脂肪氧化诱导鱼蛋白聚集变性研究进展

2011-08-15 00:43章银良安巧云杨慧
食品研究与开发 2011年11期
关键词:变性脂质自由基

章银良,安巧云,杨慧

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南 郑州 450002)

脂肪氧化诱导鱼蛋白聚集变性研究进展

章银良,安巧云,杨慧

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南 郑州 450002)

综述鱼脂肪氧化、鱼蛋白质变性以及脂肪氧化对蛋白质影响等方面的研究进展。明确提出鱼品质的下降的一个重要原因是由脂肪氧化诱导引起蛋白质劣变,下一步研究重点是探索脂肪氧化诱导蛋白质变性的机理。

脂肪氧化;蛋白质变性;氧化诱导;品质劣变;机理

我国有着丰富的渔业水域和生物水产资源,种类繁多。随着现代科技的迅速发展,水产品加工技术不断提高,水产品加工业在国民经济中的地位日益上升,已经成为海洋经济新的增长点。同时,水产品作为一种很重要的食物,使得大力开发海洋、增加淡水养殖,成为扩大食品源的重要途径。我国渔业生产持续稳定并快速发展,水产品年产量占世界总产量的1/3以上[1],已经连续16年位居世界第一。但是,由于鱼类水分含量高、肌肉组织细嫩,所以易腐败变质、不易保藏,失去食用价值,所以在产品保藏和加工中如何保证鱼肌肉蛋白质结构完整和性质稳定是目前最为关注的理论和实际问题。本文主要对鱼蛋白变性、鱼脂肪氧化以及脂肪氧化对蛋白变性影响的研究现状做综述分析。以期为提高鱼类加工品质提供一定技术保证。

1 鱼蛋白变性的研究进展

1.1 鱼体冷冻冷藏过程

冷冻贮藏是保持鱼肉新鲜程度的一个重要的保藏手段。早在1861年,埃偌克·派珀就提出了利用冰和食盐对易腐败变质的食物进行冻结的保藏方法[2]。它的原理是在低温条件下既有抑制微生物生长繁殖的作用,又能减缓鱼肉中一些化学和酶的反应。然而在冷冻贮藏时间逐渐延长的情况下,肌肉蛋白的结构和化学性质也会随之发生一系列的变化,在低温储藏过程中蛋白质冷冻变性现象是一个普遍存在的问题,所以鱼肉蛋白质冷冻变性问题一直是水产品质量的研究重点[3]。就目前而言,对于鱼蛋白的冷冻变性机理大家都普遍认可以下3种学说[4-7]。①蛋白质结合水的脱离学说。一般来说结合水较难结冰,但是当温度很低时冻结率也会增高。首先冷冻过程是一个缓慢冻结的过程,会形成冰晶而导致水分子的重新排列分布,一部分结合水被冻结,即结合水脱离蛋白质。其次是解冻过程,本来与蛋白质结合的水不能返回到原来的位点,这样水分子就游离出来而脱离了组织,也就是蛋白质失去了复水能力而发生了不可逆的变性。如Davies[8]等采用DSC来监测鱼肌肉蛋白质在冻藏期间发生的变化。肌动蛋白转变温度(Td)下降意味着肌纤维蛋白质随着冷冻时间延长,其变性程度增加,引起变性的原因主要是由于冷冻。②细胞液的浓缩学说。随着冻结温度的下降,由于冰晶的析出使细胞中未冻结的细胞液被浓缩,细胞中的有机溶剂和金属盐含量就相对增大,所以离子浓度增加,pH也会随之变化而导致蛋白质盐析变性。Oguni[9]等研究指出在0.6 mol/L KCl溶液中鲤鱼肌球蛋白的Ca2+-ATPase活性会下降,冷冻变性加强,这都证实了该学说的推断。③水与水合水的相互作用学说。蛋白质的高级结构是由分子间的氢键和分子内的非极性键共同维持的,这些键的分布又与蛋白质周围的水分子关系密切。冻结时冰晶的析出会破坏蛋白质分子和周围结合水的结合状态,即影响了水与蛋白质的相互作用。从蛋白质的结构考虑可能会导致蛋白质分子内部一些旧键的断裂和新键的结合,如氢键、离子键和二硫键等,从而改变蛋白质的内部结构使其变性。

