【】蛋清蛋白凝胶特性影响因素的研究

2008, Vol. 29, No. 03 食品科学 ※基础研究46 收稿日期：2007-03-21 基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAD05A17) 作者简介：李俐鑫(1980-)，女，助教，硕士，研究方向为食品化学。E-mail：lilixin2001@sina.com *通讯作者：迟玉杰(1963-)，男，教授，博士，研究方向为食品化学及农产品深加工。E-mail：yjch@126.com 蛋清蛋白凝胶特性影响因素的研究 李俐鑫，迟玉杰*，于 滨 (东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030) 摘 要：本实验对影响蛋清蛋白凝胶特性的内部因素和外部因素进行了研究。结果表明，蛋清蛋白的凝胶特性与 静电作用、氢键、二硫键、蛋白质浓度、p H值、加热温度、加热时间等密切相关。因此，在应用蛋清蛋白 凝胶特性的过程中要考虑这些因素。 关键词：蛋清蛋白；凝胶特性；影响因素 Study on Affecting Factors of Egg White Protein Gel Property LI Li-xin，CHI Yu-jie*，YU Bin (College of Food, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China) Abstract ：Internal factors and external factors affecting the gel property of egg white protein were studied. The results indicated that the gel property of egg white protein was closely related to electrostatic interaction, hydrogen bond, disulfide bond, protein concentration, pH, heating temperature, heating time. These factors should be considered when the gel property of egg white protein is required. Key words：egg white protein；gel property；affecting factors 中图分类号：TS253.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2008)03-0046-04 蛋清是一种重要的食品加工原料，因为蛋清蛋白质 具有多种功能特性，如凝胶作用、持水性、起泡性和 乳化性等，尤其凝胶作用在食品的制造中有重要的作 用。凝胶作用是指适度变性的蛋白质分子聚集，形成 一个有规则的蛋白质网状结构的过程[1]。凝胶的形成不 仅可以改进食品形态和质地，而且在提高食品的持水 力、增稠、使粒子粘结等方面有诸多应用[2]，如添加 到西式火腿、火腿肠等肉类制品中。 蛋白质形成凝胶的特性是蛋白产品在食品中应用的 一项非常重要的指标，但是蛋白质凝胶的形成不仅要受 到静电作用、氢键、二硫键等内部因素的影响，而且 还要受到蛋白质浓度、p H值、加热温度、加热时间 等诸多外部因素的影响[3-5]，因此本实验以蛋清粉为原 料，研究外部因素和内部因素对蛋清蛋白凝胶特性的影 响，以期为食品加工业应用蛋清蛋白凝胶提供借鉴。 1 与方法 1.1材料与试剂 蛋清粉(粗蛋白含量79.82%，水分4.26%) 黑龙江 省双城富荣生物制品有限公司；所有试剂均为分析纯。 1.2仪器 ALC-2104电子天平；PHS-3C型酸度计；恒温水浴 锅；TA-XTplus2物性测定仪 英国SMS公司。 1.3凝胶测定方法 凝胶特性利用TA-XTplus2物性仪进行测定，采用 texture profile analysis(TPA)运行模式。凝胶TPA的测 定过程是模仿人口腔咀嚼食物的运动过程。装在测量杆 上的探头以一定的速率挤压凝胶直到刺入凝胶，然后以 一定的速率缩回，停留几秒钟后再进行第二次的压缩和 收缩过程。探头运动的图谱见图1。凝胶的质构特性包 括硬度(hardness，在图中为F2)、破裂性(fracturability， 为图中的F3)、黏性(adhesiveness，为图中A2)、内聚 性(cohesiveness，图中A3/A)、弹性(springiness，图 中t2/t1)、咀嚼性(chewiness，定义为gumminess× springiness)和胶黏性(gumminess，定义为hardness× cohesiveness)。 实验着重对蛋清蛋白凝胶特性中的凝胶硬度度进行 研究，测定时采用的参数为：测前速度5.0mm/s，测 47※基础研究 食品科学 2008, Vol. 29, No. 03 试速度2.0mm/s，测后速度5.0mm/s，测定距离10.0mm (约为凝胶高度的30%)，间隔时间5s，数据采集速率 200pps，探头p/0.5圆柱型。 