羥丙基木薯淀粉對南極磷蝦混合蝦糜3D打印特性及凝膠特性的影響

劉瑩，傅寶尚，姜鵬飛，劉欣，于波，董秀萍，尚珊*，祁立波*

1(大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，國家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連，116034) 2(遼漁集團(tuán)有限公司，遼寧 大連，116000)

南極磷蝦是一種形似蝦的海洋甲殼類動物，與其他無脊椎動物的肌肉相似，南極磷蝦的肌原纖維蛋白占總蛋白的60%，關(guān)于南極磷蝦的研究主要集中在蛋白質(zhì)提取方面，然而，由于其內(nèi)源性蛋白酶活性較高，極易自溶導(dǎo)致凝膠特性差、質(zhì)地粗糙和持水力低等現(xiàn)象[1-2]。凝膠的形成主要與肌肉來源類型，蛋白含量和離子強(qiáng)度等有關(guān)[3]。肉糜制品的彈性取決于其凝膠特性，但如果沒有功能性添加劑(蛋白酶抑制劑、增稠劑)，南極磷蝦蛋白通常不能形成凝膠[4]。南美白對蝦(Litopenaeusvannamei)是西半球的主要蝦種，研究表明南美白對蝦糜凝膠比其他魚類魚糜具有更高的交聯(lián)度、彈性和硬度，其微觀結(jié)構(gòu)相對致密[5]。因此，在保留南極磷蝦風(fēng)味并充分利用肌肉組織的同時，提高其凝膠性能是一個亟需解決的問題。

淀粉或變性淀粉是糜類制品加工中最常見的添加劑，它們可以降低成本提高魚糜產(chǎn)品的質(zhì)量，與天然淀粉相比，變性淀粉通常具有更高的溶脹能力和溶解度[6]。羥丙基木薯淀粉(hydroxypropyl cassava starch，HCS)是原淀粉經(jīng)醚化而成的變性淀粉，含有親水的羥丙基基團(tuán)，在吸水過程中會阻礙自身的交聯(lián)，提高水合能力，在凝膠形成過程中，淀粉糊化吸水膨脹填充在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，使凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，以增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度[7]。研究表明淀粉能夠增加肉糜的彈性模量(G′)提高產(chǎn)品的硬度和彈性，然而過量的淀粉會影響魚糜凝膠形成，降低凝膠強(qiáng)度[7-10]。

目前，關(guān)于羥丙基木薯淀粉對南極磷蝦糜凝膠特性和分子間作用力影響的研究較少。因此，本文以未漂洗的南極磷蝦和南美白對蝦為原料，研究添加不同比例的羥丙基木薯淀粉對南極磷蝦混合蝦糜3D打印特性、凝膠強(qiáng)度、質(zhì)構(gòu)特性、持水性、流變學(xué)特性、水分分布特性、分子間作用力、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)的影響，確定HCS最適添加量，為南極磷蝦糜制品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍南極磷蝦、南美白對蝦，遼漁集團(tuán)；羥丙基木薯淀粉，蘇州高峰；食鹽，大連市山姆會員店；溴化鉀，國藥集團(tuán)；戊二醛固定液(2.5%)，雷根生物；無水乙醇，天津科密歐試劑有限公司；尿素，生工生物工程有限公司；NaCl、β-巰基乙醇，天津大茂化學(xué)試劑廠；Bradford蛋白濃度測定試劑盒，上海碧云天生物技術(shù)有限公司。

SD-JR53絞肉器，佛山三的電器制造有限公司；3D打印機(jī)，上海富奇凡科技有限公司；TA.XT.plus質(zhì)構(gòu)儀，英國SMS公司；XHF-DY高速分散器，寧波新芝生物科技有限公司；DHR-2流變儀，上海TA儀器有限責(zé)任公司；MesoQMR23-060H核磁共振分析儀、Frontier傅里葉變換紅外光譜儀，日本鉑金埃爾默儀器有限公司；CP100 NX高速冷凍離心機(jī)、SU8010冷場發(fā)射掃描電鏡，株式會社日立制作所；K850二氧化碳超臨界干燥儀，南京覃思科技有限公司；LC-1.0冷凍干燥機(jī)，沈陽航空信陽速凍廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混合蝦糜及凝膠制備

