魔芋胶对猪肉肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性的调控机制：基于相分离行为和水相稳定

罗程，王缓，陈银基，李超，庄昕波

魔芋胶对猪肉肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性的调控机制：基于相分离行为和水相稳定

1南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，南京 210023；2雨润集团肉品加工与质量控制国家重点实验室，南京 210041

【目的】研究魔芋胶对猪肉肌原纤维蛋白微观结构和相分离结构的影响，进而阐释魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性的调控机制，为魔芋胶在低脂香肠中的应用提供理论支撑。【方法】试验以添加不同比例魔芋胶-肌原纤维蛋白为模拟体系，测定模拟体系的质构和发生断裂形变时的应力应变、复合凝胶的水分分布和持水力，观察魔芋胶和肌原纤维蛋白的相分离行为以及肌原纤维蛋白凝胶网络的微观结构。【结果】当魔芋胶的添加比例＜0.8%时，随着添加比例的提高，复合蛋白凝胶的凝胶强度、储能模量终值和发生断裂形变时的应力分别显著提高到179.21 g、1 192 Pa和9 139.37 Pa（＜0.05）。当魔芋胶添加比例≥0.8%时，随着添加比例的提高，复合蛋白凝胶的凝胶强度、储能模量、断裂形变时的应力和应变分别显著降至83.03 g、566 Pa、4 964.07 Pa和0.64（＜0.05）。低场核磁结果显示在魔芋胶添加比例＜0.8%时，复合凝胶体系不易流动水的弛豫时间和自由水所占百分比随添加比例的提高显著降低（＜0.05），而不易流动水所占百分比显著提高（＜0.05），同时复合凝胶的持水力由对照组的67.18%显著提高到80.47%（＜0.05）。魔芋胶高比例添加（≥0.8%）显著提高了不易流动水的弛豫时间和自由水所占百分比（＜0.05），而不易流动水所占百分比显著降低（＜0.05），同时持水力显著降低到55.24%（＜0.05）。石蜡切片显示魔芋胶以物理填充的形式镶嵌在复合蛋白凝胶骨架中，并形成大量的大小和形状各异的空洞。扫描电镜显示对照组蛋白凝胶网络结构中的空洞与沟壑填充了大量水相。魔芋胶在添加比例＜0.8%时，能够减少蛋白网络结构中相互交错的水沟壑，使蛋白凝胶网络结构更加致密均一。魔芋胶高比例添加（≥0.8%）会增加体系中水沟壑的数量与体积，致使复合凝胶微观结构更加松散。同时，图像处理分析结果显示，添加0.4%魔芋胶的复合蛋白凝胶网络结构的分形维度2.809为最高（＜0.05），而缺项值0.264为最低（＜0.05）。【结论】低浓度魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性有显著改善效果，魔芋胶的添加比例上限为0.4%，高比例的添加（≥0.8%）会使复合蛋白凝胶质构劣变。

