李穎暢,師丹華,趙淞民,朱永麗,鄒 倩,2,儀淑敏,勵建榮*
(1 渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心 遼寧錦州 121013 2 大連工業(yè)大學(xué) 海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心 遼寧大連 116034)
海鱸魚(Lateolabrax japonicas),又稱咸水鱸魚,其蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸含量豐富[1-2]。海鱸魚肌肉中肌原纖維蛋白含量豐富,約占總蛋白的60%~70%,具有多種功能特性,如凝膠性、持水性等。同時,肌原纖維蛋白的結(jié)構(gòu)及特性的變化會直接影響魚糜制品的質(zhì)地與風(fēng)味,是魚糜制品的重要成分之一[3]。
沒食子酸(3,4,5-三羥基苯甲酸),具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗過敏、抗癌等生理功效[4-5]。據(jù)報道,適量的沒食子酸可以改變肌原纖維蛋白熒光特性,暴露出更多的活性基團,使得表面疏水性、巰基和溶解度增加[6]。胡熠等[7]研究沒食子酸對海鰻肌原纖維蛋白氧化的抑制作用,結(jié)果表明沒食子酸使肌原纖維蛋白的表面疏水性顯著上升(P<0.05),二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,添加0.15%的沒食子酸能有效抑制蛋白質(zhì)氧化,并改善蛋白凝膠性能。Pan 等[8]發(fā)現(xiàn)添加5 μmol/g 的沒食子酸使日本鱸魚肌原纖維蛋白的儲能模量急劇增加,而添加125 μmol/g 的沒食子酸明顯降低了儲能模量。
超聲波通過空化效應(yīng)及機械效應(yīng)改變生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能特性[9],在食品保鮮以及加工等方面的應(yīng)用備受關(guān)注。常海霞等[10]研究發(fā)現(xiàn),隨著超聲時間的延長,表面疏水性呈上升趨勢,內(nèi)源熒光呈下降趨勢,超聲波促進蛋白結(jié)構(gòu)的展開。Madadlou 等[11]發(fā)現(xiàn)超聲處理后的酪蛋白膠凝點的pH 值降低,酪蛋白的凝結(jié)點延遲,凝膠彈性增強,硬度增大,同時產(chǎn)生了具有更多互連結(jié)構(gòu)和更小的不可區(qū)分顆粒的凝膠,當(dāng)超聲處理120 min 時,凝膠性能較好。李秀霞等[12]發(fā)現(xiàn)超聲波輔助冷凍能有效降低蛋白的氧化程度,同時增加蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性,使得其在凍藏期間結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。Liu等[13]指出超聲波處理可以提高鰱魚肌球蛋白的溶解度,使其分布更加均勻,而長時間的高強度超聲處理會導(dǎo)致肌球蛋白的氧化和降解。Chen 等[14]研究表明,超聲波使肌球蛋白的結(jié)構(gòu)隨應(yīng)力的變化而變化,同時使肌球蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,影響其乳化性質(zhì)。李可等[15]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理后肌原纖維蛋白α-螺旋相對含量從22.1%降至17.7%,而β-折疊從39.4%升至43.3%,同時β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲相對含量也呈顯著上升的趨勢。
目前,沒食子酸與超聲波協(xié)同處理對鱸魚蛋白結(jié)構(gòu)特性的影響鮮有報道。本文通過拉曼光譜、差示熱量掃描(DSC)、動態(tài)流變特性、熒光光譜、表面疏水性、SDS-PAGE 電泳分析,探究不同濃度的沒食子酸協(xié)同超聲波處理對海鱸魚肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的影響,從而改善肉制品品質(zhì),對凝膠類肉制品的生產(chǎn)與加工具有指導(dǎo)意義。
海鱸魚:體質(zhì)量(1 000±50)g、平均體長(30±1)cm,購自遼寧省錦州市科技路水產(chǎn)批發(fā)市場。冰乙酸、尿素、磷酸氫二鉀、2-硝基苯甲酸、磷酸二氫鉀均為分析純級,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;對苯二酚、溴酚藍、三氯乙酸、氯化鈉、Tris、鹽酸胍、電泳maker 蛋白、25%戊二醛、乙二胺四乙酸二鈉、β-巰基乙醇、鹽酸、ATP、氯化鉀、沒食子酸,北京索萊寶科技有限公司。
