彭增起南农第二节鱼糜制品加工1水产品

第二节鱼肉蛋白质凝胶形成Thequalityofsurimiisdeterminedbasedonanumberofcharacteristics.Theseincludegelstrength,color,moisturecontent,impurities,andmicrobiologicalcounts.OtherpropertiesaffectingthefinalqualityarepH,proteincontent,fatcontent,cryoprotectants,andotherfood-gradeadditives.Amongallthepropertiesrelatedtosurimiquality,thereisnodoubtthatgelproperties—namely,gelstrength—areofprimaryinterestinsurimiproductionandtrade.一、凝胶及凝胶形成（一）凝胶（Gels）蛋白质凝胶是由胶体系统中蛋白质大分子凝集物构成的具有一定弹性和强度的连续性三维网络结构(Network)，如肌肉蛋白凝胶、鱼糜凝胶、血浆蛋白凝胶、蛋清蛋白凝胶、大豆蛋白凝胶等。在凝胶网络结构中嵌入了溶剂、溶质和填充物。所以凝胶是一个多相体系，其结构非常复杂。（二）凝胶形成(Gelation)蛋白质凝胶形成是指蛋白质在一定条件下发生一定程度变性、聚集并形成有序的蛋白质三维网络的过程，或者说，凝胶形成（凝胶化）是溶胶（Sol）转变为凝胶的过程。食品蛋白质经过这个过程能够形成凝胶制品，如凝胶类肉制品、酸奶、鱼糜制品、豆腐等，因此，凝胶形成在蛋白质食品加工中的作用十分重要。蛋白质凝胶形成的方式主要有热诱导、压力诱导、冷诱导等二、重组（Setting）在低温（0~40℃）条件和NaCl存在时，鱼肉匀浆物中蛋白质碎片在内源转谷氨酰胺酶催化下发生共价交联而重新组合的过程叫做鱼肉蛋白质的重组，实质上，这是一种结构重建反应（astructure-settingreaction）。这种交联作用发生于蛋白质中谷氨酰胺γ-羧酰胺基和赖氨酸ε-氨基之间，形成ε-（γ-glutamyl）Lys键介绍重组现象重组的发生受鱼类品种、离子类型等因素的影响；蛋白质的热稳定性和转谷氨酰胺酶的最适反应温度随着鱼类品种的不同而不同。同一品种鱼肉在不同温度下发生重组所需的时间不同；如马鲅鱼肉在25℃下重组需要4小时，在40℃下需要2小时。Ca2+能提高转谷氨酰胺酶酶促反应速率，增大凝胶强度；Cu2+、Zn2+、和Pb2+能抑制转谷氨酰胺酶的活性。三、热诱导凝胶的形成机理（一）凝胶形成的基本机制肌肉蛋白热诱导凝胶对肌肉食品的texture起主要作用。在构成肌肉的主要蛋白质中（肌球蛋白、肌动蛋白和肌动球蛋白），肌球蛋白可单独形成凝胶，肌动球蛋白也可单独形成凝胶。肌动蛋白不能单独形成凝胶，依其与肌球蛋白的比例不同，对肌球蛋白凝胶有协同或拮抗效应。有关凝胶机制的研究，早在1948年Ferry提出了蛋白质凝胶的形成机理分两步。第一步是蛋白质受热变性而展开；第二步是因展开的蛋白质其四级结构、三级结构和二级结构发生变化，从而暴露出多肽片段和氨基酸。相邻蛋白质分子间的多肽片段和氨基酸等反应基团通过疏水互作、共价键、离子键和氢键等化学键的作用，使蛋白质发生足够的分子间交联，从而形成三维网络结构（凝胶）在加热变性暴露出来的反应基团中，使特别是肌球蛋白的疏水基团，有利于蛋白质和蛋白质之间的相互作用。这是蛋白质发生交联的主要原因。分子量大且疏水氨基酸含量高的蛋白质容易形成稳定的网络结构。Sharp和Offer（1992）提出了肌球蛋白分子凝胶的形成机制，认为肌球蛋白分子的头头凝集、头尾凝集和尾尾凝集是凝胶形成的基本机制。肌球蛋白分子(肌球蛋白低于4.5gml-1)形成凝胶的基本机制－－－基本清楚凝集肌球蛋白分子单体－－头部和尾部发生头－头交联形成凝胶电镜图片（二）热诱导凝胶形成中的化学反应1.