劉書成，郭明慧，鄧倩琳，劉 媛，劉蒙娜，吉宏武，毛偉杰，高 靜

（廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室，廣東省海洋食品工程技術(shù)研發(fā)中心，廣東普通高校水產(chǎn)品深加工重點實驗室，湛江524088）

高密度CO2處理蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度與凝膠強度

劉書成，郭明慧，鄧倩琳，劉 媛，劉蒙娜，吉宏武，毛偉杰，高 靜

（廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室，廣東省海洋食品工程技術(shù)研發(fā)中心，廣東普通高校水產(chǎn)品深加工重點實驗室，湛江524088）

為了探討高密度CO2（dense phase carbon dioxide，DPCD）誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成凝膠的機制，以凡納濱對蝦肌球蛋白為研究對象，研究了DPCD處理壓強、溫度和時間對蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度和對蝦肉糜凝膠強度的影響。研究結(jié)果表明：DPCD處理壓強和溫度對蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界濃度有顯著影響，處理時間對肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界濃度無顯著影響，但增加處理時間，可以形成更加緊實的凝膠。在40 ℃和5～30 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為14 mg/mL，在50 ℃和5、10 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為12 mg/mL，在50 ℃和15～30 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為11 mg/mL，在60 ℃和5～30 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為10 mg/mL。DPCD處理壓強和溫度對蝦肉糜的凝膠強度也具有顯著影響（P＜0.05），且隨著壓強增加和溫度升高，蝦肉糜凝膠強度呈增加趨勢（P＜0.05）；在50 ℃和25 MPa下處理蝦肉糜20 min，形成的凝膠強度較好，達到了（14.28±0.57）N·mm。DPCD處理溫度越高，蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度就越低，而蝦肉糜形成凝膠的強度越高；DPCD處理壓強越高，雖然對蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度影響較小，但能使蝦肌球蛋白和蝦肉糜形成凝膠的強度增加。從分析中還可以推斷，DPCD低壓（5～10 MPa）誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠主要是熱效應(yīng)的作用，DPCD較高壓強（＞10 MPa）誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠是熱和CO2分子效應(yīng)的共同作用。研究結(jié)果為進一步闡明DPCD誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成凝膠的機制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

壓強；蛋白；凝膠化；高密度CO2；臨界濃度；肌球蛋白

劉書成，郭明慧，鄧倩琳，劉 媛，劉蒙娜，吉宏武，毛偉杰，高 靜. 高密度CO2處理蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度與凝膠強度[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(7)：295－301.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.039 http://www.tcsae.org

Liu Shucheng, Guo Minghui, Deng Qianlin, Liu Yuan, Liu Mengna, Ji Hongwu, Mao Weijie, Gao Jing. Least gelation concentration and gel strength of myosin fromLitopenaeus vannameiinduced by dense phase carbon dioxide[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 295－301. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.039 http://www.tcsae.org

0 引 言

肌球蛋白是動物肌肉組織中含量最高的蛋白質(zhì)，它具有較強的凝膠形成能力。肌球蛋白形成凝膠的能力與很多因素密切相關(guān)，如蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度、離子強度、pH值、肌肉類型和品質(zhì)、處理方式、食品添加劑等[1-3]。其中，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度是影響肌球蛋白形成凝膠的一個非常重要的因素。一般來說，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度越高，其形成凝膠的能力越大，其質(zhì)構(gòu)特性也越好。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)質(zhì)量濃度較低時，即使采用高強度的處理條件，蛋白質(zhì)也可能不會形成凝膠；但隨著蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的增加，分子間的距離變小，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部和蛋白質(zhì)分子間的相互作用增強，形成凝膠的能力就大大增強，其凝膠強度也大大增加[1-6]。已有研究表明：在熱誘導(dǎo)肌球蛋白形成凝膠過程中，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度對其凝膠強度和保水性的影響是線性的，其原因可能是高濃度肌球蛋白形成的纖維會相互交織成一個緊密的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[7]。

凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei）是中國對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)量最高的品種，因肉質(zhì)鮮美和營養(yǎng)豐富而深受消費者的喜愛，除了鮮食之外，主要用于冷凍加工，產(chǎn)品形式單一。近年來，對蝦即食調(diào)理食品受到消費者和研究者的關(guān)注，而蝦肉丸和蝦肉腸是蝦類高附加值即食調(diào)理的重要產(chǎn)品之一。目前，蝦肉丸和蝦肉腸的生產(chǎn)已具有機械化的連續(xù)生產(chǎn)線，但是蝦肉蛋白形成凝膠的技術(shù)仍然是采用傳統(tǒng)的熱誘導(dǎo)，而熱處理會損失較多的其色、香、味、功能性及營養(yǎng)等成分。高密度CO2（dense phase carbon dioxide，DPCD）技術(shù)是一種非常有前景的非熱食品加工技術(shù)，最初應(yīng)用于食品的殺菌和鈍酶，但在研究中發(fā)現(xiàn)一定強度的DPCD處理也能使食品的蛋白質(zhì)發(fā)生變性[8-11]，甚至使蛋白質(zhì)形成凝膠[12-16]。本課題組前期研究表明：DPCD能夠誘導(dǎo)凡納濱對蝦肉糜形成凝膠，而且制備凝膠的感官特性、營養(yǎng)特性、微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)特性等都顯著優(yōu)于熱誘導(dǎo)的[16]。為了闡明DPCD誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠的機制，本研究以凡納濱對蝦肌球蛋白為對象，探討DPCD處理壓強、溫度和處理時間對肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度和蝦肉糜凝膠強度的影響，為利用DPCD開發(fā)優(yōu)質(zhì)的肉類凝膠制品奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei），規(guī)格50～60 尾/kg，購于湛江霞山東風(fēng)水產(chǎn)批發(fā)市場，保活運至實驗室。用自來水清洗后，選取完整、大小均一個體，去頭、去殼、去腸腺，待用。膠原蛋白腸衣（直徑20 mm），購于河北保定天泰腸衣食品有限公司。

1.2 試劑與儀器

試劑：Lowry法蛋白質(zhì)含量測定試劑盒購于上海荔達生物科技有限公司；5-三磷酸腺苷二鈉鹽（adenosine triphosphate，ATP）、二硫代蘇糖醇（DL-dithiothreitol，DTT）、牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)購于廣州市齊云生物技術(shù)有限公司；碘鹽，市售；其他化學(xué)試劑均為分析純。CO2氣體純度為99.9 %，購于湛江氧氣廠。

儀器與設(shè)備：HA221-50-10-C型超臨界裝置（南通華安超臨界萃取有限公司），UX2200H電子天平（日本島津儀器有限公司），HH-8數(shù)顯恒溫水浴箱（常州澳華儀器有限公司），PHS-25數(shù)顯pH計（上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠），CR22GⅡ型高速冷凍離心機（日本日立公司），UV-2550型紫外可見分光光度計（島津儀器（蘇州）有限公司），AUY220型分析天平（日本島津儀器有限公司），TMS-Pro型物性分析質(zhì)構(gòu)儀（美國FTC公司）等。

1.3 試驗方法

1.3.1 肌球蛋白的提取

肌球蛋白的提取參考文獻[17]。采用改良Lowery法[18]測定蛋白質(zhì)濃度。

1.3.2 高密度CO2處理

間歇式DPCD處理流程參考文獻[19]。

1.3.3 形成凝膠臨界濃度的測定

形成凝膠臨界濃度的測定參考文獻[20-21]，并稍有改動。將提取的肌球蛋白溶液用緩沖溶液稀釋成不同濃度梯度（1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14 mg/mL），分別取10 mL置于平底小杯中，利用DPCD處理一定時間，取出后放置至室溫，隨后將小杯倒置，觀察杯內(nèi)肌球蛋白溶液的流動情況。具有固定的形態(tài)且不隨小杯的傾斜而流動，則認(rèn)為在該濃度下可形成凝膠。據(jù)此判斷蝦肌球蛋白在不同DPCD處理條件下形成凝膠的臨界濃度（C0）。設(shè)常壓 CO2處理和水浴熱處理作為對照組。

DPCD處理組：首先，考察壓強和溫度對肌球蛋白形成凝膠臨界濃度的影響。依據(jù)前期研究結(jié)果[8]，設(shè)定溫度水平為30、40、50、60 ℃，壓強水平為5、10、15、20、25、30 MPa，處理時間為30 min。其次，考察壓強和時間對肌球蛋白形成凝膠臨界濃度的影響。依據(jù)上一試驗結(jié)果，確定處理溫度為50 ℃，肌球蛋白濃度為14 mg/mL，壓強水平為5、15、25 MPa，處理時間水平為5、10、20、 30 min。采用雙因素等重復(fù)試驗設(shè)計。

常壓CO2處理組：將樣品放置在DPCD處理釜中，密封，打開進出處理釜的閥門，維持1 min，將處理釜中的空氣排出后，關(guān)閉進出處理釜的閥門，使處理釜壓強維持在0.1 MPa。溫度水平為30、40、50、60 ℃，處理時間30 min。

