不同食用蛋白的添加 對鯉魚魚糜流變和凝膠特性的影響

崔旭海,畢海丹,崔曉瑩,甄宗圓,趙文亞

(棗莊學院食品科學與制藥工程學院,山東棗莊 277160)

我國淡水資源豐富,鯉魚作為淡水魚中具有代表性的魚種之一,具有生長繁殖快、分布廣、產量高、價格低廉等優點,是加工淡水魚糜的優良原料[1]。但鯉魚魚糜的凝膠性能不如海水魚,因此如何提高鯉魚魚糜品質,一直成為關注焦點[1-2]。

目前,利用非肌肉食用蛋白來提高魚糜品質已經成為研究熱點,關于大豆蛋白、乳清蛋白、谷朊粉、花生蛋白、卵清蛋白、豬血漿蛋白等不同食用蛋白的添加對魚糜凝膠的改善作用有過一些報道[3-10]。陳海華等[3-4]研究發現,添加大豆分離蛋白和谷朊粉能提高竹莢魚魚糜凝膠的持水性,適量添加乳清蛋白可以增強魚糜制品的凝膠強度并抑制凝膠劣化。夏培浩等[5]研究發現,乳清蛋白、卵清蛋白、豬血漿蛋白、大豆蛋白等蛋白的添加對竹莢魚魚糜的凝膠劣化有一定的抑制作用。陳康等[6]對魚糜的研究也獲得了類似的結果。大量的研究表明,魚糜中適量的添加非肌肉蛋白不僅起到填充物和營養強化作用,也可提高其凝膠強度與保水性,但是目前多數集中在對海洋魚類的凝膠性能研究[11-14],而對淡水魚糜尤其是鯉魚魚糜添加食用蛋白后對其流變性和凝膠品質的影響規律還不清楚,對適合添加的蛋白種類和添加量還不明確。

因此,本研究主要探討大豆分離蛋白(SPI)、乳清分離蛋白(WPI)、花生分離蛋白(PPI)的添加對鯉魚魚糜流變和凝膠特性的影響,以期為食用蛋白在魚糜制品中的工業應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

鮮活鯉魚(每尾質量1000～1500 g) 棗莊大潤發超市;大豆分離蛋白(SPI,蛋白含量90%) 臨沂山松生物制品有限公司;乳清分離蛋白(WPI,蛋白含量90%) 安徽中旭生物科技有限公司;花生分離蛋白(PPI,蛋白含量90%) 河南昌益生物科技有限公司;食鹽(食品級) 棗莊大潤發超市。

LFRA型質構儀 美國Brookfield公司;MCR301型旋轉流變儀 奧地利安東帕公司;WSC-S型色差計 上海儀電物理光學儀器有限公司;ZB-20型斬拌機 諸城市瑞恒食品機械廠;FW100型高速勻漿組織搗碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;Sigma 3-30K型高速冷凍離心機 德國Sigma公司;FA1104B型電子分析天平 上海越平科學儀器有限公司;HH-S4型數顯恒溫水浴鍋 常州普天儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚糜樣品的制備 取鮮活鯉魚用冰水洗凈后去頭、去皮、去內臟;再用冰水沖洗后手工切取魚肉;將魚肉剁碎后用水漂洗,按魚肉質量5倍的量加食鹽水(蒸餾水配制),慢速攪拌8 min,靜置10 min使魚肉充分沉淀,傾去表面漂洗液,再按上述比例加食鹽水,如此重復3次(使用的食鹽水質量濃度為2.5 g/L,整個過程加冰使魚肉溫度保持在10 ℃左右);然后將魚肉放在四層紗布中用力絞干脫水分;加入2%的食鹽進行擂潰10 min。將擂潰后的魚糜分成三大組,分別加入魚糜質量(0%、2%、4%、6%、8%、10%)的SPI、WPI和PPI三種食用蛋白粉,利用斬拌機斬拌攪勻,然后調整魚糜的含水量為80%(水分含量測定儀測定),再次斬拌攪勻后一部分魚糜放在4 ℃冰箱靜置過夜作為流變指標的待測樣品;另一部分將魚糜填充至30 mm的尼龍腸衣中,制腸后在采用二段加熱法(40 ℃/60 min,90 ℃/20 min)制備凝膠,加熱結束冷卻后,將魚腸置于4 ℃冰箱靜置過夜,作為凝膠質地的待測樣品,以不添加蛋白的魚糜樣品作為對照,每組樣品重復制備五次。

