蛋黃凝膠特性影響因素及改善方法研究進展

張玉鳳 王 恰 段文珊 黃 群2

(1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.貴州醫科大學食品科學學院，貴州 貴陽 550025)

作為最大的生物細胞之一，蛋黃具有多種營養成分，是胚胎發育的營養儲備[1]。從物理化學的角度來看，蛋黃是一個假塑性的非牛頓混合物，具有高度復雜的乳化蛋白—脂類復合物體系[2]。蛋黃中的蛋白質主要存在于蛋黃的血漿和顆粒中，通常與脂肪相結合形成脂蛋白，不以游離的形式存在。Farinazzo等[3-4]從蛋黃中鑒定出316種蛋白質，但主要是由低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、卵黃球蛋白和卵黃高磷蛋白等組成[5]，4種蛋白的主要營養與性質見表1。

表1 蛋黃中主要蛋白質的種類及特征Table 1 Types and characteristics of mainly proteins in egg yolk

凝膠特性作為蛋黃重要的功能性質之一，其形成機制與蛋黃中多樣且復雜的蛋白質密切相關。同時蛋黃的凝膠特性也決定著蛋黃制品的質構，感官和風味等，在食品工業中已被廣泛應用，最常見的是在肉制品中(香腸、臘腸、火腿、魚糜等)作為凝膠劑、黏合劑或發色劑使用，以代替食品添加劑，提高肉制品的風味和口感[6-7]。

然而，近年來，“橡皮蛋”事件頻發，引起了消費者的恐慌，主要是因為不恰當的加工或貯藏方式，造成蛋黃變硬，彈性增加[8]。所以，在蛋黃貯藏及深加工過程中，研究蛋黃凝膠的影響因素及其改善顯得尤為重要。目前，國內外學者對蛋黃中活性物質，活性肽和乳化性等方面的研究較為全面[9-11]，而對于蛋黃凝膠的影響因素及其改善方法還有待深入研究。因此，文章擬從蛋黃蛋白質的組成成分和凝膠形成機理入手，對國內外蛋黃凝膠特性的研究現狀進行綜述，重點分析蛋黃凝膠形成的影響因素，包括物理因素(加熱、冷凍、高壓等)、化學因素(pH、鹽及添加物等)、生物酶及聯合作用，并進一步闡述蛋黃凝膠的改善方法，以期為蛋黃深加工過程中工藝參數的控制和蛋黃凝膠品質的提高提供理論參考。

1 蛋黃凝膠形成機理及其特征

蛋白質的凝膠是一種介于固態與液態之間的中間相，性質極不穩定。它是蛋白質分子在外力作用下，發生變性，使得未折疊的分子通過二硫鍵、疏水相互作用、氫鍵或靜電相互作用發生不可逆的重排和相互聚集，形成空間網絡結構的過程[12]，其本質是蛋白質在聚集過程中，分子間吸引力與排斥力達到平衡的結果，通常能保持大量的水分[13]。

蛋黃中蛋白質含量豐富，種類繁多，這為凝膠的形成奠定了基礎，蛋黃凝膠特性的形成是變性的蛋白質分子相互聚集并形成有序的空間結構的過程，這與低密度脂蛋白密切相關[14]。此外，蛋黃凝膠結構的形成受到諸多外界因素的影響，如加熱時間、溫度、pH、離子強度或種類等。在這些外力作用下，蛋黃蛋白發生變性，疏水基團暴露，最終導致蛋黃凝膠的質地(硬度、彈性、內聚力)、持水性等發生不同程度的變化。

2 蛋黃凝膠特性的影響因素

2.1 物理因素

2.1.1 熱處理 加熱是凝膠形成的必要條件之一，蛋黃蛋白的熱誘導凝膠是一個多元化的過程，主要分為3個階段(圖1)[15-16]：① 加熱使蛋白質變性，解離；② 變性后的蛋白隨機聚集，形成近似于球形的聚集體，分子間通過二硫鍵相互交聯，形成初級凝膠結構；③ 這些聚集體進一步交聯，冷卻后形成致密的三維網狀結構，分子間通過氫鍵維持其結構的穩定性。

