天然抗氧化劑對水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)與功能特性的影響研究進(jìn)展

耿文豪,李萌,2,3,馬永生,2,3,范馨茹,2,3*,趙前程,2,3

1(大連海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連,116023)

2(大連市特色海洋功效成分開發(fā)與高值化利用重點實驗室,遼寧 大連,116023)

3(遼寧省海洋健康食品工程研究中心,遼寧 大連,116023)

肌原纖維蛋白(myofibrillar protein,MP)是水產(chǎn)動物源性食品的重要肌肉組分[1],由粗絲(肌球蛋白)和細(xì)絲(肌動蛋白)構(gòu)成[2-3]。MP具有良好的凝膠性、乳化性和成膜性,但易受到pH值、離子強(qiáng)度、溫度、氧化作用和添加劑等因素的影響[4]。目前,已證實MP在加工和貯運過程中易受到氧化損傷,導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化(如斷裂、交聯(lián)、聚集、總巰基的損失和碳基化合物的形成等),MP的狀態(tài)會影響終產(chǎn)品的凝膠性能、感官特性及得率等。因此,如何有效地減少水產(chǎn)品加工及貯運過程中MP的氧化至關(guān)重要[5]。

現(xiàn)階段,蛋白質(zhì)氧化調(diào)控多以添加抗氧化劑的方式實現(xiàn),但一些研究表明合成抗氧化劑具有潛在的安全問題。因此,天然抗氧化劑及新型改性抗氧化劑的深度開發(fā)利用已成為研究熱點[6]。目前,天然抗氧化劑的相關(guān)研究主要集中在植物多酚、多糖等方面(圖1)。植物多酚結(jié)構(gòu)中的鄰位酚羥基極易被氧化成醌類結(jié)構(gòu),通過自身氧化、清除自由基實現(xiàn)抗氧化能力[7-8],與MP通過共價及非共價的作用結(jié)合,從而改變MP結(jié)構(gòu)及功能[2]。此外,多糖[9]、蛋白質(zhì)[10]等化合物也被充當(dāng)抗氧化劑添加到MP中,對其結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行改性。然而,目前鮮見不同抗氧化劑對水產(chǎn)MP結(jié)構(gòu)與功能特性影響的系統(tǒng)性報道。因此,本文綜述介紹了多酚、多糖、蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)對水產(chǎn)MP結(jié)構(gòu)與功能特性的影響,旨在為水產(chǎn)蛋白結(jié)構(gòu)和功能研究提供理論支撐,為進(jìn)一步開發(fā)利用新型抗氧化劑提供指導(dǎo)方向。

圖1 抗氧化劑對水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)與功能特性影響

1 多酚對肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響

植物多酚是天然植物原料中提取的有效成分,其來源廣泛,結(jié)構(gòu)中大部分帶有苯環(huán)并結(jié)合多個羥基,具有較強(qiáng)的抗氧化性,已被應(yīng)用到食品及醫(yī)藥行業(yè)中,近年來已作為優(yōu)質(zhì)天然抗氧化劑應(yīng)用到肉制品加工中[8]。多酚與蛋白質(zhì)的相互作用取決于他們的結(jié)構(gòu)與類型,主要通過非共價及和共價相互作用實現(xiàn),對MP結(jié)構(gòu)與功能特性產(chǎn)生顯著影響[11-12]。如表1所示,不同多酚對于水產(chǎn)MP結(jié)構(gòu)與功能特性存在不同的影響。研究發(fā)現(xiàn)MP中添加不同種類多酚化合物后,多酚的活性鄰酚結(jié)構(gòu)易與蛋白質(zhì)之間形成共價結(jié)合,導(dǎo)致MP的巰基含量均呈現(xiàn)不同程度下降[13-14];生姜提取物可以延緩MP表面疏水性增加,對MP結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用,進(jìn)而影響蛋白質(zhì)氧化程度[15];表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)可以通過非共價作用(氫鍵和疏水相互作用等)與鰱魚MP產(chǎn)生緊密結(jié)合,導(dǎo)致α-螺旋含量減少,而β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲含量增加,使MP結(jié)構(gòu)更為松散,有利于提高凝膠特性[16];多酚也可以使蛋白質(zhì)周圍的整體氧化環(huán)境發(fā)生變化,通過破壞肽鍵,改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),使色氨酸殘基暴露,導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度降低,發(fā)揮其抗氧化活性[17]。除此之外,多酚在MP形成凝膠結(jié)構(gòu)、水合能力及乳化性能方面也起著重要作用[18]。蛋白質(zhì)-多酚復(fù)合物和結(jié)合物也越來越受到關(guān)注。蛋白質(zhì)-多酚復(fù)合物和結(jié)合物比單一蛋白質(zhì)具有更強(qiáng)的抗氧化潛能,但取決于蛋白質(zhì)/多酚比例以及多酚的類型[19]。目前,對于多酚-MP相互作用的研究已較為深入,但仍存在不足,如多酚與MP之間會產(chǎn)生影響,但由于多酚種類、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同等差異,會產(chǎn)生不同影響;此外,多酚對MP結(jié)構(gòu)變化、乳化性和凝膠特性的影響仍需進(jìn)一步探索。

