魚明膠特性及改性對其品質(zhì)影響的研究進展

詹 麗，陳雪嵐

（江西師范大學生命科學學院, 江西南昌 330022）

明膠來源于膠原蛋白的部分水解，是一種無脂肪、高蛋白的天然大分子物質(zhì)。由于其獨特的功能和技術特性，被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品和照相等領域[1?4]?，F(xiàn)階段，大多數(shù)商業(yè)明膠來源于哺乳動物，主要包括豬或牛的皮膚和骨骼[1]。隨著“瘋牛病”、“口蹄役”等傳染性疾病的出現(xiàn)，哺乳動物明膠的安全性受到質(zhì)疑；此外，由于宗教信仰者的飲食習慣及明膠市場的原料短缺，哺乳動物明膠的應用亦受到限制[5]。因此，開發(fā)一種替代哺乳動物明膠的新型明膠原料越來越受到人們的關注。近年來，科研工作者對哺乳動物明膠替代品的研究主要包括魚明膠[6]、禽類明膠[7]、多糖熱可逆凝膠[2]等。其中，魚明膠的原料主要來源于魚類加工的副產(chǎn)品—皮、骨及鱗。這不僅減少了資源的浪費及環(huán)境污染，而且也滿足了一些特殊人群（宗教信仰者等）的需要；同時，魚明膠具有與哺乳動物明膠相似的功能特性，因此被認為是一種最具有潛力的哺乳動物明膠替代品[1,5]。

雖然魚明膠在20世紀60年代初已成為研究熱點，但魚明膠的品質(zhì)及其應用仍有很大的改善空間[8]。與哺乳動物明膠相比，魚明膠的凝膠性、乳化性和起泡性等功能特性相對較差，在一定程度上限制了魚明膠在食品、醫(yī)藥等領域的應用[1,4]。一般而言，魚明膠的凝膠強度和膠融溫度范圍分別在70~270 g和11~28 ℃，比哺乳動物明膠的凝膠強度（100~300 g）和膠融溫度（28~31 ℃）低[1,9]。越來越多的研究針對此問題采用不同的方法來修飾魚明膠，以改善魚明膠的品質(zhì)，從而擴大其應用范圍[10?11]。

本文對魚明膠的物理、化學和功能特性進行了概述，并對魚明膠的改性研究進行了總結(jié)，以期為科研工作者進一步探索改善魚明膠的品質(zhì)及擴大其應用的研究提供更多的見解。

1 魚明膠的物理、化學和功能特性

凝膠強度、粘度和膠融溫度是影響明膠品質(zhì)的重要特性[1]。這些性質(zhì)受許多因素的影響，如氨基酸組成、分子量分布、明膠濃度、凝膠成熟時間和溫度、pH等[1,3]。SHA等[2]對鳙魚魚鱗明膠組分進行了分析，指出高分子量的蛋白質(zhì)促進凝膠的生成，具有較高的凝膠強度。此外，越來越多的科研工作者對魚明膠的物理、化學和功能特性的研究產(chǎn)生了極大的興趣，尤其是凝膠特性[10,12?14]、乳化、起泡性[13,15?16]和成膜性[4,17?19]。

1.1 魚明膠的物理和化學特性

1.1.1 等電點 明膠的生產(chǎn)過程主要包括原料預處理、明膠提取、純化和干燥這三個階段[1]。根據(jù)膠原蛋白的預處理方式不同，將明膠分為兩種不同的類型：A型明膠和B型明膠。其中，A型明膠是通過酸處理產(chǎn)生的，幾乎不改變膠原蛋白的氨基酸組成；B型明膠是通過堿處理產(chǎn)生的，可將膠原蛋白中的酰胺類氨基酸（谷氨酰胺和天冬酰胺）轉(zhuǎn)化為酸性氨基酸[5]。由于明膠中氨基酸殘基組成的不同，導致A型明膠的等電點高于B型明膠的等電點。一般而言，酸處理產(chǎn)生的A型明膠的等電點在6.0~9.0之間，最適用于豬或魚皮中較少共價交聯(lián)的膠原蛋白；而堿處理產(chǎn)生的B型明膠的等電點在4.0~6.0之間，適用于牛皮中更復雜的膠原蛋白[20]。

魚明膠的等電點決定其凝膠強度，這很大程度上受pH的影響[9]。GUDMUNDSSON等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在pH6.0下制備的魚明膠比在pH2.5~3.0制備的魚明膠具有更高的凝膠強度。這是因為在pH2.5~3.0下制備的明膠聚合物帶正電荷，排斥力占優(yōu)勢，使聚合物彼此遠離；而在pH 6.0下制備的凝膠更接近明膠的等電點，此時明膠聚合物幾乎帶中性電荷，明膠趨向聚集，形成更緊密的凝膠網(wǎng)絡。

