皮蛋“松花”生長(zhǎng)過(guò)程的探究

摘 要： 將皮蛋中的松花分離后進(jìn)行XRD、 FTIR、 SEM、 EDS表征，確定松花的主要成分為結(jié)晶態(tài)氫氧化鎂。根據(jù)皮蛋制備工藝，對(duì)天然蛋白凝固過(guò)程進(jìn)行觀察和探究，以食品級(jí)MgCl2為外源鎂，在天然蛋白和瓊脂糖凝膠中模擬松花的形成和生長(zhǎng)過(guò)程。添加不同外源金屬離子，證實(shí)只有添加鎂才有利于松花的生長(zhǎng)。根據(jù)松花在不同凝膠中的生長(zhǎng)共性，以擴(kuò)散限制凝聚（DLA理論）初步解釋松花的形成和生長(zhǎng)機(jī)制。

關(guān)鍵詞： 皮蛋; 松花生長(zhǎng)過(guò)程; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2024）08009206

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（編號(hào)：230804132102731）；湖北省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：2017450）；湖北第二師范學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：X2018084，X2021003）。

美味的皮蛋中經(jīng)常可以看到美麗的松花，在腌制皮蛋的料液配方中，松枝灰經(jīng)常作為添加劑，所以皮蛋表面形成松花被認(rèn)為是松枝“以形制形”，事實(shí)上添加其他草木灰或茶葉水的料液也能使皮蛋長(zhǎng)出松花，已有不少學(xué)者對(duì)松花成分進(jìn)行了分析。李樹(shù)青［1］認(rèn)為，大多松花生長(zhǎng)在蛋白凝膠表層，松花蛋中的松花是纖維狀Mg（OH）2，在蛋白質(zhì)凝膠的特殊環(huán)境下，當(dāng)?shù)皟?nèi)Mg2+達(dá)到一定濃度時(shí)可以與OH-形成水合晶體；在其后續(xù)工作中［2］，驗(yàn)證了Mg2+含量與松花之間存在著高度的正相關(guān)性，蛋白中的鎂主要來(lái)自蛋白本身和料液；萬(wàn)速文［3］的研究證實(shí)了以上觀點(diǎn)；馬力［4］對(duì)松花蛋中松花的結(jié)構(gòu)作了系統(tǒng)分析后認(rèn)為，松花的紅外光譜與Mg（OH）2晶體的紅外光譜完全一致，在各層蛋白凝膠化的過(guò)程中，主要來(lái)自于蛋殼和蛋膜的Mg2+與OH-結(jié)合生成Mg（OH）2的水合物積聚于各層蛋白凝膠的層間隙之間形成松花。以上報(bào)道解釋了皮蛋中松花的化學(xué)組成、生長(zhǎng)位點(diǎn)、影響因素等，但未對(duì)松花特殊的分枝形態(tài)做進(jìn)一步討論。

本文通過(guò)分離表征皮蛋中的松花，驗(yàn)證了松花的主要化學(xué)成分，以光學(xué)顯微分析和掃描電鏡表征松花的整體形態(tài)和微觀形貌。模擬松花在不同凝膠中的生長(zhǎng)，展示皮蛋中松花形成的過(guò)程，探討松花的分枝形態(tài)的形成機(jī)制，普及化學(xué)知識(shí)。

1 試劑和儀器

1.1 試劑

MgCl2（食品級(jí)）、鎂試劑（化學(xué)純）、瓊脂糖（生化試劑）

1.2 儀器

雙束光原子吸收分光光度計(jì)、

傅里葉紅外光譜分析儀、倒置熒光顯微鏡、SEM掃描電鏡、X射線衍射儀

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 皮蛋中松花的分離和表征

（1） 光學(xué)顯微分析樣品：用刀片將皮蛋表面的松花部分切片剝離，用于光學(xué)顯微分析。

（2） 樣品分離和表征：將含有松花的蛋白，置入10mol/L的氫氧化鉀溶液中，將蛋白凝膠溶解，分離出松花，將松花用去離子水沖洗至中性，低溫烘干備用［5］。分別進(jìn)行XRD（X射線衍射儀）、FTIR（紅外光譜儀）、SEM（掃描電鏡）、EDS（能譜儀）等表征。

2.2 松花生長(zhǎng)過(guò)程形貌變化的條件探究

在蛋白中加適量堿得到蛋白凝膠，考察堿與蛋白的作用時(shí)間和Mg2+濃度對(duì)松花的影響，考察加入不同金屬離子是否能形成松花，確定松花生長(zhǎng)的條件，并在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓊脂糖凝膠中再次模擬松花生長(zhǎng)過(guò)程。

