食品界

西南大学张宇昊教授：干磨和湿磨制备猪皮功能蛋白粉的评估：优越性能和功能的潜在机制

西南大学食品科学学院陈海副教授（第一作者）、张宇昊教授（通信作者）等研究了两种猪皮功能蛋白粉（functional protein powder，FPP）的绿色制备方法，即干燥研磨法（drying-grinding method，DGM）和湿润研磨法（wetting-grinding method，WGM），并系统地研究了蛋白质粉的化学组成、结构、性能、稳定性和功能性。猪皮是一种天然的“清洁标签”原料，可以直接作为添加剂处理使用。将不易携带的大块猪皮，在保持其功能的同时，加工成方便使用的粉末，对于食品工业化具有极其重要的意义。这项工作阐明了在制备FPP过程中促使其具有优异性能的潜在关键因素。此研究为猪皮FPP的制备提供了一种有效的方法，并有助于猪皮作为天然“清洁标签”添加剂在食品工业中的应用。

Introduction

近年来，生活方式的改变增加了消费者对新型健康食品的需求，消费者对特殊食品成分或食品添加剂的健康风险认知也逐渐提高。有调查显示消费者更喜欢没有添加剂和含有天然添加剂的食品。随着消费者对更健康食品的需求不断增加，天然食品添加剂或配料的制造正逐渐成为研究重点，新型“清洁标签”食品的开发亦受到关注。

在生产肉制品的过程中会产生大量的猪皮副产品，其成分主要由蛋白质分子组成，其中胶原蛋白占87%以上。胶原蛋白由3 条平行的α链超螺旋产生的右旋三螺旋，每条α链都含有大量的Gly-X-Y重复氨基酸序列。胶原蛋白已被广泛用作添加剂，然而从动物皮肤中提取或制备胶原蛋白通常需要使用酸性或碱性试剂，以及损失营养成分，与“清洁标签”的概念不一致。猪皮是可食用的，还可以直接用作食品工业中的添加剂。研究表明，猪皮可以直接作为添加剂处理使用，同时也满足了消费者对“清洁标签”需求。然而，猪肉皮通常以大块的形式存在，不适合直接使用。因此，当猪皮用作天然成分或添加剂时，加工成保留功能、方便使用的粉末，对于食品的工业化具有极其重要的意义。

Results and Discussion

猪皮FPP的化学成分和外观

测定水分、灰分、蛋白质、脂肪和胶原蛋白的含量以探究DGM（FPP 40, FPP 55,和FPP 70）和WGM（FPP 160和FPP 190）制备的猪皮FFP的化学成分。如表1所示，所有猪皮FPP样品的化学成分相同，但含量不同。蛋白质是主要组成成分，质量分数为91%～95%，其中大多数蛋白质被确定为胶原蛋白（超过79%），且由DGM方法制备的FFP中的胶原蛋白含量略低于WGM制备样品。此外，可以观察到FPP的脂肪含量可以降低到3%以下。

表1 猪皮FPP的化学成分

注：同列小写字母不同表示组间差异显著（P＜ 0.05）。下同。

图1 A、B展示了不同方法制备的FFP的外观，发现DGM和WGM制备的FPP有明显的差异。DGM制备的猪皮FPP呈现出米色且不容易结块。相反，WGM制备的猪皮FPP是白色的，且易于聚集。此外，与DGM制备的样品相比，WGM制得的蛋白质粉末粒径更小。

（A）DGM制备的FPP；（B）WGM制备的FPP；（C）FPP不同阶段在水中的分散状态。

图1 不同方法制备的FFP的外观及分散性

猪皮FPP分散性的评价

图1C展示了FPP在水中分散的状态。所有猪皮FPP样品的溶胀度都随着浸泡时间的延长而增加，表明其具有良好的吸水能力。然而，WGM制备的FPP样品（FPP 160和FPP 190）在溶胀后显示出明显的团聚结块，并且样品不能分散在水中。相反，FPP 40、FPP 55和FPP 160逐渐分散在水中。在磁力搅拌后，DGM制备的FPP样品在冷水中几乎均匀分散，而WGM制备FPP样品仍然结块紧密，不能分散在水中。经过玻璃棒搅拌后，FPP 160和FPP 190的团块变小，但仍然不能完全分散在水中。此外，在温度变化下，DGM和WGM制备的FPP样品的分散性能没有显著差异。

为评价猪皮FPP的流动性，测量FPP样品的堆积密度和振实密度，并计算Hausner' ratio（HR）和Carr' index（CI）。结果如图2所示，DGM制备的FPP样品的堆积密度显著高于WGM制备的FPP样品（P＜0.05），表明DGM制得的蛋白粉之间的间隙体积小。振实密度的数据也显示出相似的趋势。此外，FPP 55和FPP 70的HR和CI略小于其他样品，表明其具有良好的流动性和较弱的颗粒间附着力。