魔芋胶；凝胶特性；质构；肌原纤维蛋白

0 引言

【研究意义】以乳化香肠为代表的凝胶类肉制品因具有诱人的风味和良好的口感特性，深受我国消费者的喜爱。然而，乳化香肠含有近30%的动物脂肪，其富含饱和脂肪酸和胆固醇[1]。高脂肪饮食会显著增加罹患脂肪肝、高血脂、冠心病等心血管疾病的风险[2]。根据美国食品和药物管理局（FDA）及英国农业仪器安全与检测部（USDA-FSIS）的标准，长期低脂肉制品（脂肪含量不高于10%）摄入能有效改善身体健康状况[2]。因此，本研究旨在添加魔芋胶降低乳化香肠的脂肪含量，改善低脂香肠的口感和质构，同时阐释魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性和持水特性的影响机制。为满足消费者的健康饮食需求，推动肉制品加工产业发展，肉类行业已经着手创新低脂肉类产品配方，而黏性多糖则被认为是当前改善低脂产品口感劣变的最佳脂肪替代物之一[3]。黏性多糖是一类分子主链结构为葡甘聚糖或甘露聚糖，能溶于水形成高黏度溶液甚至粘胶的多糖的总称。常见黏性多糖包括黄原胶、卡拉胶、瓜尔胶等。【前人研究进展】近年来，研究人员专注于利用黏性多糖作为脂肪替代品来改善低脂香肠的凝胶特性。研究表明，在加热诱导凝胶化过程中，肌原纤维蛋白受热变性，部分吸附的水分会渗出，渗出发生在蛋白质内部，形成大量空洞与沟壑，统称为水沟壑[3]。KIM等[4]把大豆皮果胶以一定比例添加到低脂香肠中。结果发现，相比对照组，添加大豆皮果胶的水相稳定作用占主导地位，香肠中水相所占沟壑体积减小，蛋白质的聚集度大幅提高，低脂香肠蒸煮损失降低，弹性、回复性增强，其质构特性和感官评价均保持较高水平。因此，利用多糖替代脂肪能够有效改善低脂凝胶肉制品感官质构，然而其潜在的调控机制尚不清楚。低脂凝胶肉制品本质是以热诱导蛋白凝胶为骨架结构，以多糖作为主要填相、蛋白基质为连续相的复合物[3]。从骨架结构角度看，肌球蛋白受热变性后在疏水作用下聚集成三维网络结构，其聚集交联易受到其他因素的影响，包括添加物（交联剂和填充剂）、pH和离子强度等因素。CUI等[5]研究猪肉蛋白凝胶三维网络结构时发现，不稳定水相在蛋白网络结构形成相互交错的水沟壑使蛋白整体性的崩析导致持水力下降和硬度劣化。从填充结构角度看，膳食纤维和肌球蛋白因热力学不相容形成相分离微观结构。分散相的储能模量和空间分布（均匀分布或絮凝分布）均会影响最终复合凝胶微观结构。ZHAO等[6]研究了蛋清蛋白—多糖相分离对复合凝胶的质构影响，激光共聚焦显示随着卡拉胶的浓度提高，复合凝胶从蛋清蛋白连续相结构、到蛋清蛋白多糖共连续相结构、到蛋清蛋白絮凝结构、到卡拉胶连续相结构的转变，相分离结构的变化显著影响最终凝胶质构。【本研究切入点】魔芋胶是一种可溶性膳食纤维，其黏度较高，是一种天然的食品添加剂。魔芋胶具有良好的亲水特性，并能够通过氢键形成具有黏弹特性的水凝胶[7]，而魔芋胶作为亲水胶体如何去稳定和规划不稳定水相值得深入研究。随着魔芋胶的添加比例提高，魔芋胶-肌原纤维蛋白复合凝胶体系会形成蛋白连续相结构、到蛋白多糖共连续相结构、卡拉胶连续相结构的相分离结构转变。因此，当魔芋胶作为脂肪替代物运用在低脂凝胶肉制品时，其水相稳定和相分离行为分别如何调控复合蛋白凝胶的凝胶特性和持水特性还需深入研究。【拟解决的关键问题】以添加不同比例魔芋胶-肌原纤维蛋白为模拟体系，测定体系的动态流变学特性、质构特性和断裂形变时的应力应变，通过低场核磁测定体系中不同水分的分布、比例以及弛豫时间，通过石蜡切片观察魔芋胶在体系基质中的空间分布，通过扫描电镜观察体系网络微观结构，探究魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性的影响。

