豌豆蛋白的添加對豬肉鹽溶蛋白凝膠特性的影響

計紅芳,李莎莎,張令文,王雪菲,陳復生,馬漢軍,*

(1.河南科技學院食品學院,河南新鄉 453003;2.河南工業大學食品科學與工程博士后流動站,河南鄭州 450001)

蛋白質是肉中的主要成分,約占肉重的18%～20%。肉制品生產的成功與否,主要取決于肉蛋白質的凝膠性、保水性、保脂性和乳化性等。在肉制品加工中,常采用添加外源性物質,例如添加淀粉、膳食纖維、膠體、非肉蛋白等作為增稠劑、賦形劑和填充劑來提高產品出品率、降低脂肪含量,改善產品品質[1]。栗俊廣等[2]研究發現,木薯淀粉可以改善豬肉鹽溶蛋白凝膠的質構和保水性;Choi等[3]研究表明,添加1%米糠纖維的豬肉鹽溶蛋白凝膠的水分含量、溶解性和保水能力達到最高;Gao等[4]研究發現,0.7%的卡拉膠和5%的大豆分離蛋白混合添加可以明顯提高豬肉鹽溶蛋白凝膠的強度和保水性;張巍[5]研究表明,添加大豆分離蛋白可顯著提高豬肉鹽溶蛋白凝膠的硬度、彈性及保水能力。非肉蛋白和肉類鹽溶蛋白的相互作用是通過非肉蛋白添充或改變共凝膠體系的內部構造,從而影響肉制品的品質。豌豆蛋白對豬鹽溶蛋白凝膠品質的影響相關研究較少,是否有與大豆分離蛋白改善凝膠品質相似的功效,有待進一步研究。

豌豆蛋白占豌豆組成的23%～25%,必需氨基酸比例協調,基本可稱為全價蛋白,符合FAO/WHO的推薦標準,兼具調節腸胃、降低血壓及動脈粥樣硬化、腫瘤等發病風險。豌豆蛋白具有良好的溶解性、起泡性、乳化性和膠凝性等,是一種優質的植物蛋白資源[6-7]。近年來,豌豆蛋白的應用價值逐漸被挖掘,相關研究主要集中在豌豆蛋白的提取制備[8-9]、功能特性及改性[7,10]和酶解制備活性產物[11],以及在肉乳制品、水產品、面制品、焙烤制品等領域的應用[12-13]。然而在肉制品領域中的應用研究較少,豌豆蛋白添加到香腸中,可改善香腸的熱穩定性、顏色、質構和感官品質等[14-16]。本文研究了豌豆蛋白對豬肉鹽溶蛋白凝膠特性的影響,為豌豆蛋白在肉制品中的應用提供理論依據,以期提高豌豆蛋白的綜合利用價值,旨在使豌豆蛋白在食品生產過程中得到普遍的應用與推廣。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豬背最長肌(日齡約180 d的三元雜交豬) 新鄉世紀華聯超市;豌豆蛋白(蛋白含量80%) 煙臺東方蛋白科技有限公司；氯化鈉、氫氧化鈉、戊二醛、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、乙醇、氯仿等 均為國產分析純。

DZKW-4型電子恒溫水浴鍋 北京中興偉業儀器有限公司;UMC-5C斬拌機 德國Stephan公司;TA-XT plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司;絞肉機 山東嘉信食品機械有限公司;BP221S型電子天平 德國Sartorius公司;WFG7200型可見分光光度計 上海優尼柯儀器有限公司;T25型高速分散器 德國IKA公司;CR-400色差儀 日本Konica Minolta公司;Quanta 200掃描電子顯微鏡 美國FEI公司;PQ001臺式NMR分析儀 上海紐邁電子有限公司;Haake Mars 60旋轉流變儀、臺式高速冷凍離心機 德國Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豬肉鹽溶蛋白提取及凝膠的制備 鹽溶性蛋白的提取參考Sun等[17]和栗俊廣等[18]的方法,并進行適當修改。將新鮮豬背最長肌剔除脂肪和結締組織,切塊,用絞肉機絞成肉糜,加入4倍質量的提取液(0.6 mol/L NaCl),混勻均質,調pH7.0,4 ℃放置24 h,10 000 r/min離心10 min,上清液即鹽溶蛋白。

將豌豆蛋白0、0.6、1.2、1.8、2.4、3 g(質量體積比分別為0、2%、4%、6%、8%,10%,g/mL),加入到30 mL 50 mg/mL鹽溶蛋白溶液中,充分混勻,均質,4 ℃冰箱靜置12 h,25～85 ℃水浴,85 ℃保持5 min,冷卻至室溫,4 ℃冰箱,放置12 h,制備凝膠。