（A）FPP的堆积密度和振实密度；（B）FPP的保水性和保油性。

图2 不同方法制备的FFP的堆积密度、振实密度、保水性和保油性

猪皮FPP的保水、保油性能结果

保水性表示保留水分子的能力，是猪皮FPP在实际应用中的最重要特征之一。图2B可以观察到DGM制备的FPP的保水性显著低于WGM样品（P＜0.05）。此外，DGM样品的保水性随着温度的升高而增强。这种现象可能与额外的亲水基团的暴露有关，亲水基团可以促进水分子的结合。WGM样品的保水性结果显示FPP 160＞FPP 190。

保油性也是FPP的一个重要指标，可以评估蛋白质分子与油分子的结合能力，以反映风味保持能力。根据结果可知，制备方法和工艺参数对保油性的影响与保水性相似。所有的FPP都表现出良好的保水和保油能力，且WGM制备的FPP的保水、保油性略高。

质构特性分析结果

FPP是制备凝胶产品的重要原料之一。为评价制备方法对FPP样品凝胶质量的影响，制备了FPP凝胶并测定了其质构特性。结果如图3所示，DGM制备的FPP的硬度、咀嚼性和内聚力值均显著高于WGM样品（P＜0.05），这意味着FPP 40、FPP 55和FPP 70的质构特性显著优于FPP 160或FPP 190。根据化学成分分析，与WGM相比，DGM制备的FPP的胶原蛋白含量略低。然而，FPP 40、FPP 55和FPP 70的质构性能反而更好。此外，所有样品都显示出优异的弹性，表明在初始压缩后凝胶的恢复程度很高。

（A）硬度；（B）咀嚼性；（C）内聚性；（D）弹性

图3 FPP凝胶的结构特性分析

FPP的微观形态FP

使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）进一步研究猪皮FPP的微观形态。由图4可以发现，DGM制备的FPP的颗粒形状呈现出不规则和碎片状的形态。与WGM制备的FPP相比，DGM制备FPP粒径较大。FPP 160和FPP 190表现出表面凹陷的球形，并且相邻的FPP颗粒倾向于彼此聚集以产生更大的团簇。这一结果与光学观察结果一致，同时也解释了两种FPP在色散特性上的差异，由于DGM制备的片状蛋白粉末表面光滑，在水中溶胀后更容易分散。相反FPP 160或FPP 190球形蛋白之间的分子间结合使它们形成大的聚集体，可以抑制吸水和溶胀，从而导致较差的分散性。

（A）DGM；（B）WGM

图4 SEM图像结果

SDS-PAGE结果

使用SDS-PAGE实验进一步探索制备方法对猪皮FPP蛋白组成的影响，并研究这种优异性能和功能的潜在机制。两种方法制备的FPP样品在SDS-PAGE中的蛋白带组成明显不同，表明制备方法会影响猪皮FPP的一级结构。DGM制备的FPP中可以观察到分子质量接近200、120 kDa的3 条蛋白质带，表明FPP样品主要由胶原的α₁链、α₂链和β链组成。WGD样品的SDS-PAGE结果显示分子质量为200 kDa的蛋白质带消失，并且观察到分子质量低于100 kDa的部分蛋白质带。这些结果表明，大部分胶原β链被分解成小分子组分。此外，随着温度的升高，部分α链也会发生降解。

泳道M：蛋白质标记及其相应的分子量。

α链和β链条有箭头标记。

图5 不同方法制备的FPP的SDS-PAGE分析结果

FPP的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

为进一步探讨制备方法对猪皮FPP固有三螺旋结构的影响，采用FTIR测试。结果显示，在酰胺A带中，FPP 40、FPP 55和FPP 70的特征峰分别出现在3 281 cm^–1处，FPP 160和FPP 190的特征峰则分别出现在2 286cm^–1和3 285 cm^–1。FPP 40、FPP 55和FPP 70在酰胺B带中的特征峰出现在2 924 cm^–1、2 925 cm^–1和2 924 cm^–1处，而FPP 160和FPP 190的特征峰则出现在强度较低波段2 928 cm^–1处。

在酰胺II带中，FPP 160和FPP 190的特征峰位置出现在1 528 cm^–1和1 526 cm^–1处，而FPP 40、FPP 55和FPP 70的特征峰位移动到较低波数1 520 cm^–1。酰胺III带，FPP 40和FPP 55的特征峰波数分别为1 231 cm^–1，FPP 70的特征峰的波数为1 229 cm^–¹；FPP 160和FPP 190的特征峰波数分别为1 238 cm^–1和1 237 cm^–1。

酰胺III带与1 450 cm^–1处峰值之间的吸光度值之比可以反映胶原三螺旋结构的完整性。比例接近1.0时，胶原蛋白的三螺旋结构可以得到很好的保持。经计算，FPP 40、FPP 55和FPP 70的比值分别为0.841 9、0.832 9和0.846 1。FPP 160和FPP 190的比值分别为0.686 9和0.097 4。可以明显看出DGM制备的FPP样品的比例均高于0.83，而WGM制备FPP样品比例低于0.7。

