鱼糜凝胶形成方法及其凝胶特性影响因素的研究进展

刘芳芳,林婉玲,李来好,杨贤庆,吴燕燕

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,国家水产品加工技术研发中心,农业部水产品加工重点实验室,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

鱼糜是指已经去皮的鱼肉经过漂洗、脱水、精滤后得到的产品,以鱼糜为基础的产品主要有鱼丸和鱼香肠等[1]。在现代消费市场中,鱼糜制品受到广大消费者的喜爱,这主要由于它是一种高蛋白、低胆固醇、低脂肪、低热、低盐食品[2],因此研究鱼糜凝胶性能是生产鱼糜制品的首要内容。

鱼糜凝胶性能直接决定着鱼糜制品品质的优劣,其中鱼糜的凝胶性能主要取决于凝胶化过程中蛋白质的胶凝情况,只有经过充分凝胶的鱼糜制品才能具有良好的弹性,在凝胶形成过程中不同的凝胶条件会造成不同的凝胶特性,目前关于鱼糜凝胶形成已经不止于传统的二段加热,微波加热[3]、电阻加热等也被应用于鱼糜凝胶制作过程中,除此之外,也有一些新的形成凝胶的方式广泛应用于鱼糜凝胶化过程中,如酸致凝胶[4]、发酵鱼糜凝胶[5]、超高压技术、超声波处理技术等。迄今关于传统二段加热形成鱼糜凝胶的研究已有不少报道,但关于这些新型的加工技术加工鱼糜凝胶的综述报道较少。

因此本文主要就目前新加工鱼糜凝胶方法的国内外研究现状进行综述,并对加工过程中可影响鱼糜凝胶性能的因素和添加物进行简单阐述,以期为良好的凝胶制品的生产提供参考。

1 鱼糜凝胶形成方法

1.1 热诱导凝胶

鱼糜凝胶蛋白在形成过程中主要经历三个阶段:即凝胶化(0～50 ℃)、凝胶劣化(50～70 ℃)和鱼糕化(>70 ℃)[6-8]。传统二段加热主要是指在30～40 ℃之间肌球蛋白和肌动蛋白开始形成一定的结构,由溶胶变为凝胶[9],当温度达到50～70 ℃时,此阶段会出现凝胶劣化,此时鱼糜凝胶制品品质较差,弹性较低;随着温度升高至90 ℃左右时,鱼糜凝胶强度显著增加,形成鱼糜凝胶,称为鱼糕化。相比传统的水浴加热,有研究指出,微波加热能够使鱼糜凝胶中心温度快速通过“凝胶劣化区”,减少凝胶劣化的出现,提高低盐鱼糜的凝胶性能[10],但是由于微波加热速度过快而导致凝胶不充分,机械特性下降,因此王文勇等[11]先通过45 ℃水浴定型然后用微波熟化,结果发现,凝胶强度强于传统二段加热,并且使用中低档能够有效钝化蛋白酶活性,增强鱼糜凝胶硬度。从微观机制看,微波加热能够减少鱼糜蛋白的降解,促进蛋白质之间形成更多的二硫键,Cao等[12]研究发现,相比于水浴加热,微波加热凝胶性能更好。

电阻加热即欧姆加热,欧姆加热是指交流电流通过导电材料时内部产生热量,从而产生均匀的温度分布。目前为止,欧姆加热制成鱼糜制品仍旧处于初级阶段,Tadpitchayangkoon等[13]研究表明,相比于水浴加热,欧姆加热鱼糜的断裂力和剪切力分别增加1.3倍和1.6倍,并且与在90 ℃水浴中加热的凝胶相比,二硫键形成的程度更大,保水性更好。Hoon等[14]研究发现,不同种类的鱼最适欧姆加热功率也不同,主要是由于不同种类的鱼不同的内源酶造成的结果。

