草魚肌原纖維蛋白與特征腥味物質的結合作用

徐永霞 王 瑞 趙佳美 周 曉 李學鵬 儀淑敏 米紅波 勵建榮*

（1 渤海大學食品科學與工程學院 生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心遼寧錦州121013 2 西南大學食品科學學院 重慶400715）

魚糜制品是一種傳統(tǒng)的水產(chǎn)加工品， 是我國水產(chǎn)加工品中發(fā)展速度最快的品種之一。 隨著淡水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展壯大，將草魚、鰱魚等淡水魚加工成魚糜及魚糜制品有著極大的加工價值[1]。 然而，與海水魚魚糜相比，淡水魚魚糜存在腥味重、凝膠特性差的問題[2，3]，影響了淡水魚魚糜加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

淡水魚腥味物質主要包括揮發(fā)性的醛、 醇、酮、烴、含氮含硫類物質等[4]，其中2-甲基異冰片、土味素、己醛、庚醛、壬醛等物質被為是導致魚體腥味及不良氣味的主要物質[5]。肌原纖維蛋白是魚肉中最重要的蛋白質， 也是魚糜制品中結合腥味物質的主要受體， 揮發(fā)性氣味物質與蛋白質之間可以通過氫鍵、 離子鍵和疏水相互作用的可逆結合，以及共價鍵的不可逆結合，此外，還通過范德華力、毛細管作用產(chǎn)生物理吸附[6]。 不同的腥味物質與魚肉蛋白質之間的相互作用機制也可能存在明顯差異，有必要對其進行深入研究。

頂空-氣相色譜/質譜聯(lián)用（HS-GC-MS）是評價揮發(fā)性物質與蛋白質結合作用的常見方法。 在揮發(fā)性物質與蛋白質溶液共存的氣-液平衡體系中，用氣相色譜或氣相色譜/質譜直接取頂空風味物質進行分析， 風味物質的釋放程度將影響其在該作用體系中頂空物質的濃度， 可借此評價揮發(fā)性物質與蛋白質的結合作用[7]。Wang 等[8]用頂空法與氣相色譜/質譜聯(lián)合測定6 種醛酮類物質與豌豆蛋白和小麥蛋白的結合作用。 Martínezarellano等[9]利用頂空法與GC-MS 聯(lián)合對干腌火腿中肽與己醛、1-辛烯-3 醇等的相互作用進行了測定。 此外，小分子與生物大分子結合前、后結構變化的信息可以通過紫外、熒光、拉曼光譜等多種光譜學方法測定[10-11]。 其中Lubke 等[12]利用熒光光譜確定醛類物質在肌原纖維蛋白上的結合部位。 目前鮮見采用頂空法結合多種光譜技術研究魚類蛋白質與特征腥味物質間相互作用的報道。

鑒于此，本試驗以草魚為研究對象，選擇4 種典型魚肉特征腥味物質（己醛、庚醛、辛醛、壬醛），建立魚肌原纖維蛋白-腥味物質作用模型體系，通過頂空-氣相色譜-質譜聯(lián)用法結合紫外、熒光、拉曼光譜等技術分析草魚特征腥味組分與肌原纖維蛋白的結合作用特征， 旨在對淡水魚及魚糜制品加工中的風味調控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活草魚，購于遼寧省錦州市水產(chǎn)市場，平均體長（30±5）cm，體重（500±50）g。

己醛、庚醛、辛醛和壬醛，均為色譜純級，購于美國Sigma 公司；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、Tris 和氯化鈉等試劑均為分析純級， 購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（7890N-5975C），美國Agilent 公司；差示掃描熱量儀（Q2000），美國TA儀器；拉曼光譜儀（LabRAM HR Evolution），堀場（中國）貿(mào)易有限公司； 熒光分光光度計（970CRT），上海精密科學儀器有限公司；氨基酸自動分析儀（L-8900），日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 肌原纖維蛋白的制備 肌原纖維蛋白提取方法參照孫為正等[13]的方法并稍作修改。 對新鮮草魚電擊，暈后宰殺、去皮，取背部肌肉絞碎，第1次加入5 倍體積的10 mmol/L Tris-HCl（pH 7.2），高速均質3 次，每次30 s，在4 500 r/min、4 ℃條件下離心10 min，取沉淀。 上述步驟重復兩次，第3次加入5 倍體積的10 mmol/L Tris-HCl 緩沖液（含0.1 mol/L NaCl，pH 7.2），高速均質3 次，每次30 s，在4 800 r/min、4 ℃條件下離心10 min，取沉淀，在最后1 次沉淀中加入5 倍體積的10 mmol/L Tris-HCl 緩沖液（含0.6 mol/L NaCl，pH 7.2），高速均質，在4 800 r/min、4 ℃條件下離心15 min，取上清液備用。 肌原纖維蛋白質量濃度采用雙縮脲法測定，用牛血清蛋白作為標準品。