1.2.1.1 混合蝦糜

冷凍的南美白對蝦、南極磷蝦于4 ℃下解凍。按照南極磷蝦∶南美白對蝦=1∶1(質(zhì)量比)稱重，添加食鹽(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%)，用絞肉機(jī)斬拌10 min，分別加入蝦糜總質(zhì)量0%，0.5%，1%，2%，4%的羥丙基木薯淀粉繼續(xù)斬拌3 min，調(diào)節(jié)水分含量至80%左右。控制整個流程溫度低于4 ℃，混合蝦糜過40目篩，立即用于3D打印。

1.2.1.2 混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠制備

取1.2.1.1制備好的混合蝦糜灌入柱狀PC管(長×寬×高=25 mm×25 mm×30 mm)，保鮮膜包裹，參考LUO等[7]的方法采用二段式加熱的方法，于40 ℃加熱60 min；90 ℃加熱30 min后，置于冰水冷卻20 min， 4 ℃冰箱過夜儲藏。

1.2.2 3D打印

將1.2.1.1制備好的混合蝦糜導(dǎo)入到3D打印機(jī)的進(jìn)料筒中，選擇打印圖形(圓柱，直徑25 mm，高20 mm)，設(shè)置噴嘴直徑為1 mm，打印速度為15 mm/s，平臺移動速度為20 mm/s，打印溫度為25 ℃[10]。

1.2.3 凝膠強(qiáng)度測定

將室溫平衡30 min后的熱誘導(dǎo)凝膠切成高30 mm的圓柱，用質(zhì)構(gòu)儀的P/5S球形金屬探頭測定其凝膠強(qiáng)度。測試前后速度1 mm/s，測試速度1 mm/s，時間30 s，穿刺比50%，觸發(fā)力5 g。記錄破裂力和破裂距離[9]。凝膠強(qiáng)度計算如公式(1)所示：

凝膠強(qiáng)度/(g·mm)=破裂力(g)×破裂距離(mm)

(1)

1.2.4 全質(zhì)構(gòu)測定

樣品前處理同1.2.3。用質(zhì)構(gòu)儀的P/50圓柱形探頭測試其質(zhì)構(gòu)特性，測試前后速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，連續(xù)2次下壓，形變量50%，觸發(fā)力5 g[9]。

1.2.5 持水力和水分分布測定

將熱誘導(dǎo)凝膠切成質(zhì)量2 g左右的段，每段精確稱重m0，用3層濾紙包裹后離心(4 000 r/min，20 min)。離心后迅速取出樣品, 用濾紙吸干表面水分，立刻稱重m1。樣品的持水力按公式(2)計算[2]。

(2)

將熱誘導(dǎo)凝膠切成(2 cm×2 cm×2 cm)左右的柱體，將表面的水吸干，用聚乙烯薄膜包裹后置于32 ℃永磁場的射頻線圈中心,使用CPMG脈沖序列測定樣品的自旋-自旋弛豫時間(T2)。測試參數(shù)：采樣頻率200 kHz，模擬增益=20，90°脈沖=22 μs，數(shù)字增益=2，重復(fù)采樣等待時間3 000 ms，累加次數(shù)8,180°脈沖=43.04 μs，回波時間0.5 ms，回波個數(shù)3 000。測試結(jié)束對數(shù)據(jù)進(jìn)行反衍[7]。

1.2.6 流變學(xué)性質(zhì)測定

1.2.6.1 頻率掃描

采用流變儀測定混合蝦糜及熱誘導(dǎo)凝膠的流變學(xué)性質(zhì)。測試參數(shù)：直徑40 mm及20 mm平行板，測試溫度25 ℃，應(yīng)變?yōu)?.5%，兩板間隙1 mm。在頻率0.1～70 Hz內(nèi)進(jìn)行振蕩掃描。測定掃描頻率與樣品彈性模量(G′)、黏性模量(G″)之間的關(guān)系[10]。

