天然抗氧化剂对水产肌原纤维蛋白结构与功能特性的影响研究进展

肌原纤维蛋白(myofibrillar protein,MP)是水产动物源性食品的重要肌肉组分[1],由粗丝(肌球蛋白)和细丝(肌动蛋白)构成[2-3]。MP具有良好的凝胶性、乳化性和成膜性,但易受到pH值、离子强度、温度、氧化作用和添加剂等因素的影响[4]。目前,已证实MP在加工和贮运过程中易受到氧化损伤,导致蛋白质发生一系列物理和化学变化(如断裂、交联、聚集、总巯基的损失和碳基化合物的形成等),MP的状态会影响终产品的凝胶性能、感官特性及得率等。因此,如何有效地减少水产品加工及贮运过程中MP的氧化至关重要[5]。

现阶段,蛋白质氧化调控多以添加抗氧化剂的方式实现,但一些研究表明合成抗氧化剂具有潜在的安全问题。因此,天然抗氧化剂及新型改性抗氧化剂的深度开发利用已成为研究热点[6]。目前,天然抗氧化剂的相关研究主要集中在植物多酚、多糖等方面(图1)。植物多酚结构中的邻位酚羟基极易被氧化成醌类结构,通过自身氧化、清除自由基实现抗氧化能力[7-8],与MP通过共价及非共价的作用结合,从而改变MP结构及功能[2]。此外,多糖[9]、蛋白质[10]等化合物也被充当抗氧化剂添加到MP中,对其结构及功能进行改性。然而,目前鲜见不同抗氧化剂对水产MP结构与功能特性影响的系统性报道。因此,本文综述介绍了多酚、多糖、蛋白质和其他物质对水产MP结构与功能特性的影响,旨在为水产蛋白结构和功能研究提供理论支撑,为进一步开发利用新型抗氧化剂提供指导方向。

1 多酚对肌原纤维蛋白结构及功能特性的影响

植物多酚是天然植物原料中提取的有效成分,其来源广泛,结构中大部分带有苯环并结合多个羟基,具有较强的抗氧化性,已被应用到食品及医药行业中,近年来已作为优质天然抗氧化剂应用到肉制品加工中[8]。多酚与蛋白质的相互作用取决于他们的结构与类型,主要通过非共价及和共价相互作用实现,对MP结构与功能特性产生显著影响[11-12]。如表1所示,不同多酚对于水产MP结构与功能特性存在不同的影响。研究发现MP中添加不同种类多酚化合物后,多酚的活性邻酚结构易与蛋白质之间形成共价结合,导致MP的巯基含量均呈现不同程度下降[13-14];生姜提取物可以延缓MP表面疏水性增加,对MP结构起到保护作用,进而影响蛋白质氧化程度[15];表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)可以通过非共价作用(氢键和疏水相互作用等)与鲢鱼MP产生紧密结合,导致α-螺旋含量减少,而β-转角和无规则卷曲含量增加,使MP结构更为松散,有利于提高凝胶特性[16];多酚也可以使蛋白质周围的整体氧化环境发生变化,通过破坏肽键,改变蛋白质的结构,使色氨酸残基暴露,导致其荧光强度降低,发挥其抗氧化活性[17]。除此之外,多酚在MP形成凝胶结构、水合能力及乳化性能方面也起着重要作用[18]。蛋白质-多酚复合物和结合物也越来越受到关注。蛋白质-多酚复合物和结合物比单一蛋白质具有更强的抗氧化潜能,但取决于蛋白质/多酚比例以及多酚的类型[19]。目前,对于多酚-MP相互作用的研究已较为深入,但仍存在不足,如多酚与MP之间会产生影响,但由于多酚种类、蛋白质结构的不同等差异,会产生不同影响;此外,多酚对MP结构变化、乳化性和凝胶特性的影响仍需进一步探索。

2 多糖对肌原纤维蛋白结构及功能特性的影响

多糖是一种天然的高分子聚合物,由各种单糖通过不同形式连接,广泛存在于植物、动物和微生物中[24]。多糖根据电荷特性不同可分为阳离子多糖、阴离子多糖和中性多糖,具有不同的化学结构和功能,如提高乳液的黏弹性、改变食品感官特性和抑制消化作用等[25-26]。此外,多糖具有很强的生物学功能,如抗癌、糖尿病活性[27]、降血脂活性[28]、调节作用[29]等。虽然多糖具有较多的功能特性,但其产率低、水中溶解度低、黏度差,同时空间结构受制,因此限制了多糖的应用[30]。近年来,多糖类化合物同样被应用于修饰水产MP以保护其结构与功能特性。多糖可以通过清除自由基、抑制脂质过氧化物的产生、增强抗氧化酶活性等多种相互协调机制发挥抗氧化作用[6]。此外,多糖已被证实可以直接与蛋白质极性残基相互作用以防止蛋白质变性,或者通过形成多糖-肌原纤维复合物束缚水分子以改善蛋白质凝胶特性[25]。