1.3.2 風味物質儲備液的制備 根據(jù)前期預試驗，將內(nèi)標己醛、庚醛、辛醛、壬醛溶于上述10 mmol/L Tris-HCl 緩沖液 （含0.6 mol/L NaCl，pH 7.2）中，超聲2 min，配得2 000 mg/L 標準品儲備液，密封后置于-4 ℃冰箱，備用。

1.3.3 氨基酸含量的測定 蛋白樣品經(jīng)鹽酸水解，離心取上清，過0.22 μm 濾膜，然后采用氨基酸自動分析儀進行氨基酸的測定。

1.3.4 GC-MS 分析 GC 條件：HP-5MS 毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；解析時間5 min；進樣口溫度250 ℃；柱初溫40 ℃，保持3 min，載氣為99.999%高純氦氣，流速1.0 mL/min；不分流模式進樣； 以3 ℃/min 程序升溫到100 ℃， 保持5 min；流量1.0 mL/min；不分流模式進樣。

MS 條件：色譜-質譜傳輸線溫度280 ℃，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃；離子化方式：EI；電子能量70 eV；質量掃描范圍30～550（m/z）。

1.3.5 肌原纖維蛋白對各風味物質吸附能力的測定 參照Wang 等[8]的方法并稍作修改。 將提取到的草魚肌原纖維蛋白與不同風味物質儲備液分別溶解于上述緩沖液中， 使待測溶液中蛋白質量濃度為5.0 mg/mL， 揮發(fā)物質量濃度為1.0 mg/L。 取10 mL 上述溶液 （空白組以含相同濃度揮發(fā)物的PBS 溶液代替）快速加到15 mL 頂空瓶中，添加風味化合物儲備液調整至設定質量濃度， 然后用PTFE 硅膠隔墊瓶蓋密封，用振蕩器振蕩1 min，30℃避光條件下恒溫振蕩1 h，平衡后的溶液采用直接進樣法測定各揮發(fā)性化合物的頂空濃度。 用氣相進樣針吸取1 mL 不同揮發(fā)物， 采用1.3.4 節(jié)的色譜條件直接進樣分析。 依據(jù)Kuhn 等[14]的理論，研究草魚肌原纖維蛋白對風味物質的吸附作用，通過相對吸附百分比（%）來表示：

1.3.6 化學作用力的測定 參照Wang 等[15]方法檢測蛋白質與揮發(fā)性物質間的化學作用力。

1.3.7 熱穩(wěn)定性的測定 取5～10 mg 凍干的蛋白樣品于鋁盒中（空白組以含同濃度、無揮發(fā)物的蛋白溶液代替），采用差示掃描量熱儀測定。 參數(shù)設定為：初始溫度20 ℃，升溫速率5 ℃/min，結束溫度100 ℃，對照組為空盤子，整個過程需氮氣（0.8～1 Pa）保護。

1.3.8 內(nèi)源熒光的測定 用上述緩沖液將處理后蛋白液質量濃度調到0.25 mg/mL （空白組以含同濃度無揮發(fā)物的蛋白溶液代替），采用F96 型熒光分光光度計測定光譜。 測定條件： 激發(fā)波長295 nm，狹縫均為10 nm，掃描范圍300～450 nm，靈敏度2。

1.3.9 紫外-可見光光譜的測定 分別在有和無風味物質時測量肌原纖維蛋白的紫外-可見光譜，測量范圍190～400 nm。 肌原纖維蛋白的質量濃度固定在0.1 mg/mL，而揮發(fā)物質量濃度為1.0 mg/L。加入揮發(fā)物后，于30 ℃避光條件下恒溫振蕩1 h，測定平衡后溶液的吸光度值。

1.3.10 拉曼光譜的測定 取10 mL 處理過的蛋白液（空白組以含同濃度無揮發(fā)物的蛋白溶液代替）冷凍干燥， 用于拉曼光譜的測定。 激光波長785 nm，功率120 mW，曝光時間60 s，每次掃描3次，檢測范圍 500～3 200 cm-1，以苯丙氨酸（1 002 cm-1）為標準進行歸一化[16]。

