Study on Structure and Functional Properties of Tannic Acid Modified Gelatin Fat Substitute
-
摘要: 为了改善明胶在加热过程中因热稳定性差而出现的融化现象，利用单宁酸改性明胶，探究对改性后明胶脂肪替代物结构及功能性质的影响。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、扫描电镜（SEM）、热重分析（TGA）和冻融稳定性、耐蒸煮性、持水性和质构特性等方法探究单宁酸改性明胶脂肪替代物结构及功能性质的变化。结果表明：在pH为5，明胶与单宁酸质量比为1.2:1，36 ℃加热30 min的情况下，单宁酸与明胶之间官能团相互结合，二者发生化学反应，改变明胶的蛋白质结构，微观结构由致密均匀的团状结构改变为疏松多孔的孔隙结构；冻融稳定性和耐蒸煮性增强，持水性和溶胀能力下降，硬度和咀嚼性增强，弹性、凝聚性和胶着性下降，L*、a*和b*均增加。经过改性后，提高了明胶脂肪替代物热稳定性，改善了明胶脂肪替代物的结构特性，提高产品质地，为多酚改性明胶的脂肪替代物的制备提供理论基础。Abstract: In order to improve the melting phenomenon of gelatin due to poor thermal stability during heating, gelatin was modified with tannic acid to explore the effects of modified gelatin fat substitutes on the structure and functional properties. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), freeze-thaw stability, cooking resistance, water holding capacity and texture properties were used to explore the effects of tannic acid modified gelatin fat substitutes on the structure and functional properties. The results showed that when the pH value was 5, the mass ratio of gelatin to tannic acid was 1.2:1, and heated at 36 ℃ for 30 min, the functional groups between tannic acid and gelatin combined with each other, the two reacted and changed the protein structure of gelatin, and the microstructure changed from dense and uniform mass structure to loose and porous pore structure; Freeze thaw stability and cooking resistance increased, water holding capacity and swelling capacity decreased, hardness and chewability increased, elasticity, cohesion and adhesion decreased, and L*, a* and b* increased. After modification, the thermal stability of gelatin fat substitute was improved, the structural characteristics of gelatin fat substitute were improved, and the product texture was improved, which provided a theoretical basis for the preparation of fat substitute of polyphenol modified gelatin.
-
Keywords:
- tannic acid /
- modified gelatin /
- fat substitute /
- functional properties /
- structural properties
-
随着人们生活水平的提高，患有高血脂、高血压以及动脉粥样硬化等疾病的人群越来越多，其原因是摄入了较多的高脂类食品，据相关研究规定[1]人们日常膳食中脂肪提供的热量要低于总热量的30%，为此研制健康的脂肪替代物成为重要研究方向。
蛋白质类脂肪替代物是利用蛋白质在加工过程中，因其变性，导致蛋白质分子的疏水基团暴露出来，模拟出油脂的疏水性状，并且蛋白质经过处理水合后，舌头分辨不出单个颗粒，制品不再具有粗糙的颗粒感，因而能模拟出良好的润滑口感[2]，因其所提供的热量仅为脂肪的一半，可参与人体的正常代谢，为人体提供多种必需氨基酸，所以更加营养安全[3]。明胶作为蛋白质类脂肪替代物中的一种，主要来源于猪、牛和鱼类等皮肤和骨骼中，具有来源较广，制备方便的优点，但因所提取的明胶热稳定性较差，应用到肉制品中会出现明胶融化的现象[4-5]，影响明胶的使用，所以对明胶的改性成为需要解决的问题。
