超高压对肌原纤维蛋白结构及其凝胶特性影响的研究进展

李钊，李宁宁，刘玉，赵圣明*，康壮丽， 朱明明，计红芳，何鸿举，马汉军

1(河南科技学院 食品学院，河南 新乡，453003)2(国家猪肉加工技术研发专业中心，河南 新乡，453003) 3(河南省畜禽产品精深加工与质量安全控制工程技术研究中心，河南 新乡，453003)

超高压技术(ultra-high pressure，UHP)在食品领域的应用研究始于20世纪80年代，1986年日本京都大学林立九教授将其应用于食品工业[1]。超高压技术是指将食品置于室温或较低温度下，施加100～1 000 MPa压力，致使食品内部的生物大分子发生不同程度的变化，比如蛋白变性、淀粉糊化等，最终改善食品品质、风味和延长货架期[2]。由于超高压处理食品时只作用于食品组织中的非共价键，而对食品中的共价键没有影响，因此，可以有效保持食品本身的营养品质。AMADOR等[3]研究表明,经300 MPa压力处理，可以使5 CFU/mL的孢子失活，说明超高压技术对孢子活性具有一定的影响。刘旺[4]等利用超高压处理亚麻籽胶和猪肉纤维蛋白的混合物,在200 MPa时，肌原纤维蛋白凝胶特性改善，其凝胶持水性和强度都有不同程度的提高。崔燕等[5]探究超高压结合冷冻技术对南美白对虾肌原纤维蛋白的影响，发现在300 MPa/min的冷冻处理条件下，可以有效地保持虾仁的优良品质。

蛋白质的凝胶特性对于食品品质具有极其重要的影响，与食品本身的持水性、食品状态和产品得率直接相关。超高压处理可导致食品中的肌原纤维蛋白结构、化学作用力等发生改变，从而使蛋白质变性及凝胶化[6]。在肌肉蛋白中，肌原纤维蛋白是最重要的肌肉蛋白群之一，其包括肌动蛋白、肌球蛋白、肌动球蛋白等，这些蛋白是形成凝胶的主要成分，也与食品凝胶强度、质构、流变等密切相关[7]。本文主要从超高压对肌肉蛋白结构和凝胶特性的影响着手，详细分析了超高压处理后肌肉蛋白的生化特性、化学作用力的变化，以及超高压处理对持水性、质构、流变性和热变性等凝胶特性的影响，为超高压技术在凝胶类肉制品加工中的进一步应用提供理论参考。

1 超高压对肌原纤维蛋白生化特性的影响

1.1 超高压对肌原纤维蛋白巯基含量的影响

巯基作为肌原纤维蛋白中活性最强的功能性基团，可以形成弱次级键，用来维持蛋白的三级结构，对蛋白稳定具有极其重要的作用。总巯基包括蛋白表面的活性巯基基团和内部隐藏的巯基基团。肌原纤维蛋白在超高压的作用下发生变性，其蛋白构象发生改变，内部巯基集团暴露，表面活性巯基基团易发生氧化形成二硫键，使肌原纤维蛋白中的总巯基含量减少。因此，通过测定总巯基和活性巯基含量变化的程度可以判断肌原纤维蛋白氧化变性的程度[8-9]。郭丽萍等[10]探究超高压结合热处理技术对猪肉肌原纤维蛋白的影响，发现在同一温度下，随着压力不断的上升(0～600 MPa)，肌原纤维蛋白中总巯基含量显著降低，说明超高压导致肌原纤维蛋白内部巯基暴露发生氧化最终导致总巯基含量降低。刘旺[4]等探究超高压结合亚麻籽胶对猪肉肌原纤维蛋白的影响，发现压力低于100 MPa时，随着压力升高，活性巯基含量无显著变化，与LIU等[11]在100 MPa结合海藻酸钠处理肌动球蛋白结果一致，可能是因为压力较低未能使肌原纤维蛋白中隐藏的巯基暴露；当压力在100～300 MPa时，随着压力上升，活性巯基含量显著增加，高压使肌原纤维蛋白发生变性，蛋白结构展开使内部巯基暴露；在400 MPa时，活性巯基含量与300 MPa时含量无显著性差异，可能在300 MPa时，蛋白内部巯基已充分暴露。闫春子[12]等探究超高压对草鱼肌原纤维蛋白的影响时发现，在0～300 MPa，随着压力上升，活性巯基含量呈上升趋势，在300 MPa时活性巯基含量达到最高。CHAPLEAU等[13]研究超高压处理对肌原纤维蛋白的影响，显示在300 MPa时，活性巯基含量达到最高，与闫春子等[12]研究结果一致。WANG等[14]研究CaCl2和高压处理鸡胸肉肌原纤维蛋白溶解度的影响时发现，高压处理促使未添加CaCl2的肌原纤维蛋白中的总巯基含量显著降低。主要因为高压处理后，更多隐藏的巯基暴露，从而使巯基基团之间的距离减小，当氧存在时更有利于形成二硫键。XUE等[15]研究高强度超声、超高压处理和高压均质对肌原纤维蛋白理化和功能特性影响时发现，3种处理方式均会导致巯基含量的降低，但超高压对肌原纤维蛋白的影响较小。ZHANG等[16]探究高压改性对肌原纤维蛋白结构和胶凝性能影响，结果表明，活性巯基含量与压力呈正相关，但总巯基含量显著降低。综上所述，在一定压力条件下，肌原纤维蛋白活性巯基含量随着压力的升高而上升，而总巯基含量随压力升高而降低。

