皮蛋“松花”生长过程的探究

摘 要： 将皮蛋中的松花分离后进行XRD、 FTIR、 SEM、 EDS表征，确定松花的主要成分为结晶态氢氧化镁。根据皮蛋制备工艺，对天然蛋白凝固过程进行观察和探究，以食品级MgCl2为外源镁，在天然蛋白和琼脂糖凝胶中模拟松花的形成和生长过程。添加不同外源金属离子，证实只有添加镁才有利于松花的生长。根据松花在不同凝胶中的生长共性，以扩散限制凝聚（DLA理论）初步解释松花的形成和生长机制。

关键词： 皮蛋; 松花生长过程; 实验探究

文章编号： 10056629（2024）08009206

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

教育部产学合作协同育人项目（编号：230804132102731）；湖北省教育厅教学研究项目（编号：2017450）；湖北第二师范学院教学改革项目（编号：X2018084，X2021003）。

美味的皮蛋中经常可以看到美丽的松花，在腌制皮蛋的料液配方中，松枝灰经常作为添加剂，所以皮蛋表面形成松花被认为是松枝“以形制形”，事实上添加其他草木灰或茶叶水的料液也能使皮蛋长出松花，已有不少学者对松花成分进行了分析。李树青［1］认为，大多松花生长在蛋白凝胶表层，松花蛋中的松花是纤维状Mg（OH）2，在蛋白质凝胶的特殊环境下，当蛋内Mg2+达到一定浓度时可以与OH-形成水合晶体；在其后续工作中［2］，验证了Mg2+含量与松花之间存在着高度的正相关性，蛋白中的镁主要来自蛋白本身和料液；万速文［3］的研究证实了以上观点；马力［4］对松花蛋中松花的结构作了系统分析后认为，松花的红外光谱与Mg（OH）2晶体的红外光谱完全一致，在各层蛋白凝胶化的过程中，主要来自于蛋壳和蛋膜的Mg2+与OH-结合生成Mg（OH）2的水合物积聚于各层蛋白凝胶的层间隙之间形成松花。以上报道解释了皮蛋中松花的化学组成、生长位点、影响因素等，但未对松花特殊的分枝形态做进一步讨论。

本文通过分离表征皮蛋中的松花，验证了松花的主要化学成分，以光学显微分析和扫描电镜表征松花的整体形态和微观形貌。模拟松花在不同凝胶中的生长，展示皮蛋中松花形成的过程，探讨松花的分枝形态的形成机制，普及化学知识。

1 试剂和仪器

1.1 试剂

MgCl2（食品级）、镁试剂（化学纯）、琼脂糖（生化试剂）

1.2 仪器

双束光原子吸收分光光度计、

傅里叶红外光谱分析仪、倒置荧光显微镜、SEM扫描电镜、X射线衍射仪

2 实验方法

2.1 皮蛋中松花的分离和表征

（1） 光学显微分析样品：用刀片将皮蛋表面的松花部分切片剥离，用于光学显微分析。

（2） 样品分离和表征：将含有松花的蛋白，置入10mol/L的氢氧化钾溶液中，将蛋白凝胶溶解，分离出松花，将松花用去离子水冲洗至中性，低温烘干备用［5］。分别进行XRD（X射线衍射仪）、FTIR（红外光谱仪）、SEM（扫描电镜）、EDS（能谱仪）等表征。

2.2 松花生长过程形貌变化的条件探究

在蛋白中加适量碱得到蛋白凝胶，考察碱与蛋白的作用时间和Mg2+浓度对松花的影响，考察加入不同金属离子是否能形成松花，确定松花生长的条件，并在质量分数为1%的琼脂糖凝胶中再次模拟松花生长过程。

2.3 皮蛋制备过程中Mg（Ⅱ）的运动迁移

（1） 腌制皮蛋（20个鸭蛋配方）［6］：在2500g水中加入1250g生石灰、40g氯化钠、3.5g硫酸铜、40g氯化镁，搅拌均匀成石灰糊。让鸭蛋沾满石灰糊，然后沾满木屑，以保鲜膜包着密封避光储存。

（2） 样品分离与处理［7］：每天分离一个皮蛋，将蛋壳、蛋白以及蛋黄分别保存，直至皮蛋蛋白上长出松花。分离蛋壳、蛋白和蛋黄，以浓硝酸和高氯酸消解后定容，样品中Mg2+的含量由原子吸收分光光度法测定。

3 结果与讨论

3.1 皮蛋中分离松花的表征

3.1.1 XRD表征分析

按照2.1（2）对皮蛋中的松花进行分离，进行XRD表征，结果如下：

图1显示，皮蛋中分离的松花在2θ为18.6、 32.7、 38、 58.6的四个位置与Mg（OH）2标准卡特征峰位置一致，样品的XRD特征衍射峰均与标准图谱（PDF#070239）主峰一致，属六方晶系，说明从皮蛋中分离的松花为结晶态Mg（OH）2，杂峰较多，说明Mg（OH）2结晶度不高［8］。

