超高压对草鱼鱼糜凝胶特性的影响及其机理初探

梁 燕,周爱梅,郭宝颜,张 风,肖苏尧,刘 欣

(华南农业大学食品学院,广东广州 510642)

超高压对草鱼鱼糜凝胶特性的影响及其机理初探

梁 燕,周爱梅*,郭宝颜,张 风,肖苏尧,刘 欣

(华南农业大学食品学院,广东广州 510642)

本实验以草鱼鱼糜为原料,研究不同的超高压处理(100～500MPa/15～60min)对其凝胶特性的影响,并与热处理进行对比,同时探讨其凝胶机理。结果表明,超高压处理能很好地改善草鱼鱼糜的凝胶特性,在400MPa压力以上时,其质构指标如凝胶强度、弹性、内聚性、回复性均显著高于热处理样品,且形成的凝胶质地致密均匀,白度和亮度值高,而硬度比热处理样品低。超高压处理样品的TCA-可溶性肽含量低于热处理凝胶,表明压力可抑制引起鱼糜凝胶劣化的内源性蛋白酶的活性,且压力越大对酶活的抑制越大;但其溶解度高于热处理凝胶,表明压力也会使其内源性转谷氨酰胺酶活性降低,不利于形成ε-(γ-谷氨酰)赖氨酸键。SDS-PAGE显示,超高压处理样品的大分子蛋白(MW>200ku)的出现可能是肌球蛋白分子通过二硫键等共价键聚集形成的。结果说明,与热处理对比,超高压处理有利于形成凝胶弹性好、色泽佳、质地柔软的鱼糜凝胶,且与热处理凝胶形成机理有所不同。

超高压,草鱼鱼糜,凝胶特性,凝胶机理

鱼糜制品是一种高蛋白、低胆固醇、低脂肪、低热、低盐食品,在我国、日本及韩国都有悠久的历史。鱼糜制品的加工方式也呈现多样性。超高压处理作为一种新型的加工技术,因传压速度快、操作过程简单、耗能少等优点而在鱼糜制品中的应用逐渐成为研究的热点。更重要的是,超高压处理可以引起食品成分非共价键(氢键、离子键和疏水键等)的破坏或形成,使食品中的酶、蛋白质等生物高分子物质分别失去活性和变性[1],从而改变蛋白质的空间结构和功能特性,导致蛋白质变性、聚集和凝胶化[2]。但在此过程中,超高压处理对维生素、色素和风味物质等低分子物质无影响,故可减少食品营养成分和色、香、味的损失或劣化。目前超高压已在鳕鱼、马鲛鱼、大菱鲆鱼等海水鱼糜制品加工中得到广泛的研究[3-5],而在淡水鱼糜制品中的研究很少,而淡水鱼糜制品的开发已成为我国水产品加工的重要课题。为此,本文以草鱼鱼糜为原料,研究不同压力处理对草鱼鱼糜凝胶特性的影响,并对其凝胶机理做初步研究,以期为超高压处理在淡水鱼糜生产中的应用提供有益的参考。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

草鱼 购于广州易初莲花连锁超市有限公司;食盐 市售食用级;其他试剂 均为市售分析纯。

RLGY-600全自动超高压杀菌机 温州贝诺机械有限公司;TA-XT质构仪 英国Stable Micro Systems公司;JP7100F全自动测色色差仪 日本Juki公司;KDC-140HR高速冷冻离心机 安徽中科中佳化学仪器有限公司;Mini-Protein Ⅱ稳压稳流型电泳仪 美国Bio-Rad公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鱼肠的制备 新鲜草鱼鱼体用冰水洗净后去头、去内脏、切片、采肉,然后用绞肉机绞肉(出口直径0.6mm),用两倍冰水漂洗3次(每次5min)后脱水即得新鲜鱼糜。用高速组织捣碎机捣碎1min,添加2.5%食盐,并用冰水将鱼糜水分含量调至80%,继续捣碎4min,在砧板上用刀赶气后用Biscuit Maker将鱼糜充填至肠衣中。整个过程温度控制在10℃以下。

