参膏入水松花绿——皮蛋的奥秘_彭梓欣.pdf

Univ.Chem.2023,38(4),143150 143 收稿：2022-10-04；录用：2022-11-29；网络发表：2022-12-30*通讯作者，Email: 化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202210001 参膏入水松花绿皮蛋的奥秘参膏入水松花绿皮蛋的奥秘 彭梓欣，钟瑞芹，王政杰，江洪*华中农业大学理学院化学系，武汉 430070 摘要：摘要：皮蛋，又称松花蛋，是我国一道家喻户晓的美食，历经数百年发展，工艺不断改进，现已成为我国蛋品行业的重要品种。皮蛋腌制从鲜鸭蛋出发，经历化清、凝固、转色、成熟四个阶段。本文以化学人的视角，阐明皮蛋形成原理，利用鸭蛋清和氢氧化钠、鸭蛋清与单宁酸以及L-精氨酸与D-葡萄糖反应，结合可视化和仪器检测手段展示皮蛋形成过程中的化清、凝固、转色等关键过程中的化学原理，利用镁试剂颜色变化验证了松花中含有氢氧化镁，同时设计了趣味性互动方案，通过常用厨房用品，读者可自己动手探究这些变化，旨在激发读者探索化学的兴趣，增加对中华民族传统美食的热爱。关键词：关键词：皮蛋；化清；凝固；美拉德反应；镁试剂 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Ginseng Paste in Water with Pine Flower Green:The Mystery of Preserved Eggs Zixin Peng,Ruiqin Zhong,Zhengjie Wang,Hong Jiang*Department of Chemistry,School of Science,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China.Abstract:The preserved egg,a well-known food in China,has become a key part of Chinas egg industry after hundreds of years of development and improvement.After pickling,fresh duck eggs are subjected to thinning,solidification,color transformation,and maturation during preservation.The chemical principles of the four stages of preserved egg formation were illustrated by the following tests:duck egg white with sodium hydroxide,duck egg white with tannic acid,and L-arginine with glucose to simulate chemical changes by combining visualization and instrumental detection.The color change of magneson was used to verify that the pine flower contained magnesium hydroxide.Additionally,an interesting interactive program was designed to stimulate readers to explore chemistry and enhance their love of traditional Chinese cuisine.Key Words:Preserved eggs;Thinning;Solidification;Maillard reaction;Magneson 皮蛋是我国一道独有的传统美食，因其蛋清表面常分布有松花状白色结晶，又名松花蛋。皮蛋由纯碱、生石灰、食盐、红茶末、氧化铅等配制的碱性料泥腌制而成。