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    小麥麩膳食纖維對豬肉肌原纖維蛋白凝膠功能 特性的影響

    [導讀]膳食纖維能夠明顯改變肌原纖維蛋白功能特性,通過在肉制品中添加適量的膳食纖維可以明顯改良肉制品的風味,并替代脂肪,減少人體熱量的攝入。

    肌原纖維蛋白是肌肉中的一類重要的結構蛋白質群,是由肌球蛋白、肌動球蛋白、肌動蛋白以及調節蛋白的原肌球蛋白、肌鈣蛋白等組成的復合體。肌原纖維蛋白在肌肉蛋白中占50%~55%左右,除了參與肌肉的收縮、影響肌肉的嫩度外,對肉制品品質和功能特性有非常重要的影響。肉糜類制品在加工過程中,肌原纖維蛋白受熱形成的凝膠決定了產品產量、質構、黏著力及保水性等特性。在不同溫度 [1-3] 、pH值 [4] 、離子強度 [5] 、肌肉類型 [6] 及不同的添加物 [7-8] 條件下,肌原纖維蛋白形成凝膠的能力和特性不同,所表現出的功能特性也不相同。

    膳食纖維是不易被消化的食品營養素,根據溶解性不同可分為水不溶性纖維和水溶性纖維兩大類。膳食纖維單元中含有許多親水性基團,有很強的吸水性、持油性、保水性和膨脹性,雖然不能被小腸消化利用,但是可以在人體腸道內通過部分或全部發酵產生降血糖、降膽固醇、促進排便、預防肥胖及消除人體內有害物質的生理功能 [9-11] 。因此在肉制品中加入膳食纖維,可以部分替代脂肪減少熱量攝入,帶來良好的健康效應。此外,如果低脂多纖維肉制品的風味和口感能夠為消費者所接受,將會產生巨大的市場價值。小麥麩皮是豐富的膳食纖維來源,其總量占麥麩干物質成分的35%~50%,其中大部分為水不溶性膳食纖維。Sánchez-Alonso等 [12-13] 發現添加量為3%和6%的小麥纖維可以增加魚肉的保水性,且產品的感觀品質較好;當將其用于魷魚魚糜凝膠中時,其微觀結構顯示麥麩膳食纖維打斷了凝膠連續的蛋白質網絡結構,降低了凝膠的硬度和持水性等凝膠特性,這主要與小麥纖維的粒徑大小有關,對其感官品質無影響。

    近些年來,不少國內外學者嘗試將各種來源的膳食纖維添加到肉中用以開發低脂肉制品 [14-17] ,得到了較好的產品感官特性,但并沒有全面研究膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠及功能性質的影響。因此,本課題組在研究豬肉肌原纖維蛋白熱誘導凝膠性質的基礎上,重點探討了小麥麩這種谷物膳食纖維對豬肉肌原纖維蛋白及其凝膠性質的影響,以期為促進谷物膳食纖維在肉制品加工領域的應用提供有意義的借鑒。

    1  材料與方法

    1.1  材料與試劑

    新鮮豬(品種:北京花豬)通脊肉,購于北京市永輝超市。

    磷酸鈉、氯化鈉、氯化鎂、六水合氯化鎂、叔丁醇、十二水合磷酸氫二鈉、戊二醛、三氯甲烷/乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙醚(均為分析純)  國藥集團化學試劑北京有限公司。

    1.2  儀器與設備

    POLYTRON System PT 2500E型高速勻漿機  瑞士Kinematica公司;Himac CR 22G型高速冷凍離心機日本日立公司;HWS26型電熱恒溫水浴鍋  上海一恒科技有限公司;ALC-1100.2型電子天平、TB-214 型分析天平北京賽多利斯儀器系統有限公司;PHS-3D型pH計上海三信儀表廠;UV-2450型紫外-可見光分光光度計、RF-5301PC型熒光分光光度計  日本島津公司;S53/54型紫外-可見分光光度計  上海棱光技術有限公司;CT3型 Texture Analyzer質構儀  美國博勒飛公司;Sigma3k15型離心機  美國Sigma公司;DCW-3506型低溫恒溫槽  浙江寧波新芝生物科技股份有限公司;TESCAN VEGA Ⅱ掃描電子顯微鏡  捷克帝肯公司;Kinexus型超級旋轉流變儀、Mastersizer激光粒度分析儀英國馬爾文儀器有限公司;SHB-ⅢA型循環水式多用真空泵

