脂肪氧化對肌原纖維蛋白氧化及其結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響

趙 冰，張順亮，李 素，周慧敏，任 雙，李家鵬，陳文華，趙 燕，王守偉*

（北京食品科學研究院，中國肉類食品綜合研究中心，肉類加工技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100068）

肉制品在加工和貯藏過程中會發(fā)生脂肪和蛋白質(zhì)的氧化降解，其對肉制品的品質(zhì)具有雙重作用[1-3]：適度氧化可以提高產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、色澤和風味等品質(zhì)，過度的氧化造成產(chǎn)品品質(zhì)劣變和腐敗，脂肪和蛋白質(zhì)的氧化和降解在肉制品中同時存在又相互影響[4-7]。

脂肪的氧化是自由基鏈式反應(yīng)的復雜過程[8]，脂肪酸在高溫、光照和酶等物質(zhì)的作用下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫過氧化物，然后再分解成醛、酮和低級脂肪酸等化合物，低含量的氧化產(chǎn)物，特別是不飽和醛類物質(zhì)的形成對產(chǎn)品風味的形成具有重要作用，高含量的氧化產(chǎn)物會產(chǎn)生難聞的酸敗腐臭的刺激性氣味，造成產(chǎn)品品質(zhì)的劣變[9-12]。脂肪氧化與蛋白質(zhì)氧化相互影響，并且一種物質(zhì)氧化產(chǎn)生的物質(zhì)會促進另一種物質(zhì)的氧化。蛋白氧化被認為是一種類似于脂肪氧化的自由基鏈式反應(yīng)，但是過程和產(chǎn)物更加復雜，自由基和金屬離子等因素都能促進蛋白質(zhì)的氧化。脂肪氧化與蛋白質(zhì)氧化的關(guān)聯(lián)性還與它們所處的環(huán)境有關(guān)，在羥自由基氧化系統(tǒng)中相關(guān)性較強，而在高鐵肌紅蛋白氧化系統(tǒng)尚未發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性。這可能主要是由環(huán)境中的促氧化因子決定的。蛋白質(zhì)的氧化產(chǎn)物主要體現(xiàn)為羰基基團的暴露、巰基的損失和蛋白質(zhì)交聯(lián)的形成[13-15]，適度的蛋白氧化可以改善產(chǎn)品的凝膠特性[16]；但是，過度的蛋白氧化又會造成凝膠特性的破壞，甚至產(chǎn)品的腐敗[17-18]。近年來，對于蛋白氧化的研究越來越多，已經(jīng)取得了一定的研究成果，但是對于蛋白氧化和脂肪氧化關(guān)系的研究還比較少，研究脂肪氧化和蛋白氧化的關(guān)系對于提高肉制品的質(zhì)量安全具有重要意義。

肉制品是非常復雜的氧化反應(yīng)機體，脂肪和蛋白質(zhì)含量豐富，水、微生物和酶等影響因素同時存在，研究肉制品中脂肪氧化對蛋白氧化的影響必須建立相應(yīng)的模擬體系，以消除其他因素的干擾。本實驗以肌原纖維蛋白為對象，研究脂肪氧化對蛋白質(zhì)氧化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期為肉制品中脂肪氧化和蛋白氧化相互關(guān)系的研究提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豬肉購于北京中瑞食品有限公司分割車間；菜籽油為市售。

乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、NaCl、三氯乙酸和K2HPO4等（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；哌嗪-1,4-二乙磺酸（piperazine-1,4-bisethanesulfonic acid，PIPES） 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀 美國Thermo Fisher Scientif i c公司；Discovery DHR-2流變儀 美國TA儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 氧化模型的構(gòu)建

1.3.1.1 氧化脂肪的制備

以菜籽油為對象，采用油脂氧化儀快速制備氧化油脂，配制不同氧化程度的油脂氧化模型，以硫代巴比妥酸反應(yīng)產(chǎn)物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）為指標，配制TBARS含量分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mg/kg的油脂氧化模型[19]。