如表2所示,不同多糖对于水产肌原纤维蛋白结构与功能特性存在不同的影响。研究表明中性及阴性多糖与蛋白质结合的稳定效果优于阳性多糖[25]。魔芋胶是一种中性多糖,适量添加后可以提高MP的表面疏水性、浊度与粒径,同时改善MP凝胶特性[31-32]。卡拉胶是一种阴离子多糖,在一定条件下与MP发生静电相互作用,同时也存在一定的静电排斥和空间位阻作用[25]。在草鱼MP和泥鳅MP中添加一定量卡拉胶会导致其凝胶强度下降[33-34],这与前期研究结果不符,可能是过量添加后会与蛋白质发生过度交联,阻碍蛋白质间的交联,导致凝胶强度降低[35]。研究表明经酸解古罗糖醛酸寡糖修饰后,MP极性环境发生改变,酪氨酸暴露,蛋白结构更聚集,从而对MP的二级结构产生一定影响[9]。此外,金针菇多糖已被证实可以降低MP巯基、内源荧光强度及Ca2+-ATP酶活性,同时抑制MP二级结构变化,使其结构更加有序,蛋白质变性有所缓解[36]。羟丙基二淀粉磷酸酯(hydroxypropyl distarch phosphate,HPDSP)是一种复合变性淀粉,乙酰化双淀粉己二酸酯(acetylated distarch adipate,ADA)是一种改性淀粉,因二者稳定的凝胶特性和降低食品工业中淀粉的降解而受到广泛关注[37]。HPDSP和ADA可以改变南美对虾MP的分子间作用力及二级结构,但过量添加均会与MP之间形成竞争,导致其凝胶强度降低[38-39],改性淀粉对于MP的微观结构、凝胶特性都有很大的影响且优于天然淀粉的作用[40]。

目前,蛋白质与多糖之间的相互作用在食品领域已被广泛关注,但研究不够深入,影响蛋白质-多糖之间交联的因素众多,如pH值、离子种类、强度以及蛋白质与多糖配比等[41];由于不同种类的多糖在其结构、电荷等各个方面性质存在差异,所以,需针对不同种类多糖进行独立研究。多糖和MP交联体系较为复杂,后续相关研究还需要考虑多种因素协同作用对MP结构与功能特性的影响。

3 蛋白质对肌原纤维蛋白结构及功能特性的影响

蛋白质是人类饮食中贡献最重要的营养成分之一。由于传统来源蛋白质的需求不断增加和供应不稳定,各种非传统来源的蛋白质功能及潜在应用也逐渐受到关注。例如,研究发现植物蛋白具有一定活性且相较于动物蛋白具有更多健康益处[43]。蛋白质由不同氨基酸组成,其空间结构通过一级、二级、三级、四级结构以及疏水作用等多种相互作用形成[44]。蛋白质的功能特性较多,其中凝胶性、溶解性、起泡性等在食品行业中应用度较高。近年来,蛋白质除了作为营养物质,还有许多其他用途,如抗冻剂[45]、抗高胆固醇血症活性[46]、稳定乳化液体系[47]等,广泛应用于食品及医药行业等。

如表3所示,不同蛋白质对于水产MP结构与功能特性的影响存在差异。在鲢鱼MP中添加一定浓度大豆分离蛋白会降低其内源荧光强度并在一定程度上改善其功能特性[48];一定浓度的虾夷扇贝裙边多肽可以降低鲢鱼MP巯基和羰基含量并改变其二级结构,对其结构具有一定保护作用[10];白鲢鱼鳞抗冻多肽可以降低冻融过程中MP的聚集程度、改善氨基酸微环境及二级结构变化,对MP的冻融稳定性及结构保护作用均优于商业抗冻剂[49];鱼鳞明胶是胶原部分变性的产物,在黑鱼MP中添加鱼鳞明胶后会降低巯基、Ca2+-ATP酶活性,延缓表面疏水性和羰基的增长,使MP溶解度降低,减少MP结构的变化并抑制冻融过程中流变特性和凝胶特性的劣化,但作用效果仍不及商业抗冻剂,因此,未来还需要对明胶的冷冻保护作用进一步改善[50];牛骨水解物在一定程度上会抑制表面疏水性升高,使MP结构更加致密,但巯基含量会随着添加浓度的升高而降低,可能是因为高浓度抗氧化剂影响了MP空间结构,使分子内部的巯基暴露,形成二硫键,导致总巯基含量下降[51]。此外,碱性蛋白酶应用到鲢鱼MP中也产生了同样的效果[52]。

