小麦蛋白和谷氨酰胺转氨酶对120 ℃高温处理鱼糜凝胶特性影响的研究

于繁千惠,孔文俊,韦依侬,薛 勇,李兆杰,薛长湖

(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)



小麦蛋白和谷氨酰胺转氨酶对120 ℃高温处理鱼糜凝胶特性影响的研究

于繁千惠,孔文俊,韦依侬,薛 勇*,李兆杰,薛长湖

(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

以阿拉斯加狭鳕鱼糜为原料,研究了小麦蛋白和谷氨酰胺转氨酶(TG酶)对120 ℃高温杀菌鱼糜制品凝胶特性的影响。通过分别测定在一段加热和两段加热两种加热方式下,添加小麦蛋白和TG酶的复合样品的破断力,破断距离,凝胶强度,动态流变学,白度和扫描电镜等指标,发现二者的添加对高温处理鱼糜凝胶的破断力,破断距离均有较好的改善效果,可显著增强其凝胶强度(p<0.01)。尤其是同时添加两种添加剂对鱼糜凝胶特性的增强更为显著,采用两段加热成型的方式其凝胶强度可增加至2倍。扫描电镜观察结果表明同时添加两种添加剂的杀菌鱼糜具有更为致密的凝胶网络结构。添加TG酶的样品采用二段加热比直接杀菌成型有更好的凝胶特性,而添加小麦蛋白会使鱼糜凝胶发黄导致白度降低。本文为以后高温杀菌鱼糜制品的研发提供了依据。

鱼糜,小麦蛋白,TG酶,凝胶特性,高温

鱼糜制品是一种消费量较大的海洋加工食品。其主要结构是肌原纤维蛋白在高温诱导下形成的蛋白网络凝胶。它不但味道鲜美,而且营养价值丰富,其消费量在发达国家和发展中国家均日益增加[1]。目前市售的鱼糜制品主要是冷藏保存的,其保存时间相对较短,而且消费者购买后还需再次加热才可食用。这极大的限制了鱼糜制品食用的方便性。如果将鱼糜制品经过120 ℃高温杀菌处理后进行真空保存,不但能够使其保存更长的时间,延长其货架期;也可实现常温流通,增强其食用的方便性。但是当鱼糜经过100～120 ℃的高温处理后,蛋白质三四级结构会遭受较大破坏,蛋白质由于共价结合而发生聚集,水和蛋白质间的相互作用发生改变——离子键和疏水相互作用下降剧烈,而氢键和二硫键呈现上升趋势,从而鱼糜凝胶的网状结构骨架变得脆弱,空隙变大,进而会显著破坏其凝胶特性,导致凝胶强度显著下降[2]。鱼糜制品的凝胶特性是鱼糜制品的重要指标,对鱼糜制品的品质有重要的影响。如何提高鱼糜制品在120 ℃高温条件下凝胶热稳定性是目前亟待解决的问题。目前,提高鱼糜凝胶高温加热稳定性的研究和报道相对较少。小麦蛋白作为一种非肌肉蛋白添加剂,可于120～130 ℃形成很强的凝胶[3],并且在低温储藏过程中其物性变化小,能有效的减轻产品在储藏过程中的脱水、干裂、弹性下降等不良现象。将小麦蛋白和肉类蛋白相结合,在复合凝胶体系的研究中具有很大的前景[4],如卞智英[5]等发明了一种添加小麦蛋白的儿童鱼肉调理食品,万建荣[6]证实了添加7%的小麦蛋白能够使新鲜马面鲀鱼糜获得更好的凝胶强度。并且据报道,小麦蛋白已成功地用于经过高温灭菌宠物食品罐头[7]。谷氨酰转胺酶(简称TG酶)是一种能催化蛋白质}氨酸的ε-氨基与谷氨酸的γ-羟酰胺基形成共价键而导致蛋白质聚合的酶。它能显著增强鱼糜制品的弹性与硬度。目前,利用谷氨酰胺转氨酶来改善食品的品质已在多种肉糜制品中得到应用。本文主要研究了利用小麦蛋白和TG酶来改善鱼糜在高温加热条件下的凝胶特性,从而为120 ℃高温杀菌鱼糜制品的研发提供依据。

表1 小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜曲折的影响Table 1 Effects of wheat protein and TGase on bending experiment of surimi