其蛋清呈墨绿色凝胶状、半透明、有弹性；蛋黄呈红褐色、茶色、暗绿等多色彩。皮蛋具有特殊的辛辣味和咸香味，具有清凉解毒、助酒开胃的功效。皮蛋腌制过程不仅不会破坏蛋中原有的营养物质，反而有利于蛋白质分子降解为易吸收的小分子肽，而且料泥中的矿物质可向蛋清、蛋黄渗透，因此，相较于原料蛋，皮蛋的营养价值更高。144大 学 化 学Vol.38通常认为，皮蛋的形成经历了化清、凝固、转色、成熟四个阶段1。鲜蛋入缸后，随碱液不断渗入，蛋白质发生变性，高级结构被破坏，释放出结合水，浓稠蛋白变为稀状水溶液，此即化清。随着变性加剧，蛋白质的三级和二级结构被破坏，亲水基团不断暴露，在大量自由水存在下，通过氢键重新交联为凝胶态，此即凝固。若碱液渗入过多，肽链会部分降解，凝胶会再次化清，成为“烂头”蛋，称为“碱伤”。在碱性条件下，当皮蛋内还原糖与蛋白质的氨基缓慢发生美拉德褐变反应时，蛋清逐渐呈现墨绿色，同时蛋内金属离子与富硫氨基酸不断络合，蛋黄逐渐呈现红褐色，此即转色。通过上述一系列复杂的化学反应过程，鲜蛋最终形成皮蛋。本文以化学人的视角，设计了一系列实验，展示皮蛋形成过程中的化清、凝固、美拉德反应着色等过程，探究其化学原理，同时探索了皮蛋松花的主要成分，并提出了改善皮蛋碱伤的方法。本文一方面表明食品与化学学科学科交叉性强，体现了化学知识在食品加工过程中的重要性，另一方面本文也为化学及食品等各专业学生的创新设计性实验提供借鉴，中小学生也可以通过利用厨房用品动手参与部分实验，通过身边的科学案例激发他们对化学的学习兴趣。1 实验部分实验部分 1.1 实验原理实验原理 皮蛋的形成本质上就是碱诱导蛋清蛋白质的凝胶化2，即化清-凝固过程。在化清阶段，随着碱液不断渗入，高级结构开始变得松散，蛋白质分子内部结构开始暴露，原本被束缚的水释放出来，浓稠蛋白变为稀状液，此之谓化清。随着碱液进一步渗入，-螺旋、-折叠变得伸展，大量的亲水基团暴露出来，多肽链的吸水性大大增强，蛋白质重新形成凝胶结构，此之谓凝固。在此复杂过程中，最直观的就是蛋清黏度的变化，监测反应过程中蛋清黏度的变化，可验证皮蛋形成过程中经历了化清与凝固过程。美拉德反应又称非酶褐变，蛋白中氨基酸暴露后与蛋清中的羰基化合物(还原糖类)反应，经过复杂的历程最终生成棕色甚至是黑色的大分子物质。具体反应分三个阶段：首先氨基酸与还原糖缩合，继而形成Amadori重排产物(图1)，最后Amadori重排产物发生Strecker降解(图2)。控制碱液的浓度是皮蛋生产的关键。过低的浓度难以诱导化清与凝固的发生。过高的碱液浓度会使已经凝胶化的蛋白再次化清，蛋白质不能有效凝固，产生碱伤。传统皮蛋生产中通过添加PbO，使之发生一系列复杂的化学反应，生成PbS封堵蛋壳上的气孔，可避免碱液的过多渗入，避免碱伤。但Pb是重金属元素，严重危害身体健康，故需要发展无铅皮蛋生产工艺，如热处理工艺3,4、Zn-Fe盐复配工艺等5。热处理是利用了蛋白质热变性，对碱伤清化的蛋白进行加热，使之重新凝固。该法可有效避免重金属离子的添加，但需要严格控制温度与处理时间，对工艺要求较高，且热凝固的蛋 图图1 Amadori重排机理重排机理 No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202210001 145白不再具有很好的透明凝胶外观，口感亦下降。Zn-Fe盐复配是通过形成ZnS、FeS等封堵蛋孔，类似PbS的封堵气孔原理。但FeS、ZnS封堵作用弱于PbS。有没有工艺简单且无需添加金属离子的皮蛋制作工艺呢？我们注意到，在居家皮蛋制作工艺中，红茶末是腌料中常见的组分。一般认为，红茶中的色素物质会渗入到皮蛋中，改善着色。事实上，红茶中含有单宁6，可促进蛋白凝聚。因此，我们认为添加适量单宁酸有利于改善碱伤，避免使用重金属离子。松花的形成是皮蛋加工过程中的有趣现象，研究表明镁离子浓度与松花的形成有正相关性7。松花主要成分可能是Mg(OH)2水合晶体，Mg2+主要来源于蛋壳和蛋膜，在浸泡的过程中，Mg2+部分溶解并生Mg(OH)2，附着在蛋清表层。镁试剂I可与Mg(OH)2形成亮蓝色络合物，可用于检测Mg(OH)2。1.2 试剂与材料试剂与材料氢氧化钠，L-精氨酸，葡萄糖，无水乙醇，单宁酸，镁试剂I均为国药分析纯，鸭蛋和味精为市售。