《Food Chemistry》：Synergistic modulation of low-salt myofibrillar protein gelation by ultrasound and transglutaminase: Contributions of intermolecular interactions and the filling effect
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超声波与微生物转谷氨酰胺协同增强低盐牛肉肌原纤维蛋白凝胶的结构与功能，分子动力学模拟和接触映射分析揭示疏水相互作用和氢键主导凝胶网络稳定性，超声促进残基暴露和网络重组。
孙颖|刘晨|李松林|齐文|张彦琳媛|聂梅香|隋晓楠|江连洲
哈尔滨商业大学旅游与烹饪学院，中国哈尔滨150028
摘要
本研究阐明了超声波（UT）和微生物转谷氨酰胺酶（TG）在调节低盐牛肉肌纤维蛋白（MPs）凝胶化过程中的协同机制。系统分析了UT功率和TG浓度对MP凝胶的流变学、质地和结构特性的影响。添加TG（0.3%）有效地促进了MP分子之间的共价交联，提高了粘度、粘弹性和凝胶质量。中等强度的UT（240–360 W）与TG（0.3%）结合使用可产生具有优异机械强度和结构均匀性的凝胶，而过高的UT（480–600 W）则会导致过度剪切和网络破坏。分子相互作用分析表明，疏水力和氢键力是稳定凝胶网络的主要因素。分子动力学模拟和接触映射证实，UT促进了残基的暴露和界面重组，形成了新的稳定相互作用。这些结果表明，疏水力和氢键网络的重组是UT-TG协同作用的基础，改善了低盐蛋白凝胶的结构和功能。
引言
肌纤维蛋白（MPs）占肌肉总蛋白质的一半以上，在加热过程中通过其凝胶形成能力对肉制品的质地、持水能力和结构完整性起着关键作用（Singh等人，2020年）。作为盐溶性蛋白质，MPs需要相对较高的NaCl浓度（0.3–1.0 M）才能充分溶解并解离成纤维，从而在热处理后形成三维凝胶基质（Fu等人，2022年）。然而，高钠摄入量与心血管疾病、高血压和代谢紊乱密切相关（Citterio等人，2020年），因此迫切需要开发不牺牲功能和感官质量的低钠肉凝胶。因此，在降低盐含量的同时保持凝胶性能的技术策略已成为肉类科学和食品胶体研究的核心挑战。
为了解决这一挑战，提出了多种减盐策略。使用功能性多糖、酵母提取物和胶体可以部分替代NaCl，改善肉基质的持水性和粘弹性（Wu等人，2024年）。同时，物理改性技术如超声波和高压处理在低盐条件下显示出提高蛋白质溶解度和分子间相互作用的前景（Gao等人，2023年）。
在这些方法中，超声波处理（UT）会产生局部空化和剪切力，部分展开蛋白质结构，从而暴露疏水基团和活性巯基团，促进后续聚集或酶促修饰。同时，微生物转谷氨酰胺酶（TGase）催化谷氨酰胺残基的γ-羧酰胺基团与赖氨酸残基的ε-氨基团之间的酰基转移反应，形成非二硫键共价ε-(γ-谷氨酰)赖氨酸交联，增强蛋白质网络并提高凝胶弹性和持水能力（Hu等人，2018年）。先前的研究表明，超声波预处理显著增强了TGase诱导的各种蛋白质系统的凝胶化。480 W超声波处理20分钟显著改善了TGase（0.8 g/100 g）介导的扇贝蛋白凝胶化（Feng等人，2022年），而中等强度超声波（20 kHz，500 W）改变了乳清蛋白的构象，增加了其对TGase交联的敏感性（Ahmadi等人，2017年）。然而，超声波和TGase协同增强低盐肌纤维蛋白凝胶化的分子级机制仍不清楚。特别是，超声波和TGase协同作用的分子级机制尚不明确，尤其是超声波处理对低盐肌纤维蛋白系统中TGase底物识别和交联界面动态的影响，在文献中尚未有报道。
因此，本研究旨在阐明超声波和TGase在低盐牛肉肌纤维蛋白（MP）系统的改性和凝胶化过程中的协同机制。具体来说，我们试图：（1）在不同UT功率和TGase浓度下表征MP凝胶的聚集行为、流变响应和微观结构演变；（2）利用分子动力学（MD）模拟和Arpeggio定量接触映射揭示分子相互作用和交联途径。通过将实验表征与计算建模相结合，本研究提供了关于超声波如何重塑TGase介导的交联和网络形成的机制洞察，为开发具有优化质地和结构性能的稳定低钠肉凝胶提供了潜在策略。
材料
新鲜牛肉从中国哈尔滨的当地超市购买。TGase购自河南中辰生物科技有限公司（河南）。本研究中使用的所有分析级（AR）试剂均来自天津天利化学试剂有限公司（天津）。
肌纤维蛋白的提取
根据Hu等人（2022年）的方法提取牛肉中的肌纤维蛋白，并进行了少量修改。在处理前，从牛肉样品中去除可见脂肪和结缔组织。
内在荧光分析
蛋白质中的氨基酸残基对其局部微环境非常敏感，因此常被用作监测构象变化的探针（Guo等人，2021年）。如图1A（1）所示，与对照组相比，低盐MP经过TG处理后荧光强度降低。这种降低表明TG促进了MP的部分展开，使酪氨酸残基暴露在极性水环境中，从而导致荧光增强
结论
本研究证明，超声波处理可以协同增强TG修饰的MP凝胶的性能，360 W和0.3% TG的组合效果最佳。分子间相互作用分析表明，非共价相互作用——主要是离子键、氢键和疏水相互作用是凝胶网络稳定性的主要驱动力。分子动力学模拟和Arpeggio定量分析以及二维相互作用分析进一步证实了这一点
CRediT作者贡献声明
孙颖：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。刘晨：可视化，形式分析，数据管理，概念化。李松林：验证，研究。齐文：撰写 – 原初草稿，可视化。张彦琳媛：验证，软件，资源。聂梅香：验证，方法学，研究。隋晓楠：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源。江连洲：监督。
未引用的参考文献
Chan, Gill和Paulson, 1992
Chen等人，2020
Chen等人，2020
Chen等人，2020
Gaspar和De Góes-Favoni, 2015
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（32372386）的支持。
