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蛋白质羰基化反应及其对肉制品的影响

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蛋白质羰基化反应及其对肉制品的影响
摘 要：蛋白质羰基化反应遍是蛋白氧化中最显著的化学修饰之一，受到研究人员的高度重视。研究表明蛋白羰基对肉制品品质特征如结构、功能、营养价值有一定的影响。本研究对肉和肉制品中羰基含量的变化、蛋白羰基的形成机理及对蛋白品质的影响等进行综述。
关键词：蛋白质羰基，结构，品质

蛋白质氧化是一种复杂的现象，蛋白质种类和氧化条件决定了蛋白质氧化途径和氧化产物的性质[1]。活性氧（ROS）、过渡金属、脂质氧化等都能引发蛋白质的氧化损伤。氨基酸侧链以及多肽骨架的变化会使蛋白质的理化性质发生改变，包括多肽骨架断裂、蛋白聚合、溶解度降低、功能性质丧失和蛋白质水解敏感性降低等[2]。在肉体系中，一般采用多种化学修饰评价蛋白质氧化，包括硫醇基损失[3]、色氨酸荧光强度降低[4]、羰基衍生物形成[5]和蛋白质内部及蛋白质之间的交联的形成[6]。在以上氧化评价中，蛋白羰基化合物的形成被认为是氧化蛋白最为显著的变化[7]。2,4-二硝基苯肼法测羰基含量已成为评价肉和生物体系中蛋白氧化的常用方法[8]。虽然蛋白羰基值是评价蛋白氧化的一项重要指标，但是它在食物体系中的实际影响还并不清楚。蛋白氧化对肉制品的影响一直是各种研究的热点，蛋白氧化会影响肌肉蛋白酶活性和蛋白质的功能这一观点已被广泛接受[7]，研究证明氧化反应也会改变肌肉蛋白消化率、持水性以及宰后肉的嫩度[9]，但目前关于蛋白羰基化反应如何诱导改变蛋白质理化性质的作用机理仍不清楚。明确特殊羰基的形成途径和机制有助于进一步理解羰基化合物对蛋白质品质的影响。Estévez等[10]采用液相色谱-电喷雾-质谱法(LC–ESI–MS) 已鉴定出氧化的肌原纤维蛋白中特殊蛋白羰基，即α-氨基脂肪半醛（AAS）和γ-谷氨酸半醛（GGS）。在研究过渡金属和酚类物质对肌原纤维蛋白羰基化反应的影响、在Strecker型反应中半醛与未氧化氨基酸的反应变化、蛋白质羰基与持水性降低之间的潜在联系等方面，采用这种精确检测方法取得一定的研究进展[4,11]。相较其它食品成分研究领域的发展高度（如脂质氧化），关于蛋白质氧化的基本知识较少。产生这种情况的原因包括：食物蛋白氧化的化学变化的高度复杂性；缺乏评价食物蛋白氧化的特定方法；认为脂质氧化和微生物腐败等生物化学现象足以解释食物体系中所有的有害变化。本文以蛋白羰基作为肉制品的氧化损伤的一种指标，对蛋白羰基的形成机理，加工储藏过程中羰基含量的变化以及以蛋白羰基化反应对肉制品的影响进行综述。

1蛋白羰基
1.1蛋白羰基的形成
羰基化反应是蛋白质发生的一种不可逆非酶修饰，其中氧化应激和其它机制也能诱导羰基分子的形成[12]。蛋白质中羰基化合物（醛和酮）形成主要是通过以下四个途径：(1)赖氨酸，苏氨酸，精氨酸和脯氨酸侧链的直接氧化[13]；(2)在还原糖的作用下发生非酶糖化反应[14]；(3)通过α-酰胺化途径或在谷酰基侧链氧化情况下多肽链的氧化断裂[12]；(4)与非蛋白羰基如4-羟基-2-壬醛(HNE)或丙二醛（MDA）共价结合[15] (图1)。在以上四个形成途径中，氨基酸侧链氧化是蛋白羰基形成的主要途径，也是直接氧化攻击蛋白的最有效和主要途径[16]，并且这也是唯一已被证实的肉蛋白中羰基形成的机制[11]。Park 等[17]研究体外肌原纤维蛋白的氧化情况时，多肽链断裂对羰基形成几乎没有影响。其它三种机制可能在复杂食物体系中适用，但是这些机制对肉蛋白羰基化反应的相关作用仍然不清楚。
（1）

