汪 蘭，吳文錦，喬 宇，丁安子，廖 李，王 俊，付曉燕，熊光權(quán),*

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心農(nóng)產(chǎn)品加工研究分中心，湖北 武漢 430064；2.武漢設(shè)計工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢 430205）

凍藏條件下魔芋葡甘聚糖降解產(chǎn)物對肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的影響

汪 蘭1，吳文錦1，喬 宇1，丁安子1，廖 李1，王 俊1，付曉燕2，熊光權(quán)1,*

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心農(nóng)產(chǎn)品加工研究分中心，湖北 武漢 430064；2.武漢設(shè)計工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢 430205）

為了研究魔芋降解產(chǎn)物對肌原纖維蛋白冷凍保護的作用機制，以草魚肌原纖維為研究對象，采用紫外光譜、傅里葉紅外光譜和掃描電鏡研究不同的魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）降解產(chǎn)物對冷凍貯藏草魚肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨著貯藏時間的延長，肌原纖維蛋白的最大吸收波長呈紅移，主要由酪氨酸產(chǎn)生，不同的冷凍保護劑均不能保護酪氨酸的暴露。α-螺旋和β-折疊為草魚肌原纖維蛋白主要的二級結(jié)構(gòu)，隨著貯藏時間的延長，α-螺旋結(jié)構(gòu)所占比例上升，β-折疊結(jié)構(gòu)所占比例下降，β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲的含量變化不大。輻照降解KGM和酶解KGM均對草魚肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)有保護作用，穩(wěn)定α-螺旋和β-折疊所占比例；而蔗糖-山梨糖醇促進草魚肌原纖維蛋白中α-螺旋結(jié)構(gòu)形成，不利于β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。顯微觀察的結(jié)果顯示，輻照KGM樣品和酶解的KGM樣品可以延緩蛋白分子的聚集，延緩蛋白出現(xiàn)多孔狀結(jié)構(gòu)，而蔗糖-山梨糖醇樣品凍藏過程保持片層結(jié)構(gòu)。

肌原纖維蛋白；冷凍貯藏；二級結(jié)構(gòu)；顯微結(jié)構(gòu)

我國是世界水產(chǎn)大國，淡水魚產(chǎn)量連續(xù)多年居世界第一位[1]。淡水魚加工產(chǎn)品繁多，其中大宗的加工制品為冷凍魚糜制品，可用于加工仿真食品。冷凍魚糜是一種濃縮的高肌原纖維蛋白，經(jīng)過采肉、漂洗、脫水、加入抗凍劑制成的糜狀魚肉。冷凍低溫貯藏是魚糜廣泛采用的長期冷藏方法，但魚糜蛋白在凍藏過程中容易發(fā)生冷凍變性，導(dǎo)致魚糜品質(zhì)劣化和魚糜蛋白功能性降低，如持水性和水合能力下降、蛋白可溶性和凝膠能力下降等[2]。在冷凍魚糜的加工過程和冷藏中，水分子的運動狀態(tài)改變、冰晶的形成、溶質(zhì)的濃縮會促進魚肉蛋白質(zhì)聚集，超分子作用增強。肌原纖維蛋白是冷凍魚糜的主要成分，其聚集變性會影響冷凍魚糜的品質(zhì)進而影響其后續(xù)加工性能。在魚糜制作過程中，常添加蔗糖和山梨糖醇作為冷凍保護劑，致使甜味較重和熱量高，影響了產(chǎn)品的口味和再加工性能，并限制部分消費群體（如糖尿病、肥胖等群體）[3]。許多學(xué)者已經(jīng)開展了替代小分子冷凍保護劑的研究，其中多糖是有效替代品之一，而目前多糖對蛋白冷凍保護機理尚未明確，本實驗室研究發(fā)現(xiàn)魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）會極顯著延緩冷凍魚肉蛋白質(zhì)的變性，但KGM對蛋白質(zhì)冷凍保護的機理尚未明確。KGM是一種非離子型水溶性高分子多糖。它是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶1.6的分子比例，以β-（1-4）糖苷鍵聚合而成[3]。KGM分子質(zhì)量較大，與水分子的親和性極強，在水溶液中容易聚集，難以均勻分散，需對其分子進行降解后用于魚糜制品。常用的降解方法有酶解法、酸堿降解、輻照降解等[4-8]。