圖1 熱誘導蛋黃凝膠Figure 1 Heat-induced gelation of egg yolk

加熱時間和溫度對蛋黃凝膠的形成具有顯著影響，肖靜等[17]研究指出熱處理溫度和時間對蛋黃液熱凝膠的硬度及咀嚼性均有顯著影響。周長旭[18]研究了不同加熱時間(20～40 min)和溫度(70～90 ℃)對蛋黃熱誘導凝膠煮制損失率和凝膠保水性的影響，結果表明，在35 min，90 ℃時蛋黃熱誘導凝膠的煮制損失最小，凝膠的保水性最大。Romanoff等[19]指出蛋黃液在65 ℃開始變厚，70 ℃ 失去其流變性，85 ℃形成凝膠，但目前普遍認為蛋黃液在90 ℃加熱30 min，并在4 ℃下保存過夜，可形成較好的凝膠[20]。

2.1.2 冷凍 蛋黃在-6 ℃或更低的溫度下冷藏一段時間，解凍后的蛋黃會發生不可逆的表觀黏性增加、彈性增強，即蛋黃的冷凍凝膠化[21]。蛋黃冷凍時發生凝膠的必要條件是冰晶形成達到81%[22]，該過程主要與蛋黃中的LDL有關[23]，此外，卵黃高磷蛋白、高密度脂蛋白、α-和β-卵黃蛋白也參與其中[24]。

冷凍一般會導致蛋黃變硬，彈性增加，形成的凝膠品質較差。閆崢蓉等[25]對冷藏0～180 d的蛋黃進行研究，結果發現凍藏期間蛋黃表觀黏度、黏性系數、彈性模量和黏性模量均顯著增加，而流動指數和損耗角正切值顯著減小，表明冷凍導致了蛋黃嚴重的膠凝化。Wang等[26]也進行了同樣的研究，發現冰蛋黃在6 h后失去流動性，隨著冷凍時間的延長，蛋黃的凝膠強度顯著增加。Harrision等[27]發現蛋黃的冷凍膠凝化同時也會導致其他功能性質的改變，如乳化能力明顯下降，當蛋黃經過90 d的冷凍貯藏后，其表觀黏度相對于新鮮蛋黃增加了73倍，且乳化活性下降了11.53%。因此，合理控制蛋黃冷藏期間的時間和溫度，可最大程度防止“橡皮蛋”的產生。

2.1.3 高壓 高壓通過改變蛋黃蛋白的空間構象并進一步作用來誘導凝膠的形成，該過程與蛋白質的結構(空間結構)，壓力范圍及壓力作用的時間密切相關[28]。不同的壓力處理對蛋黃蛋白修飾的差異可能歸因于蛋白質聚集程度的不同[29]。Singh等[30]發現隨著壓力和處理時間的增加，蛋黃的顏色、硬度及內聚力顯著增加，形成的凝膠柔軟而富有彈性。閻微[31]研究了不同壓力下(100～500 MPa)，處理相同時間后蛋黃凝膠的變化，結果顯示，蛋黃在400 MPa處理10 min后大部分形成凝膠，而500 MPa 處理10 min后則可以完全形成凝膠。表明壓力對凝膠網絡結構的穩定起到促進作用。但張敏[32]的研究顯示，蛋黃粉凝膠的硬度、組織細膩程度、彈性、保水性等隨著壓力的增大呈先增大后減小的趨勢，因此，當壓力超過一定范圍時，繼續加壓，蛋黃中的蛋白質會混亂聚集成團狀結構，三維網絡結構的交聯變低，導致凝膠的穩定性降低[33]。

2.2 化學因素

2.2.1 pH pH通過影響蛋白質的凈電荷和巰基的反應性，從而影響凝膠的形成。該過程與蛋黃蛋白的等電點(5～6)密切相關[34]，通常穩定的凝膠在pH值4～9的條件下形成[35]，當pH較低時，正電荷增加引起靜電斥力，導致蛋黃顆粒破壞，形成的凝膠較弱，而當環境中的pH過高時，遠離了蛋黃蛋白的等電點，蛋白質發生變性，導致聚集體變大，凝膠的硬度、黏彈性等顯著增大，甚至誘導冷凝膠的形成[36]。不同pH下形成的凝膠特點不同，通過掃描電子顯微鏡，可觀察到不同的凝膠特征，見表2。