1.3.11 數(shù)據(jù)分析 用軟件SPSS 20.0 進行顯著性分析，數(shù)據(jù)肩標有相同的字母為差異不顯著（P＞0.05），有不同字母者為差異顯著（P＜0.05）。用軟件Excel 2010 和Origin 8.5 制表和繪圖。 GC-MS 數(shù)據(jù)處理利用計算機譜庫（Nist11/Wiley7.0）標準質譜庫匹配求得。

2 結果與討論

2.1 草魚肌原纖維蛋白氨基酸組成

蛋白質是由氨基酸組成的，氨基酸的類型、含量和順序等決定了蛋白質的結構和功能。 草魚肌原纖維蛋白中氨基酸組成及含量如表1 所示，其中絲氨酸（27.539%）、谷氨酸（12.32%）、精氨酸（9.156%）、賴氨酸（8.441%）和天冬氨酸（8.3%）含量較為豐富，而甲硫氨酸（1.413%）、脯氨酸（1.152%）和丙氨酸（0.158%）等疏水性氨基酸含量較低。 在決定蛋白質功能、結構和穩(wěn)定性時，不同類型的氨基酸起不同的作用， 這些疏水性氨基酸對蛋白質空間結構的展開起重要的作用。 本研究通過添加4 種飽和醛類物質與肌原纖維蛋白相互作用， 評估小分子風味物質對蛋白質構象的潛在影響。 Wang 等[17]研究了幾種醛、酮類風味物質與豌豆蛋白結合后對蛋白結構以及凝膠特性的影響。

2.2 結合能力分析

風味物質與蛋白質的結合能力受多種因素的影響，其中風味成分的種類、疏水性、分配系數(shù)是影響其相互作用的主要因素。研究表明，酯類與牛血清蛋白的結合主要受到碳原子數(shù)及沸點的影響，醛類的結合受到氫原子數(shù)與沸點的影響，酮類的結合受到碳原子數(shù)、 鏈長及分支程度的影響[6]。Martínezarellano 等[9]對干腌火腿中肽與揮發(fā)性物質的結合作用進行了研究， 發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性物質的化學性質是影響其結合作用的重要因素。 草魚肌原纖維蛋與4 種醛類物質的結合能力如圖1 所示，己醛、庚醛、辛醛和壬醛與肌原纖維蛋白的結合能力分別為21.15%，23.69%，24.98%和26.93%，它們的結合能力大小隨碳鏈的增長而增加， 這可能是長鏈飽和醛擁有更多的結合位點， 能更有效地與蛋白質結構伸展暴露出來的結合位點相結合。Wang 等[15]研究油菜籽蛋白和豌豆蛋白對辛醛和庚醛的吸附能力強于己醛。劉璘等[7]認為辛醛和壬醛與白鰱魚肌球蛋白的結合能力比庚醛強。 以上與本研究結果相似。

表1 草魚肌原纖維蛋白中氨基酸含量Table 1 Amino acid composition of grass carp’s myofibrillar protein

圖1 草魚腥味物質與肌原纖維蛋白的結合能力Fig.1 Binding capacity of fishy odor compounds to grass carp’s myofibrillar protein

2.3 化學作用力分析

揮發(fā)性物質與蛋白質結合通過不可逆的共價鍵及可逆的物理化學鍵，例如范德華力、氫鍵、疏水相互作用和離子鍵等。 通過添加不同溶劑來破壞凝膠中化學鍵，通過GC-MS 測定揮發(fā)性物質保留程度來評定揮發(fā)性物質與蛋白質之間的結合作用力。 表2 列出各種試劑對風味物質和蛋白質分子間相互作用的影響。

通過添加Na2SO4、Cl3CCOONa 以及尿素、鹽酸胍（GuHCl）和丙二醇（PG）確定4 種飽和醛類與蛋白質結合的各種非共價鍵的作用類型。 從圖2a 可以看出， 添加5 mol/L 尿素組與對照組相比，壬醛、辛醛、庚醛、己醛的保留分別降低了10.10%，12.39%，16.04%，16.55%，這表明疏水相互作用或氫鍵參與醛類與肌原纖維蛋白的結合。 當添加1 mol/L GuHCl 時，4 種醛類物質的保留降低不顯著（P＞0.05）， 這表明氫鍵和離子鍵可能在醛類物質與肌原纖維蛋白的結合中起一定作用。 與對照組相比， 丙二醇存在時醛類風味與蛋白質結合顯著降低（P＜0.05），如添加20%丙二醇使壬醛、辛醛、庚醛、 己醛的保留分別降低了14.78%，19.89%，20.75%，31.16%，這表明疏水相互作用對醛類與蛋白質結合的重要性。

