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超高压对食品蛋白凝胶性的影响研究进展

    近年来超高压处理(UHP)作为一种新型的技术被广泛应用于食品蛋白质的改性，蛋白质经超高压处理后，其分子构象会发生改变，并随之带来诸多功能特性的改变，包括溶解性、吸水性、吸油性、乳化性、凝胶性等，其作用效果取决于蛋白质种类、结构、压力、处理时间及溶剂性质等[1]。本文将在明确蛋白凝胶形成机理的基础上，着重就近年来超高压对食品蛋白凝胶及结构特性的影响进行综述，旨在为蛋白质凝胶性与结构之间关系的深入研究，以及将蛋白质作为一种功能性配料添加在肉制品和火腿肠中的应用提供一定的理论依据。
    1 ·超高压对蛋白质凝胶性影响的研究
    蛋白质凝胶是指变性或非变性蛋白质的有序聚集而形成的三维网状结构，是吸引力和排斥力相平衡得到的大分子复合体[2]。蛋白分散于水中形成溶胶体，溶胶体在一定条件下可转变为凝胶。蛋白凝胶化是一个复杂的过程，主要包括蛋白质分子链的伸展、分裂、结合及聚集4个历程。例如球状的蛋白质分子在加热的条件下，其肽链开始伸展，使原来包裹在分子内部的二硫键、疏水键等功能基团暴露出来，导致相邻的分子通过氢键、二硫键、疏水键、范德华力以及静电等作用力交联形成具有网状的三维空间结构，进而将水和其他成分包络起来形成凝胶[3]。
    超高压对蛋白凝胶性的影响受到多种因素的制约，包括蛋白的种类及浓度、处理压力、保压时间、保压温度、添加剂的种类及pH值等，这些因素对凝胶的形成及功能特性的改善起到至关重要的作用。
    1.1 蛋白的种类及质量分数
    蛋白的种类及质量分数对凝胶的形成起着关键的作用，是最重要的影响因素之一。蛋白的种类很多，但并不是所有的蛋白都具有良好的凝胶特性，且不同种类的蛋白质所形成凝胶的质构特性也存在不同程度的差别。Molina等[4]研究表明，在中性条件下，对质量分数为12%的大豆分离蛋白、7S球蛋白和11S球蛋白进行300～700MPa处理，在压力处理前进行热处理，除11S球蛋白不能形成凝胶外其他都能形成凝胶。
    除蛋白种类影响凝胶的形成外，蛋白质溶液质量分数也对其有影响，在一定范围内，蛋白质量分数越高，凝胶的强度越大，但超过一定的质量分数也对凝胶产生不利的影响。Briscoe[5]、Gosal[6]等对乳清浓缩蛋白和β-乳球蛋白形成的凝胶进行了研究，发现随着蛋白质量分数的增加，乳清浓缩蛋白的非结合液体减少，而β-乳球蛋白的非结合液体增加，乳清浓缩蛋白形成的凝胶强度要高于β-乳球蛋白。Pedro等[7]对大豆蛋白流变学性质的研究发现，蛋白质质量分数对弹性模量(G’)和黏性模量(G’)的影响显著，二者都随质量分数的增加而增加，对质量分数高于10%的大豆浓缩蛋白(SPC)，增加压力和延长保持时间导致弹性G’和黏性G’的增加。He等[8]使用原位光散射研究了压力诱导乳清蛋白(WPI)溶液(20%～28%)形成凝胶的动力学过程，发现在250MPa压力处理下，溶液可形成凝胶，凝胶保持时间随质量分数的增加而减小，并遵循一定的指数规律。在超高压处理下，不同的蛋白种类和蛋白质量分数所形成的凝胶有所不同，在具体的改性研究和实际生产中都是一个必须考虑的重要因素。
    1.2 压力
    研究报道表明，对蛋白质加压处理能够使其形成稳定的凝胶，并且加压所形成的凝胶相对于热处理来说有着无可比拟的优点。陈复生[2]对经过超高压和加热处理的大豆蛋白质凝胶的物化特性作出了较全面的比较，发现在超高压处理后光泽、透明感、组织细腻程度、爽滑程度、延展性、附着性等特性方面有很大改善，而在色泽、风味、硬度等特性方面变化较小，而热处理的结果恰恰相反。