高压脉冲电场对淀粉和肌原纤维蛋白混合凝胶强度的影响
金声琅1,2, 王莹3, 殷涌光2
1.黄山学院 旅游学院,安徽 黄山 245021
2.吉林大学 生物与农业工程学院,长春 130022
3.青岛农业大学食品科学与工程学院,山东 青岛 266109

金声琅(1980),男,副教授,博士研究生.研究方向:农产品加工及设备.E-mail:jinshenglang@163.com

摘要

以肌原纤维蛋白为研究对象,将不同质量分数的葛根淀粉添加其中,混合溶液经高压脉冲电场预处理后,再经水浴加热处理形成混合凝胶,测定其凝胶强度。单因素试验和正交分析试验表明,在场强30 kV/cm、脉冲数6的条件下,经高压脉冲电场预处理后,肌原纤维蛋白(质量分数5%)和葛根淀粉(质量分数5%)混合溶液在80 ℃水浴加热30 min,可以形成较好的混合凝胶。各因素对混合凝胶强度影响程度由大至小依次为电场强度、脉冲数、葛根淀粉质量分数。研究结果表明,高压脉冲电场预处理能够促进肌原纤维蛋白和葛根粉形成良好的混合凝胶。

关键词: 食品加工技术; 高压脉冲电场; 肌原纤维蛋白; 葛根淀粉; 凝胶
中图分类号:TS201.7 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2014)2-573-6
Effect of high intensity pulsed electric field pretreatment on elasticity
of starch-myofibril protein mixed gelatin
Abstract

Pueraria starch of different concentration was added to myofibril protein to form mixed gels by high intensity pulsed electric fields and water bath treatment. Gelling properties were determined. The effects of the electric intensity, pulse number and mass fraction of pueraria starch were studied. It was demonstrated by single factor experiment and orthogonal analysis experiment, that mix solutions of myofibril protein (5%) and pueraria starch (5%) could acquire favorable mixed gels by the high intensity pulsed electric fields pretreatment and water bath of 80 ℃ for 30 min when electric intensity was 30 kV/cm and pulse number was 6. The influence sequence of factors on mixed gels was electric intensity, pulse number and mass fraction of pueraria starch. Study results indicate that the high intensity pulsed electric field pretreatment could promote myofibril protein and pueraria starch to form favorable mixed gels.

Keyword: food processing technology; high intensity pulsed electric fields; myofibril protein; pueraria starch; gel
引言

1 .Tourism College, Huangshan University, Huangshan 245021, China;2 .College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;3 .School of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

Abstract:Pueraria starch of different concentration was added to myofibril protein to form mixed gels by high intensity pulsed electric fields and water bath treatment. Gelling properties were determined. The effects of the electric intensity, pulse number and mass fraction of pueraria starch were studied. It was demonstrated by single factor experiment and orthogonal analysis experiment, that mix solutions of myofibril protein (5%) and pueraria starch (5%) could acquire favorable mixed gels by the high intensity pulsed electric fields pretreatment and water bath of 80 ℃ for 30 min when electric intensity was 30 kV/cm and pulse number was 6. The influence sequence of factors on mixed gels was electric intensity, pulse number and mass fraction of pueraria starch. Study results indicate that the high intensity pulsed electric field pretreatment could promote myofibril protein and pueraria starch to form favorable mixed gels.

Key words:food processing technology; high intensity pulsed electric fields; myofibril protein; pueraria starch; gel

蛋白和淀粉都是生物高分子营养物质,都能形成不同的凝胶[ 1, 2, 3, 4, 5]。在一些食品体系中,蛋白和淀粉的相互作用成为影响产品质量的重要原因,近几年,越来越多的研究集中于探索蛋白和淀粉的相互作用导致食品的感官品质和营养价值的变化[ 6, 7, 8]。高压脉冲电场加工技术是一项新兴的食品加工技术,它是将液态食品作为电解质置于容器内,与容器绝缘的两个放电电极通过高压电流,产生电脉冲进行作用的一种非热加工方法。它不仅能产生与加热处理不同的新物性,更具有使食品的营养素如维生素不受破坏的特点,因而被誉为最具潜力和最有希望的食品加工技术之一[ 9]。高压脉冲电场加工技术最早被应用于液态食品的冷杀菌[ 10]。后来有研究者发现将其用于食品功能性成分的辅助提取,能取得理想的效果[ 11, 12]。目前也有人开始研究高压脉冲电场对食品成分的影响,认为高压脉冲电场参数的变化可以使蛋白质的非共价键(如疏水键、离子键、氢键)发生变化,从而导致蛋白质的机能和构造改变[ 13]。而关于高压脉冲电场对蛋白和淀粉的混合凝胶特性影响的研究还不多见。

