肌肉蛋白乳化特性改善方法研究進展

李麗湲，趙 雪，徐幸蓮

（南京農業大學食品科技學院，國家肉品質量安全控制工程技術研究中心，江蘇南京 210095）

乳化是指將一種液體以微小的液滴或球狀均勻地分散到另一種與之不相溶的液體中的過程。其中，微小液滴狀的液體稱為分散相或不連續相，承載不連續相的液體為連續相。乳狀液是食品生產加工中常見的分散體系，為了得到穩定體系，乳化劑的添加是關鍵步驟。大部分蛋白質具有兩親性，同時含有親水和疏水氨基酸，可以在乳化過程中吸附到油水界面形成蛋白膜，通過靜電排斥作用減少液滴聚集，從而提高乳狀液穩定性，是一類良好的天然乳化劑[1]。蛋白類乳化劑不僅能夠在食品體系中表現出良好的乳化特性，而且其來源豐富，綠色環保，食用安全，生物可適性高，因此在食品領域廣泛獲得加工企業及消費者的青睞。

由于肌肉蛋白具有良好的乳化特性，因此在乳化類肉制品生產加工中承擔乳化劑作用。在溫度、pH、離子強度等環境因素的作用下肌肉蛋白結構會發生改變，表面電荷和表面疏水性的改變會破壞界面蛋白膜形成秩序[2]，導致乳液穩定性變差。胡愛軍等[3]指出由魚肉蛋白制備乳液，其乳化性及乳化穩定性隨著溫度的升高呈現先增加后降低的趨勢，高溫會引起蛋白質變性，降低界面蛋白膜的粘度和硬度，造成乳液失穩。魚肉在冷凍貯藏過程中，其肌原纖維蛋白也會不斷發生氧化、變性和交聯，導致乳化粒子減少，乳化穩定性下降[4]。此外，乳化類肉制品一直以來存在出油出水問題，通過提高肌肉蛋白乳化特性改善肉制品乳化凝膠品質是肉制品行業長期以來的熱點問題[5]。近年來，為了提高肉制品的健康特性，研究者探索了多種手段嘗試采用不飽和脂肪酸含量較高的植物油脂代替傳統乳化類肉制品中的動物油脂[6]。由于植物油脂具有不飽和脂肪酸含量高和易流動等特點，直接替代動物油脂可能會導致質構和感官品質的大幅下降[7]，因此新型健康乳化肉制品的生產加工對肌肉蛋白的乳化特性提出了更高的要求。目前，已有研究表明超高壓[8]、超聲波[9]、糖基化[10]和酸堿處理技術[11]等蛋白修飾處理技術均可以有效改善蛋白質的乳化特性。蛋白質經處理后發生變性，空間結構改變，更多埋藏于蛋白內部的疏水基團暴露，二級結構的含量也會發生變化，趨向于形成更不規則的結構，蛋白質結構展開，彼此間相互作用增強，有利于界面蛋白膜形成。

本文簡要論述了一些肌肉蛋白乳化特性的改善方法，以期為肌肉蛋白乳化特性的提升提供新的思路和方法，為乳化產品的品質改善和新產品的開發應用提供理論依據。

1 肌肉蛋白乳化特性及其影響因素

1.1 肌肉蛋白乳化特性

基于肉制品加工中肌肉蛋白乳化特性的研究，學者們提出了兩種不同的乳化理論[12?14]：一是水包油型乳化學說，該學說認為脂肪顆粒為不連續相分散在蛋白溶液中，并且在脂肪球的表面包裹著一層蛋白質，有效地阻止了脂肪球的聚集以使乳化體系穩定；一是物理鑲嵌學說，肌肉在絞碎、斬拌過程中萃取出的蛋白質、纖維碎片、肌原纖維及膠原纖絲間發生相互作用，形成黏稠的蛋白基質，脂肪顆粒被包裹在基質中形成相對穩定的乳化體系。脂肪球周圍界面蛋白膜的形成以及黏稠蛋白基質的存在都可以減少脂肪液滴的聚集與絮凝以維持乳化體系穩定，兩種理論在不同體系中均有一定適用性[15]。

