亲水胶体对蛋清热凝胶特性影响的研究进展

蛋清是一种以水作为分散介质,以蛋白质作为分散相的胶体物质[1],是优质的动物蛋白摄入来源。蛋清蛋白是蛋清中包含的所有蛋白质种类的总称,它主要由卵清蛋白,溶菌酶和卵黏蛋白组成,这些蛋白为蛋清凝胶的形成提供了物质基础[2]。在食品加工中加入蛋清或蛋清粉,可以对食品的硬度、黏性、耐咀嚼性等感官特性产生影响,这一影响正是蛋清凝胶特性的作用结果。

亲水胶体的种类有很多,其中绝大多数胶及其衍生品已被列入国标GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》中,这对研究者的改性探究起着指导和规范作用。亲水胶体改性蛋清,相较于以往的物理改性、化学改性和酶法改性,有着自己的优势。与超声波、高压等物理改性方法[3]相比,亲水胶体改性对设备要求低,且改性手法简易。与磷酸化、糖基化[4]等化学改性方法相比,亲水胶体改性对反应条件要求简单,添加物更加安全可靠。与交联酶、水解酶等[5]酶法改性相比,亲水胶体的获取更加便捷,价格更加低廉。

亲水胶体由于其组成的多糖携带的电荷性不同而具有不同的性质。大多数多糖(例如海藻酸钠,卡拉胶和阿拉伯树胶)是带负电荷或呈电中性[6],壳聚糖由于携带酰胺基团(—NH3+)[7]是少见的阳离子多糖。此外,不同亲水胶体的来源不同,分子质量不同,功能性侧链基团不同,都会对蛋清的凝胶特性产生差异性影响[8]。因此本文从蛋清的凝胶机理出发,分析亲水胶体改良蛋清凝胶特性的影响因素,再针对不同亲水胶体单一或是复配作用对蛋清凝胶特性的影响结果,阐述亲水胶体对蛋清凝胶特性的不同影响机理,以期为后续的研究提供理论指导。

1 蛋清蛋白及其热凝胶机理

1.1 蛋清蛋白简介

蛋清中的蛋白质种类有40余种之多,卵清蛋白、卵黏蛋白和溶菌酶都是其主要蛋白[9]。丰富的蛋白使得蛋清同时具有胶凝性,起泡性和乳化性。由于蛋清具有优异的胶凝性质,在鱼糜和香肠的加工中经常被用作凝胶填充剂或交联剂,以此来提高产品的凝胶特性[10]。天然蛋白与多糖存在的共价和非共价相互作用,也让亲水胶体对蛋清凝胶特性的改良具有重要的研究意义。

1.2 蛋清的热凝胶机理

蛋清受热后,蛋白质发生部分展开,在一定作用环境条件下,形成凝胶复合物。根据CAMPBELL等[11]的研究理论,蛋清热凝胶过程存在2个凝结温度。起初,在61.5～62.5 ℃的温度范围,包含伴白蛋白在内的部分蛋白发生变性和部分聚集,之后在71～73 ℃温度范围内完成凝结过程。由于蛋清蛋白中含有相当一部分的疏水基团,这些基团在蛋白分子受热展开后暴露在分子表面,提高蛋白质分子的表面疏水性,促进交联过程。在疏水相互作用力和静电相互作用力的共同影响下,蛋白质之间发生聚集形成聚集物。在凝胶点阶段,蛋白质分子之间出现分子间二硫键形式的交联,这种交联对后凝胶状态稳定凝胶网络具有重要的作用。在一定加热时间后进行冷却,冷却阶段聚集体之间氢键重新生成使得凝胶基质更加稳定[12]。蛋清热凝胶的形成是一个复杂的变化,这种变化受蛋白浓度、体系离子类型和强度、加热时间和温度、体系pH值以及蛋白与其他组分相互作用共同影响[13]。蛋清热凝胶化过程见图1[11]。