1.2 超高压对肌原纤维蛋白表面疏水性的影响

肌原纤维蛋白表面疏水性影响蛋白质分子间及蛋白质分子与溶剂水分子之间的相互作用。其疏水性变化主要由蛋白质构象改变引起，当蛋白在压力作用下发生变性，其构象改变，内部隐藏的氨基酸残基暴露在蛋白质表面，致使表面疏水性上升[10,17]。郭丽萍等[10]研究发现,随着压力的增加，猪肉肌原纤维蛋白表面的疏水性呈上升趋势，当压力>200 MPa时，其表面疏水性显著增大。ZHANG等[16]发现表面疏水性与压力呈正相关，随着压力的增大，蛋白去折叠增加，疏水基团暴露，从而致使表面疏水性增加。HE等[18]探究高压加工提高低盐真胡麻鸡胸肉品质的分子机理发现，当压力<100 MPa时，肌原纤维蛋白表面疏水性无明显变化，可能由于压力不足，疏水基团不能充分暴露；随着压力的增加(200～500 MPa)，其表面疏水性显著增加。 ILLAMONTE等[19]探究黄原胶对高压处理肌原纤维蛋白结构特性的影响发现，经高压处理后，蛋白表面疏水性随着蛋白三级结构的改变而增加；黄原胶的存在降低了高压对肌原纤维蛋白表面疏水性的影响。其他相关研究也表明高压可以使鱼糜肌原纤维蛋白表面疏水性显著增加[20]。

1.3 超高压对肌原纤维蛋白Ca2+-ATPase的影响

Ca2+-ATPase活性与肌球蛋白活性密切相关，作为蛋白品质的一个重要指标，可以反映蛋白的变性程度，同时与凝胶的形成也有一定的联系。当蛋白质分子间相互作用加强，肌球蛋白构象被破坏，肌球蛋白内部巯基暴露被氧化而最终导致Ca2+-ATPase活性发生下降[21-22]。廖彩虎等[23]研究超高压解冻对不同方式冻结的鸡肉品质的影响，发现当压力<150 MPa时，Ca2+-ATPase活性显著下降，当压力>150 MPa后，由于肌球蛋白在高压下被破坏，Ca2+-ATPase活性变化不明显。崔燕等[5]研究超高压协同冷冻辅助脱壳对南美对虾肌原纤维蛋白理化性质的影响，发现在压力为200 MPa，加压1 min，Ca2+-ATPase活性与对照组无明显差异，但其他处理组Ca2+-ATPase活性均显著下降。CHENG等[24]在研究中发现，随着压力的上升，Ca2+-ATPase活性显著下降，当压力为100 MPa时，Ca2+-ATPase活性仅保留42%。其他研究结果也表明高压条件下Ca2+-ATPase甚至会彻底失活[25]。综上所述，在超高压作用下，肌原纤维蛋白Ca2+-ATPase活性均会受到不同程度的影响。