乳化特性作為肌肉蛋白的重要功能特性之一，與肉制品的產品質量密切相關。肌肉蛋白具有乳化劑特有的兩親性結構，可以同時與油相和水相作用，吸附在水油界面形成蛋白層，降低油相表面張力，保證乳化體系形成并保持其穩定。其中起主要作用的是肌球蛋白[16]，肌球蛋白由球狀頭部和長桿狀尾部組成，頭部的空間結構及尾部的超螺旋結構表現出不同的疏水性，尾部疏水殘基較少，親水性較強[17]，頭部疏水性較強，二者達到親水親油平衡有利于蛋白質吸附至油水界面形成界面膜以穩定乳液。肌肉蛋白的乳化特性可以分別通過乳化活性（emulsifying activity index，EAI）和乳化穩定性（emulsion stability index，ESI）進行評價。乳化活性指的是乳化過程中蛋白質吸附到油相和水相界面的能力[18]，即單位質量蛋白質（g）所能穩定的油水界面面積（m2）；乳化穩定性則代表在貯存或加熱過程中蛋白質維持乳液體系穩定不分層的能力[19]，二者通常采用濁度法[20]進行測定。不同種類肌肉蛋白其來源、種類特性及成分不同，所以乳化特性有所差異，有研究表明分別由豬肉、牛肉和雞肉制備的肌原纖維蛋白乳化能力顯著不同，雞肉蛋白乳化能力最高，牛肉最低，這主要是因為雞肉肌原纖維蛋白的溶解性更好，更多蛋白質參與界面膜的形成[21]。杜菲菲等[22]在不同種類肉肌漿蛋白也發現相似的結果，雞肉肌漿蛋白EAI最高，魚肉肌漿蛋白EAI顯著低于雞肉和豬肉。

1.2 主要影響因素

影響肌肉蛋白乳化特性的因素有許多，包括蛋白質種類、來源和氨基酸分布等內在因素和溫度、pH、離子強度等外界環境因素，其中，外界環境能夠通過引起蛋白質自身結構與聚集程度改變[23]，從而影響其乳化能力。因此，肌肉蛋白的溶解度、粒徑分布、巰基分布、疏水基團分布等結構以及聚集程度變化對其乳化特性有重要影響。

1.2.1 溶解性 溶解性是指蛋白質在極性溶劑水中的溶解程度，通常蛋白質在發揮其界面性質作用之前，需要先溶解并移動到界面，因此，溶解性是評價蛋白質可應用性的重要指標之一[24]。通常，肌肉蛋白溶解度越大，越有利于蛋白質分子迅速擴散并吸附在油水界面形成蛋白膜包裹脂肪球，阻止脂肪球之間的聚合，從而起到乳化效用[25]。肌肉蛋白的溶解性主要與蛋白質的分子大小和表面電荷相關[26]。表面凈電荷越多時靜電作用越顯著，靜電斥力使蛋白質分子不易聚集趨向解離，從而增加溶解度。吳菊清等[27]研究豬肉肌原纖維蛋白的乳化特性，發現蛋白的溶解度與乳化能力顯著正相關，隨著環境介質離子強度增加，蛋白溶解度提高，其乳化性和保水保油性等加工特性隨之增加。

1.2.2 粒徑分布 蛋白質的平均粒徑可以表征蛋白質的尺寸大小和聚集程度，也可以反映蛋白質空間構象的變化。通常蛋白質分子之間發生聚集沉淀時粒子直徑明顯增大，當蛋白分子間的交聯被破壞時平均粒徑減小[28]。粒子直徑降低，比表面積增大，蛋白質分子之間的相互作用增強，有利于蛋白質吸附至油水界面形成致密穩定的界面膜，降低表面張力，穩定乳狀液[29]。