王苑等[9]经研究认为将鸡肉肌原纤维蛋白和大豆分离蛋白按体积比1:1混合的凝胶经100MPa高压预处理后，经55℃加热20min，发现可以形成较好的凝胶，其硬度、弹性、保水性比未经高压处理的都有显著提高，分别提高了35.50%、27.71%、47.29%，凝胶结构也更加均匀致密，但当压力超过200MPa并不利于大豆分离蛋白和肌原纤维蛋白凝胶特性的改善。方红美等[10]同样发现300MPa的压力会导致受压鸡肉凝胶亮度值的减小。胡飞华等[11]也发现在200MPa时鱼糜开始形成凝胶，诱导鱼糜凝胶更致密，能获得更好的品质，并提高凝胶的保水性能，更有利于保持鱼糜凝胶特性在贮藏过程中的稳定性，300MPa时其凝胶强度达到最大值为370.29g/cm2，在大于300MPa时出现鱼糜凝胶强度减低的现象。罗晓玲等[12]研究发现200～500MPa可显著提高复合马鲛鱼鱼糜的凝胶强度，在300～500MPa区间范围内，复合马鲛鱼鱼糜硬度和咀嚼性得到了显著提高，同时弹性和黏聚性略有提高。张宇昊等[13]在研究鱼皮凝胶过程中发现，在0～300MPa范围内随着处理压力的升高，凝胶强度呈上升趋势，300MPa时达到282g，极显著高于200MPa时的凝胶强度(P＜0.01)。但随着处理压力的继续升高，作用压力对于凝胶强度变化无显著影响。因此根据生产中对产品特性的实际需求，针对不同原料摸索适当的压力条件是尤为必要的。
    1.3 保压温度
    超高压处理期间物料温度对凝胶特性的影响分为以下两种情况：1)当温度较低时，表现出压力的影响；2)当温度较高时则为高压和加热2种方式的协同影响。胡飞华等[11]在研究梅鱼鱼糜凝胶特性时，发现在10～60℃范围内，随着温度的升高，不利于凝胶强度的改善，当协同温度大于20℃时，凝胶强度显著下降，随着协同温度的升高，尤其是温度在50～60℃，蛋白质凝胶网络结构容易被破坏，导致凝胶特性急剧下降。张宇昊等[13]研究鱼皮凝胶过程时发现，当提取温度为50℃时，明胶凝胶强度达到285.5g，明胶得率为71.15%，两项指标均极显著高于40℃条件下提取的明胶(P＜0.01)；随着温度的进一步提高，明胶凝胶强度呈下降趋势，尤其是当提取温度达到70℃后，凝胶强度极显著下降(P＜0.01)。
    因此在超高压处理中，压力和温度是一个矛盾统一体，同时还要考虑不同的蛋白质来源所需要采用的温度和压力条件的差别。在重点研究超高压处理对凝胶特性的影响时，一定要考虑温度和压力两个因素之间是否存在交互作用，如果存在则要考察在实验或生产条件下所体现的是协同增效或是相反的作用。
    1.4 保压时间
    保压时间与压力大小是相辅相成的两个因素，二者通过相互的作用对凝胶强度和功能特性产生影响。马力量[14]研究发现在保压时间5～15min范围内，在300MPa压力条件下，鸡肉凝胶的亮度值随保压时间的延续而依次增加，而保压时间的变化对鸡肉凝胶的其他品质参数无显著的影响。保压时间对蛋白质凝胶形成的质构特性具有很大的影响，尤其是在超过300MPa压力处理下，保压时间的控制要求更加精准；同时还发现加压处理鸡肉凝胶亮度显著下降以及凝胶硬度、弹性、黏结性和咀嚼性显著增加，且能够降低凝胶的蒸煮损失率，提高产品的出品率。张宇昊等[12]研究鱼皮凝胶过程时发现在0～10min范围内，随着超高压作用时间的延长明胶凝胶强度呈上升趋势，超高压处理10min后提取的样品，凝胶强度可达274.1g。但当超过10min后，超高压作用时间对样品凝胶强度变化无显著影响。
    1.5 添加剂
    添加剂的存在对凝胶的形成及特性会产生很大的影响。Speroni等[15]研究发现在钙含量为2～25mmol/L存在的情况下，经高压处理后大豆分离蛋白、大豆蛋白7S富集组分、大豆蛋白11S富集组分的热凝胶表现出低的变性程度，凝胶的硬度比未添加钙时要高。Pilar等[16]在研究高压条件对无磷酸盐卵清蛋白形成凝胶的影响时发现，添加微生物谷氨酰胺转移酶(MTGase)的凝胶相比于无酶(NE)或加热获得的凝胶，其凝胶特性显著提高，在700～900MPa得到的凝胶更黑、更红，凝胶更均匀，结构更紧凑。Fort等[17]对含有不同浓度MTGase的血浆(400MPa，室温，pH7)加压不同的时间，相比于对照样品，在高压条件下处理的血浆凝胶特性显著提高，每克血浆蛋白质用3.3单位MTGase，高压处理30min时的改善效果最佳；通过与加热获得的凝胶特性相比，得到49%的回收率、63%的断裂力(凝胶强度)和断裂距离(凝胶变形能力)。