对明胶的改性方法较多，如王梦楠等[6]通过果胶和明胶反应，通过调节凝胶体系的pH，在非共价作用力的作用下，增强其热稳定性，使得明胶胶融温度和凝胶温度均得到提高，增强凝胶网络结构，但在pH为9时，以疏水相互作用为主导的复合胶体稳定性较差。郭华等[7]利用柠檬酸和硬脂酸来改性明胶，使得明胶的蛋白质结构发生改变，且无毒性。Erge等[8]利用咖啡酸来改性鸡皮明胶，并筛选出最优的改性条件，提高了鸡皮明胶的凝胶强度。但利用单宁酸改性明胶的研究较少。单宁酸（TA）是一种天然的多酚物质，具有抗氧化、抗菌和抗肿瘤等功效，因其具有较多的羟基和羰基，且相对分子质量较大[9]，可与蛋白质分子发生化学反应，形成稳定的化合物。为解决明胶脂肪替代物在食品加工过程中其结构特性和稳定性较差的问题，利用单宁酸对明胶脂肪替代物进行改性处理，增强结构特性和稳定性，提高其在食品加工中的应用。本文以单宁酸为交联剂，对明胶进行改性处理，利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和扫描电镜（SEM）探究改性后明胶的微观结构的变化，以及对改性明胶的功能性质的影响。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
氢氧化钠 分析纯，天津市大陆化学试剂厂；盐酸 优级纯，天津市欧博凯化工有限公司；明胶 食品级，河南博洋明胶有限公司；单宁酸 MW1701，阿拉丁化学试剂有限公司；磷酸氢二钠 分析纯，天津市标准科技有限公司；磷酸二氢钠 分析纯，天津市博迪化工有限公司。
FA2204B电子天平 上海市安亭电子仪器厂；LGJ-10D真空冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司；FW-100高速万能粉碎机 北京中兴伟业仪器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司；TA-XTplus质构仪 英国Stable Micro System公司 ；PHS-3C pH计 上海电科学仪器股份有限公司；TGL-16C高速台式离心机 上海市安亭电子仪器厂； 色差计CR-400 柯尼卡美能达控股公司。
1.2 实验方法
1.2.1 单宁酸改性明胶脂肪替代物的制备
单宁酸改性明胶脂肪替代物的制备参照Erge等[8]的研究方法，准确称取适量的明胶溶于去离子水中，并利用氢氧化钠溶液和盐酸溶液调节其pH为5。将浓度为0.2 g/L明胶溶液与浓度为0.1 g/L单宁酸溶液按一定比例进行混合，使其混合体系中明胶与单宁酸的质量比为1.2:1，并在36 ℃下加热30 min。加热完成后，将胶体取出并用去离子水冲洗表面，除去吸附的离子，并擦干，将胶体保存在4 ℃的冰箱中备用。
1.2.2 冻融稳定性的测定
参考刘怀伟等[10]的方法，利用测量改性后明胶脂肪替代物的脱水收缩率，来测定其冻融稳定性，配制浓度为0.2 g/L明胶溶液，4 ℃保存30 min，呈现固体胶状作为空白对照。将制备好的改性明胶脂肪替代物置于离心管中离心，以除去吸附的水，进行称重测量得到初始重量。冻融循环为：将离心管置于−20 ℃冰箱中冷冻22 h，后在30 ℃水浴中加热融化2 h，离心20 min后除去析出的水分，并进行称重。冷冻和加热融化一共循环5次，每次循环的脱水收缩率为总共损失的水分占初始样品质量的百分比。
1.2.3 耐蒸煮性的测定
参考王锐[11]方法准确称取10 g改性明胶脂肪替代物，并记录重量，置于蒸煮架上，沸水下蒸汽蒸煮30 min，每隔5 min测定一次凝胶质量的变化，并记录重量，重复测定三次取平均值，以明胶作为空白对照，通过下列公式计算耐蒸煮性：
耐蒸煮性(%)=G1G2×100 (1) 式中：G1：凝胶每5 min蒸煮后成品重量（g）；G2：最初凝胶重量（g）。
1.2.4 持水性的测定
参考周士琪等[12]的研究方法，将制备好的改性明胶脂肪替代物冻干并粉碎成颗粒，准确称取0.1 g的改性明胶颗粒置于离心管内，加入5 mL的去离子水与之混合5~40 min后，8000 r/min离心10 min以除去上清液，并将试管倒置以完全除去残留的水，对每管进行称重，测定不同时间的持水性，改性明胶脂肪替代物的持水性（g/g）为每克干样品吸收的水的质量，以明胶作为空白对照通过下列公式计算持水性（WHC）：
持水性(WHC)=W1−W2W2−W3 (2) 式中：W1：不同时间内吸收水分后的总质量；W2：样品与离心管的总质量；W3：离心管的质量。
1.2.5 溶胀能力的测定
参考闫鸣艳等[13]的实验方法，在室温下，将样品称重后浸泡在100 mL pH为7的PBS溶液中，5~20 min取出，用滤纸擦干样品表面的水分，称重后再放入PBS溶液中，测定不同时间内的溶胀度，直到达到溶胀平衡。溶胀度（SR）为溶胀吸水的质量与干燥样品的质量比，以明胶作为空白对照。通过下列公式计算溶胀度（SR）：
溶胀度(%)=Ws−WdWd×100 (1-3) 式中：Wd：干样品的质量；Ws：溶胀后样品的质量。
1.2.6 傅立叶变换红外光谱分析（FTIR）
