馬鈴薯蛋白與蛋清蛋白混合凝膠特性分析

劉鑫碩，劉倩楠，劉 偉，徐 芬，張 良，胡宏海

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工重點實驗室，北京 100193）

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是僅次于水稻、小麥和玉米的第4大糧食作物[1]，除淀粉、纖維素外，馬鈴薯蛋白（potato protein，PP）也是其主要成分之一。PP富含蘇氨酸、色氨酸、蛋氨酸和其他糧食缺乏的賴氨酸，氨基酸組成與動物蛋白和溶酶菌相當，具有很高的利用價值[2]。同時，盡管新鮮馬鈴薯中蛋白含量只有2%左右，但就產量而言，馬鈴薯單位面積的蛋白質產出量僅次于小麥[3]，是植物蛋白的重要來源。如何促進PP在食品加工中的應用，對滿足人們對優質蛋白日益增長的需求具有重要意義。

蛋白凝膠化是賦予食品理想質構的主要手段之一，不同處理方法和處理條件會影響PP的凝膠性。Katzay等[4]發現壓力和熱誘導PP凝膠有相似的流變曲線，但其分子相互作用力不同；Malling等[5]研究不同干燥方法、pH值和離子強度對PP凝膠的外觀和質地特性的影響。目前，PP主要采用酸熱絮凝法從馬鈴薯淀粉工業廢水中提取，與等電點沉淀法、鹽沉淀法、離子交換等提取方法相比，該方法成本低，但由于在絮凝過程中雜質會被蛋白質絮狀物包裹而沉淀，導致純度降低，蛋白變性，功能性質發生改變[6-7]。這種PP原料溶解度降低，凝膠性變差，凝膠強度降低，限制了其在食品中的應用[8]。

大多數食品是含有不同種類蛋白的混合物體系，不同蛋白間的相互作用對食品品質有重要影響。McCann等[9]研究表明可以通過調節大豆蛋白-乳清蛋白的比例制備不同機械性能的混合高蛋白食品；Ainis等[10]研究了不同比例和不同處理條件的菜籽蛋白和乳清蛋白混合凝膠的流變和持水性；毛超[11]研究了馬鈴薯乳清復合蛋白乳液填充對乳清蛋白凝膠物理化學性質的影響。通過不同種蛋白的復配，調控體系的凝膠性，對賦予食品獨特的營養價值、形態、風味以及質地等特征具有重要意義[12-13]。蛋清蛋白（egg white protein，EWP）具有優良的凝膠特性，廣泛應用于烘焙制品、肉制品以及面制品等食品的生產制作中，可改善產品的質構及風味[14-15]。研究表明，隨著燕麥球蛋白-蛋清混合物中蛋清含量的增加，其儲能模量（G’）和損耗模量均增加[16]；添加蛋清可以減少燕麥面條70%的烹飪損失，延長烹飪時間并提高面條的硬度、耐嚼性、拉伸力和拉伸距離[17]；通過調節特定比例的大豆蛋白和EWP，產生協同增強作用，從而改善混合凝膠性能[18]。同時，EWP含有人體必需的8 種氨基酸且蛋白質消化率高，尤其含有豐富的蛋氨酸，具有較高的營養價值[19]。因此，將EWP添加至PP中，可能是改善PP凝膠性能的一種有效途徑。

目前，PP和EWP混合凝膠特性尚不清楚。本研究以PP和EWP作為研究對象，考察不同比例PP和EWP混合凝膠的凝膠特性變化，研究混合蛋白的凝膠行為，以期為促進PP在食品復合體系中的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

PP購于北京凱美特生物科技有限公司，基本組成（干基，質量分數）：水分（5.79±0.05）%、粗蛋白（85.21±0.13）%、灰分（5.8±0.2）%、淀粉（1.47±0.06）%。在2 g/100 mL質量濃度下，溶解度為43.3%。EWP購自浙江康德蛋業有限公司，基本組成（干基，質量分數）：水分（6.68±0.05）%、粗蛋白（83.19±0.21）%、灰分（5.9±0.2）%、淀粉（1.12±0.01）%。

BCA蛋白濃度試劑盒 賽默飛世爾（中國）有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

ThermoMixer C恒溫混勻儀 德國艾本德股份公司；Allegra 64R離心機 美國Beckman Coulter公司；Physica MCR 301流變儀 奧地利Anton Paar有限公司；LGJ-10冷凍干燥機 上海德洋意邦有限公司；S-570掃描電子顯微鏡 日本日立公司；TU-1810紫外-可見分光光度計北京普析通用儀器有限責任公司；Nicolet 67型傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared，FT-IR）光譜儀美國Thermo Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 混合凝膠的制備

