乳化肉制品保油保水性關鍵作用機制研究進展

韓宗元，趙玲玲，張鈺媛，邵俊花,*

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866；2.廣東海洋大學食品科技學院，廣東 湛江 524088）

低溫乳化型肉制品口感鮮嫩、蛋白含量高，低溫加工最大限度地保留了肉中的營養成分，逐漸成為消費者喜愛的肉制品之一。此類產品是由蛋白質、脂肪顆粒、水和鹽等成分組成的凝膠類制品，這些蛋白質和脂肪在斬拌及熱加工過程中通過乳化及凝膠的形成賦予產品良好的質構、口感及保油保水性。斬拌處理能夠使肉糜形成類似海綿狀網絡結構，經熱加工形成凝膠骨架結構（熱誘導凝膠），而被蛋白膜包裹的脂肪球交聯在基質蛋白網絡上充當填充物或共聚物，從而降低肉制品凝膠中的空隙。斬拌促使蛋白質釋放、溶解和溶脹，水合作用增強，改變了天然狀態下蛋白質分子結構，使其更易于吸附脂肪發生乳化反應，因此，優化斬拌工藝使鹽溶性蛋白質達到最佳的乳化凝膠穩定狀態對于乳化肉制品的質構和保油保水性非常重要。

斬拌過程中，鹽溶性肌原纖維蛋白溶解并吸水溶脹（蛋白質水合），形成溶膠狀態的基質。一方面這些溶出的鹽溶性蛋白質吸附在脂肪球周圍形成界面蛋白膜，有效地陰止了脂肪顆粒之間的聚合和絮凝；另一方面，鹽溶性的肌球蛋白和肌動蛋白經過加熱形成有彈性的凝膠體，而斬拌或熱加工過程中脂肪球表面的蛋白質分子也會與基質蛋白發生蛋白質-蛋白質相互作用，將乳化的脂肪球固定在蛋白凝膠基質的空隙中，以填充的形式形成產品的質構及保油保水性。目前，肉糜斬拌對產品保油保水性的影響因素主要包括肌肉的來源（豬、牛、羊等）和化學成分、pH值、離子強度、鹽的種類以及斬拌時間等；且乳化凝膠穩定機制主要集中在添加植物油（部分替代動物脂肪）和多糖（膳食纖維、淀粉、卡拉膠等）、蛋白（大豆蛋白、玉米醇溶蛋白）和水凝膠等乳化劑來加強乳化穩定性，而這些因素影響乳化穩定性的本質是肌球蛋白空間構象發生變化。邵俊花和Lefèvre等研究表明肌肉蛋白質分子中-折疊結構的形成伴隨汁液流失的發生，并且Lefèvre和Herrero等發現在水包油型乳液表面，蛋白質分子之間-折疊結構形成也會影響乳化穩定性。

因此，本文主要綜述斬拌和乳化過程中蛋白質發生溶解、吸水溶脹、聚集、乳化-吸附階段空間構象變化，并闡述蛋白質分子構象變化與保油保水性的關系，進而完善乳化凝膠穩定機制，對解決乳化型肉制品出油出水問題提供理論依據和實際指導。

1 斬拌過程中蛋白質水合作用和空間構象

1.1 肌球蛋白分子結構

肌節是由肌肉蛋白質中Z線、I帶和A帶嚴密、有序排列而成，其主要結構特征為交叉的含有肌球蛋白的粗絲（A帶）和肌動蛋白的細絲（I帶）。粗絲主要由交錯的肌球蛋白分子組裝而成，其頭部向外突出；細絲包含肌動蛋白（藍色）、球狀肌鈣蛋白復合物（黃色）和絲狀原肌球蛋白（紅色）（圖1）。肌球蛋白（470 000 Da）由兩條重鏈（200 000 Da）和4 條輕鏈（light chain，LC）（15 000～30 000 Da）組成。其中LC-2為磷酸化調節輕鏈，由于可通過5,5’-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)（5,5’-dithiobis(2-nitrobenzoic acid)，DTNB）從肌球蛋白上選擇性地解離，因此又稱為DTNB鏈。LC-1和LC-3為必需輕鏈，在堿性條件下從肌肉蛋白中分離，因此被稱為堿性輕鏈，其結構如圖2所示。肌球蛋白是動物肌肉中最重要的一種蛋白質，約占肌肉蛋白質的30%，肌球蛋白的乳化和熱誘導凝膠特性決定著凝膠類肉制品的品質。

