熱處理和蛋白濃度對肌原纖維蛋白乳液的穩定性和流變特性的影響

郝 夢，毛書燦，周 志，汪 蘭，熊光權，石 柳,*

（1.湖北民族大學生物科學與技術學院，湖北 恩施 445000；2.湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所農業農村部農產品冷鏈物流技術重點實驗室，湖北 武漢 430064）

乳液是由兩種部分或完全不相溶的相經過均質剪切制備而成，按結構可分為水包油（O/W）和油包水（W/O）兩種類型[1]。常見的水包油乳液中，小分子表面活性劑（連續相）吸附在油水界面形成界面膜，降低體系的界面張力、增加空間位阻和液滴之間的靜電排斥，使乳液液滴的穩定性得到提升[1-2]。除了表面活性劑以外，具有部分濕潤性的固體顆粒也可以穩定乳液[3]。與傳統乳化劑相比，蛋白顆粒作為乳化劑能夠在油水界面形成更厚的界面層，提高乳液的抗聚結性，從而使乳液更加穩定[4]。目前研究較多的食品級蛋白顆粒主要是乳清蛋白[5]、大豆分離蛋白[6]、酪蛋白[7]和明膠[8]等，魚糜顆粒作為乳化劑的研究也逐漸增加。

肌原纖維蛋白是肌肉的主要蛋白，大約占肌肉總蛋白的50%～60%，主要由肌球蛋白、肌動蛋白、原肌球蛋白和其他小分子蛋白組成。另外，肌原纖維蛋白具有兩親性，是天然乳化劑，但其粒徑較大，不易形成穩定的乳液，可以通過改性來提高其乳化性。肌原纖維蛋白的乳化性受溫度、蛋白濃度、離子強度、pH 等因素的影響，其中，熱處理會使肌原纖維蛋白的疏水性基團暴露，疏水性增加，形成聚集體。袁程程等[9]研究表明隨溫度（15～55 ℃）的升高蝦蛄肌原纖維蛋白的乳化性提高，但溫度過高會引起蛋白質分子變性，使乳化性降低。蓋靜[10]研究發現，在90 ℃時，鳙魚肌球蛋白的變性和熱聚集速度較快。康懷彬等[11]研究發現，高溫處理（110、115、121 ℃）會改變牛肉肌原纖維蛋白質疏水區域的局部結構和蛋白質三級結構，使蛋白質發生降解聚集。另外，蛋白濃度對其乳化性也有影響，當肌原纖維蛋白濃度較低時，蛋白質不足以完全覆蓋液滴表面；當蛋白濃度過高時，高粘度溶液不利于肌原纖維蛋白分子的流動，進而影響蛋白包裹脂肪滴，蛋白質易發生聚集導致乳液穩定性降低[12]。蛋白濃度是食品加工中的一項重要理化指標，蛋白濃度的不同會影響體系的凝膠特性和乳液穩定性等加工特性。熱處理對不同濃度魚糜肌原纖維蛋白的影響規律尚不清楚，因此開展熱處理對不同濃度肌原纖維蛋白的規律研究很有必要。

本文通過研究熱處理對肌原纖維蛋白結構和性質的影響，進一步研究對其乳化性的影響。為制備穩定的肌原纖維蛋白乳液提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白鰱魚糜 購于湖北省武漢市梁子湖水產品加工有限公司；大豆油（金龍魚牌） 購于悅活里超市；鹽酸、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鉀、氯化鈉、95%乙醇、十二烷基硫酸鈉等均為分析純試劑 購于國藥集團化學試劑有限公司；8-苯胺基-1-萘磺酸（ANS） 購于美國Sigma 公司；三羥甲基氨基甲烷（Tris） 購于廣州賽國生物科技有限公司；牛血清蛋白（BSA） 購于深圳輝諾生物科技有限公司。