1.2.2 鱼肠的热处理 热处理凝胶为对照样,采用二段加热法(40℃/30min+90℃/20min),加热后立即将鱼肠置于冰水中冷却,再将其置于4℃放置12h,然后检测凝胶各项指标。

1.2.3 鱼肠的超高压处理 将鱼肠分别于100、200、300、400、500MPa压力下保压30min,500MPa压力下保压15、30、45、60min,取出后迅速用冰水冷却,4℃冰箱中放置12h后进行凝胶特性分析。

1.3 测定方法

将制备好的鱼肠平衡至室温,切成直径30mm、高25mm的柱形体,进行凝胶特性分析。

1.3.1 凝胶强度测定 参考文献[6]，凝胶强度测试选用探头型号为P/5,测试模式为压缩力模式。压缩变形率为60mm/min。测定破断强度和凹陷深度,凝胶强度为两者乘积。

1.3.2 TPA的测定 参考文献[6]，对样品硬度、弹性、内聚性、咀嚼性和回复性进行测定。TPA测试选用的探头型号为P/50。具体测试参数为:测前速度1mm/s,测试速度5mm/s,测后速度1mm/s,压缩变形率50%,表面感应力为99.0g。

1.3.3 色差测定 参考文献[7]，将样品切成厚3mm的圆片,室温下用色差仪测定样品色度,仪器采用标准白板校正。L*表示样品的亮度,+a*表示样品偏红,-a*表示样品偏绿;+b*表示样品偏黄,-b*表示样品偏蓝。

白度W=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2

1.3.4 SDS-PAGE电泳实验 参考文献[8]，SDS-PAGE电泳实验参考Benjakul[8]的方法

1.3.5 TCA-可溶性肽的测定 参考文献[8]，TCA-可溶性肽的测定参考Benjakul[8]的方法。

1.3.6 溶解度测定 溶解度的测定参考Benjakul[8]的方法。

2 结果与讨论

2.1 不同压力处理及加压时间对鱼糜凝胶强度的影响

图1 不同压力处理(a)及加压时间(b) 对草鱼鱼糜凝胶强度的影响Fig.1 Gel strength of gels from grass carp surimi prepared under different pressure and pressure time注:对照组为热处理,图2、图3、图6、图7同， 标注不同字母表示差异显著(p<0.05)。

草鱼鱼糜经过不同压力(100～500MPa/30min)处理后,凝胶强度结果如图1a所示。凝胶强度随压力的增加显著增大(p<0.05),当压力增大至500MPa时达到最大值(380.82±0.05)g·cm,较热处理样品增加了95.07%。由显著性分析可知,400MPa以上压力值加压30min即可取得高于热处理样的凝胶强度(p<0.05)。图1b表明,草鱼鱼糜经过不同加压时间(15～60min/500MPa)处理后,随加压时间的延长,凝胶强度呈现先显著增加而后明显降低的趋势(p<0.05),并在500MPa/30min取得最大值(547.20±0.72)g·cm,而对照组仅为(333.69±0.82)g·cm。类似的结果在胡飞华[9]的研究中也出现。这是由于草鱼鱼糜在压力作用下,肌球蛋白会发生变性,包括蛋白质构型改变与肽链的解开,同时超高压处理可使蛋白质分子结构中暴露更多的巯基基团,巯基含量的增加促使蛋白质凝胶性能得到改善[9];随着压力继续增大,可能会影响物质分子间结合形式,导致键的破坏和重组,从而使大分子功能特性发生变化,形成较热处理更加有序的三维网络结构,从而具有更高的鱼糜凝胶强度,后续研究证实了这一点;另一方面,超高压可以很好的抑制内源性组织蛋白酶的活力,减少凝胶劣化现象,从而使凝胶强度增加。此外,实验结果还表明,加压时间过长不利于鱼糜凝胶强度的改善,可能是由于在500MPa压力时延长加压时间导致蛋白分子内部化学键断裂,鱼糜凝胶网络结构交联度降低,鱼糜凝胶强度下降[9]。

