金屬離子對蛋白質凝膠化行為的影響研究進展

邵瑤瑤，趙 燕，徐明生，徐麗蘭，汪 雄，涂勇剛,*

（1.江西農業大學 江西省天然產物與功能食品重點實驗室，江西 南昌 330045；2.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；3. 南昌大學 生物質轉化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047）

金屬離子對蛋白質凝膠化行為的影響研究進展

邵瑤瑤1，趙 燕2,3，徐明生1，徐麗蘭1，汪 雄1，涂勇剛1,*

（1.江西農業大學 江西省天然產物與功能食品重點實驗室，江西 南昌 330045；2.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；3. 南昌大學 生物質轉化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047）

凝膠化行為是蛋白質的主要功能特性之一。蛋白質凝膠化的形成受到多種理化因素影響，其中金屬離子是影響蛋白質凝膠化行為的主要因素之一。本文在闡述蛋白質凝膠化行為形成機理的基礎上，綜述了金屬離子對蛋白質凝膠的微觀結構、物化特性、聚集行為、分子構象和主要分子作用力的影響，并對其研究價值進行了展望，為進一步深入研究金屬離子對蛋白質凝膠化的影響機理及提高蛋白質凝膠制品的加工特性提供理論指導。

金屬離子；蛋白質；凝膠化；聚集；分子構象

蛋白質是一種最常見的可用于食品加工的原料，具有如起泡性、乳化性和凝膠性等多種加工功能特性，其中蛋白質的凝膠性能夠將蛋白質溶液“固化”形成一定秩序的三維網狀結構，從而使蛋白質凝膠具有獨特的質構特性。與此同時，這種網狀結構可以吸附水分、脂肪、風味物質等食品成分，因此在豆腐、酸奶、果凍、皮蛋等凝膠食品的加工中應用廣泛[1-4]。

蛋白質凝膠產品特性的不同取決于產品中的蛋白質變性程度和蛋白質含量[5]。金屬離子對蛋白質上述兩種情況均會產生影響。一方面由于金屬離子所帶正電荷量和直徑大小不同，可改變蛋白質間靜電排斥力或屏蔽蛋白質的電荷，使吸引力和排斥力處于平衡狀態，顯著影響蛋白質-蛋白質、蛋白質-溶劑之間的相互作用，從而影響蛋白質的變性展開和聚集過程[6-8]。另一方面，離子強度對蛋白質溶解度有顯著影響[9]，導致產品中的蛋白質含量發生變化，從而影響蛋白質凝膠特性。此外，金屬離子對蛋白質凝膠中主要化學作用力和蛋白質分子間巰基二硫鍵交換反應均有重要的貢獻。因此，在蛋白質食品凝膠的生產過程中，金屬離子作為誘導劑極為常見，如豆腐加工中使用的鹵水、腌制皮蛋使用的硫酸銅或硫酸鋅、奶酪加工中使用的氯化鈣等[10-12]。

基于金屬離子在蛋白質凝膠食品中的廣泛應用，本文對金屬離子對蛋白質凝膠化行為的影響方面進行綜述，以期對提高蛋白質凝膠制品的加工特性提供理論指導。

1 蛋白質凝膠化行為

蛋白質凝膠的形成可分為3 個過程。第一步蛋白質分子在熱、壓力、酸、堿等條件下發生不同程度的變性展開，變性程度又與pH值、溫度、離子強度、離子種類和壓力等環境因素皆有關。第二步蛋白質-蛋白質和蛋白質-溶劑間形成一定的相互作用，部分展開的分子鏈間相互連接。第三步蛋白質發生聚集，形成較大分子的凝膠體。蛋白質分子構象和分子間相互作用的變化均會對蛋白質分子鏈的連結和聚集產生顯著影響，從而影響凝膠網絡結構的形成和致密程度[13]。

凝膠化是變性蛋白質分子在一定作用力條件下有秩序地發生聚合，最終形成一個持續網狀結構的過程。一般而言，蛋白質凝膠網絡骨架的形成依賴于氫鍵、疏水相互作用和一些靜電相互作用等非共價鍵和二硫鍵等共價鍵[5]。由于蛋白質種類、外界環境和形成并維持蛋白質凝膠的作用力種類和數量的不同，形成的凝膠特性會有顯著的差異。外界環境如pH值、溫度、壓力和離子強度等外部因素均會在一定程度上影響內部因素如疏水性，靜電相互作用和二硫鍵，從而進一步影響凝膠網絡結構的形成，其中金屬離子是影響蛋白質凝膠化行為的主要因素之一[13]。

