解碼凝膠化差異的分子決定因素：對(duì)南極磷蝦（Euphausia superba）和太平洋白蝦（Penaeus vannamei）蛋白質(zhì)矩陣的多參數(shù)評(píng)估
《International Journal of Biological Macromolecules》：Decoding molecular determinants of gelation disparity: A multi-parametric evaluation of Antarctic krill (
Euphausia superba) and Pacific white shrimp (
Penaeus vannamei) protein matrices
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南極磷蝦與太平洋白蝦凝膠特性及分子機(jī)制比較顯示：南極磷蝦凝膠因熱誘導(dǎo)二硫鍵形成和內(nèi)源性蛋白酶作用產(chǎn)生高強(qiáng)度但脆性網(wǎng)絡(luò)，而白蝦凝膠依賴疏水-氫鍵協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)更優(yōu)彈性和持水率。研究提出多參數(shù)綜合分析方法，揭示不同加工方式導(dǎo)致南極磷蝦肉蛋白結(jié)構(gòu)差異，為開發(fā)高價(jià)值磷蝦凝膠產(chǎn)品提供理論依據(jù)。
Xinghe Li|Songgang Xia|Xin Du|Tingting Hao|Yukun Hou|Ruihan You|Lingyu Kong|Yong Xue|Zhaojie Li|Changhu Xue|Xiaoming Jiang
中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島，266003，中華人民共和國(guó)
摘要
南極磷蝦被認(rèn)為是高質(zhì)量的水生蛋白質(zhì)來源，但由于其內(nèi)源性蛋白酶活性導(dǎo)致凝膠化效果較差，其在人類食品系統(tǒng)中的工業(yè)應(yīng)用受到限制。本研究采用多參數(shù)方法，結(jié)合分子相互作用分析、3D微觀結(jié)構(gòu)成像和動(dòng)態(tài)水分分析，探討了兩種不同處理方式得到的南極磷蝦（經(jīng)過輥壓去殼的白色肉質(zhì)部分含有少量酶活性，以及通過擠壓提取的紅色肉質(zhì)部分保留有消化酶）與太平洋白蝦之間的凝膠化差異。研究結(jié)果表明，南極磷蝦凝膠主要由二硫鍵構(gòu)成的剛性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，這是由于熱誘導(dǎo)的巰基暴露和蛋白酶作用導(dǎo)致的片段化。相比之下，太平洋白蝦凝膠形成了疏水-氫鍵協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出更高的彈性、64.95%的持水能力和2.94%更低的烹飪損失，這得益于完整的α-螺旋結(jié)構(gòu)及均勻的疏水塌陷。關(guān)鍵的是，當(dāng)添加紅色磷蝦肉時(shí)，肌原纖維完整性（透射電子顯微鏡下的Z線降解）呈劑量依賴性下降，表明盡管二硫鍵得到增強(qiáng)，但凝膠彈性仍然受損。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化基于南極磷蝦的凝膠產(chǎn)品提供了分子基礎(chǔ)，并減少了對(duì)外加添加劑的依賴，從而為南極磷蝦在食品凝膠產(chǎn)品中的高價(jià)值利用提供了理論支持。
引言
根據(jù)聯(lián)合國(guó)的估計(jì)，到2050年全球人口將達(dá)到100億。這一顯著增長(zhǎng)將需要全球食品產(chǎn)量增加50%以滿足不斷增長(zhǎng)的食物需求[1]。然而，傳統(tǒng)的動(dòng)植物蛋白來源受到土地、水資源和環(huán)境承載能力的限制，已無法滿足人們的需求。因此，繼續(xù)探索新的可持續(xù)和可再生蛋白質(zhì)來源已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。隨著“大食物”概念的提出以及“海上糧倉(cāng)”的建設(shè)，海洋藍(lán)色食品也引起了廣泛關(guān)注，被視為一種潛在的新食品資源。根據(jù)南極海洋生物資源保護(hù)委員會(huì)（CCAMLR）的數(shù)據(jù)，近年來近33%的南極磷蝦捕撈量未能得到充分利用。南極磷蝦具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。世界衛(wèi)生組織（WHO）評(píng)估認(rèn)為，南極磷蝦、蝦、牛奶和牛肉中的蛋白質(zhì)含量最高。南極磷蝦蛋白含有人類所需的所有必需氨基酸，是一種高質(zhì)量的蛋白質(zhì)資源。這些研究表明，南極磷蝦蛋白可能逐漸成為陸地蛋白質(zhì)來源的可行替代品。
目前，南極磷蝦產(chǎn)業(yè)主要集中在初級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域，如動(dòng)物飼料生產(chǎn)、磷蝦油提取、脫水磷蝦產(chǎn)品及調(diào)味劑生產(chǎn)。然而，在利用其蛋白質(zhì)資源方面仍存在嚴(yán)重不足。肌原纖維蛋白是魚糜凝膠功能的重要決定因素，在維持凝膠網(wǎng)絡(luò)完整性方面起著關(guān)鍵作用。肌原纖維蛋白功能的受損會(huì)導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度下降以及凝膠基質(zhì)中的局部聚集和空洞形成等結(jié)構(gòu)缺陷。南極磷蝦死后的生化變化是一個(gè)主要挑戰(zhàn)：內(nèi)源性酶抑制劑的快速分解加速了自溶和質(zhì)量降解，最終影響凝膠化過程[2]。目前提高南極磷蝦魚糜凝膠性能的策略主要是通過與替代甲殼類或魚類混合或添加外源性添加劑[3]。雖然外源性添加劑可以增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度，但它們會(huì)掩蓋南極磷蝦蛋白的固有特性并增加生產(chǎn)成本。
