蛋黃凝膠形成機理及影響因素研究進展

張根生 俆旖夢 遇仕友 潘 雷

(哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028)

禽蛋蛋黃因其較高的營養價值和獨特的口感廣泛受到人們的歡迎，是許多食品的主要成分，如：蛋黃醬、奶油、蛋奶糊、煎蛋卷以及各式糖果糕點和焙烤食品等[1]。不僅如此，禽蛋黃還具有良好的加工性能，其良好的凝膠性和乳化性能被廣泛應用到食品生產加工中[2]。

蛋黃主要含有32%的脂肪和16%的蛋白，可看作是脂質和蛋白質的天然超分子集合，具有多層結構[3-4]。天然蛋黃并不是簡單的蛋白質溶液，而是一種分散的粒子系統，包括低密度脂蛋白微粒和高密度脂蛋白顆粒，其中，中性甘油三酯埋藏在顆粒內部，而蛋白質則占據顆粒表面，以這種方式穩定系統[5]。蛋黃中的組成成分復雜且多樣，但天然蛋黃可以很輕易地分離出其主要組分，血漿和顆粒[6]。血漿由85%的低密度脂蛋白(LDL)和15%的卵黃球蛋白組成，占蛋黃干物質的78%[7]；顆粒中含有70%的高密度脂蛋白(HDL)，16%的磷蛋白和12%的低密度脂蛋白，占蛋黃干物質的22%[8]。無論是蛋黃還是蛋黃中的血漿和顆粒，都能在一定條件下發生變性，形成凝膠。凝膠是指在分散介質中的膠體粒子或高分子溶質，形成整體構造而失去了流動性，或膠體全體雖含有大量液體介質但處于固化的狀態，凝膠化是禽蛋蛋黃的一個重要功能特性[9]。

蛋黃的凝膠化是指蛋黃蛋白質結構部分展開或者發生不可逆變性，蛋白分子間相互作用，聚集成有序的網絡結構[10]。物理或化學過程，如加熱、加壓、冷凍、強堿、酶、金屬離子等，均能誘導形成蛋黃凝膠[11]。根據誘導方式，蛋黃凝膠主要分為熱誘導凝膠、堿誘導凝膠和冷凍凝膠[12-14]。不同的誘導方式形成的蛋黃凝膠的理化性質、微觀結構和凝聚機理都有差異。

1 蛋黃熱誘導凝膠形成機理及影響因素研究進展

蛋黃的熱誘導凝膠是一種常見的凝膠類型。天然蛋黃加熱至65 ℃左右開始稠化，環境溫度達到70 ℃時其流動性喪失，開始形成凝膠網絡結構，這與蛋黃血漿的低變性溫度有關[15]。活素是蛋黃中最熱敏的蛋白質，環境溫度達到60～62 ℃就會變性，這種高熱敏性在相互作用的蛋白質網絡中起到重要作用[16]。

蛋黃熱誘導凝膠的形成被認為是加熱后蛋黃顆粒(低密度脂蛋白膠束和高密度脂蛋白顆粒)的不穩定過程，是由于其表面穩定的蛋白質變性導致的，變性的蛋白質間相互作用，形成了凝膠網絡結構[17]。蛋黃凝膠化的過程主要由LDL載脂蛋白相互作用主導，而顆粒因其球狀結構及HDL載脂蛋白與顆粒結構磷元素間的復合物對熱不敏感，作為凝膠網絡形成劑的效果較差[5,7]。一般認為，形成和維持蛋黃熱誘導凝膠的主要作用力是疏水相互作用、二硫鍵、氫鍵等，其中起到決定性作用的是二硫鍵[15,17]。物理力似乎主導了蛋黃蛋白質間的相互作用。Paraskevopoulou等[17]發現蛋黃脫水會破壞顆粒間的疏水相互作用和氫鍵，經過水化后會自發地形成“弱”凝膠結構，此時加熱系統，才會形成真正的凝膠結構，這驗證了變性蛋白質間的共價二硫鍵對蛋黃凝膠的形成起決定性的作用。

1.1 鹽對蛋黃熱誘導凝膠的影響

向蛋黃中加入NaCl，會改變蛋黃凝膠的凝膠溫度，影響蛋黃凝膠的性能。Kaewmanee等[18]在試驗中發現，添加質量分數1.0%和3.0% NaCl的蛋黃的變性溫度分別為84.8，91.1 ℃。說明在加熱過程中向蛋黃中加入NaCl會使蛋白質分子趨于穩定，導致變性溫度升高，凝膠網絡形成延遲。Wakamatu等[19]也在試驗中驗證了這一現象，發現當添加質量分數1%～2% NaCl時，形成低密度脂蛋白—水—NaCl復合物，會抑制LDL形成凝膠，還會使形成的凝膠性能下降。楊海燕等[20]研究了不同NaCl添加量對蛋黃漿質凝膠性能的影響，發現在質量分數0.5%～2.0% NaCl的作用下，漿質凝膠的硬度、咀嚼性和內聚性系數均下降，降低了蛋黃漿質凝膠的質構特性。

