超聲功率對雞蛋清蛋白聚集行為的影響

李媛媛，劉麗莉，楊曉盼，郝威銘

(河南科技大學 a.食品與生物工程學院，b.食品加工與安全國家級教學示范中心,河南 洛陽 471023)

0 引言

蛋清作為食品加工中最常見的原料之一，其蛋白質功能多樣，其中凝膠性能在食品制造中發揮著重要的作用[1]。凝膠是一種規則的蛋白網狀結構，其特性受蛋白質變性聚集的影響[2]。而聚集是蛋白質的特征行為之一[3]。蛋清凝膠對于食品的形態、質地、感官等有一定的改善作用，也可提高其持水力和增稠等性能[4]。

目前，通過改變外界條件，如離子強度、熱處理方式、溫度等，對蛋清蛋白聚集的途徑或機制進行調控，使其發生不同程度的聚集進而影響蛋白凝膠的結構和特性的相關研究成為熱點[5-13]。文獻[6]研究發現：在高壓均化條件下可通過誘導蛋白的非折疊、聚集現象和蛋白結構來調節蛋清的表觀黏度和蛋清凝膠的硬度。文獻[7]通過研究發現：適度氧化導致蛋清蛋白疏水基團暴露，過度氧化導致表面疏水性降低，高濃度氧化導致蛋清蛋白聚集，平均粒徑變大。文獻[8]研究了卵白蛋白(ovalbumin，OVA)在75 ℃干燥加熱21 d的聚集行為，發現隨著反應時間的增加，OVA聚集體增加，并生成不溶性聚集體。文獻[9]研究發現：pH值變化使蛋清蛋白凝膠的機械性能和持水性明顯降低，改變蛋清蛋白聚集行為，即添加鹽和糖可以改善蛋清蛋白凝膠的硬度和彈性。文獻[10]通過研究黃原膠的濃度對蛋清蛋白凝膠形成的影響，發現低濃度黃原膠可誘導蛋清蛋白發生聚集，其凝膠的硬度和彈性增加。文獻[11]研究發現:酸洗過程中添加不同類型的金屬鹽離子可以加劇蛋白質的β-折疊，進而促進其聚集，影響蛋清凝膠內部結構的密度和分子力，從而改變凝膠的理化和消化特性。文獻[12]通過研究發現:蛋清蛋白(egg white protein，EWP)溶液相對較高的pH可以抑制EWP的熱誘導膠凝作用，從而在預熱步驟中以相對較高的蛋白質濃度產生熱聚集的EWP。以上研究表明:外界條件的改變可以使蛋清蛋白發生不同程度的聚集行為，從而影響蛋白質凝膠的形成。

目前已經發現超聲的空穴效應可以改善蛋清蛋白的一些功能特性[14-15]，如文獻[16]通過研究超聲處理對蛋清蛋白結構和凝膠特性的影響，發現超聲可改善其凝膠特性。然而，超聲作用對蛋清蛋白聚集行為的影響缺乏系統研究，大多集中在其他蛋白質，如：大豆蛋白、肌原纖維蛋白、乳清蛋白等[17-19]。文獻[17]研究發現：高強度超聲會增加大豆蛋白高相對分子質量聚集體的百分比，并改變芳香族和脂肪族側鏈的微環境。文獻[18]利用高強度超聲修飾肌原纖維蛋白，發現適度的超聲強度可促進蛋白質的聚集行為并有效改善其凝膠特性。文獻[19]通過研究發現：超聲預處理促進了乳清蛋白乳液凝膠微觀結構中油滴顆粒聚集體網絡和蛋白質聚集體網絡的復合，可有效改善乳清乳液的機械性能。因此，超聲技術為蛋清蛋白聚集行為的調控提供了一種新思路。

本研究采用不同超聲功率處理蛋清液，分析蛋清蛋白的流變學、蛋白結構及其凝膠特性的變化。系統地探究超聲功率對蛋清蛋白聚集程度的影響，從而改變其凝膠特性，可為進一步調節蛋清蛋白這一混合蛋白源的聚集行為、探究該行為對其凝膠制品的影響和充分開發利用蛋清資源提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮雞蛋，河南省洛陽市大張超市；脲(分析純)，蘇州安必諾化工有限公司；溴化鉀(分析純)，天津光復經濟化工研究所；ANS、三羥甲基氨基甲烷(TRIS)、EDTA-二鈉(分析純)，國藥控股(上海)化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器設備

