CMC與CMC-Na改性雞蛋清蛋白溶膠-凝膠性質研究

徐保立，李 斌，朱 波，夏 瑩，范勁松，鄭曉東，蔡 杰，馬美湖

(華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070)

CMC與CMC-Na改性雞蛋清蛋白溶膠-凝膠性質研究

徐保立，李 斌*，朱 波，夏 瑩，范勁松，鄭曉東，蔡 杰，馬美湖

(華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070)

將一定質量分數的離子型多糖羧甲基纖維素(CMC)與羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)分別溶于蛋清中，冷凍干燥后，將得到的樣品置于相對濕度為75%的環境中干熱反應一定時間后，通過質構分析、色度分析、SDS-PAGE、差示掃描量熱分析、掃描電子顯微鏡研究雞蛋清蛋白與CMC及CMC-Na交聯改性后性質的變化。結果表明：反應溫度60℃、反應時間2d時，各樣品的凝膠強度顯著增大，凝膠的微觀網絡更為均勻致密，蛋清粉中的小分子質量蛋白質減少。證明適度的反應可增強蛋清粉的凝膠強度，但隨時間延長，過度反應則會造成分子質量過大、溶解度下降，色澤顯著加深。起泡性的分析表明：各反應2d后樣品的起泡性均明顯增強，其中以60℃，添加0.25%的CMC和CMC-Na的起泡力最強，分別增大了0.6倍和0.5倍，泡沫穩定性亦明顯增強。證明在此反應條件下，可獲得同時兼顧較高凝膠性和較高起泡性的新型蛋白粉。

蛋清蛋白；羧甲基纖維素；交聯反應；凝膠強度

蛋白質-糖類糖基化反應，是以共價鍵的形式將碳水化合物與蛋白質分子上的α-或ε-氨基連接而生成糖基化蛋白質的反應。但低分子質量還原糖與蛋清蛋白發生的糖基化反應容易發生褐變[1]。而多糖與蛋白質發生的麥拉德反應條件溫和，且提高蛋白質凝膠性更為明顯，所以目前利用多糖對蛋白質糖基化是該領域的研究重點，如在蛋清中添加硫酸葡聚糖和半乳甘露聚糖，通過糖基化修飾后蛋清蛋白質的凝膠性、透明性、持水性均有提高。將大豆分離蛋白或蛋清粉與多糖(或多糖水解物)干熱反應數天，用于改善凝膠性、乳化性或起泡性效果顯著，且產物色澤、溶解性均可接受[2-4]。研究發現，將乳清蛋白或大豆分離蛋白與羧甲基纖維素(CMC)在60℃反應數天后，其乳化穩定性明顯提高[5-6]。

利用碳水化合物與蛋清粉蛋白的麥拉德反應，制備高凝膠性蛋清粉已有較多研究。但采用具有強親水性的離子型多糖，如CMC對蛋清粉進行改性的研究尚未見報道，然而由于CMC具備一定取代度的羧基及其可能參與的酯化、縮合反應，必然對改性產物的性能產生影響，特別是對表面活性產生影響。本實驗采用CMC和CMC-Na與蛋清粉熱改性后，對其凝膠性和起泡性進行研究，并對其機理進行初步探討，以開發可能會同時兼備高凝膠性和高起泡性的蛋白粉。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮雞蛋 市售；葡萄糖氧化酶(生化試劑) 上海晶純試劑有限公司；溴化鉀(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司；羧甲基纖維素(分析純) 天津市科密歐化學試劑有限公司；羧甲基纖維素鈉(化學純) 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

HH-4數顯恒溫水浴鍋、JJ-1精密增力電動攪拌器常州國華電器有限公司；5000S掃描儀 BenQ公司；NDJ-83數字顯示黏度計測定 上海精密科學儀器有限公司；Beta2-8LD真空冷凍干燥機 德國Christ公司；204-F1差示掃描量熱儀 德國Netzsch公司；DYY-12電泳儀 北京市六一儀器廠；BCD-175冰箱 合肥美菱股份有限公司；FG04高速分散機 江陰精細化工機械廠；TA.XT.PLUS質構儀 英國Stable Micro Sys公司；JSM-6390LV掃描電子顯微鏡 日本NTC公司。

1.3 方法

1.3.1 原料的制備

將鮮雞蛋的蛋清手工分離，用高速分散機35r/s攪拌20min，靜置1h棄除底層臍帶等雜質，用1mol/L的HCl溶液將其pH值調至6.7～7.2，按100mg/kg蛋清的比例加入葡萄糖氧化酶(GOD)，30℃水浴3h，按表1所示加入7%的雙氧水脫糖[7]。