2 金屬離子對蛋白質凝膠微觀結構和物理化學特性的影響

對各類蛋白質凝膠的研究中發現，金屬離子的種類和濃度均對蛋白質凝膠的微觀結構和一些物理化學特性如持水性、風味、色澤和質構均有顯著影響。

2.1 凝膠微觀結構

在對凝膠微觀結構的研究發現，金屬離子濃度的變化對網絡結構有影響，低濃度的（＜0.1 mol/L）一價金屬離子促使細密的束狀結構形成，金屬離子濃度大于0.1 mol/L時，凝膠網絡結構變得混亂無秩序[14]。同時發現，金屬離子種類的不同對蛋白質分子凝膠的聚集過程和網絡的交聯程度影響也有很大的差異。二價離子如鈣和鋅的存在使凝膠網狀結構更為寬松且不規則。相比鉛離子而言，蛋白質分子通過鹽橋發生高度聚合，金屬離子種類決定蛋白質聚集的程度和模式，從而影響凝膠網狀結構的致密程度[15]。與此同時，也有研究表明二價或多價金屬離子對蛋白質分子聚合的影響較一價金屬離子更顯著，減少凝膠網絡交聯，導致網絡結構的疏松和不均勻[16-17]。

2.2 凝膠持水性

在一定的離子濃度范圍內，增加離子濃度，能明顯增加蛋白質的凝膠性和持水性，同時離子強度對于蛋白質的水吸收度、溶脹和溶解度也有較大的影響[18]。但是，極高濃度金屬離子的加入使蛋白質形成的凝膠網絡結構混亂從而降低蛋白質凝膠的持水性[19-20]。低濃度鹽能使蛋白質形成的凝膠呈纖細絲狀，添加較高濃度的鹽則能使之形成顆粒狀結構，凝膠結構類型的不同，導致凝膠的持水能力、滲透能力、質地和外觀也會有較顯著的變化[21]。總體上講，金屬離子在一定濃度范圍內促進蛋白質形成好的網狀結構，有利于凝膠“網住”水分，但高濃度的金屬離子尤其是二價金屬離子易使蛋白質凝結，不利于凝膠網絡結構的形成，凝膠更易失水。

2.3 凝膠風味與色澤

目前，金屬離子對凝膠色澤和風味的研究極其薄弱，其研究范圍目前也僅限于皮蛋。Ganasen等[22]在研究皮蛋凝膠的過程中發現，皮蛋的風味與腌制液中所添加金屬離子種類有關，添加鋅離子產生的風味物質種類和數量比鉛和鈣離子多。但由于相關文獻鮮見報道，對于金屬離子影響皮蛋凝膠風味物質的形成機理尚不清楚。金屬離子對蛋白質的變性和凝聚過程均有影響，可能會對皮蛋腌制過程中形成各種不同的肽、氨基酸和氨產生影響，從而導致皮蛋風味不同。Ganasen等[15]還研究了金屬離子對皮蛋蛋白顏色的影響，添加低濃度鋅離子、鈣離子和鉛離子的皮蛋蛋白凝膠相較于鉀離子和鎂離子有著更高的L*值（亮暗）和a*值（紅綠），L*值可能是由于蛋白質發生了較高程度的聚合反應導致較高的光散射效應，而a*值的變化則可能是這3 種金屬離子更易促使美拉德反應從而形成棕色色素。此外，皮蛋中含硫氨基酸降解生成硫離子和硫化氫，與銅離子和鐵離子等結合形成含硫化合物，會產生不同的顏色。然而，皮蛋顏色的產生極其復雜，其中包含的蛋白質種類復雜多樣，金屬離子與多種物質之間復雜的相互作用影響還有待進一步深入研究。

2.4 凝膠質構

許多學者已對金屬離子協同誘導下的蛋白質凝膠強度進行了大量的研究。Boyer等[23]對不同濃度離子條件下形成的兔肉肌原纖維蛋白凝膠的硬度進行測定，低離子強度（0.2 mol/L KCl，pH 6.0）促進蛋白質溶液形成較軟的凝膠，而逐步增加離子強度（0.6 mol/L KCl）會使凝膠硬度增加。對于兔肌原纖維鹽溶性蛋白質來講，凝膠硬度會提高的原因可能是隨著離子強度增加，蛋白質的溶解度增加，更多蛋白質可以參與凝膠的形成，改善凝膠質構。在其他蛋白質如魚蛋白加工形成魚糜的過程中，金屬離子的添加在一定程度上增加魚糜凝膠強度。Ramirez等[24]發現氯化鈣對凝膠的機械特性產生顯著影響，添加濃度增大到一定程度時，形成的魚糜凝膠破斷力達到最大。添加鈣離子可以使魚肉蛋白凝膠強度顯著增大，是因為鈣離子可以激活魚肉蛋白中的谷氨酰胺轉胺酶促進谷氨酸殘基中的γ-羧基酰胺基團與其他氨基酸殘基之間交聯作用的發生，形成共價鍵從而使凝膠網狀結構更牢固[25]。金屬離子的種類對蛋白質凝膠硬度的影響各不相同，黃群等[26]探究了多種金屬離子對鴨蛋清蛋白凝膠的影響，鈉、鈣和鎂離子在一定濃度范圍內對鴨蛋清凝膠硬度均有顯著的促進作用，但二價的鋅離子和亞鐵離子隨著濃度的提高對凝膠的硬度起著一定程度上的抑制作用，鉀離子濃度變化對凝膠硬度則無顯著影響。