水浴熱處理組：將樣品放置到恒溫水浴中進行處理，溫度水平為30、40、50、60℃，處理時間30 min。

1.3.4 蝦肉糜凝膠的制備

蝦肉糜凝膠制備流程參考文獻[16]。試驗設(shè)常壓CO2處理和水浴熱處理作為對照組。DPCD凝膠化：依據(jù)前面的試驗結(jié)果，設(shè)定溫度水平為40、50、60 ℃，壓強水平為5、10、15、25 MPa，處理時間20 min，采用雙因素等重復(fù)試驗設(shè)計。常壓CO2凝膠化：保持處理釜在0.1 MPa，溫度分別為40、50、60 ℃，處理時間20 min。熱誘導(dǎo)凝膠化：水浴溫度水平為40、50、60 ℃，處理時間20 min。

1.3.5 凝膠強度的測定

凝膠強度測定參考文獻[16]。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

每個試驗測定3次，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。用JMP10.0軟件進行方差分析（ANOVA）和Tukey’s HSD法多重比較以及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓強和溫度對蝦肌球蛋白形成凝膠臨界濃度的影響

從圖1可以看出，對于水浴熱處理組，30和40 ℃都不能使蝦肌球蛋白形成凝膠；而 50和 60 ℃均能使14 mg/mL的蝦肌球蛋白溶液形成凝膠。熱誘導(dǎo)肌球蛋白形成凝膠分兩步：第一步是由于原生態(tài)蛋白質(zhì)受熱發(fā)生變性而使肽鏈展開；第二步是展開的蛋白質(zhì)因聚合作用而形成較大分子的凝膠體[22]。凡納濱對蝦肌球蛋白的變性溫度為42.8 ℃[23]。當(dāng)處理溫度低于42.8 ℃時，肌球蛋白未發(fā)生變性而不能形成凝膠；當(dāng)處理溫度高于 42.8 ℃時，肌球蛋白發(fā)生熱變性展開，再聚合后形成有序三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。黃鴻兵等[24]在低于40 ℃下處理兔骨骼肌肌球蛋白，蛋白質(zhì)變性凝聚程度也較低，而當(dāng)溫度高于40 ℃時，蛋白質(zhì)逐漸變性而聚集，并且隨著溫度的升高聚合程度增加。

對于常壓CO2處理組，30和40 ℃也不能使蝦肌球蛋白形成凝膠；而50 ℃可使13 mg/mL的肌球蛋白溶液形成凝膠，60 ℃可使12 mg/mL肌球蛋白溶液形成凝膠，并且該臨界濃度低于水浴熱處理的。這說明常壓 CO2處理不僅有熱效應(yīng)，而且還可能存在 CO2與蛋白質(zhì)的相互作用。常壓 CO2與蛋白質(zhì)相互作用主要是酸堿相互作用，因為蛋白質(zhì)中含有堿性氨基酸（精氨酸、賴氨酸、組氨酸），而CO2溶于水形成碳酸[25]。

對于DPCD處理組，30 ℃不能使蝦肌球蛋白形成凝膠。這是因為30 ℃低于凡納濱對蝦肌球蛋白的變性溫度42.8 ℃，熱效應(yīng)較弱；雖然在 30 ℃下壓強從 5上升到30 MPa，CO2在水中的溶解度從 24.65增加到35.72 dm3/kg[26]，但是由于CO2溶于水后形成H2CO3，酸性較弱，僅靠 CO2作用難以使蛋白質(zhì)發(fā)生較大程度的變性。40 ℃ DPCD處理能使14 mg/mL蝦肌球蛋白溶液形成凝膠，而40 ℃水浴熱處理不能使蝦肌球蛋白形成凝膠。這是因為在接近于蝦肌球蛋白變性溫度 42.8 ℃附近時，壓強下 CO2的分子效應(yīng)在其變性聚集過程中起了作用。在50 ℃時，5和10 MPa的壓強能使12 mg/mL蝦肌球蛋白溶液形成凝膠，15～30 MPa的壓強能使11 mg/mL蝦肌球蛋白溶液形成凝膠。隨著處理壓強增加，蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度下降。這是因為壓強增加，CO2在水中的溶解度增加，增強了 CO2與肌球蛋白的相互作用。在60 ℃時，5～30 MPa的壓強均能使10 mg/mL蝦肌球蛋白溶液形成凝膠。在相同處理壓強下，從 40升高到60 ℃，蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度從14 mg/mL降低到10 mg/mL。這是因為溫度升高，熱效應(yīng)使肌球蛋白變性加劇而有利于發(fā)生聚集形成凝膠體。

