周紛,鄭金月,孫迪,許帥強,劉登勇,邵俊花,*
1(渤海大學 食品科學與工程學院,遼寧省食品安全重點實驗室,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 錦州,121013) 2(上海海洋大學 食品學院,上海,210306)3(沈陽農(nóng)業(yè)大學 食品學院,遼寧 沈陽,110866)
在乳化型肉糜產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,蛋白質(zhì)通過產(chǎn)生乳化作用來穩(wěn)定和改善肉糜的乳化性質(zhì),因而蛋白質(zhì)可作為乳化劑使用[1]。其中,在斬拌過程中通過加水或者鹽提取出來的鹽溶性蛋白質(zhì)分3種形式存在:蛋白凝膠基質(zhì)、水溶相和脂肪球表面的蛋白膜[2]。此外,研究發(fā)現(xiàn)通過對油-水-蛋白質(zhì)三相體系進行均質(zhì),蛋白質(zhì)分子可以迅速地吸附到油滴表面,在界面形成保護膜,嚴密地將油滴裹住,基于蛋白質(zhì)在油滴間產(chǎn)生排斥作用以及蛋白膜抵抗對乳化體系被破壞的能力,使油滴與油滴之間隔開,阻止小油滴間的聚集,最終形成水包油型乳濁液[2-4]。
在乳化體系中,以肌球蛋白為主的蛋白質(zhì)群功能特性主要表現(xiàn)為:在脂肪球表面形成具有黏性和高強度膜的能力以及在熱誘導下形成三維黏彈性凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的能力[5-6]。一般來講,蛋白質(zhì)吸附在脂肪球表面發(fā)生乳化反應包括2個主要的分子活動:蛋白質(zhì)在油脂分子表面的定位和隨后利于吸附的構(gòu)象重排[7]。在乳化過程中,鹽溶性肌原纖維蛋白分子會部分展開,同少量肌漿蛋白吸附在脂肪球表面,形成一個半剛性的界面蛋白膜,降低水油間界面張力[8]。蛋白質(zhì)和脂肪的理化特性以及相互作用影響乳化的形成及其最終產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性[9-11]。MILANI等[12]研究發(fā)現(xiàn)半乳甘露聚糖、黃原膠和果膠等均可以通過改變表面或界面的張力和吸附能力來改善油水界面的穩(wěn)定性。ZOU等[13]研究發(fā)現(xiàn)玉米蛋白的Zeta電位和濕度與界面穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。GEISEL等[14]通過研究微凝膠的界面流變特性和結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)pH值較高時界面形成的是較軟的凝膠結(jié)構(gòu),pH值較低時界面變得緊湊、脆弱。同時,界面特性在防止乳化液絮凝和泡沫膜排水的方面具有重要的作用,從而改善了食品的穩(wěn)定[15]。
因此,本文通過探究不同類型的脂肪對乳化肉糜體系中蛋白膜形成的影響,為全面了解蛋白質(zhì)基質(zhì)及蛋白分子在界面上的特性提供理論依據(jù),進而為蛋白膜的形成情況對凝膠類肉制品的生產(chǎn)改良作出理論性指導。
新鮮豬背最長肌和背膘,購于錦州市大潤發(fā)超市。瘦肉和脂肪分別絞碎,每300 g為1份,分裝于聚乙烯真空包裝袋中,-18 ℃貯存?zhèn)溆?。大豆?魯花,100%油)和黃油(總統(tǒng)牌,脫鹽)購于錦州市大潤發(fā)超市。所用NaCl、三聚磷酸鹽(STP)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、Na2HPO4、NaH2PO4等均為分析純。