1.2.3 巰基含量 巰基是肌原纖維蛋白中最具活性的功能基團，暴露于蛋白表面后易被氧化形成二硫鍵，從而引起蛋白質交聯[30]，蛋白質之間的相互作用增強，有利于界面蛋白膜的形成，提高界面膜厚度，從而有效防止液滴之間發生聚集及絮凝，穩定脂肪的能力提高，乳狀液穩定性得以改善。因此活性巰基含量增加有利于改善肌肉蛋白的乳化特性。Wu等[31]用n-乙基馬來酰亞胺處理由肌原纖維蛋白穩定的乳狀液發現，n-乙基馬來酰亞胺阻斷巰基形成二硫鍵后，油滴與周圍蛋白質的相互作用顯著減弱，造成乳化液滴穩定性下降。用β-巰基乙醇處理豬肉蛋白溶液也有相似的發現[32]，自由巰基的含量隨化學修飾劑用量的增加而增加，但乳化穩定性卻逐漸降低，這可能是因為β-巰基乙醇的添加阻礙了二硫鍵的形成，使得蛋白分子間的相互作用減弱，從而削弱了蛋白質穩定脂肪的能力。

1.2.4 表面疏水性 表面疏水性是評價蛋白質表面活性的重要指標，它可以間接表征蛋白質結構變化以及變性程度。表面疏水性反映蛋白質分子內部疏水基團的暴露程度，暴露程度越大，疏水性越強，與脂肪的相互作用增強，包裹脂肪球的蛋白質數量隨之增多[33]。但疏水基團過度暴露會導致蛋白表面疏水性顯著增強，強的疏水作用使蛋白質之間相互靠近，易發生蛋白聚集[32]，因此，肌肉蛋白中疏水基團的適當暴露有利于維持油水界面蛋白質膜的穩定，增加乳狀液穩定性。

2 肌肉蛋白乳化特性改善方法

目前，改善肌肉蛋白乳化特性的方法可以分為物理方法和化學方法。物理方法主要有高壓均質技術、高靜壓技術、超聲波技術、微波處理技術和等離子體技術等；化學方法有糖基化修飾和酸堿處理等。這些處理手段的施加會引起蛋白質自身結構變化或蛋白聚集程度改變，從而在一定程度上改善肌肉蛋白的乳化特性。

2.1 物理方法

2.1.1 高壓均質技術 高壓均質（high pressure homogenization，HPH）是一種非熱加工技術，在食品領域已有廣泛應用。物料在高壓作用下通過具有特殊構造的均質腔，同時受到高速剪切、高頻振蕩、空穴效應和對流碰撞等物理作用，從而起到微乳化、超微化、均一化等效果[34?35]。經HPH處理后乳化劑顆粒直徑減小，使得比表面積增加，顆粒間的相互作用增強，體系表觀粘度增加，從而有效降低液滴的懸浮速率，從而更好地保持乳液的穩定性。Saricaoglu等[36]提取去骨雞肉蛋白，施加不同均質壓力處理蛋白樣品，研究HPH對蛋白功能特性的影響。結果表明施加壓力為75 MPa時，粒子直徑高于500 μm，而壓力升至100及150 MPa時，蛋白粒子直徑顯著降低，降至10 μm以下。機械外力減小了粒子尺寸，增加了比表面積，乳化顆粒與水之間的相互作用增強，從而使蛋白的乳化特性得到改善。HPH強烈的物理作用不僅能夠改變蛋白的聚集程度，還會引起蛋白結構的改變。Chen等[37]研究了低離子強度條件下HPH對雞肉肌球蛋白構象的影響，在103 MPa壓力處理下，蛋白結構發生明顯改變，表面疏水性顯著增加，更多巰基暴露于蛋白表面，α-螺旋含量顯著降低，同時溶解度顯著增大。研究表明HPH的多種物理作用能夠破壞肌原纖維蛋白高度交聯的復雜結構，大幅提高其溶解性，進而改善肌原纖維蛋白乳化能力[38]。

