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新疆褐牛不同部位肉宰后成熟過程中蛋白降解變化研究

2018-05-31 03:35:50豐永紅王勇峰李海鵬張松山萬紅兵孫寶忠
農業機械學報 2018年5期

豐永紅 王勇峰 李海鵬 張松山 萬紅兵 孫寶忠

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所, 北京 100193)

0 引言

新疆褐牛是新疆農牧區黃牛改良的主推品種,主要分布在伊犁、塔城、阿勒泰、石河子、昌吉、烏魯木齊、阿克蘇等地區,西北地區部分省市也有少量引進與繁育[1]。新疆褐牛肉膽固醇含量低、肌纖維細嫩、肥瘦適度、鮮美細嫩,不僅具有較好的食用品質[2-4],而且富含不飽和脂肪酸、磷脂、鈣、鐵、鋅、鉀等,營養價值較高[5]。目前對新疆褐牛的研究以品種改良居多,食用品質方面也有少量研究,而關于新疆褐牛肉品質的形成機理研究未見報道。

在牛肉的品質特性中,最重要的是嫩度,宰后肌肉嫩度的形成過程與宰后早期代謝和肌原纖維蛋白的降解有關。肌原纖維蛋白支撐著肌纖維的形狀,也被稱為結構蛋白,主要包括肌球蛋白、肌動蛋白、肌動球蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白等[6]。肌球蛋白、肌動蛋白和肌鈣蛋白等都與肌肉收縮有關,結構蛋白直接影響宰后肉的嫩度、保水性和肉色等品質[7]。有研究表明,不同部位肉肌纖維類型組成導致的肌內能量和代謝水平差異,會通過調控肌內蛋白酶系的活力釋放,從而對宰后嫩度形成產生影響[8],但目前關于肌纖維類型如何影響嫩度仍然存在爭議。因此深入研究新疆褐牛不同部位肉宰后成熟過程中蛋白降解變化,探討肉質形成機理,有助于新疆褐牛牛肉的開發進而實現新疆農牧區經濟增值。

課題組前期對新疆褐牛的7個部位肉進行了肌纖維類型的研究,本文在此基礎上,從7個部位肉中分別選?、裥图±w維數量較多的腰大肌、ⅡA型肌纖維數量較多的背最長肌和ⅡB型肌纖維數量較多的股二頭肌為試驗對象,研究肌纖維類型對成熟過程中蛋白溶解度、肌原纖維超微結構、肌原纖維小片化指數(Myofibril fragmentation index,MFI)及肌原纖維蛋白降解變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛肉樣品取自新疆伊寧縣伊新牛羊養殖專業合作社。選取6頭30月齡新疆褐牛公牛(活體質量為(566±32) kg),屠宰后立即分割取左半胴體的腰大肌、背最長肌和股二頭肌,各指標取樣檢測時間點分別在宰后的1 h、6 h、12 h、1 d、3 d、7 d和14 d,取樣前樣品真空包裝后置于4℃冰箱中成熟,取樣后先用液氮迅速冷卻,然后轉移到-80℃超低溫冰箱內待檢。

試驗試劑:甲醇、乙醇、丙酮、高氯酸、戊二醛、醋酸鈾、硝酸鉛、鋨酸、胰蛋白酶、牛血清白蛋白BSA標準品;SDS- PAGE電泳緩沖液(10)含三羥甲基氨基甲烷(Tris)30.3 g、甘氨酸144 g、十二烷基硫酸鈉(SDS) 10 g,加蒸餾水定容至1 L,4℃保存;12%分離膠(蒸餾水3.35 mL,1.5 mol/L Tris- HCl(pH值8.8)2.5 mL,10%SDS 100μL,30%Acr- Bis(丙烯酰胺- 甲叉丙烯酰胺)4mL,TEMED(四甲基乙二胺)5 μL,10%過硫酸銨50 μL);4%濃縮膠(蒸餾水6.1 mL,0.5 mol/L Tris- HCl(pH值6.8)2.5 mL,10%SDS 100μL,30%Acr- Bis 1.3 mL,TEMED 10 μL,10%過硫酸銨50 μL)。以上試劑除胰蛋白酶和牛血清白蛋白標準品為BR級外其他均為AR級。