表 1 金屬離子對蛋白質凝膠微觀結構和物化特性的影響Table 1 Effects of metal ions on the microstructure and physicochemical properties of protein gels

通過不同金屬離子對不同蛋白質凝膠微觀結構以及物化特性的比較（表1），金屬離子的種類和強度對于凝膠的微觀結構、持水性和硬度等特性方面均有較大影響，并且隨著蛋白質成分越復雜，金屬離子對于蛋白質凝膠的影響也越大。確定金屬離子對多種蛋白質凝膠硬度均有十分顯著的影響，這對實際生產中改善凝膠品質有重要的意義。此外，研究多種金屬離子的復配作用有利于蛋白質凝膠制品新品種的開發，多方面滿足消費者需。目前，關于金屬離子對蛋白質凝膠的風味及色澤變化的研究甚少，其復雜的作用機理也僅是一些推測。蛋白質凝膠作為食品，消費者的選擇與其風味和色澤均有很大關系，通過對金屬離子添加量和種類的調節，定向調控蛋白質凝膠產品的風味和色澤尚有待深入研究。

3 金屬離子對蛋白質凝膠聚集行為的影響

3.1 蛋白質聚集類型

蛋白質分子發生聚集現象是蛋白質凝膠形成的表征之一。根據聚集方式的不同，凝膠大致可以分成兩類，一類是凝結塊（不透明）凝膠，另一類是透明凝膠。聚集的類型與蛋白質的分子的形態有很大關系，除此之外，金屬離子也是改變凝聚類型的主要因素。Nakamura等[27]對大豆球蛋白的研究中發現，在低離子濃度的條件下，形成的大豆蛋白凝膠網絡結構呈現出致密有序的“念珠串狀”，一旦環境中的離子濃度較高時，則形成的凝膠是隨機聚集且粗糙的。而變性蛋白分子隨機凝聚的程度越高更可能形成凝結物而非凝膠[28]。金屬離子主要通過影響蛋白質分子變性展開和重新聚合的速率來影響凝膠生成類型[29]。凝膠網絡具有一定程度上的秩序，如果蛋白質分子發生變性的速率相較聚集的速率快，蛋白質分子發生有秩序地聚合。一旦蛋白質分子的變性速率小于或等于其隨意聚集的速率，蛋白質會形成無序粗糙的凝膠結構。Harwalkar[30]和Lakemond[31]等在卵轉鐵蛋白和大豆球蛋白的研究中均發現，金屬離子如鐵、鋁等離子可通過與蛋白質緊密結合、提高變性所需溫度、提高蛋白質變性展開速率、降低蛋白質聚集速率，從而有利于有序交聯網絡的形成。

3.2 濁度——聚集體含量

濁度反映蛋白質聚集的程度，蛋白質聚集后顆粒直徑變大，較大粒徑的聚集體與光線發生漫反射，溶液濁度升高。凝膠中可溶性聚集體的含量，隨著添加金屬離子種類和濃度的不同而產生顯著變化。通過對肉肌原纖維蛋白研究發現，隨著MgCl2濃度的添加，蛋白質溶液的濁度會逐漸減??；隨著CaCl2添加量的增大，蛋白質溶液的濁度增大；然而隨著FeCl2濃度增大，蛋白質溶液的濁度呈現先增大后減小的趨勢[32]。添加的金屬離子種類不同，肌球蛋白的聚集形態和大小不同，與金屬離子在感膠離子序的位置有關。金屬離子除了對肌原纖維蛋白聚集有影響之外，也對乳球蛋白和蛋清蛋白有較大影響。近十幾年來，金屬離子對β-乳球蛋白聚合的研究報道較多，發現Ca2＋、Zn2＋和Cu2＋均能在一定濃度范圍內促進蛋白的聚合，并推測可能形成蛋白質-金屬離子聚集體，或者是改變了蛋白質分子間的靜電斥力和疏水相互作用，誘導分子間的聚合[33-36]。Hongsprabhas等[37]在蛋清凝膠動力學機制的研究中發現，添加不同濃度的氯化鈣使冷固化蛋清凝膠的聚合程度不同。因此，不同類型的金屬離子其表面張力不同，與蛋白質間的作用點和作用力各不相同，形成聚集體的大小和疏松性也不一致。

