碳酸氢钠调控猪肌球蛋白分子作用力与流变特性：疏水相互作用及二硫键介导的热诱导凝胶增强

《Foods》：Changes in the Molecular Forces and Rheological Properties of Pork Myosin with Sodium Bicarbonate

　　

为探究碳酸氢钠浓度（0、10、20、30、40和50 mM）如何调控猪肌球蛋白的浊度和分子相互作用，研究人员分析了pH、浊度、粒径、活性巯基和总巯基含量、表面疏水性、流变学特性及化学作用力。结果揭示，将碳酸氢钠浓度从0提高至50 mM可显著提高（p < 0.05）pH、表面疏水性、表观黏度、活性巯基含量和储能模量（G′），同时显著降低（p < 0.05）浊度、平均粒径、凝胶白度和离子键强度。碱化诱导的pH升高降低了蛋白质浊度并增强分子展开，从而暴露疏水区域和反应性巯基；这促进了热诱导凝胶化过程中的疏水相互作用并促进二硫键形成。因此，较高碳酸氢钠水平（40和50 mM）显著增强了分子间作用力并改善了所得肌球蛋白凝胶的流变性能。

碳酸氢钠（sodium bicarbonate，NaHCO₃）在肉制品中常作为磷酸盐替代物，可提高多汁性、适口性，减少蒸煮损失和剪切力，并破坏肌肉结缔组织，使肌肉结构疏松、嫩度提高。肌球蛋白（myosin）是肌原纤维蛋白的主要成分，占其含量的50%～55%，具有优良的热诱导凝胶能力，因此改善肌球蛋白功能特性对肉制品品质提升至关重要。肌球蛋白在溶液中会发生自组装，受蛋白浓度、pH、温度和离子强度等影响，并通过分子间相互作用和结合形成稳定聚合物。已有研究表明，pH和离子强度可改变肌球蛋白结构与构象，其中pH影响更明显；提高pH和离子强度会加速肌球蛋白结构变性，增强表面疏水性（surface hydrophobicity，H₀，反映疏水残基暴露程度），增加β-折叠（β-sheet）含量，并降低Ca²⁺-ATP酶活性。已有研究涉及碳酸氢钠对猪肌原纤维蛋白的调节，但专门针对猪肌球蛋白的分子作用力与流变特性研究较少。因此，研究人员建立碳酸氢钠与猪肌球蛋白溶液体系，考察不同浓度碳酸氢钠对猪肌球蛋白分子作用力和流变性能的影响机制。

研究人员以猪肌球蛋白为对象，系统分析了0、10、20、30、40和50 mM碳酸氢钠处理下的pH、浊度、粒径、活性巯基（active sulfhydryl groups）与总巯基（total sulfhydryl groups）、表面疏水性、表观黏度、紫外吸收光谱、动态流变特性、凝胶白度和化学作用力。结论表明，碳酸氢钠可提高体系pH，诱导肌球蛋白构象重排，降低浊度和粒径及总巯基含量，提高表面疏水性和活性巯基含量，增强疏水相互作用（hydrophobic interactions）和二硫键（disulfide bonds），削弱离子键（ionic bonds）和氢键（hydrogen bonds），最终提高表观黏度和储能模量（storage modulus，G′），降低紫外吸收峰值和凝胶白度。该研究说明碳酸氢钠能够改善猪肌球蛋白的分子作用力与流变特性，为肉制品中替代磷酸盐和调控凝胶品质提供依据。

关键技术方法概括：样品来自中国新乡当地市场12头健康猪的冷藏腰最长肌（longissimus lumborum），屠宰后12～24 h，pH 5.66 ± 0.02，蛋白20.19 ± 0.63% w/w，分三个独立批次，每批4头。研究人员提取猪肌球蛋白，溶于1.0 mM KCl缓冲液（pH 7.0）至20 mg/mL，加入0、10、20、30、40和50 mM碳酸氢钠。测定pH、浊度、粒径、活性与总巯基、表面疏水性、表观黏度、紫外吸收光谱、动态流变、凝胶白度和化学作用力；部分样品于80 °C水浴15 min制胶。统计采用单因素方差分析、一般线性模型（General Linear Model，GLM）和LSD法，显著性水平p < 0.05。

pH：通过pH测定发现，随碳酸氢钠添加量增加，猪肌球蛋白溶液pH显著升高（p < 0.05），但超过30 mM后升高幅度减弱。碳酸氢钠作为弱酸碳酸与强碱氢氧化钠形成的盐，在水溶液中水解产生碳酸氢根（HCO₃^?）和氢氧根（OH^?），提高溶液碱性；添加量增加使肌球蛋白溶液进一步偏离中性，pH升高。

浊度：通过浊度测定发现，浊度随碳酸氢钠浓度升高显著降低（p < 0.05）。这反映肌球蛋白溶解度增强，因pH升高使蛋白偏离等电点（isoelectric point，pI ≈ 5.4），净表面电荷和分子间静电排斥增加，抑制聚集；强静电排斥也会阻碍有序致密网络形成，降低浊度。