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

阿拉斯加狭鳕鱼糜(AAA) 购自山东锦灿食品有限公司,-20 ℃冻藏;食盐 市售食品级;小麦蛋白 武汉科泰生化科技有限公司;TG酶(酶活200) 武汉维美科技有限公司。

TMS-PRO质构仪 美国Food Technology公司;UMC5型真空斩拌机 德国Stephan公司;冷却循环机 郑州长城科工贸有限公司;日本AND快速水分测定仪 MX-50日本;电热恒温水浴锅 金坛市荣华仪器制造有限公司;WSC-S色度仪 上海凯千机电设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鱼糜凝胶的制备 取250 g半解冻的阿拉斯加狭鳕鱼糜,放入斩拌机中空斩5 min,加入3%的食盐盐斩5 min,然后加入6%的小麦蛋白和0.3%的TG酶(同时调节水分含量为75%)继续斩拌2～3 min,最后抽真空斩拌5 min。整个斩拌过程用冷却循环机控制斩拌温度,保持斩拌温度在10 ℃以下。最后将鱼糜挤入30 mm的尼龙肠衣中,封口4 ℃保存过夜。

1.2.2 鱼糜凝胶高温杀菌成型 将通宵放置的样品放入反压杀菌锅中成型杀菌20 min。温度120 ℃,压力:1.2 MPa。将添加TG酶的样品和120 ℃杀菌的对照样品分成两组,一组采取两段加热,先在40 ℃中保存30 min再进行成型杀菌,另一组直接成型杀菌。对单独添加小麦蛋白的样品采用直接120 ℃成型杀菌的一段式加热方法。另外,选取一组通宵放置的未添加任何物质的空白组采用90 ℃加热30 min的方法加热成型以作为低温加热鱼糜的对照组。

1.2.3 鱼糜破断力和破断距离的测定 将鱼糜肠切成30 mm左右的小段,用TMS-PRO质构仪测定鱼糜肠的破断力。测定条件:探头为5 mm球形探头,下压速率60 mm/min[8]。

1.2.4 鱼糜肠白度的测定 用WSC-S色度仪测定鱼糜凝胶的L*,a*,b*值。白度通过以下公式[9]计算:

白度=100-[(100-L*2)+a*2+b*2]1/2

1.2.5 鱼糜储能模量 取少量的斩拌之后未挤入尼龙肠衣的鱼糜于流变仪平板台上,使用直径50 mm的平板压成1.0 mm高。然后设定扫描升温参数为5 ℃/min扫描频率为1 Hz扫描温度范围为5～120 ℃。

1.2.6 曲折实验 曲折实验可以用来表示鱼糜弹性的强弱。参照周蕊等[10]方法,将高温杀菌成型的鱼糜肠切成3 mm进行曲折实验,如表1所示,由5级法表示。此法与评分的对应关系为:5分:AA,4分:A,3分:B,2分:C,1分:D。

1.2.7 鱼糜微结构的观察 根据Benjakul[11]的方法,将凝胶样品切宽和长为5 mm厚1 mm左右的小块,用24%戊二醛固定液固定24 h,然后分别在50%、60%、70%、80%、100%的梯度乙醇中脱水10 min,最后用醋酸正戊酯浸泡15 min,重复2次。脱水后折断凝胶样品,取样品自然断面为观察面,用CO2临界点干燥仪进行干燥,喷金后用KYKY-2800B型扫描电镜仪观察凝胶微结构。

1.2.8 数据分析 将所有的实验数据用SAS8.0进行分析,p<0.05作为显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜凝胶破断力和破断距离的影响

图1 小麦蛋白和TG酶对高温处理后 鱼糜凝胶破断力和破断距离的影响Fig.1 Effect of wheat protein and TGase on breaking force and deformation of surimi gel

