酸堿處理對魚肉蛋白凝膠特性影響的研究進展

邵俊杰++張美琴++吳光紅++黃鴻兵

摘 要：我國魚肉產量巨大，消費量也持續(xù)快速增長，但目前國內魚肉精深加工技術落后，資源浪費嚴重。與傳統(tǒng)加工處理相比，酸堿處理作為一種新型的肌肉蛋白提取和加工技術，不僅能提高蛋白回收率，還能改變蛋白構象，改善蛋白加工特性，提高產品附加值。本文概述酸堿處理對熱誘導的魚肉蛋白凝膠的強度、顏色和保水性等加工特性的影響，探討了經過酸堿處理后肌球蛋白構象的變化，展望了酸堿處理在魚肉精深加工領域的應用前景，為魚肉制品品質改善和新產品研發(fā)提供科學依據(jù)。

關鍵詞：酸堿處理；凝膠強度；顏色；保水性；蛋白構象

Recent Progress in Understanding the Effects of Isoelectric Solubilization Precipitation （ISP） on

Gel Properties of Fish Proteins

SHAO Junjie1， ZHANG Meiqin1，*， WU Guanghong1， HUANG Hongbing1， XU Xinglian2

（1.Freshwater Fisheries Research Institute of Jiangsu Province， Nanjing 210017， China；

2.College of Food Science and Technology， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract： The fish production is huge and fish consumption continues to grow rapidly in China. However， backward deep processing technologies result in a serious waste of fish resources. Compared to the conventional process， isoelectric solubilization/precipitation （ISP） as a new approach for the extraction and processing of muscle proteins， could increase protein recovery and change protein conformations to improve processing characteristics and to develop high value-added products. The effects of ISP on the gel strength， color and water-holding capability of heat-induced gels made from fish proteins are summarized in this article. Then the conformational changes of myosin treated by ISP are discussed. Finally， we conclude with some discussions on the future prospects of ISP for applications in fish deep processing. This review will hopefully provide guidance on improving the quality of fish products and developing new products.

Key words： isoelectric solubilization precipitation （ISP）； gel strength； color； water-holding capability； protein conformation

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201703011

中圖分類號：TS201.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2017）03-0056-06

引文格式：

邵俊杰， 張美琴， 吳光紅， 等. 酸堿處理對魚肉蛋白凝膠特性影響的研究進展[J]. 肉類研究， 2017， 31（3）： 56-61. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201703011. http：//www.rlyj.pub

SHAO Junjie， ZHANG Meiqin， WU Guanghong， et al. Recent progress in understanding the effects of isoelectric solubilization precipitation （ISP） on gel properties of fish proteins[J]. Meat Research， 2017， 31（3）： 56-61. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201703011. http：//www.rlyj.pub

我國魚肉資源豐富，產量逐年提高，但魚肉加工率低，仍以鮮食為主，價值低廉。同時，魚骨架復雜，腥味較重，使用傳統(tǒng)加工方法（機械分離、水洗等）很難將肌肉與骨骼、色素等完全分離，易造成蛋白質利用率低和功能特性變差[1]。因此，如何改善魚肉蛋白的功能特性，提高其經濟價值和利用率，是水產品加工行業(yè)亟待解決的問題。相對于傳統(tǒng)加工技術，酸堿處理能夠顯著提高蛋白質得率，改善蛋白加工特性，提高產品附加值[2-3]。

凝膠特性是評價魚糜制品質量的關鍵因素，直接決定了魚糜制品的出品率、黏結性、保水性和組織特性等，能顯著影響產品的商業(yè)價值[4]。目前，國內外的研究重點主要集中在利用酸堿處理分離肌肉蛋白，而關于酸堿處理對魚肉蛋白凝膠特性影響的研究較少。因此，本研究著重介紹酸堿處理對魚肉蛋白凝膠特性的影響，并對酸堿處理在魚肉加工領域的應用前景作了展望，為提高魚肉的精深加工水平提供理論支持。

