不同姜（Zingiber officinale）品种的蛋白酶提取物的生化特性及其在肌纤维降解中的催化作用：对牛肉嫩度的影响

《Meat Science》：Biochemical properties of proteolytic extracts from different Zingiber officinale varieties and their catalytic role in myofibrillar degradation: Effect on beef tenderness

本研究比较了两种姜（Roscoe和var.rubrum）根部提取物对牛肉嫩化的蛋白酶活性及动力学特性。以azocasein为模型底物，发现Roscoe提取物在0.2g FW/mL浓度下催化效率最高（Vmax/Km=129.79），而var.rubrum提取物底物亲和力更强（Km=0.007mM）。进一步通过Biceps femoris肌肉纤维蛋白分析，ZR0.2在降解结构蛋白和促进肌肉解离方面优于商业蛋白酶（如木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶），显著提升肉品烹饪得率（>90%）和持水能力，同时保持pH稳定和红度增加（a*值升高）。感官评价证实ZR0.2处理显著改善肉品多汁性、嫩度和咀嚼感。研究证实ZR0.2姜提取液可作为多功能清洁标签嫩化剂，在提升牛肉品质方面具有应用潜力。

　　

作者：Liburdi Katia、Fabrizi Chiara、Onofri Chiara、Esti Marco

托斯卡纳大学农业与林业科学系（DAFNE），Via San Camillo de Lellis, snc, 01100 Viterbo, 意大利

摘要

本研究探讨了从两种姜（Zingiber officinale）品种Roscoe（ZR）和var. rubrum（Zr）的根茎中提取的粗酶提取物的蛋白水解活性及其嫩肉潜力，并在不同浓度下进行了测试。所有提取物的蛋白水解活性均以偶氮酪蛋白（azocasein）作为模型底物进行表征。在所有测试条件下，Z. officinale Roscoe提取物在提取比率为0.2 g_FW/mL（ZR_0.2）时表现出最高的催化效率（V_max/K_M = 129.79），而Zr提取物的转化率较低，但底物亲和力较高（K_M低至0.007 mM）。这些动力学结果有助于选择最佳的姜提取物及最适合的酶与底物比例以用于嫩肉处理。为了更好地理解其对肌肉组织的底物特异性和水解效率，进一步使用从Biceps femoris肌肉中分离出的肌原纤维蛋白评估了所选提取物（ZR_0.2）的蛋白水解动力学。结果表明，ZR_0.2的活性优于商业蛋白酶（木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶），能够更有效地降解结构蛋白并提高肌原纤维的破碎程度。牛肉块的腌制实验也证实了这些结果，显示出烹饪出品率（>90%）和保水能力等技术参数的显著改善，同时保持了pH稳定性。颜色分析显示，处理过的样品（无论是生的还是煮熟的）红色度（a*值）更高，这表明可能具有抗氧化作用。感官评价也证实，ZR_0.2处理的肉更加嫩滑、多汁且富有嚼劲。总体而言，这些发现支持使用Z. officinale提取物，特别是ZR_0.2，作为清洁标签肉类嫩化处理的选择性多功能试剂，具有提升牛肉品质和价值的潜力。

引言

酶在现代食品工业中至关重要，能够提高加工效率并实现理想的感官品质。其中，蛋白酶（EC 3.4）尤为重要，因为它们能够水解肽键，从而实现蛋白质的定向修饰。这类酶占全球酶使用量的约60%，占总销售额的近40%（Gurumallesh, Alagu, Ramakrishnan, & Muthusamy, 2019; Muthulakshmi et al., 2011）。它们在食品行业的广泛应用尤其是在肉类加工中尤为明显，通过分解肌肉纤维和结缔组织蛋白来改善肉质和风味（Guo & Greaser, 2022）。

由于植物来源的酶具有天然特性、高特异性以及与饮食和文化偏好的兼容性，因此受到了越来越多的关注。传统上，这些酶（如木瓜蛋白酶（Carica papaya L.）、菠萝蛋白酶（Ananas comosus L.）、无花果蛋白酶（Ficus carica L.）、猕猴桃蛋白酶（Actinidia chinensis var. deliciosa, A.Chev.）和姜蛋白酶（Z. officinale Roscoe）常通过腌料或直接接触肉类的方式用于自然嫩化（Anaduaka, Chibuogwu, Ezugwu, & Ezeorba, 2023; Mohd Azmi et al., 2023）。