1.2 試驗儀器

FJ200- S型高速均質機(北京維欣儀奧科技有限公司);LG10- 24A型高速離心機(北京京立離心機有限公司);XS105型電子天平(梅特勒- 托利多儀器有限公司);H- 7500型透射電子顯微鏡(日本日立公司);DYCZ- 24EN型雙垂直電泳儀(北京六一儀器廠);H721型可見分光光度計(天津普瑞斯儀器有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1蛋白溶解度

參照文獻[9]的方法測定。肌漿蛋白溶解度:準確稱取1.0 g切碎的肉樣,加入10 mL濃度為0.025 mol/L預冷的磷酸鉀緩沖液(pH值7.2),在冰浴下勻漿3次,每次20 s。4℃搖動抽提12 h,然后離心(1 500g,20 min),上清液用雙縮脲法測定蛋白濃度,即為肌漿蛋白溶解度,單位用mg/g表示。

總可溶性蛋白溶解度:準確稱取1.0 g切碎的肉樣,加20 mL含1.1 mol/L碘化鉀0.1 mol/L預冷的磷酸鉀緩沖液(pH值7.2),冰浴下勻漿3次,每次20 s。4℃搖動抽提12 h,然后離心(1 500g,20 min),上清液用雙縮脲法測定蛋白濃度,即為總可溶性蛋白溶解度,單位mg/g。

肌原纖維蛋白溶解度為總蛋白溶解度與肌漿蛋白溶解度的差值。

1.3.2肌原纖維小片化指數

參照文獻[10]的測定方法:取腰大肌、背最長肌和股二頭肌宰后1 h、6 h、12 h、1 d、3 d、7 d和14 d的肉樣各適量,去除可見脂肪后精確稱取2 g,加入20 mL預冷到2℃的MFI緩沖液(含100 mmol/L KCl、11.2 mmol/L K2HPO4、8.8 mmol/L KH2PO4、1 mmol/L乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA)、1 mmol/L MgCl2和1 mmol/L NaN3),于勻漿器中高速勻漿3次,每次20 s,中間間隔1 min。勻漿液在4℃條件下10 000 r/min離心15 min,棄去上清液。沉淀中加入20 mL緩沖液重新勻漿,再離心棄去上清液。沉淀中加入5 mL緩沖液進行勻漿,用200目尼龍篩網過濾該懸濁液,去除結締組織,再用5倍體積的緩沖液洗離心管并過濾,合并濾液,即為肌原纖維蛋白溶液。所得的肌原纖維蛋白懸濁液用雙縮脲法測定其蛋白含量,然后用MFI緩沖液將其質量濃度調整至0.5 mg/mL,在540 nm下測定其吸光度,所得數值乘以200,即為肌原纖維小片化指數(MFI)。

1.3.3透射電鏡觀察肌肉微觀結構

參照文獻[11]的方法并稍作修改。取宰后1 h、1 d、3 d、7 d和14 d的樣品,用手術刀片切成3 mm×1 mm×1 mm小條,用戊二醛固定液將肌肉組織固定4 h以上。然后經過以下程序處理:

(1)樣品的沖洗、固定、脫水、置換和浸透:戊二醛固定后,用0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(pH 值7.4)沖洗2 h。倒凈清洗液,在通風處中,快速將1%鋨酸倒至離心管至沒過樣品,并立刻蓋好蓋。輕輕振動樣品,使樣品固定充分,固定2 h。然后用一系列濃度的乙醇溶液梯度脫水,每一梯度間隔6 min。無水乙醇脫水后,用無水丙酮置換6次,每次3 min,室溫(20℃)進行。然后用丙酮與樹脂質量比2∶1配制的混合浸透液在35℃恒溫箱中浸透2 h。用包埋液在35℃恒溫箱中浸透12 h。

(2)包埋:在2 mm×4 mm的硫酸紙上寫標簽(需標明簡單的樣品名稱及組織塊號數)。把標簽擺在包埋孔中,置于60℃干燥箱加熱15 min后,取出后放置于40℃的恒溫箱待用。然后在40℃恒溫箱中包埋。