粒径：通过粒径分析发现，平均粒径随碳酸氢钠浓度增加显著减小（p < 0.05），与pH升高直接相关。pH升高增强肌球蛋白分子间静电排斥，促进原有聚集体解离并抑制再聚集；粒径降低与浊度下降一致。

总巯基与活性巯基：通过巯基含量测定，活性巯基含量随碳酸氢钠浓度增加显著升高（p < 0.05），但40与50 mM之间无显著差异（p > 0.05）；总巯基含量在30～50 mM范围内逐渐下降。原因可能是pH和离子强度升高引起肌球蛋白结构变化，使内部巯基暴露，增加活性巯基；碱性环境中部分巯基氧化或通过反应形成二硫键，降低总巯基。

表面疏水性：通过溴酚蓝结合法测定，表面疏水性随碳酸氢钠浓度增加显著增强（p < 0.05），40与50 mM之间无显著差异（p > 0.05）。碱性条件下，肌球蛋白分子间部分非共价相互作用被破坏，表面电荷分布改变，静电排斥增强，促使肌球蛋白部分展开，使原本埋藏的疏水残基暴露于溶剂，提高表面疏水性。

表观黏度：通过旋转流变仪测定，所有样品均呈剪切变稀行为；在相同剪切速率下，表观黏度随碳酸氢钠浓度从0 mM升至50 mM而增加。碳酸氢钠溶解提高pH和离子强度，增强活性巯基和表面疏水性，降低静电排斥，降低浊度和粒径，形成更稳定蛋白结构，从而提高表观黏度。

紫外吸收光谱：通过紫外吸收光谱扫描，所有样品在约278 nm处有显著吸收峰。40和50 mM碳酸氢钠处理时紫外吸收峰值最小，且二者无差异。这说明碳酸氢钠改变溶液离子强度，较高离子强度影响蛋白分子水化层，改变其构象，并影响芳香族氨基酸残基微环境，从而影响紫外吸收特征。

动态流变特性：通过频率扫描测定，所有肌球蛋白溶液G′随频率增加而上升，随后逐渐稳定，50 mM碳酸氢钠时G′最高。原因可能是碳酸氢钠提高pH和离子强度，屏蔽肌球蛋白分子间静电相互作用，促进疏水相互作用和氢键形成，使分子结构扩展，提高体系黏弹性和储能模量。肌球蛋白表现出弱凝胶样行为，频率增加时有效松弛时间减小，蛋白分子间滑移时间不足。

白度：通过色差仪测定加热凝胶白度，白度随碳酸氢钠浓度增加显著下降（p < 0.05），30与40 mM之间无显著差异（p > 0.05）。碱性增强诱导肌球蛋白分子结构改变，影响光散射和吸收，降低白度；碱性条件还可能促进肌球蛋白与其他组分化学反应，进一步影响凝胶网络结构和光学性质。

化学作用力：通过不同提取液连续提取并测定蛋白含量，计算离子键、氢键、疏水相互作用和二硫键。随碳酸氢钠浓度增加，肌球蛋白凝胶的离子键、氢键、疏水相互作用和二硫键均显著变化（p < 0.05）。疏水相互作用和二硫键是猪肌球蛋白凝胶结构完整性的主要贡献者，而离子键和氢键作用较小，主要支持早期凝胶化中的链排列和尾部缠绕。离子键和氢键逐渐下降，与碳酸氢钠诱导的净表面电荷增加、静电排斥增强及键稳定性降低一致；pH变化还改变水化环境和分子构象，改变参与氢键形成基团的位置和活性，减少离子键与氢键数量或强度。相反，疏水相互作用和二硫键含量逐渐增加：碱性条件促进肌球蛋白部分展开，暴露埋藏疏水残基，增强疏水缔合；同时巯基更易氧化形成二硫键，增加其丰度。

讨论总结：原文结果与讨论整体表明，碳酸氢钠通过升高pH和离子强度，使猪肌球蛋白偏离等电点并发生部分展开，降低浊度和粒径，改变巯基状态，增强表面疏水性，重塑凝胶化学作用力网络。其核心是疏水相互作用与二硫键增强，而离子键和氢键减弱，最终提高表观黏度和G′，降低紫外吸收峰值与凝胶白度。该研究从分子作用力和流变学角度阐明碳酸氢钠改善猪肌球蛋白凝胶性能的机制。

研究结论部分翻译：结果表明，添加碳酸氢钠显著提高了猪肌球蛋白溶液的pH，并诱导了显著的构象重排。这种结构变化表现为浊度和粒径降低，以及总巯基含量下降。同时，表面疏水性和活性巯基含量升高，反映部分展开后疏水结构域和反应性巯基残基暴露增强。这些变化共同增强了疏水相互作用并促进二硫键形成，同时削弱了肌球蛋白凝胶的离子键和氢键网络。因此，表观黏度和G′增加，紫外吸收峰值降低，凝胶白度下降。总之，添加碳酸氢钠改善了猪肌球蛋白的分子作用力和流变特性。