肌原纤维蛋白热诱导凝胶特性研究进展

姜国庆

摘 要：肌原纤维蛋白质是肌肉中一类重要的结构蛋白质群，它对于肉食制品的品质和特性具有非常重要的影响。肌原纤维蛋白的凝胶特性是形成肉制品独特的质构、保水性、乳化性以及感官特性的决定性因素。本文介绍了肌原纤维蛋白凝胶机制、功能特性及其影响因素，为进一步了解肉制品加工特性提供一定理论指导。

关键词：肌原纤维蛋白；凝胶形成机制；功能特性；作用力

Abstract： Myofibrillar proteins are an important group of structural proteins in muscles， which play a significant role in the quality and characteristics of meat products. The gelation properties of myofibrillar proteins are a determinant of the unique texture properties， water holding capacity （WHC）， emulsifying properties and sensory characteristics of meat products. The gelation mechanisms and functional proerties affected by various factors of myofibrillar proteins are described in this paper with the aim of providing useful guidelines for further understanding of the processing performance of meat products.

Key words： myofibrillar protein； gelation； mechanism； features； force

中图分类号：TS251 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2013）12-0019-04

肌原纤维蛋白质（myofibrillar protein isolate，MPI）是肌肉中一类重要的结构蛋白质群，由肌球蛋白、肌动球蛋白、肌动蛋白以及调节蛋白的原肌球蛋白、肌钙蛋白等组成复合体。在肌肉蛋白质中占50%～55%左右，除了参与肌肉的收缩、影响肌肉的嫩度外，对肉制品品质和功能特性有非常重要的影响。肉糜类制品在加工过程中，MPI受热形成的凝胶决定了产品产量、质构、黏着力及保水性等特性。本文介绍了肌原纤维蛋白的凝胶形成机制、功能特性及影响其特性的诸多因素等，为进一步了解肉制品加工特性提供一定的理论指导作用。

1 肌原纤维蛋白凝胶机制

肌原纤维蛋白凝胶的发生是经过一系列复杂的物理化学变化形成。作为一类结构蛋白质复合体，其中肌球蛋白是主要的凝胶蛋白质，其他几种蛋白质并不能形成凝胶，起到一定的辅助作用，但对凝胶的质构特性具有重要的影响。早在上世纪四五十年代就有学者展开关于凝胶形成机理的研究。Ferry[1]认为蛋白质形成凝胶是经过2个阶段形成的，首先是蛋白质受热变性展开，随后因为疏水作用展开的蛋白质形成较大分子的凝胶体蛋白质分子，并进行解聚和延伸，从而使反应基团暴露，特别是肌球蛋白的疏水基团，蛋白质之间的相互作用得到加强，从而使展开的蛋白重新凝集，最终交叉结合形成三维网状凝胶体。随着对肌原纤维蛋白微观结构研究的进一步细致，Yamamoto[2]发现肌球蛋白头部和尾部凝胶形成能力是有差异的，这种差异会使最终形成的凝胶有所不同，并且在凝集过程中是有一定规律的。将兔骨骼肌肌球蛋白溶液进行稀释，借助透射电镜（负染及旋转金属投影）观察其在30～60℃恒温加热后蛋白分子的聚集方式，发现肌球蛋白分子是以头-头凝集随后头-尾凝集最终尾-尾凝集的方式形成凝胶[3]。另外，不同来源的肌原纤维蛋白在凝胶机制上略有差异。Sano等[4]和Chan等[5]通过研究不同种类鱼肌球蛋白头部和尾部的凝胶能力，提出凝胶形成最先发生于肌球蛋白的尾部，先由尾部肽链解螺旋，形成中间蛋白复合体，再由头部凝集成大的蛋白质颗粒，最终形成网络结构。