(3)聚合:樣品包埋完后,放入干燥箱進行聚合,聚合溫度和時間為:37℃、12 h;45℃、12 h;60℃、48 h。

(4)修整組織塊:將包埋塊夾在樣品夾頭上,用單面刀片把包埋塊的樣品處修成四面錐體。然后在解剖鏡下,用雙面刀片把包埋塊頂部修成光滑的平面。

(5)切片與染色:用Leica UC6型超薄切片機進行切片,再用醋酸鈾染液和檸檬酸鉛染液進行染色。最后,使用日立H- 7500型透射電子顯微鏡觀察和拍照。

(6)肌節長度采用Image pro plus軟件測定,每個樣本至少選取7個視野下60根肌纖維。

1.3.4SDS- PAGE凝膠電泳

參照文獻[12]的方法并進行部分修改。取宰后1 h、6 h、12 h、1 d、3 d、7 d和14 d時間點的肉樣0.4 g(去除筋腱和結締組織),加入4 mL SDS- PBS提取緩沖液(2%SDS,10 mmol/mL Na3PO4,pH值 7.0),高速勻漿,8 000 r/min離心5 min,沉淀用2 mL SDS- PBS溶解,用雙縮脲法測定蛋白濃度,用提取液稀釋,使蛋白終質量濃度約為3 mg/mL,待用。將蛋白提取液和5倍樣品緩沖液以體積比4∶1比例混合,沸水中煮沸5 min,上樣量為20 μL。起始電壓為70 V,開始電泳,染料進入分離膠后,電壓變為120 V。

1.4 數據處理與統計分析

采用SPSS 20.0及 Microsoft Excel 2010軟件對試驗數據進行統計分析,結果以平均值±標準差表示;對各項指標進行Duncan’s分析,采用SPSS皮爾遜(Pearson)法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 宰后成熟過程中蛋白溶解度變化

宰后肌肉蛋白質的溶解性,尤其是肌漿蛋白的溶解性關系到肉的持水性和肉的質地,較高的肌漿蛋白溶解性對肉的成熟和品質有積極作用,因為肌漿蛋白中的肌紅蛋白、磷酸化酶、肌酸激酶及其他代謝活性物質,在宰后肉品成熟、食用品質形成中發揮重要功能[13]。

2.1.1總蛋白溶解度

宰后成熟過程中3個部位肉總蛋白溶解度變化見表1,在宰后1 h到6 h,3種肌肉的總蛋白溶解度均呈升高趨勢;6 h到14 d內,3種部位肉的總蛋白溶解度在整體上均呈先下降后上升的趨勢;腰大肌和股二頭肌在12 h溶解度最小,背最長肌在1 d溶解度最?。怀嗽缀? d,其他時間點3個部位之間均存在顯著性差異(p<0.05)。宰后成熟過程中各部位肉pH值的變化對蛋白質溶解度有一定影響,同時3個部位肉之間總蛋白質溶解度的差異與各部位肉蛋白質組成特點差異有關。在14 d的成熟期內,背最長肌(ⅡA型肌纖維含量較高)的總蛋白溶解度高于腰大肌(Ⅰ型肌纖維含量較高)和股二頭肌(ⅡB型肌纖維含量較高),腰大肌又高于股二頭肌。有學者研究發現,豬肌肉中氧化型纖維比酵解型纖維具有相對較高的蛋白質溶解度[14],與本文結果一致。

表1 成熟過程中腰大肌、背最長肌和股二頭肌總蛋白溶解度Tab.1 Total protein solubility of PM, LD and BFduring postmortem aging mg/g

