謝亞如，劉 慶，熊善柏,2，尤 娟,2，劉 茹,2,*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070；2.國家大宗淡水魚加工技術研發(fā)分中心（武漢），湖北 武漢 430070）

由于超聲波技術具有環(huán)保、安全、無毒等優(yōu)點，故其在食品加工方面越來越受到重視，特別是高強度超聲在改善食品蛋白質的溶解性[1-4]、凝膠性[5-6]、乳化性[7-8]和起泡性[5,9]等方面，目前研究主要關注的是大豆蛋白、乳清蛋白、牛血清白蛋白、黑豆蛋白等水溶性蛋白質[5]。魚糜制品營養(yǎng)豐富、口味多樣、食用方便，深受消費者歡迎；鰱魚因其色白、質優(yōu)、價廉而成為我國魚糜制品的主要原料，有研究報道超聲處理可顯著提高魚糜的凝膠強度[10-12]。肌球蛋白是魚肉中含量最多，且對魚糜凝膠性能影響最大的功能性成分[13]，本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)超聲處理可降低肌球蛋白聚集體的締合度，提高其分布的均勻性，并改變其理化特性[1]。在凝膠形成過程中，蛋白質結構將發(fā)生轉變，暴露出更多的活性基團，分子間相互作用增強，形成三維凝膠網(wǎng)絡結構，因而肌球蛋白的凝膠性能與其結構和流變學特性密切相關。也有研究報道超聲處理會改變鵝胸肉肌動球蛋白的構象，促進其解離[14]；超聲處理使雞肉肌原纖維蛋白溶液稠度系數(shù)降低、流動指數(shù)增加[15]，且適當?shù)某曁幚砜商岣唠u胸肉的儲能模量（G′）和持水能力[16]。然而關于超聲對鰱魚肌球蛋白的結構及流變學特性的影響鮮見報道。

本研究將提取的鰱魚肌球蛋白于不同超聲條件（100、150、200、250 W）下處理，研究肌球蛋白的鏈構象、二級結構及靜態(tài)流變學特性的變化，在此基礎上測定肌球蛋白熱膠凝過程中的黏彈性，分析各指標之間的內在聯(lián)系，探討超聲處理對肌球蛋白凝膠性能的影響，以期為高強度超聲在魚糜凝膠制品中的應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鰱魚（Hypophthalmichthys molitrix）每尾約1 500 g，購于華中農(nóng)業(yè)大學菜市場，將鮮活鰱魚迅速送回實驗室宰殺，取其背部肌肉，所有實驗用魚肉均是當天的新鮮魚肉。

ATP二鈉鹽（ATP-Na2） 生工生物工程（上海）股份有限公司；β-巰基乙醇（β-mercaptoethanol，β-ME）、NaN3美國Amresco公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

1750型紫外-可見分光光度計 日本島津公司；AR2000ex流變儀 美國TA公司；JY92-IIN超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；J-1500型圓二色光譜儀 日本JASCO公司。

1.3 方法

1.3.1 肌球蛋白提取

參考劉茹[13]的方法提取肌球蛋白，將尸僵前的鰱魚背部肌肉用食品調理機破碎，向破碎后的魚肉中加入10 倍體積20 mmol/L pH 7.5 Tris-HCl緩沖液（含0.1 mol/L KCl溶液和質量分數(shù)0.02% NaN3溶液），并用高速分散均質機于9 000 r/min下均質1～2 min。均質液于4 ℃下放置15 min，8 000 r/min離心5 min后去除上清液，將沉淀于5 倍體積0.45 mol/L KCl溶液-20 mmol/L pH 6.8 Tris-HCl緩沖液（含5 mmol/L β-ME、0.2 mol/L Mg2CO3、1 mmol/L乙二醇二乙醚二胺四乙酸）中懸浮，同時加入5 mmol/L ATP-Na2溶液使肌球蛋白與肌動蛋白解離。于4 ℃下放置60 min后10 000 r/min離心10 min，上清液用6 倍體積1 mmol/L KHCO3溶液稀釋，于4 ℃下放置60 min后12 000 r/min離心10 min。沉淀重新用2.5 倍體積含0.5 mol/L KCl、5 mmol/L β-ME的20 mmol/L pH 7.5 Tris-HCl緩沖液懸浮，于4 ℃下放置15 min，再用2.5 倍體積的1 mmol/L KHCO3溶液稀釋并加入MgCl2溶液至終濃度為10 mmol/L，于4 ℃下放置過夜。12 000 r/min離心15 min，收集沉淀得到純化的肌球蛋白。肌球蛋白溶解度測定參考Lowry等[17]的方法，用牛血清白蛋白作標準品。蛋白純度采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰氨凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）法[18]測定，所得電泳圖采用Gel-Pro Analyzer 4.0凝膠定量分析軟件分析。