3.3 表面疏水性

蛋白質是由氨基酸按一定順序排列組成的，大量疏水基團包埋在天然蛋白質分子中，其中一些疏水性氨基酸側鏈卻分布在蛋白質的表面，使蛋白質分子表面具有一定的疏水性。金屬離子促使蛋白質表面疏水性下降，蛋白質更易發生聚集形成凝膠。研究發現，添加金屬離子腌制的蛋清蛋白表面疏水性下降，是因為金屬離子使蛋白質極性表面失水，增大蛋白質分子間引力和減小分子間的負電荷排斥作用，促進蛋白質分子間的疏水聚集[38-40]?？妆ＨA等[41]通過不同鹽對鯉魚肌原纖維蛋白的研究，發現氯化鈉能顯著降低肌原纖維蛋白的表面疏水性，進而使蛋白質的溶解度增大。因此，在魚類制品的生產中，利用肌原蛋白更易溶于鹽溶液中的特性，進而提高鹽溶性蛋白質含量，增強魚糜制品的凝膠形成能力。

除此之外，在凝膠的結構中，金屬離子對蛋白質表面疏水性與疏水相互作用的影響可能呈現出相反的變化趨勢，疏水相互作用是變性蛋白質分子重新折疊的主要推動力，疏水相互作用越大，折疊越多，表面的疏水殘基被再度折疊起來，呈現出表面疏水性下降。

綜上所述，金屬離子通過影響蛋白質分子聚集速率來影響凝膠形成的類型，并且金屬離子的類型和濃度的不同對蛋白質分子聚集形態和程度的影響不同（表2）。金屬離子可以通過降低蛋白質表面疏水性、增大蛋白質在溶液中的溶解度，使蛋白質濃度增加從而促進蛋白質分子發生的疏水性聚集。

表 2 金屬離子對蛋白質凝膠聚集的影響Table 2 Effects of metal ions on the aggregation behavior of protein gels

4 金屬離子對蛋白質凝膠分子作用力的影響

靜電相互作用、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵等分子間相互作用是形成和維持蛋白質凝膠的主要作用力。天然蛋白質在凝膠形成的過程發生變性聚集，不同類型分子間作用力在凝膠形成的多個過程中發揮各自不同的作用。

4.1 靜電相互作用

蛋白質凝膠的形成與蛋白質間靜電排斥力有著十分重要的聯系，金屬離子的加入會和帶相反電荷的蛋白質基團相互作用，從而形成一個電子集團雙電層，削弱了蛋白質分子間的靜電斥力，從而進一步促進蛋白質-蛋白質、蛋白質-溶劑間的相互作用，最終形成“半固態”的凝膠基質。Yasuda等[42]認為，單價和二價金屬離子都能屏蔽帶負電荷蛋白質分子間的靜電相互作用。但由于二價較一價離子帶正電荷數多，所以一般添加低濃度二價金屬離子就能達到高濃度單價離子掩蔽蛋白質負電荷的效果，因此同樣濃度條件下，二價金屬離子形成離子鍵的能力比單價離子更強。Park[43]在鈣離子對魚糜凝膠的研究中發現，鈣離子可以與相鄰魚蛋白分子間形成蛋白質-鈣-蛋白質交聯物從而形成具有一定強度的魚糜凝膠，在原始pH值（約7.0）條件下，魚糜中的肌原纖維蛋白是帶負電的，Ca2＋能在相鄰蛋白質分子間的負電位置與蛋白質發生配位形成離子鍵。

4.2 氫鍵

氫鍵是一類在凝膠體系中數量極大的弱偶極鍵，是蛋白質分子形成蛋白凝膠以及維持凝膠網絡結構穩定的一種重要分子作用力。有關凝膠形成過程中氫鍵的變化研究較多，但金屬離子在凝膠形成過程中對蛋白質分子中氫鍵影響的研究卻甚少。在對肌原纖維蛋白凝膠的研究中發現，一價和二價金屬離子對凝膠中靜電相互作用和疏水相互作用產生了巨大的影響，但對氫鍵的含量影響較小[44]。然而在二級結構中卻發現，有大量的氫鍵在α-螺旋和β-折疊結構中，β-轉角和無規卷曲中無氫鍵等相互作用[45]。許多研究表明金屬離子可以破壞α-螺旋結構，促進β-折疊結構的形成。氫鍵的鍵能較弱，在凝膠形成過程中極易發生斷裂和重建，因此氫鍵含量即使沒有變化也不能否定氫鍵在凝膠形成過程中的重要作用。通過測定α-螺旋結構和β-折疊結構含量的變化，也許更能體現出氫鍵的動態變化。與此同時，找尋新的有效方法直接測定結構中的氫鍵含量尚有待研究。

4.3 疏水相互作用

疏水相互作用與凝膠的形成直接相關，在維持蛋白質三級結構上，疏水相互作用發揮著主要的作用。根據Larsson等[46]利用拉曼光譜對C—H鍵的峰位置和強度變化的測定，得出C—H鍵周圍環境的變化可能與加入不同濃度的氯化鈉后蛋白質凝膠的疏水相互作用有關。金屬離子不僅會影響蛋白質-溶劑間的疏水相互作用，還會影響蛋白質-蛋白質間的疏水交互作用。Thawornchinsombut[47]發現在魚糜凝膠的加工過程中，由于高濃度鹽的加入，水分子會優先與金屬離子結合，蛋白質周圍的水分重新排列，蛋白質間的疏水相互作用加強，從而導致蛋白質功能性質的變化。與此同時，由于加入氯化鈉改變凝膠內部的靜電力和疏水相互作用使蛋白質構象發生變化，導致蛋清蛋白質凝膠功能特性的變化[48]。金屬離子在蛋白質凝膠形成過程中可使蛋白質的疏水相互作用和分子構象發生巨大變化，可以肯定這是金屬離子協同誘導蛋白質凝膠形成的必須條件。

