刺參體壁酶促溶性膠原蛋白的熱變性

傅寶尚，侯紅漫，張公亮，畢景然

（大連工業(yè)大學食品學院，遼寧 大連 116034）

刺參（），屬棘皮動物門（Echinodermata），游走亞門（Eleutherozoa），海參綱（Holothuroidea），木盾手目（Aspidochlrota），刺參科（Stichopodidae），仿刺參屬。刺參屬于溫帶參種，是國內(nèi)典型的海珍產(chǎn)品，產(chǎn)量大、營養(yǎng)價值高，主要分布在北太平洋的淺海區(qū)域。2020年，我國刺參養(yǎng)殖產(chǎn)量高達17.17萬 t。

體壁是刺參主要可食用部分，由上皮組織、真皮結締組織以及大量細小的鈣質骨片組成。研究發(fā)現(xiàn)，刺參體壁在熱加工過程中，存在著動態(tài)機械特性變化，其硬度和彈性等物理特性變化有著明顯的溫度-時間效應關系。低溫加熱時，刺參隨著加熱溫度的升高或時間的延長，硬度繼續(xù)降低，彈性持續(xù)上升；在高溫加熱時，刺參組織坍塌，最終變得軟爛，降解，融化，失去原有形態(tài)。

刺參體壁中蛋白質（多肽）含量豐富，約占干刺參體壁質量的90%，其中70%以上為膠原蛋白。刺參體壁膠原蛋白屬于I型膠原蛋白，分子質量一般約為300 kDa左右，是由2 條相同的(I)肽鏈和一條(I)肽鏈以氫鍵結合，互相纏繞形成的右手三股螺旋結構，即[(I)](I)。膠原蛋白分子的熱變性溫度（）決定了其熱穩(wěn)定性，且膠原蛋白具有“可逆”或“不可逆”變性的雙重特征?！翱赡妗弊冃灾饕憩F(xiàn)為，膠原蛋白分子在低強度加熱條件下，二級結構雖發(fā)生變化，但在冷卻后又可復性成天然三螺旋結構，互相交聯(lián)成網(wǎng)絡結構。而“不可逆”變性指膠原蛋白分子多肽鏈在高強度的加熱條件下直接降解，生成明膠，溶解度增大，從而失去原有形態(tài)。由此可見，刺參體壁的熱力學動態(tài)機械變化可能與膠原蛋白的熱變性行為有關。

本研究從刺參體壁中提取了酶促溶性膠原蛋白（pepsin-solubilized collagen，PSC），之后分別采用差示掃描量熱、傅里葉紅外光譜、圓二色譜、高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）、十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）技術研究刺參體壁PSC的熱穩(wěn)定性，并探究熱處理后PSC的凝膠形成能力及凝膠過程中的分子間作用力，以期揭示刺參體壁膠原蛋白在熱處理過程中的變化機理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

刺參購自遼寧大連當?shù)睾ｕr市場。

異丙醇、硫酸鈉、丙二醇（propylene glycol，PG）、二硫蘇糖醇（1,4-dithiothreitol，DTT）、-乙基馬來酰亞胺（-ethylmaleimide，NEM） 生工生物工程（上海）股份有限公司；丙烯酰胺、,-亞甲基雙丙烯酰胺、,,,-四甲基乙二胺、電泳標準蛋白Marker大連寶生物科技有限公司；乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）、NaCl、DO、鹽酸、氫氧化鈉、乙酸及其他試劑（均為分析純） 天津市天河化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

差示掃描量熱儀 法國塞塔拉姆儀器公司；J-810圓二色光譜儀 日本分光公司；傅里葉紅外光譜儀 美國珀金埃爾默公司；SCL-10AVP高效液相色譜儀 日本島津公司；電泳儀、MF-ChemBIS 2.0凝膠成像儀 日本ATTO公司；TA.XT.plus食品物性測試儀 北京微訊超技儀器技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 刺參體壁PSC的提取

