孫麗潔，張暉，王立，錢海峰，齊希光

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

研究報告

魚皮抗凍多肽的制備及其對冷凍面團(tuán)熱力學(xué)性質(zhì)的影響

孫麗潔，張暉*，王立，錢海峰，齊希光

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

以魚皮明膠為原料酶解制備魚皮抗凍多肽。以魚皮抗凍多肽的熱滯活性為指標(biāo)，確定制備魚皮抗凍多肽的最適蛋白酶及酶解時間，并對獲得的魚皮抗凍多肽的微生物保護(hù)活性和對冷凍面團(tuán)熱力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，選用木瓜蛋白酶，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0 g/L，加酶量為3 000 U/g，酶解溫度為40 ℃，酶解pH為6.0，酶解時間為2 h 時得到的三文魚魚皮抗凍多肽 (Salmon skin antifreeze peptide, SaAFP)的THA最高，為0.53 ℃。SaAFP的分子質(zhì)量主要分布在小于3 000 Da的范圍內(nèi)。對SaAFP溶液的微生物保護(hù)活性測定結(jié)果表明，添加量為20 mg/mL時大腸桿菌的存活率為75.71%。差示掃描量熱法的試驗結(jié)果表明，SaAFP不僅能降低新鮮面團(tuán)的凍結(jié)溫度(Tf)，熔融溫度(Tm)和可凍結(jié)水含量(Fw)，且使面團(tuán)的熔融區(qū)間縮小。此外，在凍融循環(huán)過程中，SaAFP能顯著降低面團(tuán)中的可凍結(jié)水含量，進(jìn)而提高冷凍面團(tuán)的品質(zhì)。

魚皮；抗凍多肽；熱滯活性；冷凍面團(tuán)；熱力學(xué)性質(zhì)

抗凍蛋白 (antifreeze proteins, AFPs)，又稱冰結(jié)構(gòu)蛋白 (ice structuring proteins, ISPs)或熱滯蛋白 (thermal hysteresis proteins, THPs)，是一類能提高生物抗凍能力的蛋白質(zhì)類化合物的總稱[1]。它能非依數(shù)性降低溶液的冰點，而對熔點影響甚微，熔點和冰點之間的差值稱為熱滯值(thermal hysteresis, TH)，這種性質(zhì)稱為熱滯活性 (thermal hysteresis activities, THA)[2]。AFPs具有熱滯活性，修飾冰晶形態(tài)，抑制重結(jié)晶等特性，因而受到食品研究者的廣泛關(guān)注。

目前，國內(nèi)外研究者主要從魚類[3-4]、植物[5-7]、昆蟲[8]及菌類[9]中提取得到AFPs。天然分離得到的抗凍蛋白數(shù)量極少，成本較高，限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景。而轉(zhuǎn)基因抗凍蛋白在食品應(yīng)用中的安全隱患又成為廣大消費者擔(dān)憂的焦點。因此獲得安全的高活性抗凍蛋白成為抗凍蛋白領(lǐng)域研究的新方向。

膠原蛋白中存在連續(xù)的三元重復(fù)肽段Gly-X-Y(其中，X多指脯氨酸，Y多指羥脯氨酸)，該結(jié)構(gòu)與雪蚤抗凍蛋白的活性結(jié)構(gòu)域相似[10]，因此以膠原蛋白為原料制備抗凍多肽具有可行性。有研究表明，膠原蛋白水解液具有抗凍活性[11-12]。魚皮是魚類加工過程中的下腳料，富含豐富的膠原蛋白。與傳統(tǒng)抗凍蛋白相比，以魚皮為原料制備抗凍多肽能大大降低生產(chǎn)成本，且產(chǎn)物數(shù)量多，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

本研究以三文魚魚皮為原料，采用熱水抽提法提取魚皮明膠，并選用不同的蛋白酶對明膠進(jìn)行水解，以熱滯活性(THA)為測試指標(biāo)，選取活性最高的抗凍多肽，并以冷凍面團(tuán)為研究對象，研究抗凍多肽對凍融面團(tuán)熱力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