2 亲水胶体

2.1 亲水胶体的分类

亲水胶体的种类有许多,根据其来源、离子性质和结构特性可进行区分,详见表1[14]。

2.2 亲水胶体与蛋清蛋白的相互作用

2.2.1 共价相互作用

亲水胶体作为多糖,在与蛋清中的蛋白质发生反应时,与蛋白质分子的部分残基发生共价结合。最为常见的就是美拉德反应第一阶段(羰基-氨基缩合),在该过程中,多糖的羰基和蛋白质分子的氨基发生缩合反应[6]。由于整个反应简易可控且无副产物产生,所以美拉德反应已经被广泛地应用于修改天然蛋白质[15]。已有研究报道,糖基化能有效提高蛋白的溶解度[16]、蛋白的发泡性能[17]和乳化性能[18]。

2.2.2 非共价相互作用

亲水胶体与蛋清蛋白的非共价结合相较于共价结合会偏弱一些,这其中主要包含静电相互作用,疏水相互作用和氢键结合等[19]。静电相互作用主要受亲水胶体和蛋白质的电荷性种类和强度的影响,在聚合物之间可能发生吸引或排斥。疏水相互作用主要表现为溶液中的非极性基团避开水而相互结合的一种趋势,是推动蛋白质分子构象发生转变的主要推动力之一。氢键结合与体系pH值有关,当pH值大于蛋白质等电点时,多糖和蛋白质存在发生氢键结合的可能[20]。

3 亲水胶体和蛋清蛋白相互作用的影响因素

3.1 pH值

亲水胶体和蛋清的复合溶液体系pH值对交联程度起着重要作用。蛋白质的电荷性受pH的影响,当体系pH大于蛋白质pI时,蛋白质呈负电性,由于绝大多数亲水胶体是带负电的,所以此时两者的静电相互作用呈现为排斥状态。反之,两者的静电相互作用呈现为吸引状态。但是最终2种生物聚合物的聚合结果,还受到浓度的影响,它们或是共溶的单一体系,也有可能相互排斥为两相体系发生沉淀或析出[19]。所以说,排斥和吸引只是分子间的作用形式,不能表征为相互作用的最终结果。

3.2 温度

温度对两者相互作用的影响存在两面性,当温度较低时,亲水胶体多糖与蛋清蛋白分子更容易发生氢键结合,而高温可以使蛋白质分子展开原本包含在内部的疏水基团外露,增强疏水相互作用[21]。此外,一定程度的加热,可以使得多糖和蛋白质的混合物产生美拉德型偶联物,这种产物的产生会改善蛋白质的溶解度和胶体稳定性[22]。

3.3 离子强度

离子强度在控制聚合物体系电荷平衡时有着显著的作用,盐离子的加入会对复杂的凝聚物产生静电屏蔽作用,这种屏蔽作用削弱了多糖和蛋白质分子之间的静电相互作用[23]。静电相互作用作为蛋白分子间结合的重要推动力,在离子屏蔽效应的作用下被削弱,从而导致聚合物凝集程度降低。此外,不同价数的离子带来的影响也是不同的。二价甚至更高价阳离子比一价阳离子更能抑制聚合物之间的静电相互作用,即便是在较低的浓度条件下,也能阻止多糖和蛋白质络合[24]。但是也有部分相关实验结果表明,低浓度条件下的离子添加,反而会对聚合物交联起到促进作用[25]。

3.4 聚合物总浓度和亲水胶体与蛋白比例

根据SCHMITT等[26]的研究,在不同的多糖-蛋白体系中,当聚合物总浓度保持恒定时,存在蛋白质和多糖的特定比例,在该比例下,聚合物能出现最高的凝聚率,最低的浊度。当某一方过量时,两者会形成可溶性聚合物。如果多糖和蛋白同时过量,凝聚则不会发生。此外,如果聚合物总浓度过大,多糖大分子和蛋白质分子对溶剂产生竞争现象,两者由于热力学不相容的原因,无法达到分子层面的均匀分散从而出现相分离的现象。

