莊昕波，陳銀基，周光宏

改性甘蔗膳食纖維對豬肉肌原纖維蛋白凝膠特性的影響

莊昕波1，陳銀基1，周光宏2

1南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，南京 210095

【】探究肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)—膳食纖維-肌原纖維蛋白的填充結(jié)構(gòu)—復(fù)合凝膠斷裂應(yīng)力應(yīng)變?nèi)咧g的相互關(guān)系，闡釋改性甘蔗膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠特性的作用機制，為甘蔗膳食纖維作為脂肪替代物在低脂營養(yǎng)香腸中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。本試驗利用堿性過氧化氫法對甘蔗膳食纖維進行改善，以添加不同比例和粒徑的膳食纖維——肌原纖維蛋白為模擬體系，其中未添加甘蔗膳食纖維的試驗組為對照組；添加1.0%、2.0%和3.0%的50目甘蔗膳食纖維的試驗組分別命名T150、T250和T350；添加1.0%、2.0%和3.0%的100目甘蔗膳食纖維的試驗組分別命名T100、T200和T300。利用流變儀測定模擬體系的動態(tài)流變特性，利用質(zhì)構(gòu)儀測定復(fù)合蛋白的凝膠離心損失和斷裂形變時應(yīng)力應(yīng)變，利用掃描電鏡和圖像分別分析肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)的分維維度和缺項值，通過石蠟切片觀察膳食纖維在肌原纖維蛋白凝膠基質(zhì)中的空間分布。復(fù)合蛋白凝膠的離心損失隨著膳食纖維添加比例和粒徑增大而顯著降低。復(fù)合蛋白凝膠的儲能模量（G'）隨著膳食纖維添加比例和粒徑增大而顯著提高。復(fù)合蛋白凝膠斷裂形變時的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果顯示，膳食纖維提高了復(fù)合凝膠斷裂形變時的應(yīng)力，而降低了應(yīng)變。石蠟切片顯示膳食纖維和肌原纖維蛋白屬于熱力不相溶體系，兩者之間沒有發(fā)生離子或共價交聯(lián)，膳食纖維只是以簡單的物理填充形式鑲嵌在肌原纖維蛋白凝膠基質(zhì)中，并形成大量大小和形狀各異的空洞。掃描電鏡顯示未變性對照組的肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中布滿了相互交錯的水溝壑，這些溝壑的存在嚴(yán)重阻礙蛋白疏水基團之間的交聯(lián)，進而導(dǎo)致肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較疏松；膳食纖維能夠減少蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中相互交錯的水溝壑，肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密均一。圖像處理軟件分析結(jié)果顯示，添加3.0% 50目甘蔗膳食纖維的肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分維維度（1.8670）最高（＜0.05），而缺項值（0.19）最低（＜0.05）。甘蔗膳食纖維-肌原纖維蛋白復(fù)合凝膠體系是以熱誘導(dǎo)凝膠蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為骨架結(jié)構(gòu)，以甘蔗膳食纖維作為填充相、蛋白基質(zhì)為連續(xù)相形成的填充復(fù)合物。從骨架結(jié)構(gòu)角度，甘蔗膳食纖維的物化特性顯示其粒徑大小與持水力成正比，添加3% 50目甘蔗膳食纖維能夠完全消除蛋白基質(zhì)中的水壑并促進蛋白交聯(lián)從而形成致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有最高斷裂形變時的應(yīng)力。從填充結(jié)構(gòu)角度看，50目甘蔗膳食纖維的體積巨大，在蛋白基質(zhì)中會形成體積較大的空穴，其非彈性屬性導(dǎo)致復(fù)合蛋白凝膠斷裂形變時的應(yīng)變顯著降低。因此，添加100目甘蔗膳食纖維作為脂肪替代物能夠顯著提高復(fù)合蛋白凝膠的斷裂應(yīng)力，同時極大限度的保持復(fù)合蛋白凝膠的彈性。

肌原纖維蛋白；甘蔗膳食纖維；凝膠特性；微觀結(jié)構(gòu)；質(zhì)構(gòu)