三文魚魚皮，深圳悅勝貿(mào)易公司提供；木瓜蛋白酶(2.33×104U/g)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；堿性蛋白酶(2.74×105U/mL)，中性蛋白酶(1.25×105U/mL)，諾維信(中國)有限公司；酸性蛋白酶(3.48×104U/g)，Spectrum 100～500 Da透析袋，上海源葉生物公司；新良中式面點粉，新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；大腸桿菌BL21，江南大學(xué)生物工程學(xué)院提供。

1.2儀器與設(shè)備

MP-501A超級恒溫循環(huán)槽，上海一恒科技有限公司；FE20實驗室pH計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；T6新世紀(jì)型紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；SH420消解儀、K9860全自動凱氏定氮儀，濟(jì)南海能儀器股份有限公司；GR21GⅢ型高速冷凍離心機(jī)，日本日立公司；冷凍干燥機(jī)，美國Laboconcor公司；DSC8500，美國Perkin Elluer公司；5K5SS型和面機(jī)，美國KitchenAid公司; Waters 1525高效液相色譜儀，美國Waters公司。

1.3方法

1.3.1 抗凍多肽的制備

三文魚魚皮明膠的提取參照LICHAN等[13]的方法進(jìn)行。以30 g/L的明膠溶液為底物，分別采用木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、酸性蛋白酶在最適溫度和pH下分別酶解30 min，1 h，2 h，3 h，4 h。酶解過程中采用1 mol/L的NaOH(HCl)溶液保持反應(yīng)體系pH恒定。水解反應(yīng)終止時沸水浴滅酶10 min，冷卻后以8 000 ×g離心15 min，取上清液冷凍干燥后備用。對不同酶解時間不同蛋白酶的酶解液的熱滯活性(THA)進(jìn)行測定，確定最適合的蛋白酶和酶解條件。將活性最高的多肽命名為三文魚魚皮抗凍多肽(Salmon skin antifreeze peptides，SaAFP)。

1.3.2 THA的測定

THA的測定參照CAO等[12]的方法并略作修改。將多肽樣品配制成20 mg/mL的水溶液。取5 μL的多肽溶液密封于坩堝內(nèi)，置于DSC中測定抗凍多肽的THA。初始溫度為20 ℃，以5 ℃ /min的速率降溫至-20 ℃，保持2 min，再以相同的速率升溫至20 ℃，保持2 min，根據(jù)熔融曲線計算多肽溶液的熔融焓(ΔHm)和熔點(Tm)。接著，以相同的速率降溫至-20 ℃，保持2 min，然后以1 ℃ /min的速率緩慢升溫至樣品呈部分熔融狀態(tài)，這一溫度稱為保留溫度(Th)，保持2 min，再以相同的速率降溫至-20 ℃。重復(fù)上述過程，選取不同的Th，分別按照公式(1)和(2)計算THA和冰晶含量(φ)。

THA=Th-To

(1)

(2)

式中：THA，熱滯活性， ℃；Th，保留溫度， ℃；To，起始結(jié)晶溫度， ℃；φ，冰晶含量，%；ΔHr，結(jié)晶焓，J/g；ΔHm，熔融焓，J/g。

1.3.3 微生物保護(hù)活性測定

SaAFP對微生物的保護(hù)活性參照阮功成等[14]的方法進(jìn)行。

1.3.4 SaAFP分子質(zhì)量分布的測定

SaAFP分子質(zhì)量分布參照阮功成等[14]的方法進(jìn)行。

1.3.5 中式非發(fā)酵面團(tuán)的制作及凍融循環(huán)

面團(tuán)的基本配方：面粉100 g，水50%，熱力學(xué)特性測定中不添加酵母以減少發(fā)酵對測定結(jié)果的影響。試驗組面團(tuán)需添加0.5% (w/w)的SaAFP。

