改性马铃薯淀粉对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响

奥鹏网院作业

改性马铃薯淀粉对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响
周凤超，林国荣，汪秀妹，张丽芬，林大河，林授锴，陈伟娇
（莆田学院环境与生物工程学院，福建 莆田 351100）
摘 要：利用原料马铃薯淀粉（native potato starch，NPS）和几种改性马铃薯淀粉（0.2%氧化剂处理淀粉（oxidized potato starch，OPS）、2.0% OPS、湿热改性处理淀粉（heat moisture treated potato starch，HMTPS）和压热改性处理淀粉（heat pressure treated potato starch，HPTPS））与肌原纤维蛋白（myofibrillar protein，MP）制备复合凝胶（NPS-MP、0.2% OPS-MP、2.0% OPS-MP、HMTPS-MP和HPTPS-MP），并对复合凝胶特性进行研究。流变学特性和低场核磁测定结果显示，0.2% OPS-MP表现出了相对最高的贮能模量（G’）和相对最稳定的凝胶内水分分布状态，之后依次为NPS-MP、HMTPS-MP、2.0% OPS-MP和HPTPS-MP。与NPS-MP相比，0.2% OPS-MP在5 种复合凝胶中的凝胶强度和持水性均最高（P＜0.05），2.0% OPS-MP和HPTPS-MP的凝胶强度和持水性相对较差。凝胶内部作用力测定结果显示，复合凝胶内部的分子作用力以氢键和疏水相互作用为主，二硫键作用力相对较弱。淀粉添加量的增加显著增强了这几种分子作用力（P＜0.05），其中0.2% OPS-MP氢键作用力显著高于NPS-MP。微观结构观察显示，0.2% OPS-MP相比于其他复合凝胶具有紧凑、细腻和均一的凝胶网状结构。
关键词：改性马铃薯淀粉；肌原纤维蛋白；凝胶特性
马铃薯淀粉作为大分子多糖类化合物具有多种功能特性，在食品加工过程中添加一定量的马铃薯淀粉能够对食品物料内部进行良好的填充，并提高产品的黏稠度和保水性，同时淀粉和蛋白质的相互作用也形成了具有良好组织结构的复合物，因此马铃薯淀粉可以作为主要组分在肉制品中添加，并能有效提高肉中蛋白质在加工过程中的凝胶、持水和乳化等功能特性。由于原料马铃薯淀粉（native potato starch，NPS）的老化性较高，热稳定性和抗剪切能力较差，对其在食品加工领域的应用产生一定的限制。对NPS进行改性处理可以克服其在食品加工过程中的缺点和局限性[1-2]。氧化处理马铃薯淀粉（oxidized potato starch，OPS）可以改善原料的老化特性，并能降低其特征性的高黏度，使糊化淀粉具有良好的成膜性并且更加透明，目前在面团、面包和烘焙食品加工中被广泛应用[3]。商业化生产氧化淀粉最常用的氧化剂是次氯酸钠[4]，有关氧化马铃薯淀粉应用于食品的研究很多[5-6]，但将其应用于肉制品的研究却鲜有报道。对淀粉进行湿热和压热改性处理具有环境友好和价格低廉的优点，这两种物理改性方法目前被广泛采用[6-8]。许多学者研究了湿热和压热处理马铃薯淀粉的体外消化特性[8]，但在与肌原纤维蛋白互作方面的研究鲜有报道。
肌原纤维蛋白（myofibrillar protein，MP）是肌肉蛋白质中具有重要生物学功效的一类蛋白质，既有极性氨基酸残基又有非极性氨基酸残基，在单一或复合的体系中能发挥良好的乳化和凝胶特性，将脂肪和水保持在其结构内部或周围。蛋白质分子在受热后发生变性，构成三维空间网状结构，从而决定了肉制品加工过程中所形成的感官特征和质构特性。MP和马铃薯淀粉在一定温度下都具有单独形成较强凝胶的能力，并且马铃薯淀粉还可作为多功能食品添加剂应用于肉制品，与MP形成复合凝胶，从而改善肉制品的品质[9]。目前普遍认为，淀粉-MP复合凝胶的形成机制是基于热诱导过程中淀粉颗粒通过吸水膨胀填充于MP三维凝胶网络，使复合凝胶的凝胶特性得到加强和改善[10]。复合凝胶中，蛋白质作为凝胶基质，淀粉作为填料基质在凝胶内部紧密结合[11]。
为使改性马铃薯淀粉在肉制品中得到更好的应用，并使肉制品品质和功能特性得到改善，实验在前一阶段研究的基础上[12-14]，进一步对NPS及改性马铃薯淀粉-MP复合体系的凝胶特性进行考察。分别利用NPS、0.2%OPS、2.0% OPS、湿热处理马铃薯淀粉（heat moisture treatment potato starch，HMTPS）和压热处理马铃薯淀粉（heat pressure treatment potato starch，HPTPS）分别与MP互作，考察各淀粉-MP复合物的凝胶特性。分别用NPS-MP、0.2% OPS-MP、2.0% OPS-MP、HMTPS-MP和HPTPS-MP表示各种类型复合物或复合凝胶。通过对改性马铃薯淀粉-MP凝胶特性的考察，旨在进一步探究MP与改性马铃薯淀粉这两类生物大分子之间的相互作用机理，为添加改性马铃薯淀粉肉制品的开发提供研究思路和理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