目前有兩種理論解釋低分子質(zhì)量的碳水化合物或者多元醇例如蔗糖、山梨糖醇和乳糖醇對蛋白質(zhì)的冷凍保護機制。Arakawa等[9]認(rèn)為在蛋白溶液中添加糖（乳糖/葡萄糖）會產(chǎn)生的自由能改變使溶質(zhì)從表面排除穩(wěn)定溶質(zhì)，蛋白質(zhì)被優(yōu)先水合。另一方面，Mastsumoto[10]假設(shè)冷凍保護劑分子可以與蛋白質(zhì)中的功能基團通過離子鍵或氫鍵締合，從而代替蛋白質(zhì)極性基團周圍的水分子，這樣可保護氫鍵的連接位置不直接暴露在周圍環(huán)境中，穩(wěn)定蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。與低分子質(zhì)量溶質(zhì)相對的是高分子質(zhì)量的碳水化合物作為冷凍穩(wěn)定劑。MacDonald等[11]認(rèn)為高分子質(zhì)量的聚合物作為冷凍穩(wěn)定劑是將蛋白質(zhì)置于玻璃態(tài)中，延緩變性過程。Carvajal等[12]在研究不同分子質(zhì)量的麥芽糊精對魚肉蛋白的低溫保護機制后，認(rèn)為高分子質(zhì)量的多糖超低溫保護作用與低分子質(zhì)量糖類的溶液排除機理不同，高分子質(zhì)量的多糖可以固定水分子或形成玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)使蛋白質(zhì)更加穩(wěn)定。Zhou Aimei等[13]研究了在冷凍魚糜添加8%的海藻糖可獲得與商業(yè)抗凍劑（蔗糖與山梨糖醇質(zhì)量比為1∶1.8）更好的冷凍保護效果，是良好的抗凍劑替代品。Chou Yite等[14]在鹽溶性蛋白中添加低聚木糖，低溫條件下蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和溶解性高于添加其他糖類或組合，推測低聚木糖可能會降低蛋白質(zhì)疏水基團的暴露。

本課題組在前期研究中制備了低分子質(zhì)量的KGM，并對低分子質(zhì)量KGM、商業(yè)抗凍劑（4%蔗糖＋4%山梨醇）對草魚肌原纖維蛋白的冷凍保護作用進行了對比。為了進一步闡明KGM的冷凍保護作用機理，本研究采用紫外光譜、傅里葉變換紅外光譜和掃描電鏡研究凍藏條件下草魚肌原纖維蛋白的結(jié)構(gòu)，探討KGM降解產(chǎn)物對對草魚肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的保護作用機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮草魚購自武漢武商量販超市。

KGM 湖北強森魔芋科技有限公司；β-葡聚糖酶（200 000 U/g） 美國BioSharp公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

鈷60γ射線輻照裝置、pH-5A酸度計 梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；3802紫外-可見分光光度計尤尼克（上海）儀器有限公司；GL-21M高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；VERTEX70傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker Optice公司；JSM-6390LV掃描電鏡 日本NTC公司。

1.3 方法

1.3.1 草魚肌原纖維蛋白的提取

取160 g草魚肉，加入10 倍體積經(jīng)過預(yù)冷過的20 mmol Tris-馬來酸緩沖液（50 mmol KC1-20 mmol Tris-馬來酸，經(jīng)0.5 mol/L的NaOH溶液中和），用攪拌機勻漿，低溫離心（9 000 r/min，10 min，4 ℃），取出后棄去上清液，按此方法重復(fù)洗滌2次。沉淀與20 mmol Tris-馬來酸緩沖液（0.6 mol KCl-20 mmol Tris-馬來酸，經(jīng)0.5 mol/L的NaOH溶液中和）用攪拌機勻漿，放入冰箱于4 ℃提取60 min，取出后4 ℃、9 000 r/min離心30 min，所得上清液為實驗用肌原纖維蛋白溶液[15]。

1.3.2 低分子質(zhì)量KGM的制備

輻照KGM樣品的制備：稱取5 g魔芋精粉，以1∶60（g/mL）的固液比將魔芋精粉溶解在蒸餾水中，靜態(tài)常溫以10、20、25 kGy的梯度降解，降解后的樣品進行冷凍干燥，干燥后的樣品研磨后備用。β-葡聚糖酶酶解KGM樣品的制備：稱取5 g魔芋粉，以固液比1∶60（g/mL）加入pH 5.5的稀鹽酸溶液，于50 ℃的水浴鍋中加熱，加入β-葡聚糖酶，緩慢攪拌使其均勻地分散在溶液中，酶解時間100 min，降解結(jié)束后用1 mol/L的NaOH溶液進行中和，干燥后粉碎備用[16-17]。