参考吴佳南等[14]的研究方法，将明胶、改性后的明胶和单宁酸冻干处理后，粉碎过100目筛即得到固体粉末，与溴化钾粉末按照1:400的比例在玛瑙研钵中充分研磨，至混合粉末无颗粒感，于40 ℃热风干燥箱中烘干12 h后压成薄片，使用傅里叶红外光谱仪在4000~400 cm−1波数范围内以4 cm−1的分辨率扫描32次。以明胶作为空白对照。
1.2.7 扫描电镜分析（SEM）
参考吴佳南等[14]的研究方法，制备出改性明胶脂肪替代物后加入2.5%戊二醛的PBS溶液固定过夜。依次用50%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液对样品进行脱水，每一等级时间为10 min，最后用乙酸异戊酯置换，冷冻干燥后，进行喷金和扫描电镜观察，以明胶作为空白对照。
1.2.8 热重分析（TGA）
参考王占一等[15]的研究方法并作适当修改，称取适量的明胶粉末和改性明胶粉末，经过适当处理后，进行热重扫描，以比较二者的热分解温度。升温范围35~200 ℃，控制升温速率10 ℃/min，气氛为静态氮气，参比物为Al2O3。
1.2.9 质构特性的测定
参考夏琦[16]的研究，制备出改性明胶脂肪替代物后，切成1 cm×2 cm×2 cm的块状，利用质构仪测定其质构特性，以明胶作为空白对照。测定参数如下：选用的探头为P/0.5，测前速度为2 mm/s，测试速度为1 mm/s，测后速度为1 mm/s，下压距离为10 mm，触发力为1 g，平行测定3次。
1.2.10 色泽的测定
参考夏琦[16]的研究法，用色差仪对改性明胶脂肪替代物进行色差测量，以明胶作为空白对照，将色差仪垂直于断面上，镜口紧扣切面，测定不同位置的L*、a*、b*值，平行测定3次。
1.3 数据处理
每组实验重复三次，结果以平均值±标准差的形式表示，使用 SPSS Statistics 25进行数据分析，通过Duncan检验分析各组数据的差异显著性（P<0.05），并使用Origin 2019绘图。
2. 结果与分析
单宁酸与明胶发生交联反应后，改性后的明胶属于热不可逆凝胶，加热后，改性后的明胶以固体胶状物质形式存在，质地变软，离心后可去除水分。热水煮沸后，形状收缩，质地变软，以胶体的形式存在。冻干后的胶体不溶于水，吸收水分后胀大，恢复其形状，以保证对改性明胶的结构及功能性质的研究。
2.1 单宁酸对明胶冻融稳定性的影响
如图1所示为单宁酸对明胶冻融稳定性的影响结果，冻融稳定性可表示在温度变化的情况下，食品的脱水的情况，可评估在冻融过程中，食品中发生不良变化的能力[17]。以脱水收缩率来表达固体或半固体析出液体的现象，以反映食品保持液体的能力[18]，脱水收缩率越高代表冻融稳定性越低，则物质结构的稳定性越低。由图1可知，随着冻融循环的次数增加，明胶和改性明胶的脱水收缩率逐渐增加，冻融稳定性逐渐降低。在第1 d时，改性明胶的脱水收缩率比明胶稍高，但两者相差不大，但随着冻融循环的次数增加，明胶的脱水收缩率比改性明胶的增加较快，可知明胶的冻融稳定性比改性明胶的低，结构稳定性比改性明胶的较差，原因是单宁酸中较多的酚羟基和苯环结构与明胶蛋白质中的酪氨酸等氨基酸结合形成稳定的复合物，使得改性后的明胶结构更加稳定[19]，冻融稳定性增加。
![]()
2.2 单宁酸对明胶耐蒸煮性的影响
利用凝胶经受蒸汽蒸煮加热后，质量损失的大小来反映凝胶的耐蒸煮性，且耐蒸煮性越大，产品凝胶耐蒸煮性越强，其热稳定性也越强，可将其应用到需要高温蒸煮熟制的食品加工中，以减少在加工过程中产品的质量损失，提高食品的口感质地。表1为单宁酸对明胶耐蒸煮性的影响结果，在未加入单宁酸之前，蒸煮过程中，明胶的耐蒸煮性极差，原因是在蒸煮过程中，明胶的凝胶网络结构逐渐被破坏[20]，且网络结构稳定性较差，使得明胶的热稳定性较差，无法经受高温加热，出现融化现象。经过单宁酸改性后，改性的明胶耐蒸煮性显著提高，且在30 min时，改性后明胶的耐蒸煮性变化不明显，表明改性后的明胶的热稳定性提高。尚美君[21]分别利用单宁酸和芦丁对马哈鱼鱼皮明胶和河鲀鱼鱼皮明胶进行改性处理，结果发现经过改性处理后，两种明胶的热稳定性均增强，改善明胶融化现象。表明明胶与单宁酸发生交联反应，可显著提高热稳定性。
表 1 单宁酸对明胶耐蒸煮性的影响Table 1. Effect of tannic acid on cooking resistance of gelatin耐蒸煮性（%） 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min 30 min 明胶 0 0 0 0 0 0 改性明胶 88.87±2.18c 84.93±3.00bc 82.16±2.43ab 79.99±2.08ab 77.98±1.99a 76.68±3.34a 注:同行不同字母表示差异显著（P<0.05）。 2.3 单宁酸对明胶持水性的影响
如图2所示为单宁酸对明胶持水性的影响结果，明胶与改性后明胶的持水性均出现先逐渐增大后下降的趋势，且明胶在15 min时达到最大持水性，改性明胶在20 min时出现最大持水性。这主要是由于明胶与改性后的明胶随着时间的增加，所吸收的水分逐渐增多，在所吸收的水分达到最大时，由于明胶与改性后明胶中的部分物质溶于水中[22]，使得持水性逐渐下降。与明胶相比，改性后明胶的持水性较小，且持水性的变化趋势不大，这是因为明胶与单宁酸发生交联反应后，产生疏水相互作用力，导致改性后的明胶的持水性较低，这与贾娜等[23]和Hazmi等[24]的研究结果一致。还可能是因为明胶与单宁酸发生交联反应之后，改性明胶表面孔隙增大，蛋白质之间的连接作用减少，使得改性后的明胶持水性出现降低的现象[25]。但因改性明胶以粉末状均匀地添加进肉制品中，改性明胶疏松多孔的孔隙结构，使得基团更好的暴露于表面，依然具有良好的持水性，在肉制品中发挥保水作用[11]。王锐[11]利用大豆分离蛋白与鸡皮凝胶结合所研制出的鸡皮复配凝胶的持水性显著低于大豆分离蛋白，但在肉制品应用中，不影响产品的口感，在鸡皮复配凝胶的添加量较低时，仍可保证鸡肉肠的多汁率。
