鲢鱼酶解液-多糖复合凝胶特性研究

段方娥，马乐，何强

(四川大学 轻纺与食品学院，成都 610065)

白鲢(silver carp)肉质鲜嫩、营养丰富且价格低廉，将白鲢酶解液制成凝胶以改善调味酱的稳定性及凝胶食品的粘弹性具有良好的应用前景[1]。但是，鲢鱼酶解液所形成的凝胶通常结构强度较弱，甚至无法单独形成稳定的凝胶结构[2]。因此，加入辅助胶凝剂以改善鲢鱼酶解液的凝胶特性，在其工业化应用中具有重要意义。

多糖是食品中的一类重要物质，可独立成胶替代传统增稠乳化稳定剂，常用于酱料产品中改良酱料体系的质构和功能特性[3]，也可与蛋白质的部分基团相互连接发生交互作用形成蛋白-多糖复合凝胶，用于改善凝胶食品自身的凝胶特性[4]。

目前，关于多糖应用在鱼蛋白酶解液中的辅助胶凝作用研究较少，且多研究其胶凝效果，并未进行深入研究，致使多糖作为凝胶辅剂的应用范围受限。因此，本文对适宜制备鲢鱼酶解液凝胶的多糖进行筛选与复配研究，并初步探究了鲢鱼酶解液与多糖形成凝胶的作用机理，以期为凝胶产品的开发及利用提供理论基础和指导方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白鲢：市购，去除内脏作为本实验原料；其他实验试剂：均为分析纯，成都科龙化工试剂厂。

TA.XT plus物性测试仪、TAQ100-DSC热分析仪 美国TA Instruments公司；Nicolet Is 10傅里叶变换红外光谱仪 美国热电公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鲢鱼酶解液-多糖复合凝胶制备

参考文献[2]中的方法进行制备。原料白鲢经复合蛋白酶和风味蛋白酶共同酶解后，所得酶解液水解度为10.23%，蛋白质回收率≥80%，氨基酸总量达88.1 mg/g。

1.2.2 多糖复配种类探究

以κ-卡拉胶(KC)作为复配胶凝剂的主多糖，将刺槐豆胶(LBG)、海藻酸钠(SA)、魔芋胶(KGM)和黄原胶(XG)与之复配后按1.2.1中的方法制胶，进行凝胶强度、析水率和DSC分析，确定最优的多糖复配种类。

1.2.3 多糖复配比例探究

将κ-卡拉胶与魔芋胶以一定比例复配后按1.2.1中的方法制胶，进行凝胶强度、析水率和质构分析，确定最优的多糖复配比例。

1.2.4 凝胶机理研究

1.2.4.1 分子间作用力研究

参考文献[5]中的方法进行测定。向复合凝胶中分别添加氯化钠(NaCl)、尿素(Urea)、十二烷基硫酸钠(SDS)和二硫苏糖醇(DTT)，测定凝胶强度变化，分析静电作用力、氢键、疏水相互作用和共价二硫键作用大小。

1.2.4.2 FTIR分析

复合凝胶样品冻干，与KBr混合均匀、压片，用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR Spectrometer)进行图谱分析，扫描范围为500～4000 cm-1。

1.2.5 分析方法

凝胶强度参考文献[6]中的方法进行测定，析水率参考文献[7]中的方法进行测定。复合凝胶样品冻干，称取5.00 mg样品于铅制坩埚中， 20 ℃平衡5 min，以5 ℃/min加热至130 ℃进行DSC分析。

1.3 数据统计分析

采用Origin 8.5作图，SPSS 22.0统计软件对实验数据进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 多糖复配种类筛选结果

2.1.1 凝胶强度和析水率分析

κ-卡拉胶是具有半酯式硫酸基的阴离子多糖，其形成凝胶作用力强，弹性好，具有良好的持水性能，因此选用κ-卡拉胶作为复配胶凝剂的主多糖。复配胶凝剂对凝胶强度和析水率的影响结果见图1。

4种复合凝胶的凝胶强度分别为227.4，325.6，220.4，251.3 g，由图1可知，均高于单一κ-卡拉胶(199.8 g)的凝胶强度，4种复合凝胶的析水率分别为3.82%、2.98%、4.02%、4.25%，相比单一κ-卡拉胶(4.98%)均有降低。说明κ-卡拉胶与刺槐豆胶、魔芋胶、黄原胶和海藻酸钠复配后均能在不同程度上提高凝胶强度，降低析水率。其中κ-卡拉胶与魔芋胶复配后凝胶强度增强效果最为明显，析水率最低。根据Wei Y等的研究结果，推测其复配增效可能原因是在升温溶胶过程中，κ-卡拉胶与魔芋胶分子链展开，κ-卡拉胶残基上的半酯式硫酸基团与魔芋胶分子链上的大量羟基形成氢键，产生大量稳定结合点，形成更具稳定性的凝胶网络结构[8]。

