鞏 雪，常 江，李丹婷，孫智慧

（1.哈爾濱商業(yè)大學輕工學院，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱商業(yè)大學教務處，黑龍江 哈爾濱 150028）

扇貝是扇貝屬雙殼類軟體動物的代稱，是我國沿海主要養(yǎng)殖貝類之一[1]，據統(tǒng)計，中國貝類產量為1 447.36萬 t，其中扇貝產量為186.05萬 t[2]。扇貝的貝殼和珍珠層具有很高的利用價值，而扇貝的貝肉特別是閉殼?。ì幹┪兜栗r美，富含多種人體所需的氨基酸、微量元素（鈣、鋅、硒和碘等）、蛋白質、牛磺酸和多種不飽和脂肪酸，特別是ω-3多不飽和脂肪酸（主要是二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸）含量相當高[3-4]，可以使肝臟中的載脂蛋白B和甘油三酯合成膽固醇的效率降低，改善人體的脂質代謝[5]，具有較高的營養(yǎng)價值和保健功效[6-7]，故與海參、鮑魚齊名，被列為海味中的珍品[8]。隨著人們生活水平的提高，扇貝也受到越來越多消費者的青睞[9]，作為中國重要的海洋經濟養(yǎng)殖貝類，扇貝主要以活品形式流通，部分以閉殼肌為主的即食與干制加工品形式流通[10]；因此脫殼工藝在生產過程中顯得尤為重要。然而，當前我國貝類脫殼加工仍以手工操作為主，效率低下，衛(wèi)生亦不達標；歐美等發(fā)達國家應用較多的超高壓脫殼技術表現(xiàn)出良好的優(yōu)越性，因而備受關注。但超高壓脫殼技術依然存在脫殼效率穩(wěn)定性低、貝肉品質均一性差等問題，且該技術的脫殼機理至今尚未明確，因此，展開超高壓作用對扇貝界面閉殼?。ㄘ悮づc閉殼肌接觸面以上2 mm厚度的閉殼肌段）結構的影響及脫殼機理的研究與探討是極為必要的。

1 材料與方法

1.1 材料

以遼寧沿海盛產的海灣扇貝為實驗對象，扇貝購買于遼寧省錦州市渤海大學海鮮市場，由于超高壓腔室入口直徑的限制，不宜選擇體積過大扇貝，但需盡量挑選大小相近的個體，扇貝質量為（48±5）g，最長軸直徑為（97±5）mm。

1.2 儀器與設備

HPP.L2-600超高壓處理設備 天津華泰森淼生物工程技術股份有限公司；S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本日立公司；LabRAM HR Evolution拉曼光譜分析儀 法國HORIBA Jobin Yvon公司；ALPHA1-2LD plus冷凍干燥機 德國Martin Christ公司；H1850高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；PL602-L分析天平 瑞士Mettler Toledo公司。

1.3 方法

1.3.1 試樣處理

將所購買的扇貝表面清洗干凈，在聚乙烯包裝袋（200 mm×150 mm）內注入50 mL 3 g/100 mL NaCl溶液后，放入1 個扇貝并封口，再將密封好的扇貝置入超高壓處理設備，分別以100、200 MPa和300 MPa的實驗壓力進行處理（每個處理30 個扇貝），保持2 min后取出，分離扇貝貝殼與閉殼肌后，測定脫殼率和界面閉殼肌結構，每次測定進行3 次平行實驗，并取平均值。

1.3.2 脫殼率測定

對經過超高壓處理（100、200、300、400 MPa處理不同時間）的扇貝進行開殼，記錄完全脫殼（貝殼與貝肉完整剝離，貝殼上無殘留貝肉）的扇貝數，并按下式計算脫殼率。

