三聚磷酸鈉對熱誘導全蛋液凝膠性質的影響

劉 鑫,王步明,曹龍泉,耿 敏,蘇宇杰,李俊華,常翠華,顧璐萍,楊嚴俊,*

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122;2.高郵市秦郵蛋品有限公司,江蘇揚州 225600)

雞蛋是一種營養豐富易被消化吸收的高蛋白食物,對人體而言,雞蛋的蛋白質品質最佳,僅次于母乳,是人們日常生活不可或缺的營養食品之一,蛋與蛋制品在國民經濟中占有重要地位。雞蛋中的蛋白質具有多種功能特性,如凝膠作用、持水性、起泡性和乳化性等,在食品的制造加工中有重要的作用。變性的蛋白質分子聚集并形成有序的蛋白質網絡結構過程稱為膠凝作用[1]。膠凝性是蛋白質的重要功能性質,凝膠的形成可以改善食品的形態,質地,提高食品的持水力、增稠等諸多應用[2]。全蛋液作為一種液態蛋制品和加工原料,有良好的加工特性,保留了新鮮雞蛋的風味、營養以及功能性質,使其在快餐食品、烘焙糕點、冰淇淋、面包等食品的加工中具有重要的應用[3]。

磷酸鹽在食品加工中主要是作水分保持劑、品質改良劑、乳化分散劑、緩沖劑、螯合劑、營養增補劑、pH調節劑、發酵膨松劑等[4],在肉制品、速凍食品、飲料工業、蔬菜水果以及海產品加工中廣泛應用[5]。Kl?,B等[6]研究發現焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉可以減少雞肉牛肉蒸煮損失。Wang Peng等[7]發現磷酸鹽可以增加肉制品體系pH,促使肌原纖維蛋白凝膠形成緊密有序的網絡結構,增加凝膠硬度和持水力。相對于其他磷酸鹽來說,三聚磷酸鈉具有較高的水溶解性,是最常用的一種磷酸鹽[8]。段昌圣等[8]研究了三聚磷酸鈉添加量和冷藏時間對冷凍鴨肉色澤、持水性、質構參數等品質特性的影響,發現三聚磷酸鈉浸泡鴨肉后可顯著改善鴨肉的質構,提高鴨肉的持水性。劉麗莉等[9]和張根生等[10]采用三聚磷酸鈉對雞蛋清蛋白進行磷酸化改性,并針對蛋清液的溶解性,起泡性,乳化性等功能性質進行了探討,未對蛋清蛋白的凝膠性質進行研究。在雞蛋蛋白熱誘導凝膠機制的初始階段,蛋白質的二級和三級結構在加熱過程中受到破壞而發生變性,蛋白質內部的疏水區域暴露出來,使得蛋白質之間發生交聯,從而形成凝膠[11]。雞蛋蛋白質的凝膠形成需要一定的溫度[12],加熱溫度對于凝膠的硬度和彈性等性質都有顯著的影響[13]。本實驗研究了三聚磷酸鈉和溫度對全蛋液凝膠性質的影響,旨在為熱凝固蛋制品如雞蛋干的生產加工提供一定理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮雞蛋 市售;食品級三聚磷酸鈉 湖北興發化工集團股份有限公司;塑封袋 安徽美翔塑業有限公司;其它試劑 均為分析純。

TA-XT plus型物性分析儀 英國Stable Micro Systems公司;UltraScan Pro1166型高精度分光測色儀 美國HunterLab公司;MesoMR23-060V-I型低場核磁共振成像分析儀 上海紐邁電子科技有限公司;HWS24型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學儀器公司;C-MAG HS7型磁力攪拌器 德國IKA公司;EL3002型電子天平 瑞士METTLER TOLEDO;5430 R型高速離心機 德國eppendorf公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

1.2.1.1 不同溫度的處理 選擇新鮮無破損的雞蛋,洗凈后手工破殼,在室溫下用磁力攪拌器充分混勻,每份稱取5 g左右混合均勻的全蛋液置于10 mL小燒杯中,分別在80、85、90和95 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min。加熱完成后立即放入冰水中冷卻,并在4 ℃下儲存過夜使凝膠成熟,次日取出恢復至室溫后分別測定樣品的各項指標。

