的L*,a*,b*值。白度通過以下公式[9]計算:

白度=100-[(100-L*2)+a*2+b*2]1/2

1.2.5 魚糜儲能模量 取少量的斬拌之后未擠入尼龍腸衣的魚糜于流變儀平板臺上,使用直徑50 mm的平板壓成1.0 mm高。然后設定掃描升溫參數為5 ℃/min掃描頻率為1 Hz掃描溫度范圍為5～120 ℃。

1.2.6 曲折實驗 曲折實驗可以用來表示魚糜彈性的強弱。參照周蕊等[10]方法,將高溫殺菌成型的魚糜腸切成3 mm進行曲折實驗,如表1所示,由5級法表示。此法與評分的對應關系為:5分:AA,4分:A,3分:B,2分:C,1分:D。

1.2.7 魚糜微結構的觀察 根據Benjakul[11]的方法,將凝膠樣品切寬和長為5 mm厚1 mm左右的小塊,用24%戊二醛固定液固定24 h,然后分別在50%、60%、70%、80%、100%的梯度乙醇中脫水10 min,最后用醋酸正戊酯浸泡15 min,重復2次。脫水后折斷凝膠樣品,取樣品自然斷面為觀察面,用CO2臨界點干燥儀進行干燥,噴金后用KYKY-2800B型掃描電鏡儀觀察凝膠微結構。

1.2.8 數據分析 將所有的實驗數據用SAS8.0進行分析,p<0.05作為顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜凝膠破斷力和破斷距離的影響

圖1 小麥蛋白和TG酶對高溫處理后 魚糜凝膠破斷力和破斷距離的影響Fig.1 Effect of wheat protein and TGase on breaking force and deformation of surimi gel

破斷力可表示魚糜凝膠的硬度,破斷距離可以反映出魚糜凝膠的彈性,凹陷距離越大,魚糜凝膠的彈性越好。圖1顯示了小麥蛋白和TG酶對高溫殺菌后魚糜凝膠破斷力和破斷距離的影響。單獨添加小麥蛋白和TG酶,相對120 ℃處理后的空白對照組會顯著增強魚糜凝膠的破斷力和破斷距離。小麥蛋白是小麥淀粉生產中最重要的副產物,這種非肌肉蛋白質的加入通常是以填充物的形式發揮作用,能與肌肉蛋白作用,一起形成良好的凝膠三維立體網狀結構[2]。其具有很好的結合水的能力、粘彈性及彈性增強作用,所以添加小麥蛋白的魚糜組的凝膠破斷力(398 g)相較于120 ℃對照組(一段加熱232 g)會有顯著提高(p<0.05),肉制品在高溫烹制過程中,彼此形成二硫鍵,維持產品的保水性和粘彈性,而肉中的肌動球蛋白是TG酶作用的良好底物,添加TG酶的魚糜組在TG酶的催化作用下,肌動球蛋白(主要是肌球蛋白)通過轉酰胺基作用形成比二硫鍵更強的共價結合鍵ε-(γ-Glu)-Lys,強度是氫鍵和疏水作用的20倍,使蛋白質分子更加緊密的連接在一起,形成更加致密的網狀結構,從而顯著提高魚糜制品的質構特性,硬度因此也會隨之增大[12]。樣品在同時添加小麥蛋白和TG酶后,其破斷力的增強效果比單獨添加更加顯著(二段加熱465 g,一段加熱429 g),即在兩段加熱成型的方式下其破斷力可增加至2倍,甚至超過了魚糜在90 ℃(389.5 g)條件下的加熱效果,可見兩種添加物有協同作用。而添加TG酶的樣品采用二段加熱(387 g)比一段加熱(328 g)的效果更好。TG酶一般在25 ℃和40 ℃左右具有較高活性,50 ℃以上隨著溫度的升高其活性逐漸下降。在低溫加熱階段(40 ℃中保存30 min)TG酶誘導肌肉蛋白分子間形成強有力的非二硫共價鍵(ε-(γ-Glu)-Lys),從而形成的致密的凝膠網絡使魚糜凝膠進行第二段高溫加熱時能夠保持較高的硬度[2]。對于破斷距離來講,無論是單獨添加小麥蛋白或是TG酶,還是同時添加二者,相對于120 ℃(二段加熱5.3 mm;一段加熱5.2 mm)加熱殺菌后的對照組,其破斷距離均呈現出顯著的增加(p<0.05)。這表明添加小麥蛋白和TG酶可顯著增強高溫殺菌魚糜凝膠的熱穩定性。在同時添加小麥蛋白和TG酶后,破斷距離達到最大值(二段加熱7.6 mm;一段加熱7.3 mm),這是由于TG酶可以誘導肌原纖維蛋白之間和小麥蛋白之間的交聯作用,從而可以形成更加致密和穩定的網絡凝膠使復合魚糜凝膠的彈性進一步增大甚至等同于90 ℃加熱的空白對照組(7.6 mm)。與破斷力測試結果相同,添加TG酶的樣品組采用兩段加熱(7.1 mm)相對于一段加熱(6.5 mm)其破斷距離略有增加。