1.3.3 拉曼光譜分析

取分離后的閉殼肌，并將界面閉殼肌沿縱軸切下，并分切成0.5 cm×0.5 cm×0.2 cm小塊，利用拉曼光譜分析儀進行分析，拉曼光譜分析儀分析參數：激發(fā)波長515.4 nm、狹縫寬度200 μm、功率129 mW、曝光時間60 s、掃描3 次、檢測的波長范圍400～4 000 cm－1。最后取3 次結果的平均值繪制拉曼光譜圖，得到的數據經過Labspec 5.0軟件處理后，利用Alix軟件進行曲線擬合并計算出蛋白質二級結構的相對含量[11-12]。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察

取界面閉殼肌樣品（2 mm×2 mm×0.5 mm），用體積分數為2.5%戊二醛溶液固定24 h，取出后用0.2 mol/L磷酸鹽緩沖液漂洗3 次，每次10 min，然后分別用體積分數50%、60%、70%、80%、90%和100%的乙醇梯度洗脫，每次10 min，再用冷凍干燥機干燥。干燥后的樣品進行離子漸射鍍金，在場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進行觀察、拍照。

1.4 數據處理與分析

實驗均設3 組平行，用Excel軟件處理數據，計算出平均值和標準差，用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 超高壓處理對扇貝脫殼率的影響

脫殼是扇貝加工生產中不可或缺的重要工序，脫殼率和脫殼效果影響扇貝加工生產效率和產品品質。扇貝在100 MPa壓力下進行短時間處理，貝殼與貝肉無法實現(xiàn)完全剝離，由圖1可見，當保壓時間延長至240 s時，脫殼率提高到90%，當壓力升高到300 MPa，瞬時就可以使脫殼率接近100%，但是，當壓力升高到400 MPa時，雖然貝肉可以完整地從扇貝上剝離下來，但貝殼會在一定程度上產生破損，因此，采用較低壓力保持較長時間或者300 MPa左右的超高壓壓力瞬時處理都可以達到完整脫殼的目的。根據脫殼率結果，確定后續(xù)實驗壓力為100～300 MPa。

圖1 超高壓處理對扇貝脫殼率的影響Fig. 1 Shelling efficiency of UHP-treated scallops as a function of pressure

超高壓設備增壓過程時間比較短，扇貝在處理過程中，壓力升高至100、200 MPa和300 MPa的過程對試樣影響比較小，主要作用集中在壓力穩(wěn)定后保持的過程中，因此，后續(xù)的實驗未考慮增壓過程對試樣的影響。

2.2 超高壓處理對扇貝界面閉殼肌結構的影響

實驗所使用的扇貝閉殼肌厚度為20～30 mm，但是閉殼肌與貝殼的接觸面只有上下兩端，中間段閉殼肌并未與扇貝貝殼接觸，在研究脫殼機理之前，針對接觸面位置閉殼肌和非接觸面位置閉殼肌在超高壓處理時的結構變化情況進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)，接觸面位置的扇貝閉殼肌對超高壓壓力的敏感度要遠大于非接觸面的閉殼肌，因此，在研究扇貝脫殼機理時，與貝殼接觸位置的閉殼肌才具有一定的研究意義。將貝殼與閉殼肌接觸面以上2 mm厚度的閉殼肌段定義為界面閉殼肌，并以界面閉殼肌為研究對象，利用拉曼光譜和掃描電子顯微鏡等分析手段對施加不同超高壓條件的扇貝界面閉殼肌進行測定，通過對蛋白質空間結構和微觀結構進行分析，得出閉殼肌結構變化對閉殼肌纖維蛋白力學性能的影響。