取刺參100 g（去除內(nèi)臟，清洗干凈），加入去離子水后勻漿，13 600 r/min離心10 min，棄去上清液。取得沉淀，加入1 L Tris-HCl緩沖液（0.1 mol/L，pH 8.0，含5 mmol/L EDTA，0.5 mol/L NaCl）攪拌過夜。13 680 r/min離心10 min后取沉淀，加入去離子水清洗至中性后，再加入0.8 L去離子水，攪拌72 h。將懸浮液9 500 r/min離心5 min，得到的上層清液為含粗膠原纖維的混合溶液。17 300 r/min離心30 min取沉淀，按料液比1∶500（g/mL）加入0.1 mol/L NaOH溶液，攪拌72 h（其間每隔24 h換一次溶液）。17 300 r/min再次離心10 min后取沉淀，加去離子水反復清洗至中性后，凍干得粗膠原纖維。

將凍干的粗膠原纖維溶于0.5 mol/L乙酸溶液，料液比1∶500（g/mL），加入胃蛋白酶（加酶量為底物質量的14%），攪拌72 h。17 300 r/min離心20 min，取上清液。向上清液中緩慢加入4 mol/L NaCl溶液，直至濃度達到0.8 mol/L，靜置過夜。13 600 r/min離心5 min取沉淀。將沉淀溶于少量0.5 mol/L乙酸溶液中，透析48 h（透析液為0.02 mol/L NaHPO-NaHPO）。13 600 r/min離心20 min后取沉淀，經(jīng)凍干得到PSC。

1.3.2 刺參體壁PSC變性溫度的測定

向0.012 5 g PSC凍干樣品中加入250 μL去離子水，以250 μL去離子水為空白，應用差示掃描量熱儀對其變性溫度（）進行測定，升溫速率為1 ℃/min。

1.3.3 熱處理過程中刺參體壁PSC結構變化分析

1.3.3.1 圓二色譜分析

以0.2 mol/L乙酸溶液配制PSC懸濁液（終質量濃度為0.02 mg/mL），分別于4、20、30、40、50、60、70、80、90、100 ℃保溫2 h后進行圓二色譜測定，掃描范圍190～260 nm，分辨率2 nm，掃描速率100 nm/min，狹縫寬度2 nm，響應時間0.5 s。

1.3.3.2 傅里葉紅外光譜分析

以DO配制PSC懸濁液，終質量濃度為0.5 g/L，注入CaF液體池中加熱，以5 ℃為初始溫度，1 ℃/min勻速升溫，每上升5 ℃恒溫10 min，并進行傅里葉紅外光譜測定（分辨率2 cm，測定范圍4 000～400 cm），直至70 ℃。選取酰胺I帶（1 700～1 600 cm）區(qū)域進行紅外圖譜分析。以1 700 cm和1 600 cm兩波數(shù)點為基點進行基線相互校正。采用Omnic 6.0軟件（Thermo Electron Corporation，Madison，WI，USA）對譜圖進行平滑（平滑系數(shù)為5，峰寬9.642 cm）及傅里葉自去卷積處理（峰寬36.5 cm，分辨增強系數(shù)2.6）。

1.3.4 熱處理過程中刺參體壁PSC降解作用分析

1.3.4.1 HPLC分析

以0.01 mol/L NaHPO-0.1 mol/L NaSO緩沖溶液（含0.1 g/L SDS）制備終質量濃度為1 mg/mL的PSC溶液，分別于20、40、60、80、100 ℃保溫2 h后，13 680 r/min離心30 min，取上清液過0.45 μm水系膜，采用HPLC法確定PSC熱處理過程中分子質量的變化規(guī)律，以未加熱樣品作為對照組。TSK-gel G4000-SWxl（7.8 mm×30.0 cm）凝膠過濾色譜柱，進樣量10 μL；進樣質量濃度1 mg/mL；檢測波長220 nm；流動相為0.01 mol/L NaHPO-0.1 mol/L NaSO緩沖溶液（含0.01 g/L SDS）；洗脫流速0.7 mL/min。分子質量標準品分別選用肌球蛋白（200 kDa）、-半乳糖苷酶（116 kDa）、磷酸酶b（97.2 kDa）、牛血清蛋白（66.4 kDa）、卵清蛋白（43 kDa），分子質量標準曲線為=－0.081 5＋6.170 5（=0.996 9），式中：為保留時間/min，為分子質量的對數(shù)值（lg Da）。