圖1 骨骼肌組織的層次結構[33]Fig. 1 Hierarchical structure of skeletal muscle tissue[33]

圖2 肌球蛋白分子結構[34-35]Fig. 2 Schematic diagram of the myosin molecule[34-35]

1.2 斬拌對蛋白質水合作用和空間構象的影響

斬拌處理能影響水和脂肪的分布和流動性，從而對蛋白質水合作用、凝膠網絡結構和乳化特性產生重要作用。一般將肉糜斬拌分成3 個階段：一是加食鹽和磷酸鹽斬拌（破碎肌肉細胞，提取鹽溶性肌原纖維蛋白）；二是繼續加冰水斬拌（水分子作用于蛋白質分子，并形成肉糜的溶膠狀態）；三是繼續加脂肪斬拌（水合蛋白與脂肪發生乳化反應，形成分散的乳化顆粒溶膠）。其中前2 個階段屬于水合階段，而第3個階段則屬于乳化階段。這3 個階段代表了熱加工之前肌肉蛋白質經歷的3 種狀態，即提取出的鹽溶性蛋白質的天然狀態、吸水后蛋白質溶脹、部分蛋白質參與乳化發生構象變化或微環境極性的改變，這3 種狀態的肌肉蛋白理化特性和構象特征均會影響后續的加工特性，進而影響產品品質和保油保水性。斬拌（鹽斬和冰斬）促使鹽溶性蛋白質從肌肉細胞中釋放出來，肌球蛋白和肌動蛋白吸水膨脹（水合作用），然后形成類似海綿狀有序結構。水合作用一定程度地打開了天然狀態下蛋白質分子結構，使其更易于吸附脂肪發生乳化反應或發生蛋白質-蛋白質相互作用；蛋白質的溶解性也取決于蛋白質的水合作用，是通過蛋白質分子一級結構以及側鏈氨基酸殘基上的功能基團和水分子（偶極-偶極或氫鍵）相互作用形成的。鄧亞敏研究表明蛋白質分子與水分子形成氫鍵（偶極鍵），能夠穩定結合水，有利于凝膠保水性，此過程蛋白質分子從緊密的折疊狀態發生解折疊，蛋白質水合作用增強。Hu Yunpeng等研究表明磷酸鹽能促進肌原纖維蛋白解折疊、疏水基團和二硫鍵交互作用，形成有序、光滑的凝膠結構。Li Liyuan等研究表明肌原纖維蛋白在解折疊和復折疊過程中，蛋白質二級結構和三級結構均發生顯著變化，使蛋白質結構更加展開，提高疏水基團暴露，有助于蛋白質間相互作用，并提高乳化穩定性。

目前，研究主要集中在改變鹽離子種類/用量來增強水合作用和蛋白質交互作用，從而提高鹽溶性蛋白質的溶解性，有助于改善質構特性和凝膠特性。Casal等研究表明在鹽斬和冰斬階段，-折疊引起蛋白質發生側鏈交聯或分子之間的聚集，并且Wu Zhiyun等研究證實鹽離子可以引起疏水基團暴露，影響-螺旋結構。食鹽與磷酸鹽可使肌原纖維蛋白膨脹，增大了肌絲纖維之間的空隙，肌絲纖維對水分的截留能力減弱，促進了鹽溶性蛋白的溶解形成溶膠，因此在斬拌過程中水合作用增強可提高肌原纖維蛋白的溶解性。Kang Zhuangli等研究表明提高豬肉糜中食鹽添加量，-折疊含量增加，蛋白質交互作用增強。Liu Ru和Herrero等研究表明-折疊結構是蛋白質聚集和凝膠形成的基礎，增加肉制品體系中-折疊的含量有助于形成良好的凝膠結構，提高肉制品的硬度和保水性。蛋白質三維凝膠網狀結構通過蛋白質間交聯和水合作用以及多肽鏈間引力與斥力形成。引力包括氫鍵、二硫鍵和疏水相互作用等，斥力為庫侖力、靜電作用和離子鍵。因此，在斬拌過程中，蛋白質天然結構發生改變促進水合作用，并且在鹽離子（食鹽和磷酸鹽）作用下氫鍵、離子鍵等次級鍵受到破壞，有利于鹽溶性蛋白質溶解和形成溶膠，同時也為構建有序、緊密的三維網狀凝膠結構奠定基礎。