高速組織搗碎機,上海精科實業(yè)有限公司;磁力攪拌器,江蘇國華儀器廠;UV2250紫外-可見分光光度計,日本島津公司;T25 digital Ultra-turrak均質(zhì)機,德國IKA公司;BT-9300ST激光粒度分布儀,丹東市百特儀器有限公司;AL104電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;Discovery DHR-1流變儀,美國TA公司;StephanUMC-5C真空斬拌機,德國Stephan機械有限公司;BCD-215KALM海爾立式冷藏柜,青島海爾股份有限公司;電熱鼓風干燥箱,上海躍進醫(yī)療器械廠。
1.3.1 肉糜樣品制備
肉糜配方:2%食鹽;0.3%三聚磷酸鹽;57%瘦肉;15.7%冰水;25%黃油、豆油或背膘。
肉糜制備程序參照YOUSSEF等[16]的方法并稍作改動:將瘦肉在真空斬拌機中低速斬拌30 s,然后添加食鹽和三聚磷酸鈉鹽,高速斬拌1 min,停2 min(進一步促進鹽溶性蛋白質(zhì)的溶出),加入脂肪(黃油、豆油和背膘)和1/3 冰水并高速斬拌1 min;加入剩余冰水再高速斬拌3 min;肉糜最終溫度不超過15 ℃。
1.3.2 乳化肉糜中乳化層的提取
根據(jù)YOUSSEF等[16]的方法,并進行適當?shù)母膭樱悍Q取一定量肉糜,加入3倍體積(質(zhì)量/體積)磷酸緩沖液(0.2 mol/L, pH 6.5)用玻璃棒攪拌混勻(約1 min),10 000×g離心20 min,明顯出現(xiàn)3層:粗乳化層(含有部分油脂層)、肌肉蛋白溶液層和沉淀物。小心收集粗乳化層,加去離子水攪拌清洗,于4 ℃,10 000×g離心20 min。重復以上步驟3次,收集乳化層。測定蛋白濃度后,用磷酸緩沖液將乳化層稀釋至蛋白濃度為10 mg/mL的乳化液,用于各指標的測定。
1.3.3 乳化特性測定
參照LINDER等[17]的方法進行乳化活性和乳化穩(wěn)定性的測定:取制備好的乳化液25 mL置于離心管中,在4℃,1 200 r/min的條件下離心5 min,出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象,測定離心管中乳化液的體積。另取該乳化液25 mL于80 ℃下加熱30 min,冷卻至室溫后于1 200 r/min條件下離心5 min,方法同上。每個處理組平行測定5次,實驗重復3次。
(1)
(2)
1.3.4 脂肪微粒吸收蛋白量的測定
采用MOURTZINOS和KIOSSEOGLOU[11]的方法測定脂肪微粒吸收蛋白量,并稍有修改,取一定量1.3.2中得到的乳化層,加入4倍體積(質(zhì)量/體積)Tris緩沖液(含有1% SDS)充分攪拌混勻,-20 ℃下凍存12 h,4℃下解凍,再在-20 ℃下保存12 h,4 ℃下解凍,如此重復操作3次。最后在10 000×g離心10 min,乳化體系破壞,脂肪和蛋白質(zhì)分離,上層為脂肪,下面為分離出來的與脂肪結(jié)合的蛋白溶液。上浮的脂肪用于脂肪微粒平均粒徑和脂肪總體積測定,下層的蛋白溶液用于SDS-PAGE蛋白成分分析,Zeta電位及蛋白含量測定以進行單位界面脂肪微粒吸收蛋白量的評價。
采用雙縮脲的方法[18]測定該蛋白質(zhì)溶液中蛋白質(zhì)含量,即為吸收蛋白含量。
單位界面吸收蛋白量Γs/(mg·m-2)=ΓT/ST
(3)
式中:ΓT,吸收蛋白量;ST,界面的總表面積。
ST=6V/d3,2
(4)
式中:V,脂肪總體積;d3,2,脂肪微粒表面積平均直徑,即粒徑對表面積的加權(quán)平均值[19]。
1.3.5 乳化液和脂肪微粒粒徑的測定
采用BT-9300ST型激光粒度分析儀分別測定1.3.2中的乳化液和1.3.4中乳化體系破壞后得到的脂肪微粒的大小,從而得到乳化液和脂肪微粒的粒度分布圖譜。測定具體參數(shù)設置如下:物質(zhì)折射率實部為1.52,物質(zhì)折射率虛部為0.10,介質(zhì)折射率為1.33,分散劑為水,分析軟件為配套軟件[20]。其中,D10、D50 和D90 分別表示微粒的累積體積占顆粒體積群總體積的10%、50%和90%時的粒徑大小,即小于該粒徑的微粒體積占顆粒群總體積的10%、50%和90%[21],每個處理組平行測定3次,實驗重復3次,選取D10、D50 和D90 進行結(jié)果分析。