用蒸餾水配制15 g/100 mL的PP和EWP混合懸液，PP與EWP的質量比分別為1∶0、9∶1、3∶1、1∶1、1∶3、1∶9、0∶1，在室溫下攪拌均勻。用1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH溶液將pH值調節至7.0。將混合懸濁液在恒溫混勻儀中85 ℃加熱30 min后，立即用冰水冷卻，制得混合蛋白凝膠。取部分樣品用于凝膠強度、保水性的測定。其余樣品真空冷凍干燥48 h，研磨成粉后，過80 目篩制得混合蛋白凝膠粉末用于后續測定。

1.3.2 凝膠強度測定

采用質構分析儀對樣品進行凝膠強度的測定[20]。樣品為直徑23 mm、高度12 mm的圓柱形。質構分析儀參數設定：測試前速率5 mm/s，測試速率2 mm/s，測試后速率2 mm/s，測試形變50%；探頭為P/36R；程序設定：TPA模式，即每測定一個樣品探頭會下壓2 次。每個樣品平行測定5 次，以峰值高度的平均值表示混合蛋白的凝膠強度。

1.3.3 保水性測定

利用離心法測定凝膠保水性[21]。稱取一定質量的凝膠樣品轉移至質量m0離心管中，樣品與離心管總質量m1，于10 ℃、6 755 r/min離心15 min，離心后除去上層水分并用濾紙將表面水分吸干后稱質量m2。每個樣品平行測定5 次。保水性按式（1）計算：

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察

使用掃描電子顯微鏡對PP-EWP混合凝膠的微觀結構進行觀察。取少量真空冷凍干燥后的凝膠樣品，使用導電膠將其固定于樣品臺，通過離子濺射噴金處理后，將樣品置于掃描電子顯微鏡平臺上，在10 kV電壓下對混合蛋白的微觀結構進行觀察和拍照（500 倍）。

1.3.5 FT-IR測定

稱取1 mg左右混合蛋白凝膠粉末以及100 mg溴化鉀在瑪瑙研缽中研磨混合均勻后壓成薄片，使用FT-IR儀收集樣品的紅外譜圖[22]。溫度25 ℃，掃描范圍4 000～400 cm-1，掃描次數64 次，掃描速率4 cm-1。選擇圖譜中1 700～1 600 cm-1的酰胺I帶用Peak Fit 4.0軟件進行分析，對曲線去卷積多峰擬合后，通過吸收峰的面積計算各二級結構的相對含量，每個樣品重復測定3 次。

1.3.6 分子間作用力的測定

依據Wang Kaiqing等[23]描述的方法并稍作修改，以測定混合蛋白凝膠的分子間作用力。該方法是通過重新溶解凝膠破壞其中的氫鍵和離子鍵或疏水相互作用，反映不同作用力的貢獻。用于溶解的緩沖液（在pH 7.0，0.05 mol/L的磷酸鹽緩沖液中制備）如下：1）0.05 mol/L NaCl溶液（記為PA）；2）0.6 mol/L NaCl溶液（記為PB）；3）0.6 mol/L NaCl溶液+1.5 mol/L尿素溶液（記為PC）；4）0.6 mol/L NaCl溶液+8 mol/L尿素溶液（記為PD）。

稱取0.1 g混合蛋白凝膠粉末溶解于10 mL上述緩沖液中，混勻后，在4 ℃、8 000 r/min離心20 min。使用BCA蛋白濃度測定試劑盒測定上清液的蛋白濃度。離子鍵的貢獻用PB和PA的溶解度之差表示，氫鍵的貢獻用PC和PB的溶解度之差表示，疏水相互作用的貢獻用PD和PC中的溶解度之差表示，每個樣品重復測定5 次。

1.3.7 游離巰基含量的測定

混合蛋白凝膠游離巰基含量的測定依據Hu Hao等[24]所述的方法并稍作改動。稱取100 mg混合蛋白凝膠粉末，將其溶于10 mL的磷酸緩沖液（含有1 mmol/L EDTA，1% SDS，pH 8.0）中，8 000 r/min離心10 min。取3 mL上清液，加入3 mL上述磷酸緩沖液及0.1 mL的2-硝基苯甲酸（2-nitrobenzoic acid，DTNB）溶液（質量濃度為4 mg/mL），于25 ℃振蕩1 h后，8 000 r/min離心30 min，在412 nm波長下使用分光光度計測定其上清液的吸光度，每個樣品重復測定5 次。游離巰基含量按照式（2）計算：