1 材料与方法

试验于2021—2022年在南京财经大学食品科学与工程学院和雨润集团肉品加工与质量控制国家重点实验室进行。

1.1 材料与试剂

猪里脊肉购于南京华润苏果超市（长白猪，12月龄，公猪，宰后成熟24 h，4℃），氢氧化钠、盐酸、氯化钠、乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸（Ethylene glycol bis (2-aminoethyl ether) tetraacetic acid，EGTA）、碳酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化镁、戊二醛、多聚甲醛、脱脂棉纱布，购于南京丁贝生物试剂有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；DHG-90338S-Ⅲ烘箱，中国上海沪粤明科学仪器有限公司；PHS-3C pH计，瑞士METTLER公司；T25DS25I KA均质机，德国IKA有限公司；GL-21M高速冷冻离心机，上海耐圣卡兰实业有限公司；CM-500d色度计，日本美能达公司；HH-4数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司；MCR301流变仪，奥地利Anon Paar公司；TA-XT Plus质构仪，英国Stable Micro systems公司；Axio Lab. A1正置荧光显微镜，德国Olympus Optical公司；FEI Quanta 200扫描电子显微镜，美国FEI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 肌原纤维蛋白的提取和复合蛋白凝胶体系的制备 将猪里脊的结缔组织和脂肪剔除，用绞肉机搅碎成肉糜，置于-18℃冰箱储藏备用。肌原纤维蛋白的提取参照HAN[8]的方法，并略作调整。具体方法如下：取50 g肉糜和4倍体积的磷酸缓冲溶液（10 mmol·L-1NaH2PO4/Na2HPO4，0.1 mol·L-1NaCl，2 mmol·L-1MgCl2，1 mmol·L-1EGTA，pH 7.0，4℃）于500 mL离心瓶内混合均质（8 000×，30 s）。均质后的混合溶液用双层纱布过滤后离心（4 000×，10 min，4℃），取沉淀。上述过程重复3遍，最终离心后沉淀物即为肌原纤维蛋白(myofibrillar protein，MP)。参照HAN[8]的方法，以牛血清蛋白为标准蛋白，采用双缩脲法测定肌原纤维蛋白浓度，双缩脲标准线性回归方程的决定系数2=0.9813。蛋白浓度稀释至50 mg·mL-1（0.6 mol·L-1NaCl，pH 7.0）后，将魔芋胶添加到肌原纤维蛋白溶液中。依据肌原纤维蛋白溶液总质量，魔芋胶添加比例分别为：0、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%和1.2%（其中0为对照组）。用玻璃棒搅拌混合体系5 min，以确保魔芋胶在肌原纤维蛋白溶液体系中呈均匀分布。取部分样品放入80℃的恒温水浴锅内加热30 min后取出，待冷却至室温后置于4℃冰箱储存，剩余样品用于动态流变测定。

1.3.2 色差 使用CM-500d色度计对复合蛋白凝胶切块进行测定，每个样品测定5次。其中L*代表亮度值，a*代表红度值，b*代表黄度值。

1.3.3 持水力 取5 g凝胶样品于10 mL离心管内离心（10 000×，10 min，4℃），持水力为复合蛋白凝胶样品离心后的质量占离心前质量的百分比。每个样品测定5次。

1.3.4 质构特性 参照WU等[9]的方法，利用TA-XT plus型质构仪，将复合蛋白凝胶切割成高度为2 cm的圆柱体用于TPA测定。具体参数设置如下：探头型号为P36R，测试前速度为2.0 mm∙s-1，测试速度为2.0 mm∙s-1，测试后速度为2.0 mm∙s-1，触发力为5 g，压缩比为30%。

1.3.5 形变特性 参照ZHUANG等[10]的方法测定复合蛋白凝胶的形变特性。将复合凝胶切割为直径2 cm、高度2 cm的圆柱体，使用质构仪测定样品的复合凝胶的形变特性。具体参数设置如下：质构探头型号为P0.5，下降速度为2.0 mm∙s-1，测试速度为1.0 mm∙s-1，上升速度为2.0 mm∙s-1，压缩比为90%。

复合蛋白凝胶发生断裂形变时的应变计算公式为：

式中，0：凝胶的初始高度；：凝胶发生断裂形变时的压缩高度。

复合蛋白凝胶发生断裂形变时的应力计算公式为：

式中，：压缩过程中所测得的力的大小；：凝胶接触探头的表面积。

1.3.6 流变特性 参照JIANG等[11]的方法使用流变仪测定魔芋胶-肌原纤维蛋白溶液体系的动态流变特性。将样品均匀涂抹于测试平台上，所用夹具型号为PP50平板，夹具和平台间隙设定为1 mm，夹具外周涂抹一圈硅油以减少水分蒸发，并盖上防蒸发罩。动态升温流变特性参数设置如下：应变为1%，频率为1 Hz，从20℃升温至80℃，升温速率为2℃∙min-1[12]。记录储能模量的变化情况，每个样品重复测定3次。