NaCl處理對蛋黃蛋白質的一級結構不造成影響，但會使蛋白質的二級結構發生改變(β-折疊和α-螺旋減少，β-轉角增加)，破壞了氫鍵，對蛋白質凝膠網絡系統產生一定的影響[21-22]。NaCl對蛋黃熱誘導凝膠特性的影響機理還需要進一步討論。

1.2 酶對蛋黃熱誘導凝膠的影響

酶法改性對蛋黃液熱誘導凝膠影響的研究較少，大多集中在通過酶法改性提高蛋黃粉的凝膠性能方面。黃迪等[23]發現谷氨酰胺轉氨酶(TGase)通過交聯作用能有效地提高蛋黃粉的性能。當TGase添加量為1.5 U/g蛋黃時，適度的交聯反應使蛋黃蛋白質中部分巰基轉化成二硫鍵，小分子蛋白質間的交聯形成網絡結構促進水分子與肽鏈間的結合，增加了肽鏈間共價鍵的數目，有助于蛋黃熱誘導凝膠網絡結構的形成[24]。有研究者[25]也使用酶改性來提高蛋黃粉的熱穩定性。Strixner等使用磷脂酶A2(PLA2)改性蛋黃及其主要成分，發現PLA2預處理的蛋黃血漿組分增強了LDL在噴霧干燥過程中的熱穩定性[26]，并且改性蛋黃的變性溫度和凝膠溫度都在100 ℃以上，有很強的耐熱性[27-28]。

酶能促進蛋黃蛋白質間的交聯作用，且交聯的程度與酶的添加量有關。適度的交聯會改善蛋黃凝膠特性，過度交聯會使凝膠網絡結構致密，不利于與周圍水分子的結合，形成的凝膠硬度會下降[29-30]。酶法改性作為蛋白質改性的熱點，未來可以研究不同種類酶對蛋黃液熱凝膠性能的影響。

1.3 其他成分對蛋黃熱誘導凝膠的影響

除了鹽和酶等添加成分會影響蛋黃熱誘導凝膠的性能，酚類物質、蛋白質等也會對蛋黃熱誘導凝膠性能產生影響。Carla等[31]發現橄欖苦苷的加入影響了蛋黃凝膠網絡的凝聚行為，并且還受到環境pH的影響，在pH 4.5的體系中影響最為顯著。在酚類化合物存在及環境pH 4.5 的情況下，基團間的靜電相互作用促進了蛋黃蛋白質間相互聚集，凝膠點向較低的溫度下移動。Kojima等[32]研究了低密度脂蛋白—蛋白質混合物的熱凝膠特性，發現添加蛋白質對LDL熱誘導凝膠強度的影響隨溶液pH的變化而變化較大。在添加另一種蛋白質(牛血清蛋白和卵清蛋白)后，LDL與其相互作用，在中性和堿性pH區域環境下的凝膠強度顯著增加。

酚類和蛋白質等添加成分均會對蛋黃熱誘導凝膠產生一定影響，且大多與環境的pH也有關。蛋黃是一種重要的食品原料，其熱凝膠特性在很多食品生產中都有利用，因此研究蛋黃蛋白質的熱凝膠特性是否受到食品體系中其他成分的影響是非常有意義的。

1.4 加工技術對蛋黃熱誘導凝膠的影響

不僅添加劑會影響蛋黃熱誘導凝膠性能，加工技術也會影響蛋黃熱誘導凝膠特性。Xie等[33]使用高強度超聲(HIU)處理蛋黃液，發現經過HIU處理降低了蛋黃的Zeta電位絕對值和游離巰基含量，降低了蛋黃的平均粒徑，改變了蛋黃組分的聚集行為，使蛋黃熱誘導凝膠性能增強。蛋黃作為食品加工中的基本和重要組成成分，研究現代加工技術對蛋黃的功能和營養特性的影響對其應用也具有重要意義，今后可進一步研究脈動壓、真空技術等對蛋黃熱誘導凝膠的影響。

