鄧文輝,韓馨蕊,常露,李朝蕊,劉子萌,曹云剛*
1(陜西理工大學(xué) 體育學(xué)院,陜西 漢中,723000)2(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,陜西 西安,710021)
肉制品營養(yǎng)豐富,是人類膳食,尤其是運(yùn)動(dòng)員日常膳食的重要組成部分。冷凍肉是企業(yè)生產(chǎn)肉制品的主要原料,但長期凍藏會(huì)導(dǎo)致肉質(zhì)硬化、柔軟性下降、持水力及加工性能降低等變化[1],其根本原因是冷凍導(dǎo)致肌原纖維蛋白(myofibrillar protein,MP)的損傷變性[2]。肌原纖維蛋白是肌肉中含量最高的蛋白質(zhì),具有乳化性及凝膠性等多重功能特性,其中MP的凝膠特性在肉制品加工中決定著成品的質(zhì)構(gòu)和感官。現(xiàn)有研究主要聚焦于通過革新冷凍及解凍方法、添加抗凍劑等手段降低原料肉蛋白的反復(fù)凍融,如譚明堂等[3]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過流水解凍后的魷魚彈性好于空氣解凍和靜水解凍,肌纖維組織相對于超聲波靜水解凍和微波解凍更加緊密;劉歡等[4]研究發(fā)現(xiàn)在低溫解凍下的魚肉組織保持最好;張伊儂等[5]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理會(huì)顯著改善反復(fù)凍融雞肉肌原纖維蛋白的功能特性,改善效果與超聲波處理時(shí)間有關(guān),適當(dāng)?shù)奶幚頃r(shí)間效果最佳;陳金玉等[6]的研究表明添加海藻糖和甘露醇可以有效降低冷凍誘導(dǎo)的蛋白變性。但現(xiàn)有策略存在成本高昂、技術(shù)不成熟等實(shí)際問題。因此,尋找合適的措施改善反復(fù)凍融蛋白的加工性能具有重要的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
食鹽和多聚磷酸鹽經(jīng)常被用來改善原料肉的加工性能、提高肉品品質(zhì),但其長期攝入不利于人體健康?!暗望}、無磷”綠色健康肉制品加工技術(shù)是肉品行業(yè)的發(fā)展趨勢。精氨酸(L-arginine,L-Arg)是蛋白質(zhì)的基本組成成分,是嬰幼兒生長發(fā)育必不可少的氨基酸,具有保護(hù)胃腸黏膜,提高機(jī)體免疫力等生理功效[7]。作為一種食品加工中允許添加使用的營養(yǎng)增補(bǔ)劑和調(diào)味劑,具有安全性高、來源廣泛等特點(diǎn)。近年來精氨酸在肉蛋白結(jié)構(gòu)與加工性能及肉制品品質(zhì)調(diào)控方面的作用引起了肉品科學(xué)家的興趣。ZHENG[8]發(fā)現(xiàn)L-Arg添加可以顯著改善肉制品的感官品質(zhì)并降低其蒸煮損失;WACHIRASIRI等[9]研究發(fā)現(xiàn)L-Arg可以顯著降低蝦在低溫貯藏過程中冷凍導(dǎo)致的汁液損失;許鵬[10]研究發(fā)現(xiàn)L-Arg可以顯著降低肉制品的過氧化值,羰基含量以及硫代巴比妥酸反應(yīng)物值;QIN等[11]研究發(fā)現(xiàn),添加L-Arg可以促進(jìn)雞鹽溶蛋白形成結(jié)構(gòu)致密、均勻的熱誘導(dǎo)凝膠;TAKAI等[12]研究發(fā)現(xiàn),L-Arg可以提高肌球蛋白的溶解度;馬文慧等[13]研究發(fā)現(xiàn)氧化條件下L-Arg可以顯著降低豬MP凝膠的強(qiáng)度和白度,但會(huì)明顯提高凝膠得率??梢奓-Arg具有調(diào)控肉蛋白加工性能的作用,然而目前關(guān)于L-Arg 對反復(fù)凍融肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及凝膠性能方面的研究尚未見報(bào)道。因此,本文系統(tǒng)探究不同濃度L-Arg(0.0、1.0、3.0、5.0和10.0 mmol/L)對反復(fù)凍融MP結(jié)構(gòu)、流變學(xué)行為及熱誘導(dǎo)凝膠性能的影響,通過綜合分析明晰其內(nèi)在機(jī)制,為改善反復(fù)凍融肉蛋白的加工性能提供理論依據(jù)。