部分新鮮面團(tuán)用于直接測定，部分新鮮面團(tuán)用于制備冷凍面團(tuán)和DSC樣品。冷凍面團(tuán)是將新鮮面團(tuán)迅速放入-40 ℃冰箱中凍結(jié)2 h，然后放入-18 ℃的冰箱中凍藏實現(xiàn)的。DSC樣品是將新鮮面團(tuán)放入DSC用坩堝中，密封后迅速放入-40 ℃冰箱中凍結(jié)2 h后放入-18 ℃的冰箱中凍藏實現(xiàn)的。

為模擬凍藏過程中的溫度波動，對冷凍面團(tuán)進(jìn)行凍融處理。一個凍融循環(huán)包括25 ℃下解凍1 h，然后將其放入-18 ℃冰箱中凍藏24 h。經(jīng)凍融循環(huán)后的冷凍面團(tuán)及DSC樣品按照凍融循環(huán)次數(shù)分別編號為C0，C1，C2，C3，C4，C5。

1.3.6 新鮮面團(tuán)的凍融特性

面團(tuán)的凍融特性測定參照DING等人[15]的方法并略作修改。具體步驟如下：以空坩堝作為參比，初始溫度為20 ℃，以5 ℃ /min的速率降溫至-70 ℃，以2 ℃ /min的速率升溫至20 ℃。在凍融曲線中讀取凍結(jié)曲線的峰值溫度(Tf)，熔融的起始溫度(Tm,o)、峰值溫度(Tm,p)和終點溫度(Tm,c)，計算熔融溫度區(qū)間Tm,δ，并計算可凍結(jié)水含量(Fw)，計算方法見公式(3)：

(3)

式中：Fw，面團(tuán)可凍結(jié)水含量；ΔHm，面團(tuán)的熔融焓，J/g；ΔfusHm，冰的熔融潛熱，334 J/g；WA，面團(tuán)的水分含量，%。

1.3.7 冷凍面團(tuán)可凍結(jié)水含量測定

冷凍面團(tuán)的可凍結(jié)水含量Fw的測定是在DSC樣品中進(jìn)行的，測定方法參照KONTOGIORGOS等人[16]的方法并略作修改。將樣品從冰箱中取出迅速放入已預(yù)冷至-20 ℃的DSC腔體中，盡量避免水在坩堝表面形成的冷凝。樣品放入DSC爐腔后，在-20 ℃條件下保溫3 min，以2 ℃ /min的速率升溫至10 ℃，從熔融曲線中積分得到熔融焓，并計算Fw。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示。采用Origin8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖表繪制。采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析。當(dāng)P<0.05時則認(rèn)為具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1蛋白酶的選擇及酶解時間的確定

蛋白酶的種類及酶解時間對酶解產(chǎn)物的影響很大。酶具有專一性，蛋白酶種類不同，其對底物的作用位點不同，酶解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能存在差異。同一種酶經(jīng)不同的酶解時間得到的酶解產(chǎn)物也不同。因此，本文重點研究不同蛋白酶及酶解時間對酶解物THA的影響，研究結(jié)果如圖1所示。

a、b、c、d、e代表的酶解時間分別為30 min，1 h，2 h，3 h，4 h圖1 不同蛋白酶不同酶解時間下酶解物的THAFig. 1 Effect of different proteases and hydrolysis time on THA

由圖1可知，選用木瓜蛋白酶，在其最適酶解溫度(40 ℃)和最適酶解pH(6.0)的條件下，酶解2 h，酶解物的THA值最大，為0.53 ℃。這可能與蛋白酶的酶切位點不同有關(guān)。木瓜蛋白酶是一種巰基蛋白酶，可裂解蛋白質(zhì)和多肽中精氨酸和賴氨酸的羧基端。魚皮明膠經(jīng)木瓜蛋白酶酶切后所暴露出來的基團(tuán)可能更有利于其發(fā)揮抗凍活性。