LE2002E/02 電子天平（0.01 g）、AL104 電子天平（0.0001 g）、FE20 pH 計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；FSH-2A 均質機 常州越新儀器制造有限公司；DF-101S 恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州長城科工貿有限公司；DYY-6C 電泳儀 北京六一生物科技有限公司；722N 分光光度計 上海儀電分析有限公司；ZS Nano 粒徑電位分析儀 英國馬爾文儀器有限公司；CR-400/410 色彩色差儀 美能達（中國）投資有限公司；Nicolet iS 50 傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電；AR2000ex 型流變儀 美國TA 儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 肌原纖維蛋白的提取 白鰱魚糜肌原纖維蛋白的提取參考Li 等[13]的方法并稍作修改。取適量冷凍魚糜切碎，加入3 倍體積4 ℃的0.2 mol/L Tris-HCl （pH7.0，含0.6 mol/L KCl），6000 r/min 均質3 min，然后于4 ℃浸提60 min，去除勻漿中明顯的筋膜等雜質。低溫離心（9000 r/min，10 min，4 ℃），所得上清液即為實驗用肌原纖維蛋白原液。放入4 ℃冰箱備用。

1.2.2 肌原纖維蛋白濃度的測定 用雙縮脲法測定肌原纖維蛋白的濃度[14]。以牛血清蛋白為標準，于540 nm 處進行比色測定，繪制標準曲線（y=0.0456x+0.0954，R2=0.9989）。經測定，肌原纖維蛋白原液的蛋白濃度范圍為30～35 mg/mL。

1.2.3 肌原纖維蛋白乳液的制備 采用Tris-HCl（pH7.0，含0.6 mol/L KCl） 調整上述1.2.1 制備的肌原纖維蛋白原液的蛋白濃度分別為5、10、15、20和25 mg/mL，在80 ℃下磁力攪拌加熱10 min 后立即用冰水浴冷卻，再高速均質3 min （10000 r/min）得到肌原纖維蛋白溶液。未加熱組（myofibrillar protein，MP）標記為MP 組，加熱組（myofibrillar protein Aggregate，MPA）標記為MPA 組。控制乳液中大豆油的質量分數分別為50%、60%、70%、80%，然后高速均質10 min（10000 r/min）制備肌原纖維蛋白乳液。除加熱過程外，所有制備過程均在10 ℃以下進行。

1.2.4 肌原纖維蛋白溶液的SDS-PAGE 凝膠電泳參考朱萌等[15]的方法，調節溶液中蛋白濃度至1.5 mg/mL，取100 μL 樣品加入50 μL 的上樣緩沖液，采用5%的濃縮膠和12%的分離膠進行電泳，上樣量為10 μL，樣品在濃縮膠內電壓恒定為80 V，進入分離膠后電壓調為120 V，待藍色條帶距離分離膠底部3～5 mm 處時停止電泳。取出膠片采用0.125%R-250 考馬斯亮藍進行染色2 h，然后用50%甲醇和10%冰乙酸脫色至條帶清晰無明顯背景色。

1.2.5 蛋白質聚集比例的測定 取10 mL MPA 組蛋白溶液于15 mL 離心管中，室溫下低速離心10 min（3000 r/min），用雙縮脲法測定上清液中的蛋白濃度。

1.2.6 肌原纖維蛋白溶液粒徑和電位的測定 粒徑和電位的測定參照Zhang 等[16]的方法加以修改。采用Tris-HCl （pH7.0，含0.6 mol/L KCl） 將MP 和MPA 組蛋白溶液的濃度均稀釋至5 mg/mL 后，使用Zeta sizer 儀器（λ=633 nm，25 ℃）測定蛋白溶液的粒徑（D（4,3））及電位。

1.2.7 粘度測定 參考Diao 等[17]的方法加以修改。采用AR200ex 型流變儀測定蛋白溶液及乳液的表觀粘度。選擇直徑40 mm、2°的椎板，板間距為1000 μm，實驗在室溫下進行，剪切速率為0.01～100 s-1，記錄各剪切速率下的粘度值繪制相應的粘度曲線。

