蛋白質(zhì)冷凝膠特性及功能研究進展

Research Progress on Properties and Functions of Protein Cold-Set Gel

WANG Jing， HE Linfeng （Nanchong Vocational College of Culture and Tourism，Langzhong 6374o0， China）

Abstract： The formation process of protein cold-set gels involves protein denaturation，aggregation and crosslinking，and isafectedbyproteinconcentration，pHvalue，ionic strengthandother factors.Proteincold-setgels has a variety of characterization methods，and also has the functions of embedding and acid resistance protection， which can protect bioactive molecules and probiotics from external damage，improve stability and bioavailability. In the food industry，cold gelscan improve the texture，mouthfeelandshelflifeoffoods，andcanalsobeusedasthickeners， stabilizersand flavorcarriers tomeet the needs of healthy diets and drive food innovation.Therefore，it is of great value to develop new functional protein cold-set gels for the production of health foods，functional foods and food processing.

Keywords： protein; cold-set gel properties; cold-set gel function

凝膠是一類有彈性的固體，其質(zhì)地柔軟，形態(tài)可變，穩(wěn)定性強。以蛋白質(zhì)為基質(zhì)形成的凝膠是一類天然凝膠，其生物降解性強，應(yīng)用前景廣闊[1]。蛋白質(zhì)的肽鏈經(jīng)展開、結(jié)合再到聚合就形成了蛋白質(zhì)凝膠。在蛋白質(zhì)凝膠化的過程中，形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以截留一些小分子，如水分、脂肪、生物活性分子等，甚至可以通過化學(xué)鍵或者非化學(xué)鍵將這些小分子保留在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中[2]。蛋白質(zhì)凝膠的形成狀態(tài)取決于凝膠的形成條件，如蛋白質(zhì)濃度、pH值，凝膠化時體系中的離子強度，不同條件形成的凝膠形態(tài)、持水量、硬度、彈性等，甚至是流變性質(zhì)都會存在差異。不同蛋白質(zhì)的氨基酸序列也決定了所形成凝膠的結(jié)構(gòu)和機械性能[3]。

1蛋白質(zhì)冷凝膠的形成過程

蛋白質(zhì)的膠凝化過程是先加熱蛋白溶液，待其冷卻后再加入鹽誘導(dǎo)劑、酸誘導(dǎo)劑或轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，形成的凝膠叫冷凝膠[4-。將天然蛋白溶液加熱，蛋白溶液中的蛋白質(zhì)分子會先變性、聚集，然后將加熱后的溶液冷卻，按要求加入酸誘導(dǎo)劑、鹽誘導(dǎo)劑或轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，此時溶液在二硫鍵或疏水作用、靜電作用下，逐漸形成凝膠[]。一般選擇葡萄糖酸-8-內(nèi)酯作為酸誘導(dǎo)劑，其在水溶液中能水解生成氫離子，降低體系的pH值。當體系中的pH值降低至蛋白質(zhì)等電點附近，蛋白聚集體表面的電荷逐漸被中和，此時聚集體之間會強烈作用，相互締合，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]。ALTING等[對酸誘導(dǎo)冷凝膠的過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)pH值對凝膠形成的快慢有較大影響。鹽誘導(dǎo)劑可以增加溶液的離子強度，加強蛋白質(zhì)分子間的靜電作用，促進蛋白凝膠的形成。MARANGONI等[]將 Na⁺ 加入乳清蛋白溶液，發(fā)現(xiàn)乳清蛋白溶液中很快形成絮凝物。

2蛋白質(zhì)冷凝膠的表征方法

2.1 外觀特性

蛋白質(zhì)冷凝膠的外觀可以呈現(xiàn)出半透明狀到不透明狀，具體取決于蛋白質(zhì)的種類、濃度以及形成條件等因素。例如，在一定濃度的葡萄糖酸內(nèi)酯和氯化鈉的作用下形成的牛血清白蛋白冷凝膠呈半透明狀。

2.2 凝膠持水力

凝膠持水量是指保留在蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)中，即使在外力作用下也未被擠出的水分含量，占蛋白凝膠水分總含量的比值[1]。持水量的大小表示凝膠持水能力的強弱，同時蛋白凝膠的持水力決定了凝膠的質(zhì)地。凝膠的持水力與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如果凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙，且整體結(jié)構(gòu)不均，那么通過離心作用、物理按壓等外力的擠壓，水分會很快流出，這樣的凝膠持水力低。相反，如果凝膠微觀結(jié)構(gòu)細膩，整體均勻，那么凝膠的持水力強，能截留住水分和一些小分子物質(zhì)。通過對凝膠持水性的測定就能對凝膠微結(jié)構(gòu)的特征進行相應(yīng)的判斷。

2.3 流變學(xué)特性

流變學(xué)是從多方位研究物質(zhì)特征的科學(xué)。采用動力試驗測定凝膠的黏彈性，先以恒定頻率施加正弦應(yīng)變或應(yīng)力，測量材料的儲能模量、損耗模量和復(fù)數(shù)黏度與應(yīng)變和應(yīng)力的關(guān)系，找到材料的線性黏彈區(qū)，再在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)，測定凝膠從溶液到成型過程的儲能模量/彈性模量和損耗模量/黏性模量值。在凝膠形成的動態(tài)過程中，可以采用時間掃描、頻率掃描模式對凝膠材料的動力效應(yīng)進行測定。

用流變儀測定食品的流動性和形變，不僅可以分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點，還能對食品的特性進行控制，對新產(chǎn)品特征分析有著重要意義。