MS105DU 分析天平,上海精密科學(xué)儀器有限公司;Q2000 差示掃描量熱儀,美國TA 儀器有限公司;UV-2550 紫外可見光分光光度計,上海菁華科技有限公司;LKQ-400KDE 超聲波,昆山市超聲儀器有限公司;Mini Protean 3 凝膠電泳儀,美國Bio-Rad 公司;abR AM HR Evolution 拉曼光譜儀,HORIBA 公司;Discovery HR-1 流變儀,美國TA 儀器有限公司;Milli-Q 超純水系統(tǒng),美國Millipore 公司;GS-800 拍照系統(tǒng),英國Syngene 公司;SORVALL Stratos 冷凍高速離心機,美國賽默飛世爾科技有限公司;970 CRT 熒光分光光度計,上海菁華科技儀器有限公司。
1.3.1 肌原纖維蛋白的提取及濃度測定 參考李學(xué)鵬等[16]的方法,提取后蛋白濃度采用雙縮脲法測定蛋白含量。
1.3.2 復(fù)合體系的制備 參考張慧蕓等[17]的方法,使得體系中蛋白最終質(zhì)量濃度為40 mg/mL,沒食子酸的終濃度為0,1,2,4,6 mg/g。制備未超聲組、400 W 超聲波處理組(超聲處理20 min),每一個濃度均制備10 mL。
1.3.3 拉曼光譜掃描 參考Alix 等[18]的方法,調(diào)節(jié)焦距后將蛋白樣品置于載玻片上進行拉曼光譜測定。檢測參數(shù)如下:激發(fā)波長514.5 nm;光柵600 g/mm;狹縫200 μm;顯微物鏡50 倍長焦距;激光出射功率100 mW;積分時間30 s;重復(fù)3 次。
1.3.4 內(nèi)源熒光光譜掃描 準(zhǔn)確量取1 mg/mL 的多酚-蛋白溶液2.5 mL,加入9 mL 20 mmol/L、pH 7.2 的磷酸鹽緩沖液。測定條件:激發(fā)波長280 nm,發(fā)射波長掃描范圍300~400 nm,靈敏度為2,狹縫均為10 nm[19]。
1.3.5 表面疏水性測定 參考Chen 等[20]方法并作修改。多酚-蛋白溶液質(zhì)量濃度為5 mg/mL,取1 mL 于90 ℃水浴加熱30 min,冰浴冷卻10 min后,加入0.2 mL 溴酚藍(1 mg/mL)溶液,4 000 r/min 離心15 min??瞻捉M用1 mL 磷酸鹽緩沖溶液(Tris-HCl-NaCl)替代多酚-蛋白液,其余同上。將樣品組所得上清液稀釋合適倍數(shù)后,于波長595 nm 處測定空白、樣品的吸光度值。表面疏水性計算公式:
1.3.6 差示熱量掃描(DSC) 蛋白質(zhì)量濃度40 mg/mL,將樣品置于不銹鋼鋁坩堝內(nèi),用分析天平準(zhǔn)確記錄每組樣品的質(zhì)量(5~10 mg),對坩堝進行壓片密封,待測。測試條件:平衡時間2 min,樣品以5 ℃/min 的速率從5 ℃升溫到90 ℃。用儀器自帶的Pyris-11 軟件對焓變(ΔH)和變性溫度(Td)進行分析計算[13]。
1.3.7 動態(tài)流變測定 參照Chen 等[21]的方法,并略作修改。配制5 mL 用于流變特性測定的樣品,質(zhì)量濃度為40 mg/mL 的多酚-蛋白溶液。取多酚-蛋白1 mL 加到流變儀的載物臺上,平衡2 min,以升溫速率5 ℃/min 由20 ℃升至80 ℃,流變儀設(shè)定條件:直徑50 mm 平行板,狹縫200 μm,頻率0.1 Hz。應(yīng)變力為0.5%的條件下,在動態(tài)模量模式下測定。
1.3.8 聚丙烯酰胺凝膠電泳 參考Xiong 等[22]的方法并略作修改。取10 μL 多酚蛋白溶液電泳,電泳結(jié)束后用考馬斯亮藍染色1 h,再用脫色液(體積分?jǐn)?shù)50%的甲醇,體積分?jǐn)?shù)10%的冰乙酸)脫色,直至蛋白條帶清晰。最后利用GS-800 系統(tǒng)觀察蛋白條帶情況并拍照。
拉曼光譜可以通過峰的形狀和強度等得到蛋白結(jié)構(gòu)的變化[23],波數(shù)范圍在1 600~1 700 cm-1酰胺I 帶可分析蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu),其中α-螺旋波數(shù)范圍為1 650~1 660 cm-1,無規(guī)則卷曲波數(shù)范圍為1 660~1 665 cm-1,β-折疊波數(shù)范圍為1 665~1 680 cm-1,波數(shù)1 680 cm-1附近是β-轉(zhuǎn)角[24],蛋白二級結(jié)構(gòu)的含量通過對應(yīng)峰的峰面積進行計算。不同添加量的沒食子酸協(xié)同超聲處理對肌原纖維蛋白拉曼光譜圖及二級結(jié)構(gòu)相對含量的影響如圖1、圖2 所示。當(dāng)沒食子酸的添加量為0 mg/g 時,α-螺旋含量為52.8%,β-折疊含量為58.3%,β-轉(zhuǎn)角含量為15.6%,無規(guī)則卷曲含量為10.4%。當(dāng)沒食子酸的添加量小于2 mg/g 時,隨著沒食子酸含量的增加,α-螺旋值呈上升趨勢,而β-折疊等變化趨勢與之相反。當(dāng)沒食子酸添加量為2 mg/g,α-螺旋含量最高達74.69%,此時β-折疊為4.54%。當(dāng)沒食子酸含量進一步增加,α-螺旋含量降低到63.7%,而無規(guī)則卷曲等含量上升。