乳化肉制品保油保水性关键作用机制研究进展

韩宗元，赵玲玲，张钰媛，邵俊花,*

（1.沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866；2.广东海洋大学食品科技学院，广东 湛江 524088）

低温乳化型肉制品口感鲜嫩、蛋白含量高，低温加工最大限度地保留了肉中的营养成分，逐渐成为消费者喜爱的肉制品之一。此类产品是由蛋白质、脂肪颗粒、水和盐等成分组成的凝胶类制品，这些蛋白质和脂肪在斩拌及热加工过程中通过乳化及凝胶的形成赋予产品良好的质构、口感及保油保水性。斩拌处理能够使肉糜形成类似海绵状网络结构，经热加工形成凝胶骨架结构（热诱导凝胶），而被蛋白膜包裹的脂肪球交联在基质蛋白网络上充当填充物或共聚物，从而降低肉制品凝胶中的空隙。斩拌促使蛋白质释放、溶解和溶胀，水合作用增强，改变了天然状态下蛋白质分子结构，使其更易于吸附脂肪发生乳化反应，因此，优化斩拌工艺使盐溶性蛋白质达到最佳的乳化凝胶稳定状态对于乳化肉制品的质构和保油保水性非常重要。

斩拌过程中，盐溶性肌原纤维蛋白溶解并吸水溶胀（蛋白质水合），形成溶胶状态的基质。一方面这些溶出的盐溶性蛋白质吸附在脂肪球周围形成界面蛋白膜，有效地阴止了脂肪颗粒之间的聚合和絮凝；另一方面，盐溶性的肌球蛋白和肌动蛋白经过加热形成有弹性的凝胶体，而斩拌或热加工过程中脂肪球表面的蛋白质分子也会与基质蛋白发生蛋白质-蛋白质相互作用，将乳化的脂肪球固定在蛋白凝胶基质的空隙中，以填充的形式形成产品的质构及保油保水性。目前，肉糜斩拌对产品保油保水性的影响因素主要包括肌肉的来源（猪、牛、羊等）和化学成分、pH值、离子强度、盐的种类以及斩拌时间等；且乳化凝胶稳定机制主要集中在添加植物油（部分替代动物脂肪）和多糖（膳食纤维、淀粉、卡拉胶等）、蛋白（大豆蛋白、玉米醇溶蛋白）和水凝胶等乳化剂来加强乳化稳定性，而这些因素影响乳化稳定性的本质是肌球蛋白空间构象发生变化。邵俊花和Lefèvre等研究表明肌肉蛋白质分子中-折叠结构的形成伴随汁液流失的发生，并且Lefèvre和Herrero等发现在水包油型乳液表面，蛋白质分子之间-折叠结构形成也会影响乳化稳定性。

因此，本文主要综述斩拌和乳化过程中蛋白质发生溶解、吸水溶胀、聚集、乳化-吸附阶段空间构象变化，并阐述蛋白质分子构象变化与保油保水性的关系，进而完善乳化凝胶稳定机制，对解决乳化型肉制品出油出水问题提供理论依据和实际指导。

1 斩拌过程中蛋白质水合作用和空间构象

1.1 肌球蛋白分子结构

肌节是由肌肉蛋白质中Z线、I带和A带严密、有序排列而成，其主要结构特征为交叉的含有肌球蛋白的粗丝（A带）和肌动蛋白的细丝（I带）。粗丝主要由交错的肌球蛋白分子组装而成，其头部向外突出；细丝包含肌动蛋白（蓝色）、球状肌钙蛋白复合物（黄色）和丝状原肌球蛋白（红色）（图1）。肌球蛋白（470 000 Da）由两条重链（200 000 Da）和4 条轻链（light chain，LC）（15 000～30 000 Da）组成。其中LC-2为磷酸化调节轻链，由于可通过5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸)（5,5’-dithiobis(2-nitrobenzoic acid)，DTNB）从肌球蛋白上选择性地解离，因此又称为DTNB链。LC-1和LC-3为必需轻链，在碱性条件下从肌肉蛋白中分离，因此被称为碱性轻链，其结构如图2所示。肌球蛋白是动物肌肉中最重要的一种蛋白质，约占肌肉蛋白质的30%，肌球蛋白的乳化和热诱导凝胶特性决定着凝胶类肉制品的品质。