1.1.2 pH 明膠溶液的pH反映了萃取階段使用的化學處理方法[22]。pH直接影響魚明膠的凝膠性和粘度。HAUG等[23]發(fā)現(xiàn)在pH高于10.0或低于5.0時，魚明膠（A型明膠，等電點為7.8）的凝膠強度和粘度會下降，這可能是由于該條件下，明膠分子鏈中的電荷密度增加，阻礙分子鏈接觸并形成連接區(qū)的能力，從而降低其凝膠強度和粘度。ALFARO等[22]比較了羅非魚皮明膠（A型明膠）在pH5.0和8.0的粘度，發(fā)現(xiàn)在pH8.0時的粘度最低，這是因為該處pH接近魚明膠的等電點，導致蛋白質(zhì)組分之間發(fā)生更高的聚集，從而降低其粘度。此外，TABARESTANI等[24]研究了酸、堿濃度對虹鱒魚皮明膠理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在高酸、堿濃度下處理的明膠具有較高的凝膠強度和膠融溫度。這與明膠制備過程中產(chǎn)生的高分子量片段有關，高分子量的組分更有利于凝膠的生成，形成更穩(wěn)定的三螺旋結(jié)構(gòu)；同時，還發(fā)現(xiàn)酸、堿濃度與魚明膠的粘度存在協(xié)同作用，造成這種現(xiàn)象的原因可能是多肽鏈完全開放成隨機鏈和分子間流體動力學的相互作用。

1.1.3 氨基酸組成 魚明膠是在酸、堿、酶、高溫等條件下，由膠原蛋白部分水解形成的一種生物聚合物，主要由蛋白質(zhì)、水和無機鹽組成[9]。與哺乳動物膠原蛋白相比，魚類膠原蛋白在氨基酸的組成和含量上表現(xiàn)出較大的差異。一般來說，魚類膠原蛋白的亞氨基酸（脯氨酸和羥脯氨酸）含量低于哺乳動物膠原蛋白，這很大程度上決定其凝膠性的差異[1]。MUYONGA等[25]比較了不同明膠中脯氨酸和羥脯氨酸的含量，指出從哺乳動物中提取的明膠約含30%的亞氨基酸，而從溫水魚中提取的明膠含有22%~25%，冷水魚約為17%；同時也對比了它們的凝膠性，發(fā)現(xiàn)溫水魚魚明膠與哺乳動物明膠具有相似的的凝膠溫度和膠融溫度，且都高于冷水魚魚明膠，這可能與不同來源明膠的氨基酸含量有關。HAUG等[23]對魚類和哺乳動物明膠的凝膠性進行了類似的對比研究，發(fā)現(xiàn)哺乳動物明膠的凝膠溫度和膠融溫度都高于魚明膠，分析其原因可能是魚明膠中脯氨酸和羥脯氨酸含量較低，當其形成凝膠時，含較少的羥基與水形成氫鍵而影響其凝膠結(jié)構(gòu)。

1.1.4 分子量分布 除了氨基酸組成外，明膠的理化性質(zhì)還受分子量大小、結(jié)構(gòu)和鏈的比例影響。當膠原蛋白水解時，由于鏈間共價交聯(lián)的斷裂和部分鏈內(nèi)肽鏈的斷裂會產(chǎn)生不同質(zhì)量的分子，主要包括三種不同的組分：α鏈是一個聚合物鏈，分子量為80~125 kDa；β鏈由兩條α鏈通過共價鍵相互連接而成，分子量為160~250 kDa；γ鏈由三條α鏈通過共價鍵連接而成，分子量為240~375 kDa，這最接近膠原蛋白的分子大小[5]。這些鏈的分布會影響明膠的凝膠性。SHA等[2]認為鳙魚魚鱗明膠的凝膠強度與分子量的分布、α鏈和β鏈有關，α鏈含量越高，凝膠強度越大。SEZER等[26]對比了高靜水壓和超聲波處理魚明膠的凝膠性，發(fā)現(xiàn)超聲波處理的明膠具有較低的凝膠強度和膠融溫度，這是由于超聲波能使明膠的α鏈和β鏈發(fā)生水解，導致游離的氨基酸增加，從而降低凝膠強度和膠融溫度。此外，水解后的蛋白質(zhì)由不同狀態(tài)的蛋白質(zhì)片段（如固體和液體）組成，因此蛋白質(zhì)鏈將呈現(xiàn)不同的空間排列和交聯(lián)結(jié)構(gòu)[9]。

1.1.5 水分 商業(yè)明膠的含水量一般在9%~14%之間，明膠的含水量一定程度上決定明膠的應用[9]。汲聰玲等[27]分析了鰱魚魚皮明膠和牛皮明膠的基本成分，指出鰱魚魚皮明膠的水分含量（11.14%）與牛皮明膠（11.79%）相近，而蛋白質(zhì)含量（77.90%）略低于牛皮明膠（80.93%），其他各項指標（如脂肪）均符合明膠作為食品添加劑的標準。此外，從不同魚類品種中提取的明膠含水量存在顯著差異[28?29]。劉項等[30]和NAGARAJAN等[28]發(fā)現(xiàn)羅非魚皮明膠和魷魚魚皮明膠的含水量分別為6.9%~7.5%和8.63~11.09%，說明魷魚魚皮明膠中所含的自由水高于羅非魚皮明膠。CASANOVA等[29]比較了鱈魚魚皮明膠與商業(yè)明膠（來源冷水魚明膠）的含水量，發(fā)現(xiàn)鱈魚魚皮明膠含水量（4.81%~7.09%）遠低于商業(yè)明膠（11.73%）。沙小梅等[31]報道了不同pH下提取的鳙魚魚鱗明膠的含水量為3.88%~5.50%，符合食用明膠含水量指標（低于14%），且其蛋白質(zhì)含量均高于90%，可作為一種優(yōu)質(zhì)的食用明膠原料。

