湯中物質的溶出、遷移以及微納米顆粒形成的研究進展

樊馨怡,陶寧萍,2,*,王錫昌,2

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306; 2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306)

在中國悠久的烹飪歷史中,湯不僅僅是人們日常生活中不可或缺的菜肴,還可以用作一種能夠賦予其它菜品鮮味的增鮮劑,其中最為普遍的就是將高湯作為火鍋、面食等的底湯。人們一直相信,喝湯不僅能夠通過刺激唾液的分泌增加食欲,還能促進胃腸的蠕動便于食物的消化吸收[1],具有一定的食療效果。

隨著研究技術的不斷發展,現代臨床醫學以及藥學的研究也驗證了部分湯的功效。例如:黃國榕[2]在研究黑鯽魚湯時發現黑鯽魚湯對治療肝硬化腹水有一定的療效。還有研究表明鯽魚湯[3]可以通過升高血白蛋白水平、抑制細胞因子IL-17的分泌以及降低IL-23、CXCR2的表達，從而對腎臟起到一定的保護作用。Yoshinaga等[4]研究發現長期飲用味噌湯可減輕鹽誘發高血壓伴血管損傷的血壓升高。也正是由于對湯生理功效研究的逐漸深入,對于復雜體系湯中何種物質發揮了主要作用引起了人們的思考。從中藥湯劑中的膠體體系[5-10]得到啟發,湯中的微納米顆粒(micro/nanoparticles,MNPs)逐漸進入人們的視線。研究發現[11]，在熬煮過程中,河蜆湯中形成了顆粒粒徑在納米范圍之內的聚集體,它可以有效促進L02肝細胞的增殖。Ke等[12]的研究表明，當過氧化氫自由基誘導劑AAPH攻擊口腔巨噬細胞時,骨湯中分離得到的微納米顆粒減輕的過氧化自由基誘導的膜超極化作用高達70%,并且能夠完全抑制線粒體的氧呼吸作用。

目前有關湯中MNPs的研究主要集中于化學性質、分離以及生理功能等方面。本文主要從湯中的營養成分出發,對湯中的MNPs組成、形成及其可能的形成機制的研究進行概括總結。

1 湯中的營養與風味成分

現階段對湯的研究大部分都集中于它的營養特性以及風味成分方面[13-20]。總的來說,湯中的營養物質主要包括脂類、蛋白質、多糖、核酸、礦物質、維生素以及一些生物活性物質(比如:L-肉堿、牛磺酸、谷胱甘肽、鵝肌肽、共軛亞油酸、肌肽等)。

湯中的蛋白質、多糖以及核酸等大分子營養物質的呈味性能較弱,但是它們都會在湯熬煮過程中水解生成一些小分子的滋味物質。如蛋白質、多糖、核酸會在熱作用下水解產生游離氨基酸、小分子糖以及核苷酸[21]。其中游離氨基酸:谷氨酸與天冬氨酸呈鮮味;絲氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸呈甜味;異亮氨酸、纈氨酸、精氨酸、亮氨酸、蛋氨酸以及組氨酸等疏水性氨基酸呈苦味。而湯中呈現鮮味的小分子滋味物質,除了游離氨基酸之外,還包括5′-腺苷酸、5′-肌苷酸、5′-黃苷酸、5′-鳥苷酸等在內的呈味核苷酸。在多糖等逐漸水解的過程中,湯的滋味品質也慢慢形成。其中小分子糖、糖醇類物質都具有一定的甜味,雖然不太明顯,但是它們也能夠在一定程度上增加湯的甜味。至于湯中的咸味主要是由人為添加的NaCl、KCl以及蘋果酸納等構成。雖然對于許多食品來講,酸、甜、苦、咸、鮮是我們所熟知的味覺元素,但是有研究表明不同的食品具有不同的滋味特征,其中湯的滋味特征包括鮮味、咸味和甜味。張克田[22]在研究排骨藕湯時發現鮮味、咸味和甜味是其滋味特征,這意味著人們在品嘗排骨藕湯時鮮味、咸味以及甜味是最明顯的味感。曾清清[23]研究雞骨高湯時也發現雞骨高湯的滋味特征是鮮味、甜味和咸味。

