路晶,王穎,聶文,謝勇,陳博,徐寶才
(合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,安徽 合肥 230031)
我國(guó)是世界豬肉生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),豬肉供應(yīng)以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)為主。豬肉具有肉質(zhì)鮮美、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的特點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn),豬肉中富含各類氨基酸,是人體所需蛋白的良好來(lái)源[1],豬肉從新鮮屠宰到運(yùn)輸至銷售點(diǎn)過(guò)程中,尤其是海外進(jìn)口生鮮豬肉,肉質(zhì)的保鮮及安全問(wèn)題成為重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。冷凍肉品是目前全球最普遍使用的用于長(zhǎng)期運(yùn)輸、貯藏肉品的方法,相應(yīng)也有大量全程低溫冷鏈運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。然而,在低溫冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中,由于低溫冷凍及溫度的不斷波動(dòng),導(dǎo)致肉及肉制品肌肉纖維間隙產(chǎn)生許多冰晶,并隨溫度變化而發(fā)生冰晶聚集、膨大等重結(jié)晶現(xiàn)象,刺穿并擠壓了肌肉組織,導(dǎo)致細(xì)胞汁液流失、色素流失及營(yíng)養(yǎng)流失的現(xiàn)象發(fā)生,同時(shí)還會(huì)造成肉品蛋白質(zhì)變性、脂肪過(guò)度氧化及色澤劣變等不良影響,使肉品整體品質(zhì)下降[2-4]?;谝陨纤?,科學(xué)家及相關(guān)從業(yè)者一直在尋找可以降低肉品冷凍損傷的保護(hù)方法??箖龅鞍资且环N能夠降低溶液冰點(diǎn),卻幾乎不影響其熔點(diǎn)的帶有一定熱滯活性的物質(zhì),將其添加到冷凍肉品中,可以有效抑制冰晶生長(zhǎng)聚集,進(jìn)而減少肉品的滴水損失、營(yíng)養(yǎng)流失[5]。傳統(tǒng)的商業(yè)抗凍劑還會(huì)采用糖類、醇類及鹽類物質(zhì)作為冷凍保護(hù)劑,如蔗糖、山梨糖醇、磷酸鹽等化學(xué)物質(zhì)及其復(fù)配產(chǎn)物。但此類抗凍劑卻有高糖、高熱量及高鹽等健康安全問(wèn)題存在,不符合現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)食品健康的要求。抗凍多肽,以食源性蛋白質(zhì)如明膠、膠原蛋白等物質(zhì)作為原料,通過(guò)酶解得到水解多肽,具有可控、可大規(guī)模生產(chǎn)及安全的特點(diǎn),主要從食用明膠[6-7]、動(dòng)物皮膚組織[8-9]及魚(yú)鱗[10]等副產(chǎn)物中提取,可以顯著提高原料的生產(chǎn)利用率,促進(jìn)綠色環(huán)保事業(yè)發(fā)展,因而成為近年來(lái)有望替代糖類等傳統(tǒng)抗凍劑的有效低溫保護(hù)劑。
本研究中,用堿性蛋白酶水解豬皮明膠得到酶解物,將其超濾得到一個(gè)具有抗凍活性的組分,并將該組分注射到豬肉中,以空白組、未冷凍組及商業(yè)抗凍劑組作為對(duì)照,通過(guò)測(cè)定豬肉解凍損失探究其對(duì)肌肉的影響,通過(guò)十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)來(lái)探究肌原纖維蛋白的降解情況,通過(guò)拉曼光譜、熒光光譜分析蛋白二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)情況,檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)豬皮明膠肽的抗凍活性及其對(duì)肌肉的冷凍保護(hù)作用。
豬皮明膠B:漯河市五龍明膠有限公司;堿性蛋白酶(264 U/g):諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;蔗糖(食品級(jí)):成都太古糖業(yè)有限公司;氯化鈉、氯化鎂、乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙酸[ethylenebis(oxyethylenenitrilo)tetraacetic acid,EDTA]、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、山梨糖醇、哌嗪-1,4-二乙磺酸(piperazine-1,4-bisethanesulfonic acid,PIPES):中國(guó)索萊寶試劑有限公司;乙腈、濃鹽酸:中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)。以上試劑均為分析純。
