热诱导下蛋清蛋白凝胶特性及其影响因素的研究进展

◎ 黄永平，陈良辉，聂 莹，刘亚群，郑玉忠，李汴生

（1.华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州 510640；2.韩山师范学院 生命科学与食品工程学院，广东 潮州 521041）

1 蛋清蛋白的基本介绍

1.1 鸡蛋组成

鸡蛋是自然界中保存完好的生物制品之一，也是蛋白质、脂类、维生素和矿物质的最佳来源。鸡蛋由蛋壳、蛋清和蛋黄3 部分组成，是天然理想食品。鸡蛋中蛋清占比最高，可达60%，其中水和蛋白质是其主要组成部分，查阅相关文献，将鸡蛋具体组成进行汇总[1]，如图1 所示。

图1 鸡蛋组成部分图

1.2 蛋清蛋白基本概述

蛋清中的蛋白质含量较丰富，主要由卵清蛋白（Ovalbumin）、卵转铁蛋白（Ovotransferrin）、卵类粘蛋白（Ovomucoid）和溶菌酶（Lysozyme）等成分组成，不同类型的蛋清蛋白的功能特性也有很大的不同[2]。在相关学者的研究基础上，对蛋清蛋白基本组成进行汇总[3]，详见表1。

表1 鸡蛋中蛋白质组成及其特性表

2 蛋清蛋白的凝胶特性

凝胶化是蛋白质重要的功能特性之一，是由变性蛋白分子聚集并形成有序的网络结构。蛋清中的卵白蛋白、卵转铁蛋白和卵粘蛋白等成分为其凝胶形成提供了物质基础，不同加工条件下形成的蛋清蛋白凝胶明显不同，关于这方面的文献报道非常多，是近几年的研究热点[4-5]。其中，加热是最常见的一种加工方式，不仅可以杀灭有害细菌，保证食品安全，延长产品货架期，有利于运输和储存，适当的热加工处理还有利于蛋清蛋白的消化吸收[6]。

研究表明，鸡蛋蛋白的凝胶化过程主要有两步。第一步涉及蛋白质分子的构象变化或部分变性。在蛋白质变性步骤中，通过物理（加热）方式，蛋白质分子展开，这导致了疏水基团和“埋藏”的巯基暴露。这种二级结构上的“疏水效应”通常会导致α-螺旋结构略有减少[7]。蛋清蛋白二级结构的这些变化会对蛋清蛋白功能产生影响，从而影响胶凝能力和溶解度等特性。在第二步中，变性蛋白质的进一步聚集导致粘度指数增加，并形成一个连续的网络。在凝胶化的过程中，蛋清中不同的组成成分有不同的变性温度和聚集行为，最终形成的凝胶特性也有明显的不同[8]。蛋清是由多种具有不同等电点的蛋白成分组成的混合蛋白，彼此间通过静电及疏水作用相互吸引，使得蛋白易于聚集。因此，与单一成分的蛋白溶液相比，混合成分组成的蛋清在相同条件下形成聚集的温度更低。MATSUDOMI 等[9]研究发现，在相同条件下，鸡蛋清中的溶菌酶比单一的溶菌酶溶液更容易形成聚集。这是由于溶菌酶在中性条件下带正电荷，它有与其他带负电荷的变性蛋白质（包括卵转铁蛋白和卵粘蛋白）结合的趋势。卵粘蛋白和溶菌酶之间的聚集是由静电吸引引起的。在热处理过程中，部分卵粘蛋白β-折叠打开，导致埋藏的疏水区和SH 基团暴露。这一过程导致卵粘蛋白和溶菌酶之间的疏水相互作用，随后溶菌酶的SS 键和卵粘蛋白暴露的SH 基团之间发生SH-SS 交换。在自然状态下，蛋清蛋白的疏水基团嵌入球形结构中，但加热可以打开蛋白质结构并暴露疏水基团以形成聚集体[10]。此外，加热还导致蛋清蛋白自身的共价交联N-聚糖，并参与热聚集查阅凝胶相关文献，蛋清蛋白受热形成凝胶的过程如图2所示[11]。

图2 蛋清蛋白受热诱导形成凝胶过程图

3 影响蛋清蛋白凝胶性质的因素

非共价键（疏水作用、氢键/离子键）和共价键（二硫键）稳定蛋清蛋白凝胶网络，每种键的相对贡献与形成凝胶的环境条件，如pH 值、离子强度和多糖等因素有关。

3.1 pH 值对蛋清凝胶的影响

pH 值变化会影响蛋白质分子的电离和净电荷值，从而改变蛋白质分子的吸引力和排斥力以及结合水分子的能力。VAN DEN BERG 等[12]研究发现，pH 值为7 时，羧丙基甲基纤维素不会改变蛋清凝胶的硬度和弹性，但在pH 值为3 时，可以观察到蛋清凝胶的硬度和弹性增加。BABAEI 等[13]研究发现，蛋清结冷胶混合物因为pH 值的变化而导致彼此间的静电斥力明显不同，与pH=7.0 条件下形成的混合凝胶相比，在pH=4.0 下形成的混合凝胶在微观结构均匀性和纹理紧密性方面都明显较优。

蛋清各成分具有不同的等电点，不同pH 值影响聚集行为，从而影响蛋清蛋白的凝胶温度。pH 值低于4 时形成的凝胶需要较低的凝胶温度，pH 值高于6.0 且温度较高时形成的凝胶更坚硬。卵清蛋白凝胶化发生在48.5 ℃（pH=2.0）和76.5 ℃（pH=9.5）之间。加热处理过程中，蛋清蛋白中各类蛋白成分都会形成可溶性的聚集，在远离其主要蛋白质成分的等电点的pH 值区域，蛋白质分子的相互排斥力增加，所以一般不会形成凝集物的团块[14]。

