蔡　杰,张　倩,雷　苗,陈璟瑶,刘　刚，何静仁,汤尚文

(1.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023;2.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 4300703.湖北文理学院化学工程与食品科学学院,湖北襄阳 441053)



蛋清粉凝胶特性改性研究进展

蔡杰1,2,张倩1,雷苗1,陈璟瑶2,刘刚1，何静仁1,汤尚文3

(1.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023;2.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 4300703.湖北文理学院化学工程与食品科学学院,湖北襄阳 441053)

蛋清粉作为一类干燥的蛋制品,既保有了蛋清蛋白优良的功能特性,同时规避了液蛋制品难贮藏、难运输的固有弊端,因而用途十分广泛。为了进一步满足市场对高凝胶性蛋清粉的需求,国内外研究者对此做了大量的工作。本文从蛋清蛋白的组成着手,阐述了蛋清蛋白凝胶性能的影响机理,着重对蛋清粉凝胶特性的改性研究进展进行了综述,以期为丰富食品蛋白质凝胶化理论研究以及拓展蛋清粉高效应用提供参考。

蛋清蛋白,蛋清粉,凝胶性能,改性

鸡蛋是人类理想的天然食品,富含蛋白质、脂肪酸、各种维生素以及Ca、Fe、P、K等人体所需要的矿物质元素,因此,鸡蛋在提供人体营养和疾病防治等方面发挥着重要的作用[1-7]。已有文献报道从蛋黄中分离纯化出了ω-3脂肪酸、卵磷脂、胆碱等生物活性物质,并成功实现了其工业化生产[8-10],因而大幅度地提升了鸡蛋的营养学附加价值。鸡蛋清同样具有高营养价值,其蛋白质含量高达80%[11]。研究表明,鸡蛋清中的蛋白质具有与食品的加工性、嗜好性相关联的多种功能特性,如凝胶性、持水性、起泡性和乳化性等,特别是蛋清蛋白的凝胶性在食品的制造中效果显著[12-15]。由于蛋清液自身存在难贮藏、难运输、难保存的缺点,目前更多的是利用干燥技术将蛋清制备成为粉状产品加以综合利用。

蛋清粉作为一类干燥的蛋制品,既拥有蛋清蛋白的优良功能特性,同时规避了液蛋制品固有的弊端,在食品、纺织、造纸、皮革、医药等各工业领域有所应用[16-19]。然而,在实际的工业化生产中却发现蛋清粉的凝胶性不足以达到某些特定行业的需求。因此,为了改善蛋清粉的凝胶特性,以拓宽其更广泛的市场前景,本文就国内外科研工作者对此所开展研究的动态进行了综述,以期为鸡蛋蛋清蛋白的深度开发与综合应用提供一定的思路。

1　蛋清蛋白的主要组成

蛋清存在于鸡蛋蛋白膜之内,颜色呈微黄色,其含量约占全蛋总重的60%～63%。蛋清的主要成份是水和蛋白质,因此其结构是以水作为分散介质、蛋白质作为分散相所组成的胶体物质。在蛋清蛋白体系中,蛋白质的含量约为全蛋总蛋白量的11%～13%,其主要包括卵清蛋白(Ovalbumin,OVA)、卵伴白蛋白(Conalbumin)、卵粘蛋白(Ovomucin)、卵类粘蛋白(Ovomucoid,OVM,GaidI)、溶菌酶(Lysozyme)、卵球蛋白(OVO-globulin)以及抗生物素蛋白(生物素结合蛋白)(Avidin)(如表1)[19-25]。蛋清蛋白所拥有的这些蛋白质共同决定了其的优良的功能特性,为我们全效开发蛋清及蛋清制备,提升鸡蛋的附加值提供了重要的理论基础。