1 魚肉蛋白凝膠特性

形成凝膠的能力是肌肉蛋白在加工過程中最重要的物理化學特性之一[5-6]。魚糜凝膠化的方法主要包括熱誘導凝膠化、壓力誘導凝膠化和超聲波輔助凝膠化，而加熱是魚糜加工最常見和最重要的加工方式，對魚糜凝膠特性有重要影響。熱誘導的蛋白質凝膠形成需要2 步，一是蛋白質受熱發(fā)生變性、展開；二是蛋白質展開后，疏水基團暴露出來，蛋白分子間相互作用增加，蛋白發(fā)生交聯(lián)，形成集聚體，當集聚體達到一定程度后，形成穩(wěn)定、連續(xù)的網(wǎng)絡結構，該網(wǎng)絡結構能夠保持大量的水分。在加熱條件下，蛋白分子間的相互作用不僅得到加強，而且內部的巰基也暴露出來，促使二硫鍵形成和交換，增強了網(wǎng)絡結構穩(wěn)定性。肌肉蛋白凝膠的微細結構與碎肉制品的切片性、質構、保水性和外觀等緊密相關[7]。魚糜制品凝膠特性除了與魚的種類、肌肉類型[8]有關之外，還與加工條件（溫度[9]、pH值[10]、

離子強度[11]等）、添加劑（淀粉[12]、殼聚糖[13]、轉谷氨酰胺酶[14]等）以及貯藏條件[15]密切相關。

2 酸堿處理方法

漂洗是最常見的魚糜加工方法，目前較常用的漂洗工藝是清水漂洗2 次后鹽水漂洗1 次或者清水漂洗1次后鹽水漂洗2 次。漂洗能夠除去魚肉中不良風味物質、色素等[16]，但易造成蛋白功能特性降低和水溶性蛋白流失，同時需消耗大量的水，造成生產成本增加[1]。酸堿處理是一種簡單高效的蛋白提取方法，根據(jù)肌肉蛋白在不同pH值條件下的溶解度不同，先將肌肉蛋白在極端pH值條件（小于3.5或大于10.5）下溶解，除去不溶雜質（皮、骨和鱗等），再將溶解液的pH值調至蛋白質等電點，蛋白質分子發(fā)生聚集，然后通過離心回收蛋白沉淀，最后將蛋白質的pH值調至中性。根據(jù)不同的pH值溶解條件，將酸堿處理分為酸處理和堿處理[17]。

與傳統(tǒng)漂洗處理相比，酸堿處理具有以下幾個優(yōu)勢：首先，酸堿處理不需機械剔骨分離出肉糜，而是通過離心或重力作用除去固體雜質，操作簡單。其次，酸堿處理能顯著提高蛋白回收率[2]。在傳統(tǒng)漂洗過程中，魚糜需要經過2～3 次水洗，導致大部分肌漿蛋白損失，而在酸堿處理過程中，大量肌漿蛋白在等電點pH值條件下沉淀回收。第三，酸堿處理能除去魚糜中大部分膜脂、中性脂類等，同時能顯著降低魚腥味[18-19]。最后，酸堿處理后的廢水中固體顆粒、氮含量和化學需氧量更低，對環(huán)境污染小[20-21]。

3 酸堿處理對魚肉蛋白凝膠特性的影響

3.1 酸堿處理對魚肉蛋白凝膠強度的影響

凝膠強度是衡量肉制品品質的重要指標之一，直接影響了肉制品的質構特性和感官接受度。在酸堿處理過程中，蛋白在極端pH值條件下溶解，肌原纖維結構被破壞，蛋白質發(fā)生變性，導致其凝膠的質構特性發(fā)生明顯變化[3]。堿處理鯰魚蛋白的凝膠硬度顯著高于傳統(tǒng)水洗組，但彈性更低[22-23]。這說明經過堿處理，蛋白發(fā)生變性，加熱后聚集，蛋白分子間交聯(lián)增多，形成高強度凝膠，但是蛋白分子與水分子間的相互作用減弱，蛋白形變能力下降，彈性降低[23]。Undeland等[24]認為由于堿處理蛋白保留更多的肌球蛋白重鏈（myosin heavy chains，MHC），而酸處理使部分MHC發(fā)生水解，因此與酸處理相比，堿處理提取的青魚蛋白的凝膠強度更高。此外，與堿處理和傳統(tǒng)水洗處理相比，酸處理引起的巰基氧化程度更高，導致酸處理蛋白中巰基含量最少，所以在凝膠形成過程中酸處理蛋白形成二硫鍵的能力減弱，同樣導致凝膠強度下降。其他研究也發(fā)現(xiàn)，堿處理魚肉蛋白的凝膠強度與傳統(tǒng)水洗組更加接近，并且都顯著高于酸處理組[25-28]。

