斬拌處理對魚糜肌原纖維蛋白結構特性的影響及效應分析

朱士臣 任曉露 魏傳雙 丁玉庭 周緒霞

（1浙江工業大學食品科學與工程學院/浙江省深藍漁業資源高效開發利用重點實驗室/國家遠洋水產品加工技術研發分中心（杭州），浙江 杭州 310014；2海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，遼寧 大連 116034）

魚糜制品是指以冷凍魚糜為原料，經解凍、加鹽斬拌混入淀粉等輔料制成的一種具有彈性的凝膠結構食品［1］，因其獨特的質構特性和豐富的營養價值而深受消費者青睞［2］。斬拌是魚糜工業化生產的關鍵步驟之一，是促進魚糜肌原纖維蛋白溶出的有效方法。斬拌過程中所產生的剪切作用可破壞魚糜的肌纖維超微結構，導致肌纖維解離，同時在NaCl 作用下促使鹽溶性蛋白溶出并形成肌動球蛋白溶膠［3-4］，進而在加熱條件下形成肌動球蛋白凝膠［5］。斬拌過程中的關鍵工藝參數會直接影響魚糜制品的加工品質，如斬拌時間、NaCl添加量等。馬瑤蘭等［6］研究發現常壓斬拌條件下，添加2%的NaCl可使阿拉斯加狹鱈魚糜凝膠強度達到最大。同時許帥強等［7］發現斬拌階段NaCl 的添加會促進肌原纖維蛋白的無規則卷曲向有序蛋白二級結構（β-折疊）轉變，進而影響凝膠品質。焦道龍等［8］研究了斬拌初始溫度對魚糜的凝膠特性、保水性等理化特性的影響，發現斬拌初始溫度較低或較高都不利于魚糜凝膠的形成，溫度過低易導致魚糜再次凍結，造成斬拌不均勻而影響制品品質，而溫度過高會導致魚肉蛋白變性，亦會影響魚糜加工特性。因此，闡釋魚糜肌原纖維蛋白在斬拌過程中的結構變化對于優化斬拌條件具有一定意義。

斬拌的目的是通過剪切作用使物料混合，促進魚糜肌原纖維蛋白溶出，而不變性。斬拌作用使得魚糜蛋白具有功能性，即肌肉蛋白質獲得膠凝特性。在該過程中蛋白質的變化分為兩個階段：首先，在混合過程中蛋白質結構伸展；然后，在加熱過程中蛋白質三維凝膠網絡重組。Ducept等［9］研究發現在斬拌混合第一階段，物料體積減小、混合，促進了蛋白質的增溶，而增溶效果與蛋白的膠凝化潛力密切相關。魚糜斬拌過程中的力學效應可促進魚糜肌原纖維蛋白充分溶出，但斬拌過程中所產生的熱效應會不可避免地影響肌原纖維蛋白的結構特性，進而降低魚糜加工品質。例如，魚糜斬拌過程中斬拌速度過快或斬拌時間較長所產生的熱效應會使得魚糜體系局部溫度升高，導致魚肉肌原纖維蛋白變性，-SH基團氧化成二硫鍵，促進肌原纖維蛋白分子的聚集，從而降低魚糜的加工特性［4］。由此可見，斬拌過程所產生的溫度負面效應會導致機械促進效應的滯后。但如何保持斬拌過程中兩效應的作用平衡以最大程度地改善魚糜加工品質，尚鮮見相關報道。

鑒于此，本研究以應用較為廣泛的鱈魚魚糜為模型，通過控制斬拌時間，研究不同NaCl 添加量的魚糜在斬拌過程中的理化及結構特征變化（溶解度、粒徑、總巰基含量、表面疏水性、Ca2+-ATP 酶活性、內源熒光強度變化等），并基于線性模型冗余分析探究斬拌處理條件（粒徑變化）、熱效應（溫度變化）與蛋白質氧化變性指標間的相關性，旨在確定影響魚糜肌原纖維蛋白氧化變性的關鍵因子，為調控魚糜斬拌條件、提高魚糜的加工品質提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鱈魚魚糜購自浙江興業集團有限公司；鹽購自中鹽上海市鹽業有限公司；其余化學試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

