天然抗氧化劑對水產肌原纖維蛋白結構與功能特性的影響研究進展

耿文豪,李萌,2,3,馬永生,2,3,范馨茹,2,3*,趙前程,2,3

1(大連海洋大學 食品科學與工程學院,遼寧 大連,116023)

2(大連市特色海洋功效成分開發與高值化利用重點實驗室,遼寧 大連,116023)

3(遼寧省海洋健康食品工程研究中心,遼寧 大連,116023)

肌原纖維蛋白(myofibrillar protein,MP)是水產動物源性食品的重要肌肉組分[1],由粗絲(肌球蛋白)和細絲(肌動蛋白)構成[2-3]。MP具有良好的凝膠性、乳化性和成膜性,但易受到pH值、離子強度、溫度、氧化作用和添加劑等因素的影響[4]。目前,已證實MP在加工和貯運過程中易受到氧化損傷,導致蛋白質發生一系列物理和化學變化(如斷裂、交聯、聚集、總巰基的損失和碳基化合物的形成等),MP的狀態會影響終產品的凝膠性能、感官特性及得率等。因此,如何有效地減少水產品加工及貯運過程中MP的氧化至關重要[5]。

現階段,蛋白質氧化調控多以添加抗氧化劑的方式實現,但一些研究表明合成抗氧化劑具有潛在的安全問題。因此,天然抗氧化劑及新型改性抗氧化劑的深度開發利用已成為研究熱點[6]。目前,天然抗氧化劑的相關研究主要集中在植物多酚、多糖等方面(圖1)。植物多酚結構中的鄰位酚羥基極易被氧化成醌類結構,通過自身氧化、清除自由基實現抗氧化能力[7-8],與MP通過共價及非共價的作用結合,從而改變MP結構及功能[2]。此外,多糖[9]、蛋白質[10]等化合物也被充當抗氧化劑添加到MP中,對其結構及功能進行改性。然而,目前鮮見不同抗氧化劑對水產MP結構與功能特性影響的系統性報道。因此,本文綜述介紹了多酚、多糖、蛋白質和其他物質對水產MP結構與功能特性的影響,旨在為水產蛋白結構和功能研究提供理論支撐,為進一步開發利用新型抗氧化劑提供指導方向。

圖1 抗氧化劑對水產肌原纖維蛋白結構與功能特性影響

1 多酚對肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響

植物多酚是天然植物原料中提取的有效成分,其來源廣泛,結構中大部分帶有苯環并結合多個羥基,具有較強的抗氧化性,已被應用到食品及醫藥行業中,近年來已作為優質天然抗氧化劑應用到肉制品加工中[8]。多酚與蛋白質的相互作用取決于他們的結構與類型,主要通過非共價及和共價相互作用實現,對MP結構與功能特性產生顯著影響[11-12]。如表1所示,不同多酚對于水產MP結構與功能特性存在不同的影響。研究發現MP中添加不同種類多酚化合物后,多酚的活性鄰酚結構易與蛋白質之間形成共價結合,導致MP的巰基含量均呈現不同程度下降[13-14];生姜提取物可以延緩MP表面疏水性增加,對MP結構起到保護作用,進而影響蛋白質氧化程度[15];表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)可以通過非共價作用(氫鍵和疏水相互作用等)與鰱魚MP產生緊密結合,導致α-螺旋含量減少,而β-轉角和無規則卷曲含量增加,使MP結構更為松散,有利于提高凝膠特性[16];多酚也可以使蛋白質周圍的整體氧化環境發生變化,通過破壞肽鍵,改變蛋白質的結構,使色氨酸殘基暴露,導致其熒光強度降低,發揮其抗氧化活性[17]。除此之外,多酚在MP形成凝膠結構、水合能力及乳化性能方面也起著重要作用[18]。蛋白質-多酚復合物和結合物也越來越受到關注。蛋白質-多酚復合物和結合物比單一蛋白質具有更強的抗氧化潛能,但取決于蛋白質/多酚比例以及多酚的類型[19]。目前,對于多酚-MP相互作用的研究已較為深入,但仍存在不足,如多酚與MP之間會產生影響,但由于多酚種類、蛋白質結構的不同等差異,會產生不同影響;此外,多酚對MP結構變化、乳化性和凝膠特性的影響仍需進一步探索。

表1 多酚類物質對水產肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響Table 1 Effects of plant polyphenol on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

2 多糖對肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響

多糖是一種天然的高分子聚合物,由各種單糖通過不同形式連接,廣泛存在于植物、動物和微生物中[24]。多糖根據電荷特性不同可分為陽離子多糖、陰離子多糖和中性多糖,具有不同的化學結構和功能,如提高乳液的黏彈性、改變食品感官特性和抑制消化作用等[25-26]。此外,多糖具有很強的生物學功能,如抗癌、糖尿病活性[27]、降血脂活性[28]、調節作用[29]等。雖然多糖具有較多的功能特性,但其產率低、水中溶解度低、黏度差,同時空間結構受制,因此限制了多糖的應用[30]。近年來,多糖類化合物同樣被應用于修飾水產MP以保護其結構與功能特性。多糖可以通過清除自由基、抑制脂質過氧化物的產生、增強抗氧化酶活性等多種相互協調機制發揮抗氧化作用[6]。此外,多糖已被證實可以直接與蛋白質極性殘基相互作用以防止蛋白質變性,或者通過形成多糖-肌原纖維復合物束縛水分子以改善蛋白質凝膠特性[25]。