1.3.6 SDS-PAGE凝膠電泳
參考XIONG等[22]的方法并加以修改,取1.3.4分離出來的蛋白質(zhì)溶液,測定其中吸附的蛋白質(zhì)組成成分,采用10%的濃縮膠,4%的分離膠,電泳上樣量為10 μL,電泳起始電壓為80 V,樣品進入分離膠之后改為120 V,待樣品到達底線處,結(jié)束電泳。運用Quantity One軟件進行掃描和分析。
1.3.7 Zeta電位的測定
根據(jù)CRUDDEN等[23]的測定方法,并作適當?shù)男薷?,用Nano ZS-90 Zeta電位儀測定乳化液和蛋白溶液中蛋白的Zeta電位值,溫度設置為25 ℃,每個處理組平行測6次,實驗重復3次。
1.3.8 統(tǒng)計學分析
本實驗中數(shù)據(jù)均是3個平行,3次重復實驗的結(jié)果,數(shù)據(jù)分析均采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析,方差分析采用ANOVA分析,數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗,符合正態(tài)分布的多重比較采用Duncan’s 法,不符合正態(tài)分布的用Kruskal-Wallis 檢驗,差異顯著性為p<0.05。并應用Pearson系數(shù)進行相關(guān)性分析。作圖采用軟件Origin 8.6和Sigma Plot 12.5。
乳化活性(emulsifying activity,EAI)和乳化穩(wěn)定性(emulsifying stability,ESI)的增加有助于乳化物的形成和穩(wěn)定[24]。在乳化過程中,蛋白分子吸附到油水界面的速度越快,降低界面張力的速率越高,則蛋白質(zhì)乳化活性就越高,反之,乳化活性則較低[25]。由圖1可以看出,乳化液乳化活性的變化趨勢為豆油組<黃油組<背膘組,這說明背膘和黃油的添加,可以在一定程度上加強油脂與蛋白質(zhì)的相互作用,使得蛋白質(zhì)分子吸附到背膘和黃油的油水界面的速度較快,降低界面張力的速率也較高,從而增強了蛋白質(zhì)的乳化活性[25]。而且前人研究發(fā)現(xiàn),在乳濁液中蛋白質(zhì)和界面之間的疏水作用可以促進蛋白質(zhì)吸附在界面上[1],因此上述結(jié)果也可能是背膘和黃油的添加改變了乳化液中蛋白質(zhì)表面疏水基團的暴露程度,促進了蛋白質(zhì)吸附在油相界面上,使得油脂吸附的蛋白質(zhì)量增加,因而增加了乳濁液的乳化特性[26-27]。此外,在各組乳化液的乳化穩(wěn)定性變化趨勢中黃油組乳化穩(wěn)定性表現(xiàn)為最好,其次是背膘組,這說明黃油和背膘的添加可以增加乳化液的乳化穩(wěn)定性,這可能是因為在乳化液中黃油和背膘與蛋白質(zhì)發(fā)生的相互作用,加強了黃油和背膘顆?;蛘咭旱伪砻嫖降鞍踪|(zhì)的能力,從而增加了蛋白質(zhì)量,促進顆?;蛘咭旱伪砻娴鞍踪|(zhì)膜的形成,使得顆?;蛘哂偷沃g不能相互靠近,進而增加了體系的穩(wěn)定性[28-29]。
圖1 脂肪類型對乳化液乳化特性的影響Fig.1 Effect of lipid types on emulsifying properties ofemulsion注:不同大小寫字母分別表示處理組之間ESI和EAI的差異顯著(p<0.05)。
