不同熱處理方式下蝦肉品質和蛋白質結構變化的差異

于小番，袁亞明，葉宇，夏超，田穎，許慧卿

（揚州大學旅游烹飪學院，江蘇揚州 225127）

刀額新對蝦(Metapenaeusensis)，俗稱基圍蝦、沙蝦、泥蝦，在我國主要分布于福建、臺灣、廣東和廣西沿海，因其味道鮮美，殼薄體肥，營養(yǎng)豐富，深受廣大消費者喜愛，是我國常見的食用蝦種[1]。

蛋白質是動物性食物中最主要的生物大分子物質之一。刀額新對蝦蛋白質含量高達18.2%，包含8種人體必須氨基酸、組氨酸和精氨酸，以及豐富的呈味氨基酸。作為人體最需要的營養(yǎng)素，蛋白質受熱后理化性質的變化規(guī)律倍受關注。然而，目前對于蝦肉蛋白質熱處理后研究，主要集中在風味[2]，質地[3]和肉質[4]的變化，以及某一種蛋白質熱處理后其變應原性[5]和消化特性[6]的改變，而對于蝦肉在不同熱處理方式下蛋白質高級結構的變化鮮有研究。

蒸制、烤制及微波加熱是三種最常見的熱處理方式。三種熱處理方式的傳熱介質存在較大差異：蒸制以氣態(tài)水蒸氣為介質，并將熱量逐漸從表面?zhèn)鬟f到內部[7]；烤制以空氣為介質，將熱量首先傳遞到材料的表面，然后再傳遞到材料的內部[8]；微波加熱利用電磁波，定向排列和激發(fā)極性分子以產生熱量，從而使得材料內部和外部受熱均勻[9]。由于傳熱介質的差異性，不同熱處理方式下，蝦肉中大分子物質會產生不同的物理化學變化，從而對蝦肉的風味以及營養(yǎng)價值產生不同程度的影響。因此，本試驗擬以刀額新對蝦為研究對象，用蒸制、烤制和微波加熱三種不同的熱處理方式，研究在復雜條件下蝦肉蛋白質結構的變化，分析不同熱處理方式下蝦肉蛋白質的結構差異，為研究不同熱處理方式下蝦肉的消化吸收特性和對人體健康的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

刀額新對蝦，購自揚州市邗江區(qū)汊河街道菜市場。

1.1.2 試劑

marker蛋白，25～180 ku，上海生工生物工程股份有限公司；總蛋白定量試劑盒（BCA微板法），南京建成生物工程研究所；β-巰基乙醇、TEMED，電泳級，上海麥克林生化科技有限公司；其他試劑，分析純，國藥化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

物性測定儀TMS-pro，美國FTC公司；DXRxi型顯微拉曼成像光譜儀，美國賽默飛世爾公司；RF-5301PC型熒光分光光度計，日本島津公司；酶標儀，美國賽默飛世爾公司；SF/HD-6型水分活度測定儀，河南精邁儀器儀表有限公司；小型垂直電泳槽，美國Bio-Rad公司；DYY-11型電泳儀，北京市六一儀器廠；JK804/808型手持多路溫度測試儀，青島金科儀器儀表有限公司。

1.3 樣品制備

市場購買的活蝦（19±1.2 g）冰水浴10 min猝死后去蝦殼、剔蝦線，取得蝦肉用刀從背部劈開、腹部相連，用竹簽串起置于冰上備用?？局茰囟葹?20 ℃；微波輸出功率為500 W；蒸制模式下，水沸騰后放入樣品隔水加熱。當蝦肉第一腹節(jié)肌肉中心溫度達到60 ℃、70 ℃、80 ℃時取樣，并于12 h內進行檢測。同時，本試驗設過熱處理，處理方式為三種加熱方式維持最高中心溫度一定時間。

1.4 試驗方法

1.4.1 水分含量與水分活度

水分含量的測定參考GB 5009.3-2016直接干燥法。水分活度的測定是將各組樣品剪成細碎、均一的狀態(tài)，分別于水分活度儀測定專用平皿中鋪平后放入水分活度測定儀，測定10 min后讀取數值。