1.2 酸致凝胶

酸致凝胶指通过直接加酸或酸化剂的方式代替高温加热获得鱼糜凝胶,酸诱导凝胶能使体系力,导致蛋白质凝聚形成凝胶[15]。相比于传统的二段加热,酸致凝胶用有机酸钠盐代替氯化钠的直接加入,间接的降低了消费者对钠盐的摄入量。目前关于酸诱导鱼糜凝胶国内外研究比较多,密更等[4]研究指出,用柠檬酸钠、琥珀酸钠、乳酸钠和醋酸钠四种有机酸盐诱导形成的鱼香肠在破断强度、持水性、硬度、回复性以及咀嚼度上要比热诱导组形成的样品有显著提高。漆嫚[16]研究表明,二段加热法制备的凝胶,在凝胶化过程中主要的作用力是分子间疏水作用和二硫交联,而酸诱导凝胶形成过程中起主要作用的是蛋白分子间疏水相互作用,研究还发现,将酸处理和热处理相结合,罗非鱼肌动球蛋白凝胶的特性要显著高于热诱导肌动球蛋白和酸诱导罗非鱼肌动球蛋白凝胶的凝胶特性。

1.3 发酵鱼糜凝胶

发酵鱼糜制品主要是指在鱼糜中加入微生物,经发酵作用使鱼糜形成其特有的风味与口感,其中发酵温度和时间的控制是发酵进程的重要因素。在发酵过程中,随着有机酸的产生,鱼肉的pH下降,同鱼肉蛋白的等电点偏离,使鱼肉蛋白所带静电荷增加,蛋白分子之间的排斥作用越大,从而影响蛋白凝胶的形成。由于微生物发酵技术可以抑制一些腐败菌及病原菌的生长而有效延长肉制品的贮藏时间,有研究表明,发酵鱼糜具有良好的凝胶特性及弹性[17],因此,科学家们不断探索提高发酵鱼糜质量的新方法。

经过发酵的鱼糜其蛋白质、脂肪、碳水化合物等都会发生不同变化,形成特有的风味,常用于发酵鱼糜的发酵剂主要包括乳酸菌和葡萄球菌。乳酸菌发酵鱼糜,鱼肉蛋白因pH逐渐下降,鱼糜之间的粘着力增加,鱼糜凝胶性、弹性强度均会发生变化;而葡萄球菌具有分解蛋白质和脂肪以及产生过氧化氢酶的能力。游刚等[18]利用复合乳酸菌发酵六尺金线鱼得到具有良好质地和口感的发酵鱼糜制品,陈晓倩等[19]研究表明,棒状乳杆菌发酵秘鲁鱿鱼糜,发酵过程中,离子键逐渐减少,而氢键和疏水相互作用含量分别在30和36 h达到最大值,并且发酵时间在24～36 h之间时,鱼糜凝胶特性最佳。另外复合发酵剂发酵鱼糜也被国内外广泛研究,王洋等[20]研究表明以戊糖乳杆菌31-1,植物乳杆菌Y9分别与松鼠葡萄球菌SL4复配,制备的鲟鱼肠具有优良的感官品质和理化特性。但是迄今为止,关于发酵鱼糜制品与传统二段加热鱼糜制品在凝胶特性等方面的对比还未见报道。

1.4 超声波辅助

超声波是一种非电离,非侵入性和无污染的机械能形式,有研究表明,经过超声处理的肉糜结构蛋白的保水性会显著提高[21],张崟等[22]通过罗非鱼糜研究表明,40 ℃低凝胶化的鱼糜用超声波处理时,凝胶的强度提高最显著,而且提高了凝胶的黏性、弹性、内聚性及回复性,这是由于超声波处理使蛋白质分子更紧密,促进了蛋白质分子间的交联。也有学者通过研究超声波辅助凝胶化鲢鱼糜凝胶特性的影响,结果发现,功率强度较小的超声处理对鱼糜凝胶的凝胶强度无显著影响,只有当声功率强度达到0.49 W/cm2及以上时,凝胶强度才随着功率强度的增加呈增加趋势,同时持水性也显著提高,以功率强度0.85 W/cm2的超声波处理与对照组相比,凝胶强度提高了21.10%[23]。另外,超声处理能够促进盐溶蛋白的溶出,并能使鲢鱼肉蛋白分子二级构发生变化,表现为α-螺旋比例下降,无规则卷曲比例上升。

超声波处理作为一种新技术,具有效率高、能耗低等特点。虽然目前已经证实超声辅助处理可以显著提高鱼糜凝胶性能,但是只在罗非鱼、鲢鱼等淡水鱼中有研究,未见在海水鱼中的报道,而且目前关于超声研究主要集中在辅助传统二段加热,未来超声波于其他技术的结合可作为一个研究方向。