2 蛋黃堿誘導凝膠形成機理及影響因素研究進展

在誘導蛋黃凝膠形成的因素中，pH的影響最為顯著。Kaewmanee等[34]發現pH<4.2或者pH>6.3時顆粒蛋白破裂蛋黃才能形成凝膠。當環境pH值接近蛋黃蛋白質等電點時，形成的凝膠不均勻，聚集物較大[35]。環境pH遠離蛋黃蛋白質等電點，蛋白質會發生線性聚集，這有助于形成“串珠”網絡結構[36]。堿誘導蛋黃涉及多種相互作用，包括蛋白質分子之間或與脂質之間的相互作用、水分的遷移和脂質的捕獲，主要通過離子鍵和二硫鍵逐漸形成致密的凝膠網絡結構[37]。

艾民珉等[38]發現在氫氧化鈉的作用下，蛋黃脂蛋白被破壞，蛋白質與油脂分離，油脂與堿發生皂化反應使得原本柔軟的外層蛋黃開始凝固，蛋白質分解成小片段多肽，這些多肽通過內部化學鍵發生交聯包裹水分而富有彈性，凝膠強度增加。外層蛋黃凝膠的形成主要靠離子鍵和二硫鍵的作用[39]。

2.1 處理溫度對蛋黃堿誘導凝膠的影響

處理溫度在堿誘導凝膠形成過程中不起主要作用，但卻是影響其凝膠行為的主要因素之一，是決定凝膠特性好壞的關鍵。陳曉[40]35-39發現處理溫度對蛋黃堿誘導凝膠性能有顯著的影響。堿處理時升高體系溫度更利于凝膠網絡結構的形成，使其硬度增加。若溫度過低會影響OH-滲入蛋體的速率[41]。但處理溫度并非越高越好，在30～35 ℃形成的凝膠最佳。處理后的溫度對蛋黃堿誘導凝膠體系的影響也很大。適當提高堿作用后的溫度(30 ℃)有助于凝膠體系充分與堿反應，使得質構特性得到增強[40]43-47。這與孫靜等[42]的研究結果一致。熱處理可以在一定程度上促進水分和堿從蛋黃內溢出，降低蛋體內的含水量和游離堿度，加快蛋黃的凝固[42]。

處理溫度對蛋黃堿誘導凝膠特性都具有顯著影響，體系溫度過高或過低都會使蛋黃凝膠的質構特性和感官品質變差。溫度協助堿液形成蛋黃堿凝膠的機理還未見詳細闡述，需進一步探討研究。

2.2 處理時間對蛋黃堿誘導凝膠的影響

處理時間對蛋黃堿誘導凝膠的形成具有重要的影響。時間的長短影響滲入到蛋黃體系中的堿含量，從而影響蛋黃凝膠行為。在堿液的作用下，蛋黃中的水分會逐漸流失。隨著處理時間的延長，蛋黃發生皂化反應會使其固化率升高，導致蛋黃凝膠的硬度和咀嚼性升高[43]；同時脫水后的蛋黃凝膠由于疏水相互作用和氫鍵作用的減弱，使得蛋黃凝膠網絡變得松散，彈性和內聚性等質構特性下降[17]。若堿液對蛋黃的作用時間過長，可能會導致蛋黃凝膠出現再次液化的現象。處理時間與體系溫度的協同作用對蛋黃堿誘導凝膠特性的影響還需進一步討論。

2.3 鹽對蛋黃堿誘導凝膠的影響

堿誘導蛋黃凝膠形成過程中，體系內的水分會逐漸流失，向體系中添加一價或二價陽離子會影響蛋黃的凝膠失水率，對其特性產生影響。Ganasen等[43]發現添加ZnCl2和CaCl2，蛋黃凝膠體系水分流失更加顯著；同樣，添加PbO2形成的蛋黃堿誘導凝膠體系水分含量卻較高。這是因為卵黃蛋白和Pb2+形成的高交聯蛋白在一定程度上防止了蛋黃脫水。添加陽離子的濃度對蛋黃凝膠也會有顯著影響。Ganasen等[43]發現低濃度的ZnCl2和CaCl2會使蛋黃凝膠較硬；同濃度的PbO2會使蛋黃凝膠顏色較深。

二價陽離子的種類和濃度會對蛋黃堿誘導凝膠的質地和顏色產生不同的影響。Ganasen等[44]提出，二價和四價陽離子與蛋白質分子可以通過鹽橋的形式聚集形成凝膠，相關機理有待研究者進一步討論。

3 蛋黃冷凍誘導凝膠形成機理及影響因素研究進展

不僅高溫可以誘導禽蛋蛋黃蛋白質形成凝膠結構，在低溫狀態下，也可以形成凝膠結構。冷凍誘導凝膠是指禽蛋蛋黃在冷凍條件下(≤-6 ℃)，其黏度迅速提高，形成具有良好黏彈性的凝膠，這種凝膠體解凍后蛋黃也不能恢復原有形態[45]。許多研究[46-47]表明，冷凍凝膠化是由LDL聚集引起的，但也有研究[48]表明，冷凍凝膠化可能涉及除LDL以外的化合物。盡管蛋黃凝膠化存在許多不同的機制，但大多數研究人員同意，通過冰晶形成去除水分是凝膠發生的必要條件。