表2 不同pH下蛋黃熱凝膠特征Table 2 Effect of different pH on heat-induced gelation characteristics of egg yolk

2.2.2 鹽 鹽誘導也是蛋黃凝膠形成的常用途徑，不同鹽離子對蛋黃凝膠作用機制差異較大，其中最常見的是向蛋黃中加入食鹽(NaCl)并進行腌制，可形成“咸蛋”。低鹽濃度時，由于Na+對蛋白質負電荷的屏蔽作用，分子間斥力減小，相互作用增強，聚集加快，有助于蛋黃蛋白凝膠的形成，但處于高鹽濃度時，則表現出相反的效果，主要是因為高鹽的脅迫作用破壞了維持低密度脂蛋白(LDL)穩定性的疏水相互作用，形成了LDL—水—NaCl復合物，造成凝膠的質構特性下降[37-38]。表3列出了部分濃度NaCl對蛋黃漿質的色度、凝膠的持水性及微觀結構的影響。

表3 添加不同水平NaCl對蛋黃凝膠特性的影響Table 3 Effects of different NaCl addition levels on the gel properties of egg yolk

鹽對蛋黃蛋白的聚集效果相對于pH、稀釋等的作用較弱。Thammarat等[39]對比了NaCl的濃度和滲透脫水對蛋黃黏彈性的影響，結果表明，脫水對聚集和凝膠網絡形成的影響明顯大于NaCl濃度。但兩者存在相互促進作用，在較低脫水作用下，NaCl的加入可調節蛋黃的黏彈性，使蛋黃形成質地均勻的凝膠網絡。此外，研究[40]發現一些磷酸鹽(三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉等)可明顯改善蛋黃凝膠的顏色和黏彈性。

2.2.3 其他添加物 除了鹽，一些不常用的或新興的添加物也開始加入到蛋黃制品中以改善其凝膠特性或抑制凝膠的形成，表4顯示了其他添加物對蛋黃凝膠的影響。

表4 添加物對蛋黃凝膠的影響Table 4 Effect of different additives on egg yolk gel

2.3 生物因素

酶通過催化水解或相互交聯作用使得蛋白質分子水解為小分子的肽或交聯形成更大的聚合物。研究[14,47]表明，適當的酶解或交聯反應可使包埋在蛋白質內部的非極性氨基酸殘基暴露，增強蛋白質間的疏水相互作用，進而改善凝膠結構。與化學處理相比，酶水解具有反應條件溫和、易于控制、不破壞底物等優點。工業上常采用非專一性蛋白酶進行水解，增加其溶解度，從而抑制凝膠的形成[48]，表5列出了蛋黃蛋白酶解過程中常用酶的種類及其特征，通過控制酶解的溫度和pH可改善蛋黃凝膠的質地。

表5 蛋黃凝膠過程中常用酶的種類及特征Table 5 Types and characteristics of common enzymes during gelatiton of egg yolk

2.4 聯合作用

各因素除了單獨影響蛋黃凝膠的形成，更多的是物理、化學和生物酶之間的聯合作用。Woodward等[35]研究了3組交互作用(pH×溫度×時間；蛋白質濃度×pH；NaCl濃度×pH)對蛋黃凝膠硬度的影響。結果表明，蛋黃凝膠硬度一般隨pH、蛋白質或鹽濃度、加熱溫度和時間的增加而增加，pH為5，80 ℃加熱30 min，蛋黃凝膠形成的速度最快，此時凝膠的黏彈性達到最大。但相同pH，隨著NaCl濃度的增加，蛋黃的硬度呈先上升后下降的趨勢，在0.32 mol/L時達到最大，這與上述相符。Nakamura等[54]認為熱誘導凝膠的溫度隨蛋白質溶液pH的不同而不同，蛋黃分散液的pH<5，LDL分散體凝膠在70 ℃時快速形成，但當pH>6時，LDL分散體凝膠需在80 ℃或更高的溫度才能形成。李歡歡等[55]采用不同溫度的熱處理與胰蛋白酶共同作用于蛋黃液，得到酶解后蛋黃凝膠的持水性與對照組均呈先下降后上升的趨勢，且在60 ℃時凝膠的持水性達到最低。