除了不揮發性的滋味物質之外,揮發性的氣味物質也是影響湯風味的主要因素。其中滋味物質不僅只是對湯的滋味構成有作用,同時還是揮發性氣味物質的重要前體物質。比如游離氨基酸會在湯熬煮過程中發生斯特雷克降解,生成具有香味的小分子醛類。糖類物質在湯熬煮過程中會發生熱降解從而生成呋喃類化合物。同時游離氨基酸還會與小分子還原糖類物質發生美拉德反應,生成吡嗪、吡啶、吠喃酮和噻吩等一系列的揮發性風味物質。核苷酸在加熱過程中也會發生降解,生成核糖與堿基,其中核糖易與氨基酸發生美拉德反應生成呋喃類化合物。在湯熬煮過程中,除了滋味物質的降解以及相互作用之外,不飽和脂肪酸的熱氧化也是湯中揮發性風味物質形成的另一重要反應。脂類物質會在湯熬煮過程中經過熱作用降解產生幾百種揮發性化合物,其中酸類是其主要的降解產物,且含有6～10個碳原子的飽和或非飽和酸類對湯的風味有重要作用,它們會賦予湯淡淡的果香味。徐紅梅[24]研究加熱對鳙魚湯品質影響時發現，鳙魚湯中的特征性氣味物質是由揮發性的羰基化合物以及醇類物質產生的。曾清清[23]研究了雞骨高湯,結果表明其特征氣味物質主要包括烴類、羰基類化合物以及一些雜環類化合物。李琴等[25]在研究酶解預處理對蘑菇湯揮發性風味物質的影響時發現，蘑菇湯中的揮發性風味物質主要包括正己醇、5-戊基-2(3H)-呋喃酮、3-甲級丁醛、十六酸甲酯、2-戊基呋喃、吡啶、三甲基吡嗪、甲基吡嗪、二甲基三硫化合物、糠醛、2-戊酮、2,6-二甲基吡嗪、2-乙酰吡咯等化合物。

2 湯熬煮過程中的物質遷移

2.1 遷移原理

湯的品種比較繁多,各地區也會根據自己的地方飲食特色形成許多風味獨特的湯品,比如淮南的牛肉湯、湖北的排骨藕湯、江西的瓦罐湯、單縣的羊肉湯以及四川的酸辣湯等。不同的湯在制作方法上有所差異,有的湯甚至在制作過程中還有一些獨特的細節和訣竅。但是熬湯的基本原理都可以通過費克定律來解釋:原料和水在剛開始加熱的時候,其表層營養物質的濃度大于水中的物質濃度,此時營養物質就會從原料的表層遷移到水中。當表層的營養物質進入水中之后,原料表層營養物質的濃度低于內層的濃度,從而導致其整個體系中營養物質濃度的不均勻,使營養物質從原料內層向外層遷移,接著再從表層向湯汁中遷移。在熬煮過程中經過一段時間的受熱之后,逐漸使原料中的營養物質遷移到湯汁中,并達到浸出的相對平衡,從而形成了相對穩定的湯。

2.2 遷移方式

按照湯熬煮時間的長短,人們將湯大致分成高湯以及毛湯。相較于毛湯而言,高湯具有濃度高、口感鮮醇以及能夠增加菜肴的鮮香和濃厚感等優點。從物質遷移的角度來解釋高湯和毛湯的區別,即熬煮時間越長,湯中物質遷移的完成度越高,MNPs的狀態也越趨于穩定狀態。通俗來講,物質從原料遷移到湯中,它并不是一次性全部“灌入”湯中,不同的物質遷移到湯中的時間點也會有所不同。研究表明,湯熬煮過程的物質遷移主要分為三個階段。

