魚糜凝膠形成方法及其凝膠特性影響因素的研究進展

劉芳芳,林婉玲,李來好,楊賢慶,吳燕燕

(1.中國水產科學研究院南海水產研究所,國家水產品加工技術研發中心,農業部水產品加工重點實驗室,廣東廣州 510300;2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

魚糜是指已經去皮的魚肉經過漂洗、脫水、精濾后得到的產品,以魚糜為基礎的產品主要有魚丸和魚香腸等[1]。在現代消費市場中,魚糜制品受到廣大消費者的喜愛,這主要由于它是一種高蛋白、低膽固醇、低脂肪、低熱、低鹽食品[2],因此研究魚糜凝膠性能是生產魚糜制品的首要內容。

魚糜凝膠性能直接決定著魚糜制品品質的優劣,其中魚糜的凝膠性能主要取決于凝膠化過程中蛋白質的膠凝情況,只有經過充分凝膠的魚糜制品才能具有良好的彈性,在凝膠形成過程中不同的凝膠條件會造成不同的凝膠特性,目前關于魚糜凝膠形成已經不止于傳統的二段加熱,微波加熱[3]、電阻加熱等也被應用于魚糜凝膠制作過程中,除此之外,也有一些新的形成凝膠的方式廣泛應用于魚糜凝膠化過程中,如酸致凝膠[4]、發酵魚糜凝膠[5]、超高壓技術、超聲波處理技術等。迄今關于傳統二段加熱形成魚糜凝膠的研究已有不少報道,但關于這些新型的加工技術加工魚糜凝膠的綜述報道較少。

因此本文主要就目前新加工魚糜凝膠方法的國內外研究現狀進行綜述,并對加工過程中可影響魚糜凝膠性能的因素和添加物進行簡單闡述,以期為良好的凝膠制品的生產提供參考。

1 魚糜凝膠形成方法

1.1 熱誘導凝膠

魚糜凝膠蛋白在形成過程中主要經歷三個階段:即凝膠化(0～50 ℃)、凝膠劣化(50～70 ℃)和魚糕化(>70 ℃)[6-8]。傳統二段加熱主要是指在30～40 ℃之間肌球蛋白和肌動蛋白開始形成一定的結構,由溶膠變為凝膠[9],當溫度達到50～70 ℃時,此階段會出現凝膠劣化,此時魚糜凝膠制品品質較差,彈性較低;隨著溫度升高至90 ℃左右時,魚糜凝膠強度顯著增加,形成魚糜凝膠,稱為魚糕化。相比傳統的水浴加熱,有研究指出,微波加熱能夠使魚糜凝膠中心溫度快速通過“凝膠劣化區”,減少凝膠劣化的出現,提高低鹽魚糜的凝膠性能[10],但是由于微波加熱速度過快而導致凝膠不充分,機械特性下降,因此王文勇等[11]先通過45 ℃水浴定型然后用微波熟化,結果發現,凝膠強度強于傳統二段加熱,并且使用中低檔能夠有效鈍化蛋白酶活性,增強魚糜凝膠硬度。從微觀機制看,微波加熱能夠減少魚糜蛋白的降解,促進蛋白質之間形成更多的二硫鍵,Cao等[12]研究發現,相比于水浴加熱,微波加熱凝膠性能更好。

電阻加熱即歐姆加熱,歐姆加熱是指交流電流通過導電材料時內部產生熱量,從而產生均勻的溫度分布。目前為止,歐姆加熱制成魚糜制品仍舊處于初級階段,Tadpitchayangkoon等[13]研究表明,相比于水浴加熱,歐姆加熱魚糜的斷裂力和剪切力分別增加1.3倍和1.6倍,并且與在90 ℃水浴中加熱的凝膠相比,二硫鍵形成的程度更大,保水性更好。Hoon等[14]研究發現,不同種類的魚最適歐姆加熱功率也不同,主要是由于不同種類的魚不同的內源酶造成的結果。