脫糖完畢后，將其配制成含CMC和CMC-Na的質量分數分別為0.25%、0.5%、1%的溶液，冷凍干燥得到不同CMC與CMC-Na含量的蛋清粉樣品，分別記為0.25%CMC、0.5% CMC、1% CMC和0.25%CMC-Na、0.5% CMC-Na、1%CMC-Na。將冷凍干燥得到的樣品置于相對濕度75%(底部放置KBr飽和溶液)的干燥器中，分別在60℃和70℃反應數天，每隔一定時間取樣檢測[8]。

表1 葡萄糖氧化酶脫糖方法Table1 Elimination of glucose in egg white using glucose oxidase

1.3.2 色度的測定

將樣品用5000SBenQ掃描儀掃描所得圖片用Vision.Builder AI 6.3分析得出L*、a*及 b*[9]。L*：亮度；a*：紅(＋)或綠(－)；b*：黃(＋)或藍(－)。

1.3.3 凝膠制備及凝膠強度的測定

將樣品配制成固含量為10%的溶液在凝膠溫度90℃、凝膠時間30min的條件下制備凝膠，于4℃冰箱中放置14h，利用物性測試儀的P0.5探頭，測定雞蛋清的凝膠強度(用測定所得硬度表示，平行樣n=6)[10]測定條件如下：測前速度：5mm/s；測試速度：1mm/s；測后速度：5 mm/s；壓縮比：5 0%；觸發力：5 g。

1.3.4 起泡性的測定

室溫下將各樣品配成固含量為5%的溶液后，各取70mL于直徑為40mm的圓柱形玻璃瓶中，使用JJ-1精密增力電動攪拌器在2000r/min條件下攪打 2min，測定泡沫體積(V0)，將其靜置30min后，測定泡沫體積(V1)。起泡力(FAI)和泡沫穩定性(FS)的計算方法分別如下[11]：

1.3.5 SDS-PAGE分析

十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)8%分離膠，5%濃縮膠。樣品質量濃度為1mg/mL、上樣量為10μL、濃縮膠電泳電壓60V、電流50mA、分離膠電壓110V、電流50mA。染色液采用質量分數為0.25%的考馬斯亮藍R-250染色液(取1.25g考馬斯亮蘭R-250，加甲醇227mL、冰醋酸46mL、蒸餾水227mL、溶解混勻后過濾備用)，脫色用0.5mol/L的NaCl脫色液[12]。

1.3.6 差示掃描量熱分析

利用Netzsch DSC 204 F1型差示掃描量熱儀研究樣品熱特性。利用純金屬銦(99.99%)校正儀器的溫度和熱焓。準確稱取5mg樣品樣品放入蓋子中心帶孔的鋁坩堝中，密封，用相同的空坩堝作參比。以5℃/min從25℃加熱到200℃。整個過程均在干燥N2下進行，吹掃氣20mL/min，保護氣60mL/min。

1.3.7 凝膠掃描電鏡分析

將所需樣品制備成凝膠后切片，用0.2%戊二醛溶液固定12h后，漂洗，然后經體積分數為50%、70%、90%、100%的乙醇梯度脫水，用醋酸異戊酯置換出乙醇，臨界點干燥，經離子濺射儀噴金后，于掃描電子顯微鏡下觀察其網絡結構、拍照[13]。

2 結果與分析

2.1 凝膠強度分析

圖1 反應時間對CMC蛋清粉凝膠強度影響Fig.1 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(60 ℃, CMC)

圖2 反應時間對CMC-Na蛋清粉凝膠強度的影響Fig.2 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(60 ℃, CMC-Na)

由圖1、2可知，當反應溫度為60℃時，CMC與CMC-Na的質量分數為0.25%和0.5%的樣品的凝膠強度均隨反應時間的延長先增大后降低，在反應時間為2d時，凝膠強度均達到最大值，此時含量分別為0.25%和0.5%的CMC凝膠強度分別增大104%和79%，0.25%和0.5%的CMC-Na凝膠強度分別增大111%和67%而后隨反應時間的延長而逐步降低。CMC與CMC-Na的質量分數為1%的樣品的凝膠強度均隨反應時間的延長而降低。

由圖3、4可知，當反應溫度為70℃時，0.25%CMC與0.25%CMC-Na的凝膠強度均隨反應時間的延長先增大后降低，在反應時間為1d時，凝膠強度最大，此時其凝膠強度分別增大86%和67% 。CMC與CMC-Na的質量分數為0.5%和1%的樣品的凝膠強度均隨反應時間的延長而降低，反應時間為4d時其形成的凝膠強度已十分微弱。

圖3 反應時間對CMC蛋清粉凝膠強度影響Fig.3 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(70 ℃, CMC)