1.5 超高压处理

有研究表明,压力处理相比于热处理有更高的凝胶强度和弹性,主要是由于高压引起蛋白质体积减少,带点周围的电荷收缩,暴露的非极性基团周围的水结构化通过氢键结合极性基团,从而导致变性[24]。也有许多研究证实中等压强强度(100～300 MPa)可以对凝胶特性产生积极影响,并且发现200 MPa的压强强度作为凝胶型制品的压强阈值,能够增强鱼糜的凝胶强度[25]。国外学者研究发现压力处理相比于热处理更有助于形成由天然形式的蛋白质聚集而形成的弱交联[26]。Zhu等[27]通过对大西洋鳕鱼鱼糜凝胶研究发现,高压处理能够有效改善鱼糜凝胶性能,压力在300 MPa所得鱼糜凝胶强度最大。岳开华等[28]研究发现,与传统热处理相比,海鲈鱼鱼糜经过超高压(300 MPa,保压30 min)处理后可以改善鱼糜的凝胶特性,其弹性、内聚性和凝胶强度大幅度提高,硬度降低,色泽明亮。另外Herranz等[29]通过对飞鱼鱼糜研究发现,高压处理使得体积减少导致物理相互作用的增加,从而改善了鱼糜的弹性和凝胶稳定性。总之超高压技术是一种较传统加热更加有利于鱼糜凝胶形成的处理方式。

2 影响鱼糜凝胶性能的因素

2.1 鱼种的影响

不同鱼种由于其营养成分的不同有不同的凝胶形成能力,这主要因为不同鱼体内部肌肉组织中的肌球蛋白、肌动蛋白等的含量不同而造成的。除此之外,鱼肉中钙离子、谷氨酸、赖氨酸含量越高,TGase活性越高,鱼糜凝胶性能也会随之增强。有研究表明,海水鱼凝胶形成能力强于淡水鱼,白肉鱼强于红肉鱼,硬骨鱼强于软骨鱼[30],深海鱼类强于浅海鱼类。其中红肉鱼之所以比白肉鱼凝胶能力低,主要由于暗色鱼水溶性蛋白含量相对较高。

2.2 漂洗工艺的影响

漂洗液的酸碱度与漂洗温度以及漂洗次数等都影响鱼糜的凝胶特性,一般漂洗水温控制在3～10 ℃,过高引起肌原纤维蛋白变性。漂洗是制作鱼糜的重要工序,通过漂洗工序除去了鱼肉中的杂质,例如血污、色素、部分无机盐和脂肪,腥味和水溶性蛋白等,从而提高了鱼体内肌球蛋白肌动蛋白等的浓度,因此漂洗是提高鱼糜凝胶性能的一个重要工序。不同种的鱼选取的漂洗液酸碱性也不同,这主要根据鱼肉僵直后的pH决定。鱼糜形成最适pH一般在6.4左右,而白肉鱼僵直后的pH正好在此范围内,因此采用清水漂洗,红肉鱼在僵直后一般由于鱼体内糖原分解为乳酸导致pH下降到5.9左右,因此作为生产加工鱼糜的原料时采用质量分数0.15%的碳酸氢钠弱碱溶液进行清洗,将鱼体中pH调节至适合凝胶形成的范围内。欧明杰等[31]研究发现添加0.25% NaHCO3溶液漂洗10 min,然后纯净水漂洗5 min,最后离心5 min的漂洗工艺,是一种适合斑点叉尾鮰鱼糜加工的高效漂洗方法。也有研究表明,用清水清洗两次,然后在0.1%氯化钙溶液中漂洗三次,每次漂洗过程持续5 min,得到的罗非鱼鱼糕的质量最好[32]。