YP6001N電子天平:上海精密科學(xué)儀器有限公司;HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋:常州國(guó)華電器有限公司;Masterflex Model 07514-10 超濾機(jī):Pall公司;FD-1A-50冷凍干燥機(jī):北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器公司;HCS321Gi-Y冷臺(tái)電子顯微照相系統(tǒng):Instec公司;GL-21M高速冷凍離心機(jī):湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司;FA25高剪切乳化機(jī):上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司;LabRam HR Evoulation顯微共焦激光拉曼光譜儀:法國(guó)Horiba Jobin Yvon公司;F-7100熒光光譜儀:日本日立公司。
1.3.1 抗凍活性檢測(cè)體系的確定
冷-熱循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)與多倍低溫顯微鏡和電子拍照系統(tǒng)聯(lián)合使用,檢測(cè)提取所得抗凍肽的抗凍活性。整個(gè)操作過(guò)程中,利用液氮來(lái)維持試驗(yàn)所需的低溫環(huán)境,并以50℃/min的降溫速率,將放置樣品的樣品槽急速降溫至-60℃,平衡5 min。測(cè)定冰晶大小時(shí),將每組樣品都溶解于生理鹽水中,并吸取5 μL置于載玻片上,隨后將載玻片快速放入冷臺(tái)樣品槽中封好,再以10℃/min的速率將樣品升溫至-8℃,保留30 min,以觀察冰晶的生長(zhǎng)狀況。利用多倍顯微鏡觀察樣品中冰晶的變化,并用電子拍照系統(tǒng)實(shí)時(shí)拍照記錄冰晶生長(zhǎng)情況,隨后,利用ImageJ軟件記錄并計(jì)算樣品中生長(zhǎng)的冰晶平均直徑,若樣品中的冰晶平均直徑、數(shù)目對(duì)比空白對(duì)照組(生理鹽水)有明顯改善,則說(shuō)明該樣品抑制冰晶生長(zhǎng)的抗凍活性較高。多倍顯微鏡放大100倍來(lái)記錄。
1.3.2 抗凍多肽的超濾截留
向豬皮明膠中加入堿性蛋白酶,酶與豬皮明膠比為 1∶50(mL/g),pH9.0,37 ℃酶解 3 h,結(jié)束時(shí)將酶解液置于沸水浴中加熱至沸10 min以完全滅活蛋白酶。酶解物冷凍干燥得到粉末后,以1∶2(g/mL)的比例溶于蒸餾水中,形成穩(wěn)定的溶液。將溶液先用纖維濾膜過(guò)濾,除去不溶的雜質(zhì)顆粒,以免堵塞過(guò)濾柱。將過(guò)濾后的豬皮明膠酶解物(pigskin gelatin hydrolysate,PGH)溶液利用超濾機(jī),分別用10 kDa分子量截留柱、3 kDa分子量截留柱和1 kDa分子量截留柱超濾。最后,將截留得到的蛋白質(zhì)濾液分別獨(dú)立分裝,進(jìn)行冷凍干燥,并將所得到的粉末裝入自封袋,做好標(biāo)記,以備后續(xù)試驗(yàn)使用。之后,將每個(gè)組分的樣品放置于冷臺(tái)觀察冰晶的生長(zhǎng),以冰晶的平均尺寸來(lái)表示其抗凍活性的大小。將抗凍活性最好的組分以4 mL/100 g注射到豬肉塊[每塊質(zhì)量為(30±0.5)g]中,放置于-20 ℃冰箱 24 h,并過(guò)夜解凍,進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)測(cè)定。本試驗(yàn)中將樣品分為4組:未冷凍組、空白組(冷凍,樣品不處理)、商業(yè)抗凍劑組(4 mL/100 g山梨糖醇+4 mL/100 g蔗糖)和抗凍肽組(4 mL/100 g的抗凍肽)。
1.3.3 肌原纖維蛋白(myofibrillar protein,MP)的提取
采用Li等[11]的方法提取豬肉肌原纖維蛋白。分別稱取各組經(jīng)解凍樣品后(100±5)g,用4倍體積的分離緩沖液(0.1 mol/L NaCl,2 mmol/L MgCl2,1 mmol/L EGTA,10 mmol/L NaH2PO4/Na2HPO4,pH7.0)混合,放入均質(zhì)機(jī)均質(zhì)。將混合的豬肉肉糜勻漿液在2 000×g、4℃條件下離心15 min,去除沉淀,刮去上層脂肪部分及底層結(jié)締組織,收集剩余部分,重復(fù)3次。將得到的沉淀用4倍緩沖液(0.1 mol/L NaCl,10 mmol/L磷酸鈉緩沖液,pH7.0)再次分散,在 2 000×g、4℃條件下離心 15 min,棄去上清取沉淀,重復(fù)洗滌3次。參照李春強(qiáng)[12]的方法,在最后一次離心前,利用0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)混合液pH值為6.25。將蛋白質(zhì)混合液用4層白色紗布過(guò)濾以去除多余結(jié)締組織及脂肪,再離心取沉淀,即得到粗提豬肉肌原纖維蛋白,并將其儲(chǔ)存于4℃冰箱中,在48 h內(nèi)使用。蛋白質(zhì)濃度利用雙縮脲法進(jìn)行測(cè)定,以牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)標(biāo)準(zhǔn)蛋白為參照,調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的濃度。