4.4 二硫鍵

蛋白質或者肽中如果含有大量的半胱氨酸殘基，可以在變性蛋白質分子二級結構中形成二硫鍵，對穩定蛋白質凝膠結構起著較大的作用。不同金屬離子對凝膠中二硫鍵的影響不同。陳立德[44]發現增加鎂離子和亞鐵離子添加量對二硫鍵含量的變化和蛋白凝膠強度均無顯著影響，影響凝膠強度的主要作用力也不是二硫鍵，但隨著鈣離子添加量的增大，蛋白凝膠的二硫鍵含量顯著增大，可見鈣離子對二硫鍵的形成有重要意義。然而就目前的研究而言，加入鈣離子促使凝膠二硫鍵含量增多的具體原因尚不明確。除此之外，金屬離子尤其是活潑的金屬離子的添加會使二硫鍵的含量下降。另外，也有研究表明二硫鍵含量的動態變化與蛋白質中含硫氨基酸的含量有關，李樹青等[49]發現皮蛋在腌制的過程中，蛋清物質中的含硫氨基酸可以降解產生硫離子。金屬離子能與含硫氨基酸中的巰基和降解產生的硫離子結合形成穩定的絡合物，消耗了巰基數量，阻止了巰基發生氧化轉化形成二硫鍵，最終導致二硫鍵含量減少。

由金屬離子對4 種作用力影響的研究可知，金屬離子濃度對作用力影響不是十分顯著，二價金屬離子相較一價金屬離子對蛋白質作用力影響更大。其中鈣離子對靜電相互作用和二硫鍵的含量變化均有較大影響。

5 金屬離子對蛋白質凝膠分子構象的影響

在凝膠形成的過程中，化學作用力變化的同時，蛋白質構象也發生改變，主要表現為β-折疊、β-轉角和無規卷曲結構這些二級結構以及二硫鍵等三級結構的變化。金屬離子往往通過引起蛋白質分子的分子構象的變化，來改變蛋白質分子的疏水聚集過程。相較于一價離子而言，二價金屬離子對蛋清蛋白質分子構象的影響較為顯著，基本上與霍夫曼斯特離子序相符。Kato等[50]通過金屬離子對蛋白質分子構象的研究，發現熱變性的卵白蛋白凝膠在氯化鈉濃度增加的情況下β-折疊含量增加，α-螺旋含量卻減少，金屬離子與蛋白質的結合會提高變性溫度，溫度升高促使蛋白質中的α-螺旋含量減少，β-折疊含量增加。夏瑩[40]的研究也發現金屬鹽能夠通過對蛋白質分子間靜電作用的屏蔽和對溶劑中氫鍵含量的影響，使蛋白質α-螺旋、β-轉角和無規卷曲結構完成向β-折疊結構的轉變，β-折疊結構促進蛋白質分子間發生更多的聚集和交聯，最終蛋清蛋白分子在熱誘導條件下發生變性聚集而形成高分子質量的聚合物。但是，也有研究指出氯化鈉的添加對豬肉肌原纖維蛋白凝膠的二級結構含量沒有影響[51]，這可能與蛋白質分子種類不同有一定的關系。

二硫鍵構象的變化對凝膠形成也有影響，利用拉曼光譜研究加鹽蛋白質二硫鍵構象的變化，發現二硫鍵的構象隨著鹽濃度的增加而改變[52]。天然蛋白質間二硫鍵的類型為扭式-扭式-扭式，形成魚糜凝膠中二硫鍵為扭式-扭式-反式，這種蛋白質內二硫鍵的構象的改變可能更有利于凝膠穩定。

金屬離子可通過摧毀蛋白質的α-螺旋結構引起蛋白質分子構象的變化，伴隨著金屬鹽濃度的增加蛋白質的α-螺旋結構減少，β-折疊結構增加。二硫鍵的形成能夠增強蛋白質凝膠的之間的交聯作用，同時二硫鍵構象的變化也是凝膠形成不可忽視的一個部分。目前，金屬離子對蛋白質分子構象的變化研究只涉及較少種類蛋白質，因此，金屬離子對其他種類蛋白質分子構象的變化原因尚缺乏理論研究。