2.4 单宁酸对明胶溶胀能力的影响
图3为单宁酸对明胶溶胀能力的影响结果，明胶与改性明胶的溶胀能力均呈逐渐上升到最大值后趋于溶胀平衡的趋势，这被定义为平衡溶胀比[26]，最后溶胀度逐渐降低。由于明胶分子的亲水性，使得明胶溶胀度变化较大，改性明胶的溶胀度与明胶的相比较小，且交联明胶的溶胀度变化趋势较为平缓，这主要是因为单宁酸中的酚羟基与明胶中的氨基等结合形成氢键，增强分子之间的作用力[22]，形成稳定的复合物，不利于改性后的明胶吸水，溶胀度降低[26-27]，这与闫鸣艳等[13]的研究结果一致。明胶与改性明胶溶胀度出现降低的原因是二者达到溶胀平衡后，部分物质溶解于溶液中，出现溶胀溶失现象[22]，使得溶胀度降低。对于改性明胶在肉制品中的应用中，是否对肉制品的质构特性和多汁率产生影响，需要在后续应用中来验证分析。
2.5 傅立叶变换红外光谱分析
如图4为冻干并烘干除去水分后明胶与改性明胶的红外光谱图，通过分析明胶的红外光谱谱带，获得明胶与单宁酸发生反应的变化信息，以明确单宁酸与明胶之间的结合方式，确定明胶分子与单宁酸分子之间可能存在的作用力。由图4可知，明胶的光谱表现出的主要特征峰为3437 cm−1是由于N-H的伸缩振动，反映了基团之间氢键相互作用强度[14]，2929 cm−1是酰胺B带，-CH2伸缩振动所引起的[28]，1639 cm−1是酰胺Ⅰ带，代表C=O键伸缩/氢键/COO−[29]，1541 cm−1代表酰胺II 带，C-N的伸缩振动和N-H的平面弯曲振动[30]，1454 cm−1主要由-COO−所引起的[14]，1236 cm−1为酰胺III带，由C-H和N-H振动所引起的[31]，1079 cm−1是C-N共价键的特征峰[28]。单宁酸的光谱表现出的主要特征峰为3413 cm−1的吸收峰来源于TA的O-H的振动[32]，2979 cm−1为C-H振动的吸收峰，1716 cm−1是酯键基团的特征峰，1612、1535和1448 cm−1是因为苯环的骨架振动产生的[30]，1508 cm−1为双键伸缩振动的吸收峰，1318、1198和1083 cm−1为C-H弯曲振动所产生的吸收峰。
![]()
图 4 改性明胶的傅里叶红外光谱分析Figure 4. Fourier transform infrared spectrum analysis of modified gelatin单宁酸与明胶发生交联反应之后，明胶在3437 cm−1处的特征峰蓝移至3348 cm−1可知明胶的N-H键参与了交联反应，酰胺A带偏移至低波数表明单宁酸与明胶之间产生氢键作用，且吸收峰强度增强，氢键作用较强[33]。明胶在2929 cm−1处的吸收峰与单宁酸作用后消失，原因可能是明胶中肽键的羰基与单宁酸中的酚羟基之间形成氢键而发生反应[34]，在1639 cm−1处的吸收峰红移至1655 cm−1，1541 cm−1处的吸收峰蓝移至1533 cm−1表明了氢键作用的存在，吸收峰强度增大，氢键作用增强。1454 cm−1处的吸收峰蓝移至1446 cm−1，这可能是因为单宁酸中的苯环与明胶中的-COO−发生反应所引起的，1333 cm−1处的吸收峰蓝移至1321 cm−1可能是因为苯环中的C-H键与明胶反应所引起的，在1236 cm−1处的吸收峰蓝移至1200 cm−1，表明明胶的酰胺Ⅲ带C-H的伸缩振动参与交联反应中[35]，在1079 cm−1处的吸收峰红移至1083 cm−1是因为单宁酸中的C-N共价键与明胶发生反应所产生的。通过三者的红外光谱图可以印证明胶与单宁酸二者结构上发生反应的关键信息，表明明胶与单宁酸之间存在交联反应。
2.6 扫描电镜分析
如图5为明胶与改性明胶的扫描电镜图，图a~c为放大至500、2.00 k和5.00 k下明胶的微观结构，图d~f为放大至500、2.00 k和5.00 k下改性明胶的微观结构。在未与单宁酸发生交联反应之前，明胶表面相对光滑、平整，并未出现任何纹理和孔隙，呈不规则的团状结构。在与单宁酸发生交联反应之后，改性的明胶微观结构发生变化，凝胶断裂，块状结构变小且不均匀，表面呈现出疏松多孔的孔隙结构，放大至5.00 k时，孔隙结构更加明显。这是由于单宁酸与明胶发生交联反应后，破坏了明胶分子之间的交联结构，使得明胶分子分布不均匀，表面出现孔状结构[36]。还可能是因为明胶与单宁酸发生交联反应之后，明胶分子结构被解聚，使得水分子进入明胶内部，经过冷冻干燥后，固态水在升华之后，使得明胶呈现出疏松多孔的孔隙结构[7],以证明单宁酸与明胶发生交联反应，改变明胶的微观结构。
2.7 热重分析