淀粉样品：NPS、0.2% OPS、2.0% OPS、HMTPS（样品密封、常压、100 ℃恒温1 h）和HPTPS（样品密封、0.2 MPa、120 ℃处理20 min）均为实验室自制，并在之前的研究中测定了各种类型淀粉的理化性质[12-14]（本研究需要用到参数值见表1）；猪背最长肌 黑龙江北大荒肉业有限公司；牛血清蛋白 美国Sigma公司；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS） 北京索莱宝生物科技有限公司；次氯酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等均为国产分析纯试剂。
表1 不同类型马铃薯淀粉的理化性质
Table 1 Physicochemical properties of native and modified potato starches

注：数据表示为fs（n＝3）；同列不同肩标字母表示差异显著（P＜0.05）。
1.2 仪器与设备
XT120A XS系列原装天平 瑞士普利赛斯有限公司；BS203IP数码偏光显微镜 重庆光电仪器有限公司；T18 basic型高速匀浆机 德国IKA公司；TA-XT plus型质构分析仪 英国Stable Micro System公司；旋转流变仪 美国TA仪器公司；GL-21M高速冷冻离心机湖南湘仪实验仪器开发有限公司；DELTA 320 pH计瑞士梅特勒-托利多有限公司。
1.3 方法
1.3.1 MP的制备
参考Xia Xiufang等[15]的方法略有改动，以猪背最长肌为原料提取MP，将原料肉中明显的脂肪和结缔组织去除，切成小肉块并称质量。加入4 倍体积预冷（4 ℃）的提取液（pH 7.0、10 mmol/L磷酸盐缓冲液：其中包括0.1 mol/L NaCl、2 mmol/L MgCl2和1 mmol/L EGTA），在组织捣碎机中匀浆60 s，得到的肉浆在3 500 r/min、2～4 ℃离心15 min，弃上清液取沉淀，按上述步骤重复2 次，得到的沉淀物为粗MP。向粗MP中加入4 倍体积预冷（4 ℃）的洗液（0.1 mol/L NaCl），在组织捣碎机中匀浆60 s，3 500 r/min、2～4 ℃离心15 min，取沉淀，重复上述操作1 次。再取沉淀加入4 倍体积洗液，匀浆60 s，4 层纱布过滤，滤液用0.1 mol/L HCl溶液调节pH值至6.0，3 500 r/min、2～4 ℃离心15 min，取沉淀，得MP于2～4 ℃保存，48 h内利用。蛋白质含量采用双缩脲法测定。
1.3.2 乳化液的制备
将MP溶解于50 mmol/L pH 6.2的磷酸盐缓冲液（含有0.6 mol/L NaCl）中，制得MP溶胶，并使蛋白质质量分数保持1%恒定。向MP溶胶中添加质量分数3%的改性马铃薯淀粉样品，充分混匀，得到马铃薯淀粉-MP复合物，再取2 mL大豆色拉油与8 mL淀粉-MP复合物混合，高速匀浆机10 000 r/min搅打1 min后，得到淀粉-MP乳化液。
1.3.3 淀粉-MP乳化液流变学特性的测定
取1.3.2节制得的乳化液2.0 mL样品均匀涂布于流变仪测试平台，赶掉气泡，夹具采用40 mm平行板，夹缝0.5 mm，由控制的循环水围绕在凝胶样品周围进行加热，样品以2 ℃/min的恒定速率由25 ℃升温至85 ℃，测试前在蛋白凝胶边缘加一薄层硅油以保持空气湿润，避免凝胶的脱水。样品以0.631 r/s（100 mHz）的振荡频率、2%的振幅进行正弦应变，以测定加热过程中贮能模量随温度升高的变化情况。
1.3.4 复合凝胶的制备
将MP溶解于50 mmol/L pH 6.2的磷酸盐缓冲液（含有0.6 mol/L NaCl）中，制得MP溶胶，并使蛋白质质量分数保持4%恒定。向MP溶胶中分别添加质量分数2%、3%和4%的改性马铃薯淀粉样品，充分混匀，得到的淀粉-MP复合物分别在70、75、80 ℃水浴加热20 min，形成淀粉-MP复合凝胶，加热完成后立即将凝胶取出放入冰水中冷却2 h。室温（25 ℃）平衡30 min，用于测定凝胶强度、保水性、凝胶水分组成及分布及微观结构观察。
1.3.5 复合凝胶强度的测定
