超高压对食品凝胶特性影响的研究进展

李孝莹,高彦祥,袁 芳

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

超高压对食品凝胶特性影响的研究进展

李孝莹,高彦祥,袁 芳*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

蛋白质和多糖是食品中两大重要组成成分,凝胶性是它们共有的功能特性之一,超高压技术可改变它们的空间构象并进一步相互作用而形成凝胶。本文对超高压技术的概念、原理、特点进行概述,并将其对蛋白凝胶、多糖凝胶、蛋白-蛋白凝胶、多糖-多糖凝胶、蛋白-多糖凝胶的特性影响进行分析,旨在全面了解超高压技术对食品凝胶特性的影响。在此基础上提出该领域未来可能的研究方向,为扩大其应用范围提供理论依据。

超高压,蛋白质,多糖,凝胶特性

作为人体必需的七大营养素,水、脂类、蛋白质、碳水化合物、维生素、无机盐和膳食纤维是维持人体的物质组成和生理机能所不可缺少的,也是一切生命活动的物质基础。其中,多糖和蛋白质可以通过热加工和非热加工的方式形成凝胶,但热加工容易破坏氨基酸、维生素、香气成分等低分子化合物的共价结合而降低食品的营养价值;而非热加工能更好地保持食品原有的色香味等品质特点,特别是对热敏性食品的功能性及营养成分具有较好的保护作用[1-2]。

超高压(Ultra-high Pressure)作为一项新型的非热加工技术,可以最大程度地保护食品的营养成分不受破坏,被广泛地应用于食品的生产加工过程。食品中的蛋白质和多糖经超高压处理后,它们的分子构象发生改变而变性、聚集或胶凝,进而改善食品质构并提高稳定性[3-5],近几年,研究人员越来越多地将超高压后凝胶性能较好的蛋白或多糖应用于实际产品的生产中,如火腿肠、鱼糜制品和果冻等。本文综述了超高压对食品中蛋白质和多糖凝胶特性的影响,旨在全面了解超高压技术对食品凝胶特性的影响,以期为进一步扩大其应用范围提供理论依据。

目前,超高压技术已经扩展到食品生产的多个领域[6-9],有关食品超高压技术的研究主要集中在两个方面:一是以食品保藏为目的,研究超高压对食品的杀菌灭酶作用;二是以改善食品大分子功能特性为目的,研究超高压对蛋白质、多糖、蛋白质-多糖复合物的影响。其中,凝胶性作为食品中蛋白质和多糖的重要特性之一,利用超高压这一优势技术研究其对蛋白质、多糖及其复合物凝胶特性具有重要意义。

1 超高压技术简介

1.1 概念

超高压(Ultrahigh pressure,UHP)处理技术也被称为超高静压(ultrahigh hydrostatic pressure,UHHP)、高静压(high hydrostatic pressure,HPP)技术或高压处理(high pressure processing,HPP),是一项被国内外广泛研究的新型食品加工技术[10]。

食品超高压技术是指将密封于柔性容器内的食品置于以水、油或其他液体作为传压介质的压力系统内,在一定压力(100～1000 MPa)和一定温度(2～60 ℃)维持一定时间(5～120 min),使食品中各组分分子间的非共价键(疏水作用、氢键和离子键等)形成或遭到破坏,从而达到使食品中的酶、蛋白质等生物大分子的活性改变或变性等目的,同时杀死食品中的微生物,起到将食品灭酶灭菌的加工效果[11]。

1.2 原理

超高压技术处理食品原料遵循两个原理:帕斯卡原理和Le Chatelier’s原理。

根据帕斯卡原理,食品受超高压处理时受压均匀,传递速度极快,不存在压力梯度,使整个加工过程变得简单且能量消耗低,因此加工的效果与食品原料的形状、体积及设备尺寸等因素无关[12]。