蛋白质是生产蛋白凝胶制品过程中常用的外源添加物,可以增强鱼糜制品的凝胶特性,降低生产成本,有研究发现蛋白质-蛋白质相互作用可以提高蛋白质的功能特性,可能是解决特定蛋白质缺陷的关键途径。近年来,部分蛋白质水解物及多肽等被当做抗氧化剂加入MP中以维持其结构与功能特性,但与其他类抗氧化剂相比,蛋白质类抗氧化剂对MP结构与功能的影响的报道仍然较少。利用副产物开发新型蛋白质水解物或多肽类抗氧化剂也仍待研究。

4 其他物质对肌原纤维蛋白结构及功能特性的影响

抗氧化剂根据其来源不同,可分为天然抗氧化剂和化学合成抗氧化剂,但目前化学合成抗氧化剂仍因其安全性问题备受质疑[53]。脂质、乳液及无机盐等天然产物均被发现具有抗氧化性。如,脂质可以通过与蛋白质中的疏水反应位点竞争,改变局部蛋白质环境,从而影响MP的凝胶强度,导致更多的疏水基团暴露,进而改变相关蛋白质的二级结构[54],而脂质氧化产物与蛋白质分子之间通过链式聚合反应或亲核氨基酸残基发生相互作用[55]。无机盐可以与MP中不同位点结合,对其产生保护作用[56]。

如表4所示,其他物质对于水产肌原纤维蛋白结构与功能特性存在不同的影响。鱼油的添加促进了蛋白之间的交联。可与凝胶基质中的蛋白质发生连接,从而提高了鱿鱼MP凝胶强度并使其微观结构更加牢固[57]。适量浓度的氧化亚油酸可以改变MP巯基含量、蛋白质构象并促进蛋白质间的相互作用和聚集,从而形成更强的三维凝胶网络[58]。适量浓度的藜麦蛋白皮克林乳液可以改变二硫键空间构象,促使α-螺旋向β-折叠转化以保持其结构并改善其非共价相互作用[59]。此外,在冻融过程中藜麦蛋白皮克林乳液被证实可以降低MP羰基含量、稳定酪氨酸和色氨酸的微环境并降低凝胶冰点以起到抗冻保护作用[60]。无机盐的添加同样会对MP产生一定影响,如不同浓度氯化钠会对大黄鱼MP表面疏水性、巯基含量以及二级结构产生显著影响[61];低浓度亚硝酸钠可以延缓MP羰基和表面疏水性的升高,但高浓度亚硝酸钠会改变蛋白构象,同时产生蛋白聚集体,导致其溶解度降低[56]。此外,一些复合抗氧化剂的使用也受到关注,苹果多酚改性蛋清添加后,鲅鱼MP二级结构和凝胶网络结构更加稳定,持水性及凝胶特性(弹性和回复性)具有不同程度提升[62];而柠檬马鞭草精油结合亚麻籽胶可以延缓冰藏期间大菱鲆MP总巯基含量及内源荧光强度下降速率,抑制α-螺旋相对含量减少,维持MP的结构稳定[63]。

综上所述,脂质、乳液及无机盐等均可对水产MP起到保护作用。但脂质氧化系统十分复杂,脂质和蛋白质氧化可能通过复杂的机制共同影响MP凝胶特性,因此,脂质氧化系统对MP凝胶特性的影响机制还有待研究[64]。此外,无机盐虽然可以改善MP某些性质,但高浓度无机盐会导致食品质构特性、颜色及感官指标下降[65]。因此,仍需继续探究不同种类物质与MP之间的互作关系。

5 展望

目前,抗氧化剂在国内外食品加工生产中已不可或缺,抗氧化剂在延缓食品氧化变质和延长食品保质期等方面均有着显著的效果。不同抗氧化剂会使水产MP的结构与功能特性发生变化,如延缓或降低羰基和表面疏水性的升高,维持蛋白质构象;减少因蛋白质分子变化而引起的不可逆聚集反应。此外,pH、抗氧化剂浓度及电荷强度等因素均会影响抗氧化剂对MP的作用效果。

由于天然抗氧化剂具有减缓氧化反应速率、修饰蛋白质结构等功能,目前已经被广泛的应用于保护水产肌原纤维蛋白的结构与功能特性。但随着研究不断地深入开展,新型天然抗氧化剂资源受限,开发工作遇到瓶颈,利用物理化学方法改性及联合使用多种氧化剂协同效应将是未来工作的重点。此外,利用抗氧化剂改善MP的结构及功能特性相关研究主要集中在蛋白质化学键等初级结构及二级结构方面,对于MP空间结构的影响报道较少;一些抗氧化剂为脂溶性化合物,可以开发相关乳液制剂,实现抗氧化剂的包埋递送,增加抗氧化剂的应用效率,以提升MP稳定性,实现水产品凝胶制品改性,促进我国水产品市场的良性发展。

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