1.2.2 魚糜動態流變性質的測定 參照Xue等[15]和Huang等[16]的方法,稍作修改。采用50 mm平板測試,將上述流變指標的待測樣品均勻涂布于測試平臺,石蠟密封,以防止水分揮發。測試參數為:采用溫度掃描模式,振蕩頻率為0.1 Hz,應變1%,平行板的間距為1 mm,升溫掃描范圍為20～85 ℃,升溫速率為2.0 ℃/min,測定升溫過程中彈性模量(G′)和黏性模量(G″)的變化。每個樣品至少做三個平行樣,結果取平均值。

1.2.3 凹陷深度、破斷強度和凝膠強度的測量 參照崔旭海等[17]和Yu等[18]的方法。將上述魚腸樣品從4 ℃冰箱取出平衡至室溫,切成25 mm厚的片段;凹陷深度和破斷強度采用質構儀進行測定,測定探頭采用5 mm圓柱形探頭;測前速率:2.00 mm/s;測試速率:3.00 mm/s;測后速率:2.00 mm/s;穿刺深度:10 mm;觸發力:5.0 g。穿刺曲線第一個峰即為破斷強度,對應的距離為凹陷深度。二者的乘積為凝膠強度,即:

凝膠強度(g·mm)=破斷強度(g)×凹陷深度(mm)

每組實驗重復五次,取平均值。

1.2.4 持水性的測定 參照Kong等[19]方法,稍作修改,測定失水率,通過失水率變化來說明持水性。將上述魚腸樣品切成5 mm厚的薄片并稱重(W1),下面放3張濾紙,上面放2張濾紙,用5 kg的砝碼壓制并保持15 min,去掉濾紙,再將樣品稱重(W2)。

每組實驗重復做五次,取平均值。

1.2.5 白度的測定 參照Zhang等[20]的方法,稍作修改,將上述魚腸樣品切成厚5 mm的薄片,室溫下用色差計測定,使用O/D測試頭,用白板(L*=91.81,a*=-1.52,b*=1.32)對設備進行校正后測定魚糜樣品的L*值、a*值和b*值。L*表示樣品的亮度,a*表示樣品偏紅,-a*表示樣品偏綠;b*表示樣品偏黃,-b*表示樣品偏藍。白度值(W)采用下面的公式計算:

1.3 數據處理

本實驗數據分析使用Statistix 8.1軟件包中General Linear Models程序進行,對數據之間的顯著性(p<0.05)采用Tukey HSD法進行對比,相關性分析選用Pearson法,作圖采用Sigmaplot 12.3軟件。

2 結果與分析

2.1 不同食用蛋白的添加對魚糜流變學特性的影響

儲能模量G′也稱彈性模量,反映蛋白凝膠網絡結構的形成情況,是樣品的彈性特征;耗能模量G″也稱黏性模量,是樣品的粘性特征[21]。由圖1～圖3可知,在相同的測定條件下,隨著三種食用蛋白的增加,魚糜的 G′和G″均呈現逐漸增加,且三種蛋白的添加對G′和G″的影響趨勢相似。這可能是因為蛋白會填充魚糜網狀結構的空隙,使網狀結構更易形成,而且隨著蛋白添加量的增多,魚糜中肌原纖維蛋白和添加蛋白的相互作用力增強,體系的粘彈性模量增加[3]。由圖1～圖3同樣可以看出,在升溫過程中,三種食用蛋白的G′曲線都經歷了三個階段的變化。在20～32 ℃范圍內,體系的儲能模量G′隨著溫度的升高而平緩增加,在32 ℃左右達到最大值。這可能是由于魚糜蛋白在低溫下開始交聯,初步形成網狀結構的原因[21]。接著在33～50 ℃范圍內,體系的儲能模量G′隨著溫度的升高先緩慢后快速降低,在50 ℃左右達到最小值,一方面可能是肌球與肌動蛋白開始解螺旋,輕酶解肌球蛋白變性[18],破壞了蛋白的網絡結構,另一方面可能是魚糜內源蛋白酶作用下影響了凝膠結構的形成[21]。而后在51～85 ℃范圍內,體系的儲能模量G′隨著溫度的升高先快速上升達最大值后趨于平緩,這是由于蛋白質分子迅速展開,凝膠結構充分形成[22]。體系的黏性模量G″隨著溫度增加的變化趨勢與G′相類似,也經歷了三個階段,但在第二階段33～52 ℃范圍內,體系的黏性模量G″下降更顯著,在第三階段53～85 ℃范圍內,G″增加幅度較小。關于魚糜蛋白質的凝膠形成過程,目前廣受承認的理論是:魚肉蛋白質形成凝膠過程主要經過凝膠化(suwari)、凝膠劣化(modori)和魚糕化(kombako)三個階段。Visessanguan等[23]對魚糜黏彈性特性形成的三個階段進行了同樣分類:“凝膠化”、“凝膠劣化”、“凝膠加強”。因此推測,本實驗中彈性模量G′與黏性模量G″產生以上三個階段的變化可能是與上述凝膠形成的三個階段密切相關。