参考Hormdok等[16]的方法进行凝胶强度测试。将冷却平衡后的马铃薯淀粉-MP复合凝胶置于质构仪探头正下方，探头类型为P/0.5直径12 mm，下降速率为1 mm/s，穿刺距离为10.0 mm，穿透力即为凝胶的强度[17]。每个样品做3 个平行样。空白样品不加淀粉。
1.3.6 复合凝胶持水性的测定
将1.3.4节得到的复合凝胶样品（5 g）转移到50 mL离心管中，4 ℃、9 650 r/min离心15 min，室温下倒置离心管收集上清液15 min，然后称量离心管内凝胶样品质量，离心除去上清液后的凝胶质量与5 g原凝胶样品的质量百分比为凝胶的持水性。每个样品做3 个平行样。空白样品不加淀粉。
1.3.7 复合凝胶微观结构的观察
将淀粉质量分数4%，在70、75、80 ℃形成的淀粉-MP复合凝胶用石蜡切片的方法进行微观结构观察。从凝胶样品切下横截面为5 mmh5 mm的矩形立方体小块，将凝胶小块在质量分数4%的福尔马林溶液中固定过夜后用蒸馏水清洗，然后将样品用不同质量分数的乙醇进行系列脱水，即50%、70%、90%、100%乙醇溶液分别脱水2 h。此过程之后，用二甲苯-乙醇（1∶1，V/V）浸泡1 h，二甲苯浸泡2 h，随后在60 ℃烘箱中用液体石蜡浸泡1.5 h，在常温下取出嵌有石蜡的凝胶样品，用切片机切成8～10 μm厚的石蜡切片，放到载玻片上用苏木精和尹红染色，加上盖玻片后用显微镜进行观察和拍摄。样品观察物镜和目镜放大倍数分别为40 倍和10 倍。
1.3.8 复合凝胶水分组成及分布
利用低场核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）测定复合凝胶样品中水分的组成及分布，参考Sanchez-Alonso等[18]的方法，略有改动。取5 mL淀粉-MP复合物加入到核磁管（直径1.8 cm，高度18 cm）底部，在80 ℃水浴中加热20 min，加热完成后将盛有淀粉-MP复合凝胶的核磁管立即放入冰水中冷却3 h，在LF-NMR分析仪中进行横向驰豫时间（T2）的测定。分析仪的磁场强度为0.47 T，质子共振频率为20 MHz。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill程序测定凝胶的横向弛豫时间T2，每个样品机器自动扫描16 次，每次重复的间隔时间设定为2 s。测定后每个样品的T2通过CONTIN软件进行反演，得到相应的T2弛豫时间与对应的峰面积比A2。
1.3.9 复合凝胶形成过程中化学作用力的测定
参考Jiang等[19]的方法分析复合凝胶的分子间作用力。将1 g凝胶分别加入3 种不同的蛋白质变性剂中，混合后于13 500 r/min均质20 s，为了达到最大的溶解度，将其放在80 ℃的水浴锅中加热1 h，9 650 r/min离心15 min，吸取上层液通过双缩脲法测定蛋白质含量。蛋白质溶解度即为上清液中溶解出的蛋白质含量占凝胶中总蛋白质的百分比。蛋白质变性剂分别为：含8 mol/L尿素的50 mmol/L磷酸盐缓冲液（pH 7.0）用以分析氢键的作用；含0.5% SDS的50 mmol/L磷酸盐缓冲液（pH 7.0）用以分析疏水相互作用，含0.25% β-巯基乙醇（β-mercaptoethanol，β-ME）的50 mmol/L磷酸盐缓冲液（pH 7.0）用以分析二硫键的作用。
1.4 数据统计分析
每个实验重复3 次，结果表示为fs。数据统计分析采用Statistix 8.1（St Paul, MN）软件包中Linear Models程序进行，差异显著性分析使用Tukey HSD程序（P＜0.05，差异显著）。采用Sigmaplot 11.0 软件作图。
2 结果与分析
2.1 复合凝胶流变学性质
贮能模量（G’）作为蛋白质流变学性质的一项重要指标，是度量凝胶网络结构弹性的一种重要方式，反映了凝胶的韧性，G’增大表示形成的蛋白质三维网络结构趋于稳定，凝胶韧性增大[11,20]。图1A为MP热诱导凝胶随温度变化的G’曲线，G’在加热过程中发生变化是由于MP在不同温度下发生了交联和变性[21]。首先，随着温度的升高G’在48.7 ℃时出现一个峰值，这主要是由于肌球蛋白分子的头部在较低温度下通过氢键发生交联作用产生聚集，并形成了初步的蛋白质网络结构[21-22]；随后，由于温度的升高破坏了蛋白质分子间形成的氢键使G’下降[23]，当下降至51.3 ℃时，G’又随温度的升高而持续增加，80 ℃以后G’趋于平稳，这主要是由于高温使肌球蛋白和肌动蛋白变性，也标志着高弹性的蛋白凝胶网络的形成。