0 引言

【研究意義】香腸是一種典型的肉糜制品，由瘦肉和脂肪經(jīng)斬拌灌腸后蒸煮而成。香腸配方中含有高達(dá)30%的動物脂肪[1]。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，過量動物脂肪攝入會增加肥胖、心血管疾病、高血壓、冠心病等一系列“富貴病”的發(fā)生幾率[2-4]。因此，為了迎合消費者綠色健康的飲食需求，開發(fā)科學(xué)組配、健康營養(yǎng)的低脂香腸是目前肉制品加工行業(yè)發(fā)展的新趨勢，這對保障居民的身體健康具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】香腸中的脂肪具有重要的加工特性，表現(xiàn)為以共聚物的形式填充在蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)中以提高凝膠強度、增強香腸的多汁性以及生成芳香類物質(zhì)[5-7]。因此，直接降低脂肪含量或單純用水替代脂肪都會導(dǎo)致香腸食用品質(zhì)急劇下降，難以被消費者接受。利用不溶性膳食纖維替代脂肪開發(fā)低脂香腸是當(dāng)前加工肉制品行業(yè)的研究熱點。從營養(yǎng)角度，膳食纖維被譽為“第七大營養(yǎng)素”，能夠改善腸道益生菌群和預(yù)防結(jié)腸癌[5]。世界衛(wèi)生組織建議膳食纖維每日攝入量應(yīng)達(dá)到25 g[3,5]。從加工特性角度，添加不溶性膳食纖維有利于改善低脂香腸的質(zhì)構(gòu)和降低香腸的蒸煮損失。相關(guān)研究顯示，在魚糜凝膠中添加不溶性膳食纖維可以有效提高產(chǎn)品的品質(zhì)特性，例如凝膠強度和持水性[8]。此外，豆殼膳食纖維作為脂肪替代物能夠有效降低低脂豬肉餡餅中的膽固醇含量，同時，處理組中水分含量和碳水化合物含量顯著提高。添加豆殼膳食纖維處理組相比對照組，其質(zhì)構(gòu)和蒸煮損失都顯著降低；同時，色澤、嫩度、多汁性、餡餅風(fēng)味和顧客接受程度并沒有發(fā)生顯著變化[9]。【本研究切入點】當(dāng)前肉制品行業(yè)的研究重點在于探究不同植物源不溶性膳食纖維對低脂香腸品質(zhì)的改善效果[9-12]。而不溶性膳食纖維對低脂香腸凝膠特性的影響機制還鮮有研究。目前，關(guān)于多糖改善肌原纖維蛋白凝膠特性的機制主要是膨脹效應(yīng)（淀粉類）和填充效應(yīng)（凝膠性多糖）[13-15]。不溶性膳食纖維具有穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，既不能像淀粉一樣通過糊化膨脹效應(yīng)改善凝膠強度，也不能像魔芋膠一樣通過水合作用形成凝膠填充在肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高凝膠強度[13-15]。因此，不溶性膳食纖維如何影響肌原纖維蛋白凝膠特性值得深入研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗以改性甘蔗膳食纖維-肌原纖維蛋白為模擬體系，利用石蠟切片和掃描電鏡分別觀察膳食纖維-蛋白的空間分布和凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；利用質(zhì)構(gòu)儀研究復(fù)合凝膠斷裂形變時的應(yīng)力應(yīng)變。進而根據(jù)以上指標(biāo)分析改性甘蔗膳食纖維作為脂肪替代物的可行性；建立肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)—膳食纖維-蛋白空間分布—復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)三者之間的相互關(guān)系，闡釋不溶性膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠特性的影響機制。

1 材料與方法

試驗于2019年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家肉品質(zhì)量與安全控制中心實驗室進行。

1.1 試驗材料

豬肉購于蘇果超市；甘蔗渣取自于南京苜蓿園農(nóng)貿(mào)市場；過氧化氫、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、EGTA、碳酸一氫鈉、碳酸二氫鈉、氯化鎂、戊二醛，購于西格瑪試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-90338S-Ⅲ烘箱，中國上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司；pH計，瑞士METTLER公司；HK-10B粉碎機，中國廣州市旭朗機械設(shè)備有限公司；T25DS25I KA均質(zhì)機，德國IKA有限公司；IKA磁力攪拌器，德國IKA有限公司；Avanti JXN-30高速冷凍離心機，美國Beckman公司；CM-700d色差計，日本美能達(dá)公司；TW20水浴鍋，德國Julabo公司；MCR301流變儀，奧地利Anon Paar公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro systems公司；Axio Lab. A1正置熒光顯微鏡，德國Olympus Optical公司；MM-12絞肉機，中國豐偉機械有限公司；CM1950切片機，德國徠卡公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 甘蔗膳食纖維的制備 參照SANGNARK等[16]的方法制備甘蔗膳食纖維。將取自南京苜蓿園農(nóng)貿(mào)市場的甘蔗渣處理成0.5 cm左右的小長條，用自來水洗凈3遍去除殘留的糖分。將50 g的甘蔗渣放置在5 000 mL 1%過氧化氫溶液（pH 11.5）中攪拌12 h后，用6 mol?L-1的HCl中和并過濾，用清水洗滌2遍去除酸堿中和產(chǎn)生的鹽分。將以上過程重復(fù)2次。甘蔗膳食纖維放置在50℃的烘箱中烘干直至重量恒定。將烘干的改性甘蔗膳食纖維放置在粉碎機中進行超微粉碎并篩分，過100目篩的標(biāo)記為100目，剩余通過50目的標(biāo)記為50目，篩分后改性甘蔗膳食纖維用塑料袋進行封裝保存。在對比物化特性的差異時，試驗所用的改性甘蔗膳食纖維和未改善性膳食纖維的粒徑同為100目。