1.3 仪器和设备仪器和设备圆底烧瓶，玻璃棒，磁子，磁力搅拌器，AL204电子天平，恒温ZNCL-B磁力搅拌器，DV2T旋转式粘度计。1.4 实验步骤实验步骤 1.4.1 蛋清的化清与凝固蛋清的化清与凝固 1.4.1.1 肉眼观察蛋清的化清肉眼观察蛋清的化清 取2支试管编号为1，2。分别加入27 mL鸭蛋清。1号试管滴加9滴pH=9.7的氢氧化钠，为实验组；2号试管为空白对照组，只加等量的去离子水。静置5 min后将两支试管倾斜45，观察蛋清流动情况。再向1号试管中继续补加16滴pH=9.7的氢氧化钠溶液，静置5 min后将两支试管倾斜45，观察比较两支试管中蛋清流动性情况。1.4.1.2 蛋液化清蛋液化清-凝固阶段的粘度变化凝固阶段的粘度变化 1)粘度计及参数设定：采用DV2T旋转式粘度计，选择ULA(0)型号转子。温度为25 C，转速25 rmin1，扭矩控制在10%90%，测试时间60 s。2)取27 mL鸭蛋清，滴加6滴去离子水，连续测定三次该蛋清粘度，取平均值。此平均值即为对照组的粘度。3)向27 mL蛋清中加入6滴NaOH(pH=9.7)溶液，轻微震荡，使蛋液与NaOH充分反应，静置10 min，连续测定三次粘度，取平均值。继续补加3滴NaOH(pH=9.7)溶液，静置10 min，然后连续 图图2 Strecker降解机理降解机理 CH2CHCOHHNROHCOHNHR降解CHCCHHCNH2OHOH+H2OCHCCH2HCOOCHCCHCHOOH2OH2OHOCH2OHC(CHOH)n-2O还原酮H3COOH3COCH3OH3COH2COOH胺胺HMF胺胺OHCHCHCOHHNROHHCOHOHCH2CCOHHNROHHCOHCH2CCOOHHCOHCH3CCOOHCOHCH3CCOHOCOH146大 学 化 学Vol.38测定三次粘度，取平均值。然后继续滴加7滴NaOH(pH=9.7)溶液，静置10 min，然后连续测定三次粘度，取平均值。1.4.2 美拉德反应美拉德反应 1.4.2.1 D-葡萄糖与葡萄糖与L-精氨酸的美拉德反应精氨酸的美拉德反应 分别称取约0.41 g D-葡萄糖(2.3 mmol)、0.40 g L-精氨酸(2.3 mmol)及30 mL去离子水于100 mL圆底烧瓶中，烧瓶置水浴电磁搅拌装置中回流加热，观察烧瓶中溶液颜色的变化。1.4.2.2 比较不同条件下的美拉德反应颜色变化比较不同条件下的美拉德反应颜色变化 取三支试管编号为A、B、C。A试管加入L-精氨酸(1 mmol)、D-葡萄糖(1 mmol)和6 mL去离子水，摇匀溶解，放入恒温磁力搅拌器中于100 C加热反应，并分别在反应0、10、30、60、90 min时拍照记录颜色变化。B试管所加试剂同A，反应室温下进行，每隔5天拍照记录颜色变化。C试管加20 mL鸭蛋清和12滴NaOH(pH=12.0)溶液，室温下反应，在第5天和第10天时拍照观察颜色变化。1.4.2.3 居家美拉德反应居家美拉德反应 取3小勺食用味精和5小勺葡萄糖于瓷茶杯中，加入约20 mL水使之溶解，然后在家用微波炉中微波加热3 min，观察加热后的颜色变化。1.4.3 碱伤改善探究碱伤改善探究 向已通过加碱凝聚的蛋清中继续逐滴滴加NaOH溶液，观察蛋清再次化清，然后滴加10滴(0.02 molL1)单宁酸溶液，静置1 h，倾斜试管，观察试管中蛋清流动凝固情况。1.4.4 松花主要成分检测松花主要成分检测 用针头小心挑出皮蛋蛋白外层松花，加入少量去离子水溶解。取1 mg镁试剂I，溶解于10 mL无水乙醇中，制备得镁试剂I的乙醇溶液。向含有松花的无色溶液中滴加2滴镁试剂I的乙醇溶液，观察滴加镁试剂I前后松花溶液的颜色变化。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 蛋白的化清与凝固及粘度测定蛋白的化清与凝固及粘度测定 将滴加9滴氢氧化钠的1号试管与滴加等量去离子水的对照组(2号试管)相比，将试管倾斜45，发现试管1中蛋清的流动速度稍快于试管2。1号试管继续滴加16滴氢氧化钠溶液后，发现试管中的蛋白已经处于凝固状态，不再流动。证明滴加碱液后，肉眼可以看到蛋白经历了化清和凝固两个阶段。