4 亲水胶体改良蛋清凝胶特性的研究

魔芋胶、卡拉胶、黄原胶、明胶等亲水胶体在蛋白功能结构改性方面应用广泛,以上所述的亲水胶体在大豆分离蛋白[27]、肌原纤维蛋白[28]、乳清蛋白[29]已经有了十分成熟的应用。亲水胶体多糖对蛋白的物理、化学和微观性质产生影响,能够改善蛋清凝胶的凝胶性质[30]。近些年来,关于亲水胶体对蛋清蛋白的应用研究也逐渐变多,尤其是对新型食品包材的研究越发火热,使得蛋清蛋白成为实验材料被研究者们熟知和利用。

4.1 单一亲水胶体改良蛋清凝胶特性的研究

魔芋胶主要成分为葡甘露聚糖,作为一种食品添加剂具有良好的增稠性和胶凝性,因此在食品行业有着十分广泛的应用。谭芦兰等[31]对魔芋胶和咸蛋清的相互作用进行了研究,结果表明,魔芋胶在0%～1%的添加量范围内,咸蛋清凝胶的凝胶硬度都呈单调上升趋势,其他质构指标,如弹性、内聚性、咀嚼性,也表现出与凝胶硬度相似的变化趋势。从表面疏水性和巯基含量的变化结果可以得出,魔芋胶的加入促使蛋清蛋白分子结构发生变化,一是表面疏水基团的外露,二是巯基的暴露及二硫键的形成,这些结果都会导致胶体凝胶性能的提高。该研究探讨多糖和蛋白相互作用,对于咸蛋清中盐离子的潜在作用只是提出了看法暂时没有后续的研究解释,而盐离子在特定环境下,其本身就能诱导蛋白凝胶化,这一点对凝胶特性同样重要[32]。

卡拉胶是一种从藻类物质中提取出来的硫酸化多糖,由于其优异的胶凝性和增稠性,被广泛应用于乳制品、肉类制品和饮料的加工中[33]。苏芳萍[34]研究了卡拉胶与蛋清蛋白的复合凝胶性质,发现当卡拉胶固定添加量为0.8%时,复合凝胶的凝胶硬度随蛋清蛋白浓度(0%～4%)的增加而增加,但增加的趋势逐渐平缓。当固定蛋清蛋白浓度为3%时,复合凝胶的凝胶硬度随卡拉胶浓度的增加先提高再降低。此外,体系pH值对蛋清蛋白与卡拉胶酸性复合凝胶(pH<4.5)硬度的影响变化趋势与前者一致,但比较来看酸性条件下得到的凝胶硬度会更低。这样就不难得出,pH值对于蛋清蛋白和亲水胶体的聚合有着重要的影响。pH值的变化不仅会影响卡拉胶和蛋清蛋白之间的静电相互作用,同时酸性条件下卡拉胶酸水解效应显著,会导致卡拉胶本身的凝胶网络强度降低,从而影响复合体系,这一点从微观结构絮状程度中可以发现。

黄原胶又名汉生胶,与魔芋胶、卡拉胶同为阴离子多糖。其分子结构较为特殊,为侧链缠绕包围主链形式,所以它在实际生产应用中具有较强的稳定性、耐酸碱性和耐高温性[35]。此外,在低浓度条件下,黄原胶即能形成高黏度溶液,但其黏度随着剪切速率的增加而下降,属于假塑性流体[36]。KHEMAKHEM等[37]就不同亲水胶体对蛋清蛋白凝胶特性的影响进行了全面的探讨。实验结果表明黄原胶的添加(0.01%,0.1%,0.2%)对蛋清蛋白凝胶特性的影响是负面的,没有达到增强凝胶硬度的效果。一种解释是黄原胶是羧化多糖,本身与蛋白质的交互作用有限。另一解释是实验所用聚合物体系的pH为7,此时黄原胶和蛋清蛋白中的绝大多数蛋白都带负电荷,只有溶菌酶(pI 10.7)能与多糖发生络合,亲水胶体存在的条件下,复合物之间的静电斥力,同样也阻碍了蛋白质分子之间的相互作用。