圖1 高密度CO2（DPCD）處理溫度和壓強對肌球蛋白形成凝膠臨界濃度的影響Fig.1 Effect of temperature and pressure of dense phase carbon dioxide (DPCD) on least gelation concentration of myosin

以上分析可知，DPCD在誘導(dǎo)蝦肌球蛋白形成凝膠的過程中既存在溫度效應(yīng)也存在 CO2的分子效應(yīng)，其中溫度對蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度的影響較大，壓強的影響較?。粶囟群蛪簭娭g存在一定的協(xié)同作用。DPCD要誘導(dǎo)蝦肌球蛋白形成凝膠，其處理溫度必須大于40 ℃，處理壓強大于5 MPa即可。陳亞勵[27]用動態(tài)流變學(xué)研究凡納濱對蝦肌球蛋白的凝膠形成能力，發(fā)現(xiàn)DPCD處理壓強為5 MPa時可使肌球蛋白形成彈性較好的凝膠。李玉娜等[13]也發(fā)現(xiàn)在常溫下5 MPa的DPCD處理即可使全蛋液形成凝膠。Floren等[14]發(fā)現(xiàn)6 MPa和40 ℃的DPCD處理即可使蠶絲蛋白形成特性較好的凝膠。Rao等用10 MPa和50或60 ℃的DPCD處理15min制備了羊肉腸凝膠[15]。這與本研究的結(jié)果基本一致。

2.2 壓強和時間對蝦肌球蛋白形成凝膠臨界濃度的影響

從圖2可以看出，當(dāng)蝦肌球蛋白質(zhì)量濃度為14 mg/mL和處理溫度為50 ℃時，水浴熱處理5 min即可形成凝膠。常壓CO2處理需要20 min以上才可以形成凝膠。這是由于在短時間內(nèi)常壓CO2溶于水形成的弱酸具有緩沖作用，對蛋白質(zhì)具有保護作用，使蛋白質(zhì)變性聚集需要更多的處理時間。利用DPCD處理5 min即可形成凝膠，并隨處理壓強增加和時間的延長，形成的凝膠質(zhì)構(gòu)更加緊實（見圖3）。李玉娜等[13]在常溫下用DPCD處理全蛋液，隨著壓強升高和處理時間延長，全蛋液凝膠強度呈增加趨勢，在15 MPa處理25 min時，全蛋液的凝膠強度最大。Thiering等[28]用CO2處理大豆蛋白，處理20 min時蛋白質(zhì)形成了較小的聚集體，當(dāng)處理時間從20增加到60 min時，蛋白質(zhì)顆粒直徑急劇增大，蛋白質(zhì)形成較大的聚集體。這是因為隨著DPCD處理時間的延長，CO2與蛋白質(zhì)的相互作用充分，蛋白質(zhì)變性和聚集加劇，更容易形成致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖2 DPCD處理壓強和時間對肌球蛋白形成凝膠臨界濃度的影響Fig.2 Effects of pressure and time of DPCD on least gelation concentration of myosin

圖3 在50 ℃處理20 min時肌球蛋白形成凝膠的形態(tài)Fig.3 Gel formation of myosin treated at 50 ℃ for 20 min

2.3 DPCD處理對蝦肉糜凝膠強度的影響

從圖4可以看出，對于水浴熱處理和常壓CO2處理，溫度對蝦肉糜凝膠強度均有顯著影響（P＜0.05），60 ℃時凝膠強度最大；相同處理溫度下，水浴熱處理和常壓CO2處理的蝦肉糜凝膠強度之間無顯著差異（P＞0.05），這說明2組處理均為熱誘導(dǎo)形成的凝膠，常壓CO2是不能誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠的。這與圖1中常壓CO2在50和60 ℃分別能誘導(dǎo)13和12 mg/mL蝦肌球蛋白溶液形成凝膠存在矛盾之處，主要是因為圖 1的試驗對象為肌球蛋白溶液，常壓 CO2可以溶于水溶液中與肌球蛋白相互作用，而圖4的試驗對象為蝦肉糜，常壓CO2僅能與表面的蛋白質(zhì)相互作用，難以滲透進入蝦肉糜與內(nèi)部的蛋白質(zhì)相互作用。

