鱼皮胶原蛋白通过疏水相互作用驱动的网状结构形成来改善鸵鸟肌原纤维蛋白热凝胶

《Food Hydrocolloids》：Fish skin collagen improves ostrich myofibrillar protein heat-set gels through hydrophobic interaction-driven network formation

　　# 摘要- 鱼皮胶原蛋白（FSC）提升了低度利用的鸵鸟肌原纤维蛋白凝胶的品质。- 疏水相互作用而非共价键主导了FSC驱动的凝胶强化过程。- 热态模量并不等于最终凝胶质量；冷却过程中驱动的氢键形成才是决定因素。- 0.75%的FSC最优化了凝胶网络结构，但过量添加（1.0%）FSC会破坏凝胶连续性。- 在0.75% FSC添加量下，蛋白溶解度提高2.1倍，熟制率提升16.71%。# 引言世界卫生组织已将鸵鸟肉认定为21世纪的健康肉类产品，因其具有优异的营养特征，包括高蛋白含量、低肌内脂肪（<1%）、低胆固醇以及高比例不饱和脂肪酸（Arain et al., 2025）。然而，在热凝胶化过程中，鸵鸟肌原纤维蛋白（OMP）的凝胶形成表现往往不及禽类和猪肉肌原纤维蛋白，这表现为熟制损失增大以及加工产品质地粗糙（Fan et al., 2026; Zarasvand et al., 2012）。这一功能性缺陷的生化起源超越了通常用于描述低品质肉类蛋白的泛化形态学特征。组织化学表征表明，鸵鸟骨骼肌含有I型、IIA型和IIB型肌纤维，其胸大肌以氧化型暗红色为特征（Rosser & George, 1985），与鸡的糖酵解型白色胸大肌形成对比。采用差示扫描量热法（DSC）的对比研究表明，同一物种内白肌和红肌的热变性行为可表现出比不同物种之间更大的变异性（Xiong et al., 1987）。这表明，肌原纤维蛋白的热特性应在考虑纤维类型组成的前提下进行分析，而非仅依据整体形态。例如，鸡胸肌球蛋白在47°C、54°C、57°C和63°C经历协同吸热转变，在特定条件下（0.6 M NaCl，pH 6.5）约50°C开始发生聚集（Smyth et al., 1996）。鉴于鸵鸟以红肌为主，其肌球蛋白的热稳定性谱可能更接近哺乳动物红肌。此外，鸵鸟肉的最终pH值约为6.06，这与呈深色、质地紧实且干燥（DFD）的外观相关（Heinze et al., 1986）。尽管已知的牛肉、猪肉和鸡肉蛋白在加热过程中会发生巯基耗竭，但OMP巯基的氧化敏感性仍未得到探索。这一空白意义重大，因为这些蛋白的凝胶化特性对基于凝胶的肉类产品质量至关重要。因此，在分子水平上理解并调控OMP凝胶化对于提升鸵鸟肉加工和增值具有重要意义。热诱导凝胶化是一个肌原纤维蛋白分子经历热变性和展开，随后通过分子间力聚集形成三维网络的过程。大量研究表明，疏水相互作用是网络形成的主要驱动力。二硫键提供不可逆的共价交联以维持结构完整性，而氢键则在冷却过程中通过稳定二级结构和保留水分子来增强持水能力和机械强度（Lefèvre et al., 2008; Sun & Holley, 2010）。这种多力介导的机制为通过外源添加剂选择性地调控分子间相互作用来调节凝胶微观结构提供了明确的依据。近年来，在使用外源分子改善肌原纤维蛋白（MP）凝胶性能方面取得了显著进展。多酚类物质，包括绿原酸和槲皮素，通过增强疏水相互作用和氢键促进形成更致密、更均匀的蛋白网络。然而，其作用通常呈剂量依赖性，低浓度时增强凝胶形成，高浓度时则抑制凝胶形成（Cao et al., 2016; Jongberg et al., 2011）。多糖类物质，包括κ-卡拉胶、海藻酸钠和葡甘聚糖，通过静电相互作用、孔隙填充效应和氢键改善凝胶结构和持水性（Akbar & Mustari, 2024; Akbar et al., 2026; Liu et al., 2025; Verbeken et al., 2005）。蛋白质类添加剂，包括乳清蛋白、血浆蛋白、大豆蛋白和藜麦蛋白，能够与肌原纤维蛋白形成分子间交联或共聚集，从而改变MP二级结构并增加疏水相互作用和二硫键形成，最终产生更致密且均质的凝胶网络（Bai, Xi, et al., 2025; Cen et al., 2022; Fan et al., 2026; Zou et al., 2025）。