2 肌球蛋白聚集與熱誘導凝膠

蛋白質聚集在肉制品加工中具有重要作用。斬拌處理產生一定的剪切力和界面張力能夠引起大量的蛋白質變形，誘導肌球蛋白發生聚集，這是由于蛋白質對環境因子（NaCl含量、溫度和加工方法等）的變化非常敏感，易形成聚集、部分解折疊的大分子，蛋白質三級結構改變，引起分子間二硫鍵和疏水作用力變化。蛋白質聚集的驅動力來源于蛋白質之間的作用力，非共價鍵（疏水相互作用、氫鍵和靜電相互作用）和共價鍵（二硫鍵）的共同作用是蛋白質聚集的主要因素，其機理建立在不同屬性亞基分解和聚集基礎上。Wang Guan等研究表明在低濃度（＜0.3 mol/L）NaCl溶液中，肌球蛋白主要通過離子鍵組裝成絲狀體；在中等濃度（0.3～0.6 mol/L）時，NaCl干擾了帶相反電荷氨基酸的靜電吸引，導致肌球蛋白的延伸和溶解。然而，在高濃度（＞1.0 mol/L）時，隨著溶解度和均勻性降低，肌球蛋白通過疏水相互作用重新組裝成絲狀體，從而發生構象變化及更多活性基團暴露。NaCl濃度還可以影響肌球蛋白熱聚集，并決定蛋白質凝膠的特征結構。

Han Zongyuan等研究發現在相變溫度下，凝膠的形成是-螺旋結構降低、同時-折疊結構增加的結果，并伴隨著不易流動水從內部向外部遷移。在第一階段（20～39 ℃），主要發生水合作用，蛋白質吸水溶脹，二級結構、疏水作用力、氫鍵、巰基和二硫鍵無顯著變化；在第二階段（43～50 ℃），蛋白質開始變性，水合作用降低，蛋白質逐漸形成低聚物，并伴隨著表面疏水性增加，其中巰基發生轉變形成二硫鍵。在第三階段（55～74 ℃），蛋白質交聯、聚集，-折疊和二硫鍵持續增加，彈性凝膠結構形成并變得更緊密，保水性降低，詳見圖3。蛋白質聚集行為影響分子構象的變化，尤其是-折疊結構，-折疊是形成凝膠的基礎。Xu Yanshun等也通過研究證實蛋白質聚集行為可以改變肌動球蛋白二級結構、三級結構和芳香族氨基酸的微環境，從而影響凝膠結構；另外，二硫鍵和疏水相互作用也可影響纖維狀凝膠網絡結構形成。一方面分子間二硫鍵和疏水作用力在熱誘導凝膠的形成過程中非常重要；另一方面蛋白質通過構象變化（特別是-折疊結構）而引起聚集速率的改變對凝膠特性影響也極為重要。Herrero研究表明在肌原纖維蛋白聚集形成熱凝膠過程中，蛋白質解折疊，氫鍵斷開，造成-螺旋含量減少，同時-折疊、-轉角和無規卷曲含量增加，從而提高肉制品質構；疏水作用力增強，氨基酸殘基（疏水性氨基酸，如色氨酸和苯丙氨酸殘基）更多的暴露于水相環境中。肌球蛋白聚集是凝膠結構形成、質構特性增強以及保水性降低的主要原因，因此，蛋白質聚集體的聚集狀態和分子結構影響熱誘導凝膠品質。

圖3 相變溫度下熱誘導豬肉蛋白凝膠形成示意圖[54]Fig. 3 Schematic diagram of heat-induced gel formation at phase transition temperature[54]

