董淑華,黃 卉,李來好,*,楊賢慶,郝淑賢,榮 輝,李春生

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實驗室,國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東廣州 510300; 2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306)

pH調(diào)節(jié)法優(yōu)化鳶烏賊分離蛋白制備的工藝研究

董淑華1,2,黃 卉1,李來好1,*,楊賢慶1,郝淑賢1,榮 輝1,李春生1

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實驗室,國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東廣州 510300; 2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306)

本文采用pH調(diào)節(jié)法對鳶烏賊分離蛋白的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,以溶解得率與蛋白濃度作為評價因子,分析pH、料液比、溶解時間與溶解溫度等工藝條件對可溶性蛋白提取率的影響,從而優(yōu)化其提取條件,并對不同溶解和沉淀pH條件下的蛋白進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠電泳分析。結(jié)果表明,在pH12.0、料液比1∶9 (g/mL)、溶解溫度4 ℃與溶解時間10 min的條件下,制備得到的分離蛋白溶解得率最高(80%);在最佳酸、堿溶解pH前提下沉淀蛋白,pH5.5沉淀條件下回收蛋白的得率最高,且酸沉得到的分離蛋白沉淀得率達(dá)60%,大于堿沉;pH對鳶烏賊分離蛋白各組分的影響存在差異。其中,肌球蛋白重鏈(Myosin heavy chain,MHC)、副肌球蛋白(Paramyosin,PM)在各pH條件下降解速率較快,酸性條件對原肌球蛋白(Tropomyosin,TM)降解效果影響較大,而肌動蛋白(Actin,A)在酸、堿性環(huán)境下變化較不明顯。該工藝可用于工業(yè)化大規(guī)模制備鳶烏賊分離蛋白,為分離蛋白的制備及來源提供了新途徑。

鳶烏賊,提取,優(yōu)化,分離蛋白,pH調(diào)節(jié)法

鳶烏賊(Sthenoteuthisoualaniensis)為柔魚科鶯烏賊,屬暖水性大洋生物種,廣泛分布于印度洋、太平洋及亞熱帶海域,在我國南海和印度洋西北部海域分布較廣[1]。2014年廣西漁船的生產(chǎn)監(jiān)測統(tǒng)計,中國南海鳶烏賊的年可捕量達(dá)(130～200)×104t,生物資源量巨大,可承受較大捕撈壓力,是南海大洋性生物資源中最具開發(fā)潛力的種類[2-3]?，F(xiàn)有研究表明,鳶烏賊不僅是點(diǎn)斑海豚、黃鰭金槍魚、小型及中型抹香鯨等多種生物的餌料,還可制成水產(chǎn)食品,但由于其肉質(zhì)較硬,食用價值不高,仍需深加工處理[4-5]。目前國際上對鳶烏賊的研究主要集中在生物學(xué)特性及種群資源分布,對其各部位的加工利用研究較少。鳶烏賊胴體肌肉中蛋白質(zhì)含量占鮮重的17.24%,是海洋中最具潛力的蛋白質(zhì)資源之一,具有較高的研究價值[6]。提取鳶烏賊蛋白質(zhì),開發(fā)鳶烏賊蛋白質(zhì)制品,并將其應(yīng)用于食品、保健品、化妝品等領(lǐng)域,可充分提高其利用價值。

pH調(diào)節(jié)法提取動物蛋白源于上世紀(jì)90年代,通過調(diào)節(jié)不同pH使蛋白質(zhì)溶解,在等電點(diǎn)下沉淀蛋白,最終獲得分離蛋白[7]。Hugo Palafox等[8]研究了pH調(diào)節(jié)法制備魷魚分離蛋白的工藝流程,經(jīng)過極酸性、堿性條件下蛋白質(zhì)溶解,等電點(diǎn)條件下沉淀蛋白后,最終得到的分離蛋白提取率高達(dá)75%。Juan A等[9]對美洲大赤魷堿溶和等電點(diǎn)沉淀提取的蛋白質(zhì)進(jìn)行功能特性評價,發(fā)現(xiàn)堿溶條件下的蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)凝膠性與粘彈性。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,將pH調(diào)節(jié)法提取蛋白應(yīng)用于南海新資源鳶烏賊分離蛋白的制備,通過優(yōu)化pH、料液比、溶解時間、溶解溫度四個主要影響因素,最終確定鳶烏賊分離蛋白制備的最佳工藝條件,為進(jìn)一步探討其功能、結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供理論基礎(chǔ),為實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鳶烏賊 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所“南峰號”捕撈于南海海域,重量150～200 g;SDS-PAGE凝膠制備試劑盒 康為世紀(jì)生物科技有限公司;考馬斯亮藍(lán)試劑R250 南京建成科技有限公司等;鹽酸、氫氧化鈉 廣州化學(xué)試劑廠;所有試劑均為分析純。