圖1 大豆分離蛋白的添加量對鯉魚 魚糜彈性模量G′和黏性模量G″的影響Fig.1 Effects of the addition amount of SPI on the G′ and G″ of carp surimi

圖2 乳清分離蛋白的添加量對鯉魚 魚糜彈性模量G′和黏性模量G″的影響Fig.2 Effects of the addition amount of WPI on the G′ and G″ of carp surimi

圖3 花生分離蛋白的添加量對鯉魚 魚糜彈性模量G′和黏性模量G″的影響Fig.3 Effects of the addition amount of PPI on the G′ and G″ of carp surimi

在相同的添加量條件下(以8%蛋白添加量為例,圖1～圖3),可以發現添加大豆分離蛋白組的魚糜G′和G″最大,其次是花生分離蛋白,添加乳清分離蛋白組的G′和G″最小,而且不同類型蛋白G′和G″分別具有相似的變化趨勢。結果表明,不同食用蛋白的添加可以提高魚糜粘彈性,降低魚糜的凝膠劣化作用,但不同類型食用蛋白的影響效果不同。推測可能與食用蛋白的組成和結構有關,雖然添加量相同,但是大豆分離蛋白、乳清分離蛋白和花生分離蛋白三者的蛋白組成和結構差異較大,對魚糜肌原纖維蛋白的交聯及其蛋白網絡結構的形成影響不同[9]。大豆分離蛋白中球蛋白含量較高,可以更好地填充到魚糜網狀結構的空隙,所以形成的粘彈性最大。該結果與Luo等[9-10]對鰱魚和鳙魚魚糜中添加大豆分離蛋白的實驗結果是一致的。

2.2 不同食用蛋白的添加對魚糜凝膠質構的影響

三種不同食用蛋白添加量對魚糜凝膠質地的影響如圖4～圖6所示。由圖4中可知,隨著三種食用蛋白的添加,凹陷深度呈現不斷下降的趨勢,其中PPI的下降趨勢最明顯,基本呈線性下降(p<0.05),相同添加量時SPI組與WPI組的凹陷深度差異不顯著(p>0.05)。當SPI組、WPI組、PPI組添加量為10%時,與對照(添加量為0%時的樣品)6.18 mm相比,凹陷深度分別降低了12.11%、13.78%和19.33%。

圖4 食用蛋白添加量和種類 對鯉魚魚糜凝膠凹陷深度的影響 Fig.4 Effects of the edible protein addition amount and kinds on deformation distance of carp surimi gel

圖5 食用蛋白添加量和種類 對鯉魚魚糜凝膠破斷強度的影響Fig.5 Effects of the edible protein addition amount and kinds on breaking force of carp surimi gel

圖6 食用蛋白添加量和種類 對鯉魚魚糜凝膠強度的影響Fig.6 Effects of the edible protein addition amount and kinds on gel strength of carp surimi

而從圖5可以看出,破斷強度的變化趨勢與凹陷深度相反,隨著三種食用蛋白添加量的增加而增強,相同添加量時PPI組>SPI組>WPI組,當SPI和PPI的添加量在超過8%后趨于平緩,差異不顯著(p>0.05),而WPI組超過8%后仍有明顯增加趨勢(p<0.05)。當SPI組、WPI組、PPI組添加量為10%時,破斷強度達到最大值,與對照組457.33 g相比,分別增加了47.61%、33.68%和58.59%。這是由于隨著添加蛋白的增加,制品中的魚糜蛋白含量相對減少,從而導致魚糜制品破斷強度和凹陷深度呈現相反的趨勢[6]。Kudre等[24]在沙丁魚糜中添加黑豆和綠豆的分離蛋白,也表明蛋白的添加會顯著提高凝膠的破斷強度,推測可能是外源性蛋白的添加抑制了內源性的熱激活蛋白酶的活性,維持了凝膠結構[24],此結果與本文的研究是一致的。