1.2.8 乳液外觀觀察 將制備的肌原纖維蛋白乳液裝入玻璃瓶或離心管中，在4 ℃冰箱貯藏24 h 后對其進行外觀觀察。

1.2.9 光學顯微鏡觀察 參考朱雪峰[18]的方法加以修改。使用1%（w/v）的羅丹明B 對MP 和MPA 組肌原纖維蛋白乳液進行染色，1 mL 樣品加入染料50 μL，充分混合均勻后置于光學顯微鏡下觀察，放大倍數為100 倍。

1.2.10 乳液色度的測定 參考胡亞芹等[19]的方法，用色度儀測定并記錄L*（明亮度）、a*（紅綠偏差）和b*（黃藍偏差）值。

1.2.11 傅里葉紅外光譜測定 參照朱明華等[20]的方法，分別取不同濃度的MP 組和MPA 組制備的乳液凍干后的粉末1 mg，按1:100 的比例加入溴化鉀，研磨5 min 使粉末混合均勻后，壓片，放入傅里葉變換紅外光譜儀中進行分析，波數范圍：500～4000 cm-1，分辨率：4 cm-1，樣品和背景掃描次數：32 次。

1.3 數據處理

采用SPSS 26 對數據進行顯著性及相關分析，采用GraphPad Prism 制圖，采用OMNIC 和Origin 2017 軟件對紅外圖譜數據進行處理和擬合分析。圖表中誤差均為標準誤差，所有試驗均進行3 次重復。

2 結果與分析

2.1 肌原纖維蛋白溶液性質的表征

2.1.1 肌原纖維蛋白溶液的 SDS-PAGE 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）可以探明肌原纖維蛋白溶液的蛋白質組成情況，如圖1 所示。MP 組和MPA 組的蛋白質組成主要有肌球蛋白重鏈（MHC）和肌動蛋白（AC）。其中，不同蛋白濃度下的MP 組和經過加熱處理的MPA 組蛋白溶液的主要蛋白成分并未發生變化，但對比MP 組的條帶與MPA 組的條帶發現，熱處理后肌動蛋白和其他小分子蛋白條帶強度減弱，肌球蛋白條帶強度增強。由此可以說明熱處理對蛋白質共價鍵及非共價鍵的共同影響，使得肌原纖維蛋白變性伸展，進而參與了蛋白質聚集的形成[21]，使肌球蛋白和肌動蛋白和其他小分子蛋白構象發生一定程度的變化，但不同濃度之間的差異較小。

圖1 不同濃度下的MP 組和MPA 組肌原纖維蛋白溶液的SDS-PAGE 凝膠電泳Fig.1 SDS-PAGE gel electrophoresis of myofibrillar protein solution in MP and MPA groups at different concentrations

2.1.2 蛋白質聚集比例 蛋白質在加熱時會發生聚集，分子結構發生改變，進而影響其功能特性[22]。通過測定MPA 組肌原纖維蛋白溶液的聚集情況（如圖2），發現蛋白濃度為5～25 mg/mL 時，蛋白質聚集比例分布在45%～60%。隨蛋白質濃度的增加，加熱過程中更多的蛋白質參與聚集，與丁群文等[23]的研究結果一致。和5 mg/mL 的MPA 組相比，當蛋白質濃度升高為25 mg/mL 時，聚集比例增加了33.3%，可能會導致乳化性能降低[24]。當蛋白濃度為15 和20 mg/mL時MPA 組蛋白溶液的聚集比例無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同蛋白濃度下熱處理后的MPA 組蛋白聚集比例Fig.2 Protein aggregation ratio of MPA group after heat treatment at different protein concentrations

