裘樂(lè)蕓,邢 倩,鄧澤元,鄭溜豐
(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌330047)
我國(guó)水域遼闊,生物資源豐富,是世界上漁業(yè)資源最豐富的國(guó)家,其中淡水魚(yú)養(yǎng)殖產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上。近年來(lái),魚(yú)糜制品(包括魚(yú)丸、魚(yú)糕和魚(yú)卷等)作為一類富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、口感嫩爽、食用方便的低膽固醇健康食品,其產(chǎn)量和市場(chǎng)需求逐年增加,是我國(guó)水產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展環(huán)節(jié)[1]。然而,魚(yú)糜制品主要以海洋魚(yú)類為原料,較少使用淡水魚(yú),主要原因是淡水魚(yú)糜普遍存在凝膠強(qiáng)度差、凝膠易劣化等問(wèn)題,限制了我國(guó)淡水魚(yú)糜制品加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何通過(guò)科學(xué)手段提高淡水魚(yú)糜的凝膠特性,是現(xiàn)代水產(chǎn)品加工的重要科學(xué)問(wèn)題。
加熱是魚(yú)糜制品加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水浴加熱是我國(guó)生產(chǎn)魚(yú)糜制品的傳統(tǒng)加熱方式,其熱量由魚(yú)糜外部向內(nèi)部緩慢傳遞,導(dǎo)致凝膠在50~70℃停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),加劇凝膠劣化程度[2]。近年來(lái),微波加熱由于具有加熱速度快、物料受熱均勻以及熱轉(zhuǎn)換效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于蔬菜、水果和肉制品的保鮮和深加工中[3]。與水浴加熱相比,微波加熱縮短了凝膠劣化的時(shí)間,肉制品表現(xiàn)出更好的凝膠形成和持水能力[4]。目前國(guó)內(nèi)外部分研究表明微波加熱代替水浴加熱能夠明顯提高魚(yú)糜的凝膠強(qiáng)度與持水能力[5]。
天然植物多酚尤其是茶多酚,因具有抗菌、抗炎、抗過(guò)敏、抗慢性病、抗癌等生理功效而受到關(guān)注,被廣泛用于抑制肉制品的脂肪氧化及保鮮[6]。蛋白質(zhì)變性伸展是高溫誘導(dǎo)魚(yú)糜凝膠形成的必要條件[7]。除作為天然抗氧化劑外,茶多酚可與蛋白質(zhì)相互作用,修飾蛋白質(zhì)側(cè)鏈氨基酸功能基團(tuán),改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能特性[8-9]。國(guó)外研究表明,向魚(yú)糜中添加氧化酚類化合物或從天然產(chǎn)物中提取的單寧類物質(zhì),能夠顯著提高魚(yú)糜凝膠的破斷強(qiáng)度和凹陷深度[10]。EGCG 是綠茶茶多酚的主要組成成分,以微波為加熱方式,添加EGCG 是否能改善淡水魚(yú)糜的凝膠特性及其機(jī)理有待探究。
肌原纖維蛋白是肌肉的基本組成單位,其中肌球蛋白是最重要的功能蛋白,對(duì)魚(yú)糜凝膠的形成起關(guān)鍵作用[11-12]。本研究通過(guò)同源建模構(gòu)建鰱魚(yú)肌球蛋白的三維結(jié)構(gòu),利用分子對(duì)接技術(shù)探究3種常見(jiàn)植物多酚【表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯(EGCG)、山奈酚、槲皮素】與肌球蛋白的結(jié)合能力及位點(diǎn),進(jìn)一步研究EGCG 與肌球蛋白的結(jié)合對(duì)整個(gè)肌原纖維蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)和聚集行為的影響及添加EGCG 并微波加熱對(duì)肌原纖維蛋白凝膠特性的改善作用,旨在為開(kāi)發(fā)具有理想凝膠特性的淡水魚(yú)糜制品提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。
鰱魚(yú),購(gòu)于南昌市江大南路農(nóng)貿(mào)市場(chǎng),現(xiàn)殺去骨后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。
綠茶提取物(EGCG 50.00%,咖啡因0.65%),陜西嘉禾生物公司;表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯(EGCG)、二丁基羥基甲苯(BHT),鄭州康本生物有限公司;BCA 蛋白濃度測(cè)定試劑盒(增強(qiáng)型),上海碧云天生物技術(shù)有限公司;SDS-PAGE 凝膠制備試劑盒,博士德生物工程有限公司;十二烷基硫酸鈉(SDS),上海生工生物工程有限公司;三羥甲基氨基甲烷(Tris);氯化鈉、氯化鉀等試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純級(jí)。
