肌原纤维蛋白占肌肉总蛋白的55%～60%，是肌肉中含量最高的一种蛋白，主要由肌动蛋白和肌球蛋白构成。肌原纤维蛋白的一个重要特性就是在热加工过程中能形成凝胶，对肉制品的保水性、质构和感官等起着至关重要的作用。蛋白氧化对肌原纤维蛋白功能特性的改变是影响肉和肉制品品质的主要因素。植物多酚的介导会影响蛋白质分子间共价键交联，对凝胶保水性、流变学特性、弹性模量、凝胶强度等凝胶特性产生影响，从而影响蛋白凝胶性能。姜黄素是从姜科植物根茎中分离的一种具有二酮结构的多酚化合物，是一种广泛使用的天然活性物质之一。
重庆工商大学环境与资源学院的常海军、石源伟、伯朝英等以猪肉肌原纤维蛋白为对象，创建Fenton氧化体系模拟肉制品的氧化环境，探究不同浓度水平姜黄素对肌原纤维蛋白热诱导凝胶特性的影响，以期为天然多酚类物质在肉制品抗氧化中应用提供一定的理论依据。
1 肌原纤维蛋白凝胶特性分析
1.1 凝胶白度
由图1可知，与空白对照组相比，氧化后凝胶白度变化不显著（P＞0.05），说明5 mmol/L 过氧化氢氧化下，蛋白凝胶白度未受到明显的影响。 但是加入姜黄素后，凝胶白度显著性降低（P＜0.05），且随着姜黄素浓度的增加，凝胶白度降低，5、10、15、20 µmol/L姜黄素处理后，肌原纤维蛋白凝胶白度与氧化对照组相比，分别下降了2.15、6.59、 10.01和11.15，可能与姜黄素与肌原纤维蛋白相互作用有关，姜黄素的加入会导致凝胶保水能力的增加，即凝胶三维网络结构内的结合水较多，相对而言肌原纤维蛋白表面的自由水含量降低，导致光折射能力下降进而L*值降低，最后导致凝胶白度的降低，其次可能是因为姜黄素是一种自带黄色程度较深的天然植物多酚类物质， 虽然添加的量不多但也会影响凝胶的红绿度（a*）和黄蓝度（b*）值，进而影响其凝胶白度。研究发现一些植物多酚的加入会产生蛋白凝胶白度下降的现象。
1.2 蒸煮损失与保水性
如图2和图3所示，与空白对照组相比，氧化后凝胶蒸煮损失显著性增加（P＜0.05），增加了58.18%，凝胶保水性显著性降低（P＜0.05），降低了15.35%。而姜黄素的添加正好可以减少蒸煮损失的增大与保水性的降低，且随着姜黄素浓度的增加，对凝胶蒸煮损失的降低和保水性的提高更明显，当姜黄素浓度为20 µmol/L时，与氧化对照组相比，凝胶蒸煮损失降低了18.61%，凝胶保水性提高了32.31%。该现象可能由以下原因造成：首先，姜黄素是二酮结构的多酚化合物，在一定程度上可以抑制蛋白的氧化，且自身的羟基结构具有良好的亲水能力，因而姜黄素的添加可以降低其凝胶的蒸煮损失和提高保水性；其次，姜黄素的添加会引起肌球蛋白的解离，提高体系内离子强度，通过静电相互作用力增强其凝胶的水合作用，使凝胶网络结构更加紧密，提高其保水能力，从而降低蒸煮损失。
1.3 凝胶强度
由图4可知，空白对照组的凝胶强度显著性高于氧化组（P＜0.05），说明5 mmol/L 过氧化氢氧化体系下产生的羟自由基会导致蛋白质原有的结构改变，使得蛋白凝胶成形性降低，这与前人的研究结果一致。而当加入姜黄素之后，肌原纤维蛋白凝胶强度迅速增加，甚至凝胶强度高于空白对照组，5、10、15、20 µmol/L姜黄素处理后，凝胶强度与空白对照组相比分别上升了132.72%、156.41%、170.67%、183.20%，说明姜黄素的加入可以防止羟自由基损坏肌原纤维蛋白凝胶且大大提高肌原纤维蛋白凝胶性能。这可能是因为姜黄素的加入可以提高蛋白质的溶解度，从而使参与蛋白质成胶的大分子物质更多，使得凝胶强度更大；其次姜黄素的加入可以提高凝胶持水性，所以此时凝胶更加饱满，结构更加稳定致密，故而姜黄素的添加有更强的凝胶强度。
1.4 凝胶质构
不同处理方式对肌原纤维蛋白全质构影响如表1所示。与空白对照组相比，氧化后凝胶的硬度、弹性、凝聚性、胶黏性、咀嚼性和回弹性均出现了显著性降低的趋势，其中硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性分别降低了28.36%、68.53%、34.77%、37.70%。