1.3.1.2 肌原纖維蛋白的提取

以豬肉中提取的肌原纖維蛋白為蛋白樣品，肌原纖維蛋白的提取參考Xiong Youling L.等[20]的方法，取冷凍的新鮮豬通脊肉，4 ℃解凍，然后用5 倍體積的提取緩沖溶液（0.1 mol/L NaCl、2 mmol/L MgCl2、1 mmol/L EDTA、10 mmol/L K2HPO4，pH 7.0）提取，于10 000 r/min高速勻漿，再在4 ℃條件下2 000×g離心10 min，用上述提取緩沖溶液重復洗滌沉淀4 次，直至洗出的溶液清澈，然后用4 層紗布過濾，并用0.1 mol/L的HCl將濾液調(diào)pH值為6.0。然后再次于2 000×g離心10 min，將得到的沉淀部分用緩沖溶液（15 mmol/L PIPES、0.6 mol/L NaCl，pH 6.0）溶解，得到肌原纖維蛋白溶液備用。

1.3.1.3 氧化反應(yīng)模型的建立

以肌原纖維蛋白溶液為對象，將其質(zhì)量濃度調(diào)整至約為10 mg/mL，通過添加不同氧化程度的脂肪建立不同的氧化模型體系[20]。氧化體系由以下試劑組成：肌原纖維蛋白溶液19.6 mL、1.3.1.1節(jié)制備的油脂氧化模型0.2 mL、吐溫20試劑0.2 mL，通過高速勻漿機使其充分混勻。將反應(yīng)體系混合均勻呈現(xiàn)出乳濁液狀態(tài)，25 ℃反應(yīng)4 h，檢測蛋白質(zhì)氧化程度及其相關(guān)性質(zhì)，以未添加脂肪的蛋白溶液為對照。

1.3.2 蛋白質(zhì)氧化程度檢測

1.3.2.1 羰基含量的測定

羰基含量的測定參考Levine等[21]的方法，從不同氧化模型中取出1 mL溶液加入到50 mL離心管中，再加入4 mL含10 mmol/L 2,4-二硝基苯肼的2 mol/L HCl溶液，以不含2,4-二硝基苯肼的2 mol/L HCl溶液為空白，25 ℃反應(yīng)1 h。然后每個樣品中加入5 mL質(zhì)量分數(shù)為20%的三氯乙酸溶液，振蕩混合均勻，在4 ℃條件下，于11 000×g離心5 min，棄去上清液，沉淀部分用2 mL體積比為1∶1的乙醇-乙酸乙酯溶液洗滌4 次，以完全洗去未反應(yīng)的2,4-二硝基苯肼，氮吹除去殘留的有機溶液，然后加入2 mL 6 mol/L的鹽酸胍溶液（pH 2.3），37 ℃保溫30 min，然后在370 nm波長處測定吸光度，蛋白質(zhì)溶液的質(zhì)量濃度采用雙縮脲法測定，計算蛋白質(zhì)羰基含量的摩爾吸光系數(shù)為22 000 L/（mol?cm）。

1.3.2.2 巰基含量的測定

巰基含量的測定參考Ellman[22]的方法。從不同氧化模型中取出1 mL溶液加入到10 mL離心管中，然后加入1 mL緩沖溶液（6 mol/L鹽酸胍、1 mmol/L EDTA、50 mmol/L Tris-HCl，pH 8.3），10 μL 10 mmol/L pH 7.6的5,5-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）（100 mmol/L Tris-HCl作為溶劑）溶液，振蕩混合均勻，25 ℃反應(yīng)25 min，在412 nm波長處測定吸光度，蛋白質(zhì)溶液的質(zhì)量濃度采用雙縮脲法測定，計算蛋白質(zhì)巰基含量的摩爾吸光系數(shù)為136 000 L/（mol?cm）。

1.3.2.3 二酪氨酸含量測定

二酪氨酸含量的測定參考Davies等[23]的方法，將不同氧化模型中的溶液11 000×g離心10 min，取上清液采用熒光光度計檢測二酪氨酸的含量。測定條件：發(fā)射波長420 nm（狹縫10 nm），激發(fā)波長325 nm（狹縫10 nm），蛋白質(zhì)溶液的質(zhì)量濃度采用雙縮脲法測定，最終的結(jié)果采用相對熒光強度表示，用熒光強度除以蛋白質(zhì)溶液的質(zhì)量濃度計算。