2.3 皮蛋制備過(guò)程中Mg（Ⅱ）的運(yùn)動(dòng)遷移

（1） 腌制皮蛋（20個(gè)鴨蛋配方）［6］：在2500g水中加入1250g生石灰、40g氯化鈉、3.5g硫酸銅、40g氯化鎂，攪拌均勻成石灰糊。讓鴨蛋沾滿石灰糊，然后沾滿木屑，以保鮮膜包著密封避光儲(chǔ)存。

（2） 樣品分離與處理［7］：每天分離一個(gè)皮蛋，將蛋殼、蛋白以及蛋黃分別保存，直至皮蛋蛋白上長(zhǎng)出松花。分離蛋殼、蛋白和蛋黃，以濃硝酸和高氯酸消解后定容，樣品中Mg2+的含量由原子吸收分光光度法測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 皮蛋中分離松花的表征

3.1.1 XRD表征分析

按照2.1（2）對(duì)皮蛋中的松花進(jìn)行分離，進(jìn)行XRD表征，結(jié)果如下：

圖1顯示，皮蛋中分離的松花在2θ為18.6、 32.7、 38、 58.6的四個(gè)位置與Mg（OH）2標(biāo)準(zhǔn)卡特征峰位置一致，樣品的XRD特征衍射峰均與標(biāo)準(zhǔn)圖譜（PDF#070239）主峰一致，屬六方晶系，說(shuō)明從皮蛋中分離的松花為結(jié)晶態(tài)Mg（OH）2，雜峰較多，說(shuō)明Mg（OH）2結(jié)晶度不高［8］。

3.1.2 FTIR表征分析

按照2.1（2）對(duì)皮蛋中的松花進(jìn)行分離，進(jìn)行FTIR

表征，結(jié)果如圖2所示：3696cm-1處為O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，3400cm-1處寬峰可以歸為O—H鍵的多分子締合，1630～1557cm-1可能是—NN，1412cm-1是芳香環(huán)的振動(dòng)吸收峰，Mg—O的吸收峰主要集中在400～1000cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)。850cm-1是Mg—OH鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，628cm-1處為Mg—O鍵的伸縮振動(dòng)峰，最顯著的吸收位于4000～5000cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)，是Mg—O鍵伸縮振動(dòng)吸收峰［9］。

3.1.3 光學(xué)顯微表征分析

按照2.1（1）對(duì)皮蛋中的松花進(jìn)行分離，進(jìn)行光學(xué)顯微表征分析，結(jié)果如圖3所顯示：

圖3顯示，光學(xué)顯微鏡下皮蛋中的松花呈現(xiàn)分枝狀態(tài)，隨放大倍數(shù)增加，枝蔓中的分枝清晰可見(jiàn)，樣品受光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)限制，故對(duì)其進(jìn)行了電子顯微觀察。

3.1.4 SEM表征分析

按照2.1（2）對(duì)皮蛋中的松花進(jìn)行分離，進(jìn)行SEM表征，結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示，放大10000倍的松花晶體呈纖維狀，寬度約1μm，放大50000倍的松花晶體由徑向?qū)挾燃s180nm近六邊形片狀Mg（OH）2交錯(cuò)組裝而成。對(duì)其進(jìn)行EDS點(diǎn)掃，結(jié)果如下：Mg占27.9%，O占41.8%，C占26.09%，其中Mg∶O約為4∶7，而Mg（OH）2中Mg∶O理論值為4∶6，推測(cè)分離的松花含有結(jié)晶水、表面有殘留的蛋白。

皮蛋中的松花大多數(shù)生長(zhǎng)在蛋白凝膠與殼膜的交界表層。通過(guò)對(duì)松花進(jìn)行XRD、 FITR、 SEM、 EDS以及光學(xué)顯微表征，得出結(jié)論皮蛋上的松花主要成分是Mg（OH）2。

3.2 松花的生長(zhǎng)過(guò)程探究

3.2.1 混合溶液pH對(duì)蛋白凝固狀態(tài)影響

在盛有10g蛋白的燒杯中，分別加入適量的1mol/L NaOH，記錄混合溶液pH和蛋白狀態(tài)，結(jié)果如表1所示。

結(jié)果表明：蛋白與NaOH混合溶液pH達(dá)到12.87時(shí)，蛋白完全凝固成膠體；堿量達(dá)1.4mL開(kāi)始液化成液體狀態(tài)?？紤]到日常生活中含堿量對(duì)人體健康的影響，故以加入0.9mL NaOH溶液為蛋白最佳凝固條件。