圖4 反應時間對CMC-Na蛋清粉凝膠強度的影響Fig.4 Effect of reaction time on gel strength of egg white powder(70 ℃, CMC-Na)

2.2 樣品色度分析

表2 反應過程中CMC和CMC-Na蛋清粉色度的變化Table2 Chromaticity change of egg white powder during reaction

續表2

實驗所用蛋清粉雖經脫糖處理，但脫糖不可能將所含葡萄糖完全脫除，故高溫下易于發生美拉德反應，產生褐變、不良風味，影響產品的感官品質[14-15]。由表2可知，各樣品在反應過程中均發生了不同程度的褐變反應。反應溫度為60℃時，L*隨反應時間的延長而不斷變??；70℃時，反應2d后，各樣品L*趨于穩定。含CMC的樣品的a*均在反應時間為1d時出現一個最小值，而后逐漸增大。反應溫度為60℃時，含CMC-Na的樣品的a*在反應時間為4d前隨時間的延長而逐漸增大，4d后a*趨于穩定；而反應溫度為70℃時，2d后a*即趨于穩定。反應1d后各樣品的b*明顯增大，而后基本趨于穩定值。由上述結果可知，蛋清粉在反應過程中均發生了不同程度的褐變，反應溫度為60℃時的褐變程度要比70℃小。

2.3 起泡性分析

圖5 改性前后蛋清粉的起泡力比較Fig.5 Change of FAI of egg white powder after modification (2 d)

圖6 改性前后蛋清粉的泡沫穩定性比較Fig.6 Change of FS of egg white powder after modification (2 d)

由于反應2d后樣品的凝膠強度較高，本實驗取反應2d的樣品測定其起泡力(FAI)和泡沫穩定(FS)，結果如圖5和圖6所示。由圖5可知，各反應2d后樣品的起泡力均明顯增強，并且CMC和CMC-Na的質量分數越小，起泡力越好，其中以0.25%的CMC和CMC-Na的起泡力最強，分別增大0.6和0.5倍。70℃反應2d后樣品的起泡力比60℃反應得到的樣品略小。由圖6可看出，各組的泡沫穩定性分別隨CMC和CMC-Na含量的增大而降低。反應溫度為60℃時比70℃得到樣品的起泡力和泡沫穩定性好。

2.4 SDS-PAGE分析

為了研究雞蛋清蛋白與CMC及CMC-Na改性后其蛋白質分子交聯程度的變化，利用SDS-PAGE對脫糖蛋清粉及交聯反應后的蛋清粉進行分子質量分析，結果如圖7所示。

圖7 改性前后蛋清粉的SDS-PAGE照片Fig.7 SDS-PAGE of egg white powder before and after modification

由圖7可知，與脫糖蛋清粉相比，各交聯后樣品的蛋白質分子質量均明顯增大，蛋白質溶解度降低，小分子質量蛋白減少，且反應時間的延長和反應溫度的升高可加劇小分子質量蛋白質減少的程度，故各樣品的交聯度亦隨反應時間的延長和反應溫度的升高而變大。電泳圖譜中條帶顏色的深淺亦可反映出蛋清粉溶解度的變化。結果表明，蛋清粉的溶解度亦隨反應時間和反應溫度的升高而逐漸降低，其中樣品在70℃反應6d后圖中只能看出微弱的條帶，溶解度非常低，而60℃反應2d的樣品溶解度與改性前相比無明顯變化。

2.5 差示掃描量熱分析

將改性2d與未改性的蛋清粉進行DSC分析結果如圖8、9所示。結果表明，6個樣品均在50～100℃之間出現一個明顯的吸熱寬峰，蛋清蛋白的主要變性溫度在60～90℃之間，然而由于改性后的樣品分別在60℃和70℃下反應了2d，故其變性溫度應分別在60℃和70℃以上。由于CMC、CMC-Na及蛋清蛋白均具有較好的親水性，樣品中含有一定量的水分，因此升溫過程中水分不斷散失吸熱。樣品與水的相互作用弱，則加熱過程中更快、更容易散失，吸熱峰出現的早結束的早；相反，與水的相互作用力強，吸熱峰出現的晚結束的晚。未改性的0.25%CMC-Na及0.25%CMC的峰值分別為46.94℃和56.97℃，而各樣品改性后的峰值均在55℃左右，熱焓值明顯增大。這可能是由于CMC-Na 及CMC的加入影響了蛋清蛋白的熱力學性質。

圖8 改性前蛋清粉和改性后CMC-Na蛋清粉DSC圖譜Fig.8 DSC curves of egg white powder before and after modification(CMC-Na)