1.3.1.1 膳食纖維成分分析 根據(jù)SANGNARK等[16]的方法分析甘蔗粗纖維和甘蔗膳食纖維中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的組分。

1.3.1.2 色差的測定方法 使用CR-40色差計對壓平的甘蔗渣和甘蔗膳食纖維進行測定，標(biāo)準(zhǔn)白色比色板為L*=96.86，a*=-0.15，b*=1.87。每個樣品測定5次。其中L*代表亮度值，a*代表紅度值，b*代表黃度值。

1.3.1.3 持水力和持油力 參照SANGNARK等[16]的方法測定甘蔗膳食纖維的持水力和持油力。將3 g干燥樣品與過量的去離子水充分?jǐn)嚢杌旌喜㈧o置2 h后，用細(xì)絲篩過濾多余的水分，并稱重。樣品的持水力定義為甘蔗膳食纖維吸水后與吸水前重量之比。將5 g干燥的樣品與過量的大豆油充分混合并放置在室溫條件下靜置2 h，然后將樣品離心（1 500×，10 min）后，用尼龍膜過濾多余的大豆油稱重。持油力定義為甘蔗膳食纖維吸油后與吸油前重量之比。

1.3.2 肌原纖維蛋白的提取和復(fù)合體系的制備 剔除豬后腿肉中的結(jié)締組織和脂肪，用絞肉機將其絞碎（0.6 mm孔板），封裝于雙層真空包裝袋（PE/尼龍），每袋500 g，儲存于-20℃。提取前取出豬后腿肉并放置于0—4℃冷庫中解凍至中心溫度為0℃。參照HAN等[17]的方法提取肌原纖維蛋白，并稍作改動。具體操作步驟如下：將50 g斬拌后的肉糜和四倍體積的磷酸緩沖溶液（10 mmol?L-1NaH2PO4/Na2HPO4，0.1 mmol?L-1NaCl，2 mmol?L-1MgCl2，1 mmol?L-1EGTA，pH 7.0，4℃）混合勻漿（6 000 r/min，30 s）。將勻漿后混合溶液用雙層紗布進行過濾后離心（3 000×，15 min，4℃）取沉淀，重復(fù)上述過程兩遍，最終沉淀物即為純肌原纖維蛋白。參照HAN等[17]的方法用雙縮脲法測定純肌原纖維蛋白濃度，雙縮脲標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程的決定系數(shù)2=0.98。將甘蔗膳食纖維干粉添加到蛋白濃度為50 mg?mL-1的肌原纖維蛋白溶液（0.6 mol?L-1NaCl，pH 7.0）中。根據(jù)肌原纖維蛋白溶液質(zhì)量，甘蔗膳食纖維（50目和100目）添加量分別為1.0%、2.0%和3.0%。其中未添加甘蔗膳食纖維的試驗組為對照組；添加1.0%、2.0%和3.0%的50目甘蔗膳食纖維的試驗組分別命名T150、T250和T350；添加1.0%、2.0%和3.0%的100目甘蔗膳食纖維的試驗組分別命名T100、T200和T300。用玻璃棒攪拌混合體系3 min，以確保甘蔗膳食纖維在肌原纖維蛋白溶液體系中的均勻分布。將部分樣品放入80℃的水浴鍋中煮制20 min后，置于冷庫中冷卻至4℃，另一部分樣品用于動態(tài)流變測定。