根据Le Chatelier’s原理,超高压加工将使反应朝着系统体积减少的方向移动,包括化学反应及分子构象的变化。食品分子间的非共价反应随着压力变化发生改变,带电基团的溶解性、库伦作用力间的反应及疏水作用等都受到体积变化的影响[13]。

1.3 特点

超高压技术既有其独特的优势,又存在不可避免的缺点。它可较好地保持食品的营养和风味成分等不受加工过程的破坏,样品处理均匀,易于操作;但设备的初始投资大,处理量有限,生产效率低,生产成本高,设备的工业化推广要求较高,也不适用于处理压力敏感的食品成分。

2 超高压对蛋白质凝胶特性的影响

凝胶性是蛋白质的重要特性,蛋白质凝胶是指变性或非变性蛋白质有序聚集而形成的三维网状结构,是吸引力和排斥力相平衡得到的大分子量复合体[14]。

2.1 蛋白质凝胶形成机理

超高压制备的凝胶与热处理相比,具有独特的性质,这主要是因为两种方法作用的机理不同。热处理法主要是二硫键交联形成凝胶,而压力处理时,虽然二硫键在压力超过500 MPa或相对较高温度下可以形成,但起主要作用的是氢键[15]。

从结构上来看,超高压不会破坏蛋白质的一级结构[16],有利于二级结构的稳定[17-18],但会破坏三级和四级结构[19-20]。加压可使蛋白分子展开,内部疏水基团暴露而使其结构被破坏,为形成稳定的平衡体系,相邻的分子则会通过氢键、二硫键、范德华力、疏水相互作用力等形成三维网状结构,将水或其他成分截留包裹起来,从而形成凝胶[21]。

2.2 影响因素

超高压对蛋白质凝胶特性的影响受诸多因素的制约,其中蛋白质的种类、浓度、pH、处理压力、保压时间、保压温度及添加剂种类等因素均对其凝胶特性起到至关重要的作用。例如在中性pH、200 MPa、25 ℃保压30 min时,β-乳球蛋白才开始变性,形成聚集体,而显著地聚集需要压力大于400 MPa[22]。

2.2.1 蛋白质种类 种类繁多的蛋白质是影响其凝胶特性的重要因素之一,合适的高压条件可诱导一些球状蛋白形成凝胶[23-25];然而并不是所有的蛋白质均可形成凝胶,且不同种类的蛋白质凝胶的质地、结构等也存在较大差异。He[26]等研究发现:在800 MPa、蛋白浓度1%～24%时,α-乳清蛋白、溶菌酶和肌球蛋白均不能形成凝胶;但加入5%的β-乳球蛋白后,15%的α-乳清蛋白和溶菌酶可形成凝胶,肌球蛋白(不含半胱氨酸)仍不能形成凝胶,这是因为高压使β-乳球蛋白展开而游离巯基暴露,与含有二硫键的蛋白通过SH/SS交换反应使蛋白分子间相互作用聚集后成胶。另外,β-乳球蛋白/溶菌酶凝胶为白色不透明状,持水力达90%;而β-乳球蛋白/α-乳清蛋白凝胶透明且持水力达100%,这都表明凝胶的形成及质地与蛋白种类密不可分。

2.2.2 蛋白质浓度 蛋白质的浓度对其能否形成凝胶具有至关重要的影响。在一定浓度范围内,蛋白质的浓度越高,其凝胶强度越大,但超过一定浓度后会对凝胶产生不利的影响。Kanno[27]等研究发现,高压制备乳清分离蛋白凝胶的最小浓度为10%(w/w),将1%～8%(w/w)乳清分离蛋白在1000 MPa、30 ℃、10 min条件下处理后,发现均不能形成凝胶,而将10%(w/w)乳清分离蛋白经600 MPa、30 ℃、10 min处理后可形成凝胶。随着乳清蛋白浓度从12%(w/w)增加至18%(w/w),其凝胶强度增加,但浓度超过20%(w/w)后,其凝胶强度降低。

