《食品科学》：大连工业大学毕景然博士等：刺参体壁酶促溶性胶原蛋白的热变性

刺参属于温带参种，是国内典型的海珍产品，产量大、营养价值高。体壁是刺参主要可食用部分，由上皮组织、真皮结缔组织以及大量细小的钙质骨片组成。研究发现，刺参体壁在热加工过程中，存在着动态机械特性变化，其硬度和弹性等物理特性变化有着明显的温度-时间效应关系。低温加热时，刺参随着加热温度的升高或时间的延长，硬度继续降低，弹性持续上升；在高温加热时，刺参组织坍塌，最终变得软烂，降解，融化，失去原有形态。

大连工业大学食品学的傅宝尚、侯红漫、毕景然*等从刺参体壁中提取了酶促溶性胶原蛋白（PSC），之后分别采用差示扫描量热、傅里叶红外光谱、圆二色谱、高效液相色谱（HPLC）、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）技术研究刺参体壁PSC的热稳定性，并探究热处理后PSC的凝胶形成能力及凝胶过程中的分子间作用力，以期揭示刺参体壁胶原蛋白在热处理过程中的变化机理。

1、刺参体壁PSC的变性温度

如图1所示，刺参体壁PSC的变性温度为35.3 ℃，说明刺参体壁PSC在温度高于35.3 ℃受热时，维持其三股螺旋结构稳定性的非共价结合力将减弱，胶原分子解缠绕，分子结构将从有序折叠态变为无规卷曲态，天然构象被破坏。

2、热处理过程中刺参体壁PSC结构变化

结果如图2所示，对照组PSC样品具备完整的三螺旋结构，在220 nm处存在正吸收峰，在197 nm存在强烈的负吸收峰。在低于35 ℃处理条件下加热PSC，样品吸收峰几乎无变化，说明此时刺参体壁PSC三螺旋结构仍保持良好；当温度达到35 ℃后，PSC的三螺旋结构开始解缠绕，从而转变为松散的3 条亚基链，正吸收峰完全消失。

如图3A所示，PSC的特征结构吸收峰包括3 305、3 082、1 657、1 559 cm－1以及1 242 cm－1，分别归属于酰胺A带N—H伸缩振动（氢键）、酰胺B带N—H非对称和对称伸缩振动、酰胺I带C＝O伸缩振动和N—H弯曲振动、酰胺II带N—H弯曲振动和C—N伸缩振动，以及酰胺III带由蛋白酰胺键C—N伸缩振动和N—H变形及甘氨酸中—CH2基团和脯氨酸侧链的摇摆振动。

如图3B所示，可发现刺参体壁PSC在连续加热过程中酰胺I带吸收强度随温度变化而变化，且峰形随加热温度的增大变得平缓且蓝移，由此推测，随着温度的升高，刺参体壁PSC的三螺旋结构遭到破坏。当加热温度超过35 ℃时，即超过变性温度，胶原蛋白二级结构遭到破坏，其中归属于α-螺旋结构伸缩振动的1 656 cm－1处峰值降低最为剧烈，因温度越高，胶原蛋白变性程度越大，分子内各种次级键被破坏，高度有序的螺旋结构向无规卷曲转变。

3、热处理过程中刺参体壁PSC降解作用

采用HPLC对刺参体壁PSC降解规律进行分析发现（图4A），PSC未处理组样品分子质量主要分布范围为362.4～244.4（7.5～9.6 min）、210.3 kDa（10.4 min）及141.8 kDa（12.5 min）。根据文献报道，胶原的基本结构是由分子质量为360 kDa的巨型原胶原蛋白分子组成，该分子由3 条α-链组成的三股螺旋构象（即胶原域），每条α-链大约有1 000 个氨基酸残基，分子质量约为120 kDa。