1.3.4 解凍損失
解凍損失是由豬肉樣品在冷凍前及冷凍后質(zhì)量差占凍前質(zhì)量的百分比來(lái)衡量的。將肉樣在冷凍前進(jìn)行稱重,裝入自封袋中標(biāo)記好,冷凍后將肉樣取出,用廚房用紙擦干肉樣表面的多余水分,此時(shí)再稱重每個(gè)肉樣。測(cè)量解凍損失全程都處于室溫中,并用Kong等[13]提出的公式(1)來(lái)計(jì)算。
式中:m1為冷凍前鮮肉樣品的質(zhì)量,g;m2為冷凍后鮮肉樣品的質(zhì)量,g。
1.3.5 SDS-PAGE凝膠電泳
各組肌原纖維蛋白用PIPES緩沖液稀釋至濃度為1 mg/mL,以1∶5(體積比)的比例與上樣緩沖液混合均勻,沸水加熱10 min。制膠利用預(yù)制膠試劑盒方法進(jìn)行,配制5% 的濃縮膠和10% 的分離膠。制好膠后,用電泳緩沖液注滿電泳槽,濃縮膠中樣品上樣量為10 μL,Marker上樣量為 5 μL。 電泳時(shí),當(dāng)樣品跑濃縮膠時(shí)將電壓調(diào)到80 V,持續(xù)約25 min;當(dāng)跑分離膠時(shí)將電壓調(diào)到110 V,持續(xù)60 min。電泳時(shí),當(dāng)溴酚藍(lán)到達(dá)分離膠接近底部1 cm時(shí),停止電泳。最后,將凝膠用考馬斯亮藍(lán)染色液浸染1 h,然后用蒸餾水浸沒(méi)脫色至蛋白條帶清晰可見(jiàn),拍照記錄。
1.3.6 拉曼光譜
參考Xiong等[14]的方法采用顯微共焦激光拉曼光譜儀測(cè)定樣品。具體操作參數(shù):用532 nm的綠色二極管激光作為激光光源,樣品掃描范圍為400 cm-1~3 600 cm-1,樣品在掃描前先用激光光源照射30 min以去除肉樣中蛋白質(zhì)的熒光背景干擾。每次掃描進(jìn)行10次,采集時(shí)間為25 s,分辨率為2 cm-1,使用內(nèi)標(biāo)對(duì)1 004 cm-1峰處出現(xiàn)的苯丙氨酸殘基進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。具體試驗(yàn)條件:間隙寬度為200 μm,光柵為600 g/mm,采集時(shí)間為10 s,掃描累積為10次,分辨率為2 cm-1,采集計(jì)數(shù)為8。每個(gè)樣品的最終光譜信息通過(guò)Lab Spec 6進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)樣品的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量通過(guò)Alix等[15]描述的方法進(jìn)行量化。
1.3.7 內(nèi)源熒光光譜
蛋白質(zhì)樣品的內(nèi)源熒光光譜采用熒光分光光度計(jì)測(cè)定,參照曹云剛等[16-17]的方法稍加修改。將蛋白溶液用PIPES緩沖液調(diào)至0.2 mg/mL,激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)定為295 nm,狹縫寬度設(shè)定為10 nm,采集區(qū)間設(shè)定為300 nm~400 nm,記錄樣品波長(zhǎng)吸收情況,每組做3次平行。
每組試驗(yàn)樣品為3個(gè),每個(gè)樣品有3份重復(fù),最終取重復(fù)的平均值作為結(jié)果數(shù)據(jù)。本研究中獲得的數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。不同的處理被包括為固定效應(yīng)和重復(fù)作為隨機(jī)效應(yīng)。使用SPSS 19.0(SPSS Inc.,Chicago,USA)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA),并進(jìn)行鄧肯檢驗(yàn)(Duncan)(P<0.05為差異顯著)。
抗凍多肽超濾各組分冰晶情況見(jiàn)圖1和圖2。
圖1 超濾各組分冰晶情況Fig.1 Ice crystal situation diagram of each component of ultrafiltration
圖2 超濾各組分冰晶尺寸大小Fig.2 Ice crystal size of each component of ultrafiltration