2 肌原纤维蛋白功能特性

肌原纤维蛋白的功能特性主要包括凝胶特性、保水性（water holding capacity，WHC）和流变特性等3个方面。

热诱导凝胶特性是肌原纤维蛋白最重要的性质，0.5%的含量即可形成凝胶，对肉制品的质构、黏着力及保水性等性质有重要影响。影响肌原纤维蛋白质凝胶特性的因素可以概括为2方面：内在和外在因素。内在因素如蛋白浓度、成分[6-7]、变性程度和聚集速率[8]等。蛋白浓度越高，凝胶强度越大；肌动蛋白与肌球蛋白的比率不同，肌动蛋白对肌球蛋白凝胶具有协同或拮抗效应；当蛋白质聚集速率小时，蛋白质分子充分伸展，形成的凝胶有序；蛋白质的聚集速率较大时，则形成无序、不透明凝胶。外在因素如溶液pH值、离子强度、温度及添加物等[9-13]。pH值和离子强度能够影响蛋白质残基，改变蛋白质的溶解状态，任何影响溶液pH值和离子强度的因素均会影响凝胶性质，使凝胶过程中的蛋白质热稳定性、溶解度和蛋白质之间的相互作用发生改变；通常温度越高，时间越长，形成的凝胶强度越大；不同添加物的使用可以一定程度上改善凝胶特性。

保水性是衡量肉制品品质的一个重要指标，与肉制品的嫩度、多汁性、色香味等密切相关，对产品的出品率和企业的经济效益有重大作用。肉类保水的条件是原料有水分存留的空间及维持水分存留的作用力。首先，肌原纤维蛋白间形成大量毛细管，构成网络结构，为搭建一个水分存留的间隙提供条件[14]。其次，水与蛋白质氨基酸残基之间形成的氢键和毛细管张力是肉制品中维持水分的作用力[15]。因此，添加物的加入即是通过与蛋白质相互交联从而固定住更多的水分。外界环境酸碱度对肌肉WHC的影响实质上是蛋白质分子的净电荷效应[9，16]：当环境pH值远离等电点时，净电荷增加，肌原纤维之间距离由于电荷斥力而增大，形成有序的凝胶网络结构，保水性较高；当环境pH值接近等电点时，净电荷减少，肌原纤维之间无斥力或斥力小，形成混乱、无序凝胶网络结构，保水性降低。

肌原纤维蛋白的流变学性能可以通过蛋白凝胶的黏度系数、流变指数和流动能参数来表征其在加热过程中分子形态的变化。将肌原纤维蛋白流变特性和蛋白微结构的研究结合起来，可以预测产品的质构品质，为产品配方、加工工艺和质量检测等研究提供重要手段。如在温度扫描中，可以观察到随着温度的上升，肌原纤维蛋白发生了从液态向凝胶态的转变，导致蛋白的流变特性也发生了相应的改变[17]。而不同添加物的使用会影响蛋白溶液的黏弹性，这主要是由于添加物与蛋白质发生相互作用，改变了蛋白凝胶储能模量的变化[12-13， 18]。

3 影响肌原纤维蛋白凝胶形成的因素

肌原纤维蛋白在凝胶形成过程中发生诸多变化，受外界影响很大，在不同温度、pH值、离子强度、肌肉类型及不同的添加物条件下，形成凝胶的能力和特性不同，所表现出的功能特性也不相同。

3.1 温度

加热的温度、时间及升温速率等参数显著地影响着肌原纤维蛋白的凝胶特性、保水性及流变特性。蛋白质分子结构由于受到加热的作用，原本包埋在内部的疏水基团暴露，形成疏水相互作用，促进二硫键形成。大量的疏水基和二硫键的存在，加强了蛋白质分子交联作用，形成热不可逆凝胶。李继红等[19]研究结果表明，在一定范围内，随着温度、盐浓度升高，凝胶强度增加，保水性提高。但当温度超过70℃，凝胶的硬度虽然继续增加，但保水性呈下降趋势。杨芳[20]观察了40～70℃不同温度条件下肌原纤维蛋白凝胶化过程，也得到了类似结论。此过程温度起主要作用，温度越高肌原纤维蛋白越易变性，巯基含量下降越快，蛋白质之间交联越容易，凝胶强度增加。70℃时凝胶的保水性最佳，而超过此温度，易导致肌球蛋白分子形成的网状结构失水，保水性能下降。Amity等[21]则发现凝胶强度随温度上升呈现波浪状，先增加再下降再上升，温度为85℃时凝胶强度最强。

肌球蛋白因加热而发生变性，但是不同来源的肌球蛋白其变性时的转变温度不同。从猪肉、鸡肉、牛肉和火鸡中提取的肌球蛋白，其转变温度一般在45～55℃，鱼类略低。某些来源的肌球蛋白的变性是多级转变的[22]，表明肌球蛋白分子随温度的变化构象发生了进一步变化，因而表现出不同的凝胶特性。