數控超聲波清洗器：KQ-500DE型，昆山市超聲儀器有限公司；流變儀：DHR-2型，美國TA公司；紫外分光光度儀：UV2600型，日本日立公司；熒光分光光度計：Cary eclpise型，美國Aglient Cary elipse公司；真空冷凍干燥機：TF-FD-27S型，上海田楓實業有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀：VERTEX70型，德國Bruker公司；垂直電泳槽：DYCZ-24DN型，上海博通化學科技有限公司；穩壓穩流型電泳儀：DYY-6C型，上海博通化學科技有限公司；凝膠成像系統：Gel Doc XR+型，美國伯樂BIO-RAD公司；臺式高速離心機：H 1650型，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；食品物性分析儀：SMS TA.XT Epress Enhanced型，英國SMS公司；掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)：TM3030Plus型，日本島津公司。

1.3 方法

超聲處理蛋清液。在參照文獻[20]關于蛋清液制備及超聲處理方法的基礎上，稍作修改。設計試驗組：50%(體積分數)的蛋清蛋白溶液，固定超聲時間為20 min，改變超聲功率(100 W、200 W、300 W、400 W)。設置對照組為相同體積分數的蛋清蛋白溶液，在其他條件不變的情況下，得到超聲處理前后的一系列樣品。

流變學分析。根據文獻[21]和文獻[22]的方法并稍作修改，測定蛋清液的流變特性。在1.0～100 rad/s的振動頻率范圍內，0.3%的振蕩應變，進行樣品的動態頻率掃描，測量超聲處理前后蛋清液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的變化；設置剪切速率為0～300 s-1，20 ℃下，測量樣品溶液的表觀黏度變化；設置振蕩頻率為0.1 Hz，應變為1%，以5 ℃/min的速率，測量樣品從30 ℃程序升溫至90 ℃的黏度變化。

濁度分析。參照文獻[23]的方法及公式計算得溶液濁度τ。

表面疏水性分析。采用文獻[24]的試驗方法，稍作修改。稀釋蛋白溶液至體積分數為0.08%，取4 mL蛋白溶液，以ANS作為熒光探針，加入20 μL磷酸鹽緩沖液(pH7.4)，旋渦振蕩，避光靜置，設置與參考方法相同的參數，進行熒光光譜測試，所得的最大熒光強度表征疏水性。

巰基含量分析。在文獻[25]的試驗方法基礎上，結合樣品稍作修改，測定不同超聲功率下蛋清樣品的總巰基及游離巰基含量。游離巰基含量測定：用Tris-Gly緩沖液(pH7.4)稀釋樣品，在蛋白溶液(5 mg/mL)中加入50 μL Ellman試劑，避光1 h，測得離心上清液在412 nm處的吸光值A412。總巰基含量測定：將樣品用緩沖液(8 mol/L尿素、Tris-Gly緩沖液、pH7.4)稀釋蛋白溶液(1 mg/mL)，加入50 μL的Ellman試劑，避光，在412 nm處測得離心上清液的A412。根據文獻[25]方法計算巰基含量。

傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)分析。根據文獻[26]的方法對凍干后的蛋清粉進行紅外掃描分析。

SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE)分析。將12%(質量分數)的分離凝膠和5%(質量分數)的堆積凝膠在15 mA凝膠的恒定電流下進行電泳。上樣量為20 μL，用考馬斯亮藍對蛋白條帶進行染色，2 h后脫色至透明。使用標準蛋白(相對分子質量為10～180 ku)為對照,評價其相對分子質量[27]。

凝膠特性分析。將超聲處理前后的蛋清液置于80 ℃水浴中加熱45 min，制成蛋清蛋白凝膠，冷卻，冷藏保存，確保其完整性。

(Ⅰ)凝膠強度分析。參考文獻[28]的方法，用食品物性分析儀測量樣品的凝膠強度。

(Ⅱ)凝膠失水率分析。將一定質量且大小均等的凝膠，離心10 min后取出，水分吸干后，稱質量，計算公式為：

凝膠的持水性=(W0-W1)/W0×100%，

(1)

其中：W0為離心前凝膠質量，g；W1為離心后凝膠質量，g。

(Ⅲ)掃描電子顯微鏡觀察。將制得的凝膠切成大小規則的薄片，參考文獻[29]的方法，用SEM觀察凝膠樣品。

1.4 數據處理

試驗所涉及到的測試均作3次重復。用Origin 2018軟件作圖，SPSS軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 超聲功率對蛋清液聚集行為的流變特性分析