與不添加NaCl的堿處理鯰魚蛋白凝膠相比，添加2% NaCl的堿處理組的凝膠硬度更低，但彈性更高。這可能是由于鈉離子和氯離子結合堿處理蛋白分子表面的相反電荷，形成雙分子層，增加蛋白分子與水分子的親和性，水分子結合增多，導致硬度降低，彈性增加[22-23]。然而，隨著NaCl含量增加，酸處理或堿處理阿拉斯加鱈魚蛋白凝膠的硬度和彈性均下降[29]；Choi等[30]發(fā)現(xiàn)加鹽后堿處理竹夾魚和黃花魚蛋白凝膠的硬度降低，但彈性保持不變。因此，NaCl對酸堿處理蛋白凝膠的影響與魚的品種、肌球蛋白異構體等因素有關[23，30]。與傳統(tǒng)加工處理相比，酸堿處理改變了肌肉蛋白的功能特性[27]，直接導致了在凝膠網(wǎng)絡形成過程中NaCl含量對凝膠質構特性的影響發(fā)生改變。

3.2 酸堿處理對魚肉蛋白凝膠顏色的影響

利用酸堿處理和傳統(tǒng)水洗處理對斑點叉尾鮰、黃花魚、巖魚、胭脂魚和西班牙馬鮫魚等5 種魚肉蛋白凝膠的顏色進行了測定，發(fā)現(xiàn)在相同處理條件下魚的種類對凝膠顏色存在一定的影響。斑點叉尾鮰和黃花魚蛋白凝膠的L*（亮度值）由高到低依次是堿處理組、傳統(tǒng)水洗組和酸處理組；巖魚、胭脂魚和西班牙馬鮫魚蛋白凝膠的L*由高到低是傳統(tǒng)處理組、堿處理組和酸處理組[3，22]。與酸堿處理相比，傳統(tǒng)水洗（3 次）處理能夠除去更多的肌紅蛋白；在堿處理過程中，肌肉蛋白經過在等電點pH值條件下沉淀和第2次離心后，其中大量的血紅素蛋白溶解在上清液中被除去；然而，在酸處理過程中，血紅素蛋白在等電點pH值條件下被沉淀回收[31]。因此，鯡魚蛋白凝膠的白度值由高到低依次是傳統(tǒng)水洗處理組、堿處理組和酸處理組[22]。

水洗脫能夠除去魚糜中的大部分脂肪和血紅蛋白[3]。

與正常酸處理相比，酸處理之前先將青魚肉糜用3 倍體積的水洗脫，然后進行酸處理，最終得到青魚蛋白的

黃度值（b*）顯著降低，但紅度值（a*）與正常酸處理組相比沒有明顯變化[32]。故推測在正常酸處理過程中，血紅蛋白分子被完全氧化，導致a*與酸處理前水洗組沒有明顯差異，通過檢測也發(fā)現(xiàn)有大量的高鐵血紅蛋白和高鐵肌紅蛋白形成。由于在酸處理過程中未添加抗氧化劑，最終酸處理蛋白都略呈淺灰色[33]。

通常沙丁魚糜和馬鮫魚糜通過水洗脫或鹽水（0.5% NaCl）洗脫制備。在堿處理之前將魚糜進行水洗，結果發(fā)現(xiàn)，沙丁魚蛋白凝膠的白度值由高到低依次是堿處理前水洗組、正常堿處理組、傳統(tǒng)水洗處理組和傳統(tǒng)鹽水處理組，馬鮫魚蛋白凝膠的白度值由高到低依次是傳統(tǒng)水洗處理組、堿處理前水洗處理組、傳統(tǒng)鹽水處理組和正常堿處理組。沙丁魚和馬鮫魚的傳統(tǒng)鹽水處理組和馬鮫魚正常堿處理組的白度值較低可能是因為在處理過程中肌紅蛋白發(fā)生部分氧化[34]。