2.1.3 粒徑分布 蛋白顆粒的粒徑和分布對其功能性有重要影響[25]。由表1 可知，未經加熱處理的MP 組肌原纖維蛋白溶液平均粒徑范圍約為92～181 μm，且蛋白濃度為10 mg/mL 時平均粒徑最小（92.7 μm），濃度為15 mg/mL 時最大（181.7 μm）。加熱處理后導致蛋白質發生聚集，肌原纖維蛋白溶液的平均粒徑增大（166～238 μm），當濃度為25 mg/mL時平均粒徑最小（166.1 μm），濃度為5 mg/mL 時平均粒徑最大（238.3 μm）。由圖3 可知，MP 組粒徑呈雙峰分布，1000 μm 左右出現的小峰可能是少部分蛋白發生自聚集。MPA 組蛋白溶液的粒徑分布較MP 組向右偏移且主要為單峰分布，表明肌原纖維蛋白形成了較均一的熱誘導聚集顆粒，平均粒徑增大，與朱雪峰[18]的研究一致。

表1 不同濃度下MP 組和MPA 組肌原纖維蛋白溶液的平均粒徑（D(4,3)）Table 1 Average particle size of myofibrillar protein solution in MP group and MPA group at different concentrations (D(4,3))

圖3 熱處理對肌原纖維蛋白溶液粒徑分布的影響Fig.3 Effect of heat treatment on particle size distribution of myofibrillar protein solution注：A：MP，未加熱組；B：MPA，加熱組。

2.1.4 肌原纖維蛋白溶液的Zeta 電位 Zeta 電位主要反映蛋白顆粒表面的電荷情況。如圖4 所示，未經加熱處理的MP 組蛋白溶液的表面電荷范圍約為-12～-16 mV，電位值隨著濃度的增加而顯著增加（P＜0.05）。熱處理后的MPA 組電位值范圍約為-10～-20 mV，整體呈上升趨勢。15 mg/mL 時電位值最低（-10 mV），25 mg/mL 時電位值最高（-20 mV）。在5～20 mg/mL 濃度時，熱處理后的MPA 組Zeta電位對比MP 組有輕微的減小，但25 mg/mL 時MPA 電位值大于MP，這可能是因為在低濃度時蛋白表面的帶電氨基酸隨著蛋白結構的改變而發生內卷，使蛋白顆粒表面靜電荷減少；但在高蛋白濃度時，由于肌原纖維蛋白顆粒數量的增加使得氨基酸的內卷效應可以忽略[18,26]。

圖4 熱處理對肌原纖維蛋白溶液電位的影響Fig.4 Effect of heat treatment on myofibrillar protein solution potential

2.1.5 肌原纖維蛋白溶液粘度 粘度是蛋白質較為重要的特性之一，在一定程度上反應蛋白質的理化性質和結構的變化[27]。圖5 是MP 組和MPA 組肌原纖維蛋白溶液的粘度隨剪切速率0.01～100 s-1的變化曲線。隨著剪切速率的增大，所有溶液的表觀粘度都減小最后接近0，呈現剪切稀變性質，屬于非牛頓流體[28]。MP 組的零剪切粘度范圍為1～650 Pa·s，MPA組的零剪切粘度范圍約為0.01～3.5 Pa·s，加熱處理使肌原纖維蛋白溶液的零剪切粘度降低。一般情況下，加熱可以使蛋白質之間的疏水相互作用增加，使蛋白質聚集，蛋白質分子之間的引力大于靜電斥力，因而粘度隨溫度升高而增大。而過高的溫度抑制/破壞了非共價鍵（氫鍵、疏水作用和靜電引力）和共價鍵（二硫鍵）的形成，降低了疏水相互作用，使蛋白質間靜電斥力逐漸大于引力，引起粘度的降低[29]。在剪切速率為0.01 s-1時，除20 和25 mg/mL 的MPA 組蛋白外，表觀粘度隨濃度的增加而增加，可能是因為隨濃度的增加會有更多的蛋白顆粒吸附在界面上，有利于分子之間的相互作用[30]。

圖5 熱處理對MP（A）和MPA 組（B）肌原纖維蛋白溶液粘度的影響Fig.5 Effect of heat treatment on myofibrillar protein solution viscosity in MP (A) and MPA groups (B)