图1 复配多糖对凝胶强度和析水率的影响Fig.1 Effect of composite polysaccharides on the gel strength and syneresis rate

2.1.2 DSC分析

热处理是食品加工过程中的常用方法，加热会引起蛋白质的高级结构发生改变或使蛋白质降解。根据DSC图谱所示的吸、放热变化，可得到被测样品的结构稳定性信息，其图谱可直接反映出温度变化过程中样品的物理和化学变化过程[9]。5种复合凝胶的DSC测试结果见图2。

图2 复合凝胶的DSC分析扫描曲线Fig.2 DSC analysis scanning curves of the composite gel

注：A为KC+KGM；B为KC+SA；C为KC+LBG；D为KC+XG；E为KC。

由图2可知，4种复配体系的DSC曲线较单一κ-卡拉胶体系曲线的熔融吸热峰都发生了明显变化，说明κ-卡拉胶与4种多糖复配后均发生了一定程度的交互作用。其中κ-卡拉胶和魔芋胶复配体系的热变性温度为85.5 ℃，高于κ-卡拉胶体系的80.9 ℃，而κ-卡拉胶和黄原胶、κ-卡拉胶和刺槐豆胶及κ-卡拉胶和海藻酸钠3种复配体系的热变性温度分别为76.5，75.2，72.6 ℃，均低于κ-卡拉胶体系。说明在4种复配体系中，只有κ-卡拉胶和魔芋胶复配体系形成了更为稳定的聚合体，提高了复合凝胶的热稳定性。

综上所述，κ-卡拉胶和魔芋胶的复配体系相比其他3种复配体系在凝胶强度、析水率及热稳定性等方面均表现出明显优势，最优多糖复配种类为κ-卡拉胶和魔芋胶。

2.2 多糖复配比例结果

2.2.1 凝胶强度和析水率分析

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κ-卡拉胶和魔芋胶按不同比例复配后对凝胶强度和析水率的影响结果见图3。

图3 κ-卡拉胶和魔芋胶复配比例对凝胶强度和析水率的影响Fig.3 Effect of KC/KGM compounding ratios on the gel strength and syneresis rate

由图3可知，向κ-卡拉胶中加入低比例魔芋胶(KC∶KGM为9∶1)时，复合凝胶强度为492.4 g，相比单一κ-卡拉胶体系(199.8 g)提高近2.5倍，复配效果明显；继续增加魔芋胶的比例，凝胶强度下降，直至两者比例KC∶KGM达到1∶9时几乎不能形成凝胶。同时，复合凝胶析水率整体趋势表现为先降低后升高，二者比例达到5∶5时，析水率降至最低(2.87%)，此后随着魔芋胶比例的增加，析水率迅速增大。可能原因是魔芋胶的主要化学成分为葡甘露聚糖，由D-葡萄糖和D-甘露糖通过β-1,4糖苷键聚合而成，甘露糖单位的第6位C上存在乙酰基，魔芋胶脱去乙酰基时较易形成凝胶，乙酰基过多则无法形成凝胶[10]。因此，随着魔芋胶比例的增大，乙酰基数量增多，凝胶结构无法形成，凝胶强度降低，析水率升高。

2.2.2 复合凝胶质构特征分析

在TPA模式中，通过弹性、胶着性和咀嚼性3个指标的量化数据衡量样品的感官品质。不同复配比例下5种复合凝胶TPA模式测试结果见表1。

表1 κ-卡拉胶和魔芋胶复配对复合凝胶质构特征的影响Table 1 Effect of KC/KGM compounding ratios on the textural characteristics of composite gel

注：表中的数据为平均值±标准差，字母表示差异的显著性(p<0.05)。

由表1可知，在复配比为9∶1～5∶5的范围内，复合凝胶的弹性、胶着性和咀嚼性均呈现升高趋势；在复配比为5∶5时，3种指标达到最大值，而后随着魔芋胶比例的升高指标值逐渐下降，复合凝胶感官品质下降，说明κ-卡拉胶和魔芋胶的复配比为5∶5时，复合凝胶的质构特征最优。κ-卡拉胶带有强阴离子基团，与鲢鱼酶解液中的蛋白质、多肽、氨基酸等物质结合会形成硬度较大的凝胶，通过与少量魔芋胶复配，则可形成柔软并富有韧性的凝胶结构，能改善产品的弹性、胶着性和咀嚼性，使复合凝胶的感官品质有所提高[11]。由于2种多糖的物质组成、化学结构不同，随着魔芋胶比例的增加，少量的κ-卡拉胶不能形成坚实的凝胶网络结构，复合凝胶的质构特征反而降低。