    河南鄭州長城科工貿有限公司;WZJ6(BFM6)型振動式超微粉碎機  山東濟南倍力粉技術工程有限公司ALPHA 1-2 LD Plus冷凍干燥機  德國Christ公司;7620離子濺射鍍膜儀  美國Electron Microscopy Sciences公司。

    1.3  方法

    1.3.1  豬肉肌原纖維蛋白的提取

    參考Liu Gang等 [18] 的方法,并做了部分改進。將新鮮豬通脊肉絞成肉餡,加入4 倍體積提取液(10 mmol/LNa 3 PO 4 、0.1 mol/L NaCl、2 mmol/L MgCl 2 和1 mmol/L乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙醚,pH 7.0),攪勻,用高速勻漿機勻漿5 min,2 000×g、4 ℃離心15 min,倒掉上清液,收集沉淀,重復勻漿離心提取3 次,得到肌原纖維蛋白粗提樣品,在粗提肌原纖維蛋白沉淀中加入4 倍體積的0.1 mol/L NaCl溶液,高速勻漿5 min,1 層紗布過濾(紗布提前在沸水中煮20 min),3 000×g、4 ℃離心15 min,取沉淀,加4 倍體積的0.1 mol/L NaCl溶液,勻漿5 min,重復提取兩遍得到的沉淀,即為提純的肌原纖維蛋白,在4 ℃條件下冷藏備用。

    1.3.2  肌原纖維蛋白質成分分析

    參照郭堯君 [19] 和Laemmli [20] 等的十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)不連續電泳方法,采用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-polyacrylamidegelelectrophoresis,SDS-PAGE)法對肌原纖維蛋白進行電泳分析。

    1.3.3  肌原纖維蛋白濁度的測定

    參考Benjakul等 [21] 方法測定肌原纖維蛋白的濁度。以不含蛋白的溶液為空白對照組,由于吸光度越大,濁度越大,因此在600 nm波長處測定吸光度,研究不同溫度對肌原纖維蛋白濁度的影響。

    1.3.4  肌原纖維蛋白凝膠及膳食纖維混合凝膠的制備參考徐幸蓮 [22] 和朱君 [23] 等的凝膠制備方法,每次實驗前將凝膠放在室溫條件下平衡30 min。

    1.3.5  肌原纖維蛋白凝膠質構的測定

    取平衡好的凝膠放在載物臺上,利用質構儀進行測

    定,每個凝膠樣品做6 個平行實驗。壓縮模式下測定凝膠

    的硬度,質構儀測定設置參數如下:測定模式選擇下壓

    目標值為4 mm,測試速率為0.5 mm/s,引發力為4.5 g,

    探頭型號選擇TA 10 。

    1.3.6  不同因素下肌原纖維蛋白凝膠硬度的測定

    測定不同質量濃度(20、30、40、50、60、70、80 mg/mL)、pH值(5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)、離子強度(NaCl濃度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mol/L)、膳食纖維粒徑(未分級、過100、150、200、300 目篩)條件下肌原纖維蛋白凝膠硬度,觀察其變化。

    1.3.7  肌原纖維蛋白凝膠保水性的測定

    采用Kocher法 [24] 并部分改進。測量前將肌原纖維蛋白(混合)凝膠在室溫條件下放置30 min,取45 g不同的凝膠樣品加入50 mL離心管中稱質量,記為m 1 /g;3 000×g離心15 min,倒出離心出的水分,再次稱質量,記為m 2 /g;空離心管質量為m 0 /g。凝膠保水性按式(1)計算。.3.8  小麥麩膳食纖維的提取、粉碎和分級小麥麩膳食纖維的提取參考Bunzel等 [25] 的方法,膳食纖維純度測定參考GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》 [26] 。

    小麥麩膳食纖維粉碎分級:取200 g膳食纖維加入超微粉碎機中,間歇性粉碎3 次,每次粉碎時間持續10 min。粉碎后將膳食纖維分別過100、150、200、300 目篩。收集過篩后的產物,對膳食纖維進行分級。膳食纖維粒徑測定:使用Mastersizer激光粒度分析儀濕法測定樣品的粒度分布。