由表1乳化液中D10、D50和D90對應的粒徑大小可以看出,乳化液微粒大小均表現(xiàn)為豆油組>黃油組>背膘組,并且豆油組的乳化液微粒顯著(p<0.05)大于另外兩組。這可能是添加豆油的乳化液中蛋白質(zhì)不足以覆蓋均質(zhì)過程中新形成的界面,使得相鄰油滴因共用界面蛋白質(zhì)而發(fā)生絮凝[30]。這也說明背膘組和黃油組的乳化液中,脂肪顆?;蛘咭旱沃車纬傻慕缑娴鞍啄ぃ梢詼p少脂肪顆?;蛞旱蔚木奂痆31]。
表1 脂肪類型對乳化液微粒和脂肪微粒粒徑大小的影響(x±s,n=9)Table 1 Effect of lipid types on particle size distribution parameters of emulsion and lipid particle(x±s,n=9)
注:不同小寫字母標注的同列數(shù)據(jù)具有顯著性差異(p<0.05)。R-D10、R-D50和R-D90分別表示1.3.4中乳化體系破壞后脂肪微粒的D10、D50和D90。
由相關(guān)性分析結(jié)果(表2)可知:乳化液的D10、D50和D90與乳化液的乳化活性均具有顯著負相關(guān)性,這說明乳化液中顆粒越小,乳化液的乳化活性越大。乳化液的D90分別與乳化穩(wěn)定性呈極顯著負相關(guān)(p<0.01),這說明乳化液微粒累積體積占總體積90%時對應的粒徑越小,則乳化液穩(wěn)定性就越高。此外,乳化液的EAI與乳化體系破壞后得到的脂肪微粒大小中D10和D50均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。
表2 不同指標相關(guān)性分析Table 2 Correlation among variables
注:*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān), **在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。
圖2是乳化液中微粒和乳化體系破壞后脂肪微粒大小的分布圖,其中橫坐標是乳化液微粒的直徑大小,縱坐標是某一粒徑的微粒占顆粒群總體積的百分比。
圖2 微粒粒徑大小分布Fig.2 Particle size distribution
由圖2可以看出,乳化液中微粒的分布比乳化體系破壞后脂肪微粒分布集中。由乳化液圖整體上可以看出,背膘和黃油組乳化液中粒度分布曲線呈“單峰”型,而且出現(xiàn)單峰的范圍不一樣。黃油組在粒徑為2.70 μm左右出現(xiàn)單峰,背膘組在粒徑為3.67 μm左右出現(xiàn)峰值,豆油組則是在整個粒徑分布范圍內(nèi)呈“雙峰”,第一個峰出現(xiàn)在粒徑為3.61 μm左右,第二峰出現(xiàn)范圍是9.75~34.62 μm,這說明蛋白質(zhì)與背膘和黃油的乳化作用較好,使得顆粒細微化。
在脂肪微粒粒度分布圖中,可以明顯地看出3組處理樣品在1~10 μm出現(xiàn)第一個峰,并且在此范圍內(nèi)顆粒數(shù)量占顆粒群總體積表現(xiàn)為豆油組最多,其次是黃油組,說明豆油和黃油的顆粒大小偏小,這可能與脂肪的本身狀態(tài)有關(guān)(固體和液體)。隨著粒徑的增大,背膘和黃油的脂肪微粒分布均表現(xiàn)為一個長長的拖尾,其中黃油微粒大小為143.58 μm左右出現(xiàn)了第二個峰值,而背膘則在207.98 μm左右出現(xiàn)的第二個峰值,這與豆油的第二個峰值出現(xiàn)的粒徑范圍相比,粒徑偏大。同時結(jié)合乳化液微粒粒度分布的研究結(jié)果可以說明,在乳化層中,蛋白質(zhì)能夠較好地乳化背膘和黃油,使得顆粒細微化,而乳化體系破壞后,脂肪顆?;蛘咭旱伪砻娴牡鞍啄け黄茐?,導致脂肪聚集,顆粒偏大。
乳化液的理化性質(zhì)受其中分散相微粒的大小和粒度分布的影響[21]。圖3是乳化液中微粒和乳化體系破壞后脂肪微粒粒徑累積分布的情況,其中橫坐標是微粒的直徑大小,縱坐標是微粒占顆粒群總體積的百分比累積情況。