如图4B所示，进一步采用SDS-PAGE对刺参体壁PSC进行分析，同样发现PSC结构中包含α-链、β-链及γ-链。60 ℃加热时，PSC样品中氢键受热断裂，γ-链开始解缠绕，条带颜色变浅；当加热温度达到70 ℃时，由双α-链折叠形成的β-链开始水解；80 ℃时，γ-链、β-链已完全消失，且α-链中氢键也受热破坏严重，降解作用显著；加热温度达90 ℃时，与HPLC结果一致，PSC的大分子肽链结构已不存在，推测可能已完全降解为小分子肽，但由于分离胶的浓度较低，所以未能检出。

综合以上结果说明，加热温度超过变性温度35.3 ℃时，PSC三螺旋结构开始解旋；当加热温度超过70 ℃时，α-肽链逐渐降解成小分子多肽。

4、热处理后刺参体壁PSC的凝胶强度

对刺参体壁PSC经不同温度加热后的凝胶形成能力进行分析（图5）发现，当加热温度低于40 ℃时，PSC的凝胶强度虽显著增强，但增强幅度较小（＜20%）。根据文献报道，当加热温度低于变性温度时，可触发胶原单体自发的原纤维生成过程。一般情况下，胶原原纤维的形成是胶原的固有行为，且胶原单体的自组装过程基本符合成核和传播模型理论。核区是由有限数量的胶原分子聚集形成，然后随着长度和直径的增长发展成成熟的原纤维。但这种热驱动的聚集过程与水在胶原分子周围迁移所产生的熵有关，即随温度的升高，胶原蛋白聚集性越强，因此，相邻胶原分子非极性区域之间的疏水相互作用将逐渐受限，凝胶强度难以大幅提高。当PSC经40～70 ℃加热后冷却，凝胶强度显著增强，其中经70 ℃加热处理后的PSC样品凝胶强度达到最大，这可能是因为当加热温度超过变性温度后，胶原蛋白的氢键和共价键被切断，导致三螺旋结构的展开，随着二级结构α-螺旋到无规卷曲的转变，胶原蛋白转化为可溶性明胶。通过不断的解聚和延伸，分子位点上的含硫氨基酸逐渐暴露出来。之后，当温度回到变性温度以下时，水解的胶原蛋白通过二硫键的相互作用发生不可逆的聚集，从而形成具有三维网络的稳定凝胶。

5、刺参体壁PSC凝胶过程中的分子间作用力

如图6所示，在添加了NEM、DTT、尿素及NaCl后，PSC的凝胶强度随显著减弱；而添加SDS和PG的PSC凝胶体系的凝胶强度显著增强，说明在PSC凝胶形成过程中主要依靠疏水键、氢键、二硫键及静电斥力的相互作用。二硫键是胶原蛋白热诱导凝胶形成的主要化学键之一，凝胶化过程中胶原蛋白头部的二硫键在凝胶形成的过程中起重要作用。

结论

海参体壁是典型的可变胶原结缔组织，可通过调节加热强度控制肌肉组织的质构特性，因此，探究海参胶原蛋白的热变性及凝胶规律对提升海参加工品质具有重要意义。通过对刺参体壁PSC受热过程中性质变化研究发现，PSC变性温度为35.3 ℃。当加热温度低于变性温度时，PSC仍可保持良好的三螺旋结构。当PSC受热温度为40～70 ℃时，PSC三螺旋结构逐渐解缠绕，二级结构虽然受损，但α-肽链仍可在冷却过程中依靠分子间氢键和二硫键的相互作用重新交联，形成强凝胶体系，且凝胶强度随加热温度的升高而增强；当加热温度为80～100 ℃时，PSC三螺旋结构解旋完全，α-肽链降解为小分子多肽，且冷却后难以所形成强凝胶体系，凝胶强度随加热温度的升高而下降。由以上结果可知，海参热加工过程中，若加热温度为40～70 ℃时，冷却后的海参仍可保持良好的机械性能；而过高的热处理温度（＞80 ℃）极有可能导致海参丧失良好的弹性及咀嚼性。

本文《刺参体壁酶促溶性胶原蛋白的热变性》来源于《食品科学》2022年43卷10期29-35页，作者：傅宝尚，侯红漫，张公亮，毕景然。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210609-115。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

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