2 结果与分析 2.1外部因素对蛋清蛋白凝胶特性的影响 2.1.1蛋白质浓度对蛋清蛋白凝胶特性的影响 将蛋清粉分别配成浓度为4%、6%、8%、10%、 12%、14%、16%、18%、20%的蛋清蛋白溶液，并 用0.1mol/L NaOH或0.1mol/L HCl调pH至7，然后取 20ml溶液放入25ml的烧杯中，用保鲜膜封口，在80℃ 的水浴中加热40min，取出后在流水中快速冷却，然后 在4℃下静置24h，测定前自然回复到室温。凝胶硬度 测定结果如图2。 水相隔开，分子之间接触几率小。Mine Y等[7]认为， 蛋清蛋白或卵白蛋白热变性和凝集过程中起主要作用的 是分子间β-折叠结构，这种结构的形成是由于热变性 导致蛋白质疏水性基团的暴露，随着卵白蛋白浓度的增 加，分子间疏水相互作用增加，卵白蛋白凝集体的相 对分子质量增大，分子间β-折叠结构所导致的交联也增 加，表现为蛋白质浓度对凝胶硬度影响较大。 2.1.2pH值对蛋清蛋白凝胶特性的影响 将蛋清粉配成浓度为10%的蛋清蛋白溶液，并用 0.1mol/L NaOH 或0.1mol/L HCl将溶液的pH值分别调至 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，然后取 20ml溶液放入25ml的烧杯中，用保鲜膜封口，在80℃ 的水浴中加热40min，取出后在流水中快速冷却，然后 在4℃下静置24h，测定前自然回复到室温。凝胶硬度 测定结果如图3。 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 0 5 10 15 20 25 30 A2 应 力 ( k g ) t1=t2=10s。 A3 A1 F3 F1 F2 2 3 4 5 6 图1 物性仪测得蛋清蛋白凝胶特性图 Fig.1 Gel property of egg white protein obtained by texture analyser 2500 2000 1500 1000 500 0 0 2 4 6 8 10121416182022 凝 胶 硬 度 ( g ) 蛋白质浓度(%) 图2 蛋白质浓度对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.2 Effects of protein concentration on gel hardness of egg white protein 从图2中可以看出，蛋清形成凝胶的最低蛋白质浓 度为4%，随着蛋白质浓度的增加，凝胶硬度升高，大 致呈指数关系，这与徐雅琴等[6]的结论相一致。这可能 是由于在蛋白质浓度较低(＜4%)时，蛋白质分子之间被 图3结果表明，pH对蛋清蛋白凝胶硬度的影响很 大。蛋白质浓度为10%的蛋清蛋白凝胶在pH4处，凝 胶硬度最大，其次是pH11处；在pH7时凝胶硬度最小， 其次是pH3处，这与Handa A等[3]的结论相一致。导 致这一现象的原因是由于接近蛋清蛋白等电点(pI4.5)时， 蛋清蛋白分子的电荷降低，分子间的相互排斥作用下 降，受热时蛋白质分子迅速聚集，随机聚合形成所谓 的“粗凝胶”，这种凝胶硬度大；而当p H值远离等 电点时，蛋白质分子间的静电排斥力增强从而使胶凝的 硬度增加。 2.1.3加热温度对蛋清蛋白凝胶特性的影响 将蛋清粉配成浓度为10%的蛋清蛋白溶液，调pH 值至7，然后取20ml溶液放入25ml的烧杯中，用保鲜 膜封口，分别在75、80、85、90、95℃的水浴中加 热40min，取出后在流水中快速冷却，然后在4℃下静 置24h，测定前自然回复到室温。凝胶硬度测定结果如 图4。 600 500 400 300 200 100 0 2 3 4 5 6 7 8 91011121314 凝 胶 硬 度 ( g ) pH值 图3 pH对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.3 Effects of pH value on gel hardness of egg white protein t1 t2 时间(s) 2008, Vol. 29, No. 03 食品科学 ※基础研究48 由图4可知，随着加热温度的升高，凝胶硬度也 在增大，当温度达到90℃时，凝胶硬度最大，此后凝 胶硬度无明显变化。蛋清蛋白质中的主要成分卵白蛋白 和卵转铁蛋白对凝胶网络的形成起主要作用[8]，其中卵 白蛋白的热变性温度在84℃。从结果中可以看出在达到 这一变性温度后凝胶硬度变大，这说明此时蛋白质已被 充分展开，有利于疏水基团的暴露，疏水相互作用增 加，从而使凝胶硬度增大。 2.1.4加热时间对蛋清蛋白凝胶特性的影响 将蛋清粉配成浓度为10%的蛋清蛋白溶液，调pH 值至7，然后取20ml溶液放入25ml的烧杯中，用保鲜 膜封口，在80℃的水浴中分别加热20、30、40、50、 60min，取出后在流水中快速冷却，然后在4℃下静置 24h，测定前自然回复到室温。