1.2.2 色澤的測定 采用CR-400色差儀,以標準白板作為對照,對樣品進行測定。每組隨機取三塊平行樣品,每塊樣品在固定的某一表面隨機選取三個點測定,記錄L*、a*和b*值,分別為亮度指數、紅度指數和黃度指數[19]。

1.2.3 蒸煮得率的測定 參考Zhu等[20]的方法并稍作改動。將混合蛋白樣品裝入50 mL離心管,稱重,即為蒸煮前的重量。將此樣品在25～85 ℃水浴,85 ℃保持5 min,煮制后冷卻至室溫,在4 ℃條件下放置12 h,室溫下環境回溫2 h,用濾紙吸干表面水分,稱量并記錄重量,即為蒸煮后重量。

蒸煮得率(%)=蒸煮后的重量/蒸煮前的重量×100

1.2.4 保水性的測定 參考王希希等[21]的方法并稍作改動。將制備好的凝膠稱重,記為M1,置于離心管中,4 ℃、5000×g離心15 min,濾紙吸干表面水分,再次稱量,記為M2,離心后凝膠重量占原重的百分比,即為保水性(water holding capacity,WHC)。

WHC(%)=M2/M1×100

1.2.5 質構的測定 參考Zhou等[22]的方法并稍作修改。對凝膠樣品(Φ2 cm×2 cm)進行質構測試,探頭類型為P/36R,參數:測試前速2 mm/s,測試速度2 mm/s,測試后速2 mm/s,壓縮樣品高度為40%,時間5 s,觸發類型為自動,觸發力5 g。測定指標為硬度、咀嚼性、彈性和恢復性。每組樣品測定6次求平均值。

1.2.6 流變特性的測定 參考Kang等[23]的方法并稍作修改。用50 mm不銹鋼圓形平板探頭,間隙為0.6 mm,將樣品均勻涂抹在2個平板間,外周涂一層薄的硅油,以防止水分蒸發。在25 ℃保溫10 min,然后從25～85 ℃升溫,加熱速率為2 ℃/min。在加熱過程中,在一個固定的頻率為0.1 Hz和一個振蕩模式下對樣品進行連續剪切,記錄儲能模量G′的變化。每個處理測定3次。

1.2.7 微觀結構的測定 將凝膠樣品切成2 mm的小條,用2.5%的戊二醛(pH6.8)浸泡24 h。先用0.1 mol/L pH6.8的磷酸緩沖液洗3次,每次為15 min,再用50%～90%的乙醇脫水,每次為15 min,無水乙醇脫水3次,每次10 min。采用氯仿進行脫脂1 h,無水乙醇∶叔丁醇=1∶1 (v/v),以及叔丁醇各進行一次置換,每次為15 min。真空干燥后進行掃描觀察[24]。

1.2.8 NMR自旋-自旋馳豫時間(T2)的測定 參考邵俊花等[25]的方法并稍做修改。質子共振頻率為22 MHz,測量溫度為32 ℃。將大約2 g樣品放入直徑為15 mm的核磁管中,并將其放入儀器。自旋-自旋弛豫時間T2用CPMG序列進行測量。使用參數為:η～值(90°脈沖和180°脈沖之間的時間)為200 μs,重復掃描32次,重復間隔時間為110 ms,得到12000個回波。每組樣品測定6次求平均值。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白凝膠色澤的影響

色澤是評價凝膠外觀的一個較為重要的指標。由圖1可知,凝膠的L*、a*值均隨豌豆蛋白添加量的增加而下降,L*值在添加量為10%時為77.12,與對照相比下降3.01%;添加量為8%和10%時a*值差異不顯著(p>0.05),二者與對照相比下降顯著(p<0.05);b*值隨豌豆蛋白添加量的增加而升高,未添加豌豆蛋白時,凝膠b*值為-3.16,添加量為10%時,達到7.83。有文獻表明,肌紅蛋白在加熱過程中結構伸展變性,轉化為褐色的高鐵肌紅蛋白等復雜產物,致使紅度下降[26],這可能是豌豆蛋白-豬鹽溶蛋白共混凝膠a*值下降的原因之一。另外,豌豆蛋白呈淡黃色,其添加量越大,共混凝膠的顏色就越黃越暗。雷躍磊等[27]研究發現,添加大豆蛋白可使魚肉豬肉復合凝膠的L*值下降,b*值上升,與本試驗結果一致。

圖1 豌豆蛋白添加量對凝膠色度的影響Fig.1 Effects of pea protein addition on the color of gel注:不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05),圖2同。