    1.3.9  肌原纖維蛋白乳化性和乳化穩定性的測定

    在Pearce濁度法 [27] 的基礎上稍作改動,測定乳化性(emulsifying activity index,EAI)和乳化穩定性(emulsionstability index,ESI)。取2 mL的玉米油和8 mL的肌原纖維蛋白樣品溶液(蛋白質量濃度為2 mg/mL),置于直徑50 mL的離心管中,用高速勻漿機進行勻漿,轉速約10 000 r/min。勻漿后立即從距離管底0.5 cm處吸取50 μL新鮮的乳化液分散到5 mL質量分數為0.1%的SDS溶液中,以0.1%SDS為空白,在500 nm波長處測量其吸光度A 0 。靜置10 min后再次從相同位置吸取50 μL的乳化液,以上述方法測量乳化液此時吸光度A 10 ,每個樣品做3 次重復,EAI、ESI分別按式(2)、(3)計算。

    EAI/?m 2 /gA 500 nm 2?2.303ρ??1?φ??10 4(2)ESI/%= ?100A 10A 0(3)式中:φ為油相體積分數(φ=20%);ρ為肌纖維蛋白質量濃度/(mg/mL)。

    1.3.10  肌原纖維蛋白混合凝膠流變性的測定

    參考Ramirez-Suarez等 [28] 方法,肌原纖維蛋白和膳食纖維樣品混合物在升溫過程中產生的凝膠力學變化由蛋白變性所引起,測定模式為正弦振蕩模式,將樣品放在直徑為40 mm的平板夾具之間,兩平板之間間隔為1 mm,清理除去平板周圍多余的樣品,樣品用硅油密封后,蓋上蓋子,從25 ℃開始以1 ℃/min的升溫速率升至80 ℃,最大應變為0.02,固定頻率為0.1 Hz,凝膠的彈性模量為G’,作為評價凝膠黏彈性能的指標。

    1.3.11  肌原纖維蛋白混合凝膠微觀結構的測定

    參考Pan等 [29] 的方法觀察肌原纖維蛋白混合凝膠微觀結構。將制備好的肌原纖維蛋白和膳食纖維混合凝膠樣品切成2 mm×3 mm×3 mm的小塊,用pH 6.8、2.5 g/100 mL的戊二醛溶液浸泡過夜,然后用pH 7.2、0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖液洗滌30 min,反復洗滌3 次然后用體積分數50%、70%、80%、90%的乙醇依次進行脫水,每次30 min,最后用100%乙醇脫水30 min,反復脫水3 次。然后用氯仿脫脂1 h,最后用V(100%乙醇)∶V(叔丁醇)=1∶1的混合液置換30 min。然后用冷凍干燥機對樣品進行干燥。干燥后將凝膠樣品斷開使斷面朝

    上,不同樣品黏在不同的載物臺上,并做標記,然后用EMS 7620離子濺射鍍膜儀進行噴金,觀察處理好的樣品,每個樣品做3 組平行實驗。

    1.4  數據處理與統計分析

    每組實驗除特殊說明外均重復3 次,結果表示為采用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行處理,用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(one-way analysisof variance,ANOVA)進行統計分析,P<0.05為差異顯著,用Origin 8.6軟件對流變性數據作圖。

    2  結果與分析

    2.1  豬肉肌原纖維蛋白熱誘導凝膠性質分析

    2.1.1  肌原纖維蛋白成分分析

    肌原纖維蛋白是由幾種蛋白組成的混合蛋白,其中肌球蛋白是最重要的一種蛋白質,分子質量大約為480 kD,由2 條重鏈(約200 kD)和4 條輕鏈(16~25 kD)組成,還包括肌動蛋白(單體約43 kD)、肌鈣蛋白(3 個亞基約37、23、18 kD)、原肌球蛋白(2×35 kD)和其他一些功能不明的調節性結構蛋白質 [30-31] 。其中肌球蛋白對于凝膠的形成有重要作用。由圖1電泳結果推測,200、43、37、23、18 kD處的蛋白條帶依次可能為肌球蛋白重鏈、肌動蛋白、肌鈣蛋白,其中肌球蛋白輕鏈需要用5,5’-二硫雙(2-硝基苯甲酸)或在堿性(pH 11.4)條件下處理后才能分離,電泳圖未能觀察到,而原肌球蛋白也可能和肌動蛋白結合未能分離。圖1肌球蛋白重鏈條帶色澤深且寬,說明該蛋白質含量高。提取的肌原纖維蛋白可以用于后續研究。