1.2.6.2 溫度掃描

制備的混合蝦糜置于DHR-2流變儀平臺上在振蕩模式，線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行溫度掃描。測試參數(shù)：直徑40 mm平行板，頻率為1 Hz，應(yīng)變?yōu)?.5%，兩板間隙1 mm，溫度20～90 ℃，升溫速率5 ℃/min。

1.2.7 化學(xué)作用力測定

準(zhǔn)確稱取蝦糜凝膠樣品(2.0 g)，分別加入10 mL 0.05 mol/L NaCl溶液(S0)，0.6 mol/L NaCl溶液(S1)，0.6 mol/L NaCl溶液+1.5 mol/L 尿素(S2)，0.6 mol/L NaCl溶液+8 mol/L尿素(S3)，0.6 mol/L NaCl溶液+8 mol/L尿素+0.6 mol/L β-巰基乙醇(S4)，采用高速分散機(jī)勻漿(10 000 r/min，1 min)，4 ℃冰箱靜置提取1 h后離心(10 000 r/min，10 min)，采用Bradford法測定上清液中蛋白質(zhì)含量[11]。含量計算如下所示：離子鍵=S1-S0；氫鍵=S2-S1；疏水相互作用=S3-S2；二硫鍵=S4-S3。

1.2.8 傅里葉變換紅外光譜分析

將凍干樣品粉與溴化鉀按1∶100的質(zhì)量比混合，用研缽研磨均勻。壓片后，利用傅里葉變換紅外光譜儀在4 000～400 cm-1內(nèi)掃描，得到光譜。利用OMNIC軟件分析該蛋白二級結(jié)構(gòu)變化[5]。

1.2.9 微觀結(jié)構(gòu)分析

將熱誘導(dǎo)凝膠切成3 mm厚方塊,密封在玻璃瓶子后加入2.5%的戊二醛溶液，置于4 ℃冰箱浸泡48 h,用去離子水清洗后用梯度濃度的乙醇脫水，每次15 min，并浸泡在無水乙醇中。用CO2臨界點(diǎn)干燥儀置換，最后使用掃描電子顯微鏡放大2萬倍掃描微觀結(jié)構(gòu)[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)平行測定3次，結(jié)果為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用IBM SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差和顯著性分析，顯著性水平P<0.05，使用Origin 2021軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 3D打印特性分析

添加不同比例的HCS對混合蝦糜3D打印特性的影響見圖1。材料的性質(zhì)和成分是影響3D打印過程的重要因素，材料不僅需要具有合適的黏彈性，還需要有適當(dāng)?shù)牧髯冃裕矸鄄粌H能夠增加產(chǎn)品保水性和彈性，而且還可以有效改善打印材料的流動性和成型效果[12-14]。混合蝦糜體系是一種黏性的凝膠，而凝膠是一種具有半剛性的溶膠體，3D打印與其凝膠性能密切相關(guān)[15]。對照組的打印圓柱基本成型但存在變形現(xiàn)象，層與層之間存在明顯縫隙，粘合效果差；俯視面凹凸不平，層與層之間分界清晰且存在塌陷現(xiàn)象，這可能與南極磷蝦未經(jīng)漂洗，水分含量高，鹽溶性蛋白含量低，且內(nèi)源性蛋白酶活性較高，極易自溶，導(dǎo)致黏彈性和支撐性較差有關(guān)[1]。隨著HCS比例的增加，柱體表面變得光滑平整，斷裂減少，在HCS添加量達(dá)到1%時，打印的柱體與預(yù)期設(shè)計尺寸接近一致，層與層之間無明顯變形現(xiàn)象，這是因?yàn)榈矸畚蛎洉黾訌?fù)合物的黏度，形成具有不同強(qiáng)度的黏彈性系統(tǒng)，從而增加打印過程的支撐性和黏彈性[12]。然而，HCS添加量超過2%時，打印柱體出現(xiàn)了變形，且材料擠出連續(xù)性變差。PAN等[10]研究發(fā)現(xiàn)過量的淀粉會使材料的流動性變差，擠出困難，導(dǎo)致打印性狀變差。因此，添加1%淀粉能夠改善物料斷絲，提高打印精度和支撐穩(wěn)定性，且增強(qiáng)其打印特性。