2.1.2 高靜壓技術 高靜壓技術（high hydrostatic pressure，HHP）又被稱為超高壓技術（ultra-high pressure processing，UHP）或高壓技術（high pressure processing，HPP），是食品加工領域中常用的非熱加工技術之一。高靜壓作用于肌肉蛋白會使得蛋白質受到物理壓縮，天然結構發生改變[39]，蛋白質的溶解性、乳化特性和凝膠性等功能特性均發生變化。通常情況下，施加壓力范圍在100~1200 MPa時，水分子在高壓作用下侵入蛋白質基質內部引起蛋白質變性，壓力水平不同，蛋白質變性程度不同[40]。壓力低于200 MPa時僅蛋白質的三級和四級結構受到破壞，但經處理后可恢復蛋白質天然結構，屬于可逆變性；壓力高于300 MPa則會引起蛋白質二級結構改變，發生不可逆變性[41]。Li等[42]提取口蝦蛄肌原纖維蛋白并用300、350和400 MPa處理不同時間，發現隨著處理壓力的增大以及處理時間的延長，離子鍵和氫鍵被破壞程度增加，分子間相互作用改變，疏水相互作用和二硫鍵加強，肌原纖維蛋白發生一定程度變性。該壓力范圍內蛋白質二級結構發生不可逆變性，分子結構部分展開，有利于界面蛋白膜形成。然而蛋白的變性程度與處理壓力并非始終成正比，才衛川等[43]研究了更大壓力范圍內（200~800 MPa）超高壓對雞胸肉鹽溶蛋白功能特性的影響，發現鹽溶蛋白的乳化活性及乳化穩定性隨壓力增大而顯著提高，且在400 MPa時達到最大值，這可能是由于高壓引起疏水基團適當暴露使蛋白分子更易于吸附至油水界面，從而改善鹽溶蛋白的乳化特性；而當壓力高于400 MPa時，蛋白質變性程度加劇，蛋白分子聚集沉淀，界面蛋白膜因可溶蛋白數量減少而不完整，乳化穩定性隨之降低。

2.1.3 超聲波技術 超聲波作為一種安全、無毒、環保的新型加工技術，在食品等領域得到廣泛應用。聲波與介質相互作用會引發一系列理化效應，如空穴效應、機械效應和熱效應等[44]。超聲波的機械頻率高于人們可聽到的頻率，其中低頻率超聲[45]（16~100 kHz），強度高，可以用來改變食品的物理和化學特性。Li等[46]采用頻率為20 kHz、功率為450 W、強度為30 W/cm2的超聲波分別處理雞肉肌原纖維蛋白懸濁液0、3和6 min，研究發現超聲波處理6 min顯著提高了肌原纖維蛋白的乳化活性和乳化穩定性。這是由于超聲處理減小了蛋白分子直徑，增強了蛋白質與油滴或蛋白質與蛋白質之間的相互作用，從而使乳化體系穩定性增加。此外，超聲也促進了肌原纖維蛋白的去折疊，使得活性巰基含量和表面疏水性均顯著增加，α-螺旋含量減少，蛋白質結構的展開更利于其吸附至油水界面，因此顯著提高了肌原纖維蛋白的乳化特性以及乳液的貯藏穩定性。Amiri等[47]用100和300 W超聲波處理牛肉肌原纖維蛋白得到相似的結果，隨著超聲波功率的增加和處理時間的延長，肌原纖維蛋白的乳化活性和乳化穩定性均呈增加趨勢，可能是超聲波空穴效應的物理作用力破壞了液滴的聚集，顯著降低了粒子直徑，增加了比表面積，更多的蛋白質分子參與界面層的形成；同時表面疏水性增大，蛋白質分子更有效地吸附于兩相界面，從而顯著改善蛋白質的乳化特性。Zou等[48]研究了100、150和200 W超聲波處理對肌動球蛋白理化特性及功能特性的影響，研究表明150 W超聲處理后肌動球蛋白的粒子直徑最小，絕對電勢最高，表面疏水性及活性巰基含量顯著增加，蛋白質的溶解度及乳化特性得到顯著提高。總體而言，超聲的空穴效應和機械效應顯著降低了粒子平均直徑，通過形成致密穩定的界面蛋白膜以改善乳液穩定性。