3.3 酸堿處理對魚肉蛋白凝膠保水性的影響

保水性是蛋白凝膠最重要的功能性質之一，能顯著影響最終產品的成本和風味。在傳統(tǒng)肉制品加工過程中，肌原纖維在NaCl的作用下被解離成為小片段，粗絲和細絲結構被破壞，肌原纖維蛋白溶出，并且其表面結合大量氯離子，導致蛋白分子間的靜電斥力增加，肌原纖維發(fā)生溶脹，促使更多的水分子與蛋白分子（主要是肌球蛋白分子）相互作用。溶解的肌原纖維蛋白在肉糜表面受熱發(fā)生交聯(lián)，形成蛋白矩陣網(wǎng)絡，以此來束縛水分子的移

動[35-36]。因此，熱誘導的蛋白凝膠通過形成三維網(wǎng)絡、增加蛋白分子與水分子間的相互作用達到保水目的。

在酸堿處理過程中，蛋白發(fā)生部分變性。為使魚肉蛋白具有更好的功能特性，需將酸堿處理蛋白最終的pH值調至中性，中性pH值（遠離等電點）能夠增強蛋白分子間的靜電斥力，促進蛋白分子與水分子之間的結合。因此，在不添加NaCl的條件下，酸堿處理蛋白就具有較低的離心損失[37-38]。隨著NaCl添加量的增加，酸堿處理魚肉蛋白凝膠的保水性反而出現(xiàn)明顯的下降。Kim等[29]指出在傳統(tǒng)加工過程中，NaCl促進肌原纖維蛋白溶解，發(fā)生鹽溶效應，但酸堿處理魚肉蛋白在低鹽條件（1%～2% NaCl）下就可能發(fā)生鹽析效應，肌原纖維蛋白不溶解，導致保水性下降。de Witt等[39]也發(fā)現(xiàn)在添加2% NaCl條件下，酸堿處理鯰魚蛋白凝膠的保水能力低于傳統(tǒng)水洗處理組。然而，在無NaCl存在時，其保水能力顯著高于傳統(tǒng)水洗處理組（添加2% NaCl）[38]。酸堿處理蛋白的凝膠特性與天然蛋白存在較大差異，導致NaCl在酸堿處理蛋白熱誘導凝膠形成過程中發(fā)揮的保水作用顯著減弱，上述研究結果也證明，酸堿處理蛋白凝膠在無NaCl或低NaCl含量條件下具有更高的保水能力。目前我國居民每天鈉攝入量過高，這容易引發(fā)高血壓等心腦血管疾病，因此酸堿處理為研發(fā)低鈉凝膠類肉制品提供了新思路[37]。

4 酸堿處理對肌球蛋白構象的影響

肌球蛋白是肌肉中最重要也是含量最高的蛋白質，約占肌肉總蛋白質的1/3，占肌原纖維蛋白的50%～60%，它由2 條分子質量為220 kD的MHC和4條輕鏈（18～25 kD）組成。每條MHC由球狀頭部結構和桿狀尾部結構構成，MHC對肌肉蛋白的功能特性（保水性、凝膠形成能力和乳化穩(wěn)定性等）具有顯著影響[40]。酸堿處理通過改變MHC的構象（圖1），使肌球蛋白的功能特性發(fā)生變化[41]。在酸性或堿性pH值條件下溶解時，肌球蛋白發(fā)生解折疊，三級結構被破壞，約70%的輕鏈丟失。在酸處理過程中，肌球蛋白桿狀尾部結構完全解離；當pH值調至中性后，尾部結構又重新結合，恢復成天然狀態(tài)，而球狀頭部結構發(fā)生重新折疊，大量疏水基團暴露在表面，最終呈“熔融態(tài)”球體。在堿處理過程中，MHC尾部結構也沒有發(fā)生變化，但其頭部結構發(fā)生明顯的錯誤折疊，最終形成一個不完整的、不規(guī)則的三級結構[42-43]。因此，傳統(tǒng)加工處理、酸處理和堿處理對肌球蛋白三級結構的影響不同，最終導致肌肉蛋白功能特性存在差異[44]。