本文以肌原纤维蛋白和葛根淀粉为研究对象,将高压脉冲电场与热结合处理这两种物质进行“凝胶化”,并与传统热处理凝胶进行比较,通过研究混合凝胶特性的变化,以揭示高压脉冲电场对混合凝胶特性的影响机理,为生产新型凝胶食品提供基础理论数据,也为高压脉冲电场的应用开辟新的途径。

1 材料与方法
1.1 材料与仪器

猪梅条肉(双汇冷鲜肉专卖店);葛根淀粉(杨凌太白葛业有限公司);NaCl等化学试剂皆为分析纯。

离心机(TDL-5A型,上海菲恰尔分析仪器有限公司);恒温磁力搅拌器(90-4型,上海沪西分析仪器厂);电热恒温水浴锅(HHS型,上海博讯实业有限公司);质构仪(TA-XT plus,英国Stable Micro Systems公司)。高压脉冲电场的设置(自制)[ 14]采用的是流动式装置。脉冲电源的波形为三角波,其输出电压的实际数值可由示波器直接读出,频率为1000~3000 Hz,整个管道处理室的容量为200 mL。用泵来抽取样品溶液,使其流经处理装置,接受电场的处理。

1.2 试验方法

1.2.1 肌原纤维蛋白的提取

肌原纤维蛋白参照文献[2]的方法获得。

1.2.2 凝胶制备方法

肌原纤维蛋白溶解于缓冲溶液(0.3 mol/L的NaCl,10 mmol/L的K2HPO4,pH6.0),配制成质量分数为5%的蛋白溶液,室温下用磁力搅拌器搅拌5 min,混合均匀[ 15, 16, 17]。分别加入质量分数为1%、2%、3%、4%、5%的葛根淀粉,在高压脉冲电场各参数条件下进行预处理后,取100 mL的烧杯取样50 mL,密封,放在80 ℃水浴锅中恒温水浴30 min[ 1],胶凝后取出,置于4 ℃冰箱中过夜,待测。未经高压脉冲电场处理、不添加葛根淀粉的肌原纤维蛋白凝胶,记作对照组1;未经高压脉冲电场处理、添加质量分数4%葛根淀粉的肌原纤维蛋白凝胶,记作对照组2;未经高压脉冲电场处理、添加质量分数为1%、2%、3%、4%、5%葛根淀粉的肌原纤维蛋白凝胶,分别记作对照组3a,3b,3c,3d,3e。

1.2.3 单因素试验

(1)电场强度

由于电场强度在55 kV/cm以上产生电火花。因此,电场强度的选择主要在50 kV/cm以下。选择的试验参数为:葛根淀粉质量分数为4%,电场强度为10、20、30、40、50 kV/cm,脉冲数为6。

(2)脉冲数

脉冲处理时间可以通过脉冲数反映,脉冲数越多,处理时间越长。本研究脉冲数设定在12个以内。选择的试验参数如下:葛根淀粉质量分数为4%,场强为40 kV/cm,脉冲数为2、4、6、8、10、12。

(3)葛根淀粉

选择的试验参数如下:添加的葛根淀粉质量分数为1%、2%、3%、4%、5%,场强为40 kV/cm,脉冲数为6。

1.2.4 质构特性测试条件

参照文献[15]的方法,并稍作改动。质构特性测试探头型号为P5;测定模式为TPA;测前速率为1.0 mm/s;测试速率为10.0 mm/s;测后速率为2.0 mm/s;触发类型为Auto;最小响应力为0.03 N。