明胶属于胶原变性的产物,在食品行业常用作增稠剂、澄清剂、涂膜保鲜材料等。BABAEI[38]评估了不同添加量的明胶(0,0.3%,0.4%和0.5%)对蛋清蛋白凝胶质构的影响,发现在0.3%的添加组凝胶的硬度有着显著的提升,但之后提高添加量(0.4%,0.5%),凝胶的硬度反而下降。BRINK等[39]的研究发现,二元混合凝胶存在与浓度相关的质构转变临界点,此次实验中0.3%添加水平可能是明胶与蛋清蛋白复合凝胶质构转变的临界点。具体机理可能是当明胶添加量过大时,凝胶网络会发生不均匀性,同时在凝胶过程中,蛋白质和多糖作用位点减少所致。作者认为,该实验作用环境为中性环境(pH值为7),明胶和蛋清蛋白中占绝对比例的卵清蛋白均带同种负电荷,相互之间存在静电排斥作用,加上明胶含量过高,会导致聚合物形成不溶性二重体系,减少相互作用位点。此外,空间排斥效应也有可能是影响多糖和蛋白质分子以及蛋白质分子之间交联作用的原因。

结冷胶是一种少见的微生物多糖,近些年来在食品加工方面应用广泛。随着胶体科学向蛋清蛋白凝胶方向研究的深入,结冷胶也逐渐被研究者们发现,作用于蛋清凝胶的改性当中。BABAEI等[40]探究了结冷胶对蛋清热诱导凝胶的结构、功能和降解特性的影响。由于两者的作用受pH的影响较大,设置了pH 4和7的实验环境,观察复合凝胶的结构变化,结果表明,pH 4时,结冷胶和蛋清液能够复合出更为坚固的凝胶,与pH 7相比,pH 4条件下,添加结冷胶的改性效果更为显著。出现该现象的原因是静电作用,当pH值低于蛋白质等电点时,两类聚合物带相反电性,存在相互吸引,所以交联作用更为紧密。而pH 7时,两者带相同电性,存在较强的静电斥力,出现了相分离,最终形成了不均匀的凝胶,凝胶硬度随之下降。

罗勒籽胶是一种杂多糖,主要由2个部分构成,包括主链的葡甘露聚糖和木聚糖侧链[41],常用于食品加工工业中,充当胶凝剂或稳定剂。据报道,罗勒籽胶在蛋白质存在的情况下,有助于复合体系形成热不可逆凝胶[42]。MIRARAB[43]就罗勒籽胶对热诱导蛋清蛋白凝胶的流变和理化特性的影响进行了全面的研究。其中,质构的实验结果反映了罗勒籽胶的加入提高了蛋清凝胶的硬度,并且凝胶硬度随罗勒籽浓度的增加而不断提高。不仅如此,实验还发现只有当罗勒籽胶的浓度较高时,凝胶的内聚性和黏性才会发生改变,即适当的罗勒籽胶添加浓度范围内,该亲水胶体的作用仅仅改变凝胶硬度,对其他指标能保持不变或减弱对其他指标的影响。推测罗勒籽胶的添加有助于蛋白质和多糖分子之间的靠近和聚集,进一步增强凝胶的结构。此外,罗勒籽胶添加浓度的增大也可能改变聚合物体系的蛋白浓度,使得复合物聚集体呈现出不同的排列,从而导致凝胶更坚实。

4.2 亲水胶体酶解液在改良蛋清凝胶特性中的应用

先前研究证明天然亲水胶体对蛋清蛋白的凝胶性能改善有效果。亲水胶体作为多糖大分子,其分子链上携带各种功能基团,赋予了亲水胶体改性的先天条件,吸引了部分研究者对其进行改良应用。

