蛋白质氧化对肉食用品质影响的研究进展

胡春林，谢 晶,2,*

（1.上海海洋大学食品学院，上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；2.上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，食品科学与工程国家级实验教学示范中心（上海海洋大学），上海 201306）

肉及肉制品在生产、加工、运输、贮藏、销售过程中不可避免地受到光线、温度、氧气、水分等外界环境因素的影响，从而导致肉食用品质劣变。长期以来，微生物作用和脂质氧化被认为是导致食品食用品质劣变的主要原因[1-4]，而蛋白质氧化对肉品食用品质的影响近年来被广泛关注。肉中肌原纤维蛋白是肉类主要的蛋白质组成部分，决定着肉品的风味特性、营养价值和加工性能，氧化导致肌原纤维蛋白的结构变化，进而通过改变肌原纤维的功能特性来影响肉的食用品质[5]，蛋白质氧化可以改变蛋白质的物理化学性质，包括结构、构象、溶解度、蛋白水解的敏感性和酶活性等，这些氧化可参与鲜肉品质的调节并影响肉制品的加工性能[6]。蛋白质氧化是肉类食用品质下降的非微生物因素，肉组织中由于含有高浓度的不饱和脂质、血红素色素、金属催化剂和多种氧化剂，使其易于发生氧化应激或氧化降解，而肉类的氧化变质会以变色、产生异味、形成有毒化合物、保质期缩短、营养损失等形式表现出来[7-9]。

1 肉蛋白质氧化机理

1.1 概念

蛋白质的共价修饰是通过化学基团的引入或除去从而使蛋白质共价结构发生改变的现象。蛋白质氧化是蛋白质共价修饰的一种模式，由反应物直接诱导产生或由氧化应激的次级副产物间接诱导产生。这些共价修饰不仅对肉品的感官、营养特性至关重要，而且对肉品的生产、加工以及对人体健康和安全产生影响[10]。

1.2 过程

根据Shacter的研究[11]，蛋白质氧化为在活性氧（reactive oxygen species，ROS）诱导下的蛋白质共价修饰反应，通过自由基的连锁反应发生，如同肉中脂质的氧化过程一样。根据Lund[12]、Baron[13]和Da Silva[14]等的研究，蛋白质氧化始于ROS从蛋白质提取氢原子形成蛋白质碳中心自由基的引发过程，如式（1）所示，然后在氧气存在的情况下形成过氧烷基自由基，如式（2）所示，其后通过从另一个蛋白质易感分子中夺取氢原子（式（3）），在氧存在的情况下转化为氧化烷基，随后转化为烷氧基自由基（式（4）），最后再与ROS反应生成烷氧基及其羟基衍生物。

在正常的生理条件下，分子氧会经历一系列反应导致自由基的产生，例如代谢反应过程中消耗的一小部分氧气（约2%～5%）会以ROS的形式转化为自由基。ROS和活性氮（reactive nitrogen species，RNS），通过与蛋白质、脂肪酸、核酸相互作用，在几种稳态过程中起着关键的调节作用，它们在氧化还原反应中充当中间剂[15]。当ROS或RNS数量不超过肉内源性抗氧化剂屏障时，具有有益的功能，如控制基因表达、调节细胞信号传导途径、调节骨骼肌以及防御入侵的病原体等；相反，当ROS或RNS过量且抗氧化剂防御的活性较低时，它可能会损害细胞成分，诱导氧化应激或亚硝化应激[16-17]，如当氧化剂的形成量超过抗氧化剂系统去除生物中氧化的能力时，即发生氧化应激，屠宰后由于内源性抗氧化剂的快速消耗导致肉中蛋白质容易受到氧化损伤就属于此种情况[12]。

1.3 氧化方式

蛋白质氧化的另一种方式是通过蛋白质与脂质之间的相互作用而发生，脂质氧化形成的自由基反应链被蛋白质分子中的氢原子吸收，形成蛋白质自由基，这些自由基被转化为烷基过氧化物，进而产生烷氧基和羟基衍生物，例如脂质氢过氧化物中氨基酸残基的氮或硫中心与蛋白质进行的氧化反应生成烷氧基及其衍生物[18-21]。

2 肉蛋白质氧化表征

肉组织中很多天然成分，如不饱和脂质、血红素色素、过渡金属、氧化酶等，是形成ROS的潜在前体或催化剂，在肉蛋白质氧化的引发过程中起着重要的作用[22]。许多ROS，如羟自由基、氢过氧化物、超氧化物等可作为蛋白质氧化的潜在引发剂[23]，ROS常见靶标是肽主链和位于氨基酸残基侧链的官能团，最初的自由基在有氧的情况下被连续转化为过氧自由基，并从另一个易感分子中提取氢原子转化为烷氧基自由基[24]。