2.1.4 微波處理技術 微波是指頻率范圍300 MHz~300 GHz的電磁波，能夠使物料中的極性分子發生振動從而對自身結構產生一定的影響[49]。微波技術安全高效，在食品領域有廣泛應用，包括滅菌、干燥、烘焙等。胡愛軍等[3]用超聲、微波、加熱三種方式處理鰱魚蛋白，比較不同方式對蛋白乳化性的影響，研究發現相較于超聲和熱處理，微波處理對魚肉蛋白乳化性能的改善作用更顯著。用不同微波功率（0~500 W）處理魚肉蛋白30 s，隨著功率的不斷增大，蛋白的乳化性和乳化穩定性呈先增大后減小的趨勢；用相同微波功率處理不同時間，隨著時間的延長也出現同樣的結果。出現增大趨勢可能是微波場使蛋白分子發生極化現象，蛋白分子空間結構被破壞而部分展開，疏水殘基暴露增加，蛋白分子更易于吸附至油水界面，從而有效增強了蛋白質的乳化性和乳化穩定性。而微波功率過高、時間過長會引起蛋白質熱變性，不利于界面蛋白穩定，因此乳化特性達到最大值后呈現下降趨勢。李瑞平[50]采用800 W微波處理草魚肌漿蛋白0~10 min，經熒光光譜分析發現，隨著處理時間的延長，蛋白分子的表面疏水性呈上升趨勢，內源熒光強度呈下降趨勢，這可能是因為微波使蛋白分子原有結構被破壞，蛋白分子展開，部分原本包埋在分子內部的疏水基團暴露，疏水性增強，色氨酸和酪氨酸等發色基團暴露在溶劑中發生熒光猝滅。這與胡愛軍[3]的研究結果并不完全一致，可能是因為蛋白種類以及微波功率不同而造成的差異。但二者的結果均顯示在一定處理條件下，微波可以改變肌肉蛋白的分子結構從而改善其乳化特性。

2.1.5 等離子體技術 等離子體是部分或全部電離的氣體，其正電荷數和負電荷數在數值上相等，所以稱之為等離子體，包括離子、電子、活性自由基等帶電粒子[41]，這些帶電粒子能量很高，可以激發一系列化學反應。當氣體分子不斷發生電離，電子和離子的濃度達到一定范圍后，物質的狀態就會發生根本性變化，性質也隨之改變，區別于物質的固、液、氣三態，稱之為物質第四態[51?52]。Ekezie等[53]用大氣壓等離子體處理明蝦肌原纖維蛋白并研究其構象和理化特性的改變，結果發現隨著處理時間延長，蛋白的表面疏水性呈增加趨勢，這可能是因為蛋白發生氧化，苯丙氨酸和色氨酸等疏水氨基酸暴露，同時蛋白質的二級結構α-螺旋含量顯著降低，蛋白結構展開，從而改善了其乳化特性。在另一研究中其采用氬等離子體技術處理明蝦肌動球蛋白得到了相似的結果，天然的肌動球蛋白經過氬等離子體處理5 min后EAI值顯著增加，蛋白結構展開暴露出更多的疏水基團[54]，疏水性提高，包裹脂肪的能力增強。等離子體中的活性氧成分對巰基和氨基酸殘基有氧化作用，能夠誘導蛋白分子展開，使原本藏于蛋白結構內部的活性基團及疏水基團暴露，從而引起蛋白結構與功能的改變。

2.2 化學方法

2.2.1 糖基化修飾 糖基化是廣泛存在的一種蛋白質翻譯后修飾，受到修飾的氨基酸殘基一般包括蘇氨酸、絲氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺等。糖基化修飾的本質是美拉德反應中Amadori重排，即還原糖分子中的羥基與蛋白質分子中的賴氨酸殘基共價結合形成糖基化蛋白[55]。天然蛋白質經糖基化修飾后可以避免蛋白分子聚集，而且糖類中的親水基團可以增加糖基化蛋白的溶解性，從而改變蛋白的功能特性[56?57]。Xu等[58]用葡聚糖對肌原纖維蛋白進行糖基化修飾，研究該處理對蛋白質的結構和乳化性的影響，發現糖基化后的蛋白多糖聚合物表面疏水性降低，結合濁度和活性巰基的含量變化，表明糖基化肌原纖維蛋白發生去折疊，結構松散，乳化活性和乳化穩定性顯著增加。采用20、40和70 kDa的葡聚糖分別修飾肌原纖維蛋白，結果顯示70 kDa修飾后的蛋白乳化性最好，可能是大分子量的多糖基團能夠有效阻止了蛋白分子的聚集。陳欣[59]用小分子還原糖（葡萄糖和乳糖）以及分子量較大的殼聚糖、葡聚糖和羧甲基纖維素鈉作為糖基供體修飾羅非魚肉肌原纖維蛋白得到了相似的結果，小分子還原糖對肌原纖維蛋白的乳化特性改善作用不明顯，相比較而言，葡聚糖作為糖基供體的產物乳化活性顯著提高。Liu等[60]研究了魔芋寡糖-葡甘露聚糖糖基化修飾對鰱魚肌球蛋白的理化特性、構象和功能特性的影響，發現肌球蛋白經糖基化修飾后三級結構部分展開重排，EAI和ESI值顯著增加，糖鏈形成一定的空間位阻破壞蛋白質之間的交聯凝聚，因此肌球蛋白乳化性增加。總而言之，經糖基化修飾的蛋白質分子由于大分子量的多糖基團存在，彼此之間難以靠近聚集，同時溶解性也顯著增加，使得其形成的乳液體系更加穩定。