TDL-5-A 低速大容量離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;SHZ-A 水浴恒溫振蕩器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;VS-25S 手持勻漿器,無(wú)錫沃信儀器制造有限公司;DYCZ-24DN 迷你雙垂直電泳儀,北京六一儀器廠;BROOKFIELD CT3 質(zhì)構(gòu)儀,美國(guó)博勒飛公司;凝膠成像儀1600R,上海天能科技有限公司。
1.3.1 肌原纖維蛋白的提取 將鰱魚(yú)的白色肌肉切碎,于碎肉機(jī)中制成肉糜。加入5 倍體積的低鹽緩沖液(含0.05 mol/L NaCl 及20 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5),12 000 r/min 勻漿3 次,每次20 s,間隔20 s,在8 000×g、4℃條件下離心10 min,取沉淀,重復(fù)3 次。在沉淀中加入5 倍體積的高鹽緩沖液(含0.045 mol/L NaCl 及20 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5),12 000 r/min 勻漿3 次,每次20 s,間隔20 s,在8 000×g、4℃條件下離心10 min,取上清液并加入去離子水,在4℃下沉淀30 min,沉淀即為肌原纖維蛋白[13]。采用BCA 試劑盒的方法測(cè)定蛋白質(zhì)濃度。
1.3.2 EGCG 修飾肌原纖維蛋白 將肌原纖維蛋白沉淀配成60 mg/mL 溶液,加入不同質(zhì)量的EGCG 使溶液EGCG 質(zhì)量濃度分別為0.125,0.25,0.375,0.5,0.75,1 mg/mL,攪拌混勻后,25℃水浴振蕩90 min[14]。振蕩結(jié)束后樣品于4℃下保存,3 d內(nèi)使用。
1.3.3 蛋白質(zhì)的SDS-PAGE 分析 采用SDSPAGE 分析EGCG 修飾前、后肌原纖維蛋白的分子質(zhì)量分布。蛋白樣品加入上樣緩沖液后于95℃加熱10 min 使蛋白變性。采用10%的分離膠及5%的濃縮膠進(jìn)行凝膠電泳,電泳結(jié)束后進(jìn)行考馬斯亮藍(lán)染色,脫色后使用凝膠成像儀成像。
1.3.4 水浴加熱制備蛋白凝膠經(jīng)EGCG 修飾后,采用兩段式加熱法制備肌原纖維蛋白凝膠,即低溫凝膠化(40℃下水浴30 min)及高溫魚(yú)糕化(90℃下水浴30 min)。加熱結(jié)束后立即在冰水浴中放置60 min 以充分形成凝膠,儲(chǔ)存于4℃,并于1 d 內(nèi)進(jìn)行凝膠測(cè)試。
1.3.5 微波加熱制備蛋白凝膠經(jīng)EGCG 修飾后,在40℃下水浴30 min 后,微波加熱60 s,使溫度維持在90℃左右,功率150 W。為防止微波高溫加熱過(guò)度導(dǎo)致水分大量損失,分3 次加熱,每次20 s,間隔20 s[15]。加熱結(jié)束后立即在冰水浴中放置60 min 以充分形成凝膠,儲(chǔ)存于4℃,并于1 d內(nèi)進(jìn)行凝膠測(cè)試。
1.3.6 凝膠的質(zhì)構(gòu)測(cè)定 制備的凝膠于室溫平衡2 h 后,用BROOKFIELD CT3 質(zhì)構(gòu)分析儀測(cè)定凝膠的穿刺性能,將凝膠切成高25 mm 的小圓柱體,斷面的中心置于質(zhì)構(gòu)儀探頭的正下方樣品臺(tái)上,選用球形探頭P/5S(直徑5 mm),進(jìn)行1 次壓縮,測(cè)試前速度2 mm/s,測(cè)試中速度1 mm/s,測(cè)試后速度10 mm/s,壓縮距離15 mm,觸發(fā)力5 g,數(shù)據(jù)采集速度100 Hz。每個(gè)處理組測(cè)4 次。測(cè)試過(guò)程中的最大力即為破斷強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)的壓縮距離為凹陷深度,凝膠強(qiáng)度等于破斷強(qiáng)度與凹陷深度的乘積[16]。
1.3.7 肌球蛋白的同源建模及與幾種酚類化合物的分子對(duì)接
1)同源建模 由于鰱魚(yú)肌球蛋白的三維結(jié)構(gòu)是未知的,因此通過(guò)同源建模構(gòu)建該蛋白的三維結(jié)構(gòu)。在NCBI 上搜索鰱魚(yú)的肌球蛋白氨基酸序列,采用同源模型服務(wù)軟件SWISS-MODEL 預(yù)測(cè)該肌球蛋白的三維結(jié)構(gòu),選擇相似度且評(píng)分最高的模型作為鰱魚(yú)肌球蛋白的三維晶體結(jié)構(gòu)。利用MolProbity 評(píng)價(jià)該三維結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)合理性,獲得拉氏構(gòu)象圖[17]。