排酸24 h的豬外脊肉,購于當(dāng)?shù)卮笮统?,剔除可見脂肪、結(jié)締組織后,垂直于肌纖維走向切塊,真空包裝后置于-18 ℃冰箱,3個(gè)月內(nèi)用完。
L-Arg,上海源葉生物科技有限公司;氯化鎂、磷酸氫二鈉、硫酸銅、碘化鉀、氯化鈉、牛血清蛋白等化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。
圓二色光譜儀,英國Applied Photophysics公司;Fluoro Max-4熒光分光光度計(jì),日本Horiba公司;Mastersizer 2000激光粒度分析儀,英國Malvern Instruments有限公司;Haake-Mars 60 流變儀,德國Thermo Fisher Scientific公司;TA.Plus物性測試儀,英國Stable Micro System公司。
1.3.1 反復(fù)凍融原料肉的制備
將真空包裝的新鮮肉樣置于-18 ℃冰箱中冷凍,3 d 后取出,室溫下自來水流水解凍(中心溫度達(dá)到0~2 ℃),即為1次冷凍-解凍循環(huán),重復(fù)上述步驟,選取3次冷凍-解凍循環(huán)肉樣為研究對象。同時(shí)設(shè)置未參與冷凍-解凍循環(huán)的肉樣作為對照。
1.3.2 肌原纖維蛋白的提取
將肉樣解凍后切成小條稱重,參照曹云剛[14]的方法提取肌原纖維蛋白。整個(gè)過程保持在0~4 ℃,所得蛋白膏置于碎冰中放入冰箱冷藏室保持,并在48 h內(nèi)使用。以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白,采用雙縮脲法測定蛋白濃度。
1.3.3 肌原纖維蛋白-精氨酸混合體系的制備
用25 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 6.2)將MP蛋白膏樣品稀釋為40 mg/mL,調(diào)節(jié)稀釋液NaCl濃度為0.4 mol/L,根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別加入不同體積的L-Arg溶液并輕輕攪勻,使得最終體系中蛋白濃度為30 mg/mL,L-Arg終濃度分別為0.0、1.0、3.0、5.0和10.0 mmol/L,所有樣品于4 ℃下放置12 h。同時(shí)設(shè)置未反復(fù)凍融MP樣品作為對照。
1.3.4 圓二色譜分析
使用磷酸鹽緩沖液(25 mmol/L,含0.4 mol/L NaCl,pH 6.2;除非特殊說明本文中磷酸鹽緩沖液均指此緩沖液)調(diào)整蛋白濃度為0.2 mg/mL,借助圓二色譜光譜儀分析蛋白二級結(jié)構(gòu)含量,設(shè)置掃描速率為120 nm/min、掃描200~260 nm,累計(jì)掃描3次取其平均值,相同條件下對緩沖液進(jìn)行掃描,以確定各樣品基線水平,通過差減除去基線信號值,使用CDNN軟件計(jì)算蛋白二級結(jié)構(gòu)含量。
1.3.5 內(nèi)源性色氨酸熒光分析
使用上述磷酸鹽緩沖液將MP樣品稀釋為0.4 mg/mL,測定蛋白內(nèi)源性熒光,設(shè)置激發(fā)波長為283 nm,發(fā)射光譜為290~400 nm。
1.3.6 粒度分析
使用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀在25 ℃下采用靜態(tài)光散射法測量MP樣品的粒徑。用磷酸鹽緩沖液將樣品稀釋至質(zhì)量濃度為2 mg/mL,去除測量背景后,將MP稀釋液分散于蒸餾水中,直到達(dá)到要求的遮光效果(10%~13%),以防止多重散射的發(fā)生。重復(fù)測定3次取其平均值,獲得蛋白粒徑大小。
1.3.7 溶解度測定
