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《食品科学》:福州大学汪少芸教授等:非钠盐替代对薏米淀粉-肌原纤维蛋白复合凝胶特性的影响及风味分析

2023-12-12 - 行业资讯

  肌原纤维蛋白(MP)是肌肉中具备极其重大生物学功能的盐溶性蛋白质,其热诱导凝胶特性是影响凝胶类肉糜制品品质的决定因素。相比于其他肉糜类凝胶,鱼糜凝胶性能往往较差,通过添加不同多糖可改善鱼糜凝胶特性。薏米淀粉(CSS)作为一种新型的小颗粒淀粉资源,由于颗粒的结构、直链和支链淀粉含量、溶胀特性、糊化特性等特性,使其在工业应用中发挥独特的作用。NaCl是生产以盐溶MP凝胶为基础的鱼糜产品的必要条件,考虑到Na+摄入过多会导致高血压、心血管疾病等健康问题,但直接降低NaCl含量可能会引起鱼糜凝胶的劣化。可用一些对身体有好处的阳离子来替代部分Na+,如利用K+、Mg2+、Ca2+等,以维持或改善鱼糜的凝胶性质,使鱼糜产品更适合食用。

  福州大学生物科学与工程学院的陈 旭,冯雅梅,汪少芸*等旨在探究CaCl2、MgCl2和KCl替代NaCl后,其对低钠盐CSS-MP复合凝胶特性的影响,以期为开发低钠盐复合鱼糜凝胶制品提供理论参考。

  如图1所示,与对照组的凝胶强度179.8相比,CaCl2、MgCl2和KCl替代组的凝胶强度分别降低至178.4、164.8和172.3。相比之下,含有1.0% CaCl2的复合凝胶表现出较好的凝胶强度,与对照组相比无显著差异。这可能与低浓度NaCl不利于MP的展开有关,因为低钠盐会抑制肌球蛋白从致密结构中溶出,并且Ca2+、Mg2+、K+的存在可能导致MP的水结合能力较弱,不利于蛋白质与蛋白质、蛋白质-多糖之间的相互作用,最终影响了蛋白质的结合性能,降低了CSS-MP复合凝胶的质地特性。S—S键和疏水相互作用有助于形成稳定、不可逆、规则的凝胶网络。然而,不同盐离子引起过度的相互作用会导致蛋白质聚集,阻碍肌球蛋白的交联,使凝胶强度降低。

  低钠盐条件下复合凝胶的持水力均有所降低,与凝胶强度具有相似的变化趋势,说明凝胶强度与持水力紧密关联。与KCl替代组相比,CaCl2替代组和MgCl2替代组持水力明显低于对照组(P<0.05)。由于盐离子与蛋白质的强结合作用,NaCl可激活蛋白质,对于MP凝胶的持水能力有着重要的作用,而Mg2+和Ca2+的存在阻止了Cl-渗透到蛋白质分子中,对蛋白质的持水能力产生负面影响。此外,不同盐对MP构象的影响不同,如K+比Na+具有更弱的电场和更低的静电作用,这可能会引起肌球蛋白的溶解度和总蛋白的理化性质不同,最终影响了蛋白凝胶的持水能力。

  由图2可知,在25~80 ℃的升温阶段,CaCl2和MgCl2替代组与对照组的凝胶行为不同。对照组的G’值最初增长缓慢,在38.4 ℃时达到峰值,随后迅速下降到49.7 ℃时的最小值,这与疏水相互作用和二硫键的形成有关。进一步加热至80 ℃后,G’值又迅速增加,而CaCl2和MgCl2替代组则相反,在50~80 ℃的加热过程中,G’显著下降(P<0.05)。G’的增加表明MP凝胶化或弹性蛋白网络开始形成,对照组、CaCl2、MgCl2、KCl替代组在32.1、30.5、31.6 ℃和31.2 ℃时开始形成凝胶。在升温阶段,与Na+和K+相比,Ca2+和Mg2+的存在大幅度的降低了G’,这可能是由于不同盐离子对MP溶解性的差异,而KCl渗透能加强G’,因为它的扩散速度比其他盐更快。另外,盐离子也会影响蛋白质分子间的静电相互作用,进而影响热成胶过程中蛋白质-蛋白质、淀粉-蛋白质之间的相互作用,导致流变学性质的变化。在恒温(80 ℃)和降温阶段(80~25 ℃),大量氢键的形成加强了凝胶网络,不同处理组的G’非常明显升高,最终CaCl2替代组复合凝胶的流变特性明显优于对照组和MgCl2、KCl替代组。原因可能是在CSS-MP复合凝胶体系中,Ca2+的添加有利于在已形成的凝胶网络基础上,进一步促进蛋白聚集交联,使凝胶网络结构变得更致密有序。这与前面观察到的凝胶质构特性趋势一致。