3.1.2 FTIR表征分析

按照2.1（2）对皮蛋中的松花进行分离，进行FTIR

表征，结果如图2所示：3696cm-1处为O—H键的伸缩振动峰，3400cm-1处宽峰可以归为O—H键的多分子缔合，1630～1557cm-1可能是—NN，1412cm-1是芳香环的振动吸收峰，Mg—O的吸收峰主要集中在400～1000cm-1的波数范围内。850cm-1是Mg—OH键伸缩振动吸收峰，628cm-1处为Mg—O键的伸缩振动峰，最显著的吸收位于4000～5000cm-1的波数范围内，是Mg—O键伸缩振动吸收峰［9］。

3.1.3 光学显微表征分析

按照2.1（1）对皮蛋中的松花进行分离，进行光学显微表征分析，结果如图3所显示：

图3显示，光学显微镜下皮蛋中的松花呈现分枝状态，随放大倍数增加，枝蔓中的分枝清晰可见，样品受光学显微镜放大倍数限制，故对其进行了电子显微观察。

3.1.4 SEM表征分析

按照2.1（2）对皮蛋中的松花进行分离，进行SEM表征，结果如图4所示。

图4显示，放大10000倍的松花晶体呈纤维状，宽度约1μm，放大50000倍的松花晶体由径向宽度约180nm近六边形片状Mg（OH）2交错组装而成。对其进行EDS点扫，结果如下：Mg占27.9%，O占41.8%，C占26.09%，其中Mg∶O约为4∶7，而Mg（OH）2中Mg∶O理论值为4∶6，推测分离的松花含有结晶水、表面有残留的蛋白。

皮蛋中的松花大多数生长在蛋白凝胶与壳膜的交界表层。通过对松花进行XRD、 FITR、 SEM、 EDS以及光学显微表征，得出结论皮蛋上的松花主要成分是Mg（OH）2。

3.2 松花的生长过程探究

3.2.1 混合溶液pH对蛋白凝固状态影响

在盛有10g蛋白的烧杯中，分别加入适量的1mol/L NaOH，记录混合溶液pH和蛋白状态，结果如表1所示。

结果表明：蛋白与NaOH混合溶液pH达到12.87时，蛋白完全凝固成胶体；碱量达1.4mL开始液化成液体状态。考虑到日常生活中含碱量对人体健康的影响，故以加入0.9mL NaOH溶液为蛋白最佳凝固条件。

3.2.2 Mg2+和OH-的加入顺序对蛋白状态的影响

在盛有10g蛋白的烧杯中，加入等体积等浓度的NaOH溶液和MgCl2溶液，改变两种溶液的加入顺序，记录蛋白状态，结果如表2所示。

结果表明：先加Mg2+再加入OH-，由于Mg（OH）2溶度积常数为5.61×10-12，二者可能会生成Mg（OH）2沉淀，使蛋白凝胶呈不透明白色，无法形成枝蔓状的松花，故蛋白应先与OH-作用形成透明凝胶后再加入Mg2+。

3.2.3 NaOH的反应时间和Mg2+浓度对松花生长的影响

在加入NaOH溶液一定时间后，再分别滴加适量不同质量分数浓度的MgCl2溶液，记录蛋白凝胶状态，根据试管中松花大小、外观和数量对其进行感官评分，结果如表3所示。

在一定时间内，NaOH和蛋白的反应时间短，蛋白未形成凝胶，Mg2+与OH-形成无定形沉淀；NaOH和蛋白的反应时间长，蛋白凝胶的强度大，Mg2+难扩散无法生长成松花。结果表明，在10g蛋清中加入0.9mL NaOH溶液，1.0h后再加入不同浓度的MgCl2溶液，12～15天内蛋白凝胶中均生长出松花，其中，加入3滴3%的MgCl2溶液后形成的松花感觉最好。在记录时段内，随着时间的推移，蛋白凝胶中松花的大小、数量均会增加。

3.2.4 其他离子对松花生长的影响

在10g蛋白中加入0.9mL NaOH溶液1h后再加入3滴质量分数为3%的不同的金属离子溶液［10］，观察现象，结果如表4所示。

结果表明：在蛋白凝胶中，加入其他金属离子不能形成松花，只有加入了Mg2+才能形成松花（19天后），说明Mg2+有利于松花的生长。

3.2.5 两种凝胶中模拟松花的生长

分别在天然蛋白凝胶、1%琼脂糖凝胶中进行松花生长的模拟实验，天然蛋白凝胶中12天出现松花，琼脂糖凝胶中20天出现松花，将有松花的凝胶切片进行光学显微分析。

在两种凝胶的模拟实验中均获得了分枝状松花，其中天然蛋白凝胶强度不大略有弹性，琼脂糖凝胶强度较大按压无回弹，如图5所示，前者的分枝状松花延展程度较大，而后者的分枝状松花延展程度较小。研究表明：在物质输运受到限制的条件下，晶体生长可以形成分枝状图案［11］。结晶形态取决于凝胶强度，而与凝胶的具体成分无关［12］。

