超聲處理對肌原纖維蛋白凝膠特性和結構的影響

刁小琴，關海寧，喬秀麗，劉東琦，劉旺

綏化學院食品與制藥工程學院（綏化 152061）

超聲波技術因具有操作效率高、成本低、綠色環保等優點被廣泛應用于食品領域[1]。它通過產生的機械、空化、熱和化學效應對食品中的大分子進行改性，不僅可以改變其理化特性，同時還可以改變結構，效果顯著[2-3]。肌原纖維蛋白是豬肌肉的重要組成成分之一，具有持水性、乳化性以及凝膠性等多重功能特性。蛋白質的凝膠特性在肉制品加工中決定成品的質構和感官。張崟等[4]報道超聲波處理能提高魚糜凝膠強度，Madadlou等[5]也報道超聲處理能夠提高酪蛋白凝膠的硬度，江連洲等[6]采用超聲處理大豆分離蛋白與肌原纖維蛋白復合體系，結果發現超聲功率400 W、超聲時間20 min時，復合體系凝膠的硬度提高。Zisu等[7]采用20 kHz的超聲探頭處理乳清蛋白和酪蛋白，結果也發現2種蛋白的凝膠性增加。

國內外尚未有關于豬肉肌原纖維蛋白經超聲波處理后凝膠特性的改善研究報道，因此試驗擬通過超聲波技術對MP進行處理，研究其凝膠特性及結構的變化，以期為超聲波技術進一步應用于肌原纖維蛋白，改善其功能特性提供理論依據，并為進一步提高乳化型凝膠肉制品的品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮的豬背最長?。ê邶埥贝蠡娜鈽I有限公司）；大豆色拉油（安徽中糧油脂有限公司）；乙二醇雙（2-氨基乙基醚）四乙酸（EGTA）（北京華邁科生物技術有限責任公司）；哌嗪-1, 4-二乙磺酸（PIPE，上海麥克林生化科技有限公司）；牛血清蛋白（北京索萊寶科技有限公司）。

酒石酸鉀鈉、無水硫酸銅、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鈉等（均為國產分析純）。

1.2 儀器與設備

超聲波發生器（KQ-100 VDB型，昆山市超聲儀器有限公司）；高速冷凍離心機（GL-21 M型，湖南湘儀實驗儀器開發有限公司）；TA-XT plus質構儀（英國Stable Micro System公司）；CR-5色差計（日本柯尼卡美能達）；AVATAR 360傅立葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet公司）；S-3400 N型電子掃描電鏡（日本日立公司）；DK-S 24型電熱恒溫水浴鍋（上海森信實驗儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 肌原纖維蛋白的制備

參照Xia等[8]的方法從豬背最長肌中提取肌原纖維蛋白，以牛血清蛋白為標準品，采用雙縮脲法進行測定。

1.3.2 肌原纖維蛋白的超聲處理

將1.3.1得到的肌原纖維蛋白用50 mmol/L PIPES（含0.6 mol/L NaCl，pH 6.0）溶液配成濃度40 mg/mL，分成4份，分別裝于50 mL燒杯中，置于不同超聲功率（80，140，180和200 W）的超聲波清洗器中，超聲處理40 min，冰水浴控制溫度4～10 ℃，以不做超聲處理為對照。

1.3.3 凝膠的制備

將超聲處理后的肌原纖維蛋白倒入25 mm×40 mm（直徑×高度）密封的玻璃瓶，于4 ℃條件下平衡過夜，次日取出室溫平衡30 min，放入72 ℃水浴加熱10 min，立即取出冰浴冷卻，一部分用于凝膠強度、白度、持水性、持油性及掃描電鏡的測定，另一部分凝膠真空冷凍干燥，用于紅外分析。

1.3.4 凝膠強度的測定

凝膠強度的測定使用質構分析儀，探頭類型為P/0.5直徑12 mm，前進速度1 mm/s，穿刺距離10.0 mm，穿透力即為凝膠的強度[9]。

1.3.5 凝膠白度的測定

使用ZE-6000色差計測定，整個樣品池底部要求填滿凝膠并且無空隙，將樣品池底部放在載物臺上進行顏色和光澤的測定。每個樣品順著一個方向旋動3次，測定3次，取平均值。分別記錄L*值、a*值和b*值。白度按式（1）計算.