1.4.2 質構

取蝦肉第一腹節(jié)肌肉，參照魏躍勝等[10]的方法，應用質構儀TPA模式測定各組樣品彈性、硬度、咀嚼性和內聚性。測定參數：測前速度為2 mm/s，測試速度為5 mm/s，測后速度為5 mm/s，壓縮距離為10 mm，作用力為100 g，探頭型號為p100。

1.4.3 蛋白質二級結構

參考高瑞昌等[11]的方法，分別取各組0.4 g的樣品放置載玻片上使用DXRxi型顯微拉曼成像光譜儀進行掃描。試驗參數：532 nm氬離子激光器，功率為300 mW，掃描范圍400～2000 cm-1，分辨率4.0 cm-1，最終光譜平均為64次掃描。每個樣品的數據收集不到2 min。

圖譜處理：以苯丙氨酸的單基取代苯基環(huán)在1003 cm-1伸縮振動強度作為內標進行歸一化（其強度不隨二級結構的變化而改變）。結合OMNIC、Orign 8.5、Peakfit v4.12進行分峰擬合。對應二級結構相應位置計算子峰面積，求出其相對百分含量。

1.4.4 蛋白質三級結構

分別取各組樣品1 g，加入10 mL緩沖溶液（50 mM PBS，10 mM EDTA，0.6 mM KCl，pH 7.0），用均質機10000 r/min均質1 min（每30 s暫停1次，暫停時間為30 s），均質液于4 ℃環(huán)境下8000 r/min離心15 min，取上清液于激發(fā)波長270 nm，發(fā)射波長290～450 nm條件下，繪制熒光光譜圖。

1.4.5 蛋白質分解程度

取1.4.4中的上清液，加緩沖溶液調節(jié)蛋白濃度至2 mg/mL。參考汪家政《蛋白質手冊》[12]進行操作，12%分離膠濃度，5%堆積膠濃度，上樣量為10 μL。

1.4.6 巰基含量

1.4.6.1 游離巰基含量

參考Xia等[13]的試驗方法，略作修改。分別取1 g各組樣品，加入10 mL緩沖液（0.086 M Tris，0.09 M甘氨酸，4 mM EDTA，pH 8.0）以10000 r/min進行均質（每30 s暫停1次，暫停時間為30 s），于10000 r/min離心15 min取上清液。取2 mL上清液，加入40 μL的Ellman試劑（10 mm DTNB），室溫下避光震蕩1 h，記錄412 nm處的吸光度，蛋白質濃度用BCA微板法試劑盒測定，根據公式（1）計算-SH濃度。

1.4.6.2 總巰基含量

取1.4.6.1中測定蛋白質濃度后的上清液1 mL，加入2 mL緩沖液（0.086 M Tris、0.09 M甘氨酸、4 mM EDTA、8 mM尿素、pH 8.0），以10000 r/min進行均質，10000 r/min離心15 min取上清液。取2 mL上清液，加入40 μL的Ellman試劑（10 mM DTNB），室溫下避光震蕩1 h，記錄412 nm處的吸光度，根據公式（1）計算-SH含量：

注：C0：-SH濃度，nmol/mg pro；A：412 nm下吸光值；ε：分子吸光系數，13600 M-1cm-1；C：蛋白質濃度，mg/mL。

1.4.7 數據分析

每組試驗重復3次，試驗結果均以均值±標準差表示。采用SPSS 19.0對測定結果進行統(tǒng)計學差異性分析，差異顯著水平p為0.05。采用Orign 8.5進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 不同熱處理方式及程度下蝦肉水分與水分活度的差異