2.2 不同压力处理及加压时间对鱼糜凝胶质构的影响

由图2a可知,草鱼鱼糜加压凝胶的压缩硬度、耐咀性随压力增加而增大,500MPa取得最大值,但分别仅为热处理凝胶的59.09%和61.41%;由图2b可以看出,当压力≥300MPa时,弹性显著高于热处理样(0.955±0.015)(p<0.05),500MPa达最大值,为0.981±0.024。内聚性表示测试样品经过第一次压缩变形后所表现出来的对第二次压缩的相对抵抗能力。由图2b可知,当压力≥300MPa时,内聚性显著高于对照组(0.867±0.021)(p<0.05),最大值出现在400MPa(0.905±0.010),反映此时制品的内部键强度最高。回复性可以反映凝胶的压缩弹性,数值越接近1,蛋白质三维网络结构越有序和均匀。图2b表明,当压力≥200MPa时,加压凝胶回复性显著高于对照组(0.499±0.023)(p<0.05),其最大值为0.584±0.011(400MPa处理样)。鱼糜加压后,样品体积减小,结构紧凑,因此形成的凝胶较热处理更致密,内部键强度更大,表现在内聚性增加。而超高压处理较热处理条件温和,蛋白质变性不完全,这可能是超高压样品硬度较低的原因[9]。综上所述,草鱼鱼糜经超高压处理后,弹性、内聚性、回复性均得以改善,显示了超高压在改善凝胶内部结构、提高草鱼鱼糜凝胶弹性方面的优越性。

图2 不同压力处理对草鱼鱼糜硬度、弹性(a)、 内聚性、耐咀性、回复性(b)的影响Fig.2 Hardness, springiness, cohesiveness, chewiness and resilience of gels from grass carp surimi prepared under different pressure

图3a表明,草鱼鱼糜经过不同加压时间(15～60min/500MPa)处理后,其凝胶硬度和耐咀性均随加压时间的延长先缓慢增加,并在45min时分别取得最大值(768.266±6.679)g和(679.894±11.068)g,此后随加压时间延长至60min,二者均显著降低(p<0.05)。由图3b分析可知,加压30min处理样的内聚性、回复性分别取得最大值0.910±0.001和0.608±0.004,但各加压样的差别不显著(p>0.05);弹性的最大值出现在加压15min样品(0.999±0.006),但进一步增加加压时间,弹性有所降低。鱼糜凝胶的耐咀性与硬度和弹性有关,反映鱼糜制品柔软或坚韧的程度,硬度和弹性越大,对应的耐咀性也越大,相应的“口感”也越好。草鱼鱼糜在不同压力和不同加压时间处理下,其凝胶硬度和弹性逐渐增加,耐咀性也随之增大。综上可推断,500MPa/45min为草鱼鱼糜的最佳凝胶压力条件,过高和过低的压力和加压时间都不利于鱼糜凝胶的形成和保持。

图3 不同加压时间对草鱼鱼糜硬度、弹性(a)、 内聚性、耐咀性、回复性(b)的影响Fig.3 Hardness, springiness, cohesiveness, chewiness and resilience of gels from grass carp surimi prepared under different pressure time

2.3 不同压力处理及加压时间对鱼糜凝胶色泽的影响

表1 不同压力处理对草鱼鱼糜凝胶色差的影响Table 1 Color of gels from grass carp surimi prepared under different pressure

表2 不同加压时间处对草鱼鱼糜凝胶色差的影响Table 2 Color of gels from grass carp surimi prepared under different pressure time

草鱼鱼糜经不同压力处理后(表1),其凝胶的亮度(L*)和白度均随压力的升高而增大,并在500MPa增至最大;而凝胶的黄度值(b*值)随压力的增加而降低,并在500MPa减小至1.10±0.047,显著低于热处理样品(p<0.05)。b*值即黄度值越接近0,鱼糜的可接受性越强。表1还表明,对照组凝胶的亮度值大于压力组样品,而黄度(b*)偏高,这可能是由于热处理较超高压更易于引起鱼肉蛋白变性、色素氧化等变化,从而改变鱼糜凝胶的感官特性[10]。

