超高壓對肌原纖維蛋白結構及其凝膠特性影響的研究進展

李釗，李寧寧，劉玉，趙圣明*，康壯麗， 朱明明，計紅芳，何鴻舉，馬漢軍

1(河南科技學院 食品學院，河南 新鄉，453003)2(國家豬肉加工技術研發專業中心，河南 新鄉，453003) 3(河南省畜禽產品精深加工與質量安全控制工程技術研究中心，河南 新鄉，453003)

超高壓技術(ultra-high pressure，UHP)在食品領域的應用研究始于20世紀80年代，1986年日本京都大學林立九教授將其應用于食品工業[1]。超高壓技術是指將食品置于室溫或較低溫度下，施加100～1 000 MPa壓力，致使食品內部的生物大分子發生不同程度的變化，比如蛋白變性、淀粉糊化等，最終改善食品品質、風味和延長貨架期[2]。由于超高壓處理食品時只作用于食品組織中的非共價鍵，而對食品中的共價鍵沒有影響，因此，可以有效保持食品本身的營養品質。AMADOR等[3]研究表明,經300 MPa壓力處理，可以使5 CFU/mL的孢子失活，說明超高壓技術對孢子活性具有一定的影響。劉旺[4]等利用超高壓處理亞麻籽膠和豬肉纖維蛋白的混合物,在200 MPa時，肌原纖維蛋白凝膠特性改善，其凝膠持水性和強度都有不同程度的提高。崔燕等[5]探究超高壓結合冷凍技術對南美白對蝦肌原纖維蛋白的影響，發現在300 MPa/min的冷凍處理條件下，可以有效地保持蝦仁的優良品質。

蛋白質的凝膠特性對于食品品質具有極其重要的影響，與食品本身的持水性、食品狀態和產品得率直接相關。超高壓處理可導致食品中的肌原纖維蛋白結構、化學作用力等發生改變，從而使蛋白質變性及凝膠化[6]。在肌肉蛋白中，肌原纖維蛋白是最重要的肌肉蛋白群之一，其包括肌動蛋白、肌球蛋白、肌動球蛋白等，這些蛋白是形成凝膠的主要成分，也與食品凝膠強度、質構、流變等密切相關[7]。本文主要從超高壓對肌肉蛋白結構和凝膠特性的影響著手，詳細分析了超高壓處理后肌肉蛋白的生化特性、化學作用力的變化，以及超高壓處理對持水性、質構、流變性和熱變性等凝膠特性的影響，為超高壓技術在凝膠類肉制品加工中的進一步應用提供理論參考。