2.4 質(zhì)構(gòu)分析

質(zhì)構(gòu)儀是測定食品物性學(xué)的分析工具，可以選擇不同的測試模式，如單循環(huán)、多循環(huán)、全質(zhì)構(gòu)分析，壓縮、拉伸實驗?zāi)Ｊ剑瑱z測不同食品的硬度、脆性、彈性、回彈力、黏合性、咀嚼性等物性指標。選擇質(zhì)構(gòu)剖面分析模式對蛋白質(zhì)冷凝膠進行質(zhì)構(gòu)分析，不同凝膠的物性特點通過硬度、彈性、黏性等指標反映。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

光學(xué)顯微鏡雖然觀察步驟簡便，但是分辨率較低，不利于觀察精細的結(jié)構(gòu)。而使用電子顯微鏡時對被觀察樣品的要求較高，處理步驟煩瑣。激光掃描共聚焦顯微鏡的特點是采用激光作為光源，可以自動去除非聚集平面的信息，同時該顯微鏡與計算機相連接可以實現(xiàn)斷層掃描，獲得連續(xù)的光學(xué)切片，最終獲得清晰、高分辨率的三維圖像。利用激光共聚焦顯微鏡掃描得到的數(shù)字圖像，可以導(dǎo)入軟件算法，形成與樣品微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)的數(shù)字模型[12]。

2.6 分形分析

分形理論指出物質(zhì)維數(shù)是連續(xù)變化的，物質(zhì)的復(fù)雜性通過這樣的非整數(shù)維能更好地反映出來。分形維數(shù)（非整數(shù)）對形態(tài)不均勻、有自相似結(jié)構(gòu)的物體具有很好的微觀結(jié)構(gòu)描述作用。NAVID等[13]用分形分析定量小膠質(zhì)細胞形態(tài)的細微差別。王洪晶[14]采用分形分析研究不同離子強度下酸誘導(dǎo)大豆分離蛋白凝膠的微觀結(jié)構(gòu)差異。

3蛋白質(zhì)冷凝膠的功能研究進展

3.1 包埋功能

蛋白質(zhì)冷凝膠可以作為一種良好的包埋基質(zhì)，用于包埋熱敏性功能因子、礦物質(zhì)、維生素和益生菌等活性物質(zhì)。例如，利用乳清蛋白冷凝膠可對維生素、益生菌等生物活性物質(zhì)進行包埋和攜帶，這種包埋作用不僅可以保護這些活性成分免受外界環(huán)境中光、熱、氧等因素造成的破壞，還能很好地提高其穩(wěn)定性和生物利用度。在食品工業(yè)領(lǐng)域，可將蛋白質(zhì)冷凝膠用于開發(fā)各種功能性食品，如含有益生菌的乳制品、富含礦物質(zhì)的營養(yǎng)棒、富含維生素的果汁飲料等。通過利用蛋白質(zhì)冷凝膠的包埋功能，可以確保這些活性成分在食品中的穩(wěn)定性和生物利用度，從而滿足消費者對健康食品的需求。研究表明，通過調(diào)整冷凝膠的組成和結(jié)構(gòu)，可以控制活性物質(zhì)的包埋率和釋放速率[4]

3.2 抗酸保護功能

蛋白質(zhì)冷凝膠具有獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對一些需要在胃酸環(huán)境下保持活性的物質(zhì)，如益生菌，蛋白質(zhì)冷凝膠可以提供良好的抗酸保護作用，免受酸性環(huán)境的破壞。這種保護機制主要得益于冷凝膠的緊致結(jié)構(gòu)和對外界環(huán)境的穩(wěn)定性。研究表明，鹽誘導(dǎo)的大豆分離蛋白冷凝膠在胃酸環(huán)境下能保護乳酸菌，減少其在胃酸中的失活，為益生菌在食品中的應(yīng)用提供新的思路和廣闊前景[15]。此外，乳清蛋白冷凝膠也被證明對雙歧桿菌等益生菌具有抗酸保護作用。

3.3蛋白質(zhì)冷凝膠在食品方面的功能

蛋白質(zhì)冷凝膠在食品方面的功能多種多樣，不僅可以改善食品的質(zhì)地、口感、保持食品的新鮮度和延長保質(zhì)期，如在肉制品中增加黏彈性，在乳制品中替代脂肪等，還可以作為食品的增稠劑、穩(wěn)定劑等，提高食品的品質(zhì)和穩(wěn)定性。此外，蛋白質(zhì)冷凝膠可作為風味物質(zhì)的載體、滿足健康飲食的需求以及推動食品創(chuàng)新，如仿生食品、3D打印食品等，這些新型食品在口感、質(zhì)地和營養(yǎng)價值方面都有顯著的提升。隨著科技的進步和人們對食品品質(zhì)要求的提高，蛋白質(zhì)冷凝膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。

4結(jié)語

以蛋白為基質(zhì)制備的冷凝膠，其交聯(lián)過程由于沒有經(jīng)過加熱，可以避免其營養(yǎng)成分損失及風味成分損失。因此，蛋白質(zhì)冷凝膠可以作為一種包埋材料，包埋生物活性分子、益生菌、敏感性礦物質(zhì)等，能夠提升它們在自然條件下的穩(wěn)定性，且避免它們在胃腸中輕易被降解，讓這些物質(zhì)能真正發(fā)揮其作用。此外，冷凝膠制備工藝簡單、無毒，有利于工業(yè)化食品和非食品應(yīng)用的發(fā)展。

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