特别是来自Z. officinale的姜蛋白酶（EC3.4.22.67）引起了越来越多的科学关注。作为一种半胱氨酸内肽酶，姜蛋白酶对肌原纤维和结缔组织蛋白具有很高的活性和特异性（Ha, Bekhit, Carne, & Hopkins, 2012）。利用分离出的肌原纤维进行的研究有助于揭示其催化性能，包括底物亲和力和在受控条件下的水解机制（Cruz, Panno, Giannotti, de Carvalho, & Roberto, 2020; Naveena, Mendiratta, & Anjaneyulu, 2004; Shaukat, Nazir, & Fallico, 2023）。

最近的研究（Mohd Azmi et al., 2023; Moon, 2018）证实了姜蛋白酶能够分解肌动蛋白、肌球蛋白和胶原蛋白等关键结构蛋白，从而提高肉质而不影响感官特性。此外，还研究了姜蛋白酶活性的最佳条件（包括pH值、温度和孵育时间），以增强其在嫩肉处理中的效果（Ha et al., 2012; Nafi’, Ling, Bakar, & Ghazali, 2014）。

目前尚未充分探索姜蛋白酶对肌原纤维蛋白组分的特异性以及不同姜品种间蛋白酶的比较。提取方法和在肉类底物上的功能评估仍有很大的优化空间。

本研究旨在开发一种从两种姜品种Z. officinale Roscoe和Z. officinale var. rubrum中提取蛋白酶的有效方法。主要目的是评估这些提取物的酶活性，特别是它们水解肌原纤维牛肉蛋白的能力。此外，还通过物理化学、结构和感官分析相结合的方法，评估了姜蛋白酶在提高肉质方面的效果。

实验部分

肉类

实验中使用的Biceps femoris肌肉（n = 12块）来自托斯卡纳地区的六至七岁Maremmana肉牛，该品种以耐寒性和独特的灰色毛色著称。样品被放置在聚乙烯袋中，并在4°C下储存24小时。冷却期结束后，将肌肉取出，切成约3 cm³的小块，随机分配到不同的实验组中。

植物材料

来自两种姜品种的根茎

蛋白水解活性：动力学参数、最佳pH值和温度

使用偶氮酪蛋白（AzC）作为底物，评估了Z. officinale粗酶提取物的蛋白水解活性。动力学分析显示，只有ZR提取物遵循典型的Michaelis-Menten动力学模型，在所有底物浓度下均呈现特征性的双曲线饱和曲线（图1）。相比之下，Zr提取物迅速达到底物饱和，未显示出明显的双曲线趋势。

讨论

本研究初步但全面地评估了植物来源酶提取物的蛋白水解潜力及其在食品加工中的应用前景。虽然分析的样本数量（n = 12个，每个处理有三次重复）相对较少，但该初步研究的设计仍具有一定的合理性。

结论

研究结果表明，从Z. officinale Roscoe（ZR_0.2）中提取的粗酶提取物具有显著的蛋白水解活性和功能性潜力，适用于食品加工。使用偶氮酪蛋白进行的动力学分析显示其具有较高的催化效率（V_max/K_M），最佳活性范围为pH 5.0–7.0，并且在65°C下仍保持热稳定性，这表明其适合用于食品级应用。

当应用于

CRediT作者贡献声明

Liburdi Katia：监督、资源准备、概念构思、撰写及审稿编辑、初稿撰写。 Fabrizi Chiara：验证、方法学设计、实验研究、数据分析、初稿撰写。 Onofri Chiara：方法学设计、实验研究、数据分析、初稿撰写。 Esti Marco：验证、监督、概念构思。

知情同意声明

参与感官评估的参与者在参与前均提供了书面知情同意书。本研究未涉及任何侵入性程序或健康相关数据的收集，因此根据机构政策无需伦理批准。所有数据均经过匿名处理，参与者完全自愿参与。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。