借助电镜技术对肌原纤维蛋白热诱导凝胶的微观形态进行观察有利于了解不同来源的肌球蛋白在不同温度条件下发生的形态变化。Boyer等[23]用透射和扫描电镜对兔腰大肌和半膜肌肌球蛋白进行比较观察，发现前者加热至48℃，肌丝融合，加热到70℃时，肌丝聚集；而后者加热至53℃才形成了肌丝交联，至70℃时形成的蛋白网络比前者更密集。

3.2 pH值

pH值对凝胶性质的影响主要是通过改变蛋白质氨基酸侧链电荷的分布状况，影响蛋白质的相互作用，改变肌球蛋白的凝集状态，从而影响蛋白的凝胶特性。在较高pH值条件下，蛋白分子相应地带负电荷，由于静电斥力使得蛋白分子的凝集不会发生，与水的相互作用增强，形成网络结构，提高了凝胶的保水性；当pH值靠近蛋白质的等电点时，蛋白分子不带电或带电很少，蛋白之间无斥力或斥力很小，疏水作用使得蛋白分子间的相互作用力达到最大，蛋白质分子无序聚集，与水的作用减弱，降低了凝胶保水性。因此，静电斥力是凝胶形成和保水性的主要因素。然而若pH值太大，分子间的静电斥力也越大，网络结构过于松散，对良好凝胶的形成也是不利的[24]。另外，不同pH值条件下提取得到的肌原纤维蛋白性质也略有不同，当pH4.5时，提取的肌原纤维蛋白质具黏性特征，却不形成凝胶网络结构，而pH5.5时提取的肌原纤维蛋白质热稳定性则较差[25-26]。

3.3 离子强度

肌原纤维蛋白本身为高离子强度蛋白，在盐溶液中会改变其蛋白质表面电荷，从而改变在溶液中的状态，凝胶的强度变化。Xiong Youling等[27]研究表明用低浓度的CaCl2和MgCl2处理鸡胸和鸡腿肉，肌原纤维蛋白的得率有较大提高，凝胶强度也增加。董秋颖等[28]认为，较高的离子强度能够增强蛋白质分子间相互作用力，帮助迅速聚集形成硬度较高的凝胶。董绪燕等[29]研究认为随离子浓度的增加，蛋白制品硬度增大，弹性降低。Boyer等[23]也研究了兔肌原纤维蛋白热凝胶中离子强度的影响，认为低离子强度（0.2mol/L KCl，pH6.0）蛋白质溶液形成硬度小的凝胶，逐渐增大离子强度（0.6mol/L KCl）凝胶硬度会逐渐增加。因此，盐浓度对凝胶形成的强度有直接的影响，并且还改变了蛋白质凝胶网络结构的形成方式。当肌原纤维蛋白质置于由低到高不同浓度缓冲溶液时，蛋白质分子从粗糙无规律的凝聚到成蛋白质短链，再到有网络形成且凝胶有黏性，直到蛋白质发生解离形成束状网络纤维[30]。低离子强度下是纤丝之间相互作用形成凝胶，高离子强度下是由蛋白质单体（或二聚体肌球蛋白分子）凝聚形成[31]。

3.4 磷酸盐

磷酸盐是在肉类加工中应用非常广泛的一类添加剂，其作用在于提高肉的离子强度，改变pH值，螯合肉中的金属离子及解离肌动球蛋白。磷酸盐通过改变离子强度，比氯化钠能够更加有效的改变蛋白质的静电荷力，影响蛋白凝胶的凝聚方式[32]。磷酸盐可提高蛋白pH值，增强磷酸盐与蛋白质之间的相互作用，在肉制品中是很好的肉片和水分黏合剂[33]。徐幸莲等[34]通过扫描电镜研究了焦磷酸盐、三聚磷酸盐和六偏磷酸盐对兔腰大肌和半膜肌肌球蛋白的聚集影响，认为焦磷酸盐、三聚磷酸盐使蛋白变性凝聚颗粒减少，倾向于形成长丝，并且使肌原纤维变粗，使肌原纤维发生膨润因而具有更好的持水力；而六偏磷酸盐主要是螯合金属离子，降低pH值，使蛋白质净电荷减少，促进了蛋白之间的聚合，使凝胶的硬度和保水性增大。磷酸盐和低盐可使肉糜具有蛋白质矩阵和大量小孔，具有更好的保水力[35]。