图1 骨骼肌组织的层次结构[33]Fig. 1 Hierarchical structure of skeletal muscle tissue[33]

图2 肌球蛋白分子结构[34-35]Fig. 2 Schematic diagram of the myosin molecule[34-35]

1.2 斩拌对蛋白质水合作用和空间构象的影响

斩拌处理能影响水和脂肪的分布和流动性，从而对蛋白质水合作用、凝胶网络结构和乳化特性产生重要作用。一般将肉糜斩拌分成3 个阶段：一是加食盐和磷酸盐斩拌（破碎肌肉细胞，提取盐溶性肌原纤维蛋白）；二是继续加冰水斩拌（水分子作用于蛋白质分子，并形成肉糜的溶胶状态）；三是继续加脂肪斩拌（水合蛋白与脂肪发生乳化反应，形成分散的乳化颗粒溶胶）。其中前2 个阶段属于水合阶段，而第3个阶段则属于乳化阶段。这3 个阶段代表了热加工之前肌肉蛋白质经历的3 种状态，即提取出的盐溶性蛋白质的天然状态、吸水后蛋白质溶胀、部分蛋白质参与乳化发生构象变化或微环境极性的改变，这3 种状态的肌肉蛋白理化特性和构象特征均会影响后续的加工特性，进而影响产品品质和保油保水性。斩拌（盐斩和冰斩）促使盐溶性蛋白质从肌肉细胞中释放出来，肌球蛋白和肌动蛋白吸水膨胀（水合作用），然后形成类似海绵状有序结构。水合作用一定程度地打开了天然状态下蛋白质分子结构，使其更易于吸附脂肪发生乳化反应或发生蛋白质-蛋白质相互作用；蛋白质的溶解性也取决于蛋白质的水合作用，是通过蛋白质分子一级结构以及侧链氨基酸残基上的功能基团和水分子（偶极-偶极或氢键）相互作用形成的。邓亚敏研究表明蛋白质分子与水分子形成氢键（偶极键），能够稳定结合水，有利于凝胶保水性，此过程蛋白质分子从紧密的折叠状态发生解折叠，蛋白质水合作用增强。Hu Yunpeng等研究表明磷酸盐能促进肌原纤维蛋白解折叠、疏水基团和二硫键交互作用，形成有序、光滑的凝胶结构。Li Liyuan等研究表明肌原纤维蛋白在解折叠和复折叠过程中，蛋白质二级结构和三级结构均发生显著变化，使蛋白质结构更加展开，提高疏水基团暴露，有助于蛋白质间相互作用，并提高乳化稳定性。

目前，研究主要集中在改变盐离子种类/用量来增强水合作用和蛋白质交互作用，从而提高盐溶性蛋白质的溶解性，有助于改善质构特性和凝胶特性。Casal等研究表明在盐斩和冰斩阶段，-折叠引起蛋白质发生侧链交联或分子之间的聚集，并且Wu Zhiyun等研究证实盐离子可以引起疏水基团暴露，影响-螺旋结构。食盐与磷酸盐可使肌原纤维蛋白膨胀，增大了肌丝纤维之间的空隙，肌丝纤维对水分的截留能力减弱，促进了盐溶性蛋白的溶解形成溶胶，因此在斩拌过程中水合作用增强可提高肌原纤维蛋白的溶解性。Kang Zhuangli等研究表明提高猪肉糜中食盐添加量，-折叠含量增加，蛋白质交互作用增强。Liu Ru和Herrero等研究表明-折叠结构是蛋白质聚集和凝胶形成的基础，增加肉制品体系中-折叠的含量有助于形成良好的凝胶结构，提高肉制品的硬度和保水性。蛋白质三维凝胶网状结构通过蛋白质间交联和水合作用以及多肽链间引力与斥力形成。引力包括氢键、二硫键和疏水相互作用等，斥力为库仑力、静电作用和离子键。因此，在斩拌过程中，蛋白质天然结构发生改变促进水合作用，并且在盐离子（食盐和磷酸盐）作用下氢键、离子键等次级键受到破坏，有利于盐溶性蛋白质溶解和形成溶胶，同时也为构建有序、紧密的三维网状凝胶结构奠定基础。