圖1和圖2可知,利用超濾系統(tǒng)得到的不同分子量范圍的豬皮明膠抗凍多肽,包含4組樣品:分子量>10 kDa組、3 kDa<分子量≤10 kDa組、1 kDa<分子量≤3 kDa組和分子量<1 kDa組。經(jīng)過(guò)冷臺(tái)的冰晶大小觀察,發(fā)現(xiàn)1 kDa<分子量≤3 kDa組的豬皮明膠抗凍多肽冰晶的平均尺寸最小,為(83.28±2.13)μm。而以生理鹽水作為空白對(duì)照組的冰晶尺寸則達(dá)到(145.27±5.15)μm,幾乎為1 kDa<分子量≤3 kDa組豬皮明膠抗凍多肽的冰晶尺寸的兩倍。由此可以得出結(jié)論,經(jīng)超濾分離得到的1 kDa<分子量≤3 kDa組的豬皮明膠抗凍多肽的抗凍活性最好,后面將選取1 kDa<分子量≤3 kDa組的抗凍多肽來(lái)繼續(xù)進(jìn)行分離。
解凍損失通常會(huì)影響肉類和肉制品的各個(gè)方面,如外觀、感官品質(zhì)、質(zhì)量變化和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[3]。肉品的解凍損失同時(shí)也反映了其保水性的好壞,而保水性直接影響了肉品的嫩度、肉質(zhì)、顏色及風(fēng)味等食品感官品質(zhì)。不同處理組的肌肉解凍損失見(jiàn)圖3。
圖3 不同處理組的肌肉解凍損失Fig.3 Thawing loss of each muscle in different treatment groups
由圖3可以看出,空白組樣品經(jīng)冷凍后的解凍損失顯著高于其他處理組樣品,這可能是由于空白組缺乏抗凍劑保護(hù),大冰晶的生成損傷了肌肉組織及部分肌肉細(xì)胞,導(dǎo)致更多的細(xì)胞汁液、水分等流失。然而豬皮明膠多肽的添加可以顯著減少冷凍肉的解凍損失,與商業(yè)抗凍劑組相比,凍融循環(huán)后添加抗凍肽組肌肉的解凍損失較低(P<0.05)。 根據(jù)Wang等[18-19]的研究表明,豬皮明膠抗凍多肽具有高度靈活的二級(jí)結(jié)構(gòu),當(dāng)它接近冰晶與水的界面時(shí)可以調(diào)整其骨架的構(gòu)象并重新排列其含氧基團(tuán)以利于吸附在冰面上。豬皮明膠抗凍多肽的這一特性意味著抗凍多肽在冷凍過(guò)程中也與水分子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合到冰晶表面,抑制其再結(jié)晶過(guò)程,同時(shí)形成細(xì)小均勻的冰晶。因此,大冰晶膨脹的現(xiàn)象大幅減少,對(duì)細(xì)胞膜的刺穿少,肌肉組織的保水能力得以保留,從而減少了冷凍肉的解凍損失。
通過(guò)測(cè)定肌原纖維蛋白的SDS-PAGE結(jié)果,可以了解到經(jīng)不同處理的豬肉肌原纖維蛋白在冷凍后的蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)及降解情況。各組的SDS-PAGE結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同處理組的肌原纖維蛋白SDS-PAGE凝膠電泳圖Fig.4 SDS-PAGE gel electrophoresis of myofibrillar protein in different treatment groups
由圖4可知,豬肉肌原纖維蛋白的主要電泳條帶為肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain,MHC,245 kDa),肌動(dòng)蛋白(42 kDa),原肌球蛋白(36 kDa)和肌球蛋白輕鏈(myosin light chain,MLC,20 kDa~30 kDa),此結(jié)果與Cai等[20]的研究結(jié)論一致。各組的MHC和肌動(dòng)蛋白的條帶顏色最深、最寬,說(shuō)明肌原纖維蛋白主要是由肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白所構(gòu)成的。在4組處理中可以看出,空白對(duì)照組的MHC、MLC條帶和肌動(dòng)蛋白條帶的顏色明顯低于其他各組,而在電泳道上樣時(shí),每個(gè)泳道的蛋白量是相同的,由此可以推出,在冷凍解凍后空白組中蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象發(fā)生了改變,導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子聚集并立即降解[21]。同時(shí),由于空白組的肌原纖維蛋白在冷凍時(shí)沒(méi)有抗凍劑的保護(hù),使冰晶不斷生長(zhǎng)、聚集,對(duì)肌原纖維蛋白產(chǎn)生擠壓、斷裂等機(jī)械損傷,破壞了肌肉組織及細(xì)胞的完整性和穩(wěn)定性,使蛋白質(zhì)發(fā)生氧化、變性及降解,造成電泳條帶顯著淺于其他處理組。相比之下,抗凍多肽組的MHC、MLC及肌動(dòng)蛋白條帶顏色與未冷凍組最為接近,且肌動(dòng)蛋白條帶顯著深于商業(yè)抗凍劑組,因此可以推斷,經(jīng)豬皮明膠抗凍多肽處理的豬肉肌原纖維蛋白,可以在冷凍后保持較高的完整性,有效抑制肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白的聚集、氧化及降解。
