氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白理化特性和凝膠水分分布的影響

李玲，郭燕云，周怡

(臨沂大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂，276000)

肌原纖維蛋白是肉類中含量最高最重要的蛋白質(zhì)，占總蛋白的55%～60%，其主要功能特性是能夠形成熱誘導(dǎo)凝膠，從而賦予肉類制品良好的質(zhì)地和口感。肉類產(chǎn)品在加工過程中很容易發(fā)生蛋白質(zhì)氧化從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，營養(yǎng)價(jià)值降低，甚至影響消費(fèi)者的健康安全[1]。蛋白質(zhì)氧化會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)修飾，蛋白質(zhì)大分子發(fā)生交聯(lián)聚集等，從而影響肉制品的色澤、保水性和口感[2]。近年來關(guān)于肌原纖維蛋白氧化凝膠特性的研究多集中在氧化劑種類、濃度、離子強(qiáng)度(食鹽、磷酸鹽含量)及不同的抗氧化劑等方面[3-6]。關(guān)于氧化的肌原纖維蛋白對(duì)熱誘導(dǎo)凝膠特性的研究機(jī)制還有待繼續(xù)探討[7-9]，凝膠水分分布與蛋白質(zhì)氧化程度之間的關(guān)系需要深入研究。本試驗(yàn)采用羥自由基模擬氧化體系對(duì)肌原纖維蛋白進(jìn)行不同程度的氧化處理，研究氧化程度對(duì)蛋白活性巰基、疏水性、二聚酪氨酸以及內(nèi)源色氨酸熒光強(qiáng)度等蛋白質(zhì)理化特性的影響，采用低場核磁技術(shù)研究蛋白質(zhì)氧化與凝膠水分分布之間的關(guān)系，為凝膠類肉制品的加工提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

豬背最長肌(小里脊)購自南京蘇果超市，本研究主要在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家肉品工程中心完成。KCl、MgCl2、EGTA、Na2HPO4、NaCl、NaOH、CuSO4、酒石酸鉀鈉、FeCl3、抗壞血酸、H2O2、甘氨酸、EDTA、DTNB(5,5’-二硫雙(5’-硝基苯甲酸))、Trolox(水溶性維生素E)，以上試劑均為分析純，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。牛血清蛋白，購于沃卡威(北京)生物技術(shù)有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

PQ001核磁共振分析儀，上海紐邁電子設(shè)備有限公司；RetschGM200絞肉機(jī)，IKA T25勻漿機(jī)，Avanti J-26S XP高速冷凍離心機(jī)，美國Beckman coulter；CR-400色差儀(日本柯尼卡美能達(dá)公司)，M2e多功能酶標(biāo)儀(美國MD公司)，UV-2800A型紫外可見分光光度計(jì)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 肌原纖維蛋白的提取

參考PARK等[10]和FENG等[5]的方法并略作修改。在市場上購買最新鮮的豬背肌(小里脊)，用刀剔除豬肉上多余的筋膜、脂肪后，將豬肉切成均勻的小塊并用絞肉機(jī)攪碎，所得的肉糜用于接下來提取豬肉肌原纖維蛋白。稱取50 g肉樣，加4倍體積的pH 7.0緩沖液(0.1 mol/L KCl, 2 mmol/L MgCl2, 1 mmol/L EDTA, 10 mmol/L Na2HPO4)勻漿離心，棄上清液，取沉淀重復(fù)上述步驟3遍。所得沉淀加入4倍體積的0.1 mol/L NaCl洗液，勻漿離心，沉淀重復(fù)洗滌2次，第3次加洗液勻漿后，用4層紗布過濾以除去結(jié)締組織等，最后用0.1 mol/L HCl調(diào)pH值為6.25后離心除去上清液，所得膏狀物為肌原纖維蛋白。

1.3.2 羥自由基氧化體系的構(gòu)建及氧化

參考XIONG等[11]的方法并修改。首先用20 mmol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.0)將豬肉肌原纖維蛋白溶解后，在溶解后的蛋白質(zhì)溶液中依次加入無水FeCl3、抗壞血酸、H2O2溶液以用來構(gòu)建羥自由基的模擬氧化體系，并且整個(gè)體系最終含有以下成分：20 mg/mL的豬肌原纖維蛋白、0.01 mmol/L的FeCl3和0.1 mmol/L的VC，其中的H2O2分為0、0.5、1、5、10 mmol/L 5個(gè)濃度梯度。在4 ℃恒溫操作間中氧化12個(gè)小時(shí)后，用1 mmol/L Trolox/EDTA來終止氧化反應(yīng)，此即為氧化后的豬肉肌原纖維蛋白，貯藏于0～4 ℃，2 d內(nèi)用完。