1.2 鱼肉加工过程

1.2.1 加热处理

加热是食品加工过程中的重要工艺,加热过程可以起到抑制微生物活性的作用,同时可以赋予产品特有的风味、色泽和组织结构。对于鱼制品而言,这些组织特性的变化主要取决于肌原纤维蛋白的热变化。例如潘锦峰[10]等利用DSC、SDS-PAGE电泳研究了草鱼肌原纤维蛋白在加热时的变化,发现各项理化指标都呈S型变化。他认为热变性的机理是当加热温度小于45℃时,小部分蛋白质分子首先发生构象改变,造成分子间作用力的重排;随着温度的升高,水和蛋白质分子间的作用力被破坏,蛋白质分子发生开链,部分巯基暴露被氧化成二硫键;当温度达到蛋白的变性点时,蛋白质分子的结构被完全破坏,相互进行交联发生聚集,形成大量新的二硫键。

1.2.2 腌制

腌制加工是有悠久历史的保藏方法之一,一般指的是食盐腌制,包括盐渍和熟成两部分。章银良[11]研究了海鳗腌制加工中食盐的渗透作用,采用荧光、傅里叶转换红外光谱等手段测定了腌制过程蛋白质的特性变化。认为盐分的渗入导致肌动球蛋白快速失水,使从非极性氨基酸转移到水所需的自由能减少,从而使分子内的疏水作用减少;当食盐达到一定浓度,会引起肌动球蛋白的去极化,使蛋白质分子内的疏水性脂肪族暴露导致疏水性增加并破坏了原来的天然结构状态,从而由于肽键的盘绕或螺旋部分产生了构象的变化。

1.2.3 干制

鱼类的干制加工主要是利用外界条件脱去鱼体中的水分,一般和低盐腌制配合加工。吴平华[12]等利用草鱼进行了低盐干制的加工实验,认为对鱼体进行干燥处理时,大量的水分渗透出来,增强了细胞膜的通透性,细胞膜结构被破坏,导致蛋白质变性。

1.2.4 熏制

熏制是利用木材不完全燃烧时产生的挥发性物质对鱼体进行加工的过程,目的是使鱼体脱水,同时赋予其特有的风味并以此延长保质期。Sigurgisladotti S[13]等研究了熏制过程中大西洋鲑鱼的变化,其硬度明显增加,主要是因为肌原纤维蛋白由于脱水而收缩造成。

综上所述,无论是冷冻过程的3个学说还是不同加工过程中蛋白质的变性机理,都认为其变性的根本原因是水分子的缺失。

2 脂肪氧化的研究进展

2.1 应用抗氧化剂抑制氧化

在食品保藏中常常添加一些化学抗氧化剂,如TBHQ、VC、VE、PG等来延缓或阻止氧气导致的脂肪氧化作用。抗氧化剂的作用是可以先争夺空气中的氧气进行反应,例如与氧化的中间产物结合、金属螯合作用等从而避免了食物氧化。从二十世纪初开始人们就使用合成抗氧化剂,虽然较为经济,但是有些本身有一定的毒性。

2.2 提取天然活性成分抑制氧化

天然提取物具有无毒、高效的抗氧化、抑菌和保健功能的优点而备受关注,例如茶多酚、红辣椒提取物、竹叶抗氧化物(AOB)、灵芝肽、黄酮等。刘焱[14]等研究了在淡水鱼糜中添加天然抗氧化剂茶多酚,发现其酸价、过氧化值都明显下降。茶多酚具有灭活自由基的功能,可以和氧化过程产生的自由基(-R·RO·ROO·)反应,生成较稳定的酯基自由基,从而终止链式反应起到抑制氧化的作用。