然而，以往大多数研究集中于来源于奶类、血液或植物的蛋白。相比之下，关于水产胶原蛋白，尤其是鱼皮来源胶原蛋白对陆生动物肌原纤维蛋白凝胶形成影响及其机制的系统研究仍然有限。鱼皮胶原蛋白（FSC）以其高脯氨酸和羟脯氨酸含量为特征，其（Gly-X-Y）?重复序列赋予其规则的骨架几何结构。该结构有利于在部分展开的链上暴露有序的疏水斑块，使其能够对接到OMP肌球蛋白的螺旋卷曲尾部，这在猪肌原纤维蛋白-胶原蛋白复合系统中已得到证实（Doerscher et al., 2004）。羟脯氨酸的羟基通过氢键增强周围水化层，而吡咯烷环则促进疏水微区的形成。这种相互作用赋予了胶原蛋白结构独特的亲水-疏水平衡特性（Pezeshk et al., 2022; Zheng et al., 2024）。加热时，胶原蛋白三股螺旋部分展开，暴露出额外的疏水位点。这种结构变化使FSC能够通过氢键结合水分子和蛋白表面的极性基团，同时通过疏水相互作用与变性的肌原纤维蛋白（MP）多肽链交联（Chen et al., 2023）。尽管先前研究已探讨利用鱼明胶改善鱼糜凝胶品质的方法，但外源蛋白影响肌原纤维蛋白凝胶化的分子机制仍 largely 不清楚（Wang, Ma, et al., 2024）。因此，FSC独特的两亲性质在调控肌原纤维蛋白聚集动力学和凝胶网络形成方面具有相当大的潜力，且不会引发宏观相分离。基于上述分析，我们提出以下假设：在热凝胶化过程中，适量添加FSC通过氢键和疏水相互作用促进与展开的OMP进行适度交联。这种相互作用有效抑制了OMP的随机自聚集，同时促进了主要由疏水相互作用稳定的致密三维凝胶网络的形成，氢键则贡献于水化和结构稳定性。相反，过量FSC促进广泛的疏水聚集，破坏网络连续性，并显著损害凝胶性能。为验证此假设，本研究建立了含0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0% FSC（w/w）的FSC-OMP复合体系。我们系统表征了复合物的溶解度、粒径、表面疏水性、二级结构（包括定量FTIR酰胺I峰解卷积）以及分子间作用力。此外，我们还评估了复合凝胶的熟制率、持水性、质构、水分分布和流变学特性。这些分析用于阐明FSC调控OMP热诱导凝胶化的剂量依赖效应和分子机制，为鸵鸟肉及相关禽类蛋白的高级胶体加工提供理论基础和技术指导。# 章节摘要## 2 材料与方法### 2.1 材料鸵鸟肉取自中国河北省赞皇县一家农场饲养的健康12月龄非洲鸵鸟。背最长肌样本冰运至实验室，去除筋膜、脂肪和结缔组织。将肉切割成均匀块状，真空包装后于-20°C储存。生化试剂级的鱼皮胶原蛋白（FSC）和牛血清白蛋白（BSA）购自北京索莱宝科技有限公司（北京，中国）。### 3.1.1 蛋白溶解度蛋白溶解度是衡量蛋白分子聚集状态和分散稳定性的关键指标，直接影响热诱导过程中的蛋白交联效率及凝胶均质性（Chen et al., 2016; Zhang et al., 2017）。图1(A)显示了不同FSC添加量下复合蛋白体系中蛋白溶解度的变化。随FSC添加量增加，蛋白溶解度显著上升，随后略有下降。与对照组（KB）相比，……## 4 结论本研究制备了不同FSC添加量（0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%）的FSC-OMP复合凝胶，以考察FSC对OMP结构和凝胶化的影响。最优添加量为0.75% FSC，该浓度通过氢键和疏水相互作用增强了与OMP的结合，减少了无序聚集（温度扫描流变学中原肌球蛋白聚集峰降低即为证据），并形成了溶解度更高、表面疏水性更低的可溶性蛋白聚集体。在该添加量下，……## 5 CRediT作者贡献声明**Tieqiang Liang：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，监督指导，项目管理，调查研究，正式分析，数据整理，概念构思。**Ying Shu：** 可视化，验证，软件使用，资源获取，方法学设计，经费获取。# 利益冲突声明所有作者声明不存在利益冲突。# 致谢本研究得到了河北省现代农业产业技术体系羊产业创新团队产品加工与品牌岗位（HBCT2024250205）及河北省农业研究体系（HBCT2024270206）的资助。