1.3.3 樣品制備

分別在草魚肌原纖維蛋白中添加KGM降解產(chǎn)物，輻照KGM和β-葡聚糖酶酶解KGM的添加量為0.5%，而商用抗凍劑（4%蔗糖＋4%山梨糖醇）的添加量為8%，置于-18 ℃凍藏，分別在0、5、10、15、20、25、30 d后取出后進行分析。

1.3.4 紫外光譜的測定

以0.6 mol /L KCl緩沖液為空白，在230～350 nm 建立基線，將肌原纖維蛋白溶液用0.6 mol/L KCl溶液稀釋至蛋白質(zhì)水平為0.6～0.8 g/100 g，采用UV-3802紫外-可見分光光度計在230～350 nm波長范圍將添加了不同抗凍劑的4 種樣品（空白、添加輻照KGM樣品、添加酶解KGM樣品和添加蔗糖-山梨糖醇樣）分別進行光譜掃描。

1.3.5 傅里葉紅外變換光譜的測定

將添加不同抗凍劑的草魚肌原纖維蛋白的樣品冷凍干燥后，取適量樣品置于檢測器上，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描頻率10 kHz。

1.3.6 顯微觀察

將樣品冷凍干燥后用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上，樣品表面真空噴金后，采用掃描電鏡觀察，掃描過程用20 kV的加速電壓。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

蛋白在譜帶范圍內(nèi)（酰胺Ⅲ帶1 220～1 330 cm-1）進行兩點基線校正，采用5 點Savitsk-Golay函數(shù)平滑后，作二階導(dǎo)數(shù)和傅里葉去卷積，采用Peakfit軟件對譜圖進行擬合，多次擬合使殘差最小，重疊在一起的不同譜帶可完全分辨開，當(dāng)確定了各子峰與不同二級結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系后，根據(jù)其積分面積計算各種二級結(jié)構(gòu)的相對百分含量[18]。

2 結(jié)果與分析

圖1 冷凍貯藏過程中肌原纖維蛋白的紫外光譜圖Fig.1 Ultraviolet spectra of myofi brillar protein during frozen storage

2.1 冷凍貯藏過程中草魚肌原纖維蛋白的紫外光譜分析

如圖1所示，隨著貯藏時間的延長，空白樣品的紫外最大吸收波長在270～274 nm之間，最大吸收波長變化呈先紅移后平穩(wěn)趨勢；輻照KGM樣品的最大吸收波長在259～274 nm之間，最大吸收波長變化呈先藍移后紅移的趨勢；酶解KGM樣品的最大吸收波長在269～274 nm之間，最大吸收波長在0～20 d變化不大，20 d后呈紅移趨勢；蔗糖-山梨糖醇樣品的最大吸收波長270～274 nm之間，最大吸收波長呈波動式紅移。色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的R基團含有苯環(huán)共軛雙鍵，分別在280、275 nm和257 nm有吸收峰[19]，肌原纖維蛋白的最大吸收波長在275 nm附近，可能是肌原纖維蛋白中酪氨酸未包埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部，呈現(xiàn)紫外吸收。隨著貯藏時間的延長，所有樣品的最大吸收波長均出現(xiàn)紅移，但貯藏過程中最大吸收波長的波動可能是冷凍貯藏過程中的酪氨酸微環(huán)境的差異造成的。

2.2 冷凍貯藏過程中草魚肌原纖維蛋白的紅外光譜分析

圖2 酰胺Ⅲ區(qū)的曲線擬合結(jié)果Fig.2 Curve-fi tting results of amide Ⅲ region for myofi brillar protein

圖3 冷凍貯藏過程中肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)分布Fig.3 Secondary structure composition of myofi brillar protein during frozen storage

