白鰱魚酸/堿等電點沉淀法分離蛋白及其凝膠特性

成希祥，吳杰

（1.內蒙古財經大學旅游學院，內蒙古 呼和浩特 010070；2.浙江工商大學海洋食品研究院，浙江 杭州 310012）

白鰱魚肉質細嫩、味道鮮美、營養價值高，富含多種人體所需的脂肪酸和氨基酸等營養成分，是我國重要的淡水養殖經濟型魚類[1-2]。據2020 年《中國漁業年鑒》統計，我國白鰱魚產量高達381.0 萬t，且產業鏈逐漸完善，產業經濟價值逐漸擴大，因此白鰱魚具有巨大的開發潛力和重要的漁業生態地位[3]。目前，白鰱魚主要是加工成魚糜或整條冷凍粗加工，其加工深度淺，產品種類單一，保質期短，無法滿足遠距離流通銷售的需求，同時簡單整條冷凍產品易導致魚類出現試劑殘留、品質劣變、營養成分和風味物質流失等問題[2，4]。目前，缺乏高品質精深加工技術，未能高效利用白鰱魚魚肉蛋白質，嚴重降低了白鰱魚的經濟價值，因此提高白鰱魚的加工利用率及產品附加值、豐富白鰱魚加工品種具有一定的研究意義。此外，魚的分離蛋白作為高檔的營養食品[5]，是實現白鰱魚的高值化利用的有效方式。

目前，國內外關于利用魚肉制備分離蛋白的方法主要有漂洗法、有機溶劑萃取法、酶解法和酸/堿等電點沉淀法，不同的制備方法會使分離蛋白的營養價值和凝膠特性等受到不同程度的影響[6-9]。目前的研究表明，漂洗法通過濃縮鹽溶性肌原纖維蛋白去除血漬等雜質，延長魚糜制品的貨架期，但易造成可溶性蛋白質流失，同時產生大量的工業有機廢水[6]。低值魚或魚類加工下腳料經過高溫蒸煮、壓榨和有機溶劑萃取法可制備成魚粉或魚濃縮蛋白質，但其萃取過程中的高溫壓榨易使蛋白質變性，且有機溶劑易出現殘留等問題[7]。酶解法可生產多種小分子組成的水解蛋白質，但酶解體系相對復雜且對溫度敏感，同時易造成分離蛋白的功能性和風味差，難以滿足食品加工的要求[8]。而酸/堿等電點沉淀法是利用蛋白質在不同pH 值的溶解特性差異達到蛋白質分離效果，同時會使蛋白質分子的構象發生變化，進而影響蛋白質的凝膠性、營養價值等[9-10]。與其他分離蛋白的方法相比，酸/堿等電點沉淀法具有回收蛋白質效率高，操作簡單等特點，能有效去除魚肌肉中的脂肪成分，且能高效提取分離蛋白，保持其生物活性[9-10]。因此，本研究以新鮮白鰱魚為原料，采用酸/堿等電點沉淀法制備分離蛋白，優化蛋白質分離的條件，比較5 種工藝條件（pH3.0-5.5、pH4.0-5.5、pH11.0-5.5、pH12.0-5.5 和pH13.0-5.5）下制備白鰱魚分離蛋白的差異，旨在為酸/堿等電點沉淀法在白鰱魚分離蛋白中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活白鰱魚：市售；Lowry 試劑盒：北京鼎國昌盛生物技術有限公司；氫氧化鈉、硫酸、鹽酸（均為分析純）：廣東光華科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

Thermo Scientific Sorvall LYNX 高速冷凍離心機：上海寰熙醫療器械公司；NAI-XHL-4A 消化爐：上海那艾精密儀器有限公司；VAP-450 自動凱氏定氮儀：德國Gerhardf 公司；TA.XT plusC 質構儀：英國STab.Micro System 公司；EVO 300PC 紫外分光光度計：美國Thermo Fisher Scientific 公司；LGJ-12 真空冷凍干燥機：北京松源華興科技發展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 白鰱魚分離蛋白的提取及其蛋白粉的制備

采用酸/堿等電點沉淀法制備白鰱魚分離蛋白[11]。

取白鰱魚肉，按照肉水比為1∶9（g/mL）添加去離子水并均質攪拌4 min，隨后將pH 值分別調節至3.0、4.0、11.0、12.0 和13.0，并攪拌40 min，10 000 r/min 離心30 min（4 ℃），得到的上清液即為可溶性魚肉蛋白質，再調節上清液pH 值至等電點5.5，10 000 r/min 離心30 min（4 ℃），取沉淀，加少量去離子水分散、調節pH8.0、蒸餾水透析、真空冷凍干燥，即可得到pH3.0、4.0、11.0、12.0 和13.0 5 種條件下制備的分離蛋白，-20 ℃保存備用。

