乙醇誘導蛋清蛋白凝膠機制的研究進展

婁瑞鑫，吳蘇悅，王思佳，趙保龍，程偉偉

（河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽 471000）

蛋清蛋白不僅富含人體所需要的營養物質，還具有許多的功能特性，如溶解性、凝膠作用等，是一種重要的食品加工原料，作為添加劑和品質改良劑廣泛應用于食品生產中[1]。蛋清是禽蛋的主要成分，雞蛋中蛋清占禽蛋60%~63%，鴨蛋中蛋清占57%。但是蛋清中蛋白質含量較低，占13%~15%。蛋清中的蛋白質是混合蛋白質，其中卵白蛋白占54%，其次為卵傳鐵蛋白等，豐富的蛋白質類型和含量為凝膠形成提供了基礎[2-3]。這些蛋白質含量較高，使蛋清具有很好的凝膠特性，這種特性使得添加蛋清后的食品經凝膠化后持水性和膠黏性顯著提高[4]。在蛋清中脂肪、膽固醇等雜質少，也有利于形成凝膠[5]。

凝膠在食品中比較常見，是指膠體粒子或高分子溶質在連續相中形成整體的結構而失去流動性，或膠體中雖然含有大量液體的介質但處于固化的狀態[6]。而蛋白質凝膠的形成是蛋白質分子通過共價或者非共價交聯的聚合，排斥力和吸引力兩力平衡后，形成三維網絡結構[2]，其凝膠特性由于是網狀結構，可以吸附水分、其他物質來改善食品的品質和性能，如在加熱形成凝膠的過程中，可以使水分較多地留存在網狀結構中，可以提高產品的持水性。凝膠的形成不僅可以改進食品品質，而且在提高食品的增稠等方面有很多應用[7]，如添加到臘腸等肉類制品中。

目前，國內外對蛋清蛋白凝膠的研究主要集中在熱誘導和堿誘導方式上，且對于蛋清蛋白凝膠的研究多是提高其性能，而對于不同誘導機制下蛋清蛋白的凝膠化機理還需要進一步研究。

1 蛋清蛋白凝膠的形成類型及誘導方式

根據蛋清蛋白凝膠外形分類，依據預凝膠中蛋白質分子的變性率和聚集率的關系，所形成的蛋白質的凝膠型可以分為隨機不透明或透明度低的冷凝物（變性率低于聚集率） 和非常有序的透明度高的透明凝膠（變性率高于聚集率）[8-9]。根據蛋清蛋白凝膠的不同誘導方式，凝膠可分為熱誘導蛋清蛋白凝膠、堿誘導蛋清蛋白凝膠、乙醇誘導蛋清蛋白凝膠等，不同的誘導方式會使蛋白質形成不同的形態類型和功能特性的凝膠結構，對于食品生產也有不同的意義。如今，國內外對蛋清蛋白凝膠的研究主要集中在熱誘導和堿誘導方式上，并且對于蛋清蛋白凝膠的研究多是提高其凝膠性能，而對于在不同誘導機制下蛋清蛋白的凝膠化機理研究尚未有進一步的研究。

1.1 熱誘導蛋清蛋白凝膠的形成過程

目前，對熱誘導蛋清蛋白凝膠化機理的研究相對成熟，其機理已在食品加工行業得到了廣泛的應用[10]。熱處理時立體網絡凝膠結構的形成要經過預凝膠、凝膠點、后凝膠3 種狀態[4]。在溫度大約60 ℃下蛋清蛋白進入預凝膠狀態[11]，在加熱過程中其多肽鏈會展開，疏水基團和巰基等功能基團暴露出來，基團間的疏水作用促使蛋白質聚集為質量較小的聚集體[12]。到達凝膠點狀態時，在疏水相互作用及靜電作用下質量較小的聚集體會形成較大的聚集體，當蛋白質濃度比臨界的凝膠點高時，就會導致凝膠結構的形成[13]。當蛋清蛋白處于后凝膠狀態時，聚集體之間通過進一步反應，使凝膠的三維網絡結構更加穩定，同時能夠穩定凝膠中的水分[14]。

在預凝膠過程中肽鏈的展開程度會影響凝膠的性狀，當肽鏈在蛋白質聚集前部分展開時，凝膠表現出硬度低、強度差等特性[4]；當完全展開時，由于疏水基團和巰基等功能基團充分暴露，使得分子間引力更大，從而導致凝集體的結構致密，凝膠表現出強度高等特性。在凝膠點時，二硫鍵的大量生成使凝膠基質更加有序，有利于保持三維凝膠網絡的穩定[15]。在后凝膠階段，氫鍵的大量生成對維持凝膠基質的穩定至關重要[2]。