1 超高壓對肌原纖維蛋白生化特性的影響

1.1 超高壓對肌原纖維蛋白巰基含量的影響

巰基作為肌原纖維蛋白中活性最強的功能性基團，可以形成弱次級鍵，用來維持蛋白的三級結構，對蛋白穩定具有極其重要的作用。總巰基包括蛋白表面的活性巰基基團和內部隱藏的巰基基團。肌原纖維蛋白在超高壓的作用下發生變性，其蛋白構象發生改變，內部巰基集團暴露，表面活性巰基基團易發生氧化形成二硫鍵，使肌原纖維蛋白中的總巰基含量減少。因此，通過測定總巰基和活性巰基含量變化的程度可以判斷肌原纖維蛋白氧化變性的程度[8-9]。郭麗萍等[10]探究超高壓結合熱處理技術對豬肉肌原纖維蛋白的影響，發現在同一溫度下，隨著壓力不斷的上升(0～600 MPa)，肌原纖維蛋白中總巰基含量顯著降低，說明超高壓導致肌原纖維蛋白內部巰基暴露發生氧化最終導致總巰基含量降低。劉旺[4]等探究超高壓結合亞麻籽膠對豬肉肌原纖維蛋白的影響，發現壓力低于100 MPa時，隨著壓力升高，活性巰基含量無顯著變化，與LIU等[11]在100 MPa結合海藻酸鈉處理肌動球蛋白結果一致，可能是因為壓力較低未能使肌原纖維蛋白中隱藏的巰基暴露；當壓力在100～300 MPa時，隨著壓力上升，活性巰基含量顯著增加，高壓使肌原纖維蛋白發生變性，蛋白結構展開使內部巰基暴露；在400 MPa時，活性巰基含量與300 MPa時含量無顯著性差異，可能在300 MPa時，蛋白內部巰基已充分暴露。閆春子[12]等探究超高壓對草魚肌原纖維蛋白的影響時發現，在0～300 MPa，隨著壓力上升，活性巰基含量呈上升趨勢，在300 MPa時活性巰基含量達到最高。CHAPLEAU等[13]研究超高壓處理對肌原纖維蛋白的影響，顯示在300 MPa時，活性巰基含量達到最高，與閆春子等[12]研究結果一致。WANG等[14]研究CaCl2和高壓處理雞胸肉肌原纖維蛋白溶解度的影響時發現，高壓處理促使未添加CaCl2的肌原纖維蛋白中的總巰基含量顯著降低。主要因為高壓處理后，更多隱藏的巰基暴露，從而使巰基基團之間的距離減小，當氧存在時更有利于形成二硫鍵。XUE等[15]研究高強度超聲、超高壓處理和高壓均質對肌原纖維蛋白理化和功能特性影響時發現，3種處理方式均會導致巰基含量的降低，但超高壓對肌原纖維蛋白的影響較小。ZHANG等[16]探究高壓改性對肌原纖維蛋白結構和膠凝性能影響，結果表明，活性巰基含量與壓力呈正相關，但總巰基含量顯著降低。綜上所述，在一定壓力條件下，肌原纖維蛋白活性巰基含量隨著壓力的升高而上升，而總巰基含量隨壓力升高而降低。

1.2 超高壓對肌原纖維蛋白表面疏水性的影響

肌原纖維蛋白表面疏水性影響蛋白質分子間及蛋白質分子與溶劑水分子之間的相互作用。其疏水性變化主要由蛋白質構象改變引起，當蛋白在壓力作用下發生變性，其構象改變，內部隱藏的氨基酸殘基暴露在蛋白質表面，致使表面疏水性上升[10,17]。郭麗萍等[10]研究發現,隨著壓力的增加，豬肉肌原纖維蛋白表面的疏水性呈上升趨勢，當壓力>200 MPa時，其表面疏水性顯著增大。ZHANG等[16]發現表面疏水性與壓力呈正相關，隨著壓力的增大，蛋白去折疊增加，疏水基團暴露，從而致使表面疏水性增加。HE等[18]探究高壓加工提高低鹽真胡麻雞胸肉品質的分子機理發現，當壓力<100 MPa時，肌原纖維蛋白表面疏水性無明顯變化，可能由于壓力不足，疏水基團不能充分暴露；隨著壓力的增加(200～500 MPa)，其表面疏水性顯著增加。 ILLAMONTE等[19]探究黃原膠對高壓處理肌原纖維蛋白結構特性的影響發現，經高壓處理后，蛋白表面疏水性隨著蛋白三級結構的改變而增加；黃原膠的存在降低了高壓對肌原纖維蛋白表面疏水性的影響。其他相關研究也表明高壓可以使魚糜肌原纖維蛋白表面疏水性顯著增加[20]。