第一個階段主要是原料中的水溶性物質遷移進入湯里,比如水溶性蛋白、礦物質、維生素、多糖、核苷酸、游離氨基酸等,其中又以水溶性蛋白、多糖、核苷酸為主。

第二階段的溶出物主要是水溶性蛋白、多糖等,甘油三酯和脂肪酸在這一階段也開始慢慢地遷移到湯中。

第三個階段主要是甘油三酯、水溶性蛋白以及多糖從原料遷移到湯中。此時金屬離子(如Mg2+、Ca2+、Fe3+等)可能會因為共聚沉淀而從湯中分離。

祿彥科[26]研究發現在豬骨湯的熬煮過程中蛋白質、多糖以及一價金屬元素的遷移率基本上呈現線性關系;核酸的遷移率呈現前快后慢的特點;脂類的遷移過程則恰好與核酸相反,其遷移率呈現先慢后快的趨勢,并與顆粒數量的増加呈現正相關;而隨著熬煮時間的延長,湯中多價金屬離子的含量則呈現先升后降的趨勢。徐紅梅[24]在對鳙魚湯進行研究時發現，加熱過程中鳙魚湯中蛋白質和氨基態氮的溶出量是隨著溫度的升高和熬煮時間的延長而增加的,湯在熬煮兩小時后其中的營養物質溶出基本達到平衡。蔣靜[14]對鯽魚湯的研究表明在熬煮的過程中,魚湯中的固形物、總糖、粗蛋白以及水溶性蛋白含量不斷增多,其中糖類物質的溶出較快;并且在高壓熬煮階段,魚骨中礦物質向肉中溶出速率最快,肉質的灰分含量顯著增加。鄶鵬[27]的研究表明隨著加熱熬煮時間的延長,雞湯中的總糖、蛋白等含量的增加速率逐漸減緩。其原因是在高溫熱處理條件下,肉中的總糖逐漸溶到湯中，促進了湯中總糖含量的增加,但隨著肉中糖類含量的降低,溶解到湯中的含量隨之越來越低。同時,一部分糖類在高溫下參與美拉德反應或者自身進一步發生降解反應形成新的化合物,從而使總糖含量的增加量呈現逐漸減緩的趨勢。

3 湯中的微納米膠粒

與牛奶相似,在湯中能夠觀察到膠體系統的標志性丁達爾效應[28],因此湯也可以看作是一種膠體溶液,其中的水為分散介質,蛋白質、糖類、脂類等物質和各種離子單獨存在或者以結合體的形式存在于水中,就是分散相。作為一種沸水提取物,營養物質進入湯中不僅僅是一個簡單的浸提過程。食品原料是一種多相分散系統,它通常含有大量的兩親化合物,在加工中會受到各種結合力的影響(例如加熱、提取和均質化),通過共價和非共價相互作用,分子間會產生大量的自組裝膠體顆粒,其尺寸分布范圍從微米到納米,即微米/納米顆粒。祿彥科[26]在研究豬骨湯時發現骨湯熬煮過程有微納米膠粒的生成,并且膠粒的組分是骨湯固形物的主要組成部分,其中主要的成分是蛋白質(如骨膠原)、多糖、脂類以及核苷酸等兩性分子。孔玉婷[29]利用尼羅紅染色光學顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察研究骨湯時發現,骨湯中有大量的相互粘連顆粒的存在并且它們之間能夠形成較大的聚合體。對其粒徑分布以及化學成分進行更加深入的研究,結果表明骨湯的成分分子主要是以聚集物的狀態存在,而脂類、多糖、蛋白質等都是聚集物的組成成分。

與其它合成MNPs相比,源自湯的MNPs代表著更加復雜的膠體系統,在形態和化學結構上也表現出很大的差異,導致難以闡明它們的自組裝機制。目前有關于湯中MNPs分子的自組裝機制主要有兩種,但是鑒于湯中復雜性給自組裝的研究帶來了極大的困難,因此模擬單純的物質之間的聚集來進行一個闡述。這兩種聚集過程包括:同種大分子之間的聚集、不同大分子之間的聚集。

