肌原纖維蛋白熱誘導凝膠特性研究進展

姜國慶

摘 要：肌原纖維蛋白質(zhì)是肌肉中一類重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)群，它對于肉食制品的品質(zhì)和特性具有非常重要的影響。肌原纖維蛋白的凝膠特性是形成肉制品獨特的質(zhì)構(gòu)、保水性、乳化性以及感官特性的決定性因素。本文介紹了肌原纖維蛋白凝膠機制、功能特性及其影響因素，為進一步了解肉制品加工特性提供一定理論指導。

關(guān)鍵詞：肌原纖維蛋白；凝膠形成機制；功能特性；作用力

Abstract： Myofibrillar proteins are an important group of structural proteins in muscles， which play a significant role in the quality and characteristics of meat products. The gelation properties of myofibrillar proteins are a determinant of the unique texture properties， water holding capacity （WHC）， emulsifying properties and sensory characteristics of meat products. The gelation mechanisms and functional proerties affected by various factors of myofibrillar proteins are described in this paper with the aim of providing useful guidelines for further understanding of the processing performance of meat products.

Key words： myofibrillar protein； gelation； mechanism； features； force

中圖分類號：TS251 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2013）12-0019-04

肌原纖維蛋白質(zhì)（myofibrillar protein isolate，MPI）是肌肉中一類重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)群，由肌球蛋白、肌動球蛋白、肌動蛋白以及調(diào)節(jié)蛋白的原肌球蛋白、肌鈣蛋白等組成復合體。在肌肉蛋白質(zhì)中占50%～55%左右，除了參與肌肉的收縮、影響肌肉的嫩度外，對肉制品品質(zhì)和功能特性有非常重要的影響。肉糜類制品在加工過程中，MPI受熱形成的凝膠決定了產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)構(gòu)、黏著力及保水性等特性。本文介紹了肌原纖維蛋白的凝膠形成機制、功能特性及影響其特性的諸多因素等，為進一步了解肉制品加工特性提供一定的理論指導作用。

1 肌原纖維蛋白凝膠機制

肌原纖維蛋白凝膠的發(fā)生是經(jīng)過一系列復雜的物理化學變化形成。作為一類結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)復合體，其中肌球蛋白是主要的凝膠蛋白質(zhì)，其他幾種蛋白質(zhì)并不能形成凝膠，起到一定的輔助作用，但對凝膠的質(zhì)構(gòu)特性具有重要的影響。早在上世紀四五十年代就有學者展開關(guān)于凝膠形成機理的研究。Ferry[1]認為蛋白質(zhì)形成凝膠是經(jīng)過2個階段形成的，首先是蛋白質(zhì)受熱變性展開，隨后因為疏水作用展開的蛋白質(zhì)形成較大分子的凝膠體蛋白質(zhì)分子，并進行解聚和延伸，從而使反應(yīng)基團暴露，特別是肌球蛋白的疏水基團，蛋白質(zhì)之間的相互作用得到加強，從而使展開的蛋白重新凝集，最終交叉結(jié)合形成三維網(wǎng)狀凝膠體。隨著對肌原纖維蛋白微觀結(jié)構(gòu)研究的進一步細致，Yamamoto[2]發(fā)現(xiàn)肌球蛋白頭部和尾部凝膠形成能力是有差異的，這種差異會使最終形成的凝膠有所不同，并且在凝集過程中是有一定規(guī)律的。將兔骨骼肌肌球蛋白溶液進行稀釋，借助透射電鏡（負染及旋轉(zhuǎn)金屬投影）觀察其在30～60℃恒溫加熱后蛋白分子的聚集方式，發(fā)現(xiàn)肌球蛋白分子是以頭-頭凝集隨后頭-尾凝集最終尾-尾凝集的方式形成凝膠[3]。另外，不同來源的肌原纖維蛋白在凝膠機制上略有差異。Sano等[4]和Chan等[5]通過研究不同種類魚肌球蛋白頭部和尾部的凝膠能力，提出凝膠形成最先發(fā)生于肌球蛋白的尾部，先由尾部肽鏈解螺旋，形成中間蛋白復合體，再由頭部凝集成大的蛋白質(zhì)顆粒，最終形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 肌原纖維蛋白功能特性