热重分析（TGA）是一种可表达样品在程序控制的升温条件下，待测样品由于温度的升高而发生物理化学变化所导致样品质量的变化，以衡量所测样品的耐热性的重要分析指标，以间接反映在加热过程中物质因融化而导致的质量损失的程度[37]。由图6所示单宁酸对明胶热重分析的影响结果，可知在较低的加热温度时，明胶与改性后的明胶质量损失较小，随着加热温度的升高，两种物质的质量损失逐渐增大，其中在加热温度为80 ℃时，明胶的失重率增加到1.62%，改性后的明胶的失重率增加到0.24%，加热温度升至100 ℃时，明胶的失重率增加到3.83%，改性后的明胶的失重率增加到1.16%。结果表明，经过改性后的明胶与明胶物质相比，其耐热性得到提高，在加热过程中，质量损失较小，性质稳定。
2.8 单宁酸对明胶质构特性的影响
改性后明胶的质构学特性可以表达其在口腔中的品质特性，模拟出食物在口腔中被咀嚼时的物理性质，反映出改性明胶的感官品质。表2为单宁酸对明胶质构特性的影响结果，可知经改性后的明胶与明胶相比，硬度和咀嚼性增大，弹性、凝聚性和胶着性均下降。其中单宁酸与明胶发生交联反应后，硬度增加近2倍，测量的硬度值为774.83 g，与曲超[38]和周士琪等[12]所测量的猪背脂的硬度（1056.65 g）较为接近，表明改性后的明胶可从感官上模拟出脂肪的状态。导致改性明胶硬度增大的原因是，单宁酸与明胶之间通过氢键等非共价作用力，增强了明胶的空间结构[39]。改性后的明胶硬度增大，使其更易于成型，结构更加稳定，其咀嚼性也随之增大[16]。改性后明胶的弹性明显降低，这可能是因为单宁酸与明胶之间发生静电相互吸引与疏水相互作用[6]。改性后明胶凝聚性、胶着性出现减弱的现象，这主要是因为单宁酸与明胶发生交联反应之后，破坏了明胶的三维网状结构，明胶的成胶能力减弱[23]，这与改性后明胶的微观结构呈现疏松多孔的结果一致。周士琪等[12]所研制的复乳凝胶的硬度、粘聚性和弹性均下降，但应用于鸡肉肠中，不影响产品的感官特性，所以改性明胶的弹性、凝聚性和胶着性的下降对肉制品的质构特性是否产生不利影响有待于验证。
表 2 单宁酸对明胶质构特性的影响Table 2. Effect of tannic acid on the texture characteristics of gelatin硬度（g） 弹性 凝聚性 胶着性 咀嚼性 明胶 339.28±12.08 1.347±0.06 0.946±0.009 320.812±11.16 80.353±15.52 改性明胶 774.83±22.91 0.361±0.05 0.337±0.014 261.24±6.19 120.463±12.31 2.9 单宁酸对明胶色泽的影响
产品的外观色泽可直接反映出其品质及质量的好坏，影响人们对其的食用欲望，其中用L*表示颜色的明暗度，L*值越高表示明度增加，越低则表示明度降低，a*表示色泽的红度，正值表示偏红，负值表示偏绿，b*表示样品的黄蓝色度，正值表示偏黄，负值表示偏蓝。表3为单宁酸对明胶色泽特性的影响结果，经过单宁酸改性后，改性后的明胶外观上呈乳白色，改性明胶的L*增加且与猪背脂亮度值较为接近，猪背脂的L*为74.71[38]，这可能是因为明胶与单宁酸之间发生交联反应，具有酚羟基的单宁酸作为交联剂与明胶分子结合，结合后生成的改性明胶改变了明胶的亮度，使得改性后的明胶L*增加，也可能是因为明胶与单宁酸结合后，使得改性后的明胶颜色呈现乳白色，提高了反射率，增加了光的亮度值[12]。a*和b*均增加是由于单宁酸是一种棕黄色的粉末，与明胶发生交联反应后，使得改性后的明胶的颜色偏深[21]，导致a*和b*增加，这与仇超颖等[31]的研究结果一致。
表 3 单宁酸对明胶色泽特性的影响Table 3. Effect of tannic acid on color characteristics of gelatinL* a* b* 明胶 55.21±2.55 −0.48±0.02 19.01±0.5 改性明胶 72.43±1.01 4.32±0.17 25.12±0.79 3. 讨论
3.1 热稳定性的提高
单宁酸对明胶改性之后，在一定程度上提高了明胶的结构稳定性，增强其热稳定性。王梦楠等[6]利用果胶对鱼明胶进非共价改性处理，对鱼明胶的胶融温度提高不明显，仅提高2 ℃，原因可能是多糖类物质与蛋白质以氢键和静电相互作用不如多酚类物质与蛋白质的结合，凝胶热稳定性提高不显著。周士琪等[12]利用海带多糖改性的复乳凝胶在90 ℃的环境下，质量损失为59.57%，与本实验所改性的明胶的热稳定性相比较低，原因可能是海带多糖是一种非电解质类物质，对复乳凝胶的改性以静电相互作用和氢键结合方式为主，且结合能力较弱，对复乳凝胶的热稳定性的提高不明显；陈雨桐等[30]利用单宁酸以共价方式改性小麦醇溶蛋白仅提高蛋白变性温度2 ℃相比，以非共价方式改性小麦醇溶蛋白，其变性温度却降低5 ℃，原因是单宁酸与小麦醇溶蛋白以非共价方式结合，破坏小麦醇溶蛋白的结构，不利于其热稳定性的提高。本实验利用单宁酸改性明胶，可显著提高明胶的热稳定性，原因是单宁酸与明胶之间利用非共价方式结合，单宁酸的多个官能团与明胶结合，改变明胶的结构，对明胶改性程度较大，热稳定性显著提高。
3.2 质构特性的提高
经过改性后的明胶的质地特性中硬度和咀嚼性的增加，可有效改善改性明胶的质构特性，提高产品的口感。相比郭华等[7]利用柠檬酸和硬脂酸对明胶进行改性，凝胶强度可显著提高117%，改性后明胶的硬度较高，原因是以柠檬酸作为交联剂，可使硬脂酸均匀、有效地进入明胶分子间，极大地提高了明胶的硬度。周士琪等[12]利用海带多糖改性的复乳凝胶，硬度降低，使改性后的复乳凝胶质地较差，原因是高浓度的海藻多糖不利于卡拉胶空间结构的形成，使得复乳凝胶的硬度、粘聚性和咀嚼性降低。金文刚等[40]利用水溶性硅素对大鲵皮明胶进行改性，结果降低了明胶的凝胶强度，原因是水溶性硅素与明胶结合后，破坏明胶结构，使其结构不稳定，凝胶强度下降，改性效果不如多酚改性。