南極磷蝦肉的生產(chǎn)采用兩種不同的加工方法：1）使用多層往復(fù)輥壓機(jī)進(jìn)行船上加工，可獲得完整的白色磷蝦肉；2）冷凍后進(jìn)行擠壓去殼，得到紅色磷蝦肉。與通過輥壓去除富含酶的內(nèi)臟的白色磷蝦肉相比，紅色磷蝦肉保留了消化腺，從而導(dǎo)致內(nèi)源性蛋白酶活性升高，進(jìn)而加劇了肌原纖維的蛋白水解。這兩種原料的蛋白質(zhì)特性和凝膠形成能力存在顯著差異。為闡明這些差異的根本機(jī)制，本研究比較了兩種類型南極磷蝦肉形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)，揭示了內(nèi)源性因素調(diào)節(jié)凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的機(jī)制。我們的綜合分析包括營(yíng)養(yǎng)成分分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)表征、凝膠基質(zhì)物理化學(xué)評(píng)估、水分分布動(dòng)態(tài)及微觀結(jié)構(gòu)可視化。這種多參數(shù)方法為開發(fā)新型磷蝦基凝膠產(chǎn)品提供了科學(xué)框架。作為補(bǔ)充，我們還使用了廣泛用于魚糜生產(chǎn)的太平洋白蝦（PWS）進(jìn)行了對(duì)比分析[4]。我們對(duì)南極磷蝦和太平洋白蝦的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及凝膠特性的比較分析揭示了關(guān)鍵的功能差異，為磷蝦凝膠產(chǎn)品的應(yīng)用優(yōu)化提供了依據(jù)。
材料
材料
南極磷蝦（Grade L+），由中國(guó)國(guó)家漁業(yè)總公司（北京）商業(yè)冷凍并提供，采購(gòu)時(shí)間為2022年10月。紅色磷蝦肉包含肌肉組織和殼的擠壓殘留物，使用Model 150肉類提取設(shè)備（福州SPREE機(jī)械設(shè)備有限公司，江西）進(jìn)行解凍后擠壓提取。冷凍的白色磷蝦肉（經(jīng)過輥壓去殼的磷蝦肉，酶活性較低）來自大連遼漁集團(tuán)（批次編號(hào)未知）。
凝膠強(qiáng)度
凝膠強(qiáng)度反映了凝膠的彈性和強(qiáng)度，是衡量肉類及其制品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[21]。圖1A展示了不同蝦類凝膠的斷裂力、斷裂距離和凝膠強(qiáng)度。由白色磷蝦肉（輥壓去殼）制成的凝膠具有更強(qiáng)的凝膠強(qiáng)度（743 g × cm），遠(yuǎn)超過太平洋白蝦凝膠（219 g × cm）。凝膠強(qiáng)度定義為斷裂力與斷裂距離的乘積（公式（1））。
結(jié)論與展望
南極磷蝦肌球蛋白的凝膠化過程分為兩個(gè)階段：蛋白質(zhì)展開暴露出巰基和疏水結(jié)構(gòu)域，隨后通過分子間的協(xié)同作用重新組裝形成連續(xù)的3D網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是南極磷蝦和太平洋白蝦凝膠的分子間作用力與其宏觀結(jié)構(gòu)之間存在明顯相關(guān)性：南極磷蝦凝膠主要由熱誘導(dǎo)的巰基暴露和蛋白酶作用導(dǎo)致的片段化形成，使其具有高硬度但易碎。
作者貢獻(xiàn)聲明
Xinghe Li：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Songgang Xia：撰寫 – 審稿與編輯。Xin Du：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Tingting Hao：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Yukun Hou：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Ruihan You：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Lingyu Kong：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Yong Xue：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Zhaojie Li：方法學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究。Changhu Xue：監(jiān)督，資金籌集。Xiaoming Jiang：監(jiān)督，資源提供。
利益沖突聲明
作者聲明沒有利益沖突和財(cái)務(wù)利益沖突。
致謝
本研究得到了山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024ZLYS02）、山東省海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（青島）海洋科學(xué)與技術(shù)基金（編號(hào)2022QNLM030002）以及山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024CXPT055）的財(cái)政支持。