傳統“皮蛋”的制作是堿液誘導凝膠的典型代表，其本質是pH和離子強度共同作用達到平衡的結果。艾民珉等[56]研究了蛋黃腌制過程中(7～42 d)凝膠的變化，結果顯示，腌制過程中蛋黃的凝膠強度顯著增強，而在后熟期間變化不顯著，且最終蛋黃逐漸呈外部凝膠、溏心黏稠狀，主要是因為腌漬過程中，NaOH與蛋黃中的油脂發生皂化反應使得蛋黃表面開始凝固。同時，隨著堿液的滲透，水分和脂質不斷遷移，使得變性蛋白之間相互交聯，最終蛋黃呈膠凝狀，凝膠強度顯著增強，而后熟期間皮蛋內部環境趨于穩定，故凝膠強度變化不明顯。Yang等[57]指出堿液的加入導致了血漿和顆粒的組分被破壞并釋放，它們隨機聚集或結合，形成“聚集帶”，但聚集作用的產生主要是由于血漿蛋白結構的變化所引起，顆粒的加入只起到了“增強”的作用，此過程由離子鍵和二硫鍵共同來維持凝膠強度。此外，堿液的濃度對蛋黃凝膠的形成也具有重要影響，濃度過高的堿液可能會導致蛋黃凝膠的降解，聚集的凝膠隨后變成液體，陳曉[58]采用響應面優化法得到蛋黃堿誘導凝膠的最佳工藝為：凝固溫度3.5 ℃，NaOH添加量1.18%，后熟溫度36.8 ℃，此時蛋黃的感官評分最高。

2.5 其他

蛋黃凝膠的形成除了受到外界因素的影響，目前，研究較多的是蛋白質濃度對蛋黃凝膠形成的影響。Nakamura等[54]認為熱誘導蛋黃蛋白凝膠的強度與蛋白質濃度呈正比。王蓉蓉等[59]指出蛋黃質量濃度在55 mg/mL 才能形成凝膠，低于55 mg/mL時，蛋黃蛋白分子間由于水的存在，無法發生交聯形成凝膠。Paraskevopoulou等[60]以蛋黃為原料，制備了低膽固醇濃縮蛋黃蛋白，加熱后制得的凝膠具有更高的硬度和彈性，此外，以蛋黃濃縮液制得的蛋糕與對照組相比，硬度明顯增加。

3 蛋黃凝膠的改善

通過物理、化學、酶等處理方式(表3)可對蛋黃的凝膠特性進行改善，進而提高蛋黃制品的外觀、口感、貯藏性等。

3.1 物理改性

物理改性是指利用熱、電、磁、機械剪切等物理作用改善蛋白質的功能特性，它是一種定向的改性，具有作用時間短、無副產物、對蛋白質影響較小等優點，而目前應用于改善蛋黃蛋白凝膠特性的物理方式主要是攪拌或均質。Woodward等[35]認為加熱前對蛋黃液進行攪拌或均質，加熱后形成的凝膠更富有彈性，硬度顯著增加，主要是因為攪拌或均質破壞了蛋黃內部結構，釋放的血漿作為連續相流體，顆粒作為非連續相的一部分，這種微觀結構的變化使蛋黃蛋白釋放到溶液中，在加熱過程中形成了堅硬、橡皮質地的三維網絡結構。