不同熱處理方式下不同加熱程度的蝦肉水分含量和水分活度的變化如圖1所示。水分和水分活度是影響蛋白質穩(wěn)定性和蝦肉品質的重要因素[14]。圖1a和b顯示，在中心溫度為70 ℃時，蒸制水分含量為71.20%、微波處理水分含量為68.01%，烤制處理水分含量為67.59%；蒸制處理下水分活度為0.98，微波與烤制處理方下水分活度均為0.97，各處理組間水分含量和水分活度相近。當中心溫度超過70 ℃時，隨著溫度的增加，三種熱處理方式下的蝦肉水分含量和水分活度均呈下降趨勢，烤制和微波處理組水分含量和水分活度均低于同一溫度下的蒸制處理樣品；當溫度超過80 ℃時，微波過熱處理的水分含量低至12.78%，水分活度低至0.40，而蒸制的水分含量和水分活度隨溫度的增加下降不明顯，這與董志儉等[15]的研究結果相近。

圖1 不同熱處理方式及程度下蝦肉水分（a）及水分活度（b）的變化差異Fig.1 Changes of water (a) and water activity (b) of prawn meat under different heat treatment methods and degrees

熱處理過程中，水分流失程度與蛋白質的變性程度相關，因而水分含量和水分活度對于蝦肉的品質有著十分重要的影響。研究表明[16]，加熱超過52 ℃時，結締組織網絡收縮，內部水首先排入束間空間。此時，樣品表面由于受熱，導致蛋白質變性劇烈，形成一層致密結構，抑制了內部水分的逸散，而進一步加熱會使得內部水由于高壓而逸出[17]。本試驗中當烤制和微波中心溫度超過70 ℃時，水分及水分活度均發(fā)生明顯變化。而蒸制過程可能由于外部水蒸汽含量接近飽和，所以樣品水分散失并不明顯。

2.2 熱處理方式及程度對蝦肉質構的影響

圖2 不同熱處理方式及程度下蝦肉彈性（a）、硬度（b）、咀嚼性（c）及內聚性（d）的變化差異Fig.2 Effects of different heat treatment methods and degrees on elasticity (a), hardness (b), chewability (c) and cohesion (d)of prawn meat

質構是評價肉類品質的重要指標。在熱處理過程中質構的變化主要用來直觀表征肉制品的組織狀態(tài)、感官品質和物理結構等[18]。不同熱處理方式及程度對蝦肉質構的影響如圖2所示。

由圖2a可知，隨著溫度的升高，不同處理蝦肉的彈性均出現(xiàn)先升后降的變化趨勢，但微波與烤制的蝦肉在70 ℃時彈性最大，分別為3.91和2.31；當加熱溫度超過70 ℃時，蒸制樣品彈性明顯高于微波樣品；蒸制樣品在80 ℃時彈性最大，為4.31，而烤制樣品在各個溫度下彈性均最差。在同一處理溫度時，不同處理樣品間的彈性差異也較大。彈性的變化趨勢與高瑞昌等[19]的研究一致。

圖2b可以看出，烤制和微波處理的蝦肉硬度隨溫度的升高而呈上升趨勢，而蒸制處理過程對蝦肉硬度的變化不明顯。當處理溫度達到80 ℃前，烤制的蝦肉硬度高于微波；而達到過熱狀態(tài)時，微波處理的蝦肉硬度超過烤制處理，達到136.53 N。圖2c表明，隨著溫度的升高，烤制和微波處理的蝦肉咀嚼性呈上升趨勢，蒸制處理的出現(xiàn)波動性變化。在熱處理中心溫度低于70 ℃時，烤制的咀嚼性最高，而超過70 ℃時，微波處理的蝦肉咀嚼性升高速度快于烤制，到過熱時達到114.98 N。圖2d中烤制和微波處理的內聚性隨溫度的升高均出現(xiàn)先升后降的變化趨勢，烤制內聚性在80 ℃時達到最高0.49，微波內聚性在70 ℃時達到最高為0.49。而蒸制呈現(xiàn)持續(xù)性上升的趨勢。