2.3 物理方法抑制氧化

物理方法包括辐照(如X-射线、γ-射线、紫外射线或高速电子束等电离产生的高能射线)、臭氧、微波以及结合真空包装、低温、气调储藏等手段来保藏食品。由于物理方法处理的肉品卫生质量较高,而越来越受到人们的关注。辐照会提高自由基的生成速度从而引发自由基的链式反应,所以保藏效果跟辐照剂量以及时间都有关系。例如梁飞[15]等利用低剂量辐照研究了冷鲜肉的保藏,得出结论为1 KGy的辐照处理效果较优,既达到了保鲜的目的又不会加速脂肪氧化的程度。姚周麟[16]等利用电子束冷杀菌对鱿鱼丝进行保藏,其POV值增加程度较小,菌落总数也有大幅度减少。

3 脂类氧化产物对鱼蛋白质影响的研究进展

Pigott G[17]曾经提到冷冻过程中鱼肌肉蛋白质的变性与其新鲜度、水分含量、冻藏温度、pH、氧化三甲胺还原产生的二甲胺和甲醛、脂肪氧化等因素都有关系。脂类氧化生成的氢过氧化物质能使含硫蛋白质发生氧化,造成食品营养成分的大量流失。脂类氧化产物与蛋白质之间会以共价键结合,一些食品和饲料中的脂类在氧化后,发生蛋白质-脂类的共价相互作用,例如冷冻或干制鱼、鱼粉和油料种子。所以在鱼类的贮藏和加工过程中引起鱼质量明显下降的一个重要却被忽略的因素是脂肪氧化。

脂类的过氧化产物与蛋白质的共价结合和脂类诱导的蛋白质聚合反应可能包括2种机理:自由基反应和羰氨反应[18]。

3.1 自由基反应

氢过氧化物(也就是脂质过氧化初级产物)的裂解产生脂质自由基,脂质自由基通过抽氢反应充当引发剂使蛋白质分子变成自由基,蛋白质自由基又引发聚合式链反应,最终导致蛋白质的聚合。例如氢过氧化物的氧-氧键断裂产生烷氧自由基会与蛋白质作用生成蛋白质自由基,蛋白质自由基再交联,诱发蛋白质的聚合。

脂肪氧化产生的自由基会很快消失,可以用电子自旋共振光谱(electron spin resonance,ESR)来检测,并且这是可以直接检测的唯一方法。ESR的优点是直接对样品就可以测定,而不需要对样品进行复杂的处理;样品检测后不会受到破坏,不会对样品自身反应产生干扰;对同一样品可以反复进行测量。它的作用是追踪反应过程中顺磁粒子的形成、消失、再生和转移,从而探测到反应的机制和动态过程。Saeed S[19]等在研究鱼肉脂肪-蛋白质体系的报道中指出脂肪氧化大大缩短了许多品种冷冻鱼的货架期,特别是脂肪含量多的鱼类易产生恶臭味而不利于消费。他们用电子自旋共振证明了冷冻储存的脂肪氧化产品会使鱼的组织蛋白变硬,聚集。此外,还损失了一些氨基酸,如半胱氨酸、赖氨酸、组氨酸和蛋氨酸,以及损害其他色素蛋白质,如细胞色素C和血红蛋白。

3.2 羰氨反应

羰氨反应指的是脂质氧化的次生产物(醛类或者酮类化合物)的羰基可与蛋白质分子的氨基等侧链基团发生反应导致多肽链的链内交联和链间交联[20-21]。第一,肽主链的氧化断裂和一些氨基酸侧链基团的氧化都能生成羰基衍生物[22]。对氧化最为敏感的氨基酸是杂环族氨基酸,其次是芳香族氨基酸,最后是具有硫基基团的氨基酸。从结构上看,这些氨基酸残基侧链基团的-OH、-SH、-NH或-NH2中的氢原子容易被抽去,所以色氨酸、组氨酸、脯氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸以及酪氨酸易于被氧化。例如Kikugawa等[23]曾报道,亚油酸氢过氧化物与色氨酸反应24 h后,色氨酸的残基总量减少18%。第二,次生产物小分子醛、酮等,发生醛化引起相邻蛋白质分子间的交联。如脂质过氧化物的分解产物丙二醛能与蛋白质中赖氨酸的ε-NH2反应生成希夫碱,使大分子交联。