GB204電子天平 瑞士METTLER公司;UltraTurrax T50均質(zhì)機(jī) 德國IKA公司;Delta320精密pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;Kjeltel2300 凱氏定氮儀 丹麥FOSS儀器有限公司;Sigma-3K30 高速冷凍離心機(jī) 德國SIGMA公司;Powerpac@HV 等電聚焦電泳儀 美國Bio-rad公司;UV2550紫外可見分光光度計 日本SHIMADZU公司;EPSON 11000XL掃描儀 美國GE公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 鳶烏賊去頭、皮、內(nèi)臟,取胴體肌肉,洗凈、瀝干后絞碎分裝(100 g/袋),-20 ℃下凍藏備用。

1.2.2 pH對可溶性蛋白提取的影響 參照HugoPalafox[8]方法,稍作修改。鳶烏賊胴體肌肉→4 ℃蒸餾水(料液比1∶9,w/v)→均質(zhì)→調(diào)節(jié)pH(2.0～12.0,以1個pH單位變化)→4 ℃低速攪拌提取10 min→離心(10000 r/min,20 min,4 ℃)→收集上清液→考馬斯亮藍(lán)法測定上清液蛋白質(zhì)含量,凱氏定氮法測定最佳pH下的上清液可溶性蛋白的溶解得率。

溶解得率(%)=可溶性蛋白液中粗蛋白的含量(g)/所用原料鳶烏賊中粗蛋白的含量(g)×100

1.2.3 料液比對可溶性蛋白提取的影響 在確定最佳溶解pH基礎(chǔ)上,以不同料液比(1∶3、1∶6、1∶9、1∶12 g/mL)、溶解溫度4 ℃、溶解時間10 min條件下按照1.2.2進(jìn)行蛋白質(zhì)提取,按公式計算得到鳶烏賊可溶性蛋白溶解得率。

1.2.4 溶解時間對可溶性蛋白提取的影響 在確定最佳溶解pH和最佳料液比基礎(chǔ)上,以不同溶解時間(10、20、40、60 min)、在4 ℃溶解溫度條件下按照1.2.2進(jìn)行蛋白質(zhì)提取,按公式計算得到鳶烏賊可溶性蛋白溶解得率。

1.2.5 溶解溫度對可溶性蛋白提取的影響 在確定最佳溶解pH、最佳料液比、最佳溶解時間基礎(chǔ)上,以不同溶解溫度(4、20、35、50 ℃)條件下按照1.2.2進(jìn)行蛋白質(zhì)提取,按公式計算得到鳶烏賊可溶性蛋白溶解得率。

1.2.6 沉淀pH條件的確定 根據(jù)1.2.2～1.2.5確定的可溶性蛋白最佳溶解pH、料液比、溶解溫度和溶解時間條件下,得到上清液可溶性蛋白,加入鹽酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH使之變化范圍在5.0～6.0,4 ℃條件下保持10 min,保證蛋白質(zhì)能夠充分沉淀,離心(4 ℃,10000 r/min,20 min),取沉淀即鳶烏賊分離蛋白。用凱氏定氮法測定粗蛋白含量,計算蛋白質(zhì)沉淀得率。

沉淀得率(%)=沉淀中粗蛋白的含量(g)/所用原料鳶烏賊中粗蛋白的含量(g)×100

1.2.7 SDS-PAGE分析 為進(jìn)一步了解酸/堿溶解過程中蛋白質(zhì)組成變化,分別取最佳溶解時間、溶解溫度、料液比條件下pH2～12的上清液可溶性蛋白進(jìn)行SDS-PAGE分析;同時,考察了等電點(diǎn)沉淀過程中蛋白質(zhì)的組成變化,分別對最佳酸溶、堿溶后在pH5.0～6.0范圍內(nèi)得到的沉淀蛋白和上清液進(jìn)行SDS-PAGE分析。根據(jù)Laemmli[10]方法稍加修改,分離膠濃度為10%,濃縮膠濃度為5%,樣品與5X凝膠上樣緩沖液以4∶1比例混合,沸水浴煮沸5 min,1000 r/min離心5 min,上樣量8 μL。凝膠電泳在恒壓下進(jìn)行,初始電壓為80 V,當(dāng)樣品進(jìn)入分離膠后電壓增至120 V,在達(dá)到分離膠底部上方1 cm處,關(guān)閉電源,用考馬斯亮藍(lán)R-250染色1 h,脫色液脫色后掃描儀掃描電泳條帶圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶解條件確定

