李彩云,孫恒元,華紅新,劉淑華,張玉斌*
1(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州,730070)2(上海億恒文化傳播有限公司,上海,200000)3(甘肅省武威市涼州區(qū)金羊鎮(zhèn)畜牧獸醫(yī)站,甘肅 武威,733000)
牦牛肉營養(yǎng)價(jià)值豐富,屬于高蛋白、低脂肪類食品,富含人體必需的氨基酸和多不飽和脂肪酸,是肉類中具有高生物學(xué)價(jià)值的良好蛋白質(zhì)來源。但是牦牛肉存在肉色深、嫩度較差[1]并且肌紅蛋白消化率較低的問題。
肌紅蛋白是肉類蛋白的重要組成部分,其化學(xué)狀態(tài)決定了肉類的顏色[2]。以往的研究主要關(guān)注肌紅蛋白狀態(tài)與脂質(zhì)氧化和肉色的關(guān)系。然而,基于不同目的的研究表明,肌紅蛋白的低消化率是由于它的“剛性”結(jié)構(gòu)[3]和較低的胃蛋白酶消化敏感性。目前研究者大多采用輔助消化法改善肌紅蛋白的消化率,發(fā)現(xiàn)離心輔助常規(guī)胰蛋白消化[4]以及植物酚衍生化的肌紅蛋白[5]其消化率均受到不利影響,鹽(NaCl)[6]處理后的肌紅蛋白與胃蛋白酶/胰蛋白酶的結(jié)合方式也發(fā)生了改變。這些傳統(tǒng)工藝通過改變肌紅蛋白的血紅素結(jié)構(gòu)和疏水腔,進(jìn)而影響肌紅蛋白的消化率,但是對(duì)于肉類食用品質(zhì)中色度、嫩度、脂肪氧化的改善效果并不明顯。KIM等[7]發(fā)現(xiàn)乳酸鹽在提高肉的亮度、紅度、抗菌性能以及質(zhì)地方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。張玉斌等[8]經(jīng)過篩選不同乳酸鈣濃度,發(fā)現(xiàn)注射0.06 g/mL(占肉樣5%)的乳酸鈣,在4~7 d的貯藏期內(nèi)顯著提高了肉色紅度值。然而,乳酸鈣對(duì)于其他肉品質(zhì)是否產(chǎn)生影響,未作出評(píng)價(jià)。
超高壓(high pressure, HP),也稱高靜水壓,是一種食品保鮮的非熱技術(shù)[9],可最大程度保留食品的營養(yǎng)成分,同時(shí)降低食品加工中的有害物質(zhì)。目前,超高壓技術(shù)在肉品工業(yè)中的應(yīng)用主要目的是為了抑制肉品中李斯特菌[10]和大多數(shù)腐敗微生物的生長,從而延長貨架期。然而,近幾年大多數(shù)研究關(guān)注經(jīng)超高壓處理蛋白在消化過程中結(jié)構(gòu)的變化以及相應(yīng)酶促反應(yīng)速率大小,發(fā)現(xiàn)在超高壓處理過程中,食品中的低能鍵(離子鍵、氫鍵)發(fā)生較大波動(dòng)[11],導(dǎo)致肌紅蛋白比天然蛋白向更小體積變化的同時(shí)影響肌紅蛋白的酶促反應(yīng)以及結(jié)合構(gòu)象。這種變化可能有助于提高蛋白質(zhì)在胃部的消化率[12],但是,關(guān)于超高壓聯(lián)合乳酸鈣處理對(duì)肌紅蛋白消化特性以及對(duì)牛肉食用品質(zhì)的影響研究較少。
本研究旨在通過測(cè)定不同壓力聯(lián)合乳酸鈣處理下牦牛肉食用品質(zhì)以及肌紅蛋白消化率的變化,應(yīng)用分子對(duì)接和動(dòng)力學(xué)模擬評(píng)估在食用品質(zhì)較優(yōu)壓力下的肌紅蛋白與胃蛋白酶結(jié)合模式以及氫鍵強(qiáng)弱變化,結(jié)合穩(wěn)定性等。這些結(jié)果可能有助于了解肌紅蛋白的消化行為,并開發(fā)提高牦牛肉食用品質(zhì)以及肌紅蛋白消化率和營養(yǎng)價(jià)值的技術(shù)。