1.2 酸致凝膠

酸致凝膠指通過直接加酸或酸化劑的方式代替高溫加熱獲得魚糜凝膠,酸誘導凝膠能使體系力,導致蛋白質凝聚形成凝膠[15]。相比于傳統的二段加熱,酸致凝膠用有機酸鈉鹽代替氯化鈉的直接加入,間接的降低了消費者對鈉鹽的攝入量。目前關于酸誘導魚糜凝膠國內外研究比較多,密更等[4]研究指出,用檸檬酸鈉、琥珀酸鈉、乳酸鈉和醋酸鈉四種有機酸鹽誘導形成的魚香腸在破斷強度、持水性、硬度、回復性以及咀嚼度上要比熱誘導組形成的樣品有顯著提高。漆嫚[16]研究表明,二段加熱法制備的凝膠,在凝膠化過程中主要的作用力是分子間疏水作用和二硫交聯,而酸誘導凝膠形成過程中起主要作用的是蛋白分子間疏水相互作用,研究還發現,將酸處理和熱處理相結合,羅非魚肌動球蛋白凝膠的特性要顯著高于熱誘導肌動球蛋白和酸誘導羅非魚肌動球蛋白凝膠的凝膠特性。

1.3 發酵魚糜凝膠

發酵魚糜制品主要是指在魚糜中加入微生物,經發酵作用使魚糜形成其特有的風味與口感,其中發酵溫度和時間的控制是發酵進程的重要因素。在發酵過程中,隨著有機酸的產生,魚肉的pH下降,同魚肉蛋白的等電點偏離,使魚肉蛋白所帶靜電荷增加,蛋白分子之間的排斥作用越大,從而影響蛋白凝膠的形成。由于微生物發酵技術可以抑制一些腐敗菌及病原菌的生長而有效延長肉制品的貯藏時間,有研究表明,發酵魚糜具有良好的凝膠特性及彈性[17],因此,科學家們不斷探索提高發酵魚糜質量的新方法。

經過發酵的魚糜其蛋白質、脂肪、碳水化合物等都會發生不同變化,形成特有的風味,常用于發酵魚糜的發酵劑主要包括乳酸菌和葡萄球菌。乳酸菌發酵魚糜,魚肉蛋白因pH逐漸下降,魚糜之間的粘著力增加,魚糜凝膠性、彈性強度均會發生變化;而葡萄球菌具有分解蛋白質和脂肪以及產生過氧化氫酶的能力。游剛等[18]利用復合乳酸菌發酵六尺金線魚得到具有良好質地和口感的發酵魚糜制品,陳曉倩等[19]研究表明,棒狀乳桿菌發酵秘魯魷魚糜,發酵過程中,離子鍵逐漸減少,而氫鍵和疏水相互作用含量分別在30和36 h達到最大值,并且發酵時間在24～36 h之間時,魚糜凝膠特性最佳。另外復合發酵劑發酵魚糜也被國內外廣泛研究,王洋等[20]研究表明以戊糖乳桿菌31-1,植物乳桿菌Y9分別與松鼠葡萄球菌SL4復配,制備的鱘魚腸具有優良的感官品質和理化特性。但是迄今為止,關于發酵魚糜制品與傳統二段加熱魚糜制品在凝膠特性等方面的對比還未見報道。

1.4 超聲波輔助

超聲波是一種非電離,非侵入性和無污染的機械能形式,有研究表明,經過超聲處理的肉糜結構蛋白的保水性會顯著提高[21],張崟等[22]通過羅非魚糜研究表明,40 ℃低凝膠化的魚糜用超聲波處理時,凝膠的強度提高最顯著,而且提高了凝膠的黏性、彈性、內聚性及回復性,這是由于超聲波處理使蛋白質分子更緊密,促進了蛋白質分子間的交聯。也有學者通過研究超聲波輔助凝膠化鰱魚糜凝膠特性的影響,結果發現,功率強度較小的超聲處理對魚糜凝膠的凝膠強度無顯著影響,只有當聲功率強度達到0.49 W/cm2及以上時,凝膠強度才隨著功率強度的增加呈增加趨勢,同時持水性也顯著提高,以功率強度0.85 W/cm2的超聲波處理與對照組相比,凝膠強度提高了21.10%[23]。另外,超聲處理能夠促進鹽溶蛋白的溶出,并能使鰱魚肉蛋白分子二級構發生變化,表現為α-螺旋比例下降,無規則卷曲比例上升。