2.2.1 不同壓力對扇貝界面閉殼肌拉曼光譜的影響

由圖2可知，界面閉殼肌的拉曼光譜圖特征峰主要集中在兩個波段，一段集中在500～1 800 cm－1，這個范圍通常被認為是指紋圖譜區(qū)，主要體現(xiàn)的是扇貝界面閉殼肌中氨基酸殘基的微環(huán)境和蛋白質的空間構象；另外一個波段集中出現(xiàn)在2 800～3 050 cm－1，為—CH伸縮振動區(qū)[13-16]。經過不同壓力保持2 min的處理，閉殼肌的各特征峰位置保持不變，但峰強度發(fā)生了比較明顯的變化，特別是在壓力為200 MPa和300 MPa時，相對于未處理組和100 MPa處理組，其峰型突然變得非常陡峭，且與未處理的扇貝界面閉殼肌相比，表征界面閉殼肌主鏈的酰胺III帶（1 333 cm－1）和酰胺I帶（1 657 cm－1）特征峰的強度明顯增強[17-19]，這主要是由于在壓力的作用下，蛋白質分子間的作用力發(fā)生了變化，比較低的壓力可以促進氫鍵的形成，使蛋白質在酰胺III帶和酰胺I帶特征峰強度增大，但隨著壓力的增加，氫鍵的形成更加困難，并且還有部分氫鍵在壓力的作用下被打開，所以隨著壓力的升高，峰強度逐漸減弱；在942 cm－1處的C＝C伸縮振動特征峰強度隨著壓力的升高而出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但相比于未處理的扇貝界面閉殼肌，超高壓處理組的特征峰強度明顯增大，該位置屬于α-螺旋結構的特征峰，這說明在剛剛產生壓力的時候，壓力促進了α-螺旋結構的形成而使其含量增大，但隨著壓力的增加，分子間作用力被破壞，氫鍵很難保持原有的結構而被打開，此時，α-螺旋結構的含量有所降低[20-24]。

圖2 不同壓力處理的扇貝界面閉殼肌拉曼光譜圖Fig. 2 Raman spectra of scallop adductor muscle treated at different pressures

2.2.2 不同壓力處理對扇貝界面閉殼肌蛋白質主鏈構象及二級結構的影響

在拉曼光譜中，1 600～1 700 cm－1是酰胺I帶的特征譜帶，在這一個區(qū)域內提供了蛋白質分子之間C＝O的伸縮振動、肽鏈內部的C—N伸縮振動、C—N以及N—H的面內彎曲振動等關于蛋白質二級結構的信息[25-26]，而二級結構的變化會對扇貝的脫殼產生比較重要的影響。拉曼光譜在酰胺I帶區(qū)域的譜帶信息能用于定量蛋白二級結構和反映主鏈構象，在超高壓壓力的作用下，多肽分子間氫鍵發(fā)生改變的難易程度會影響蛋白質分子構象，也會影響酰胺I帶的拉曼光譜圖譜信息[27]；因此，利用拉曼光譜圖譜對蛋白質的二級結構進行分析，對研究蛋白質的構象和扇貝脫殼機理有非常重要的作用。

利用拉曼光譜分析儀自帶的Labspec 5.0軟件對所得到的光譜數據進行去除基線、扣除熒光背景等處理，以并不受蛋白質結構影響的苯丙氨酸環(huán)（1 004 cm－1）作為內標對數據進行歸一化處理，處理后的數據利用Alix軟件進行去卷積、二階求導及曲線擬合，對拉曼光譜進行分峰處理，得到分峰和迭代擬合曲線如圖3所示。

圖3 不同超高壓壓力下扇貝界面閉殼肌蛋白質酰胺I帶分峰和迭代擬合曲線Fig. 3 Protein amide I band peaks and iterative fitting curves of scallop adductor muscle treated at different pressures