蛋黃凝膠形成最普遍的解釋是血漿中低密度脂蛋白的聚集[49]，然而聚集機制存在分歧。Telis等[50]提出血漿低密度脂蛋白膠束的斷裂是蛋白凝膠化形成的第一步。在冷凍狀態下，載脂蛋白的脫水導致其相互作用被破壞，非極性蛋白質相互作用增強，低密度脂蛋白聚集導致最終凝膠化[51]。Au等[14]認為在研究蛋黃凝膠化機理與血漿低密度脂蛋白有關的同時不應忽視顆粒的作用。蛋黃成分聚集形成凝膠有兩個原因：① 脂蛋白顆粒表面的破壞；② 在凍結過程中形成的大冰晶導致蛋黃成分的濃縮[51]。盡管這些年對蛋黃冷凍誘導凝膠研究廣泛，但其凝膠機理尚未完全闡明。

3.1 作用時間對蛋黃冷凍誘導凝膠的影響

冷凍保存時間對蛋黃凝膠化有影響，時間越長，形成的凝膠越堅硬。閆崢蓉等[52]研究表明，凍藏180 d的蛋黃經自然解凍后自由水含量降低，黏性系數和表面疏水性增加，促進蛋黃凝膠形成。Au等[14]研究了更長的貯藏時間對蛋黃冷凍凝膠的影響，發現貯存168 d后彈性模量增加了10倍，屈服應力增加了3倍，凝膠結構變得更加堅硬。據推測，低密度脂蛋白的聚集是因為緩慢冷凍形成的冰晶破壞了載脂蛋白之間的蛋白—蛋白相互作用，水分的去除導致非水分子濃度增加，有利于LDL的聚集。Au等[14]還提出了兩階段凝膠法。第一階段，在-20 ℃ 貯存1～28 d，涉及脂蛋白顆粒的聚集，通過疏水相互作用在緩慢凍結的過程中除去水分子。第二階段是貯存28～84 d，之前參與第一階段凝膠化的蛋白質或粒子被釋放出來，暴露出的結合位點促進了進一步的自我結合或與之前形成的網絡結合，加強了凝膠結構。兩段凝膠法不僅解釋了冷凍保存時間對蛋黃凝膠化的影響，還為闡述蛋黃冷凍誘導凝膠機理奠定了基礎。

3.2 添加劑對蛋黃冷凍誘導凝膠的影響

冷凍會延長蛋黃的貯存期，方便運輸和儲藏，但蛋黃解凍后出現的凝膠化現象不是所有企業所期待的[52]。研究者[53-54]討論過糖、鹽、氨基酸、酶等添加劑能有效地抑制冷凍凝膠化；同樣，期許蛋黃冷凍凝膠化行為出現的研究者也研究了添加劑對凝膠結構的影響。Wakamatu等[19]發現添加NaCl不僅可以抑制冷凍凝膠的形成，在一定條件亦可促進蛋黃冷凍凝膠的形成。當環境溫度在-30，-40，-60 ℃時，NaCl質量分數超過4%即可誘導蛋黃形成凝膠。NaCl作為凝膠抑制劑時，LDL—水—NaCl絡合物的形成使水幾乎不凍結成冰，增加了LDL溶液中的未凍結水；當作為凝膠形成促進劑時，促進了復合物中水分的去除[19]。

因蛋黃解凍形成凝膠后乳化性等其他功能會下降，品質的變化嚴重影響了下游企業的應用，所以研究者的研究方向一直都是如何抑制蛋黃冷凍凝膠化的形成，添加劑對蛋黃冷凍凝膠的影響及形成機理還有待研究者探討。

4 展望

加熱、加堿、冷凍都可以誘導蛋黃蛋白質形成凝膠，但不同的誘導方式形成的凝膠機理及影響因素都不相同。從目前的研究情況看，有關禽蛋的熱誘導凝膠機理和堿誘導凝膠機理大多集中在蛋清的研究上，蛋黃凝膠機理的研究相對較少，研究其凝膠特性、微結構、蛋白質聚集力及其分子結構和構型的變化，以測試分子級的凝膠機制，對食品凝膠體系的研究很重要。

蛋黃蛋白質凝膠在食品加工應用中都是與其他添加成分，如：防腐劑、調味料或其他蛋白質一起使用的，各誘導凝膠與其發生的相互作用還有待進一步討論。蛋白質具有多種功能特性，一般認為蛋白質間的相互作用都是有關聯的，所以，蛋黃蛋白質乳化等功能性質對凝膠性能的影響也值得深入探討。