2.2.2 酸堿處理 酸堿處理（isoelectric solubilization/precipitation，ISP）是一種蛋白提取技術，又可稱為pH-shifting，通過調整蛋白質溶液的pH，使蛋白質分子在偏離其等電點時溶解，在其等電點附近沉淀，從而獲取蛋白質，具有提取時間短、分離效率高、蛋白質變性程度小、安全系數高等特點[61]。酸堿處理導致的極性環境會引起蛋白質部分解折疊，原本藏于分子內部的部分疏水基團暴露于分子表面，表面疏水性改善，同時蛋白分子的解折疊過程還會影響其復折疊后的功能特性。在解折疊與復折疊的過程中，蛋白質會產生一種新的結構狀態，將其命名為“熔融態球體”[62?63]。熔融態蛋白質分子具有與天然態相似的二級結構，結構緊湊，疏水性較天然態更強，更易與非極性分子結合，表現出更加良好的溶解性、乳化性、起泡性、凝膠性和抗氧化活性等[64]。Hrynets等[65]研究發現雞肉蛋白在解折疊過程中會使分子內部的疏水基團充分暴露，有利于蛋白質和非極性油滴表面相互作用，降低吸附能壘，從而包裹油滴形成穩定的界面蛋白膜，維持乳液穩定。同時發現用堿法提取的蛋白表面疏水性顯著高于酸法提取，堿性環境使更多的疏水區域暴露于蛋白表面，蛋白結構展開，更有效地吸附至油水界面，因此乳化穩定性明顯得到改善。Abreu等[66]在對蝦副產物蛋白研究中得到相似結果，pH3條件下未發現分離蛋白有乳化能力，隨著pH遠離其等電點，蛋白乳化能力不斷增加且在pH8時達到最大值。Zhao等[67]研究了堿法分離分離蛋白穩定的O/W乳狀液的流變特性及物理特性，其用ISP技術提取類PSE雞肉蛋白，在pH11.0處溶解蛋白，在pH5.5處使蛋白沉淀，結果發現與對照組相比，ISP分離蛋白疏水基團暴露增加，更易于吸附至油水界面，而油滴被蛋白質包裹后彼此間排斥力增強，有效阻止了油滴聚集，從而表現出更好的乳化能力，形成更穩定、均一的乳液。

3 展望

肌肉蛋白的乳化特性在乳化類肉制品的生產加工中起重要作用。綜上所述，多種物理和化學方法在適當條件下通過改變蛋白結構與聚集程度均可以有效地改善肌肉蛋白的乳化特性。然而目前，針對肌肉蛋白乳化特性的研究主要集中在乳化特性的單一改善方案、影響因素以及評價方法等方面。關于肌肉蛋白乳化特性復合改善策略和機理還需要深入研究。此外，改善方案的實施會一定程度地影響肌肉蛋白的感官特性，對蛋白質的應用范圍產生一定的限制，因此減少改性對蛋白質感官特性的影響也是后續研究的方向。另外，改善后的肌肉蛋白的食用安全性也值得進一步關注。隨著食品的不斷創新、開發，肌肉蛋白乳化特性的應用也將有更廣闊的市場，繼續探索發現有效、便捷、安全的改善蛋白質乳化特性的方法具有良好的發展前景。