魚肉內源性蛋白酶對其貯藏期品質影響的研究進展

王慧平，張 歡，陳 倩，孔保華

（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030）

魚肉因味道鮮美且富含優質蛋白而備受消費者青睞。我國是重要的水產品生產國，其產量占世界總產量的40%。《2020 中國漁業統計年鑒》年度數據顯示，2019 年全國水產養殖產量高達5079.1 萬噸，其中魚類產量2708.6 萬噸，占全年水產養殖總產量的53.3%，是水產品的重要組成部分[1]。隨著國民經濟水平的不斷提高，市場魚肉產品的消費需求不斷攀升，高品質、高營養價值的魚肉成為人們關注的焦點。

新鮮的魚肉即使低溫貯藏也極易變質，品質的降低直接影響魚肉產品的市場銷售。除貯藏溫度、貯藏時間和魚種類等因素外，魚肉本身含有的內源性蛋白酶對魚肉貯藏期品質的影響近年來逐漸引起公眾的關注。魚類死后肉質通常經過四個變化階段：僵直、解僵、自溶和腐敗，其中自溶過程就是由于自身肌肉中內源性酶引起的[2]。在魚類肌肉中，蛋白質含量約占15%～20%，是其主要組成成分。貯藏過程中品質的改變與肌肉中結構蛋白的降解有著密切的關系，這種改變初期通常受其內源性蛋白酶的影響，分解產生的代謝產物促進微生物的生長繁殖，加速魚肉變質[3?4]。魚肉的貯藏溫度通常為?18 ℃，但有研究表明，蛋白水解酶即使在?20 ℃條件下仍有活性[5]。魚肉品質與結構蛋白高度相關[6]，因此，探究魚肉貯藏初期內源性蛋白酶在魚肉中的作用機理，并做出針對性的調控是保障魚肉品質的一種重要途徑。

隨著科研人員對酶領域的不斷探索，魚肉的內源性蛋白酶作用理論逐漸成熟，解決保質期內貯藏魚肉質量劣變問題的研究已取得一定成果。本文主要介紹了幾種內源性蛋白酶在貯藏過程中對魚肉品質造成的影響，簡要闡述當前使用的內源酶活性抑制技術，并對魚肉品質控制的研究做出展望。

1 內源性蛋白酶

內源性蛋白酶是魚體自身存在的蛋白酶，可以水解蛋白質肽鍵，改變蛋白質構象或結構，致使蛋白質的物理化學性質及功能性質改變。活魚中的內源性蛋白酶能夠對其生理或病理性問題進行調控，以維持穩態；但魚死后內源酶的激活和釋放會造成相應結構蛋白等底物的變性水解，破壞魚肉品質[7]。研究表明，對這一過程影響最大的蛋白酶為基質金屬蛋白酶、鈣蛋白酶和組織蛋白酶[8?9]。

1.1 基質金屬蛋白酶

基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）屬Matrixin 家族，包括膠原酶和明膠酶等，需結合Zn2+和Ca2+才具活性，在生理或病理條件下，這些酶能夠發揮組織重塑、傷口愈合和血管生成等作用，參與調控細胞外基質代謝過程[7,10]。正因如此，基于MMPs的研究多集中在與人類疾病健康相關的醫學領域，魚肉貯藏中的探究相對較少。

至今已在脊椎動物中鑒定出26 種MMPs，其中由MMP-2 和MMP-9 基因編碼的蛋白酶對結締組織的解體尤其是膠原蛋白的降解作用效果顯著[11?12]。MMP-2 蛋白酶存在于骨骼肌和心肌細胞中，其活性從死后第2～13 d 顯著提高，心肌細胞中的α-肌動蛋白、結蛋白、肌球蛋白輕鏈和肌鈣蛋白均可作為MMP-2 蛋白酶的底物，因此推斷MMP-2 基因可能在肌肉結構蛋白的調控過程中發揮重要作用[13?14]。早在1995 年Bracho 等[15]就從太平洋石斑魚中提取出膠原酶和明膠酶，并表示其可能與魚肉貯藏期間膠原蛋白的降解有關。硬骨魚肌肉中的膠原主要有I 型膠原和V 型膠原兩種，二者具有不同的生化特性[16]。同樣，徐超[17]也從藍圓鰺肌肉中分離出I 型膠原和V 型膠原，并證明了MMPs 能夠將其水解。王誠[18]在Bracho 等[15]研究的基礎上提純了鯉魚體內的MMPs，發現在4 ℃貯藏過程中，該酶活力顯著提高，同時肉的硬度、聚集性、彈性、粘結性及咀嚼性等參數較新鮮魚肉均發生了顯著的下降，推測MMPs 活力與魚肉質地參數的變化密切相關。