6 結 語

在蛋白質凝膠化過程中，金屬離子影響蛋白質分子變性展開、蛋白質線性分子重排和聚集的程度，從而改變蛋白質的分子構象和凝膠的部分化學作用力或與蛋白質分子結合等方式，最終凝膠硬度、微觀結構和持水性等特性得到較大程度的改善，其種類和濃度不同效果不同。但是，目前關于金屬離子對凝膠風味及色澤的影響研究甚少，對其進一步深入研究可為豐富蛋白質凝膠產品提供理論基礎。另外，由于金屬離子對蛋白質的作用機理極其復雜，因此關于金屬離子對蛋白質凝膠分子作用力、分子構象的影響研究尚不完全清晰，可進一步運用各種現代儀器和化學分析手段闡明其對蛋白質凝膠行為的影響機制。

[1] TANG C H. Effect of thermal pretreatment of raw soymilk on the gel strength and microstructure of tofu induced by microbial transglutaminase[J]. LWT-Food Science and Technology, 2007, 40(8): 1403-1409. DOI:10.1016/j.lwt.2006.09.006.

[2] LADJEVARDI Z S, GHARIBZAHEDI S M T, MOUSAVI M. Development of a stable low-fat yogurt gel using functionality of psyllium (Plantago ovata Forsk) husk gum[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 125: 272-280. DOI:10.1016/j.carbpol.2015.02.051.

[3] MOTOYAMA T, ASHIDA S. Mung bean protein gel composition and cheess-like food: WO/2014/156549[P]. 2014-02-10. http://www. freepatentsonline.com/WO2014156549A1.html.

[4] GANASEN P, BENJAKUL S. Chemical composition, physical properties and microstructure of pidan white as affected by different divalent and monovalent cations[J]. Journal of Food Biochemistry, 2011, 35(5): 1528-1537. DOI:10.1111/j.1745-4514.2010.00475.x

[5] TOTOSAUS A, MONTEJANO J G, SALAZAR J A, et al. A review of physical and chemical protein-gel induction[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2002, 37(6): 589-601. DOI:10.1046/ j.1365-2621.2002.00623.x.

[6] ZHANG Z, YANG Y, TANG X, et al. Effects of ionic strength on chemical forces and functional properties of heat-induced myof i brillar protein gel[J]. Food Science and Technology Research, 2015, 21(4): 597-605. DOI:10.3136/fstr.21.597.

[7] 黃友如, 華欲飛, 裘愛泳. 大豆分離蛋白功能性質及其影響因素[J]. 糧食與油脂, 2003(5): 12-15. DOI:10.3969/ j.issn.1008-9578.2003.05.004.

[8] BRYANT C M, MCCLEMENTS D J. Influence of NaCl and CaCl2on cold-set gelation of heat-denatured whey protein[J]. Journal of Food Science, 2000, 65(5): 801-804. DOI:10.1111/j.1365-2621.2000. tb13590.x.

[9] SUN X D, HOLLEY R A. Factors influencing gel formation by myofibrillar proteins in muscle foods[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2011, 10(1): 33-51. DOI:10.1111/ j.1541-4337.2010.00137.x.

[10] ARII Y, TAKENAKA Y. Initiation of protein association in tofu formation by metal ions[J]. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2014, 78(1): 86-91. DOI:10.1080/09168451.2014.877341.

[11] 卜紅宇, 馬美湖. 不同鋅鹽在皮蛋加工中的作用差異[J]. 食品科學, 2011, 32(13): 136-144.

[12] 尤麗新, 楊柳, 馬井喜, 等. 花生乳牛乳新鮮干酪加工工藝優化[J].食品科學, 2011, 32(14): 346-349.

[13] CHEM A. Functionality and protein structure[M]. Washington DC: ACS Press, 1979: 81-103.

[14] FOEGEDING E A, BOWLAND E L, HARDIN C C. Factors that determine the fracture properties and microstructure of globular protein gels[J]. Food Hydrocolloids, 1995, 9(4): 237-249. DOI:10.1016/ S0268-005X(09)80254-3.

[15] GANASEN P, BENJAKUL S. Chemical composition, physical properties and microstructure of pidan white as affected by different divalent and monovalent cations[J]. Journal of Food Biochemistry, 2011, 35(5): 1528-1537. DOI:10.1016/j.lwt.2009.06.007.

[16] 劉西海. 金屬離子對蛋清蛋白質結構的影響研究[J]. 中國家禽, 2012(1): 27-31. DOI:10.3969/j.issn.1004-6364.2012.01.008

[17] KUHN K R, CAVALLIERI A L F, CUNHA R L D. Cold-set whey protein-f l axseed gum gels induced by mono or divalent salt addition[J]. Food Hydrocolloids, 2011, 25(5): 1302-1310. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2010.12.005.

[18] STONE A P, STANLEY D W. Muscle protein gelation at low ionic strength[J]. Food Research International, 1994, 27(2): 155-163. DOI:10.1016/0963-9969(94)90157-0.