1.3.2 超聲處理樣品

用20 mmol/L pH 7.5 Tris-HCl緩沖液（含0.5 mol/L NaCl溶液）調節(jié)肌球蛋白至相應質量濃度，分別取25 mL肌球蛋白溶液于50 mL離心管中，用直徑為0.6 cm的超聲探頭插入蛋白溶液下1 cm處理肌球蛋白溶液，整個超聲過程中將離心管置于冰水浴中以避免樣品過熱。用超聲頻率為20 kHz，功率分別為100、150、200、250 W超聲分別處理3、6、9、12 min（為避免探頭傷害，每超聲2 s停止2 s，總作用時間包含2 s的間隔時間）。研究超聲處理對鰱魚肌球蛋白流變學特性的影響時，用超聲頻率為20 kHz，功率分別為100、150、200、250 W超聲處理12 min。超聲結束后，將蛋白放置在4 ℃冰箱中，靜置12 h后測定其鏈構象和流變學特性變化。超聲時，采用量熱法[19]記錄溫度隨時間的變化，采用式（1）估計超聲強度（P）。

式中：m為被超聲溶液質量/kg；cp為被超聲溶液的比熱容/（J/（kg·K））；dT/dt為溫度隨時間變化的斜率/（K/s），S為超聲發(fā)射面的表面積/cm2。

本實驗中，100、150、200 W和250 W超聲所產(chǎn)生的超聲強度分別為22.81～24.66、31.14～35.76、40.39～45.63、49.94～55.50 W/cm2。

1.3.3 紫外吸收光譜及其二階導數(shù)圖譜測定

紫外吸收光譜測定的肌球蛋白質量濃度為1.0 mg/mL，以相應緩沖液為參比空白，采用1750型紫外-可見分光光度計在230～350 nm波長范圍內進行中速掃描，采樣間隔1 nm。利用Origin 8.0軟件的Differentiate模式對紫外吸收光譜數(shù)據(jù)進行二階導數(shù)計算，并繪制二階導數(shù)圖譜。

1.3.4 圓二色光譜測定

用J-1500型圓二色光譜儀測定肌球蛋白的圓二色性。將質量濃度為0.05 mg/mL的肌球蛋白樣品放入0.1 cm光徑的石英樣品池中，在遠紫外區(qū)（198～250 cm）進行掃描，掃描速率為50 nm/min，響應時間為5 s。每個樣品做3 次平行，結果取平均值，氨基酸殘基平均分子質量取110 g/mol。α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規(guī)卷曲的含量用圓二色光譜儀程序中楊氏模量程序計算得出。

1.3.5 靜態(tài)流變學特性測定

肌球蛋白質量濃度為10 mg/mL，采用AR2000ex型動態(tài)流變儀在Flow模式下掃描，測試條件為：溫度4 ℃，錐板傾斜角2°、直徑40 mm，載物臺與錐板間距為54 μm。采用Steady state flow step模式，以剪切速率（γ）為變量，變量范圍為0.01～1 000 s-1，得到剪切應力（τ）隨γ變化曲線，采用冪律定律（式（2））進行擬合。

式中：K是稠度系數(shù)/（Pa·sn）；γ是剪切速率/s-1；τ是剪切應力/Pa；n是流動指數(shù)。

表觀黏度（ηα）由式（3）計算。

采用Cross模型擬合可得零剪切黏度η0（式（4））。

式中：η0是零剪切黏度/（Pa·s）；η∞是無窮剪切黏度/（Pa·s）；α是Cross參數(shù)。

1.3.6 動態(tài)流變學特性測定

將25 mg/mL樣品于初始溫度4 ℃下置于AR2000ex型動態(tài)流變儀的平臺上，幾何測頭是直徑為40 mm的平板，平板與載物臺間距為1 mm，用涂了液體石蠟油的密封蓋封住樣品以免水分蒸發(fā)。在振動模式下進行溫度掃描，以2 ℃/min由4 ℃升至90 ℃，然后以10 ℃/min快速降溫至20 ℃，并于20 ℃進行頻率掃描，頻率掃描范圍為0.1～100 Hz，τ為1.0 Pa，記錄升溫、頻率掃描過程中G′、損耗模量（G″）和相位角（δ）的變化。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗重復3 次，每次做3 個平行。采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，應用Origin 8.6軟件作圖，結果以±s表示。采用SAS 8.0軟件Duncan法進行顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 鰱魚肌球蛋白純度鑒定結果