本試驗(yàn)從武威天潤白牦牛綠色食品開發(fā)有限公司購買原料肉,所屠宰的牦牛皆為36~48月齡大小,檢驗(yàn)檢疫合格、鑒定生長發(fā)育良好、健康無病的牦牛,挑選10頭體重在300~400 kg的公牛胴體,以背最長肌為樣本,牛肉被順著肌纖維切成1 cm薄片狀,分割成100 g左右的肉塊,保持相對(duì)低溫,泡沫箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。
EDTA、KH2PO4、H4KO4P、BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒、乳酸鈣,北京索萊寶科技有限公司;肌紅蛋白(CAS No.100684-32-0)、胃蛋白酶來自豬胃黏膜,活性為2 500 U/mg(CAS No.9001-75-6),合肥博美生物公司。
HC 3204電子天平,德國花潮高科控股集團(tuán)限公司;TA.XT Express質(zhì)構(gòu)儀;BBS-DDC超凈工作臺(tái),濟(jì)南鑫貝西生物技術(shù)有限公司;testo205 pH計(jì),德國儀器國際貿(mào)易(上海)有限公司;TG20G臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),無錫首象科技有限公司;CR-410色差計(jì),日本柯尼卡美能達(dá)公司;HH-420水浴鍋,上海力辰科技有限公司;752紫外可見分光光度計(jì),上海菁華光譜儀器有限公司;CQC2L-600 超高壓設(shè)備,北京速原中天股份有限公司;MZ-420真空包裝機(jī),泉州茂合機(jī)械有限公司;FJ200-SH均質(zhì)機(jī),上海滬析實(shí)業(yè)有限公司。
1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
肉樣隨機(jī)分為5組,均勻切分100 g,注射0.06 g/mL乳酸鈣或生理鹽水(空白對(duì)照),肉樣與注射液按20∶1(g∶mL)處理后放入聚乙烯袋中真空密封,經(jīng)過0.1(對(duì)照)、100、200、300、400 MPa 4個(gè)梯度的壓力,常溫,保壓15 min處理。
1.3.2 pH
測(cè)定pH值,首先一手持pH計(jì),一手固定肉樣,探針垂直插入后,觀察pH計(jì)的電極與肌肉組織完全、充分地接觸,待閃動(dòng)的pH讀數(shù)穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù),每個(gè)肉樣重復(fù)測(cè)定3~6次后取其平均值。
1.3.3 色澤的測(cè)定
色澤參照羅輝等[13]的方法進(jìn)行測(cè)定。
1.3.4 硫代巴比妥酸反應(yīng)物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值
參考鄭婭等[14]的方法進(jìn)行測(cè)定,最后按照公式(1)計(jì)算TBARS:
TBARS=A532×9.48
(1)
式中:TBARS,硫代巴比妥酸反應(yīng)物含量,mg MDA/kg;A532,溶液的吸光值,9.48,常數(shù)。
1.3.5 蒸煮損失
參考吳強(qiáng)等[15]方法,將肉樣切割成10.0 cm×10.0 cm×5.0 cm大小,約100 g的肉塊,第一次稱重m1,然后放入蒸煮袋中,用夾子夾住,使其完全浸入85 ℃水溫的水浴鍋中,煮至中心溫度達(dá)到70 ℃,冷卻30 min, 吸水紙吸干肉面水分,第二次稱重m2。按公式(2)計(jì)算蒸煮損失:
(2)
1.3.6 剪切力
參照楊玉瑩等[16]的方法測(cè)定剪切力。
1.3.7 肌紅蛋白含量
使用分光光度計(jì)在503、525、557、575、582 nm處獲得肌紅蛋白樣品的吸光度[17]然后按照公式(3)~(5)計(jì)算DeoMb、OxyMb、和MetMb各自的百分含量:
DeoMb/%=-0.543R1+1.594R2+0.522R3-1.329
(3)
OxyMb/%=0.722R1-1.432R2-1.659R3+2.599
(4)
MetMb/%=-0.159R1-0.085R2+1.262R3-0.520
(5)
式中:R1=A582/A525,R2=A557/A525,R3=A503/A525。
1.3.8 消化性能測(cè)量
根據(jù)消化前后樣品中的粗蛋白含量,計(jì)算胃、腸道肌紅蛋白樣品的消化率[18]如公式(6)、公式(7)所示:
(6)
(7)
式中:ρ0、ρ1,胃消化前后樣品的蛋白濃度,ρ2、ρ3,腸消化前后樣品的蛋白濃度。肌紅蛋白溶液消化過程中的初始蛋白質(zhì)量濃度為4 mg/mL。由于加入了SGF和SIF,它被稀釋至2和1 mg/mL,分別稱為ρ0和ρ2,ρ1和ρ3采用BCA試劑盒測(cè)定法測(cè)定。
1.3.9 分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬
1.3.9.1 同源建模與分子對(duì)接
牛肌紅蛋白氨基酸序列(NP_776306.1)獲自NCBI并作為模板,使用SWISS-MODEL服務(wù)器進(jìn)行同源建模并評(píng)估建模結(jié)構(gòu)的質(zhì)[19]。隨后選擇最佳模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。分子對(duì)接由ZDOCK(https://zdock.umassmed.edu/)完成。牛肌紅蛋白結(jié)構(gòu)來自同源建模,并經(jīng)不同壓力下100 ns MD處理,獲得處理后結(jié)構(gòu)。胃蛋白酶(PDB ID:3UTL)來自RSCB 數(shù)據(jù)庫 (http://www.rscb.org/pdb)。對(duì)接結(jié)果通過Pymol和LigPlot+進(jìn)行可視化。
1.3.9.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬
分子動(dòng)力學(xué)模擬基于Gromacs 2020.6程序包[20]。水模型為TIP4P,力場(chǎng)選擇Charmm 36。創(chuàng)建十二面體周期性盒子,在三個(gè)空間維度上設(shè)置邊界條件。蛋白距離盒子最小距離為1.2 nm。簡單來說,蛋白配體復(fù)合物在經(jīng)過能量最小化-模擬生理環(huán)境-能量最小化過程后,蛋白的骨架原子被限制在確定位置而溶劑自由擴(kuò)散。設(shè)置耦合溫度為300 K,通過EnerPres校正色散,Parrinello-Rahman作為壓力控制器。使用LINCS方法約束所有鍵,長程靜電作用方法為PME(particle mesh ewald),靜電作用截?cái)嘀禐?.0 nm。在預(yù)平衡模擬后進(jìn)行100 ns模擬。單獨(dú)模擬牛肌紅蛋白的參考?jí)毫Ψ謩e為0.1和300 MPa。對(duì)接復(fù)合物的模擬采用0.1 MPa。計(jì)算結(jié)束收集了409 G數(shù)據(jù)。
每個(gè)試驗(yàn)至少做3次重復(fù)。采用SPSS 19.0軟件比較數(shù)據(jù)間的顯著性差異,其中P<0.05表示差異顯著。通過Gromacs 2020.6程序統(tǒng)計(jì)蛋白的均方根偏差(root-mean-square deviation,RMSD),相互作用氫鍵數(shù)量。通過Pymol進(jìn)行可視化。采用Origin 8.0軟件進(jìn)行圖形繪制。