凝胶硬度测定结果如 图5。 2.2内部因素对蛋清蛋白凝胶特性的影响 高浓度的NaCl能屏蔽电荷效应，降低静电相互作 用。尿素能影响水分子结构，阻碍氢键形成。丙二醇 也能影响水分子结构，阻碍疏水相互作用，提高氢键作 用。2-巯基乙醇能减少分子间及分子内二硫键的形成[9]， 因此使用这些试剂研究分子间作用力对蛋清蛋白凝胶的 影响有重要意义。 将不同浓度的NaCl、尿素、丙二醇、2-巯基乙醇 试剂加入到蛋清蛋白溶液中，调pH到7，然后取20ml 溶液放入25ml的烧杯中，用保鲜膜封口，在80℃的水 浴中分别加热40min，取出后在流水中快速冷却，然后 在4℃下静置24h，测定前自然回复到室温。 2.2.1NaCl对蛋清蛋白凝胶特性的影响 300 250 200 150 100 50 0 70 75 80 85 90 95 100 凝 胶 硬 度 ( g ) 温度(℃) 图4 加热温度对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.4 Effects of temperature on gel hardness of egg white protein 从图5中可以看出，溶液在80℃加热40min后，凝 胶硬度的变化幅度开始变小并趋于平缓。究其原因可能 是蛋清中的蛋白质变性是一个缓慢的过程，当其达到所 需的变性时间(约40min)时，蛋白质分子已充分展开，此 时形成的凝胶具有较大的硬度，再继续延长加热时间则 对凝胶硬度没有太大的影响。 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 凝 胶 硬 度 ( g ) 时间(min) 图5 加热时间对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.5 Effects of time on gel hardness of egg white protein 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0.20.40.60.8 1 1.2 凝 胶 硬 度 ( g ) NaCl浓度(mol/L) 图6 NaCl对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.6 Effects of NaCl concentration on gel hardness of egg white protein 图6是不同浓度NaCl对蛋清蛋白凝胶硬度的影响曲 线。由图6看出，当NaCl浓度在0.2～0.6mol/L之间时， 凝胶硬度随着NaCl浓度的增加而增大，并在NaCl浓度 为0.6mol/L时达到最大；当NaCl浓度在0.6～1.0mol/L时， 凝胶硬度则成下降趋势。Shigeru U等[10]认为中性电解质 在较低浓度时有中和蛋白质电荷的作用，而在较高浓度 时，电解质的阴离子对蛋白质分子构象的稳定性有重要 的影响。图中含0.6mol/L NaCl的凝胶硬度最大，这表 明NaCl中和了蛋白质表面的电荷，蛋白质分子间相互 吸引作用增强，分子迅速聚集形成硬的凝胶。随着NaCl 浓度的增加，凝胶硬度明显下降，这说明较高浓度的 NaCl可以稳定蛋白质的分子构象，使蛋清蛋白分子的变 性温度增加，不易形成凝胶，从而使硬度下降。 2.2.2尿素对蛋清蛋白凝胶特性的影响 尿素是一种强烈的破坏高分子内和分子间氢键的物 质，因而在生物化学上用作蛋白质的变性剂，其作用 机理主要是与蛋白质分子的氨基酸残基形成氢键从而破 坏蛋白质的二级结构[11]。图7是不同浓度尿素对蛋清蛋 白凝胶硬度的影响曲线。从图7可以看出，尿素浓度较 49※基础研究 食品科学 2008, Vol. 29, No. 03 低时，凝胶的硬度有所增加。这是由于少量的尿素破 坏了蛋白质的氢键，使蛋白质变性，有利于凝胶的形 成。随着尿素浓度的增加，凝胶的硬度开始下降。这 说明加高浓度的尿素破坏了分子间的氢键结合，分子间 的相互吸引作用大大减弱，蛋白质不易形成凝胶，导 致凝胶的硬度下降。 2.2.3丙二醇对蛋清蛋白凝胶特性的影响 进蛋白质的变性，有利于凝胶的形成，提高蛋清蛋白 凝胶的硬度，而高浓度的2-巯基乙醇则减少分子间及分 子内二硫键的形成，从而使蛋清蛋白凝胶的硬度降低。 3 结 论 蛋清蛋白具有良好的凝胶特性，在肉制品、方便 面等食品行业中应用广泛。实验结果表明，蛋清蛋白 的凝胶特性与静电作用、氢键、二硫键等内部因素以 及蛋白质浓度、p H值、加热温度、加热时间等外部 因素密切相关。因此，在应用蛋清蛋白凝胶特性的食 品加工过程中要考虑这些因素。　　 参考文献： [1] 江志伟, 沈蓓英, 潘秋琴, 等. 蛋白质加工技术[M]. 北京: 化学工业 出版社, 2002: 126-132. [2] 陈功, 陈有亮. 鸡蛋的微观结构与凝胶性状[J]. 