为便于观察复合凝胶间G’的区别，将G’曲线分成两个温度区间，分别为25～55 ℃和55～85 ℃。图1B可以看出，添加淀粉后复合凝胶的G’在两个温度区间相比于MP凝胶均显著提高，且大小顺序为：0.2% OPS-MP＞NPS-MP＞2.0% OPS-MP＞MP。同时，添加淀粉后3 种复合凝胶的G’在25～55 ℃区间达到峰值时的温度升高，均为50 ℃，这说明原料和氧化马铃薯淀粉的添加提高了MP的热转变温度，在这一过程中马铃薯淀粉与蛋白质发生了相互作用。陈海华[24]、李月双[20]等分别用改性玉米淀粉和亚麻籽胶与MP形成复合凝胶，得到了相似的实验结果，他们认为多糖分子的亲水性优于蛋白质，加热过程中多糖分子先在溶液中展开，对蛋白质分子的展开有一定阻碍作用，从而推迟了蛋白质分子的交联。此外，各组复合凝胶在65 ℃以后G’的增加程度远高于MP凝胶，这主要与各类型马铃薯淀粉的糊化温度和膨润能力有关。温度达到65 ℃后逐渐接近了淀粉的糊化温度，位于网络结构内部的淀粉颗粒开始吸水膨胀将蛋白质三维网络空间填充，这时由淀粉糊化对复合凝胶G’产生的影响远大于由MP变性产生的影响；而0.2% OPS-MP的G’最高，这与0.2% OPS自身性质有关，根据之前的研究得出结论，0.2% OPS的凝胶韧性相比于NPS显著提高，且能保持一定的膨润能力[13]，因此0.2% OPS-MP复合凝胶G’最高，其形成的三维网络结构也最稳定。
由图1C可见，HMTPS和HPTPS也使MP的热转变温度升高至50 ℃。在两个温度区间，HPTPS-MP的G’最低。而在55～85 ℃区间，HMTPS-MP在76.8 ℃前的G’显著高于NPS-MP复合凝胶，温度高于76.8 ℃后NPS-MP复合凝胶的G’超过HMTPS-MP复合凝胶，并随温度的升高G’显著升高。这主要与NPS和HMTPS各自在盐溶液中的糊化温度（表1）和膨润能力有关。NPS和HMTPS的糊化温度分别为73.3 ℃和70.9 ℃，随温度增加HMTPS先接近糊化温度，HMTPS-MP复合凝胶的G’率先升高，而在温度达到76.8 ℃之前NPS在复合凝胶中的吸水膨胀作用弱于HMTPS，导致HMTPS-MP复合凝胶的G’在这一阶段低于NPS-MP复合凝胶。温度达到76.8 ℃后，已超过NPS的糊化温度，使其在复合凝胶中的吸水溶胀作用增强。同时，由于HPTPS的膨润能力低于NPS，当两种淀粉均达到糊化温度后，HPTPS的吸水膨胀能力相对较弱，导致其填充MP网络结构的能力弱于NPS，因此表现出其形成的复合凝胶G’显著低于HMTPS-MP复合凝胶。

图1 原料和改性马铃薯淀粉与MP制备的乳化液的G’
Fig. 1 Storage modulus (G’) of emulsions prepared with MP and native potato starch or modified potato starches
2.2 复合凝胶的凝胶强度
根据原料及改性马铃薯淀粉在0.6 mol/L NaCl溶液中的糊化温度，选择70、75、80 ℃条件下进行热诱导凝胶。由表2可知，未添加淀粉的MP凝胶强度随加热温度升高显著下降（P＜0.05），这主要是由于高温使蛋白质分子中非共价键相互作用受到破坏。
表2 不同温度下各复合凝胶的凝胶强度
Table 2 Gel strength of composite gels prepared with MP and native potato starch or modified potato starches at different heating temperatures

注：数据表示为fs（n＝3）；同列肩标字母不同表示差异显著（P＜0.05）；0%～4%为淀粉添加量。下表同。
随淀粉添加量的增加复合凝胶强度显著提高，但淀粉添加量一定时，复合凝胶随加热温度的升高其凝胶强度变化趋势不同。当淀粉添加量为2%时，NPS-MP和0.2% OPS-MP凝胶强度随加热温度升高未表现出明显变化趋势，但2.0% OPS-MP、HMTPS-MP和HPTPS-MP凝胶强度均随加热温度升高呈下降趋势，这可能是由于淀粉在复合凝胶中所占的比例小于MP（4%），因此复合凝胶强度主要以MP在热诱导过程中的变化为主。当淀粉添加量为3%和4%时，各类型复合凝胶强度随加热温度升高呈显著增加趋势（P＜0.05），这可能是由于淀粉添加量增加使复合凝胶强度主要受淀粉糊化后的凝胶特性影响，随加热温度升高淀粉糊化程度提高、吸水膨胀作用增强，能更充分地填充于蛋白凝胶网络，使复合凝胶组织结构更加紧实，从而提高了凝胶强度。
0.2 % O P S-M P在相同条件下凝胶强度最高（P＜0.05）。这主要与0.2% OPS自身的淀粉组成和膨润能力有关。0.2% OPS的膨润能力相比于NPS虽有所下降，但对其形成凝胶影响不大，且0.2% OPS形成的淀粉凝胶强度显著高于NPS，这与其非晶结构直链淀粉的溶出（表1）关系密切[13-14]。2.0% OPS-MP凝胶强度在相同条件下均显著（P＜0.05）低于NPS-MP，这主要与2.0%OPS自身膨润能力较差以及氧化处理后淀粉颗粒的结晶区域及非结晶区域的淀粉分子均发生降解有关[13-14]，导致其形成的凝胶吸水膨胀能力差，同时，2.0% OPS的糊化温度高于NPS，因此相同温度下，2.0% OPS的糊化程度低于NPS，对蛋白凝胶网络的填充程度相对较弱，所以形成的复合凝胶强度低。