2)分子對(duì)接EGCG、山奈酚、槲皮素的分子結(jié)構(gòu)從Automated Topology Builder 上下載。采用分子對(duì)接軟件AutoDockTools 對(duì)肌球蛋白與小分子化合物進(jìn)行對(duì)接,使用Flexible Docking 模塊,計(jì)算配體與蛋白結(jié)合的活性位點(diǎn)及對(duì)接能,從100 次對(duì)接中選擇結(jié)合能量最低且次數(shù)最多的構(gòu)象作為最佳結(jié)合姿態(tài)進(jìn)行分析[18]。
1.3.8 肌原纖維蛋白的紅外光譜稱取4 mg 左右冷凍干燥的肌原纖維蛋白樣品和100 mg 溴化鉀粉末,研磨至樣品與溴化鉀均勻。用壓片機(jī)制成試片,取出試片置于紅外光譜儀內(nèi)。設(shè)定參數(shù)為:掃描次數(shù)32 次,分辨率4 cm-1,掃描波數(shù)范圍4 000~400 cm-1,對(duì)反應(yīng)體系紅外光譜圖的1 600~1 700 cm-1區(qū)采用傅里葉自去卷積和譜線擬合技術(shù)處理推測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化[19]。本文中的二級(jí)結(jié)構(gòu)定量計(jì)算通過(guò)PeakFit 軟件完成。
根據(jù)鰱魚(yú)肌球蛋白的氨基酸序列,從SWISSMODEL 上尋找到一種與其高度相似且評(píng)分最高的蛋白三維結(jié)構(gòu)模型,其中序列一致性(Identity)為74.12%,覆蓋率(Courage)為99%,序列相似性(Similarity)為52%,全局模型質(zhì)量評(píng)估(GMQE)分?jǐn)?shù)為0.52,滿足同源建模的標(biāo)準(zhǔn),依此構(gòu)建的三維結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。由圖1可知,該蛋白由輕鏈和重鏈組成,這是肌球蛋白典型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
圖1 鰱魚(yú)肌球蛋白的三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three dimensional model of the myosin from sliver carp
為進(jìn)一步說(shuō)明同源建模結(jié)果的合理性,通過(guò)在SWISS-MODEL 網(wǎng)頁(yè)上查看和下載建模后的結(jié)構(gòu)特征圖,對(duì)肌球蛋白的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。由圖2a~c 可知,該三維結(jié)構(gòu)模型趨于真實(shí)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外,拉氏構(gòu)象圖顯示,該三維結(jié)構(gòu)模型有86.5%(824/953)的氨基酸位于有利區(qū)域,95.7%(912/953)的氨基酸位于可接受區(qū)域,僅有4.3%(41/953)的氨基酸位于不可接受區(qū)域(圖2d),故該三維蛋白結(jié)構(gòu)模型可靠,可用于后續(xù)的分子對(duì)接研究。
圖2 鰱魚(yú)肌球蛋白三維結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)Fig.2 Quality evaluation of three dimensional model of the myosin from sliver carp
選擇植物中含量豐富的3 種多酚(EGCG、山奈酚、槲皮素),分別下載其結(jié)構(gòu)保存為PDB 格式文件,用Flexible Docking 進(jìn)行分子對(duì)接試驗(yàn)。將酚類化合物對(duì)接入鰱魚(yú)肌球蛋白的結(jié)合位點(diǎn),結(jié)果見(jiàn)圖3~5。由圖可知,EGCG、山奈酚、槲皮素與肌球蛋白均存在較強(qiáng)的結(jié)合,對(duì)接能分別為-32.84 kJ/mol(-7.85 kcal/mol),-30.75 kJ/mol(-7.35 kcal/mol),-27.49 kJ/mol(-6.57 kcal/mol)。這3 種植物多酚與肌球蛋白的結(jié)合發(fā)生在同一區(qū)域,并且以氫鍵、疏水相互作用等非共價(jià)方式結(jié)合,其中EGCG 的結(jié)合能力最為顯著(對(duì)接能量最低)。雖然山萘酚只有一個(gè)氫鍵作用但結(jié)合能比槲皮素大,可能是因?yàn)榉兜氯A力和疏水作用力等更強(qiáng)所造成的[20]。因此,選擇EGCG 進(jìn)行后續(xù)研究,探究其與肌球蛋白的相互作用對(duì)整個(gè)肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)及聚集行為的影響。