ROS介导的蛋白质氧化常见结果是氨基酸侧链的氧化修饰、肽主链的断裂以及分子内和分子间交联的形成[25-26]。除了特定氨基酸残基固有的氧化能力外，氨基酸在蛋白质结构中的位置也会影响其与氧化促进剂的接触，进而影响氧化降解程度，如由于硫原子中心的高度敏感性，半胱氨酸和蛋氨酸会在温和的氧化条件（低浓度的ROS）下被氧化，色氨酸残基在过渡金属存在下也会被迅速氧化，这种现象被认为是蛋白质前期氧化的一种表现形式[27]。某些氨基酸（如蛋氨酸）优先氧化是一种“牺牲保护”机制，通过这种保护机制，某些具有抗氧化能力氨基酸会清除ROS，从而保护其他易感氨基酸进而起到抗氧化作用[28]。

常见ROS介导的蛋白质氧化中各种氨基酸转化包括：组氨酸转化为氧组氨酸或咪唑酮衍生物、色氨酸残基转化为尿氨酸或N-甲酰基尿氨酸、亮氨酸和缬氨酸转化为羟基衍生物等[29]，含硫氨基酸（如半胱氨酸和蛋氨酸）在氧化脂质存在情况下极易被氧化，产生多种含硫化合物，如砜、亚砜、二硫化物衍生物等[30]。

2.1 蛋白质羰基化

羰基化是一种非酶促不可逆的蛋白质氧化修饰，由氧化应激或其他机制诱导的蛋白质羰基形成过程，是蛋白质氧化最重要的表征模式[31-32]。羰基在蛋白质中形成目前有4 种不同的方式：1）非酶糖化反应，其在还原糖存在的情况下进行[33]；2）苏氨酸、脯氨酸、精氨酸、赖氨酸等氨基酸的侧链直接氧化[34]；3）与非蛋白质羰基化合物共价结合[35]；4）通过谷氨酰胺侧链氧化，或者通过α-酰胺化途径来氧化肽主链使其断裂[36]。羰基化的主要方式为敏感氨基酸侧链直接氧化[37]，羰基化合物的形成主要源于苏氨酸、脯氨酸、精氨酸、赖氨酸残基的氧化，在强烈的氧化条件下，如在有金属催化的蛋白质氧化中，生成大量的蛋白质羰基，在肌原纤维蛋白体外氧化过程中，肽链断裂对羰基生成的影响可忽略不计[38]。

氨基酸的氧化作用很大程度上取决于氨基酸在肽链中的位置，如某些容易转化为羰基衍生物的氨基酸，特别是酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、氨酸、精氨酸、赖氨酸和蛋氨酸等氨基酸，对ROS的敏感性更高；某些氨基酸，如半胱氨酸、色氨酸、蛋氨酸，更容易被氧化，可以充当抗氧化剂，保护其他氨基酸；来自半胱氨酸残基的巯基易受到ROS的攻击产生多种产物，如二硫键交联、亚磺酸、磺酸以及硫代亚磺酸盐等。

机体内的蛋白质损伤后，通常有3 种去路：被修复、被蛋白质降解系统降解、发生蛋白质聚集。由于羰基化是一个不可逆的化学反应，羰基化后蛋白质无法修复，通常被直接运送到蛋白质降解系统降解，羰基化后蛋白质会失去原有的生物学功能。在病理状态下，当羰基化蛋白质生成过多或者蛋白酶活性降低到无法降解羰基化蛋白质时，羰基化蛋白质就会聚集在细胞内，其累积和聚合会损伤细胞和组织功能，诱导生理病理改变[39-40]。

2.2 巯基基团的损失

半胱氨酸的巯基在有过氧化氢存在下极易被氧化，过氧化氢在细胞中形成并在宰后肉中积累，巯基的氧化是一个复杂的反应，形成各种各样的氧化产物，如二硫键、亚磺酸、亚硫酸等[41-44]，各种氧化产物的存在改变了原有蛋白质结构，导致蛋白质原有性质变化，如作用于蛋白水解的μ-钙蛋白酶由于蛋白质氧化时形成二硫键，造成空间位阴，从而降低了μ-钙蛋白酶自身酶活性[45]。

据报道，猪肉贮藏在非高浓度氧气条件下，从第1～14天，检测到巯基损失6%，而在高浓度氧气条件下，观察到7 d内巯基损失37%，且游离巯基的减少在开始的24 h内非常明显[46-47]。

2.3 蛋白质交联的形成

肉蛋白质分子内和分子间交联涉及多种交联氧化产物的形成以及蛋白质聚合，如酪氨酸通过酪氨酰苯氧基形成酪氨酸基团进行氧化[48-49]，交联通常由两个半胱氨酸和两个酪氨酸残基形成的胱氨酸（二硫键）和二酪氨酸[16]。某些蛋白质中具有稳定性的酪氨酸基团，如血清白蛋白和肌球蛋白，可能是由于酪氨酸具有类似芳香族基团的特性从而发生共振，进而趋于稳定[50]。