3.2.2 Mg2+和OH-的加入順序?qū)Φ鞍谞顟B(tài)的影響

在盛有10g蛋白的燒杯中，加入等體積等濃度的NaOH溶液和MgCl2溶液，改變兩種溶液的加入順序，記錄蛋白狀態(tài)，結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明：先加Mg2+再加入OH-，由于Mg（OH）2溶度積常數(shù)為5.61×10-12，二者可能會(huì)生成Mg（OH）2沉淀，使蛋白凝膠呈不透明白色，無(wú)法形成枝蔓狀的松花，故蛋白應(yīng)先與OH-作用形成透明凝膠后再加入Mg2+。

3.2.3 NaOH的反應(yīng)時(shí)間和Mg2+濃度對(duì)松花生長(zhǎng)的影響

在加入NaOH溶液一定時(shí)間后，再分別滴加適量不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的MgCl2溶液，記錄蛋白凝膠狀態(tài)，根據(jù)試管中松花大小、外觀和數(shù)量對(duì)其進(jìn)行感官評(píng)分，結(jié)果如表3所示。

在一定時(shí)間內(nèi)，NaOH和蛋白的反應(yīng)時(shí)間短，蛋白未形成凝膠，Mg2+與OH-形成無(wú)定形沉淀；NaOH和蛋白的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，蛋白凝膠的強(qiáng)度大，Mg2+難擴(kuò)散無(wú)法生長(zhǎng)成松花。結(jié)果表明，在10g蛋清中加入0.9mL NaOH溶液，1.0h后再加入不同濃度的MgCl2溶液，12～15天內(nèi)蛋白凝膠中均生長(zhǎng)出松花，其中，加入3滴3%的MgCl2溶液后形成的松花感覺(jué)最好。在記錄時(shí)段內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，蛋白凝膠中松花的大小、數(shù)量均會(huì)增加。

3.2.4 其他離子對(duì)松花生長(zhǎng)的影響

在10g蛋白中加入0.9mL NaOH溶液1h后再加入3滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的不同的金屬離子溶液［10］，觀察現(xiàn)象，結(jié)果如表4所示。

結(jié)果表明：在蛋白凝膠中，加入其他金屬離子不能形成松花，只有加入了Mg2+才能形成松花（19天后），說(shuō)明Mg2+有利于松花的生長(zhǎng)。

3.2.5 兩種凝膠中模擬松花的生長(zhǎng)

分別在天然蛋白凝膠、1%瓊脂糖凝膠中進(jìn)行松花生長(zhǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)，天然蛋白凝膠中12天出現(xiàn)松花，瓊脂糖凝膠中20天出現(xiàn)松花，將有松花的凝膠切片進(jìn)行光學(xué)顯微分析。

在兩種凝膠的模擬實(shí)驗(yàn)中均獲得了分枝狀松花，其中天然蛋白凝膠強(qiáng)度不大略有彈性，瓊脂糖凝膠強(qiáng)度較大按壓無(wú)回彈，如圖5所示，前者的分枝狀松花延展程度較大，而后者的分枝狀松花延展程度較小。研究表明：在物質(zhì)輸運(yùn)受到限制的條件下，晶體生長(zhǎng)可以形成分枝狀圖案［11］。結(jié)晶形態(tài)取決于凝膠強(qiáng)度，而與凝膠的具體成分無(wú)關(guān)［12］。

（c）100倍，（d）200倍瓊脂糖凝膠中松花生長(zhǎng)，

（e）及光學(xué)顯微表征，（f）40倍，（g）100倍，（h）200倍］

3.2.6 皮蛋腌制過(guò)程中松花的生長(zhǎng)

按2.3（1）的腌制方法制備的皮蛋隨著時(shí)間的推移慢慢長(zhǎng)出松花，其過(guò)程記錄顯示，隨時(shí)間的推移，皮蛋蛋白從黏性液體轉(zhuǎn)變?yōu)楦挥袕椥缘哪z，在第14天開(kāi)始長(zhǎng)出了松花。

3.3 皮蛋形成過(guò)程中不同部分的Mg（Ⅱ）的含量變化

按2.3（2）進(jìn)行樣品處理，以原子吸收分光光度法測(cè)定腌制鴨蛋不同部分的Mg（Ⅱ）含量變化，結(jié)果如下：

圖6顯示，隨著腌制時(shí)間的推移，蛋殼及蛋黃中鎂含量逐漸下降，蛋白中鎂含量逐漸增多。在腌制過(guò)程中，OH-透過(guò)殼膜富集在蛋白表層，形成負(fù)電場(chǎng)，吸引蛋殼和蛋黃中Mg2+遷移到蛋白，形成Mg（OH）2晶體。

3.4 松花生長(zhǎng)機(jī)制分析

從一個(gè)皮蛋中分離出的松花約0.18g，全部參與反應(yīng)的Mg2+不到20mg，全部松花的形成需要OH－約2.8×10-10g，一般腌制10天后，蛋中OH－可達(dá)2×10-10g，15～30天后出現(xiàn)松花，此時(shí)蛋白OH－遠(yuǎn)大于形成松花所需要的量。