2.2 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白凝膠保水性和蒸煮得率的影響

由圖2可知,隨豌豆蛋白添加量的增加,凝膠的保水性和蒸煮得率均呈上升趨勢。添加量為4%時保水性為86.84%、蒸煮得率為88.31%,與對照相比分別上升了5.4%和3.7%(p<0.05)。添加量為4%的保水性,與6%～10%相比,差異不顯著(p>0.05);添加量為4%的蒸煮得率,與6%、8%相比,差異不顯著(p>0.05),但與10%相比,差異顯著(p<0.05)。有研究表明,在凝膠形成過程中,蛋白質相互聚集、相互交聯形成有序三維網狀結構,豌豆蛋白填充于網絡結構間隙,可以束縛水分子的運動,更好的把水分截留在網絡體系中,減少水分流失[28]。因此,隨豌豆蛋白添加量的增加,保水性升高,蒸煮得率也隨之上升。

圖2 豌豆蛋白添加量對凝膠保水性和蒸煮得率的影響Fig.2 Effects of pea protein addition on the water holding capacity and cooking yield of gel

2.3 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白凝膠質構的影響

由表1可知,隨豌豆蛋白添加量的增加,凝膠的硬度、咀嚼性均呈上升趨勢。硬度、咀嚼性在豌豆蛋白添加量為10%時最大,分別為988、688 g,是對照的2.57和2.74倍;凝膠的彈性與回復性隨豌豆蛋白添加量的增加,均呈先升高后下降的趨勢,但都顯著高于對照組(p<0.05),在添加量為4%時達到最大值,分別為0.961、0.405,與對照相比增加了2.67%和12.19%。

表1 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白凝膠質構的影響Table 1 Effects of pea protein addition on texture of pork salt-soluble protein gel

在加熱形成共混凝膠的過程中,豌豆蛋白良好的乳化性、膠凝性和保水性,會得以更好體現。豌豆蛋白的添加,可對凝膠網絡結構進行機械充填與包埋,硬度、咀嚼性、彈性與恢復性等均增加,但豌豆蛋白過量添加,超過4%以后,由于其自身吸水性較強,阻礙了豬肉鹽溶蛋白和水之間的相互作用[29],使體系游離的水變少,凝膠變得又韌又硬,硬度和咀嚼性升高,彈性與恢復性則下降。吳振等[30]研究發現,在大豆分離蛋白與雞肉鹽溶蛋白共混凝膠形成過程中,由于大豆分離蛋白自身凝膠結構的形成,促進了與鹽溶蛋白的相互作用,增強了共混凝膠的質構特性。刁新平等[31]研究了大豆蛋白對牛肉凝膠特性的影響,結果表明,隨大豆蛋白添加量的增加,凝膠彈性大體呈先增加后下降趨勢,到3%后,彈性顯著降低。大豆蛋白添加量的增加,會造成固形物的增加,可能與牛肉蛋白競爭可利用的水分,從而對蛋白相產生濃縮效應,降低了凝膠的彈性,與本文研究結果一致。

2.4 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白凝膠流變特性的影響

凝膠的形成主要經歷兩個過程,首先蛋白質受熱變性展開,然后展開的蛋白質因為凝集作用而形成較大分子的凝膠體。儲能模量G′既反映了不同溫度下蛋白分子展開和凝集的過程[32-33],也反映了蛋白凝膠的彈性和凝膠性的強弱[34]。由圖3可知,在整個加熱過程中,鹽溶蛋白凝膠的儲能模量出現3個階段的變化。在26～41 ℃區間,儲能模量G′基本保持不變,隨著溫度從42 ℃增加到56 ℃,G′逐漸上升,并且在56 ℃達到第一個峰值,這是凝膠網絡形成的初始階段,此時肌球蛋白頭部通過二聚體作用開始交聯,形成彈性或蛋白質網絡結構[35];繼續加熱,G′值下降,并在62 ℃左右達到最小值,這是由于肌球蛋白分子尾部發生變性,導致蛋白分子發生重組,破壞了先前形成的蛋白網絡結構;隨后在63～80 ℃,G′值快速上升,此時鹽溶性蛋白由粘性溶膠轉變成一個黏彈性好的凝膠網狀結構[36]。共混凝膠G′的初始值和終值均高于對照,且隨豌豆蛋白添加量的增加而升高,總體變化趨勢與鹽溶蛋白相似,與硬度結果一致,表明豌豆蛋白能夠提高豬肉鹽溶蛋白形成凝膠的能力,可以顯著改善凝膠的質構特性。李可等[37]研究發現,隨竹筍膳食纖維添加量的增加,豬肉鹽溶蛋白凝膠的G′值明顯增加;Gao等[4]研究表明,大豆分離蛋白能提高豬肉鹽溶蛋白的膠凝能力;Chang等[38]研究發現,豆渣可以使豬肉肉糜凝膠的G′值顯著增加,添加量越大,G′值越高,均與本文的研究結果一致。

圖3 豌豆蛋白添加量對鹽溶蛋白凝膠儲能模量的影響Fig.3 Effects of pea protein addition on storage modulus of pork salt-soluble protein gel