1.3.7 低场核磁 使用PQ001型号纽迈低场核磁共振仪对凝胶样品进行测定，质子共振频率为22.3 MHz，样品的测试温度为32℃，采用的测试算法为CPMG序列（carr-purcell-meiboom-gill sequence）[13]。具体测试参数如下：90°脉冲和180°脉冲时间间隔为250 μs，回波次数12 000，采样重复次数为16次。对所测定的CPMG弛豫时间进行拟合。本试验对弛豫时间先进行3组分拟合，根据3组分算法所得的结果为：生成的弛豫时间图；3个不同水分组分的弛豫初始时间，峰值时间和结束时间以及3个不同水分组分对应的峰面积和所占比例。为了方便描述，弛豫图第i个组分的峰值时间作为弛豫时间，用T2i表示，而第i个组分峰面积所占总积分面积的百分比用符号PT2i表示。

1.3.8 微观结构

1.3.8.1 石蜡切片 将凝胶样品切割成侧面积为1 cm2的长方体，并用4%的多聚甲醛进行结构固定。固定后的样品用不同浓度酒精依次进行洗脱。洗脱后进行石蜡包埋，切片后用HE染色，染色后的样品用石蜡封装于载玻片内。每个样品分别选取5个区域用正置荧光显微镜放大200倍观察切片的微观结构。

1.3.8.2 扫描电镜 将凝胶样品切割成侧面积为1 cm2的长方体，并用2.5%的戊二醛进行固定。固定48 h后用磷酸缓冲溶液对样品进行多次漂洗，用不同浓度酒精对样品进行脱水。脱水干燥后的样品粘于金属台上进行喷金镀膜。用FEI Quanta 200扫描电镜进行放大2 000倍观察，加速电压为20 kV。每个样品分别选取5个区域进行观察。将经过灰度处理的扫描电镜图像导入imageJ，对蛋白三维网络结构进行分维分析和缺项分析[14]。

分维分析反映不规则复杂结构占有空间的有效性[2]。分形维度基于下列方程的计算得出：

式中，：不同尺寸网格中所包含的像素数量；：网格的大小尺寸。

缺项分析是反映凝胶三维网络结构中水分空穴或沟壑的均一程度[5]。缺项分析基于下列方程计算得出：

式中，：所有大小网格内目标像素数量的标准差；：所有大小网格内目标像素数量的平均值。

1.3.9 数据分析 试验所有数据以IBM SPSS Statistics 26统计软件进行分析，利用ANOVA进行方差分析，Duncan’s进行多重比较分析。采用Origin 2019b绘图软件进行图像绘制，采用ImageJ v1.8.0_172（Wayne Rasband and Contributors, National Institutes of Health, USA）和Frac_Lac v2015_15_Sept插件进行分维分析和缺项分析。

2 结果

2.1 色差和持水力

如图1所示，随着魔芋胶添加比例的提高，复合蛋白凝胶的亮度值显著降低（＜0.05），由对照组的71.63降至最终的61.31，降幅达到14.41%，这可能是魔芋胶本身呈灰白色所致。当魔芋胶添加比例＜0.8%时，复合蛋白凝胶的黄度值逐渐升高；而当魔芋胶添加比例≥0.8%时，凝胶体系的黄度值降低。而肌原纤维蛋白凝胶的红度值并未呈现出规律性的变化。复合蛋白凝胶持水力的变化如图1所示，魔芋胶的添加比例对肌原纤维蛋白凝胶的持水力有显著影响（＜0.05）。在魔芋胶添加比例为0.4%时，魔芋胶-肌原纤维蛋白复合凝胶的持水力由67.18%显著提高到80.47%（＜0.05）；但当魔芋胶的添加比例≥0.8%时，复合蛋白凝胶的持水力急剧下降，甚至显著低于对照组（＜0.05）。

2.2 质构特性

质构特性能够反映出凝胶品质的高低，测试结果如表1所示。在魔芋胶添加比例＜0.8%时，随着魔芋胶添加比例的提高，复合蛋白凝胶的凝胶强度由对照组的113.24 g显著提高到179.21 g（0.4%处理组）（＜0.05），增幅达到58.26%；而当魔芋胶添加比例≥0.8%时，凝胶强度急剧下降，最终降至83.03 g显著低于对照组（＜0.05）。随魔芋胶添加比例增加，凝胶强度的变化趋势与图1持水力相同。

不同小写字母表示不同添加比例组之间存在显著差异（P＜0.05）。下同

表1 魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶质构、分形维度和缺项值的影响

不同小写字母表示不同添加比例组之间存在显著差异（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant differences (＜0.05) between groups with different addition ratios. The same as below