1.3.4.2 SDS-PAGE分析

將PSC樣品溶于上樣緩沖液（8 mol/L尿素，0.5 g/L SDS，0.5 g/L-巰基乙醇，250 mmol/L pH 7.5 Tris-HCl），終質量濃度為1 mg/mL，分別于4、20、30、40、50、60、70、80、90、100 ℃保溫2 h后，13 680 r/min離心30 min，取10 μL上清液進行垂直板SDS-PAGE。5%濃縮膠（7.5 mA），7%分離膠（15 mA），采用SDSTris-甘氨酸系統(tǒng)為電極緩沖液，電泳完畢后，加入75%考馬斯亮藍-乙酸-甲醇溶液染色液振蕩染色過夜后，SDSPAGE脫色液（50%乙醇、9%冰乙酸）脫色，直至條帶清晰，應用Bio-lmaging Systems MF-ChemBIS 2.0的凝膠成像儀成像。

1.3.5 熱處理后刺參體壁PSC凝膠強度測定

將0.012 5 g PSC溶于250 μL超純水，分別于20、30、40、50、60、70、80、90 ℃和100 ℃加熱2 h后，4 ℃垂直靜置24 h，以未加熱樣品作為對照組。采用食品物性測試儀TA.XT.plus測定凝膠強度并利用下式計算相對凝膠強度，P/5探頭，高度設定為20 mm，下行18 mm，下行速率0.5 mm/s，上行速率10 mm/s。

1.3.6 刺參體壁PSC凝膠過程中的分子間的作用力

將0.012 5 g PSC分別加入到250 μL不同含量NEM、DTT、SDS、PG、尿素及NaCl溶液中。70 ℃加熱2 h后，4 ℃垂直靜置24 h，采用食品物性測試儀測定凝膠強度并計算相對凝膠強度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

以上實驗均至少3 組平行。所得數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0進行顯著性分析（＜0.01，差異顯著），并利用Origin 9.0和Excel 2010軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 刺參體壁PSC的變性溫度

刺參體壁中的膠原蛋白為I型膠原蛋白，由-鏈-異三聚體鏈接形成的三螺旋結構組成。三螺旋構象的特征在于重復的甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸（Gly-Pro-Hyp）骨架，其中Pro和Hyp都配備了環(huán)狀結構，可有效增強膠原結構的穩(wěn)定性，另外，Hyp的羥基也可提供有助于穩(wěn)定三螺旋構象的氫鍵。因此，膠原分子結構的穩(wěn)定主要靠-鏈鏈間和鏈內(nèi)氫鍵維持。但膠原蛋白對熱極為敏感，并且會根據(jù)溫度環(huán)境發(fā)生不同的結構變化，一般，膠原蛋白在劇烈受熱（加熱溫度高于變性溫度）時，氫鍵易發(fā)生斷裂，三螺旋結構受損。如圖1所示，刺參體壁PSC的變性溫度為35.3 ℃，說明刺參體壁PSC在溫度高于35.3 ℃受熱時，維持其三股螺旋結構穩(wěn)定性的非共價結合力將減弱，膠原分子解纏繞，分子結構將從有序折疊態(tài)變?yōu)闊o規(guī)卷曲態(tài)，天然構象被破壞。

圖1 刺參體壁PSC的差示掃描量熱結果Fig.1 Differential scanning calorimetric analysis of PSC from the body wall of sea cucumber