通過計算圖3中蛋白質α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規(guī)卷曲所對應的峰面積比例，得到貝殼界面位置閉殼肌蛋白質各二級結構的相對含量，結果如表1所示。隨著壓力的升高，α-螺旋結構相對含量降低、β-折疊、β-轉角和無規(guī)卷曲結構的相對含量均逐漸增大。與未處理組α-螺旋結構相對含量（74.69%）相比，100 MPa處理組α-螺旋結構的相對含量降低了8.64%，當壓力升高至300 MPa時，α-螺旋結構的相對含量僅為52.61%，比未處理的扇貝界面閉殼肌減少了29.56%，說明在2 min的處理時間下，多肽鏈間的氫鍵穩(wěn)定性受壓力的影響比較大，在壓力升高的過程中，穩(wěn)定性逐漸變差。當壓力為100 MPa時，β-折疊結構的相對含量為8.94%，與未處理組相比提高了96.92%，而當壓力升高至300 MPa時，β-折疊結構的相對含量提高至21.45%，與未處理扇貝界面閉殼肌相比提高了3.72 倍，說明第n個氨基酸殘基的?；c多肽鏈C端方向的第n＋4個氨基酸殘基的羰基碳之間形成的氫鍵在超高壓實驗條件下被破壞，同時相鄰肽鏈主鏈的N—H和C＝O之間形成了有規(guī)律的氫鍵，使α-螺旋結構被伸展為β-折疊結構，因此，β-折疊結構的相對含量有所增加。與未處理組相比，100、300 MPa處理組的β-轉角相對含量分別提高了6.34%和28.40%，β-轉角結構是肽鏈第一個殘基的C＝O與第4個殘基的N—H氫鍵形成的一個緊密的環(huán)，因此β-轉角結構的穩(wěn)定性比較好，并且降低了多肽鏈方向的阻力，隨著壓力的升高，β-轉角相對含量逐漸增大，說明更多的多肽鏈形成了穩(wěn)定的環(huán)狀結構，多肽鏈的穩(wěn)定性得到提高。隨處理壓力的提高，扇貝界面閉殼肌蛋白質中的無規(guī)卷曲相對含量雖然有所增加，但增加的幅度比較小，當壓力為300 MPa時，無規(guī)卷曲的相對含量最高（10.43%），與未處理組相比僅提高了14.87%。綜上所述，壓力的提高使扇貝界面閉殼肌蛋白質的二級結構發(fā)生了比較明顯的變化，但變性程度并不高，因為無序松散肽鏈（無規(guī)卷曲）相對含量并沒有發(fā)生較大的變化。

表1 超高壓壓力對扇貝界面閉殼肌蛋白質二級結構的影響Table 1 Effect of UHP on protein secondary structure in scallop adductor muscle

2.2.3 不同壓力對扇貝界面閉殼肌蛋白質側鏈結構的影響

2.2.3.1 超高壓壓力對酪氨酸殘基的影響

在拉曼光譜圖的830 cm－1和850 cm－1附近出現(xiàn)的費米共振雙峰體現(xiàn)的是扇貝界面位置閉殼肌蛋白質側鏈的氨基酸殘基圖譜，它反映了酪氨酸殘基苯環(huán)的取代基振動狀態(tài)，通常可以用850、830 cm－1處峰強度的比值（I850cm－1/I830cm－1）來反映酪氨酸殘基的狀態(tài)，當I850cm－1/I830cm－1≥1時，表示酪氨酸殘基處于暴露狀態(tài)，當比值小于1時則表示酪氨酸殘基處于包埋狀態(tài)[28]。

由圖4可以看出，不同壓力處理條件下的扇貝界面閉殼肌蛋白質酪氨酸殘基對應的拉曼光譜圖具有比較大的差別，在830 cm－1和850 cm－1處的費米共振雙峰的強度在壓力作用下變化比較明顯，當壓力為100 MPa時，830 cm－1和850 cm－1處的費米共振雙峰強度明顯增大，而當壓力繼續(xù)升高時，這兩處的吸收峰強度又逐漸減弱，這說明在壓力為100 MPa時，兩處的振動強度最大，酪氨酸殘基苯環(huán)的取代基振動也最為明顯。未處理組和100、200、300 MPa處理組的I850cm－1/I830cm－1分別為1.032、1.080、1.080、1.071，說明所有組的酪氨酸殘基均處于暴露狀態(tài)，且經超高壓處理后暴露的程度要比未處理時的更明顯，但300 MPa處理組的I850cm－1/I830cm－1比100、200 MPa處理組小，說明從200 MPa增加到300 MPa的過程中，酪氨酸殘基暴露程度降低。因此在壓力不超過200 MPa時，扇貝界面閉殼肌的蛋白質結構發(fā)生了轉變，使更多的酪氨酸殘基在多肽鏈的表面暴露出來，閉殼肌樣品的I850cm－1/I830cm－1增大；當壓力超過200 MPa時，酪氨酸殘基苯環(huán)上—OH的氧原子由氫鍵的供體逐漸轉變?yōu)槭荏w，I850 cm－1/I830 cm－1減小。