表1　蛋清蛋白的主要组成及其理化性质

2　蛋清蛋白质的凝胶性质研究

2.1蛋清蛋白凝胶的形成过程

凝胶作用是指蛋白质分子经适度变性后,聚集形成一个规则的蛋白质分子空间网状结构的过程。基于Flory理论,凝胶过程的形成一般分为:预凝胶态、胶凝点和后凝胶态三个部分。在预凝胶态,蛋白质分子间通过β-折叠作用开始形成相对分子量较高的、有限的可溶性聚集体;再经胶凝点,分子体系中粘弹性液体逐渐转变为粘弹性固体,导致不溶性网状凝胶的形成,此时整个体系仍以单体、二聚体或较大些的聚集体为主要存在形式,三维凝胶结构非常少;最终在后凝胶态,体系中各种形态的聚集体互相交联构成一个连续的分子结构,这个均匀的分子构型即为蛋清蛋白凝胶[24,28-30](如图1)。

图1　蛋清凝胶形成的过程[24]Fig.1　The process of protein gel formation

2.2蛋清蛋白凝胶化机理

蛋白质分子链通过展开、结合和交联聚集过程形成三维网状结构的蛋白凝胶。在蛋白凝胶化过程中,首先加热作用促使天然状的蛋白质多肽链部分展开呈现融球状,分子链中一些功能团(如疏水基团和巯基等)随之暴露于表面,蛋白质分子的分散速率下降,整体表现出弹性固体特征;随后,蛋白质分子逐步变性,在暴露出的二硫键和疏水相互作用下交联形成聚集体,体系粘性呈指数增加,一旦当蛋白质粘性浓度超过胶凝点的临界值时,这些聚集体就会逐渐形成连续的网状结构,最终导致均匀凝胶基质的形成;后凝胶态下,蛋白质分子链间和水分子之间存在着二硫键、氢键、静电力和疏水相互作用,通过这些化学键的相互作用使得蛋白凝胶形成稳定的平衡体,且整个形成过程中二硫键和氢键分别控制着蛋白质凝胶的不可逆和可逆过程[28-31]。

2.3影响蛋清粉凝胶性质的因素

2.3.1外部因素对蛋清蛋白凝胶特性的影响蛋白质分子多肽链经适度变性后,相互交联聚集形成三维网状结构,这种空间结构易受到外界理化条件的影响,其中以离子/盐浓度、pH以及干燥温度这些因素的影响较为显著。

2.3.1.1离子强度与盐浓度金属阳离子(如高浓度的Na+)对蛋白质表面负电荷具有屏蔽效应,能降低蛋白质分子间的静电相互作用,致使蛋白质-蛋白质间相互作用增强,蛋白质-水间相互作用减弱,蛋白质发生聚集,凝胶持水性下降[32]。Croguennee等[33]采用不同种类的金属离子作用于蛋清蛋白质来研究其凝胶性能的变化:当体系pH=7时,Ca2+,Fe3+和Mg2+对蛋白质的粘弹性和微观结构有一定的影响,且Fe3+表现最为显著;而高浓度NaCl降低了蛋白质凝胶的持水性能。刘西海[34]通过研究不同金属离子对腌制蛋清蛋白质结构的影响,发现金属离子能加剧蛋白质的β-折叠和分子展开,进而促进其交联;但金属离子长时间作用可导致蛋白质分子因疏水作用而部分簇集,其表面疏水性降低;且二价金属离子较一价离子对蛋清蛋白质构象以及蛋清凝胶微观结构影响更显著,基本符合霍夫曼斯特离子序。凝胶的形成同样受到盐的种类的影响,如低浓度的Ca+能降低卵清蛋白的变性温度以及热诱导凝胶的微观结构,而Na+对此无作用。

2.3.1.2pHHanda A等[35]人发现pH对蛋清蛋白凝胶特性影响很大,在蛋白质浓度为10%的实验条件下,pH=4和1l时,蛋白凝胶强度较大;而pH=3、7时,蛋白凝胶强度较小。这是由于pH能降低蛋白质分子的净电荷,且高pH时,蛋白质分子的巯基反应性受到影响,二硫键作用增强,从而导致分子间的排斥力降低,当蛋白质分子受热时迅速聚集成“粗凝胶”,粘弹性增强。叶阳等[36]以鸡蛋清为对象,分析了不同碱溶液(NaOH、KOH和Na2CO3)的添加对蛋清凝胶强度和持水性的影响,结果表明随着碱浓度的提高,蛋清的pH逐步升高,凝胶强度逐步下降。