注:大寫字母代表各時間點不同部位肉之間的差異,小寫字母代表各部位肉不同時間之間的差異,下同。

2.1.2肌漿蛋白溶解度

宰后成熟過程中3個部位肉肌漿蛋白溶解度變化見表2。肌漿蛋白溶解度隨著成熟時間的延長呈下降的趨勢,背最長肌在1 h到7 d內的肌漿蛋白溶解度無顯著性差異,14 d時顯著降低;腰大肌除1 d時肌漿蛋白溶解度顯著低于其他時間點,其他時間點之間無顯著差異;股二頭肌的肌漿蛋白溶解度在整個成熟過程中整體呈下降趨勢但波動較大。這說明影響肌漿蛋白溶解度的因素可能比較復雜。宰后12 h、7 d、14 d,3個部位的肌漿蛋白溶解度不存在顯著性差異(p>0.05);在14 d的成熟期內,背最長肌的肌漿蛋白溶解度高于腰大肌和股二頭肌,可能預示著背最長肌在宰后成熟及品質形成方面,比腰大肌和股二頭肌更有優勢。

表2 成熟過程中腰大肌、股二頭肌和背最長肌肌漿蛋白溶解度Tab.2 Sacoplasma protein solubility of PM, LD and BFduring postmortem aging mg/g

2.1.3肌原纖維蛋白溶解度

宰后成熟過程中3個部位肉肌原纖維蛋白溶解度變化見表3,肌原纖維蛋白溶解度的變化和總可溶蛋白溶解度相似,6 h內各部位肉肌原纖維蛋白溶解度有所升高,6 h后腰大肌和背最長肌肌原纖維蛋白溶解度隨著成熟時間呈先下降后上升的趨勢,而股二頭肌肌原纖維蛋白溶解度隨著成熟時間呈波動上升趨勢。腰大肌和股二頭肌在12 h肌原纖維蛋白溶解度最小,背最長肌在1 d肌原纖維蛋白溶解度最小,宰后6 h、12 h、7 d和14 d,3個部位的肌原纖維蛋白溶解度沒有顯著性差異(p>0.05)。說明3個部位肉肌原纖維蛋白的降解速度在7 d之內存在差異,7 d之后差異不大。

表3 成熟過程中腰大肌、股二頭肌和背最長肌肌原纖維蛋白溶解度Tab.3 Myofibril protein solubility of PM, LD and BFduring postmortem aging mg/g

2.2 宰后成熟過程中MFI變化

肌原纖維斷裂成小片段的現象是導致肌肉自溶和肉質變嫩的直接原因,所以MFI被認為是衡量肉嫩度的重要指標[15]。MFI可以反映肌細胞內部肌原纖維及骨架蛋白完整的程度,MFI 越大,肌原纖維內部結構完整性受到破壞的程度越大,肌肉成熟度越高。

宰后成熟過程中3個部位肉的MFI變化見表4;隨著成熟時間的延長,MFI值逐漸增加,說明肌原纖維裂解程度逐漸變大。宰后14 d時,MFI增加率從大到小依次為股二頭肌(82.04%)、背最長肌(70.37%)、腰大肌(65.84%),表明宰后快收縮型肌纖維(Ⅱ型)比慢收縮型肌纖維(Ⅰ型)蛋白降解速率更快,這與文獻[16]的研究結論一致。宰后14 d成熟期內各時間點3個部位的MFI值均存在顯著性差異(p<0.05),并且腰大肌的MFI值顯著高于背最長肌和股二頭肌(p<0.05)。這可能也是腰大肌的初始嫩度比背最長肌和股二頭肌高的原因之一。

表4 成熟過程中腰大肌、背最長肌和股二頭肌肌原纖維小片化指數變化Tab.4 Myofibril fragmentation index of PM, LD and BFduring postmortem aging

2.3 宰后成熟過程中肌纖維超微結構變化

超微結構能夠直接觀察到宰后成熟過程中肌原纖維的形態變化,宰后成熟過程中新疆褐牛肉3個部位的肌纖維超微結構變化見圖1。宰后1 h時,3個部位的肌原纖維結構清晰可見,肌原纖維緊密相連,亮帶、暗帶、M線、Z線和H區完整,未發現斷裂現象。腰大肌的肌節長度(2.47 μm)最長,并且顯著高于背最長肌(1.55 μm)和股二頭肌(1.52 μm),股二頭肌的肌節長度最短。宰后成熟1 d,肌纖維的排列被破壞,腰大肌、背最長肌和股二頭肌的肌原纖維均出現少量降解現象,其中腰大肌主要是亮帶的降解,Z線也發生輕微斷裂;股二頭肌的Z線、M線以及亮帶區域均出現少量斷裂;而背最長肌主要是M線的斷裂;宰后1 d ,腰大肌的肌節長度增加;股二頭肌和背最長肌的肌節長度明顯收縮。