1.3.2 白鰱魚肉及其分離蛋白主要成分的測定

水分測定參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中的直接干燥法；粗蛋白測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法；粗脂肪測定參考GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法；灰分的測定參考GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》。

1.3.3 白鰱魚分離蛋白得率的測定

參考石柳[12]的方法測定分離蛋白得率。利用凱氏定氮法測定5 種分離蛋白的粗蛋白質含量和原料魚肉中粗蛋白質含量，并根據公式（1）計算分離蛋白得率（P）。

式中：P 為分離蛋白得率，%；M 為分離蛋白的粗蛋白質含量，g；W 為原料魚肉中粗蛋白質含量，g。

1.3.4 白鰱魚分離蛋白溶解度的測定

利用Lowry 試劑盒法測定分離蛋白的溶解度[13]。配制濃度0.5%的分離蛋白溶液，在4 ℃下磁力攪拌30 min，隨后5 000 r/min 離心15 min（4 ℃），利用Lowry試劑測定上清液中蛋白質含量，對比分析5 種分離蛋白在pH 值濃度梯度（2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0）條件下的溶解度，分離蛋白溶解度的計算見公式（2）。

式中：Q 為分離蛋白溶解度，%；R 為上清液中蛋白質含量，g；S 為離心前溶液中蛋白質含量，g。

1.3.5 白鰱魚分離蛋白氨基酸組成的分析

白鰱魚分離蛋白氨基酸組成的分析參考孫樂常等[10]的方法。檢測條件：采用Eclipse-AAA 色譜柱（4.6 mm×150 mm，直徑5 μm），檢測波長為338 nm 和262 nm，進樣量為0.5 μL，流速為2 mL/min。

1.3.6 白鰱魚分離蛋白凝膠的制備及其質構的測定

取適量分離蛋白，配制成濃度為12%的蛋白質溶液，調節pH7.0，采用二段式加熱制備分離蛋白凝膠，測定凝膠的凝膠強度和全質構分析（texture profile analysis，TPA）[14]，其中探頭型號分別是P/0.5S 和P/0.5，同時采用Texture Expert（v 1.22）程序采集并計算凝膠的硬度、彈性、膠著性和咀嚼性。

1.3.7 白鰱魚分離蛋白凝膠持水性的測定

利用離心法測定分離蛋白凝膠的持水性[15]。稱取質量為M1的分離蛋白凝膠，用兩層濾紙包裹裝入離心管，5 000 r/min 離心15 min，取出樣品并稱量，測得離心后樣品的質量為M2，凝膠持水性（W，%）計算如公式（3）。

1.3.8 白鰱魚分離蛋白凝膠掃描電鏡觀察

參考Zhou 等[15]的方法并略微修改。將蛋白質凝膠樣品切成薄片（厚度約為5 mm），用2.5%戊二醛溶液固定、pH6.8 磷酸鹽緩沖液洗滌，隨后樣品經梯度濃度的乙醇脫水，再利用乙酸異戊酯置換乙醇15 min、臨界點干燥和噴金，最后利用掃描電子顯微鏡觀察蛋白質凝膠的微觀結構，放大倍數為15 000。

1.4 數據統計與分析

所有試驗重復3 次，采用SPSS 18.0 軟件分析數據，并利用Duncan 多重檢驗分析差異顯著性（P＜0.05表示差異顯著），同時利用Origin 9.0 軟件繪制圖形，且結果以平均值±標準差的形式表示。

2 結果與分析

2.1 白鰱魚魚肉及其分離蛋白基本成分含量的測定分析

白鰱魚魚肉及其分離蛋白基本成分含量的測定分析見表1。

表1 白鰱魚魚肉及其分離蛋白基本成分的含量Table 1 Content of basic nutrient components in silver carp meat and its protein isolate powder g/100 g

如表1 所示，白鰱魚魚肉的基本成分包括水分、粗蛋白、粗脂肪和灰分，總量占比高達99.77 g/100 g，其含量水平與其他研究報道有一定差異[16]，可能受白鰱魚生長環境、年限、捕撈季節與方式等諸多因素影響。此外，白鰱魚肉粗蛋白含量高，高達17.52 g/100 g，表明白鰱魚屬于高蛋白質魚種，是加工分離蛋白的優良原料。