圖3 微粒累積分布Fig.3 Particle cumulative score distribution
圖3可以看出,乳化液中微粒的粒徑累積分數(shù)3組之間沒有明顯的區(qū)別。3組樣品的乳化液均在粒徑大小為1~100 μm達到100%,其中黃油組和背膘組的累積分布情況相似,僅在粒徑大小為17.52 μm左右達到定值,而豆油組的乳化液粒徑分布相對其他兩組較緩達到100%,這說明在黃油組和背膘組的乳化層中,蛋白質(zhì)乳化二者的能力比較強,乳化液的乳化活性和乳化穩(wěn)定性也就會比較強,從而使得顆粒細微化,這與圖1中黃油和背膘組乳化活性和乳化穩(wěn)定性表現(xiàn)較好結(jié)果一致。
由乳化體系破壞后脂肪微粒的累積分數(shù)分布圖中,可以看出豆油在粒徑大小為30.39 μm左右,微粒累積分數(shù)達到定值,黃油在312.00 μm左右達到定值,而背膘則是在較大的粒徑處達到了100%累積分數(shù),這同時驗證了表1中各脂肪D90對應的粒徑大小為背膘>黃油>豆油的結(jié)果。但是,脂肪微粒的累積分數(shù)在達到定值之前,當粒徑處于同一大小時,微粒累積分數(shù)趨勢均呈現(xiàn)的是豆油>黃油>背膘,這可能因為乳化體系破壞后,黃油組和豆油組中脂肪聚集,顆粒偏大,導致同一粒徑大小時,累積分數(shù)較低,同樣這說明了在乳化層即乳化體系未破壞前,蛋白質(zhì)能夠較好的乳化背膘和黃油,顆粒細微化,使得黃油和背膘乳化液中微粒較小,即驗證了表1中二者乳化液粒徑較小的研究結(jié)果。
Zeta電位可表征溶液中顆粒表面電荷量,是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量[32]。其中,靜電排斥能夠較好穩(wěn)定乳液以及阻止液滴之間的聚合[33]。通常情況下,Zeta電位絕對值大于60 mV時,荷電粒子相當穩(wěn)定;Zeta電位絕對值在30~60 mV時,荷電粒子比較穩(wěn)定;Zeta電位絕對值小于30 mV時,荷電粒子不穩(wěn)定,容易聚集[32,34]。由圖4可以看出,乳化液和肌肉蛋白質(zhì)溶液中Zeta電位均為負值,其中,3種油脂乳化液中Zeta電位的變化趨勢并不明顯,各組乳化液的電位值絕對值低于20 mV,說明乳化液并不穩(wěn)定,而乳化體系破壞后得到的各組蛋白溶液中Zeta電位具有顯著性差異(p<0.05),并且絕對值均高于乳化液中Zeta電位值,這說明肌肉蛋白溶液的穩(wěn)定性要高于原乳化液。
圖4 脂肪類型對乳化液Zeta電位的影響Fig.4 Effect of lipid types on Zeta potential of emulsion注:不同大小寫字母分別表示處理組之間乳化液和肌肉蛋白質(zhì)溶液的Zeta電位差異顯著(p<0.05)。
另外,乳化體系破壞后得到的豆油和背膘組中電位值的絕對值均大于60 mV,這說明豆油組和背膘組乳化體系破壞后得到的肌肉蛋白質(zhì)溶液的穩(wěn)定性較好。此外,從肌肉蛋白質(zhì)溶液的Zeta電位的變化趨勢可以看出,豆油組的Zeta電位絕對值最高,為97.40 mV,故說明豆油組乳化體系破壞后得到的肌肉蛋白質(zhì)溶液較穩(wěn)定,而黃油組乳化體系破壞后,肌肉蛋白溶液的Zeta電位的絕對值最低,僅為24.0 mV,較不穩(wěn)定。這種Zeta電位值的差異可能是由于不同油脂的結(jié)構(gòu)存在差異,因為在肌肉蛋白質(zhì)制備過程中,蛋白液的穩(wěn)定性和油脂在膜內(nèi)、外側(cè)的分布可能受到以下幾個因素控制:油脂的極性頭部的大小、油脂所帶的電荷、脂肪酸鏈在油水界面蛋白膜中的堆積[35]。