1.2 鈣蛋白酶

鈣蛋白酶（Calpains）為中性半胱氨酸蛋白酶，包括m-calpains 和μ-calpains 兩類，具有鈣依賴性，二者對Ca2+敏感度不同，在細胞的生理pH 下活躍，均由Ca2+激活而表現活性[19?20]。該酶是由大小兩個亞基組成的異二聚體，大亞基分子量為80 kDa，小亞基分子量為28 kDa[21]。亞基結構如圖1 所示。

圖1 鈣蛋白酶亞基結構圖[22]Fig.1 Structure diagram of calpain subunit[22]

C-蛋白、結蛋白、肌聯蛋白、伴肌動蛋白、肌間線蛋白、肌鈣蛋白等均能夠作為鈣蛋白酶的底物[22]。魚死后隨著肌球蛋白的變性，Ca2+的調節能力喪失，胞內Ca2+濃度升高，鈣蛋白酶表現出活躍狀態[23]。被激活的鈣蛋白酶作用于骨骼肌肌節連接處的Z 線。Z 線的組成成分之一是能固定肌動蛋白的α-肌動蛋白，它的完整性對單個肌節中蛋白粗絲與細絲的相互作用至關重要，其損壞會導致肌原纖維分解斷裂[24?25]。Shigemura 等[26]也表示，在魚貯藏24 h時肌原纖維就開始遭到破壞。但在24 h 內整體蛋白水解水平很低[27]，這表明鈣蛋白酶可能在蛋白降解初期發揮重要作用，但不足以導致魚肉品質劣變。當魚宰后7 d pH 低于6 時，鈣蛋白酶仍然活躍，期間它對蛋白質的降解活性保持在相對穩定的狀態，從而對肌原纖維蛋白造成緩慢的破壞[16]。

1.3 組織蛋白酶

組織蛋白酶（Cathepsin）存在于溶酶體中，無法與底物接觸，因此它們在活魚體內通常為無活性狀態；而魚死后的貯藏過程中，隨著冰晶生長、升華，溶酶體破壞，使得組織蛋白酶釋放，對肌細胞中的蛋白質產生作用[28]（如圖2）。溶酶體中至少有15 種組織蛋白酶，其中組織蛋白酶B、D、L、H 是魚死后體內高度活躍的組織蛋白酶，它們可以水解肌肉蛋白中含量最高的肌原纖維蛋白[16,30]。

圖2 組織蛋白酶釋放及作用示意圖[29]Fig.2 Schematic diagram of cathepsin release and action[29]

貯藏期魚肉品質劣變的主要原因是肌球蛋白的解離及肌動蛋白重鏈和輕鏈的降解，組織蛋白酶B 和L 是造成魚肉質地劣變的關鍵內源蛋白酶[31]。在宰后8 h，草魚的肌纖維間連接的斷裂程度會顯著增大，肌纖維及其骨架蛋白的完整性被破壞，細胞內部受到嚴重損傷[32]。Ladrat 等[33]在海鱸魚蛋白水解實驗中也證明組織蛋白酶B 對肌酸激酶、肌球蛋白和肌鈣蛋白有降解作用；組織蛋白酶L 能降解肌動蛋白和肌球蛋白，尤其是21.5 kDa的蛋白易受其水解；組織蛋白酶D 無法降解任何肌漿蛋白；肌球蛋白重鏈對三者皆敏感；且在組織蛋白酶L的作用下，僅21 h 肌纖維蛋白就能被完全分解。

組織蛋白酶對魚肉中的作用強度通常以該酶的最適pH 為基準，魚死亡后至僵直期間的pH 從7.0 下降到6.5，此時組織蛋白酶B 和L的活性更強，因為它們的最適pH 在此區間內；宰后24 h 后pH 達到5.7～5.4，由于組織蛋白酶D 活性pH 范圍更廣，故在其他組織蛋白酶失活的低pH 條件下組織蛋白酶D 仍能發揮作用[34?36]。

2 內源性蛋白酶對魚肉品質的影響

魚肉在貯藏中的品質的變化受多種內源酶的協同調控，蛋白酶的影響并非引起品質變化的唯一因素，因此在品質評定中無法就單一內源性蛋白酶的作用而論。

2.1 風味

魚肉的風味可以從氣味和滋味兩個角度評判，氣味由嗅覺感知，滋味由味覺感知。曹松敏[37]揭示了風味物質的形成是內源酶及多種因素共同作用的結果，其中內源蛋白酶與制品滋味形成和蛋白降解有密切相關性。