表1 多酚類物質(zhì)對水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響Table 1 Effects of plant polyphenol on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

2 多糖對肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響

多糖是一種天然的高分子聚合物,由各種單糖通過不同形式連接,廣泛存在于植物、動物和微生物中[24]。多糖根據(jù)電荷特性不同可分為陽離子多糖、陰離子多糖和中性多糖,具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能,如提高乳液的黏彈性、改變食品感官特性和抑制消化作用等[25-26]。此外,多糖具有很強(qiáng)的生物學(xué)功能,如抗癌、糖尿病活性[27]、降血脂活性[28]、調(diào)節(jié)作用[29]等。雖然多糖具有較多的功能特性,但其產(chǎn)率低、水中溶解度低、黏度差,同時空間結(jié)構(gòu)受制,因此限制了多糖的應(yīng)用[30]。近年來,多糖類化合物同樣被應(yīng)用于修飾水產(chǎn)MP以保護(hù)其結(jié)構(gòu)與功能特性。多糖可以通過清除自由基、抑制脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生、增強(qiáng)抗氧化酶活性等多種相互協(xié)調(diào)機(jī)制發(fā)揮抗氧化作用[6]。此外,多糖已被證實可以直接與蛋白質(zhì)極性殘基相互作用以防止蛋白質(zhì)變性,或者通過形成多糖-肌原纖維復(fù)合物束縛水分子以改善蛋白質(zhì)凝膠特性[25]。

如表2所示,不同多糖對于水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)與功能特性存在不同的影響。研究表明中性及陰性多糖與蛋白質(zhì)結(jié)合的穩(wěn)定效果優(yōu)于陽性多糖[25]。魔芋膠是一種中性多糖,適量添加后可以提高M(jìn)P的表面疏水性、濁度與粒徑,同時改善MP凝膠特性[31-32]。卡拉膠是一種陰離子多糖,在一定條件下與MP發(fā)生靜電相互作用,同時也存在一定的靜電排斥和空間位阻作用[25]。在草魚MP和泥鰍MP中添加一定量卡拉膠會導(dǎo)致其凝膠強(qiáng)度下降[33-34],這與前期研究結(jié)果不符,可能是過量添加后會與蛋白質(zhì)發(fā)生過度交聯(lián),阻礙蛋白質(zhì)間的交聯(lián),導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度降低[35]。研究表明經(jīng)酸解古羅糖醛酸寡糖修飾后,MP極性環(huán)境發(fā)生改變,酪氨酸暴露,蛋白結(jié)構(gòu)更聚集,從而對MP的二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響[9]。此外,金針菇多糖已被證實可以降低MP巰基、內(nèi)源熒光強(qiáng)度及Ca2+-ATP酶活性,同時抑制MP二級結(jié)構(gòu)變化,使其結(jié)構(gòu)更加有序,蛋白質(zhì)變性有所緩解[36]。羥丙基二淀粉磷酸酯(hydroxypropyl distarch phosphate,HPDSP)是一種復(fù)合變性淀粉,乙酰化雙淀粉己二酸酯(acetylated distarch adipate,ADA)是一種改性淀粉,因二者穩(wěn)定的凝膠特性和降低食品工業(yè)中淀粉的降解而受到廣泛關(guān)注[37]。HPDSP和ADA可以改變南美對蝦MP的分子間作用力及二級結(jié)構(gòu),但過量添加均會與MP之間形成競爭,導(dǎo)致其凝膠強(qiáng)度降低[38-39],改性淀粉對于MP的微觀結(jié)構(gòu)、凝膠特性都有很大的影響且優(yōu)于天然淀粉的作用[40]。

表2 多糖類物質(zhì)對水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響Table 2 Effects of polysaccharide on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

目前,蛋白質(zhì)與多糖之間的相互作用在食品領(lǐng)域已被廣泛關(guān)注,但研究不夠深入,影響蛋白質(zhì)-多糖之間交聯(lián)的因素眾多,如pH值、離子種類、強(qiáng)度以及蛋白質(zhì)與多糖配比等[41];由于不同種類的多糖在其結(jié)構(gòu)、電荷等各個方面性質(zhì)存在差異,所以,需針對不同種類多糖進(jìn)行獨立研究。多糖和MP交聯(lián)體系較為復(fù)雜,后續(xù)相關(guān)研究還需要考慮多種因素協(xié)同作用對MP結(jié)構(gòu)與功能特性的影響。