如表2所示,不同多糖對于水產肌原纖維蛋白結構與功能特性存在不同的影響。研究表明中性及陰性多糖與蛋白質結合的穩定效果優于陽性多糖[25]。魔芋膠是一種中性多糖,適量添加后可以提高MP的表面疏水性、濁度與粒徑,同時改善MP凝膠特性[31-32]?？ɡz是一種陰離子多糖,在一定條件下與MP發生靜電相互作用,同時也存在一定的靜電排斥和空間位阻作用[25]。在草魚MP和泥鰍MP中添加一定量卡拉膠會導致其凝膠強度下降[33-34],這與前期研究結果不符,可能是過量添加后會與蛋白質發生過度交聯,阻礙蛋白質間的交聯,導致凝膠強度降低[35]。研究表明經酸解古羅糖醛酸寡糖修飾后,MP極性環境發生改變,酪氨酸暴露,蛋白結構更聚集,從而對MP的二級結構產生一定影響[9]。此外,金針菇多糖已被證實可以降低MP巰基、內源熒光強度及Ca2+-ATP酶活性,同時抑制MP二級結構變化,使其結構更加有序,蛋白質變性有所緩解[36]。羥丙基二淀粉磷酸酯(hydroxypropyl distarch phosphate,HPDSP)是一種復合變性淀粉,乙?；p淀粉己二酸酯(acetylated distarch adipate,ADA)是一種改性淀粉,因二者穩定的凝膠特性和降低食品工業中淀粉的降解而受到廣泛關注[37]。HPDSP和ADA可以改變南美對蝦MP的分子間作用力及二級結構,但過量添加均會與MP之間形成競爭,導致其凝膠強度降低[38-39],改性淀粉對于MP的微觀結構、凝膠特性都有很大的影響且優于天然淀粉的作用[40]。

表2 多糖類物質對水產肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響Table 2 Effects of polysaccharide on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

目前,蛋白質與多糖之間的相互作用在食品領域已被廣泛關注,但研究不夠深入,影響蛋白質-多糖之間交聯的因素眾多,如pH值、離子種類、強度以及蛋白質與多糖配比等[41];由于不同種類的多糖在其結構、電荷等各個方面性質存在差異,所以,需針對不同種類多糖進行獨立研究。多糖和MP交聯體系較為復雜,后續相關研究還需要考慮多種因素協同作用對MP結構與功能特性的影響。

3 蛋白質對肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響

蛋白質是人類飲食中貢獻最重要的營養成分之一。由于傳統來源蛋白質的需求不斷增加和供應不穩定,各種非傳統來源的蛋白質功能及潛在應用也逐漸受到關注。例如,研究發現植物蛋白具有一定活性且相較于動物蛋白具有更多健康益處[43]。蛋白質由不同氨基酸組成,其空間結構通過一級、二級、三級、四級結構以及疏水作用等多種相互作用形成[44]。蛋白質的功能特性較多,其中凝膠性、溶解性、起泡性等在食品行業中應用度較高。近年來,蛋白質除了作為營養物質,還有許多其他用途,如抗凍劑[45]、抗高膽固醇血癥活性[46]、穩定乳化液體系[47]等,廣泛應用于食品及醫藥行業等。

如表3所示,不同蛋白質對于水產MP結構與功能特性的影響存在差異。在鰱魚MP中添加一定濃度大豆分離蛋白會降低其內源熒光強度并在一定程度上改善其功能特性[48];一定濃度的蝦夷扇貝裙邊多肽可以降低鰱魚MP巰基和羰基含量并改變其二級結構,對其結構具有一定保護作用[10];白鰱魚鱗抗凍多肽可以降低凍融過程中MP的聚集程度、改善氨基酸微環境及二級結構變化,對MP的凍融穩定性及結構保護作用均優于商業抗凍劑[49];魚鱗明膠是膠原部分變性的產物,在黑魚MP中添加魚鱗明膠后會降低巰基、Ca2+-ATP酶活性,延緩表面疏水性和羰基的增長,使MP溶解度降低,減少MP結構的變化并抑制凍融過程中流變特性和凝膠特性的劣化,但作用效果仍不及商業抗凍劑,因此,未來還需要對明膠的冷凍保護作用進一步改善[50];牛骨水解物在一定程度上會抑制表面疏水性升高,使MP結構更加致密,但巰基含量會隨著添加濃度的升高而降低,可能是因為高濃度抗氧化劑影響了MP空間結構,使分子內部的巰基暴露,形成二硫鍵,導致總巰基含量下降[51]。此外,堿性蛋白酶應用到鰱魚MP中也產生了同樣的效果[52]。