1.2.5 凝胶保水性的测定

凝胶保水性(Water holding capacity,WHC)参照文献[16]介绍的离心法进行测定。取出一定量的凝胶,称重,质量记作 m1,并将其切成大小均一的小粒,放入离心管内,离心管质量记为 m。在4000 r/min条件下离心20 min。然后取出凝胶体,除去表面的水分,再进行称重,质量记为 m2。则保水性的计算式为

1.2.6 试验统计分析

用SPSS19.0软件对强度、硬度、弹性和保水性等物性数据进行分析,均值之间显著性差异分析采用Tukey分析,在显著性水平 α=0.05下进行[ 17]。所有试验均重复3次。

2 结果与分析
2.1 各因素对混合凝胶强度的影响

2.1.1 电场强度的影响

各试验组:电场脉冲数6,添加质量分数为4%的葛根淀粉。字母不同代表各组差异显著( p<0.05),下同。

图1所示:

图1 电场强度对凝胶强度的影响Fig.1 Effects of electric field strength on gel strength

未经过高压脉冲电场处理的对照组1和对照组2凝胶强度小于经过高压脉冲电场处理的混合凝胶(葛根淀粉质量分数为4%)的凝胶强度,且在电场强度大于20 kV/cm之后差异较为显著( p<0.05)。由此可以推论,经过高压脉冲电场处理后,肌原纤维蛋白凝胶的凝胶强度得到显著增强。Lange[ 18]和Mombelli[ 19]曾经报道过,巯基位于蛋白的表面,脉冲处理后巯基变成了硫离子,易于发生反应。在本试验中,由于高压脉冲电场的处理可以使肌原纤维蛋白变性,同时使蛋白质大分子质构的活性巯基数量减少,进而氧化形成二硫键,形成了更稳定的网络结构,从而使其凝胶性能得以增强[ 13]

添加葛根淀粉的对照组2的凝胶强度显著大于对照组1的凝胶强度( p<0.05)。这是因为淀粉可以改变食品的质构等感观品质[ 7],因此肌原纤维蛋白中添加葛根淀粉将有助于凝胶强度的增加。

随着电场强度的升高,混合凝胶的凝胶强度开始逐步增大,在30 kV/cm时凝胶强度达到了最大值;然后继续增加电场强度,凝胶强度的增幅显著降低( p<0.05);电场强度在40 kV/cm和50 kV/cm时凝胶强度差异不显著( p>0.05)。这是因为过大的电场强度加快了肌原纤维蛋白变性的速度,蛋白质凝胶网络结构某些相互联结性开始被打乱,表现为凝胶强度增幅的减小[ 20]。李迎秋等[ 13]也认为较强的电场条件下会使极化的蛋白分子之间相互吸引重新形成分子聚集体,功能性质反而下降。

2.1.2 脉冲数的影响

图2所示:

图2 脉冲数对凝胶强度的影响Fig.2 Effects of pulse number on gel strength

未经过高压脉冲电场处理的对照组1和对照组2的凝胶强度显著小于经过高压脉冲电场处理的混合凝胶(葛根淀粉为4%)( p<0.05)。

各试验组:电场强度40 kV/cm,添加质量分数为4%的葛根淀粉。

对照组1的凝胶强度显著小于添加了葛根淀粉的对照组2( p<0.05)。随着脉冲数增加,混合凝胶的凝胶强度开始增强。当高压脉冲电场的脉冲数达到6时,混合凝胶的凝胶强度达到(194.27±11.58) g·cm。这说明电场强度对凝胶特性的影响必须通过一定的脉冲数才能产生,在一定条件下场强不足时可以通过增加脉冲数来补偿。然后,继续增加脉冲数,凝胶强度的变化却并不显著( p>0.05)。这是由于凝胶强度的增加是疏水键和二硫键之间的相互作用造成的,而脉冲数达到6时,它们之间的相互作用已经处于相对平衡状态,所以即使增多脉冲数,也不能明显改变凝胶的强度( p>0.05)。这也与张铁华等[ 21]的研究成果一致。

2.1.3 葛根淀粉质量分数的影响

图3所示:

图3 葛根淀粉质量分数对凝胶强度的影响Fig.3 Effects of mass fraction of pueraria starch on gel strength