1.3.3 表面疏水性測定

蛋白質(zhì)表面疏水性的測定參考Chelh等[24]的方法，從不同油脂氧化模型中取出2 mL溶液加入到10 mL離心管中，然后加入40 μL 1 mg/mL的溴酚藍指示溶液，25 ℃攪拌10 min，然后4 ℃、4 000×g離心15 min，取上清液在595 nm波長處測定吸光度，最終的蛋白質(zhì)表面疏水性結(jié)果以與蛋白質(zhì)結(jié)合的溴酚藍質(zhì)量表示。以不添加油脂氧化模型為對照。

式中：m為添加溴酚藍的質(zhì)量/μg，本實驗中添加了40 μg；A對照、A樣品分別為對照組和樣品在595 nm波長處的吸光度。

1.3.4 流變學性質(zhì)測定

蛋白質(zhì)流變學性質(zhì)采用流變儀進行檢測。測定參數(shù)：4 cm直徑夾具，以2 ℃/min的速率從25 ℃上升至80 ℃，頻率0.1 Hz，狹縫1 mm[25]。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜測定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)

根據(jù)參考文獻[26]的方法。從不同氧化模型中取蛋白溶液直接加到檢測樣品臺上進行測定，采用OMNIC軟件對檢測數(shù)據(jù)進行基線校正、去卷積和二階求導處理，分析蛋白質(zhì)α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲二級結(jié)構(gòu)的變化。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗中每組實驗3 次平行，實驗結(jié)果采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù)，SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件中的單因素方差分析進行顯著性分析，以P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 脂肪氧化對蛋白質(zhì)氧化程度的影響

2.1.1 脂肪氧化對蛋白質(zhì)羰基含量的影響

圖1 脂肪氧化對羰基含量的影響Fig.1 Effect of lipid oxidation on carbonyl content

蛋白質(zhì)中羰基含量的高低是反映蛋白質(zhì)氧化程度的重要指標之一，主要是由易受自由基攻擊的氨基酸側(cè)鏈氧化斷裂產(chǎn)生[27-29]。由圖1可知，脂肪的氧化程度對蛋白質(zhì)的氧化具有顯著的促進作用，隨著脂肪氧化程度的增加，蛋白質(zhì)羰基含量顯著增加，當TBARS含量為2.5 mg/kg時，蛋白羰基含量達到4.12 nmol/mg pro。這是由于脂肪的氧化反應(yīng)是一個自由基的鏈式反應(yīng)，氧化過程中自由基不但催化氧化脂肪，同時攻擊蛋白質(zhì)的敏感性氨基酸側(cè)鏈，使蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈暴露，進而發(fā)生蛋白質(zhì)的聚合、變性等反應(yīng)，羰基含量增加[30]，說明自由基可以促進蛋白質(zhì)氧化反應(yīng)的進行，這與章銀良等[26]的研究結(jié)果具有一致性。但是蛋白質(zhì)的變性等作用同樣造成羰基含量的升高，因此，不能僅以羰基含量作為蛋白質(zhì)氧化程度的唯一參數(shù)，必須結(jié)合其他指標進行綜合評定。

2.1.2 脂肪氧化對蛋白質(zhì)巰基含量的影響

圖2 脂肪氧化對巰基含量的影響Fig.2 Effect of lipid oxidation on sulphydryl content

半胱氨酸是蛋白質(zhì)氧化過程中最敏感的氨基酸之一，在羰基含量不能完全表達蛋白質(zhì)氧化程度的前提下，可以通過測定半胱氨酸含量的高低進一步反映蛋白質(zhì)氧化的程度，半胱氨酸的含量可以通過測定巰基的含量來進行評價。由圖2可知，隨著脂肪氧化程度的增加，蛋白質(zhì)巰基含量顯著降低，當TBARS含量為2.5 mg/kg時，巰基含量為81.33 nmol/mg pro。說明半胱氨酸受到自由基的攻擊，脂肪的氧化產(chǎn)生的自由基可以催化氧化蛋白質(zhì)。這也與蛋白質(zhì)和脂肪自由基促氧化的機理相一致。