圖1 3D打印預(yù)設(shè)模型及模型打印照片(a)；不同含量的羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜3D打印特性的影響(b)Fig.1 3D printing preset model and model print photo (a);Effect of different HCS on 3D printing properties of mixed shrimp surimi gel (b)注：b圖中Ⅰ為正視圖；Ⅱ?yàn)楦┮晥D

2.2 凝膠強(qiáng)度分析

如圖2所示，添加HCS對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠強(qiáng)度有顯著影響(P<0.05)，凝膠強(qiáng)度隨著淀粉比例的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。與對照相比，添加0.5% HCS混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠的凝膠強(qiáng)度顯著提高了18%(P<0.05)。這歸因于加熱過程中，蝦糜蛋白變性展開，淀粉與蛋白中的反應(yīng)基團(tuán)相互作用交聯(lián)，形成淀粉-蝦糜復(fù)合體系，同時淀粉吸水膨脹對蛋白質(zhì)基質(zhì)施加壓力，此外，低濃度的淀粉能夠促進(jìn)凝膠中的疏水相互作用，從而提高凝膠強(qiáng)度[7,16]。然而，當(dāng)HCS的添加量超過0.5%，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，這是因?yàn)檫^量的淀粉與蝦糜蛋白競爭水分，不能充分糊化，導(dǎo)致蝦糜蛋白濃度降低，從而降低凝膠強(qiáng)度，這與MI等[9]的研究結(jié)果相似。

圖2 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of HCS on gel strength of mixed shrimp surimi heat-induced gel注：不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)(下同)

2.3 全質(zhì)構(gòu)特性分析

HCS添加量對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響如表1所示。與對照相比，添加HCS對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠的質(zhì)構(gòu)特性具有顯著影響(P<0.05)，隨著淀粉添加量的增加，熱誘導(dǎo)凝膠的硬度顯著上升(P<0.05)，這是由于氫鍵能夠在凝膠冷卻后重新形成，提高樣品硬度[17]。而彈性、黏聚性、咀嚼度和回復(fù)性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在0.5%時達(dá)到了最大值，這與LUO等[7]的研究結(jié)果相似，在加熱過程中淀粉吸水膨脹對凝膠基質(zhì)產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密，但過高的淀粉含量會稀釋肌原纖維蛋白濃度，導(dǎo)致質(zhì)構(gòu)特性的下降[18]。

表1 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 1 Effects of HCS on texture properties of mixed shrimp surimi heat-induced gel

2.4 持水力和水分分布分析

持水力是反映凝膠結(jié)構(gòu)和影響最終產(chǎn)品感官屬性的重要參數(shù)，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越密集，持水能力越強(qiáng)[10]。隨著HCS添加量的增大，凝膠的持水力顯著增加(P<0.05)，當(dāng)HCS添加量為4%時，與對照相比提高了50%。這可能是由于HCS的羥丙基引起分子間和分子內(nèi)排斥，提高淀粉延展性，增強(qiáng)水與淀粉間的相互作用，使淀粉顆粒鎖住更多水分，從而增加了混合蝦糜凝膠的持水力[19]。MI等[9]也證實(shí)隨著 HCS添加量的增加，鰱魚魚糜凝膠的持水能力增加。