蛋白質(zhì)的肽鍵有幾個特征振動模式，包括酰胺Ⅰ（1 600～1 700 cm-1）、酰胺Ⅱ（1 500～1 600 cm-1）和酰胺Ⅲ區(qū)（1 260～1 300 cm-1），其中酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ區(qū)的譜帶對于探討蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)十分有用，可定量分析獲得各種二級結(jié)構(gòu)的相對含量。但溶劑水的譜帶與酰胺Ⅰ具有一定程度的重疊，分析時常用重水代替水排除水的干擾[20]。酰胺Ⅲ區(qū)的譜帶來源于肽鍵的C—N伸縮振動和N—H面內(nèi)振動，可用于指示蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，α-螺旋含量高的蛋白質(zhì)在1 260～1 300 cm-1區(qū)域內(nèi)有弱吸收，β-折疊通常在1 238～1 245 cm-1附近有較強的吸收，而無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的吸收出現(xiàn)在1 243～1 250 cm-1附近[21-22]。草魚肌原纖維蛋白在酰胺Ⅲ區(qū)的曲線擬合結(jié)果如圖2所示，根據(jù)擬合結(jié)果計算不同樣品在貯藏過程中二級結(jié)構(gòu)的含量。冷凍貯藏過程中添加不同冷凍保護劑草魚肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)的分布如圖3所示。隨著冷凍時間的延長，空白樣品中的α-螺旋的含量從52.91%上升至57.18%，在貯藏過程中呈波動上升，貯藏第10天時α-螺旋的含量最低，β-折疊的含量從19.63%下降至15.56%，β-轉(zhuǎn)角含量和無規(guī)卷曲的含量波動較?。惠椪战到釱GM的樣品中α-螺旋的含量從51.14%上升至53.09%，呈先下降后上升的趨勢，貯藏第10天時α-螺旋的含量最低，β-折疊的含量從21.41%下降至19.90%，呈先上升后下降的趨勢，貯藏第10天時β-折疊的含量最高，β-轉(zhuǎn)角的含量在貯藏前后變化不大，無規(guī)卷曲的含量貯藏前后變化不大。酶解KGM的樣品α-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量在貯藏前后均變化不大，無規(guī)卷曲略有上升，從10.30%上升至11.27%；蔗糖-山梨糖醇樣品中α-螺旋的含量從63.39%上升至70.73%，呈先下降后上升的趨勢，β-折疊的含量在貯藏前后差別不大，呈先上升后下降的趨勢，β-轉(zhuǎn)角的含量從8.22%下降至2.23%，呈下降趨勢，無規(guī)卷曲的含量從8.02%下降至6.06%，在15 d內(nèi)先上升后下降。草魚肌原纖維蛋白在貯藏過程中處于動態(tài)的變化過程，所有的樣品在第10天時不同的二級結(jié)構(gòu)所占的比例均發(fā)生劇烈變化，這可能是由于肌原纖維蛋白在凍結(jié)的過程中蛋白質(zhì)的聚集和水分子結(jié)晶造成。

α-螺旋和β-折疊為肌原纖維蛋白主要的二級結(jié)構(gòu)，除蔗糖-山梨糖醇樣品外，其他樣品中α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)所占比例之和在貯藏過程中在70%～73%之間波動，而蔗糖-山梨糖醇樣品中α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)所占比例之和在80%～92%之間波動。不同的冷凍保護劑對草魚肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)的作用不同，除了酶解KGM的樣品外，其他樣品的α-螺旋的含量均有所上升，這與劉燕輝等[23]的觀點一致，低溫有助于α-螺旋的結(jié)構(gòu)的形成。對比不同的冷凍保護劑，蔗糖-山梨糖醇對二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋結(jié)構(gòu)的形成有更好的促進作用，貯藏初始空白樣品中α-螺旋結(jié)構(gòu)所占的比例為52.91%，而蔗糖-山梨糖醇樣品中α-螺旋結(jié)構(gòu)所占的比例為63.39%，β-轉(zhuǎn)角所占比例最小，推測小分子的糖類有助于α-螺旋結(jié)構(gòu)的形成，而不利于β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。與空白相比，輻照降解KGM樣品和酶解KGM樣品在冷凍貯藏過程中對草魚肌原纖維二級結(jié)構(gòu)均有一定的保護作用，α-螺旋和β-折疊所占的比例在貯藏前后差異不大。

2.3 冷凍貯藏過程中草魚肌原纖維蛋白的顯微觀察

圖4 冷凍貯藏過程中肌原纖維蛋白的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of myofi brillar protein during frozen storage