從熱處理方式及程度對蝦肉品質的TPA分析可以看出，蒸制過熱處理組的彈性、硬度和咀嚼性低于蒸制其他處理組，這可能與蒸制的傳熱介質的特殊性相關，水蒸氣為介質加熱會使樣品受熱更為均勻，組織間的間隙增加，導致彈性、硬度及咀嚼性的降低。烤制和微波處理中硬度和咀嚼性的變化則與水分含量及水分活度的變化呈負相關。Benito等[20]指出硬度變化可能與蛋白質變性程度有關，Rahman等[21]指出咀嚼性與硬度呈極顯著正相關,本試驗中樣品的硬度與咀嚼性變化趨勢與這些研究中的結論類似。

表1 不同熱處理方式及程度下蝦肉不同質構指標間的相關性Table 1 Correlation between different structural parameters of shrimp meat under different heat treatment methods and degrees

將不同熱處理方式及程度下蝦肉的質構指標進行相關性分析，由表1可知，在蝦肉的熱處理加工期間，彈性與硬度呈負相關，與內聚性呈顯著正相關；硬度與咀嚼性呈顯著正相關，與內聚性呈顯著負相關；咀嚼性與內聚性呈負相關。由相關性分析可知，硬度與咀嚼性變化趨勢基本一致。

2.3 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白質二級結構的變化差異

水的拉曼散射特性較弱，因此產生的干擾較小，這使拉曼光譜相較于圓二色光譜更適用于復雜條件下蛋白質結構的研究[22]。酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ帶具有很強的拉曼效應，酰胺Ⅰ條帶可以提供更明確的蛋白質二級結構信息。因此，本試驗以酰胺Ⅰ帶為對象，分析蛋白質二級結構中各組分的相對含量，結構分峰信息參考Yang等[23]的試驗。

由表2可知，隨著溫度的上升，烤制和微波處理的α-螺旋的相對含量均出現(xiàn)先升后降的趨勢，而蒸制處理的α-螺旋則呈下降趨勢，過熱處理時的α-螺旋相對含量最低，為34.86%；各處理組β-折疊的相對含量均存在先降后升再降的變化趨勢；β-轉角和無規(guī)則卷曲的變化趨勢基本保持互補。微波過熱處理組的無規(guī)則卷曲相對含量最高，達33.05%。從熱處理中心溫度看，當溫度為70 ℃、80 ℃及過熱時，微波處理組α-螺旋、β-折疊的相對含量高于蒸制和烤制；當溫度達到80 ℃及過熱時，烤制處理組的β-轉角相對含量高于蒸制和微波處理組。α-螺旋與β-折疊相對含量的變化趨勢與Gao等[24]的研究結果類似，但由于結構劃分的差異性，本試驗中α-螺旋與β-折疊相對含量的數據結果偏高。

三種熱處理方式相比，微波對于蛋白質的破壞效果最大。蒸制過熱處理組的α-螺旋相對含量雖然低于烤制和微波，但是其β-折疊的相對含量顯著（p＜0.05）高于烤制和微波，且β-轉角的相對含量低于烤制和微波。Li等[25]認為，α-螺旋相對含量的增加表明蛋白質二級結構變得更為有序。Ana Maria等人[26]認為β-折疊含量的增加可增強蛋白質的熱穩(wěn)定性。由此可以推斷，過熱處理組中，蒸制處理下蛋白質結構的熱穩(wěn)定性高于烤制和微波?？局坪臀⒉ㄌ幚硐碌鞍踪|二級結構的變化，可能歸因于氫鍵的破壞、靜電相互作用和二硫鍵的結合[27]，進而分子解折疊并降低了熱處理過程中的蛋白質穩(wěn)定性。

此外，表2數據表明，加熱使α-螺旋變性形成β-折疊或無規(guī)則卷曲，并在β-折疊和無規(guī)則卷曲之間建立相對含量的相互轉換。蛋白質二級結構中無規(guī)則卷曲相對含量的增加，可能與等電點和由蛋白質降解或酶水解引起的疏水性變化有關。研究表明，強疏水相互作用對穩(wěn)定結構可能具有積極影響[28]。此外，Przybycien等[29]認為，β-折疊在聚集體和網狀結構中形成的水合強度比α-螺旋結構弱，即β-折疊與水分含量存在關聯(lián)性。而微波和烤制中心溫度達到80 ℃及過熱處理時，水分含量和水分活度含量降低與β-折疊的這種結構特性相關不同的熱處理方式及加熱程度下，物料的體積收縮、水分流失和質地變化均會導致蛋白質的構象和功能特性發(fā)生變化，關于蛋白質功能特性、消化特性的具體變化還需進一步研究。