未添加葛根淀粉的对照组1凝胶强度均显著小于添加各种比例葛根淀粉的对照组3系列( p<0.05)。对照组3系列中凝胶强度值最大的是添加的葛根淀粉质量分数为4%的对照组3 d,

对照组3a~3e:未经高压脉冲电场处理,添加质量分数为1%、2%、3%、4%、5%的葛根淀粉;各试验组:电场强度40 kV/cm,脉冲数6。

但是与添加葛根淀粉的质量分数为5%对照组3e的凝胶强度差异不显著( p>0.05)。原因可能是混合体系中肌原纤维蛋白和葛根淀粉存在一定的协同作用[ 7],添加质量分数4%的葛根淀粉时协同作用最佳,再增加的葛根淀粉在凝胶中仅起填充作用,对两者间的协同作用没有影响。

在经过高压脉冲电场作用后,只要是添加了葛根淀粉的各组凝胶强度都会显著大于未添加葛根淀粉的对照组1( p<0.05),并且都显著大于未经过电场处理的对照组3( p<0.05)。因此可以推论,在添加葛根淀粉的条件下,高压脉冲电场的处理能够显著增大肌原纤维蛋白凝胶的凝胶强度值。

2.2 正交试验优化

根据单因素试验结果,并兼顾经济实用原则,本文选择电场强度20~40 kV/cm,脉冲数4~8,葛根淀粉质量分数为3%~5%这些参数作为指标。采用正交试验研究各参数对凝胶强度的作用规律。设计L9(34)正交试验表,各因素水平如表1所示:

表1 试验因素与水平 Table 1 Factors and levels of experiment

正交分析试验的结果如表2所示:

表2 正交试验分析 Table 2 Analysis of orthogonal experiment results

通过极差分析可知,各因素对混合凝胶强度影响程度由大到小依次分别为A、B、C,即电场强度、脉冲数、葛根淀粉质量分数,理论最佳的工艺条件为A2B2C3,即场强30 kV/cm,脉冲数6,葛根淀粉质量分数5%。如表3所示:

表3 方差分析结果 Table 3 Results of ANOVA

作者对试验结果进行了方差分析。根据F检验可知,场强、脉冲数和葛根淀粉质量分数对肌原纤维蛋白凝胶强度的影响都很显著。按照上述理论最佳工艺条件(场强30 kV/cm,脉冲数6,葛根淀粉质量分数5%)做3组平行验证试验,试验结果中的混合凝胶强度达到(214.55±23.48) g·cm。

表4所示:

表4 正交试验验证结果 Table 4 Verification results of orthogonal experiment

通过验证性试验,即在场强为30 kV/cm,脉冲数为6的条件下,经高压脉冲电场预处理后,肌原纤维蛋白(质量分数5%)和葛根淀粉(质量分数5%)经80 ℃加热30 min,可以形成较好的混合凝胶。最佳工艺条件下的凝胶强度、硬度、弹性、保水性比对照组1得到了提高,凝胶特性得到显著改善,尤其是保水性提高比较大。高压脉冲电场能提高凝胶保水性的原因可能与蛋白质的变性有关,脉冲电场的作用促使自由水分填补到蛋白质氨基酸侧链周围而变成结合水,同时加速了水分子的聚合变化,使各个水分子之间的距离更为紧密,外在表现即为凝胶的保水性增加;另外也可能与盐桥强化作用相关,由于缓冲溶液中有NaCl等盐溶液的存在,脉冲电场破坏了蛋白质与二价阳离子之间的键合作用,导致添加NaCl蛋白质构象发生变化,并降低了蛋白质与阳离子之间形成盐桥的可能性,从而使凝胶保水性得以提高[ 17, 22]