1.3.3 動態(tài)流變測定 參照J(rèn)IANG等[14]的方法使用MCR301型流變儀測定蛋白-甘蔗膳食纖維溶液體系動態(tài)流變特性。樣品均勻涂抹于50 mm不銹鋼圓形平板探頭之間，間隙為1 mm。根據(jù)樣品的應(yīng)力掃描和振蕩掃描測定的樣品線性粘彈區(qū)間，以設(shè)定剪切應(yīng)力為5 Pa，振蕩頻率為0.1 Hz。測試程序：樣品溫度保持在20℃，靜置5 min后，從20℃升溫至80℃，加熱速度為2℃?min-1。在加熱過程中，在恒定的應(yīng)力和掃描頻率下對樣品進行持續(xù)剪切，每個樣品測量5次。

1.3.4 復(fù)合凝膠的形變特性 參照WU等[13]的方法測定復(fù)合凝膠的形變特性。將復(fù)合凝膠切割成直徑2 cm、高度2 cm的圓柱。使用質(zhì)構(gòu)儀測定樣品復(fù)合凝膠的形變特性，具體參數(shù)如下：下降速度2.0 mm?s-1，測試速度1.0 mm?s-1，質(zhì)構(gòu)探頭為P50型號，壓縮比為90%。其中，復(fù)合凝膠斷裂形變時的應(yīng)變計算公式為：

式中，H0：樣品的初始高度，H：樣品發(fā)生斷裂形變時的壓縮高度；其中的復(fù)合凝膠斷裂形變時的應(yīng)力計算公式為：

式中，F(xiàn)：壓縮過程中所測得的力的大小，A：樣品接觸探頭的表面積。

1.3.5 離心損失 參照ZHUANG等[11]的方法測定復(fù)合蛋白凝膠的離心損失。取8 g凝膠樣品置于10 mL的塑料離心管中，上方塞入吸水紙用于吸水。之后對樣品離心（10 000×，4℃）10 min。持水力即為凝膠樣品離心后的重量占離心前重量的百分比。每個樣品測定5次。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)觀察 將凝膠樣品切割成側(cè)面積為1 cm2大小的長方體，并用4%的多聚甲醛進行結(jié)構(gòu)固定。將樣品從固定液取出，進行切片和染色后，用正置熒光顯微鏡放大1 000倍觀察切片的微觀結(jié)構(gòu)。每個樣品取5個不同的觀察視野。

將凝膠樣品切割成側(cè)面1 cm2大小的長方體，并用2.5%的戊二醛磷酸緩沖溶液固定24 h。固定后用磷酸緩沖溶液對樣品進行多次漂洗，用不同濃度酒精對樣品脫水。脫水干燥后的樣品粘于金屬臺上進行噴金鍍膜。用S-3000N掃描電鏡進行放大2 000倍觀察，加速電壓為20 kV。每個樣品分別觀察5個視野。參照Han等[17]的方法對掃描電鏡圖片進行二維化處理。將掃描電鏡圖像導(dǎo)入ImageJ v1.47后，利用其Fraclac 2.5 v插件對其進行處理分析。首先，在圖像的像素調(diào)整到640×432后，對其進行二維化處理。分維分析反映的是不規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)占有空間的有效性。盒計數(shù)法為在圖像上定義幾個尺寸縮小的網(wǎng)格，并計算每個網(wǎng)格中包含蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的像素數(shù)量[18]。分形維數(shù)基于下列方程計算得出：

D=-logN/log（3）

式中，N：不同尺寸網(wǎng)格中所包含的像素數(shù)量，：網(wǎng)格的大小尺寸，D：凝膠蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分維維度。缺項分析是反映凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中水孔隙的均勻程度[19]。缺項分析定義為在圖像中定義N個數(shù)量相同大小的網(wǎng)格，計算這些網(wǎng)格中代表水相形成水孔隙目標(biāo)像素的變異系數(shù)。缺項分析基于下列方程計算得出：

式中，Λ：目標(biāo)像素的缺項，：所有大小網(wǎng)格內(nèi)目標(biāo)像素數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)差，：所有大小網(wǎng)格內(nèi)目標(biāo)像素數(shù)量的平均值。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析 試驗設(shè)計采用完全隨機區(qū)組的方法，所有處理重復(fù)3次。所有數(shù)據(jù)用SAS 9.0統(tǒng)計軟件進行分析，采用單因素方差分析，比較方法采用Duncan多重比較分析，顯著差異性為＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 堿性過氧化氫處理對膳食纖維物化特性的影響