圖9 改性前蛋清粉和改性后CMC蛋清粉DSC圖譜Fig.9 DSC curves of egg white powder before and after modification(CMC)

2.6 凝膠掃描電鏡分析

為了從微觀結構上對改性后蛋清粉凝膠強度增加的機理進行分析探討，對改性前后CMC和CMC-Na含量均為0.25%的樣品凝膠進行SEM分析，結果如圖10所示。結果表明，樣品反應2d后其凝膠網絡結構變得更為均勻緊密，而以60℃反應2d后的樣品凝膠網絡結構最為緊密均勻。各組樣品中含0.25%CMC-Na的樣品凝膠網絡結構均比含0.25%CMC的樣品凝膠網絡結構均勻緊密。這與2.1節得出的凝膠強度60℃反應2d后的樣品凝膠強度最強的結論相符合。

圖10 改性前后蛋清粉凝膠的SEM照片(×1000)Fig.10 SEM of egg white gel before and after modification (×1000)

3 討 論

脫糖蛋清粉經與CMC和CMC-Na的改性后，發生了交聯聚合反應[16]，凝膠強度、表觀黏度等均發生變化，反應溫度為60℃、反應時間為2d時各樣品的凝膠強度達到最大值，且60℃反應溫度下得到的樣品的凝膠強度比70℃強，褐變程度較低，可以被用于食品工業中。起泡性的分析表明，各反應2d后樣品的起泡性均明顯增強，其中以60℃，添加0.25%的CMC和CMC-Na的起泡力最強，分別增大 0.6和0.5倍，泡沫穩定性亦明顯增強。通過SDS-PAGE凝膠電泳和SEM分析得出，小分子質量蛋白含量明顯降低，說明蛋白質分子與CMC或CMC-Na之間，或者蛋白質分子之間發生了交聯反應[16]。結果表明，適度的交聯反應可以增大蛋清粉的凝膠強度，提高起泡力和泡沫穩定性，而過度交聯則會造成分子質量過大、溶解度降低等，進而影響蛋清粉的各種功能性質[17]。因此，在生產中可根據對產品的不同需求，調整生產工藝，制備高凝膠性或高起泡性等專用蛋清粉。

利用碳水化合物與蛋清粉蛋白的美拉德反應，制備高凝膠性蛋白粉已有較多研究。但采用具有強親水性的離子型多糖羧甲基纖維素及羧甲基纖維素鈉對蛋清粉進行改性的研究尚未見報道，然而由于CMC具備一定取代度的羧基及其可能參與的酯化、縮合反應，必然對改性產物的性能產生影響，特別是對表面活性產生影響。對于蛋清粉與CMC和CMC-Na改性后功能性質和結構變化仍需進一步研究。

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Properties Improvement of Egg Albumen by Conjugation with CMC or CMC-Na

XU Bao-li，LI Bin*，ZHU Bo，XIA Ying，FAN Jin-song，ZHENG Xiao-dong，CAI Jie，MA Mei-hu
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Egg white was blended with sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na) or carboxymethyl cellulose (CMC) of certain concentration respectively, and the dry-heated products were obtained at relative humidity (75%) after freeze drying. The products were analyzed on gel strength, color scale, scanning electron microscope observation, SDS-PAGE, and Differential Scanning Calorimetric (DSC) at intervals. The results showed that a significant increase in the gel strength of egg white, more uniform and compact gel network structure and a significant reduction in the content of proteins with small molecular weight were found after 2 days of reaction at 60 ℃. The foaming capacity of egg albumen was found to be enhanced significantly by 2-day-long reaction, but the excessive cross-linking might lead to a large molecular weight, decrease the solubility of egg white powder and darken its color. Adding CMC or CMC-Na at a concentration of 0.25% resulted in the best foaming capacity at 60 ℃, with 0.6-fold and 0.5-fold increases in comparison with a blank sample, respectively and meanwhile, a significant improvement was observed for foam stability. It was proved that a novel egg white powder with both higher gel property and foaming capacity can be obtained under the reaction conditions.

egg albumen；carboxymethyl cellulose；crosslinking reaction；gel strength

TS253.1

A

1002-6630(2011)03-0040-06

2010-05-23

國家“863”計劃項目(2007AA10Z310；2007AA100408)；教育部新世紀優秀人才項目(NECT-2007073)；湖北省杰出青年人才基金項目(2007ABB016)

徐保立(1984—)，男，碩士研究生，研究方向為肉類蛋品化學。E-mail：baoli84@163.com

*通信作者：李斌(1972—)，男，教授，博士，研究方向為食物大分子化學與工藝學。E-mail：libinfood@mail.hzau.edu.cn