3 结束语

高压脉冲电场预处理能显著改变肌原纤维蛋白和葛根粉混合凝胶强度。在场强30 kV/cm,脉冲数6的条件下,经高压脉冲电场预处理后,肌原纤维蛋白(质量分数5%)和葛根淀粉(质量分数5%)混合溶液经80 ℃水浴加热30 min,可以形成较好的混合凝胶。最佳工艺条件下的凝胶强度、硬度、弹性、保水性比未经高压脉冲电场处理时得到了提高,因此,进行高压脉冲电场预处理是一个能有效改善凝胶特性的办法。今后也可以通过控制高压脉冲电场预处理的场强和脉冲数,得到所需特性的凝胶。关于高压脉冲电场结合热处理影响混合凝胶特性变化的机理,在今后的实验中还要做进一步探讨。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 孔保华, 王宇, 夏秀芳, . 加热温度对猪肉肌原纤维蛋白凝胶特性的影响[J]. 食品科学, 2011, 32(5): 50-54.
Kong Bao-hua, Wang Yu, Xia Xiu-fang, et al. Influence of heating temperature on gel properties of porcine myofibrillar protein[J]. Food Science, 2011, 32(5): 50-54. [本文引用:2] [CJCR: 0.805]
[2] Park D, Xiong You-ling. Oxidative modification of amino acids in porcine myofibrillar protein isolates exposed to three oxidizing systems[J]. Food Chemistry, 2007, 103(2): 607-611. [本文引用:1] [JCR: 3.334]
[3] 陈从贵, 李珂昕, 马力量, . 超高压对含有琼脂猪肉凝胶特性影响的试验[J]. 农业工程学报, 2008, 24(10): 217-221.
Chen Cong-gui, Li Ke-xin, Ma Li-liang, et al. Effects of ultra high pressure on the properties of porkmeat gels containing agar[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(10): 217-221. [本文引用:1]
[4] Jiang Qian-qian, Xu Xue-ming, Jin Zheng-yu, et al. Physico-chemical properties of rice starch gels: effect of different heat treatments[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 107(3/4): 353-357. [本文引用:1] [JCR: 2.276]
[5] Ribotta P D, Colombo A, Rosell C M. Enzymatic modifications of pea protein and its application in protein-cassava and corn starch gels[J]. Food Hydrocolloids, 2012, 27(1): 185-190. [本文引用:1] [JCR: 3.494]
[6] Chin K B, Go M Y, Xiong You-ling. Konjac flour improved textural and water retention properties of transglutaminase-mediated, heat-induced porcine myofibrillar protein gel: effect of salt level and transglutaminase incubation[J]. Meat Science, 2009, 81(3): 565-572. [本文引用:1] [JCR: 2.754]
[7] Shim J, Mulvaney S J. Effect of heating temperature, pH, concentration and starch/whey protein ratio on the viscoelastic properties of corn starch/whey protein mixed gels[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2001, 81(8): 706-717. [本文引用:3] [JCR: 1.759]
[8] Verbeken D, Thas O, Dewettinck K. Textural properties of gelled dairy desserts containing k-carrageenan and starch[J]. Food Hydrocolloids, 2004, 18(5): 817-823. [本文引用:1] [JCR: 3.494]
[9] 赵瑾, 杨瑞金, 赵伟, . 高压脉冲电场对鲜榨梨汁的杀菌效果及其对产品品质的影响[J]. 农业工程学报, 2008, 24(6): 239-244.
Zhao Jin, Yang Rui-jin, Zhao Wei, et al. Effect of pulsed electric fields on inactivation of microbe and quality of freshly-squeezed pear juice[J]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(6): 239-244. [本文引用:1]
[10] 崔晓美, 杨瑞金, 赵伟, . 高压脉冲电场对石榴汁杀菌的研究[J]. 农业工程学报, 2007, 23(3): 252-256.
Cui Xiao-mei, Yang Rui-jin, Zhao Wei, et al. Pasteurization of pomegranate juice using high-intensity pulsed electric fields[J]. Transactions of the CSAE, 2007, 23(3): 252-256. [本文引用:1]
[11] 殷涌光, 樊向东, 刘凤霞, . 用高压脉冲电场技术快速提取苹果渣果胶[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2009, 39(5): 1224-1228.