2.1.3 脂肪氧化對蛋白質(zhì)二酪氨酸含量的影響

圖3 脂肪氧化對二酪氨酸含量的影響Fig.3 Effect of lipid oxidation on bityrosine content

與半胱氨酸類似，酪氨酸也是自由基氧化蛋白質(zhì)時的敏感氨基酸之一，酪氨酸在自由基的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)形成二酪氨酸，因此，可以通過檢測二酪氨酸的含量評價蛋白質(zhì)的氧化程度[31]。由圖3可知，隨著脂肪氧化程度的增加，二酪氨酸的含量顯著增加，當TBARS含量為2.5 mg/kg時，二酪氨酸含量為563.36 AU。說明酪氨酸受到自由基的攻擊發(fā)生氧化反應(yīng)形成二酪氨酸，蛋白質(zhì)的氧化程度逐漸增加。這也與前文羰基含量和巰基含量的變化趨勢一致，共同反映出蛋白質(zhì)氧化程度的變化規(guī)律。

因此，通過羰基含量、巰基含量和二酪氨酸含量的變化可以綜合反映出脂肪氧化對蛋白質(zhì)氧化的促進作用，證實了脂肪氧化產(chǎn)生的自由基同樣可以催化蛋白質(zhì)的氧化。

2.2 脂肪氧化對蛋白質(zhì)表面疏水性的影響

圖4 脂肪氧化對蛋白質(zhì)表面疏水性的影響Fig.4 Effect of lipid oxidation on surface hydrophobicity

脂肪氧化產(chǎn)生的自由基催化氧化蛋白質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，可能引起蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蛋白質(zhì)的表面疏水性是維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定具有重要意義[19]。蛋白質(zhì)氧化后，蛋白質(zhì)分子發(fā)生折疊，肽腱斷裂，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水性基團暴露，造成蛋白質(zhì)表面疏水性增加，因此，蛋白質(zhì)疏水性也可以反映蛋白質(zhì)的氧化程度。由圖4可知，隨著脂肪氧化程度的增加，蛋白質(zhì)表面疏水性增加，說明脂肪的氧化可以促進蛋白質(zhì)氧化作用的進行。

2.3 脂肪氧化對蛋白質(zhì)流變學性質(zhì)的影響

圖5 脂肪氧化對蛋白質(zhì)儲能模量的影響Fig.5 Effect of lipid oxidation on protein gel storage modulus

隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)體系，通過測定蛋白質(zhì)的流變學性質(zhì)可以得到蛋白質(zhì)的凝膠形成能力和凝膠彈性能力，可以用彈性模量或儲能模量（G’）表示，G’越大，表明蛋白質(zhì)形成凝膠的彈性越強。蛋白質(zhì)氧化后肌原纖維的G’會受到明顯的影響，疏水基團的暴露、肽腱的斷裂和結(jié)構(gòu)的變化等影響了蛋白質(zhì)凝膠的形成[19]。肌原纖維蛋白的G’隨著溫度的升高表現(xiàn)出先升高再降低再升高的波峰波谷模式，這與肌原纖維蛋白的組成和性質(zhì)有關(guān)。在溫度上升初期，蛋白質(zhì)與水處于平衡狀態(tài)，隨著溫度的升高，在45～50 ℃會形成G’的波峰，這是肌球蛋白的變性溫度，此時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸打開，蛋白質(zhì)相互作用增強，促進了凝膠的形成。隨著溫度的上升，G’逐漸增加，直至加熱的最終溫度，同時可以發(fā)現(xiàn)后期G’的變化逐漸變緩，這是由于蛋白質(zhì)后期逐步形成穩(wěn)定的凝膠體系。由圖5可知，隨著脂肪氧化程度的增加，蛋白質(zhì)的G’在第一個波峰處顯示出下降的趨勢，不含脂肪的蛋白質(zhì)溶液在第一個波峰時G’最高，隨著脂肪氧化程度的增加，G’逐漸減小，當TBARS含量為2.5 mg/kg時，G’在波峰處最低，這與李銀等[27]的研究結(jié)果具有一致性。因此，脂肪氧化可以促進蛋白質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，蛋白氧化降低了凝膠的G’，所形成凝膠的彈性隨著蛋白氧化程度的增加而降低。

圖6 脂肪氧化對蛋白質(zhì)損失模量的影響Fig.6 Effect of lipid oxidation on protein gel loss modulus