破断力可表示鱼糜凝胶的硬度,破断距离可以反映出鱼糜凝胶的弹性,凹陷距离越大,鱼糜凝胶的弹性越好。图1显示了小麦蛋白和TG酶对高温杀菌后鱼糜凝胶破断力和破断距离的影响。单独添加小麦蛋白和TG酶,相对120 ℃处理后的空白对照组会显著增强鱼糜凝胶的破断力和破断距离。小麦蛋白是小麦淀粉生产中最重要的副产物,这种非肌肉蛋白质的加入通常是以填充物的形式发挥作用,能与肌肉蛋白作用,一起形成良好的凝胶三维立体网状结构[2]。其具有很好的结合水的能力、粘弹性及弹性增强作用,所以添加小麦蛋白的鱼糜组的凝胶破断力(398 g)相较于120 ℃对照组(一段加热232 g)会有显著提高(p<0.05),肉制品在高温烹制过程中,彼此形成二硫键,维持产品的保水性和粘弹性,而肉中的肌动球蛋白是TG酶作用的良好底物,添加TG酶的鱼糜组在TG酶的催化作用下,肌动球蛋白(主要是肌球蛋白)通过转酰胺基作用形成比二硫键更强的共价结合键ε-(γ-Glu)-Lys,强度是氢键和疏水作用的20倍,使蛋白质分子更加紧密的连接在一起,形成更加致密的网状结构,从而显著提高鱼糜制品的质构特性,硬度因此也会随之增大[12]。样品在同时添加小麦蛋白和TG酶后,其破断力的增强效果比单独添加更加显著(二段加热465 g,一段加热429 g),即在两段加热成型的方式下其破断力可增加至2倍,甚至超过了鱼糜在90 ℃(389.5 g)条件下的加热效果,可见两种添加物有协同作用。而添加TG酶的样品采用二段加热(387 g)比一段加热(328 g)的效果更好。TG酶一般在25 ℃和40 ℃左右具有较高活性,50 ℃以上随着温度的升高其活性逐渐下降。在低温加热阶段(40 ℃中保存30 min)TG酶诱导肌肉蛋白分子间形成强有力的非二硫共价键(ε-(γ-Glu)-Lys),从而形成的致密的凝胶网络使鱼糜凝胶进行第二段高温加热时能够保持较高的硬度[2]。对于破断距离来讲,无论是单独添加小麦蛋白或是TG酶,还是同时添加二者,相对于120 ℃(二段加热5.3 mm;一段加热5.2 mm)加热杀菌后的对照组,其破断距离均呈现出显著的增加(p<0.05)。这表明添加小麦蛋白和TG酶可显著增强高温杀菌鱼糜凝胶的热稳定性。在同时添加小麦蛋白和TG酶后,破断距离达到最大值(二段加热7.6 mm;一段加热7.3 mm),这是由于TG酶可以诱导肌原纤维蛋白之间和小麦蛋白之间的交联作用,从而可以形成更加致密和稳定的网络凝胶使复合鱼糜凝胶的弹性进一步增大甚至等同于90 ℃加热的空白对照组(7.6 mm)。与破断力测试结果相同,添加TG酶的样品组采用两段加热(7.1 mm)相对于一段加热(6.5 mm)其破断距离略有增加。

添加小麦蛋白TG酶的鱼糜凝胶的破断力和破断距离都显著增强,凝胶强度又为二者的乘积[8],所以鱼糜的凝胶强度也呈现显著提升,热稳定性也提高。单独添加TG酶时,TG酶可促导肌原纤维蛋白之间的进一步交联,从而加固了凝胶主体结构,变得更加致密,因此高温处理时能够在一定程度上提高鱼糜的耐受性,保持了鱼糜凝胶的热稳定性。同时添加小麦蛋白和TG酶后,TG酶不仅催化了鱼肉蛋白之间,小麦蛋白与鱼肉蛋白之间的交联作用,还催化了面筋蛋白分子内和分子间的交联,可以增加面筋蛋白中的大分子数量,优化面筋的网络结构,形成了更加致密的网络结构从而改善了小麦蛋白的口感,提升了其粘弹性[13]。因此在120 ℃热处理时,由于二者的协同作用使凝胶强度达到了最大值,更大程度上保持了鱼糜凝胶的热稳定性。

2.2 小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜凝胶白度的影响

白度显示出了鱼糜样品的色泽,是鱼糜制品的重要评价指标之一。一般而言,L*值越大,b*值越低,样品越白,产品的质量越好[14]。由图可以看出,对于未添加任何成分的空白对照组而言,当处理温度从90 ℃升高到120 ℃时,鱼糜的白度会出现明显的降低(p<0.05)。这可能是由以下原因导致的:鱼糜制品经过120 ℃高温处理,一方面由于水分子的重新排列,持水力发生变化,从而影响其光泽度和透明度;另一方面由于高温处理使蛋白质的非共价键遭到破坏,蛋白质发生变性而改变了鱼糜凝胶的白度[2]。图2显示了添加小麦蛋白和TG酶对高温加热后鱼糜凝胶白度的影响,发现添加TG酶对白度的影响不大,添加小麦蛋白会使鱼糜的白度降低,同时添加小麦蛋白和TG酶也会使鱼糜的白度降低。这可能是由于小麦中含有黄色素,高温加热可能会使黄色素逐渐溶出导致白度下降[2]。Duangmal[15]指出凝胶的颜色会被添加剂的颜色所影响。所以添加小麦蛋白后,复合凝胶的颜色会受到小麦蛋白的颜色的影响,从而使复合凝胶白度下降。