2.1.1 氣味 氣味由魚肉中揮發性物質的組成成分和含量決定，這些揮發性物質通常包括酸類、羰基化合物、醇類、酚類、烴類以及一些含氮含硫化合物[38]。新鮮的魚肉能夠散發怡人的清香，其主要成分為醇類、溴苯酚和揮發性羰基化合物等；而僵直后期的魚肉則會生出苦味、酸味和刺激性的腥臭味，這與細菌、內源酶共同作用下生成的三甲胺、二甲胺和甲醛等小分子物質有關[39]。內源性磷脂酶和脂肪酶作用下的水解反應能夠促進氧化性酸敗，由此產生的游離脂肪酸可能是導致魚類冷凍過程中風味下降的原因之一[40]。除此之外，內源酶分解蛋白產生的揮發性鹽基氮（TVB-N）等氨及胺類堿性含氮物質，其含量隨貯藏時間的延長而呈線性增長，該物質能準確衡量魚類的變質程度，即含量越高蛋白質分解程度越高[41]。

2.1.2 滋味 滋味物質由非揮發性的親水小分子或離子構成，包括多肽、氨基酸、核苷酸等含氮化合物和有機酸等不含氮化合物，含氮化合物又以谷氨酸、丙氨酸和肌苷酸等呈味核苷酸和呈味氨基酸為主。在蛋白酶的水解作用下，呈味多肽和呈味氨基酸生成，組氨酸等苦味氨基酸也在此時暴露，這是魚肉苦味形成的主要原因[42]。組織蛋白酶B、D 和L 作為具有強降解能力的內肽酶，可將肌肉蛋白降解為可溶性肽；另一方面，對于微生物蛋白酶，由于魚類肌肉中微生物的多樣性，也可能產生兼具內肽酶和外肽酶活性的各種蛋白水解酶，這些蛋白酶的降解作用對魚肉貯藏期風味改變起了很大的作用[43]。

2.2 保水性

保水性與魚肉的多汁等感官屬性有很好的相關性，是評價魚肉品質的重要指標。保水性的初始值取決于魚體肌肉的原始狀態，在貯藏過程中隨時間推移，蛋白質變性，肌肉骨架蛋白結構被破壞，持水能力降低，水分逐漸流失直至達到穩定[44]。

保水性的變化不僅歸因于冰晶的形成、生長和分布[45]，也與內源性蛋白酶的作用息息相關。葛黎紅[31]在4 ℃冰藏條件下測定內源蛋白酶活性及分布變化，發現冰藏后溶酶體內組織蛋白酶活性均有不同程度下降，同時肌漿中的酶活性在冰藏三天內迅速上升。冰藏過程中，組織蛋白酶已釋放至胞漿，但由于肌纖維表面附著肌膜的阻礙，故而酶對肌原纖維的分解不會發生在冰藏過程的開始階段[5]。一段時間后，肌膜失去保護作用，魚肉的肌原纖維蛋白發生聚集或水解，酸誘導將一些芳香族氨基酸殘基（如酪氨酸）聚集并掩埋到疏水核致使pH 降低，內源蛋白酶作用暴露疏水性氨基酸又會導致表面疏水性增加，進而影響魚肉保水性[46]。

2.3 顏色

肌肉中肌紅蛋白還原酶活性、肌肉pH 和氧化還原電位等內在因素以及光照、貯藏溫度和貯藏時間等外在因素均會對魚肉的顏色產生影響[47]。在貯藏過程中魚肉紅度和黃度等顏色強度降低可能是蛋白質水解活性增加所引起[48]。

魚肉表面的隨機光散射通常會隨貯藏時間增加而增加，致使其外觀發生變化，從略帶藍色的半透明變為不透明。解凍后最大的特點是細胞內外空間的增加，肌原纖維的間距更隨機，細絲致密堆積。在細絲和細胞骨架蛋白網絡的相互作用的變化中，鈣蛋白酶和組織蛋白酶都參與了細胞骨架蛋白的降解，致使魚類肌肉細胞內肌原纖維錯亂排列，進而導致魚肉的透明度發生改變[49]。

2.4 質地變化

除了感官評估外，客觀上的肌肉組織結構變化的評價也能作為衡量冷凍貯藏過程中魚肉品質改變的工具，肌肉蛋白的降解對其質地的變化有著極大的影響（圖3）。夏靜華[51]研究也證明，魚肉嫩度的改變與鈣激活酶和組織蛋白酶密切相關。