界面蛋白濃度是表征乳液穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一。一般而言,界面蛋白濃度越高,乳液就會越穩(wěn)定[36]。由表3可知,表面吸收蛋白總量(ΓT)表現(xiàn)為黃油組>豆油組 > 背膘組,同時單位界面膜吸收蛋白量(Γs)也表現(xiàn)為黃油組>豆油組>背膘組。這說明隨著蛋白含量的增加,黃油可以增加乳液中吸附至液滴界面的蛋白含量。此外還可以看出,由添加黃油的肉糜中提取出來的乳化層能夠顯著提高乳化層中脂肪微粒表面吸收蛋白總量(ΓT)和單位界面膜吸收蛋白量(Γs)(p<0.05),其中,ΓT可達到13.957 mg,Γs可達到11.330 mg/m2;而添加背膘的肉糜中提取出來的乳化層對其中脂肪微粒表面吸收蛋白總量和單位界面膜吸收蛋白量貢獻不大。這可能是因為乳化層中的黃油能夠較好的與鹽溶性蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用,使得大量的肌球蛋白或肌動蛋白包裹在脂肪微粒表面,形成一層比較厚的蛋白膜,從而提高了脂肪微粒表面吸收的蛋白總量和單位界面膜吸收的蛋白總量[27]。此外,從d3,2來看,豆油組的d3,2顯著低于另外兩組(p<0.05),這和乳化體系破壞后得到的脂肪微粒粒徑大小結(jié)果一致。
表3 脂肪類型對脂肪微粒表面吸收蛋白量(ΓT)和單位界面膜吸收蛋白量(Γs)的影響(x±s;n=3)Table 3 The effect of lipid types on absorption amount ofprotein (ΓT) on the lipid particles surface and unit interfacemembrane absorption amount of protein (Γs)(x±s ;n=3)
肌原纖維蛋白可分為3部分:肌球蛋白、肌動蛋白和其他起支持調(diào)控作用的蛋白[37]。在乳化肉糜體系中,蛋白質(zhì)分別與豆油、黃油和背膘發(fā)生乳化作用,由于乳化層中乳化體系的破壞,肌肉蛋白質(zhì)溶液中的蛋白質(zhì)組成成分如圖5所示??梢钥闯觯榛缑嫠降牡鞍追N類主要有12種。其中主要包括肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain,MHC)、C 蛋白(C-protein,)、α-肌動素(α-actinin)、肌間線蛋白(desmin)、肌動蛋白(actin)、肌鈣蛋白 T(troponin T)、原肌球蛋白(tropomyosin)、肌球蛋白輕鏈 1(myosin light chain 1)、肌鈣蛋白 I(troponin I)、肌鈣蛋白 C(troponin C)、肌球白輕鏈 2(myosin light chain 2),肌球白輕鏈 3(myosin light chain 3)等,這與邵俊花研究的乳化層中蛋白膜組份分析相似[38]。
M-標準蛋白Marker; SO-豆油;PF-背膘;DB-黃油圖5 不同脂肪吸附蛋白質(zhì)SDS-PAGE電泳圖Fig.5 SDS-PAGE of protein composition of fat/oilmembrane in emulsion layer
通過斬拌不同脂肪與豬背最長肌、食鹽等混合物得到乳化肉糜體系,并從中進一步提取乳化層,以乳化層為基點,研究發(fā)現(xiàn)脂肪類型對乳化層中蛋白膜形成具有一定的影響。其中肌肉蛋白質(zhì)能夠較好的乳化背膘和黃油,形成的蛋白膜能有效地阻止顆粒或液滴之間的接觸,改善乳化液的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。同時由乳化層微粒分布結(jié)果分析,再次驗證了蛋白質(zhì)能夠較好的乳化背膘和黃油,使得顆粒細微化。此外,當乳化體系破壞后,黃油可以提高脂肪吸收蛋白量,表明了黃油表面形成致密蛋白膜的能力較強,有利于增加黃油表面的蛋白吸附量,同時也有利于提高乳化液中的穩(wěn)定性。