（1） 松花生長(zhǎng)位置分析：從可視化的過(guò)程可以觀察到，無(wú)論是蛋白凝膠還是瓊脂糖凝膠中，松花的出現(xiàn)均在凝膠形成多天后才出現(xiàn)并開(kāi)始生長(zhǎng)，由于凝膠狀態(tài)黏稠，限制了Mg2+的活動(dòng)，抑制了Mg（OH）2晶體成核，松花一般產(chǎn)生在蛋白與殼膜的交界處，殼膜為Mg2+可以通過(guò)的半透膜，能阻擋99%的外源金屬離子，故皮蛋制作過(guò)程中加入草木灰（樹(shù)葉）成分，是為了提供足量的外源Mg2+［13］。

（2） 鎂離子利于松花生長(zhǎng)：松花外觀呈白色分枝狀晶體。易與蛋白凝膠中OH-形成白色晶體的輕金屬離子一般有：Mg2+、 Al3+、 Ca2+，其中Mg2+半徑為65pm、 Mg（OH）2溶度積常數(shù)為5.61×10-12，Al3+半徑為50pm、 Al（OH）3溶度積常數(shù)為1.9×10-33，Ca2+半徑為99pm、 Ca（OH）2溶度積常數(shù)為4.7×10-6。其中半徑較小的Mg2+和Al3+可以通過(guò)半透膜，在蛋白凝膠的限制下緩慢運(yùn)動(dòng)，半徑較大的外源Ca2+則難以通過(guò)半透膜。Al3+與OH-形成沉淀的pH范圍為5.5～8.5，此時(shí)蛋中pH已達(dá)12.92，因此白色沉淀中不會(huì)含Al（OH）3；當(dāng)pH大于12.4時(shí)，Mg（OH）2完全沉淀。

（3） Mg（OH）2近六邊形微觀形貌：當(dāng)Mg2+積累到一定濃度時(shí)，Mg（OH）2在蛋白凝膠與殼膜界面形成晶核。Mg（OH）2在水中的等電點(diǎn)pH為12，以MgCl2為外源Mg2+時(shí)，一方面可以作為強(qiáng)酸弱堿鹽降低體系pH，當(dāng)pH小于等電點(diǎn)時(shí)，Mg（OH）2表面帶正電荷，晶體基面上吸附的OH－促進(jìn)了Mg（OH）2晶體的沿邊生長(zhǎng)，生成的Mg（OH）2趨向于片狀［14］。同時(shí)Cl-通過(guò)電荷中和效應(yīng)加速M(fèi)g（OH）2的溶解過(guò)程；另一方面通過(guò)促進(jìn)Mg（OH）2邊緣生長(zhǎng)進(jìn)而強(qiáng)化了（001）晶面的生長(zhǎng)，Cl-的取代破壞了Mg（OH）2八面體的局部對(duì)稱性，或破壞了相鄰的Mg—OH鍵之間的競(jìng)爭(zhēng)，引導(dǎo)Mg（OH）2趨于六方片狀形貌［15］。

（4） 松花的枝蔓形態(tài)：當(dāng)凝膠中堿過(guò)量，而Mg2+呈現(xiàn)出速度受限的擴(kuò)散行為，即擴(kuò)散限制凝聚（DLA）（diffusion limited aggregate），Mg（OH）2的（001）晶面是非極性面，而（101）晶面是極性面，具有較低極性的（001）晶面選擇性生長(zhǎng)可以降低顆粒極性，進(jìn)而有利于提高其與凝膠的相容性；此外，Mg（OH）2晶面取向生長(zhǎng)還會(huì)影響松花的外觀形態(tài)。凝膠對(duì)特定晶面的吸附作用可能是晶粒選擇Mg（OH）2的｛100｝面成核的原因。凝膠介質(zhì)不僅為Mg（OH）2晶體生長(zhǎng)提供成核位點(diǎn)和受限微環(huán)境，還在Mg（OH）2晶粒與松花之間建立聯(lián)系，使得它們?cè)诒舜诉h(yuǎn)離的情況下仍然能夠保持一致的取向。研究表明：在物質(zhì)輸運(yùn)受到限制的條件下，晶體生長(zhǎng)可以形成分枝狀圖案［16］。結(jié)晶形態(tài)取決于凝膠強(qiáng)度，而不取決于凝膠的具體成分［17］，DLA模型生長(zhǎng)的美麗枝蔓，屬于枝晶中的分形，而物質(zhì)世界的許多形態(tài)具有分形的特征，大到星云，小到微米甚至納米尺度的晶核都能觀察到分形的存在，都具有整體與局部相似的疊加結(jié)構(gòu)，廣泛存在于自然界。

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