1.3 超高壓對肌原纖維蛋白Ca2+-ATPase的影響

Ca2+-ATPase活性與肌球蛋白活性密切相關，作為蛋白品質的一個重要指標，可以反映蛋白的變性程度，同時與凝膠的形成也有一定的聯系。當蛋白質分子間相互作用加強，肌球蛋白構象被破壞，肌球蛋白內部巰基暴露被氧化而最終導致Ca2+-ATPase活性發生下降[21-22]。廖彩虎等[23]研究超高壓解凍對不同方式凍結的雞肉品質的影響，發現當壓力<150 MPa時，Ca2+-ATPase活性顯著下降，當壓力>150 MPa后，由于肌球蛋白在高壓下被破壞，Ca2+-ATPase活性變化不明顯。崔燕等[5]研究超高壓協同冷凍輔助脫殼對南美對蝦肌原纖維蛋白理化性質的影響，發現在壓力為200 MPa，加壓1 min，Ca2+-ATPase活性與對照組無明顯差異，但其他處理組Ca2+-ATPase活性均顯著下降。CHENG等[24]在研究中發現，隨著壓力的上升，Ca2+-ATPase活性顯著下降，當壓力為100 MPa時，Ca2+-ATPase活性僅保留42%。其他研究結果也表明高壓條件下Ca2+-ATPase甚至會徹底失活[25]。綜上所述，在超高壓作用下，肌原纖維蛋白Ca2+-ATPase活性均會受到不同程度的影響。

2 超高壓對肌原纖維蛋白化學作用力的影響

肌原纖維蛋白構象主要由各種化學作用力來維持，如二硫鍵、氫鍵、范德華力、疏水相互作用、離子鍵等化學作用力。肌原纖維蛋白凝膠形成的過程也就是原肌原纖維蛋白變性重聚集的過程，各化學作用力發揮不同的作用促進凝膠的形成。在凝膠形成過程中，由于蛋白質變性，蛋白質分子活躍，肌球蛋白因變性折疊，其內部隱藏的疏水性氨基酸殘基和巰基暴露出來，疏水基團在蛋白質分子間和分子間相互作用，活性巰基被氧化為分子間或分子內新的二硫鍵，另外離子鍵和氫健也產生作用，使局部的蛋白質發生聚集，最終在各種化學作用力下形成凝膠致密的網狀結構[26-27]。在蛋白質熱凝膠的相關研究中，普遍認為主要由氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用等作用力形成及維持蛋白質凝膠，但蛋白質變性后內部巰基暴露，氧化產生的二硫鍵也有助于蛋白質凝膠的形成。

目前關于超高壓對肌原纖維蛋白凝膠形成過程中化學作用力的研究已有較多相關報道。一些研究認為高壓可使肌球蛋白和肌動球蛋白的解聚，還可使肌原纖維蛋白的溶解度提高，因此高壓處理可導致蛋白質凝膠特性發生改變[28]。HWANG等[29]研究高壓對羅非魚肌肉蛋白凝膠質構和流變特性的影響，研究結果表明在200 MPa時，在疏水性作用和氫鍵作用下可以形成柔軟的凝膠。高壓處理后，誘導肌動球蛋白變性，結構發生變化，增加了表面疏水性，其形成凝膠主要依靠疏水性作用和氫鍵，這種作用相對于熱誘導形成的蛋白質凝膠更有利于肌原纖維蛋白形成致密的網狀結構。楊慧娟等[30]研究超高壓處理對低脂低鹽豬肉糜制品乳化凝膠特性的影響中發現，未經高壓處理時，其凝膠結構主要由二硫鍵和氫鍵來維持，隨著壓力逐漸增加至200 MPa，氫鍵的比例逐漸增加，離子鍵比例逐漸下降，凝膠的形成主要因為氫鍵的作用，其次是二硫鍵和疏水相互作用，當壓力增加至200 MPa時，疏水相互作用比例也顯著性增加。HSU等[26]通過研究發現，隨著壓力的上升，總巰基含量顯著性下降，表面活性巰基含量變化不明顯，表明肌原纖維蛋白在高壓下，內部巰基暴露，活性巰基氧化生成二硫鍵。郭麗萍等[10]的研究也證明了這一點，隨著壓力的上升，總巰基含量顯著下降，二硫鍵含量顯著上升。二硫鍵對于蛋白質穩定具有重要作用，可使蛋白質凝膠網狀結構更為致密，凝膠強度增加。綜上所述，肌肉蛋白經超高壓處理后，肌球蛋白和肌動球蛋白表面疏水性增加，內部巰基暴露氧化為二硫鍵，從而疏水性作用、二硫鍵含量和氫鍵含量增加，在相互作用下可改善肌原纖維蛋白的凝膠特性。