2.2 肌原纖維蛋白乳液性質的表征

2.2.1 油相比的確定 油相比是影響乳液液滴大小和分層穩定性的一個重要因素。不同蛋白濃度和油相比的肌原纖維蛋白乳液靜置24 h 后的情況如圖6 所示。當油相比為0.7 和0.8 時，均不能形成較為穩定的乳液，可能是油含量太高，蛋白不足以覆蓋所有液滴表面，因而不能形成穩定的乳液[30]。在油相比為0.5 時，蛋白濃度為20 和25 mg/mL 時的MP組乳液能夠形成穩定的乳化凝膠。在油相比為0.6時，蛋白濃度為10 和15 mg/mL 的MP 組乳液及蛋白濃度為10～25 mg/mL 的MPA 組乳液均能形成較為穩定的乳液。因此，本實驗選取油相比0.6 進行后續研究。

圖6 不同濃度和油相比的MP 組乳液（A）和MPA 組乳液（B）24 h 靜置情況Fig.6 Emulsion of MP group (A) and MPA group (B) standing for 24 h with different concentrations and oil

2.2.2 乳液外觀觀察 MP 組和MPA 組肌原纖維蛋白乳液在0 和24 h 的外觀變化如圖7 所示。不同蛋白濃度下的MP 組和MPA 組新鮮乳液均呈現均一的狀態。在4 ℃冰箱放置24 h 后，5 和25 mg/mL 的MP 組乳液及5 mg/mL 的MPA 乳液出現分層，上層為油相和水相，下層出現絮凝，其余乳液均保持穩定。這是因為濃度較低時蛋白質不足以覆蓋油水界面[30]，而蛋白質濃度過高時，高粘度溶液不利于肌原纖維蛋白分子的流動，易發生聚集穩定性降低[12]。

圖7 肌原纖維蛋白乳液0 和24 h（4 ℃放置）放置正拍圖Fig.7 Positive pictures of myofibrillar protein emulsion at 0 and 24 h (placed at 4 ℃)

2.2.3 光學顯微鏡觀察 圖8 是MP 和MPA 組肌原纖維蛋白乳液的光學顯微鏡圖。由圖中可知，當蛋白濃度為5 mg/mL 時，MP 和MPA 乳液中參與乳化的油滴最少，這可能是由于低蛋白濃度時不足以將游離的油滴包裹形成穩定的乳液[30]。當蛋白濃度為10～25 mg/mL 時，隨著肌原纖維蛋白濃度的增加，油滴粒徑減小，且油滴聚結程度增大，與朱雪峰[18]的研究結果一致。這可能是由于蛋白質濃度的增加，能夠參與乳化的蛋白質逐漸增加，另外，肌原纖維蛋白表面凈電荷增加（圖4），進而形成均勻而穩定的乳液液滴。與MP 蛋白乳液相比，在低濃度時，MPA 蛋白乳液中游離的脂肪較少；在高濃度時，MPA 肌原纖維蛋白乳液中油滴更加分散，展現出更好的乳化的穩定性。

圖8 熱處理對MP 和MPA 組乳液微觀形貌的影響Fig.8 Influence of heat treatment on micromorphology of emulsion in MP and MPA groups

2.2.4 乳液色度 乳液色度能夠表征油滴參與乳化的程度。如表2 所示，隨濃度的增加，MP 組乳液的L*和b*值呈現先升后降的趨勢。經過加熱處理的MPA 組乳液L*和b*值隨著濃度的升高而增加。與MP 乳液相比，MPA 乳液的L*和b*稍有增加，可能是因為乳化的油脂更多。另外。5 mg/mL 和25 mg/mL的MP 乳液，5 mg/mL 的MPA 乳液的L*值顯著低于其他組別（P＜0.05），可能與其不能形成穩定的乳液相關，與圖7 的結果一致。

表2 熱處理對MP 和MPA 組乳液色度的影響Table 2 Effect of heat treatment on chromaticity of emulsion in MP and MPA groups