1.3.6 凝膠持水性和持油性的測定

稱取5 g凝膠樣品（m1）放入離心管中，在4 ℃下以10 000×g離心15 min，倒出滲出的液體，凝膠表面殘余的水分用濾紙吸干，稱質量（m2）。凝膠持水性（WHC）按式（2）計算。

稱取1 g凝膠樣品（m0），放入離心管中稱質量（m1），加入5 mL大豆色拉油，用漩渦振蕩器混合5 min，室溫靜置30 min后，以4 000 r/min離心20 min，倒出上層色拉油，稱質量（m2）。持油性計算如式（3）。

1.3.7 掃描電鏡觀察

參考Diao等[10]的方法處理凝膠樣品。處理好的樣品通過真空冷凍干燥機干燥后，選擇截面平緩的樣品逐個粘貼在掃描電鏡樣品臺上，表面噴金鍍膜后于掃描電鏡（SEM）在放大倍數2 000倍條件下觀察微觀結構，加速電壓為5 kV。

1.3.8 紅外光譜分析

真空冷凍干燥后的凝膠粉末與溴化鉀研磨混合均勻，壓片機壓片，恒溫箱里平衡5 min，空氣作為掃描背景，紅外光譜儀掃描，掃描范圍4 000～600 cm-1，分辨率4 cm-1，信號掃描累加64次，每個樣品圖譜掃描重復3次，采集紅外光譜圖。

1.4 數據統計分析

每個試驗結果均用平均數±SD表示。差異顯著性分析采用Statistix 8.1軟件進行，作圖采用Sigmaplot 12.5軟件。

2 結果與分析

2.1 超聲功率對凝膠強度的影響

凝膠強度是凝膠的一個重要品質特性，好的凝膠特性不僅可以提高肉制品的品質，還可以提高產品的得率。圖1可知，經過超聲處理后，肌原纖維蛋白的凝膠強度呈先上升后下降趨勢。經過超聲處理后的肌原纖維蛋白凝膠強度明顯高于天然的肌原纖維蛋白凝膠強度，超聲功率180 W，凝膠強度最大。這可能是因為超聲波處理可以減小蛋白質分子粒度，促進肌原纖維蛋白形成致密均勻的凝膠網絡結構，使凝膠強度增加。隨著超聲功率增大，蛋白質分子的膨脹和疏水殘基的暴露，增加蛋白質分子間在凝膠過程中的相互作用。當超聲功率過高時，較高的超聲功率破壞蛋白分子間作用力，從而使其結合能力降低，進而凝膠強度降低。包中宇[11]研究表明經超聲波處理后，TG酶改性的大豆分離蛋白凝膠強度先升高后降低。Zhao等[12]研究也表明低強度的超聲波處理能增加雞肉肌原纖維蛋白與大豆油乳化液形成的復合凝膠強度。

圖1 超聲功率對肌原纖維蛋白凝膠強度的影響

2.2 超聲功率對凝膠持水性的影響

凝膠的持水性影響凝膠制品的嫩度和多汁性。圖2可知，肌原纖維蛋白凝膠的持水能力隨超聲功率的增加先增大后減小，未超聲處理的樣品具有較低的持水性，為43.94%，180 W超聲處理的樣品具有最高的持水性，為58.09%，超聲功率200 W，持水性下降為51.71%。原因可能是經超聲處理后，肌原纖維蛋白之間作用力增加，凝膠結構更加致密，保水能力增強。超聲功率增加至200 W時，持水性有所下降，可能是由于超聲功率的增加，使部分蛋白質發生變性，進而使持水性下降。常海霞等[13]研究超聲處理草魚肌原纖維蛋白的結果也表明持水性呈先上升后下降趨勢。Puppo等[14]研究發現凝膠具有較高的持水性與其致密均勻的結構有關，在凝膠微觀結構圖像中也證實這一結論。