1.2.1.2 不同三聚磷酸鈉添加量的處理 選擇新鮮無破損的雞蛋,洗凈后手工破殼,在室溫下用磁力攪拌器充分混勻,每份稱取5 g左右混合均勻的全蛋液置于10 mL小燒杯中,分別加入質量分數為0、0.2%、0.4%、0.6%的三聚磷酸鈉,攪拌均勻后在90 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min,加熱完成后立即放入冰水中冷卻,并在4 ℃下儲存過夜使凝膠成熟,次日取出恢復至室溫后分別測定樣品的各項指標。

1.2.2 質構特性的測定(TPA) 質構測定采用TA-XT plus物性分析儀,對制備好的凝膠樣品采用TPA模式進行質構分析,參照鄧利玲[14]的方法并稍作修改。樣品是高度為10 mm,直徑為20 mm的圓柱體,采用直徑12.7 mm的P/36R平底型探頭。使用Texture Expert軟件版本1.22由力-時間變形曲線計算硬度,粘性,咀嚼性,彈性,內聚性和彈性。質構測定參數:測試前速5 mm/s;測試速度1 mm/s;測試后速1 mm/s;壓縮模式:樣品形變量50%,觸發點負載5 g。每個樣品平行5次測定相關質構指標。

1.2.3 色差測定 將凝膠樣品密封在塑封袋中,先使用UltraScan Pro1166型高精度分光測色儀進行標準黑板和白板背景校準,以空白塑封袋為空白對照,然后依次測量樣品的L*、a*和b*值,其中L*值表示亮度(0=黑色,100=白色),a*值表示紅綠色度(-a*=綠色,+a*=紅色),b*值表示黃藍色度(-b*=藍色,+b*=黃色)。每個樣品測定三個不同的點并取平均值[15]。

1.2.4 蒸煮損失的測定 計算公式如下[14]:

式(1)

式中:m1為蒸煮前燒杯和相應全蛋溶液的總質量(g);m2為煮制后的總質量(g);m為燒杯質量(g)。

1.2.5 持水性(Water Holding Capacity,WHC)的測定 持水性的測定參照Hu等[16]的方法并稍作修改。將制好的全蛋凝膠切成大小一致的小塊狀,用濾紙包裹后放于50 mL離心管中,以6000 r/min轉速離心10 min,然后用濾紙將表面水分吸干后稱重。凝膠持水性計算公式如下:

式(2)

式中:m1:離心前樣品凝膠重量(g);m2:離心后樣品凝膠重量(g)

1.2.6 低場核磁自旋-自旋弛豫特性分析 參照Goetz[17]的方法并略作修改,利用低場核磁共振成像分析儀檢測全蛋凝膠中不同水分種類的含量及分布情況,吸干樣品表面水分,將大約5 g的凝膠樣品用保鮮膜包好,放入直徑25 mm的專用圓柱形核磁玻璃管中,置于永久磁場中心位置的射頻線圈中心,利用FID信號調節共振中心頻率,利用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測定樣品的自旋-自旋弛豫時間(T2),設置參數為:主頻SF:21 MHZ;回波時間TE:0.5 ms;等待時間TW:5000 ms;信號疊加NS:4;前置放大倍數PRG:1。用儀器配套的Multi ExPInv Analysis軟件擬合反演CPMG指數衰減曲線,得到樣品的T2弛豫信息。

1.3 數據處理

所有數據利用Microsoft Excel 2007進行統計處理,采用Origin 8.0進行作圖分析,SPSS 17.0進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 溫度和三聚磷酸鈉對凝膠質構的影響

雞蛋蛋白質的熱誘導凝膠過程是一個伴隨復雜化學反應的過程,主要靠氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用、二硫鍵等作用力形成和維持蛋白質凝膠穩定結構,凝膠過程是一個動態過程,受外界環境pH、離子強度及加熱溫度和時間的影響[18]。雞蛋蛋白質凝膠的形成主要就是蛋白質分子的聚集過程,在聚集的過程中,依靠蛋白質-蛋白質、蛋白質-溶劑間的相互作用,當吸引力和排斥力達到平衡狀態時,蛋白質分子之間就形成了高度有序的三維網絡結構。

由表1可以看出,全蛋凝膠的硬度、膠著性和咀嚼性隨著溫度的升高均有顯著升高(p<0.05),在95 ℃時達到最大,彈性、內聚性和回復性均上升,但是差異不顯著(p>0.05)。雞蛋蛋白質在一定的溫度下形成熱誘導凝膠,且雞蛋中含有的蛋白質種類較多,各種蛋白質具有不同的變性溫度[19],因此加熱溫度會對凝膠質構特性產生較大的影響。在加熱的過程中,天然蛋白質受熱展開,二級和三級結構被破壞,內部的疏水區域暴露出來,隨著溫度的升高,變性的蛋白質分子與相鄰的結構相似的未展開蛋白質分子相互作用增強,導致高分子量聚集體數量增多,且凝集物之間發生進一步的反應,使得蛋白凝膠網絡結構更加穩定,全蛋的凝膠強度增加[13]。