2.3 形变特性

将质构仪所测定的结果通过公式模型转化成复合蛋白凝胶在发生断裂形变时的应力和应变。如图2所示，随着魔芋胶添加比例的提高，复合凝胶断裂形变时的应变发生了显著的降低（＜0.05），对照组断裂形变时的应变为0.93，是所有处理组中最高值。而复合凝胶在发生断裂形变时的应力在魔芋胶添加比例＜0.8%时持续提高，由对照组的5 734.89 Pa显著提高到9 139.37 Pa（＜0.05），但当魔芋胶添加比例≥0.8%时显著降低，最终显著低于对照组，与质构特性结果相吻合。

2.4 动态升温流变特性

图3显示不同添加比例的魔芋胶对肌原纤维蛋白热凝胶过程中储能模量（G'）的影响，曲线显示G'随着温度升高经历了先上升再下降最后再升高的过程。当魔芋胶添加比例为0—0.4%时，随着温度升高G'最终值均显著高于其初始值；当魔芋胶添加比例为0.8%—1.2%时，随着温度升高G'最终值均显著低于其初始值。如表1所示当魔芋胶添加比例＜0.8%，随着添加比例增大，复合体系G'终值显著增加（＜0.05）；处理组（0.4%）的最终G'值（1 192 Pa）相比对照组（889 Pa）增长了34.08%。而当魔芋胶添加比例≥0.8%，最终G'值显著降低至566 Pa（＜0.05）。

2.5 低场核磁

在复合蛋白凝胶体系中，根据水分的弛豫时间将水分划分为3类：1）T2b（结合水），这部分水能够和蛋白分子紧密地结合在一起；2）T21（不易流动水），这部分水主要被束缚于蛋白三维网络结构中；3）T22(自由水)，这部分水不受凝胶体系束缚，可以自由流动。如表2所示，魔芋胶的添加并没有规律性地影响凝胶体系中结合水的弛豫时间（T2b）和相对百分比（P2b）。但是在魔芋胶添加比例＜0.8%时，随着魔芋胶添加比例提高，不易流动水的弛豫时间（T21）由349.94 ms显著降低至251.61 ms，而百分比（PT21）由78.51%显著增加至89.87%，同时自由水的百分比（PT22）由17.02%显著降低至7.64%（＜0.05）。不易流动水的弛豫时间越低，说明凝胶体系对水分的束缚能力越强[8]。证明魔芋胶的添加能够改善复合蛋白凝胶结构，使其对水分的束缚能力增强，束缚水分的比例增多。而当魔芋胶添加比例≥0.8%时，与上述结果相反，此变化趋势也与持水力结果相吻合。

图2 魔芋胶对复合凝胶断裂形变时应力应变的影响

图3 魔芋胶对肌原纤维蛋白热凝胶过程中储能模量的影响

2.6 微观结构

图4显示的是添加不同比例魔芋胶复合蛋白凝胶的石蜡切片结果。图中红色部分为染色后的肌原纤维蛋白，白色部分为复合蛋白凝胶网络中形成的空穴。当魔芋胶添加比例＜0.8%时，随着添加比例的提高，魔芋胶吸附水分后均匀分布在复合蛋白凝胶网络中，相比对照组空洞与水壑数量大量减少。当魔芋胶添加比例为0.4%时，石蜡切片显示空洞与水壑数量最少，而肌原纤维蛋白染色最深，说明蛋白交联程度最高。而当魔芋胶添加比例≥0.8%时，复合蛋白凝胶网络中大量的魔芋胶空洞相互贯通，形成了多条不规则的沟壑贯穿于复合蛋白凝胶体系中，肌原纤维蛋白骨架松散。当魔芋胶添加比例为1.2%时，可见白色部分水壑极大程度地阻隔了肌原纤维蛋白间的相互交联。

表2 魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶中不同组分水分的弛豫时间和相对百分比的影响

A：对照组；B：添加0.05%的魔芋胶；C：添加0.1%的魔芋胶；D：添加0.2%的魔芋胶；E：添加0.4%的魔芋胶；F：添加0.8%的魔芋胶；G：添加1.2%的魔芋胶