2.1.1 蛋清液動態頻率變化

圖1為超聲功率對蛋清蛋白動態流變特性的影響。如圖1a和圖1b所示，樣品的儲能模量G′均高于損耗模量G″，這表明樣品的彈性均大于黏性，即樣品中彈性成分更突出，表現出黏彈性固體的性質[30]。高的G′值代表蛋白質具有更好的凝膠化能力，隨著動態掃描頻率的增加，超聲樣品的G′和G″值均高于對照組，這與文獻[31]的研究結果一致。表明蛋清中的蛋白質種類和組成在超聲處理下發生的變化會影響蛋清蛋白溶液的流變性，超聲增加了蛋清蛋白的凝膠化能力，這可能是因為蛋清蛋白在超聲過程中，由于空化作用，促進了蛋清蛋白聚集行為的發生，降低了蛋白的流動性[32]。此外，由圖1c可知：隨著掃描頻率的增加，試驗組樣品的相位角正切值(tanδ)均先低于對照組后逐漸升高，說明當掃描頻率達到高頻區時，超聲樣品更偏向于黏性流體。

如圖1a和圖1b所示，試驗組在低掃描頻率范圍內，G′和G″急劇上升，達到25 rad/s后上升的趨勢變慢。當頻率達到40 rad/s之后，G′及G″的大小均為：200 W>300 W>400 W>100 W>對照組，表明在其他條件相同的情況下，當超聲功率為200 W時，蛋清蛋白凝膠化能力的增強效果最佳。

圖1 超聲功率對蛋清蛋白動態流變特性的影響

2.1.2 蛋清液黏度分析

溶液黏度的大小是蛋白在外力作用下的內部摩擦力大小的表征[33]。超聲功率對蛋清蛋白溶液黏度的影響見圖2。由圖2a可知：隨著剪切速率的增大，蛋清蛋白溶液黏度逐漸降低，呈剪切稀化現象；隨著剪切速率的增大，分子之間結構重新排列后趨于相同，黏度逐漸穩定[34]。當剪切速率為1 s-1，對照組的初始黏度為0.841 Pa·s，而超聲樣品的黏度均高于對照組，由此可以看出，超聲組溶液有較高的黏度。其中，200 W超聲組的初始黏度最大，相比對照組增大了1.075 Pa·s。這可能是因為超聲的空化效應使蛋清蛋白發生去折疊及聚集，導致溶液中聚集體顆粒較大，使其相互之間的作用加劇，黏度增大。此外，隨著剪切速率的增大，黏度出現連續下降的趨勢，說明超聲并沒有改變蛋白溶液的非牛頓流體特性。隨著剪切速率的增大，蛋白質聚集體微弱的交聯作用被破壞，因而剪切稀化。

如圖2b所示，在升溫過程中，蛋清蛋白溶液的黏度會出現指數增長區，其中對照組僅在80～85 ℃時開始變性，而超聲處理后的蛋清蛋白在60～65 ℃發生變性，并表現出兩個變性區，這與文獻[30]的研究結果一致。結果表明：超聲作用可以有效改善蛋清蛋白凝膠形成的速度。這可能是因為超聲可使蛋清蛋白溶液內部發生聚集行為，而蛋白聚集狀態形成弱強度彈性蛋白凝膠，從而加快其凝膠化過程。

2.2 超聲功率對蛋清液聚集行為的濁度分析

在蛋白質聚集過程中，濁度是表征蛋白質聚集程度的重要指標之一[35]。超聲功率對蛋清蛋白溶液濁度的影響見圖3。由圖3可知：隨著超聲功率的升高，各樣品的濁度相對于對照組先增后降，分別增加了29.27%、61.03%、27.12%和13.56%。超聲功率小于200 W時，蛋白溶液的濁度變化呈增長趨勢，而當超聲功率超過200 W時，溶液的濁度隨超聲功率的增加而發生不同程度的降低，這與文獻[36]的研究結果一致。這可能是因為蛋白質容易復性而導致其溶液體系不穩定，說明超聲在一定功率范圍內，會使蛋清蛋白發生不同程度的聚集，導致光發生散射，溶液濁度升高。當超聲功率為200 W時，蛋清蛋白溶液濁度為1.876 cm-1，較其他試驗組顯著增加(P<0.05)，表明此功率作用下，蛋清蛋白發生的聚集程度最大，蛋白凝膠化能力最強，與圖1a和圖1b的結果一致。

注：小寫字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)， 下同。圖3 超聲功率對蛋清蛋白溶液濁度的影響

2.3 超聲功率對蛋清液聚集行為的結構分析

2.3.1 表面疏水性及巰基含量的變化

圖4為超聲功率對蛋清蛋白溶液表面疏水性及巰基含量的影響。如圖4a所示，有無超聲處理對蛋清蛋白熒光光譜的整體形狀并無顯著影響，但光譜位移以及熒光強度卻發生了不同程度的改變。與對照組相比，超聲處理后樣品的熒光光譜發生藍移，最高熒光強度均有所降低。這表明超聲破壞了蛋清蛋白的分子結構，使發色基團暴露在溶劑中，熒光強度降低，表面疏水性下降。這可能是因為超聲使溶液內部發生聚集，聚集體的形成使疏水基團被包埋所引起的。