圖4 扇貝界面閉殼肌酪氨酸、色氨酸殘基拉曼光譜圖Fig. 4 Raman spectra of tyrosine and tryptophan residues in scallop adductor muscle protein

2.2.3.2 超高壓壓力對色氨酸殘基的影響

在拉曼光譜中，755 cm－1附近的區(qū)域通常表征的是蛋白質色氨酸所處的微環(huán)境，若該處所對應的峰強度下降，則表示色氨酸殘基趨于暴露，反之則表示色氨酸殘基趨于包埋。由圖4可以看出，壓力升高會使色氨酸殘基拉曼圖譜所對應的峰強度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當壓力為200 MPa時，755 cm－1處所對應的峰強度最大，而后隨著實驗壓力的增大，峰強度逐漸減小，說明壓力在0～200 MPa增加時，色氨酸殘基在疏水性環(huán)境中包埋程度增加，當壓力超過200 MPa以后，色氨酸殘基逐漸由包埋狀態(tài)向極性環(huán)境中暴露。

2.2.4 不同壓力對蛋白質C—H鍵振動作用的影響

拉曼光譜圖2 900 cm－1附近的譜帶表征蛋白質芳香族氨基酸、蛋白質和多肽中C—H的伸縮振動信息。由圖5可知，在不同壓力條件下得到的扇貝界面閉殼肌蛋白質的拉曼光譜圖在2 945 cm－1處均出現(xiàn)了一個非常強烈的尖峰，該特征峰表征的是—CH2—的非對稱伸縮振動或者—CH3的對稱伸縮振動，經過分析還發(fā)現(xiàn)在2 876 cm－1附近出現(xiàn)了一個次峰，這個次峰則表征—CH2—的非對稱伸縮振動。關于拉曼光譜C—H鍵振動研究的結果表明，芳香族氨基酸在蛋白質二級結構中的α-螺旋被伸展時增強了芳香氨基酸的C—H間的疏水作用，增加了羥基在極性的微環(huán)境中的暴露程度，引起表征C—H伸縮振動所對應的拉曼光譜特征峰的強度增大[29]。

由圖5可知，在超高壓壓力的作用下，相比于未處理的扇貝界面閉殼肌，芳香族氨基酸在2 876 cm－1和2 945 cm－1處的峰強度明顯增加，說明在不同壓力的超高壓作用下，蛋白質均發(fā)生了不同程度的變性，隨著壓力的增加，這兩處特征峰強度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當實驗壓力為300 MPa時，峰強度減弱的程度較小，說明在超高壓壓力的作用下，α-螺旋結構的伸展程度比較大，使較多的芳香族氨基酸側鏈暴露于極性環(huán)境中，從而形成了較強的疏水作用，引起了蛋白質二級結構的變化，導致蛋白質變性，從而失去了原有的功能特性。

圖5 扇貝界面閉殼肌蛋白質芳香族氨基酸拉曼光譜圖Fig. 5 Raman spectra of aromatic amino acid residues in scallop adductor muscle protein