圖3 EGCG 與鰱魚(yú)肌球蛋白的分子對(duì)接結(jié)果Fig.3 Molecular docking results of EGCG with myosin from sliver carp
圖4 山萘酚與鰱魚(yú)肌球蛋白的分子對(duì)接結(jié)果Fig.4 Molecular docking results of kaempferol with myosin from sliver carp
圖5 槲皮素與鰱魚(yú)肌球蛋白的分子對(duì)接結(jié)果Fig.5 Molecular docking results of quercetin with myosin from sliver carp
茶多酚與蛋白質(zhì)的相互作用被廣泛關(guān)注,EGCG 是綠茶多酚中主要的功能活性成分,可通過(guò)與蛋白質(zhì)形成氫鍵、疏水鍵等非共價(jià)鍵來(lái)影響蛋白質(zhì)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu),使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開(kāi)。相關(guān)研究主要集中在其對(duì)α-乳清蛋白、β-酪蛋白、β-乳球蛋白和血清白蛋白的結(jié)構(gòu)和功能改性上[21-22]。肌球蛋白是肌原纖維蛋白的重要組成部分,為進(jìn)一步探究EGCG 與肌球蛋白的相互作用是否影響整個(gè)肌原纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu),通過(guò)傅里葉紅外光譜對(duì)肌原纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,如圖6所示。酰胺Ⅰ帶(1 700~1 600 cm-1)主要來(lái)自C=O 和C-N 伸縮振動(dòng),其吸收峰與蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)如下:β-折疊1 610~1 640 cm-1,無(wú)規(guī)則卷曲1 640~1 650 cm-1,α-螺旋1 650~1 658 cm-1,β-轉(zhuǎn)角1 660~1 695 cm-1[23]。
圖6 不同劑量EGCG 修飾鰱魚(yú)肌原纖維蛋白后的紅外光譜Fig.6 FT-IR spectra of myofibrillar protein from sliver carp modified by different doses of EGCG
通過(guò)FTIR 分析EGCG 修飾或未修飾的肌原纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu),結(jié)果見(jiàn)表1。加入EGCG 后肌原纖維蛋白的α-螺旋含量減少,β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲含量增加,且隨著質(zhì)量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),說(shuō)明EGCG 的添加使肌原纖維蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)由α-螺旋結(jié)構(gòu)向無(wú)規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,提示EGCG 與肌球蛋白結(jié)合后可能對(duì)整個(gè)肌原纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)有顯著影響。β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲的形成有利于后續(xù)高溫誘導(dǎo)蛋白質(zhì)相互交聯(lián),增大魚(yú)糜的凝膠強(qiáng)度[24]。此外,除非共價(jià)相互作用外,酚類化合物還可通過(guò)共價(jià)相互作用的方式與蛋白質(zhì)發(fā)生結(jié)合[25]。在高溫條件下,植物多酚易被氧化形成醌類物質(zhì),其作為一種親電子物質(zhì)極易進(jìn)一步與蛋白質(zhì)肽鏈的末端氨基以及賴氨酸、組氨酸、色氨酸、酪氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸的游離氨基或巰基等共價(jià)結(jié)合[26],而這些氨基酸在淡水魚(yú)肉中含量豐富[27],提示植物多酚在高溫下易與淡水魚(yú)肌原纖維蛋白發(fā)生高程度的共價(jià)結(jié)合,從而促使蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成。