蛋清蛋白巰基含量的變化代表其分子結構的改變。圖4b中，圖柱上方的大、小寫字母不同均表示差異性顯著(P<0.05)，下同。蛋清蛋白的總巰基含量由大到小為：對照組>400 W>100 W>300 W>200 W(P<0.05);游離巰基含量由大到小為：對照組<400 W<100 W<300 W<200 W(P<0.05)。由圖4a和圖4b可知：超聲樣品的熒光強度、總疏水基團顯著降低(P<0.05)，游離巰基顯著增加(P<0.05)，這可能是因為蛋白質聚集過程中，分子間相互作用，而分子間發生去折疊，使疏水基團暴露到表面[32]。表明超聲作用引起蛋清蛋白發生的疏水聚集，影響暴露巰基的含量和形成二硫鍵的能力，從而改變分子的二級結構。

2.3.2 FT-IR分析

蛋清蛋白聚集行為不僅改變了表面疏水性和巰基含量，也改變了其蛋白質的二級結構。不同超聲功率時蛋清蛋白的FT-IR光譜圖見圖5。如圖5所示，不同超聲功率處理的蛋清蛋白在3 750～3 100 cm-1位置的峰強度存在很大差異(400 W>200 W>300 W>100 W>對照組)，表明超聲功率會影響其蛋白的水合能力。1 700～1 600 cm-1處為酰胺Ⅰ帶，其不僅與氫鍵作用力緊密相關，而且影響蛋清蛋白的二級結構。超聲前后的蛋清蛋白均在酰胺Ⅰ帶出現了特征吸收現象，因此將不同超聲功率的樣品中蛋清蛋白的酰胺Ⅰ帶的紅外譜圖做二階導數，采用高斯(Gauss)面積法擬合，通過峰位判斷二級結構種類并確定其相對含量[37]，結果見表1。

圖5 不同超聲功率時蛋清蛋白的FT-IR光譜圖

表1 不同超聲功率處理的蛋清蛋白酰胺Ⅰ帶二級結構相對含量

蛋清蛋白二級結構的組分隨超聲處理功率的變化而變化，結合表1可知，對比對照組蛋白，4種超聲處理蛋清液中蛋清蛋白二級結構發生如下變化：(1)對照組蛋清蛋白二級結構最主要的組成成分是α-螺旋結構，占總量的34.36%。α-螺旋是最穩定的蛋白質二級結構，隨著超聲功率的增大，α-螺旋相對含量顯著降低(P<0.05)。此過程中，蛋清蛋白結構的穩定性下降，導致α-螺旋中氫鍵逐漸斷裂，發生解螺旋。(2)隨著超聲功率的增大，無規則卷曲相對含量先升后降，200 W時蛋清蛋白的相對含量為21.20%，明顯高于對照組蛋清蛋白的18.77%(P<0.05)。表明超聲使蛋白質二級結構部分被破壞，結構的隨機性增強。(3)相比于對照組的蛋清蛋白，超聲處理蛋清蛋白中的β-折疊和β-轉角相對含量在超聲過程中分別呈先增加后降低和先降低后增加的趨勢。這種變化趨勢與蛋清蛋白的變性及形成聚集體有關。因而可以推斷不同超聲功率處理過程中β-折疊、β-轉角結構對蛋清蛋白的聚集行為具有重要作用。

當超聲頻率為200 W時，α-螺旋結構相對含量明顯下降(P<0.05)，且隨著超聲功率的增加，該變化更加明顯，這種變化趨勢與蛋白質的聚集程度有關；在400 W時，無規則卷曲相對含量明顯下降(P<0.05)，這與在400 W功率時蛋清蛋白中不同聚集體之間的平衡性變化有關。根據文獻[38]關于蛋白α-螺旋相對含量與凝膠硬度之間呈負相關的報道，隨著超聲頻率的增加，α-螺旋相對含量降低，其氫鍵作用減弱，使蛋清蛋白分子結構展開。