4. 结论
本实验探究在明胶与单宁酸发生交联反应后，对改性后明胶脂肪替代物功能性质及结构性质的改变。实验结论如下：
a.单宁酸改性明胶之后，结构性质变化如下：经过红外光谱分析、扫描电镜分析和热重分析后，发现改性后的明胶微观结构发生变化，利用单宁酸与明胶之间官能团的相互结合，发生化学变化，以此改变了明胶的蛋白质的二级结构，微观形态从光滑、平整和致密的团状结构变为疏松多孔的孔隙结构，提高明胶的结构稳定性，在加热过程中，质量损失较小，热稳定性较强。
b.单宁酸改性明胶之后，功能性质变化如下：经过单宁酸改性后，改性明胶的冻融稳定性和耐蒸煮性增强，稳定性增强；改性后明胶的持水能力和溶胀能力减弱，且达到最大持水性的时间较长。
c.单宁酸改性明胶之后，感官性质变化如下：改性后的明胶质构特性中，硬度和咀嚼性增大，弹性、凝聚性和胶着性均下降，颜色中L*、a*和b*均增加，外观结构发生变化，改善了明胶的质地特性，且外观呈乳白色，可有效模拟出脂肪的感官性质。以上结果以印证明胶与单宁酸发生交联反应，为改性明胶脂肪替代物的制备提供理论基础。
-
![]()
![]()
图 4 改性明胶的傅里叶红外光谱分析
Figure 4. Fourier transform infrared spectrum analysis of modified gelatin
表 1 单宁酸对明胶耐蒸煮性的影响
Table 1 Effect of tannic acid on cooking resistance of gelatin
耐蒸煮性（%） 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min 30 min 明胶 0 0 0 0 0 0 改性明胶 88.87±2.18c 84.93±3.00bc 82.16±2.43ab 79.99±2.08ab 77.98±1.99a 76.68±3.34a 注:同行不同字母表示差异显著（P<0.05）。 
下载: 导出CSV
表 2 单宁酸对明胶质构特性的影响
Table 2 Effect of tannic acid on the texture characteristics of gelatin
硬度（g） 弹性 凝聚性 胶着性 咀嚼性 明胶 339.28±12.08 1.347±0.06 0.946±0.009 320.812±11.16 80.353±15.52 改性明胶 774.83±22.91 0.361±0.05 0.337±0.014 261.24±6.19 120.463±12.31
下载: 导出CSV
表 3 单宁酸对明胶色泽特性的影响
Table 3 Effect of tannic acid on color characteristics of gelatin
L* a* b* 明胶 55.21±2.55 −0.48±0.02 19.01±0.5 改性明胶 72.43±1.01 4.32±0.17 25.12±0.79
下载: 导出CSV
-
[1] ZENG L Z, RUAN M Y, LIU J L, et al. Trends in processed meat, unprocessed red meat, poultry, and fifish consumption in the United States, 1999-2016[J]. Journal of the Academy of Nutrition and Dietetics,2019,119(7):1085−1098. doi: 10.1016/j.jand.2019.04.004
[2] HADNAĐEV M, HADNAĐEV T D, DOKIĆ L, et al. Physical and sensory aspects of maltodextrin gel addition used as fat replacers in confectionery filling systems[J]. LWT-Food Science and Technology,2014,59(1):495−503. doi: 10.1016/j.lwt.2014.04.044
[3] 杨扬, 张玲玲, 李永祥, 等. 蛋白质基质脂肪模拟物制备方法及其应用的研究进展[J]. 中国油脂,2017,42(5):28−33. [YANG Y, ZHANG L L, LIY X, et al. Research progress on preparation methods and application of protein matrix fat mimetics[J]. China Oil,2017,42(5):28−33. doi: 10.3969/j.issn.1003-7969.2017.05.008 [4] 刘琼. 明胶凝胶的酶法改性及其在蒸饺和肴肉中的应用[D]. 无锡: 江南大学, 2020. LIU Q. Gelatin gel steamed jiaozi and its application in steamed dumplings and meat[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2020.