赖氨酸 α-氨基脂肪半醛
（2）
葡萄糖 赖氨酸 α-氨基脂肪半醛
（3）
多肽
（4）
谷酰基多肽
（5）
丙二醛(MDA) 赖氨酸
（6）
多不饱和脂肪酸（PUFA） 4-羟基-2-壬醛(HNE) 赖氨酸

图1蛋白质羰基的形成机理
赖氨酸、苏氨酸、精氨酸和脯氨酸侧链的羰基衍生物的形成是金属离子催化氧化(MCO)的结果[18]。根据这种机制，在敏感氨基酸侧链近处，Fenton反应中还原态的过渡金属离子将H2O2还原为反应中间体（羟自由基；•OH）（图1，反应1）。根据位点特异性机制，蛋白质中金属结合位点的存在说明了这些位点上的氨基酸残基对MCO具有专一性[18]。但一些研究人员认为在温和氧化条件下，MCO易受蛋白的金属结合位点限制，因为几乎所有氨基酸残基都易在高度氧化条件（高浓度的H2O2和金属离子）下发生氧化。过度金属离子的氧化态形式如Fe3+在类似Fenton反应中使H2O2生成HO2•自由基(反应2)。
大量科学研究表明，在ROS介导反应中还原态和氧化态金属离子（如Fe2+和Fe3+）能够促进蛋白羰基形成[19]。事实上，特定金属离子的两种氧化状态如铁（Fe2+/ Fe3+）和铜（Cu+/ Cu2+）在生物体系中同时存在，它们作为电子供体（还原态）或受体（氧化态）。氧化还原循环赋予了重要的催化性能，包括分子氧还原成超氧阴离子自由基（反应3），经过连续反应形成过氧化氢（反应4）和羟自由基（反应5）和脂肪氢过氧化物（LOOH）裂解后形成过氧化氢和烷氧自由基（反应6和7）。
Mn+ + H2O2 M(n+1)+ + HO- + HO· (1)
Fe3+ + H2O2 Fe2+ + HO2•+ H+ (2)
Mn+ + O2 M(n+1)+ + O2•- • (3)
2O2•- +2H+ H2O2+ O2 (4)
O2•- + H2O2 O2 + HO- + HO· (5)
Mn+ + LOOH M(n+1)+ + LO·+ HO- (6)
M(n+1)+ + LOOH Mn+ + LOO·+ H+ (7)
MCO的结果是苏氨酸氧化为α-氨基-3-酮基丁酸，赖氨酸氧化为α-氨基脂肪半醛（AAS）和精氨酸和脯氨酸氧化为γ-谷氨酸半醛（GGS）。AA和GGS都作为金属介导的蛋白氧化的主要羰基产物，在血浆和猪肝中这两种半醛占总羰基含量的23%~60% [19]。活性物质攻击氨基酸侧链上的氨基，从相邻碳原子上夺取一个氢原子，形成了以碳为中心的蛋白自由基。在进一步反应中，氧化态的金属离子接受碳自由基的孤电子形成亚氨基，自发水解生成相应的醛分子[19]。