    2.1.2  不同溫度對肌原纖維蛋白濁度的影響

    濁度大小反映蛋白質的凝聚程度,以及蛋白質溶液中懸浮顆粒的數量和大小 [32] 。蛋白質分散時,顆粒間沒有發生凝聚,顆粒直徑較小,濁度;當蛋白質凝聚時,懸浮顆粒直徑變大,濁度升高。在濁度變化較大的溫度范圍,肌原纖維蛋白顆粒大量聚集,變性程度也較嚴重。由圖2可知,隨著溫度升高,濁度升高。在30~40 ℃時濁度變化不大,從40 ℃開始濁度升高,在40~70 ℃變化比較大,70 ℃時濁度達到最大。在40~70℃時濁度變化比較大,說明此時蛋白質發生變性,蛋白分子交聯作用加大,濁度升高。90 ℃時濁度下降,原因是蛋白質迅速變性聚沉。

    2.1.3  肌原纖維蛋白質量濃度對其凝膠保水性和硬度的影響

    由圖3可知,肌原纖維蛋白凝膠硬度隨肌原纖維蛋白質量濃度的增加而增大,當質量濃度為70 mg/mL時硬度達到最大。這是由于隨著肌原纖維蛋白質量濃度增加,蛋白質分子間的距離變小,蛋白質分子之間凝集的機會增加,參與凝膠分子數量增加。當肌原纖維蛋白質量濃度為80 mg/mL時,凝膠硬度減小,可能原因是蛋白質量濃度大,蛋白質分子不能充分展開,形成凝膠網絡受影響。

    當肌原纖維蛋白質量濃度小于50 mg/mL時,凝膠保水性隨蛋白質量濃度的增大而增大,當蛋白質量濃度達到50 mg/mL時凝膠保水性趨于穩定。高密度的蛋白質形成的肌原纖維蛋白相互交織形成了非常緊密穩定的立體網絡結構 [33] 。因此,凝膠保水性隨之升高。綜合考慮,選擇60 mg/mL作為后續研究的蛋白質量濃度。

    2.1.4  pH值對肌原纖維蛋白凝膠保水性和硬度的影響

    由圖4可知,在pH 5.5時MP凝膠硬度最大,可能是因為此時是蛋白質等電點,蛋白間靜電斥力較弱,蛋白質分子間的吸引相互作用增強,所以形成的網絡結構相對穩定,蛋白凝聚在一起,形成的凝膠硬度很大,在中性條件下,由于肌原纖維蛋白的靜電斥力大于在酸性條件下的靜電斥力,從而使蛋白-蛋白間的作用降低,凝膠硬度變小 [34] 。凝膠保水性隨pH值升高而增大,在pH 7.0時,增長平緩,上升幅度變小。當pH 5.5時,接近肌原纖維蛋白質等電點,蛋白質分子間的結合作用較強,蛋白質與水的作用較弱,因此凝膠保水力較低。隨著pH值升高,偏離肌原纖維蛋白質等電點,蛋白側鏈基團的凈負電荷數增加,分子間的排斥作用變大,同時凈電荷的增加為環境中的水分子提供更多的氫鍵結合位點,增大了水合作用表面積,凝膠保水性提高 [35-36] 。

    2.1.5  離子強度對肌原纖維蛋白凝膠保水性和硬度的影響

    2.2  小麥麩膳食纖維添加量對豬肉肌原纖維蛋白凝膠功能性質的影響

    2.2.1  小麥麩膳食纖維添加量對肌原纖維蛋白凝膠EAI和ESI的影響

    采用GB/T 5009.88—2008方法可測得小麥麩膳食纖維總含量為40.15%,純度為80.85%。小麥麩膳食纖維添加量對肌原纖維蛋白EAI和ESI的影響如圖6所示。