圖2 超聲功率對肌原纖維蛋白凝膠持水性的影響

2.3 超聲功率對凝膠持油性的影響

持油性指蛋白質產品與油脂吸附結合的程度，進而減少肉制品在蒸煮時脂肪的損失。圖3可知，超聲處理后肌原纖維蛋白凝膠的持油性有所提高，且隨著超聲功率增加，持油性呈先上升后下降趨勢，未超聲處理的樣品具有最低的持油性，為8.41%，經180 W超聲處理的樣品具有最高的持油性，為28.36%，超聲功率200 W時，持油性下降為22.11%。經過超聲處理，蛋白質分子結構破壞，二硫鍵及疏水基等功能基團暴露，與脂類物質的結合能力增強，從而使肌原纖維蛋白的吸油能力增強。然而由于超聲波功率的增加，蛋白質變性，繼而導致持油性下降，但仍高于天然的肌原纖維蛋白。

圖3 超聲功率對肌原纖維蛋白凝膠持油性的影響

2.4 超聲功率對凝膠白度的影響

凝膠白度決定凝膠的外觀品質，圖4可知，隨著超聲功率增加，凝膠的白度先增大后減小。超聲功率180 W時，凝膠白度最高，超聲功率200 W時，凝膠白度降低，但仍高于未經處理的樣品。這可能是由于超聲處理后凝膠的持水性增加，使凝膠光澤度和透明度增加。

圖4 超聲功率對肌原纖維蛋白凝膠白度的影響

2.5 超聲功率對凝膠微觀結構的影響

凝膠的微觀結構決定凝膠的物理性質，圖5看出，未經超聲處理的蛋白凝膠呈現出較大的不規則孔穴，隨著超聲功率增加，肌原纖維蛋白凝膠的空間網絡結構變得均勻、致密，超聲功率180 W時，凝膠網絡細膩，孔洞較小，表面較為平整，這可能是超聲波的空穴和機械效應減小了蛋白質分子的粒度，進而促進肌原纖維蛋白形成致密均一的凝膠網絡結構，超聲功率200 W時，凝膠網孔再次變大，可能是較高的超聲功率破壞蛋白質之間疏水相互作用。有研究表明蛋白的凝膠強度、持水性均與凝膠的空間網絡結構有關[7,14]，試驗觀察到的肌原纖維蛋白凝膠的微觀結構與凝膠的持水性和凝膠強度的研究結果一致。

圖5 超聲功率對肌原纖維蛋白凝膠微觀結構的影響（電鏡照片2 000×）

2.6 紅外光譜分析

為了考察超聲波對肌原纖維蛋白二級結構的影響，用紅外光譜分析凝膠中蛋白分子的官能團和氫鍵的變化。蛋白質的紅外吸收光譜由系列酰胺帶組成，其中酰胺I帶（1 600～1 700 cm-1）對蛋白質結構分析最重要。由圖6看出，超聲波處理后的肌原纖維蛋白與未經超聲處理的蛋白在酰胺I帶具有相同的特征吸收峰，然而與未經超聲處理的肌原纖維蛋白相比，利用超聲功率180 W處理的肌原纖維蛋白其振動強度最大，二級結構變化最為顯著。酰胺A帶（3 300～3 270 cm-1）的吸收峰與N—H和O—H的伸縮振動相關，吸收峰的變化受氫鍵的影響。隨著超聲功率增強，酰胺A波段吸收峰變寬，且伸縮振動頻率增強，說明超聲波引起蛋白分子結構變化，使其在形成凝膠的過程中蛋白分子內和分子間的氫鍵增強，其中180 W處理的肌原纖維蛋白的吸收峰最寬，伸縮振動最強。王立等[15]研究發現超聲輔助提取的雞肝蛋白二級結構也發生顯著變化。

圖6 超聲處理肌原纖維蛋白凝膠的紅外光譜分析

3 結論

采用超聲波技術對豬肉肌原纖維蛋白進行改性具有一定效果，一定功率超聲處理能提高肌原纖維蛋白的凝膠強度、持水性、持油性及白度。超聲功率較強時會破壞蛋白分子間作用力，進而使各性質指標下降。超聲功率180 W時，形成的凝膠網絡結構均勻、致密、孔洞較小，同時該功率處理的肌原纖維蛋白二級結構變化最為顯著。因此，采用適宜超聲功率可提高肌原纖維蛋白的凝膠特性，然而關于超聲作用時間、超聲作用頻率等超聲波改性技術對MP凝膠及高級結構的影響有待進一步研究。