圖1顯示為甘蔗膳食纖維經(jīng)過堿性過氧化氫處理前后的對比圖。堿性過氧化氫處理使甘蔗膳食纖維亮度值提高近35%（＜0.05），顯著降低其紅度值和黃度值。此外，堿性過氧化氫法還可顯著提高甘蔗膳食纖維的持水力和持油力（＜0.05）。堿性過氧化氫處理能夠松散纖維結(jié)構(gòu)，使更多的親水基團和疏水基團暴露，使其持水力和持油力顯著提高[16]。表1顯示堿性過氧化氫處理對甘蔗膳食纖維組分的改變：纖維素含量從45.24%顯著增加到54.34%，而木質(zhì)素的含量從18.20%顯著減少到8.84%，表明堿性過氧化氫處理能夠降解木質(zhì)素，從而提高甘蔗膳食纖維中纖維素和半纖維素的比例[16]。

A：處理前 Before treatment；B：處理后 After treatment

表1 改性前后甘蔗膳食纖維的物化特性

不同小寫表示不同處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant difference (＜0.05). The same as below

2.2 離心損失

香腸體系中水分含量高達(dá)50%，其主要通過毛細(xì)管作用力被束縛于肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。離心損失能夠直接反映肌原纖維蛋白的凝膠程度以及其對體系中水分的束縛能力[20-21]。如表2所示，添加甘蔗膳食纖維能夠顯著降低復(fù)合凝膠體系的離心損失，且隨著添加比例提高，離心損失顯著下降，說明添加膳食纖維能夠促進熱誘導(dǎo)凝膠過程中肌原纖維蛋白之間的相互交聯(lián)，使最終的凝膠結(jié)構(gòu)對水分的束縛能力顯著提高。相同添加比例條件下，甘蔗膳食纖維粒徑越大，復(fù)合凝膠的離心損失越小。但是在甘蔗膳食纖維添加比例為3%時，粒徑越小的處理組（T300）離心損失最低（3.45%）。在研究小麥膳食纖維對魚糜的凝膠強度時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膳食纖維添加比例為8%時，魚糜的凝膠強度最大[22]。離心損失反映的是肌原纖維蛋白凝膠結(jié)構(gòu)對水分的束縛能力，間接說明甘蔗膳食纖維能夠促進肌原纖維蛋白交聯(lián)形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是在T350組和T300的離心損失無顯著差異，這可能達(dá)到了添加極限，類似文獻(xiàn)報道魚糜的小麥膳食纖維添加比例極限為8%[22]。

2.3 復(fù)合凝膠的形變特性

將質(zhì)構(gòu)儀所測定的試驗結(jié)果通過公式模型轉(zhuǎn)化成復(fù)合凝膠在發(fā)生斷裂形變時的應(yīng)力應(yīng)變。斷裂形變時的應(yīng)力能夠反映凝膠食品在咀嚼過程中的硬度，其與硬度呈正比關(guān)系。斷裂形變時的應(yīng)變能夠反映凝膠食品在咀嚼過程中的彈性，其與彈性成正比關(guān)系。圖2顯示膳食纖維添加比例的提高，復(fù)合凝膠的斷裂形變時應(yīng)力發(fā)生了顯著的提高，但是斷裂形變時應(yīng)變卻發(fā)生了顯著的降低。對照組斷裂形變時的應(yīng)力、應(yīng)變分別為8 718 Pa和0.99，其應(yīng)力值是所有處理組中最低值，應(yīng)變值是所有處理組中的最高值。添加3% 50目甘蔗膳食纖維處理組斷裂形變時的應(yīng)力、應(yīng)變分別為16 024 Pa和0.44，其應(yīng)力值是所有處理組中的最高值，應(yīng)變值是所有處理組中的最低值。

表2 不同添加比例和粒徑的甘蔗膳食纖維對復(fù)合凝膠離心損失、動態(tài)流變特性、分維維度以及缺項值的影響

T150：添加1%的50目甘蔗膳食纖維；T100：添加1%的100目甘蔗膳食纖維；T250：添加2%的50目甘蔗膳食纖維；T200：添加2%的100目甘蔗膳食纖維；T350：添加3%的50目甘蔗膳食纖維；T300：添加3%的100目甘蔗膳食纖維。T1：G'的第一個峰頂溫度；T2：三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的起始溫度。下同

T150: 1% and 50 mesh sugarcane dietary fiber (SDF); T100: 1% and 100 mesh SDF; T250: 2% and 50 mesh SDF;T200: 2% and 100 mesh SDF;T350: 3% and 50 mesh SDF;T300: 3% and 100 mesh SDF; T1: the temperature where G′ reached the first peak; T2: the temperature where the gel network formation. The same as below