[19] HARWALKAR V R, KALAB M. Thermal denaturation and aggregation of β-lactoglobulin in solution electron microscopic study[J]. Milchwissenschaft, 1985, 40(2): 65-68.

[20] 徐幸蓮. 兔骨骼肌肌球蛋白熱誘導凝膠特性及成膠機制研究[D]. 南京: 南京農業大學, 2003: 55-69.

[21] 程鵬. 牛乳清分離蛋白凝膠物化特性及其微觀結構的研究[D]. 烏魯木齊: 新疆農業大學, 2007: 20-24.

[22] GANASEN P, BENJAKUL S, KISHIIMURA H. Effect of different cations on pidan composition and flavor in comparison to the fresh duck egg[J]. Korean Journal For Food Science of Animal Resources, 2013, 33(2): 214-220. DOI:10.5851/kosfa.2013.33.2.214.

[23] BOYER C, JOANDEL S, OUALI A, et al. Ionic strength effects on heatinduced gelation of myofibrils and myosin from fast-and slow-twitch rabbit muscles[J]. Journal of Food Science, 1996, 61(6): 1143-1148. DOI:10.1111/j.1365-2621.1996.tb10949.x.

[24] RAMIREZ J A, RODRIGUEZ-SOSA R, MORALES O G, et al. Preparation of surimi gels from striped mullet (Mugil cephalus) using an optimal level of calcium chloride[J]. Food Chemistry, 2003, 82(3): 417-423. DOI:10.1016/S0308-8146(02)00594-0.

[25] YONGSAWATDIGUL J, PARK J W. Linear heating rate affects gelation of Alaska pollock and Pacific whiting surimi[J]. Journal of Food Science, 1996, 61(1): 149-153. DOI:10.1111/j.1365-2621.1996. tb14746.x.

[26] 黃群, 楊萬根, 金永國, 等. 鴨蛋清蛋白凝膠質構特性影響因素研究[J]. 食品科學, 2014, 35(15): 68-71. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201415014.

[27] NAKAMURA T, UTSUMI S, MORI T. Network structure formation in thermally-induced gelation of glycinin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1984, 32(2): 349-352. DOI:10.1021/jf00122a042.

[28] TOMBS M P. Gelation of globular proteins[J]. Faraday Discussions of the Chemical Society, 1974, 57: 158-164. DOI:10.1039/ DC9745700158.

[29] TOMBS M P. Alterations to proteins during processing and the formation of structures[J]. Proteins as Human Food, 1970, 2013: 126-134. DOI:10.1016/B978-0-408-32000-9.50014-0.

[30] HARWALKAR V R, MA C Y. Thermal analysis of foods[M]. London, New York: Elsevier Science Publishers Ltd., 1990: 126-148.

[31] LAKEMOND C M M, DE JONGH H H J, PAQUES M, et al. Gelation of soy glycinin; inf l uence of pH and ionic strength on network structure in relation to protein conformation[J]. Food Hydrocolloids, 2003, 17(3): 365-377. DOI:10.1016/S0268-005X(02)00100-5.

[32] 張彩霞. PSE肉肌原纖維蛋白凝膠性質影響因素的研究[D]. 重慶:西南大學, 2009: 20-25.

[33] NAVARRA G, TINTI A, DI FOGGIA M, et al. Metal ions modulate thermal aggregation of beta-lactoglobulin: a joint chemical and physical characterization[J]. Journal of Inorganic Biochemistry, 2014, 137: 64-73. DOI:10.1016/j.jinorgbio.2014.04.003.

[34] STIRP A, RIZZUTI B, PANTUSA M, et al. Thermally induced denaturation and aggregation of BLG-A: effect of the Cu2+and Zn2+metal ions[J]. European Biophysics Journal, 2008, 37(8): 1351-1360. DOI:10.1007/s00249-008-0346-4.

[35] MUDGAL P, DAUBERT C R, FOEGEDING E A. Effects of protein concentration and CaCl2on cold-set thickening mechanism of β-lactoglobulin at low pH[J]. International Dairy Journal, 2011, 21(5): 319-326. DOI:10.1016/j.idairyj.2010.11.014.

[36] PHAN-XUAN T, DURAND D, NICOLAI T, et al. Heat induced formation of beta-lactoglobulin microgels driven by addition of calcium ions[J]. Food Hydrocolloids, 2014, 34: 227-235. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2012.09.008.

[37] HONGSPRABHAS P, BARBUT S. Effects of N-ethylmaleimide and CaCl2on cold gelation of whey protein isolate[J]. Food Research International, 1997, 30(6): 451-455. DOI:10.1016/S0963-9969(97)00068-9.

[38] WSZELAKA-RYLIK M, ZIELENKIEWICZ W. Enthalpy changes of salting processes of hen-egg white lysozyme in various electrolyte solutions[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2006, 83(3): 607-610. DOI:10.1007/s10973-005-7414-0.

[39] YANG S, BALDWIN R E. Functional properties of eggs in foods[M]. Egg Science and Technology. New York: Haworth Press Inc., 1995: 405-463.

