鰱魚(yú)酶解液-多糖復(fù)合凝膠特性研究

段方娥，馬樂(lè)，何強(qiáng)

(四川大學(xué) 輕紡與食品學(xué)院，成都 610065)

白鰱(silver carp)肉質(zhì)鮮嫩、營(yíng)養(yǎng)豐富且價(jià)格低廉，將白鰱酶解液制成凝膠以改善調(diào)味醬的穩(wěn)定性及凝膠食品的粘彈性具有良好的應(yīng)用前景[1]。但是，鰱魚(yú)酶解液所形成的凝膠通常結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，甚至無(wú)法單獨(dú)形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)[2]。因此，加入輔助膠凝劑以改善鰱魚(yú)酶解液的凝膠特性，在其工業(yè)化應(yīng)用中具有重要意義。

多糖是食品中的一類重要物質(zhì)，可獨(dú)立成膠替代傳統(tǒng)增稠乳化穩(wěn)定劑，常用于醬料產(chǎn)品中改良醬料體系的質(zhì)構(gòu)和功能特性[3]，也可與蛋白質(zhì)的部分基團(tuán)相互連接發(fā)生交互作用形成蛋白-多糖復(fù)合凝膠，用于改善凝膠食品自身的凝膠特性[4]。

目前，關(guān)于多糖應(yīng)用在魚(yú)蛋白酶解液中的輔助膠凝作用研究較少，且多研究其膠凝效果，并未進(jìn)行深入研究，致使多糖作為凝膠輔劑的應(yīng)用范圍受限。因此，本文對(duì)適宜制備鰱魚(yú)酶解液凝膠的多糖進(jìn)行篩選與復(fù)配研究，并初步探究了鰱魚(yú)酶解液與多糖形成凝膠的作用機(jī)理，以期為凝膠產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及利用提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白鰱：市購(gòu)，去除內(nèi)臟作為本實(shí)驗(yàn)原料；其他實(shí)驗(yàn)試劑：均為分析純，成都科龍化工試劑廠。

TA.XT plus物性測(cè)試儀、TAQ100-DSC熱分析儀 美國(guó)TA Instruments公司；Nicolet Is 10傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)熱電公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鰱魚(yú)酶解液-多糖復(fù)合凝膠制備

參考文獻(xiàn)[2]中的方法進(jìn)行制備。原料白鰱經(jīng)復(fù)合蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶共同酶解后，所得酶解液水解度為10.23%，蛋白質(zhì)回收率≥80%，氨基酸總量達(dá)88.1 mg/g。

1.2.2 多糖復(fù)配種類探究

以κ-卡拉膠(KC)作為復(fù)配膠凝劑的主多糖，將刺槐豆膠(LBG)、海藻酸鈉(SA)、魔芋膠(KGM)和黃原膠(XG)與之復(fù)配后按1.2.1中的方法制膠，進(jìn)行凝膠強(qiáng)度、析水率和DSC分析，確定最優(yōu)的多糖復(fù)配種類。

1.2.3 多糖復(fù)配比例探究

將κ-卡拉膠與魔芋膠以一定比例復(fù)配后按1.2.1中的方法制膠，進(jìn)行凝膠強(qiáng)度、析水率和質(zhì)構(gòu)分析，確定最優(yōu)的多糖復(fù)配比例。

1.2.4 凝膠機(jī)理研究

1.2.4.1 分子間作用力研究

參考文獻(xiàn)[5]中的方法進(jìn)行測(cè)定。向復(fù)合凝膠中分別添加氯化鈉(NaCl)、尿素(Urea)、十二烷基硫酸鈉(SDS)和二硫蘇糖醇(DTT)，測(cè)定凝膠強(qiáng)度變化，分析靜電作用力、氫鍵、疏水相互作用和共價(jià)二硫鍵作用大小。

1.2.4.2 FTIR分析

復(fù)合凝膠樣品凍干，與KBr混合均勻、壓片，用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR Spectrometer)進(jìn)行圖譜分析，掃描范圍為500～4000 cm-1。

1.2.5 分析方法

凝膠強(qiáng)度參考文獻(xiàn)[6]中的方法進(jìn)行測(cè)定，析水率參考文獻(xiàn)[7]中的方法進(jìn)行測(cè)定。復(fù)合凝膠樣品凍干，稱取5.00 mg樣品于鉛制坩堝中， 20 ℃平衡5 min，以5 ℃/min加熱至130 ℃進(jìn)行DSC分析。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin 8.5作圖，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 多糖復(fù)配種類篩選結(jié)果

2.1.1 凝膠強(qiáng)度和析水率分析

κ-卡拉膠是具有半酯式硫酸基的陰離子多糖，其形成凝膠作用力強(qiáng)，彈性好，具有良好的持水性能，因此選用κ-卡拉膠作為復(fù)配膠凝劑的主多糖。復(fù)配膠凝劑對(duì)凝膠強(qiáng)度和析水率的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

4種復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度分別為227.4，325.6，220.4，251.3 g，由圖1可知，均高于單一κ-卡拉膠(199.8 g)的凝膠強(qiáng)度，4種復(fù)合凝膠的析水率分別為3.82%、2.98%、4.02%、4.25%，相比單一κ-卡拉膠(4.98%)均有降低。說(shuō)明κ-卡拉膠與刺槐豆膠、魔芋膠、黃原膠和海藻酸鈉復(fù)配后均能在不同程度上提高凝膠強(qiáng)度，降低析水率。其中κ-卡拉膠與魔芋膠復(fù)配后凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯，析水率最低。根據(jù)Wei Y等的研究結(jié)果，推測(cè)其復(fù)配增效可能原因是在升溫溶膠過(guò)程中，κ-卡拉膠與魔芋膠分子鏈展開(kāi)，κ-卡拉膠殘基上的半酯式硫酸基團(tuán)與魔芋膠分子鏈上的大量羥基形成氫鍵，產(chǎn)生大量穩(wěn)定結(jié)合點(diǎn)，形成更具穩(wěn)定性的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]。

圖1 復(fù)配多糖對(duì)凝膠強(qiáng)度和析水率的影響Fig.1 Effect of composite polysaccharides on the gel strength and syneresis rate

2.1.2 DSC分析

熱處理是食品加工過(guò)程中的常用方法，加熱會(huì)引起蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或使蛋白質(zhì)降解。根據(jù)DSC圖譜所示的吸、放熱變化，可得到被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性信息，其圖譜可直接反映出溫度變化過(guò)程中樣品的物理和化學(xué)變化過(guò)程[9]。5種復(fù)合凝膠的DSC測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 復(fù)合凝膠的DSC分析掃描曲線Fig.2 DSC analysis scanning curves of the composite gel

注：A為KC+KGM；B為KC+SA；C為KC+LBG；D為KC+XG；E為KC。

由圖2可知，4種復(fù)配體系的DSC曲線較單一κ-卡拉膠體系曲線的熔融吸熱峰都發(fā)生了明顯變化，說(shuō)明κ-卡拉膠與4種多糖復(fù)配后均發(fā)生了一定程度的交互作用。其中κ-卡拉膠和魔芋膠復(fù)配體系的熱變性溫度為85.5 ℃，高于κ-卡拉膠體系的80.9 ℃，而κ-卡拉膠和黃原膠、κ-卡拉膠和刺槐豆膠及κ-卡拉膠和海藻酸鈉3種復(fù)配體系的熱變性溫度分別為76.5，75.2，72.6 ℃，均低于κ-卡拉膠體系。說(shuō)明在4種復(fù)配體系中，只有κ-卡拉膠和魔芋膠復(fù)配體系形成了更為穩(wěn)定的聚合體，提高了復(fù)合凝膠的熱穩(wěn)定性。

綜上所述，κ-卡拉膠和魔芋膠的復(fù)配體系相比其他3種復(fù)配體系在凝膠強(qiáng)度、析水率及熱穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，最優(yōu)多糖復(fù)配種類為κ-卡拉膠和魔芋膠。

2.2 多糖復(fù)配比例結(jié)果

2.2.1 凝膠強(qiáng)度和析水率分析

今日民族：紅土地景區(qū)的變化，比較有時(shí)代感，從原始森林到攝影勝地，再到大眾旅游目的地，那就你的觀察未來(lái)的發(fā)展會(huì)是什么樣的？

κ-卡拉膠和魔芋膠按不同比例復(fù)配后對(duì)凝膠強(qiáng)度和析水率的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 κ-卡拉膠和魔芋膠復(fù)配比例對(duì)凝膠強(qiáng)度和析水率的影響Fig.3 Effect of KC/KGM compounding ratios on the gel strength and syneresis rate

由圖3可知，向κ-卡拉膠中加入低比例魔芋膠(KC∶KGM為9∶1)時(shí)，復(fù)合凝膠強(qiáng)度為492.4 g，相比單一κ-卡拉膠體系(199.8 g)提高近2.5倍，復(fù)配效果明顯；繼續(xù)增加魔芋膠的比例，凝膠強(qiáng)度下降，直至兩者比例KC∶KGM達(dá)到1∶9時(shí)幾乎不能形成凝膠。同時(shí)，復(fù)合凝膠析水率整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先降低后升高，二者比例達(dá)到5∶5時(shí)，析水率降至最低(2.87%)，此后隨著魔芋膠比例的增加，析水率迅速增大。可能原因是魔芋膠的主要化學(xué)成分為葡甘露聚糖，由D-葡萄糖和D-甘露糖通過(guò)β-1,4糖苷鍵聚合而成，甘露糖單位的第6位C上存在乙酰基，魔芋膠脫去乙酰基時(shí)較易形成凝膠，乙酰基過(guò)多則無(wú)法形成凝膠[10]。因此，隨著魔芋膠比例的增大，乙酰基數(shù)量增多，凝膠結(jié)構(gòu)無(wú)法形成，凝膠強(qiáng)度降低，析水率升高。

2.2.2 復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特征分析

在TPA模式中，通過(guò)彈性、膠著性和咀嚼性3個(gè)指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)衡量樣品的感官品質(zhì)。不同復(fù)配比例下5種復(fù)合凝膠TPA模式測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 κ-卡拉膠和魔芋膠復(fù)配對(duì)復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特征的影響Table 1 Effect of KC/KGM compounding ratios on the textural characteristics of composite gel

注：表中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，字母表示差異的顯著性(p<0.05)。

由表1可知，在復(fù)配比為9∶1～5∶5的范圍內(nèi)，復(fù)合凝膠的彈性、膠著性和咀嚼性均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；在復(fù)配比為5∶5時(shí)，3種指標(biāo)達(dá)到最大值，而后隨著魔芋膠比例的升高指標(biāo)值逐漸下降，復(fù)合凝膠感官品質(zhì)下降，說(shuō)明κ-卡拉膠和魔芋膠的復(fù)配比為5∶5時(shí)，復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)特征最優(yōu)。κ-卡拉膠帶有強(qiáng)陰離子基團(tuán)，與鰱魚(yú)酶解液中的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等物質(zhì)結(jié)合會(huì)形成硬度較大的凝膠，通過(guò)與少量魔芋膠復(fù)配，則可形成柔軟并富有韌性的凝膠結(jié)構(gòu)，能改善產(chǎn)品的彈性、膠著性和咀嚼性，使復(fù)合凝膠的感官品質(zhì)有所提高[11]。由于2種多糖的物質(zhì)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，隨著魔芋膠比例的增加，少量的κ-卡拉膠不能形成堅(jiān)實(shí)的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)特征反而降低。

由于凝膠強(qiáng)度過(guò)大會(huì)影響凝膠品質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用中凝膠強(qiáng)度并不是越大越好，綜合凝膠強(qiáng)度、析水率兩方面指標(biāo)及質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)考慮，κ-卡拉膠和魔芋膠的最優(yōu)復(fù)配比為5∶5。

2.3 凝膠機(jī)理研究

2.3.1 復(fù)合凝膠分子間作用力分析

圖4 氯化鈉、尿素、SDS和DTT對(duì)復(fù)合凝膠強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of NaCl,Urea,SDS and DTT on the strength of composite gel

由圖4可知，隨著NaCl、Urea、SDS和DTT濃度的增大，復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度呈逐步下降趨勢(shì)，凝膠強(qiáng)度下降程度為：NaCl>Urea>SDS>DTT，當(dāng)濃度繼續(xù)增大至1.0 mol/L時(shí)，凝膠強(qiáng)度損失率分別達(dá)到94.35%、43.38%、34.98%、31.21%，說(shuō)明復(fù)合凝膠的分子間作用力主要是靜電作用，其次是氫鍵作用，疏水作用和二硫鍵作用則較弱。