图2 小麦蛋白和TG酶对高温处理后鱼糜凝胶白度的影响Fig.2 Effect of wheat protein and TGase on whiteness of surimi gel

2.3 小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜凝胶储能模量的影响

储能模量(G′)可反映物质的动态流变学特性和凝胶特性。一般而言,储能模量越高,样品的流变学特性越好,凝胶性也越好。小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜凝胶的动态流变学影响的曲线如图3所示。在加热过程中,G′的不断变化是由于肌原纤维蛋白的不同组分在不同——温度下的变性和交联引起的,较高的储能模量往往意味着较好的凝胶特性。由图可以看出,四种曲线的大体趋势基本相同。各组样品储能模量的变化可以大致分为三个阶段。首先,随着温度逐渐上升至50 ℃,四组样品的G′缓慢下降。这可能是由于肌球蛋白亚基的解离和肌原纤维蛋白的降解。然后,随着温度进一步上升到100 ℃,由于肌球蛋白和肌动球蛋白的变性和交联,肌原纤维蛋白形成了高弹性的网络凝胶结构[16],四组样品的G′曲线逐渐上升。最后,当温度超过100 ℃后,各组样品的储能模量又开始下降,尤其是空白组的G′出现了急剧下降。张莉莉[2]的电泳图谱研究指出,高温处理(>100 ℃)会使肌球蛋白重链和肌动蛋白条带逐渐下降乃至消失,肌球蛋白重链是肌球蛋白分子中参与凝胶的最重要的部分[17]。因此也可以解释鱼糜经过高温处理以后,由于肌球蛋白重链的逐渐消失而导致凝胶强度急速下降。另一部分原因,高温处理改变了肌原纤维蛋白之间的非共价键相互作用——离子键和疏水作用会剧烈下降,氢键和二硫键则会上升。这使得蛋白质三、四级结构会遭受较大破坏。蛋白质因此会发生聚集,从而使鱼糜凝胶的网状结构骨架变得脆弱,空隙变大,进而会显著破坏其凝胶特性和流变学特性,导致凝胶强度显著下降[18]。而添加了小麦蛋白和TG酶样品的曲线却相对平稳。这是由小麦蛋白和TG酶的对凝胶的改善作用导致的。小麦蛋白可以与肌原纤维蛋白相互交联,TG酶可诱导蛋白分子之间的交联,这些作用都在一定程度上增强了高温处理鱼糜凝胶的热稳定性,从而使其保持较高的储能模量,这与测得的凝胶强度数据相符合。

图3 小麦蛋白和TG酶对高温处理后 鱼糜凝胶储能模量的影响Fig.3 Effect of wheat protein and TGase on storage modulus(G′)of surimi gel

2.4 小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜曲折实验的影响

曲折实验可以反映出鱼糜凝胶弹性的大小。从表2可以看出,鱼糜样品在未添加小麦蛋白和TG酶的情况下,在90 ℃加热时曲折实验可达到AA级,120 ℃加热时曲折实验可以达到B级。样品在单独添加的TG酶和小麦蛋白的情况下可以达到A级。而鱼糜在同时添加了小麦蛋白与TG酶后,其曲折实验可以达到AA级。这说明TG酶和小麦蛋白会显著改善鱼糜凝胶的曲折特性,这与图3的结果相对应。

表2 小麦蛋白和TG酶对高温处理鱼糜曲折的影响Table 2 Effects of wheat protein and TGase on bending experiment of surimi