为了进一步观察复合蛋白凝胶的结构，对微观结构进行了扫描电镜试验。扫描电镜清晰地显示了魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶三维网络的影响。如图5所示，未添加魔芋胶对照组的肌原纤维蛋白呈粗丝状，部分区域甚至呈现团状结构，形成的三维网络结构中存在很多空洞（图示黑色区域）[3]。图像处理软件分析结果显示了各肌原纤维蛋白体系的分形维度和缺项值。分形维度越小，表明蛋白凝胶网络结构之间的相互交联作用弱，结构相对松散。缺项值越小，表明蛋白凝胶网络结构中的水穴分布均一、大小相似，能够间接地反映蛋白凝胶网络结构均一致密[15]。当魔芋胶添加比例＜0.8%时，由图5和表1可见随着魔芋胶添加比例的提高，试验组的分形维度由对照组的2.773显著提高到2.809（＜0.05），而缺项值由对照组的0.326显著降低至0.264（＜0.05）。而当魔芋胶添加比例≥0.8%时，试验组的分形维度由对照组的2.773显著降低至2.756（＜0.05），而缺项值由对照组的0.326显著提高到0.344（＜0.05）。

A：对照组；B：添加0.05%的魔芋胶；C：添加0.1%的魔芋胶；D：添加0.2%的魔芋胶；E：添加0.4%的魔芋胶；F：添加0.8%的魔芋胶；G：添加1.2%的魔芋胶

3 讨论

3.1 魔芋胶影响肌原纤维蛋白的凝胶特性

本试验中魔芋胶低比例添加（＜0.8%）显著改善了肌原纤维蛋白的凝胶特性，而高比例添加（≥0.8%）反而使其凝胶特性劣化，甚至低于对照组。凝胶强度代表了肌原纤维蛋白凝胶三维网络结构的聚集程度[16]，质构特性反映出高比例添加魔芋胶会显著降低复合蛋白凝胶的凝胶特性。在此前的相关研究中也出现过类似情形：将卡拉胶作为脂肪替代物添加到火鸡香肠中，结果显示，添加1.5%的卡拉胶可以显著改善火鸡香肠的质构，但当卡拉胶添加比例超过1.5%时，香肠的持水力显著下降[15]。这表明魔芋胶类似卡拉胶，对肌原纤维蛋白凝胶的改善作用有添加比例极限。复合凝胶的形变特性反映了凝胶在外力作用下的抗性，与凝胶肉制品的食用口感密切相关[17]。图2所示断裂形变时的应力反映的是凝胶在咀嚼过程中的硬度，其与硬度呈正相关[18]；而应变则是反映凝胶食品在咀嚼过程中的弹性，其与弹性呈正相关[19]。这表明魔芋胶的添加会降低肌原纤维蛋白凝胶的弹性，而低比例的添加能维持或增强其原有硬度。复合蛋白凝胶在加热过程中主要经历3个阶段：1）42—48℃，肌球蛋白头部发生交联形成二聚体，导致G'上升；2）54—58℃，肌球蛋白尾链发生降解，导致网络结构的崩塌，进而G'下降；3）最后阶段为60℃以后，肌球蛋白变性暴露的疏水基团发生交联形成三维网络结构，G'开始急剧上升[10,16,20]。从图3可以看出魔芋胶的低比例添加（＜0.8%）并没有改变G'发生转变的3个阶段温度点，说明魔芋胶并没有和肌原纤维蛋白发生共价交联。而魔芋胶的高比例添加（≥0.8%）影响了第三阶段G'的快速上升，这表明肌球蛋白变性暴露出的疏水基团位点大幅减少[16]，魔芋胶阻碍了疏水基团间的相互交联，致使三维结构松散，复合蛋白凝胶的质构发生劣变[21]。石蜡切片显示了肌原纤维蛋白和魔芋胶在复合体系中的分布情况，结果表明魔芋胶仅仅物理镶嵌在肌原纤维蛋白内部的水壑中。此前有研究表明，在加热过程中，肌原纤维蛋白受热变性，部分吸附的水分会渗出，由于渗出发生在蛋白质内部并形成大量水壑[22]，这些水壑的形成导致整个网络结构的疏松[16]。扫描电镜进一步展示了肌原纤维蛋白的微观形态，对照组的肌原纤维蛋白多呈粗丝状或团状结构，这说明在加热过程中这些蛋白折叠结构并未能充分展开[23]，大量的疏水基团依然包埋在分子内部，进而导致在后续加热过程中大量的疏水基团进行彼此交联受阻[24]。添加魔芋胶0.4%试验组的高分形维度和低缺项值表明肌原纤维蛋白逐渐展开呈细丝状，促进了疏水基团直接的相互交联，凝胶体系中的空洞面积减小，形成致密均一的三维网络结构。而添加魔芋胶1.2%处理组的低分形维度和高缺项值表明肌原纤维蛋白网络结构中数量多、体积大的空洞贯穿形成沟壑，致使疏水基团的交联受阻，使复合蛋白凝胶网络结构疏松多孔[25]。