2.2 熱處理過程中刺參體壁PSC結構變化

膠原三螺旋結構的圓二色譜特征一般是在225 nm附近有一個正吸收峰，在197 nm附近有一個負吸收峰，但吸收峰的位置會隨著氨基酸序列和長度的變化發(fā)生偏移。對不同溫度處理過的刺參體壁PSC進行圓二色譜測定，結果如圖2所示，對照組PSC樣品具備完整的三螺旋結構，在220 nm處存在正吸收峰，在197 nm存在強烈的負吸收峰。在低于35 ℃處理條件下加熱PSC，樣品吸收峰幾乎無變化，說明此時刺參體壁PSC三螺旋結構仍保持良好；當溫度達到35 ℃后，PSC的三螺旋結構開始解纏繞，從而轉變?yōu)樗缮⒌? 條亞基鏈，正吸收峰完全消失。這一結果與段蕊等研究鏈魚鱗膠原蛋白加熱過程中圓二色譜圖的變化類似，當加熱溫度超過變性溫度時，膠原蛋白的螺旋分子中不穩(wěn)定區(qū)域的螺旋發(fā)生松散，從而引起圓二色譜吸收峰值的變化。

圖2 刺參體壁PSC在熱處理過程中的圓二色譜Fig.2 Circular dichroism analysis of PSC from the body wall of sea cucumber

如圖3A所示，PSC的特征結構吸收峰包括3 305、3 082、1 657、1 559 cm以及1 242 cm，分別歸屬于酰胺A帶N—H伸縮振動（氫鍵）、酰胺B帶N—H非對稱和對稱伸縮振動、酰胺I帶C＝O伸縮振動和N—H彎曲振動、酰胺II帶N—H彎曲振動和C—N伸縮振動，以及酰胺III帶由蛋白酰胺鍵C—N伸縮振動和N—H變形及甘氨酸中—CH基團和脯氨酸側鏈的搖擺振動。

紅外譜圖中酰胺I帶可以良好地表現(xiàn)膠原蛋白三螺旋結構的變化，因此本研究在刺參體壁PSC熱處理過程紅外譜圖數(shù)據(jù)分析的過程中，只選取了1 700～1 600 cm波段的數(shù)據(jù)進行了具體分析。如圖3B所示，可發(fā)現(xiàn)刺參體壁PSC在連續(xù)加熱過程中酰胺I帶吸收強度隨溫度變化而變化，且峰形隨加熱溫度的增大變得平緩且藍移，由此推測，隨著溫度的升高，刺參體壁PSC的三螺旋結構遭到破壞。當加熱溫度超過35 ℃時，即超過變性溫度，膠原蛋白二級結構遭到破壞，其中歸屬于-螺旋結構伸縮振動的1 656 cm處峰值降低最為劇烈，因溫度越高，膠原蛋白變性程度越大，分子內(nèi)各種次級鍵被破壞，高度有序的螺旋結構向無規(guī)卷曲轉變。

圖3 PSC的紅外光譜圖（A）和在連續(xù)加熱過程中1 700～1 600 cm－1波段紅外光譜二階導圖譜（B）Fig.3 FTIR spectra of PSC (A) and second derivative spectra at 1 700-1 600 cm-1 of PSC during heating (B)

2.3 熱處理過程中刺參體壁PSC降解作用

采用HPLC對刺參體壁PSC降解規(guī)律進行分析發(fā)現(xiàn)（圖4A），PSC未處理組樣品分子質量主要分布范圍為362.4～244.4（7.5～9.6 min）、210.3 kDa（10.4 min）及141.8 kDa（12.5 min）。根據(jù)文獻報道，膠原的基本結構是由分子質量為360 kDa的巨型原膠原蛋白分子組成，該分子由3 條-鏈組成的三股螺旋構象（即膠原域），每條-鏈大約有1 000 個氨基酸殘基，分子質量約為120 kDa。由此可見，PSC中包含-鏈、-鏈（雙-鏈折疊）及鏈（3 條-鏈交聯(lián)）3 種結構。當加熱溫度為20～40 ℃時，PSC的分子質量幾乎無變化，說明PSC仍良好持有原有分子構象。當加熱溫度升至60 ℃時，HPLC圖譜中7.5～12.5 min處吸收峰顯著降低，在17.8 min處出現(xiàn)明顯吸收峰，說明受熱影響，-鏈和-鏈逐漸解旋，-鏈開始降解，生產(chǎn)小分子物質（約5.2 kDa）；當溫度達到80 ℃時，PSC樣品中多鏈結構已完全解纏繞；100 ℃時，PSC的大分子基本結構特征已不存在，全部降解為7.6 kDa的多肽物質。