2.3 擂溃的影响

不同擂溃温度、时间、擂溃速度等都会影响肌肉组织。有研究表明,擂溃时加入蔗糖、山梨醇或者乳糖醇等时,对凝胶性能影响显著[33]。彭瑶[34]通过研究罗非鱼鱼糕的凝胶性能,结果表明,擂溃工艺的最优结果为:空擂4 min、然后添加1.6%食盐、盐擂13 min,最后味擂13 min,得到的鱼糜凝胶强度最大,也有研究表明擂溃转速对鱼糜凝胶特性有影响[35]。刘淑华等[36]研究表明,擂溃时间在20～30 min之间时,鱼糜凝胶性能较好,这主要是因为擂溃时间过短,会导致肌原纤维组织的破坏不完全,最终影响鱼糜制品质量,但是如果擂溃时间太长,会导致鱼肉温度升高,蛋白质变性。

2.4 添加物对鱼糜凝胶性能的影响

在鱼糜加工时,为了改善其凝胶性能,外源添加剂得到了广泛的应用。在鱼糜生产加工过程中,常用的添加剂有增稠剂类、无机盐类、非肌肉蛋白类等,添加剂的使用对改善鱼糜制品品质有着重要的意义。

2.4.1 增稠剂类 膳食纤维、淀粉、明胶、琼脂等大分子增稠剂,由于其本身的凝胶性质,在增强鱼糜凝胶化方面有着广泛的应用。国外学者Petcharat等[1]研究表明,结冷胶能够抑制凝胶劣化,添加结冷胶能够提高鱼糜凝胶的破断力和硬度,柳丽宁等[37]研究结果发现,添加马铃薯淀粉可以使鱼糜制品的破断强度和部分质构得到显著提高,Barrera等[38]通过添加1%(w/w)的果胶到鲢鱼鱼糜中,以剪切应力、持水性、质构分析等为标准,研究结果表明,低甲氧基果胶能够有效提高鱼糜凝胶性能,涂晓琴[39]研究发现当豆渣添加量低于6%,粒度为387 μm时,能够提高鱼糜持水性、凝胶强度、色泽等,Sun等[40]通过研究改性淀粉对草鱼凝胶机理的影响,在肌原纤维蛋白中(MP)中加入0.5%、1.5%和2.5%的木薯淀粉(CS),羟丙基木薯淀粉(HCS)和交联羟丙基木薯淀粉(CHCS),溶解并通过两步加热制备改性淀粉-肌原纤维(MS-MP)复合凝胶,研究结果表明,CHCS的加入促进了热诱导MP与α-螺旋结构的构象转变伴随β-转向β-折叠,导致MP的凝胶特性发生变化。

2.4.2 无机盐类 无机盐类作为改善鱼糜凝胶性能的添加物,NaCl得到很好的利用。有学者通过用NaCl替代盐对凝胶过程中肌原纤维的影响发现,NaCl能够更好的提高鱼糜凝胶强度[41],这主要是由于蛋白质在加入NaCl时,蛋白质与蛋白质之间的水合能力的更稳定,最终增加蛋白质的结合性质从而改善了肉制品的质地,并且由于能够强烈结合蛋白质的盐离子的存在,NaCl也增加了香肠中蛋白质的持水能力,改善了香肠的品质[42-43]。Jia等[44]、An等[45]通过添加CaCl2到鲢鱼鱼糜中,以肌球蛋白的变性和凝集为指标研究发现随着CaCl2浓度的增加,总巯基含量降低,肌球蛋白浊度增加,这是由于二硫键增加,肌球蛋白变性与二硫键聚集,过高的CaCl2浓度会降低鱼糜凝胶强度,结果表明,一定浓度范围内的CaCl2可以增强链鱼肌球蛋白的胶凝性能,诱导肌球蛋白的构象变化并促进疏水相互作用,二硫键和“凝固”凝胶的Ca桥的形成,Cao等[46]研究发现,添加CaCl2可以降低肌球蛋白的热稳定性,促进了肌球蛋白α-螺旋结构在加热过程中的展开,可以在20～40 ℃的低温区域下促进疏水性相互作用,10～40 mmol/L CaCl2有利于在20～30 ℃下激活Ca2+-ATPase活性,增强鱼糜凝胶。