3.2 魔芋胶影响肌原纤维蛋白的保水特性

当魔芋胶低比例添加时能改善肌原纤维蛋白的保水特性，而高比例的添加会降低其保水能力。魔芋胶对肌原纤维蛋白保水特性的影响反映为持水力和低场核磁水分分布的变化。相关文献也曾报道过相似的碳水化合物对肌原纤维蛋白凝胶的影响[17]，有研究认为卡拉胶和魔芋胶等碳水化合物是以填充物的形式存在，填充在肌原纤维蛋白三维网络结构的空隙中，从而改善体系中的水分分布和影响产品的最终品质[18]。低场核磁结果也显示体系中大量自由水向不易流动水转化，这是肌原纤维蛋白保水特性发生变化的直接原因[26]。不易流动水的弛豫时间显示了凝胶体系对水分的束缚能力，魔芋胶的添加能够改变复合蛋白凝胶结构，使其对水分的束缚能力和束缚水分的比例发生变化。而体系中自由水占比的变化证实了肌原纤维蛋白对水分的束缚能力发生改变，这与魔芋胶的相分离行为密切相关。

3.3 魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性的影响机制

根据前述试验结果中水分在复合体系内的分布情况，以及多组分之间的相分离行为，阐释魔芋胶黏性多糖对复合蛋白凝胶结构形成的影响机制如图6所示。当魔芋胶以较低比例添加（＜0.8%）时，其水相稳定作用占主导地位，能吸附并稳定肌原纤维蛋白网络结构中的水分，减小体系中空洞和沟壑的体积。魔芋胶物理镶嵌在体系内部，规划不稳定的水相填充在水沟壑内。相分离结构时，魔芋胶作为填充结构分布在蛋白网络骨架内部，不仅没有破坏原肌原纤维蛋白凝胶网络结构的连续性，还提高了其均一性和致密性，促进肌原纤维蛋白疏水基团在热诱导过程中二级结构由-螺旋向-折叠转化[27]，提高了体系的蛋白聚集度，因而改善了复合凝胶的凝胶特性和保水特性。而体系中结合的不易流动水占比增加，不稳定的自由水占比减少，进一步表现为凝胶强度、应力和持水力的显著提高（＜0.05）。当魔芋胶以较高浓度添加（≥0.8%）时，其相分离行为作用占主导地位，吸附大量的水分使自身形成连续的黏性水凝胶，交错贯穿在肌原纤维蛋白网络结构中，增大了体系中空洞和沟壑的体积。相分离结构时，魔芋胶自身形成水凝胶不再作为填充结构，而是与肌原纤维蛋白网络共同形成骨架结构，而魔芋胶本身的结构特性致使骨架结构更加松散，破坏了原肌原纤维蛋白网络结构的连续性和稳定性，阻碍了肌原纤维蛋白疏水基团的热交联作用，体系蛋白聚集度随之下降。同时，魔芋胶水凝胶的形成使体系内不稳定自由水的占比增加，结合的不易流动水占比减少，进而破坏了复合凝胶的凝胶特性和保水特性，表现为凝胶强度、应力、应变和持水力的显著降低（＜0.05）。