2 肌球蛋白聚集与热诱导凝胶

蛋白质聚集在肉制品加工中具有重要作用。斩拌处理产生一定的剪切力和界面张力能够引起大量的蛋白质变形，诱导肌球蛋白发生聚集，这是由于蛋白质对环境因子（NaCl含量、温度和加工方法等）的变化非常敏感，易形成聚集、部分解折叠的大分子，蛋白质三级结构改变，引起分子间二硫键和疏水作用力变化。蛋白质聚集的驱动力来源于蛋白质之间的作用力，非共价键（疏水相互作用、氢键和静电相互作用）和共价键（二硫键）的共同作用是蛋白质聚集的主要因素，其机理建立在不同属性亚基分解和聚集基础上。Wang Guan等研究表明在低浓度（＜0.3 mol/L）NaCl溶液中，肌球蛋白主要通过离子键组装成丝状体；在中等浓度（0.3～0.6 mol/L）时，NaCl干扰了带相反电荷氨基酸的静电吸引，导致肌球蛋白的延伸和溶解。然而，在高浓度（＞1.0 mol/L）时，随着溶解度和均匀性降低，肌球蛋白通过疏水相互作用重新组装成丝状体，从而发生构象变化及更多活性基团暴露。NaCl浓度还可以影响肌球蛋白热聚集，并决定蛋白质凝胶的特征结构。

Han Zongyuan等研究发现在相变温度下，凝胶的形成是-螺旋结构降低、同时-折叠结构增加的结果，并伴随着不易流动水从内部向外部迁移。在第一阶段（20～39 ℃），主要发生水合作用，蛋白质吸水溶胀，二级结构、疏水作用力、氢键、巯基和二硫键无显著变化；在第二阶段（43～50 ℃），蛋白质开始变性，水合作用降低，蛋白质逐渐形成低聚物，并伴随着表面疏水性增加，其中巯基发生转变形成二硫键。在第三阶段（55～74 ℃），蛋白质交联、聚集，-折叠和二硫键持续增加，弹性凝胶结构形成并变得更紧密，保水性降低，详见图3。蛋白质聚集行为影响分子构象的变化，尤其是-折叠结构，-折叠是形成凝胶的基础。Xu Yanshun等也通过研究证实蛋白质聚集行为可以改变肌动球蛋白二级结构、三级结构和芳香族氨基酸的微环境，从而影响凝胶结构；另外，二硫键和疏水相互作用也可影响纤维状凝胶网络结构形成。一方面分子间二硫键和疏水作用力在热诱导凝胶的形成过程中非常重要；另一方面蛋白质通过构象变化（特别是-折叠结构）而引起聚集速率的改变对凝胶特性影响也极为重要。Herrero研究表明在肌原纤维蛋白聚集形成热凝胶过程中，蛋白质解折叠，氢键断开，造成-螺旋含量减少，同时-折叠、-转角和无规卷曲含量增加，从而提高肉制品质构；疏水作用力增强，氨基酸残基（疏水性氨基酸，如色氨酸和苯丙氨酸残基）更多的暴露于水相环境中。肌球蛋白聚集是凝胶结构形成、质构特性增强以及保水性降低的主要原因，因此，蛋白质聚集体的聚集状态和分子结构影响热诱导凝胶品质。

图3 相变温度下热诱导猪肉蛋白凝胶形成示意图[54]Fig. 3 Schematic diagram of heat-induced gel formation at phase transition temperature[54]