2.1.1 pH對上清液可溶性蛋白濃度和溶解得率的影響 蛋白質(zhì)的溶解性受pH影響較大,其主要與分子表面電荷有關(guān),組成蛋白質(zhì)的氨基酸中存在部分可隨環(huán)境pH變化而電離的基團(tuán),使得蛋白質(zhì)分子所帶靜電荷隨pH變化而變化[11]。由圖1可知,可溶性蛋白的濃度隨pH的增加呈先降后升的趨勢,且pH在11.0、12.0條件下可溶性蛋白的濃度高于pH為2.0、3.0下可溶性蛋白濃度,當(dāng)pH在5.0～6.0時,可溶性蛋白濃度達(dá)到最低。說明極酸性或極堿性環(huán)境均有利于蛋白質(zhì)的充分溶解,但堿性條件下鳶烏賊胴體肌肉蛋白相對于酸性條件溶解效果更好,而偏中性等電點(diǎn)條件下蛋白質(zhì)溶解度最小,會沉淀析出。這種典型的U型曲線,與已報道的關(guān)于提取太平洋鱈魚蛋白[12]、巖魚蛋白[13]等相似。因此,初步確定在下一步實驗中選取pH2.0、pH3.0、pH11.0、pH12.0為主要溶解條件、pH5.0～6.0為主要沉淀條件。

圖1 pH對鳶烏賊肌肉可溶性蛋白含量的影響Fig.1 Effect of pH value on the contents of soluble protein in Sthenoteuthis oualaniensis muscle

分別取極酸性、極堿性條件下上清液可溶性蛋白,凱氏定氮法測定其蛋白質(zhì)溶解得率的結(jié)果如圖2,在pH為2.0、3.0、11.0、12.0條件下提取的可溶性蛋白得率相差較小,均在80%左右,提取蛋白質(zhì)得率較高。且在pH為12.0條件下蛋白質(zhì)溶解得率高達(dá)85%以上,在pH為2.0與3.0條件下蛋白質(zhì)溶解得率均低于80%。這種提取可溶性蛋白得率的差異可能由于pH較低時,天冬氨酸和谷氨酸殘基的羧基側(cè)鏈等對負(fù)電荷的中和作用大小和pH較高時胍基或異吡唑或組氨酸、精氨酸的賴氨酰側(cè)鏈等基團(tuán)的去質(zhì)子化作用大小有關(guān)[14-15]。

圖2 4種pH條件下可溶性蛋白得率Fig.2 The yield of soluble protein in Sthenoteuthis oualaniensis muscle under four pH conditions

2.1.2 料液比對上清液可溶性蛋白溶解得率的影響 由圖3可知,一方面,4種pH條件下提取的可溶性蛋白溶解得率隨料液比的增加呈先升后趨平緩的趨勢,且變化趨勢基本相同,影響效果也比較明顯。在料液比達(dá)到1∶9時,可溶性蛋白的溶解得率升至最大值,后期隨著料液比的增加,溶解得率變化不大,甚至出現(xiàn)輕微下降,這可能是因為蛋白質(zhì)分子表面的親水基團(tuán)促使其形成一個水化層,從而使蛋白質(zhì)分子的溶解度隨溶解液體積增加到一定程度后不再增加[16]。另一方面,不同pH條件下提取的可溶性蛋白溶解得率各不相同,比較而言,pH為12.0條件下提取的可溶性蛋白溶解得率最高,pH為3.0條件下提取的可溶性蛋白溶解得率最低。

圖3 料液比對鳶烏賊可溶性蛋白溶解得率的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on the yield of soluble protein in Sthenoteuthis oualaniensis muscle

2.1.3 溶解時間對上清液可溶性蛋白溶解得率的影響 由圖4可知,一方面,溶解時間對4種pH條件下提取的可溶性蛋白溶解得率影響并不十分明顯,均呈較輕微的下降趨勢。溶解時間為10 min時,可溶性蛋白的溶解得率最大,這可能是因為肌肉蛋白在溶液中發(fā)生水解。隨著溶解時間的延長,蛋白質(zhì)水解程度越大,從而使測得的溶解得率有所降低[17]。另一方面,不同pH條件下提取的可溶性蛋白溶解得率也相差不大,比較而言,pH為12.0條件下提取的可溶性蛋白溶解得率相對較高,pH為3.0條件下提取的可溶性蛋白溶解得率相對較低。