利用酸/堿等電點沉淀法制備的白鰱魚分離蛋白中，其粗蛋白的含量均高于78 g/100 g，水分含量均低于12 g/100 g。在堿法制備的分離蛋白中，其粗蛋白含量高，水分含量低。pH12.0-5.5 組粗蛋白含量最高，達81.96 g/100 g，且水分含量僅為9.76 g/100 g，這可能與強堿比強酸更能有效去除油脂和不溶性雜質有關。極端酸堿性條件能夠改變蛋白質表面的電荷量，提高蛋白質的溶解度，因此在低溫高速離心下能有效去除油脂和不溶性雜質，提高分離蛋白中蛋白質的含量，降低粗脂肪的含量。且堿法制備（pH12.0-5.5）的分離蛋白中，其粗脂肪含量低，僅為3.52 g/100 g。在5 種分離蛋白中，灰分含量均不超過2.23 g/100 g，表明酸/堿等電點沉淀法能有效去除魚肉中所含的鹽類及其他不溶性雜質。且堿法制備的分離蛋白的灰分含量比酸法制備的灰分含量低。因此堿法（pH12.0-5.5）制備分離蛋白的效果最佳，這與劉詩長[7]的研究結果一致。

2.2 白鰱魚分離蛋白得率的測定分析

酸/堿等電點沉淀法提取白鰱魚分離蛋白的得率見圖1。

圖1 酸/堿等電點沉淀法提取白鰱魚分離蛋白的得率Fig.1 Yield of protein isolate prepared from silver carp meat by acid/alkali solubilization-isoelectric precipitation

酸/堿等電點沉淀法提取魚分離蛋白是通過調控蛋白質表面的靜電荷量，使其在等電點處所帶的凈電荷為零，失去了水化膜和分子間的相斥作用，疏水性氨基酸殘基暴露，蛋白質分子相互靠攏、聚集，易形成沉淀析出[17]。由圖1 可知，在偏離魚蛋白質等電點的pH值條件下，提取白鰱魚分離蛋白的得率均超過54%，表明魚蛋白質在極端酸堿性條件下有較強的溶解性。在相同的沉淀條件下，酸法提取白鰱魚分離蛋白比堿法提取的得率低，且堿法提?。╬H12.0-5.5 和pH13.0-5.5）白鰱魚分離蛋白的得率較高，這可能與蛋白質分子大小和表面電荷有關，導致魚蛋白質在堿性條件下更容易電離水解[7]。因此堿法提取白鰱魚分離蛋白的得率最高。

2.3 白鰱魚分離蛋白溶解度的測定分析

不同pH 值下白鰱魚分離蛋白的溶解度見圖2。

圖2 不同pH 值下白鰱魚分離蛋白的溶解度Fig.2 Solubility of silver carp protein isolate samples prepared at different pH values

由圖2 可知，pH 值對白鰱魚分離蛋白溶解性的影響較明顯，且各分離蛋白的溶解度隨pH 值的變化趨勢基本相同。當pH 值（5.0～6.0）接近等電點處，分離蛋白的溶解度最低，而偏離等電點處，溶解度隨pH 值變化迅速上升，且在極端酸堿性處，分離蛋白的溶解度均接近于100%。此外，不同pH 值條件下制備的分離蛋白，其溶解性各不相同。與酸法提取相比，堿法提取制備的分離蛋白溶解性最好，而pH4.0-5.5 條件下制備的分離蛋白溶解性最差。在極端酸堿性條件下，蛋白質中呈酸性或堿性氨基酸殘基的電荷被中和，促使蛋白質分子帶正電荷或負電荷，與水分子的作用增強，明顯提高蛋白質的溶解性。然而，在接近等電點5.0～6.0處，蛋白質與水分子的作用比較弱，使得蛋白質分子相互靠攏，甚至形成聚集體而導致蛋白質沉淀[17]。因此，在極端酸堿性條件下，蛋白質的溶解性最好，在等電點處溶解性最差。

2.4 白鰱魚分離蛋白氨基酸組成分析

白鰱魚分離蛋白的氨基酸組成及含量見表2。

表2 白鰱魚分離蛋白的氨基酸組成及含量Table 2 Amino acid composition and content of silver carp protein isolate samples g/100 g