混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠的橫向弛豫時間(T2)和水分分布狀態(tài)如圖3-b和表2所示，所有HCS添加量都存在3個峰，從左到右依次為T21(0.01～10 ms)、T22(10～200 ms)和T23(>200 ms)，分別代表了結(jié)合水，不易流動水和自由水[7]。T22在T2圖譜中占比最大，占總信號的91%～95%，反映了水的主要成分。與對照相比，隨著HSC添加量的增大，T22和T23呈逐漸右移的趨勢，而T21在0%～1%內(nèi)呈左移趨勢，在0.5%添加量下達(dá)到最小值，當(dāng)添加量繼續(xù)增大，T21開始呈現(xiàn)右移趨勢，說明添加淀粉能夠增強(qiáng)對水的束縛作用，增加結(jié)合水的含量，而結(jié)合水含量過高則會導(dǎo)致弛豫時間延長。與對照組相比，添加淀粉后，混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠體系中結(jié)合水(A21)和不易流動水(A22)的相對含量顯著上升(P<0.05)，且隨著淀粉添加量的增大而上升，在4%添加量下達(dá)到最大，而自由水(A23)的相對含量隨著淀粉添加量的增大呈下降趨勢，說明自由水向不易流動水和結(jié)合水遷移，使凝膠持水性增強(qiáng)，這可能是由于淀粉在加熱過程中，淀粉分子中游離的羥基在氫鍵作用下結(jié)合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并充分吸水，使體系中的結(jié)合水和不易流動水增多，自由水減少[10]。此外，羥丙基基團(tuán)具有強(qiáng)親水性，可以使凝膠與水分子緊密結(jié)合增強(qiáng)水的穩(wěn)定性[6]，這與持水性結(jié)果相似。

a-持水力；b-弛豫時間圖3 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠持水力和弛豫時間的影響Fig.3 Effect of HCS on WHC and T2 of shrimp surimi heat-induced gels

2.5 流變學(xué)分析

2.5.1 頻率掃描

圖4顯示了HCS添加量對混合蝦糜及熱誘導(dǎo)凝膠彈性模量和黏性模量與頻率變化的影響。流變性質(zhì)的變化能夠影響3D打印過程中樣品堆積的穩(wěn)定性[20]。在相同的測定條件下，彈性模量(G′)和黏性模量(G")具有相似的變化趨勢，且彈性模量(G′)始終大于黏性模量(G″)，表明樣品在凝膠過程中彈性大于黏性,表現(xiàn)為類固體性質(zhì)[21]。如圖4-a所示，蝦糜樣品的G′和G″都隨著振蕩頻率的增大而增大，這可能與混合蝦糜內(nèi)蛋白分子之間相互作用逐漸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成彈性較強(qiáng)的凝膠有關(guān)[22]。在同一頻率下，G′和G″表現(xiàn)出隨淀粉添加量的增加而增加趨勢，這是由淀粉溶脹導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)更加緊密導(dǎo)致的[7]。結(jié)合3D打印特性，對照組蝦糜的G′和G″較小，在打印過程中易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致打印性狀差，淀粉的添加增加了蝦糜的G′和G″，利于蝦糜連續(xù)擠出改善打印性能。然而，蝦糜經(jīng)40 ℃水浴60 min和90 ℃水浴30 min熱誘導(dǎo)后，凝膠的G′和G″顯著提高，這與蝦糜經(jīng)熱誘導(dǎo)后大量的蛋白質(zhì)發(fā)生聚集，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密有關(guān)[23]。此外，熱誘導(dǎo)凝膠的G′和G″隨著HCS添加量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)HCS添加量超過1%時，熱誘導(dǎo)凝膠的G′和G″值下降，表明混合蝦糜凝膠的黏彈性模量沒有隨著淀粉量的增加而提高，這是因?yàn)殡S著淀粉含量的增加，疏水相互作用和離子鍵會降低，對凝膠基質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，從而阻礙凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成[9]。

表2 不同HCS添加量的混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠3種狀態(tài)的水分相對百分比Table 2 Relative water content in the three states of mixed shrimp minced heat-induced gel with different HCS additions

a-混合蝦糜；b-熱誘導(dǎo)凝膠圖4 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜和熱誘導(dǎo)凝膠>流變學(xué)性質(zhì)的影響Fig.4 Effect of HCS on rheological properties of mixed shrimp surimi and heat-induced gel