2在加工和储藏过程中肉和肉制品中蛋白羰基变化
2.1肉成熟过程中蛋白羰基的变化
ROS的形成是需氧型新陈代谢的必然后果，因此生物体内脂肪和蛋白一定会发生氧
化反应。大多数人和动物组织体内总羰基含量约在1-2 nmol/mg 蛋白，这表明约10%的总细胞蛋白表现出氧化修饰[20]。动物宰杀后，在肌肉成熟过程中发生了生物化学变化，其内源抗氧化机制部分破坏，促进了蛋白氧化的发生。牛肉肌原纤维蛋白在0°C下储存，随着肌肉pH值下降，蛋白羰基含量显著增加[21]。研究表明高浓度的氢离子促进了肌红蛋白的氧化还原循环，因此氢离子有促氧化作用。肌肉pH值降低易使蛋白发生聚合、变性、溶解性降低，进一步影响蛋白氧化的敏感性。根据最近研究，宰前应激使肉鸡胸肉的pH值变低，促使蛋白羰基形成，蛋白发生变性和溶解性降低[22]。但Chan等[23]的研究表明，火鸡宰后24h时肌肉pH值对蛋白羰基化程度无影响。研究人员研究表明：pH值对蛋白羰基化反应有一定的影响，且主要归结于火鸡肌肉比肉鸡肌肉有更好的抗氧化保护系统。除pH值下降之外，肉宰后其它生物化学变化例如具有催化性的游离态金属离子和氧化酶的释放以及脂肪氧化反应的诱导作用很有可能促进宰后僵尸肉中蛋白羰基的形成。

2.2冷藏和冻藏过程中蛋白羰基的变化
Martinaud等[3]首次描述牛宰后肌肉中出现的蛋白氧化现象。牛腰最长肌和膈膜肌经过10天冷藏后，其总蛋白羰基含量增加分别从3.1到5.1 nmol/mg 蛋白，4.8到6.9 nmol/mg 蛋白。随后大量研究证实了成熟或冷藏过程中猪肉、家禽、鸵鸟肉、火鸡肉等蛋白羰基化反应的出现。不同学者采用相同的技术(DNPH法)测定相近肉体系中总蛋白羰基含量，得到结果差异较大，不利于归纳蛋白羰基形成的一般规律，冷藏初期的牛肌肉中蛋白羰基含量达到3.1–4.8 nmol/mg蛋白，但是在高氧状态下冷藏6天的牛肉馅饼中羰基含量只有1.9 nmol/mg蛋白[3,24]；常压冷藏9天的火鸡肌肉蛋白羰基含量比高浓度氧下冷藏14天的猪肉的蛋白羰基含量更高,分别是3.1–3.4 nmol/mg 蛋白和1.1 nmol/mg 蛋白[5,25]；鲜猪腰和先盐渍后经3个月成熟的干熏猪腰的蛋白羰基含量相似[25,26]。总而言之，蛋白羰基化程度取决于肉的种类，肌肉类型和储存条件。研究表明牛肉比猪肉更容易发生蛋白羰基化反应，主要是牛肌肉中有较多的铁离子和肌红蛋白[25]。同样地，氧化和糖酵解的肌肉对蛋白羰基反应的敏感性差异也取决于肌肉组成成分[27]。
研究表明肌肉在冻藏条件下蛋白仍会发生羰基化反应。例如，Soyer等[28]研究不同冻藏温度（-7℃、-12℃和-18℃）和冻藏时间对肌肉蛋白氧化的影响。肌肉在冻藏6个月过程中羰基含量显著增长，前3个月各储藏温度下蛋白羰基含量无显著差异，后3个月各处理组间蛋白羰基含量呈显著差异，其中-7℃条件下蛋白羰基增长最显著。猪背最长肌经过不同（0,1,3,5次）冷冻/解冻循环，最终发现5次冷冻/解冻后蛋白羰基含量增加显著（从1.09到1,16nmol/mg蛋白质），这主要是因为反复冷冻/解冻导致细胞破坏，其中的氧化酶和促氧化剂的释放促进羰基的形成[29]。猪背最长肌和腰大肌在-18℃冻藏2个月后，AAS和GGS含量显著升高，后2个月后含量显著降低，此结果表明在冻藏过程中这两种蛋白羰基会发生进一步的反应生成其它物质[30]。蛋白羰基化反应与脂肪氧化反应密切相关，也有肌肉类型 [30]、冷冻温度[28]、包装条件以及预处理如预先切碎[30]有关。