圖4 DPCD對蝦肉糜凝膠強度的影響Fig.4 Effect of DPCD on gel strength of shrimp surimi

對于DPCD處理，在相同處理溫度下，隨著DPCD處理壓強增加，蝦肉糜的凝膠強度呈增加的趨勢(P＜0.05)；50 ℃和25 MPa處理的蝦肉糜凝膠強度最大，達到了(14.28±0.57) N·mm。其原因有2個方面：1）隨著壓強升高，CO2在水中的溶解度是增加的[26]。蝦肉糜含有80%左右的水分，壓強升高會使更多的CO2溶解于蝦肉糜中，單位質(zhì)量的蝦肉糜在高壓強下能夠接觸到更多的CO2分子，增強CO2與蝦肉蛋白的相互作用；2）高壓強下 CO2的擴散速度增加，能快速滲入到蝦肉糜中。這兩方面的共同作用使較高壓強 CO2誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠的強度更大。

當(dāng)DPCD處理壓強為5～15 MPa時，蝦肉糜凝膠強度均隨溫度升高而顯著增加（P＜0.05）。從理論上分析，在固定壓強下，隨著溫度升高，CO2在水中的溶解度是下降的；在固定的溫度變化范圍內(nèi)，隨著壓強升高，CO2在水中溶解度的減量是顯著減小的[26]。因此，溫度升高引起的 CO2在水中溶解度的下降不足以減弱 CO2與肌球蛋白的相互作用，造成凝膠強度的下降，相反溫度升高產(chǎn)生的熱效應(yīng)具有增強凝膠強度的作用。當(dāng)處理壓強為25 MPa時，從40升高到50 ℃，蝦肉糜凝膠強度是顯著增加的（P＜0.05），而從50升高到60 ℃，蝦肉糜凝膠強度反而下降（P＜0.05）。25 MPa下從40 ℃升高到60 ℃，CO2在水中溶解度的變化較小。因此，從 40到 50 ℃蝦肉糜凝膠強度顯著增加主要是熱效應(yīng)引起的，而從 50到 60 ℃蝦肉糜凝膠強度下降可能是因為蝦肉糜中存在一種堿性蛋白酶（最適溫度為60 ℃）降解了蝦肉糜凝膠，出現(xiàn)凝膠劣化現(xiàn)象[29]。雖然DPCD具有鈍酶作用，但是 DPCD對該堿性蛋白酶的影響還有待進一步研究。

不同處理誘導(dǎo)蝦肉糜形成的凝膠外觀見圖5。從圖5可以看出，在40 ℃處理20 min，水浴熱處理和常壓CO2處理的蝦肉糜凝膠成型較差，而DPCD處理的蝦肉糜凝膠成型較好；在50和60 ℃處理20 min，所有處理的蝦肉糜凝膠成型均較好，但是DPCD處理的色澤比水浴熱處理和常壓 CO2處理的更加鮮亮，這與本課題組前期的研究結(jié)果一致[30]。

圖5 在40、50、60 ℃下處理20 min蝦肉糜形成凝膠的形態(tài)Fig.5 Gel formation of shrimp surimi treated for 20 min at 40, 50, 60 ℃

由以上分析可以推斷，DPCD低壓（5～10 MPa）誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠可能主要是熱效應(yīng)的作用，而 CO2的誘導(dǎo)作用較弱；DPCD較高壓強（＞10 MPa）誘導(dǎo)蝦肉糜形成凝膠可能是由熱效應(yīng)和CO2的分子效應(yīng)共同作用。

2.4 DPCD處理蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度與蝦肉糜凝膠強度的關(guān)系

從表1可以看出，在相同DPCD處理壓強下，溫度越高，蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度就越低，而蝦肉糜形成凝膠的強度越高；在40和60 ℃下，隨著DPCD處理壓強的升高，雖然蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度無變化，但是蝦肉糜的凝膠強度呈增加趨勢，這也與2.1中的結(jié)果相一致，即隨處理壓強升高，蝦肌球蛋白會形成更加緊實的凝膠；在50 ℃下，DPCD處理壓強從10升高到15 MPa，蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度從12降到11 mg/mL，這可能是因為50 ℃與蝦肌球蛋白的變性溫度（42.8 ℃）[23]比較接近，此時壓強在 DPCD誘導(dǎo)蝦肌球蛋白形成凝膠的過程中起了關(guān)鍵作用。

表1 DPCD處理條件下蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度與蝦肉糜凝膠強度的關(guān)系Table1 Relation of least gelation concentration of shrimp myosin and shrimp surimi gel strength under DPCD treatment conditions