3.3 蛋白质分子结构的重排

参与上述两大反应(脂质自由基和脂质过氧化的醛类产物反应)的蛋白质,进一步通过氢键、疏水相互作用和二硫键等的作用进行重排,形成高分子的蛋白质聚合物。

许多种鱼类的肌原纤维蛋白,特别是肌球蛋白在不同的加工和贮藏过程中与不同种类的脂肪或脂肪过氧化产物发生反应而发生变性[24]。在蛋白质表面,脂肪酸有表面活性剂的作用,引起疏水相互作用导致蛋白质链的展开,进而暴露内部基团用于反应。

综合以上3种反应,蛋白质与脂质、脂质过氧化物或游离脂肪酸等相结合,蛋白质变性直接影响蛋白质的溶解度。蛋白质溶解度的下降又进一步影响蛋白质的多种功能性质,包括起泡能力和泡沫稳定性、乳化能力和乳化稳定性、胶凝能力、水化能力、增黏性能、保油保水能力等,使得鱼的口感变差,组织结构韧性增加[25],导致鱼制品的品质大大降低,风味劣变。

到2010年为止,从文献报道中来看关于脂肪氧化诱导对鱼蛋白质聚集的研究报道还十分缺乏。江南大学的黄友如研究了由脂肪氧合酶催化亚油酸诱导大豆蛋白聚集的机理。通过建立由亚油酸、脂肪氧合酶和低脂质含量的大豆蛋白所组成的模拟反应体系,应用化学分析、电泳、凝胶色谱和激光光散射等方法研究了反应后大豆蛋白的聚集情况[26]。英国萨里大学Howell N K等研究了酶氧化活性对鱼品质影响;抗氧化剂和冷冻保护剂对冷冻鱼蛋白质变性和质构的影响以及采用电子自旋共振(ESR)研究了游离自由基在鱼中的脂肪-蛋白质相互反应等[27-28]。他们在研究鱼肉品质在储存过程中劣化这一现象时发现,鱼油中多不饱和脂肪酸氧化产生的自由基是问题的关键,其原因是鱼肉中的肌球蛋白在自由基作用下发生了聚集,最终使得蛋白质的水化及凝胶性能下降。因此可以推断鱼类脂肪氧化是引起蛋白质聚集的重要原因。

4 结论

笔者曾研究了鱼在腌制过程中食盐、海藻糖对蛋白质结构和性能的影响,探索了腌制加工过程中的脂肪氧化和游离脂肪酸的变化,研究认为它们两者之间存在相当的关联。因此有必要通过脂肪氧化诱导对鱼蛋白质结构和性质的影响的研究,探明鱼蛋白质聚集机理。研究成果将为探索鱼加工中脂肪氧化对产品品质影响,提高水产品加工的内在质量,阐明我国水产品加工品质较低,高附加值产品缺乏的本质影响机制,对于促进我国水产品加工业的发展具有重要的现实意义。

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Progress of Denaturation of Fish Protein Induced by Lipid Oxidation

ZHANG Yin-liang,AN Qiao-yun,YANG Hui
(School of Food and Biological Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,Henan,China)

Progress of fish fat oxidation,fish protein denaturation and protein effected by fat oxidation was summarized.Protein deterioration induced by fat oxidation is an important factor of fish quality decreased.The next research should focus on the mechanism of protein deterioration induced by fat oxidation.

lipid oxidation ;protein denaturation;oxidation induction;quality deterioration;mechanism

章银良(1963—),男(汉),教授,博士,主要研究方向:食品化学与质量安全。

2011-02-11

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