疏水互作在鱼肉肌原纤维蛋白溶胶向凝胶转变过程中，蛋白分子间的疏水作用是重要的作用力，且随着温度的升高（至少达60℃）疏水作用增强。蛋白分子间的疏水作用和加热过程中形成的二硫键是鱼肉肌原纤维蛋白热诱导凝胶形成的主要化学作用，也是高压（≥300MPa）诱导凝胶形成的主要机制。在蛋白质溶胶中，蛋白质表面暴露于水。由于热力学反应，蛋白质就会在分子内或分子间发生疏水互作。在未变性的蛋白内部有大量的疏水氨基酸，而在蛋白表面则分布有大量亲水性氨基酸。通过这种排布，蛋白分子在水溶液中便达到热力学平衡。当蛋白在受热变性展开时，内部的疏水结构便暴露于水，使得这些疏水基团附近的水分子通过分子间氢键定向排列，致使水分子的流动性降低。因此溶胶体系变得有序化，熵值降低。为形成热力学上更稳定的体系，相邻蛋白分子间的疏水部分发生紧密结合，便发生了疏水互作，引起蛋白质凝集，在合适的条件下就形成了凝胶。2.二硫键二硫键是共价键，是蛋白分子间通过共用电子对形成的牢固的化学键，共价键一旦形成，很难被破坏。加热过程中形成的二硫键是鱼肉肌原纤维蛋白热诱导凝胶形成的主要化学键。当蒸煮温度超过40℃以上时，二硫键就是蛋白质凝胶形成的主要共价键。蛋白质分子内部原有的二硫键或蛋白质内氨基酸间形成的分子内二硫键可通过二硫化物的相互交换作用形成分子间二硫键（下图），从而发生交联。如果蛋白分子内含有大量的胱氨酸或活性巯基，添加半胱氨酸或胱氨酸后，可促进分子内二硫键向分子间二硫键的转化。―S―SHS――SH―S―S―分子内和分子间二硫键的形成3.氢键氢键是偶极键，结合力弱。氢键在蛋白质凝胶体系中的数量极大，成为稳定结合水，增加凝胶强度的重要化学键。加热期间，维持蛋白质空间结构的大量氢键被破坏，从而使得多肽链更易于发生广泛的水合作用，减少水分子的移动性。所以，裸露的多肽链的水合作用就成为影响凝胶保水性的重要因素。冷却促进了蛋白间更多氢键的形成，从而导致凝胶强度增大。4.离子键（盐键）离子键是蛋白质表面荷正电的位点与荷负电的位点相互吸引而形成的。鱼肉的正常pH值接近中性（偏碱）。此时，蛋白质链上谷氨酸和天冬氨酸的羧基带负电荷，而赖氨酸和精氨酸的氨基带正电荷。这些氨基酸间便可形成离子键，使肌原纤维蛋白相互结合，形成不溶于水的凝集物。为形成良好的凝胶，必须添加食盐，以破坏离子键，促进蛋白质均匀分散。这是因为随着肌肉蛋白质离子强度的增加，Na+和Cl-选择性地与蛋白质表面的电荷结合，肌原纤维蛋白分子间的离子键遭到破坏，蛋白质对水的亲和力增加，蛋白质溶解度增大，从而有利于良好凝胶的形成。温度的提高可增强蛋白质分子之间的相互作用，而冷却有利于氢键的形成。加热可使内部的疏水基暴露出来，促进二硫键的形成。大量的巯基和二硫键的存在，可使分子间交联得到加强，形成的凝胶热不可逆。钙离子形成的键桥能提高许多凝胶的硬度和稳定性。凝胶的结构和理化特性取决于变性和凝集的相对速率，蛋白质的凝集速率比蛋白质的展开速率慢，有利于形成更细致的凝胶网络。当蛋白质凝集的速率高于展开的速率时，就会形成粗糙而无序的凝胶结构，甚至是凝结物四、软化（Softening）（一）鲤鱼肌球蛋白热诱导凝胶的形成鱼肉蛋白质热诱导凝胶，顾名思义，温度在凝胶形成过程中起着重要作用。鲤鱼肌球蛋白热诱导凝胶研究表明，30℃时，肌球蛋白分子没有相互作用，也没有形成凝胶；30℃45℃时，肌球蛋白发生头-头凝集和尾-尾凝集，蛋白质分子之间的交联急剧增加；当温度大于45℃时，蛋白之间的交联继续增加，开始形成凝胶；在50℃60℃时，蛋白质之间的交联已基本完成，三维网络结构基本形成。（二）兔肉肌球蛋白热诱导凝胶形成当pH6.5、30℃加热30min时，肌球蛋白分子形状无变化；35℃加热30min，肌球蛋白发生头-头凝集，也有尾-尾凝集发生。40℃加热30min肌球蛋白分子形成二聚体，也有寡聚体。寡聚体是由312个肌球蛋白分子组成的，其头部聚集成球状团快，尾部向三维空间辐射。