3.5 肌肉类型

不同来源肌肉类型的肌原纤维蛋白其功能特性差异很大[36]。猪肉、鸡肉、牛肉和火鸡中提取的肌球蛋白在差示热量扫描的观察下，具有截然不同的变性温度。然而，就其凝胶性质来说，不论肉的来源、蛋白质组成和介质条件如何，白肉中提取的蛋白质比红肉中提取的有更好的凝胶形成能力，但二者均受到环境pH值的影响。另外，不同部位的肉，其蛋白化学特性和组成也有差异，形成凝胶的能力也不同。Melody等[37]认为半膜肌、背部最长肌、腰大肌中盐溶蛋白热凝胶性质之所以不同在于肌球蛋白重链含量以及类型的不同。因此，在肉制品生产过程中，除了要注意温度、pH值和离子强度等的影响，对红肉和白肉的特性也要加以区别，以期获得良好的蛋白质功能特性。

3.6 非肉蛋白

非肉蛋白如乳清蛋白、蛋清蛋白、谷蛋白等的添加，既可以降低企业生产成本，对肉制品的感官品质如产品风味、保水性和硬度等也有较明显的改善。添加物的使用加强了与肌肉蛋白形成复合凝胶的能力，牢固了组分间的物理缔合，形成一个混合连续相。在鸡胸肉中添加小麦谷蛋白可以使鸡肉的凝胶弹性得到较大提高[38]。Diazda等[39]

还研究大豆蛋白对PSE （pale，soft，exudative）肉肌球蛋白构型和凝胶强度的影响，结果发现PSE肉的肌球蛋白与大豆分离蛋白混合物的凝胶强度及保水性得到了提高，当肌球蛋白和大豆球蛋白的质量比为3：1时形成的凝胶良好。

3.7 其他添加成分

淀粉、卡拉胶、亚麻子胶和海藻酸钠等[40-44]都是常见的亲水胶体，将它们加入到肌原纤维蛋白中均能显著地提高凝胶的保水性和凝胶强度。Verbeken等[42]研究表明，卡拉胶能增加肌原纤维蛋白凝胶的硬度、凝胶强度、保水性和贮能模量，但是影响程度取决于蛋白含量。壳聚糖也可显著提高猪肉肌原纤维蛋白的凝胶能力，随着壳聚糖浓度的增加，保水性和凝胶硬度随之增加[45]。由红外光谱结果得出壳聚糖凝胶与肌原纤维蛋白的之间作用力主要是静电引力。

4 结 语

肌原纤维蛋白作为一类重要蛋白质群在肉制品加工过程中发挥了重要的作用。对于其功能特性的研究伴随各种检测技术手段的更新发展在近些年来取得了较多进展，从微观的角度上对蛋白质分子天然状态到变性状态的转变有了更细致的认识，疏水相互作用、静电力、二硫键等如何参与变化，从而引起质构的变化。但是，肌肉是一个复杂的体系，肉制品的凝胶特性受多种因素的影响，并非理想状态下单一条件的摸索，并且要综合考虑肉制品加工和存放过程中产生的问题，如容易发生氧化、自由基和油脂氧化产物会氧化蛋白、可能会改变蛋白的聚集方式等。因此现阶段对肌原纤维蛋白的研究还不够全面，通过构建不同条件不同因素等组成的系统可能会更有助于了解肌原纤维蛋白的凝胶机制及结构与功能的关系，为肉制品的实际生产提供更有利的指导意义。

参考文献：

[1] FERRY J D. Protein gels[J]. Advances Protein Chemistry， 1948， 4（1）： 1-2.

[2] YAMAMOTO K. Electron microscopy of thermal aggregation of myosin[J]. Journal of Biochemistry， 1990， 108（6）： 896.

[3] SHARP A， OFFER G. The mechanism of formation of gels from myosin molecules[J]. Food Science， 1992， 58： 63-73.

[4] SANO T， NOGUEHI S， MATSUMOTO J， et al. Thermal gelation charaeteristies of myosin subfragments[J]. Journal of Food Science， 1990， 55： 55-58.