肌原纖維蛋白的功能特性主要包括凝膠特性、保水性（water holding capacity，WHC）和流變特性等3個方面。

熱誘導凝膠特性是肌原纖維蛋白最重要的性質(zhì)，0.5%的含量即可形成凝膠，對肉制品的質(zhì)構(gòu)、黏著力及保水性等性質(zhì)有重要影響。影響肌原纖維蛋白質(zhì)凝膠特性的因素可以概括為2方面：內(nèi)在和外在因素。內(nèi)在因素如蛋白濃度、成分[6-7]、變性程度和聚集速率[8]等。蛋白濃度越高，凝膠強度越大；肌動蛋白與肌球蛋白的比率不同，肌動蛋白對肌球蛋白凝膠具有協(xié)同或拮抗效應(yīng)；當?shù)鞍踪|(zhì)聚集速率小時，蛋白質(zhì)分子充分伸展，形成的凝膠有序；蛋白質(zhì)的聚集速率較大時，則形成無序、不透明凝膠。外在因素如溶液pH值、離子強度、溫度及添加物等[9-13]。pH值和離子強度能夠影響蛋白質(zhì)殘基，改變蛋白質(zhì)的溶解狀態(tài)，任何影響溶液pH值和離子強度的因素均會影響凝膠性質(zhì)，使凝膠過程中的蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性、溶解度和蛋白質(zhì)之間的相互作用發(fā)生改變；通常溫度越高，時間越長，形成的凝膠強度越大；不同添加物的使用可以一定程度上改善凝膠特性。

保水性是衡量肉制品品質(zhì)的一個重要指標，與肉制品的嫩度、多汁性、色香味等密切相關(guān)，對產(chǎn)品的出品率和企業(yè)的經(jīng)濟效益有重大作用。肉類保水的條件是原料有水分存留的空間及維持水分存留的作用力。首先，肌原纖維蛋白間形成大量毛細管，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為搭建一個水分存留的間隙提供條件[14]。其次，水與蛋白質(zhì)氨基酸殘基之間形成的氫鍵和毛細管張力是肉制品中維持水分的作用力[15]。因此，添加物的加入即是通過與蛋白質(zhì)相互交聯(lián)從而固定住更多的水分。外界環(huán)境酸堿度對肌肉WHC的影響實質(zhì)上是蛋白質(zhì)分子的凈電荷效應(yīng)[9，16]：當環(huán)境pH值遠離等電點時，凈電荷增加，肌原纖維之間距離由于電荷斥力而增大，形成有序的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保水性較高；當環(huán)境pH值接近等電點時，凈電荷減少，肌原纖維之間無斥力或斥力小，形成混亂、無序凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保水性降低。

肌原纖維蛋白的流變學性能可以通過蛋白凝膠的黏度系數(shù)、流變指數(shù)和流動能參數(shù)來表征其在加熱過程中分子形態(tài)的變化。將肌原纖維蛋白流變特性和蛋白微結(jié)構(gòu)的研究結(jié)合起來，可以預(yù)測產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)，為產(chǎn)品配方、加工工藝和質(zhì)量檢測等研究提供重要手段。如在溫度掃描中，可以觀察到隨著溫度的上升，肌原纖維蛋白發(fā)生了從液態(tài)向凝膠態(tài)的轉(zhuǎn)變，導致蛋白的流變特性也發(fā)生了相應(yīng)的改變[17]。而不同添加物的使用會影響蛋白溶液的黏彈性，這主要是由于添加物與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，改變了蛋白凝膠儲能模量的變化[12-13， 18]。

3 影響肌原纖維蛋白凝膠形成的因素

肌原纖維蛋白在凝膠形成過程中發(fā)生諸多變化，受外界影響很大，在不同溫度、pH值、離子強度、肌肉類型及不同的添加物條件下，形成凝膠的能力和特性不同，所表現(xiàn)出的功能特性也不相同。

3.1 溫度

加熱的溫度、時間及升溫速率等參數(shù)顯著地影響著肌原纖維蛋白的凝膠特性、保水性及流變特性。蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)由于受到加熱的作用，原本包埋在內(nèi)部的疏水基團暴露，形成疏水相互作用，促進二硫鍵形成。大量的疏水基和二硫鍵的存在，加強了蛋白質(zhì)分子交聯(lián)作用，形成熱不可逆凝膠。李繼紅等[19]研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度、鹽濃度升高，凝膠強度增加，保水性提高。但當溫度超過70℃，凝膠的硬度雖然繼續(xù)增加，但保水性呈下降趨勢。楊芳[20]觀察了40～70℃不同溫度條件下肌原纖維蛋白凝膠化過程，也得到了類似結(jié)論。此過程溫度起主要作用，溫度越高肌原纖維蛋白越易變性，巰基含量下降越快，蛋白質(zhì)之間交聯(lián)越容易，凝膠強度增加。70℃時凝膠的保水性最佳，而超過此溫度，易導致肌球蛋白分子形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)失水，保水性能下降。Amity等[21]則發(fā)現(xiàn)凝膠強度隨溫度上升呈現(xiàn)波浪狀，先增加再下降再上升，溫度為85℃時凝膠強度最強。