3.1 同種大分子之間的聚集

蛋白質的穩定性一方面取決于其分子間或是分子內的疏水作用、鹽鍵、氫鍵以及范德華力等次級鍵的作用,而另一方面則取決于肽鏈內二硫鍵的作用。當蛋白質從原料遷移到湯中時,在熱的作用下,其高級結構會發生去折疊。蛋白質的高級結構在受到了破壞之后,其分子表面結構也會隨之發生變化,主要表現為蛋白表面親水基團的相對減少。同時原本位于蛋白質分子內部的疏水基團也會大量暴露在其分子的表面,使得蛋白質不能與水相溶而失去水膜的保護。從而比較容易引起蛋白質分子間的相互碰撞并且纏結、解離或者聚合,形成可溶性的MNPs,即為蛋白質熱聚集。蛋白質的熱聚集一般是由疏水作用、氫鍵、范德華力、靜電作用以及共價鍵等作用力所驅動。

β-乳球蛋白(β-lactoglobulin,β-Lg)是脂質運載蛋白家族中的一種以二聚體形式存在的球形蛋白[30]。對于食物蛋白而言,特別是β-Lg的聚集行為的研究最為廣泛,其聚集的機制也是最清晰的。如圖1所示,首先β-Lg分子經加熱后發生解聚,以單體的形式存在,蛋白發生去折疊之后會形成一種柔性的結構,位于蛋白分子內部的疏水基團以及巰基等會暴露在分子的表面,從而蛋白質之間發生相互作用。初期,具有小分子量的寡聚體主要是通過二硫鍵的連接而形成的。當寡聚體濃度超過臨界濃度時,形成相對單分散的聚集體,可稱為初級聚集體。臨界結合濃度是隨著離子強度的增大以及體系pH的減小而減小,所以形成的初級聚集體粒徑較大。在pH5.8時,中性條件加熱后β-Lg形成了水力學半徑高達150 nm的近似球形的初級聚集體,這種聚集體是不規則的。如果蛋白質的濃度較高,這些初級聚集體還可以進一步形成尺度更大的多分散聚集體。

圖1 β-蛋白無定形熱聚集示意圖[31]Fig.1 Schematic diagram of amorphous heat accumulation of β-protein

Donato等[32]報道較高溫度處理β-Lg之后所得聚集體的水力學半徑較大,且其單體蛋白轉化為聚集體的數量較多。王立楓等[33]研究的結果表明,在牦牛乳清中α-乳白蛋白與β-Lg的熱聚合反應中,當加熱溫度高于β-Lg的變性溫度時會有蛋白的聚合現象產生,而β-Lg在該反應中起到了主導地位。Corredig M等[34]研究熱誘導牛奶中乳清蛋白和酪蛋白相互作用的機理時發現在一定的加熱條件下,牛奶中的乳清蛋白之間會發生相互作用,從而形成多種具有可溶性的復合物。并且該復合物在熱誘導的過程中,參與了α-乳白蛋白和β-Lg進一步與酪蛋白的反應,是該反應的中間體。

3.2 不同大分子之間的聚集

湯中的蛋白質、脂類、多糖會在熱作用下分解成小分子滋味物質的過程需要一定的時間,那么在它們分解釋放出小分子物質之前,共存于湯中的它們之間會產生怎樣的相互作用呢？一個常見的例子就是脂肪酸的烴鏈和可溶性蛋白質的疏水部分之間會發生相互作用從而結合在一起。這種相互作用是通過將膜蛋白錨定在磷脂雙分子膜上,從而形成細胞膜通道的驅動力[35]。然后通過類似的機制,兩親分子就會在湯中形成超分子復合物。