圖4 溶解時間對鳶烏賊胴體肌肉可溶性蛋白得率的影響Fig.4 Effect of dissolve time on the yield of soluble protein in Sthenoteuthis oualaniensis muscle

2.1.4 溶解溫度對上清液可溶性蛋白溶解得率、濃度的影響 由圖5、圖6可知,4種pH條件下提取的可溶性蛋白溶解得率和濃度隨溶解溫度的增加變化并不顯著,但總體上呈輕微下降趨勢,溫度在4 ℃時,蛋白溶解得率和濃度較大。這可能是因為溶解溫度尚未達(dá)到鳶烏賊胴體肌肉蛋白質(zhì)變性溫度,對蛋白質(zhì)溶解得率或濃度沒有造成過大影響[18];同時,在高溫下鳶烏賊胴體肌肉蛋白發(fā)生變性,只是使其部分蛋白失活,對其蛋白的溶解得率和濃度影響不大。因此,為保證提取可溶性蛋白的最大活性和最高含量,選取溶解溫度為4 ℃。此外,通過圖5、圖6可知,在pH12.0條件下各個溫度點(diǎn)提取的可溶性蛋白溶解得率和濃度達(dá)到最大值,溫度高于20 ℃時,pH3.0時達(dá)到最小值。

圖5 溶解溫度對鳶烏賊胴體肌肉可溶性蛋白溶解得率的影響Fig.5 Effect of dissolve temperature on the yield of soluble protein in Sthenoteuthis oualaniensis muscle

圖6 溶解溫度對鳶烏賊胴體肌肉可溶性蛋白濃度的影響Fig.6 Effect of dissolve temperature on the concentration of soluble protein in Sthenoteuthis oualaniensis muscle

2.2 沉淀條件的確定

在2.1確定最佳溶解條件的基礎(chǔ)上,選用最佳方案提取鳶烏賊胴體肌肉可溶性蛋白上清液,調(diào)節(jié)pH在5.0～6.0,利用等電點(diǎn)下蛋白質(zhì)沉淀原理,測定其沉淀蛋白的蛋白質(zhì)得率,最終確定鳶烏賊胴體肌肉可溶性蛋白的最佳沉淀pH。由圖7可知,在pH分別為5.0、5.5與6.0條件下,四種可溶性蛋白的沉淀得率變化一致,均在沉淀pH為5.5時,測得沉淀得率最高,這表明酸溶和堿溶條件下得到的可溶性蛋白等電點(diǎn)均可能在pH5.5左右,結(jié)果與羅非魚、魷魚等研究結(jié)果均一致[17,19]。同時,在相同的沉淀pH下,酸溶(pH2.0、pH3.0)得到的可溶性蛋白沉淀得率明顯高于堿溶(pH11.0、pH12.0),且在等電點(diǎn)pH5.5時,酸溶條件下的可溶性蛋白沉淀得率高于60%,說明即使在堿性條件下鳶烏賊胴體肌肉的溶解性較高,但酸性條件下提取的可溶性蛋白經(jīng)等電點(diǎn)沉淀效果更好。

圖7 不同沉淀pH條件下鳶烏賊胴體肌肉可溶性蛋白的沉淀得率Fig.7 Yield of precipitating protein from Sthenoteuthis oualaniensis muscle with different precipitated pH value

2.3 不同溶解和沉淀pH條件下蛋白的SDS-PAGE分析

鳶烏賊屬于暖水大洋性頭足類動物,其肌原纖維蛋白含量占總蛋白的60%～70%,主要包括肌球蛋白重鏈(MHC)、肌動蛋白(A)、原肌球蛋白(TM)及軟體動物所特有的副肌球蛋白(PM)[20]。

由圖8可知,在酸/堿溶解過程中,鳶烏賊蛋白條帶隨著pH的變化而變化,在等電點(diǎn)附近條帶較深。pH3.0時MHC出現(xiàn)條帶,且顏色較淺,說明MHC在整個pH溶解提取過程中降解較完全,但酸性條件下降解速度更慢,這可能是因為MHC在pH調(diào)節(jié)過程中發(fā)生聚沉或被降解成分子量更小的肽段[18,21];PM在各條件下均呈現(xiàn)出顏色較淺的細(xì)小條帶,pH為11.0、12.0時條帶消失,說明在PM受酸堿性條件影響極大,整個pH溶解過程中發(fā)生大部分降解,在強(qiáng)堿性條件下完全降解,此研究結(jié)果和原理與超高溫將蛋白質(zhì)或肽分解成其他有機(jī)化合物相似[22];位于55～43 kDa處的為肌動蛋白(A),雖然條帶在pH9.0時顏色較淺,但從整體趨勢來看肌動蛋白隨pH的變化并不明顯,說明酸、堿條件對肌動蛋白的影響較小,這一研究結(jié)果與Hugo Palafox[8]相同;原肌球蛋白(TM)在pH6.0時出現(xiàn)明顯條帶,表明其受中性等電點(diǎn)左右影響最小。