蛋白質中氨基酸的種類和含量是衡量魚蛋白粉品質的重要指標。由表2 可知，5 種不同分離蛋白及原料中均含有16 種常見氨基酸，其中包含8 種必需氨基酸(組氨酸為嬰兒必需氨基酸)，并且分離蛋白中氨基酸的含量大部分高于魚肉中氨基酸含量，表明酸/堿等電點沉淀法制備的分離蛋白的氨基酸種類齊全，參考聯合國糧農組織/世界衛生組織（Food and Agriculture Organization/World Health Organization,FAO/WHO）規定的蛋白質理想模式，優質蛋白質中必需氨基酸與總氨基酸的比值約在40%，而必需氨基酸與非必需氨基酸的比值大于60%[18]。據表2 所示，5 種分離蛋白中必需氨基酸與總氨基酸的比值均大于40%，且必需氨基酸與非必需氨基酸的比值均在73%以上，符合FAO/WHO 規定的蛋白質理想模式，因此酸/堿等電點沉淀法制備的5 種分離蛋白均屬于優質蛋白粉。在極端酸性條件下，蛋白質中堿性氨基酸（賴氨酸和組氨酸）的負電荷被中和而被破壞，降低蛋白質中的必需氨基酸的含量，因此在酸法制備的分離蛋白中，其必需氨基酸的含量相對較低，尤其是賴氨酸和組氨酸。在極端堿性條件下，蛋白質中酸性氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）的正電荷被中和而被破壞，降低蛋白質中的呈味氨基酸的含量。此外，在極端酸堿性條件下，蛋白質變性的程度越大，分離蛋白的提取得率和純度越高。綜上所述，酸/堿等電點沉淀法提取制備的分離蛋白的氨基酸標準模式評分均滿足理想蛋白質的要求，進一步表明分離蛋白是一種優質的蛋白質源，且堿法提取制備分離蛋白的提取得率和純度最高，其中堿法提?。╬H12.0-5.5）制備的分離蛋白品質最佳。

2.5 白鰱魚分離蛋白的凝膠特性和持水性分析

白鰱魚肉分離蛋白的凝膠特性和持水性見表3。

表3 白鰱魚肉分離蛋白的凝膠特性和持水性Table 3 Gel properties and water-holding capacity of silver carp protein isolate

凝膠強度和破斷強度均能反映蛋白質受熱變性形成凝膠的能力，主要取決于蛋白質分子間相互作用力的強弱和分離蛋白質三維網狀結構的變化[19]。由表3可知，與酸法提取相比，堿法提取制備的魚分離蛋白其凝膠體系具有強的凝膠強度和破斷強度，并且堿法提取（pH12.0-5.5）所制得的分離蛋白，其凝膠的凝膠強度和破斷強度最強。此外，堿法提取所制得的分離蛋白，其凝膠具有強的硬度、膠著性和咀嚼性，而凝膠的彈性弱于酸法提取所制得分離蛋白凝膠，表明堿性條件下所制得的分離蛋白的凝膠具有強的質構特性，這與Park 等[20]的研究結果一致，沙丁魚肌球蛋白在極端酸性條件下溶解，將pH 值調回中性會發生完全的蛋白質變性，嚴重降低了蛋白質形成凝膠的能力。此外，在分離蛋白形成凝膠過程中主要是肌球蛋白起作用，因此肌球蛋白的濃度和變性程度直接決定了分離蛋白形成凝膠的能力。在極端酸堿性條件下，魚蛋白質的高級結構被嚴重破壞發生不可逆的變性，導致肌球蛋白喪失部分凝膠能力，尤其極端酸性條件破壞蛋白質凝膠之間的二硫鍵、氫鍵、疏水相互作用等交聯的作用力，甚至導致其他內源性蛋白酶變性失活，降低分離蛋白的凝膠能力[10，21]。此外，肌球蛋白在極端酸性條件下完全的被解離，而在堿性條件下能夠保持相對完整的結構特性[21]。因此，與酸法提取相比，堿法提取制備的分離蛋白，其形成的凝膠具有強的凝膠特性，并且pH12.0-5.5 條件下所制得的分離蛋白凝膠的凝膠特性最強。

2.6 白鰱魚肉分離蛋白凝膠微觀結構的觀察

魚分離蛋白凝膠的凝膠特性與其微觀結構和組成密切相關，且其微觀結構的形成取決于魚分離蛋白的有序聚集，并直接影響凝膠的凝膠強度和破斷強度[19]。白鰱魚肉分離蛋白凝膠的掃描電鏡圖見圖3。