JR5D-300 絞肉機，浙江蘇泊爾股份有限公司；CR21GII 型高速冷凍離心機，日本日立公司；HH-1 型數顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市江南儀器廠；TA-XT2i型物性測試儀，英國Stable Micro System 公司；UV-VIS 紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；ZS2000 激光粒度儀，英國馬爾文公司；T18 高速分散機，德國艾卡儀器設備有限公司；925 接觸式測溫儀，德國德圖公司；F-2500 熒光分光光度計，日本日立公司；TA-XT2i型物性測試儀，英國SMS公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 魚糜制備及溫度測定 稱取冷凍魚糜，4 ℃半解凍10 h 后，切成1 cm×1 cm×1 cm 的小塊，放入預冷的斬拌機中（四周均被碎冰包裹），使用低檔位在600 r·min-1轉速下斬拌30 s；加入不同濃度的NaCl（1%、2%、3%），再斬拌3 min，每20 s 停止10 s，以避免電機過熱，分別在10、60、120、180 s時使用接觸式測溫儀各取6 個點分別測量體系溫度，取樣（約2 g）置于4 ℃冰箱儲存。

1.3.2 肌原纖維蛋白提取方法 參考Gao 等［10］的方法并稍作修改。稱取2 g 魚糜，加入10 倍體積的Tris-HCl（20 mmol·L-1，pH 值7）緩沖液，7 400 r·min-1均質勻漿15 s，2 次，冷凍離心（10 000 r·min-1、10 min）。取沉淀加入10 倍體積含有0.6 mol·L-1NaCl 的Tris-HCl（20 mmol·L-1，pH 值7.0）緩沖溶液，均質15 s。4 800 r·min-1、4 ℃抽提1 h，離心（4 ℃、10 000 r·min-1）10 min，上清液即為肌原纖維蛋白。

1.3.3 溶解度的測定 參考Kittiphattanabawon 等［11］的方法，將蛋白質濃度調節至4.0 mg·mL-1，離心（4 ℃、10 000 r·min-1、15 min）。取上清液，用雙縮脲法測定溶液中蛋白質含量，空白組使用磷酸鹽緩沖溶液替代。計算公式如下：

1.3.4 總巰基含量的測定 參考林婉玲等［12］的方法，取0.5 mL 4 mg·mL-1蛋白溶液，加入4.5 mL 0.2 mol·L-1的Tris-HCl 緩沖溶液（含8 mol·L-1尿素，2%十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS），10 mmol·L-1乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA），pH 值6.8），40 ℃反應30 min，于412 nm處測定吸光值。巰基（SH）計算公式如下：

式中，A 為412 nm 處的吸光值；D 為稀釋倍數，11；ε 為摩爾消光系數，13 600 L·mol-1·cm-1；C 為蛋白濃度，4 mg·mL-1。

1.3.5 表面疏水性的測定 參照Chelh 等［13］的方法并略作修改。取1 mL 蛋白濃度為4 mg·mL-1的樣品溶液并向其中加入80 μL溴酚藍（bromophenol blue，BPB，1 mg·mL-1），室溫下渦旋10 min，然后在8 000 r·min-1下冷凍離心15 min。收集0.4 mL上清液并稀釋10倍，于595 nm波長下測定吸光值A。溴酚藍空白樣：80 μL溴酚藍溶解于Tris-HCl 緩沖溶液（20 mmol·L-1，pH 值7.5）。表面疏水性用溴酚藍含量表示，其計算公式如下：

