蛋白质冷凝胶特性及功能研究进展

作者: 王静 何林枫

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

凝胶是一类有弹性的固体,其质地柔软,形态可变,稳定性强。以蛋白质为基质形成的凝胶是一类天然凝胶,其生物降解性强,应用前景广阔[1]。蛋白质的肽链经展开、结合再到聚合就形成了蛋白质凝胶。在蛋白质凝胶化的过程中,形成的三维网状结构可以截留一些小分子,如水分、脂肪、生物活性分子等,甚至可以通过化学键或者非化学键将这些小分子保留在网状结构中[2]。蛋白质凝胶的形成状态取决于凝胶的形成条件,如蛋白质浓度、pH值,凝胶化时体系中的离子强度,不同条件形成的凝胶形态、持水量、硬度、弹性等,甚至是流变性质都会存在差异。不同蛋白质的氨基酸序列也决定了所形成凝胶的结构和机械性能[3]。

1蛋白质冷凝胶的形成过程

蛋白质的胶凝化过程是先加热蛋白溶液,待其冷却后再加入盐诱导剂、酸诱导剂或转谷氨酰胺酶,形成的凝胶叫冷凝胶[4-。将天然蛋白溶液加热,蛋白溶液中的蛋白质分子会先变性、聚集,然后将加热后的溶液冷却,按要求加入酸诱导剂、盐诱导剂或转谷氨酰胺酶,此时溶液在二硫键或疏水作用、静电作用下,逐渐形成凝胶[]。一般选择葡萄糖酸-8-内酯作为酸诱导剂,其在水溶液中能水解生成氢离子,降低体系的pH值。当体系中的pH值降低至蛋白质等电点附近,蛋白聚集体表面的电荷逐渐被中和,此时聚集体之间会强烈作用,相互缔合,形成网络结构[8]。ALTING等[对酸诱导冷凝胶的过程进行了研究,发现pH值对凝胶形成的快慢有较大影响。盐诱导剂可以增加溶液的离子强度,加强蛋白质分子间的静电作用,促进蛋白凝胶的形成。MARANGONI等[]将 Na+ 加入乳清蛋白溶液,发现乳清蛋白溶液中很快形成絮凝物。

2蛋白质冷凝胶的表征方法

2.1 外观特性

蛋白质冷凝胶的外观可以呈现出半透明状到不透明状,具体取决于蛋白质的种类、浓度以及形成条件等因素。例如,在一定浓度的葡萄糖酸內酯和氯化钠的作用下形成的牛血清白蛋白冷凝胶呈半透明状。

2.2 凝胶持水力

凝胶持水量是指保留在蛋白质凝胶网络中,即使在外力作用下也未被挤出的水分含量,占蛋白凝胶水分总含量的比值[1]。持水量的大小表示凝胶持水能力的强弱,同时蛋白凝胶的持水力决定了凝胶的质地。凝胶的持水力与其微观结构密切相关,如果凝胶内部结构粗糙,且整体结构不均,那么通过离心作用、物理按压等外力的挤压,水分会很快流出,这样的凝胶持水力低。相反,如果凝胶微观结构细腻,整体均匀,那么凝胶的持水力强,能截留住水分和一些小分子物质。通过对凝胶持水性的测定就能对凝胶微结构的特征进行相应的判断。

2.3 流变学特性

流变学是从多方位研究物质特征的科学。采用动力试验测定凝胶的黏弹性,先以恒定频率施加正弦应变或应力,测量材料的储能模量、损耗模量和复数黏度与应变和应力的关系,找到材料的线性黏弹区,再在线性黏弹区范围内,测定凝胶从溶液到成型过程的储能模量/弹性模量和损耗模量/黏性模量值。在凝胶形成的动态过程中,可以采用时间扫描、频率扫描模式对凝胶材料的动力效应进行测定。

用流变仪测定食品的流动性和形变,不仅可以分析物质的结构特点,还能对食品的特性进行控制,对新产品特征分析有着重要意义。

2.4 质构分析

质构仪是测定食品物性学的分析工具,可以选择不同的测试模式,如单循环、多循环、全质构分析,压缩、拉伸实验模式,检测不同食品的硬度、脆性、弹性、回弹力、黏合性、咀嚼性等物性指标。选择质构剖面分析模式对蛋白质冷凝胶进行质构分析,不同凝胶的物性特点通过硬度、弹性、黏性等指标反映。