Park等[51]发现在肌红蛋白氧化系统中，肌原纤维的氧化还涉及剂量依赖性的交联，而在其他系统（如脂质氧化系统）中这种交联却很少，已发现肌球蛋白在生理pH值环境下，以浓度依赖的方式形成肌球蛋白自由基和交联产物，并由H2O2诱导形成交联肌球蛋白[52]；基于电子自旋共振谱及交联，肌球蛋白经血红素蛋白活化成肌球蛋白自由基，而后形成二硫化物和二铬酸铵[53-56]。

3 肉蛋白质氧化与食用品质变化关系

肉组织中含有大量蛋白质，蛋白质作为肉组织的主要成分，在肉类和肉制品的感官、营养、理化特性方面起着至关重要的作用[57-59]。肉蛋白质氧化修饰表现为蛋白变性和蛋白水解，蛋白变性或水解会导致肉蛋白质天然结构完整性的改变，这些改变会影响肉的品质，如质地特征、颜色、香气、风味、持水量和生物功能等[60-62]。蛋白质氧化会导致肉类蛋白质产生多种物理化学变化和营养价值变化，包括氨基酸蛋白质的生物利用度下降、氨基酸组成变化、蛋白质溶解度下降、蛋白水解酶活性降低、蛋白质消化率降低等[63-65]。

3.1 蛋白质氧化对肉食用品质影响的机理

目前尚不完全清楚肉中蛋白质氧化对其食用品质影响的内在机制，可能的机制有以下几种：1）电荷布局改变导致溶解性降低、疏水性增加、蛋白质变性：某些氨基酸如赖氨酸蛋白质羰基化导致氨基丢失，电荷布局改变，蛋白质二级结构舒展，侧链亲水基团变为疏水基团，蛋白聚合，溶解度降低[66]；2）水解识别位点改变或水解酶系活力降低导致嫩度变化：氧化形成的交联蛋白质导致蛋白质空间结构的变化，水解酶识别位点发生改变，酶活力减弱，抑制了水解酶活力，进而导致肉嫩化不足；另外由于酶活力降低，肌原纤维硬度增加，肉结构发生硬化，导致嫩度降低，质地变差[67]；3）交联形成稳定聚合物，导致肉硬度改变：交联聚合物导致肌原纤维收缩，肉中水分被挤出，持水性降低，导致嫩度变差[68]；4）形成Strecker醛（各种不同的特殊醛类，亦称Strecker醛类）导致风味发生改变：蛋白质氧化的羰基与游离氨基酸α-氨基反应生成Strecker醛，Strecker醛是食品中香味贡献者[69]，当氨基酸的Strecker醛发生氧化降解时，游离氨基酸发生氧化脱氨和脱羧，α-二羰基化合物与氨基酸发生反应，形成美拉德反应中芳香化合物。

3.2 蛋白质氧化与营养变化

人们已经认识到食品中蛋白质氧化对食品的营养和消费者的健康有潜在负面影响，早期的研究是关于乳制品蛋白质必需氨基酸的氧化修饰和氧化衍生物的生物利用度，消化率的降低影响蛋白质营养价值[70-71]，肉蛋白质的氧化会导致氨基酸分布的改变和特定氨基酸的净损失[72]；在蛋白质羰基的形成过程中苏氨酸、精氨酸、赖氨酸等必需氨基酸发生不可逆氧化修饰，这表明蛋白质羰基化过程对食品蛋白质营养价值产生有害影响；除必需氨基酸的损失外，氧化对蛋白质消化率的影响也会削弱蛋白质的营养价值。

大量氨基酸的氧化导致羰基和其他衍生物的形成，其中碱性氨基酸赖氨酸、组氨酸、精氨酸和苏氨酸是人体必需的氨基酸，它们的氧化会导致肉食品中此类氨基酸的消耗，苯丙氨酸和色氨酸也是人体必需氨基酸，在ROS的攻击下它们在肉中的流失导致其可食用性的显著降低[73]。