不同處理組樣品的拉曼光譜(400 cm-1~3 600 cm-1)結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同處理組的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of different treatment groups
圖6 不同處理組的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量情況Fig.6 The secondary structure content of different treatment groups
從圖6中可以觀察到,除未冷凍組外,添加抗凍多肽的肌原纖維蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)中的α-螺旋含量最多,為29.19% ,且明顯高于空白組和商業(yè)抗凍劑組,而無(wú)規(guī)卷曲的含量則最低,由此可知,添加抗凍多肽的豬肉樣品肌原纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)在凍融后能最好地保持其規(guī)律性、完整性。這可能是因?yàn)榭箖龆嚯牡奶砑右种屏素i肉肌肉組織及細(xì)胞在冷凍過(guò)程中形成的大冰晶,從而最大限度地減少了對(duì)肌原纖維蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的冷凍損傷破壞。因此,向豬肉中添加抗凍多肽可以有效保護(hù)豬肉肌原纖維蛋白的完整性,顯著提高其α-螺旋含量,保留肌原纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)完整性、穩(wěn)定性。
內(nèi)源熒光因其主要激發(fā)色氨酸殘基,可以監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)的氨基酸殘基及周邊微環(huán)境的變化,因此可以用來(lái)表征蛋白三級(jí)構(gòu)象的變化情況[24]。各組樣品的熒光光譜情況如圖7所示。
圖7 不同處理組的內(nèi)源熒光光譜圖Fig.7 Endogenous fluorescence spectra of different treatment groups
由圖7可以看出,4組樣品的最大熒光強(qiáng)度都出現(xiàn)在334 nm波長(zhǎng)處,由此說(shuō)明每組的肌原纖維蛋白的色氨酸殘基都處于相對(duì)疏水環(huán)境下。在4組樣品中,除了未冷凍組,抗凍多肽組的最大熒光強(qiáng)度明顯高于商業(yè)抗凍劑組和空白對(duì)照組,而空白對(duì)照組的最大熒光強(qiáng)度最低。由先前的研究中發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)的熒光強(qiáng)度較弱可能是由羥自由基氧化所導(dǎo)致,羥自由基通過(guò)攻擊蛋白質(zhì)的肽鏈,使蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象展開(kāi),暴露了埋藏于內(nèi)部的色氨酸殘基,導(dǎo)致蛋白分子表面色氨酸殘基含量增加,使能夠被激發(fā)的內(nèi)源性色氨酸含量減少,最終導(dǎo)致蛋白熒光強(qiáng)度下降[25]。因此,空白組的熒光強(qiáng)度下降可能是由于冷凍期間冰晶的生長(zhǎng)帶來(lái)的機(jī)械損傷、氧化損傷等,致使肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)被展開(kāi),內(nèi)源性色氨酸熒光強(qiáng)度相應(yīng)下降。以上結(jié)果表明,豬肉中添加豬皮明膠抗凍多肽可以有效緩解冷凍過(guò)程中肌原纖維蛋白的氧化損傷,降低蛋白的變性程度。
將豬皮明膠酶解物經(jīng)超濾分離的方法,得到的1 kDa~3 kDa組分抗凍活性最強(qiáng),冰晶尺寸最小。向豬肉中添加4 mL/100 g豬皮明膠抗凍多肽,其肌肉解凍損失顯著降低,同時(shí)也抑制了肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白的降解,肌原纖維蛋白在冷凍過(guò)程中因冰晶生長(zhǎng)帶來(lái)的擠壓、斷裂等產(chǎn)生的氧化、聚集得到了明顯改善,保持了肌原纖維蛋白的二、三級(jí)結(jié)構(gòu)的完整性。豬皮明膠抗凍多肽可以作為冷凍保護(hù)劑添加到豬肉中,在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的糖類商業(yè)抗凍劑應(yīng)用于肉類工業(yè)中具有一定的合理性和潛力。