3 結(jié) 論

以凡納濱對蝦肌球蛋白為研究對象，探討了 DPCD處理壓強、溫度和時間對蝦肌球蛋白形成凝膠臨界濃度和蝦肉糜凝膠強度的影響，結(jié)論如下：

1）高密度CO2（dense phase carbon dioxide, DPCD）處理壓強和溫度對蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界濃度都有顯著影響，處理時間對蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界濃度無影響，但增加處理時間，可以形成更加緊實的凝膠。對于 DPCD處理，在 40 ℃和壓強大于 5 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界濃度為14 mg/mL，在50 ℃和5、10 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為12 mg/mL，在50 ℃和15～30 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為11 mg/mL，在60 ℃和5～30 MPa時蝦肌球蛋白溶液形成凝膠的臨界質(zhì)量濃度為10 mg/mL。

2）DPCD處理壓強和溫度對蝦肉糜的凝膠強度具有顯著的影響（P＜0.05），且隨著壓強增加和溫度升高，蝦肉糜凝膠強度呈增加趨勢（P＜0.05）；在50 ℃和25 MPa下處理蝦肉糜 20 min，形成的凝膠強度較好，達到了(14.28±0.57)N·mm；DPCD誘導(dǎo)的蝦肉糜凝膠外觀優(yōu)于熱誘導(dǎo)的。

3）DPCD處理溫度越高，蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度就越低，而蝦肉糜形成凝膠的強度越高；DPCD處理壓強越高，對蝦肌球蛋白形成凝膠的臨界濃度影響較小，但能使蝦肌球蛋白和蝦肉糜形成凝膠的強度增加。

研究結(jié)果為進一步闡明DPCD誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成凝膠的機制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1] 徐幸蓮，周光宏，黃鴻兵，等. 蛋白質(zhì)濃度、pH值、離子強度對兔骨骼肌肌球蛋白熱凝膠特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2004，20(3)：159－163. Xu Xinglian, Zhou Guanghong, Huang Hongbing, et al. Effects of protein concentration, pH value and ionic strength on heat-induced gel properties of myosin from rabbit skeletal muscle[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Science, 2004, 20(3): 159－163. (in Chinese with English abstract)

[2] 劉海梅. 鰱魚糜凝膠及形成機理的研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007. Liu Haimei. Studies on Silver Carp Surimi Gel and Gel Forming Mechanism[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[3] 韓敏義. 兔骨骼肌肌球蛋白濁度、溶解度及熱誘導(dǎo)凝膠強度研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003. Han Minyi. Study on Turbidity, Solubility and Heat Induced Gelation Strength of Rabbit Skeletal Muscle[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2003. (in Chinese with English abstract)

[4] 白云，鐘國良，周光宏，等. 蛋白濃度對兔腰大肌肌球蛋白熱凝膠特性的影響[J]. 食品科學(xué)，2009，30(21)：83－86. Bai Yun, Zhong Guoliang, Zhou Guanghong, et al. Effect of protein concentration on heat-induced gel properties of myosin from rabbit psoas major muscles[J]. Food Science, 2009, 30(21): 83－86. (in Chinese with English abstract)

[5] Famelart M H, Chapron L, Piot M, et al. High pressure-induced gel formation of milk and whey concentrates[J]. Journal of Food Engineering, 1998, 36(2): 149－164.

[6] Camp J V, Huyghebaert A. High pressure-induced gel formation of a whey protein and haemoglobin protein concentrate[J]. LWT-Food Science and Technology, 1995, 28(1): 111－117.

[7] Ishioroshi M, Samejima K, Yasui T. Heat-induced gelation of myosin filaments at a low salt concentration[J]. Agricultural & Biological Chemistry, 2014, 47(12): 2809－2816.

[8] 閆文杰，崔建云，戴瑞彤，等. 高密度二氧化碳處理對冷卻豬肉品質(zhì)及理化性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(7)：346－350. Yan Wenjie, Cui Jianyun, Dai Ruitong, et al. Effects of dense phase carbon dioxide on quality and physical-chemical properties of chilled pork[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 346－350. (in Chinese with English abstract)

[9] Xu D, Yuan F, Jiang J, et al. Structural and conformational modification of whey proteins induced by supercritical carbon dioxide[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2011, 12(1): 32－37.

[10] Yan W, Xu B, Jia F, et al. The Effect of high-pressure carbon dioxide on the skeletal muscle myoglobin[J/OL]. Food and Bioprocess Technology, 2016, doi:10.1007/s11947-016-1747-5.

[11] Zhao F, Zhou L, Wang Y, et al. Role of peach proteins in juice precipitation induced by high pressure CO2[J]. Food Chemistry, 2016, 209(1): 81－89.