[40] 夏瑩. 金屬離子腌制對蛋清蛋白結構與特性的影響研究[D]. 武漢:華中農業大學, 2011: 80-85.

[41] 孔保華, 李明清, 夏秀芳. 不同鹽對鯉魚肌原纖維蛋白結構和凝膠特性的影響[J]. 食品與發酵工業, 2011, 37(3): 50-55.

[42] YASUDA K, NAKAMURA R, HAYAKAWA S. Factors affecting heatinduced gel formation of bovine serum albumin[J]. Journal of Food Science, 1986, 51(5): 1289-1292. DOI:10.1111/j.1365-2621.1986. tb13107.x.

[43] PARK J W. Surimi and surimi seafood[M]. 2nd ed. New York: CRC Press, 2005: 237-265.

[44] 陳立德. 肌原纖維蛋白凝膠作用力影響因素的研究[D]. 重慶: 西南大學, 2010: 100-113.

[45] 楊萬根. 蛋清蛋白水解物的制備, 結構及其生物活性的研究[D]. 無錫: 江南大學, 2008: 55-57.

[46] LARSSON K, RAND R P. Detection of changes in the environment of hydrocarbon chains by Raman spectroscopy and its application to lipid-protein systems[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Lipids and Lipid Metabolism, 1973, 326(2): 245-255. DOI:10.1016/0005-2760(73)90250-6.

[47] THAWORNCHINSOMBUT S. Biochemical and gelation properties of fish protein isolate prepared under various pH and ionic strength conditions[D]. Corvallis: Oregon State University, 2004: 7-19.

[48] NAKAI S. Structure-function relationships of food proteins: with an emphasis on the importance of protein hydrophobicity[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1983, 31(4): 676-683. DOI:10.1021/ jf00118a001.

[49] 李樹青, 黃鵬, 王慶玉. 皮蛋加工貯存過程中蛋黃顏色變化機理研究[J]. 食品科學, 1992, 13(2): 18-22.

[50] KATO A, TAKAGI T. Formation of intermolecular beta-sheet structure during heat denaturation of ovalbumin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1988, 36(6): 1156-1159. DOI:10.1021/jf00084a007.

[51] 韓敏義, 李偉鋒, 王鵬, 等. 拉曼光譜研究NaCl濃度對豬肉肌原纖維蛋白凝膠硬度的影響[J]. 核農學報, 2014, 28(12): 2192-2199. DOI:10.11869/j.issn.100-8551.2014.12.2192.

[52] BOURAOUI M, NAKAI S, LI-CHAN E. In situ investigation of protein structure in Pacific whiting surimi and gels using Raman spectroscopy[J]. Food Research International, 1997, 30(1): 65-72. DOI:10.1016/S0963-9969(97)00020-3.

A Review of Effects of Metal Ions on Gelation Behavior of Protein

SHAO Yaoyao1, ZHAO Yan2,3, XU Mingsheng1, XU Lilan1, WANG Xiong1, TU Yonggang1,*
(1. Jiangxi Key Laboratory of Natural Products and Functional Food, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China; 3. Engineering Research Centre of Biomass Conversion, Ministry of Education, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

Gelation is one of the main functional properties of protein. The gel formation of protein is affected by many physicochemical factors, and metal ion is one of the major factors affecting protein gelation behavior. The mechanism of the gel formation of protein is elaborated in this paper. Additionally, this article reviews the effects of metal ions on the microstructure, physicochemical characteristics, aggregation behavior, molecular conformation and main molecular forces of protein gels and the value of protein gelation for researchers is predicted in order to provide a theoretical guidance for further researches of the mechanism of action metal ions on protein gelation and the improvement of protein gel products.

metal ions; protein; gelation; aggregation; molecular conformation

10.7506/spkx1002-6630-201705048

TS253.4

A

1002-6630（2017）05-0299-06

邵瑤瑤, 趙燕, 徐明生, 等. 金屬離子對蛋白質凝膠化行為的影響研究進展[J]. 食品科學, 2017, 38(5): 299-304.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705048. http://www.spkx.net.cn

SHAO Yaoyao, ZHAO Yan, XU Mingsheng, et al. A review of effects of metal ions on gelation behavior of protein[J]. Food Science, 2017, 38(5): 299-304. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705048. http://www.spkx.net.cn

2016-06-28

國家自然科學基金地區科學基金項目（31460400；31360398）；江西省杰出青年人才資助計劃項目（20162BCB23031）；江西省青年科學家培養對象計劃項目（20153BCB23028）；江西省科技支撐計劃項目（20151BBF60022）

邵瑤瑤（1993—），女，碩士研究生，研究方向為食品加工與貯藏。E-mail：1416265035@qq.com

*通信作者：涂勇剛（1979—），男，副教授，博士，研究方向為蛋品科學與技術。E-mail：tygzy1212@aliyun.com