表2表明,当草鱼鱼糜在500MPa加压不同时间,随加压时间的延长,其凝胶亮度值和白度值均先增加而后降低,且都在30min取得最大值,高于对照组凝胶;不同加压时间的样品的黄度值也显著低于对照组样品(p<0.05)。白度是鱼糜制品最重要的质量指标之一,白度值越大,鱼糜制品的色泽越容易被消费者接受。由表2可以看出,500MPa/30min加压处理可获得表观色泽最佳的鱼糜凝胶。上述结果表明,适当的超高压处理可以赋予鱼糜凝胶较好的白度和亮度。这与超高压处理下鱼糜蛋白内水分子重排,修饰了凝胶网络结构有关,且与蛋白质的变性方式和程度有关[9]。

2.4 超高压处理及加压时间对鱼糜凝胶SDS-PAGE图谱的影响

SDS-PAGE电泳图谱(图4、图5)表明,与新鲜鱼糜相比,经超高压和热处理后,肌球蛋白重链带(MHC)的强度均有所减弱;与超高压处理相比,热处理MHC较浅,沉积在浓缩胶的蛋白条带较深。当压力大于200MPa时,在浓缩胶和分离胶顶端上出现大分子蛋白(MW>200ku),且随压力的增大先逐渐加深后变浅(图4),随加压时间的延长先加深而后稍变浅(图5)。这是因为MHC通过共价键形成了大分子的蛋白,不能通过聚丙烯酰胺凝胶,沉积在浓缩胶的顶端。

图4 不同压力下草鱼鱼糜SDS-PAGE图谱Fig.4 SDS-PAGE of gel from grass carp surimi prepared under different pressure注：1：100MPa；2：200MPa；3：300MPa；4：400MPa； 5：500MPa；6：生鱼糜；7：对照组鱼糜。

图5 不同加压时间草鱼鱼糜SDS-PAGE图谱Fig.5 SDS-PAGE of gel from grass carp surimi prepared under different pressure time注：1：15min；2：30min；3：45min； 4：60min；5：对照组鱼糜。

肌球蛋白是形成鱼糜凝胶网络结构的最主要蛋白质,而MHC又是肌球蛋白分子中参与凝胶的最主要的部分。已有研究表明,热处理鱼糜凝胶的静置温度有利于内源性转谷氨酰胺酶(TGase)的活性发挥,催化MHC发生共价交联[11],因此热处理MHC带较浅。本实验的结果表明,草鱼鱼糜经不同超高压处理,200MPa下TGase活性较强,故蛋白分子交联的程度较大。由此推断,超高压可能会抑制TGase活性及超高压过程中的温度不适于TGase发挥作用,故使MHC交联程度较小。这可进一步从其凝胶的溶解度实验结果(见2.6部分)证实。综上分析,鱼糜凝胶性能的改善主要不是由其催化TGase起作用的。由此反映出,超高压和热处理鱼糜凝胶机制有所不同,超高压处理后,大分子蛋白的形成可能主要是肌球蛋白分子通过二硫键等共价键聚集形成的,后续研究进一步证实了这点。

2.5 超高压处理及加压时间对鱼糜凝胶TCA-可溶性肽的影响

TCA-可溶性肽含量常用于表征蛋白在内源性组织蛋白酶作用下的水解程度。由图6可知,草鱼鱼糜经超高压处理后,TCA-可溶性肽含量随压力增加及加压时间延长而显著降低(p<0.05),且均明显低于热处理凝胶(p<0.05)。表明超高压处理后,草鱼鱼糜内源性组织蛋白酶活力减弱。已有研究表明,内源性组织蛋白酶类在50～70℃最活跃,能引起肌球蛋白的分解,从而引起凝胶劣化现象,降低凝胶强度等[12]。超高压处理可以明显的抑制内源性组织蛋白酶的活性,且压力越大,抑制作用越强。由此可推断,超高压处理草鱼鱼糜凝胶性能的改善可能与内源性组织蛋白酶活力受抑制相关。