表2 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白二級結構的變化差異Table 2 Changes of secondary structure of prawn meat protein under different heat treatment methods and degrees

2.4 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）的差異

圖3 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白SDS-PAGE的變化差異Fig.3 Influence of SDS-PAGE of shrimp meat protein in different heat treatment methods and degrees

不同熱處理方式及程度對蝦肉蛋白SDS-PAGE的影響如圖3所示。由圖3可以看出，生蝦肉的蛋白條帶基本在25 ku～130 ku之間，這與喻海瓊等[30]研究的結果一致。隨著溫度的升高，三種熱處理方式會造成長鏈蛋白產生不同程度的斷裂，短鏈蛋白相對含量進一步增加。試驗結果表明，微波對蝦肉蛋白的降解是速度最快、最徹底的?？局茖Φ鞍椎慕到獗任⒉ㄐ?，蒸制對蛋白質結構的影響相對溫和。熱處理方法造成蛋白質降解的差異與傳熱介質相關，區(qū)別于蒸制和烤制加熱過程中由外向內的傳熱模式，微波是加熱過程中使極性分子摩擦產熱[31]，且微波的加熱速率最快，因而結構崩壞最為嚴重。

熱處理可能會導致蛋白質的聚集或裂解。由于受熱，長鏈蛋白斷裂成短鏈和小肽。在電泳過程中，小肽長度超出了凝膠的檢測范圍，因而圖中蛋白質條帶減少。盡管蒸制過熱組樣品的二級結構相對于烤制或微波處理化更大，但SDS-PAGE結果表明其蛋白質降解相對溫和。該結果可能歸因于蒸煮過程中建立了新的蛋白質交聯(lián)。

2.5 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白質三級結構的變化差異

色氨酸，酪氨酸和苯丙氨酸是具有熒光特性的特征氨基酸，在內源性熒光光譜中用于表征蛋白質的結構變化。不同熱處理方式及程度對蝦肉蛋白三級結構的影響如圖4所示。圖4表明，三種熱處理方式隨溫度的升高，內源性熒光光譜中最大吸收波長（λmax）的位置發(fā)生不同程度的紅移。引起紅移的微環(huán)境變化主要與蛋白質氧化和交聯(lián)有關。出現(xiàn)λmax紅移表示色氨酸暴露于極性環(huán)境，側面說明蛋白質的三級結構已變得疏松[32]。研究表明，加熱會導致一定程度的蛋白質聚集，形成有序的三維網絡結構凝膠[5]，其結構中可能包含大量液體。

圖4 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白三級結構的變化差異Fig.4 Changes of the tertiary structure of prawn meat protein under different heat treatment methods and degrees

從二級結構無規(guī)則卷曲相對含量的增加、SDS-PAGE中的長鏈蛋白的裂解以及內源性熒光光譜λmax紅移等現(xiàn)象中，可以看出烤制和微波過熱處理造成蛋白質結構的劇烈變化。蛋白質網狀結構被破壞，內部水分逸散，從而導致水分含量和水分活度明顯降低。蒸制較低的加熱速率會促進蒸汽加熱過程中蛋白質與蛋白質的相互作用，并導致蛋白質分子形成更廣泛、完整的三維凝膠結構，從而提高凝膠強度并減少由水分散失造成的蛋白質損失[33]。因而蒸制對蛋白質的結構保留具有積極作用。

2.6 熱處理方式及程度對蝦肉蛋白質巰基含量的影響

圖5 不同熱處理方式及程度下蝦肉蛋白巰基含量的變化差異Fig.5 Changes of protein sulfhydryl content of prawn meat under different heat treatment methods and degrees