[12] 曲亞琳，張德權(quán)，饒偉麗，等. 高密度CO2對羊肉糜凝膠特性的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2010，24(6)：1226－1231. Qu Yalin, Zhang Dequan, Rao Weili, et al. Influence of dense phase CO2on gel properties of minced mutton[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2010, 24(6): 1226－1231. (in Chinese with English abstract)

[13] 李玉娜，遲玉杰，孫強. 高密度CO2對全蛋液功能性質(zhì)的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2012，38(8)：88－92. Li Yuna, Chi Yujie, Sun Qiang. Effects of dense carbon dioxide on functional properties of liquid whole eggs[J]. Food and Fermentation Industries, 2012, 38(8): 88－92. (in Chinese with English abstract)

[14] Floren M L, Spilimbergo S, Motta A, et al. Carbon dioxide induced silk protein gelation for biomedical applications[J]. Biomacromolecules, 2012, 13(7): 2060－2072.

[15] Rao W, Li X, Wang Z, et al. Dense phase carbon dioxide combined with mild heating induced myosin denaturation, texture improvement and gel properties of sausage[J/OL]. Journal of Food Process Engineering. 2016, doi: 10.1111/ jfpe.12404.

[16] 屈小娟，劉書成，吉宏武，等. 高密度CO2誘導(dǎo)制備蝦糜凝膠的特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(20)：282－287. Qu Xiaojuan, Liu Shucheng, Ji Hongwu, et al. Gel properties of shrimp surimi induced by dense phase carbon dioxide[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 282－287. (in Chinese with English abstract)

[17] Hwang G C, Watabe S, Hashimoto K. Changes in carp myosin ATPase induced by temperature acclimation[J]. Journal of Comparative Physiology B, 1990, 160(3): 233－239.

[18] Lowry O H, Rosebrough N J, Farr A L, et al. Protein measurement with the Folin phenol reagent[J]. Journal of Biological Chemistry, 1951, 193(1): 265－275.

[19] 張良，劉書成，章超樺，等. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化牡蠣的高密度CO2殺菌工藝[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(12)：369－373. Zhang Liang, Liu Shucheng, Zhang Chaohua, et al. Optimization of oyster-associated bacteria inactivation by dense phase carbon dioxide based on artificial neural network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 369－373. (in Chinese with English abstract)

[20] Coffmann C W, García V V. Functional properties and amino acid content of a protein isolate from mung bean flour[J]. Journal of Food Technology, 1977, 12: 473－484.

[21] Peyrano F, Speroni F, Avanza M V. Physicochemical and functional properties of cowpea protein isolates treated with temperature or high hydrostatic pressure[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 33(1): 38－46.

[22] Ferry J D. Protein gels[J]. Advances in Protein Chemistry, 1948, 4: 1－78.

[23] 藍尉冰. 凡納濱對蝦肌肉蛋白組成及其肉糜特性研究[D].湛江：廣東海洋大學(xué)，2012. Lan Weibing. Study on the Muscle Protein Composition ofLitopenaeus vannameiand Its Meat Surimi Properties[D]. Zhanjiang: Guangdong Ocean University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[24] 黃鴻兵，徐幸蓮，周光宏. 兔骨骼肌肌球蛋白分子形成凝膠過程的負染觀察[J]. 食品科學(xué)，2004，25(7)：47－51. Huang Hongbin, Xu Xinglian, Zhou Guanghong. Observation of gel formation from rabbit striated muscle myosin molecules[J]. Food Science, 2004, 25(7): 47－51. (in Chinese with English abstract)

[25] Cundari T R, Wilson A K, Drummond M L, et al. CO2-formatics: How do proteins bind carbon dioxide[J]. Journal of Chemical Information & Modeling, 2009, 49(9): 2111－2115.

[26] IUPAC-NIST Solubility Data Series[EB/OL]. http:// http://srdata.nist.gov/solubility/index.aspx.

[27] 陳亞勵. 高密度CO2對凡納濱對蝦肌球蛋白物理特性的影響[D]. 湛江：廣東海洋大學(xué)，2015. Chen Yali. Effects of Dense Phase Carbon Dioxide on the Physical Properties of Myosin FromLitopenaeus vannamei[D]. Zhanjiang: Guangdong Ocean University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[28] Thiering R, Hofland G, Foster N, et al. Carbon dioxide induced soybean protein precipitation: protein fractionation, particle aggregation, and continuous operation[J]. Biotechnology Progress, 2001, 17(3): 513－521.