在明膠濃度為30 g/L，木瓜蛋白酶的添加量為3 000 U/g，酶解溫度40 ℃，酶解pH為6.0，酶解時間2 h，得到的酶解物的THA測定曲線圖如圖2。計算不同保留溫度Th下，部分熔融溶液再凍結(jié)的過程中的起始凍結(jié)溫度(To)、冰晶含量(φ)及THA，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。從圖2中可以看出，隨著Th的增大，放熱焓增大，在該Th下樣品中的冰晶含量逐漸降低。當(dāng)Th為-0.62 ℃時，可以看出To幾乎沒有延遲，THA為0.07 ℃。當(dāng)Th為-0.54 ℃時，樣品中冰晶含量降低，THA增大為0.42 ℃。隨著Th的升高，當(dāng)Th為-0.46 ℃時，THA達(dá)到最大值0.53 ℃，此時冰晶含量為14.28%。進(jìn)一步升高Th，溶液全部熔融，在過冷溫度下凍結(jié)。

圖2 SaAFP在不同保留溫度下的DSC曲線Fig. 2 DSC curves of SaAFP at various Th

表1 SaAFP的DSC曲線中不同Th下的T0，φ和THA

植物來源的AFPs的THA通常為0.06～0.35 ℃，魚類為0.2～0.6 ℃，昆蟲為0.6～6 ℃[17]。SaAFP的THA高于植物來源的AFPs，與魚類AFPs相當(dāng)，低于昆蟲AFPs，符合魚類來源AFPs熱滯活性特征。

1.2SaAFP對微生物的低溫保護(hù)作用

在明膠濃度為3%，木瓜蛋白酶的添加量為3 000 U/g，酶解溫度40 ℃，酶解pH為6.0，酶解時間2 h，得到SaAFP，用于微生物低溫保護(hù)的實驗。將稀釋倍數(shù)為105的大腸桿菌BL21菌液分別加入100 μL 20 mg/mL的SaAFP和蔗糖溶液，以無菌水作為空白對照，-20 ℃凍藏24 h前后分別培養(yǎng)計數(shù)，存活率如圖3所示。

圖3 SaAFP對大腸桿菌的低溫保護(hù)作用Fig. 3 The hypothermia protection effect of SaAFP on the Escherichia Coli

由圖3可知，加入無菌水的空白對照組低溫處理后大腸桿菌存活率較低，僅為0.61%。添加20 mg/mL的蔗糖溶液，低溫處理后大腸桿菌的存活率為63.48%。添加同等濃度的SaAFP溶液，低溫處理后大腸桿菌的存活率為75.71%，高于蔗糖溶液。由此可見，SaAFP對大腸桿菌具有很強的低溫保護(hù)作用。

冷凍過程中的導(dǎo)致細(xì)胞損傷的主要因素為胞內(nèi)冰晶形成和溶液效應(yīng)[18]。在凍藏過程中，冰晶會在細(xì)胞內(nèi)大量形成，損傷細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時冰晶的形成使得細(xì)胞質(zhì)離子濃度提高，導(dǎo)致細(xì)胞脫水，影響細(xì)胞活性。SaAFP具有抑制重結(jié)晶的作用，使得凍藏過程中細(xì)胞內(nèi)的冰晶形成量變少，因此加入SaAFP后大腸桿菌的存活率較高。

2.3SaAFP的分子質(zhì)量分布

由表2及圖4可見，SaAFP的分子質(zhì)量主要分布于3 000～180 Da，占總酶解物的89.31%。這與DAMODARAN的研究結(jié)果一致。DAMODARAN[11]通過Sephadex G-50將酶解物按分子質(zhì)量分離，并觀察每一組分的重結(jié)晶抑制作用，發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量低于3 000 Da的組分具有抗凍活性。此外，WANG等人[19]通過Sephadex G-50和SP-Sephadex C-25將酶解物按分子量和帶電特性分離，發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量分布在700～1 400 Da的組分具有抗凍活性。