2.2.5 不同壓力對扇貝界面位置閉殼肌蛋白質二硫鍵構型的影響

二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白的三維結構上起著重要的作用。在拉曼光譜中，二硫鍵的振動體現(xiàn)出不同的特征，一般來說，二硫鍵的特征譜帶通常出現(xiàn)在500～550 cm－1附近，且在拉曼峰中可以體現(xiàn)出分子內部或分子間巰基與二硫鍵之間的轉化關系。

由圖6可以看出，與未處理組相比，扇貝界面閉殼肌蛋白質中二硫鍵所對應的拉曼光譜特征峰發(fā)生了比較明顯的偏移。當二硫鍵的特征峰在515～525 cm－1之間時，表征二硫鍵的g-g-t構象，當二硫鍵的特征峰在535～545 cm－1之間時，表征二硫鍵的t-g-t構象。因此，當壓力為200 MPa時，蛋白質二硫鍵的構象發(fā)生了轉變，由原本的g-g-t構象變成了t-g-t構象；當壓力為300 MPa時，二硫鍵的拉曼特征峰又向低頻方向移動了8 cm－1，位于527 cm－1附近區(qū)域，這說明二硫鍵又出現(xiàn)重新形成g-g-t構象的趨勢，綜上所述，在保壓時間為2 min的條件下，200 MPa的壓力能夠引起二硫鍵構象的轉變，但當壓力超過200 MPa時，這種轉變又產生了可逆的變化，蛋白質二硫鍵構象被還原。

圖6 扇貝界面閉殼肌蛋白質二硫鍵拉曼光譜圖Fig. 6 Raman spectra of disulfide bond in scallop adductor muscle protein

2.3 超高壓處理對扇貝界面位置閉殼肌微觀結構的影響

由圖7可以看出，未經過處理的扇貝界面閉殼肌呈現(xiàn)出比較連續(xù)完整、均勻分散的纖維，且纖維之間基本保持互相平行分布，形態(tài)具有一定的規(guī)律性。超高壓處理后，閉殼肌纖維發(fā)生了較明顯的變化，當壓力為100 MPa時，閉殼肌纖維變得粗細不均，并在纖維表面出現(xiàn)了少量的松散結構，這說明在超高壓壓力作用下，蛋白質原有的規(guī)律性結構被破壞，這與蛋白質多肽鏈間氫鍵的變化和蛋白質變性有很大的關系；當壓力為200 MPa和300 MPa時，非纖維性蛋白結構的數量明顯增多，這可能是由于蛋白質中的α-螺旋結構間的氫鍵在實驗壓力的作用下遭到破壞，使得蛋白質中的氨基酸側鏈暴露在多肽鏈的表面。

圖7 不同超高壓壓力下扇貝界面閉殼肌掃描電子顯微鏡圖Fig. 7 SEM images of scallop adductor muscle treated at different pressures

3 結 論

本實驗針對超高壓處理對扇貝界面閉殼肌蛋白質主鏈二級結構、蛋白質側鏈結構及二硫鍵的構型影響進行了研究，借助拉曼光譜儀和掃描電子顯微鏡等儀器對蛋白質結構及性能的變化進行了分析。通過分析結果可知，蛋白質的主鏈結構對實驗壓力比較敏感，隨處理壓力（100～300 MPa）增加，蛋白質二級結構中的α-螺旋相對含量降低，β-折疊、β-轉角和無規(guī)卷曲相對含量均升高；酪氨酸殘基均處于暴露狀態(tài)，但在300 MP處理組的暴露程度相對較低；色氨酸殘基的包埋程度先增加后降低，在200 MPa時的包埋程度最高。與未處理組相比，200 MPa的壓力能引起二硫鍵構象的改變。綜上所述，在超高壓壓力的作用下，蛋白質主鏈和側鏈的結構及空間構象都有了比較明顯的變化，這些結構的變化和狀態(tài)的轉變對閉殼肌的力學特性、與貝殼之間的結合強度及蛋白質的水溶性都有非常顯著的影響，這些力學及生物特性的變化也會影響扇貝超高壓脫殼的效果。