1.1.6 灰分含量 明膠的最大灰分含量不應超過2.6%，食用明膠的灰分含量在2.0%之內(nèi)；而高質(zhì)量明膠的灰分含量應小于0.5%[32]。灰分的含量影響明膠產(chǎn)品的質(zhì)量。如明膠中的CaSO4具有極好的澄清度，但在糖果配方中稀釋時，CaSO4會形成沉淀而影響產(chǎn)品的美觀及口感[9]。DUAN等[33]比較了魚明膠和牛明膠對啤酒澄清能力的影響，發(fā)現(xiàn)魚明膠對啤酒的澄清能力更強；但當濃度高于0.04%時，魚明膠的加入會增加啤酒的粘度，導致啤酒緩慢沉降和渾濁。因此，明膠作為澄清劑時，其濃度控制是關鍵。

此外，TKACZEWSKA等[32]發(fā)現(xiàn)使用鹽預處理方法獲得的魚明膠的灰分含量為1.91%，而使用酸/堿聯(lián)合預處理方法獲得的魚明膠的灰分含量為0.3%，后者處理方法能更有效的去除雜質(zhì)，產(chǎn)生高質(zhì)量明膠。NAGARAJAN等[28]指出在不同萃取溫度下獲得的魷魚魚皮明膠的灰分含量在0.17%~0.68%之間，均符合食用明膠標準。WANGTUEAI等[34]和CHO等[35]發(fā)現(xiàn)用堿預處理獲得的蜥蜴魚鱗明膠和鰩魚魚皮明膠的灰分含量分別為2.3%和1.4%，明膠灰分含量都超過高品質(zhì)明膠標準，在一定程度上限制了其在食品方面的應用。由此可知，可以通過改變明膠原料的來源、提取方式以獲得高質(zhì)量明膠。

1.1.7 顏色和濁度 明膠的顏色通常從淡黃色到深琥珀色，在一定程度上影響明膠產(chǎn)品的外觀，因此被認為是一個重要的商業(yè)屬性[9]。一般來說，令人滿意的明膠幾乎沒有顏色。WANGTUEAI等[34]對比了魚明膠和牛明膠的顏色差異，指出牛明膠的亮度和黃度都高于魚明膠，而紅度沒有顯著差異。黃濤[36]研究了明膠對酸奶的影響，發(fā)現(xiàn)魚明膠和牛明膠的加入幾乎不改變酸奶的外觀顏色，但可以改善酸奶的粘度和持水力。HUANG等[37]將魚明膠制成的乳液應用于咖啡飲品中，發(fā)現(xiàn)魚明膠乳液可以增加咖啡的亮度和黃度，賦予明膠-咖啡復合溶液黃色色調(diào)，可替代牛奶作為咖啡飲品的增白劑。

明膠溶液的濁度也是一個重要屬性[9]。KOLI等[38]指出明膠的渾濁和深色通常與其提取過程中引入或未除去的無機鹽、蛋白質(zhì)和粘液等污染物有關。此外，蛋白質(zhì)溶液在接近等電點時，具有最大的濁度[39]。ZHANG等[15]發(fā)現(xiàn)明膠溶液的pH接近等電點時，明膠分子趨向聚集，導致濁度增大；與此同時，明膠分子間的相互作用也增加，能形成更致密的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而增大其凝膠強度。

1.2 魚明膠的功能特性

1.2.1 魚明膠的凝膠特性 與哺乳動物明膠相比，魚明膠的凝膠性較差，導致其應用范圍受到限制[22,40]。魚明膠通常表現(xiàn)出較低的凝膠強度、凝膠溫度和膠融溫度[9,13]。