式中：A為吸光度（412 nm）；D為稀釋倍數；C為樣品的最終質量濃度/（mg/mL）。

1.3.8 流變特性的測定

PP和EWP混合物的流變特性通過流變儀進行測定，根據Comfort等[25]的測定方法并略作改動。配制15 g/100 mL不同比例的PP和EWP的混合蛋白懸濁液，調pH 7.0。測定時將樣品均勻置于直徑為50 mm，夾縫間隙1 mm的平板間，并添加適量硅油以防水分蒸發，采用PP50探頭。動態溫度掃描條件：頻率為1 Hz，應變為0.1%，溫度以5 ℃/min從25 ℃升至85 ℃，保持30 min，再由85 ℃降至25 ℃。記錄樣品的G’和損耗角tanδ隨溫度變化的趨勢，每個樣品重復測定3 次。

1.4 數據處理

采用Excel 2016進行實驗數據的存檔，采用Duncan多重比較對數據進行顯著性分析，P＜0.05，差異顯著，采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 混合凝膠質構特性

2.1.1 凝膠強度

凝膠強度對食品的組織狀態及品質有重要影響[26]。由圖1可知，EWP凝膠的硬度（（1 614.9±126.4）g）遠高于PP凝膠的硬度（（460.5±4.4）g），當PPEWP比例為1∶0和9∶1時，混合凝膠的強度差異不顯著（P＞0.05），但隨著EWP比例的進一步提高，混合凝膠強度逐漸提高（P＜0.05）。相關研究[27]表明，PP在40 ℃以上加熱時會發生沉淀，而PP在提取過程中，由于熱絮凝導致溶解度降低，這些不可溶物質可能影響凝膠的形成，導致PP凝膠強度較低。在蛋白體系中，EWP有效提升了混合蛋白凝膠的硬度，這與廖安等[28]對大豆蛋白與蛋清粉復合體系功能特性的研究結果相似。EWP中含有較多的巰基，加熱導致巰基和二硫鍵相互轉化，從而使分子間二硫鍵作用加強[18]，凝膠強度增大。因此，EWP可有效提升混合蛋白凝膠性能。

圖1 不同PP-EWP比例的混合凝膠強度Fig. 1 Hardness of blended gels with different PP to EWP ratios

2.1.2 保水性

由圖2可知，PP凝膠的保水性（（97.5±0.71）%）顯著大于EWP凝膠的保水性（（73.5±0.71）%），混合凝膠的保水性隨著EWP含量的增加而降低，當PP-EWP比例為1∶0和9∶1，9∶1和3∶1，1∶1和1∶3，1∶9和0∶1時，每組兩組處理之間無顯著性差異（P＞0.05），各組之間差異顯著（P＜0.05）。以上結果表明，EWP顯著降低了混合蛋白體系的保水性。陳洪生等[29]的研究結果表明，隨著EWP含量的增加，EWP和肌原纖維蛋白混合凝膠的保水性呈下降趨勢，與本研究結果類似。蛋白在不同pH值條件下，形成凝膠的結構和保水性不同。EWP在pH值小于8時，形成的凝膠結構粗糙[30]，保水性差，PP在pH 6.5～7.5形成的凝膠黏聚性和保水性較好[31]。本研究采用的pH值為7.0，EWP和PP在此條件下加熱后，隨著EWP的增加，形成的凝膠結構不能有效的鎖住水分，導致保水性下降。從上述結果可知，PP在保水性方面與EWP形成互補，有效提升了凝膠體系的保水性。

圖2 不同PP-EWP比例的混合凝膠保水性Fig. 2 WHC of blended gels with different PP to EWP ratios

2.1.3 掃描電子顯微鏡觀察結果

如圖3所示，PP凝膠微觀結構的均一程度大于EWP凝膠，且隨著EWP比例的增加，混合凝膠結構的粗糙度和表面不平整度逐漸增大，且當PP和EWP的比例小于1時，混合凝膠粗糙程度顯著增大。比較混合凝膠的微觀結構以及保水性可以發現，凝膠的保水性與其微觀結構均一程度趨勢一致。Salvador等[32]研究了凝膠結構和保水性的相關性，發現結構致密的凝膠更容易截留水分，因此具有較低的保水性，與本實驗結果相似。

圖3 不同PP-EWP比例混合凝膠的掃描電子顯微鏡圖Fig. 3 Scanning electron micrographs of blended gels with different PP to EWP ratios