HMTPS-MP凝胶强度在相同条件下与NPS-MP无显著差别（P＞0.05），而HPTPS-MP凝胶强度在5 种复合凝胶中最低（P＜0.05）。这是由于压热处理的条件比较强烈，淀粉分子间形成很强的相互作用，使HPTPS的糊化温度显著升高、膨胀和水和能力受到很大限制，膨润能力相对最差，使其在形成凝胶的过程中吸水膨胀作用远低于其他改性淀粉，对蛋白质网络结构填充作用最弱，因此HPTPS-MP复合凝胶强度最低[13-14]。
2.3 复合凝胶的持水性
表3 不同温度下各复合凝胶的持水性
Table 3 Water-holding capacity of composite gels prepared with MP and native potato starch or modi fi ed potato starches at different heating temperatures

持水性是评价MP凝胶特性的重要参数，也是衡量肉制品品质的一个重要指标。复合凝胶持水性见表3。其中，淀粉添加量0%的MP凝胶持水性随加热温度升高呈显著下降趋势（P＜0.05），这与凝胶强度的变化具有明显相关性。由于加热温度高于MP的变性温度，并且随着温度的升高蛋白质的溶解度会逐渐降低，使其内部的空间网络结构疏松，从而使水分渗出，导致MP凝胶持水性下降。添加淀粉后形成的复合凝胶持水性与2.2节复合凝胶的凝胶强度变化也具有明显相关性。淀粉添加量为2%时，复合凝胶持水性主要受MP凝胶持水性影响；淀粉添加量为3%和4%时，复合凝胶持水性主要受淀粉的膨润能力和糊化温度影响。
0.2 % OPS-MP在相同条件下相比于其他4 种复合凝胶具有最高的凝胶持水性（P＜0.05）。由表1可知，0.2%OPS具有相对最高的凝胶强度，从而使0.2% OPS-MP保持了高凝胶持水性。与凝胶强度结果相似，2.0% OPS-MP复合凝胶的持水性在相同条件下均显著（P＜0.05）低于NPS-MP和复合凝胶，这主要与2.0% OPS自身吸水膨润能力较差有关。
HMTPS-MP复合凝胶的持水性在相同条件下与NPSMP复合凝胶无显著差别（P＞0.05），而HPTPS-MP复合凝胶的持水性在5 种复合凝胶中最低（P＜0.05）。这一结果也可由上述2 种复合凝胶强度的变化原因解释。
2.4 复合凝胶水分组成及分布


图2 各复合凝胶的T2弛豫时间分布
Fig. 2 Distribution of LF NMR T2 relaxation times of composite gels prepared with MP and native potato starch or modified potato starches
利用低场核磁中T2弛豫时间技术能很好地分析淀粉-MP复合凝胶内部水分的动态分布情况[25-26]。T2弛豫时间能表明MP与周围环境物质之间相互作用的强弱，越短的弛豫时间表明更快的相互结合，从而具有更稳固的相互作用[27]。MP凝胶的LF-NMR结果通常出现4 个弛豫峰[28]，分别代表凝胶中水的不同分布形式，即T2b：与蛋白质分子疏水基团紧密结合的水；T21：移动性较弱，处于蛋白凝胶网络结构内部的水；T22：具有一定移动性，处于蛋白凝胶网络结构间的水；T23：移动性较强，可排出凝胶体系的水。有学者利用LF-NMR研究淀粉-原纤维蛋白复合凝胶，也出现4 个弛豫峰[11,29]。4 种分布形式的水整合后对应凝胶中水的3 种状态，分别是结合水（T2b）、不易流动水（T21、T22）和自由水（T23）[28]。
如图2A所示，MP凝胶LF-NMR衰减曲线反演后的T2弛豫时间分布出现4 个峰：1.69～2.39 ms处的小峰为T2b峰；13.87～19.56 ms处的小峰为T21峰；59.22～142.56 ms处的较大峰为T22峰；225.45～431.58 ms的较小峰为T23峰。由图2B～E可知，NPS-MP、0.2% OPS-MP、2.0% OPS-MP和HMTPS-MP在相应T2弛豫时间位置均出现4 个弛豫峰，其中各种复合凝胶的T21、T22、T23弛豫峰均随着淀粉添加量的增加向快弛豫方向移动。说明这几种类型马铃薯淀粉的添加使复合凝胶内的水分分布趋于稳固，MP与其网络结构内部吸水膨胀的淀粉相互作用增强[27]。2.2节和2.3节中复合凝胶强度和持水性的变化与各类复合凝胶T21、T22和T23弛豫时间的变化具有相关性。