段汝清等[44]将瓜尔豆胶进行酶解,将经酶法改性后的胶体酶解液作用于蛋清蛋白改性。实验表明,在给定瓜尔胶浓度范围内(0～2.5%),无论是凝胶硬度还是持水性都有较大幅度的提升,且呈现先增后减的变化趋势。pH 9时,复合凝胶的硬度达到最高,原因可能是pH会对美拉德反应产生影响。当体系环境偏酸性时,美拉德反应第一阶段的羰-氨缩合产物会被水解,从而使得反应不显著。而当体系pH>9,环境碱性过强时,聚合物又会出现肽键断裂,脱羧和脱氢的情况,蛋白质一级结构被破坏,从而影响接枝反应。

4.3 亲水胶体复合改性在改良蛋清凝胶特性中的应用

除了对亲水胶体的直接改性外,将亲水胶体改性结合其他物理法、酶法和化学法对蛋清凝胶特性进行优化也是复合改性的途径之一。

BASHASH等[45]将明胶改性与超声处理和谷氨酰胺转胺酶处理相结合,3种改性手段的复合使用使多糖和蛋白质的相互作用更加复杂,受到影响的因素也更多。质构分析结果表明,蛋清和明胶的不同质量比(60∶40,50∶50,40∶60)会带来凝胶硬度变化,在质量比40∶60时,聚合物凝胶获得了较高的硬度值。与超声波处理和酶法相比较,明胶的占比对最终凝胶硬度的影响最大。即其他方法可以在亲水胶体改性手段中充当辅助作用,比如超声波处理使蛋清蛋白分子暴露出更多的疏水基团或其他结合位点,交联酶处理可以促进多糖和蛋白质以及蛋白质之间的分子交联,从而改善复合胶体的凝胶特性。

王轶男等[46]采用低酯果胶协同NaCl的复合手段对全蛋液进行改性,发现合理的NaCl和低酯果胶添加配比,能够提升全蛋凝胶的凝胶特性,其中硬度提高了1.01倍,弹性和持水力也分别提高了30.64%和16.48%。根据前文分析影响因素时提到的,多糖和蛋白在水溶液中会因为热力学不相容发生相分离现象[47],但阳离子的加入使得体系电位绝对值降低,破坏了聚合物的电荷平衡,在静电相互作用力的作用下出现共溶。因此,亲水胶体结合盐法改性可作为改善蛋清凝胶功能特性的方法之一。

5 总结与展望

综合研究结果来看,除黄原胶外,上述其他亲水胶体对蛋清凝胶的硬度提升是有帮助的,这一点也证明了绝大多数亲水胶体对蛋清凝胶的凝胶特性改良存在积极效果。除此以外,体系的离子强度或者是pH值都成为了研究者分析原因的重要因素,这一点与多糖-蛋白复合水胶体研究的影响因素相一致。但是,目前相关实验尚处于蛋白性能改良阶段,实际的机理探究还较少。

目前亲水胶体改性蛋清蛋白方向还有很多的空白,如复合亲水胶体处理蛋清蛋白的研究几乎为零,改性亲水胶如脱乙酰化魔芋胶、脱乙酰化结冷胶在蛋清改性方向的研究也很少。但随着食品包装材料学的发展,亲水胶体和蛋白质的复合将得到越来越多的应用,相信未来会有更多的亲水胶体被应用于蛋清蛋白凝胶的改性。此外,蛋清蛋白作为优质的蛋白摄入来源,其食品工业化应用前景巨大,不同企业对产品凝胶特性、起泡性、乳化性的需求在变,作为低廉易获取的食品添加剂,更为复杂有效的亲水胶体改性手段应该被实现。

但是,目前亲水胶体和蛋白质反应形成络合物的机理研究还不彻底,两者形成聚合物的过程受到多种因素分别或是叠加影响。此外,蛋清中蛋白质种类众多,要想确定其主要作用蛋白,可能需要研究者对蛋清中的蛋白进行分类提取,逐个研究。总之,亲水胶体和蛋白的复合研究近年来在国内外食品期刊上屡见报道,这也侧面反映了其协同作用对改善食品功能和开发创新食品具有重要的意义。

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