[5] CHAN J K， GILL T A， PAULSON A T. Thermal aggregation of myosin subfragments from cod and herring[J]. Food Science， 1993， 58： 1057-1069.

[6] NAKAYAMA T， SATO Y. Relationship between binding quality of meat and myofibrillar proteins.Ⅱ. Contribution of native tropomysin and actin to the binding quality of meat[J]. Agriculture and Biological Chemistry， 1971， 35： 208.

[7] DUDZIAK J A. FOEGEDING E A. Isolation of aetomyosin and myosin from post-rigor turkey breast and thigh[J]. Food Science， 1988， 53： 1287-1289； 1339.

[8] LEFEVRE F， FAUCONNEAU B， OUALI A， et al. Thermal gelation of brown trout myofibrils from white and red muscles： effects of pH and ionic strength[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture， 2002， 82（4）： 452-463.

[9] 费英，韩敏义，杨凌寒， 等. pH对肌原纤维蛋白二级结构及其热诱导凝胶特性的影响[J]. 中国农业科学， 2010， 43（1）： 164-170.

[10] 陈立德. 肌原纤维蛋白凝胶作用力影响因素的研究[D]. 重庆： 西南大学， 2010.

[11] 陈昌. 鸡胸肉、腿肉混合肌原纤维蛋白热诱导凝胶特性的研究[D]. 南京： 南京农业大学， 2011.

[12] 吴满刚， 熊幼翎， 陈洁. 不同淀粉对肌原纤维蛋白流变学性质和凝胶持水性的影响[J]. 食品工业科技， 2010， 31（10）： 92-94.

[13] 吴振， 杨传玉， 孙京新， 等. 不同添加剂对鸡肉盐溶蛋白质热诱导凝胶性质的影响[J]. 中国食品学报， 2012， 12（8）： 60-66.

[14] WILLITING R C. Influence of various salts and water soul be compounds on the water and fat extudation and gel strength of meat batters[J]. Food Science， 1987， 52： 1130-1132.

[15] MILLMAN B M， RACEY T J， MATSUBAR I. Effects of hyperosmotic solutions on the filament lattice of intact frog skeletal muselet[J]. Biophysical Journal， 1981， 33： 189-202.

[16] 汪张贵. 肌肉蛋白与脂肪剪切乳化机理的研究[D]. 南京： 南京农业大学， 2010.

[17] WESTPHALEN A D， BRIGGS J L， LONERGAN S M. Influence of pH on rheological properties of porcine myofibrillar protein during heat induced gelation[J]. Meat Science， 2005， 70（2）： 293-299.

[18] 杨振. 魔芋粉、转谷氨酰胺酶和大豆分离蛋白对鲤鱼肌原纤维蛋白凝胶特性的影响[D]. 哈尔滨： 东北农业大学， 2012.

[19] 李继红， 彭增起. 温度、盐浓度和pH对盐溶蛋白热诱导凝胶影响的研究[J]. 肉类工业， 2004（4）： 39-40.

[20] 杨芳. 阿根廷鱿鱼肌原纤维蛋白特性及其加工的研究[D]. 厦门： 集美大学， 2009.

[21] WESTPHALEN A D， BRIGGS J L， LONERGAN S M. Influence of muscle type on rheological properties of porcine myobrillar protein during heat-induced gelation[J]. Meat Science， 2006（72）： 697-703.

[22] 陈文博. 肌原纤维蛋白热诱导凝胶形成机制研究[D]. 南京： 南京农业大学， 2010.

[23] BOYER C， JOANDEL V， ROUSSILHES V， et al. Heat-induced gelation of myofibrillar proteins and myosin from fast-and slow-twitch rabbit muscles[J]. Journal of Food Science，1996， 61（6）： 1138-1142.

[24] KRISTINSSON H， HULTIN H. Role of pH and ionic strength on water relationships in washed minced chicken-breast muscle gels[J]. Journal of Food Science， 2003， 68（2）： 917-922.

[25] NAKAY R， KENNEY P B， SLIDER S， et al. Myofibrillar proteins solubility of model beef batters as affected by low levels of calcium， magnesium and zine chloride[J]. Journal of Food Science， 1998， 63（6）： 951-954.