Yin Yong-guang, Fan Xiang-dong, Liu Feng-xia, et al. Fast extraction of pectin from apple pomace by high intensity pulsed electric field[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2009, 39(5): 1224-1228. [本文引用:1] [CJCR: 0.701]
[12] 金声琅, 殷涌光. 高压脉冲电场辅助提取番茄皮渣的番茄红素[J]. 农业工程学报, 2010, 26(9): 368-373.
Jin Sheng-lang, Yin Yong-guang. High intensity pulsed electric fields assisted extraction of lycopene from tomato residual[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(9): 368-373. [本文引用:1]
[13] 李迎秋, 陈正行. 高压脉冲电场对大豆分离蛋白功能性质的影响[J]. 农业工程学报, 2006, 22(8): 194-198.
Li Ying-qiu, Chen Zheng-xing. Effect of high intensity pulsed electric field on the functional properties of protein isolated from soybean[J]. Transactions of the CSAE, 2006, 22(8): 194-198. [本文引用:3]
[14] 赵武奇, 殷涌光, 关伟, . 高压脉冲电场杀菌系统设计与试验[J]. 农业机械学报, 2002, 33(3): 67-69.
Zhao Wu-qi, Yin Yong-guang, Guan Wei, et al. Experimental study on a food pasteurization system by using a high voltage pulsed field[J]. Transactions of the CSAM, 2002, 33(3): 67-69. [本文引用:1]
[15] Pialr Trespalacios, Reyes Pla. Simultaneous application of transglutaminase and high pressure to improve functional properties of chicken meat gels[J]. Food Chemistry, 2007, 100: 264-272. [本文引用:1] [JCR: 3.334]
[16] 王岩, 王存堂, 蒋继丰, . 离子强度和温度对乳清蛋白凝胶的影响[J]. 食品科学, 2010, 31(1): 123-126.
Wang Yan, Wang Cun-tang, Jiang Ji-feng, et al. Effects of ionic strength and temperature on whey protein gelation[J]. Food Science, 2010, 31(1): 123-126. [本文引用:1] [CJCR: 0.805]
[17] 陆剑锋, 邵明栓, 林琳, . 卡拉胶和超高压对鱼糜凝胶性质的影响[J]. 农业机械学报, 2011, 42(12): 164-170.
Lu Jian-feng, Shao Ming-shuan, Lin Lin, et al. Effects of ultra-high pressure and carrageenan on gelling properties of surimi from silver carp, hypophthalmichthys molitrix[J]. Transactions of the CSAM, 2011, 42(12): 164-170. [本文引用:3]
[18] Lange R, Frank J, Saldana J L, et al. Fourth derivative UV-spectroscopy of proteins under high pressure I. Factors affecting the fourth derivative spectrum of aromatic amino acids[J]. European Biophysics Journal, 1996, 24(5): 277-283. [本文引用:1] [JCR: 2.274]
[19] Mombelli E, Afshar M, Fusi p Mariani, et al. The role of phenylalanine 31 in maintaining the conformational stability of ribonuclease P2 from Sulfolobus solfataricus under extreme conditions of temperature and pressure[J]. Biochemistry, 1997, 36(29): 8733-8742. [本文引用:1] [JCR: 3.377]
[20] 张铁华, 殷涌光. 高压脉冲电场对食品中生物大分子的影响[J]. 食品科技, 2007, 189(7): 16-20.
Zhang Tie-hua, Yin Yong-guang. Effect of high- intensity pulsed electric fields(PEF) on food biomacromolecule[J]. Food Science and Technology, 2007, 189(7): 16-20. [本文引用:1] [CJCR: 0.556]
[21] 张铁华, 殷涌光, 刘静波. 高压脉冲电场(PEF)对蛋清蛋白功能特性的影响[J]. 食品科学, 2007, 28(9): 98-102.
Zhang Tie-hua, Yin Yong-guang, Liu Jing-bo. Effects of high intensity pulsed electric fields on functional properties of egg albumen[J]. Food Science, 2007, 28(9): 98-102. [本文引用:1] [CJCR: 0.805]
[22] 金声琅, 殷涌光, 王莹. 脉冲电场协同加热对乳清蛋白凝胶质构特性的影响[J]. 农业机械学报, 2013, 44(1): 142-146.
Jin Sheng-lang, Yin Yong-guang, Wang Ying. Effects of combined pulsed electric field and heat treatment on texture characteristics of whey protein gels[J]. Transactions of the CSAM, 2013, 44(1): 142-146. [本文引用:1]