如圖4所示，未添加冷凍保護劑的草魚肌原纖維蛋白樣品在0 d時呈多孔疏松結(jié)構(gòu)（圖4a1）。這一點與Trespalacious等[24]觀察的雞肉凝膠結(jié)構(gòu)類似。而隨著凍藏時間的延長，30 d后蛋白的多孔結(jié)構(gòu)孔壁變厚，說明肌原纖維蛋白在貯藏的過程中在聚集。而其他添加冷凍保護劑的樣品，肌原纖維蛋白呈連續(xù)片層狀（圖4b～d），0 d時未出現(xiàn)明顯孔狀結(jié)構(gòu)。隨著凍藏時間的延長，30 d后，添加酶解KGM的樣品呈多孔狀結(jié)構(gòu)，添加輻照KGM的樣品出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而蔗糖-山梨糖醇樣品仍呈片層結(jié)構(gòu)。對比空白和添加不同冷凍保護劑的肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)小分子的糖類有助于肌原纖維蛋白形成片層結(jié)構(gòu)，保持蛋白的分散。隨著凍藏時間的延長，水分子形成的冰晶結(jié)構(gòu)不斷增大，促進了肌原纖維蛋白分子間的聚集，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，輻照KGM樣品和酶解的KGM樣品可以延緩蛋白分子的聚集，但30 d后仍能觀察到蛋白聚集，而蔗糖-山梨糖醇樣品由于小分子糖添加量較大，仍保持片層結(jié)構(gòu)，推測可能是糖分子與蛋白質(zhì)分子均勻分散，凍干后樣品以糖分子為主體。

3 結(jié) 論

研究表明，冷凍貯藏過程中，空白和添加冷凍保護劑的肌原纖維蛋白的酪氨酸都逐漸暴露，冷凍保護劑不能保護肌原纖維蛋白中的酪氨酸在凍藏過程中暴露。但不同的冷凍保護劑對草魚肌原纖維蛋白二級結(jié)構(gòu)的保護作用有差異，輻照降解KGM和酶解KGM均對草魚肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)有保護作用，可以穩(wěn)定凍藏后α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)所占比例；而蔗糖-山梨糖醇的添加量較高，而且分子質(zhì)量較小，顯著促進草魚肌原纖維蛋白中α-螺旋結(jié)構(gòu)形成，破壞β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。輻照KGM樣品和酶解的KGM樣品可以延緩肌原纖維蛋白分子的聚集，而蔗糖-山梨糖醇與蛋白均勻分散。因此，有可能輻照降解的KGM和酶解KGM對肌原纖維蛋白的冷凍保護是通過穩(wěn)定蛋白中α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)，從而延緩蛋白分子的聚集。而小分子的蔗糖-山梨糖醇的冷凍保護作用是促進蛋白α-螺旋結(jié)構(gòu)的形成，與小分子均勻分散。

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Effect of Degraded Products of Konjac Glucomannan on the Structure of Myofi brillar Protein from Glass Carp Meat during Frozen Storage

WANG Lan1, WU Wenjin1, QIAO Yu1, DING Anzi1, LIAO Li1, WANG Jun1, FU Xiaoyan2, XIONG Guangquan1,*
(1. Farm Products Processing Research Sub-Center of Hubei Innovation Center of Agriculture Science and Technology, Institute for Farm Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China; 2. College of Food and Biology Science Technology, Wuhan Institute of Design and Sciences, Wuhan 430205, China)

The present study investigated the effect of different degraded products of konjac glucomannan (KGM) on the structure of myofi brillar protein from glass carp meat during frozen storage by ultraviolet spectroscopy, infrared spectroscopy (IR) and scanning electronic microscope (SEM), in order to elucidate the cryoprotective mechanism of degraded products of konjac glucomannan on myofibrillar protein. The results showed that α-helix and β-sheet were the major secondary structures of myofi brillar protein from grass carp meat. The content of α-helix structure increased with prolonged frozen storage, while the content of β-sheet structure decreased. And there were little changes in the contents of β-turn structure and random coil. The degraded KGM by irradiation or β-glucanase could protect α-helix and β-sheet of myofi brillar protein from grass carp meat and stabilize the proportions of the two secondary structures. Sucrose-sorbitol mixture could promote the formation of α-helix structure but hinder the formation of β-turn. The microstructure of myofi brillar protein exhibited that the degraded products of KGM from both treatments could retard the aggregation of myofi birillar protein, while the addition of sucrose and sorbitol could result in formation of lamellar structure.

myofi brillar protein; frozen storage; secondary structure; microstructure

TS254.1

A

1002-6630（2015）22-0244-06

10.7506/spkx1002-6630-201522046

2015-03-26

武漢市青年科技晨光計劃項目（2015070404010197）；湖北省重大科技創(chuàng)新計劃項目（2015ABA038）；

湖北省科技支撐計劃項目（2014BBA158）；湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科學(xué)基金項目（2013NKYJJ16）

汪蘭（1981—），女，副研究員，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工和天然產(chǎn)物化學(xué)。E-mail：2005lily@gmail.com

*通信作者：熊光權(quán)（1965—），男，研究員，學(xué)士，研究方向為水產(chǎn)品加工及副產(chǎn)物綜合利用。E-mail：xiongguangquan@163.com