1.3.6 平均粒徑的測定 將樣品蛋白濃度調節至0.25 mg·mL-1，取1 mL稀釋樣品于馬爾文比色皿中，在25 ℃下以90°的檢測角進行動態光散射（dynamic light scattering，DLS）測量，其結果反映了微粒的平均粒徑。

1.3.7 Ca2+-ATP 酶活性的測定 參考盧涵［14］的方法，將肌原纖維蛋白溶液濃縮至4 mg·mL-1左右。在試管中依次加入2.5 mL 20 mmol·L-1的Tris-HCl（pH 值7.0）、1 mL 0.05 mol·L-1的CaCl2、1 mL 4 mol·L-1的KCl溶液、1.5 mL 6.67 mmol·L-1的ATP-Na2，最后加入4 mL酶液，于28 ℃水浴鍋中準確反應30 min，反應結束迅速加入1 mL 15%的三氯乙酸停止反應。對照組自酶液加入后就加入三氯乙酸停止反應。雙層濾紙過濾反應溶液。準確吸取濾液2.00 mL，置于25 mL具塞試管中，加入2 mL 鉬酸銨溶液（50 g·L-1），搖勻，靜置。加入1 mL 亞硫酸鈉溶液（200 g·L-1）、1 mL 對苯二酚溶液（5 g·L-1），搖勻。加水至刻度，混勻。靜置0.5 h后測定660 nm波長的吸光值（A660）。酶活性計算公式如下：

式中，m 為生成的無機磷量（μmol）；t為反應時間；M 為肌原纖維蛋白含量（mg）。其中，無機磷含量由A660經無機磷含量標準曲線計算得到。

1.3.8 熒光強度的測定 將樣品溶液離心（8 000 r·min-1，15 min），使用雙縮脲法測定其蛋白質濃度，并使用緩沖溶液將樣品溶液蛋白質濃度調節一致（4 mg·mL-1），放入石英熒光比色皿中，采用F-2500熒光分光光度計測定溶液中蛋白質分子的熒光強度，設置激發波長280 nm，發射波長300～400 nm，激發狹縫和發射狹縫均為5.0 nm，電壓400 V。

1.3.9 凝膠強度的測定 將斬拌后的魚漿灌入膠原蛋白腸衣內（Φ 22 mm），排空氣泡后兩端扎緊，采用兩段式加熱（40 ℃加熱1 h，90 ℃加熱20 min），隨后立即冷卻，4 ℃冷藏過夜。將魚糜凝膠切成22 mm×20 mm的圓柱體在室溫下平衡30 min，然后采用TA-XT2i 型物性測試儀測定凝膠強度。參數設定如下：探頭P/5 S；測前速度1.00 mm·s-1；測試速度2.00 mm·s-1；測后速度10.00 mm·s-1；位移15 mm；觸發力10 g。每組樣品平均測定10次取平均值。

1.3.10 相關性分析 采用線性冗余模型進行相關性試驗，確定魚糜斬拌過程中的斬拌條件與蛋白氧化之間的關系。該模型包含斬拌過程中響應變量（如蛋白氧化變性指標）和一組解釋變量（斬拌時間、斬拌溫度）。本研究基于相關性定性描述斬拌條件與蛋白氧化變性之間的相關性，包括樣本、響應變量和解釋變量。兩個變量之間的相關水平通過對應向量間的夾角大小進行表示：角度＜90°為正相關性，角度越小表明正相關性越強；角度=90°表示不存在相關性；角度＞90°為負相關性，角度越大則表示負相關性越強［15］。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0 軟件進行數據顯著性分析，并采用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 斬拌過程魚糜的溫度變化