3.2 化學改性

采用化學處理改善蛋黃凝膠主要分為兩種：① 利用快速冷凍，加入抗凝劑等化學手段對蛋黃蛋白進行修飾，從而改善蛋黃的凝膠特性。如冷凍通過延緩微生物的生長與繁殖，延長了蛋黃的保質期，在短時間內可以保持蛋黃固有的風味和顏色。但冷凍中形成的凝膠通常是不理想的，因為它降低了蛋黃的其他功能性質，使其難與食品配料相結合。一般認為，快速冷凍可以最大程度上防止蛋黃黏度的增加，進而減少冷凍對蛋黃的損傷。Jaax等[61]曾指出利用液氮快速冷凍可以防止凝膠化。Lopez等[62]發現干燥的冰丙酮混合物也可達到快速冷凍的效果。此外，冷凍期間加入一些抗凝劑可延緩冷凍帶來的損傷，傳統上認為添加10%的糖或鹽可以延緩蛋黃冷凍誘導的凝膠，但近年來，隨著“降糖減鹽”理念的不斷深入，新型的抗凝劑亟待研發。目前，脯氨酸、半胱氨酸、水解蛋黃(HEY)/清蛋白(HEW)、抗凍肽等都已被證實是有效的冷凍凝膠抑制劑[24,63]，Monica等[64]指出冷凍期間采用5% HEY處理蛋黃和用10%鹽或糖處理蛋黃具有相同的抗凝作用，且HEY具有用量少，成本低，環保等優點，有望取代傳統的凝膠抑制劑。隨著中國冷凍工業的快速發展，具有特定功能和結構組成的食源性抗凍抑制劑是解決蛋黃在冷凍過程中膠凝化的有效途徑，具有極大的發展前景。② 蛋白質化學衍生化，即利用特定的化學試劑對蛋白質或多肽分子上的特定基團如氨基、羥基、羧基等進行修飾，其本質是對氨基酸側鏈的殘基進行改性，主要包括糖基化，酰基化和磷酸化。Ren等[65]用三聚磷酸鈉和琥珀酸酐兩種鹽分別對卵黃蛋白進行磷酸化和琥珀酰化修飾，結果發現兩種方式均改變了蛋黃中蛋白質的結構，進而使得蛋黃形成精細而致密的凝膠網絡，且凝膠強度和保水性顯著提高。劉靜媛[66]以未改性處理的新鮮蛋黃作為對照，分析了磷酸化(三聚磷酸鈉)和酰基化(丁二酸酐)改性對新鮮蛋黃的凝膠強度和持水性的影響，猜測可能是因為磷酸化和酰基化打開了蛋白質內部結構，疏水基團暴露，疏水相互作用增強，從而使得蛋黃凝膠的質構特征(硬度、凝聚力)和持水性顯著提升。

4 蛋黃制品及其凝膠化的應用

隨著人們對食品的食用便捷、保存期長、高營養價值等方面的需求，蛋黃深加工制品成為近年來研究的熱點。運用現代化技術改善蛋黃的某些功能特性，或將蛋黃與其他原料相結合，研制出新的產品，這不僅克服了蛋黃易變質、難運輸等缺點，也極大地提高了產品的附加值[67-70]。圖2列出了蛋黃深加工制品及其凝膠化現象的具體應用。

圖2 蛋黃深加工制品及其凝膠化的具體應用Figure 2 The specific application of egg yolk processing products and its gelation

5 結論與展望

在蛋黃醬、冰淇淋、魚糜制品、雞蛋干等食品的制備中，蛋黃的凝膠性是其重要功能特性之一。影響蛋黃凝膠特性的因素有很多，主要有溫度(冷凍、加熱)、壓力、常見的化學添加劑(鹽、堿液)、酶及其協同作用等。此外，對于蛋黃凝膠的改善，現有的物理(均質或攪拌)、化學(快速冷凍、加入抗凝劑、化學基團的修飾等)和酶法改性中仍存在很多局限性，所用酶、抗凝劑的種類單一；酶的復合作用、新型食源性抗凍抑制劑及不同改性方式的協同作用缺乏研究。因此，后續可在完善蛋黃凝膠化規律的基礎上，進一步尋求影響蛋黃膠凝化的其它因素及改善方法，拓寬蛋黃凝膠在食品工業中的應用。