M. Marker; 0.對照組; 1. 100 W; 2. 200 W; 3. 300 W; 4. 400 W。 圖6 不同超聲功率下蛋清蛋白的SDS-PAGE圖

2.3.3 SDS-PAGE分析

圖6為不同超聲功率下蛋清蛋白的SDS-PAGE圖。如圖6所示，蛋清蛋白在超聲之后蛋白質條帶沒有明顯變化，這說明超聲并沒有改變蛋清蛋白的一級結構。超聲作用引起的蛋清蛋白聚集對蛋白質的一級結構并沒有造成影響，聚集行為僅發生在蛋白質多肽鏈之間，從而影響其內部空間結構，使分子之間作用力發生改變。

2.4 蛋清蛋白凝膠特性的分析

影響蛋清蛋白凝膠特性的主要是蛋白質變性和聚集程度，圖7為超聲功率對蛋清蛋白凝膠強度和凝膠失水率的影響。由圖7可知：相比對照組，超聲樣品的凝膠強度均有明顯提高(P<0.05)，其值大小為：200 W>300 W>400 W>100 W>對照組，這與圖1a、圖1b和圖3所示結果一致，可能是因為超聲作用使蛋白質變性，發生分子間聚集有利于形成規則的蛋白質網絡結構，從而有助于蛋清蛋白凝膠性能的提高。隨著超聲功率的增加，蛋清蛋白的凝膠強度呈先增加再降低的趨勢；當超聲功率達到200 W時，蛋清蛋白凝膠強度達到最高，為140.85 g，相較對照組增加了132.54%，且與其他功率相比有明顯的增大(P<0.05)。這可能是因為大于200 W功率的超聲處理使蛋清蛋白溶液中的蛋白質逐漸展開，并發生了一定的降解。由圖7可以看出：失水率由小到大依次為200 W<300 W<400 W<100 W<對照組，當功率為200 W時，失水率為47.61%，相較對照組降低了32.02%，且明顯低于其他試驗組(P<0.05)，這可能是因為超聲波的空穴效應使蛋清白質發生了一定的去折疊和聚集，從而蛋清蛋白凝膠形成的空間網絡結構更加均一、穩定，對水分子的綁定更加堅固。凝膠硬度越大，失水率越小，可能是因為當超聲功率為200 W時，蛋白質變性程度增大，分子間相互結合，形成相對緊密的三維網狀結構，孔隙變小，導致凝膠與水的結合能力最強，失水率最低[32]。

圖7 超聲功率對蛋清蛋白凝膠特性的影響

2.5 蛋清蛋白凝膠微觀結構分析

一定程度的蛋白質聚集行為影響凝膠化的網絡結構。圖8為不同超聲功率下蛋清蛋白凝膠的微觀結構圖(×3 000),可以反映出凝膠內部的表面微觀結構。在相同放大倍數(×3 000)下，蛋清蛋白在不同超聲功率下所形成的凝膠，其微觀結構具有較大差異。在超聲功率100 W(見圖8b)時，凝膠表面蛋白有小范圍的聚集，隨著超聲功率的增加聚集逐漸聚攏，表面顆粒也在超聲處理后由明顯的帶狀(見圖8a)逐漸形成塊狀聚集(見圖8c～圖8e))。由于疏水性相互作用和超聲波產生的沖擊力，蛋白形成聚集體，且蛋白聚集體顆粒逐漸增大，并影響著凝膠的網絡結構[39]。而200 W(見圖8c)時,凝膠相對則具有較為致密的表觀結構，顆粒分布相對均勻，這與本文流變特性及凝膠強度分析結構相吻合。

圖8 不同超聲功率下蛋清蛋白凝膠的微觀結構圖(×3 000)

3 結論

(1)蛋清溶液在超聲作用下黏度升高，不同超聲功率下蛋清蛋白在高頻區的G′及G″的大小均為：200 W>300 W>400 W>100 W>對照組。隨著超聲功率的升高，蛋清蛋白溶液的濁度相比對照組分別增加了29.27%、61.03%、27.12%和13.56%。隨著超聲功率的增加，蛋清蛋白溶液游離巰基含量增加，熒光強度、總疏水基團和α-螺旋相對含量逐漸降低，這種變化趨勢與蛋白質的聚集程度有關，其氫鍵作用減弱，蛋清蛋白分子結構展開，內部疏水基團暴露。

(2)超聲后蛋清蛋白凝膠強度均有明顯提高(P<0.05)，大小為：200 W>300 W>400 W>100 W>對照組；失水率為200 W<300 W<400 W<100 W<對照組。當功率為200 W時，蛋清蛋白凝膠強度達到最高(140.85 g)，失水率最低(47.61%)，此時凝膠表面顆粒分布相對均勻，結構較為致密，蛋清蛋白發生的聚集使其凝膠性能表現最佳。超聲可使蛋清蛋白發生去折疊及聚集行為，從而促進蛋白凝膠的形成，改善凝膠結構。