肉类研究, 1999(2): 12-14. [3] HANDA A, TAKAHASHI K, KURODA N, et al. Heat-induced egg white gels as affected pH[J]. J Food Sci, 1998, 63(3): 403-407. [4] CROGUENNEC T, NAU F, BRULE G. Influence of pH and salts on egg white gelation[J]. J Food Sci, 2002, 67(2): 608-614. [5] KITABATAKE N, SHIMIZU A, DOI E. Preparation of heat-induced transparent gels from egg white by the control of pH and ionic strength of the medium[J]. J Food Sci, 1988, 53(4): 1091-1095. [6] 徐雅琴. 鸡蛋白粉的凝胶性质改性研究[D]. 无锡: 江南大学, 2005. [7] MINE Y. Effect of pH during the dry heating on the gelling properties of egg white proteins[J]. Food Research International, 1996, 29(2): 155- 161. [8] 肖雯. 蛋白粉的功能特性与蛋白粉的加工[J]. 国外畜牧学: 猪与禽, 2003, 23(3): 57-59. [9] BETNAL V M, SMAJDS C H, SMITH J L, et al. Interaction in protein /polysaccharide/calcium gels[J]. J Food Sci, 1987, 52(5): 1121- 1125. [10]SHIGERU U, JOHN E K. Force involved in soy protein gelation: effect of various reagents on the formation hardness and solubility of heat- induced gels made from 7S,11S and soy isolate[J]. J Food Sci, 1985, 50: 1278-1282. [11]胡坤, 赵谋明, 林伟锋, 等. 物理作用力对大豆分离蛋白凝胶质构特 性的影响[J]. 食品科学, 2005, 26(6): 69-73. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 凝 胶 硬 度 ( g ) 尿素浓度(mol/L) 图7 尿素对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.7 Effects of urea concentration on gel hardness of egg white protein 600 500 400 300 200 100 0 0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.5 凝 胶 硬 度 ( g ) 丙二醇浓度(mol/L) 图8 丙二醇对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.8 Effects of propylene glycol concentration on gel hardness of egg white protein 丙二醇的作用是降低水介质的偶电常数，从而有利 于蛋白质间的氢键相互作用[10]。图8是不同浓度丙二醇 对蛋清蛋白凝胶硬度的影响曲线。由图8可知，凝胶硬 度随着丙二醇浓度的增加而增加，其原因可能是丙二醇 分子通过羟基与蛋白质分子形成氢键而提高凝胶的硬 度，另外丙二醇也能影响水分子结构，它能阻碍疏水 相互作用，提高氢键作用，从而导致凝胶硬度的增加。 2.2.42-巯基乙醇对蛋清蛋白凝胶特性的影响 图9反映了2-巯基乙醇对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 情况，从图9可以看出，随着2-巯基乙醇浓度的增加 蛋清蛋白凝胶的硬度也开始增加，在2-巯基乙醇浓度 为0.25mol/L时硬度达到最大，随后凝胶硬度开始下降。 这是由于2-巯基乙醇可干扰二硫键，当浓度较低时能促 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0.050.10.150.20.250.30.35 凝 胶 硬 度 ( g ) 2-疏基乙醇浓度(mol/L) 图9 2-巯基乙醇对蛋清蛋白凝胶硬度的影响 Fig.9 Effects of 2-mercaptoethanol concentration on gel hardness of egg white protein