图6 DGM和WGM制备的FPP的红外光谱分析结果

差示扫描量热法（DSC）分析

良好的热稳定性非常重要，有利于FPP在食品加工过程中的应用。对所有样品进行DSC分析评估所制备的FPP的热稳定性。对于DGM制备的FPP，解链温度随着干燥温度的升高而逐渐升高。经190 ℃喷雾干燥湿磨制备的蛋白质粉末样品的解链温度低于160 ℃干燥的样品。根据红外光谱分析结果，尽管FPP 190中胶原的三螺旋结构比FPP 160更完整，但可能三螺旋结构内的分子间作用力被大程度地破坏，从而导致其热稳定性降低。基于以上结果，FPP 55、FPP 70和FPP 160具有更好的热稳定性。

图7 DGM和WGM制备的功能蛋白粉的DSC图谱

Conclusion

本研究通过DGM和WGM制备猪皮FPP，并对制备方法的性能、稳定性和功能性进行了系统比较，阐明了产生优异性能和功能的潜在机制。结果表明，FPP的制备方法对其化学组成影响不大，但DGM制备的FPP具有较好的流动性和水分散性，且凝胶的织构性能优于WGM制备结构分析表明，DGM制备的FPP的优异性能与保留胶原的α链和β链及其三螺旋结构高度相关。因此，DGM生产的FPP更适合作为“清洁标签”添加剂在食品工业中的应用。此外，对于DGM，在较低温度下干燥时间较长可能导致胶原有序结构的破坏。总体来说，这项工作提供了干燥研磨是一种绿色制造方法，是制备猪皮功能蛋白粉的有效方法，并有助于其作为天然“清洁标签”添加剂在食品工业中的应用。

Abstract

The concept of healthiness and sustainability have triggered consumers into choosing healthier food, especially “clean-label” products. Porcine skin is a natural “clean-label” raw material, and direct usage of whole pork skin as an additive has been proven as an efficient way to deal with the by-product issues and also satisfies the “clean label” demands of consumers. However, efficient approaches to convert bulk skin into handy powders in a green-fabrication manner while maintaining its unique properties have yet to be fully investigated. Herein, we provided two green approaches, drying-grinding, and wetting-grinding, to prepare pork skin functional protein powder (FPP), and their chemical composition, structure, properties, stability, and functionality are systematically investigated. Specifically, FPP prepared by two methods exhibit similar chemical composition and great thermal stability. Notably, FPP prepared by drying-grinding method is superior in flow ability, water dispersion, and texture properties of FPP gels as compared to wetting-grinding method. Structural analyses revealed that the superior properties of FPP prepared by drying-grinding method depend on the intrinsic natural triple helix structure of collagen. Overall, this work revealed the underlying key factors for the preparation of FPP with excellent properties, and highlighted that the FPP prepared by drying-grinding method is more suitable for practical application as “clean-label” additives in the food industry.

专家及作者介绍

张宇昊 教授

西南大学食品科学学院

教授，博士生导师，西南大学食品科学学院院长，丹麦哥本哈根大学访问学者，国家神农青年英才，重庆市高等学校优秀人才，重庆市科学技术带头人（后备人选）等人才计划入选者；中国食品科学技术学会理事，中国畜产品加工研究会理事，中国食品科学技术学会预制菜分会常务委员，重庆市农产品加工业技术创新联盟理事长，重庆市食品工业协会副理事长，重庆市农产品加工协会专家委员会主任，重庆市水产学会常务理事，川渝共建特色食品重庆市重点实验室主任，国际期刊Food Science of Animal Products副主编，《中国食品学报》《食品科学》《食品工业科技》等期刊编委。主要从事动物源食品蛋白高值利用方面研究，近5 年，以通讯作者发表高水平学术论文100 余篇，其中ESI高被引论文9 篇，封面论文5 篇。授权国家发明专利20余项；获得中国食品科学技术学会杰出青年奖，中华农业科技奖科学研究成果一等奖，重庆科技进步二等奖，全国商业科技进步特等奖等奖项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，国家重点研发计划子课题，重庆市技术创新与应用发展专项重点项目，重庆市基础科学与前沿技术研究重点项目等项目30余项。

陈海副教授

西南大学食品科学学院

西南大学食品科学学院副教授，重庆市科技特派员，国际SCI期刊Foods客座编辑。主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中央高校基本业务费项目（博士启动项目）等项目。在Food Chemistry、Food Hydrocolloids、Journal of Colloid and Interface Science、Chemical Communications、Nature Communications等期刊上发表论文30 余篇，其中，封面论文1 篇。由国家知识产权局授权发明专利一项；参与编写英文专著Mineral Containing Proteins: Roles in Nutrition。Critical Reviews in Food Science and Nutrition，Journal of Agricultural and Food Chemistry, Journal of Industrial and Engineering Chemistry等期刊审稿人。研究方向：1.食品蛋白质资源综合利用；2.蛋白质化学与营养因子递送；3.食源蛋白质自组装及其机制探究。