注:1：90 ℃加热空白,2：120 ℃加热空白,3：小麦蛋白,4：TG酶,5：小麦蛋白和TG酶。

2.5 高温处理鱼糜的电镜

扫描电子显微镜常常被用来研究蛋白质的微观结构。四种高温处理的样品组的电镜图如图4所示。经过120 ℃加热的空白组的组分分子网络结构最差,孔隙较大,结构粗糙、三维网络结构比较松散、骨架脆弱。这是由于高温处理破坏了蛋白质之间的非共价键,从而破坏了凝胶网状结构,使蛋白质发生聚集并呈现形状和大小不规则的颗粒状结构。添加TG酶后,可明显观察到蛋白质的网络结构变得致密,孔隙变小、形状和分布比较均匀。这是由于TG酶的催化使肌原纤维蛋白之间的交联作用得到进一步加强。凝胶内部的结合力增大,从而形成了更加致密的网络结构。这在一定程度上减弱了高温处理对凝胶三维网状结构的破坏作用。添加小麦蛋白后,可以看出鱼糜蛋白的疏水聚集现象得到改善,蛋白之间的交联作用得到加强。这是由于小麦蛋白在高温下可形成强凝胶,从而使得复合凝胶的热稳定得到显著增强。同时添加TG酶和小麦蛋白后,鱼糜凝胶的网络结构的规则性和致密性可进一步增加,凝胶表面光滑,几乎无明显孔隙。这表明同时添加小麦蛋白和TG酶对杀菌鱼糜的微观结构进行了最大的改善。从而使鱼糜凝胶的破断力、凹陷距离、凝胶强度、储能模量均显著增加。

图4 小麦蛋白和TG酶对高温处理后鱼糜凝胶电镜的影响Fig.4 Effect of wheat protein and TGase on Scanning electron microscopy of surimi gel

3 结论

肌原纤维蛋白在加热过程中会形成凝胶,这在鱼糜制品的加工过程中具有重要的意义。而120 ℃高温加热会使肌原纤维蛋白形成凝胶的能力明显降低和凝胶劣化。小麦蛋白和谷氨酰胺转氨酶作为两种常见的食品添加剂,常添加到鱼糜制品中用于改善鱼糜制品的品质。通过本实验发现添加小麦蛋白和TG酶会对鱼糜120 ℃高温加热后的凝胶特性产生显著的影响。单独添加小麦蛋白和谷氨酰胺转氨酶对120 ℃高温处理鱼糜凝胶的破断力,凹陷距离和凝胶强度均有较好的改善效果。但是添加小麦蛋白会导致鱼糜凝胶发黄,使白度降低。同时添加小麦蛋白和TG酶对120 ℃处理鱼糜制品的凝胶增强作用最显著。通过扫描电镜观察可以发现,同时添加二者会形成更加致密的凝胶网络,从而使高温杀菌鱼糜具有更好的凝胶特性。这对120 ℃高温杀菌鱼糜制品的研发具有指导意义。

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Effects of wheat protein and transglutaminase on gel properties of Surimi heated at 120 ℃ high temperature

YU Fan-qianhui,KONG Wen-jun,WEI Yi-nong,XUE Yong*，LI Zhao-jie,XUE Chang-hu

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Theeffectsofwheatproteinandtransglutaminase(TGase)onthegelpropertiesofAlaskaPollocksurimiafterbeingheatedat120 ℃wereevaluated.Breakingforce,deformation,gelstrength,dynamicrheology,whiteness,andscanningelectronmicroscopywereusedasthequalityindexesforthecomplexsurimigelssubjectedtotwodifferentheatingmethods(one-stepheatingmethodandtwo-stepheatingmethod).Theresultshowedthattheadditionofwheatproteinandtransglutaminasecouldimprovethebreakingforce,deformationofsurimigelsandthegelstrengthwasincreasedobviously.WhenwheatproteinincorporatedwithTGase,thebestgelpropertiesofsurimigelwouldbeobtained,thegelstrengthwasincreasedto200%bytwo-stepheatingmethod.Andthesurimiwithdensestgelnetworkwasobservedbyscanningelectronmicroscope.InthecaseofTGasebeingadded,theoptimumheatingmethodwastwo-stepheatingmethodandtheadditionofwheatproteindecreasedwhiteness.Thisresearchprovidedabasisforthedevelopmentofsurimiproductsafterhigh-temperaturesterilization.

surimi;wheatprotein;transglutaminase;gelproperties;hightemperature

2016-04-21

于繁千惠(1991-),女,硕士研究生,研究方向：食品加工与功能食品,E-mail:yufanqianhui@163.com。

*通讯作者:薛勇(1976-),男,博士,副教授,研究方向：水产品加工与贮藏,E-mail:xueyong@ouc.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目(31571865);国家自然科学基金资助项目(31371791)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)21-0081-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.007