由表1可知，凝胶的硬度随着姜黄素浓度的增加整体呈上升趋势（P＜0.05），其中胶黏性、咀嚼性与硬度的变化趋势一致，说明姜黄素的添加有利于凝胶的形成。不同姜黄素添加量对凝胶改善程度也有所不同，当姜黄素浓度为20 µmol/L时，与氧化对照组相比，凝胶硬度、弹性、凝聚性、胶黏性和咀嚼性分别提高了31.08%、8.89%、9.09%、39.88%、55.55%。这可能是因为姜黄素含有2 个邻甲氧基酚基、2 个烯酮基和1 个酮烯醇的结构，具有较强的亲水能力，使得水合作用更强，从而增加了凝胶特性。
2 肌原纤维蛋白凝胶动态流变学特性
如图5所示，氧化对照组和空白对照组以及样品组在40～50 ℃热诱导下凝胶储能模量均出现了相似的上升趋势，此时为肌球蛋白溶液中重酶解肌球蛋白（肌球蛋白头部）的变性开始，肌球蛋白头部通过二聚作用开始聚集，在二硫键和非共价键的作用下形成具有弹性的蛋白凝胶网络结构，而50～60 ℃热诱导凝胶储能模量又呈现出下降的现象，此时为酶解肌球蛋白轻链的变性温度，肌球蛋白尾部的解螺旋导致蛋白质的流动性增大，破坏了蛋白质的凝胶网络结构 。 当温度超过60 ℃时，蛋白质因热变形而展开、折叠、交联，形成不可逆的凝胶网络结构，表现为G’的持续上升 。
氧化对照组和其他处理组相比，在第一个拐点处（43 ℃左右）之前，蛋白 G’均低于其他处理组，这可能是因为在低温条件下蛋白凝胶结构主要由蛋白质之间的相互作用所影响，而氧化后加速了蛋白质的变性速率，使得蛋白质来不及形成凝胶网络结构，因而在20～43 ℃氧化对照组的G’高于氧化对照组及空白对照组，同时氧化对照组也高于空白对照组，说明一定的氧化程度有助于蛋白凝胶的形成，可能是因为在一定的氧化条件下会使得蛋白质产生更多的共价键，尤其二硫键的形成有利于蛋白凝胶化，这一研究结果’更低，加入姜黄素后可以促进蛋白质与蛋白质以及姜黄素与蛋白质之间的相互作用，促进了凝胶网络结构的形成。而当温度高于43 ℃后，添加姜黄素的肌原纤维蛋白凝胶的可能是因为研究选择的氧化体系中双氧水浓度不同。肌原纤维蛋白热诱导凝胶G”的变化趋势与G’一致，当加热到50 ℃左右时达到第一个最大峰，从50～65 ℃急剧下降，之后随着温度的升高G”逐渐上升（图6）。整个热诱导加热过程中，G’始终高于G”，说明蛋白热诱导形成的凝胶是一个弹性相对较强的蛋白凝胶。
3 肌原纤维蛋白凝胶分子间作用力
如图7所示，肌原纤维蛋白氧化后，离子键和氢键分别下降了20.97%、28.34%，而疏水性作用力、二硫键和非二硫键则显著性上升了27.36%、45.25%、59.95%（P＜0.05），这主要是因为氧化后蛋白质表面的净电荷数会减少，进而减少其表面的离子强度，蛋白质之间的相互斥力减弱，蛋白质的三级网络结构遭到破坏；其次由于氧化系统中的羟自由基会攻击肌原纤维蛋白的氨基酸侧链，降低氢键的含量；此外，氧化也会导致肌原纤维蛋白表面疏水性的增强和二硫键含量的升高。与氧化对照组进行比较，添加姜黄素都显著性降低了由于氧化带来的负面影响，增强了离子键、氢键的相对含量而降低了表面疏水性、二硫键和非二硫键相对含量。这些可能都与姜黄素的添加中和了氧化体系中羟自由基以及其他部分的自由基因子，缓解了肌原纤维蛋白的氧化相关，说明姜黄素可以较好地缓解肌原纤维蛋白的氧化，同时有利于稳定蛋白质结构，但是从加入姜黄素后的4 个处理组可以看出，姜黄素添加量对蛋白质离子键、氢键、表面疏水性的影响较大而对二硫键和非二硫键的影响较小，这可能是因为前三者的相对含量基数较大。
4 肌原纤维蛋白凝胶微观结构