表3 蛋白質類物質對水產肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響Table 3 Effects of protein on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

蛋白質是生產蛋白凝膠制品過程中常用的外源添加物,可以增強魚糜制品的凝膠特性,降低生產成本,有研究發現蛋白質-蛋白質相互作用可以提高蛋白質的功能特性,可能是解決特定蛋白質缺陷的關鍵途徑。近年來,部分蛋白質水解物及多肽等被當做抗氧化劑加入MP中以維持其結構與功能特性,但與其他類抗氧化劑相比,蛋白質類抗氧化劑對MP結構與功能的影響的報道仍然較少。利用副產物開發新型蛋白質水解物或多肽類抗氧化劑也仍待研究。

4 其他物質對肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響

抗氧化劑根據其來源不同,可分為天然抗氧化劑和化學合成抗氧化劑,但目前化學合成抗氧化劑仍因其安全性問題備受質疑[53]。脂質、乳液及無機鹽等天然產物均被發現具有抗氧化性。如,脂質可以通過與蛋白質中的疏水反應位點競爭,改變局部蛋白質環境,從而影響MP的凝膠強度,導致更多的疏水基團暴露,進而改變相關蛋白質的二級結構[54],而脂質氧化產物與蛋白質分子之間通過鏈式聚合反應或親核氨基酸殘基發生相互作用[55]。無機鹽可以與MP中不同位點結合,對其產生保護作用[56]。

如表4所示,其他物質對于水產肌原纖維蛋白結構與功能特性存在不同的影響。魚油的添加促進了蛋白之間的交聯?？膳c凝膠基質中的蛋白質發生連接,從而提高了魷魚MP凝膠強度并使其微觀結構更加牢固[57]。適量濃度的氧化亞油酸可以改變MP巰基含量、蛋白質構象并促進蛋白質間的相互作用和聚集,從而形成更強的三維凝膠網絡[58]。適量濃度的藜麥蛋白皮克林乳液可以改變二硫鍵空間構象,促使α-螺旋向β-折疊轉化以保持其結構并改善其非共價相互作用[59]。此外,在凍融過程中藜麥蛋白皮克林乳液被證實可以降低MP羰基含量、穩定酪氨酸和色氨酸的微環境并降低凝膠冰點以起到抗凍保護作用[60]。無機鹽的添加同樣會對MP產生一定影響,如不同濃度氯化鈉會對大黃魚MP表面疏水性、巰基含量以及二級結構產生顯著影響[61];低濃度亞硝酸鈉可以延緩MP羰基和表面疏水性的升高,但高濃度亞硝酸鈉會改變蛋白構象,同時產生蛋白聚集體,導致其溶解度降低[56]。此外,一些復合抗氧化劑的使用也受到關注,蘋果多酚改性蛋清添加后,鲅魚MP二級結構和凝膠網絡結構更加穩定,持水性及凝膠特性(彈性和回復性)具有不同程度提升[62];而檸檬馬鞭草精油結合亞麻籽膠可以延緩冰藏期間大菱鲆MP總巰基含量及內源熒光強度下降速率,抑制α-螺旋相對含量減少,維持MP的結構穩定[63]。

表4 其他類物質對水產肌原纖維蛋白結構及功能特性的影響Table 4 Effects of other substances on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

綜上所述,脂質、乳液及無機鹽等均可對水產MP起到保護作用。但脂質氧化系統十分復雜,脂質和蛋白質氧化可能通過復雜的機制共同影響MP凝膠特性,因此,脂質氧化系統對MP凝膠特性的影響機制還有待研究[64]。此外,無機鹽雖然可以改善MP某些性質,但高濃度無機鹽會導致食品質構特性、顏色及感官指標下降[65]。因此,仍需繼續探究不同種類物質與MP之間的互作關系。

5 展望

目前,抗氧化劑在國內外食品加工生產中已不可或缺,抗氧化劑在延緩食品氧化變質和延長食品保質期等方面均有著顯著的效果。不同抗氧化劑會使水產MP的結構與功能特性發生變化,如延緩或降低羰基和表面疏水性的升高,維持蛋白質構象;減少因蛋白質分子變化而引起的不可逆聚集反應。此外,pH、抗氧化劑濃度及電荷強度等因素均會影響抗氧化劑對MP的作用效果。

由于天然抗氧化劑具有減緩氧化反應速率、修飾蛋白質結構等功能,目前已經被廣泛的應用于保護水產肌原纖維蛋白的結構與功能特性。但隨著研究不斷地深入開展,新型天然抗氧化劑資源受限,開發工作遇到瓶頸,利用物理化學方法改性及聯合使用多種氧化劑協同效應將是未來工作的重點。此外,利用抗氧化劑改善MP的結構及功能特性相關研究主要集中在蛋白質化學鍵等初級結構及二級結構方面,對于MP空間結構的影響報道較少;一些抗氧化劑為脂溶性化合物,可以開發相關乳液制劑,實現抗氧化劑的包埋遞送,增加抗氧化劑的應用效率,以提升MP穩定性,實現水產品凝膠制品改性,促進我國水產品市場的良性發展。