不同的是，图2F中HPTPS-MP的T2弛豫时间出现5 个峰，在6.71～37.44 ms之间不同淀粉添加量的复合凝胶均出现2 个弛豫峰，且随淀粉添加量的增加向快弛豫方向移动；而T22和T23则呈相反的弛豫方向，随淀粉添加量的增加，T22峰向快弛豫方向移动，T23峰向慢弛豫方向移动。由于HPTPS-MP新出现的2 个T2弛豫峰距离与T21弛豫峰相近，因此将此二弛豫峰所对应的水归类为蛋白凝胶网络内部、移动性较弱的不易流动水。由于压热处理的条件较湿热处理更加强烈，进一步增强了淀粉颗粒内部分子链间相互作用以及结构紧密性，因此HPTPS热稳定性更高。Ashwar[30]和Jia Dan[31]等提出，在淀粉-蛋白复合凝胶冷却的过程中，蛋白质和淀粉分子都会各自单独通过非共价键相互作用，再聚集形成凝胶，特别是对淀粉凝胶，通常认为非共价键相互作用主要是由氢键来稳定淀粉分子链的双螺旋结构。因此，HPTPS-MP出现2 个新的T2弛豫峰可能是由于HPTPS内部具有较强的淀粉分子间作用力，在形成复合凝胶冷却的过程中淀粉和蛋白质分子各自形成的非共价键相互作用强于淀粉和蛋白质分子间的相互作用，在凝胶内部出现了代表凝胶基质（蛋白质）和填料基质（淀粉）的两部分移动性较弱的不易流动水，从而形成了两个T21峰。也正是由于HPTPS和MP在复合凝胶中各自形成较强的分子内相互作用，从而导致吸水及膨润能力较低的HPTPS未能将MP凝胶网络充分填充，使复合凝胶的持水性降低，因此T23峰随淀粉添加量的增加向慢弛豫方向移动。
2.5 复合凝胶主要作用力分析


图3 各复合凝胶在不同变性剂中的溶解度
Fig. 3 Solubility of composite gels prepared with MP and native potato starch or modified potato starches in buffer containing different denaturants
淀粉-蛋白质复合凝胶是由凝胶内部分子间的相互作用形成的，包括蛋白质-蛋白质、蛋白质-淀粉和淀粉-淀粉之间通过离子键（静电相互作用）、氢键、疏水相互作用及共价键（二硫键）等作用力来完成[32-34]。向凝胶中添加不同的变性剂，能够将形成凝胶的蛋白质溶解，将凝胶内部的作用力破坏，如一定浓度的NaCl具有屏蔽电荷的作用，从而降低静电相互作用；尿素和SDS可对水分子结构产生影响，分别破坏氢键和疏水相互作用；β-ME能打断二硫键[24]。因此，可根据加入变性剂后蛋白质的溶解度大小确定维持凝胶稳定的作用力的大小。
MP凝胶与马铃薯淀粉-MP复合凝胶在不同变性剂中的溶解度见图3。根据蛋白质溶解度大小可以判断，加入马铃薯淀粉后各种复合凝胶内部分子间的氢键、疏水相互作用和二硫键作用力均随淀粉添加量的增加呈显著增加趋势（P＜0.05）。说明马铃薯淀粉的添加对复合凝胶内部分子间的相互作用力具有明显的促进作用。根据不同变性剂作用后蛋白质的溶解度大小看，马铃薯淀粉-MP复合凝胶内部的氢键为主要作用力，其次为疏水相互作用，二硫键作用力最少。Ashwar[30]和Jia Dan[31]等研究报道，淀粉-MP复合凝胶形成后的冷却过程中，蛋白质和淀粉分子都会各自单独通过氢键相互作用，再聚集形成凝胶。特别是对淀粉凝胶，通常认为非共价键相互作用主要是由氢键来稳定淀粉分子链的双螺旋结构[31]。其他研究者也提出，氢键和疏水相互作用是稳定复合凝胶的主要作用力[35]。因此，在NPS-MP和改性马铃薯淀粉-MP复合凝胶内部，稳定结构的作用力主要为氢键和疏水相互作用，二硫键不是主要作用力，但也不可或缺。
不同类型的复合凝胶内部作用力大小也有显著不同。图3A1、B1、C1中，0.2% OPS-MP的氢键作用力显著高于NPS-MP，而2.0% OPS-MP的氢键作用力则显著低于NPS-MP（P＜0.05）；0.2% OPS-MP和NPS-MP的疏水相互作用及二硫键无显著差异（P＞0.05），但均显著高于2.0% OPS-MP（P＜0.05）。0.2% OPS通过吸水膨胀填充蛋白质凝胶网络的同时，其中含有的羧基（表1）也与水分子结合形成氢键，从而稳定复合凝胶，因此，相比于不含有羧基的NPS和膨润能力差的2.0% OPS其氢键作用力强。而2.0% OPS-MP中疏水相互作用和二硫键作用力最小，主要是由于2.0% OPS自身膨润能力差、形成的凝胶持水性和凝胶强度相对较差，是由内部分子作用力较弱导致的。由此可知，复合凝胶的分子间作用力与其持水性和凝胶强度关系密切。
图3A2、B2和C2中，随添加处理强度增加的改性淀粉（温度升高和压力增大），复合凝胶内部的3 种作用力均呈显著降低趋势（P＜0.05），这主要与2 种改性马铃薯淀粉的膨润能力有关。随处理强度增强淀粉的膨润能力显著降低，形成复合凝胶的持水性和凝胶强度也显著降低，这是内部作用力呈这一变化趋势导致的。
2.6 复合凝胶的微观结构