使用磷酸鹽緩沖液將MP樣品稀釋至質(zhì)量濃度為2 mg/mL,在4oC、5 000×g條件下離心15 min,雙縮脲法測定上清液的蛋白濃度,溶解度計(jì)算如公式(1)所示:
(1)
1.3.8 流變學(xué)性能的測定
使用Haake-Mars 60型流變儀通過振蕩溫度連續(xù)掃描,分析不同處理MP樣品在熱誘導(dǎo)凝膠化過程中的流變行為。流變儀使用前調(diào)零,將離心(4 ℃,1 000×g,1 min) 脫氣后的樣品均勻涂布于平板上,使P 35型轉(zhuǎn)子下壓至距離平板1 mm后,輕輕擦去平板周圍溢出的樣品,滴一圈硅油進(jìn)行密封,以1 ℃/min 的升溫速率從20 ℃ 加熱至75 ℃。設(shè)置振蕩頻率為0.1 Hz、最大應(yīng)變?yōu)?%。記錄凝膠化過程中樣品的儲(chǔ)能模量(G′)和黏彈比(tanδ)[13]。
1.3.9 MP熱誘導(dǎo)凝膠的制備
將不同處理MP樣品(30 mg/mL)脫氣后,準(zhǔn)確稱取5 g于玻璃瓶中,封口后,置于水浴鍋中,從 20 ℃ 加熱至75 ℃,升溫速率約為1 ℃/min,將熱誘導(dǎo)凝膠充分冷卻后放入4 ℃冰箱過夜[15]。
1.3.10 蒸煮損失的測定
參照馬文慧等[13]描述的方法進(jìn)行測定。蒸煮損失率C計(jì)算如公式(2)所示:
(2)
1.3.11 MP凝膠強(qiáng)度的測定
使用TA-XT Plus物性分析儀測定不同處理MP樣品的凝膠強(qiáng)度。測定參數(shù):探頭型號P/75;測前、測中和測后速率均為2 mm/s;下壓百分比30%;觸發(fā)力10 g。
1.3.12 MP凝膠白度的測定
將CM-5分光測色計(jì)經(jīng)自檢及零點(diǎn)、白板校正后,對樣品白度進(jìn)行測定,計(jì)算如公式(3)所示:
(3)
使用Statistix 9.0分析軟件的通用線性模型程序進(jìn)行方差分析,采用LSD模式比較多組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,P值設(shè)置為0.05。
不同處理MP的二級結(jié)構(gòu)如表1所示,與未經(jīng)反復(fù)凍融MP(對照)相比,經(jīng)反復(fù)凍融MP的α-螺旋含量明顯下降,同時(shí)β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量顯著上升,這是由于反復(fù)凍融導(dǎo)致肌球蛋白尾部的α-超螺旋結(jié)構(gòu)逐漸解旋而部分轉(zhuǎn)化為β-折疊和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)[15]。添加L-Arg顯著改變了反復(fù)凍融MP的二級結(jié)構(gòu):添加1.0,3.0,5.0和10.0 mmol/L的L-Arg處理使反復(fù)凍融MP的α-螺旋含量分別提高了8.7%、9.89%、10.11%和9.02%,同時(shí)β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量均有所下降,但不同濃度L-Arg處理組之間無明顯差異??偟膩砜?,添加L-Arg 處理后反復(fù)凍融MP二級結(jié)構(gòu)的組成可恢復(fù)至接近于對照組。
表1 不同濃度L-Arg對MP二級結(jié)構(gòu)的影響Table 1 Effect of different concentrations of L-Arg on the secondary structure of MP