添加小麥蛋白TG酶的魚糜凝膠的破斷力和破斷距離都顯著增強,凝膠強度又為二者的乘積[8],所以魚糜的凝膠強度也呈現顯著提升,熱穩定性也提高。單獨添加TG酶時,TG酶可促導肌原纖維蛋白之間的進一步交聯,從而加固了凝膠主體結構,變得更加致密,因此高溫處理時能夠在一定程度上提高魚糜的耐受性,保持了魚糜凝膠的熱穩定性。同時添加小麥蛋白和TG酶后,TG酶不僅催化了魚肉蛋白之間,小麥蛋白與魚肉蛋白之間的交聯作用,還催化了面筋蛋白分子內和分子間的交聯,可以增加面筋蛋白中的大分子數量,優化面筋的網絡結構,形成了更加致密的網絡結構從而改善了小麥蛋白的口感,提升了其粘彈性[13]。因此在120 ℃熱處理時,由于二者的協同作用使凝膠強度達到了最大值,更大程度上保持了魚糜凝膠的熱穩定性。

2.2 小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜凝膠白度的影響

白度顯示出了魚糜樣品的色澤,是魚糜制品的重要評價指標之一。一般而言,L*值越大,b*值越低,樣品越白,產品的質量越好[14]。由圖可以看出,對于未添加任何成分的空白對照組而言,當處理溫度從90 ℃升高到120 ℃時,魚糜的白度會出現明顯的降低(p<0.05)。這可能是由以下原因導致的:魚糜制品經過120 ℃高溫處理,一方面由于水分子的重新排列,持水力發生變化,從而影響其光澤度和透明度;另一方面由于高溫處理使蛋白質的非共價鍵遭到破壞,蛋白質發生變性而改變了魚糜凝膠的白度[2]。圖2顯示了添加小麥蛋白和TG酶對高溫加熱后魚糜凝膠白度的影響,發現添加TG酶對白度的影響不大,添加小麥蛋白會使魚糜的白度降低,同時添加小麥蛋白和TG酶也會使魚糜的白度降低。這可能是由于小麥中含有黃色素,高溫加熱可能會使黃色素逐漸溶出導致白度下降[2]。Duangmal[15]指出凝膠的顏色會被添加劑的顏色所影響。所以添加小麥蛋白后,復合凝膠的顏色會受到小麥蛋白的顏色的影響,從而使復合凝膠白度下降。

圖2 小麥蛋白和TG酶對高溫處理后魚糜凝膠白度的影響Fig.2 Effect of wheat protein and TGase on whiteness of surimi gel