2.3加工过程中蛋白羰基变化
许多加工技术如辐照、烹饪、发酵、高静压等都促进蛋白发生羰基化反应。γ射线能将氧气分子还原为ROS，进一步触发羰基化反应[31]。烹饪加工也会促进肉和肉制品中蛋白发生羰基化反应，并且随后的冷藏过程中也相应地增加蛋白氧化的敏感性。肌原纤维蛋白在100℃下加热，随着加热时间延长蛋白羰基含量也增加，这主要是高温使蛋白的理化性质改变，如游离态的催化性的铁离子释放、氢过氧化物的裂解，从而触发蛋白氧化并且产生蛋白羰基化合物[32]。生肉中蛋白羰基的含量为1–3 nmol/mg 蛋白，但是熟肉制品中蛋白羰基含量达到约5nmol/mg 蛋白，这表明操作过程（切断、切碎、蒸煮等）促进了蛋白羰基的形成[33]。随后的冷藏过程导致蛋白羰基继续发生氧化反应，同时伴随着其它生化变化，如非血红素铁离子含量和脂肪氧化程度增加。高静压是保存食品的新技术，能最大程度地保留食品天然的营养成分。Fuentes 等[34]采用600Mpa的高静压能对干熏火腿进行处理，发现AAS和GGS含量显著提高，这是因为高静压能诱导组织破坏、游离催化铁离子等。
在传统熏肉生产过程中，蛋白的水解降解作用在工艺技术和成品感官方面中起着决定作用。干熏肉的生产需要很长的过程（伊比利亚干熏肉需要36个月），经过盐渍，干燥和入窖三个步骤[35]，但是每一步骤关于蛋白氧化反应的触发和氧化强度的相关知识甚少。熏肉蛋白羰基化反应与脂肪氧化反应有关，也与肌肉的种类、盐渍时间、干燥强度等有关。盐腌是肉质品加工过程常用的操作方法，外源氯化钠添加到肉中，增强体系中Fe3+的活性，氯离子增加铁离子的溶解性，因此氯化钠具有促氧化作用[36]。Sun等研究了加工过程的广式发酵香肠的不同蛋白的羰基化反应的变化过程。研究结果表明，在发酵和烘烤干燥过程中，肌浆和肌原纤维蛋白的羰基含量持续显著增加，分别从1.04增加到 4.68 nmol/mg蛋白和 1.32 增加到7.00 nmol/mg 蛋白。蛋白羰基化反应也与蛋白二级结构和三级结构有关，随着羰基含量的增加，蛋白表面疏水性增加，α螺旋的含量也逐渐增加[37]。