牛肉的pH變化曲線如圖1所示,整體上pH呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在6.28~6.74,隨著壓力增加,在300 MPa處達(dá)到最高值,隨后下降。在同一壓力下,注射乳酸鈣組的pH值顯著高于空白組(P<0.05)。綜上表明,在300 MPa聯(lián)合乳酸鈣處理的條件下,有利于牛肉pH值的增加,維持在胃部消化的中性條件附近。
圖1 超高壓和乳酸鈣處理對(duì)牛肉pH的影響Fig.1 Effect of ultra-high pressure and calcium lactate treatment on beef pH注:A~D乳酸鈣組在不同壓力下的差異性顯著(P<0.05);a~d空白組在不同壓力下的差異性顯著(P<0.05);CAL-乳酸鈣組,空白-生理鹽水組,對(duì)照-0.1 MPa(下同)。
牦牛宰后肌肉內(nèi)進(jìn)行無氧糖酵解反應(yīng),產(chǎn)生并積累乳酸[21],從而使得pH下降。pH下降的速率和程度與牛肉的質(zhì)量和新鮮度相關(guān)。在圖1結(jié)果中,超高壓聯(lián)合乳酸鈣處理后,在0.1~300 MPa,pH值較空白處理組仍保持較高值且有上升,這可能是由于解折疊引起的蛋白質(zhì)酸性基團(tuán)減少所致[22]。此外,隨著壓力增高可能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)緩沖溶液滲出到細(xì)胞外空間或改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并釋放堿性基團(tuán),這些因素會(huì)使得pH值升高。同時(shí),高壓處理增加pH值,會(huì)使牛肉中蛋白質(zhì)偏離等電點(diǎn)[23]。
牦牛屠宰充分放血后,主要呈色物質(zhì)是肌紅蛋白,其形態(tài)有3種,分別是脫氧肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白[24],由圖2可知,隨著壓力的增大,空白組和CAL組的L*值、a*值均勻增長,b*值降低。對(duì)于2個(gè)處理組來說,乳酸鈣處理的效果變化趨勢(shì)更顯著。在300 MPa壓力下出現(xiàn)拐點(diǎn),說明300 MPa的壓力聯(lián)合乳酸鈣處理,提高了牦牛肉的亮度和紅度,降低了黃度值。表明乳酸鈣協(xié)同超高壓有利于紅度值的保持而且提高肌肉的亮度。進(jìn)一步可以解釋為乳酸鈣的加入使得乳酸+LDH+NAD體系進(jìn)一步強(qiáng)化運(yùn)轉(zhuǎn)[25],通過NADH再生從而提高了高鐵肌紅蛋白還原能力,進(jìn)而使得紅度值提高。牛肉亮度的改善可以解釋為300 MPa壓力處理牛肉后,導(dǎo)致珠蛋白變性或血紅素基團(tuán)的移位,同時(shí)肌肉纖維直徑減小使得光散射特性發(fā)生變化[26]。整體上來說,300 MPa超高壓聯(lián)合乳酸鈣處理賦予牛肉良好的色澤感官。
a-L*;b-a*;c-b*
如圖3所示,隨著壓力的增大,脂質(zhì)氧化程度呈先降低后增加的趨勢(shì),在0.1~300 MPa,氧化程度逐漸降低,相較于對(duì)照組,300 MPa壓力下聯(lián)合乳酸鈣處理組降低了58%,而后400 MPa下氧化程度升高。
說明300 MPa壓力有效降低牦牛宰后的脂質(zhì)氧化現(xiàn)象。這一結(jié)果也印證了色度結(jié)果,牦牛肉相對(duì)穩(wěn)定的色澤得益于脂質(zhì)氧化速率低、內(nèi)源抗氧化能力強(qiáng)[27]的特性。并且在貯藏期內(nèi),較低的脂質(zhì)氧化有利于牦牛肉品質(zhì)的保持,這對(duì)于后期牛肉貯藏保鮮有很大的意義。