由于凝胶强度过大会影响凝胶品质，在实际应用中凝胶强度并不是越大越好，综合凝胶强度、析水率两方面指标及质构特征参数考虑，κ-卡拉胶和魔芋胶的最优复配比为5∶5。

2.3 凝胶机理研究

2.3.1 复合凝胶分子间作用力分析

图4 氯化钠、尿素、SDS和DTT对复合凝胶强度的影响Fig.4 Effect of NaCl,Urea,SDS and DTT on the strength of composite gel

由图4可知，随着NaCl、Urea、SDS和DTT浓度的增大，复合凝胶的凝胶强度呈逐步下降趋势，凝胶强度下降程度为：NaCl>Urea>SDS>DTT，当浓度继续增大至1.0 mol/L时，凝胶强度损失率分别达到94.35%、43.38%、34.98%、31.21%，说明复合凝胶的分子间作用力主要是静电作用，其次是氢键作用，疏水作用和二硫键作用则较弱。

鲢鱼酶解液中含有丰富的大分子蛋白质、各种不同分子量的多肽及大量游离氨基酸，可与κ-卡拉胶分子结构中的强阴离子活性半酯式硫酸基团通过强烈的静电相互作用形成稳定的凝胶结构。κ-卡拉胶和魔芋胶是高分子多糖，含有大量羟基，可与酶解液中的蛋白质等物质形成分子间氢键，虽然氢键数目庞大，但是作用力较小，所以在凝胶结构的形成中起次要作用。而鲢鱼蛋白经过酶解及热处理，大分子蛋白被降解，三四级结构被破坏，使其疏水相互作用降低。由于κ-卡拉胶、魔芋胶和酶解液蛋白都是大分子，体积较大，体系间范德华力很小，因而范德华力不是凝胶结构形成和维持稳定的主要作用力。

2.3.2 FTIR分析

FTIR是用于研究分子结构的常用手段，根据光谱图中振动谱带的强度、宽度和峰位置等信息，可从分子水平分析高聚物的构象变化。鲢鱼酶解液(A)、复配多糖胶凝剂(B)和复合凝胶(C)的FTIR分析结果见图5。

图5 FTIR图谱Fig.5 FTIR infrared spectrogram

注：A 为鲢鱼酶解液；B为复配多糖胶凝剂；C为复合凝胶。

由图5可知，鲢鱼酶解液红外图谱在官能团区的特征吸收峰没有发生明显变化，说明加入复配多糖胶凝剂反应前后，鲢鱼酶解液中蛋白质分子空间结构没有发生剧烈变化。对比复合凝胶与复配多糖胶凝剂的红外图谱，发现在3430 cm-1附近处的O-H伸缩振动吸收峰增强，并向低波数方向移动至3382 cm-1，同时振动频率明显降低。根据魏玉等人对κ-卡拉胶与魔芋胶的协同作用研究[13]，推测该现象可能原因是κ-卡拉胶与魔芋胶混胶体系以κ-卡拉胶的网状结构为主，魔芋胶通过氢键与κ-卡拉胶相互作用，其中魔芋葡甘露聚糖链吸附于κ-卡拉胶分子自身形成的双螺旋结构之上，κ-卡拉胶分子链上半酯式硫酸基和魔芋胶分子上的羟基发生相互作用，使氢键作用增强，分子间相互作用力增大，最终使得混合胶体的胶束较单体胶的凝胶网状结构更为致密。

3 结论

通过对鲢鱼酶解液-多糖复合凝胶的凝胶强度、析水率和DSC结果分析可知，复合凝胶中多糖的最优复配方式为：κ-卡拉胶和魔芋胶复配比1∶1(W/W)，在此条件下，凝胶强度为325.6 g，析水率为2.98%，具有较好的热稳定性和良好质的构特征。基于分子间作用力和FTIR分析结果，复合凝胶的胶凝机理为：维持凝胶稳定性的相互作用力以静电作用为主，其次是氢键，而疏水相互作用和二硫键作用较弱；FTIR结果表明，κ-卡拉胶中半酯式硫酸基和魔芋胶中的羟基通过氢键促进了分子间的相互作用，增强了凝胶强度。该复合凝胶的研究解决了鲢鱼酶解液凝胶强度差、易析水等关键问题，具有提高凝胶强度、持水性和热稳定性等优点，并阐释了鲢鱼酶解液-多糖复合凝胶的成胶机理，可为鲢鱼酶解液凝胶在调味酱类食品及凝胶食品中的综合利用提供思路。