蛋白質(zhì)變性伸展有利于其聚集形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),圖7是用EGCG 修飾前、后的鰱魚(yú)肌原纖維蛋白的SDS-PAGE 電泳圖。對(duì)于肌原纖維蛋白原液,在220 ku 附近的明顯條帶為肌球蛋白重鏈(Myosin heavy chain,MHC),在45 ku 附近的明顯條帶為肌動(dòng)蛋白(Actin,AC),而在18~22 ku 附近的明顯條帶為肌球蛋白輕鏈(Myosin light chain,MLC)。未添加多酚但經(jīng)過(guò)修飾過(guò)程的對(duì)照組(C組)與蛋白原液相比(M 組),蛋白條帶并沒(méi)有顯著差異。而TP 組和EGCG 組肌原纖維蛋白中MHC、AC、MLC 蛋白明顯減少,且在40 ku 和100 ku 附近有新的不連續(xù)條帶生成,說(shuō)明含量減少的蛋白發(fā)生了聚集。
圖7 茶多酚和EGCG 修飾肌原纖維蛋白前、后的SDS-PAGE 電泳圖Fig.7 Electrophoresis patterns of myofibrillar protein from sliver carp before or after modification of tea polyphenols and EGCG
為了更好地將EGCG 應(yīng)用于魚(yú)糜制品實(shí)際生產(chǎn)中,進(jìn)一步探究添加EGCG 對(duì)高溫誘導(dǎo)鰱魚(yú)肌原纖維蛋白凝膠形成的影響。采用水浴或微波高溫加熱的方式制備鰱魚(yú)肌原纖維蛋白凝膠,其凝膠特性的結(jié)果見(jiàn)表2。與水浴加熱相比,微波加熱顯著提高了凝膠的破斷強(qiáng)度、凹陷深度及凝膠強(qiáng)度(P<0.05)。在一項(xiàng)關(guān)于深海魚(yú)的研究中也發(fā)現(xiàn)了微波加熱可以顯著提高蛋白質(zhì)的凝膠強(qiáng)度[28]。微波加熱能顯著改善魚(yú)糜凝膠特性的可能原因是:魚(yú)糜在加熱過(guò)程中溫度迅速升高且受熱均勻,減少了50~70℃時(shí)魚(yú)糜的凝膠劣化。因此,微波加熱下魚(yú)糜吸收相同或較少能量,能獲得較高的凝膠強(qiáng)度,優(yōu)于水浴加熱[29]。在采用微波加熱方式制備凝膠的基礎(chǔ)上,添加0.125~1 mg/mL EGCG 均能進(jìn)一步顯著改善肌原纖維蛋白的凝膠特性,且這種改善作用在添加量為0.5 mg/mL 時(shí)達(dá)到最大,其凹陷深度和凝膠強(qiáng)度分別增加了59.9%和89.8%,而添加高劑量的EGCG(1 mg/mL)反而降低了肌原纖維蛋白的凝膠特性。適量的EGCG 修飾對(duì)肌原纖維蛋白凝膠的改善作用可能與其通過(guò)酚羥基與蛋白質(zhì)上的賴氨酰、半胱氨酰等氨基酸殘基的交聯(lián)密切相關(guān)[30]。
表2 不同加熱方式及添加EGCG 對(duì)鰱魚(yú)肌原纖維蛋白凝膠特性的影響Table 2 Effects of different heating methods and addition of tea polyphenols on gel properties of myofibrillar protein from sliver carp
植物多酚已被證明能通過(guò)抗氧化作用提高蛋白質(zhì)的凝膠特性[31-32]。添加人工合成抗氧化劑BHT對(duì)微波誘導(dǎo)的魚(yú)糜蛋白凝膠形成的影響如圖8所示。添加0.5~2 mg/mL 的BHT 并不影響肌原纖維蛋白的凝膠強(qiáng)度。另外,利用分子對(duì)接技術(shù)也發(fā)現(xiàn)BHT 不能與肌球蛋白分子對(duì)接上,表明兩者間無(wú)法發(fā)生結(jié)合,推測(cè)植物多酚對(duì)肌原纖維蛋白凝膠特性的改善很可能不依賴于其抗氧化作用,而與其和肌球蛋白相互作用引起蛋白結(jié)構(gòu)的改變密切相關(guān)。
圖8 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BHT 對(duì)鰱魚(yú)肌原纖維蛋白凝膠強(qiáng)度的影響Fig.8 Effects of supplementation with different mass fraction of BHT on gel strength of myofibrillar protein from sliver carp
試驗(yàn)選取的3 種植物多酚(EGCG、山奈酚、槲皮素)均能與鰱魚(yú)肌球蛋白的同一區(qū)域發(fā)生較強(qiáng)的結(jié)合,并且結(jié)合方式為氫鍵、疏水相互作用等非共價(jià)鍵,其中EGCG 與蛋白的結(jié)合能力最強(qiáng)。EGCG 與肌球蛋白的相互作用能引起整個(gè)肌原纖維蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變,具體表現(xiàn)為α-螺旋含量降低,β-轉(zhuǎn)角及無(wú)規(guī)則卷曲含量增加,蛋白結(jié)構(gòu)變得松散,有利于蛋白質(zhì)之間發(fā)生聚集及凝膠的形成。添加0.125~1 mg/mL EGCG 并微波高溫加熱可以改善鰱魚(yú)肌原纖維蛋白的凝膠特性,且改善作用在添加量為0.5 mg/mL 時(shí)達(dá)到最大。