  如图3所示,不同氯盐部分替代NaCl对CSS-MP复合凝胶表面疏水性有显著的影响(P<0.05)。CaCl2替代组和MgCl2替代组的表面疏水性明显高于对照组,而KCl替代组的表面疏水性明显低于对照组(P<0.05)。二价金属离子会导致蛋白质结构发生改变,促进蛋白分子链的伸展,使包埋在蛋白质内部的疏水性基团暴露于分子表面,因而增大了蛋白质表面疏水性。但经过KCl的替代后表面疏水性下降,原因可能是K+使蛋白质内部疏水基团的卷曲度发生改变,促进了MP的聚集。不同氯盐与MP分子侧链形成“盐桥”,促进蛋白分子的展开,使得疏水性氨基酸暴露,基团暴露程度的不同可能会对CSS与MP的相互作用产生一定的影响,进而引起复合体系在热诱导过程中发生分子聚集作用,最终引起CSS-MP复合凝胶功能特性的改变。

  巯基对于蛋白质空间结构的稳定性有及其重要的作用。如图4所示,与对照组相比,CaCl2替代组和MgCl2替代组的总巯基含量明显降低(P<0.05),KCl替代组的总巯基含量无显著差异。总巯基明显减少,说明Ca2+和Mg2+的加入使未展开的蛋白质重新排列并与其他分子相互作用,这一根据结果得出,CaCl2和MgCl2的替代有助于CSS和MP相互作用形成二硫键。但不同氯盐替代NaCl后,复合凝胶的活性巯基含量均显著下降(P<0.05)。活性巯基含量的减少主要是由于蛋白质表面活性基团的嵌入,或通过生成二硫键将暴露的分子间基团氧化所致。

  同步荧光光谱已被广泛应用于揭示蛋白质配体相互作用,利用同步荧光光谱提供的信息可以反映色氨酸残基(Trp)和酪氨酸残基(Tyr)周围微环境的变化。如图5所示,不同氯盐替代NaCl后均发生了荧光猝灭现象,其中KCl替代组,CaCl2替代组和MgCl2替代组的同步荧光强度依次降低,说明疏水分子与MP的结合导致了发色团在溶液环境中的暴露更大,荧光强度降低。并且在Δλ=60 nm时,Trp残基的发射峰表现出轻微的蓝移,最大荧光发射峰从对照组的348 nm到CaCl2替代组的344 nm,MgCl2替代组的343 nm和KCl替代组的349 nm,这表明Ca2+、Mg2+、K+的加入,使Tyr和Trp残基周围微环境的极性降低,疏水性增强,这与表面疏水性测定结果一致。此外,Trp残基的荧光强度要强于Tyr残基,这表明Trp残基对低钠盐复合凝胶中MP猝灭固有荧光的贡献更大。同步荧光根据结果得出,CSS可能主要是通过疏水相互作用与MP蛋白分子形成复合物,而CaCl2、MgCl2和KCl的替代在某些特定的程度上影响两者的相互作用,进而影响蛋白质结构,最终增强MP的热稳定性。

  放大低钠盐CSS-MP复合凝胶2000 倍和20000 倍的扫描电镜图像如图6所示。添加3% NaCl的对照组复合凝胶表面呈现致密的结构,孔隙和丝状结构相对均匀,整体表现出明显的三维凝胶网络。在低钠盐CSS-MP复合凝胶体系中,以CaCl2、MgCl2和KCl部分替代NaCl后,凝胶的网络结构发生了显著的变化。当复合凝胶中的NaCl被1.0%的CaCl2部分取代后,其凝胶结构较为松弛,凝胶网络结构呈雪花状,通过细丝交联在一起,其结构较为致密,促使CaCl2替代组的凝胶强度与对照组相当。对于MgCl2替代组,在图6E、F可以观察到,凝胶表面部分呈片状结构,相邻层被细丝附着,且内部结构出现了大小不一的孔洞,凝胶结构变得松散。观察图6G、H,KCl部分替代NaCl后,复合凝胶中蛋白质聚集,呈不均匀、不规则孔隙结构,内部还存在比较大的团聚体。不同氯盐的替代引起凝胶结构的变化可能与MP和不同盐离子交联程度不同因此导致蛋白质-淀粉之间的反应不均匀有关。CaCl2、MgCl2和KCl的替代,使复合凝胶呈现出更无序、更聚集的结构,导致凝胶质量下降。但对于CaCl2替代组而言,致密孔洞的形成也导致该替代组的凝胶质量较好,可能由于CaCl2的存在刺激了MP与CSS颗粒的相互作用,这有助于结构的均匀性。

  如表1所示,与对照组相比,在色泽上,CaCl2替代组和KCl替代组复合凝胶的评分有所增加,但无显著差异;在气味上,不同氯盐替代组的评分均明显高于对照组(P<0.05);在滋味上,CaCl2替代组和KCl替代组的评分明显低于对照组(P<0.05);在组织形态上,MgCl2替代组评分明显低于对照组(P<0.05),CaCl2替代组和KCl替代组无显著差异。综合各指标的得分情况,从整体看,CaCl2、MgCl2和KCl替代组与对照组的感官评定总分没有显著差异。通过感官评分的结果能得出,在一定浓度范围内,用CaCl2、MgCl2和KCl替代部分NaCl对低钠盐CSS-MP复合凝胶的感官特性不会有太大影响,总体上在消费的人的可接受范围内。