3 超高壓對肌原纖維蛋白凝膠性能的影響

3.1 超高壓對肌原纖維蛋白凝膠持水性的影響

持水性作為評價蛋白凝膠品質的重要指標之一，對其嫩度、風味具有極其重要的作用。其中低場核磁共振(low field-nuclear magnetic resonance,LF-NMR)可用于監測水的物理化學狀態與蛋白質系統的流動性和分布，利用低場核磁共振可以確定蛋白凝膠中水分分布和流動性的變化。核磁共振橫向弛豫的水可以分為3個指數群體的再弛豫衰變，代表蛋白凝膠中3種不同類型的水分狀態：結合水、不易流動水、和自由水[31]。劉旺等[4]研究發現，肌原纖維蛋白持水性隨著壓力升高呈先上升后下降的趨勢。儀淑敏等[32]的研究也證明了這一點，持水性隨著壓力的升高呈先上升后下降的趨勢，在400 MPa時持水性達到最大值。任云霞等[33]研究超高壓對添加變性淀粉的鴨肉肌原纖維蛋白的影響，發現隨著壓力的增加，肌原纖維蛋白凝膠持水性呈上升趨勢，在400 MPa時達到最大值，隨后繼續升高壓力，持水性呈下降趨勢。分析肌原纖維蛋白凝膠在超高壓作用下持水性上升的原因，可能是因為高壓使蛋白變性，蛋白發生解聚，導致溶解性進一步升高，從而可以與更多的自由水結合形成結合水，持水性上升。隨著壓力繼續升高，持水性下降，可能因為過高壓力使蛋白完全解開，致密的網狀結構徹底被破壞，無法保留更多水分，致使持水性下降。GROSSI A等[34]探究高壓對豬肉肌纖維蛋白功能特性的影響中應用低場核磁共振技術發現加壓會導致肌原纖維蛋白水結合發生變化，從而影響蛋白和水分子之間的相互作用。低壓促進了蛋白質的水合作用，隨后在高壓下水的流動性增加，從而使其重新分配。YE等[31]探究κ-卡拉膠和高壓協同處理對低鹽魚糜凝膠品質影響中利用低場核磁技術發現超高壓可誘導凝膠網絡結構致密有序，降低凝膠水遷移率，捕獲更多水分子，最終導致橫向弛豫時間的減少。在CHEN[35]研究中也得到相似結果，經超高壓處理后蛋白凝膠T22值明顯下降，表明超高壓處理削弱了水的遷移率，增加了保水性。相關研究[36-37]報道，蛋白凝膠形成的網狀結構越致密，其持水性也越高，凝膠強度也越大。可能是因為高壓使蛋白構象發生改變，內部隱藏巰基暴露，氧化生成更多的二硫鍵，促使網狀結構更加致密，可以保留更多水分，從而持水性上升，凝膠強度增大。