（c）100倍，（d）200倍琼脂糖凝胶中松花生长，

（e）及光学显微表征，（f）40倍，（g）100倍，（h）200倍］

3.2.6 皮蛋腌制过程中松花的生长

按2.3（1）的腌制方法制备的皮蛋随着时间的推移慢慢长出松花，其过程记录显示，随时间的推移，皮蛋蛋白从黏性液体转变为富有弹性的凝胶，在第14天开始长出了松花。

3.3 皮蛋形成过程中不同部分的Mg（Ⅱ）的含量变化

按2.3（2）进行样品处理，以原子吸收分光光度法测定腌制鸭蛋不同部分的Mg（Ⅱ）含量变化，结果如下：

图6显示，随着腌制时间的推移，蛋壳及蛋黄中镁含量逐渐下降，蛋白中镁含量逐渐增多。在腌制过程中，OH-透过壳膜富集在蛋白表层，形成负电场，吸引蛋壳和蛋黄中Mg2+迁移到蛋白，形成Mg（OH）2晶体。

3.4 松花生长机制分析

从一个皮蛋中分离出的松花约0.18g，全部参与反应的Mg2+不到20mg，全部松花的形成需要OH－约2.8×10-10g，一般腌制10天后，蛋中OH－可达2×10-10g，15～30天后出现松花，此时蛋白OH－远大于形成松花所需要的量。

（1） 松花生长位置分析：从可视化的过程可以观察到，无论是蛋白凝胶还是琼脂糖凝胶中，松花的出现均在凝胶形成多天后才出现并开始生长，由于凝胶状态黏稠，限制了Mg2+的活动，抑制了Mg（OH）2晶体成核，松花一般产生在蛋白与壳膜的交界处，壳膜为Mg2+可以通过的半透膜，能阻挡99%的外源金属离子，故皮蛋制作过程中加入草木灰（树叶）成分，是为了提供足量的外源Mg2+［13］。

（2） 镁离子利于松花生长：松花外观呈白色分枝状晶体。易与蛋白凝胶中OH-形成白色晶体的轻金属离子一般有：Mg2+、 Al3+、 Ca2+，其中Mg2+半径为65pm、 Mg（OH）2溶度积常数为5.61×10-12，Al3+半径为50pm、 Al（OH）3溶度积常数为1.9×10-33，Ca2+半径为99pm、 Ca（OH）2溶度积常数为4.7×10-6。其中半径较小的Mg2+和Al3+可以通过半透膜，在蛋白凝胶的限制下缓慢运动，半径较大的外源Ca2+则难以通过半透膜。Al3+与OH-形成沉淀的pH范围为5.5～8.5，此时蛋中pH已达12.92，因此白色沉淀中不会含Al（OH）3；当pH大于12.4时，Mg（OH）2完全沉淀。

（3） Mg（OH）2近六边形微观形貌：当Mg2+积累到一定浓度时，Mg（OH）2在蛋白凝胶与壳膜界面形成晶核。Mg（OH）2在水中的等电点pH为12，以MgCl2为外源Mg2+时，一方面可以作为强酸弱碱盐降低体系pH，当pH小于等电点时，Mg（OH）2表面带正电荷，晶体基面上吸附的OH－促进了Mg（OH）2晶体的沿边生长，生成的Mg（OH）2趋向于片状［14］。同时Cl-通过电荷中和效应加速Mg（OH）2的溶解过程；另一方面通过促进Mg（OH）2边缘生长进而强化了（001）晶面的生长，Cl-的取代破坏了Mg（OH）2八面体的局部对称性，或破坏了相邻的Mg—OH键之间的竞争，引导Mg（OH）2趋于六方片状形貌［15］。

（4） 松花的枝蔓形态：当凝胶中碱过量，而Mg2+呈现出速度受限的扩散行为，即扩散限制凝聚（DLA）（diffusion limited aggregate），Mg（OH）2的（001）晶面是非极性面，而（101）晶面是极性面，具有较低极性的（001）晶面选择性生长可以降低颗粒极性，进而有利于提高其与凝胶的相容性；此外，Mg（OH）2晶面取向生长还会影响松花的外观形态。凝胶对特定晶面的吸附作用可能是晶粒选择Mg（OH）2的｛100｝面成核的原因。凝胶介质不仅为Mg（OH）2晶体生长提供成核位点和受限微环境，还在Mg（OH）2晶粒与松花之间建立联系，使得它们在彼此远离的情况下仍然能够保持一致的取向。研究表明：在物质输运受到限制的条件下，晶体生长可以形成分枝状图案［16］。结晶形态取决于凝胶强度，而不取决于凝胶的具体成分［17］，DLA模型生长的美丽枝蔓，属于枝晶中的分形，而物质世界的许多形态具有分形的特征，大到星云，小到微米甚至纳米尺度的晶核都能观察到分形的存在，都具有整体与局部相似的叠加结构，广泛存在于自然界。

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