[5] 刘颖, 高叶玲, 张振清, 等. 明胶胶凝对明胶化学交联反应的研究[J]. 塑料科技,2020,48(2):63−66. [LIU Y, GAO Y L, ZHANG Z Q, et al. Study on chemical crosslinking of gelatin by gelatin gelation[J]. Plastics Science and Technology,2020,48(2):63−66. [6] 王梦楠, 涂宗财, 胡月明, 等. 非共价作用力对鱼明胶-果胶复合凝胶体系的影响[J]. 食品科学,2021,42(6):1−7. [WANG M N, TU Z C, HU Y M, et al. Effects of non covalent force on fish gelatin pectin composite gel system[J]. Food Science,2021,42(6):1−7. doi: 10.7506/spkx1002-6630-20191224-282 [7] 郭华, 史泽毅, 张海霞, 等. 明胶-柠檬酸-硬脂酸复合凝胶的制备及性能[J/OL]. 现代食品科技: 1−10 [2021-08-16]. DOI: 10.13982/j.mfst.1673-9078.2021.10.0183. GUO H, SHI Z Y, ZHANG H X, et al. Preparation and properties of gelatin citric acid stearic acid composite gel[J/OL]. Modern Food Technology: 1−10 [2021-08-16]. DOI: 10.13982/j.mfst.1673-9078.2021.10.0183.
[8] ERGE A, EREN Ö. Chicken gelatin modification by caffeic acid: A response surface methodology investigation[J]. Food Chemistry,2021,351(30):129269.
[9] LEE H Y, HWANG C H, KIM H E, et al. Enhancement of biostability and mechanical properties of hyaluronic acid hydrogels by tannic acid treatment[J]. Carbohydrate Polymers,2018,186:290−298. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.01.056
[10] 刘怀伟, 孔保华, 徐聃. 马铃薯淀粉基质脂肪模拟物物理性质的研究[J]. 中国粮油学报,2007,22(4):58−62. [LIU H W, KONG B H, XU Z. Study on physical properties of potato starch matrix fat simulant[J]. Chinese Journal of Grain and Oil,2007,22(4):58−62. doi: 10.3321/j.issn:1003-0174.2007.04.013 [11] 王锐. 鸡皮复配凝胶制备及其在乳化肠中的应用研究[D]. 成都: 成都大学, 2020. WANG R. Preparation of chicken skin compound gel and its application in emulsion sausage[D]. Chengdu: Chengdu University, 2020.
[12] 周士琪, 刘雪, 刘少伟, 等. 复乳凝胶作为脂肪替代物对鸡肉肠理化性质的影响[J]. 食品工业科技,2020,41(8):7−14. [ZHOU S Q, LIU X, LIU S W, et al. Effects of compound milk gel as a fat substitute on physicochemical properties of chicken sausage[J]. Food Industry Technology,2020,41(8):7−14. [13] 闫鸣艳, 秦松. 没食子酸和芦丁对鱼皮明胶凝胶的溶胀性及水的状态的影响[J]. 食品工业科技,2015,36(7):79−82. [YAN M Y, QIN S. Effects of gallic acid and rutin on swelling and water state of fish skin gelatin gel[J]. Food Industry Technology,2015,36(7):79−82. [14] 吴佳南, 孙娜, 林松毅, 等. 鳕鱼皮明胶肽硒复合物的制备及结构表征[J]. 食品科学,2021,42(4):87−93. [WU J N, SUN N, LIN S Y, et al. Preparation and structural characterization of cod skin gelatin peptide selenium complex[J]. Food Science,2021,42(4):87−93. doi: 10.7506/spkx1002-6630-20191212-138 [15] 王占一, 戴博, 张立华, 等. 石榴皮多糖硒酸酯制备工艺参数优化及其结构分析[J]. 食品科学,2016,37(10):40−46. [WANG Z Y, DAI B, ZHANG L H, et al. Optimization of preparation parameters and structural analysis of pomegranate peel polysaccharide selenate[J]. Food Science,2016,37(10):40−46. [16] 夏琪. 黑豆皮膳食纤维-明胶复配胶体的制备及应用[D]. 上海: 上海交通大学, 2019. XIA Q. Preparation and application of black bean skin dietary fiber gelatin compound colloid[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2019.
[17] JANYA M, SANGUANSRI C. Effects of hydrocolloids and freezing rates on freeze-thaw stability of tapioca starch gels[J]. Food Hydrocolloids,2007,22(7):3−5.
[18] MIZRAHI S. Syneresis in food gels and its implications for food, in chemical deterioration and physical instability of food and beverages[M]. 2010: 324−348.
[19] 王舒雅, 赵靖昀, 代亚磊, 等. 鱼皮明胶和多酚组装行为与相互作用[J]. 食品科学,2021,42(14):1−8. [WANG S Y, ZHAO J Y, DAI Y L, et al. Assembly behavior and interaction of fish skin gelatin and polyphenols[J]. Food Science,2021,42(14):1−8. doi: 10.7506/spkx1002-6630-20200702-033 [20] 曹祥薇. 明胶/多糖类胶体复配胶的凝胶特性及应用[D]. 武汉: 湖北工业大学, 2011. CAO X W. Gelatin/polysaccharide colloid complex gel properties and applications[D]. Wuhan: Hubei University of Technology, 2011.
[21] 尚美君. 单宁酸、芦丁对马哈鱼和河鲀鱼鱼皮明胶凝胶特性的改善[D]. 大连: 大连工业大学, 2019. SHNG M J. Tannin and rutin improve gelatin gel properties of salmon and puffer fish skin[D]. Dalian: Dalian Polytechnic University, 2019.
[22] 俞杨销, 宋功吉, 张子凡, 等. 壳聚糖/明胶/茶多酚复合膜的溶胀溶失性能研究[J/OL]. 现代纺织技术: 1−11 [2021-08-18]. DOI: 10.19398/j.att.202010007. YU Y X, SONG G J, ZHANG Z F, et al. Study on swelling and loss properties of chitosan/gelatin/tea polyphenol composite membrane[J/OL]. Modern Textile Technology: 1−11 [2021-08-18]. DOI: 10.19398/j.att.202010007.