2.4.3 非肌肉蛋白类 目前使用较多的有面筋蛋白、蛋清蛋白、乳清浓缩蛋白、大豆分离蛋白和一些动物血浆蛋白等。吴雪微[47]实验表明随着大豆分离蛋白添加量的增加,凝胶强度呈上升趋势。Luo等[48]用响应面优化分析得知,添加10%的大豆分离蛋白可以降低鲢鱼鱼糜鱼腥味并且能够有效提高鱼糜凝胶强度,Shi等[49]的另一个研究发现乳清蛋白浓缩物也改善了鲢鱼鱼糜的凝胶特性。

不同非肌肉蛋白影响鱼糜凝胶作用的机理也有所不同,有些蛋白改善鱼糜凝胶特性主要依赖于自身的某些性质来抑制那些对鱼糜凝胶特性有降低作用的酶的活性,如动物血浆蛋白。而有些蛋白是通过自己本身的凝胶性质提高鱼糜凝胶强度,如蛋清蛋白、乳清浓缩蛋白[50]和大豆分离蛋白等。

除以上添加物,也发现其他物质对鱼糜凝胶性能的改善作用,Ramirez等[51]通过黄原胶和刺槐豆胶对鱼糜肌原纤维蛋白凝胶特性的影响研究发现,当黄原胶与刺槐豆胶比例为 1∶3时,可明显提高其凝胶性能。李婷婷等[52]研究发现添加大蒜提取物的鱼丸凝胶特性高于对照组,随着贮藏期的延长凝胶性能下降较对照组缓慢,尹涛等[53]研究发现纳米鱼骨可以增强肌动球蛋白凝胶强度,Gani等[54]研究发现新鲜椰子油纳米乳液可以显著提高鱼糜凝胶制品的咀嚼性以及白度。

2.4.4 酶的交联 转谷氨酰胺酶(TGase)催化肌球蛋白重链(MHC)的谷氨酸(Glu)残基γ-羧基酰胺基赖氨酸(Lys)残基ε-氨基之间发生交联作用,生成分子内或分子间非二硫共价键,从而增强鱼糜凝胶特性。疏水基团和游离氨基酸暴露于肌球蛋白的表面,导致疏水相互作用和交联反应的增加,增强了TGase诱导的鱼糜凝胶的凝胶性质。在对大眼鲷鱼、印度油沙丁鱼、罗非鱼和鲫鱼的研究中发现,纯TGase的分子量在73～95 kDa的范围内,并且在所研究的四种物种中,TGase最大活性的最适温度是不同的[55]。短期冷冻贮藏改善了TGase催化的交联反应和形成稠密的网络结构,这有助于提高鱼糜凝胶的质地特性和持水性[56]。

日本学者通过谷氨酞胺转氨酶对日本鱿鱼热凝胶的影响研究结果表明,使用二段加热方式并在凝胶过程中加入淀粉,凝胶特性以及质构特性都会有所提高[57]。Chen等[58]通过拉曼光谱分析研究TGase对肌原纤维蛋白结构变化的影响发现,由于TGase在酰胺键(1600～1700 cm-1)区域中的修饰显示α-螺旋含量显著降低(p<0.05),伴随β-折叠,β-转角和随机的显著(p<0.05)增加,证实了TGase对凝胶强度的增强作用。谢超等[59]通过对冷冻鳗鱼的研究结果表明,TGase在鱼糜凝胶化过程中起着重要作用,并且不同浓度的TGase均可使鳗鱼冷冻鱼糜凝胶的硬度、弹性及凝胶强度增加,而对其颜色和白度无影响,TGase的最佳使用浓度为0.5%。Jongjareonrak等[60]研究发现,添加浓度为0.005%和0.01%(w/v)的TGase分别增加了大眼鲷和褐条鲷鱼的明胶凝胶强度,观察到的凝胶结构更加精细和紧密。

3 总结

鱼糜凝胶强度是评价鱼糜制品的一个重要标准,随着人们生活水平的提高,对食物品质的要求也越来越高,因此生产出符合消费者要求的鱼糜产品也越来越重要。不断改进加工方式来提高鱼糜制品的凝胶性能是目前的主要研究方向,而且这些新技术在一定程度上可以降低能耗,减少成本,但是这些新技术迄今还处于初级阶段,因此有必要对其的进一步研究。此外,纳米粒子作为新的添加物的形式的出现,目前研究还不成熟,关于各种物质的纳米粒子增强鱼糜凝胶性能的机理尚待探讨。