为了进一步对其过程进行定量表征，对其化清-凝固阶段的粘度变化进行了检测，结果如图3所示。向27 mL鸭蛋清中加入6滴NaOH(pH=9.7)，反应10 min后，蛋清粘度由15.63 cP降为9.46 cP，然后补加3滴NaOH溶液，继续反应10 min后，粘度进一步降为5.35 cP，再继续滴加7滴NaOH溶液，反应10 min后粘度上升为10.85 cP。因此，由粘度的变化可知蛋清与氢氧化钠反应，随碱量的增加，蛋清是经过先化清，然后凝固两个阶段，而非一加碱就直接凝固的。图图3 滴加不同量滴加不同量NaOH(pH=9.7)对蛋清黏度的影响对蛋清黏度的影响 No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202210001 147通常认为，加入碱液后，蛋清中蛋白质侧链上的质子被逐渐中和，导致蛋白的电负性增加，排斥力增强，紧密的高级结构开始变得松散，各亚基开始分离，与此同时，氢键、二硫键断裂，致使蛋白质分子内部结构开始暴露，原本被束缚的水释放出来，浓稠蛋白变为稀状水溶液。但随着碱液进一步增加，会促使蛋白质二级结构的氢键断裂，使得-螺旋、-折叠伸展，大量的亲水基团暴露出来，多肽链的吸水性大大增强。松散的肽链表面大量的亲水基团通过氢键将自由水分子再次捕捉，各肽链通过与水分子形成氢键，从而相互聚集交联形成网状凝胶结构，看到的宏观现象就是蛋白质凝固，形成凝胶状。2.2 美拉德反应颜色变化美拉德反应颜色变化 鸭蛋富含L-精氨酸，因此我们选择D-葡萄糖和L-精氨酸作为美拉德反应的原料，在回流电磁搅拌条件下加热反应，可以观察到溶液颜色由无色缓慢变为墨绿色，再缓慢变为棕红色，最终变为黑褐色，由此可见，D-葡萄糖和L-精氨酸之间通过美拉德反应产生的颜色变化与皮蛋颜色变化过程十分相似。为了进一步便于读者观察皮蛋颜色变化形成的过程，我们分别试验并拍照记录了D-葡萄糖和L-精氨酸在加热条件(图4a)、常温条件(图4b)下溶液的颜色变化，同时展示了向蛋清中直接滴加适量NaOH溶液(图4c)后，常温下蛋清颜色随时间的变化情况。由图4a可知，随反应时间延长，试管中溶液颜色发生明显变化，在90 min时已呈现黑褐色，证明加热可加速氨基酸与还原糖之间的反应；由图4b可知，常温下，试管中的物质在15天时呈现棕红色，证明常温下氨基酸与还原糖也可以发生美拉德反应，但呈色变化相对比较缓慢；由图4c可知，蛋清在添加强碱的情况下，常温反应5天即呈现(a)D-葡萄糖和L-精氨酸在100 C下随反应时间颜色的变化 (b)D-葡萄糖和L-精氨酸在常温下随反应时间颜色的变化 (c)蛋清在碱性条件下随反应时间颜色变化 图图4 不同条件下美拉德反应颜色变化不同条件下美拉德反应颜色变化 148大 学 化 学Vol.38墨绿色，10天后颜色进一步加深，说明碱确实可以促使鸭蛋清呈现皮蛋常见的漂亮颜色。由此可以验证，蛋清加碱后，还原糖与氨基酸/寡肽发生美拉德呈色反应，这与皮蛋的颜色是一致的。同时探索了用居家厨房用品味精和葡萄糖反应，二者的水溶液在微波炉中加热3 min后，颜色变为了茶色，这一居家实验人人可做，有助于大众了解美拉德反应与食品色泽的形成这一化学原理。2.3 碱伤改善探究实验碱伤改善探究实验 蛋清用过量碱液处理后，从凝固状态又变为流动状态，说明粘度下降，尔后加入10滴单宁酸，反应1 h后，可以观察到试管中的蛋清又恢复为凝固状(图5)，且贴于试管壁上，证明加入单宁酸可有效逆转碱伤的发生，这将为无铅皮蛋的生产提供实验依据和参考。图图5 滴加单宁酸前后蛋清状态的变化滴加单宁酸前后蛋清状态的变化 2.4 松花主要成分检测松花主要成分检测 向含松花的无色液体中滴加2滴黄色的含镁试剂的乙醇溶液，可以观察到松花溶液立刻由无色变为蓝色，这一实验说明松花中含有Mg(OH)2结晶。其变色原理是因为镁离子在碱性条件下与镁试剂中的酚氧负离子及偶氮基团配位所致(图6)。图图6 镁试剂检测松花成分原理镁试剂检测松花成分原理 3 实验展示及互动实验展示及互动 本作品实现梯度科普。面向从中小学生到大学生及社会大众等不同知识储备的人群。具体方案如下。3.1 面向小学初中生及社会大众：通过厨房用料简单实验，提升科学素养面向小学初中生及社会大众：通过厨房用料简单实验，提升科学素养 对于小学及初中生，由家长引导进行实验操作。