傳統(tǒng)水洗處理不會影響肌肉蛋白的二級結構[45]，但酸堿處理引起肌肉蛋白中α-螺旋含量降低，β-折疊含量增加[29]。α-螺旋減少有利于降低肌肉蛋白的黏性；β-折疊增多能增強蛋白分子間的相互作用，減弱肌球蛋白分子間的流動性，提高彈性，促使酸堿處理蛋白在低溫或低鹽條件下就能形成凝膠[46-47]。此外拉曼光譜結果顯示，與傳統(tǒng)水洗處理相比，酸堿處理蛋白的氨基酸側鏈和肽鏈骨架暴露的更多，導致蛋白分子間交聯(lián)增多，同樣有利于凝膠形成[48]。

圖 1 酸堿處理過程中魚肉肌球蛋白三維結構變化[41]

Fig. 1 pH-induced changes in 3-dimensional structure of fish myosin during isoelectric solubilization precipitation [41]

5 酸堿處理在肉制品加工領域的應用

酸堿處理技術最初是用于魚下腳料蛋白質的回收利用，隨著研究深入，酸堿處理蛋白作為食品添加劑被應用在提高肉制品的品質上。酸堿處理蛋白可作為油炸食品的裹料、注射或滾揉的腌泡汁（提高肉制品的嫩度、保水性）、蛋白酶的作用底物以及具有抗氧化性、生物活性的功能食品添加劑。Proteus公司使用酸處理工藝生產出一種粉末狀水溶性肌肉蛋白，該蛋白粉末可以作為油炸制品的表層涂料，能有效限制在烹飪過程中脂肪的進入和水分的流失，結果表明，該酸處理蛋白粉末能夠降低50%的脂肪含量和提高13%的水分含量[3]。比較磷酸鹽注射液和酸處理魚肉蛋白注射液對肌肉嫩度的影響，結果表明，酸處理蛋白注射液能夠提高肌肉的嫩度，并且與磷酸鹽的作用效果差異不顯著[49]。將堿處理羅非魚蛋白用5 種酶酶解，酶解液加入到鱈魚肉糜中可以起到抗氧化作用[50]。此外，酸處理鱈魚蛋白可作為乳化劑，用于食品乳化體系[51]。

酸堿處理也可作為一種脫腥技術，在水產品去腥方面發(fā)揮重要作用。與傳統(tǒng)水洗脫腥相比，酸堿處理能夠更有效除去鯽魚脂肪中的土臭素和2-甲基異冰片，達到脫腥目的[52]。付湘晉等[53]研究發(fā)現(xiàn)堿處理能夠顯著降低鰱魚腥味，并且堿處理蛋白加酵母脫腥可以得到完全無腥味的魚肉蛋白。張乾元[54]發(fā)現(xiàn)堿處理提取的厚殼貽貝蛋白呈褐色，異味較重，而酸處理組沒有異味，并且腥味顯著降低。這可能是由于在酸性條件下，產生腥味和異味的物質發(fā)生水解，從而降低了厚殼貽貝的腥味和異味。總之，酸堿處理技術已經被應用于肉制品加工領域，可極大提高未被充分利用的肌肉蛋白價值。

盡管如此，國內外酸堿處理技術的發(fā)展仍存在不足[3]。首先，目前的研究成果更多的局限于實驗室研究階段，僅少部分成果轉化為產品，并投放于市場；其次，缺少大型酸堿處理加工設備，自動化水平低。

6 結 語

我國是魚類肉制品的生產和消費大國，但與發(fā)達國家相比，我國的魚肉精深加工技術明顯落后。酸堿處理技術在充分利用魚肉資源、提高魚肉蛋白加工特性和生產高附加值魚肉制品等方面具有明顯優(yōu)勢。酸堿處理蛋白作為功能食品添加劑，能顯著改善產品品質，具有極大市場潛力。利用酸堿處理生產低鈉凝膠類肉制品，是未來改善居民飲食結構、實現(xiàn)健康生活的新方向。除此之外，關于酸堿處理蛋白的食用安全性、凍藏穩(wěn)定性、風味和氧化特性等還需深入研究。

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