3.3 蛋白质氧化对感官性质的影响

3.3.1 颜色

肉组织中含有高浓度的不饱和脂质、血红素、金属催化剂以及其他多种氧化剂等，这些因素造成肉易于氧化降解。任何类型肉类的氧化变质分别以变色、产生异味、形成有毒化合物、保质期缩短、营养损失等形式表现出来，质地和颜色是肉制品两个重要的感官特性，蛋白质氧化会导致颜色和质地的劣变；肉制品中蛋白质氧化由肌红蛋白、氧化脂质或金属催化剂引发，位于氨基酸侧链上的官能团是蛋白质氧化攻击的主要目标，进一步的反应导致形成不同的蛋白质自由基和羟基衍生物，进而发生蛋白质羰基化。研究发现带鱼随着贮藏时间延长亮度下降，带鱼肌肉光泽逐渐消失，肌肉切面变得暗淡，肌肉色泽的变化可能与冷冻肉持水性的变化、高铁肌红蛋白还原酶活力的变化、表层肌红蛋白的氧化以及脂肪氧化等有关[70]。

3.3.2 质地

在感官特性中，质地是至关重要的消费属性，研究人员在新鲜肉类以及其他多种肉类产品中发现，肉的质地特征与蛋白氧化有潜在关系[58]，Rowe等[74]发现蛋白总羰基含量和牛肌肉的质地之间有显著的相关性。由酶引起的肉嫩度下降主要是基于两个假设进行研究的，一个是交联肌原纤维的形成，交联加强肌原纤维结构的强度[75]；另一个是α-钙蛋白酶失活，α-钙蛋白酶系统是肉类中与氧化直接有关的蛋白水解酶系统，α-钙蛋白酶对氧化的肉蛋白质具有较强的水解敏感性，这间接表明肉氧化与肉成熟过程中的嫩化有关。氧化反应使钙蛋白酶失活从而影响肉的嫩化，肌原纤维氧化修饰增强了钙蛋白酶降解的敏感性，在肌球蛋白分子尾部区域，两个半胱氨酸残基非常接近，在氧化条件下极有可能在肌球蛋白的尾部形成二硫键；同时头部区域也容易受到氧化，头部区域α-钙蛋白酶活性被氧化强烈影响，肌球蛋白的轻肌球蛋白部分对氧化敏感，形成二硫键交联[74]。

3.3.3 风味

Strecker醛类是造成食品不同香气的主要因素之一，研究发现特定蛋白质羰基化合物，如α-氨基脂肪半醛和γ-谷氨酸半醛，在一定情况下会导致亮氨酸和异亮氨酸形成Strecker醛[76]。当氨基酸的Strecker醛发生氧化降解时，游离氨基酸发生氧化脱氨和脱羧，氨基酸与α-二羰基化合物反应，失去一分子CO2而降解成为少一个碳原子的醛类及氨基酮，这些醛类及氨基酮（Strecker醛类）是美拉德反应风味主要贡献者[77]。氨基酸的Strecker降解是导致美拉德反应中最终芳香化合物形成的主要反应之一，美拉德反应形成的α-二羰基化合物存在的情况下，游离氨基酸容易发生氧化脱氨和脱羧，脂质过氧化衍生的某些羰基化合物如链烯醛和酮二烯已被证明可促进氨基酸的氧化降解，并通过Strecker反应产生相应的Strecker醛[78]。

另外，研究发现席夫碱的含量与风味属性之间呈显著正相关[79]。如在干腌腰肉中测得的风味属性中，咸味和腐臭味与席夫碱的形成显著相关[79]，这些特定的氧化产物如何影响这些感官特性的化学机制还需要进一步研究。

3.3.4 持水性

蛋白质的物理和化学性质取决于氨基酸的组成、蛋白质的空间排列、与周围水分子的相互作用等[80]。冷冻贮藏过程中肉蛋白质诱导的氧化变化（如羰基化）可能会改变这些相互作用，从而降低肉品的持水性，这些化学修饰可能会严重影响肌原纤维蛋白的整体电荷排列、构象及功能等[28]。如在蛋白氧化变化过程中肌原纤维蛋白的极性基团与水分子之间的化学相互作用可能会消失，从而导致持水能力降低[81]；在蛋白质交联过程中引起的构象变化可能会导致蛋白质分子内、蛋白质与水之间的相互作用失衡，从而导致持水能力的丧失。强烈氧化条件下肌原纤维的持水性损失是造成蒸煮过程中水分大量流失的原因，导致多汁性降低。肌原纤维在被H2O2氧化后持水性降低，监测到交联氧化产物二氢酪氨酸的含量增加，说明蛋白氧化交联对持水性具有明显影响[82]。

4 结 语

肉蛋白质氧化是近些年来肉品质影响研究的热点，但是蛋白质氧化机理及其如何影响肉食用品质还是有很多问题不清楚，比如蛋白质氧化的确切引发机制，蛋白质氧化对肉食用品质的确切影响途径，特定的氧化产物如何影响感官特性的化学机制，影响口感、pH值、颜色的靶蛋白是哪些等，这些都需要更深入的研究，并且很多时候需要借助一些现代化实验技术，比如基因组学、代谢组学、蛋白质组学等进行更系统的研究，以揭示其中的变化机理。