不同小寫字母表示應(yīng)力差異顯著（P＜0.05），不同大寫字母表示應(yīng)變差異顯著（P＜0.05）

2.4 動態(tài)流變特性

曲線G'反映肌原纖維蛋白在升溫過程中蛋白構(gòu)象的折疊和展開以及基團之間的相互作用。曲線G'的變化反映肌原纖維蛋白加熱過程中經(jīng)歷的3個主要階段：1）42℃—48℃，肌球蛋白頭部發(fā)生交聯(lián)形成二聚體，導(dǎo)致G'上升；2）54℃—58℃，肌球蛋白尾部鏈結(jié)構(gòu)解聚，引起G'下降；3）最后階段為60℃以后，肌球蛋白因解聚而暴露的疏水基團發(fā)生交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，G'發(fā)生急劇上升[1]。曲線G'顯示添加不同比例和粒徑不溶性甘蔗膳食纖維沒有改變肌原纖維蛋白升溫過程中3個轉(zhuǎn)變階段，說明甘蔗膳食纖維沒有和肌原纖維蛋白發(fā)生共價或者非共價交聯(lián)，進而改變肌原纖維蛋白構(gòu)象的折疊展開和基團的相互交聯(lián)。但是，隨著甘蔗膳食纖維比例的添加和粒徑增大，復(fù)合體系G'數(shù)值顯著增加（圖3）。有關(guān)研究證明：凝膠體系的G'的大小和質(zhì)構(gòu)的硬度成正相關(guān)，說明添加甘蔗膳食纖維能夠提高復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)，這和離心損失結(jié)果相吻合。尤其處理組（T350）的最終G'值（8 445 Pa）是未添加組（3 128 Pa）的兩倍多（表2）。為了進一步比較添加甘蔗膳食纖維對G'在最后形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠階段的影響，試驗對最后階段的G'急劇上升的幅度進行了量化比較。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)對照組G'的上升程度為2 028 Pa，添加3% 50目甘蔗膳食纖維處理組G'的上升程度顯著增加5 345 Pa。有關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)小麥膳食纖維添加到魚糜中后，凝膠的G'也發(fā)生了顯著增加的現(xiàn)象[23]。

圖3 不同添加比例和粒徑甘蔗膳食纖維對肌原纖維蛋白熱凝膠過程中儲能模量的影響

2.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察

石蠟切片清晰地顯示不同添加比例和粒徑的甘蔗膳食纖維在肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空間分布，其中紅色部分是染色后的肌原纖維蛋白，白色部分中蜂窩狀結(jié)構(gòu)的是甘蔗膳食纖維。圖4顯示甘蔗膳食纖維和肌原纖維蛋白之間沒有發(fā)生交聯(lián)。膳食纖維的中空結(jié)構(gòu)類似于一個海綿體，能夠吸附大量的水分，簡單的以物理填充的形式鑲嵌在肌原纖維蛋白凝膠結(jié)構(gòu)中。石蠟切片顯示對照組（純蛋白組）結(jié)構(gòu)致密且分布均一。添加甘蔗膳食纖維后，結(jié)構(gòu)致密且分布均一的肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中會形成大量的大小和形狀各異的空洞。隨著添加比例和粒徑的增大，空洞的數(shù)量和體積也顯著增加。石蠟切片顯示添加膳食纖維形成的空洞結(jié)構(gòu)會降低肌原纖維蛋白凝膠結(jié)構(gòu)的均一性。此外，大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)多糖并不能和肌原纖維蛋白發(fā)生交聯(lián)，通常通過物理鑲嵌形式填充在蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[24-25]。

掃描電鏡清晰地顯示了甘蔗膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的影響變化。為了量化肌原纖維蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的變化，本試驗運用圖像分析軟件對二維化后的掃描電鏡圖片進行分維分析、缺項分析（表2）。如圖5中的白色部分為肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黑色部分為水空隙（或水溝壑）。對照組圖片顯示：肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在大量的相互交聯(lián)的水溝壑，將肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分割成片狀化（圖5）。此外，對照組的肌原纖維蛋白呈粗絲狀甚至部分區(qū)域呈現(xiàn)團狀結(jié)構(gòu)，這說明在加熱過程中這些肌原纖維蛋白的折疊結(jié)構(gòu)在加熱過程中沒有充分的交聯(lián)并未形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在溶液狀態(tài)下，肌原纖維蛋白鹽溶過程中吸附大量的水分，隨著溫度升高，肌原纖維蛋白尾部鏈結(jié)構(gòu)展開并暴露大量疏水基團，同時伴隨著部分吸附的水分滲出，滲出的水分會阻礙后續(xù)蛋白疏水基團之間的交聯(lián)作用，導(dǎo)致整個肌原纖維蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏松[26-27]。圖像處理軟件分析結(jié)果顯示對照組肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分維維度（1.8117）顯著小于其他添加甘蔗膳食纖維組（＜0.05），而缺項值（0.336）顯著高于其他添加甘蔗膳食纖維組（＜0.05）（表2）。分維維度越小，反映蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的相互交聯(lián)作用弱，結(jié)構(gòu)比較松散。缺項值越小說明蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的水孔隙分布均勻且大小相似，間接地反映肌原纖維蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密度高。