圖3 蛋白降解在貯藏魚肉質地變化中的作用模式[50]Fig.3 Role of protein degradation in texture changes of stored fish[50]

2.4.1 “軟肉”的形成 相較于哺乳動物與禽類等，魚死后低溫貯藏過程中的軟化無法改善嫩度、增強品質，而會導致其短期內肌肉品質下降，形成“軟肉”。“軟肉”的形成從肌肉內蛋白分解的角度可歸因于肌纖維蛋白和膠原蛋白等結構蛋白的降解，這也是魚肉質地變化的主要成因。

2.4.1.1 肌原纖維蛋白降解 肌原纖維蛋白是組成肌肉的主要蛋白質，肌原纖維長度與直徑的改變對肉質的嫩度有直接影響，經蛋白酶降解后肌原纖維長度和直徑均有顯著下降，因此貯藏期“軟肉”的形成與肌原纖維蛋白變化密不可分[52?53]。

貯藏初期鈣蛋白酶對結構蛋白存在水解活性，但貯藏魚肉質地上的顯著改變并非在貯藏初期形成，這是由于鈣蛋白酶作用程度小，其作用時肌球蛋白和肌動蛋白還未永久性結合達到初步尸僵，解僵時無法顯現其酶解過程在肉質軟化中的主導作用，因此貯藏初期鈣蛋白酶的水解作用不會導致魚肉質地的惡化[16,54?55]。雖然鈣蛋白酶對肌原纖維蛋白的降解程度較小，初期對肉質破壞程度低，但它所造成的Z 線損失會促進其他蛋白酶的水解作用。魚肉冷凍貯藏一周后，肌球蛋白頭部區域活性明顯下降，活性巰基暴露，這些巰基易于氧化或形成二硫鍵，加速魚體變質進程[56]。

肌球蛋白重鏈、α-肌動蛋白、肌動蛋白和肌鈣蛋白等多種肌原纖維蛋白與魚肉硬度密切相關，組織蛋白酶D、B 和L 分別影響與硬度相關的17 條蛋白帶中的10、9 條和4 條，尤其是組織蛋白酶D的誘導大多對魚肉硬度產生負面作用，這意味著貯藏期間魚肉結構變化與組織蛋白酶有關[57]。組織蛋白酶在魚宰后初期通常為無活性狀態，隨著冷藏時間增加，肌動球蛋白解離程度和組織蛋白酶活性隨之增加[31]。內源性蛋白酶通過影響肌原纖維結構完整性進而水解蛋白，因此可將組織蛋白酶活性和肌球蛋白解離程度作為評價魚類品質和新鮮度的指標。

2.4.1.2 基質蛋白降解 基質蛋白這里主要指膠原蛋白，在肌肉中膠原蛋白雖不如肌原纖維蛋白含量高，但同樣在維持肌肉機械性能和結構穩定性上發揮重要作用。已發現在魚的組織器官中存在四種類型的膠原蛋白（I 型、II 型、V 型和XI 型），I 型和V 型膠原蛋白是纖維狀蛋白，其二者的溶解破壞可能與結締組織的解體有很大的關系[11]。Ando 等[58]對死后魚肉的組織切片進行分解試驗的結果表明，冷藏期間肌肉的韌性取決于細胞外基質的結構完整性，肌肉纖維間細胞外基質結構（尤其是膠原蛋白[59]）的逐漸降解是魚死后貯藏時肉質軟化的主要原因之一。為了進一步探究MMPs 對膠原蛋白的降解能力，Wu 等[60]通過電泳條帶觀察發現草魚肌肉中I 型膠原在MMPs的作用下出現了明顯的降解，共同作用3 h 時，膠原蛋白β鏈與α1鏈開始降解，而α2鏈已幾乎消失，最終結果顯示蛋白酶對β鏈的降解效果更強。

所有研究結果均指明，魚死后貯藏中肌肉軟化是組織蛋白酶、鈣蛋白酶和MMPs 等內源酶對魚肉肌纖維蛋白和膠原蛋白的水解作用所致，但這些酶的作用都不能單獨解釋魚貯藏中觀察到的所有變化，多種內源酶在魚肉軟化中作用的聯系還需在今后研究中進一步確立。