圖8 不同溶解pH條件下鳶烏賊可溶性蛋白的SDS-PAGE電泳圖Fig.8 SDS-PAGE patterns of soluble protein from Sthenoteuthis oualaniensis muscle with different precipitated pH value注:M為蛋白質(zhì)Ladder;MHC為肌球蛋白重鏈(200 kDa);PM為副肌球蛋白(103 kDa);TM為原肌球蛋白(360 kDa);A為肌動蛋白(45 kDa)。

3 結(jié)論

通過對pH調(diào)節(jié)法優(yōu)化鳶烏賊分離蛋白制備條件的實驗分析,最終確定鳶烏賊蛋白在pH5.5附近溶解性最差,在pH2.0、3.0、11.0、12.0時溶解性較好;通過對比酸、堿性條件,確定在溶解pH為12.0、溶解溫度4 ℃、料液比1∶9、溶解時間10 min下提取制備的可溶性蛋白得率較高,達(dá)到80%以上;在最佳酸溶、堿溶條件下沉淀可溶性蛋白,pH5.5條件下沉淀回收蛋白的得率最高,且酸沉得到的分離蛋白沉淀得率高達(dá)60%,遠(yuǎn)高于堿沉;在pH調(diào)節(jié)過程中,酸堿條件對鳶烏賊蛋白組分肌動蛋白影響較小,MHC、PM發(fā)生明顯降解,酸性條件對TM影響較大。鳶烏賊分離蛋白制備的含量及組分在不同pH下變化的差異,使得后期制備得到的分離蛋白在功能及結(jié)構(gòu)性質(zhì)上有所不同,為獲得實用性更好的分離蛋白,應(yīng)繼續(xù)研究pH對鳶烏賊分離蛋白結(jié)構(gòu)及功能性質(zhì)的影響。

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Preparation process optimization of isolate protein fromSthenoteuthisoualaniensisby pH-regulation method

DONG Shu-hua1,2,HUANG Hui1,LI Lai-hao1,*,YANG Xian-qing1, HAO Shu-xian1,RONG Hui1,LI Chun-sheng1

(1.Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture,National R&D Center for Aquatic Product Processing,South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Science,Guangzhou 510300,China; 2.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Regarded yield and concentration of soluble protein as eveluation factors,the optimum preparation process of isolate protein fromSthenoteuthisoualaniensisby pH-regulation method was researched. The effects of pH value,solid-liquid ratio,dissolution time and dissolving temperature on the extraction rate of soluble protein were analyzed,and the extraction conditions were optimized. The soluble protein under different soluble and precipitated pH value were measured by Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis(SDS-PAGE). The results of optimum preparation conditions were as follows,pH12.0,solid-liquid ratio 1∶9(g/mL),dissolving temperature 4 ℃ and dissolution time 10 min. The result showed that dissolution rate of isolated protein was the highest and reached 80% under this condition. The yield of protein recovered was the highest when pH=5.5 with the optimum condition of acid or alkaline dissolution pH value and the precipitation rate of isolated protein precipitated by acid precipitation reached 60%,which was higher than that of alkaline precipitation. The effects of pH values on the components of protein isolates fromSthenoteuthisoualaniensiswere different. Myosin heavy chain(MHC)and paramyosin(PM)were affected by pH values and degradated quickly,actin(A)was less affected by acid and alkaline conditions,tropomyosin(TM)was affected by acidic conditions and the degradation effect was great. The preparation process can be used to large-scale produce isolate protein fromSthenoteuthisoualaniensisand it provides a new isolated protein preparation method.

Sthenoteuthisoualaniensi;extraction;optimization;protein isolate;pH-regulation method

2016-12-06

董淑華(1991-),女,碩士研究生,研究方向:食品科學(xué)與工程,E-mail:577548926@qq.com。

*通訊作者:李來好(1963-),男,博士,研究員,研究方向:水產(chǎn)品加工、水產(chǎn)品質(zhì)量安全與水產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),E-mail:laihaoli@163.com。

農(nóng)業(yè)部財政重大專項(NFZX2013)。

TS254.1

B

1002-0306(2017)09-0181-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.09.026