超聲波處理作為一種新技術,具有效率高、能耗低等特點。雖然目前已經證實超聲輔助處理可以顯著提高魚糜凝膠性能,但是只在羅非魚、鰱魚等淡水魚中有研究,未見在海水魚中的報道,而且目前關于超聲研究主要集中在輔助傳統二段加熱,未來超聲波于其他技術的結合可作為一個研究方向。

1.5 超高壓處理

有研究表明,壓力處理相比于熱處理有更高的凝膠強度和彈性,主要是由于高壓引起蛋白質體積減少,帶點周圍的電荷收縮,暴露的非極性基團周圍的水結構化通過氫鍵結合極性基團,從而導致變性[24]。也有許多研究證實中等壓強強度(100～300 MPa)可以對凝膠特性產生積極影響,并且發現200 MPa的壓強強度作為凝膠型制品的壓強閾值,能夠增強魚糜的凝膠強度[25]。國外學者研究發現壓力處理相比于熱處理更有助于形成由天然形式的蛋白質聚集而形成的弱交聯[26]。Zhu等[27]通過對大西洋鱈魚魚糜凝膠研究發現,高壓處理能夠有效改善魚糜凝膠性能,壓力在300 MPa所得魚糜凝膠強度最大。岳開華等[28]研究發現,與傳統熱處理相比,海鱸魚魚糜經過超高壓(300 MPa,保壓30 min)處理后可以改善魚糜的凝膠特性,其彈性、內聚性和凝膠強度大幅度提高,硬度降低,色澤明亮。另外Herranz等[29]通過對飛魚魚糜研究發現,高壓處理使得體積減少導致物理相互作用的增加,從而改善了魚糜的彈性和凝膠穩定性。總之超高壓技術是一種較傳統加熱更加有利于魚糜凝膠形成的處理方式。

2 影響魚糜凝膠性能的因素

2.1 魚種的影響

不同魚種由于其營養成分的不同有不同的凝膠形成能力,這主要因為不同魚體內部肌肉組織中的肌球蛋白、肌動蛋白等的含量不同而造成的。除此之外,魚肉中鈣離子、谷氨酸、賴氨酸含量越高,TGase活性越高,魚糜凝膠性能也會隨之增強。有研究表明,海水魚凝膠形成能力強于淡水魚,白肉魚強于紅肉魚,硬骨魚強于軟骨魚[30],深海魚類強于淺海魚類。其中紅肉魚之所以比白肉魚凝膠能力低,主要由于暗色魚水溶性蛋白含量相對較高。

2.2 漂洗工藝的影響

漂洗液的酸堿度與漂洗溫度以及漂洗次數等都影響魚糜的凝膠特性,一般漂洗水溫控制在3～10 ℃,過高引起肌原纖維蛋白變性。漂洗是制作魚糜的重要工序,通過漂洗工序除去了魚肉中的雜質,例如血污、色素、部分無機鹽和脂肪,腥味和水溶性蛋白等,從而提高了魚體內肌球蛋白肌動蛋白等的濃度,因此漂洗是提高魚糜凝膠性能的一個重要工序。不同種的魚選取的漂洗液酸堿性也不同,這主要根據魚肉僵直后的pH決定。魚糜形成最適pH一般在6.4左右,而白肉魚僵直后的pH正好在此范圍內,因此采用清水漂洗,紅肉魚在僵直后一般由于魚體內糖原分解為乳酸導致pH下降到5.9左右,因此作為生產加工魚糜的原料時采用質量分數0.15%的碳酸氫鈉弱堿溶液進行清洗,將魚體中pH調節至適合凝膠形成的范圍內。歐明杰等[31]研究發現添加0.25% NaHCO3溶液漂洗10 min,然后純凈水漂洗5 min,最后離心5 min的漂洗工藝,是一種適合斑點叉尾鮰魚糜加工的高效漂洗方法。也有研究表明,用清水清洗兩次,然后在0.1%氯化鈣溶液中漂洗三次,每次漂洗過程持續5 min,得到的羅非魚魚糕的質量最好[32]。

2.3 擂潰的影響

不同擂潰溫度、時間、擂潰速度等都會影響肌肉組織。有研究表明,擂潰時加入蔗糖、山梨醇或者乳糖醇等時,對凝膠性能影響顯著[33]。彭瑤[34]通過研究羅非魚魚糕的凝膠性能,結果表明,擂潰工藝的最優結果為:空擂4 min、然后添加1.6%食鹽、鹽擂13 min,最后味擂13 min,得到的魚糜凝膠強度最大,也有研究表明擂潰轉速對魚糜凝膠特性有影響[35]。劉淑華等[36]研究表明,擂潰時間在20～30 min之間時,魚糜凝膠性能較好,這主要是因為擂潰時間過短,會導致肌原纖維組織的破壞不完全,最終影響魚糜制品質量,但是如果擂潰時間太長,會導致魚肉溫度升高,蛋白質變性。

2.4 添加物對魚糜凝膠性能的影響

在魚糜加工時,為了改善其凝膠性能,外源添加劑得到了廣泛的應用。在魚糜生產加工過程中,常用的添加劑有增稠劑類、無機鹽類、非肌肉蛋白類等,添加劑的使用對改善魚糜制品品質有著重要的意義。

2.4.1 增稠劑類 膳食纖維、淀粉、明膠、瓊脂等大分子增稠劑,由于其本身的凝膠性質,在增強魚糜凝膠化方面有著廣泛的應用。國外學者Petcharat等[1]研究表明,結冷膠能夠抑制凝膠劣化,添加結冷膠能夠提高魚糜凝膠的破斷力和硬度,柳麗寧等[37]研究結果發現,添加馬鈴薯淀粉可以使魚糜制品的破斷強度和部分質構得到顯著提高,Barrera等[38]通過添加1%(w/w)的果膠到鰱魚魚糜中,以剪切應力、持水性、質構分析等為標準,研究結果表明,低甲氧基果膠能夠有效提高魚糜凝膠性能,涂曉琴[39]研究發現當豆渣添加量低于6%,粒度為387 μm時,能夠提高魚糜持水性、凝膠強度、色澤等,Sun等[40]通過研究改性淀粉對草魚凝膠機理的影響,在肌原纖維蛋白中(MP)中加入0.5%、1.5%和2.5%的木薯淀粉(CS),羥丙基木薯淀粉(HCS)和交聯羥丙基木薯淀粉(CHCS),溶解并通過兩步加熱制備改性淀粉-肌原纖維(MS-MP)復合凝膠,研究結果表明,CHCS的加入促進了熱誘導MP與α-螺旋結構的構象轉變伴隨β-轉向β-折疊,導致MP的凝膠特性發生變化。

2.4.2 無機鹽類 無機鹽類作為改善魚糜凝膠性能的添加物,NaCl得到很好的利用。有學者通過用NaCl替代鹽對凝膠過程中肌原纖維的影響發現,NaCl能夠更好的提高魚糜凝膠強度[41],這主要是由于蛋白質在加入NaCl時,蛋白質與蛋白質之間的水合能力的更穩定,最終增加蛋白質的結合性質從而改善了肉制品的質地,并且由于能夠強烈結合蛋白質的鹽離子的存在,NaCl也增加了香腸中蛋白質的持水能力,改善了香腸的品質[42-43]。Jia等[44]、An等[45]通過添加CaCl2到鰱魚魚糜中,以肌球蛋白的變性和凝集為指標研究發現隨著CaCl2濃度的增加,總巰基含量降低,肌球蛋白濁度增加,這是由于二硫鍵增加,肌球蛋白變性與二硫鍵聚集,過高的CaCl2濃度會降低魚糜凝膠強度,結果表明,一定濃度范圍內的CaCl2可以增強鏈魚肌球蛋白的膠凝性能,誘導肌球蛋白的構象變化并促進疏水相互作用,二硫鍵和“凝固”凝膠的Ca橋的形成,Cao等[46]研究發現,添加CaCl2可以降低肌球蛋白的熱穩定性,促進了肌球蛋白α-螺旋結構在加熱過程中的展開,可以在20～40 ℃的低溫區域下促進疏水性相互作用,10～40 mmol/L CaCl2有利于在20～30 ℃下激活Ca2+-ATPase活性,增強魚糜凝膠。