3.蛋白质羰基化反应对肉品质的影响。
3.1蛋白质的结构和功能
肌原纤维蛋白（肌动蛋白和肌球蛋白）是肌肉蛋白中含量最丰富的蛋白，也是肌原纤维组织的主要成分，在肌肉收缩功能中起着主导作用。肌肉细胞体积的82% - 87%是细胞器，而细胞器中约85%的水都是通过物理作用被截留在肌原纤维蛋白结构中[38]。所以，在肉制品加工时，肉体系中肌原纤维蛋白的持水性等特性影响着肉制品的品质和处理工艺。
肌原纤维蛋白中氨基酸种类及组成顺序（一级结构）直接影响其天然结构（二级结构、三级结构等），而蛋白质天然结构决定着蛋白质的功能。由此而言，氨基酸侧链的特征和分布对蛋白质功能起着重要作用。蛋白质被水环境包围如在肌肉食物中，蛋白质中极性（亲水）基团就易暴露在水相中，非极性（疏水）基团则被包裹在分子内部。肌原纤维蛋白与水之间的交互作用对蛋白水化功能（如凝胶、乳化和持水力等）很重要[38]。在水相体系中，基本氨基酸（如赖氨酸、精氨酸等）的极性残基侧链定向朝着外部，极性侧链更容易被暴露并接触促氧化剂（如金属离子），因此更容易发生氧化。基本氨基酸例如赖氨酸和精氨酸等在金属离子存在的条件下发生氧化应激，并通过氧化去氨基途径形成蛋白羰基。牛血清蛋白和其它动物蛋白中的肌原纤维蛋白发生的羰基化反应使质子化氨基基团减少，导致了蛋白的电荷分布情况和整个蛋白带电量发生改变[1]。在高度氧化情况下，主要蛋白羰基（AAS）氧化降解产生α-氨基脂肪酸[39]，进一步的氧化修饰会使肉蛋白中电荷分布和等电点再次改变。研究表明等电点修饰是蛋白氧化应激的结果，其中主要是基本氨基酸发生氧化修饰。化学修饰的直接影响是蛋白分子内部的交互作用和蛋白-水交互作用的平衡发生变化，进而会造成蛋白溶解性降低、蛋白-蛋白交互作用形成，甚至蛋白变性。蛋白三级结构改变诱导的蛋白氧化，也容易使蛋白结构折叠、表面疏水性增加、聚合沉降和发生不可逆变性[7]。同样地，氧化蛋白比非氧化蛋白有更低的溶解性，更容易发生热变性，并且蛋白氧化在以上生化变化和结构改变中起着重要作用[23]。因此，蛋白羰基化反应对蛋白的物化性质有很大影响，也是肌肉食物凝胶、乳化、粘性和水合作用改变的主要原因，这些修饰可能直接源于蛋白的氧化损伤或蛋白构象的改变[2]。
氧化蛋白的内部交联和蛋白分子间的交联会导致蛋白结构变化，也是蛋白功能丧失的主要原因[7]。蛋白交联导致蛋白聚合物的形成和稳定，也使肌原纤维组织发生收缩[40]。此外，肌原纤维蛋白的许多功能需要各蛋白组分之间的协同作用，所以蛋白聚合和大量聚集对肌肉食物有显著的不利影响[7]。虽然多肽链在不同机制作用下都会发生交联，但是大量肌肉食物研究证实蛋白交联的主要途径是二硫键和二酪氨酸的形成[41]。但研究人员提出，蛋白羰基和相邻氨基酸的氨基之间的缩合反应是肉体系中形成交联的另一种途径，但是这种反应的具体机制仍不清楚[7]。根据Estévez 等[30]研究，肉体系中存在交联现象且对肉蛋白功能存在着潜在的不利影响。据此研究，在猪肉冻藏2个月，AAS和 GGS含量显著增加，蛋白持水能力也增加，到冻藏结束时这两种半醛的网状结构逐渐消失，肉的持水能力也迅速下降。蛋白氧化对肉的持水性的消极影响可能会影响到具体的工艺（如盐水浸泡、卤制和烹饪[40]以及特殊的口感特征如多汁性[9]。
但部分研究人员证明：肉加工时蛋白适度的氧化可能对肌原纤维蛋白的凝胶及乳化作用产生积极影响[7]，例如只要控制好鸡肉肌原纤维蛋白中的酶诱导的氧化程度，就可有效地改善肉酱的质构特征[42]。Xiong 等[7]曾假设，肌原纤维蛋白发生缓慢氧化以及轻度至中度氧化形成的交联物，能有效提高白稳定性和凝胶的流变学性能，而蛋白过度氧化导致大量聚集，进而导致蛋白功能降低[7]。
3.2营养价值
肉是人类膳食中优质蛋白的重要来源，所以蛋白氧化对蛋白营养价值以及消费者身体健康的潜在影响越来越受到研究人员的重视。最初对氧化蛋白营养品质的评价是研究乳蛋白中必需氨基酸的氧化修饰和氧化衍生物的生物利用率[43]。肉蛋白的氧化引起了一些氨基酸损失和氨基酸结构的改变。在蛋白羰基的形成过程中，一些必需氨基酸（如赖氨酸、精氨酸等）会发生不可逆的氧化修饰，这也表明了蛋白氧化导致了必需氨基酸的损失。