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2.5 微观结构分析

光学显微镜虽然观察步骤简便,但是分辨率较低,不利于观察精细的结构。而使用电子显微镜时对被观察样品的要求较高,处理步骤烦琐。激光扫描共聚焦显微镜的特点是采用激光作为光源,可以自动去除非聚集平面的信息,同时该显微镜与计算机相连接可以实现断层扫描,获得连续的光学切片,最终获得清晰、高分辨率的三维图像。利用激光共聚焦显微镜扫描得到的数字图像,可以导入软件算法,形成与样品微观结构有关的数字模型[12]。

2.6 分形分析

分形理论指出物质维数是连续变化的,物质的复杂性通过这样的非整数维能更好地反映出来。分形维数(非整数)对形态不均匀、有自相似结构的物体具有很好的微观结构描述作用。NAVID等[13]用分形分析定量小胶质细胞形态的细微差别。王洪晶[14]采用分形分析研究不同离子强度下酸诱导大豆分离蛋白凝胶的微观结构差异。

3蛋白质冷凝胶的功能研究进展

3.1 包埋功能

蛋白质冷凝胶可以作为一种良好的包埋基质,用于包埋热敏性功能因子、矿物质、维生素和益生菌等活性物质。例如,利用乳清蛋白冷凝胶可对维生素、益生菌等生物活性物质进行包埋和携带,这种包埋作用不仅可以保护这些活性成分免受外界环境中光、热、氧等因素造成的破坏,还能很好地提高其稳定性和生物利用度。在食品工业领域,可将蛋白质冷凝胶用于开发各种功能性食品,如含有益生菌的乳制品、富含矿物质的营养棒、富含维生素的果汁饮料等。通过利用蛋白质冷凝胶的包埋功能,可以确保这些活性成分在食品中的稳定性和生物利用度,从而满足消费者对健康食品的需求。研究表明,通过调整冷凝胶的组成和结构,可以控制活性物质的包埋率和释放速率[4]

3.2 抗酸保护功能

蛋白质冷凝胶具有独特的网络结构,对一些需要在胃酸环境下保持活性的物质,如益生菌,蛋白质冷凝胶可以提供良好的抗酸保护作用,免受酸性环境的破坏。这种保护机制主要得益于冷凝胶的紧致结构和对外界环境的稳定性。研究表明,盐诱导的大豆分离蛋白冷凝胶在胃酸环境下能保护乳酸菌,减少其在胃酸中的失活,为益生菌在食品中的应用提供新的思路和广阔前景[15]。此外,乳清蛋白冷凝胶也被证明对双歧杆菌等益生菌具有抗酸保护作用。

3.3蛋白质冷凝胶在食品方面的功能

蛋白质冷凝胶在食品方面的功能多种多样,不仅可以改善食品的质地、口感、保持食品的新鲜度和延长保质期,如在肉制品中增加黏弹性,在乳制品中替代脂肪等,还可以作为食品的增稠剂、稳定剂等,提高食品的品质和稳定性。此外,蛋白质冷凝胶可作为风味物质的载体、满足健康饮食的需求以及推动食品创新,如仿生食品、3D打印食品等,这些新型食品在口感、质地和营养价值方面都有显著的提升。随着科技的进步和人们对食品品质要求的提高,蛋白质冷凝胶在食品领域的应用会越来越广泛。

4结语

以蛋白为基质制备的冷凝胶,其交联过程由于没有经过加热,可以避免其营养成分损失及风味成分损失。因此,蛋白质冷凝胶可以作为一种包埋材料,包埋生物活性分子、益生菌、敏感性矿物质等,能够提升它们在自然条件下的稳定性,且避免它们在胃肠中轻易被降解,让这些物质能真正发挥其作用。此外,冷凝胶制备工艺简单、无毒,有利于工业化食品和非食品应用的发展。

参考文献

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