A：對照組 Control；B：T150；C：T100；D：T250；E：T200；F：T350；G：T300。下同The same as below

圖5 甘蔗膳食纖維對肌原纖維蛋白凝膠微觀結(jié)構(gòu)（左）和二維化微觀結(jié)構(gòu)（右）的影響

隨著甘蔗膳食纖維添加比例的提高，肌原纖維蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。從肌原纖維蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度看，肌原纖維蛋白凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中粗絲狀和團狀結(jié)構(gòu)完全消失了，取而代之的是相互交聯(lián)的致密細(xì)絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尤其處理組G。從水孔隙（或者水溝壑）角度看，隨著甘蔗膳食纖維的添加比例和粒徑提高，肌原纖維蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中水孔隙的數(shù)量顯著減少，并且彼此之間也沒有相互交聯(lián)。當(dāng)甘蔗膳食纖維添加量達(dá)到3%時，肌原纖維蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中相互交叉的水孔隙基本消失，只有數(shù)量不多且體積小的水孔隙均勻地鑲嵌在致密的蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。圖像處理軟件分析結(jié)果顯示：T350處理組蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分維維度（1.867）為所有處理組中最高（＜0.05），而缺項值（0.19）為所有處理組中最低（＜0.05）。

3 討論

低脂化是為了凝膠肉制品的發(fā)展趨勢，然而脂肪替代物的添加通常會改變原有的凝膠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)品口感劣變而不被消費者所接受[28-29]。通過堿性過氧化氫法對甘蔗膳食纖維進行改性，提高其亮度值、持水力和持油力等物化特性。將膳食纖維添加到肌原纖維蛋白凝膠體系中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合凝膠的斷裂應(yīng)力和動態(tài)流變特性都得到了顯著的提高，證明甘蔗膳食纖維作為優(yōu)質(zhì)脂肪替代物的可行性。

肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)—膳食纖維-蛋白空間分布—復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)三者之間的相互關(guān)系如圖6所示。斷裂形變時應(yīng)力反映復(fù)合凝膠的硬度，應(yīng)力值與硬度成正比；斷裂形變時應(yīng)變反映復(fù)合凝膠的彈性，應(yīng)變與彈性成正比[30]。甘蔗膳食纖維能夠穩(wěn)定水相，減少熱誘導(dǎo)凝膠過程中蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部水溝壑的形成，間接地促進肌原纖維蛋白之間的交聯(lián)，形成致密的均一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。膳食纖維的添加比例和粒徑與水相穩(wěn)定能力成正比，例如：T350處理組具有最高的復(fù)合凝膠硬度。然而，吸水后的甘蔗膳食纖維只是簡單的物理鑲嵌在肌原纖維蛋白三維凝膠網(wǎng)絡(luò)中，并且形成大小和形狀各異的空洞。在復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)是彈性結(jié)構(gòu)，膳食纖維結(jié)構(gòu)是中空松散結(jié)構(gòu)，隨著膳食纖維添加比例和粒徑的提高，導(dǎo)致最終復(fù)合凝膠的彈性顯著變差，例如：T350處理組具有最差的復(fù)合凝膠彈性。因此，膳食纖維通過穩(wěn)定水相間接促進肌原纖維蛋白之間的交聯(lián)，從而提高復(fù)合凝膠的硬度。但是膳食纖維本身是非彈性結(jié)構(gòu)，簡單的物理鑲嵌在蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成大量的空穴，會顯著降低復(fù)合凝膠的彈性。使用小粒徑的甘蔗膳食纖維作為脂肪替代物能夠顯著提高復(fù)合凝膠的凝膠強度，同時極大限度地保持復(fù)合凝膠的彈性，研究結(jié)果為甘蔗膳食纖維在低脂營養(yǎng)香腸中的運用提供了理論指導(dǎo)。

圖6 肌原纖維蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)—膳食纖維-蛋白空間分布—復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)三者之間的相互關(guān)系