巰基含量是衡量蛋白質結構變化及熱處理過程中氧化程度的重要指標，其變化與蛋白質結構的穩(wěn)定性及蛋白質的氧化程度密切相關。

不同熱處理方式及程度對蝦肉蛋白巰基含量的影響如圖5所示。由圖5可以看出，總巰基和游離巰基含量基本隨溫度的增加而降低，其中烤制過熱處理的總巰基含量和游離巰基含量最低，分別為3.77 nmol/mg pro和1.01 nmol/mg pro。過熱程度下，蒸制處理總巰基含量為12.10 nmol/mg pro，游離巰基含量為3.26 nmol/mg pro；微波處理總巰基和游離巰基分別為4.69 nmol/mg pro和1.25 nmol/mg pro。總巰基和游離巰基變化趨勢與Xia[13]等的研究一致。試驗結果表明，相對于蒸制而言，烤制和微波處理后蛋白質結構的變化更為明顯，蛋白質的氧化程度更高，且烤制的氧化程度最劇烈?？局铺幚碓跍囟葹?0 ℃時，總巰基和游離巰基含量均出現(xiàn)先升后降的趨勢，這可能與烤制特殊的傳熱方式相關?？局埔钥諝鉃閭鳠峤橘|，熱處理溫度較高（220 ℃），加熱后，蝦肉的表面由于快速失水而形成致密的結構。而最初保持蝦表面蛋白質結構穩(wěn)定的二硫鍵在高溫熱處理過程中，很可能被破壞并進一步形成巰基[34]，因而在溫度達到60 ℃時，總巰基和游離巰基含量均存在上升的現(xiàn)象。

結合內源熒光光譜和SDS-PAGE結果，表明巰基含量的變化可能是蛋白質分子斷裂和蛋白質氧化反應綜合產生的結果。除了產生二硫鍵和非二硫鍵外，這些過程還可以通過氧化產生亞磺酸，亞磺酸和磺酸等化合物[35]。巰基的氧化還可以生成亞硫酰氯類的產物，或導致蛋白質分解成小分子硫化物[36]。嚴重的蛋白質氧化導致蛋白質斷裂、交聯(lián)和聚集。蛋白質的氧化還會對蛋白質的消化利用產生進一步的影響[37]，這值得進一步探究。

3 結論

本實驗采用蒸制、烤制、微波三種熱處理方式及四種加熱程度（中心溫度60 ℃、70 ℃、80 ℃、過熱）對蝦肉樣品進行處理。結果表明，隨著溫度的升高，蛋白質的結構首先出現(xiàn)延展，然后由于凝膠化而形成相對穩(wěn)定的結構。過度加熱會破壞蛋白質凝膠結構，導致大量水分散失，并且前期由于加熱形成的穩(wěn)定結構也會被破壞。此外，蒸制水分變化情況不顯著，最低為對蛋白質結構的保留最好，且在加熱過程中發(fā)生新的交聯(lián)；烤制的水分散失及結構變化情況次于微波，但是其由于傳熱介質的差異性，蛋白質的氧化情況最為劇烈，當加熱至過度時，游離巰基相對含量由13.62 nmol/mg pro降至1.01 nmol/mg pro，總巰基相對含量由35.61 nmol/mg pro降至3.77 nmol/mg pro；微波的水分散失最為劇烈，水分含量降至12.78%，水分活度為三種加熱方式下的最低值0.40，二級及三級結構表現(xiàn)出的結構崩壞最為嚴重，蛋白質的氧化情況次于烤制。蒸制、烤制和微波加熱條件下，蝦肉蛋白質均發(fā)生不同程度的解鏈、斷裂、交聯(lián)，蒸制對蛋白質的影響相對溫和，烤制的氧化最嚴重的，微波加熱下結構破壞最嚴重。這一結果為探究熱處理過程中蛋白質結構變化與消化性、過敏原性之間的關系提供理論依據。