微观结构与淀粉-MP复合凝胶的特性关系密切，凝胶结构三维网络孔隙的大小和分布对其质构、持水性及内部水分分布具有重要影响[11]。
由图4可见，不同加热温度及不同类型马铃薯淀粉与MP制备的复合凝胶微观结构有明显的变化。相同温度下，0.2% OPS-MP的三维凝胶网络结构致密、细腻，内部孔隙小且组织结构均匀，并随着加热温度的升高，复合凝胶表现出更加紧凑的网状结构。2.0% OPS-MP和HPTPS-MP形成的三维凝胶网络结构松散、粗糙，内部孔隙大且分布不均匀，虽然随加热温度的升高网络结构趋于紧凑，但仍有较大孔隙。NPS-MP和HMTPS-MP复合凝胶，在80 ℃时的三维凝胶网络结构比较相似，但在70 ℃和75 ℃时，HMTPS-MP复合凝胶网络孔隙略显膨大和粗糙。此结果首先与不同类型马铃薯淀粉的糊化温度有关，糊化温度由大到小依次为：HPTPS（79.6 ℃）＞2.0% OPS（75.5 ℃）＞0.2% OPS（74.7 ℃）＞NPS（73.3 ℃）＞HMTPS（70.9 ℃），相同加热温度下，糊化温度低的淀粉在复合凝胶中首先吸水膨胀，将MP网络填充，使复合凝胶三维网络结构致密、紧凑，因此，HPTPS-MP和2.0% OPS-MP复合凝胶结构相对松散、粗糙。同时，淀粉在MP凝胶网络中的填充作用也受其自身的膨润能力影响，HPTPS和2.0% OPS在几种改性马铃薯淀粉中膨润能力相对较差，导致其膨胀持水能力降低，因此，加热过程中即使达到其糊化温度也未能将复合凝胶网络填充充分；HMTPS膨润能力显著低于NPS，因此，70 ℃和75 ℃时，HMTPS形成的复合凝胶相比于NPS略显粗糙。此外，由于0.2% OPS具有较好的凝胶强度和持水性，使其在复合凝胶中表现出了良好的填充效果。有研究指出，MP凝胶微观结构与其持水性关系密切，凝胶蛋白网络均匀细腻则凝胶持水性高、松散粗糙则持水性低[36]。

图4 各复合凝胶在70、75、80 ℃的微观结构（×400）
Fig. 4 Microstructural observation of composite gels prepared with MP and native potato starch or modified potato starches at 70, 75 and 80 ℃ (× 400)
3 结 论
MP和马铃薯淀粉在一定温度下都具有单独形成较强凝胶的能力，将马铃薯淀粉应用于肉制品的加工中能够形成具有更好凝胶特性的复合凝胶。马铃薯淀粉经过改性处理后，进一步改善了淀粉-MP复合物的凝胶特性。复合凝胶中，0.2% OPS-MP表现出了相对最稳定的流变学特性和凝胶内的水分分布状态，其次为NPS-MP、HMTPS-MP、2.0% OPS-MP和HPTPS-MP。凝胶强度和持水性与流变学特性和凝胶内水分分布状态具有明显相关性，0.2% OPS-MP的凝胶强度和持水性均最高（P＜0.05），其次为NPS-MP和HMTPS-MP复合凝胶在不同加热温度下的凝胶强度和持水性互有高低，而2.0%OPS-MP和HPTPS-MP复合凝胶的凝胶强度和持水性相对较差。复合凝胶内部的分子作用力以氢键和疏水相互作用为主，同时还存在二硫键，马铃薯淀粉添加量的增加显著增强了复合凝胶中这几种分子间作用力（P＜0.05）。由于0.2% OPS分子内引入了羧基并具有一定的膨润能力，在复合凝胶内使氢键的作用显著增强，提高了凝胶强度和持水性。微观结构与凝胶强度和持水性关系密切，观察显示，0.2% OPS-MP复合凝胶具有紧凑致密的三维网状结构、组织细腻、孔隙微小且分布均匀，形成的凝胶状态最好。本实验为改性马铃薯淀粉应用于乳化凝胶类肉制品提供了理论依据。
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Inf l uence of Modified Potato Starch on Gelation Properties of Myofibrillar Protein
ZHOU Fengchao, LIN Guorong, WANG Xiumei, ZHANG Lifen, LIN Dahe, LIN Shoukai, CHEN Weijiao
(College of Environmental and Biological Technology, Putian University, Putian 351100, China)