肌原纤维蛋白的有序聚集形成了凝胶网络结构，通过扫描电子显微镜可以直观地观察出凝胶的微观结构，包括凝胶的三维网状结构，如多孔性、疏松性等，通常情况下凝胶网络结构的致密性和凝胶的保水性有着密切的关系，可以进一步反映出凝胶的特性。如图8所示，空白对照组的凝胶结构呈现出连续的蛋白质网络结构，孔洞较小、结构紧密，而氧化后凝胶结构变得疏松，空隙变大且多，这可能是因为氧化促进了部分蛋白质的交联聚集，破坏了凝胶的网络结构。随着添加姜黄素浓度的增加，肌原纤维蛋白凝胶结构逐渐得到恢复，空隙变小且更加致密，当姜黄素浓度达到15 µmol/L时凝胶结构几乎与空白组无明显差别，这可能是因为姜黄素的加入消耗了氧化体系中了羟自由基，减少了蛋白质的氧化，也有可能是因为姜黄素与肌原纤维蛋白发生了某些交联反应，形成了更加稳定、连续的网络结构，进而具有较强的凝胶强度。同时也可以得出在该研究浓度范围内，高浓度姜黄素有利于凝胶网络结构的形成。
5 肌原纤维蛋白凝胶电泳
利用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）技术对蛋白氧化及添加姜黄素后所引起的蛋白交联情况进行分析。由图9可知，肌原纤维蛋白中的肌球蛋白重链（MHC）在非还原条件下氧化12 h后明显减少，且肌动蛋白（Actin）条带变淡，同时浓缩胶顶部颜色明显加深，说明大分子聚集物显著增多，而在还原条件下，绝大多数的MHC得以恢复，且浓缩胶顶部的大分子聚集物大部分消失，这表明由氧化引起的蛋白质交联聚集行为主要是由MHC通过二硫键形成大分子物质引起。
在氧化环境中，姜黄素的添加并不能完全阻止蛋白质的聚集，甚至低浓度条件下（5、10 µmol/L姜黄素）与氧化对照组无论是MHC、Actin，还是浓缩胶顶部的聚集情况都相差不大，但是当浓度达到20 µmol/L时，可以清晰看到浓缩胶顶部的聚集物质较少。 加入β-巯基乙醇还原后MHC和Actin条带均得到恢复，表明大部分聚合物都是通过二硫键相互作用形成的，同时还原后浓缩胶顶部仍然还有少量的聚集物存在，说明形成的大分子聚集物除了以S—S形式形成外还存在非二硫键。 通过SDSPAGE可以看出姜黄素对氧化引起的蛋白质凝胶聚集行为具有一定的改善作用。
6 各指标间相关性分析
采用相关性热图分析肌原纤维蛋白凝胶各指标之间的相关程度见图10。结果表明，凝胶白度与保水性和凝胶强度呈负相关，蒸煮损失与凝胶质构各指标影响都呈负相关。另外，凝胶分子间疏水键、二硫键和非二硫键与凝胶保水性、凝胶强度和质构都呈负相关，这说明蛋白凝胶形成过程中，分子间作用力对凝胶网络结构的形成以及凝胶三维网状结构中水分的保持具有重要作用，可作为评价蛋白凝胶形成过程中的动态力学聚集过程。
结论
氧化条件下添加姜黄素可使猪肉肌原纤维蛋白凝胶白度显著降低，促进凝胶强度和保水性的增加以及改善凝胶质构特性，可减缓由氧化而引起的凝胶蒸煮损失的增加；姜黄素的添加可以促进凝胶G’和G”增加；添加姜黄素增加了凝胶蛋白分子间离子键和氢键的相对含量，而降低了表面疏水性、二硫键和非二硫键相对含量；氧化后凝胶微观结构变得疏松、多孔、不结实，而加入姜黄素后凝胶微观结构得到恢复，高浓度姜黄素（15～20 µmol/L）可使肌原纤维蛋白凝胶微观结构恢复至未氧化状态，在一定程度上可以缓解蛋白质由于氧化导致的聚集情况；姜黄素对肌原纤维蛋白凝胶的调控表现为浓度效应，在一定浓度范围内，随着姜黄素浓度的增加，对肌原纤维蛋白凝胶的形成有一定的促进作用，浓度越高更有利于提高肌原纤维蛋白凝胶特性。适量的姜黄素可控制肉品中蛋白质的氧化、提高蛋白凝胶特性，从而增强肉制品的质构特性。
本文《氧化条件下姜黄素对猪肉肌原纤维蛋白理化和凝胶特性的影响》来源于《食品科学》2024年第45卷第8期37-44页，作常海军，石源伟，伯朝英，周文斌，胡渝。DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20230709-083。点击下方阅读原文 即可查看文章相关信息。
实习编辑：安宏琳；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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