3 乳化稳定机制与界面蛋白膜结构

Gordon等研究表明肉糜的稳定性（乳化凝胶）是由乳化脂肪和蛋白质凝胶基质的性质共同决定。乳化凝胶形成机制主要涉及两个理论：乳化理论（界面蛋白膜）和物理包埋理论。物理包埋理论是指，肌肉组织（瘦肉）经斩拌提取出的盐溶性蛋白、未溶解的肌原纤维和纤维碎片及胶原纤丝间发生相互作用，将破碎的脂肪颗粒或液滴物理镶嵌、包埋到肉糜中。肉糜在加热之前脂肪被物理包埋在蛋白质基质中，在加热过程中，脂肪球表面上的界面膜蛋白和基质蛋白发生交互作用，形成一种半刚性的凝胶结构，使肉糜稳定。乳化理论涉及界面蛋白膜吸附行为和分子结构转变，蛋白质的界面吸附行为主要分为水相中蛋白质扩散至油-水界面、蛋白质吸附到界面上并展开、界面膜蛋白发生分子构象重排并逐渐聚集这3 个阶段。其中乳化-吸附过程主要涉及两种分子活动，即蛋白质在油脂分子表面的定位以及随后利于吸附的构象重排。Husband等研究表明参与乳化的蛋白质倾向于形成疏水表面，二级结构和微环境极性的变化导致新的相互作用和构象形成，蛋白质解折叠而产生构象变化，使其有别于天然状态的蛋白质分子结构。蛋白质二级结构变化涉及蛋白质-脂肪之间的相互作用和吸附的蛋白质-蛋白质侧链之间的相互作用，而蛋白质-蛋白质之间的相互作用对于形成稳定的水包油型乳液很重要。在蛋白质实际吸附过程，能垒的存在阴碍了蛋白质立刻发生吸附行为，需要克服能垒后才能发生真实的吸附。能垒的大小取决于体相蛋白质和界面蛋白质之间转换和疏水相互作用；在分子重排过程，界面蛋白膜形成的难易程度取决于分子构象以及疏水氨基酸的暴露和排列。蛋白质在界面上发生解折叠以及分子间相互作用会影响油-水界面形成玻璃化或凝胶化的致密蛋白吸附层，这一过程涉及分子交联、局部相分离等过程，常伴有界面黏弹特性的改变。疏水氨基酸在界面上暴露并有序排列，疏水基团定向排列到油相，并伴随着吸附蛋白质增加，界面膜厚度也增加，进而降低了界/表面张力。界面蛋白膜稳定性受到多种因素影响，分子结构是主要影响因素，因为乳化吸附后蛋白质的解折叠程度和适合的二级结构都会影响界面分子内/间相互作用。同时通过改变体系环境，更多疏水氨基酸暴露，乳化能力得到提升，从而增加界面膜稳定性。Youssef等研究表明当体系中存在大量聚集体时，这些聚集体会额外网罗一部分连续相，这种聚集主要是由-折叠构象所引发，静电斥力和疏水相互作用、氢键等非共价键是其主要的稳定力，这些交联程度和致密程度各不相同的网状共聚物吸附到液滴表面，将会在液滴表面形成厚度、机械强度各不相同的界面保护层。界面保护层越厚、越致密，乳化油滴的稳定性越高，乳化凝胶也越稳定。Beverung等研究表明在油-水界面发生真实吸附过程中，聚集体解折叠，疏水基团暴露，蛋白质二级结构趋于形成更适合的空间构象。界面扩张弹性增加表明分子结构较为有序排列，吸附在界面的聚集体形态也发生转变，并在构象熵的驱动下与体相未吸附聚集体继续交联，形成多层凝胶结构。因此，乳化凝胶稳定性主要由乳化（蛋白质-脂肪）形成的界面蛋白膜结构、厚度和黏弹特性决定。