2.2.5 傅里葉紅外光譜 采用傅里葉變換紅外光譜儀觀察制備的肌原纖維蛋白乳液的分子結構。肌原纖維蛋白在3500～3250 cm-1左右的吸收峰歸屬為O-H 伸縮振動、N-H 伸縮振動以及結合水中的OH 基團與氨基酸中的C＝O 所形成的分子內和分子間氫鍵；1639 cm-1處歸屬為酰胺Ⅰ帶C＝O 對稱伸縮振動特征峰，與氫鍵作用力密切相關；1550 cm-1處歸屬為酰胺Ⅱ帶N-H 彎曲振動與C-H 伸縮振動特征吸收峰；1078 cm-1左右的吸收峰主要是C-O 鍵、C-N-C 鍵的伸縮振動峰[31]。如圖9 所示，當濃度為5 和15 mg/mL 時，MP 組乳液的官能團的吸收峰和強度沒有發生明顯變化，當濃度升高為25 mg/mL時，所有特征吸收峰均向左偏移且強度減弱，說明濃度增加后蛋白質的自聚集程度增加，肌原纖維蛋白乳液的穩定性減弱。經過加熱處理后的MPA 組乳液結構隨濃度的變化與MP 乳液基本相似。另外，與MP 乳液相比， MPA 乳液各吸收峰的強度明顯減弱，表明蛋白質發生變性，部分蛋白發生一定的分解。特別是O-H 吸收峰，表明熱處理改變肌原纖維蛋白乳液的疏水性。

圖9 MP（A）和MPA 組（B）乳液的紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrogram of MP (A) and MPA (B) emulsion groups

2.2.6 肌原纖維蛋白乳液的粘度 圖10 是不同濃度條件下MP 組和MPA 組肌原纖維蛋白乳液粘度隨剪切速率0.01～100 s-1的變化曲線。與圖5 趨勢一致，隨著剪切速率的增大，所有乳液的表觀粘度都減小最后接近0，剪切變稀現象與含聚集顆粒的膠體分散體的流變學性質一樣[32]。在相同的剪切速率下，蛋白質的濃度越高，乳液體系中用于穩定油水界面的蛋白質越多，乳液的粘度越大，蛋白質之間的作用力增強[33]。加熱處理后的肌原纖維蛋白乳液的零剪切粘度相對MP 組顯著降低，可能是因為熱處理降低了疏水相互作用，破壞了共價鍵和非共價鍵的形成。

圖10 MP（A）和MPA 組（B）肌原纖維蛋白乳液粘度隨剪切速率的變化曲線Fig.10 Myofibrillar protein emulsion viscosity curve with shear rate in MP (A) and MPA groups (B)

3 結論

肌原纖維蛋白的性質受蛋白濃度和熱處理的影響。隨肌原纖維蛋白濃度的增加，MP 組MPA 組肌原纖維蛋白溶液的表觀粘度增大，粒徑和電位呈波動變化，MP 組10 mg/mL 時粒徑最小（92.7 μm），15 mg/mL 時粒徑最大（181.7 μm）；MPA 組5 mg/mL時粒徑最大（238.3 μm），25 mg/mL 時粒徑最小（166.1 μm）；肌原纖維蛋白乳液的表觀粘度和自聚集程度增加。在4 ℃放置24 h 后，除5 和25 mg/mL的MP 組肌原纖維蛋白乳液及5 mg/mL 的MPA 組肌原纖維蛋白乳液外，其余乳液均能保持穩定。熱處理使肌原纖維蛋白溶液發生聚集，粒徑增大，表觀粘度降低；乳液的L*值增大，表觀粘度降低，親水性減弱，乳液穩定的濃度范圍增大。油相比為0.6 時，熱處理使濃度為10～20 mg/mL 的肌原纖維蛋白的乳化性能和乳液穩定性提高。本研究可為制備穩定的肌原纖維蛋白乳液提供理論基礎。