1.4 物理化學(xué)性能的測(cè)定

自由巰基和總巰基含量按照XIA等[12]的方法進(jìn)行測(cè)定。疏水性測(cè)定采用溴酚藍(lán)結(jié)合法進(jìn)行，參照CAO[4]描述的方法進(jìn)行測(cè)定。二聚酪氨酸含量參考李學(xué)鵬等[13]的方法測(cè)定。內(nèi)源色氨酸熒光的變化通過F4600熒光分光光度儀進(jìn)行檢測(cè)。用 20 mmol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.0)將樣品稀釋為0.1 mg/mL。激發(fā)波長283 nm，記錄下300～400 nm的發(fā)射光譜。

1.5 熱誘導(dǎo)蛋白凝膠的制備及性能測(cè)定

將氧化后的豬肉肌原纖維蛋白調(diào)至40 mg/mL后，在80 ℃下水浴30 min，制得凝膠，用于測(cè)定其蒸煮得率、白度、保水性及凝膠水分分布分析。

1.5.1 蒸煮得率計(jì)算

將凝膠倒置于濾紙上，用濾紙吸干水分，稱量凝膠重量。蒸煮得率以蒸煮后的質(zhì)量與蒸煮前的質(zhì)量的比值計(jì)算。

1.5.2 凝膠白度測(cè)定

用色差儀測(cè)定蛋白凝膠的色差值，其中亮度值L*；紅度值a*；黃度值b*。儀器經(jīng)零點(diǎn)白板校正后進(jìn)行樣品測(cè)定，每組測(cè)定3次，取平均值。凝膠白度值按式(1)計(jì)算。

(1)

1.5.3 凝膠保水性測(cè)定

用離心法測(cè)定凝膠保水性(water holding capacity，WHC)，將制備好的蛋白凝膠準(zhǔn)確稱其質(zhì)量后，于 4 ℃下 6 000×g離心15 min，記錄離心前后離心管的質(zhì)量以及空管質(zhì)量。WHC按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：m2為離心出液體后離心管與凝膠的質(zhì)量，g；m1為離心前離心管與凝膠的質(zhì)量，g；m為空管質(zhì)量，g。

1.5.4 凝膠水分分布的測(cè)定

低場核磁數(shù)據(jù)測(cè)量參考HAN等[6]和JI等[14]的方法進(jìn)行。測(cè)定條件：質(zhì)子共振頻率為22.6 MHz，測(cè)量溫度為32 ℃。將大約1.0 g樣品放入直徑15 mm核磁管中，隨后立即放入PQ001核磁共振成像儀中進(jìn)行分析。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列測(cè)定樣品弛豫時(shí)間T2值。不同弛豫時(shí)間各峰峰面積分別記為P21，P22和P23。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，每次重新提取肌原纖維蛋白。用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，Duncan’s多重比較和差異顯著性分析(P<0.05)。所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白中游離巰基含量的影響

氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白游離巰基含量的影響見圖1。游離巰基的含量隨H2O2濃度的升高而降低，對(duì)照組與其余各組之間差異顯著(P<0.05)。當(dāng)H2O2濃度1 mmol/L時(shí)，游離巰基含量比對(duì)照組降低了9.6%，H2O2濃度為10 mmol/L時(shí)下降最明顯，下降了19.4%。這與前人的研究基本一致[15-16]，氧化導(dǎo)致肌原纖維蛋白的游離巰基轉(zhuǎn)變?yōu)槎蜴I及相關(guān)化合物，氧化同時(shí)引起蛋白質(zhì)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生修飾，導(dǎo)致游離巰基含量減少。本課題組前期研究也發(fā)現(xiàn)添加抗氧化劑也未能阻止氧化引起的巰基減少[17]，其原因可能是蛋白質(zhì)側(cè)鏈中巰基是最容易受到氧化攻擊的基團(tuán)。

圖1 不同氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白游離巰基含量的影響Fig.1 Effect of different oxidation degrees on the freesulfydryl of myofibrillar protein注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白表面疏水性的影響

氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白表面疏水性的影響見圖2。隨著H2O2濃度的升高，蛋白質(zhì)表面疏水性逐漸增大。H2O2濃度0 mmol/L與0.5 mmol/L組差異不顯著(P<0.05)，這可以說明在較低的濃度進(jìn)行氧化處理時(shí)，蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化很小。繼續(xù)增大H2O2濃度，溴酚藍(lán)(BPB)結(jié)合量顯著增大，H2O2濃度為1 mmol/L 與5 mmol/L組差異顯著(P<0.05)。H2O2濃度5 mmol/L與10 mmol/L 組差異顯著(P<0.05)。其中，5 mmol/L組H2O2濃度比對(duì)照組增加了75.3%；而10 mmol/L組比對(duì)照組增加了103.6%。蛋白質(zhì)氧化后，經(jīng)過變性解折疊，就會(huì)很容易增強(qiáng)其表面疏水性，從而分子之間就會(huì)發(fā)生交聯(lián)和聚集等反應(yīng)[11]。本研究中隨氧化劑濃度的升高，蛋白質(zhì)表面疏水性增加，這說明蛋白質(zhì)的構(gòu)象在氧化劑處理下會(huì)發(fā)生比較顯著的變化，蛋白質(zhì)分子的表面會(huì)暴露出更多的疏水氨基酸殘基，并且逐漸被氧化，此外，蛋白質(zhì)的疏水性還與其他的許多因素有關(guān)，比如氨基酸之間會(huì)發(fā)生疏水相互作用以及氧化會(huì)導(dǎo)致的蛋白質(zhì)間發(fā)生聚集和交聯(lián)等反應(yīng)[18]。所以，蛋白質(zhì)的側(cè)鏈發(fā)生氧化、去折疊和聚集等變化，從而三者之間的相互影響導(dǎo)致蛋白質(zhì)的疏水性等性質(zhì)發(fā)生改變。

圖2 不同氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白表面疏水性的影響Fig.2 Effect of different oxidation degrees on the BPB content of myofibrillar protein

2.3 氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白二聚酪氨酸含量的影響

肌原纖維蛋白酪氨酸殘基被氧化后就會(huì)形成二聚酪氨酸，并且會(huì)通過共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵之間的相互作用形成蛋白質(zhì)的聚集物，能夠反映蛋白質(zhì)氧化的程度和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。豬肉肌原纖維蛋白經(jīng)羥自由基氧化處理之后，二聚酪氨酸的含量變化如圖3所示，隨著氧化劑濃度的增加，二聚酪氨酸相對(duì)熒光值增大，0.5、5和10 mmol/L組與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)。與對(duì)照組相比，5 mmol/L和10 mmol/L組分別增加了50%和57%，說明酪氨酸殘基對(duì)于·OH也比較敏感，易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)一步聚合而形成二聚酪氨酸。有研究采用2種自由基氧化大黃魚肌原纖維蛋白時(shí)均發(fā)現(xiàn)，隨氧化劑濃度的升高，二聚酪氨酸含量顯著增加，并且與對(duì)照組相比差異顯著[13]。而XIONG等[19]研究發(fā)現(xiàn)在3種氧化體系中，肌原纖維蛋白的二聚酪氨酸含量與對(duì)照組沒有顯著差異，其測(cè)定的酪氨酸含量與其他食品中含量一致，認(rèn)為二聚酪氨酸不是蛋白質(zhì)氧化交聯(lián)的主要方式。出現(xiàn)不同的研究結(jié)果，可能與氧化劑的濃度以及氧化體系的差異引起的，將來有可能探討二聚酪氨酸新的測(cè)定方法，解決爭議問題。

圖3 不同氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白二聚酪氨酸含量的影響Fig.3 Effect of different oxidation degrees on the dityrosine of myofibrillar protein

2.4 氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白內(nèi)源色氨酸熒光強(qiáng)度的影響

肌原纖維蛋白內(nèi)源色氨酸熒光強(qiáng)度見圖4，隨著H2O2濃度的逐漸升高，蛋白內(nèi)源熒光強(qiáng)度顯著降低。內(nèi)源熒光是用來表示蛋白質(zhì)氧化程度和微環(huán)境的影響，進(jìn)而揭示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化情況。

圖4 不同氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白內(nèi)源色氨酸熒光的影響Fig.4 Effect of different oxidation degrees on the tryptophan fluoescence of myofibrillar protein