凝膠性是明膠的一個重要特性，它決定明膠產(chǎn)品的質(zhì)量。凝膠性受多種因素影響，大體分為內(nèi)因（明膠中的氨基酸組成、分子量大小和α/β鏈比值等）和外因（魚明膠的來源、凝膠溶液濃度、反應溫度和pH等）[41?42]。對不同種類的魚明膠的凝膠強度進行分析，發(fā)現(xiàn)其凝膠強度差異較大。冷水魚魚明膠的凝膠強度通常在100 g左右，而溫水魚魚明膠的凝膠強度一般高于200 g，這與不同種類魚的生活環(huán)境及其膠原蛋白中的亞氨基酸含量有關[1]。HAUG等[23]發(fā)現(xiàn)較高的離子強度導致凝膠溫度和膠融溫度降低，這可能是靜電相互作用減少的結(jié)果，從而降低了離子鏈間橋接的能力。KITTIPHATTANABAWON等[43]研究了不同萃取溫度和時間對關刀魚皮明膠凝膠性的影響，發(fā)現(xiàn)凝膠強度、凝膠溫度和膠融溫度隨提取溫度和時間的增加而降低，這是由于高溫提取直接導致明膠成分（α鏈、β鏈和γ鏈）降解，破壞了膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，從而降低其凝膠性[44]。SOUSA等[45]也觀察到高溫和長時間提取可以降低魚明膠的凝膠性，這與在苛刻的提取條件下低分子量片段的形成及明膠結(jié)構(gòu)的變化有關。

1.2.2 魚明膠的乳化性和起泡性 魚明膠具有表面活性，由于其親水基團和疏水基團的相互作用，賦予明膠乳化和起泡性能，使其在食品、醫(yī)藥和化妝品等領域的應用中得到很大的擴展[33,38]。明膠乳液的穩(wěn)定性受多種因素的影響，主要包括原料來源、萃取條件、明膠分子量及表觀粘度。一般來說，魚明膠的乳化性低于牛和豬明膠，這可能與不同來源明膠的固有性質(zhì)、組成和構(gòu)象有關[46]。AHMAD等[47]研究發(fā)現(xiàn)魚明膠的乳化性隨其濃度的增加而增加，當明膠濃度為3%時，觀察到明膠乳液的穩(wěn)定性隨提取時間的延長而降低。這歸因于高濃度的明膠有助于界面上吸附更多的蛋白質(zhì)，從而增加蛋白質(zhì)與油脂之間的靜電排斥力；同時，長時間的提取會增加膠原蛋白的降解程度，導致低分子量的肽鏈（親水性更強）增加，在乳化過程中不利于微細液滴的形成和穩(wěn)定。此外，乳液的穩(wěn)定性還受膠質(zhì)表觀粘度的影響。乳液粘度的增加會阻礙油滴的自由運動和聚集，從而延遲乳化、絮凝和聚結(jié)[48]。

泡沫通常是由明膠蛋白在空氣/水界面形成蛋白薄膜并使氣體進入而形成的，它受蛋白質(zhì)分子在不同相間的運輸、滲透和重組控制[49]。明膠起泡性的品質(zhì)取決于泡沫形成能力和泡沫穩(wěn)定性。明膠的泡沫形成能力與蛋白質(zhì)來源、蛋白質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)、蛋白質(zhì)組成和溶液構(gòu)象有關[16,50]；泡沫穩(wěn)定性通常與肽的分子量呈正相關；此外，它還取決于蛋白質(zhì)薄膜的性質(zhì)[16,51]。DUAN等[52]指出斑點叉尾鮰魚皮明膠的泡沫形成能力和泡沫穩(wěn)定性都高于牛明膠，這與不同明膠的內(nèi)在性質(zhì)和明膠多肽鏈的不同降解程度有關。LIU等[53]發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，大馬哈魚皮明膠的泡沫膨脹和穩(wěn)定性增加，這是因為在高溫條件下增加了膠原蛋白的降解程度，產(chǎn)生的小分子量的肽能快速遷移到氣液界面，并迅速展開和重排。

1.2.3 魚明膠的成膜特性 魚明膠具有良好的成膜性，可獲得透明、易溶解和高度可伸展的薄膜。由于其良好的成膜能力，在食品應用（如食品保鮮膜等）的行業(yè)中越來越受到關注[54?58]。然而，與牛或豬明膠膜相比，魚明膠膜表現(xiàn)出較低的水蒸氣透過率和抗拉伸強度[18,25]。MUYONGA等[25]對比了尼羅河鱸魚魚骨和魚皮明膠制備的膜性能，指出鱸魚魚皮明膠膜具有較高的拉伸強度和斷裂延伸率。這可能是由于鱸魚魚骨明膠生產(chǎn)過程中發(fā)生更多的肽鍵斷裂而產(chǎn)生較多的低分子量肽（分子量小于α鏈），從而形成較為疏松的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。AVENA-BUSTILLOS等[59]比較了不同來源明膠膜的水蒸氣透過率，發(fā)現(xiàn)冷水魚明膠膜的水蒸氣透過率顯著地低于溫水魚明膠膜和哺乳動物明膠膜，這可能與它們的疏水性有關，冷水魚明膠中脯氨酸和羥脯氨酸含量較低，導致它們的疏水性增強。此外，NURHANANI等[60]研究了不同濃度的牛肉、豬肉和魚皮明膠制備的膜性能，發(fā)現(xiàn)所有明膠膜都具有良好的抗氧化活性，而高濃度明膠制備的膜具有較大的斷裂延伸率和拉伸強度；同時，與其他明膠膜相比，魚皮明膠制成的膜在所有濃度下的水蒸氣透過率都最低。歸其原因可能是魚明膠中的亞氨基酸含量較低而增加其疏水性，當使用高濃度明膠時，所有明膠分子間的相互作用增強，從而形成更致密的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