2.5.2 溫度掃描

如圖5所示，添加HCS的蝦糜彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨著溫度的升高(20～45 ℃)均呈現(xiàn)下降的趨勢，并在45 ℃左右達(dá)到最低值，這是因?yàn)殡S著溫度的升高氫鍵被破壞，同時蝦糜中的內(nèi)源性水解酶活性提高，肌原纖維蛋白發(fā)生降解，蛋白質(zhì)分子延伸，蝦糜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，流動性增強(qiáng)，發(fā)生凝膠劣化[24]。此外，添加HCS后，蝦糜的G′和G″在20～50 ℃明顯低于對照組，且隨著淀粉含量的增加而降低。有研究發(fā)現(xiàn)添加淀粉會降低魚糜在5～55 ℃內(nèi)的G′，這是因?yàn)闉榱吮３窒嗤乃趾?，淀粉會起到非活性填料的作用，代替部分蝦糜蛋白，從而使G′隨填料的增加而下降[18]。而且隨著淀粉比例的增大，蝦糜凝膠劣化區(qū)G′的最低點(diǎn)向高溫方向移動，這可能是因?yàn)榈矸鄣暮潭炔煌约暗矸奂尤胧沟梅肿娱g聚集，阻礙了維持穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵形成，導(dǎo)致G′的最低點(diǎn)溫度高于對照組[9]。進(jìn)一步加熱(45～90 ℃)，蝦糜的G′和G″在70～90 ℃明顯高于對照組，這是因?yàn)榧訜崾辜∏虻鞍缀图拥鞍字劓湴l(fā)生變性，疏水相互作用、二硫鍵等化學(xué)鍵形成造成大量蛋白質(zhì)聚集，導(dǎo)致蝦糜凝膠網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)增強(qiáng)，同時淀粉本身具有一定的黏彈性，吸水膨脹后填充在蝦糜凝膠網(wǎng)絡(luò)中，膨脹的淀粉對凝膠基質(zhì)產(chǎn)生一定的擠壓，導(dǎo)致G′迅速增大[23]。并在80 ℃左右趨于穩(wěn)定，高溫處理導(dǎo)致氫鍵被破壞，形成有序的不透明蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)[25]。

a-G′；b-G″圖5 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜動態(tài)流變學(xué)性質(zhì)的影響Fig.5 Effect of HCS on dynamic rheological properties of mixed shrimp surimi

2.6 化學(xué)作用力分析

非共價鍵(包括非特異性締合、離子鍵、氫鍵和疏水相互作用)在維持凝膠三維結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度方面發(fā)揮著重要作用[26]。如圖6所示，氫鍵含量隨著HSC添加量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，氫鍵是偶極鍵，與凝膠硬度和持水力密切相關(guān)，氫鍵的增加是造成南極磷蝦蝦糜硬度增加的主要原因[17]。在加熱過程中，除了二硫鍵形成，疏水相互作用的形成被認(rèn)為是加熱或高壓誘導(dǎo)魚糜凝膠形成的主要機(jī)制[27]，與其他非共價鍵相比，凝膠基質(zhì)中的疏水相互作用占主導(dǎo)地位，它們對維持凝膠網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性至關(guān)重要。在低濃度(0.5%)的HCS添加量下，混合蝦糜凝膠中的二硫鍵含量和疏水相互作用增加。當(dāng)HCS的添加量為2%和4%時，淀粉阻礙了凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，凝膠中的離子鍵、疏水作用和二硫鍵呈下降趨勢，這與凝膠強(qiáng)度結(jié)果一致。因此，在混合蝦糜體系中添加少量的淀粉能夠增強(qiáng)蝦糜的疏水相互作用，進(jìn)一步提高蝦糜的凝膠強(qiáng)度。

圖6 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜凝膠化學(xué)作用力的影響Fig.6 Effect of HCS on the chemical force of mixed shrimp surimi gel