如圖4B所示，進一步采用SDS-PAGE對刺參體壁PSC進行分析，同樣發(fā)現(xiàn)PSC結構中包含-鏈、-鏈及-鏈。60 ℃加熱時，PSC樣品中氫鍵受熱斷裂，-鏈開始解纏繞，條帶顏色變淺；當加熱溫度達到70 ℃時，由雙-鏈折疊形成的-鏈開始水解；80 ℃時，-鏈、-鏈已完全消失，且-鏈中氫鍵也受熱破壞嚴重，降解作用顯著；加熱溫度達90 ℃時，與HPLC結果一致，PSC的大分子肽鏈結構已不存在，推測可能已完全降解為小分子肽，但由于分離膠的濃度較低，所以未能檢出。綜合以上結果說明，加熱溫度超過變性溫度35.3 ℃時，PSC三螺旋結構開始解旋；當加熱溫度超過70 ℃時，-肽鏈逐漸降解成小分子多肽。

圖4 PSC在不同加熱溫度下的降解程度Fig.4 Degradation of PSC during heating

2.4 熱處理后刺參體壁PSC的凝膠強度

對刺參體壁PSC經(jīng)不同溫度加熱后的凝膠形成能力進行分析（圖5）發(fā)現(xiàn)，當加熱溫度低于40 ℃時，PSC的凝膠強度雖顯著增強，但增強幅度較?。ǎ?0%）。根據(jù)文獻報道，當加熱溫度低于變性溫度時，可觸發(fā)膠原單體自發(fā)的原纖維生成過程。一般情況下，膠原原纖維的形成是膠原的固有行為，且膠原單體的自組裝過程基本符合成核和傳播模型理論。核區(qū)是由有限數(shù)量的膠原分子聚集形成，然后隨著長度和直徑的增長發(fā)展成成熟的原纖維。但這種熱驅動的聚集過程與水在膠原分子周圍遷移所產(chǎn)生的熵有關，即隨溫度的升高，膠原蛋白聚集性越強，因此，相鄰膠原分子非極性區(qū)域之間的疏水相互作用將逐漸受限，凝膠強度難以大幅提高。當PSC經(jīng)40～70 ℃加熱后冷卻，凝膠強度顯著增強，其中經(jīng)70 ℃加熱處理后的PSC樣品凝膠強度達到最大，這可能是因為當加熱溫度超過變性溫度后，膠原蛋白的氫鍵和共價鍵被切斷，導致三螺旋結構的展開，隨著二級結構-螺旋到無規(guī)卷曲的轉變，膠原蛋白轉化為可溶性明膠。通過不斷的解聚和延伸，分子位點上的含硫氨基酸逐漸暴露出來。之后，當溫度回到變性溫度以下時，水解的膠原蛋白通過二硫鍵的相互作用發(fā)生不可逆的聚集，從而形成具有三維網(wǎng)絡的穩(wěn)定凝膠。

圖5 刺參體壁PSC經(jīng)不同溫度加熱所制備凝膠的相對凝膠強度Fig.5 Relative gel strength of heat-induced gels of PSC from sea cucumber body wall at different temperatures