除必需氨基酸损失外，蛋白氧化还会影响蛋白质消化率。研究表明：在低水平氧化情况下，蛋白结构的微小改变有利于蛋白酶水解位点的识别，蛋白水解性增强。在高氧化水平情况下，蛋白聚合物的形成以及特殊氨基酸侧链的氧化都会改变识别位点，因此蛋白水解性降低[44]。而研究人员发现，在肉体系中同时存在这两种氧化情况，已有研究结果证实了高度氧化的肌原纤维蛋白的水解性显著降低，从而影响蛋白的消化率[32]。在木瓜蛋白酶作用下，已氧化的肌原纤维蛋白的水解程度比非氧化肌原纤维蛋白低，这是因为精氨酸与赖氨酸发生了羰基化反应，且蛋白酶降解蛋白时需要这些氨基酸的协同作用[45]。研究表明：蛋白羰基化反应程度与胰蛋白酶、α-胰凝乳蛋白酶的水解活性存在显著负相关，故经氧化后蛋白的水解敏感性是由具体的氧化条件决定的[24]。
蛋白氧化不仅影响人体必需氨基酸摄入量，而且会降低蛋白消化率，进而对人类健康有不利影响。未水解的蛋白在结肠菌群作用下发酵生成诱变物质(苯酚和甲酚)，摄入这种蛋白会增加患肠癌的机率[46]。然而，摄入氧化蛋白对人类健康的具体影响有待进一步深入研究。
3.3质构
研究表明，鲜肉和肉制品的多汁性、嫩度及硬度与蛋白氧化之间存在一定的联系[41]。牛肉成熟过程中，在明确肉氧化蛋白的水解敏感性的基础上，研究人员发现蛋白氧化与肉嫩度变化相关[3]。Rowe等[47]研究证实：牛肉总蛋白羰基与质构（剪切力）之间存在相关性。蛋白氧化通过两种机制影响肉蛋白的嫩度：1)肉成熟过程中蛋白的水解性下降；2）蛋白通过二硫键形成交联。第一种机制又包括两种氧化效果的协同作用：关于肉嫩化的蛋白水解酶的失活和肌原纤维蛋白氧化修饰导致的水解敏感性降低[47]。例如，μ-钙蛋白酶和m-钙蛋白酶的活性位点都有组氨酸和含巯基的胱氨酸残基，这些基团的氧化很可能导致蛋白酶失活。根据第二种机制，蛋白氧化形成的交联增强了肌原纤维结构，因此会使肌肉组织的韧性增加[24,25]。
研究人员在研究法兰克福香肠等肉制品中蛋白氧化情况时，发现蛋白氧化与质构改变几乎同时发生，这也证实了肉制品硬度与蛋白氧化程度存在显著相关性[33]。研究表明高静压对干熏肉中蛋白氧化的触发和对质构特征（如嫩度、多汁性等）的影响，也得到了类似的结论[34]。因此，控制好肉制品中的蛋白氧化程度对保持产品的质构特征（如嫩度、多汁性及硬度等）非常重要。
3.4风味
特殊蛋白羰基 AAS、GGS等对Strecker醛的形成具有重要意义，Strecker醛是由亮氨酸和异亮氨酸经过一系列反应形成的。在美拉德反应中，氨基酸的Strecker降解反应是形成最终芳香化合物的主要反应之一。此反应是指在美拉德反应生成的α-二羰基化合物存在条件下，游离氨基酸的氧化脱氨基和脱羧过程。脂肪氧化生成的特定氧化产物可以促进氨基酸的氧化降解，并且在Strecker反应中形成相应的Strecker醛。Estévez等[4 ]研究表明：AAS、GGS的羰基基团与游离氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸等)的氨基反应形成Schiff碱结构物质，并且最终形成相应的Strecker醛。蛋白降解产物中的游离氨基酸及游离氧化氨基酸是肉体系中Strecker醛的主要来源，对肉制品的风味贡献很大。但AAS和GGS在食物中StreckerStrecker醛是干熏肉中常见的风味物质，对风味形成产生积极作用。肉制品成熟过程中同时出现蛋白质水解加快、蛋白氧化反应和Strecker醛的形成，这表明了蛋白半醛和邻近游离氨基酸发生了反应[35]。

4.结语
羰基化合物的形成是蛋白氧化最显著的化学修饰之一，但诱导蛋白氧化的原因还需要深入了解。建立新型的、精确度高的方法研究蛋白氧化途径及氧化产物，明确蛋白氧化以及蛋白羰基化反应对肉制品品质的实际影响。在此基础上，更多的研究重点应放在于蛋白氧化对消费者健康的影响，氧化反应对蛋白和多肽的营养价值影响以及蛋白生物利用率等，以便更好地为人类提供优质的肉蛋白。

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