圖3 白鰱魚肉分離蛋白凝膠的掃描電鏡圖（×15 000）Fig.3 Scanning electron microscope images (×15 000) of silver carp protein isolate gel

如圖3 所示，在酸性條件下提取制備的分離蛋白，其凝膠的三維網絡中孔洞大且多，表面凹凸粗糙，因此形成的凝膠的凝膠特性弱，且持水性低。而堿法提取制備的分離蛋白，其凝膠三維網絡中孔洞變小，表面相對平緩，凝膠的凝膠特性明顯增強，持水性明顯提高，同時堿法（pH12.0-5.5）提取制得的分離蛋白，其凝膠的三維網絡結構最致密均勻，且具有最強的凝膠強度和破斷強度。由此進一步證明堿性條件下制備的分離蛋白，有利于形成致密均勻的凝膠三維網絡結構，使凝膠具有強的凝膠特性和高的持水性能，這與分離蛋白凝膠的質構特性和持水性檢測結果一致。極端酸堿性條件破壞魚蛋白質的高級結構，尤其肌球蛋白被解離而喪失部分的凝膠能力，弱化了分離蛋白凝膠三維網絡的致密性，降低了凝膠的質構特性和持水性[10，21]。然而，肌球蛋白在極端堿性條件下保持相對完整的結構特性[21]，因此與酸法提取相比，堿法提取制備的分離蛋白，其凝膠三維網絡結構的孔目變少孔徑變小，具有均勻致密的空間層次感，改善凝膠三維網絡結構，同時將更多水分子截留在凝膠網絡中，增強凝膠的凝膠特性。因此，堿法（pH12.0-5.5）提取制得的分離蛋白，其凝膠具有均勻致密的微觀結構，增強了凝膠特性，提高了持水性能。

2.7 白鰱魚分離蛋白的動態熱圖分析

為進一步研究酸/堿等電點沉淀法對白鰱魚分離蛋白品質的影響，將其關鍵指標進行聚類動態熱圖分析。白鰱魚肉分離蛋白的動態熱圖見圖4。藍色顏色越深表示其與關鍵指標呈負相關，而紅色顏色越深表示其與關鍵指標呈正相關。

圖4 白鰱魚肉分離蛋白的動態熱圖Fig.4 Heatmap of silver carp protein isolate

由圖4 可知，根據不同酸/堿等電點沉淀法制備的白鰱魚分離蛋白品質的差異，將白鰱魚肉分離蛋白分為三大類，分別為I 類[酸法（pH3.0-5.5 和pH4.0-5.5）提取制得的分離蛋白組]、II 類[堿法（pH11.0-5.5）提取制得的分離蛋白組]和III 類[堿法（pH12.0-5.5 和pH13.0-5.5）提取制得的分離蛋白組]。結果表明，I 類具有弱的凝膠特性、低的持水性，且必需氨基酸的含量低和非必需氨基酸的含量高等特點，II 類的特點適中，而III 類的特點恰與I 類的相反，具有強的凝膠特性、高的持水性，且必需氨基酸的含量高和非必需氨基酸的含量低等特點。綜合分析，堿法（pH12.0-5.5）提取制得的分離蛋白的蛋白質含量高、氨基酸種類齊全，必需氨基酸含量高，且形成凝膠的性質強，因此堿法（pH12.0-5.5）制備的分離蛋白的品質最優，且營養特性好。

3 結論

采用酸/堿等電點沉淀法提取白鰱魚分離蛋白的得率均超過54%，且堿法（pH12.0-5.5 和pH13.0-5.5）提取制備白鰱魚分離蛋白的得率較高。與酸法制備的分離蛋白相比，堿法制備分離蛋白的蛋白質含量高、粗脂肪含量低、溶解性強，其中堿法制備（pH12.0-5.5）的分離蛋白的蛋白質含量最高，達81.96 g/100 g，且水分含量僅為9.76 g/100 g，制備的分離蛋白氨基酸種類齊全，必需氨基酸含量占氨基酸總量比值在42.27%以上，同時亮氨酸和賴氨酸含量高，符合FAO/WHO 的蛋白質理想模式。此外，與酸法提取相比，堿法提取制備的分離蛋白，其凝膠三維網絡結構致密有序均勻，具有強的凝膠特性和高的持水性能，因此堿法（pH12.0-5.5）提取制得的分離蛋白的營養特性和功能特性最佳。