2.5 刺參體壁PSC凝膠過程中的分子間作用力

凝膠體系通常靠氫鍵、離子相互作用、疏水相互作用、二硫鍵等不同的分子間作用力或組合維系。本研究分別采用尿素破壞PSC凝膠過程中氫鍵的相互作用，以SDS、PG破壞疏水鍵的作用，以DTT和NEM還原二硫鍵，利用NaCl增強離子鍵作用。如圖6所示，在添加了NEM、DTT、尿素及NaCl后，PSC的凝膠強度隨顯著減弱；而添加SDS和PG的PSC凝膠體系的凝膠強度顯著增強，說明在PSC凝膠形成過程中主要依靠疏水鍵、氫鍵、二硫鍵及靜電斥力的相互作用。二硫鍵是膠原蛋白熱誘導凝膠形成的主要化學鍵之一，凝膠化過程中膠原蛋白頭部的二硫鍵在凝膠形成的過程中起重要作用。Zhong Chan等發(fā)現(xiàn)膠原蛋白具有由12 個保守半胱氨酸殘基形成的6 個二硫鍵，具備穩(wěn)定膠原結構的重要作用，而通過內(nèi)源性基質金屬蛋白酶誘導，可引起I型膠原的明膠水解和降解；此外，Omura等利用葡萄糖氧化酶的作用增加魚糜凝膠中二硫鍵含量，從而提升凝膠效果。氫鍵是膠原蛋白凝膠中數(shù)量極大且對凝膠強度影響最為重要的弱偶極鍵。根據(jù)王嵬等報道，在受熱過程中，PSC肽骨架結構中本用于維持空間結構穩(wěn)定性的羰-酰胺基團間的氫鍵可能發(fā)生斷裂，二級結構被破壞，冷卻時，PSC通過廣泛的水合作用，重新生成氫鍵，從而再次建立穩(wěn)定的蛋白質構象。除此之外，PSC在受熱過程中，肽鏈舒展，大量的非極性基團暴露于水中，而這些疏水結構附近的水分子通過分子間氫鍵定向排列，使得溶膠體系變得有序化，從而引起膠原分子的凝集，在復冷條件下形成凝膠體系。此外，由于膠凝的聚集過程受疏水作用的影響，靜電相互作用在膠原蛋白質聚集過程中通常表現(xiàn)為靜電斥力。

圖6 PSC在不同溶液中形成凝膠的相對凝膠強度Fig.6 Relative gel strength of gels formed from PSC in different solutions

3 結論與討論

海參體壁是典型的可變膠原結締組織，可通過調節(jié)加熱強度控制肌肉組織的質構特性，因此，探究海參膠原蛋白的熱變性及凝膠規(guī)律對提升海參加工品質具有重要意義。通過對刺參體壁PSC受熱過程中性質變化研究發(fā)現(xiàn)，PSC變性溫度為35.3 ℃。當加熱溫度低于變性溫度時，PSC仍可保持良好的三螺旋結構。當PSC受熱溫度為40～70 ℃時，PSC三螺旋結構逐漸解纏繞，二級結構雖然受損，但-肽鏈仍可在冷卻過程中依靠分子間氫鍵和二硫鍵的相互作用重新交聯(lián)，形成強凝膠體系，且凝膠強度隨加熱溫度的升高而增強；當加熱溫度為80～100 ℃時，PSC三螺旋結構解旋完全，-肽鏈降解為小分子多肽，且冷卻后難以所形成強凝膠體系，凝膠強度隨加熱溫度的升高而下降。由以上結果可知，海參熱加工過程中，若加熱溫度為40～70 ℃時，冷卻后的海參仍可保持良好的機械性能；而過高的熱處理溫度（＞80 ℃）極有可能導致海參喪失良好的彈性及咀嚼性。

海參體壁熱加工過程中涉及粗膠原纖維的解旋、水解，膠原蛋白分子的降解、聚集及玻璃化轉化等多種化學過程。本研究針對刺參體壁酶溶性膠原蛋白的熱變性進行研究，并獲得了相應的結果，為研究海參熱加工提供了有力的依據(jù)，但存在科學問題需進一步探索：1）海參體壁結構中除具有膠原蛋白外，還存在大量的黏多糖成分，可利用紅外光譜、圓二色譜等技術，原位探究黏多糖-膠原蛋白動態(tài)互作關系；2）在膠原蛋白溶膠-凝膠過程中，水合作用的消減及增強起到了重要影響，因此，亟需探究膠原蛋白凝膠形成過程中水分子的動態(tài)分布規(guī)律。