斬拌溫度是影響魚糜制品加工品質的重要因素之一。由于斬拌過程中刀片與物料摩擦產生的機械作用不可避免導致熱效應的產生［16］，使魚糜體系溫度升高，進而可能導致魚肉肌原纖維蛋白變性［17］。由圖1可知，所有魚糜樣品在斬拌的0～60 s 內溫度基本保持不變，但隨著斬拌時間進一步延長，熱效應增加，導致1%、2%、3%三組魚糜的溫度分別從0 s 的-2、-1.1、-1.8 ℃顯著升高至180 s 的7.1、6.5、5.7 ℃。斬拌過程中所產生的熱量變化是否導致了魚糜肌原纖維蛋白變性，需要進一步研究。

圖1 添加不同NaCl的魚糜斬拌過程中的溫度變化Fig.1 Temperature changes of surimi with the different additions of NaCl during chopping treatments

2.2 總巰基含量

巰基是肌原纖維蛋白中最為活躍的反應性基團之一，其含量反映了蛋白質氧化變性程度［16］。總巰基含量包括暴露在蛋白表面和埋藏其內部的巰基含量。由圖2 可知，斬拌60 s 時，添加2%、3%試驗組的總巰基含量相對于第10 秒分別上升17.9%、21.2%。然而隨著斬拌時間的持續延長（120～180 s），總巰基含量保持平穩或有所降低。而在相同斬拌時間下，較高食鹽添加量組具有較高的總巰基含量，特別是在斬拌初期（10～60 s）更為顯著。

圖2 添加不同NaCl的魚糜在斬拌過程中總巰基含量變化Fig.2 Changes of total sulfhydryl contents in surimi with the different additions of NaCl during chopping treatments

2.3 表面疏水性

溴酚藍可以與蛋白質疏水性氨基酸殘基結合，結合溴酚藍的含量變化可反映疏水性氨基酸殘基的暴露程度［18］。由圖3可知，隨著斬拌時間延長，溴酚藍含量逐漸增加，即：疏水性氨基酸暴露程度逐漸增大。相較于斬拌10 s 樣品組，斬拌120 s（添加1%、2%、3%NaCl）樣品組的溴酚藍含量分別上升了35.2%、31.0%、6.6%。隨著斬拌時間的持續增加（120～180 s），溴酚藍含量逐漸增加，添加1%、2%、3%NaCl 試驗組的溴酚藍含量相較于第120 s組分別增加了11.4%、4.0%、7.1%。

圖3 添加不同NaCl的魚糜在斬拌過程中表面疏水性的變化Fig.3 Changes of surface hydrophobicity of surimi with different NaCl during chopping treatments

2.4 Ca2+-ATP酶活性

肌球蛋白的球狀頭部區域具有Ca2+-ATP 酶活性，因此Ca2+-ATP 酶活性能夠反映斬拌過程中肌原纖維蛋白分子的完整性［16］。由圖4 可知，隨著斬拌時間延長，1%、2%、3% NaCl添加量魚糜樣品的肌原纖維蛋白Ca2+-ATP酶活性逐漸降低。在斬拌時間達到180 s時，Ca2+-ATP 酶活性顯著下降（P＜0.05）。此外，相同斬拌時間下，1%和2% NaCl添加量組樣品的Ca2+-ATP酶活性無顯著差異。

圖4 添加不同NaCl的魚糜在斬拌過程中Ca2+-ATP酶活性變化Fig.4 Changes of Ca2+-ATPase activity in surimi with different NaCl during chopping treatments

2.5 溶解度

肌原纖維蛋白質溶解度的變化通常與其結構變化有關。如圖5 所示，在斬拌時間為60 s 時，1%、2%、3%NaCl 添加量的魚糜在斬拌過程中肌原纖維蛋白溶解度達到最大值。相較于斬拌10 s 的樣品組，斬拌60 s 1%～3% NaCl 添加量組的肌原纖維蛋白溶解度分別增加17.8、10.1、12.3 個百分點。隨著斬拌時間進一步延長，魚糜肌原纖維蛋白溶解度逐漸下降。同一斬拌時間下，NaCl 量的增加能夠顯著促進肌原纖維蛋白的溶出（P＜0.05）。