3 乳化穩定機制與界面蛋白膜結構

Gordon等研究表明肉糜的穩定性（乳化凝膠）是由乳化脂肪和蛋白質凝膠基質的性質共同決定。乳化凝膠形成機制主要涉及兩個理論：乳化理論（界面蛋白膜）和物理包埋理論。物理包埋理論是指，肌肉組織（瘦肉）經斬拌提取出的鹽溶性蛋白、未溶解的肌原纖維和纖維碎片及膠原纖絲間發生相互作用，將破碎的脂肪顆粒或液滴物理鑲嵌、包埋到肉糜中。肉糜在加熱之前脂肪被物理包埋在蛋白質基質中，在加熱過程中，脂肪球表面上的界面膜蛋白和基質蛋白發生交互作用，形成一種半剛性的凝膠結構，使肉糜穩定。乳化理論涉及界面蛋白膜吸附行為和分子結構轉變，蛋白質的界面吸附行為主要分為水相中蛋白質擴散至油-水界面、蛋白質吸附到界面上并展開、界面膜蛋白發生分子構象重排并逐漸聚集這3 個階段。其中乳化-吸附過程主要涉及兩種分子活動，即蛋白質在油脂分子表面的定位以及隨后利于吸附的構象重排。Husband等研究表明參與乳化的蛋白質傾向于形成疏水表面，二級結構和微環境極性的變化導致新的相互作用和構象形成，蛋白質解折疊而產生構象變化，使其有別于天然狀態的蛋白質分子結構。蛋白質二級結構變化涉及蛋白質-脂肪之間的相互作用和吸附的蛋白質-蛋白質側鏈之間的相互作用，而蛋白質-蛋白質之間的相互作用對于形成穩定的水包油型乳液很重要。在蛋白質實際吸附過程，能壘的存在陰礙了蛋白質立刻發生吸附行為，需要克服能壘后才能發生真實的吸附。能壘的大小取決于體相蛋白質和界面蛋白質之間轉換和疏水相互作用；在分子重排過程，界面蛋白膜形成的難易程度取決于分子構象以及疏水氨基酸的暴露和排列。蛋白質在界面上發生解折疊以及分子間相互作用會影響油-水界面形成玻璃化或凝膠化的致密蛋白吸附層，這一過程涉及分子交聯、局部相分離等過程，常伴有界面黏彈特性的改變。疏水氨基酸在界面上暴露并有序排列，疏水基團定向排列到油相，并伴隨著吸附蛋白質增加，界面膜厚度也增加，進而降低了界/表面張力。界面蛋白膜穩定性受到多種因素影響，分子結構是主要影響因素，因為乳化吸附后蛋白質的解折疊程度和適合的二級結構都會影響界面分子內/間相互作用。同時通過改變體系環境，更多疏水氨基酸暴露，乳化能力得到提升，從而增加界面膜穩定性。Youssef等研究表明當體系中存在大量聚集體時，這些聚集體會額外網羅一部分連續相，這種聚集主要是由-折疊構象所引發，靜電斥力和疏水相互作用、氫鍵等非共價鍵是其主要的穩定力，這些交聯程度和致密程度各不相同的網狀共聚物吸附到液滴表面，將會在液滴表面形成厚度、機械強度各不相同的界面保護層。界面保護層越厚、越致密，乳化油滴的穩定性越高，乳化凝膠也越穩定。Beverung等研究表明在油-水界面發生真實吸附過程中，聚集體解折疊，疏水基團暴露，蛋白質二級結構趨于形成更適合的空間構象。界面擴張彈性增加表明分子結構較為有序排列，吸附在界面的聚集體形態也發生轉變，并在構象熵的驅動下與體相未吸附聚集體繼續交聯，形成多層凝膠結構。因此，乳化凝膠穩定性主要由乳化（蛋白質-脂肪）形成的界面蛋白膜結構、厚度和黏彈特性決定。