內(nèi)源熒光光譜是檢測色氨酸殘基微環(huán)境及蛋白質(zhì)分子三級結(jié)構(gòu)變化的重要技術(shù)手段[16]。如圖1所示,未經(jīng)反復(fù)凍融的MP,顯示出較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度,在最大發(fā)射波長處的熒光強(qiáng)度約為45.8×104cps,經(jīng)反復(fù)凍融的MP熒光強(qiáng)度顯著降低,這可能是由于反復(fù)凍融破壞了MP原有的空間結(jié)構(gòu),引起蛋白結(jié)構(gòu)展開,導(dǎo)致原本位于蛋白質(zhì)疏水性內(nèi)核中的色氨酸殘基暴露于極性環(huán)境中,促使內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降[17]。L-Arg 處理對于反復(fù)凍融MP熒光強(qiáng)度的影響具有明顯的濃度依賴性:當(dāng)L-Arg的濃度在1.0~3.0 mmol/L時(shí),隨著L-Arg的濃度增加蛋白熒光強(qiáng)度逐步降低;與之類似,冷利萍[18]研究也發(fā)現(xiàn)金線魚MP的內(nèi)源性熒光強(qiáng)度會(huì)由于外源性L-Arg添加而顯著下降。當(dāng)L-Arg濃度為5.0 mmol/L時(shí),熒光強(qiáng)度反而增強(qiáng),并接近于對照組MP的熒光強(qiáng)度;當(dāng)L-Arg濃度為10.0 mmol/L時(shí),L-Arg添加對反復(fù)凍融MP的熒光強(qiáng)度無顯著影響。不同濃度L-Arg對反復(fù)凍融MP熒光強(qiáng)度的影響可能是以下2個(gè)因素共同作用的結(jié)果:一方面可能是由于L-Arg處理使MP分子空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變(如表1所示)[19],使得色氨酸殘基所處的微環(huán)境發(fā)生變化;另一方面可能是由于L-Arg中多個(gè)親水基團(tuán)(—COOH和—NH2)的存在使得色氨酸殘基的微環(huán)境發(fā)生變化,導(dǎo)致熒光強(qiáng)度進(jìn)一步發(fā)生變化。
圖1 不同濃度L-Arg對MP三級結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 Effect of different concentrations of L-Arg on the tertiary structure of MP
粒徑可用來反映可溶性蛋白的粒度分布和聚集情況,不同處理對MP平均粒徑的影響如圖2所示。反復(fù)凍融導(dǎo)致MP的D(3,2)和D(4,3)都有所增加,這是由于反復(fù)凍融導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)展開、蛋白分子間相互作用增強(qiáng),引起蛋白交聯(lián)聚集,表現(xiàn)為平均粒徑增大[20]。整體來看,L-Arg處理降低了反復(fù)凍融MP的平均粒徑。當(dāng)L-Arg的濃度在1.0~10.0 mmol/L時(shí),D(3,2)整體呈略微下降趨勢;而D(4,3)隨濃度增加有所增大。GAO等[21]研究發(fā)現(xiàn)添加L-Arg可以使鳙魚熱誘導(dǎo)肌球蛋白的粒徑下降,這可能是由于L-Arg與蛋白相互作用抑制了肌球蛋白聚集成絲的能力。與本研究結(jié)果不同,馬文慧等[13]發(fā)現(xiàn)在氧化條件下L-Arg處理導(dǎo)致MP粒徑增大,這可能是由于L-Arg的存在促進(jìn)了蛋白的結(jié)構(gòu)展開,加劇了氧化誘導(dǎo)的蛋白聚集。綜上所述,L-Arg對肉蛋白粒徑的影響可能與蛋白本身及氧化或冷凍處理等多種實(shí)驗(yàn)因素有關(guān)。
圖2 不同濃度L-Arg對MP粒度的影響Fig.2 Effect of different concentrations of L-Arg on the particle size of MP