4 水凝胶在肉制品中的应用

水凝胶是一类以水或水相为分散介质，具有低体积分数、三维多孔网络的聚合物分子、纤维或颗粒组成的软材料。水凝胶是由天然或合成的聚集体组成，是一种高度水合的聚集体网络，由大型聚集体链组成，表现出较好的膨胀能力，在其结构内保留大量的水，但不会溶于水。Han Zongyuan等研究表明碱热诱导肌球蛋白形成水凝胶聚集体，水凝胶三维网络主要通过氢键交联，-螺旋结构保持水凝胶的特征结构；而且水凝胶能够吸附和包裹油滴，提高乳化稳定性。另外，pH值和离子响应水凝胶可以通过调控pH值和离子组成改变聚合物的静电相互作用，从而影响网络结构。其中pH值决定了聚合物上任何可电离基团的电荷状态，离子组成通过离子结合和静电屏蔽作用决定了静电相互作用的大小和范围。温度响应水凝胶主要分为正响应和负响应体系，这两类体系通过具有一个上临界溶液温度和一个较低的临界溶液温度来识别。低临界溶液温度系统是开发温度响应性水凝胶的主要系统，当环境温度高于低临界溶液温度时，水凝胶聚合物中非极性基团之间的疏水相互作用增加，导致形成更致密的网络结构；相反，水凝胶聚合物之间的疏水相互作用减弱，导致形成更开放的网络结构。蛋白质对pH值、温度和离子强度的敏感性为调整其特定结构提供了可行性，从而使蛋白质水凝胶成为功能性食品的理想结构组成部分。由于蛋白质特定结构，可用于改善食品质构和乳液稳定性，其中乳液水凝胶在食品和包装领域被广泛研究，乳液水凝胶又称乳化凝胶，是一种兼具凝胶和乳液理化性质和功能的半固态胶体体系。乳化凝胶常分为两类：一类是乳状液填充凝胶，其中乳状液滴被填充入聚合凝胶基质中；另一类是乳状液颗粒凝胶，它由聚合的乳状液液滴组成。由于其两亲特性和半固体-凝胶结构，乳化凝胶在肉制品中可防止油脂合并、聚集，提高产品品质。

消费者对于肉制品的营养价值和人体健康的关系越来越重视，因此肉制品已成为“减盐降脂”的主要产品。因为乳化凝胶在斩拌、发酵、热处理和蒸煮过程中能够保持较好的稳定性，同时保证产品的良好风味，所以可作为动物脂肪替代物应用到肉制品中。Heck、Poyato和dos Santos等研究表明乳化凝胶可以部分/完全替代猪背膘脂肪，重组、改良后肉制品具有较好的-6/-3多不饱和脂肪酸比例，且乳化凝胶不会破坏产品的感官品质。de Souza Paglarini等研究表明菊粉-大豆分离蛋白-大豆油脂组成的乳化凝胶可以降低Bologna香肠中11%～34%动物脂肪和35%～45%的钠盐，且膳食纤维和多不饱和脂肪酸含量增加，产品更加柔软、有弹性，营养价值更高。Pintado等研究表明奇亚籽粉-燕麦乳化凝胶可以作为香肠中脂肪替代物，增加不饱和脂肪酸、氨基酸和矿物质含量，并降低产品的蒸煮损失。健康和绿色的肉制品加工技术已成为研究重点，乳化凝胶对肉制品营养品质、加工品质和感官品质都起到重要作用，因此乳化凝胶作为脂肪替代物应用到肉制品中将满足营养和健康的诉求，提升肉制品的竞争力，并在未来实现广泛的应用。

3D打印技术因其操作简便、成本低、自由设计几何形状已在食品领域受到越来越多的关注，其中鸡肉、猪肉和鱼肉在3D打印技术中已有应用。由于坚硬的肌肉纤维结构，肌肉属于非打印材料，因而需要在挤压、复原、堆积和后加工4 个阶段提高肉制品可打印性。水凝胶是一种具有三维网状结构的聚合物，可通过分子交联、离子键、氢键或疏水相互作用等次级键来保持不同的形状、大小和形式，且蛋白质水凝胶具有良好的流动性，可以通过提高食品的弹性和稳定性来增强打印能力。同时两种相反电荷的水凝胶在打印后能够形成较好的凝胶结构，从而避免三维结构变形或坍塌。因此，水凝胶应用到3D打印肉制品中将成为一种改善肉制品保油、保水和质构性质的新策略。

5 结 语

在实际生产中，斩拌和乳化作为最重要的加工工艺，是形成热诱导凝胶和乳化凝胶的基础，蛋白质水合作用下溶解的肌原纤维蛋白交联、聚集，最终形成三维凝胶网络结构，并通过改变蛋白质相互作用和空间构象，最终影响热诱导凝胶的网络结构；同时也影响乳化凝胶中界面蛋白膜的结构、厚度和黏弹特性，进而决定产品的保油保水性。因此，从蛋白质空间构象角度阐述水合作用、热诱导聚集行为、凝胶网络形成和界面膜吸附行为对乳化稳定机制的影响，可以更有效地开发低脂、低盐和高营养的凝胶类肉制品；以乳化稳定机制为基础并结合水凝胶-3D打印技术指导新型乳化肉制品加工将有望解决产品“出油出水”瓶颈问题。