3.2 超高壓對肌原纖維蛋白凝膠質構特征的影響

質構特征的主要參數包括咀嚼性、硬度、彈性、內聚性、黏聚性、回復性等。LUO等[22]研究發現，隨著壓力的升高，馬鮫魚魚糜凝膠硬度呈上升趨勢。陳燕婷等[38]研究帶魚魚糜蛋白凝膠質構特征時發現，與對照組相比，經超高壓處理的蛋白凝膠，其硬度、咀嚼性顯著上升，彈性和黏聚性略優于對照組，隨著壓力繼續增加，彈性、咀嚼性、硬度呈先上升后下降的趨勢，粘聚性呈下降趨勢。王苑等[39]研究結果表明將雞肉肌原纖維蛋白與大豆分離大白按照1∶1混合形成的凝膠在100 MPa高壓下，經合適的加熱時間和溫度，其形成的凝膠硬度、彈性比未經高壓處理的對照組顯著提高。任云霞等[33]研究發現，提高壓力可顯著增加凝膠蛋白的硬度、彈性和咀嚼性。MA等[40]探究高壓和氯化鈣對含有刺槐豆膠的肉蛋白凝膠性能影響中發現，與對照組相比，不同壓力處理的蛋白質構參數在100、200 MPa差異顯著，但是較高的壓力(300、400 MPa)明顯降低了蛋白凝膠的硬度和咀嚼度，反而對蛋白凝膠的粘聚性和彈性影響不大。ZHANG[41]等探究高壓加工對豬肉僵化過程影響，發現高壓處理對肉質構的影響顯著(P<0.05)。與對照組相比，當高壓處理在0～400 MPa，硬度、黏聚性、咀嚼均顯著增加。綜上所述，對于不同種類的肌原纖維蛋白形成的凝膠，經超高壓處理后質構特征變化存在一定的差異。對于不同種類的肌原纖維蛋白凝膠，可以選取合適的壓力參數和工藝條件，以此獲得更好的質構特征。

3.3 超高壓對肌原纖維蛋白凝膠流變特性的影響

流變特性是用來描述蛋白凝膠性能的一個重要指標，其中存儲模量(G′)測量值代表彈性部分的存儲能量，反映了蛋白凝膠變形后恢復原形狀的能力，存儲模量越大，凝膠變形后恢復原形狀的能力越強；損耗模量(G″)測量值代表粘性部分，損耗模量反映了蛋白凝膠抵抗流動的能力，損耗模量越大，越不易流動；tanδ值代表在蛋白形成凝膠過程中黏性肌球蛋白溶液向彈性肌球蛋白凝膠的轉變[42]。存儲模量、損耗模量和tanδ值在20～80 ℃范圍內可以作為肌肉蛋白凝膠形成能力的主要指標[43]。ZHAGN等[16]研究發現，與未加壓的肌原纖維蛋白相比，加壓后樣品的G′和G″變化趨勢相似，均隨壓力的增大而減小。這與CANDO等[44]研究結果相似，高壓處理魚糜在凝膠化過程中G′也隨著壓力的增大而減少。與對照相比，在100 MPa時，肌原纖維蛋白G′和G″無明顯變化；在200 MPa時，肌原纖維蛋白的G′和G″顯著性降低，可能由于肌球蛋白嚴重變性所致；在300 MPa時，G′和G″進一步下降(P<0.05)，可能由于肌球蛋白和肌動蛋白不斷變性所致。當壓力在400～500 MPa時，G′和G″無明顯變化(P>0.05)，說明蛋白分子的變性基本完成。WEI等[45]研究高壓高溫對豬肉糜凝膠特性和蛋白質構象的影響中發現，蛋白凝膠過程中肌球蛋白的變性對于凝膠的形成起著至關重要的作用，當達到一定溫度后，蛋白變性全部結束，主要靠蛋白的疏水性互作用和二硫鍵來維持蛋白凝膠的三維網狀結構。黃群等[46]在探究超高壓對低鹽海藻雞肉糜品質的影響的過程中發現，在加熱過程中，低鹽海藻雞胸肉糜體系的G′隨著壓力的上升呈先上升后下降的趨勢，可能因為過高的壓力抑制了三維網狀結構的形成；同時也發現，經高壓處理后，tanδ值變化顯著，在100～200 MPa時，tanδ值降低；在300～500 MPa時tanδ值上升。因此，適當的超高壓可以改善肉蛋白凝膠的G′、G″和tanδ值，提高蛋白凝膠質量。