[29] Eakpetch P, Benjakul S, Visessanguan W, et al. Autolysis of pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei) meat: Characterization and the effects of protein additives[J]. Journal of Food Science, 2008, 73(2): 95－103.

[30] 屈小娟. 高密度CO2對凡納濱對蝦肌肉品質(zhì)和蛋白質(zhì)特性的影響[D]. 湛江：廣東海洋大學(xué)，2013. Qu Xiaojuan. Effects of Dense Phase Carbon Dioxide on Muscle Quanlties and Protein Characteristics ofLitopenaens vannamei[D]. Zhanjiang: Guangdong Ocean University, 2013. (in Chinese with English abstract)

Least gelation concentration and gel strength of myosin fromLitopenaeus vannameiinduced by dense phase carbon dioxide

Liu Shucheng, Guo Minghui, Deng Qianlin, Liu Yuan, Liu Mengna, Ji Hongwu, Mao Weijie, Gao Jing
(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Key Laboratory of Aquatic Products Processing and Safety,Guangdong Provincial Seafood Engineering Technology Research Center,Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang524088,China)

Dense phase carbon dioxide (DPCD), also known as high pressure carbon dioxide (HPCD), is a promising non-thermal food processing technology. DPCD was originally applied to inactivate microorganisms and enzymes in food. However, many researchers found that DPCD could induce some proteins associated with microorganism metabolism inactivation and the change of the secondary structure of enzyme protein when the food was treated by DPCD. Meanwhile, they also found that DPCD could induce some food protein inactivation. DPCD could not only improve the functional properties of protein but also induce protein to form gel. Our previous study results showed that DPCD could induce shrimp surimi to form gel and the microstructure and texture of gel were better than those induced by heat. Myosin is the key protein of forming gel for animal meat. Protein concentration is an important factor affecting myosin to form gel. Generally, the higher the protein concentration, the greater the ability of forming gel, and the better the texture of gel was. In order to clarify the mechanism of shrimp surimi forming gel induced by DPCD, we used myosin fromLitopenaeus vannameias the subject and researched the effects of DPCD treatment pressure, temperature and time on the least gelation concentration of myosin forming gel and gel strength of shrimp surimi. Firstly, myosin was extracted using the method of reference and the myosin solution with the concentration of 1-14 mg/mL was treated by DPCD, and the least gelation concentration of myosin forming gel was determined. Secondly, shrimp surimi gel was prepared by DPCD and the gel strength was determined using a TMS-PRO texture instrument. The study results were showed as follows: Treatment pressure and temperature of DPCD had a significant effect on the least gelation concentration of myosin forming gel. Though treatment time of DPCD had no significant effect on the least gelation concentration, myosin could form the firm gel by extending treatment time. The least gelation concentration of myosin forming gel was 14 mg/mL at 40 ℃ under the pressure of 5-30 MPa, 12 mg/mL at 50 ℃ under 5-10 MPa, 11 mg/mL at 50 ℃ under 15-30 MPa, and 10 mg/mL at 60 ℃ under 5-30 MPa. Treatment pressure and temperature of DPCD had a significant effect on gel strength of shrimp surimi (P＜0.05), and gel strength of shrimp surimi increased with the treatment pressure and temperature increasing (P＜0.05). The gel strength of shrimp surimi induced by DPCD was (14.28±0.57) N·mm at 50 ℃ under 25 MPa for 20 min. The higher the temperature of DPCD treatment, the lower the least gelation concentration of myosin was, and the higher the shrimp surimi gel strength was. The pressure of DPCD treatment had a little effect on the least gelation concentration of myosin, but the higher pressure could increase the gel strength of myosin and shrimp surimi. When DPCD induced the shrimp surimi to form gel at the lower pressure of 5-10 MPa, the heating effect was main and the molecular effect of carbon dioxide was weak. However, when DPCD induced the shrimp surimi to form gel at the higher pressure of above 10 MPa, the heating effect and the molecular effect of carbon dioxide were cooperative. The results will provide the basic data for clarifying the mechanism of forming gel induced by DPCD.

pressure; proteins; gelation; dense phase carbon dioxide; least gelation concentration; myosin

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.039

TS254.4

A

1002-6819(2017)-07-0295-07

2016-07-12

2017-04-09

國家自然科學(xué)基金項目(31371801)；廣東省科技計劃項目(2015A020209158)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項基金(CARS-47)。

劉書成，男，博士，教授，研究方向為水產(chǎn)品非熱加工技術(shù)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用。湛江 廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，524088。

Email：Lsc771017@163.com