    2.2.2  小麥麩膳食纖維添加量對肌原纖維蛋白凝膠硬度和保水性的影響

    2.2.3  小麥麩膳食纖維添加量對肌原纖維蛋白凝膠流變性的影響

    2.2.4  小麥麩膳食纖維添加量對肌原纖維蛋白凝膠微觀結構的影響

    2.3  小麥麩膳食纖維粒徑大小對肌原纖維蛋白凝膠功能特性的影響

    2.3.1  小麥麩膳食纖維超微粉碎粒徑

    由前期實驗結果可知,小麥麩膳食纖維更有利于肌原纖維蛋白凝膠網絡的形成,而且添加了小麥麩膳食纖維后凝膠硬度和保水性有了提高,但是凝膠容易崩潰,黏聚性比較低。為了改善這種不利狀況,對小麥麩膳食纖維進行了粉碎分級,探索不同粒徑小麥麩膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠性質的影響。表1為小麥麩膳食纖維經超微粉碎后過100、150、200、300 目篩的樣品粒徑測定結果。

    2.3.2  不同粒徑小麥麩膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠硬度和保水性的影響

    樣品中肌原纖維蛋白質量濃度為60 mg/mL,膳食纖維添加量為3%時,由圖10可知,隨著膳食纖維粒徑的減小,肌原纖維蛋白凝膠硬度逐漸變大,這是因為膳食纖維粒徑越小,凝膠結構越致密(圖9),凝膠網絡結構越好,因此,凝膠硬度越大。肌原纖維蛋白凝膠保水性隨膳食纖維粒徑的減小而增大,這是因為膳食纖維粒徑越小,保水性越好,并且膳食纖維肌原纖維蛋白凝膠網絡致密性、連續性越好,越可以保留住更多的游離水。

    3

    結 論

    利用單因素分析法,研究了肌肉中的重要的結構蛋白質群——肌原纖維蛋白熱誘導凝膠的性質,分析了肌原纖維蛋白質量濃度、pH值、離子強度對肌原纖維蛋白凝膠硬度和保水性的影響,并通過添加不同粒徑的小麥麩膳食纖維構成混合凝膠,探討了小麥麩膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠硬度、保水性、流變性、微觀結構及質構特性的變化,主要研究結果如下:

    溫度對肌原纖維蛋白濁度的影響結果表明肌原纖維蛋白變性聚集的溫度范圍為40~70 ℃。肌原纖維蛋白凝膠硬度和保水性隨肌原纖維蛋白質量濃度增加而增大,當蛋白質量濃度達到70 mg/mL時,肌原纖維蛋白凝膠硬度和保水性不再增加;當pH值為5.5時,肌原纖維蛋白凝膠硬度達到最大,凝膠保水性在pH 7.0時開始趨于穩定;當離子強度為0.6 mol/L時,肌原纖維蛋白凝膠的硬度和保水性趨于穩定。

    小麥麩膳食纖維添加使肌原纖維蛋白凝膠EAI升高,ESI降低;小麥麩膳食纖維添加量增加使得肌原纖維蛋白凝膠的彈性模量增大、蛋白凝膠硬度和保水性逐漸升高;并且隨著膳食纖維粒徑的減小,凝膠硬度和保水性進一步增加;對凝膠網絡的支撐作用小,蛋白的彈性模量增量降低。通過電子顯微鏡觀察小麥麩膳食纖維添加對豬肉肌原纖維蛋白凝膠微觀結構的影響,粒徑較小的膳食纖維充填于交聯的網絡結構之中,支撐網絡結構,形成了更致密、均勾的網狀結構,此時凝膠保水性更好,且不會出現崩潰現象,凝膠黏聚性也比較好。

    目前膳食纖維添加到肉制品中的商業化產品市面上鮮有,主要是由于膳食纖維添加量過高易引起產品離散崩潰且口感較差,而膳食纖維添加量少又很難滿足人們期望的健康低熱量需求。因此,可以在實際生產應用中通過降低膳食纖維的粒徑、增大添加量,從而改良肉制品品質,減少脂肪攝入量,達到促進人體健康的目的,為功能性肉制品及新產品的開發提供了一定的依據及參考價值。











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