4 結(jié)論

改性甘蔗膳食纖維顯著影響復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是提高了復(fù)合凝膠斷裂形變時的應(yīng)力，T350組值最高（14 159 Pa）；二是降低了復(fù)合凝膠的斷裂形變時的應(yīng)變，對照組值最高（0.99）。膳食纖維在肌原纖維蛋白凝膠的空間分布顯示，吸水后的甘蔗膳食纖維只是簡單的物理鑲嵌在肌原纖維蛋白三維凝膠網(wǎng)絡(luò)中，并且形成大小和形狀各異的空洞。肌原纖維蛋白凝膠微觀結(jié)構(gòu)顯示甘蔗膳食纖維能夠穩(wěn)定水相，減少熱誘導(dǎo)凝膠過程中蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部水溝壑的形成，間接地促進肌原纖維蛋白之間的交聯(lián)，形成致密的均一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本研究基于對蛋白骨架結(jié)構(gòu)—膳食纖維-蛋白填充結(jié)構(gòu)—凝膠質(zhì)構(gòu)之間的相互關(guān)系，揭示了甘蔗膳食纖維改善肌原纖維蛋白凝膠特性的機制。

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The Mechanism of Myofibrillar Protein Gel Functionality Influenced by Modified Sugarcane Dietary Fiber

1College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210023;2College of Food Science and Technology, Nanjing University of Agriculture, Nanjing 210095

【】The relationships between the myofibrillar protein gel networks, the spatial distribution of dietary fiber and protein, and the textural property of composite gel were investigated in present study. The aim of this study was to expound the mechanism of myofibrillar protein gel influenced by modified sugarcane dietary fiber (SDF), so as to provide a theoretical basis for the application of sugarcane dietary fiber as fat replacement in low-fat sausage. 【】The present study modified the physicochemical properties of sugarcane dietary fiber by hydrogen peroxide treatment. The myofibrillar protein with various concentrations and particle sizes of sugarcane dietary fiber were set as the model system. The treatment without SDF was the control; the treatment with 1%, 2% and 3% 50-mesh SDF addition respectively named T150, T250 and T350; the treatment with 1%, 2% and 3% 100-mesh SDF addition respectively named T100, T200 and T300.The dynamic rheological properties were analyzed by the rheometer; the true fracture stress and strain of composite gels were analyzed by the textural instrument; the spatial distribution of sugarcane dietary fiber in the MP gels were observed by the paraffin section, the microstructure and corresponding image analysis of myofibrillar protein gel networks were analyzed by the SEM and the image analysis software. 【】With the increase of concentrations and particle sizes of sugarcane dietary fiber, the centrifugal loss of composite gel significantly reduced, while the storage module (G') significantly increased. The result showed that the SDF addition significantly increased the fracture stress, while the SDF addition significantly reduced the fracture strain. Paraffin section showed that the sugarcane dietary fiber did not directly interact with protein. The dietary fiber just simply trapped in the protein networks and formed numerous various shapes and volumes cavities. The SEM showed that the myofibrillar protein networks under the control were filled with the connected moisture channels, and the existing of the moisture channel seriously hindered the interaction of the hydrophobic groupings, leading to the loose networks. The dietary fiber addition reduced the cross-linked moisture channels, and promoted the formation of compact and well-aggregated MP gel networks. The image analysis results showed that the treatment T350 had the highest fractal dimension value of 1.8670 and the lowest lacunary value of 0.19.【】The composite gel was comprise of the frame structure formed by the heat-induced gel protein networks and the filled structure formed by the SDF as the filling phase and protein matrix as the continuous phase. The physicochemical properties of SDF proved that the water holding capability was correlated with the particle size. Hence, the treatment with 3% 50-mesh sugarcane dietary fiber could promote the aggregation of myofibrillar protein through moisture stability, and had the highest stress. But the 50-mesh SDF was inelastic structure and formed various shapes and volumes cavities in gel networks, which significantly reduced the strain of composite gel. In conclusion, the 100-mesh SDF (smaller particle size) as fat replacement could significantly increase the stress of composite gel, and ultimately maintain the elasticity of the composite gel.

myofibrillar protein; sugarcane dietary fiber; gelation property; microstructure; textural property

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.15.015

2020-11-03；

2021-03-24

國家自然科學(xué)基金（31871822）、江蘇省教育廳高校自然科學(xué)面上項目（20KJB550012）

莊昕波，E-mail：zhuangxb@nufe.edu.cn。通信作者陳銀基，E-mail：chenyinji@nufe.edu.cn

（責(zé)任編輯 趙伶俐）