這是因為適量的沒食子酸可以與蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián),同時能防止蛋白質(zhì)過度氧化或過度交聯(lián)形成醌類物質(zhì)[6]。賈娜等[25]研究表明沒食子酸的添加可以使氫鍵作用力增強,α-螺旋含量增加,維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Li 等[26]同樣研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TGase)處理后,增加了α-螺旋的含量,蛋白結(jié)構(gòu)變得更加有序,本文研究結(jié)果與其一致。當(dāng)400 W 超聲處理后,各組的α-螺旋含量分別為58.28%,69.22%,80.19%,74.69%,69.22%;β-折疊分別為17.11%,8.73%,0.32%,4.54%,8.73%,α-螺旋較未超聲處理時有所上升,β-折疊較未超聲處理時有所下降。李可等[15]表明450W 的超聲處理會破壞氫鍵,使蛋白結(jié)構(gòu)由有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序,本文研究結(jié)果與其不同,可能由于添加沒食子酸的作用不同,以及超聲波頻率選擇不同產(chǎn)生的差異。而刁小琴等[27]研究發(fā)現(xiàn),在合適的超聲功率下,超聲波處理能引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,使分子內(nèi)和分子間的氫鍵增強,本試驗研究結(jié)果與之相一致。
圖2 沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白酰胺I 帶二級結(jié)構(gòu)含量的影響Fig.2 Effect of synergistic of gallic acid and ultrasound on secondary structurefrom amide I region of Lateolabrax japonicus protein
蛋白質(zhì)中內(nèi)源性熒光基團色氨酸對微環(huán)境變化很敏感。當(dāng)色氨酸的微環(huán)境發(fā)生變化時,最終使蛋白質(zhì)的熒光強度發(fā)生猝滅或者增強,進一步表明蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變[28]。如圖3 所示,隨著沒食子酸含量的增加,內(nèi)源熒光強度降低,出現(xiàn)熒光猝滅,與此同時,不同質(zhì)量濃度沒食子酸處理的肌原纖維蛋白最大熒光峰發(fā)生了紅移。有研究表明,咖啡酸使MP 的發(fā)射波長從336 nm 紅移到349 nm,表明沒食子酸使蛋白分子展開,色氨酸殘基暴露分子表面,其所處微環(huán)境發(fā)生改變[29]。400 W超聲處理后,2,4,6 mg 沒食子酸組的熒光強度有所增加,可能是因為蛋白中某些色氨酸殘基由于聚合、聚集或肽-肽締合,導(dǎo)致相對熒光強度增加[30]。Huang 等[31]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲波處理的類萌發(fā)素蛋白樣品的熒光強度增加。Ma 等[32]報道在80 W,20 kHz 下,超聲處理堿性蛋白酶4 min 后,其熒光強度增加。
圖3 沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白熒光強度的影響Fig.3 Effect of synergistic of gallic acid and ultrasound on fluorescence intensity of Lateolabrax japonicus protein
疏水性對蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能特性起關(guān)鍵作用[20]。沒食子酸添加量和超聲處理對肌原纖維蛋白表面疏水性的影響如圖4 所示,隨著沒食子酸質(zhì)量濃度的增加,使得蛋白質(zhì)的疏水性氨基酸暴露,與溴酚藍結(jié)合的更多,表面疏水性顯著增強(P<0.05),同時內(nèi)源熒光光譜的猝滅進一步表明蛋白結(jié)構(gòu)改變,使得包埋于蛋白內(nèi)部的氨基酸暴露在表面。Cao 等[19]研究不同濃度的綠原酸(0,6,30,150 μmol/g pro)對豬肉肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)綠原酸的添加可以顯著增加蛋白的表面疏水性。本研究結(jié)果與其一致。Kroll 等[33]也發(fā)現(xiàn)蛋白與多酚作用后,表面疏水性增加。超聲400 W處理時,表面疏水性高于未超聲組。有研究發(fā)現(xiàn),高強度超聲使得埋藏于蛋白質(zhì)內(nèi)部疏水基團內(nèi)卷程度降低,基團暴露到表面,表面疏水性增強,表明超聲波能促進蛋白質(zhì)的展開[34]。Hu 等[35]用超聲波處理大豆分離蛋白后,表面疏水性增加,Shen等[36]通過超聲處理熱聚集后的乳清蛋白,也證實了相同的結(jié)果。