Abstract: The properties of composite gels of myofibrillar protein (MP) with native potato starch (NPS), oxidized potato starch (OPS) with 0.2% and 2% oxidant, heat moisture treated potato starch (HMTPS), and heat pressure treated potato starch (HPTPS), designated as NPS-MP, 0.2% OPS-MP, 2.0% OPS-MP, HMTPS-MP and HPTPS-MP, respectively were investigated. The results of rheological properties and low fi eld nuclear magnetic resonance (LF-NMR) demonstrated that 0.2% OPS-MP had the highest storage modulus (G’) and the most stable water distribution, followed by NPS-MP, HMTPSMP, 2.0% OPS-MP, and HPTPS-MP. The maximum values of gel strength and water holding capacity were recorded for 0.2%OPS-MP (P < 0.05), while the gel strength and water holding capacity of 2.0% OPS-MP and HPTPS-MP were determined to be relatively lower. The main intermolecular forces within the composite gels were hydrogen bonds and hydrophobic interactions, while disulfide bonds played a minor role. These intermolecular interactions were significantly enhanced with increasing starch content, and hydrogen bonds in 0.2% OPS-MP were significantly higher than in NPS-MP (P < 0.05).Microstructure observation showed that 0.2% OPS-MP were more compact and smooth and had a more uniform gel network structure as compared tothe other composite gels.
Keywords: modified potato starch; myofibrillar protein; gel properties
收稿日期：2019-01-15
基金项目：莆田市科技计划项目（2019NP001）；国家自然科学基金青年科学基金项目（31801462）；莆田学院引进人才科研启动费项目（2019004）；莆田学院大学生创新创业训练计划项目（201911498077）
第一作者简介：周凤超（1981ü）（ORCID: 0000-0001-6359-6970），男，讲师，博士，研究方向为农产品加工及贮藏工程。E-mail: zhoufengchao2005@163.com
DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190115-172
中图分类号：TS251
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2020）04-0086-10
引文格式：周凤超, 林国荣, 汪秀妹, 等. 改性马铃薯淀粉对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响[J]. 食品科学, 2020, 41(4): 86-95.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190115-172. http://www.spkx.net.cn
ZHOU Fengchao, LIN Guorong, WANG Xiumei, et al. Influence of modified potato starch on gelation properties of myofibrillar protein[J]. Food Science, 2020, 41(4): 86-95. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190115-172. http://www.spkx.net.cn