2.4.2 魚肉的“開裂” 除形成“軟肉”外，魚宰后冰藏出現裂口也是其質地劣變的重要表征[61]。魚肉冰藏4～5 d 后切開會出現開裂現象，這是由于各肌肉塊由結締組織包覆，末端經膠原纖維連接，膠原纖維在內源性膠原酶作用下水解，使肌肉塊間的連接處斷裂，從而導致“裂口”[62]。MMP-9 已被證實在此過程中發揮重要作用[11]。

3 內源酶活性抑制技術

為抑制內源酶活性、降低肌原纖維蛋白和膠原蛋白等結構蛋白的水解，以提高魚肉品質，許多國內外的研究者從不同方向探尋內源酶活性抑制技術，取得了一定成果。

3.1 內源酶活性抑制劑

內源酶活性抑制劑在控制內源酶引起的魚肉劣變中應用廣泛，現已從不同植物中提取內源蛋白酶活性抑制物質，均呈現較好的效果。在6 種蔥屬植物中，青蔥和大蒜提取液能有效抑制蛋白質水解，其處理組分別比對照組草魚魚片剪切力提高了30%和20%[63]。同樣，Ge 等[64]從大蒜中提取的大蒜素（10～100 mmol/L）在凍藏21 d 內能夠明顯抑制（39%～51%）粗蛋白水解酶，尤其是組織蛋白酶B、D 和L 以及鈣蛋白酶，且在提取物作用21 d 時貯藏魚肉的肌肉剪切力能夠增加50%。Xu 等[65]在探究食用添加劑對冰鮮草魚魚片膠原酶活性和軟化的抑制作用實驗中，檢測到兒茶素、茶多酚、沒食子酸和檸檬酸鈉在過冷（?1.5±0.2）℃和冰藏（0.2±0.1）℃條件下對草魚魚片膠原酶活性、膠原降解和魚肉質地變化有抑制作用，結果表明，兒茶素是最有效的膠原蛋白酶活性抑制劑，其次是茶多酚和沒食子酸，檸檬酸鈉對膠原酶活性的抑制作用最小。

3.2 高壓靜電技術

高壓靜電技術可影響水的結構以及水與酶的結合狀態而使酶失活，它能夠延緩肌球蛋白重鏈變化，降低魚肌肉蛋白降解程度，對肌原纖維的局部斷裂碎片化有輕微的抑制作用。經高壓靜電處理后組織蛋白酶B、L 活性相較對照組均有所降低，組織蛋白酶H、D 活性相較于對照組無明顯變化，在（?0.7±0.5）℃條件下貯藏24 d 后，靜電組魚肉細胞仍呈完整狀態，而對照組細胞已呈松散的片段化[66]。

3.3 涂膜

涂膜技術在抑制魚肉蛋白水解方面也有著突出的表現，殼聚糖單月桂酸甘油酯和丁香精油的復合涂膜顯著抑制草魚魚片的組織蛋白酶B，B+L 和鈣蛋白酶活性[67]。余達威[68]用殼聚糖-丁香精油-月桂酸單甘脂復合涂膜處理草魚魚片，貯藏后處理組對組織蛋白酶B、B+L 和鈣蛋白酶活性抑制效果能分別達到57.5%、63.7%和35.6%，貯藏15 d 后涂膜組剪切力較對照組提高了22%～53%，其氣味組成也更接近新鮮樣品，從而有效抑制魚肉蛋白降解及品質劣變。

4 結語

魚宰后魚體內環境失衡，內源酶仍繼續作用對蛋白質進行分解，造成部分營養損失，并伴有風味、保水性、顏色和質地等品質的劣變。品質變化是一個復雜的過程，除內源性蛋白酶外，還受細菌產酶和環境因素等多種物理和化學作用影響。本論文主要論述了內源性蛋白酶在魚肉品質變化中的作用，其中鈣蛋白酶和組織蛋白酶在魚肉中的作用機制的研究較成熟，但基質金屬蛋白酶的研究多集中于醫學領域，食品中基質金屬蛋白酶的作用機制及其對魚肉品質的影響仍有待探究。此外，內源性蛋白酶抑制技術尚未成熟，酶抑制劑提取過程繁瑣，提取成本高，在規模化生產中也受到較多限制，還沒有達到規模化生產。因此，在以后的研究中，有必要考慮環境、細菌酶和多種內源酶聯合調控等多種因素，深入探尋其對魚肉產品品質的影響，指出魚肉品質控制技術具體發展方向。同時，在蛋白酶抑制劑開發中，應盡可能降低提取成本，簡化提取過程，提高提取效率。此外，還應建立實用的魚類新鮮度和腐敗程度判定標準，以指導工業生產，滿足消費者對高品質魚肉的需求。