抗凍蛋白通過羥基及疏水相互作用與冰晶表面結(jié)合，阻擋冰晶的生長，導(dǎo)致冰晶表面曲率變大，使冰晶表面積增大，冰晶生長狀態(tài)發(fā)生改變，因而冰晶需要在更低的溫度下才能生長，從而表現(xiàn)出抗凍蛋白的抗凍活性[20]。 SaAFP的分子質(zhì)量較低，表現(xiàn)出較強的抗凍活性，可能是因為分子質(zhì)量較小的肽更容易與冰晶表面結(jié)合，使得抗凍活性增強。

表2 SaAFP分子質(zhì)量分布

圖4 SaAFP分子質(zhì)量分布圖Fig. 4 Molecular weight distribution of SaAFP

2.4SaAFP對新鮮面團(tuán)凍融特性的影響

新鮮面團(tuán)的凍融曲線如圖5，凍融參數(shù)及可凍結(jié)水含量見表3。

圖5 SaAFP對新鮮面團(tuán)凍融特性的影響Fig. 5 Effect of SaAFP on the freezing and melting properties of fresh dough

表3 SaAFP對新鮮面團(tuán)凍融參數(shù)及可凍結(jié)水含量的影響

注：同列中不同上標(biāo)字母表示有顯著性差異(P<0.05)。

如圖5所示，添加SaAFP后，面團(tuán)的凍結(jié)曲線的峰值溫度Tf由-9.53 ℃降低到-13.10 ℃，變化顯著(P<0.05)。與空白對照相比，SaAFP面團(tuán)的放熱曲線比較平滑。由表3可知，兩種面團(tuán)的熔融起始溫度Tm,o，峰值溫度Tm,p和熔融區(qū)間Tm,δ均有顯著性差異(P<0.05)。由于在面團(tuán)降溫過程中DSC曲線容易出現(xiàn)過冷峰(本實驗中未檢測出過冷峰)，通常將面團(tuán)熔融曲線中的起始熔融溫度Tm,o定義為凍結(jié)溫度。添加SaAFP后，面團(tuán)的Tm,o由-3.76 ℃降低至-4.31 ℃，與Tf的變化趨勢一致。由此可見，SaAFP能降低面團(tuán)體系的凍結(jié)溫度。研究表明，面團(tuán)的熔融區(qū)間越窄，說明面團(tuán)內(nèi)部形成的冰晶越均勻[21]。SaAFP面團(tuán)的Tm,δ為3.97 ℃顯著低于空白面團(tuán)，由此可以推斷，與空白面團(tuán)相比，添加SaAFP后面團(tuán)內(nèi)部形成的冰晶更均勻。

由表3可以看出，SaAFP面團(tuán)的熔融焓和Fw顯著低于空白面團(tuán)，這與丁香麗對大麥籽?？箖龅鞍椎难芯拷Y(jié)果相似[22]。這可能是因為SaAFP與其周圍水分子結(jié)合，使得該部分水由可凍結(jié)狀態(tài)變?yōu)椴豢蓛鼋Y(jié)狀態(tài)[23]，使得SaAFP面團(tuán)的Fw降低。

2.5SaAFP對凍融面團(tuán)可凍結(jié)水含量的影響

以凍融5次的面團(tuán)為例，冷凍面團(tuán)可凍結(jié)水含量測定典型的DSC曲線如圖6所示。由圖6可以看出，相同的凍藏條件下，添加0.5% SaAFP的冷凍面團(tuán)熔融區(qū)間小于空白面團(tuán)，且SaAFP面團(tuán)的DSC曲線面積明顯小于空白面團(tuán)，即SaAFP面團(tuán)的熔融焓ΔHm小于空白面團(tuán)的ΔHm。