2 魚明膠的改性研究

目前，魚明膠是哺乳動物明膠替代品的最佳選擇，但由于魚明膠的凝膠性和流變學特性較差，極大的限制了魚明膠在食品、醫(yī)藥等領域的應用。因此，改善魚明膠的功能特性受到關注。以下概述了幾類用于魚明膠改性的物質(zhì)，如酶、電解質(zhì)和非電解質(zhì)、酚類、醛類、磷酸化等對魚明膠的改性研究。

2.1 酶對魚明膠的改性研究

谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（microbialtransglutaminase，MTGase）可用于蛋白質(zhì)的修飾以改變其功能特性。它能催化蛋白質(zhì)中谷氨酰胺殘基的γ-酰胺基和賴氨酸殘基的ε-氨基交聯(lián)形成共價鍵而形成穩(wěn)定的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，進而影響其功能特性。相對于其他修飾蛋白質(zhì)的酶（酪氨酸酶和蟲漆酶），MTGase價格相對低廉且高效，被廣泛的應用于魚明膠的修飾[61?63]。

MTGase對魚明膠的作用效率取決于魚明膠的來源、酶濃度和培養(yǎng)溫度。JONGIAREONRAK等[61]對MTGase處理的縱帶笛鯛魚和大眼鯛魚的魚皮明膠的凝膠強度進行分析，發(fā)現(xiàn)MTGase都能提高魚明膠的凝膠強度，但縱帶笛鯛魚皮明膠的凝膠強度（218.6 g）大于大眼鯛魚皮明膠（105.7 g）。這是由于MTGase能與明膠發(fā)生交聯(lián)而形成更致密的凝膠網(wǎng)絡，而在大眼鯛魚皮明膠中，由于其亞氨基酸含量較低，有較少的羥基與水形成氫鍵而降低其螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時，大眼鯛魚皮明膠在提取過程中膠原蛋白降解程度更高，產(chǎn)生更多的低分子量肽（低于α鏈），從而導致其凝膠強度低于縱帶笛鯛魚皮明膠。然而，WANGTUEAI等[62]發(fā)現(xiàn)高濃度的MTGase會使魚明膠中的氨基酸過度交聯(lián)，影響凝膠網(wǎng)絡的形成，從而降低其凝膠強度和硬度。MOHTAR等[63]研究表明在37 ℃下，加入3.33 mg/g MTGase反應30 min所制備的藍尖尾無須鱈魚皮明膠具有最佳的凝膠強度和膠融溫度。

此外，科研工作者發(fā)現(xiàn)利用酶與多糖的協(xié)同效應來改性魚明膠以提高體系的穩(wěn)定性，從而改善魚明膠的流變學特性。HUANG等[40]用不同濃度果膠（0.1%、0.2%、0.4%、0.8%和 1.6%）和已知濃度MTGase（0.06%）復合物來改性鳙魚魚鱗明膠，發(fā)現(xiàn)果膠濃度為0.8%時，改性的魚明膠的凝膠強度和膠融溫度最高，這是因為適量的果膠會與明膠發(fā)生靜電相互作用而形成復合凝膠，從而改變蛋白質(zhì)的聚集；MTGase可以催化果膠上的氨基與魚明膠中的羧基發(fā)生共價交聯(lián)而穩(wěn)定凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而提高魚明膠的熱穩(wěn)定性。

2.2 電解質(zhì)和非電解質(zhì)對魚明膠的改性研究

電解質(zhì)和非電解質(zhì)也被廣泛地應用于魚明膠的改性中。鹽類是一種常見的電解質(zhì)，可以通過改變體系的靜電力及鹽橋的形成來改善魚明膠的流變學特性。研究表明，鹽對魚明膠流變學特性的影響取決于體系中鹽的種類、離子強度和pH[1,30]。KARAYANNAKIDIS等[64]比較了三種鹽溶液（CaCl2、MgCl2和 NaH2PO4）對黃鰭金槍魚皮明膠流變學特性的影響，發(fā)現(xiàn)NaH2PO4對魚明膠的凝膠增強效果最好，在濃度為0.3和0.5 mol/L時具有最大的凝膠強度；而在相應的濃度下，CaCl2的凝膠溶液的粘度最高；此外，CaCl2和MgCl2在較高濃度下，魚明膠的凝膠強度會顯著降低，究其原因可能是在高濃度下，它們對水的親和力增加，從而破壞凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。ALFARO等[22]發(fā)現(xiàn)在pH為 5.0和 8.0時，MgSO4都可以增加魚明膠的凝膠強度，但在pH為5.0時所需的凝結(jié)時間較短，造成這種差異的原因可能是接近等電點能使蛋白質(zhì)組分之間的聚集性增強，從而在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象。