3 蛋白質(zhì)對肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響

蛋白質(zhì)是人類飲食中貢獻(xiàn)最重要的營養(yǎng)成分之一。由于傳統(tǒng)來源蛋白質(zhì)的需求不斷增加和供應(yīng)不穩(wěn)定,各種非傳統(tǒng)來源的蛋白質(zhì)功能及潛在應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。例如,研究發(fā)現(xiàn)植物蛋白具有一定活性且相較于動物蛋白具有更多健康益處[43]。蛋白質(zhì)由不同氨基酸組成,其空間結(jié)構(gòu)通過一級、二級、三級、四級結(jié)構(gòu)以及疏水作用等多種相互作用形成[44]。蛋白質(zhì)的功能特性較多,其中凝膠性、溶解性、起泡性等在食品行業(yè)中應(yīng)用度較高。近年來,蛋白質(zhì)除了作為營養(yǎng)物質(zhì),還有許多其他用途,如抗凍劑[45]、抗高膽固醇血癥活性[46]、穩(wěn)定乳化液體系[47]等,廣泛應(yīng)用于食品及醫(yī)藥行業(yè)等。

如表3所示,不同蛋白質(zhì)對于水產(chǎn)MP結(jié)構(gòu)與功能特性的影響存在差異。在鰱魚MP中添加一定濃度大豆分離蛋白會降低其內(nèi)源熒光強(qiáng)度并在一定程度上改善其功能特性[48];一定濃度的蝦夷扇貝裙邊多肽可以降低鰱魚MP巰基和羰基含量并改變其二級結(jié)構(gòu),對其結(jié)構(gòu)具有一定保護(hù)作用[10];白鰱魚鱗抗凍多肽可以降低凍融過程中MP的聚集程度、改善氨基酸微環(huán)境及二級結(jié)構(gòu)變化,對MP的凍融穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)保護(hù)作用均優(yōu)于商業(yè)抗凍劑[49];魚鱗明膠是膠原部分變性的產(chǎn)物,在黑魚MP中添加魚鱗明膠后會降低巰基、Ca2+-ATP酶活性,延緩表面疏水性和羰基的增長,使MP溶解度降低,減少MP結(jié)構(gòu)的變化并抑制凍融過程中流變特性和凝膠特性的劣化,但作用效果仍不及商業(yè)抗凍劑,因此,未來還需要對明膠的冷凍保護(hù)作用進(jìn)一步改善[50];牛骨水解物在一定程度上會抑制表面疏水性升高,使MP結(jié)構(gòu)更加致密,但巰基含量會隨著添加濃度的升高而降低,可能是因為高濃度抗氧化劑影響了MP空間結(jié)構(gòu),使分子內(nèi)部的巰基暴露,形成二硫鍵,導(dǎo)致總巰基含量下降[51]。此外,堿性蛋白酶應(yīng)用到鰱魚MP中也產(chǎn)生了同樣的效果[52]。

表3 蛋白質(zhì)類物質(zhì)對水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響Table 3 Effects of protein on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

蛋白質(zhì)是生產(chǎn)蛋白凝膠制品過程中常用的外源添加物,可以增強(qiáng)魚糜制品的凝膠特性,降低生產(chǎn)成本,有研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用可以提高蛋白質(zhì)的功能特性,可能是解決特定蛋白質(zhì)缺陷的關(guān)鍵途徑。近年來,部分蛋白質(zhì)水解物及多肽等被當(dāng)做抗氧化劑加入MP中以維持其結(jié)構(gòu)與功能特性,但與其他類抗氧化劑相比,蛋白質(zhì)類抗氧化劑對MP結(jié)構(gòu)與功能的影響的報道仍然較少。利用副產(chǎn)物開發(fā)新型蛋白質(zhì)水解物或多肽類抗氧化劑也仍待研究。

4 其他物質(zhì)對肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響

抗氧化劑根據(jù)其來源不同,可分為天然抗氧化劑和化學(xué)合成抗氧化劑,但目前化學(xué)合成抗氧化劑仍因其安全性問題備受質(zhì)疑[53]。脂質(zhì)、乳液及無機(jī)鹽等天然產(chǎn)物均被發(fā)現(xiàn)具有抗氧化性。如,脂質(zhì)可以通過與蛋白質(zhì)中的疏水反應(yīng)位點競爭,改變局部蛋白質(zhì)環(huán)境,從而影響MP的凝膠強(qiáng)度,導(dǎo)致更多的疏水基團(tuán)暴露,進(jìn)而改變相關(guān)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)[54],而脂質(zhì)氧化產(chǎn)物與蛋白質(zhì)分子之間通過鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)或親核氨基酸殘基發(fā)生相互作用[55]。無機(jī)鹽可以與MP中不同位點結(jié)合,對其產(chǎn)生保護(hù)作用[56]。