2 超高压对肌原纤维蛋白化学作用力的影响

肌原纤维蛋白构象主要由各种化学作用力来维持，如二硫键、氢键、范德华力、疏水相互作用、离子键等化学作用力。肌原纤维蛋白凝胶形成的过程也就是原肌原纤维蛋白变性重聚集的过程，各化学作用力发挥不同的作用促进凝胶的形成。在凝胶形成过程中，由于蛋白质变性，蛋白质分子活跃，肌球蛋白因变性折叠，其内部隐藏的疏水性氨基酸残基和巯基暴露出来，疏水基团在蛋白质分子间和分子间相互作用，活性巯基被氧化为分子间或分子内新的二硫键，另外离子键和氢健也产生作用，使局部的蛋白质发生聚集，最终在各种化学作用力下形成凝胶致密的网状结构[26-27]。在蛋白质热凝胶的相关研究中，普遍认为主要由氢键、疏水相互作用、静电相互作用等作用力形成及维持蛋白质凝胶，但蛋白质变性后内部巯基暴露，氧化产生的二硫键也有助于蛋白质凝胶的形成。

目前关于超高压对肌原纤维蛋白凝胶形成过程中化学作用力的研究已有较多相关报道。一些研究认为高压可使肌球蛋白和肌动球蛋白的解聚，还可使肌原纤维蛋白的溶解度提高，因此高压处理可导致蛋白质凝胶特性发生改变[28]。HWANG等[29]研究高压对罗非鱼肌肉蛋白凝胶质构和流变特性的影响，研究结果表明在200 MPa时，在疏水性作用和氢键作用下可以形成柔软的凝胶。高压处理后，诱导肌动球蛋白变性，结构发生变化，增加了表面疏水性，其形成凝胶主要依靠疏水性作用和氢键，这种作用相对于热诱导形成的蛋白质凝胶更有利于肌原纤维蛋白形成致密的网状结构。杨慧娟等[30]研究超高压处理对低脂低盐猪肉糜制品乳化凝胶特性的影响中发现，未经高压处理时，其凝胶结构主要由二硫键和氢键来维持，随着压力逐渐增加至200 MPa，氢键的比例逐渐增加，离子键比例逐渐下降，凝胶的形成主要因为氢键的作用，其次是二硫键和疏水相互作用，当压力增加至200 MPa时，疏水相互作用比例也显著性增加。HSU等[26]通过研究发现，随着压力的上升，总巯基含量显著性下降，表面活性巯基含量变化不明显，表明肌原纤维蛋白在高压下，内部巯基暴露，活性巯基氧化生成二硫键。郭丽萍等[10]的研究也证明了这一点，随着压力的上升，总巯基含量显著下降，二硫键含量显著上升。二硫键对于蛋白质稳定具有重要作用，可使蛋白质凝胶网状结构更为致密，凝胶强度增加。综上所述，肌肉蛋白经超高压处理后，肌球蛋白和肌动球蛋白表面疏水性增加，内部巯基暴露氧化为二硫键，从而疏水性作用、二硫键含量和氢键含量增加，在相互作用下可改善肌原纤维蛋白的凝胶特性。

3 超高压对肌原纤维蛋白凝胶性能的影响

3.1 超高压对肌原纤维蛋白凝胶持水性的影响

持水性作为评价蛋白凝胶品质的重要指标之一，对其嫩度、风味具有极其重要的作用。其中低场核磁共振(low field-nuclear magnetic resonance,LF-NMR)可用于监测水的物理化学状态与蛋白质系统的流动性和分布，利用低场核磁共振可以确定蛋白凝胶中水分分布和流动性的变化。核磁共振横向弛豫的水可以分为3个指数群体的再弛豫衰变，代表蛋白凝胶中3种不同类型的水分状态：结合水、不易流动水、和自由水[31]。刘旺等[4]研究发现，肌原纤维蛋白持水性随着压力升高呈先上升后下降的趋势。仪淑敏等[32]的研究也证明了这一点，持水性随着压力的升高呈先上升后下降的趋势，在400 MPa时持水性达到最大值。任云霞等[33]研究超高压对添加变性淀粉的鸭肉肌原纤维蛋白的影响，发现随着压力的增加，肌原纤维蛋白凝胶持水性呈上升趋势，在400 MPa时达到最大值，随后继续升高压力，持水性呈下降趋势。分析肌原纤维蛋白凝胶在超高压作用下持水性上升的原因，可能是因为高压使蛋白变性，蛋白发生解聚，导致溶解性进一步升高，从而可以与更多的自由水结合形成结合水，持水性上升。随着压力继续升高，持水性下降，可能因为过高压力使蛋白完全解开，致密的网状结构彻底被破坏，无法保留更多水分，致使持水性下降。GROSSI A等[34]探究高压对猪肉肌纤维蛋白功能特性的影响中应用低场核磁共振技术发现加压会导致肌原纤维蛋白水结合发生变化，从而影响蛋白和水分子之间的相互作用。低压促进了蛋白质的水合作用，随后在高压下水的流动性增加，从而使其重新分配。YE等[31]探究κ-卡拉胶和高压协同处理对低盐鱼糜凝胶品质影响中利用低场核磁技术发现超高压可诱导凝胶网络结构致密有序，降低凝胶水迁移率，捕获更多水分子，最终导致横向弛豫时间的减少。在CHEN[35]研究中也得到相似结果，经超高压处理后蛋白凝胶T22值明显下降，表明超高压处理削弱了水的迁移率，增加了保水性。相关研究[36-37]报道，蛋白凝胶形成的网状结构越致密，其持水性也越高，凝胶强度也越大。可能是因为高压使蛋白构象发生改变，内部隐藏巯基暴露，氧化生成更多的二硫键，促使网状结构更加致密，可以保留更多水分，从而持水性上升，凝胶强度增大。