甘油和多糖等非電解質(zhì)可以通過改變體系的靜電相互作用和氫鍵的穩(wěn)定性來影響魚明膠的凝膠性。ALFARO等[22]發(fā)現(xiàn)添加甘油后的羅非魚皮明膠的粘度增加，這可能是由于明膠分子周圍水排列的改變，導致氫鍵的斷裂/形成和蛋白質(zhì)鏈疏水位點的暴露，這些改變使其構(gòu)象變化，導致明膠鏈的急劇展開，從而使其粘度增加。HUANG等[10]指出適量的果膠修飾能增加羅非魚皮明膠的凝膠強度、膠融溫度和粘度，這是因為果膠能與魚明膠發(fā)生靜電相互作用形成復合凝膠，增強凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。SOW等[12]發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉濃度在0.05%~0.4%范圍內(nèi)，羅非魚皮明膠的凝膠強度和硬度隨其濃度的增加而增加。歸其原因可能是低濃度的海藻酸鈉能通過靜電相互作用與魚明膠形成復合凝膠，增強凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，當濃度進一步增加時，海藻酸鈉原纖維能形成聚集體，它與魚明膠-海藻酸鈉復合凝膠共同作用，形成一個更復雜的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

PETCHARAT等[65]研究發(fā)現(xiàn)隨著CaCl2和結(jié)冷膠（一種胞外多糖）濃度的增加，魚明膠的凝膠溫度和膠融溫度都升高。分析原因可能是結(jié)冷膠與魚明膠發(fā)生相互作用，形成“異質(zhì)結(jié)合區(qū)”，從而穩(wěn)定凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；在Ca2+加入后，通過形成鈣橋，使結(jié)冷膠與魚明膠進一步聚集形成三維的凝膠網(wǎng)絡。SOW等[11]也發(fā)現(xiàn)CaCl2和結(jié)冷膠的共同修飾能改善魚明膠的凝膠強度、硬度和膠融溫度。這表明鹽與多糖在改性魚明膠方面具有協(xié)同效應。

2.3 酚類物質(zhì)對魚明膠的改性研究

酚類化合物可通過與魚明膠相互作用來改善其功能特性。YAN等[66]研究表明蘆丁和沒食子酸都能增大魚明膠的凝膠強度和彈性模量；但沒食子酸濃度過量時，魚明膠的凝膠強度會隨著其濃度的增加而降低。這是因為當與蛋白質(zhì)分子相互作用的多酚分子數(shù)量達到臨界值時，蛋白質(zhì)可以被多酚沉淀，從而降低凝膠強度。BALANGE等[67]分析了不同氧化酚類化合物對大眼鯛魚魚糜凝膠的影響，指出在堿性條件下，酚類化合物可以被氧化成氧化多酚，能與明膠中的氨基酸（如半胱氨酸、組氨酸）發(fā)生共價交聯(lián)反應，形成致密的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；但當氧化酚類化合物濃度達到一個臨界值后，魚糜凝膠的斷裂力和形變隨其濃度的進一步增加而降低，這可能與氧化酚類化合物的自聚集有關，導致與蛋白質(zhì)交聯(lián)能力的喪失。

酚類化合物修飾的魚明膠還可以改善其乳化性和抗氧化活性。AEWSIRI等[46]比較了不同氧化酚類化合物（阿魏酸、咖啡酸和單寧酸）修飾魚明膠的抗氧化活性和乳化性能，發(fā)現(xiàn)它們都能增加魚明膠的抗氧化活性，但表面疏水性降低；其中，5%氧化單寧酸改性的明膠乳化性沒有顯著性變化。AEWSIRI等[68]進一步比較了兩種不同形式的單寧酸（氧化和非氧化）對魚明膠的抗氧化活性和乳化性能的影響，結(jié)果表明非氧化單寧酸（通過非共價鍵交聯(lián)）在提高魚明膠的抗氧化活性上更具有優(yōu)勢，而氧化單寧酸（通過共價鍵交聯(lián)）改性的明膠乳液具有更高的穩(wěn)定性。這主要是因為非氧化單寧酸改性的魚明膠具有更高的DPPH自由基清除活性，而氧化單寧酸改性的魚明膠能在油水界面上迅速地展開形成穩(wěn)定的薄膜，同時能有效的抑制水包油乳液的脂質(zhì)氧化。

此外，多酚化合物還可以通過與明膠-多糖復合體交聯(lián)來改善魚明膠的功能特性。ANVARI等[69]分析了氧化和非氧化單寧酸對魚明膠-阿拉伯膠復合體系的流變學特性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)非氧化單寧酸處理的魚明膠-阿拉伯膠復合體（通過氫鍵交聯(lián)）比氧化單寧酸處理的魚明膠-阿拉伯膠復合體（通過共價鍵交聯(lián)）具有更穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和更強的分子間連接性。這是因為通過氫鍵交聯(lián)的非氧化單寧酸的結(jié)合能力比通過共價鍵交聯(lián)的氧化單寧酸的結(jié)合能力強，非氧化單寧酸通過氫鍵與蛋白質(zhì)交聯(lián)而破化魚明膠-阿拉伯膠之間的靜電相互作用，從而使分子結(jié)合的構(gòu)象排序和重排的靈活性降低，導致蛋白質(zhì)間大量的分子內(nèi)或分子間結(jié)合。