反復(fù)凍融條件下添加不同濃度L-Arg對MP溶解度的影響如圖3所示。與未經(jīng)反復(fù)凍融的MP相比,反復(fù)凍融導(dǎo)致MP的溶解度下降了31.9%(P<0.05)。這可能是由于冷凍產(chǎn)生的冰晶破壞了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),使蛋白變性聚集[22]。L-Arg處理顯著提高了反復(fù)凍融MP的溶解度,且隨著L-Arg濃度增大蛋白溶解度逐步提高。L-Arg對于MP的增溶作用可能與其誘導(dǎo)的蛋白結(jié)構(gòu)及粒徑變化有關(guān)。與本研究結(jié)果類似,LI等[23]也發(fā)現(xiàn)L-Arg能夠顯著提高豬肌球蛋白的溶解度,認(rèn)為這是由于L-Arg可以與肌球蛋白分子中的某些氨基酸殘基發(fā)生相互作用,并抑制了肌球蛋白分子間的聚集。
圖3 不同濃度L-Arg對MP溶解度的影響Fig.3 Effect of different concentrations of L-Arg on the solubility of MP
儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)是流變學(xué)持性中的2個(gè)重要參數(shù),分別表示材料的彈性和黏性。如圖4-a所示,對照組MP的G′在加熱過程中經(jīng)歷了3個(gè)流變學(xué)轉(zhuǎn)變過程,第1個(gè)過程(20~56 ℃)肌球蛋白頭部變性聚合形成結(jié)構(gòu)較為疏松的凝膠[24-25];隨后(56~63 ℃)肌球蛋白尾部超螺旋結(jié)構(gòu)逐漸解旋破壞了肌球蛋白頭部前期形成的疏松網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),最后(63~75 ℃)肌球蛋白分子充分交聯(lián)聚集,形成了穩(wěn)固的、不可逆的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[26]。反復(fù)凍融MP的G′值在整個(gè)熱誘導(dǎo)成膠過程中均低于未經(jīng)反復(fù)凍融MP,說明反復(fù)凍融在一定程度上破壞了MP的膠凝性能。與本研究結(jié)果相一致,LIAN等[27]也發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融使紅鱈魚MP的G′值減小。L-Arg處理進(jìn)一步降低了反復(fù)凍融MP的G′值,且隨著L-Arg濃度增大反復(fù)凍融MP的G′值逐漸降低,一方面可能是由于溶液中帶正電的L-Arg與帶負(fù)電的肌球蛋白結(jié)合,從而抑制了肌球蛋白間的聚集;另一方面由于L-Arg的存在抑制了加熱過程中肌球蛋白結(jié)構(gòu)的展開和交聯(lián),阻礙了凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成[28]。
tanδ表示蛋白凝膠體系的黏性與彈性間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,其比值越高說明體系黏性越強(qiáng)或彈性越低。由圖4-b可以看出,未參與反復(fù)凍融MP的tanδ值從20~58 ℃持續(xù)上升,這說明在此階段蛋白體系中黏性的增長速率較快,隨后tanδ隨溫度的上升急劇下降,這說明在此階段蛋白體系中彈性的增長速率較快,形成了穩(wěn)定的、不可逆的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。參與反復(fù)凍融MP的tanδ值低于未參與反復(fù)凍融MP,說明反復(fù)凍融導(dǎo)致MP體系的彈性增大。L-Arg處理升高了反復(fù)凍融MP的tanδ值,且隨著L-Arg濃度的增加tanδ的值也逐漸變大,說明L-Arg處理顯著改變了凝膠過程中MP體系的黏彈性,使蛋白體系更偏向于黏性。
圖4 不同濃度L-Arg對MP流變學(xué)性能的影響Fig.4 Effects of different concentrations of L-Arg on the rheological properties of MP