肌球蛋白因加熱而發(fā)生變性，但是不同來源的肌球蛋白其變性時的轉(zhuǎn)變溫度不同。從豬肉、雞肉、牛肉和火雞中提取的肌球蛋白，其轉(zhuǎn)變溫度一般在45～55℃，魚類略低。某些來源的肌球蛋白的變性是多級轉(zhuǎn)變的[22]，表明肌球蛋白分子隨溫度的變化構(gòu)象發(fā)生了進一步變化，因而表現(xiàn)出不同的凝膠特性。

借助電鏡技術(shù)對肌原纖維蛋白熱誘導凝膠的微觀形態(tài)進行觀察有利于了解不同來源的肌球蛋白在不同溫度條件下發(fā)生的形態(tài)變化。Boyer等[23]用透射和掃描電鏡對兔腰大肌和半膜肌肌球蛋白進行比較觀察，發(fā)現(xiàn)前者加熱至48℃，肌絲融合，加熱到70℃時，肌絲聚集；而后者加熱至53℃才形成了肌絲交聯(lián)，至70℃時形成的蛋白網(wǎng)絡(luò)比前者更密集。

3.2 pH值

pH值對凝膠性質(zhì)的影響主要是通過改變蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈電荷的分布狀況，影響蛋白質(zhì)的相互作用，改變肌球蛋白的凝集狀態(tài)，從而影響蛋白的凝膠特性。在較高pH值條件下，蛋白分子相應(yīng)地帶負電荷，由于靜電斥力使得蛋白分子的凝集不會發(fā)生，與水的相互作用增強，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了凝膠的保水性；當pH值靠近蛋白質(zhì)的等電點時，蛋白分子不帶電或帶電很少，蛋白之間無斥力或斥力很小，疏水作用使得蛋白分子間的相互作用力達到最大，蛋白質(zhì)分子無序聚集，與水的作用減弱，降低了凝膠保水性。因此，靜電斥力是凝膠形成和保水性的主要因素。然而若pH值太大，分子間的靜電斥力也越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于松散，對良好凝膠的形成也是不利的[24]。另外，不同pH值條件下提取得到的肌原纖維蛋白性質(zhì)也略有不同，當pH4.5時，提取的肌原纖維蛋白質(zhì)具黏性特征，卻不形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而pH5.5時提取的肌原纖維蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性則較差[25-26]。

3.3 離子強度

肌原纖維蛋白本身為高離子強度蛋白，在鹽溶液中會改變其蛋白質(zhì)表面電荷，從而改變在溶液中的狀態(tài)，凝膠的強度變化。Xiong Youling等[27]研究表明用低濃度的CaCl2和MgCl2處理雞胸和雞腿肉，肌原纖維蛋白的得率有較大提高，凝膠強度也增加。董秋穎等[28]認為，較高的離子強度能夠增強蛋白質(zhì)分子間相互作用力，幫助迅速聚集形成硬度較高的凝膠。董緒燕等[29]研究認為隨離子濃度的增加，蛋白制品硬度增大，彈性降低。Boyer等[23]也研究了兔肌原纖維蛋白熱凝膠中離子強度的影響，認為低離子強度（0.2mol/L KCl，pH6.0）蛋白質(zhì)溶液形成硬度小的凝膠，逐漸增大離子強度（0.6mol/L KCl）凝膠硬度會逐漸增加。因此，鹽濃度對凝膠形成的強度有直接的影響，并且還改變了蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成方式。當肌原纖維蛋白質(zhì)置于由低到高不同濃度緩沖溶液時，蛋白質(zhì)分子從粗糙無規(guī)律的凝聚到成蛋白質(zhì)短鏈，再到有網(wǎng)絡(luò)形成且凝膠有黏性，直到蛋白質(zhì)發(fā)生解離形成束狀網(wǎng)絡(luò)纖維[30]。低離子強度下是纖絲之間相互作用形成凝膠，高離子強度下是由蛋白質(zhì)單體（或二聚體肌球蛋白分子）凝聚形成[31]。