4 水凝膠在肉制品中的應用

水凝膠是一類以水或水相為分散介質，具有低體積分數、三維多孔網絡的聚合物分子、纖維或顆粒組成的軟材料。水凝膠是由天然或合成的聚集體組成，是一種高度水合的聚集體網絡，由大型聚集體鏈組成，表現出較好的膨脹能力，在其結構內保留大量的水，但不會溶于水。Han Zongyuan等研究表明堿熱誘導肌球蛋白形成水凝膠聚集體，水凝膠三維網絡主要通過氫鍵交聯，-螺旋結構保持水凝膠的特征結構；而且水凝膠能夠吸附和包裹油滴，提高乳化穩定性。另外，pH值和離子響應水凝膠可以通過調控pH值和離子組成改變聚合物的靜電相互作用，從而影響網絡結構。其中pH值決定了聚合物上任何可電離基團的電荷狀態，離子組成通過離子結合和靜電屏蔽作用決定了靜電相互作用的大小和范圍。溫度響應水凝膠主要分為正響應和負響應體系，這兩類體系通過具有一個上臨界溶液溫度和一個較低的臨界溶液溫度來識別。低臨界溶液溫度系統是開發溫度響應性水凝膠的主要系統，當環境溫度高于低臨界溶液溫度時，水凝膠聚合物中非極性基團之間的疏水相互作用增加，導致形成更致密的網絡結構；相反，水凝膠聚合物之間的疏水相互作用減弱，導致形成更開放的網絡結構。蛋白質對pH值、溫度和離子強度的敏感性為調整其特定結構提供了可行性，從而使蛋白質水凝膠成為功能性食品的理想結構組成部分。由于蛋白質特定結構，可用于改善食品質構和乳液穩定性，其中乳液水凝膠在食品和包裝領域被廣泛研究，乳液水凝膠又稱乳化凝膠，是一種兼具凝膠和乳液理化性質和功能的半固態膠體體系。乳化凝膠常分為兩類：一類是乳狀液填充凝膠，其中乳狀液滴被填充入聚合凝膠基質中；另一類是乳狀液顆粒凝膠，它由聚合的乳狀液液滴組成。由于其兩親特性和半固體-凝膠結構，乳化凝膠在肉制品中可防止油脂合并、聚集，提高產品品質。

消費者對于肉制品的營養價值和人體健康的關系越來越重視，因此肉制品已成為“減鹽降脂”的主要產品。因為乳化凝膠在斬拌、發酵、熱處理和蒸煮過程中能夠保持較好的穩定性，同時保證產品的良好風味，所以可作為動物脂肪替代物應用到肉制品中。Heck、Poyato和dos Santos等研究表明乳化凝膠可以部分/完全替代豬背膘脂肪，重組、改良后肉制品具有較好的-6/-3多不飽和脂肪酸比例，且乳化凝膠不會破壞產品的感官品質。de Souza Paglarini等研究表明菊粉-大豆分離蛋白-大豆油脂組成的乳化凝膠可以降低Bologna香腸中11%～34%動物脂肪和35%～45%的鈉鹽，且膳食纖維和多不飽和脂肪酸含量增加，產品更加柔軟、有彈性，營養價值更高。Pintado等研究表明奇亞籽粉-燕麥乳化凝膠可以作為香腸中脂肪替代物，增加不飽和脂肪酸、氨基酸和礦物質含量，并降低產品的蒸煮損失。健康和綠色的肉制品加工技術已成為研究重點，乳化凝膠對肉制品營養品質、加工品質和感官品質都起到重要作用，因此乳化凝膠作為脂肪替代物應用到肉制品中將滿足營養和健康的訴求，提升肉制品的競爭力，并在未來實現廣泛的應用。

3D打印技術因其操作簡便、成本低、自由設計幾何形狀已在食品領域受到越來越多的關注，其中雞肉、豬肉和魚肉在3D打印技術中已有應用。由于堅硬的肌肉纖維結構，肌肉屬于非打印材料，因而需要在擠壓、復原、堆積和后加工4 個階段提高肉制品可打印性。水凝膠是一種具有三維網狀結構的聚合物，可通過分子交聯、離子鍵、氫鍵或疏水相互作用等次級鍵來保持不同的形狀、大小和形式，且蛋白質水凝膠具有良好的流動性，可以通過提高食品的彈性和穩定性來增強打印能力。同時兩種相反電荷的水凝膠在打印后能夠形成較好的凝膠結構，從而避免三維結構變形或坍塌。因此，水凝膠應用到3D打印肉制品中將成為一種改善肉制品保油、保水和質構性質的新策略。

5 結 語

在實際生產中，斬拌和乳化作為最重要的加工工藝，是形成熱誘導凝膠和乳化凝膠的基礎，蛋白質水合作用下溶解的肌原纖維蛋白交聯、聚集，最終形成三維凝膠網絡結構，并通過改變蛋白質相互作用和空間構象，最終影響熱誘導凝膠的網絡結構；同時也影響乳化凝膠中界面蛋白膜的結構、厚度和黏彈特性，進而決定產品的保油保水性。因此，從蛋白質空間構象角度闡述水合作用、熱誘導聚集行為、凝膠網絡形成和界面膜吸附行為對乳化穩定機制的影響，可以更有效地開發低脂、低鹽和高營養的凝膠類肉制品；以乳化穩定機制為基礎并結合水凝膠-3D打印技術指導新型乳化肉制品加工將有望解決產品“出油出水”瓶頸問題。