不同濃度L-Arg對反復(fù)凍融MP凝膠蒸煮損失的影響如圖5所示,與對照組相比,反復(fù)凍融處理并未導(dǎo)致MP熱誘導(dǎo)凝膠的蒸煮損失顯著降低。而任麗娜[29]研究發(fā)現(xiàn)白鰱魚肉隨凍融時(shí)間的增加,其蒸煮損失顯著降低。不一致的結(jié)果可能與蛋白種類及其他實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。添加不同濃度L-Arg使反復(fù)凍融MP凝膠的蒸煮損失降低至8.415%、7.541%、6.307%和3.444%。與本研究結(jié)果一致,冷利萍[18]發(fā)現(xiàn)經(jīng)L-Arg處理后金線魚MP凝膠的蒸煮損失顯著降低,認(rèn)為這可能是由于L-Arg能夠促使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生展開、暴露出更多的活性基團(tuán),促進(jìn)了三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,而凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使部分游離水截留并且束縛在凝膠網(wǎng)絡(luò)的間隙中。
圖5 不同濃度L-Arg對MP凝膠性能的影響Fig.5 Effect of different concentrations of L-Arg on the properties of MP gel
不同處理對MP凝膠白度也如圖5所示。反復(fù)凍融使得凝膠白度略微有所下降,這可能與反復(fù)凍融導(dǎo)致的蛋白氧化變性有關(guān)[30]。L-Arg的添加,進(jìn)一步降低了蛋白凝膠的白度,且隨著L-Arg濃度的增加凝膠白度持續(xù)降低,這主要是L-Arg自身的顏色所致。
未參與反復(fù)凍融MP的凝膠強(qiáng)度為65.057,參與反復(fù)凍融MP的凝膠強(qiáng)度下降至62.075。加熱前L-Arg 處理會(huì)促進(jìn)熱誘導(dǎo)MP凝膠強(qiáng)度進(jìn)一步下降,且呈現(xiàn)出明顯的濃度依賴性;當(dāng)L-Arg濃度為10.0 mmol/L時(shí),與反復(fù)凍融MP樣品的凝膠強(qiáng)度相比,L-Arg處理的MP凝膠強(qiáng)度降低了約27.1%(P<0.05)。與本研究結(jié)果類似,GAO等[21]也發(fā)現(xiàn)Arg/His顯著抑制了熱誘導(dǎo)凝膠過程中肌球蛋白分子間的交聯(lián)聚集,從而降低了鳙魚肌球蛋白的凝膠強(qiáng)度。
反復(fù)凍融導(dǎo)致肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)展開、粒徑增大、溶解度和凝膠性能顯著下降。添加L-Arg處理可以調(diào)控反復(fù)凍融MP的結(jié)構(gòu)和凝膠性能,表現(xiàn)為:L-Arg 添加可以顯著改變反復(fù)凍融MP的空間結(jié)構(gòu),使得其二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)成比例接近于未經(jīng)反復(fù)凍融處理組,不同濃度L-Arg處理對MP二級結(jié)構(gòu)的影響效果無顯著差異;整體來看,L-Arg添加可以降低反復(fù)凍融MP的粒徑、顯著提高其溶解度,且溶解度提升效果與L-Arg濃度呈正相關(guān);L-Arg處理顯著抑制了熱誘導(dǎo)成膠過程中MP分子間的交聯(lián)聚集、導(dǎo)致G′及凝膠強(qiáng)度顯著降低,且抑制效果與L-Arg濃度呈正相關(guān);但L-Arg添加顯著提高了凝膠得率。因此,單獨(dú)使用L-Arg可以調(diào)控MP結(jié)構(gòu)、提高其凝膠持水性,但無法改善其凝膠強(qiáng)度。后續(xù)的研究可以考慮L-Arg和其他物質(zhì)(比如谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶)復(fù)配使用全面改善反復(fù)凍融MP的凝膠性能。