在流變學性質(zhì)檢測過程中，與G’相對應(yīng)的是損失模量（G”），用來表示蛋白質(zhì)凝膠的黏性性狀，G”與G’相對應(yīng)，隨著溫度的升高表現(xiàn)出波峰波谷的模式，同時，G”始終低于G’，當溫度高于70 ℃時，G”趨于穩(wěn)定，說明蛋白質(zhì)凝膠的黏性趨于穩(wěn)定[32]。由圖6可知，隨著脂肪氧化程度的增加，45～50℃的波峰G”逐漸降低，這與G’的變化表現(xiàn)出一致性。說明脂肪氧化促進了蛋白氧化的進行，蛋白氧化降低了蛋白質(zhì)的黏性。

圖7 脂肪氧化對蛋白質(zhì)tan α的影響Fig.7 Effect of lipid oxidation on protein gel tan α

tan α是G”和G’之間的比值，是對樣品黏彈性的綜合評價指標，反映出每個振蕩過程的能量損耗，其變化趨勢可以反映蛋白凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特性，數(shù)值越低說明凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越好，反之越差。由圖7可知，隨著脂肪氧化程度的增加，tan α在相同溫度下的值整體顯示出增加的趨勢，說明蛋白質(zhì)的彈性降低，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)合上面蛋白氧化的結(jié)果，說明脂肪氧化促進蛋白氧化的進行且造成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞。

2.4 脂肪氧化對蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化的影響

表1 脂肪氧化對蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的影響Table1 Effect of lipid oxidation on secondary structures of the protein

通過蛋白質(zhì)在紅外光譜區(qū)的變化可以反映蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化趨勢，蛋白質(zhì)和多肽的二級結(jié)構(gòu)在紅外光譜區(qū)域有9 個特征吸收帶，其中，酰胺Ⅰ帶是研究蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵吸收帶，這是由于蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲可以通過酰胺Ⅰ帶進行分析。酰胺Ⅰ帶位于1 600～1 700 cm-1的波段范圍內(nèi)，在這個范圍內(nèi)，1 650～1 658 cm-1波段范圍為α-螺旋的特征波段，1 600～1 640 cm-1波段范圍為β-折疊的特征波段，1 660～1 695 cm-1波段范圍為β-轉(zhuǎn)角的特征波段，1 640～1 650 cm-1波段范圍為無規(guī)卷曲的特征波段[33]。因此，分析蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶的變化對研究蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化具有重要意義。

圖8 蛋白質(zhì)的傅里葉變換紅外酰胺Ⅰ帶分布Fig.8 Fourier transform infrared spectroscopy amide I band prof i les of myof i brillar protein at different TBARS contents

圖8是不同TBARS含量模型的蛋白質(zhì)溶液的傅里葉變換紅外光譜通過對吸光度進行基線校正、去卷積、二階求導和擬合分析處理得到的酰胺Ⅰ帶分布圖，通過傅里葉變換紅外光譜儀的Omnic處理軟件進行分析，得到表1和圖8的結(jié)果。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著TBARS含量的增加，蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶的圖譜從平滑均勻逐漸變得雜亂，同時結(jié)合二級結(jié)構(gòu)的特征吸收波段范圍對照表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著TBARS含量的增加，α-螺旋和β-折疊的相對含量逐漸降低，而β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲的相對含量逐漸增加，這是由于隨著TBARS含量的增加，脂肪氧化程度增加，產(chǎn)生的自由基攻擊蛋白質(zhì)，促進蛋白質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，蛋白質(zhì)氧化過程中，其構(gòu)象和二級結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，穩(wěn)定的α-螺旋和β-折疊相對含量逐漸降低，轉(zhuǎn)變成不規(guī)則的β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲，蛋白質(zhì)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，這也與章銀良等[26]的研究結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

本實驗以肌原纖維蛋白為研究對象，建立不同氧化程度的脂肪促蛋白氧化模型，研究脂肪氧化對蛋白氧化的影響，結(jié)果表明：脂肪氧化可以促進蛋白質(zhì)氧化反應(yīng)的發(fā)生，蛋白質(zhì)的氧化程度隨著脂肪氧化程度的增加而增加；在脂肪氧化的促進作用下，蛋白質(zhì)的表面疏水性和流變學特性都隨之發(fā)生變化，隨著脂肪氧化程度的增加，蛋白質(zhì)表面疏水性逐漸增加，G’和G”逐漸降低；蛋白氧化使蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，穩(wěn)定的α-螺旋和β-折疊相對含量降低，向不規(guī)則的β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變，蛋白質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)遭到破壞。

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