蒸煮損失反應(yīng)肌肉的持水能力,蒸煮損失越低,表明牛肉的顏色、嫩度、風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值及香氣等食用品質(zhì)越好[28]。如圖4所示,在同一壓力下,CAL組的蒸煮損失顯著低于空白組,隨著壓力增加蒸煮損失呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),300 MPa壓力下,蒸煮損失最小。
圖4 超高壓和乳酸鈣處理對(duì)牛肉蒸煮損失的影響Fig.4 Effects of ultra-high pressure and calcium lactate treatment on beef cooking loss
該結(jié)果說明超高壓聯(lián)合乳酸鈣處理增加了肌纖維間的空隙,使得儲(chǔ)水面積增大[29],能使牦牛肉保持較高的水分含量,從而損失達(dá)到較低值。
剪切力值反應(yīng)肌肉的嫩度,如圖5所示,隨著壓力增加,剪切力逐漸減小,CAL組的下降趨勢(shì)更加明顯,顯著低于空白組,400 MPa壓力下的剪切力值在0.1~400 MPa達(dá)到最低值。由此可見,超高壓或者聯(lián)合乳酸鈣處理后,可能使得肌原纖維蛋白生化特性以及肌原纖維蛋白凝膠性能發(fā)生改變[30],從而對(duì)肉嫩度改善具有促進(jìn)作用。
圖5 超高壓和乳酸鈣處理對(duì)牛肉剪切力的影響Fig.5 Effect of ultra-high pressure and calcium lactate treatment on beef shear force
由圖6所示,描述了肌紅蛋白中2種重要的不同氧化狀態(tài)蛋白的相對(duì)含量,在0.1~400 MPa,2個(gè)處理組中,乳酸鈣處理組中氧合肌紅蛋白含量顯著高于空白組,在300 MPa壓力下的值最高,表明此種處理下牦牛肉具有良好的紅色色澤。經(jīng)過高壓聯(lián)合乳酸鈣處理后,高鐵肌紅蛋白的相對(duì)含量顯著降低,300 MPa處理后樣品的值達(dá)到最低(P<0.05)。該現(xiàn)象和XIA等[31]研究結(jié)果一致,可以解釋為300 MPa高壓抑制了肌紅蛋白的氧化,但也可能是高壓促進(jìn)了抗氧化肽的產(chǎn)生[32],但這并不完全是超高壓單一作用的結(jié)果,聯(lián)合處理下乳酸鈣也發(fā)揮了其抗氧化的特性。
a-氧合肌紅蛋白;b-高鐵肌紅蛋白
胃期和腸期肌紅蛋白消化率結(jié)果如圖7所示。隨著壓力增加,胃消化率整體呈逐漸升高的趨勢(shì),在300 MPa時(shí)維持平穩(wěn)。但差異不顯著(P>0.05),然而,在空白和乳酸鈣2個(gè)處理組內(nèi),胃消化率和腸道消化率差異顯著(P<0.05)。進(jìn)入腸道后消化率整體變化趨勢(shì)跟胃期的趨勢(shì)相同,在乳酸鈣組,隨著壓力水平從100 MPa處理的45.97%急劇上升到300 MPa處理的52.28%,而空白組從44.05%增加了3.98%(P<0.05)。此結(jié)果說明無論壓力水平如何,高壓處理都能提高肌紅蛋白的腸道消化率。這跟CAMPUS[33]的研究結(jié)果相一致。
a-胃蛋白消化率;b-腸道蛋白消化率
蛋白質(zhì)的消化率依賴于其與消化酶之間的結(jié)合構(gòu)像,本研究依據(jù)消化以及肉品質(zhì)相關(guān)結(jié)果,將300 MPa壓力聯(lián)合0.06 g/mL乳酸鈣處理和0.01 MPa壓力空白處理的肌紅蛋白進(jìn)行動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模擬,其與胃蛋白酶結(jié)合的結(jié)構(gòu)變化如圖8-a和圖8-b所示,未經(jīng)壓力處理的肌紅蛋白(圖8-a)在與胃蛋白酶結(jié)合時(shí)“剛性”的扁平球狀結(jié)構(gòu)保持完整,未發(fā)生顯著性的變化,而在300 MPa壓力下(圖8-b)??梢悦黠@看到肌紅蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,其螺旋結(jié)構(gòu)有序排列,表明超高壓處理導(dǎo)致肌紅蛋白易態(tài)性提高,影響其與胃蛋白酶結(jié)合。猜測(cè)此時(shí)肌紅蛋白親水性表面以及 “疏水的口袋”結(jié)構(gòu)[34]發(fā)生改變,可能影響其剛性結(jié)構(gòu)從而提高其消化率。