對(duì)于蛋白質(zhì)內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降的原因，我們認(rèn)為一種可能是在蛋白質(zhì)的氧化初期，由于色氨酸殘基發(fā)生了包埋而引起的，并且隨著時(shí)間的延長包埋的效率會(huì)逐漸越來越低，由此可知蛋白質(zhì)的包埋程度會(huì)受到氧化劑濃度的影響，并且所受影響較大；另一種可能是氧化處理會(huì)使得蛋白質(zhì)側(cè)鏈中的熒光氨基酸被猝滅等[20]。

2.5 氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白凝膠蒸煮得率、白度、保水性的影響

氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白凝膠性能的影響見表1。蛋白質(zhì)凝膠的蒸煮得率隨H2O2濃度的增加，凝膠蒸煮得率降低，各組之間顯著差異(P<0.05)。5 mmol/L H2O2組與對(duì)照組相比，凝膠蒸煮得率下降了24.16%，10 mmol/L組與對(duì)照組相比，凝膠蒸煮得率下降了22.4%，這可能是由于在較高濃度的氧化處理之下，就會(huì)破壞豬肉蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，部分水分析出，形成汁液流失，從而導(dǎo)致凝膠的蒸煮得率顯著降低[3]。

如表1所示，隨H2O2濃度的增加，白度值逐漸下降，10 mmol/L組與對(duì)照組顯著差異(P<0.05)，其余各組與對(duì)照組差異不顯著(P>0.05)。蛋白凝膠的白度可以體現(xiàn)蛋白質(zhì)的變性程度，根據(jù)XIA等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白凝膠白度值的下降，與氧化產(chǎn)物和蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈之間發(fā)生非酶褐變等的反應(yīng)相關(guān)。本研究中，高濃度的H2O2，導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化嚴(yán)重。

表1 氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白凝膠蒸煮得率、白度及保水性的影響Table 1 Effect of different oxidation degrees on the boiling rate, whiteness and water holding capacity of myofibrillar protein

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

蛋白凝膠的保水性隨H2O2濃度的增加而降低，10 mmol/L組與其余各組差異顯著(P<0.05)。與對(duì)照組相比，當(dāng)H2O2濃度增加到 10 mmol/L時(shí)，蛋白質(zhì)凝膠保水性下降了16.47%(P<0.05)。蛋白質(zhì)凝膠的保水性主要是由于蛋白質(zhì)的水合作用和毛細(xì)管作用力，從而水分就會(huì)被束縛在蛋白質(zhì)的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。肌原纖維蛋白熱誘導(dǎo)凝膠有以下作用力：疏水作用力、氫鍵、靜電作用力、巰基氧化形成的二硫鍵等，需要經(jīng)歷變性、聚集和交聯(lián)3個(gè)過程，任何影響這3個(gè)過程的因素都會(huì)影響蛋白質(zhì)的熱誘導(dǎo)凝膠特性[10]。高濃度氧化劑導(dǎo)致肌原纖維蛋白交聯(lián)形成部分二硫鍵，蛋白質(zhì)分子表面也會(huì)暴露出更多的疏水氨基酸殘基，疏水性氨基酸通過疏水相互作用形成不溶性聚集物，溶解度下降，使肌原纖維蛋白凝膠結(jié)構(gòu)變得疏松，在凝膠結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較多的空隙，水分流失，使得蛋白質(zhì)的水合作用和毛細(xì)管作用力逐漸降低，并且蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)中的空隙逐漸增多，讓蛋白質(zhì)凝膠中一部分不易流動(dòng)的水變成了自由水，所以凝膠保水性也變差[3]。

2.6 氧化程度對(duì)豬肉肌原纖維蛋白凝膠水分分布的影響

氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白水分分布圖譜見圖5。

圖5 不同氧化程度對(duì)肌原纖維蛋白凝膠水分子的T2弛豫特性的影響Fig.5 Effect of different oxidation degrees on T2 relaxation time of myofibrillar protein