3.4 超高壓對肌原纖維蛋白凝膠熱變性的影響

差示掃描量熱技術(differential scanning calorimetry,DSC)已經廣泛應用于蛋白變性的相關研究中。是一種在程序設置的溫度條件下，測量試樣和參照物之間的熱量差和溫度的關系的研究方法。DSC技術可以測量熱試樣力學的穩定性參數，且可以進一步核實生物大分子的結構模型。蛋白質凝膠性能與致密的空間構象密切相關，當蛋白變性，空間結構發生變化，導致熱和力等物理參數也會發生不同程度的變化。在蛋白凝膠相關研究中，沒有任何外界因素的影響下，DSC可連續測量復雜體系下的總熱焓值和熱熵值的變化，因此在凝膠特性研究中被廣泛應用[47]。ZHANG等[16]采用DSC測量高壓改性對肌原纖維蛋白結構和膠凝性能的影響中發現，在100 MPa時，與對照組相比，峰1的ΔH降低了14.60%，峰2降低了44.37%，表明肌球蛋白變性和肌動蛋白均已變性，但肌動蛋白變性程度較大。在200 MPa時，峰1的ΔH急劇下降(60.40%)，峰2的ΔH下降了50.70%，超過一半的肌球蛋白和肌動蛋白發生了嚴重變性，說明高壓處理可以引起肌肉蛋白的降解和肌動蛋白解聚。300 MPa時，峰1的ΔH降低(61.82%)，峰2消失，1個新的峰出現(峰0)。ΔH的減少被認為是結構破壞導致變性的標志，峰2的消失表明肌動蛋白已完全變性。峰0的出現可能是由于高壓誘導的聚合物形成。在400 MPa時，峰0的ΔH急劇增加，峰1消失，說明高壓誘導的聚合物進一步形成，肌球蛋白完全變性。在500 MPa時，僅存在峰值0，ΔH進一步增加，說明高壓誘導的聚合物進一步增加。結果表明肌球蛋白具有更高的耐壓能力，肌動蛋白對高壓處理的敏感性更強。張小燕等[48]探究差示掃描量熱法及其在豬肉凝膠機理中的變化發現經DSC升溫后，沒有出現肌球蛋白的變性，表明之前的高壓處理已使蛋白變性完全，在600 MPa時，凝膠結構已基本形成。葉韜等[49]探究不同處理條件下鰱魚糜凝膠水分狀態和微觀結構的特征，運用DSC分析魚糜凝膠中的水分狀態分布發現，高壓處理降低了凝膠的冰點溫度，顯著提高了結合水含量，減少了自由水的含量，減弱水分的流動性，從而增強凝膠的持水性。

4 展望

超高壓加工技術作為一種新興技術，具有其他加工技術無法取代的優點，如衛生、無污染、能源消耗少，可最大程度保存食品的風味和營養物質等，備受青睞。目前超高壓對肌肉蛋白以及凝膠的影響已有研究，并取得一定的成果。但是，關于超高壓對肌肉蛋白生化特性、化學作用力變化與凝膠的形成的研究尚不深入。超高壓誘導肌肉蛋白形成凝膠是一個極其復雜的過程，通過調控超高壓的強度以及作用時間，或搭配其他相關技術或者添加劑，可以對肌肉蛋白及凝膠性能產生不同的影響。尋找合適的加工工藝條件來提高肌原纖維蛋白凝膠特征，對于改善肉制品以及相關產品質量具有重要意義。目前，超高壓技術還存在一些不足，超高壓技術應用的條件和一些限制因素還需要進一步研究。此外食品經超高壓處理后組分變化及組分之間的相互作用尚不明確，而且超高壓設備昂貴、投資成本高、設備耗材使用壽命短也是一大問題。我國超高壓技術起步晚，與國外相比還有很大差距，因此要抓住機會，緊跟國際潮流，與國際相接軌，與國內市場相適應。