    不同种类的蛋白质，具有不同的结构和空间构象，其所具有的功能基团的分布也有所不同，同样，添加剂的不同种类和来源也决定了其分子的大小、形状和电荷分布的差别，因此，根据研发和目标产品所需要展现的实际特性，针对选用的不同种类的蛋白质来筛选适宜的添加剂种类和用量，从而改善蛋白的某些物化特性。
    1.6 pH值
    除了以上众多因素的影响外，超高压诱导凝胶的形成还受到溶液pH值的影响。Skelte[18]采用200～600MPa的压力处理pH6.4～7.3之间的脱脂牛奶30min，然后用葡萄糖酸-δ-内酯缓慢酸化形成酸凝胶，发现低pH值牛奶形成的酸凝胶弹性模量(最终G’)和屈服应力低，而较高pH值牛奶生成的酸凝胶具有较高的弹性模量最终G’和屈服应力。Oh等[19]研究超高压对添加淀粉的脱脂牛奶所形成凝胶的作用时发现，在高压处理前分别调整样品的pH值到6.5、6.6和6.9时，随着pH值的增加，添加玉米淀粉形成凝胶的存储模量显著增加，而添加马铃薯淀粉的存储模量增加并不显著。
    2· 超高压对蛋白质结构特性影响的研究
    通过现有的研究发现，超高压处理对蛋白质一级结构无影响，而对其二、三级结构产生不同程度的影响，迫使蛋白质原始结构伸展，氢键结合、疏水结合、离子结合等非共有结合发生变化从而导致蛋白质发生变性，功能特性随之发生改变[20]。
    2.1 超高压对蛋白质一级结构变化的影响
    一级结构是由多肽链中的氨基酸顺序决定的，迄今为止还没有有关高压对蛋白质一级结构影响的报道，一般认为目前所达到的压力对一级结构尚无影响[2]。
    2.2 超高压对蛋白质二级结构变化的影响
    蛋白质的二级结构是多肽链沿一维空间的规则性循环式排列；也指多肽链沿着某个轴盘旋转或折叠，并以氢键维系的作用力而形成的有规则的构象，如α-螺旋、β-折叠以及β-转角等[20]。
    Sekai等[21]研究发现，高压处理蛋清蛋白和乳清蛋白混合物所形成的凝胶，经拉曼光谱扫描看出，酰胺Ⅲ区(980～990cm-1处)β-折叠结构发生变化，其含量明显降低，与未处理前结构相比，在疏水区域、酪氨酸(1207cm-1处)、色氨酸(880cm-1处)和CH2弯曲振动处发生了显著变化。胡飞华等[11]研究结果表明，肌原纤维蛋白随着压力的增大α-螺旋和β-折叠含量逐渐下降，β-转角和无规则卷曲含量则逐渐上升，同一压力条件下随着时间的延长，α-螺旋含量逐渐减少，而β-折叠和无规则卷曲含量则先增加后减少，β-转角含量逐渐增加，500MPa压力处理15min对肌原纤维蛋白二级结构的影响尤为显著，α-螺旋和β-折叠含量分别下降到21.57%和31.81%，β-转角和无规则卷曲含量则上升到39.49%和7.13%。汪之和等[22]发现α-螺旋结构是维持鳊鱼糜蛋白质网状结构的主要构象，在冷藏过程中，部分α-螺旋结构转变成无规则卷曲，使包埋于肌球蛋白分子内的疏水性残基暴露于分子表面，从而发生蛋白变性；温度越高无规则卷曲结构越多，蛋白变性程度越大导致凝胶强度降低越多。
    2.3 超高压对蛋白质三级结构变化的影响
    巯基和二硫键的变化以及蛋白质表面疏水作用是维持蛋白质三级结构的主要作用力。在蛋白质构象中，二硫键是指两个硫原子之间的化学键，其可以把不同的肽链或同一条肽链的不同部分连接起来，对稳定蛋白质的构象同样起着非常重要的作用。疏水作用力是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而聚集在一起的相互作用力，在蛋白质的肽链上相隔较远的氨基酸残基间的疏水作用力对稳定蛋白质的三、四级结构具有重要作用[20]。