豬肉肌原纖維蛋白凝膠弛豫時(shí)間(T2)在1～10 000 ms 內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)峰，這與韓敏義等[6]研究豬肉肌原纖維蛋白熱凝膠的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。T2值范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的3個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)凝膠中的3種狀態(tài)的水，弛豫時(shí)間T21在0～15 ms，屬于凝膠中的結(jié)合水，弛豫時(shí)間T22在63～382 ms，屬于凝膠中的不易流動(dòng)水，弛豫時(shí)間T23在714～2 171 ms，屬于凝膠中的自由水。弛豫時(shí)間(T2)在1～10 000 ms對(duì)應(yīng)的3個(gè)峰的峰面積分別記為P21,P22,P23。通過分析各峰的峰面積結(jié)果可以得知(如表2)，H2O2濃度對(duì)結(jié)合水含量P21影響不大(P>0.05)。結(jié)合水是肌原纖維蛋白凝膠中與蛋白質(zhì)大分子結(jié)合的水分子，大部分研究結(jié)果表明，T21與肉的微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)械壓力無關(guān)[22-23]。不易流動(dòng)的水P22隨H2O2濃度的增加而下降，其中H2O2濃度為5 mmol/L和10 mmol/L時(shí)與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)，H2O2濃度為0.5 mmol/L和1 mmol/L 時(shí)與對(duì)照組差異不顯著(P>0.05)。自由水含量P23隨H2O2濃度的增加而增加，其中H2O2濃度為0.5 mmol/L 和1 mmol/L 時(shí)與對(duì)照組差異不顯著(P>0.05)， H2O2濃度為5 mmol/L和及10 mmol/L時(shí)與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)，P23分別增加了54%和73%。上述分析表明，隨著H2O2濃度的升高，豬肉肌原纖維蛋白凝膠中的一部分不容易流動(dòng)的水可能會(huì)變成自由水，但自由水是蛋白凝膠結(jié)構(gòu)中結(jié)合最不緊密的水和最容易損失的水[24]。其他研究也發(fā)現(xiàn)，豬肉保水性與T2弛豫時(shí)間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[25-26]。因此，H2O2濃度越大，不易流動(dòng)的水含量越低，而自由水含量就越高，凝膠保水性越低，這與本試驗(yàn)關(guān)于豬肉肌原纖維蛋白的凝膠保水性研究結(jié)果相一致。

表2 羥自由基氧化對(duì)豬肌原纖維蛋白熱誘導(dǎo)凝膠峰面積的影響Table 2 Effect of different oxidation degrees on thepeaks area proportion of myofibrillar protein

2.7 相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析表明(見表3)，H2O2濃度與豬肌原纖維蛋白中游離巰基含量極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.931，P<0.01)，與疏水性值(r=0.963，P<0.01)和二聚酪氨酸含量(r=0.787，P<0.01)正相關(guān)，說明H2O2濃度越高，蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)越容易被氧化修飾，從而影響蛋白質(zhì)的功能特性。H2O2濃度與凝膠蒸煮得率(r=-0.554，P<0.05)顯著負(fù)相關(guān)，及凝膠保水性(r=-0.904，P<0.01)極顯著負(fù)相關(guān)，說明H2O2濃度越高，凝膠的蒸煮得率、保水性越差。同時(shí)游離巰基含量與凝膠蒸煮得率顯著相關(guān)(r=0.597，P<0.05)，與凝膠保水性(r=0.888，P<0.01) 極顯著相關(guān)；疏水性與凝膠蒸煮得率極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.702，P<0.01)，與凝膠保水性(r=-0.790，P<0.01)極顯著負(fù)相關(guān)。這表明H2O2濃度越高，蛋白被氧化程度越嚴(yán)重，凝膠的蒸煮得率、保水性越差。

表3 各指標(biāo)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between indexes of gels

注：*表示P<0.05 水平差異顯著；**表示P<0.01 水平差異極顯著。

3 結(jié)論

在羥自由基氧化體系中，隨著氧化劑濃度的增加，豬肉肌原纖維蛋白游離巰基含量、內(nèi)源色氨酸熒光強(qiáng)度、蛋白質(zhì)凝膠的蒸煮得率、白度和保水性以及低場核磁中不易流動(dòng)水含量顯著下降，而二聚酪氨酸含量、表面疏水性和低場核磁中自由水含量增加。以上變化可以說明氧化處理使肌原纖維蛋白側(cè)鏈基團(tuán)中的游離巰基、酪氨酸、色氨酸殘基發(fā)生顯著的氧化修飾，蛋白質(zhì)分子之間彼此發(fā)生交聯(lián)和聚集等反應(yīng)，蛋白質(zhì)構(gòu)象進(jìn)一步發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響其凝膠的保水性。