圖 1 鰱魚肌球蛋白的SDS-PAGE圖（a）和各條帶的比例（b）Fig. 1 SDS-PAGE patterns of the extracted myosin (a) and percentages of each band (b)

肌球蛋白由2 條MHC和4 條LC組成[20]，如圖1a所示，電泳時亞基解離，得到的MHC、LC的分子質量分別為216.67 kDa和22.50、15.11 kDa。由圖1b可知，本研究提取的肌球蛋白樣品中雜蛋白是actin，其比例為9.42%，因此肌球蛋白的純度為90.58%，說明所得肌球蛋白的純度高，可作為本實驗的原料使用。

2.2 肌球蛋白紫外吸收光譜及其二階導數(shù)圖譜分析

如圖2a所示，隨著超聲功率的增加和超聲時間的延長，表征色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸殘基的276 nm波長處吸光度上升，根據(jù)邱春江[21]的研究結果，推測超聲處理改變了肌球蛋白構象，使包埋在分子內部的色氨酸和酪氨酸等芳香族氨基酸殘基暴露出來。

蛋白質側鏈中色氨酸吲哚環(huán)和酪氨酸、苯丙氨酸的苯環(huán)等共軛體系在276 nm波長處均有吸收，為分辨重疊峰和放大譜帶的精細結構。對紫外吸收光譜進行二階導數(shù)分析，如圖2b所示，所有樣品的二階導數(shù)圖譜均有3 個正特征吸收峰，分別在282、289、298 nm波長附近，兩個負吸收峰在284 nm和292 nm波長附近。其中289 nm波長處的吸收峰歸屬于色氨酸和酪氨酸殘基共同作用，282 nm和298 nm波長處的吸收峰歸屬于色氨酸殘基。

圖 2 高強度超聲處理條件下鰱魚肌球蛋白溶液的紫外吸收（a）及其二階導數(shù)圖譜（b）Fig. 2 UV absorption spectra (a) and second derivative (b) spectra of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound

表 1 高強度超聲條件下鰱魚肌球蛋白二階導數(shù)圖譜r值Table 1 r values from second derivative spectra of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound

根據(jù)Lange等[22]的方法計算出r值（r＝a′/b′），r值與色氨酸和酪氨酸的相對數(shù)量和平均極性有關[22-23]。由表1可以看出，在實驗條件下，超聲處理均顯著增加肌球蛋白分子r值，且200 W和250 W超聲處理時，r值隨著超聲時間延長顯著增大，進一步證明了超聲處理使得肌球蛋白分子暴露出更多的色氨酸和酪氨酸殘基，尤其是在超聲強度較高的條件下。高強度超聲作用于液體體系時會引發(fā)空穴效應，空穴氣泡存在時間短，經(jīng)過幾個正負壓強交替循環(huán)后，氣泡尺寸增大到臨界值，變得不穩(wěn)定，最終劇烈崩潰，產(chǎn)生超高溫（大于5 000 K）和超高壓（大于1×109Pa），并形成湍流作用和剪切波[5,21,24-25]，推測該機械作用促使肌球蛋白結構伸展，暴露出更多的基團。

2.3 超聲處理對肌球蛋白二級結構的影響

圖 3 高強度超聲處理條件下鰱魚肌球蛋白二級結構含量的變化Fig. 3 Changes in secondary structure of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound

如圖3所示，經(jīng)過超聲處理（除100 W超聲處理3 min）后，肌球蛋白的α-螺旋含量整體呈下降趨勢，β-折疊和無規(guī)卷曲含量整體呈上升趨勢。高強度超聲的空穴效應和機械效應可使聚集體發(fā)生解離，提高其溶解性[1]，該作用有利于肌球蛋白更好地分散，這可能是100 W超聲3 min處理促使肌球蛋白α-螺旋含量上升的原因。隨著超聲強度的提高，空穴效應和機械效應進一步加強，破壞了維持蛋白質二級結構的主要作用力（氫鍵），使比較緊密的α-螺旋向更為松散的β-折疊和無規(guī)卷曲結構轉變。紫外光譜結果顯示超聲處理后有更多的色氨酸、酪氨酸等氨基酸殘基暴露（圖2、表1），也說明超聲促使肌球蛋白結構變得更為松散。

2.4 超聲處理對肌球蛋白靜態(tài)流變學特性的影響

圖 4 高強度超聲處理對鰱魚肌球蛋白溶液τ-γ曲線的影響Fig. 4 Relationship between shear stress (τ) of silver carp myosin and shear rate (γ) treated by high intensity ultrasound

表 2 高強度超聲處理下鰱魚肌球蛋白樣品的冪律模型參數(shù)Table 2 Power law model parameters of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound

由圖4可知，在低剪切速率下，肌球蛋白溶液的τ隨γ的升高幾乎呈線性上升的趨勢，表現(xiàn)出牛頓流體特性，此階段流體的黏性與剪切速率無關，稱為η0。η0常用于判斷分子之間的相互作用強度，若分子之間相互纏繞緊密，則η0升高；若聚合物之間的相互作用力減弱，則η0降低[26]。如表2所示，Cross模型具有較高的擬合精度。隨著超聲強度的增加，肌球蛋白溶液的η0均小于未超聲處理組，這可能是由于超聲處理使肌球蛋白分子間氫鍵、離子鍵等非共價鍵發(fā)生了一定的解纏繞作用。

由圖4可知，所有樣品在縱坐標上的截距（即屈服應力）均為零，τ隨著γ的增加而增大，且增大的速率逐漸變緩。采用冪律定律對τ-γ曲線進行擬合，所得模型P值均小于0.05，說明模型具有很高的擬合精度。如表2所示，所有肌球蛋白溶液的n值均小于1，表現(xiàn)為假塑性流體。超聲處理降低了肌球蛋白樣品的K值，而n值均高于未超聲處理組，說明超聲處理增加了樣品的流動性，并使其更接近于牛頓流體。

由圖5可知，所有樣品的ηα都隨著γ的增加先迅速下降后緩慢下降至趨于穩(wěn)定，這是因為γ較低時，盡管有輕微的剪切取向效應，但分子的無規(guī)則布朗運動使分子或分子的聚集體處于無序狀態(tài)，表現(xiàn)為具有較高的黏度。隨著γ的增大，相互作用的肌球蛋白分子將沿著剪切驅動力的方向流動，分子鏈逐漸解纏繞、拉伸和取向，排列后的分子或分子聚集體更容易相互滑移，溶液的ηα急劇下降。當γ增大到一定程度時，ηα趨于穩(wěn)定，再次表現(xiàn)出類似牛頓流體的性質。在同一剪切速率下，ηα隨超聲功率的增加而下降，進一步證明了肌球蛋白溶液流動性隨超聲功率增加而增大。前期研究發(fā)現(xiàn)，超聲產(chǎn)生的空穴效應會降低肌球蛋白組裝體粒徑，且粒徑隨超聲功率的增加而下降[27]，因而推測K值和ηα下降與超聲導致的肌球蛋白組裝體粒徑減小有關，粒徑下降會減少流動阻力，進而降低其K值，使其流動性增大。這與Hu Hao[28]和Karki[29]等對大豆分離蛋白的研究結果相似。

圖 5 高強度超聲處理下鰱魚肌球蛋白溶液的ηα-γ曲線Fig. 5 Relationship between apparent viscosity (ηα) and shear rate (γ)of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound

2.5 超聲處理對肌球蛋白動態(tài)流變學特性的影響

如圖6所示，樣品加熱前（4 ℃），未超聲樣品的G′和G″明顯高于超聲處理組，而δ明顯小于超聲處理組，說明超聲處理減小了肌球蛋白自組裝程度，這與圖5超聲處理使肌球蛋白的流動性增加的結果吻合。溫度由4 ℃升至34 ℃過程中，未超聲樣品的G′、G″和δ均呈下降趨勢，這是由于低溫下肌球蛋白組裝體主要由氫鍵、離子鍵穩(wěn)定，升溫會減弱這些作用力，使部分組裝體解聚，降低了G′和G″，同時暴露出更多的活性基團，使分子間疏水相互作用增強[30]，進而降低δ，使其固體性能進一步增大。超聲處理后樣品在4～34 ℃范圍內黏彈性的變化趨勢與未超聲樣品相似，G′和G″的下降幅度明顯低于未超聲樣品，而δ下降幅度明顯高于未超聲組，說明超聲處理提高了肌球蛋白分子的交聯(lián)速度，這可能是由于超聲預處理已使肌球蛋白分子暴露出更多的活性基團，而未超聲樣品在升溫過程中活性基團才慢慢暴露出來。在34～40 ℃范圍內，所有樣品的G′與G″均隨溫度的增加迅速上升，而δ快速下降，說明肌球蛋白發(fā)生了凝膠化；且超聲處理后肌球蛋白凝膠化溫度不同程度地降低，結合紫外吸收光譜（圖2），推測超聲誘導了更多活性基團的暴露，有利于分子間相互作用，促進蛋白質凝膠化。40～45 ℃升溫過程中，下降的G′、G″和上升的δ說明樣品發(fā)生了凝膠劣化，根據(jù)劉海梅等[31]的報道，凝膠劣化可能是肌球蛋白尾部α-螺旋解旋，同時有大量氫鍵斷裂，但新的化學鍵來不及生成所致。隨著溫度的進一步升高，G′迅速上升，隨后略有下降，對應的δ減小至3°左右，說明樣品由弱凝膠轉變?yōu)榈湫偷哪z體。

圖 6 高強度超聲處理條件下鰱肌球蛋白在升溫過程中的G′（a）、G″（b）、δ（c）變化Fig. 6 Changes in G′ (a), G″ (b) and δ (c) of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound during heating

表 3 高強度超聲處理條件下鰱魚肌球蛋白樣品流變學特性參數(shù)的關鍵變化點Table 3 Critical points of rheological parameters of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound

由表3中最終G′可以看出，升溫結束（90 ℃）時，G′由高到低的順序為：150 W和100 W超聲處理樣品組、未超聲處理組、200 W和250 W超聲處理組，說明適當?shù)某暎?50 W和100 W）處理可提高肌球蛋白的凝膠形成能力，而超聲功率過大（200 W和250 W）會降低肌球蛋白的凝膠形成能力。根據(jù)本課題組前期研究結果[1]推測這是適當?shù)某曁幚硎共糠只钚曰鶊F暴露、分子間作用力增強，而超聲強度過大（200 W和250 W）導致部分肌球蛋白降解所致。

圖 7 高強度超聲處理條件下鰱魚肌球蛋白凝膠在頻率變化過程中的G′（a）、G″（b）、δ（c）變化Fig. 7 Changes in G′ (a), G″ (b) and δ (c) of silver carp myosin treated by high intensity ultrasound during frequency sweeping

圖7顯示了頻率掃描過程中肌球蛋白凝膠黏彈性變化，可以看出G′明顯高于G″，且均隨頻率的增加緩慢上升，而δ在9°左右，說明所有樣品加熱后均形成了較好的凝膠體。隨著超聲功率的提高，G′與G″有所降低，而δ無明顯變化。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，超聲處理使肌球蛋白伸展，提高了其親水性和溶解性，同時使其分散均勻性增加[1]，推測超聲處理的肌球蛋白形成的凝膠網(wǎng)絡結構更為均勻，持水性更強。

3 結 論

與未超聲組相比，高強度超聲處理會降低肌球蛋白的低溫自組裝程度，使肌球蛋白樣品的η0逐漸降低、K值減小、n值增大，提高其流動性。高強度超聲處理還會誘導肌球蛋白α-螺旋向較為松散的β-折疊和無規(guī)卷曲結構轉變，促使原本包埋在分子內部的部分活性基團暴露出來，有利于升溫過程中分子間的交聯(lián)，并降低凝膠化溫度。適當?shù)某晽l件（100 W和150 W處理12 min）可提高肌球蛋白的凝膠形成能力，而超聲功率過大（200 W和250 W處理12 min）則會降低其凝膠形成能力。綜上所述，適當?shù)母邚姸瘸曁幚砜捎糜诩∏虻鞍赘男砸愿纳破淠z性質。