3.2 离子强度对蛋清凝胶的影响

离子强度也是影响凝胶性质的重要因素，因为它影响蛋白质的溶解度。NaCl/pH 可以通过改变蛋白质的溶解度、表面疏水性和电荷状态来调节蛋白质的凝胶分子间作用力[15]。JIN 等[16]研究发现，经磷酸盐处理的蛋清凝胶的质地特性得到显著改善。这是因为当蛋白质变性时，分子间的氢键被破坏，露出疏水基团，随着加热时间的增加，蛋白负电荷与磷酸基团相互排斥，从而导致疏水基团的暴露和疏水相互作用显著增强。同时，报道中还指出六偏磷酸钠比三聚磷酸钠的聚合度高，解离度底，钠离子参与凝胶网络形成的贡献就低，因此六偏磷酸钠处理的凝胶的咀嚼性比三聚磷酸钠处理的凝胶低27.86%。此外，六偏磷酸钠还因较高的聚合度，使其对蛋清蛋白凝胶微观结构的改善不如预期，聚合度较低的焦磷酸钠和三聚磷酸钠对提高蛋清凝胶的保水性效果更好，经处理的样品的保水性能分别提高了31.65%和23.82%。

焦磷酸钠和三聚磷酸钠的添加使蛋清的pH 值偏离等电点，因为它们的碱度更高，这也导致更多二硫键的形成和交联度的增加。测试结构显示当焦磷酸钠处理的蛋清加热30 min 时，二硫键含量最高（0.98），比对照组（0.58）高1.69 倍。此时，三聚磷酸钠处理的凝胶（0.96）与焦磷酸钠处理的凝胶（0.98）的二硫键含量没有显著差异。

此外，在LI 等[17]的研究报道有类似的结论，在蛋清蛋白热凝胶过程中添加磷酸盐，会影响鸡蛋分散体的溶解性、表面疏水性、z-平均粒径和pH 值，从而使蛋凝胶的保水性能得到了有效改善，并且二磷酸钠比磷酸三钠更能有效地改善蛋凝胶的颜色特性。

3.3 多糖对蛋清凝胶的影响

多糖是一种经济、无毒、稳定、可降解的天然高分子聚合物。多糖种类很多，食品中常用的包括淀粉、纤维素及其衍生物、黄原胶、阿拉伯胶、果胶以及卡拉胶等。许多研究表明，多糖与蛋白通过静电作用、疏水作用和共价相互作用形成混溶复杂状态，可以显著改善蛋清蛋白的功能特性，并且蛋清蛋白与多糖形成的复合物也会受到pH 值、离子强度等因素的影响[18]。ZHANG 等[19]报道了黄原胶的加入可以通过分子间静电吸引使蛋清蛋白凝胶变得更致密、更光滑。

不同程度的离子强度会影响蛋白质和多糖之间的结合和相互作用。虽然盐离子和多糖之间没有化学反应，但盐离子仍会引起凝胶粘弹性和稳定性的变化。较低的离子强度促进蛋白多糖凝聚形成，而较高的离子强度会显著降低凝胶粘弹性，从而阻碍蛋白多糖复合物的形成。这主要归因于溶液屏蔽聚合物电荷中存在的离子，从而降低了它们的结合作用。然而，对于卵清蛋白/原胶或溶菌酶/黄原胶体系，当NaCl 浓度从0.01 mol·L-1增加到0.1 mol·L-1时，盐离子的屏蔽效应导致凝聚物的分子间静电相互作用较弱，但卵清蛋白/黄原胶复合物在较高的盐含量（0.2 mol·L-1和0.4 mol·L-1）下表现出粘弹性。这是因为随着NaCl 浓度的增加，会影响蛋清蛋白的等电点、分子量和疏水性等内部特征，使蛋白呈现不同的凝聚行为。然而，当多糖分子侧链上的结合位点完全饱和时，蛋白质浓度的增加不会促进复杂聚集体的形成[20]。

蛋清蛋白与多糖在高温条件下也可能发生共价交联，其中美拉德反应是主要的共价结合方法（即碳水化合物的还原基和蛋白质的氨基共价交联）。MATSUDOMI 等[21]研究表明，美拉德反应形成的蛋清蛋白-乳甘露聚糖复合物提高了蛋清的凝胶强度和保水能力。然而，不受控制的美拉德反应或美拉德反应的后期可能会产生有害成分，这是食品加工过程中需要考虑的一个难题。然而，多糖对不同蛋白质凝胶性能的影响似乎是不同的。例如，糖分子引起的空间位阻会阻碍蛋白质分子的交联，从而延迟热诱导的乳清蛋白聚集。

4 结语

目前关于蛋清蛋白凝胶化温度的研究主要集中在50 ～90 ℃，更高温度条件下的凝胶行为、质构与微观结构分析等相关研究，未见相关文献报道。由于分析测试手段的原因，目前关于热诱导蛋清蛋白的研究比较局限，更多是针对低浓度下（10%～15%），通过测定蛋清蛋白溶液受热过程中电位、聚集度、巯基含量变化等参数，研究蛋清蛋白受热过程内部结构变化机理及其影响因素，但是应用性不强，与产品实际的生产加工条件相差甚远。

此外，相关的研究报道还未能将热诱导蛋清蛋白凝胶机理研究与凝胶质构分析、微观结构、持水能力等很好结合起来。在更加多元复杂的产品体系中（如蛋白质-多糖-多酚），凝胶形成机理的干扰和影响因素太多，蛋白内部分子交联机制和凝胶形成过程尚未完全阐明，分析表征难度非常大，有很多不确定性。因此，针对凝胶质构、感官、稳定性等方面的应用研究显得更加重要。