[23] 贾娜, 林世文, 王乐田, 等. 没食子酸诱导肌原纤维蛋白巯基和表面疏水性变化对蛋白凝胶特性的影响[J]. 食品科学,2020,41(22):1−7. [JIA N, LIN S W, WANG L T, et al. Effects of gallic acid induced changes in thiol and surface hydrophobicity on myofibrillar protein properties[J]. Food Science,2020,41(22):1−7. doi: 10.7506/spkx1002-6630-20190829-323 [24] HAZMI Y, ABDUL S B, ABDULLAH S N. Modification of chicken feet gelatin with aqueous sweet basil and lemongrass extract[J]. LWT,2017,77:3−6.
[25] 田琨. 大豆蛋白的结构表征及应用研究[D]. 上海: 复旦大学, 2010. TIAN K. Structural characterization and application of soybean protein[D]. Shanghai: Fudan University, 2010.
[26] YAN M Y, LI B F, ZHAO X, et al. Physicochemical properties of gelatin gels from walleye pollock (Theragra chalcogramma) skin cross-linked by gallic acid and rutin[J]. Food Hydrocolloids,2011,25(5):5−8.
[27] CAO N, FU Y H, HE J H. Mechanical properties of gelatin films cross-linked, respectively, by ferulic acid and tannin acid[J]. Food Hydrocolloids,2007,21:575−584. doi: 10.1016/j.foodhyd.2006.07.001
[28] 张欣欣. 没食子酸改性超声辅助金枪鱼皮胶原蛋白-壳聚糖膜的制备及应用研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2019. ZHANG X X. Preparation and application of gallic acid modified ultrasound assisted tuna skin collagen chitosan membrane[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2019.
[29] 罗舒菡. 乳清蛋白-多酚复合物及壳聚糖-多酚复合物的制备、表征及对乳液油脂体外消化的影响[D]. 南昌: 南昌大学, 2020. LUO S H. Preparation and characterization of whey protein polyphenol complex and chitosan polyphenol complex and its effect on the in vitro digestion of oil emulsion[D]. Nanchang: Nanchang University, 2020.
[30] 陈雨桐, 梁宏闪, 李斌. 单宁酸对小麦醇溶蛋白结构及功能性质的影响[J]. 食品工业科技,2020,41(6):39−46, 52. [CHEN Y T, LIANG H S, LI B. Effects of tannic acid on the structure and functional properties of wheat gliadin[J]. Food Industry Science and Technology,2020,41(6):39−46, 52. [31] 仇超颖, 荣婧, 胡晓, 等. 单宁酸对鸢乌贼肌原纤维蛋白膜性能的影响[J]. 食品科学,2019,40(14):29−35. [QIU C Y, RONG J, HU X, et al. Effect of tannic acid on myofibrillar protein membrane properties of iris squid[J]. Food Science,2019,40(14):29−35. doi: 10.7506/spkx1002-6630-20180604-041 [32] 邹苑. 玉米醇溶蛋白-单宁酸复合颗粒对界面主导食品体系的调控研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2018. ZOU Y. Study on the regulation of zein tannic acid composite particles on interfacial dominant food system[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2018.
[33] AFIEIAN F R, KERAMAT J, SHAHEDI M. Physicochemical properties of gelatin extracted from chicken deboner residue[J]. LWT-Food Science and Technology,2015,64:1370−1375. doi: 10.1016/j.lwt.2015.04.050
[34] BUREN J P V, ROBINSON W B. Formation of complexes between protein and tannic acid[J]. Journal of Agricultural Food Chemistry,1969,17(4):772−777. doi: 10.1021/jf60164a003
[35] LIU Y, XIA L, JIA H, et al. Physiochemical and functional properties of chum salmon (Oncorhynchus keta) skin gelatin extracted at different temperatures[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2017,97:5406−5413. doi: 10.1002/jsfa.8431
[36] 雷娜. EGCG修饰巯基对肌原纤维蛋白乳化凝胶特性的影响及机制研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2017. LEI N. Effect of Rena EGCG modified sulfhydryl group on the properties of myofibrillar protein emulsion gel and its mechanism[D]. Yangling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2017.
[37] HALEVA-TOLEDO E, NAIM M, ZEHAVI U. Formation of α-terpineol in citrus juices, model and buffer solutions[J]. Journal of Food Science,1999,64(5):838−841. doi: 10.1111/j.1365-2621.1999.tb15923.x
[38] 曲超. 一种脂肪替代品的制备及其在低脂肉制品中的应用[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2010. QU C. Preparation of a fat substitute and its application in low-fat meat products[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2010.
[39] YUAN C, DU L, ZHANG G J, et al. Influence of cyclodextrins on texture behavior and freeze-thaw stability of kappa-carrageenan gel[J]. Food Chemistry,2016,210:5−6.
[40] 金文刚, 吕浩, 赵萍. 水溶性硅素对大鲵皮明胶理化性质及乳化活性的影响[J]. 食品与发酵工业,2020,46(22):36−41. [JIN W G, LV H, ZHAO P. Effects of water-soluble silicon on physicochemical properties and emulsifying activity of giant salamander skin gelatin[J]. Food and Fermentation Industry,2020,46(22):36−41.
下载:
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量:
- PDF下载量:
