樊馨怡,陶寧萍,2,*,王錫昌,2

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306; 2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海 201306)

在中國悠久的烹飪歷史中,湯不僅僅是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡牟穗?還可以用作一種能夠賦予其它菜品鮮味的增鮮劑,其中最為普遍的就是將高湯作為火鍋、面食等的底湯。人們一直相信,喝湯不僅能夠通過刺激唾液的分泌增加食欲,還能促進(jìn)胃腸的蠕動便于食物的消化吸收[1],具有一定的食療效果。

隨著研究技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)以及藥學(xué)的研究也驗(yàn)證了部分湯的功效。例如:黃國榕[2]在研究黑鯽魚湯時發(fā)現(xiàn)黑鯽魚湯對治療肝硬化腹水有一定的療效。還有研究表明鯽魚湯[3]可以通過升高血白蛋白水平、抑制細(xì)胞因子IL-17的分泌以及降低IL-23、CXCR2的表達(dá)，從而對腎臟起到一定的保護(hù)作用。Yoshinaga等[4]研究發(fā)現(xiàn)長期飲用味噌湯可減輕鹽誘發(fā)高血壓伴血管損傷的血壓升高。也正是由于對湯生理功效研究的逐漸深入,對于復(fù)雜體系湯中何種物質(zhì)發(fā)揮了主要作用引起了人們的思考。從中藥湯劑中的膠體體系[5-10]得到啟發(fā),湯中的微納米顆粒(micro/nanoparticles,MNPs)逐漸進(jìn)入人們的視線。研究發(fā)現(xiàn)[11]，在熬煮過程中,河蜆湯中形成了顆粒粒徑在納米范圍之內(nèi)的聚集體,它可以有效促進(jìn)L02肝細(xì)胞的增殖。Ke等[12]的研究表明，當(dāng)過氧化氫自由基誘導(dǎo)劑AAPH攻擊口腔巨噬細(xì)胞時,骨湯中分離得到的微納米顆粒減輕的過氧化自由基誘導(dǎo)的膜超極化作用高達(dá)70%,并且能夠完全抑制線粒體的氧呼吸作用。

目前有關(guān)湯中MNPs的研究主要集中于化學(xué)性質(zhì)、分離以及生理功能等方面。本文主要從湯中的營養(yǎng)成分出發(fā),對湯中的MNPs組成、形成及其可能的形成機(jī)制的研究進(jìn)行概括總結(jié)。

1 湯中的營養(yǎng)與風(fēng)味成分

現(xiàn)階段對湯的研究大部分都集中于它的營養(yǎng)特性以及風(fēng)味成分方面[13-20]?？偟膩碚f,湯中的營養(yǎng)物質(zhì)主要包括脂類、蛋白質(zhì)、多糖、核酸、礦物質(zhì)、維生素以及一些生物活性物質(zhì)(比如:L-肉堿、?；撬帷⒐入赘孰?、鵝肌肽、共軛亞油酸、肌肽等)。

湯中的蛋白質(zhì)、多糖以及核酸等大分子營養(yǎng)物質(zhì)的呈味性能較弱,但是它們都會在湯熬煮過程中水解生成一些小分子的滋味物質(zhì)。如蛋白質(zhì)、多糖、核酸會在熱作用下水解產(chǎn)生游離氨基酸、小分子糖以及核苷酸[21]。其中游離氨基酸:谷氨酸與天冬氨酸呈鮮味;絲氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸呈甜味;異亮氨酸、纈氨酸、精氨酸、亮氨酸、蛋氨酸以及組氨酸等疏水性氨基酸呈苦味。而湯中呈現(xiàn)鮮味的小分子滋味物質(zhì),除了游離氨基酸之外,還包括5′-腺苷酸、5′-肌苷酸、5′-黃苷酸、5′-鳥苷酸等在內(nèi)的呈味核苷酸。在多糖等逐漸水解的過程中,湯的滋味品質(zhì)也慢慢形成。其中小分子糖、糖醇類物質(zhì)都具有一定的甜味,雖然不太明顯,但是它們也能夠在一定程度上增加湯的甜味。至于湯中的咸味主要是由人為添加的NaCl、KCl以及蘋果酸納等構(gòu)成。雖然對于許多食品來講,酸、甜、苦、咸、鮮是我們所熟知的味覺元素,但是有研究表明不同的食品具有不同的滋味特征,其中湯的滋味特征包括鮮味、咸味和甜味。張克田[22]在研究排骨藕湯時發(fā)現(xiàn)鮮味、咸味和甜味是其滋味特征,這意味著人們在品嘗排骨藕湯時鮮味、咸味以及甜味是最明顯的味感。曾清清[23]研究雞骨高湯時也發(fā)現(xiàn)雞骨高湯的滋味特征是鮮味、甜味和咸味。

除了不揮發(fā)性的滋味物質(zhì)之外,揮發(fā)性的氣味物質(zhì)也是影響湯風(fēng)味的主要因素。其中滋味物質(zhì)不僅只是對湯的滋味構(gòu)成有作用,同時還是揮發(fā)性氣味物質(zhì)的重要前體物質(zhì)。比如游離氨基酸會在湯熬煮過程中發(fā)生斯特雷克降解,生成具有香味的小分子醛類。糖類物質(zhì)在湯熬煮過程中會發(fā)生熱降解從而生成呋喃類化合物。同時游離氨基酸還會與小分子還原糖類物質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng),生成吡嗪、吡啶、吠喃酮和噻吩等一系列的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。核苷酸在加熱過程中也會發(fā)生降解,生成核糖與堿基,其中核糖易與氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)生成呋喃類化合物。在湯熬煮過程中,除了滋味物質(zhì)的降解以及相互作用之外,不飽和脂肪酸的熱氧化也是湯中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)形成的另一重要反應(yīng)。脂類物質(zhì)會在湯熬煮過程中經(jīng)過熱作用降解產(chǎn)生幾百種揮發(fā)性化合物,其中酸類是其主要的降解產(chǎn)物,且含有6～10個碳原子的飽和或非飽和酸類對湯的風(fēng)味有重要作用,它們會賦予湯淡淡的果香味。徐紅梅[24]研究加熱對鳙魚湯品質(zhì)影響時發(fā)現(xiàn)，鳙魚湯中的特征性氣味物質(zhì)是由揮發(fā)性的羰基化合物以及醇類物質(zhì)產(chǎn)生的。曾清清[23]研究了雞骨高湯,結(jié)果表明其特征氣味物質(zhì)主要包括烴類、羰基類化合物以及一些雜環(huán)類化合物。李琴等[25]在研究酶解預(yù)處理對蘑菇湯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，蘑菇湯中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主要包括正己醇、5-戊基-2(3H)-呋喃酮、3-甲級丁醛、十六酸甲酯、2-戊基呋喃、吡啶、三甲基吡嗪、甲基吡嗪、二甲基三硫化合物、糠醛、2-戊酮、2,6-二甲基吡嗪、2-乙酰吡咯等化合物。

2 湯熬煮過程中的物質(zhì)遷移

2.1 遷移原理

湯的品種比較繁多,各地區(qū)也會根據(jù)自己的地方飲食特色形成許多風(fēng)味獨(dú)特的湯品,比如淮南的牛肉湯、湖北的排骨藕湯、江西的瓦罐湯、單縣的羊肉湯以及四川的酸辣湯等。不同的湯在制作方法上有所差異,有的湯甚至在制作過程中還有一些獨(dú)特的細(xì)節(jié)和訣竅。但是熬湯的基本原理都可以通過費(fèi)克定律來解釋:原料和水在剛開始加熱的時候,其表層營養(yǎng)物質(zhì)的濃度大于水中的物質(zhì)濃度,此時營養(yǎng)物質(zhì)就會從原料的表層遷移到水中。當(dāng)表層的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水中之后,原料表層營養(yǎng)物質(zhì)的濃度低于內(nèi)層的濃度,從而導(dǎo)致其整個體系中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的不均勻,使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)從原料內(nèi)層向外層遷移,接著再從表層向湯汁中遷移。在熬煮過程中經(jīng)過一段時間的受熱之后,逐漸使原料中的營養(yǎng)物質(zhì)遷移到湯汁中,并達(dá)到浸出的相對平衡,從而形成了相對穩(wěn)定的湯。

2.2 遷移方式

按照湯熬煮時間的長短,人們將湯大致分成高湯以及毛湯。相較于毛湯而言,高湯具有濃度高、口感鮮醇以及能夠增加菜肴的鮮香和濃厚感等優(yōu)點(diǎn)。從物質(zhì)遷移的角度來解釋高湯和毛湯的區(qū)別,即熬煮時間越長,湯中物質(zhì)遷移的完成度越高,MNPs的狀態(tài)也越趨于穩(wěn)定狀態(tài)。通俗來講,物質(zhì)從原料遷移到湯中,它并不是一次性全部“灌入”湯中,不同的物質(zhì)遷移到湯中的時間點(diǎn)也會有所不同。研究表明,湯熬煮過程的物質(zhì)遷移主要分為三個階段。

第一個階段主要是原料中的水溶性物質(zhì)遷移進(jìn)入湯里,比如水溶性蛋白、礦物質(zhì)、維生素、多糖、核苷酸、游離氨基酸等,其中又以水溶性蛋白、多糖、核苷酸為主。

第二階段的溶出物主要是水溶性蛋白、多糖等,甘油三酯和脂肪酸在這一階段也開始慢慢地遷移到湯中。

第三個階段主要是甘油三酯、水溶性蛋白以及多糖從原料遷移到湯中。此時金屬離子(如Mg2+、Ca2+、Fe3+等)可能會因?yàn)楣簿鄢恋矶鴱臏蟹蛛x。

祿彥科[26]研究發(fā)現(xiàn)在豬骨湯的熬煮過程中蛋白質(zhì)、多糖以及一價(jià)金屬元素的遷移率基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系;核酸的遷移率呈現(xiàn)前快后慢的特點(diǎn);脂類的遷移過程則恰好與核酸相反,其遷移率呈現(xiàn)先慢后快的趨勢,并與顆粒數(shù)量的増加呈現(xiàn)正相關(guān);而隨著熬煮時間的延長,湯中多價(jià)金屬離子的含量則呈現(xiàn)先升后降的趨勢。徐紅梅[24]在對鳙魚湯進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，加熱過程中鳙魚湯中蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的溶出量是隨著溫度的升高和熬煮時間的延長而增加的,湯在熬煮兩小時后其中的營養(yǎng)物質(zhì)溶出基本達(dá)到平衡。蔣靜[14]對鯽魚湯的研究表明在熬煮的過程中,魚湯中的固形物、總糖、粗蛋白以及水溶性蛋白含量不斷增多,其中糖類物質(zhì)的溶出較快;并且在高壓熬煮階段,魚骨中礦物質(zhì)向肉中溶出速率最快,肉質(zhì)的灰分含量顯著增加。鄶鵬[27]的研究表明隨著加熱熬煮時間的延長,雞湯中的總糖、蛋白等含量的增加速率逐漸減緩。其原因是在高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下,肉中的總糖逐漸溶到湯中，促進(jìn)了湯中總糖含量的增加,但隨著肉中糖類含量的降低,溶解到湯中的含量隨之越來越低。同時,一部分糖類在高溫下參與美拉德反應(yīng)或者自身進(jìn)一步發(fā)生降解反應(yīng)形成新的化合物,從而使總糖含量的增加量呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢。

3 湯中的微納米膠粒

與牛奶相似,在湯中能夠觀察到膠體系統(tǒng)的標(biāo)志性丁達(dá)爾效應(yīng)[28],因此湯也可以看作是一種膠體溶液,其中的水為分散介質(zhì),蛋白質(zhì)、糖類、脂類等物質(zhì)和各種離子單獨(dú)存在或者以結(jié)合體的形式存在于水中,就是分散相。作為一種沸水提取物,營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湯中不僅僅是一個簡單的浸提過程。食品原料是一種多相分散系統(tǒng),它通常含有大量的兩親化合物,在加工中會受到各種結(jié)合力的影響(例如加熱、提取和均質(zhì)化),通過共價(jià)和非共價(jià)相互作用,分子間會產(chǎn)生大量的自組裝膠體顆粒,其尺寸分布范圍從微米到納米,即微米/納米顆粒。祿彥科[26]在研究豬骨湯時發(fā)現(xiàn)骨湯熬煮過程有微納米膠粒的生成,并且膠粒的組分是骨湯固形物的主要組成部分,其中主要的成分是蛋白質(zhì)(如骨膠原)、多糖、脂類以及核苷酸等兩性分子?？子矜肹29]利用尼羅紅染色光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察研究骨湯時發(fā)現(xiàn),骨湯中有大量的相互粘連顆粒的存在并且它們之間能夠形成較大的聚合體。對其粒徑分布以及化學(xué)成分進(jìn)行更加深入的研究,結(jié)果表明骨湯的成分分子主要是以聚集物的狀態(tài)存在,而脂類、多糖、蛋白質(zhì)等都是聚集物的組成成分。

與其它合成MNPs相比,源自湯的MNPs代表著更加復(fù)雜的膠體系統(tǒng),在形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)上也表現(xiàn)出很大的差異,導(dǎo)致難以闡明它們的自組裝機(jī)制。目前有關(guān)于湯中MNPs分子的自組裝機(jī)制主要有兩種,但是鑒于湯中復(fù)雜性給自組裝的研究帶來了極大的困難,因此模擬單純的物質(zhì)之間的聚集來進(jìn)行一個闡述。這兩種聚集過程包括:同種大分子之間的聚集、不同大分子之間的聚集。

3.1 同種大分子之間的聚集

蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性一方面取決于其分子間或是分子內(nèi)的疏水作用、鹽鍵、氫鍵以及范德華力等次級鍵的作用,而另一方面則取決于肽鏈內(nèi)二硫鍵的作用。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)從原料遷移到湯中時,在熱的作用下,其高級結(jié)構(gòu)會發(fā)生去折疊。蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)在受到了破壞之后,其分子表面結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變化,主要表現(xiàn)為蛋白表面親水基團(tuán)的相對減少。同時原本位于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)也會大量暴露在其分子的表面,使得蛋白質(zhì)不能與水相溶而失去水膜的保護(hù)。從而比較容易引起蛋白質(zhì)分子間的相互碰撞并且纏結(jié)、解離或者聚合,形成可溶性的MNPs,即為蛋白質(zhì)熱聚集。蛋白質(zhì)的熱聚集一般是由疏水作用、氫鍵、范德華力、靜電作用以及共價(jià)鍵等作用力所驅(qū)動。

β-乳球蛋白(β-lactoglobulin,β-Lg)是脂質(zhì)運(yùn)載蛋白家族中的一種以二聚體形式存在的球形蛋白[30]。對于食物蛋白而言,特別是β-Lg的聚集行為的研究最為廣泛,其聚集的機(jī)制也是最清晰的。如圖1所示,首先β-Lg分子經(jīng)加熱后發(fā)生解聚,以單體的形式存在,蛋白發(fā)生去折疊之后會形成一種柔性的結(jié)構(gòu),位于蛋白分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)以及巰基等會暴露在分子的表面,從而蛋白質(zhì)之間發(fā)生相互作用。初期,具有小分子量的寡聚體主要是通過二硫鍵的連接而形成的。當(dāng)寡聚體濃度超過臨界濃度時,形成相對單分散的聚集體,可稱為初級聚集體。臨界結(jié)合濃度是隨著離子強(qiáng)度的增大以及體系pH的減小而減小,所以形成的初級聚集體粒徑較大。在pH5.8時,中性條件加熱后β-Lg形成了水力學(xué)半徑高達(dá)150 nm的近似球形的初級聚集體,這種聚集體是不規(guī)則的。如果蛋白質(zhì)的濃度較高,這些初級聚集體還可以進(jìn)一步形成尺度更大的多分散聚集體。

圖1 β-蛋白無定形熱聚集示意圖[31]Fig.1 Schematic diagram of amorphous heat accumulation of β-protein

Donato等[32]報(bào)道較高溫度處理β-Lg之后所得聚集體的水力學(xué)半徑較大,且其單體蛋白轉(zhuǎn)化為聚集體的數(shù)量較多。王立楓等[33]研究的結(jié)果表明,在牦牛乳清中α-乳白蛋白與β-Lg的熱聚合反應(yīng)中,當(dāng)加熱溫度高于β-Lg的變性溫度時會有蛋白的聚合現(xiàn)象產(chǎn)生,而β-Lg在該反應(yīng)中起到了主導(dǎo)地位。Corredig M等[34]研究熱誘導(dǎo)牛奶中乳清蛋白和酪蛋白相互作用的機(jī)理時發(fā)現(xiàn)在一定的加熱條件下,牛奶中的乳清蛋白之間會發(fā)生相互作用,從而形成多種具有可溶性的復(fù)合物。并且該復(fù)合物在熱誘導(dǎo)的過程中,參與了α-乳白蛋白和β-Lg進(jìn)一步與酪蛋白的反應(yīng),是該反應(yīng)的中間體。

3.2 不同大分子之間的聚集

湯中的蛋白質(zhì)、脂類、多糖會在熱作用下分解成小分子滋味物質(zhì)的過程需要一定的時間,那么在它們分解釋放出小分子物質(zhì)之前,共存于湯中的它們之間會產(chǎn)生怎樣的相互作用呢？一個常見的例子就是脂肪酸的烴鏈和可溶性蛋白質(zhì)的疏水部分之間會發(fā)生相互作用從而結(jié)合在一起。這種相互作用是通過將膜蛋白錨定在磷脂雙分子膜上,從而形成細(xì)胞膜通道的驅(qū)動力[35]。然后通過類似的機(jī)制,兩親分子就會在湯中形成超分子復(fù)合物。

3.2.1 蛋白質(zhì)與脂肪酸以及脂溶性維生素之間的相互作用 在蛋白質(zhì)相互作用中提到過,作為脂質(zhì)運(yùn)載蛋白家族中的一員,β-Lg的聚集是目前研究的比較透徹的。除了與其它蛋白之間的作用之外,β-Lg因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的配體結(jié)合能力,也特別容易和脂溶性維生素以及脂肪酸結(jié)合[36]。其結(jié)合脂溶性維生素和脂肪酸的結(jié)構(gòu)區(qū)域的具體位置經(jīng)過圓二色譜、原子吸收光譜和分子模型預(yù)測等技術(shù)得到了進(jìn)一步的明確,這兩種分子與β-Lg的結(jié)合部位不在同一位置,脂溶性維生素及脂肪酸的結(jié)合區(qū)域分別位于β-Lg分子內(nèi)部的疏水孔穴以及表面的疏水裂縫。也正是這種特殊結(jié)合部位使得β-Lg對脂溶性維生素及脂肪酸具有較強(qiáng)的結(jié)合能力,并且β-Lg除了可以與脂溶性小分子結(jié)合之外,還能夠促進(jìn)這些物質(zhì)的吸收[37]。

對β-乳球蛋白與脂肪酸的研究主要分為三個方面:

a. 與脂溶性的小分子物質(zhì)自主結(jié)合對其的影響。Barbiroli等[38]發(fā)現(xiàn)在β-Lg與軟脂酸自主結(jié)合之后,其對酶水解的抵抗能力有所提高,隨之提高的還有對熱和離液劑所引起變性的抵抗能力。

b. 與β-Lg自主結(jié)合對脂肪酸的影響。Maux等[39]的研究結(jié)果表明亞油酸鹽與β-Lg自主結(jié)合之后能夠減少細(xì)胞的毒性。

c. 改性的β-Lg對自主結(jié)合作用的影響。Maux等[39]研究熱變性后的β-Lg與軟脂酸鹽的自主結(jié)合時發(fā)現(xiàn),它們之間的締合常數(shù)會增加。

3.2.2 蛋白質(zhì)與多糖之間的相互作用 蛋白質(zhì)和多糖通常都是多分散性的,由于連接在主鏈上不對稱分布的帶電基團(tuán),大部分蛋白質(zhì)和多糖屬于聚合電解質(zhì)甚至聚兩性電解質(zhì)。不同條件下,兩者在水溶液中的表現(xiàn)形式主要有不相容、絡(luò)合以及共溶[40]。但是由于蛋白質(zhì)和多糖在湯中的濃度較低,并且加熱會增加湯體系中的熱力學(xué)活力,此時湯中的混合熵占據(jù)著主導(dǎo)地位,因此蛋白質(zhì)和多糖在湯中會結(jié)合生成可溶性的MNPs。

糖基化(glycosylation)是蛋白質(zhì)翻譯后一種最常見的修飾類型。它發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng),在糖基轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶的共同調(diào)控下,糖類通過共價(jià)結(jié)合的方式連接到蛋白質(zhì)的特定位點(diǎn),形成糖蛋白[41]。Zhou等[9]的研究表明湯中MNPs的形成中起到關(guān)鍵性的作用。蛋白質(zhì)糖基化可以改變蛋白質(zhì)的疏水性及其二級結(jié)構(gòu),并且還能夠提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性和抑制蛋白質(zhì)的熱聚集。Chun-Li Song等[42]研究了在加熱條件下使大豆蛋白質(zhì)糖基化后與原大豆蛋白相比較高的乳化穩(wěn)定性和水溶性。劉穎等[43]研究南極磷蝦蛋白的糖基化,其結(jié)果表明，隨著加熱時間的延長，南極磷蝦糖基化蛋白的溶解性和吸油性得到了很好的改善。Jackson等[44]的研究表明糖結(jié)合在蛋白質(zhì)上能夠防止?jié)舛仍?0 mg/mL以下的β-酪蛋白的聚集。

4 展望

湯中MNPs的形成是湯具有生理功效的可能原因之一,對湯中MNPs形成機(jī)制的研究還較少。但是作為湯功效的一個“執(zhí)行者”,MNPs在湯中的形成機(jī)制需要進(jìn)行更加深入的研究。大量的研究表明二十碳五烯酸(EPA)以及二十二碳六烯酸(DHA)具有抗氧化、抗炎等生理功能。但是湯中所含的EPA和DHA等物質(zhì)在進(jìn)行了納米自組裝之后,其形成的MNPs是否保留了抗氧化等生理功能的研究仍然是一片空白,這也是接下來需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。湯中微納米顆粒的形成需要多糖、脂類以及蛋白質(zhì)等熱穩(wěn)定的分子作為“參與者”。這些分子在人體中的生物利用度各有所不同,那么MNPs的形成,是否會對多糖/脂類以及蛋白等物質(zhì)在人體中的生物利用度有所影響等問題都亟需解決。