鰱魚(yú)酶解液中含有豐富的大分子蛋白質(zhì)、各種不同分子量的多肽及大量游離氨基酸，可與κ-卡拉膠分子結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)陰離子活性半酯式硫酸基團(tuán)通過(guò)強(qiáng)烈的靜電相互作用形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。κ-卡拉膠和魔芋膠是高分子多糖，含有大量羥基，可與酶解液中的蛋白質(zhì)等物質(zhì)形成分子間氫鍵，雖然氫鍵數(shù)目龐大，但是作用力較小，所以在凝膠結(jié)構(gòu)的形成中起次要作用。而鰱魚(yú)蛋白經(jīng)過(guò)酶解及熱處理，大分子蛋白被降解，三四級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞，使其疏水相互作用降低。由于κ-卡拉膠、魔芋膠和酶解液蛋白都是大分子，體積較大，體系間范德華力很小，因而范德華力不是凝膠結(jié)構(gòu)形成和維持穩(wěn)定的主要作用力。

2.3.2 FTIR分析

FTIR是用于研究分子結(jié)構(gòu)的常用手段，根據(jù)光譜圖中振動(dòng)譜帶的強(qiáng)度、寬度和峰位置等信息，可從分子水平分析高聚物的構(gòu)象變化。鰱魚(yú)酶解液(A)、復(fù)配多糖膠凝劑(B)和復(fù)合凝膠(C)的FTIR分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 FTIR圖譜Fig.5 FTIR infrared spectrogram

注：A 為鰱魚(yú)酶解液；B為復(fù)配多糖膠凝劑；C為復(fù)合凝膠。

由圖5可知，鰱魚(yú)酶解液紅外圖譜在官能團(tuán)區(qū)的特征吸收峰沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明加入復(fù)配多糖膠凝劑反應(yīng)前后，鰱魚(yú)酶解液中蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生劇烈變化。對(duì)比復(fù)合凝膠與復(fù)配多糖膠凝劑的紅外圖譜，發(fā)現(xiàn)在3430 cm-1附近處的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰增強(qiáng)，并向低波數(shù)方向移動(dòng)至3382 cm-1，同時(shí)振動(dòng)頻率明顯降低。根據(jù)魏玉等人對(duì)κ-卡拉膠與魔芋膠的協(xié)同作用研究[13]，推測(cè)該現(xiàn)象可能原因是κ-卡拉膠與魔芋膠混膠體系以κ-卡拉膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主，魔芋膠通過(guò)氫鍵與κ-卡拉膠相互作用，其中魔芋葡甘露聚糖鏈吸附于κ-卡拉膠分子自身形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)之上，κ-卡拉膠分子鏈上半酯式硫酸基和魔芋膠分子上的羥基發(fā)生相互作用，使氫鍵作用增強(qiáng)，分子間相互作用力增大，最終使得混合膠體的膠束較單體膠的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為致密。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鰱魚(yú)酶解液-多糖復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度、析水率和DSC結(jié)果分析可知，復(fù)合凝膠中多糖的最優(yōu)復(fù)配方式為：κ-卡拉膠和魔芋膠復(fù)配比1∶1(W/W)，在此條件下，凝膠強(qiáng)度為325.6 g，析水率為2.98%，具有較好的熱穩(wěn)定性和良好質(zhì)的構(gòu)特征。基于分子間作用力和FTIR分析結(jié)果，復(fù)合凝膠的膠凝機(jī)理為：維持凝膠穩(wěn)定性的相互作用力以靜電作用為主，其次是氫鍵，而疏水相互作用和二硫鍵作用較弱；FTIR結(jié)果表明，κ-卡拉膠中半酯式硫酸基和魔芋膠中的羥基通過(guò)氫鍵促進(jìn)了分子間的相互作用，增強(qiáng)了凝膠強(qiáng)度。該復(fù)合凝膠的研究解決了鰱魚(yú)酶解液凝膠強(qiáng)度差、易析水等關(guān)鍵問(wèn)題，具有提高凝膠強(qiáng)度、持水性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，并闡釋了鰱魚(yú)酶解液-多糖復(fù)合凝膠的成膠機(jī)理，可為鰱魚(yú)酶解液凝膠在調(diào)味醬類食品及凝膠食品中的綜合利用提供思路。