2.3.1.3干燥温度Lee等[37]人研究发现干燥过程的温度对蛋清粉的凝胶特性存在着影响,实验表明当干燥温度超过95 ℃时,蛋白质发生严重变性,已不具备形成凝胶的能力。王丽娜等[38]利用同步热分析仪在恒温条件下测量了蛋清和蛋黄水凝胶的热流随时间的变化规律,深入分析发现随着体系水含量的逐渐减少,凝胶样品依次可能经历:类体水的蛋白质水凝胶态、键合水的蛋白质水凝胶态、键合水和键合蛋白质的混合态,以及键合蛋白质态这4个状态。

2.3.2内部因素对蛋清蛋白凝胶特性的影响蛋清蛋白含有总量高达70%的卵清蛋白和卵转铁蛋白这两类蛋白质,其共同决定着蛋清蛋白的凝胶特性。一方面,卵清蛋白中含有的自由琉基基团,可以显著的作用于蛋清的热诱导凝胶形成过程;另一方面,卵转铁蛋白能与Fe、Cu、Al等金属元素结合形成复合物,具有稳定蛋白质热变性的功能,从而对蛋清的初期凝结有着重要的作用。

3　蛋清粉凝胶特性改性的方法

原蛋清液经干制去除水分后制得的粉末蛋制品称为蛋清粉。加工成的蛋清粉保有了蛋清蛋白营养价值高、来源丰富、成本低廉的优点,同时具有与食品的加工性、嗜好性相关联的一些优良功能性质。为了进一步适应某些行业对蛋清粉高凝胶性的需求,因此有必要对其进行改性处理。目前常用于改善蛋清粉凝胶特性的方法主要有3类:物理改性、化学改性、酶改性。

3.1物理改性

3.1.1热处理物质的功能性质往往与其结构之间存在着必然的联系。蛋白质经加热处理后结构随之发生了变化,从而引起其功能性质的改变。基于这一理念,Matsudomi等人[39]对蛋清蛋白进行加热处理,导致蛋白中卵清蛋白总巯基和表面巯基发生改变:热处理温度升高,总巯基数下降,表面巯基数增多。而蛋白的总巯基数和表面巯基数对其凝胶性能起着明显的作用:暴露于表面的巯基数增多,分子间和分子内的相互作用增强,蛋清蛋白的凝胶性能提高。Xu等人[40]首先在60 ℃条件下对蛋清粉液热处理2.0～3.5 min,随后再放入5 ℃的低温环境中静置20 h以形成凝胶,凝胶强度测试结果显示:热处理后的样品比未经任何处理的原样在凝胶性能上有所提高。在后续研究中[41-43],同样印证了热处理能够有效的改变蛋清粉的凝胶特性。热处理法因其简便的操作、明显的效果,因此在改善蛋白凝胶性能上得到了广泛的应用。

3.1.2加压处理目前,高压处理技术已经应用到食品领域中来改善一些原料的功能特性。物料在超高压作用下可发生强烈剪切、高速撞击、剧烈震荡、以及压力瞬间释放等效应,从而引起生物大分子结构的改变。研究表明,对蛋清蛋白进行加压处理(400 MPa静压)可引起蛋白质部分变性聚集,凝胶强度增大;加压至600 MPa以上30 min会形成较硬的凝胶,且由压力致使的凝胶化较加热引起的凝胶化所得到的蛋白凝胶具有更好的粘弹性、光泽性以及天然的味道。在工业生产中,一般使用500～1000 MPa压力范围来诱导蛋白凝胶改性。Van等[44]采用DTNB法分别研究热诱导(50～85 ℃)与压力诱导(100～700 MPa)对蛋清蛋白质中总巯基变化影响,发现两种方法均能导致巯基基团暴露并经巯基氧化反应与SS-SH交换反应协同作用使得其含量明显下降;但在压力作用下巯基基团暴露更为容易、减少更为明显,且蛋白质分子可溶性聚集程度更为显著。王辉[45]采用动态超高压微射流技术对蛋清蛋白进行改性,实验结果发现随着压力的增大,动态超高压微射流处理对蛋清蛋白溶解性的影响较小,而凝胶性、成膜性、起泡性、流变性均得到了有效改善。何轩辉等[46]研究者就超高压对食品蛋白凝胶性的形成影响因素及机理进行了综合阐释,在此基础进一步分析了加压处理改善物料功能特性在未来的发展动向。