2.3 小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜凝膠儲能模量的影響

儲能模量(G′)可反映物質的動態流變學特性和凝膠特性。一般而言,儲能模量越高,樣品的流變學特性越好,凝膠性也越好。小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜凝膠的動態流變學影響的曲線如圖3所示。在加熱過程中,G′的不斷變化是由于肌原纖維蛋白的不同組分在不同——溫度下的變性和交聯引起的,較高的儲能模量往往意味著較好的凝膠特性。由圖可以看出,四種曲線的大體趨勢基本相同。各組樣品儲能模量的變化可以大致分為三個階段。首先,隨著溫度逐漸上升至50 ℃,四組樣品的G′緩慢下降。這可能是由于肌球蛋白亞基的解離和肌原纖維蛋白的降解。然后,隨著溫度進一步上升到100 ℃,由于肌球蛋白和肌動球蛋白的變性和交聯,肌原纖維蛋白形成了高彈性的網絡凝膠結構[16],四組樣品的G′曲線逐漸上升。最后,當溫度超過100 ℃后,各組樣品的儲能模量又開始下降,尤其是空白組的G′出現了急劇下降。張莉莉[2]的電泳圖譜研究指出,高溫處理(>100 ℃)會使肌球蛋白重鏈和肌動蛋白條帶逐漸下降乃至消失,肌球蛋白重鏈是肌球蛋白分子中參與凝膠的最重要的部分[17]。因此也可以解釋魚糜經過高溫處理以后,由于肌球蛋白重鏈的逐漸消失而導致凝膠強度急速下降。另一部分原因,高溫處理改變了肌原纖維蛋白之間的非共價鍵相互作用——離子鍵和疏水作用會劇烈下降,氫鍵和二硫鍵則會上升。這使得蛋白質三、四級結構會遭受較大破壞。蛋白質因此會發生聚集,從而使魚糜凝膠的網狀結構骨架變得脆弱,空隙變大,進而會顯著破壞其凝膠特性和流變學特性,導致凝膠強度顯著下降[18]。而添加了小麥蛋白和TG酶樣品的曲線卻相對平穩。這是由小麥蛋白和TG酶的對凝膠的改善作用導致的。小麥蛋白可以與肌原纖維蛋白相互交聯,TG酶可誘導蛋白分子之間的交聯,這些作用都在一定程度上增強了高溫處理魚糜凝膠的熱穩定性,從而使其保持較高的儲能模量,這與測得的凝膠強度數據相符合。

圖3 小麥蛋白和TG酶對高溫處理后 魚糜凝膠儲能模量的影響Fig.3 Effect of wheat protein and TGase on storage modulus(G′)of surimi gel

2.4 小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜曲折實驗的影響

曲折實驗可以反映出魚糜凝膠彈性的大小。從表2可以看出,魚糜樣品在未添加小麥蛋白和TG酶的情況下,在90 ℃加熱時曲折實驗可達到AA級,120 ℃加熱時曲折實驗可以達到B級。樣品在單獨添加的TG酶和小麥蛋白的情況下可以達到A級。而魚糜在同時添加了小麥蛋白與TG酶后,其曲折實驗可以達到AA級。這說明TG酶和小麥蛋白會顯著改善魚糜凝膠的曲折特性,這與圖3的結果相對應。

表2 小麥蛋白和TG酶對高溫處理魚糜曲折的影響Table 2 Effects of wheat protein and TGase on bending experiment of surimi

注:1：90 ℃加熱空白,2：120 ℃加熱空白,3：小麥蛋白,4：TG酶,5：小麥蛋白和TG酶。

2.5 高溫處理魚糜的電鏡

掃描電子顯微鏡常常被用來研究蛋白質的微觀結構。四種高溫處理的樣品組的電鏡圖如圖4所示。經過120 ℃加熱的空白組的組分分子網絡結構最差,孔隙較大,結構粗糙、三維網絡結構比較松散、骨架脆弱。這是由于高溫處理破壞了蛋白質之間的非共價鍵,從而破壞了凝膠網狀結構,使蛋白質發生聚集并呈現形狀和大小不規則的顆粒狀結構。添加TG酶后,可明顯觀察到蛋白質的網絡結構變得致密,孔隙變小、形狀和分布比較均勻。這是由于TG酶的催化使肌原纖維蛋白之間的交聯作用得到進一步加強。凝膠內部的結合力增大,從而形成了更加致密的網絡結構。這在一定程度上減弱了高溫處理對凝膠三維網狀結構的破壞作用。添加小麥蛋白后,可以看出魚糜蛋白的疏水聚集現象得到改善,蛋白之間的交聯作用得到加強。這是由于小麥蛋白在高溫下可形成強凝膠,從而使得復合凝膠的熱穩定得到顯著增強。同時添加TG酶和小麥蛋白后,魚糜凝膠的網絡結構的規則性和致密性可進一步增加,凝膠表面光滑,幾乎無明顯孔隙。這表明同時添加小麥蛋白和TG酶對殺菌魚糜的微觀結構進行了最大的改善。從而使魚糜凝膠的破斷力、凹陷距離、凝膠強度、儲能模量均顯著增加。