    Puppo等[23]研究表明大豆分离蛋白溶液微碱性(pH8)经超过200MPa处理后表面疏水性增加，而二硫键含量减少，而强酸性pH3的大豆分离蛋白溶液在400MPa后，巯基含量才开始减少。Kiffer等[24]研究表明压力在200MPa以上，可使小麦面筋蛋白的巯基含量增加。阎微[25]研究结果表明在压力为100～500MPa范围内处理蛋黄蛋白质，其表面疏水作用和巯基含量随着压力的增加而减少，在400MPa以上巯基含量急剧减少。Speroni等[26]发现高压600MPa促进了β-伴大豆球蛋白的凝胶化，压力处理诱发生成了疏水键和二硫键。从众多的研究可以看出，超高压处理可以导致三级结构的变化，从而导致凝胶性能的改变。
    2.4 超高压对蛋白质四级结构变化的影响
    四级结构是由一些紧密结构聚集而形成的，主要是靠对压力十分敏感的疏水作用来稳定的。适当的压力(＜150MPa)能促进低聚蛋白质结构的解离，同时伴随着体积的减小，有时变化很大。一般来说，低聚物解离的压力要低于单体分子的解链(＜150MPa)。压力大于150MPa诱使蛋白质伸展，并能使分裂的低聚体亚基再聚合。如，β-酪蛋白在150MPa条件以下发生可逆解聚，但高于此压力又可发生依赖温度的可逆聚合。压力导致解离的亚单位随着时间的不同发生结构的变化，酪蛋白亚基被离子和疏水力结合在一起。球状蛋白在压力作用下产生的变性，能导致聚合，最终凝胶化或凝结[27]。超高压处理使蛋白的微观结构发生了很大的变化，国内外学者通过各个角度进行了研究分析，但超高压对蛋白结构的影响机理及其与凝胶性变化的关系还缺少系统性的研究，这在以后的研究中有待于加强，使其更加明确。
    3 ·结 语
    凝胶性作为蛋白质功能特性研究的热点，因其网状结构可吸附水分、脂肪、风味物质、糖及其他食品成分，广泛应用于食品加工的各个领域，研究并开发出一种凝胶性能好的蛋白质产品对食品加工的发展具有重要意义。但从目前的研究来看，仍然存在一些问题，某些方面需要进一步深入研究，包括：1)研究学者对不同蛋白质所形成凝胶的工艺已有一定的研究，从目前的研究来看，所用蛋白质原料大多是粗提物，粗提物中含有不同的组分，其不同组分所形成凝胶的工艺研究不够；2)如何将超高压后凝胶性能较好的蛋白质结合实际生产应用在肉制品和火腿肠等产品生产中，以产生合理的经济效益和更好地服务广大消费者，目前尚未研究；3)在理论研究方面，超高压后蛋白质形成凝胶的机理和作用规律以及凝胶过程中蛋白质空间构象的改变与功能特性变化之间的构效关系研究不够透彻。
    针对以上存在的问题，今后对超高压后蛋白质凝胶性的研究应侧重以下几个方面；1)不同的蛋白质种类经超高压后所形成的凝胶有所不同，由于不同蛋白质所含组分存在差异，应全面研究蛋白质种类及其组分所形成凝胶的工艺和差别，同时还应考虑各组分之间的协同作用，此外蛋白质中存在的糖、酚等物质对凝胶形成有一定的影响，在研究过程中也应加以考虑，以找出一种最适合加工的凝胶型蛋白质物质；2)超高压作为一种非热加工方式，其对蛋白质凝胶及其他功能特性的改良方面具有很大的优势和前景，但由于超高压技术储备不足、设备昂贵等问题是影响超高压技术产业化的主要瓶颈，可将超高压与其他加工方式比如热处理结合起来协同处理蛋白质，使其凝胶性达到最好的效果，同时在产业化过程中，蛋白质通常是作为一种功能性配料与其他主料混合加工成产品，在考虑蛋白质凝胶性的影响外，还应充分考虑蛋白质与其他主料之间的配合效应；3)超高压改性蛋白的基础理论研究相对薄弱，蛋白凝胶形成过程中蛋白质空间构象改变与功能特性变化之间的构效关系究将是以后研究的重点。

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