2.4 醛類物質(zhì)對魚明膠的改性研究

醛類物質(zhì)是一種常見的蛋白質(zhì)交聯(lián)劑，可以通過增加交聯(lián)度來改善明膠的熱穩(wěn)定性、溶解度等。甲醛、乙二醛和戊二醛可以通過共價鍵與明膠分子鏈中的氨基酸殘基（賴氨酸、半胱氨酸和組氨酸）發(fā)生反應，從而提高明膠的機械強度和熱穩(wěn)定性。TIAN等[70]發(fā)現(xiàn)當戊二醛加入膠原蛋白中，會與蛋白質(zhì)中的氨基酸殘基形成共價交聯(lián)，使膠原纖維的排列更加致密，從而提高膠原蛋白的凝膠強度和熱變性溫度。此外，這些醛類物質(zhì)還可以用于改善明膠膜的特性，如機械強度、溶解度和水蒸氣透過率。DECARVALHO等[71]對比了MTGase、甲醛和乙二醛的加入對明膠膜的影響，發(fā)現(xiàn)它們都能提高明膠膜的機械強度，并降低其溶解度和水蒸氣透過率；其中，酶處理的膜的水蒸氣透過率降低最大，而化學處理的膜具有更高的熱穩(wěn)定性。這是由于酶和化學處理都增加了明膠膜的交聯(lián)度，從而形成了更大的分子量片段，降低了膜的溶解度；同時，交聯(lián)劑的引入導致聚合物基質(zhì)的網(wǎng)狀化，降低了體系的自由體積，導致膜的水蒸氣透過率降低。

由于甲醛、乙二醛和戊二醛具有毒性，這使其在蛋白質(zhì)交聯(lián)中的應用受到限制。天然的蛋白質(zhì)交聯(lián)劑京尼平和無毒性的對苯二甲醛可作為新型的交聯(lián)劑應用于明膠的研究中。MOHTAR等[72]比較了京尼平、戊二醛和咖啡酸對長尾鱈魚皮明膠凝膠性的影響，發(fā)現(xiàn)它們都能提高魚明膠的凝膠強度和膠融溫度，但戊二醛的增強效果最顯著。這歸因于它們與明膠分子鏈發(fā)生共價交聯(lián)，形成致密的三螺旋結(jié)構(gòu)；而戊二醛通過共價鍵能與明膠分子發(fā)生縮合反應以形成長距離的橋，導致大分子量化合物的生成，從而促進凝膠的形成。BISCARAT等[73]用對苯二甲醛改性明膠并制備了明膠膜，發(fā)現(xiàn)對苯二甲醛的加入可以改善明膠膜的機械性能，同時降低其溶解度和水蒸氣透過率。

醛類化合物還可以與其他物質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖）共同修飾魚明膠，以此來改善其功能特性。FAN等[74]發(fā)現(xiàn)戊二醛的加入能改善鮭魚魚皮明膠-玉米醇溶蛋白復合膜的透明度、耐水性和機械強度。究其原因是明膠和玉米醇溶蛋白分子之間的不相容性產(chǎn)生了一個組織較少的膜網(wǎng)絡，導致較高的不透明度；而戊二醛的引入會產(chǎn)生交聯(lián)的明膠-玉米醇溶蛋白膜，形成緊密連接的三維網(wǎng)絡，這降低了聚合物鏈的流動性并減少了膜基質(zhì)中的自由體積。CUI等[75]對京尼平交聯(lián)殼聚糖-明膠復合體的凝膠性影響發(fā)現(xiàn)，殼聚糖和明膠上的游離氨基均與京尼平發(fā)生交聯(lián)反應，形成聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且京尼平濃度越高，交聯(lián)反應發(fā)生率越高，而交聯(lián)度的增加會導致聚合物網(wǎng)絡密度增加，這限制了聚合物鏈的流動性，使復合體凝膠的溶脹率降低。因此，對醛類物質(zhì)的使用量要進行摸索，以獲得最佳的改性。

2.5 磷酸化對魚明膠的改性研究

磷酸化是改善蛋白質(zhì)功能特性的一種有效方法，它主要發(fā)生在酪氨酸、絲氨酸和蘇氨酸殘基側(cè)鏈的羥基上。磷酸化試劑通過磷酸化發(fā)應附著在蛋白質(zhì)的氨基酸殘基上，以此來改善蛋白質(zhì)的功能特性。