表1 溫度對全蛋凝膠質構的影響Table 1 Effect of different heating temperatures on the texture of whole egg gel

由表2可得,相比對照組,添加STPP后凝膠品質得到明顯改善,硬度、膠著性、咀嚼性、內聚性、回復性均有顯著提高(p<0.05),STPP為堿性磷酸鹽,添加STPP后體系pH升高,呈弱堿性,偏離蛋白質等電點,從而增加了蛋白質表面負電荷,使蛋白質之間的靜電相互作用增強,從而使凝膠強度增大[20]。當STPP添加量為0.2%時,全蛋液凝膠的硬度達到最大值,隨著STPP添加量從0.2%增加到0.6%,凝膠硬度反而呈現下降趨勢。其原因可能是雖然STPP添加量增多,但是蛋白質側鏈可引入的磷酸根基團已趨于飽和,過量的磷酸基團也不會再進行交聯,相反會破壞凝膠分子間的氫鍵相互作用[21],從而導致凝膠強度開始下降。

表2 三聚磷酸鈉對全蛋凝膠質構的影響Table 2 Effect of different STPP concentrations on the texture of whole egg gel

2.2 溫度和三聚磷酸鈉對凝膠色澤及外觀的影響

不同溫度和STPP添加量對全蛋液凝膠外觀的影響如圖1和圖2所示,當加熱溫度從80 ℃上升到95 ℃時,凝膠外觀顏色由淡黃色逐漸變為墨綠色,且在95 ℃時,可以觀察到很多孔洞結構,可能是因為溫度為95 ℃時,接近蛋液中水分的沸點,溶解在蛋液中的空氣溢出,在蛋液形成熱誘導凝膠的過程中,空氣被包裹在全蛋凝膠結構中,形成肉眼可見的多孔結構。當STPP添加量從0.2%增加到0.6%時,凝膠外觀孔洞逐漸減少，是因為隨著STPP添加量的增多，液膜包裹空氣能力下降，蛋白起泡性降低[10]。

圖1 不同加熱溫度下全蛋凝膠照片

圖2 不同三聚磷酸鈉添加比例下全蛋凝膠照片

高精度分光測色儀測定結果如圖3和圖4所示,由兩圖中可以看出,在不同溫度和STPP添加量下,凝膠的亮度L*、紅值a*、黃值b*均有顯著變化(p<0.05)。當溫度從80 ℃增加到95 ℃時,凝膠的亮度L*、紅值a*和黃值b*都逐漸降低,而添加STPP時出現相反的規律,隨著STPP添加量的增多,凝膠的亮度、紅值和黃值都逐漸增加,這和王也[20]的研究結論相一致。出現這些顏色的變化可能是受到硫化亞鐵和脂溶性類胡蘿卜素及其衍生物的聯合影響[22]。雞蛋中大部分鐵元素和類胡蘿卜素都存在于蛋黃中,隨著溫度的升高,半胱氨酸和甲硫氨酸這些含硫氨基酸降解產生硫,與金屬亞鐵離子結合生成綠色硫化亞鐵,與蛋黃中的黃色素形成黃綠色外觀。在添加STPP的一組樣品中,磷酸鹽具有較好的金屬離子螯合能力,與金屬離子形成絡合物,減少了金屬硫化物的產生,能夠顯著改善全蛋凝膠色澤。

圖3 不同加熱溫度對全蛋凝膠色澤的影響

圖4 不同三聚磷酸鈉添加比例對全蛋凝膠色澤的影響

2.3 溫度和三聚磷酸鈉對凝膠蒸煮損失和持水性的影響

溫度和STPP添加量對全蛋液凝膠的蒸煮損失和持水性的影響如圖5和圖6所示,隨著加熱溫度的增加,凝膠蒸煮損失也逐漸增加,持水性呈現逐漸下降趨勢,可能是蒸煮過程中,溫度增加導致水分散失速度加快,且95 ℃加熱時,凝膠持水性顯著下降(p<0.05),從直觀圖中可以看出,加熱溫度為95 ℃時形成的凝膠有較多孔洞結構,孔洞內部會包裹較多的水分,在高速離心的過程中容易析出,故持水性較差。