2.2.3 压力 加压处理蛋白质有助于形成稳定的凝胶,但超过一定压力后可能导致凝胶强度降低、结构破坏等后果。陆剑锋[28]等通过研究超高压对白鲢鱼糜凝胶性质的影响后发现:鱼糜的凝胶强度随压力升高而逐渐增大并在300 MPa时达到最大值,之后继续升高压力,其凝胶强度降低。推测可能是压力过大使鱼糜蛋白变性过快,进而破坏了蛋白质凝胶网络结构的相互交联,降低了凝胶强度。

2.2.4 保压时间 保压时间对蛋白质凝胶的质构具有十分重要的影响,Lee等[29]利用超高压处理乳清蛋白,发现延长处理时间有助于提高其凝胶硬度;Mu等[30]研究发现:800 MPa,加压5 min,pH8.0,14%(m/v)的β-乳球蛋白可生成乳白色凝胶,随着保压时间的延长,凝胶的硬度和破断应力有所增加。

2.2.5 添加剂 添加剂的存在明显地影响凝胶的形成及特性,不同蛋白质具有不同的结构和构象,不同来源的添加剂也具有不同的分子大小、形状及电荷分布等,因此可根据研究目的选择适当的添加剂实现对蛋白质的改性,提高其性能。例如Speroni等[31]和Pilar等[32]发现添加Ca2+和微生物谷氨酰胺转胺酶(MTGase)分别显著地提高了大豆蛋白和卵清蛋白的凝胶性能,结构更加致密均匀;盐类在改善肉制品的功能特性方面起到了重要作用,例如氯化钠因溶解肌原纤维蛋白而使肉制品具有良好的持水、持油能力,并可为肉制品凝胶提供良好的弹性和韧性[33]。

2.2.6 pH pH的变化可改变分子的净电荷,因而可改变分子间的吸引力、排斥力以及分子和溶剂之间的相互作用,即水化性质[34]。蛋白质所处的pH环境不同,形成的凝胶强度等也各不相同。曹莹莹[35]探究了肌球蛋白的凝胶硬度随pH的变化,发现肌球蛋白的凝胶强度随pH的增加呈现先增大后下降的趋势,pH6.0时,硬度最大。这是因为肌球蛋白在等电点附近的溶解性很差,因而不能形成较好的凝胶;当pH远离等电点时,蛋白质的溶解度逐渐增大,但其静电斥力也逐渐增大,当静电斥力增加到一定程度时,影响蛋白质分子间的聚集和胶凝,从而导致硬度降低。

2.3 超高压对不同蛋白质复合凝胶特性的影响

超高压对不同蛋白质复合凝胶的影响主要取决于蛋白质的结构,高压对不同蛋白质的结构影响不同,因而凝胶特性也不同。王苑[36]等研究了高压预处理制备肌原纤维蛋白与大豆分离蛋白混合凝胶的质构特性、保水性及微观结构,结果表明新型凝胶与传统热凝胶相比,其硬度、弹性及保水性均有所提高且结构光滑、致密。Ngarize等[37]对比了热诱导和超高压诱导蛋清蛋白和乳清蛋白复合凝胶特性,研究发现热诱导凝胶结构更致密且有更大程度的交联,而超高压诱导的凝胶多孔且较少交联;高压处理后的蛋白二硫键和二级结构的变化比热处理要少,疏水作用在蛋白凝胶化中起到重要作用,乳清蛋白∶蛋清蛋白=10∶5时,因蛋白之间的相互协同作用,使蛋白无论在高压还是加热条件下,形成的凝胶强度都有所增加。Devi等[38]通过超高压对乳清蛋白与明胶复合凝胶的结构进行研究,发现600 MPa处理15 min可形成两者的复合凝胶,另外压力形成的凝胶更能使明胶保持均一连续分散的结构,而热处理会破坏明胶的连续性而使乳清蛋白聚集以决定复合凝胶的相行为。