2.2 混合蛋白凝膠分子結構特性

2.2.1 二級結構

如表1所示，混合凝膠的蛋白二級結構均以β-折疊為主，其次是α-螺旋或β-轉角，其中PP凝膠的β-折疊相對含量（（45.00±0.40）%）顯著高于EWP凝膠（（38.85±1.42）%）。隨著EWP含量的增加，β-折疊和α-螺旋相對含量先下降后上升，無規卷曲相對含量先上升后下降，β-轉角無明顯變化規律。可見2 種蛋白混合后，凝膠的二級結構逐漸由有序狀態向無序狀態轉變。Su Yujie等[18]研究表明，EWP和大豆蛋白混合凝膠的蛋白二級結構以β-折疊和β-轉角為主，同時α-螺旋相對含量與彈性、保水性呈正相關，β-折疊相對含量與凝膠硬度呈正相關。本研究與以上結果存在差異，原因可能是蛋白質二級結構的變化取決于氨基酸序列和蛋白質分子之間的相互作用，如氫鍵、疏水相互作用等，也與體系中不同蛋白二級結構的差異有關[33]，引起上述變化的機理有待進一步研究。

表1 不同PP-EWP比例混合凝膠二級結構相對含量Table 1 Relative contents of secondary structures of blended gels with different PP to EWP ratios

2.2.2 分子間作用力

凝膠形成過程中，形成和決定蛋白凝膠網絡的主要作用力有疏水作用、氫鍵、靜電作用以及二硫鍵等，其構成決定了蛋白凝膠的特性[34-35]。這些化學鍵可被特定的化學試劑破壞，通過在不同化學試劑中混合蛋白凝膠溶解度的不同，表征混合蛋白凝膠中化學鍵的變化。如圖4所示，PP-EWP混合凝膠中的分子間作用主要是疏水相互作用，其次是氫鍵，離子鍵作用相對較少。隨著EWP的添加，疏水相互作用貢獻顯著增強（P＜0.05），由（86±5.40） g/L增強至（126.51±1.37） g/L；氫鍵的貢獻力先由（80.15±5.93） g/L降低至（40.11±3.87） g/L后升高至（62.40±3.37） g/L （P＜0.05）；離子鍵變化無規律性趨勢。此結果與Croguennec等[36]研究熱誘導EWP凝膠的主要分子間作用力一致。疏水相互作用的變化趨勢與凝膠硬度變化一致，推測混合凝膠的疏水相互作用可能與凝膠硬度相關。氫鍵作用的變化趨勢與二級結構中α-螺旋和β-折疊變化趨勢相同，這可能是由于蛋白的二級結構主要由肽鏈氨基酸上羰基和酰胺基團之間形成的氫鍵維持，而加熱混合蛋白能夠破壞氫鍵作用，使蛋白分子二級結構破壞。

圖4 不同比例PP-EWP混合蛋白凝膠分子間作用力Fig. 4 Intermolecular forces of blended gels with different PP to EWP ratios

2.2.3 游離巰基含量

游離巰基基團分布于蛋白質分子的表面，對凝膠的形成十分重要。在熱處理過程中，蛋白質展開，導致游離巰基基團易于氧化并形成二硫鍵。如圖5所示，當PP-EWP比例為1∶0、9∶1、3∶1時，隨著EWP含量的升高，混合蛋白凝膠的游離巰基含量無顯著變化（P＞0.05），當PP-EWP比例小于1時，游離巰基含量顯著升高（P＜0.05）。Shimada等[37]觀察到游離巰基基團（SH）在蛋白質形成凝膠的時候可以發生氧化反應轉化為S—S鍵，對蛋白質凝膠強度和結構構成造成一定程度的影響。有研究將游離巰基含量的下降歸因于新的二硫鍵的形成[38]。EWP中含有大量的游離巰基，游離巰基含量的增加歸功于EWP的添加，這與Zhang Mengqi等[39]的研究結果類似；而當PP-EWP比例大于1時，EWP的增加本應導致游離巰基的增加，說明在這一階段游離巰基和二硫鍵發生交換反應，最終形成具有三維網絡結構的凝膠，從而導致凝膠強度升高。

圖5 不同PP-EWP比例的混合凝膠游離巰基含量Fig. 5 Free sulfhydryl group contents of blended gels with different PP to EWP ratios