圖5 不同加熱溫度對全蛋凝膠蒸煮損失和持水性的影響

圖6 不同三聚磷酸鈉添加比例對全蛋凝膠蒸煮損失和持水性的影響

而添加了磷酸鹽的樣品蒸煮損失較小,相對于對照組有顯著降低(p<0.05),凝膠持水性相對于對照組也有提高,當STPP添加量增多時,凝膠持水性也有一定改善,但是增加不顯著(p>0.05)。STPP溶液偏堿性,使得溶液pH大于蛋白質等電點,pH的增加使蛋白質所帶電量增加,同時磷酸基團的引入使蛋白質體系的電負性增強,分子間的靜電斥力增大,形成了良好的凝膠網絡結構,因此持水性變大。這與磷酸鹽提高肌原纖維蛋白凝膠持水性的原理類似[5]。

2.4 全蛋凝膠LF-NMR分析

LF-NMR是利用氫質子(以水中的氫質子為主)與基質的結合強度不同,引起共振的射頻在激發時和激發后其相位變化,能量傳遞后復原所需時間,即弛豫時間T2的差異來分辨水分的存在狀態,且水分含量的不同會導致信號幅度、反演峰面積的不同。橫向弛豫時間T21(10 ms以下)代表結合水,表示主要通過化學作用力結合到蛋白質分子上的水分子,T22(10～100 ms)代表不易流動的中間態水,表示存在于蛋白質致密的網絡結構之間的不易流動的水分子,T23(100～1000 ms)代表自由水,存在于凝膠空間網絡結構外部能自由流動的水[23],A21、A22、A23分別代表不同峰的比例。

由圖7和表3可以得出,全蛋凝膠T2譜有3個峰,其中不易流動水含量最多,占全部水分的90%以上,溫度對全蛋凝膠不易流動水和自由水影響較大,加熱溫度從80 ℃升高到90 ℃時,T21和T22峰值弛豫時間保持不變,T23逐漸增加,加熱溫度為95 ℃時,T23峰面積顯著升高,T22峰面積顯著降低,這可能是由95 ℃加熱時凝膠形成的多孔結構導致的,孔洞結構中包裹了較多的自由水,也使得束縛在蛋白質凝膠網絡結構中的不易流動水含量減少。

表3 不同加熱溫度下全蛋凝膠的橫向弛豫時間及峰面積比例Table 3 Relaxation time and peak proportion of whole egg gel at different heating temperatures

圖7 不同加熱溫度下全蛋凝膠的T2弛豫分布曲線

從圖8和表4中可以看出,STPP添加量從0.2%增加到0.6%時,T21弛豫峰左移,可能是由于蛋白質的溶解度提高,蛋白質和水結合更加緊密[22]。T22峰值弛豫時間保持不變,都為43.29 ms,而峰面積逐漸增大,說明不易流動水隨著STPP的增加而逐漸增多;相對于對照組,添加磷酸鹽后T23峰面積變小表明自由水流動性降低,原因是添加磷酸鹽后,蛋白質帶電量增加,分子間斥力增大,形成持水的空間網絡結構,更多的自由水被束縛在網絡結構中,表明添加STPP后凝膠持水性有所提高,蛋白質分子與水分子結合更加緊密。

圖8 不同三聚磷酸鈉添加比例下全蛋凝膠的T2弛豫分布曲線

3 結論

本文研究了三聚磷酸鈉對熱誘導全蛋液凝膠性質的影響,發現溫度和STPP對凝膠質構特征、顏色、持水性以及水分存在狀態均有一定影響。當加熱溫度從80 ℃升高到95 ℃時,蛋白凝膠網絡結構變得更加穩定,全蛋的凝膠硬度從1669.48 g升高到2544.81 g,顏色由黃色逐漸變為墨綠色,當STPP添加比例從0.0%增加到0.6%時,凝膠的硬度和彈性呈現先增大后減小的趨勢,在添加量為0.2%時,凝膠硬度、彈性都達到最高,并利用LF-NMR技術檢測了凝膠內部水分的狀態變化,當加熱溫度從80 ℃升高到90 ℃時,T21和T22峰值弛豫時間保持不變,T23逐漸增加,當加熱溫度為95 ℃時,自由水含量增加,中間態水減少;當STPP添加量從0.2%增加到0.6%時,結合水結合更加緊密,中間態水逐漸增多。結果表明STPP的添加改善了凝膠的質構特征和顏色特征,增強了凝膠持水力,這為熱凝固蛋制品的開發與研究提供參考。