表2 各種試劑對蛋白質和腥味物質分子間相互作用的影響Table 2 Effects of various reagents on molecular interactions between proteins and fishy odor compounds

圖2 尿素、丙二醇、鹽酸胍（a）和Na2SO4 和Cl3CCOONa（b）對4 種飽和醛類與肌原纖維蛋白結合作用的影響Fig.2 Effects of urea， guanidine hydrochloride and propylene glycol （a）and Na2SO4， Cl3CCOONa （b）on binding of hexanal， heptanal， octanal and nonanal to myofibrillar protein

在食品領域Na2SO4作為穩(wěn)定蛋白質結構的鹽被廣泛應用。 Na2SO4通過增強分子內(nèi)和分子間疏水相互作用促進蛋白質的熱穩(wěn)定性， 可以創(chuàng)造更有利于風味保留的結合位點， 從而增加風味物質與蛋白質結合作用。 從圖2b 可以看出，與未添加鹽的對照樣品相比，0.5 mol/L Na2SO4能顯著增強4 種飽和醛對肌原纖維蛋白的結合， 壬醛、辛醛、庚醛、己醛的保留分別增加了12.64%，15.99%，22.12%，24.03%，這表明分子間疏水相互作用對醛類與蛋白質結合起重要作用。 Cl3CCOONa 通過特定的離子-大分子相互作用使蛋白質變性，導致活性基團暴露， 降低蛋白質的熱穩(wěn)定性。 加入Cl3CCOONa 后使蛋白質部分變性， 暴露新的結合位點，從而使4 種飽和醛類的保留能力增強。本結果顯示， 醛類物質主要通過非共價鍵的疏水相互作用與蛋白質結合，少部分通過氫鍵或離子鍵，這與Wang 等[15]研究幾種選定的揮發(fā)性物質與鹽溶性豌豆蛋白間的化學作用力結果相似。

2.4 熱穩(wěn)定性分析

對蛋白質體系而言， 當溫度升高到某一特定值時，蛋白質受熱變性，結構變化，從而引起焓的變化[18]。肌原纖維蛋白與腥味物質結合，經(jīng)DSC 分析得到的轉變溫度及ΔH 的變化，見表3。 相對于對照組而言， 添加4 種飽和醛類對肌原纖維蛋白熱變性溫度有顯著性影響（P＜0.05），焓變值顯著降低（P＜0.05），如己醛0.51J/K、庚醛0.48J/K、辛醛0.39J/K、壬醛0.24J/K，表明添加腥味物質能誘導蛋白質部分變性， 從而降低了蛋白質變性所需的焓變值。添加壬醛、辛醛、庚醛和己醛，蛋白質熱穩(wěn)定性分別降低了70.73%，52.44%，41.46%和37.80%，說明飽和醛碳鏈越長越易與蛋白質暴露出的結合位點結合， 進而降低蛋白質變性所需的焓變值。 Wang 等[15]也有相似的研究結果。

2.5 內(nèi)源熒光分析

熒光光譜法是研究生物大分子與小分子、離子相互作用的應用廣泛的方法之一[11]。 蛋白質的熒光主要是源于Trp、Tyr 和Phe 殘基，而其內(nèi)源熒光主要是源于Trp 殘基[19]。通過內(nèi)源熒光光譜可以了解蛋白分子多肽鏈空間結構變化。 圖3 顯示加入4 種飽和醛類物質后肌原纖維蛋白內(nèi)源熒光的變化。 隨著己醛、庚醛、辛醛和壬醛4 種醛類物質的添加， 肌原纖維蛋白的熒光強度分別降低了6.13%，7.54%，7.90%和10.94%， 可能是腥味物質與肌原纖維蛋白相互作用，改變蛋白質肽鏈結構，暴露出的色氨酸殘基與腥味物質反應， 降低了肌原纖維蛋白熒光強度。添加的醛類物質碳鏈越長，熒光強度降低越多， 暴露在親水環(huán)境中的色氨酸殘基更易與長鏈醛類物質發(fā)生反應。