KAEWRUANG等[76]研究了在預處理和提取過程中，分別加入不同濃度的三聚磷酸鈉對獨角獸魚皮明膠的凝膠性，發(fā)現(xiàn)0.2%的三聚磷酸鈉預處理和0.08%的三聚磷酸鈉提取所獲得的魚明膠具有最高的凝膠強度，當濃度進一步升高時，其凝膠強度會下降。這是由于磷酸基團與明膠分子鏈中的氨基酸殘基發(fā)生磷酸化反應，使之附著在明膠分子上，促進了凝膠的生成；當磷酸基團過量時，會增加蛋白質(zhì)分子間的靜電排斥，從而降低其凝膠強度。KAEWRUANG等[77]再次利用三聚磷酸鈉磷酸化獨角獸魚皮明膠，發(fā)現(xiàn)在溶液pH為9.0、三聚磷酸鈉（0.25%）磷酸化1 h所得的魚明膠具有最高的凝膠強度。該現(xiàn)象可以解釋為在堿性條件下，適量的磷酸基團（帶負電荷）可以通過離子相互作用增強與帶正電荷的相鄰明膠鏈的聚集，從而增強其凝膠強度；但隨著反應時間的延長，磷酸化的明膠鏈可能發(fā)生聚集形成更大的束，不利于形成更精細和均勻的凝膠網(wǎng)絡。由此可知，通過改變磷酸鹽濃度、反應時間和pH可以改善魚明膠的凝膠特性。

魚明膠的磷酸化還可以改善其乳化性能。HUANG等[13]研究了三偏磷酸鈉磷酸化魚明膠的凝膠性、流變學特性和乳化性能，發(fā)現(xiàn)磷酸化會降低魚明膠的表觀粘度，這可能是由于磷酸基團的附著可以改變蛋白質(zhì)分子的表面電荷，減少了蛋白質(zhì)分子間的相互作用；同時，短時間的磷酸化可以增強魚明膠的凝膠強度和膠融溫度，而長時間的磷酸化可以穩(wěn)定明膠乳液，并賦予乳液較小的粒徑。這歸因于短時間的磷酸化提供適當水平的磷酸基團，通過離子相互作用與明膠分子中的氨基酸殘基發(fā)生反應，促進凝膠的生成；而長時間的磷酸化增加了液滴之間靜電排斥，阻止了乳液液滴的聚集。

磷酸化的魚明膠還可以結(jié)合其他物質(zhì)（鹽、蛋白質(zhì)）來改善其凝膠性。KAEWRUANG等[78]對比了ZnCl2、CaCl2和牛明膠對磷酸化的魚明膠凝膠強度的影響，指出ZnCl2和CaCl2在一定濃度條件下，魚明膠的凝膠強度隨其濃度的增加而增加，且CaCl2的增強效果更顯著，這是因為二價陽離子可以作為帶負電荷的殘基（磷酸基團和羧基）之間的橋梁，增強了明膠分子鏈間的相互作用，從而增強凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；此外，牛明膠-磷酸化魚明膠復合凝膠的凝膠強度隨磷酸化魚明膠濃度的增加而降低，這可能與明膠中的亞氨基酸含量、蛋白質(zhì)鏈聚集的鏈長和反應基團有關。

3 結(jié)論和展望

魚明膠是目前公認的最具有潛力的哺乳動物明膠替代品，但其次優(yōu)的功能特性限制其在食品、醫(yī)藥等領域的應用。針對這一問題，本文闡述了近年來關于魚明膠的改性研究：MTGase修飾和靜電法（電解質(zhì)和非電解質(zhì)）都能顯著的改善魚明膠的凝膠性和流變學特性，但在較高的濃度下，它們會影響凝膠的生成，導致凝膠強度和膠融溫度下降；然而，MTGase或鹽修飾魚明膠-多糖復合體系，其凝膠性和流變學特性能進一步得到改善，使之更接近甚至優(yōu)于哺乳動物明膠。酚類和醛類物質(zhì)也廣泛地應用于魚明膠的改性中，能顯著地提高魚明膠的凝膠性和熱穩(wěn)定性；同時，酚類和醛類物質(zhì)常應用于明膠膜的制備，能有效地改善明膠膜的機械性能和水蒸氣透過率，但由于甲醛、戊二醛等交聯(lián)劑有毒，在一定范圍內(nèi)限制了其應用。而相比于上述改性魚明膠的物質(zhì)，磷酸化改性魚明膠的研究相對較少。磷酸化也能有效地改善魚明膠的凝膠性和乳化性能，但效率太低；且長時間的磷酸化不利于凝膠的形成。

綜上可知，雖然采用不同的修飾方法可以改善魚明膠的功能特性，但仍存在一些問題需要進一步探索和解決。如不同修飾方法改性魚明膠的作用機理仍需深入研究；酶法、靜電法改性魚明膠的乳化、起泡性仍待進一步探索；以及改性后的魚明膠產(chǎn)品是否會對人體產(chǎn)生潛在的危害等。因此，未來需要更多的技術研究來推進明膠改性。譬如，利用生物質(zhì)譜技術對魚明膠的修飾位點進行鑒定，分析其功能特性與分子修飾水平的相關性，并借助分子修飾水平調(diào)控來開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的魚明膠產(chǎn)品。本實驗室正嘗試利用分子生物學手段高表達脯氨酸羥基化酶，并用于魚明膠的修飾，以獲得與哺乳動物明膠相似或更勝的品質(zhì)，使魚明膠的應用邁向更廣闊的領域。