2.4.3 非肌肉蛋白類 目前使用較多的有面筋蛋白、蛋清蛋白、乳清濃縮蛋白、大豆分離蛋白和一些動物血漿蛋白等。吳雪微[47]實驗表明隨著大豆分離蛋白添加量的增加,凝膠強度呈上升趨勢。Luo等[48]用響應面優化分析得知,添加10%的大豆分離蛋白可以降低鰱魚魚糜魚腥味并且能夠有效提高魚糜凝膠強度,Shi等[49]的另一個研究發現乳清蛋白濃縮物也改善了鰱魚魚糜的凝膠特性。

不同非肌肉蛋白影響魚糜凝膠作用的機理也有所不同,有些蛋白改善魚糜凝膠特性主要依賴于自身的某些性質來抑制那些對魚糜凝膠特性有降低作用的酶的活性,如動物血漿蛋白。而有些蛋白是通過自己本身的凝膠性質提高魚糜凝膠強度,如蛋清蛋白、乳清濃縮蛋白[50]和大豆分離蛋白等。

除以上添加物,也發現其他物質對魚糜凝膠性能的改善作用,Ramirez等[51]通過黃原膠和刺槐豆膠對魚糜肌原纖維蛋白凝膠特性的影響研究發現,當黃原膠與刺槐豆膠比例為 1∶3時,可明顯提高其凝膠性能。李婷婷等[52]研究發現添加大蒜提取物的魚丸凝膠特性高于對照組,隨著貯藏期的延長凝膠性能下降較對照組緩慢,尹濤等[53]研究發現納米魚骨可以增強肌動球蛋白凝膠強度,Gani等[54]研究發現新鮮椰子油納米乳液可以顯著提高魚糜凝膠制品的咀嚼性以及白度。

2.4.4 酶的交聯 轉谷氨酰胺酶(TGase)催化肌球蛋白重鏈(MHC)的谷氨酸(Glu)殘基γ-羧基酰胺基賴氨酸(Lys)殘基ε-氨基之間發生交聯作用,生成分子內或分子間非二硫共價鍵,從而增強魚糜凝膠特性。疏水基團和游離氨基酸暴露于肌球蛋白的表面,導致疏水相互作用和交聯反應的增加,增強了TGase誘導的魚糜凝膠的凝膠性質。在對大眼鯛魚、印度油沙丁魚、羅非魚和鯽魚的研究中發現,純TGase的分子量在73～95 kDa的范圍內,并且在所研究的四種物種中,TGase最大活性的最適溫度是不同的[55]。短期冷凍貯藏改善了TGase催化的交聯反應和形成稠密的網絡結構,這有助于提高魚糜凝膠的質地特性和持水性[56]。

日本學者通過谷氨酞胺轉氨酶對日本魷魚熱凝膠的影響研究結果表明,使用二段加熱方式并在凝膠過程中加入淀粉,凝膠特性以及質構特性都會有所提高[57]。Chen等[58]通過拉曼光譜分析研究TGase對肌原纖維蛋白結構變化的影響發現,由于TGase在酰胺鍵(1600～1700 cm-1)區域中的修飾顯示α-螺旋含量顯著降低(p<0.05),伴隨β-折疊,β-轉角和隨機的顯著(p<0.05)增加,證實了TGase對凝膠強度的增強作用。謝超等[59]通過對冷凍鰻魚的研究結果表明,TGase在魚糜凝膠化過程中起著重要作用,并且不同濃度的TGase均可使鰻魚冷凍魚糜凝膠的硬度、彈性及凝膠強度增加,而對其顏色和白度無影響,TGase的最佳使用濃度為0.5%。Jongjareonrak等[60]研究發現,添加濃度為0.005%和0.01%(w/v)的TGase分別增加了大眼鯛和褐條鯛魚的明膠凝膠強度,觀察到的凝膠結構更加精細和緊密。

3 總結

魚糜凝膠強度是評價魚糜制品的一個重要標準,隨著人們生活水平的提高,對食物品質的要求也越來越高,因此生產出符合消費者要求的魚糜產品也越來越重要。不斷改進加工方式來提高魚糜制品的凝膠性能是目前的主要研究方向,而且這些新技術在一定程度上可以降低能耗,減少成本,但是這些新技術迄今還處于初級階段,因此有必要對其的進一步研究。此外,納米粒子作為新的添加物的形式的出現,目前研究還不成熟,關于各種物質的納米粒子增強魚糜凝膠性能的機理尚待探討。