表3 草魚肌原纖維蛋白與腥味物質結合后熱穩(wěn)定性的變化Table 3 Changes of the thermal properties of myofibrillar protein binding with fishy odor compounds in grass carp

圖3 草魚肌原纖維蛋白與腥味物質結合后內(nèi)源熒光的變化Fig.3 Changes of endogenous fluorescence of myofibrillar protein binding with fishy odor compounds in grass carp

2.6 紫外光譜分析

紫外吸收光譜可用于研究蛋白質的結構變化，是一種探究復合物形成的簡單而有效的方法[20]。為了初步確定腥味物質對草魚肌原纖維蛋白的結合作用機制，測定了肌原纖維蛋白、腥味物質以及二者相互作用體系的紫外吸收光譜， 結果如圖4所示。 肌原纖維蛋白在210 nm 和280 nm 處有兩個吸收峰，其中210 nm 處的強烈吸收峰反映肌原纖維蛋白肽鏈骨架信息，而280 nm 處的吸收峰是由芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）產(chǎn)生的。揮發(fā)物在波長200～400 nm 范圍沒有明顯的吸收峰。 添加己醛、庚醛、辛醛和壬醛后肌原纖維蛋白在210 nm 處吸收峰強度分別降低了21.17%，22.20%，25.42%和29.49%， 并伴隨約1 nm 的紅移， 這表明腥味物質改變了肌原纖維蛋白肽鍵周圍的微環(huán)境， 同時改變了肌原纖維蛋白的二級結構，即腥味物質與肌原纖維蛋白間存在相互作用。肌原纖維蛋白在280 nm 處的紫外吸收光譜未發(fā)生移動， 表明肌原纖維蛋白與腥味物質結合后沒有明顯改變蛋白中芳香族氨基酸殘基微環(huán)境的極性[21]。

圖4 草魚肌原纖維蛋白與腥味物質結合后的紫外-可見吸收光譜圖Fig.4 UV-vis spectra of myofibrillar protein binding with fishy odor compounds in grass carp

2.7 拉曼光譜分析

拉曼光譜檢測是一種無損檢測技術， 受水分的影響較小， 可作為判斷物質分子結構的強有力的手段[22]。 用拉曼光譜分析蛋白質，可以反映其肽鏈的骨架振動， 側鏈周圍微觀環(huán)境的變化及化學信息[23]。草魚肌原纖維蛋白與腥味物質結合后歸一化的拉曼光譜見圖5，經(jīng)Alix 公式計算得出二級結構單元含量見表4。 添加4 種醛類物質后，α-螺旋結構降低，β-折疊和β-轉角結構含量上升，這可能是由于肌球蛋白結構被破壞，蛋白質結構展開，α-螺旋結構轉變成β-折疊和β-轉角結構。 其中添加己醛、庚醛、辛醛和壬醛后α-螺旋含量較對照組分別降低了15.66%，20.43%，20.97%和24.81%，表明蛋白質伸展暴露出更多的結合位點， 更易與長鏈醛類物質結合。 蛋白質二級和三級結構的穩(wěn)定性大部分依靠非共價鍵力，如氫鍵、范德華力、靜電相互作用和疏水相互作用，α-螺旋結構是穩(wěn)定蛋白質最主要的結構[24]，其中多肽鏈上羰基（-CO）和氨基（NH-）端之間的氫鍵是穩(wěn)定α-螺旋的主要化學鍵， 添加醛類物質破壞了穩(wěn)定蛋白質結構的化學鍵，引起蛋白質變性。

圖5 草魚肌原纖維蛋白與腥味物質結合作用的拉曼光譜圖Fig.5 The Raman spectrum of myofibrillar protein binding with fishy odor compounds in grass carp

表4 草魚肌原纖維蛋白與腥味物質結合后二級結構的變化Table 4 The relative content of secondary structures of myofibrillar protein binding with fishy odor compounds in grass carp

3 結論

采用HS-GC-MS 結合紫外、熒光、拉曼等技術對草魚肌原纖維蛋白與4 種特征腥味物質（己醛、庚醛、辛醛和壬醛）的相互作用進行研究，結果表明， 肌原纖維蛋白對直鏈醛的結合能力隨碳鏈的增長而增加。 肌原纖維蛋白與醛類物質間相互作用主要為疏水作用，其次是氫鍵或離子鍵作用。醛類腥味物質的存在改變了蛋白質的肽鏈構象，暴露出的熒光基團與腥味物質反應降低了肌原纖維蛋白的熒光強度及蛋白質的熱穩(wěn)定性。