图6 魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性和保水特性的调控机制

4 结论

当魔芋胶添加比例＜0.8%时，其水相稳定作用占主导地位，能显著改善复合蛋白凝胶体系的质构。复合蛋白凝胶体系的亮度值、不易流动水的弛豫时间、自由水的百分比降低，持水力、凝胶强度提高。石蜡切片和扫描电镜结构显示，魔芋胶的添加减少了复合蛋白凝胶体系中的空洞与沟壑，促进了疏水基团之间的热交联。当魔芋胶以较高浓度添加（≥0.8%）时，其相分离行为作用占主导地位，增加了体系中水沟壑的数量与体积，持水力显著降低，复合凝胶微观结构更加松散。因此，魔芋胶对肌原纤维蛋白凝胶特性有显著改善效果，但魔芋胶的添加比例有极限且为0.4%，高比例的添加（≥0.8%）会使复合蛋白凝胶质构劣变，研究结果为魔芋胶在低脂凝胶类肉制品的应用提供了一定理论支撑。

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The Mechanism of Effects of Konjac Gum on the Gel Property and Water Holding Property of Pork Myofibrillar ProteinBased on Phase Separation Behavior and Moisture Stabilization

1College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety, Nanjing 210023;2State Key Laboratory of Meat Processing and Quality Control, Yurun Group, Nanjing 210041

【Objective】The purpose of this experiment was to study the effects of konjac gum on the microstructure and phase-separated structure of pork myofibrillar proteins, and then to explain the regulation mechanism of konjac gum on the gel property and water holding property of myofibrillar proteins. 【Method】The simulated system with different ratios of konjac gum and myofibrillar protein was used to measure the texture property, stress and strain during fracture deformation, the water distribution and water holding capacity of the composite gel, and to observe the phase separation behavior of konjac gum and myofibrillar protein and the microstructure of myofibrillar protein gel network. 【Result】When the addition ratio of konjac gum was less than 0.8%, the gel strength, final value of storage modulus and stress at fracture deformation of the composite protein gels significantly increased to 179.21 g, 1 192 Pa and 9 139.37 Pa respectively with the increase of the addition ratio (＜0.05). When the addition ratio of konjac gum was greater than or equal to 0.8%, the gel strength, storage modulus, stress and strain at fracture deformation of the composite protein gels significantly decreased to 83.03 g, 566 Pa, 4 964.07 Pa and 0.64 (＜0.05) respectively with the increase of the addition ratio. Low-field NMR results showed that the relaxation time and the percentage of free water in the composite gel system of immobilized water decreased significantly (＜0.05) with the increase of the addition ratio of konjac gum less than 0.8%, while the percentage of immobilized water increased significantly (＜0.05), and the water holding capacity of the composite gel increased significantly from 67.18% to 80.47% in the control group (＜0.05). In contrast, the high percentage addition of konjac gum (greater than or equal to 0.8%) significantly increased the relaxation time and the percentage of free water in the immobilized water (＜0.05), while the percentage of immobilized water significantly decreased (＜0.05), and the water holding capacity significantly decreased to 55.24% (＜0.05). Paraffin sections showed konjac gum was embedded in the composite protein gel backbone in a physically filled form with many cavities of various sizes and shapes. Scanning electron microscopy showed that the cavities and gullies in the protein gel network structure of the control group were filled with many moisture phases. The addition ratio of konjac gum less than 0.8% could reduce the interlocking water gullies in the protein network structure and make the protein gel network structure denser and more homogeneous. The high addition of konjac gum (greater than or equal to 0.8%) increased the number and volume of water gullies in the system, resulting in a looser microstructure of the composite gel. The results of image processing analysis showed that the fractal dimension of the composite protein gel network structure with 0.4% konjac gum was the highest (＜0.05), and the lowest (＜0.05) with the lacunary value of 0.264.【Conclusion】The low concentration of konjac gum on myofibrillar protein gel property and water-holding property had a significant improvement effect, but the upper limit of the addition of konjac gum ratio was 0.8%, because a high percentage of the addition (greater than or equal to 0.8%) would make the composite protein gel texture deteriorated.

konjac gum; gelation property; textural property; myofibrillar protein

2022-08-11；

2022-09-29

国家自然科学基金面上项目（31871822）、江苏省自然科学青年基金项目（BK20210671，BK20210674）、江苏高校自然科学项目（21KJA550002，20KJB550012）、江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

罗程，E-mail：412182384qq@gmail.com。通信作者庄昕波，E-mail：zhuangxb@nufe.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.09.013

（责任编辑 赵伶俐）