圖1 成熟過程中腰大肌、背最長肌和股二頭肌纖維超微結構變化Fig.1 Variation of myofibrous ultrastructure of PM, LD and BF during postmortem aging

宰后3 d,腰大肌、背最長肌和股二頭肌的肌原纖維進一步發生降解,背最長肌降解最顯著,開始出現幾個相連肌節被降解的現象,Z線降解較為嚴重,有些肌原纖維被溶解。宰后7 d,肌原纖維降解更加明顯,腰大肌和股二頭肌也出現幾個相連肌節被降解的現象,背最長肌的肌原纖維開始出現更大面積的溶解,Z線幾乎完全降解。宰后14 d時,3個部位的肌原纖維繼續降解,發生大面積的破壞、溶解,出現了大量肌原纖維小片。綜上,3個部位的肌原纖維降解速率為背最長肌大于股二頭肌,股二頭肌大于腰大肌。這主要是因為快收縮型纖維(Ⅱ型肌纖維)的Z線比慢收縮型纖維(Ⅰ型肌纖維)要窄,并且組成快收縮型纖維Z線的蛋白降解速率更快[8,17]。

2.4 宰后成熟過程中肌原纖維蛋白降解變化

宰后牛肉在延遲冷卻成熟過程中,加速糖酵解,加快肌原纖維蛋白和結締組織蛋白的水解,從而改善牛肉的嫩度[18]。新疆褐牛3個部位肉宰后成熟過程中肌原纖維蛋白降解變化見圖2,腰大肌、背最長肌和股二頭肌的蛋白條帶均發生了降解,但降解程度存在差異。隨著成熟時間的延長,3個部位肉肌球蛋白重鏈(MyHC)條帶均逐漸變淺。

圖2 腰大肌、股二頭肌和背最長肌SDS- PAGE電泳圖Fig.2 SDS- PAGE photographs of PM, LD and BF during postmortem aging

肌鈣蛋白- T的分子量為35 kDa,成熟過程中會降解為30 kDa和28 kDa的降解產物,一些專家認為肌鈣蛋白- T的降解是宰后蛋白水解的指示劑,并與牛肉嫩度形成相關[19-20]。宰后1 h時,背最長肌的肌鈣蛋白- T濃度明顯高于腰大肌和股二頭肌,背最長肌和股二頭肌的肌鈣蛋白- T在宰后1 h就發生了降解,有30 kDa和28 kDa的降解片段出現,并且30 kDa和28 kDa條帶的濃度隨著宰后成熟時間的延長逐漸增大。腰大肌的肌鈣蛋白- T在宰后1 h略微發生降解,隨著宰后成熟時間的延長,腰大肌的30 kDa降解片段在7 d達到最大濃度并在宰后14 d濃度略微下降。結果表明,肌鈣蛋白- T含量和降解程度受肌肉部位的影響,ⅡB型肌纖維含量較高的股二頭肌和ⅡA型肌纖維含量較高的背最長肌的肌鈣蛋白- T降解速率要快于Ⅰ型肌纖維含量較高的腰大肌。這與文獻[21]對中國西門塔爾牛背最長肌和腰大肌的研究一致。

肌間線蛋白對保持肌肉細胞結構完整性有重要作用,其降解對宰后成熟嫩度的形成非常重要[22],新疆褐牛肉腰大肌、股二頭肌和背最長肌的肌間線蛋白(54 kDa蛋白條帶)含量差異較大,降解方式也不同,背最長肌在宰后1 h即出現50 kDa和47 kDa的降解條帶;腰大肌和股二頭肌在宰后1 h也出現50 kDa降解條帶,但成熟過程中未檢測到47 kDa的降解條帶。由此,ⅡA型肌纖維含量較高的背最長肌的肌間線蛋白降解速率快于Ⅰ型肌纖維含量較高的腰大肌。