3.2 超高压对肌原纤维蛋白凝胶质构特征的影响

质构特征的主要参数包括咀嚼性、硬度、弹性、内聚性、黏聚性、回复性等。LUO等[22]研究发现，随着压力的升高，马鲛鱼鱼糜凝胶硬度呈上升趋势。陈燕婷等[38]研究带鱼鱼糜蛋白凝胶质构特征时发现，与对照组相比，经超高压处理的蛋白凝胶，其硬度、咀嚼性显著上升，弹性和黏聚性略优于对照组，随着压力继续增加，弹性、咀嚼性、硬度呈先上升后下降的趋势，粘聚性呈下降趋势。王苑等[39]研究结果表明将鸡肉肌原纤维蛋白与大豆分离大白按照1∶1混合形成的凝胶在100 MPa高压下，经合适的加热时间和温度，其形成的凝胶硬度、弹性比未经高压处理的对照组显著提高。任云霞等[33]研究发现，提高压力可显著增加凝胶蛋白的硬度、弹性和咀嚼性。MA等[40]探究高压和氯化钙对含有刺槐豆胶的肉蛋白凝胶性能影响中发现，与对照组相比，不同压力处理的蛋白质构参数在100、200 MPa差异显著，但是较高的压力(300、400 MPa)明显降低了蛋白凝胶的硬度和咀嚼度，反而对蛋白凝胶的粘聚性和弹性影响不大。ZHANG[41]等探究高压加工对猪肉僵化过程影响，发现高压处理对肉质构的影响显著(P<0.05)。与对照组相比，当高压处理在0～400 MPa，硬度、黏聚性、咀嚼均显著增加。综上所述，对于不同种类的肌原纤维蛋白形成的凝胶，经超高压处理后质构特征变化存在一定的差异。对于不同种类的肌原纤维蛋白凝胶，可以选取合适的压力参数和工艺条件，以此获得更好的质构特征。

3.3 超高压对肌原纤维蛋白凝胶流变特性的影响

流变特性是用来描述蛋白凝胶性能的一个重要指标，其中存储模量(G′)测量值代表弹性部分的存储能量，反映了蛋白凝胶变形后恢复原形状的能力，存储模量越大，凝胶变形后恢复原形状的能力越强；损耗模量(G″)测量值代表粘性部分，损耗模量反映了蛋白凝胶抵抗流动的能力，损耗模量越大，越不易流动；tanδ值代表在蛋白形成凝胶过程中黏性肌球蛋白溶液向弹性肌球蛋白凝胶的转变[42]。存储模量、损耗模量和tanδ值在20～80 ℃范围内可以作为肌肉蛋白凝胶形成能力的主要指标[43]。ZHAGN等[16]研究发现，与未加压的肌原纤维蛋白相比，加压后样品的G′和G″变化趋势相似，均随压力的增大而减小。这与CANDO等[44]研究结果相似，高压处理鱼糜在凝胶化过程中G′也随着压力的增大而减少。与对照相比，在100 MPa时，肌原纤维蛋白G′和G″无明显变化；在200 MPa时，肌原纤维蛋白的G′和G″显著性降低，可能由于肌球蛋白严重变性所致；在300 MPa时，G′和G″进一步下降(P<0.05)，可能由于肌球蛋白和肌动蛋白不断变性所致。当压力在400～500 MPa时，G′和G″无明显变化(P>0.05)，说明蛋白分子的变性基本完成。WEI等[45]研究高压高温对猪肉糜凝胶特性和蛋白质构象的影响中发现，蛋白凝胶过程中肌球蛋白的变性对于凝胶的形成起着至关重要的作用，当达到一定温度后，蛋白变性全部结束，主要靠蛋白的疏水性互作用和二硫键来维持蛋白凝胶的三维网状结构。黄群等[46]在探究超高压对低盐海藻鸡肉糜品质的影响的过程中发现，在加热过程中，低盐海藻鸡胸肉糜体系的G′随着压力的上升呈先上升后下降的趋势，可能因为过高的压力抑制了三维网状结构的形成；同时也发现，经高压处理后，tanδ值变化显著，在100～200 MPa时，tanδ值降低；在300～500 MPa时tanδ值上升。因此，适当的超高压可以改善肉蛋白凝胶的G′、G″和tanδ值，提高蛋白凝胶质量。