圖5 添加不同NaCl的魚糜在斬拌過程中溶解度變化Fig.5 Changes in solubility of surimi myofibrils with different NaCl during chopping treatments

2.6 平均粒徑

Z-平均流體力學直徑能夠反映體系中微粒的粒徑大小、分布以及聚集狀態［19］。由圖6可知，相較于斬拌時間10 s 樣品組，斬拌時間120 s 的1%、2%、3%NaCl 試驗組的粒徑分別上升104.0%、129.1%、76.7%。然而當斬拌時間增加至180 s 時，粒徑顯著下降，分別較120 s 組下降了19.8%、32.9%、13.7%。相同斬拌時間下，較高NaCl 添加量的樣品組具有較大的粒徑。這是由于NaCl 添加量的增加促進了肌原纖維蛋白的溶出，進而促進了蛋白質分子交聯聚合，從而使粒徑增大［17］。

圖6 添加不同NaCl的魚糜在斬拌過程中粒徑變化Fig.6 Changes in particle size of surimi with different NaCl during chopping treatments

2.7 內源熒光光譜

內源熒光主要反映蛋白質分子中色氨酸等疏水性氨基酸殘基的熒光特性及所處環境的變化情況，可以用于表征蛋白質的構象變化［20］。由圖7 可知，斬拌時間為60 s 時的肌原纖維蛋白熒光強度較10 s 有所增強，即色氨酸從蛋白內部轉移至溶劑環境中，發生紅移，說明在斬拌過程中，魚糜蛋白質結構舒展，色氨酸等疏水基團暴露，熒光強度隨之增強［19］。這與溶解度、疏水性的變化趨勢一致。

圖7 不同NaCl添加量的魚糜在斬拌過程中的肌原纖維蛋白內源熒光光譜變化Fig.7 Changes of myofibrillar protein endogenous fluorescence spectra of surimi supplemented with different amounts of NaCl during chopping treatments

2.8 凝膠強度

由圖8 可知，經不同時間斬拌的魚糜的凝膠強度有明顯差異。相較于斬拌10 s 時的凝膠強度，斬拌處理180 s 時，添加1%、2%、3% NaCl 試驗組的魚糜凝膠強度分別上升43.6%、33.6%、26.8%。魚糜凝膠強度的提高可能與斬拌過程中引起的肌原纖維蛋白理化性質和結構變化有關。此外，相同斬拌時間處理的魚糜，其凝膠強度隨著NaCl添加量的增加而增強。

圖8 添加不同NaCl的魚糜在斬拌過程中凝膠強度變化Fig.8 Changes of gel strength of surimi with different NaCl during chopping treatments

2.9 斬拌條件與蛋白質氧化相關性分析

魚糜斬拌過程產生的機械效應促使肌原纖維蛋白溶出的同時，過度的機械處理和由此衍生的熱效應會破壞肌原纖維蛋白結構，導致蛋白質結構破壞和變性。基于線性模型冗余分析分別對斬拌處理條件（粒徑變化）、熱效應（溫度變化）與蛋白質結構特性指標進行相關性分析，確定魚糜斬拌過程中導致肌原纖維蛋白氧化變性的關鍵因子，結果如圖9 所示。斬拌時間與粒徑分布之間的正相關性最強，同時與表面疏水性、總巰基含量、溶解度等指標也呈正相關，但正相關程度依次減弱，與溶解度呈負相關。同時，溫度與疏水性、總巰基含量之間的正相關性均弱于斬拌時間與蛋白質結構特性間的相關性。由此可知，斬拌過程主要通過機械作用影響蛋白粒徑分布、表面疏水性以及總巰基含量，而非斬拌過程中產生的局部熱效應所誘導的肌原纖維蛋白變性。

圖9 斬拌過程中溫度變化、微粒特性與蛋白質變性相關性分析Fig.9 Correlation analysis of temperature change，particle properties and protein oxidation denaturation during chopping treatments