圖4 沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白表面疏水性的影響Fig.4 Effect of synergistic of gallic acid and ultrasound on surface hydrophobicity of Lateolabrax japonicus protein
DSC 可以反映蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,在蛋白質(zhì)熱變性的研究中應(yīng)用廣泛。蛋白質(zhì)在吸熱過程中,分子間作用力被破壞,蛋白質(zhì)變性,當(dāng)達到變性溫度時,就會出現(xiàn)對應(yīng)吸收峰,因此DSC 中點溫度(Tmax)和焓變值(ΔH)的變化可以反映蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化,Tmax和ΔH越高,則蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性越強[37]。圖5 為超聲波輔助下海鱸魚肌原纖維蛋白DSC 掃描曲線圖,表1、表2 是肌原纖維蛋白的熱變性溫度(Tmax)和焓變值(ΔH)變化。由圖5 及表1、2 可知,超聲處理前、后,隨著沒食子酸含量的增加,蛋白熱變性溫度和焓變值呈先上升后降低的趨勢,當(dāng)沒食子酸的添加量為2 mg/g 時,Tmax與ΔH值最大,說明此時蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,與α-螺旋的變化趨勢一致。有研究表明熱變性溫度的改變是由蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團修飾、交聯(lián)及其與酚類化合物的相互作用引起的[38]。經(jīng)超聲波輔助處理后,沒食子酸的添加量為1,2 mg/g 時,熱變性溫度有所上升,當(dāng)沒食子酸的添加量大于2 mg/g 時,焓變值有所上升,說明超聲處理能加速蛋白質(zhì)的變性和聚集,改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而改變肌原纖維蛋白變性所需要的溫度和能量。蔡路昀等[1]發(fā)現(xiàn)超聲波輔助解凍處理會加速魚肉肌球蛋白的變性,本文結(jié)果與其相一致。
表1 未超聲處理鱸魚蛋白熱變性中點溫度和焓變Table 1 Thermal denaturation midpoint temperature and enthalpy of Lateolabrax japonicus protein without ultrasound treatment
表2 400 W 超聲輔助處理鱸魚蛋白熱變性中點溫度和焓變Table 2 Thermal denaturation midpoint temperature and enthalpy of Lateolabrax japonicus protein on 400 W ultrasound
圖5 沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白DSC 的影響Fig.5 Effect of synergistic of gallic acid and ultrasound on DSC of Lateolabrax japonicus protein
沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白動態(tài)流變的影響如圖6 所示。通過對20 ℃到80 ℃儲能模量G′與損耗模量G″變化趨勢的分析,評定肌原纖維蛋白在形成凝膠過程中彈性與黏性性能的變化[39]。由圖6 可知,溫度對流變性能的影響經(jīng)歷了3 個階段,當(dāng)溫度在35~40 ℃之間,G′隨著溫度的升高而升高,在40 ℃達到第1 個峰值,這可能是因為肌球蛋白頭部結(jié)構(gòu)變性后聚集,形成了凝膠結(jié)構(gòu)[40]。當(dāng)溫度在50~55 ℃之間,由于肌球蛋白的尾與尾的相互作用出現(xiàn)凝膠劣化,使得G′隨溫度升高而降低。當(dāng)溫度大于55 ℃時,G′隨溫度升高而升高并且逐漸趨于平緩,這是因為此階段大多數(shù)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)展開,分子間進一步交聯(lián)形成二硫鍵,形成了穩(wěn)定且具有彈性的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[41]。損耗模量G″隨溫度的變化趨勢與儲能模量G′變化趨勢基本一致。在整個變化過程中,不同濃度沒食子酸處理組儲能模量G′始終高于未添加沒食子酸組,說明不同濃度沒食子酸的添加有助于蛋白凝膠的形成。Li 等[26]發(fā)現(xiàn)EGCG 與TG酶可以提高肌原纖維蛋白的儲能模量,使得凝膠更具有彈性。400 W 超聲波處理后,所有處理組的儲能模量的變化更加有序,對沒食子酸的劑量依賴性更小。這可能是因為超聲處理使得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開,粒徑減小,從而促進加熱過程中的進一步交聯(lián),改善流變性能,形成彈性更好的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]。王靜宇等[42]研究表明200 W 超聲處理可以改善蛋白的流變性能。