2.7 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)分析

圖7顯示了混合蝦糜和混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)相對含量的變化。隨著淀粉添加量的增加，混合蝦糜中蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化(P<0.05)。隨著HCS添加量的增大，β-折疊呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，α-螺旋呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，無規(guī)則卷曲含量無顯著性變化(P>0.05)。凝膠的強(qiáng)度與α-螺旋含量呈負(fù)相關(guān)，與β-折疊含量呈正相關(guān)，此外羥丙基基團(tuán)的引入可以改善蝦糜蛋白的構(gòu)象，利于疏水基團(tuán)與淀粉之間的相互作用，在蝦糜蛋白中形成更多的β-折疊，形成緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[25, 28]，因此混合蝦糜的凝膠強(qiáng)度提高。與蝦糜相比，添加0.5%HCS的蝦糜經(jīng)熱誘導(dǎo)形成凝膠后，β-折疊和無規(guī)則卷曲含量顯著上升，由42.44%和8.90%分別上升到49.35%和14.49%(表3)，β-轉(zhuǎn)角含量顯著下降(P<0.05)，淀粉添加量繼續(xù)增大，β-折疊和無規(guī)則卷曲含量呈現(xiàn)下降趨勢，β-轉(zhuǎn)角含量上升，α-螺旋無顯著變化，這與倪偉等[29]關(guān)于羥丙基二淀粉磷酸酯(hydroxypropyl distarch phosphate，HPDSP)對中華管鞭蝦蝦糜凝膠二級結(jié)構(gòu)變化的研究相似，加熱引起β-折疊增加表明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比未加熱基團(tuán)更有序和穩(wěn)定。

a-混合蝦糜；b-熱誘導(dǎo)凝膠圖7 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜和熱誘導(dǎo)凝膠中蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的影響Fig.7 Effect of HCS on protein secondary structure of mixed shrimp surimi and heat-induced gel

表3 不同HCS添加量的混合蝦糜和熱誘導(dǎo)凝膠蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)含量Table 3 The protein secondary structure of mixed shrimp surimi and heat-induced gel with different HCS additions

2.8 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖8為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HCS對混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響。與添加HCS的凝膠相比，對照組顯示出疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，存在較多的蛋白質(zhì)聚集體和孔洞，添加少量HCS的凝膠交聯(lián)度增加，形成有序且均勻的孔洞結(jié)構(gòu)，這與凝膠強(qiáng)度一致。然而，隨著HCS添加量的增大，凝膠基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得松散，孔洞增加，這可能是由于過量的淀粉會吸水膨脹到蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中施加高壓影響其在凝膠結(jié)構(gòu)中的均勻性，破壞了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[25]。HUNT等[16]發(fā)現(xiàn)，淀粉糊化有助于增加淀粉和蛋白質(zhì)之間界面的斷裂強(qiáng)度，但高溶脹能力可能形成較差的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)框架。結(jié)果表明，添加0.5%的羥丙基木薯淀粉有利于混合蝦糜凝膠形成，凝膠強(qiáng)度最高。

圖8 羥丙基木薯淀粉對混合蝦糜凝膠微觀結(jié)構(gòu)影響(×20 000)Fig.8 Effect of HCS on the microstructure of shrimp surimi gel

3 結(jié)論

添加HCS可以有效提高混合蝦糜的3D打印精度和支撐穩(wěn)定性，含有1%HCS的蝦糜的打印精度和穩(wěn)定性最高。此外，HCS的適當(dāng)添加提高了混合蝦糜的G′和G″，使樣品易于從噴嘴中擠出，提高了樣品流動性和堆積性，解決了樣品打印過程中斷絲的現(xiàn)象。少量的HCS(<1%)能夠增加混合蝦糜凝膠中二硫鍵的形成和疏水相互作用，穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效改善混合蝦糜的凝膠強(qiáng)度；凝膠中的氫鍵隨著淀粉含量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，自由水向不易流動水轉(zhuǎn)變，對水的束縛作用增強(qiáng)，凝膠的持水性顯著增高。但添加過量的HCS會導(dǎo)致凝膠質(zhì)構(gòu)特性變化，凝膠的硬度增大，彈性降低。少量淀粉可促進(jìn)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)從α-螺旋向β-折疊轉(zhuǎn)變，使凝膠結(jié)構(gòu)更為緊密。加入0.5% HCS的混合蝦糜熱誘導(dǎo)凝膠具有更均勻密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，添加少量的HCS有利于提高混合蝦糜凝膠特性，改善蝦糜制品品質(zhì)，為HCS在南極磷蝦蝦糜制品中產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。