3.4 磷酸鹽

磷酸鹽是在肉類加工中應(yīng)用非常廣泛的一類添加劑，其作用在于提高肉的離子強度，改變pH值，螯合肉中的金屬離子及解離肌動球蛋白。磷酸鹽通過改變離子強度，比氯化鈉能夠更加有效的改變蛋白質(zhì)的靜電荷力，影響蛋白凝膠的凝聚方式[32]。磷酸鹽可提高蛋白pH值，增強磷酸鹽與蛋白質(zhì)之間的相互作用，在肉制品中是很好的肉片和水分黏合劑[33]。徐幸蓮等[34]通過掃描電鏡研究了焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽和六偏磷酸鹽對兔腰大肌和半膜肌肌球蛋白的聚集影響，認為焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽使蛋白變性凝聚顆粒減少，傾向于形成長絲，并且使肌原纖維變粗，使肌原纖維發(fā)生膨潤因而具有更好的持水力；而六偏磷酸鹽主要是螯合金屬離子，降低pH值，使蛋白質(zhì)凈電荷減少，促進了蛋白之間的聚合，使凝膠的硬度和保水性增大。磷酸鹽和低鹽可使肉糜具有蛋白質(zhì)矩陣和大量小孔，具有更好的保水力[35]。

3.5 肌肉類型

不同來源肌肉類型的肌原纖維蛋白其功能特性差異很大[36]。豬肉、雞肉、牛肉和火雞中提取的肌球蛋白在差示熱量掃描的觀察下，具有截然不同的變性溫度。然而，就其凝膠性質(zhì)來說，不論肉的來源、蛋白質(zhì)組成和介質(zhì)條件如何，白肉中提取的蛋白質(zhì)比紅肉中提取的有更好的凝膠形成能力，但二者均受到環(huán)境pH值的影響。另外，不同部位的肉，其蛋白化學特性和組成也有差異，形成凝膠的能力也不同。Melody等[37]認為半膜肌、背部最長肌、腰大肌中鹽溶蛋白熱凝膠性質(zhì)之所以不同在于肌球蛋白重鏈含量以及類型的不同。因此，在肉制品生產(chǎn)過程中，除了要注意溫度、pH值和離子強度等的影響，對紅肉和白肉的特性也要加以區(qū)別，以期獲得良好的蛋白質(zhì)功能特性。

3.6 非肉蛋白

非肉蛋白如乳清蛋白、蛋清蛋白、谷蛋白等的添加，既可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本，對肉制品的感官品質(zhì)如產(chǎn)品風味、保水性和硬度等也有較明顯的改善。添加物的使用加強了與肌肉蛋白形成復合凝膠的能力，牢固了組分間的物理締合，形成一個混合連續(xù)相。在雞胸肉中添加小麥谷蛋白可以使雞肉的凝膠彈性得到較大提高[38]。Diazda等[39]

還研究大豆蛋白對PSE （pale，soft，exudative）肉肌球蛋白構(gòu)型和凝膠強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PSE肉的肌球蛋白與大豆分離蛋白混合物的凝膠強度及保水性得到了提高，當肌球蛋白和大豆球蛋白的質(zhì)量比為3：1時形成的凝膠良好。

3.7 其他添加成分

淀粉、卡拉膠、亞麻子膠和海藻酸鈉等[40-44]都是常見的親水膠體，將它們加入到肌原纖維蛋白中均能顯著地提高凝膠的保水性和凝膠強度。Verbeken等[42]研究表明，卡拉膠能增加肌原纖維蛋白凝膠的硬度、凝膠強度、保水性和貯能模量，但是影響程度取決于蛋白含量。殼聚糖也可顯著提高豬肉肌原纖維蛋白的凝膠能力，隨著殼聚糖濃度的增加，保水性和凝膠硬度隨之增加[45]。由紅外光譜結(jié)果得出殼聚糖凝膠與肌原纖維蛋白的之間作用力主要是靜電引力。

4 結(jié) 語

肌原纖維蛋白作為一類重要蛋白質(zhì)群在肉制品加工過程中發(fā)揮了重要的作用。對于其功能特性的研究伴隨各種檢測技術(shù)手段的更新發(fā)展在近些年來取得了較多進展，從微觀的角度上對蛋白質(zhì)分子天然狀態(tài)到變性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變有了更細致的認識，疏水相互作用、靜電力、二硫鍵等如何參與變化，從而引起質(zhì)構(gòu)的變化。但是，肌肉是一個復雜的體系，肉制品的凝膠特性受多種因素的影響，并非理想狀態(tài)下單一條件的摸索，并且要綜合考慮肉制品加工和存放過程中產(chǎn)生的問題，如容易發(fā)生氧化、自由基和油脂氧化產(chǎn)物會氧化蛋白、可能會改變蛋白的聚集方式等。因此現(xiàn)階段對肌原纖維蛋白的研究還不夠全面，通過構(gòu)建不同條件不同因素等組成的系統(tǒng)可能會更有助于了解肌原纖維蛋白的凝膠機制及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，為肉制品的實際生產(chǎn)提供更有利的指導意義。

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