用DSC測定的凍融面團(tuán)熔融焓ΔHm，105 ℃恒重法測定的水分含量及計算得到的Fw值如表4所示。由表4可以看出，在相同的凍融次數(shù)下，SaAFP面團(tuán)的ΔHm均小于空白面團(tuán)，F(xiàn)w顯著低于空白面團(tuán)。隨著凍融次數(shù)的增加，面團(tuán)的熔融焓ΔHm增大，F(xiàn)w增大。經(jīng)5次凍融循環(huán)后，空白面團(tuán)的ΔHm由52.88 J/g增大到57.11 J/g，增大了8.0%，SaAFP面團(tuán)的ΔHm由44.96 J/g增大到47.70 J/g，增大了6.09%；空白面團(tuán)的Fw由38.70%增大到44.34%，增大了14.57%，SaAFP面團(tuán)的Fw由32.81%增大到36.66%，增大了11.73%。SaAFP面團(tuán)的ΔHm和Fw均顯著低于空白面團(tuán)，且在凍融循環(huán)過程中，SaAFP面團(tuán)的ΔHm和Fw的變化比空白面團(tuán)小。

研究表明，凍藏過程中ΔHm和Fw的增加可能與冰晶重結(jié)晶有關(guān)，冰晶的重結(jié)晶破壞了面團(tuán)的面筋結(jié)構(gòu)，使得水分析出[24]。試驗結(jié)果表明，SaAFP不僅能減低面團(tuán)中ΔHm和Fw的大小，而且能減緩ΔHm和Fw的增加。

圖6 冷凍面團(tuán)可凍結(jié)水含量測定的典型DSC曲線Fig. 6 Typical DSC curves of frozen dough

表4 SaAFP對凍融面團(tuán)可凍結(jié)水含量的影響

注：同列中不同上標(biāo)字母表示有顯著性差異(P<0.05)。

3 結(jié)論

以木瓜蛋白酶酶解魚皮明膠制備魚皮抗凍多肽，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0 g/L，加酶量為3 000 U/g，酶解溫度40 ℃，酶解pH 6.0，酶解時間2 h時，得到的混合多肽SaAFP具有最高的THA，為0.53 ℃。在大腸桿菌菌液中添加20 mg/mL的SaAFP溶液，經(jīng)-20 ℃凍藏24 h后大腸桿菌存活率為75.71%，表明魚皮抗凍多肽對微生物具有顯著的低溫保護(hù)效果。分子質(zhì)量分析結(jié)果表明，SaAFP的分子質(zhì)量主要分布在3 000～280 Da。對冷凍面團(tuán)的研究結(jié)果表明，添加0.5%的SaAFP后的新鮮面團(tuán)的凍融特性得到改善；在凍融循環(huán)過程中，SaAFP面團(tuán)的Fw顯著低于對照組，這說明SaAFP能顯著提高冷凍面團(tuán)的品質(zhì)。

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Thepreparationofantifreezepeptidesfromsalmonskingelatinandtheireffectsonthethermalpropertiesoffrozendough

SUN Li-jie, ZHANG Hui*, WANG Li, QIAN Hai-feng, QI Xi-guang

(School of Food Science and Technology,Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In this study, the thermal hysteresis activity (THA) was used as the main parameter to determine the optimum protease and hydrolysis time for salmon skin gelatin hydrolysis. The effects of peptides on biological antifreeze activity and thermal properties of frozen dough were investigated. The results showed the antifreeze peptide with maximal THA was obtained from papain treated gelatin, and hydrolysis at pH 6.0 for 2 h at 40 ℃. The substrate concentration was 3% (w/v) and papain proportion was 3 000 U/g. The THA was the highest of 0.53 ℃ under the above conditions. Their molecular weight were mainly distributed below 3 000 Da. When the concentration of SaAFP was 20 mg/mL, the survival rate ofEscherichiacoliwas up to 75.71%. Differential scanning calorimeter measurement showed that SaAFP did not decreased the freezing temperature (Tf), melting temperature (Tm) and the freezable water content (Fw), but narrowed down the melting temperature (Tm,δ) of fresh dough. The SaAFP significantly loweredFwof frozen dough after freeze-thaw cycles.

fish skin; antifreeze peptide; thermal hysteresis activity; frozen dough; thermal properties

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013469

碩士研究生(張暉教授為通訊作者，E-mail：zhanghui@jiangnan.edu.cn)。

國家自然科學(xué)基金(31671891)

2016-11-23，改回日期：2017-01-05