综上,超高压技术应用于生产凝胶品质较好的蛋白质产品是可行的。例如程珍珠[39]研究了超高压对不同比例混合的带鱼鲢鱼复合鱼糜凝胶品质的影响,发现带鱼∶鲢鱼=1∶2且压力≥300 MPa时,复合鱼糜的凝胶特性均优于单一鱼糜凝胶,这有利于开发凝胶性能更好的鱼糜制品。但是将超高压技术应用于蛋白质凝胶产品的生产加工仍然是以后的研究重点。

3 超高压对多糖凝胶特性的影响

多糖是一类由多个单糖或寡糖聚合而成的生物大分子物质,超高压会使其分子结构和空间构象发生改变,从而影响其物理化学性质,如流变学性质等。超高压最早应用于多糖是研究其对淀粉的影响。研究人员首先探究了不同淀粉对高压的耐受力,发现马铃薯淀粉的耐压性高于小麦和玉米淀粉[40],并且马铃薯淀粉经高压处理后其晶体结构消失[41]。大多数淀粉经超高压处理后糊化温度升高,对淀粉酶的敏感性增强,从而提高了淀粉的消化率[42-43]。薛路丹[44]发现利用超高压处理淀粉可改善淀粉的结构和流变特性,随着压力的升高,更多的支链淀粉可受压变为分子量小的直链淀粉,从而使其溶解度和透明度增大,粘度下降,当压力大于300 MPa时可使淀粉糊化,且有效地降低了淀粉的糊化温度。

近几年来,超高压也应用于其他多糖物质,尤其是对食品胶的研究较多,Abbasi等[45]研究发现高压处理的果胶弹性更大、均一性和透明性更好、脆性和粘性更低;Soleiman等[46]利用950 MPa、20 ℃处理κ-卡拉胶20 min后发现压力诱导凝胶的粘度下降、亮度增加;李汴生的研究结果表明[47],经高压(400 MPa)处理后,卡拉胶和琼胶的粘度显著增加,弹性下降;高甲氧基果胶、海藻酸钠和瓜尔豆胶的粘度变化较小,损失正切值tanδ变化也不大;而黄原胶溶液经高压处理后弹性显著降低,损失正切值tanδ增加。这可能与多糖的分子结构和构象有关,卡拉胶与琼胶的分子量较大,且具有螺旋结构和极性侧链基团,高压使极性基团暴露出来,增强了分子间的相互作用而使粘度增大,同时分子的螺旋结构被破坏而使弹性降低;高甲氧基果胶、海藻酸钠和瓜尔豆胶的分子量较小且呈直线型,因此高压处理对其流变特性影响不大;黄原胶分子间不连续的双股螺旋侧面的缔合使其具有“弱凝胶”的性质。Yang 等[48]研究了超高压对龙眼皮中多糖和木质素的影响,发现超高压处理对碱溶性多糖没有显著影响,而水溶性多糖含量随压力的升高而减少,这可能是因为超高压处理使水溶性多糖分子链解离后重排而导致其含量减少。

另外,超高压对不同多糖复合凝胶特性的研究较少,陈梓铠[6]研究发现:琼脂凝胶、卡拉胶凝胶、凉粉凝胶均在300 MPa、1 min时凝胶结构就开始被破坏,但随着保压时间的延长,破坏效果并没有显著增加,说明超高压使它们的结构在300 MPa的压力下“一击即垮”,但不同浓度的卡拉胶—魔芋胶复配胶在不同压力和不同时间的超高压处理后均能保持较好的凝胶性能,这表明卡拉胶与魔芋胶复配后具有较强的耐压性。

根据超高压对食品多糖凝胶特性的研究结果来看,利用超高压技术实现对淀粉改性以及多糖复配是可行的,由此可开发针对不同人群(婴幼儿、老年人、减肥人群)的功能食品,如低晶淀粉、高晶淀粉、低糖果冻等,但是我国在食品多糖凝胶的研究及产品开发方面还不够深入,因此将超高压技术应用于食品多糖凝胶是一个十分值得关注的方向。