3.1.1 化清化清-凝固实验凝固实验 考虑到原料易得性和安全性，用纯碱取代氢氧化钠进行实验。实验过程只需要准备几颗鸭蛋及少量纯碱溶液。取出鸭蛋清，滴加少量纯碱溶液后，通过蛋清流动性变化判断溶液是否变稀，然后继续加入纯碱溶液，等待一段时间，观察溶液是否变为粘稠。然后再次加入纯碱溶液，等待蛋清溶液再次变稀，然后加入浓茶叶水(含丹宁)，观察溶液是否再次凝固。食用碱、鸭蛋可方便购得，因此方便中小学生在家庭厨房中开展这一实验。使大家在安全前提OHO2NNHONOHHOMgOO2NNONYellowBlueMg(OH)2No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202210001 149下探索蛋清的化清-凝固过程。3.1.2 美拉德反应美拉德反应 使用食用味精(L-谷氨酸钠)和葡萄糖、麦芽糖等，按照本文1.4.2.3设计的实验方法进行，并观察现象，从而提升大众及中小学生的科学素养。3.2 面向高中生面向高中生 3.2.1 化清化清-凝固实验凝固实验 鼓励高中生在掌握居家实验方法的基础上，结合所学生物及化学知识，对该化学过程的原理进行探讨，从而增强他们学习化学的兴趣。3.2.2 美拉德反应美拉德反应 在实验教师指导下，按照该论文设计的实验方案进行实验操作，体会组装回流加热装置的过程，并初步掌握美拉德反应的原理，从而促进高中生对化学知识的深入了解，提高他们学习化学的兴趣。3.3 面向大学生：探究化学原理，创新实验设计面向大学生：探究化学原理，创新实验设计 3.3.1 化清化清-凝固实验凝固实验 大学生首先要了解蛋白在碱的作用下的化学变化过程及原理，通过粘度的测量，了解蛋清化清-凝固过程与碱量的关系，鼓励大学生探究新型加速蛋白凝固的方法，为制作更加精美的皮蛋提供新思路。3.3.2 美拉德反应美拉德反应 自主设计实验进行探究，拓宽氨基酸和还原糖范围，探究氨基酸及还原糖种类对产物颜色及风味的影响，比较不同氨基酸和还原糖组合所得到的产物的色香味差异，从而为制作高品质皮蛋提供合理化建议。3.3.3 探究松花主要成分探究松花主要成分 主要掌握松花与镁试剂反应及其显色原理。4 结语结语 皮蛋作为我国一道独有的传统美食，深受国人喜爱，而皮蛋的形成原理对于大多数人来说却像谜一样。本次科普实验通过一些简单、安全、现象明显的实验展示了皮蛋形成原理，一方面可以让大众对皮蛋制作原理有基本的了解，另一方面激发大众开发新型皮蛋腌料，为制作绿色安全的皮蛋提供借鉴，促进皮蛋产业健康发展。我们本次的科普实验创新点在于：1)通过肉眼观察和仪器测试，从粘度角度展示了碱诱导蛋白凝胶化的过程，证明皮蛋经历了化清-凝固过程。2)利用蛋清中富含的L-精氨酸与D-葡萄糖作为反应原料，通过加热反应与常温反应对比，模拟了皮蛋转色过程中的美拉德反应；同时通过碱液与蛋清在常温下的反应，可视化还原了皮蛋墨绿色的形成过程。3)通过单宁酸改善碱伤，为无铅皮蛋的制作提供了有益的借鉴。4)通过镁试剂反应揭示了松花主要成分是氢氧化镁。5)针对不同的读者群提供了合适的科普方案和实验设计。5 特点特点/特色特色/创新性声明创新性声明 1)皮蛋虽然常见，但其制作过程中的化学原理不为大众所知，该项目科普受众面非常广，科普价值高。2)通过简单实验模拟了皮蛋色泽和形态形成的关键步骤原理及其松花主要成分，贴近生活，人150大 学 化 学Vol.38人都可参与，趣味性强。3)展示了皮蛋碱伤形成的化学原理及改善的方法，为皮蛋工艺改进提供了理论指导。参参 考考 文文 献献 1 陈彰毅,赵燕,涂勇刚,李建科,罗序英,王俊杰,邓文辉.食品工业科技,2014,35(4),369.2 Quan,T.H.;Benjakul,S.J.Food Sci.Technol.2019,56(3),1104.3 王晓涧,周小燕,张向前.绿色科技,2015,No.10,289.4 孙静,杜金平,卢立志,陈国宏,刘华侨.食品安全导刊,2018,No.31,69.5 阎华.铜、锌、铁清料法加工皮蛋的应用研究硕士学位论文.武汉:华中农业大学,2003.6 张大程,王洋,雷蕾,叶阳.食品工业科技,2021,42(6),43.7 李树青,王庆玉,谢盛良.食品科学,1991,12(10),51.