1.2 堿誘導蛋清蛋白凝膠的形成過程

蛋清在一定的pH 值條件下會凝固，有學者對蛋清蛋白質在酸堿條件下凝膠化現象進行了研究，發現當環境pH 值低于2.3 或高于12.0 時能夠形成凝膠，當pH 值為2.3~12.0 時不發生凝膠化現象[16]。張勝善[17]在專著中論述了蛋清蛋白中能在強堿溶液的作用下發生凝固的是卵清蛋白和卵轉鐵蛋白，其他組分的蛋白質沒有此性能。我國傳統蛋制品皮蛋的加工原理正是強堿誘導，所以在研究堿誘導蛋清蛋白凝膠的作用機制時一般選擇皮蛋作為研究對象。

皮蛋在加工過程中蛋白凝膠的形成要經歷化清、凝固、轉色、后熟4 個階段。據推測，化清階段，蛋清蛋白在強堿條件下發生變性，結合水轉變為自由水，蛋白從濃厚狀態變為稀溶液，但此時蛋白質中氨基酸殘基的排列順序、α - 螺旋、β - 折疊等結構未遭到破壞；凝固階段，隨著堿的持續作用，蛋白質的二級結構遭到破壞，氫鍵斷裂，形成大量二硫鍵，親水基團增加，此時自由水又轉變為結合水；轉色階段，蛋白質氨基酸殘基的排列順序遭到破壞，導致單個蛋白質分子的相對分子量減少，同時發生美拉德反應，此階段如果料液中的堿濃度過大，當強堿持續作用時二硫鍵易被破壞，導致皮蛋“液化”；后熟階段，全部的蛋清蛋白轉變成褐色的半透明凝膠體[8，18]。

現階段關于堿誘導蛋清蛋白凝膠形成機制的研究仍然沒有形成完整的體系，后續研究仍需對其形成機制進行完善，為改善食品工業中利用堿誘導凝膠的工藝提供理論依據。

1.3 其他因素對蛋清蛋白凝膠形成的影響

D·惠特福德[19]在專著中表明了超高壓處理對蛋白質氨基酸殘基的排列順序沒有影響，但對α - 螺旋、β 折疊結構，以及離子鍵、氫鍵等化學鍵產生了不同程度的影響，導致蛋清蛋白原始的展開狀態，氫鍵結合、疏水結合等非共有結合變性，最終使蛋清蛋白凝膠的性能發生改變。Stone A P 等人[20]在研究中發現在一定范圍內添加金屬離子，蛋白質的凝膠性和保水性有明顯的提高。乙醇也能對蛋清蛋白凝膠產生影響。

2 乙醇誘導蛋清蛋白凝膠的作用機制及影響因素

乙醇誘導蛋清蛋白凝膠的形成與乙醇濃度、溶液pH 值等條件有關。其中，對其凝膠形成機理的研究尚不深入，目前的研究表明，蛋白凝膠的形成主要是分子間二硫鍵、離子鍵、氫鍵及疏水作用的結果[21-23]。Yu L 等人[24]在對乙醇誘導蛋清蛋白凝膠形成機理的研究中，將凝膠樣品溶解于分別代表二硫鍵、離子鍵、氫鍵和疏水作用的4 種變性溶劑中，發現凝膠在前兩者溶劑中溶解度均最高，約為45%，后兩者溶解度低，分別為5%和4%，從而得出，凝膠形成過程中，二硫鍵、離子鍵在凝膠形成過程中起主要作用，二者地位相當，氫鍵和疏水作用貢獻較小，但也在過程中發揮著不容忽視的作用。

2.1 作用機制

2.1.1 二硫鍵

卵清蛋白是禽蛋蛋清蛋白中含量最多的一種蛋白質，其分子結構中包含一個二硫鍵和4 個游離的巰基，這些巰基埋藏在分子內部的疏水基團中[2]。為二硫鍵的形成提供了必要條件。Matsudomi N 等人[25]認為，卵清蛋白中的游離巰基會與另一個二硫鍵發生反應，形成新的二硫鍵。這些新的二硫鍵可能有利于蛋白分子間形成交聯，從而促使凝膠結構的形成。Zhao Y 等人[26]也在進行強堿誘導卵清蛋白凝膠的研究中得出，卵清蛋白中的游離巰基通過二硫鍵的氧化和交換，在分子間形成二硫鍵，促進蛋白質分子的聚集。Yin L 等人[27]發現凝膠形成的預凝膠階段中，凝膠黏度逐漸增大，其原因是二硫鍵的形成促進凝膠化的進程，從而提升凝膠黏度，促進凝膠的形成。余琳[28]在對乙醇誘導蛋清蛋白凝膠分子作用力的研究中，得出二硫鍵在凝膠形成過程中起主導作用，且其與凝膠的強度密切相關。

2.1.2 離子鍵

有學者認為，乙醇能夠誘導蛋清蛋白形成凝膠的原因之一是陰陽離子靜電吸引，乙醇分子是一種強極性分子，其羥基中的氫原子和氧原子分別帶正電和負電，分別與蛋白分子中的相反電荷作用，有利于形成更加有序的分子網狀結構[22]。現有研究表明，乙醇誘導蛋清蛋白凝膠的形成過程中，離子鍵同樣在其中起重要作用，促使蛋白質分子發生交聯，從而形成凝膠[24]。