從圖6可以看出,隨著三種不同食用蛋白的添加,凝膠強度的變化趨勢為先上升后下降。相同添加量時凝膠強度值SPI組>PPI組>WPI組,但SPI組與PPI組曲線變化趨勢一致,差異不顯著,當添加量超過6%時,SPI組與PPI組的凝膠強度值顯著高于WPI組(p<0.05)。當添加量為8%時,同時達到最大值,SPI組、PPI組和 WPI組分別為3806.70、3717.97和3374.32 g·mm,與對照組分別增加了34.63%、31.49%和19.33%。此結果與前文中彈性模量G′和黏性模量G″的變化規律是一致的,進一步表明適當添加外源性蛋白可以提高魚糜制品的凝膠強度。但是蛋白添加量過高時會阻礙肌球蛋白分子之間形成凝膠的能力,會降低凝膠強度,導致魚糜制品變得硬而無彈性[6,9]。此研究結果與陳海華等[3]、陳康等[6]報道的結果相似。

2.3 不同食用蛋白的添加對魚糜凝膠持水性的影響

魚糜的持水能力與其失水率呈負相關[7],本實驗通過測定失水率研究其持水性變化。添加三種食用蛋白對魚糜制品失水率的影響如圖7所示。由圖7可知,三種蛋白添加的曲線變化趨勢相似,但在2%添加時,PPI組和SPI組與對照組(未添加蛋白的樣品)的失水率24.4%相比,變化不顯著(p>0.05),而WPI組的失水率卻顯著降低了5.87%(p<0.05);當三種食用蛋白的添加量在2%～8%范圍時,都可以使魚糜凝膠的失水率顯著下降(p<0.05);添加量在8%～10%時,隨著添加量的增加,失水率趨于平衡。當添加量相同時,凝膠失水率的變化為PPI組>SPI組>WPI組,但添加量為2%時差異不顯著(p<0.05);當添加量在4%～10%時,與PPI組和SPI組相比,WPI組失水率顯著降低(p<0.05);而PPI組和SPI組在2%～8%范圍添加時,變化不顯著(p<0.05);當添加量在8%時,PPI組、SPI組和WPI組失水率與對照組相比,分別降低了35.94%、40.45%和48.36%。以上結果表明,上述三種食用蛋白均可提高鯉魚魚糜凝膠的持水性,并且乳清分離蛋白的保水效果最好,大豆分離蛋白次之,花生分離蛋白的保水效果相對最弱。這可能是由于三種食用蛋白本身有一定的吸水性,會和魚糜本身的蛋白等相互作用形成更加緊密的網狀結構并鎖住水分,但是不同來源蛋白其本身性質差異較大,加熱后蛋白變性程度不同,導致所形成的三維網絡結構不同,因此表現出不同的保水性。Kudre與Oujifard等[24-25]指出,魚糜中添加黑豆、綠豆、班巴拉花生分離蛋白后,失水率的降低是由于蛋白的添加抑制了魚糜中肌球蛋白重鏈(MHC)的降解作用,進而提高了保水性。陳海華等[4]研究也指出,乳清濃縮蛋白(WPC)在魚糜中的添加能有效吸收和保留樣品中的水分。以上研究結果與本實驗的結果是高度一致的。

圖7 食用蛋白的添加量和種類 對鯉魚魚魚糜凝膠失水率的影響Fig.7 Effects of the edible protein addition amount and kinds on the water loss rate of carp surimi gel

2.4 不同食用蛋白的添加對魚糜凝膠白度的影響

由表1可以看出,不同食用蛋白的添加對鯉魚魚糜的凝膠顏色影響較大,均會導致魚糜凝膠的白度降低。其中SPI組與PPI組,隨著添加量的增多,白度值會發生顯著性降低(p<0.05);WPI組在0%～2%添加時,白度值變化不明顯(p<0.05),2%～8%添加時,白度值顯著降低(p<0.05),8%～10%添加時,白度變化平緩(p<0.05)。與對照組相比,當蛋白添加10%時,SPI組、WPI組和PPI組白度分別降低了31.59%、24.37%和22.21%。這表明添加上述三種食用蛋白對魚糜凝膠的白度會產生負面影響,且SPI組下降最明顯。由表1同樣可以看出,當添加量相同時,在0%～2%添加時,不同種類的食用蛋白對魚糜凝膠白度沒有顯著影響;4%～10%添加時,SPI組的白度值顯著低于PPI組(p<0.05),而此范圍內WPI組與PPI組的白度值差異不顯著(p<0.05);而6%～10%添加時,SPI組的白度值顯著低于WPI組(p<0.05)。隨著蛋白的添加導致魚糜白度下降的主要原因,可能是由于這三種食用蛋白本身就帶有一定的黃色,從而影響魚糜制品的色澤,導致顏色偏黃,白度下降顯著。Kudre與Oujifard等[24-25]的研究也指出,隨著蛋白的添加魚糜的白度降低,與蛋白的固有顏色、蛋白的種類以及添加數量密切相關。此外,Kudre等[24]也指出,凝膠基質中水分釋放到凝膠表面越多,會促進光散射作用,進而會增加凝膠白度。本實驗中,添加PPI組失水率最大,凝膠表面水分釋放最多,而對應的白度值也最大,這與Kudre等[24]的結論是一致的。由于白度是魚糜制品的重要質量指標之一,因此在實際應用時,上述三種食用蛋白的添加量均不應太高,同時也要考慮所選擇的食用蛋白類型。