图6 不同压力处理(a)及加压时间(b) 对草鱼鱼糜TCA-可溶性肽含量的影响Fig.6 TCA-soluble peptide of gel from grass carp surimi prepared under different pressure and pressure time

2.6 超高压处理及加压时间对鱼糜溶解度的影响

图7为草鱼鱼糜凝胶在含1%SDS、8mol/L尿素、2%β-巯基乙醇和Tris-HCl缓冲溶液中的溶解度。由图7可以看出,随压力增加和加压时间延长其溶解度逐渐增加,且均大于热处理凝胶(p<0.05);含SDS尿素和β-巯基乙醇的溶剂能断开鱼糜凝胶中所有的化学键,除了ε-(γ-谷酰胺)赖氨酸键。ε-(γ-谷酰胺)赖氨酸键是由TGase催化形成的一种共价键,对鱼糜凝胶的形成起重要作用。溶解度越低,ε-(γ-谷酰胺)赖氨酸键形成越多。实验表明,超高压处理草鱼鱼糜凝胶中ε-(γ-谷酰胺)赖氨酸键的形成较热处理少。这可能是由于鱼糜内源性TGase通常在40～50℃时活性最高,而超高压过程中温度一般控制在常温,因此不利于TGase发挥作用,从而抑制了内源性TGase的活力。也由此说明,超高压改善鱼糜凝胶的性能可能与内源性TGase关系不大。

图7 不同压力处理(a)及加压时间(b) 对草鱼鱼糜溶解度的影响Fig.7 Solubility of gel from grass carp surimi prepared under different pressure and pressure time

3 结论

草鱼鱼糜经过超高压处理后,可获得凝胶性能较好的鱼糜制品,与传统的热处理相比,其凝胶强度和弹性增较强,质地柔软,色泽佳。通过对草鱼鱼糜超高压凝胶机理的初步研究表明,超高压能显著抑制引起鱼糜凝胶劣化的内源性组织蛋白酶活性,鱼糜凝胶特性得以明显改善;肌球蛋白分子主要通过二硫键等共价键形成聚集大分子物质,反映了超高压和热处理下鱼糜凝胶的形成机理存在差异。

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Study on the gelling properties and mechanism of the grass carp surimi induced by ultra-high pressure

LIANG Yan,ZHOU Ai-mei*,GUO Bao-yan,ZHANG Feng,XIAO Su-yao,LIU Xin

(College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Effect of different pressures(100～500MPa/15～60min)on the gelling properties and mechanism of gels from the grass carp surimi were investigated and compared with heat-induced surimi gels. According to the results,surimi gels induced by pressure above 400MPa possessed higher gel-strength and TPA than surimi gels induced by heat treatment. Besides,the surimi gels induced by pressure had well-distributed structure and higher whiteness and brightness,but lower hardness. The content of TCA-soluble peptide of pressure-induced gels were lower than that of heat-induced gels and the higher the pressure,the lower the content of TCA-soluble peptide,suggesting endogenous protease in surimi which could result in gel-weakening might be inactived by high pressure. Higher solubility of surimi gels treated with pressurization were observed,indicating that endogenous transglutaminase might be inactived under pressurization,which resulted in the decrease of ε-(γ-glutamyl)lysine linkage formation. The appearance of large molecule(MW>200ku)was probably due to the formation of disulfide bond through oxidation of SH group or disulfide interchanges. The above results demonstrated that ultra-high pressure could improve the gelling properties of grass carp surimi when compared to heat-induced surimi gels,and there existed differences in mechanism of surimi induced by ultra-high pressure and heat-induced surimi gels.

ultra-high pressure;grass carp surimi;gelling properties;mechanism

2014-02-21

梁燕(1988-),女,研究生,研究方向：食品化学与营养。

*通讯作者:周爱梅(1971-),女,博士,副教授,主要从事食品化学及水产品加工研究。

国家自然科学基金(31101311)。

TS254.1

A

1002-0306(2015)01-0086-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.010