球状团块的直径随着寡聚物尾部数目的增加而增大。当44℃加热30min时，主要是寡聚体，具有213个尾部的寡聚体。46℃60℃加热30min，寡聚体之间发生聚集，形成更加复杂的空间结构。（三）凝胶软化温度不仅影响肌球蛋白的形态结构，而且能激活鱼肉的内源酶。各种鱼肉蛋白质在凝胶形成过程中（40℃以下）既能发生结构重组反应，也能发生结构裂解反应（50℃70℃）。蛋白质裂解反应是由鱼肉的热稳定内源蛋白水解酶降解肌球蛋白引起的，其结果，使鱼肉的质构发生软化，甚至使鱼肉失去形态结构。肌原纤维蛋白，特别是肌球蛋白是参与凝胶形成的蛋白质，这些蛋白质遭到降解之后，也就部分或完全失去其形成凝胶的能力（图）。Postmortem死后的鱼肉对其内源蛋白水解酶的水解作用很敏感，其特点是温度高（50℃以上）、速度快、对肌球蛋白的降解严重，最终使鱼肉蛋白质凝胶强度明显下降。在众多内源蛋白酶中，半胱氨蛋白酶因其热稳定性和能裂解蛋白质内部的多肽键，对鱼肉质构和蛋白质凝胶强度的不利影响最为严重。鱼的种类不同，软化鱼肉和蛋白质凝胶的活性最大的蛋白酶各异，但是一般有两大类，即，组织蛋白酶和热稳定碱性蛋白酶。鲽鱼鱼肉在50℃60℃时半胱氨蛋白酶活性最高；牙鳕肉在60℃下加热30min后，由于组织蛋白酶L的作用，大部分肌球蛋白重链被降解，不能形成凝胶；马鲛鱼肉中大部分蛋白质水解活性是由于组织蛋白酶B、L；组织蛋白酶L对肌球蛋白的亲和力高，难以洗脱完全。热稳定碱性蛋白酶能使鱼肉质构变差，如虹鳟鱼、沙丁鱼、石首鱼、鲤鱼、马鲛鱼、鳕鱼、鲱鱼、大麻哈鱼。这些酶的最适pH（pH7.5~8.0）和最适温度（60℃左右）范围窄。49differentfishspecies,includingsaltwater,freshwater,andcartilaginousfish(软骨鱼),plussquids鱿鱼,prawns(对虾,),andlandanimalmeats(chickenandrabbit)canbeclassifiedintofourgroupsbasedontheeffectsoftheheat-inducedproteolysisofthemuscle,whichresultsingelsoftening,andendogenoustransglutaminaseactivity,whichstrengthensgelsbycrosslinkingproteinsduringlow-temperature“setting”1.Thosethatexhibitlittlegelstrengtheningduring“setting”(30to50°C)andlittlegelsofteningduringheating(50to70°C);thisgroupincludedsharks,needlefish颌针鱼,marlin枪鱼,chicken,andrabbit(alllandanimalmeats).2.Thosethatexhibitlittlegelstrengtheningduring“setting”(30to50°C),butconsiderablegelsofteningduringheating(50to70°C);thisgroupconsistedprimarilyofcertainred-meat(pelagic浮游鱼类)fish.3.Thosethatexhibitconsiderablegelstrengtheningduring“setting”(30to50°C)andalsoconsiderablegelsofteningduringheating(50to70°C);thisgroupincludedsardines,croakers,andsomewarm-waterfishsuchasthreadfinbream马鲅鱼.•4.Thosethatexhibitconsiderablegel