高密度CO2诱导凡纳滨对虾肌球蛋白自组装规律和机制

Dense phase carbon dioxide (DPCD) is a non-thermal processing technology, mainly used in sterilization and enzyme inactivation of food. Recent studies have found that DPCD can induce protein self-assembly to form gel and the qualities of gel are superior to that induced by heat. However, effects of DPCD on protein were studied mainly from the sterilization and enzyme inactivation point. The content of myosin was the highest in the muscle, the main functional property of which is gelation. Gel property affects not only the quality of meat products but also yield. The aims of the project are as follows: (1) myosin from Litopenaeus vannamei muscle is treated by DPCD, physical characteristics, intermolecular forces, the secondary structures of which are determined, dynamics models are established and self-assembled rules are analyzed. (2) The interaction model and molecular dynamics between DPCD and myosin are studied by bioinformatics and molecular modeling method. (3) the correlations among intermolecular forces, the secondary structures and gel properties are analyzed. The self-assembly mechanism of myosin induced by DPCD is expounded from the intermolecular forces and molecular structure point. The control measures of myosin self-assembly are put forward. The studied results will provide the theoretical reference for predicting and controlling of protein gel properties and process optimization, and multiply non-thermal induced gelation theory of protein.

高密度CO2(DPCD)是一种非热加工技术，主要用于食品杀菌和钝酶。近年研究发现：DPCD能够诱导蛋白自组装形成凝胶，且性能比热诱导的好。然而，有关DPCD对蛋白质的影响主要从杀菌和钝酶角度研究。肌球蛋白是肌肉中含量最高的蛋白质，主要功能特性是形成凝胶，其性能优劣不仅影响肉制品品质，还决定出品率。本项目拟提取凡纳滨对虾肌肉肌球蛋白，测定DPCD诱导肌球蛋白物理特性、分子间作用力、二级结构的变化，建立变化动力学模型，分析自组装规律；借鉴生物信息学和分子模拟技术，研究DPCD与肌球蛋白的相互作用模式和分子动力学；分析肌球蛋白自组装过程中分子间作用力、二级结构和凝胶特性之间的相关性，剖析内在联系，从结构和分子间作用力上阐明DPCD诱导肌球蛋白自组装机制，并提出控制措施。研究结果为预测和控制蛋白凝胶性能和工艺优化提供理论指导，丰富蛋白非热诱导凝胶理论。

高密度CO2(dense phase carbon dioxide, DPCD)是一种非热加工技术，主要用于食品杀菌和钝酶。还有研究发现：DPCD能诱导蛋白自组装而形成凝胶，且性能比热诱导的好。肌球蛋白是肌肉中含量最高的蛋白质，主要功能特性是形成凝胶。本项目以凡纳滨对虾肌肉的肌球蛋白为研究对象，研究了DPCD处理过程中肌球蛋白理化特性和高级结构的变化规律；利用分子模拟研究了DPCD与肌球蛋白的相互作用；探讨了虾肉糜凝胶强度与肌球蛋白高级结构之间的相关性。结果表明：(1) DPCD处理能使肌球蛋白发生显著聚集，分子平均粒径增大，溶解度下降，浊度增加，电泳条带逐渐消失，热稳定性显著下降；流变学测试表明DPCD能诱导肌球蛋白形成弹性较好的凝胶。(2) DPCD处理能使肌球蛋白分子之间的疏水相互作用、二硫键和非二硫共价键含量增加，而使其氢键和离子键含量下降；DPCD处理能使肌球蛋白分子的a-helix含量显著下降，而使β-sheets、β-turns和random coil含量显著增加。(3) 分子模拟表明，DPCD溶于水生成的H+，与肌球蛋白分子间形成氢键，又使肌球蛋白发生质子化作用，使分子内部产生静电斥力，同时CO2又是疏水溶剂，与肌球蛋白的疏水区域发生疏水相互作用。由于疏水相互作用、静电斥力和氢键的共同作用，使肌球蛋白三级结构发生明显松散，a-helix含量显著下降，而β-turns和random coil含量显著增加，变性的肌球蛋白通过二硫键、氢键和疏水相互作用等进一步发生交联而形成凝胶。(4) 随着DPCD处理压强和温度的升高，虾肉糜的凝胶强度是增加的。虾肉糜凝胶强度与离子键、氢键含量呈负相关，而与疏水键、二硫键和非二硫共价键呈正相关。虾肉糜凝胶强度与肌球蛋白a-helix含量呈负相关，而与β-sheets、β-turns和random coil含量呈正相关。因此，在DPCD诱导肌球蛋白形成凝胶过程中，疏水相互作用、二硫键和非二硫共价键是主要化学作用力，并且伴随着肌球蛋白的a-helix结构向β-sheets、β-turns和random coil结构转变，特别是向β-sheets转变。研究结果揭示了DPCD诱导虾肌球蛋白形成凝胶过程中理化特性和高级结构的变化规律，阐明了DPCD诱导肌球蛋白形成凝胶的机制。研究成果为利用DPCD开发蛋白凝胶类制品奠定了理论基础。