3.4 超高压对肌原纤维蛋白凝胶热变性的影响

差示扫描量热技术(differential scanning calorimetry,DSC)已经广泛应用于蛋白变性的相关研究中。是一种在程序设置的温度条件下，测量试样和参照物之间的热量差和温度的关系的研究方法。DSC技术可以测量热试样力学的稳定性参数，且可以进一步核实生物大分子的结构模型。蛋白质凝胶性能与致密的空间构象密切相关，当蛋白变性，空间结构发生变化，导致热和力等物理参数也会发生不同程度的变化。在蛋白凝胶相关研究中，没有任何外界因素的影响下，DSC可连续测量复杂体系下的总热焓值和热熵值的变化，因此在凝胶特性研究中被广泛应用[47]。ZHANG等[16]采用DSC测量高压改性对肌原纤维蛋白结构和胶凝性能的影响中发现，在100 MPa时，与对照组相比，峰1的ΔH降低了14.60%，峰2降低了44.37%，表明肌球蛋白变性和肌动蛋白均已变性，但肌动蛋白变性程度较大。在200 MPa时，峰1的ΔH急剧下降(60.40%)，峰2的ΔH下降了50.70%，超过一半的肌球蛋白和肌动蛋白发生了严重变性，说明高压处理可以引起肌肉蛋白的降解和肌动蛋白解聚。300 MPa时，峰1的ΔH降低(61.82%)，峰2消失，1个新的峰出现(峰0)。ΔH的减少被认为是结构破坏导致变性的标志，峰2的消失表明肌动蛋白已完全变性。峰0的出现可能是由于高压诱导的聚合物形成。在400 MPa时，峰0的ΔH急剧增加，峰1消失，说明高压诱导的聚合物进一步形成，肌球蛋白完全变性。在500 MPa时，仅存在峰值0，ΔH进一步增加，说明高压诱导的聚合物进一步增加。结果表明肌球蛋白具有更高的耐压能力，肌动蛋白对高压处理的敏感性更强。张小燕等[48]探究差示扫描量热法及其在猪肉凝胶机理中的变化发现经DSC升温后，没有出现肌球蛋白的变性，表明之前的高压处理已使蛋白变性完全，在600 MPa时，凝胶结构已基本形成。叶韬等[49]探究不同处理条件下鲢鱼糜凝胶水分状态和微观结构的特征，运用DSC分析鱼糜凝胶中的水分状态分布发现，高压处理降低了凝胶的冰点温度，显著提高了结合水含量，减少了自由水的含量，减弱水分的流动性，从而增强凝胶的持水性。

4 展望

超高压加工技术作为一种新兴技术，具有其他加工技术无法取代的优点，如卫生、无污染、能源消耗少，可最大程度保存食品的风味和营养物质等，备受青睐。目前超高压对肌肉蛋白以及凝胶的影响已有研究，并取得一定的成果。但是，关于超高压对肌肉蛋白生化特性、化学作用力变化与凝胶的形成的研究尚不深入。超高压诱导肌肉蛋白形成凝胶是一个极其复杂的过程，通过调控超高压的强度以及作用时间，或搭配其他相关技术或者添加剂，可以对肌肉蛋白及凝胶性能产生不同的影响。寻找合适的加工工艺条件来提高肌原纤维蛋白凝胶特征，对于改善肉制品以及相关产品质量具有重要意义。目前，超高压技术还存在一些不足，超高压技术应用的条件和一些限制因素还需要进一步研究。此外食品经超高压处理后组分变化及组分之间的相互作用尚不明确，而且超高压设备昂贵、投资成本高、设备耗材使用寿命短也是一大问题。我国超高压技术起步晚，与国外相比还有很大差距，因此要抓住机会，紧跟国际潮流，与国际相接轨，与国内市场相适应。