2.5 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白凝膠微觀結構的影響

由圖4可知,未添加豌豆蛋白的凝膠網絡結構較為粗糙松散,并且出現較多的孔洞。添加豌豆蛋白后,豌豆蛋白對網絡結構有支撐作用,填補了蛋白網絡結構間的空隙。添加量為4%時,空洞基本消失,形成了高度致密、均一、有序的三維網絡結構。添加量大于4%時,多余的豌豆蛋白顆粒散落在凝膠體系,不能進行有效的填充和包埋,添加量越高,散落的豌豆蛋白顆粒越多,凝膠結構越粗糙。可見,適量的豌豆蛋白可以有效填充凝膠網絡結構,與本實驗中保水性、質構的結果一致。與松散粗糙的凝膠結構相比,均勻致密的凝膠體系具有較高的持水能力,小孔可以更牢固地鎖住水分[39]。Gao等[4]研究表明,大豆分離蛋白與豬肉鹽溶蛋白間的化學作用力包括二硫鍵與疏水相互作用。馮婷等[29]研究發現,添加2.5%的花生濃縮蛋白可以使雞肉鹽溶蛋白凝膠的三維網絡結構更加緊密、有序,蛋白質交聯度更高。Sun等[32]研究認為,花生蛋白可與雞肉鹽溶蛋白發生交聯,使鹽溶蛋白凝膠孔洞變小,改善凝膠網絡結構。

圖4 豌豆蛋白添加量對凝膠微觀結構的影響Fig.4 Effects of pea protein addition on the microstructure of gel

2.6 豌豆蛋白添加量對豬鹽溶蛋白共混凝膠水分遷移的影響

豌豆蛋白對豬鹽溶蛋白凝膠體系中水分分布和遷移的影響,可通過質子NMR測量自旋-自旋弛豫時間(T2)來反映。T2弛豫時間越短,表明水與底物結合越緊密,T2越長,表明水分越松散[40]。結合水弛豫時間在0～10 ms之間,表征凝膠網絡結構內部的水,用T2b表示;T21和 T22弛豫時間分別在10～100 ms和250～400 ms之間,分別表示不易流動水和游離水,即凝膠網絡結構間的水分和自由水[41]。由表2與圖5可知,本實驗出現3個特征峰,即T2b、T21和T22。隨豌豆蛋白添加量的增加,T2b、T21、T22均呈現出峰值向較短時間方向移動的趨勢,添加量為10%時,T2b、T21、T22均降至最低。峰面積代表此部分水所占百分比,隨豌豆蛋白添加量的增加,P2b雖然也在增加,但最高也只有1%左右,表明結合水在凝膠體系中所占百分比極小,不是凝膠中水分主要存在形態。P21持續增加,P22持續下降,添加量為4%與10%的P21差異不顯著(p>0.05),在87.43%～90.95%之間,表明不易流動水是凝膠中水分主要存在形態,且添加量為4%的豌豆蛋白就能夠將更多的自由水束縛在凝膠結構中,限制了水分的移動,充分降低了凝膠的水分損失,提高了凝膠的保水能力。栗俊廣等[2]研究表明,木薯淀粉添加量為1.5%時,可以顯著增加豬肉鹽溶蛋白凝膠不易流動水的比例,降低自由水的比例,提高了共混凝膠的保水性。

表2 豌豆蛋白對豬鹽溶蛋白共混凝膠水分遷移的影響Table 2 Effects of pea protein on the water migration of pork salt-soluble protein blend gel

圖5 豌豆蛋白添加量對凝膠弛豫時間T2及峰面積的影響Fig.5 Effect of pea protein addition on the transverse relaxation times(T2)and peak area of gel

3 結論

豌豆蛋白可以有效改善豬肉鹽溶蛋白的凝膠品質,提高共混凝膠的形成能力。添加豌豆蛋白,可以提高共混凝膠不易流動水的比例,降低自由水的比例,提高了凝膠保水性與蒸煮得率,改善了凝膠的質構;豌豆蛋白添加量為4%時,凝膠網絡結構均勻致密,高度有序。將豌豆蛋白添加到豬肉鹽溶蛋白形成共混凝膠,不僅可以增加凝膠類產品的營養價值與保健功能,還可以對豌豆蛋白進行深度的利用與挖掘,可為豌豆蛋白在肉制品中的應用提供理論支撐。豌豆蛋白來源廣泛,價格低廉,在肉制品行業應用前景十分廣闊。然而,在豌豆蛋白與豬肉鹽溶蛋白形成共混凝膠過程中,豬肉鹽溶蛋白構象變化規律及豌豆蛋白-豬肉鹽溶蛋白凝膠網絡結構形成中最主要相互化學作用力,還不完全清楚,將是今后重點的研究方向。