圖4 小麥蛋白和TG酶對高溫處理后魚糜凝膠電鏡的影響Fig.4 Effect of wheat protein and TGase on Scanning electron microscopy of surimi gel

3 結論

肌原纖維蛋白在加熱過程中會形成凝膠,這在魚糜制品的加工過程中具有重要的意義。而120 ℃高溫加熱會使肌原纖維蛋白形成凝膠的能力明顯降低和凝膠劣化。小麥蛋白和谷氨酰胺轉氨酶作為兩種常見的食品添加劑,常添加到魚糜制品中用于改善魚糜制品的品質。通過本實驗發現添加小麥蛋白和TG酶會對魚糜120 ℃高溫加熱后的凝膠特性產生顯著的影響。單獨添加小麥蛋白和谷氨酰胺轉氨酶對120 ℃高溫處理魚糜凝膠的破斷力,凹陷距離和凝膠強度均有較好的改善效果。但是添加小麥蛋白會導致魚糜凝膠發黃,使白度降低。同時添加小麥蛋白和TG酶對120 ℃處理魚糜制品的凝膠增強作用最顯著。通過掃描電鏡觀察可以發現,同時添加二者會形成更加致密的凝膠網絡,從而使高溫殺菌魚糜具有更好的凝膠特性。這對120 ℃高溫殺菌魚糜制品的研發具有指導意義。

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Effects of wheat protein and transglutaminase on gel properties of Surimi heated at 120 ℃ high temperature

YU Fan-qianhui,KONG Wen-jun,WEI Yi-nong,XUE Yong*，LI Zhao-jie,XUE Chang-hu

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Theeffectsofwheatproteinandtransglutaminase(TGase)onthegelpropertiesofAlaskaPollocksurimiafterbeingheatedat120 ℃wereevaluated.Breakingforce,deformation,gelstrength,dynamicrheology,whiteness,andscanningelectronmicroscopywereusedasthequalityindexesforthecomplexsurimigelssubjectedtotwodifferentheatingmethods(one-stepheatingmethodandtwo-stepheatingmethod).Theresultshowedthattheadditionofwheatproteinandtransglutaminasecouldimprovethebreakingforce,deformationofsurimigelsandthegelstrengthwasincreasedobviously.WhenwheatproteinincorporatedwithTGase,thebestgelpropertiesofsurimigelwouldbeobtained,thegelstrengthwasincreasedto200%bytwo-stepheatingmethod.Andthesurimiwithdensestgelnetworkwasobservedbyscanningelectronmicroscope.InthecaseofTGasebeingadded,theoptimumheatingmethodwastwo-stepheatingmethodandtheadditionofwheatproteindecreasedwhiteness.Thisresearchprovidedabasisforthedevelopmentofsurimiproductsafterhigh-temperaturesterilization.

surimi;wheatprotein;transglutaminase;gelproperties;hightemperature

2016-04-21

于繁千惠(1991-),女,碩士研究生,研究方向：食品加工與功能食品,E-mail:yufanqianhui@163.com。

*通訊作者:薛勇(1976-),男,博士,副教授,研究方向：水產品加工與貯藏,E-mail:xueyong@ouc.edu.cn。

國家自然科學基金資助項目(31571865);國家自然科學基金資助項目(31371791)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)21-0081-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.007