[26] ISHIOROSHI M， SAMEJIMA K， YASUI T. Heat-induced gelation of myosin： factors of pH and salt concentration[J]. Food Science，1979， 44（5）： 1280-1284.

[27] XIONG Youling， BREKKE C J. Gelation properties of chicken myofibrils treated with calcium and magnesium chlorides[J]. Muscle Foods， 1991， 2： 21-36.

[28] 董秋颖， 杨玉玲， 许婷. 从质构学角度研究肌原纤维蛋白凝胶形成的作用力[J]. 食品与发酵工业， 2009， 35（5）： 45-49.

[29] 董绪燕， 孙智达， 谢笔钧. Zn、Cu、Pb、Cr、Cd对鲫肌动球蛋白和肌球蛋白加工特性的影响[J]. 农业工程学报， 2007， 23（8）： 236-240.

[30] SIEGEL D G， SCHMIDT G R. Ionic， pH， and temperature effects on the binding ability of myosin[J]. Journal of Food Science， 1979， 44（6）： 1686-1689.

[31] EGELANDSDAL B， FRETHEIM K， SAMEJIMA K. Dynamic rheological measurements on heat-indueed myosin gel： effect of ionic strength， protein concentration and addition of adenosine triphosphate orpyrophosphate[J]. Journal of Science of Food and Agriculture， 1986， 37： 915-926.

[32] BAUBLITS R T， POHLMAN F W， BROWN A H， et al. Effects of enhancement with varying phosphate types and concentrations at two different pump rates on beef biceps femoris instrumental color characteristics[J]. Meat Science， 2005， 71： 264-276.

[33] ROBE G H， XIONG Y L. Phophates and muscle fiber type influence thermal transitions porcine salt-soluble protein aggregation[J]. Food Science， 1992， 57： 1304-1308.

[34] 徐幸莲， 王霞， 周光宏， 等. 磷酸盐对肌球蛋白热凝胶硬度、保水性和超微结构的影响[J]. 食品科学， 2005， 26（3）： 42-46.

[35] BARBUT S， GORDON A ， SMITH A . Effect of cooking temperature on the microstructure of meat batters prepared with salt and phosphate[J]. Lebensm-Wiss U Technology， 1996， 29： 475-480.

[36] 杨速攀， 彭增起. 肌原纤维蛋白凝胶研究进展[J]. 河北农业大学学报， 2003， 26（5）： 160-166.

[37] MELODY J L， LONERGAN S M， ROWE L J， et al. Early postmortem biochemical factors influence tenderness and water-holding capacity of three porcine muscles[J]. Journal of Animal Science， 2004（82）： 1195-1205.

[38] RAMIREZ-SUAREZ J C， ADDO K， XIONG Youling. Gelation of mixed myofibrillar/wheat gluten proteins treated with microbial transglutaminase[J]. Food Research International， 2005， 38： 1143-1149.

[39] DIAZDA J L， RODRGUEZ-ROMERO A， HEMNDEZ-SANTOYO A， et al. Effects of soy glycinin addition on the conformation and gel strength of two pork myosin types[J]. Journal of Food Science， 2003， 68（9）： 2724-2729.

[40] 夏秀芳， 孔保华， 张宏伟. 肌原纤维蛋白凝胶形成机理及影响因素的研究进展[J]. 食品科学， 2009， 30（9）： 264-268.

[41] PARK S H， CHO S Y， KIMURA M， et al. Effects of microbial transglutaminase and starch on thethermal gelation of salted squid muscle paste[J]. Fisheries Science， 2005， 71： 896-903.

[42] VETHEKEN D， NEIRINEK N， MEEREN P V D， et al. Influence of j-ageenan on the thermal gelation of salt-soluble meat proteins[J]. Meat Science， 2005， 70： 161-166.

[43] CHEN Haihua， XU Shiying， WANG Zhang. Interaction between.axseed gum and meat protein[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 80： 1051-1059.

[44] 杨琴， 胡国华， 马正智. 海藻酸钠的复合特性及其在肉制品中的应用研究进展[J]. 中国食品添加剂， 2010（1）： 164-168.

[45] 刘士健， 任发政， 王建晖， 等. 水溶性壳聚糖对猪肉盐溶性蛋白质凝胶特性影响[J]. 食品科学， 2008， 29（5）： 90-92.