3.2.1 蛋白質與脂肪酸以及脂溶性維生素之間的相互作用 在蛋白質相互作用中提到過,作為脂質運載蛋白家族中的一員,β-Lg的聚集是目前研究的比較透徹的。除了與其它蛋白之間的作用之外,β-Lg因為具有較強的配體結合能力,也特別容易和脂溶性維生素以及脂肪酸結合[36]。其結合脂溶性維生素和脂肪酸的結構區域的具體位置經過圓二色譜、原子吸收光譜和分子模型預測等技術得到了進一步的明確,這兩種分子與β-Lg的結合部位不在同一位置,脂溶性維生素及脂肪酸的結合區域分別位于β-Lg分子內部的疏水孔穴以及表面的疏水裂縫。也正是這種特殊結合部位使得β-Lg對脂溶性維生素及脂肪酸具有較強的結合能力,并且β-Lg除了可以與脂溶性小分子結合之外,還能夠促進這些物質的吸收[37]。

對β-乳球蛋白與脂肪酸的研究主要分為三個方面:

a. 與脂溶性的小分子物質自主結合對其的影響。Barbiroli等[38]發現在β-Lg與軟脂酸自主結合之后,其對酶水解的抵抗能力有所提高,隨之提高的還有對熱和離液劑所引起變性的抵抗能力。

b. 與β-Lg自主結合對脂肪酸的影響。Maux等[39]的研究結果表明亞油酸鹽與β-Lg自主結合之后能夠減少細胞的毒性。

c. 改性的β-Lg對自主結合作用的影響。Maux等[39]研究熱變性后的β-Lg與軟脂酸鹽的自主結合時發現,它們之間的締合常數會增加。

3.2.2 蛋白質與多糖之間的相互作用 蛋白質和多糖通常都是多分散性的,由于連接在主鏈上不對稱分布的帶電基團,大部分蛋白質和多糖屬于聚合電解質甚至聚兩性電解質。不同條件下,兩者在水溶液中的表現形式主要有不相容、絡合以及共溶[40]。但是由于蛋白質和多糖在湯中的濃度較低,并且加熱會增加湯體系中的熱力學活力,此時湯中的混合熵占據著主導地位,因此蛋白質和多糖在湯中會結合生成可溶性的MNPs。

糖基化(glycosylation)是蛋白質翻譯后一種最常見的修飾類型。它發生在內質網,在糖基轉移酶和糖苷酶的共同調控下,糖類通過共價結合的方式連接到蛋白質的特定位點,形成糖蛋白[41]。Zhou等[9]的研究表明湯中MNPs的形成中起到關鍵性的作用。蛋白質糖基化可以改變蛋白質的疏水性及其二級結構,并且還能夠提高蛋白質的熱穩定性和抑制蛋白質的熱聚集。Chun-Li Song等[42]研究了在加熱條件下使大豆蛋白質糖基化后與原大豆蛋白相比較高的乳化穩定性和水溶性。劉穎等[43]研究南極磷蝦蛋白的糖基化,其結果表明，隨著加熱時間的延長，南極磷蝦糖基化蛋白的溶解性和吸油性得到了很好的改善。Jackson等[44]的研究表明糖結合在蛋白質上能夠防止濃度在30 mg/mL以下的β-酪蛋白的聚集。

4 展望

湯中MNPs的形成是湯具有生理功效的可能原因之一,對湯中MNPs形成機制的研究還較少。但是作為湯功效的一個“執行者”,MNPs在湯中的形成機制需要進行更加深入的研究。大量的研究表明二十碳五烯酸(EPA)以及二十二碳六烯酸(DHA)具有抗氧化、抗炎等生理功能。但是湯中所含的EPA和DHA等物質在進行了納米自組裝之后,其形成的MNPs是否保留了抗氧化等生理功能的研究仍然是一片空白,這也是接下來需要進一步研究的內容。湯中微納米顆粒的形成需要多糖、脂類以及蛋白質等熱穩定的分子作為“參與者”。這些分子在人體中的生物利用度各有所不同,那么MNPs的形成,是否會對多糖/脂類以及蛋白等物質在人體中的生物利用度有所影響等問題都亟需解決。