  采用金属电子鼻传感器对低钠盐CSS-MP复合凝胶的挥发性成分进行仔细的检测。雷达图中主要涉及10 种传感器W1C(芳香成分、苯类)、W3C(芳香成分灵敏、氨类)、W5C(短链烷烃芳香成分)、W1S(甲基类)、W2S(对醇类、醛酮类)、W3S(长链烷烃类)、W5S(氮氧化合物类)、W6S(氢化物)、W1W(硫化物)、W2W(芳香成分、有机硫化物)响应值的变化。由图7可知,对照组和CaCl2、MgCl2和KCl替代组复合凝胶的风味轮廓相似,说明各处理组中对凝胶样品主体风味特征贡献较大的化合物种类基本相同。W1W、W1S、W2W和W2S这4 种类型的传感器对低钠盐CSS-MP复合凝胶的响应值较高,而W3C、W5C和W6S这3 种类型的传感器对凝胶的响应值较低,并且与对照组相比,以0.5% MgCl2替代NaCl后的复合凝胶对W1W传感器的响应值显著提升,表明低钠盐CSS-MP复合凝胶中的挥发性风味物质主要为硫化物成分、甲基类、醇类和醛酮类,其中MgCl2的添加更是提高了硫化物的含量。

  对低钠盐CSS-MP复合凝胶电子鼻响应信号进行主成分分析(PCA),结果如图8所示。PC1贡献率为71.6%,PC2贡献率为23.9%,2 种成分的贡献率之和超过95%,说明这2 个PC能够较好反映低钠盐CSS-MP复合凝胶的总体风味特征。从图8对照组和不同氯盐替代组之间的距离能够准确的看出,CaCl2替代组与对照组几乎重合,说明2 组样品的气味差异较小。这可能是由于Ca2+有利于促进蛋白聚集交联,也可能由于Ca2+存在刺激了MP与CSS颗粒的相互作用,形成更加致密均匀的凝胶网络结构,不利于气味释放,因此表现出CaCl2替代组与对照组的气味差异较小。

  采用电子舌系统对低钠盐CSS-MP复合凝胶的甜味、酸味、咸味、苦味、涩味、鲜味、涩味回味、苦味回味和丰富性进行仔细的检测。所有数据均是以人工唾液(参比溶液)为标准的绝对输出值,以基准溶液的输出为“0”,即各项指标的无味点均表示为0,除了酸味和咸味的无味点为负值(分别为-13和-6),无味点以下的指标可以认为是该物质没有味道。由图9可知,对照组和不同氯盐替代组的甜味、苦味回味、涩味回味和丰富性均接近于无味点。与添加了3% NaCl的对照组相比,CaCl2的替代产生了酸味,但减少了复合凝胶的苦味,而MgCl2和KCl的替代无明显差异。此外,CaCl2和MgCl2的替代提高了复合凝胶的鲜味和咸味,而KCl的替代使这2 种味道显著减弱(P<0.05)。以上结果说明1.0% CaCl2和0.5% MgCl2的替代可达到与3% NaCl相似的咸味感知,并且在某些特定的程度上还能起到增鲜提味的作用。

  基于钙镁钾盐替代的低钠盐CSS-MP复合凝胶中,CaCl2替代组的凝胶特性优于其他氯盐替代组。然而,与KCl替代组比,CaCl2替代组和MgCl2替代组表现出较弱的持水力。在感官特性方面,1.0% CaCl2和0.5% MgCl2的替代可达到与3% NaCl相似的咸味感知,综合感官评分结果为3 种氯盐以特殊的比例替代NaCl对低钠盐CSS-MP复合凝胶的感官特性没有显著影响。

  肌原纤维蛋白(MP)是肌肉中具备极其重大生物学功能的盐溶性蛋白质,其热诱导凝胶特性是影响凝胶类肉糜制品品质的决定因素。相比于其他肉糜类凝胶,鱼糜凝胶性能往往较差,通过添加不同多糖,如淀粉、亲水胶体、膳食纤维等形成复合凝胶,可改善鱼糜凝胶特性。薏米俗称“药王米”,具有免疫调节、降血糖、抗炎等功效,再加上其药食同源性的特点,使薏米的研究与开发非常关注,其中薏米淀粉(CSS)占薏米质量的60%左右。CSS作为一种新型的小颗粒淀粉资源,由于颗粒的结构、直链和支链淀粉含量、溶胀特性、糊化特性等特性,使其在工业应用中发挥独特的作用。NaCl是生产以盐溶MP凝胶为基础的鱼糜产品的必要条件,但考虑到Na+摄入过多会导致高血压、心血管疾病等健康问题,但直接降低NaCl含量可能会引起鱼糜凝胶的劣化。为了在低钠盐条件下仍能保持鱼糜凝胶特性,可用一些对身体有好处的阳离子来替代部分Na+,如利用K+、Mg2+、Ca2+等,以维持或改善鱼糜的凝胶性质,使鱼糜产品更适合食用。