2.3 流變特性

蛋白質分散體和凝膠的流變特性對確定其能否在食品中應用至關重要，是表征食品強度、彈性和黏合特性的重要指標。如圖6所示，在升溫階段，隨掃描溫度的升高，混合蛋白的G’呈先下降再升高的趨勢，tanδ呈下降的趨勢，且當PP-EWP大于1時，tanδ下降不顯著，當PP-EWP小于1時，tanδ急劇下降。在同一掃描溫度下，當PP-EWP小于1時，隨著EWP添加量的增加，混合蛋白的G’和tanδ逐漸增大；當PP-EWP大于1時，隨著EWP添加量的增加，混合蛋白的G’逐漸減小，且隨著掃描溫度的變化，G’和tanδ變化不顯著。在升溫階段前期，掃描溫度較低，蛋白質分子未完全變性，分子間離子鍵和氫鍵被破壞，疏水基團還被包埋在內部[35]，從而使G’降低，隨著掃描溫度的進一步提高，蛋白分子內部隱藏的巰基、二硫鍵和疏水基團暴露，分子間相互作用加強，蛋白質分子間隨即發生交聯聚集，為形成凝膠提供一定驅動力，導致凝膠形成，G’逐漸升高，體系由液體向固體轉變，tanδ下降。PP在提取過程中由于熱絮凝作用，發生熱聚集，導致蛋白發生部分變性，溶解度降低，使PP懸液稠度大，初始G’高，初始tanδ低。在恒溫階段（85 ℃），當PP-EWP比例為3∶1、1∶1、1∶3時，G’和tanδ隨恒溫掃描的進行變化不明顯；當PP-EWP比例為1∶0、9∶1、1∶9、0∶1時，混合蛋白的G’隨恒溫掃描的進行呈逐漸升高的趨勢，tanδ變化不明顯。在此階段主要進行凝膠結構的重排，二硫鍵促進蛋白分子進一步交聯，形成穩定的網絡結構。在降溫階段，隨著掃描溫度的降低，混合蛋白凝膠的G’逐漸增大，tanδ變化不明顯且無規律性，凝膠過程結束時，PP-EWP比例為1∶0（全PP）、9∶1（PP占主要組分）和0∶1（全EWP）的G’較高，其中比例為9∶1時G’最大，此階段主要是氫鍵發揮作用[18]。

圖6 不同比例PP和EWP對混合蛋白G’（a）和tanδ（b）的影響Fig. 6 Effect of PP to EWP ratio on the storage modulus (a) and tanδ (b) of blended gels

2.4 相關性分析

從表2可以看出，凝膠強度與疏水相互作用和游離巰基含量的相關系數分別為0.972和0.923，呈極顯著正相關（P＜0.01），這說明疏水相互作用和二硫鍵是維持PP和EWP混合凝膠三級結構的主要作用力。凝膠強度與保水性的相關系數為-0.944，呈極顯著負相關（P＜0.01），但是與G’無顯著相關（P＞0.05），董昳廷[19]在大豆蛋白和EWP復合凝膠的質構以及流變性能研究中發現，凝膠硬度與其G’呈極顯著正相關，這也可以說明凝膠硬度與G’均反映了凝膠體系的堅硬程度，但是本研究未發現其之間的相關性，原因可能是商業PP經熱絮凝發生聚集和部分變性后，其流變性能發生了改變。氫鍵和β-折疊呈極顯著正相關（P＜0.01），與無規卷曲呈顯著負相關（P＜0.05），這可能是由于蛋白的二級結構主要由肽鏈氨基酸上羰基和酰胺基團之間形成的氫鍵維持，氫鍵含量的降低導致混合凝膠的二級結構從有序向無序轉變。

表2 不同蛋白比例凝膠各參數間相關性分析Table 2 Correlation analysis among properties of mixed gels with different ratios between two proteins

3 結 論

本實驗考察不同比例PP-EWP復合凝膠的質構性質、結構性質和流變性質。混合凝膠質構性質結果表明，隨著混合凝膠中PP比例的降低，混合凝膠的硬度逐漸升高，保水性和粗糙程度逐漸降低，說明2 種蛋白可以優勢互補，即EWP可提高混合蛋白的凝膠強度，PP可以提高混合凝膠的保水性和降低其粗糙程度；FT-IR結果表明，2 種蛋白混合后，PP-EWP比例越趨近1∶1時，α-螺旋和β-折疊的相對含量越低，凝膠的二級結構由有序向無序轉變；分子間作用力和游離巰基含量結果表明，維持混合蛋白凝膠三維結構的作用力主要是疏水相互作用、二硫鍵和氫鍵，隨著PP-EWP比例的降低疏水相互作用逐漸增強，氫鍵作用呈先下降后上升的趨勢；流變結果表明，當PP-EWP為9∶1、1∶0和0∶1時，混合凝膠G’較高。相關性分析結果表明，凝膠強度與疏水相互作用和游離巰基含量呈極顯著正相關，與保水性呈極顯著負相關，與G’無顯著相關性。本研究闡明了PP和EWP復配對混合凝膠特性的影響規律，為PP和EWP混合體系的實際應用提供了理論依據，但是有關PP和EWP之間的相互作用機理還有待今后進一步研究。