3.2化学改性

根据国内外科研者的研究结论,发现对蛋白质进行还原糖糖基化修饰可以改变食品蛋白质的某些功能性质,其中对提高蛋白质的凝胶特性有较好的效果。蛋白质-糖基化修饰是指利用分子间共价键将碳水化合物同蛋白质分子上的氨基(主要是α-或ε-氨基)相连接进而反应生成糖基化蛋白的变化。在蛋白质-糖基化反应中,美拉德反应作为一种常见的糖基化修饰方法,在改善蛋清蛋白凝胶性能方面应用相对较多。早在1997年,Noatohsi Matsudomi等人[47]通过在蛋清液中分别添加硫酸化葡聚糖(Dextrna Sulfate,DS)和半乳甘露聚糖(GalaCtomnanan,GM)进行美拉德反应来分析蛋清粉的凝胶性质变化,实验结果表明DS含量为0.05%或GM含量为0.25%时复合体系的凝胶强度有所提高。随后,我国研究者也陆续对蛋清蛋白质-糖基化修饰进行了研究以提高蛋清粉的凝胶性能。徐雅琴等人[48]在2005年分别利用盐酸水解瓜尔豆胶和魔芋胶,以及果胶酶水解果胶;再将水解后所得的三种产物与脱糖鸡蛋白粉发生美拉德反应,结合发现所生成的蛋白粉-瓜尔豆胶反应复合物的凝胶强度有明显的提高(约为1378.9 g),比普通蛋清粉凝胶性增加了1207%。徐保立等人[49]在2010年采用具有强亲水性的离子型多糖羧甲基纤维素(CMC)和羧甲基纤维素钠(CMC-Na)对蛋清粉进行凝胶改性,实验结果表明在反应温度为60 ℃和反应时间2 d,CMC蛋清蛋白和CMC-Na蛋清蛋白复合物的凝胶强度显著增大,扫描电镜(SEM)观察到蛋清粉中小分子质量蛋白质在减少,凝胶的微观网络变得均匀致密。利用碳水化合物与蛋清粉蛋白间的美拉德反应所制得的蛋清粉其凝胶特性显著的提高,但反应过程往往伴随着制褐变产生和营养价值的降低情况,因此在一定程度上限制了化学方法的应用。涂勇刚等[50]研究发现在蛋清蛋白凝胶体系发生相变的浓度点,结冷胶、黄原胶和阿拉伯树胶均对体系强度有明显的作用;蔗糖对体系的凝胶强度没有明显的影响;麦芽糖对蛋清蛋白凝胶的作用明显,在低浓度可以促进蛋清蛋白凝胶强度而在高浓度可以减弱蛋清蛋白凝胶强度;玉米淀粉在一定浓度可显著改善蛋清蛋白凝胶的强度。

3.3酶法交联改性

酶法交联改性修饰技术是指采用各种酶对蛋白质进行催化反应,人为地向蛋白质分子中引入交联键,促使蛋白质分子间的相互交联,因而使其具备更高的功能特性,尤其是良好的蛋白质凝胶性质。酶法交联改性常用的酶的种类有:转谷酰胺酶(TG)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化酶(POD)等,其中以TG应用较为广泛。