從SDS- PAGE電泳結果可以看出,肌鈣蛋白- T和肌間線蛋白的含量和降解方式均受部位的影響,而降解速度上,Ⅱ型肌纖維含量高的比Ⅰ型肌纖維含量高的降解快,這與本研究中對超微結構的觀察結果相一致。文獻[21]對中國西門塔爾牛背最長肌和腰大肌的肌間線蛋白研究結果為腰大肌的肌間線蛋白降解速率要快于背最長肌,與本研究得出的結論不同,這可能與品種、宰后pH值變化及肌肉特性等有關。

2.5 各指標與肌纖維數量相關性分析

新疆褐牛腰大肌、背最長肌和股二頭肌的MFI、肌原纖維蛋白溶解度和總蛋白溶解度與I、ⅡA和ⅡB型肌纖維數量相關性分析見表5,由表可知,MFI初始值與I型肌纖維極顯著正相關(p<0.01),與ⅡB型肌纖維極顯著負相關(p<0.01);而MFI變化率與I型肌纖維極顯著負相關(p<0.01),與ⅡB型肌纖維極顯著正相關(p<0.01)。即I型肌纖維含量越高,MFI初始值越大,但小片化速度越慢,ⅡB型肌纖維與此相反。因此對新疆褐牛來說,ⅡB型肌纖維含量越高,宰后成熟過程中牛肉嫩化速度越快。文獻[23]研究牦牛時發現,MFI初始值、變化率均與Ⅰ型肌纖維正相關,與ⅡB型肌纖維極顯著負相關,與本研究得出的規律不一致,這說明影響肌纖維類型與肌原纖維小片化關系的因素較復雜,可能與牛的品種、所取肌肉部位、宰前處理、宰后成熟等多種因素有關。

表5 各指標與肌纖維類型相關性分析Tab.5 Correlation analysis among muscle fiber typeand other index in PM, LD and BF

注:** 表示相關性極顯著(p<0.01),*表示相關性顯著(p<0.05)。

肌原纖維蛋白溶解度初始值與ⅡA型肌纖維顯著正相關(p<0.05);總蛋白溶解度初始值與ⅡA型肌纖維極顯著正相關(p<0.01);總蛋白溶解度變化率與ⅡA型肌纖維極顯著負相關(p<0.01)。有理論認為紅肌纖維(氧化型)比白肌纖維(酵解型)含有更寬的Z帶,有利于其克服結構上的障礙和阻力表現出溶解狀態[23];而在本研究中,I型肌纖維含量高的腰大肌比ⅡA型肌纖維含量高的背最長肌的初始蛋白溶解度低,并不符合該理論,這說明影響蛋白溶解度的因素可能比較復雜。文獻[13]研究得出,肌肉氧化型及中間型纖維比例與蛋白質溶解度存在正相關,其中的機理可能與肌球蛋白組成、抗氧化變性能力有關。

3 結論

(1)較高ⅡA型肌纖維含量的新疆褐牛肉在宰后初期蛋白質溶解度較高,但宰后成熟過程中蛋白質溶解度的升高速度相對較慢。

(2)I型肌纖維比例越高、ⅡB型肌纖維比例越低,則初始MFI越大,肌原纖維蛋白降解的速度越慢;肌纖維類型對MFI的影響極其顯著,腰大肌的MFI在成熟過程中始終高于背最長肌和股二頭肌。

(3)超微結構研究結果顯示,腰大肌的肌節長度最長,肌纖維結構降解速度最慢,這與MFI變化規律相吻合。

(4)肌鈣蛋白- T含量和降解受肌纖維類型的影響,ⅡB型肌纖維含量較高的股二頭肌和ⅡA型肌纖維含量較高的背最長肌的肌鈣蛋白- T降解速率要快于Ⅰ型肌纖維含量較高的腰大?。患¢g線蛋白(54 kDa蛋白條帶)含量差異較大,降解方式也不同,ⅡA型肌纖維含量較高的背最長肌的肌間線蛋白降解速率快于Ⅰ型肌纖維含量較高的腰大肌。這一結論驗證了宰后成熟過程中MFI和超微結構的變化規律。

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