表1 食用蛋白的種類和添加量對鯉魚魚糜凝膠白度的影響Table 1 Effects of the edible protein addition amount and kinds on the whiteness of carp surimi gel

2.5 不同食用蛋白的添加對各指標影響的相關性分析

由表2可知,三種不同食用蛋白的添加對各指標進行對應比較分析,其整體相關性變化是一致的。添加三種蛋白時,隨著魚糜流變性指標彈性模量G′和黏性模量G″的增加,凝膠的破斷強度和凝膠強度增加,且是差異顯著的正相關(p<0.05),G′與破斷強度的相關度可分別達到0.9065、0.9325和0.9251;而凹陷深度、失水率和白度值等三個指標隨著G′和G″的增加呈現下降趨勢,且是差異顯著的負相關(p<0.05),G′與失水率的相關度可分別達到-0.9442、-0.9832和-0.9397。同時還發現,三種蛋白添加時,彈性模量G′、黏性模量G″、破斷強度、凝膠強度等四個指標彼此之間均呈現差異顯著的正相關(p<0.05);而凹陷深度、失水率和白度值等三個指標彼此之間均呈現差異顯著的正相關(p<0.05)。這與陳海華[3-4]、陳康等人[6]關于添加非肌肉蛋白對魚糜制品品質影響的相關結果是一致的,尤其是陳海華實驗中破斷強度、凝膠強度、白度值、失水率的研究結果與本實驗結果是高度一致的。此結果說明,不同食用蛋白的添加影響了魚糜的流變性和凝膠特性,而且適量的蛋白添加可以提高魚糜的彈性模量G′、黏性模量G″、破斷強度、凝膠強度和保水性,使魚糜的質地特性提高,但在一定程度會影響魚糜的色澤。根據本實驗相關性結論,推測不同食用蛋白的添加對魚糜流變和凝膠特性影響的原因可能如下:本實驗中SPI、WPI、PPI三種食用蛋白具有蛋白酶抑制劑的作用,可以被看作是蛋白酶抑制劑[3,5,25]。魚糜加工過程中,熱激活蛋白酶作用于肌原纖維蛋白的肌球蛋白重鏈導致凝膠劣化,而非肌肉食用蛋白的添加能抑制內源性熱激活蛋白酶的降解作用[24-25],降低魚糜制品中組織蛋白酶的活性,從而改善各種魚糜制品的質構特性[4];此外,食用蛋白本身也具有較好的凝膠性能和持水能力,與魚糜肌原纖維蛋白相互作用,加熱后形成了更加致密的三維網絡結構,提高了粘彈性、凝膠強度和保水性。因此,不同食用蛋白添加后魚糜流變和凝膠特性的相關指標得到了較大改進。

表2 不同類型食用蛋白添加的各指標相關性分析Table 2 Correlation analysis between each index of different kinds of the edible protein

3 結論

本實驗研究表明,添加一定量的SPI、WPI 和PPI能夠有效地改善鯉魚魚糜的流變性(彈性模量G′和黏性模量G″)、破斷強度、凝膠強度和持水性,但破斷深度和白度有所下降,然而各測定指標間存在顯著相關(p<0.05)。實驗數據表明:對流變性的影響效果是SPI組>PPI組>WPI組,對于破斷強度的影響效果是PPI組>SPI組>WPI組,對于凝膠強度的影響效果是SPI組>PPI組>WPI組,對于凝膠失水率的影響效果是PPI組>SPI組>WPI組,對于凝膠白度的影響效果是SPI組>WPI組>PPI組。綜上所述,大豆分離蛋白的添加對提高魚糜的凝膠強度和粘彈性效果最好;乳清分離蛋白的添加對魚糜的持水性效果最好;花生分離蛋白的添加對魚糜色澤的保持效果最好。因此,在實際魚糜制品的生產中,應根據產品的特征選擇適合的蛋白種類和合理的添加量,來提高魚糜制品的品質。