转谷氨酰胺酶(TG)又称谷氨酰胺转氨酶[51-52],这种转移酶能够作用于γ-羧酰胺基供体和胺类酰基受体之间的酰基转移反应。当向蛋白质中添加TG时,会在蛋白质分子间和分子内形成新的共价键,从而使得蛋白质发生交联聚合形成高分子量聚合物,这些复合体系的产生有利于改善蛋白质凝胶性质。目前,研究者已经广泛的对TG促进凝胶形进行了研究。Sakamoto等人[53]利用微生物转谷氨酰胺酶(MTGase)对多种蛋白交联改性反应,实验结果表明MTGase对所有的样品的凝胶性能均有一定的影响,其中在反应温度65 ℃和pH=6时,与蛋清蛋白所形成的交联蛋白的凝胶强度较好,比所对照样品的性能提高了约1倍。王然和迟玉杰[54]从转谷氨酰胺酶用量、作用时间以及反应温度方面分析酶对蛋清粉凝胶强度的影响,为优化蛋清粉的加工品质提供理了一定的论基础。实验结果表明:在酶用量6 U/g,反应时间3.99 h,反应温度35 ℃的条件下,蛋清粉的凝胶强度高达820 g/cm2,这说明TG交联改性蛋清粉可以大大优化其凝胶品质。同时,TG交联改性蛋清粉也存在一定的限制,当酶作用的底物蛋白质活性部位上热力学相合性不同时,产生的蛋白互相不重叠性将阻碍蛋白质分子间的交联反应,最终导致蛋白聚合物无法形成,也就起不到改善蛋清蛋白凝胶性质的作用了。徐东红[55]通过正交实验优化得出蛋清蛋白凝胶性最优谷氨酰胺转氨酶作用工艺条件是:酶作用温度50 ℃,酶作用pH=4,酶添加量0.3 g,酶作用时间1.5 h条件下,蛋清蛋白的凝胶强度达到391.2 g,比普通蛋清蛋白凝胶强度(173 g)提高了126%。目前已有研究者运用碱性蛋白酶限制性对乳清蛋白酶解,并就其凝胶特性、凝胶粒径、成胶温度以及蛋白组分水解情况进行分析,实验结果表明碱性蛋白酶解可以改善乳清蛋白的凝胶特性[56]。

随着现有的提取纯技术艺的日趋成熟,酶的来源越发丰富,此外酶本身具备反应条件温和、反应过程易于控制的特点,很大程度的促进酶的广泛用途。但是酶改性后的蛋清粉制品,营养价值下降、价格相对较高的弊端仍需进一步研究改进。

4　结语

由于鸡蛋具有最优质的全价蛋白质,因而被称作“人类理想的天然食品”。近年来,科研工作者开始着手于研究蛋清的开发与综合利用。为了进一步发掘蛋清粉的应用潜力,以适应某些特定行业的高凝胶性的需求,不少研究者对蛋清粉凝胶性能的改性进行了研究,同时取得了一定的理论研究基础和实际功效。但蛋清中蛋白质种类繁杂多样,对凝胶化影响功能各异,因此,有必要从分子水平上深入,以结构与功能为导向,系统探明其凝胶化机制,并结合多种方法联用来改善蛋清粉凝胶特性,这对丰富食品蛋白质凝胶化机理的理论基础以及拓展蛋清粉的高效应用发挥着重要的意义。

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Review on improvement in the gel properties of egg albumen powder

CAI Jie1,2,ZHANG Qian1,LEI Miao1,CHEN Jing-yao2,LIU Gang1,HE Jing-ren1,TANG Shang-wen3

(1.College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;3.College of Chemical Engineering and Food Science,Hu Bei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,China)

Egg albumen powder,a kind of the dried egg products,has a very wide range of applications because not only has the outstanding properties of egg white protein but eliminates the disadvantage of the liquid egg product,such as difficult storage and transportation. In order to further improve the gel property of the egg albumen powder,the researchers have done a lot of research in this field. This paper discussed the composition and the gel formation mechanism of egg white protein,and focused on the progress of improvement in the gel properties of egg albumen powder. This review was to provide a reference to enrich the theory system on gelation mechanism of egg albumen protein and its high effective application.

egg albumen;egg albumen powder;gel properties;modification

2015-12-04

蔡杰(1987-),男,博士,讲师,研究方向:生物大分子改性与纳米技术,E-mail:caijievip@hotmail.com;caijievip@whpu.edu.cn。

国家自然科学基金(31401640);武汉市青年科技晨光计划(2014072704011258)。

TS253

A

1002-0306(2016)13-0395-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.073