圖6 沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白流變特性的影響Fig.6 Effect of synergistic of gallic acid and ultrasound on dynamics rheological properties of Lateolabrax japonicus protein
從SDS-PAGE 電泳圖能夠觀察到蛋白質(zhì)之間交聯(lián)、聚集與降解等情況。未超聲處理和超聲波處理下,沒食子酸對肌原纖維蛋白SDS-PAGE 電泳圖譜的影響如圖7 所示,圖中MP 顯示肌球蛋白重鏈(MHC,200 ku)和肌動蛋白(Actin,45 ku)等主要亞基的典型圖譜。當(dāng)沒食子酸添加量從0 到2 mg/g 時,肌球蛋白重鏈(MHC)和肌動蛋白(Actin)條帶顏色變淺,這是因為適量的沒食子酸能促進二硫鍵的形成,增加蛋白結(jié)合[43]。有研究表明,二硫鍵是低濃度的多酚誘導(dǎo)聚集的主要作用力,當(dāng)多酚濃度過高時,MP 形成的作用力由二硫鍵轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾咏閷?dǎo)的共價交聯(lián)[44]。當(dāng)沒食子酸的含量繼續(xù)增加時,條帶顏色變深,可能是因為沒食子酸與蛋白過度交聯(lián)形成醌類物質(zhì)[6],使得堆積在頂部的醌類聚合物增多,對蛋白結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,Cao 等[38]的研究表明蛋白與多酚具有劑量依賴性關(guān)系,本文結(jié)果與其相一致。400 W 超聲波處理后條帶顏色加深變寬,并且濃縮膠及分離膠頂部大分子聚合物也明顯增多。說明超聲波處理后,加速蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展開,暴露出更多的基團,增加蛋白之間發(fā)生交聯(lián),使得蛋白質(zhì)分子質(zhì)量發(fā)生改變,本文結(jié)果與Pan 等[8]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可增加MP 的聚集和交聯(lián)一致。
圖7 沒食子酸與超聲波協(xié)同作用對鱸魚蛋白SDS-PAGE 電泳圖譜的影響Fig.7 Effect of synergistic of gallic acid and ultrasound on SDS-PAGE of Lateolabrax japonicus protein
通過分析拉曼光譜、熒光光譜、表面疏水性、蛋白熱穩(wěn)定性、流變學(xué)特性、SDS-PAGE 電泳指標(biāo),研究沒食子酸協(xié)同超聲波處理對海鱸魚肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的影響。超聲處理前、后,當(dāng)沒食子酸的添加量為0 mg/g,α-螺旋含量為52.8%,β-折疊含量為58.3%,β-轉(zhuǎn)角含量為15.6%,無規(guī)則卷曲含量為10.4%。隨著沒食子酸含量的增加,α-螺旋值上升到74.69%后出現(xiàn)降低的趨勢,而β-折疊等變化趨勢與之相反。超聲處理后,α-螺旋轉(zhuǎn)化為無規(guī)則卷曲與β-折疊,其含量呈先升高后下降的趨勢,β-折疊與α-螺旋變化趨勢相反,當(dāng)沒食子酸的添加量為2 mg/g 時,α-螺旋含量最高。內(nèi)源熒光光譜、表面疏水性的結(jié)果表明,肌原纖維蛋白的三級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,隨著沒食子酸含量的增加,熒光強度增強,表面疏水性顯著增加(P<0.05)。DSC、流變以及電泳圖譜表明肌原纖維蛋白凝膠特性發(fā)生改變,隨著沒食子酸含量的增加,蛋白的熱變性溫度提高,蛋白熱穩(wěn)定性增強,當(dāng)沒食子酸的添加量為2 mg/g 時,熱穩(wěn)定性最高,焓變值最大。流變學(xué)特性顯示蛋白儲能模量提高,形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)更具有黏彈性,使得肌原纖維蛋白凝膠性能得到提高。