a、b分別為肌紅蛋白常壓處理后與蛋白酶對(duì)接代表性圖像和肌紅蛋白高壓處理后與蛋白酶對(duì)接代表性圖像;c、d分別為肌紅蛋白常壓處理后與蛋白酶對(duì)接復(fù)合物氨基酸相互作用和肌紅蛋白高壓處理后與蛋白酶對(duì)接復(fù)合物氨基酸相互作用圖像
此外,二維蛋白-蛋白相互作用圖顯示肌紅蛋白和胃蛋白酶之間在常壓條件下有3個(gè)氫鍵(圖8-c),其距離分別為1.77、2.28、2.61 ?,而在高壓條件下有6個(gè)氫鍵(圖8-d),鍵長分別為3.00、3.22、2.11、1.94、2.83、2.89 ?。供體和受體之間的距離在1.8~2.3 ?時(shí),氫鍵被認(rèn)為是強(qiáng)的,而當(dāng)距離在2.5~3.2 ?時(shí),氫鍵被認(rèn)為是弱的[35]。此外,常壓條件下結(jié)合位點(diǎn)周圍存在胃蛋白酶的疏水氨基酸殘基(Leu 10、Pro 116、Ala 115、Phe 111、Tyr 114、Tyr 113)和肌紅蛋白的疏水氨基酸殘基(Pro 101、Phe 152、Ile 100、Val 102)。300 MPa高壓條件下結(jié)合位點(diǎn)周圍存在胃蛋白酶的疏水氨基酸殘基(Leu 220、Phe 216、Leu 10、Leu 48、Phe 111)和肌紅蛋白的疏水氨基酸殘基(Ile 100、Tyr 104、Pro 101、Phe 152、Val 149、Leu 150、Val 37)。因此,說明氫鍵和疏水相互作用促進(jìn)肌紅蛋白與胃蛋白酶的結(jié)合。
如圖9所示,蛋白的RMSD值被用來評(píng)估肌紅蛋白在高壓下的穩(wěn)定性,胃蛋白酶以及肌紅蛋白-胃蛋白酶復(fù)合物在高壓下10 000 ps時(shí)間中的穩(wěn)定性。
a-肌紅蛋白和胃蛋白酶RMSD圖;b-肌紅蛋白-胃蛋白酶復(fù)合物RMSD圖
RMSD值在前2 000 ps急劇增加,隨后保持穩(wěn)定,表明肌紅蛋白-胃蛋白酶系統(tǒng)在2 000 ps后達(dá)到平衡狀態(tài),聯(lián)合處理下的胃蛋白酶和肌紅蛋白復(fù)合物RMSD值均高于對(duì)照組,表明蛋白穩(wěn)定性提高,有利于酶促反應(yīng)。而在肌紅蛋白與胃蛋白酶結(jié)合后的結(jié)果中可以看出,對(duì)照組RMSD值逐漸升高,而聯(lián)合處理組的值保持穩(wěn)定,說明300 MPa處理能使得肌紅蛋白和胃蛋白酶穩(wěn)定結(jié)合,這與ZOU等[36]的研究結(jié)果相一致,而本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說明超高壓對(duì)于肌紅蛋白消化率的提高具有輔助作用。
300 MPa高壓聯(lián)合乳酸鈣處理能顯著改善牦牛肉的食用品質(zhì),同時(shí)改變了肌紅蛋白與胃蛋白酶的結(jié)合構(gòu)象,提高了肌紅蛋白的消化率。高壓處理使肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)展開,增加了酶促反應(yīng)面積。此外,在高強(qiáng)度高壓條件下,肌紅蛋白的氧化率顯著降低??傊?高壓聯(lián)合乳酸鈣處理可以作為一種強(qiáng)大的技術(shù),提高難以消化的蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值,改善牦牛肉嫩度和色度問題。