4 超高压对蛋白质与多糖复合凝胶特性的影响

合适的理化条件(如温度、pH、压力、离子强度等)能使蛋白质与多糖的部分基团相互连接,从而赋予聚合物一些独特的性质,如增强其乳化性、凝胶性等[49]。多糖作用于蛋白的不同行为取决于多糖的组成、分布、物理状态、体积分数及两者的相互作用[50],研究表明多糖的存在能降低蛋白质的胶凝临界浓度[51],因而蛋白质-多糖聚合物被广泛地认为是一种新型的胶凝体系[52-54]。另外,常压时它们通过凝胶性、增稠性、表面特性等功能性质直接影响该混合体系的持水性、流变特性、微观结构等,进而影响食品的外观、质构、感官特性等品质,而超高压可改变食品中蛋白质、多糖等生物大分子的结构及分子间和分子内的作用力,从而使蛋白质和多糖的理化特性发生相应的变化[55-57]。

目前,利用超高压技术直接制备蛋白质与多糖复合凝胶的研究较少,通常利用高压处理含有交联剂的蛋白多糖混合物制备复合凝胶,交联剂一般包括Ca2+[58]、NaCl[59]、酶[60]等。一些学者研究表明,通过超高压进行预处理并添加多糖对制备低盐低脂肉制品十分有益,这些过程和添加剂可提高其持水力并改善质构[61-62]。Chen等[63]研究发现,超高压诱导可显著提高鸡胸肌球蛋白与κ-卡拉胶复合凝胶的持水性,同时降低其凝胶强度。在200～400 MPa内,复合凝胶的浊度、表面疏水性和活性巯基数均有显著提高,随着压力的增大(100～400 MPa),热凝胶性和水的弛豫时间均有所降低。红外光谱数据显示:100～300 MPa,凝胶间的氢键作用降低,到400 MPa开始升高。300 MPa、10 min条件下可形成具有致密网状结构和小孔洞的凝胶。超高压条件可使复合凝胶中的蛋白变性、展开、聚集,提高氢键和疏水相互作用。He[64]等研究发现:木糖、果糖、葡萄糖等十种糖类的加入均降低了高压诱导乳清分离蛋白凝胶的硬度、破碎应力和持水性,并将凝胶微结构由原本的蜂巢状逐渐变为二股螺旋结构,说明糖类的加入降低了蛋白分子间的二硫键和非共价作用,并在高压条件下抑制了凝胶相分离的出现。

5 结语

蛋白质和多糖是食品体系中复杂的大分子,许多学者已通过不同的角度对超高压处理的蛋白质与多糖复合凝胶进行了研究分析,例如探究蛋白多糖种类、浓度、比例、pH、压力、保压时间等因素对凝胶结构和功能特性的影响,但是超高压对蛋白质和多糖复合凝胶的影响机理及其与凝胶性能的关系还缺少系统的研究,这方面还有待明确,此外,还应加强其在实际生产中的应用。

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Research progress on the effects of ultra-high pressure on gelation property of food

LI Xiao-ying,GAO Yan-xiang,YUAN Fang*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Protein and polysaccharide are two major food components with common function property of gelation,and gel can be formed by changing their conformation and further aggregation under processing of ultra-high pressure. In this paper,to provide a further understanding of the effect of ultra-high pressure on gelation property of food,the concept,principle,and characteristics of ultra-high pressure are introduced,and the influences on protein and polysaccharide gelation properties are explored. Furthermore,the possible research directions in this field are proposed based on above introduction,and theory evidence were provided for expanding applications range at the same time.

ultra-high pressure;protein;polysaccharide;gelation property

2016-09-14

李孝莹(1993-)，女，硕士，研究方向：功能食品研发，E-mail:ouc_lixiaoying@163.com。

*通讯作者:袁芳(1967-)，女，博士，副教授，研究方向：功能食品与配料，E-mail:yuanfang0220@163.com。

国家自然科学基金(31371836)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)07-0385-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.066