2.1.3 氫鍵

陳復生等人[22]通過研究發現，在相同pH 值條件下，乙醇處理的蛋白凝膠樣品相較于無醇處理的蛋白凝膠樣品，蛋白分子有序結構（α - 螺旋和β - 折疊結構） 比例升高，無序結構（自然卷曲） 比例降低，其認為，乙醇分子中的羥基與蛋白質分子形成氫鍵，從而提高了凝膠分子結構的有序性。而Ledward D A[29]認為氫鍵主要維持凝膠的形成的因素，且其過程可逆。Yu L 等人[24]在更進一步的研究中，對乙醇誘導蛋清蛋白凝膠樣品進行傅里葉紅外分析，得出氫鍵在凝膠過程中具有一定的作用，但更長時間的乙醇處理后，凝膠的α - 螺旋強度減弱，即氫鍵含量減少；分子內β - 折疊強度增強，分子間β -折疊強度減弱，即表明在乙醇作用下，蛋清蛋白質分子內部折疊更加緊密。即一方面乙醇誘導蛋清凝膠過程中形成了少量的氫鍵，以維系凝膠結構；另一方面，乙醇也會使蛋白質分子變性聚集，疏水基團難以暴露，氫鍵含量減少。

2.1.4 疏水作用

現有研究表明，疏水作用是熱誘導蛋清蛋白凝膠形成過程中的重要作用之一[26，29]。Mine Y[30]在對熱誘導蛋清蛋白凝膠的研究中得出，蛋白凝膠的形成主要是由于熱變性導致的蛋白質疏水基團暴露，蛋白質分子間β - 折疊導致的分子交聯增多，表現為分子間疏水作用增加。而在對乙醇誘導蛋清蛋白凝膠的實驗研究中發現，疏水作用對凝膠形成的貢獻較少。Yu L 等人[24]在對乙醇處理的蛋清蛋白形成的凝膠進行Zeta 電位和表面疏水性測定中得出，隨著處理時間的增長，凝膠硬度逐漸增大，Zeta 電位逐漸降低，表面疏水性也呈上升趨勢，故其認為，乙醇的加入有利于降低水介質的介電常數，使蛋白質分子內部與分子間的靜電排斥增大，從而導致蛋白質分子充分展開，促使更多疏水氨基酸暴露，從而有利于凝膠的形成。

2.2 影響因素

2.2.1 體積分數

普遍認為，隨著乙醇體積分數的增加，蛋清凝膠的穩定性逐漸提高。Li Y 等人[31]在試驗中，對體積分數0~45 mL/100 mL 的乙醇誘導蛋清蛋白凝膠的凝膠形態進行了觀察，發現隨著乙醇體積分數的增加，溶液由膠體轉變為懸浮液，當乙醇體積分數增加到35~45 mL/100 mL 時，蛋白質分子聚合形成凝膠，隨著乙醇體積分數持續增大后，溶液出現沉淀。

2.2.2 pH 值

蛋白質形成凝膠過程中，pH 值的變化會影響蛋白質分子的離子化作用與靜電荷值，而改變分子間的吸引力與排斥力和蛋白質分子水合能力，從而影響凝膠的穩定性[32]。目前普遍認為，在一定范圍內，溶液pH 值越高，凝膠穩定性也越好。Heertje I[33]認為，在溶液pH 值遠離等電點時，蛋白質分子間的靜電排斥力增強，從而使凝膠更加穩定。李俐鑫等人[34]通過分別測定溶液pH 值3~12 時蛋清蛋白凝膠硬度的變化，得出pH 值接近7 是凝膠硬度最小，pH 值遠離7 時硬度呈增大趨勢，即遠離等電點的pH 環境有利于凝膠的穩定。

3 結語

與堿誘導、熱誘導蛋清蛋白凝膠類似，乙醇處理蛋清蛋白形成凝膠的機理也主要為二硫鍵、離子鍵、氫鍵和疏水作用等分子間作用力導致的蛋白質分子交聯，有序二級結構增多，從而形成較為穩定的蛋白凝膠。與前兩者不同的是，乙醇誘導凝膠形成的過程中，二硫鍵和離子鍵在其中占主導作用，氫鍵和疏水作用參與較少。目前，關于乙醇誘導蛋清蛋白凝膠機制的研究方法仍較單一，其更深層次的作用機理仍需進一步研究。后續可在完善乙醇誘導蛋清凝膠形成機理的基礎上，采用更多樣的試驗方法，進一步探究二硫鍵、離子鍵等作用力在維持凝膠形成過程中所發揮的作用，或將凝膠機理的理論研究與產品生產相結合，以期為相關食品生產工藝改良提供理論依據。