如表4所示,其他物質(zhì)對于水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)與功能特性存在不同的影響。魚油的添加促進(jìn)了蛋白之間的交聯(lián)。可與凝膠基質(zhì)中的蛋白質(zhì)發(fā)生連接,從而提高了魷魚MP凝膠強(qiáng)度并使其微觀結(jié)構(gòu)更加牢固[57]。適量濃度的氧化亞油酸可以改變MP巰基含量、蛋白質(zhì)構(gòu)象并促進(jìn)蛋白質(zhì)間的相互作用和聚集,從而形成更強(qiáng)的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)[58]。適量濃度的藜麥蛋白皮克林乳液可以改變二硫鍵空間構(gòu)象,促使α-螺旋向β-折疊轉(zhuǎn)化以保持其結(jié)構(gòu)并改善其非共價相互作用[59]。此外,在凍融過程中藜麥蛋白皮克林乳液被證實可以降低MP羰基含量、穩(wěn)定酪氨酸和色氨酸的微環(huán)境并降低凝膠冰點以起到抗凍保護(hù)作用[60]。無機(jī)鹽的添加同樣會對MP產(chǎn)生一定影響,如不同濃度氯化鈉會對大黃魚MP表面疏水性、巰基含量以及二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響[61];低濃度亞硝酸鈉可以延緩MP羰基和表面疏水性的升高,但高濃度亞硝酸鈉會改變蛋白構(gòu)象,同時產(chǎn)生蛋白聚集體,導(dǎo)致其溶解度降低[56]。此外,一些復(fù)合抗氧化劑的使用也受到關(guān)注,蘋果多酚改性蛋清添加后,鲅魚MP二級結(jié)構(gòu)和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,持水性及凝膠特性(彈性和回復(fù)性)具有不同程度提升[62];而檸檬馬鞭草精油結(jié)合亞麻籽膠可以延緩冰藏期間大菱鲆MP總巰基含量及內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降速率,抑制α-螺旋相對含量減少,維持MP的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[63]。

表4 其他類物質(zhì)對水產(chǎn)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及功能特性的影響Table 4 Effects of other substances on the structure and functional properties of aquatic myofibrillar protein

綜上所述,脂質(zhì)、乳液及無機(jī)鹽等均可對水產(chǎn)MP起到保護(hù)作用。但脂質(zhì)氧化系統(tǒng)十分復(fù)雜,脂質(zhì)和蛋白質(zhì)氧化可能通過復(fù)雜的機(jī)制共同影響MP凝膠特性,因此,脂質(zhì)氧化系統(tǒng)對MP凝膠特性的影響機(jī)制還有待研究[64]。此外,無機(jī)鹽雖然可以改善MP某些性質(zhì),但高濃度無機(jī)鹽會導(dǎo)致食品質(zhì)構(gòu)特性、顏色及感官指標(biāo)下降[65]。因此,仍需繼續(xù)探究不同種類物質(zhì)與MP之間的互作關(guān)系。

5 展望

目前,抗氧化劑在國內(nèi)外食品加工生產(chǎn)中已不可或缺,抗氧化劑在延緩食品氧化變質(zhì)和延長食品保質(zhì)期等方面均有著顯著的效果。不同抗氧化劑會使水產(chǎn)MP的結(jié)構(gòu)與功能特性發(fā)生變化,如延緩或降低羰基和表面疏水性的升高,維持蛋白質(zhì)構(gòu)象;減少因蛋白質(zhì)分子變化而引起的不可逆聚集反應(yīng)。此外,pH、抗氧化劑濃度及電荷強(qiáng)度等因素均會影響抗氧化劑對MP的作用效果。

由于天然抗氧化劑具有減緩氧化反應(yīng)速率、修飾蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等功能,目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于保護(hù)水產(chǎn)肌原纖維蛋白的結(jié)構(gòu)與功能特性。但隨著研究不斷地深入開展,新型天然抗氧化劑資源受限,開發(fā)工作遇到瓶頸,利用物理化學(xué)方法改性及聯(lián)合使用多種氧化劑協(xié)同效應(yīng)將是未來工作的重點。此外,利用抗氧化劑改善MP的結(jié)構(gòu)及功能特性相關(guān)研究主要集中在蛋白質(zhì)化學(xué)鍵等初級結(jié)構(gòu)及二級結(jié)構(gòu)方面,對于MP空間結(jié)構(gòu)的影響報道較少;一些抗氧化劑為脂溶性化合物,可以開發(fā)相關(guān)乳液制劑,實現(xiàn)抗氧化劑的包埋遞送,增加抗氧化劑的應(yīng)用效率,以提升MP穩(wěn)定性,實現(xiàn)水產(chǎn)品凝膠制品改性,促進(jìn)我國水產(chǎn)品市場的良性發(fā)展。