3 討論

本研究結果表明，相同斬拌時間添加不同量食鹽的魚糜體系溫度略有不同，推測與NaCl 溶解吸收體系熱量有關［21］。斬拌初期，總巰基含量有所上升，隨著斬拌程度加深（120～180 s），總巰基含量保持平穩或有所降低，與馬瑤蘭等［6］的研究結果基本一致。在斬拌初期，機械力的剪切作用使得起初包裹在蛋白質內部的巰基逐漸暴露出來，且暴露速率大于巰基氧化速率［22］，二者共同作用使得總巰基含量呈上升趨勢。然而隨著斬拌程度的增強，斬拌過程產生的熱效應及促氧化因子的介入使得總巰基含量有所下降。在斬拌初期（10～60 s），相同斬拌時間下，較高食鹽添加量組具有較高的總巰基含量。這可能是由于隨著NaCl 添加量的增加，肌原纖維蛋白更易溶出，使得更多巰基基團暴露。同時Ca2+-ATP 酶活性也與肌球蛋白頭部的巰基密切相關［23］。隨著斬拌時間延長，斬拌過程中的機械效應及熱效應可能導致肌球蛋白球狀頭部的構象變化，導致該區域Ca2+-ATP酶活性降低［24］。

本研究發現，隨著斬拌時間延長，表面疏水性逐漸增大。這可能是由于斬拌過程中的剪切作用破壞了魚糜肌動球蛋白的空間結構，分子內部的疏水性氨基酸殘基逐漸暴露于蛋白質表面，從而導致肌原纖維蛋白表面疏水性增加［25］。在疏水相互作用下，肌原纖維蛋白分子發生聚集，導致粒徑增大。但隨著斬拌時間進一步增加，斬拌過程所產生的機械作用會使蛋白質聚集體解聚，從而使粒徑降低［23］。

本研究發現，斬拌過程中魚糜肌原纖維蛋白溶解度呈現先上升后下降趨勢。這可能是由于斬拌初期的機械作用破壞肌纖維組織，有利于肌原纖維蛋白溶解［26］。而斬拌后期（120～180 s），蛋白質發生變性，造成溶解度持續下降；同時，隨著斬拌時間的延長，魚糜凝膠強度顯著提高。這可能與斬拌過程引起的肌原纖維蛋白理化性質和結構變化有關。在斬拌過程中，蛋白質結構伸展，肌原纖維蛋白內部的官能團暴露［27］，在氫鍵及疏水相互作用下形成了更緊密均一的三維凝膠網絡，使得凝膠強度增大［28］。

綜上分析，隨著斬拌時間的延長，肌原纖維蛋白溶解度、總巰基含量和粒徑總體呈先上升后下降趨勢，Ca2+-ATP酶活性逐漸降低，表面疏水性增強，魚糜凝膠強度在斬拌后期顯著增加。線性模型冗余分析結果表明，魚糜斬拌過程主要是通過機械作用導致肌原纖維蛋白的氧化變性，而非斬拌過程中產生的局部熱效應。

4 結論

本試驗探究了添加不同濃度NaCl 的魚糜在斬拌過程中肌原纖維蛋白的結構變化規律，并基于線性模型冗余分析了斬拌過程中的機械效應（粒徑變化）及熱效應（溫度變化）與蛋白質氧化變性指標的相關性，從而確定魚糜斬拌過程中導致肌原纖維蛋白氧化變性的關鍵影響因子。結果表明，魚糜斬拌過程中的機械力效應是導致肌原纖維蛋白氧化變性的主要因子，斬拌過程中產生的局部熱效應對魚糜肌原纖維蛋白的氧化作用影響有限。因此，在后續研究中，在斬拌過程除采取物理控溫外，可通過優化魚糜斬拌條件來減小斬拌機械力對魚糜肌原纖維蛋白的負面影響，從而進一步提高魚糜制品加工品質。