畢 爽，張巧智，丁 儉，隋曉楠，王中江，齊寶坤，江連洲，李 楊*

（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

紅外光譜研究超聲促聚集作用對大豆蛋白-磷脂結(jié)構(gòu)與功能的影響

畢 爽，張巧智，丁 儉，隋曉楠，王中江，齊寶坤，江連洲，李 楊*

（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

大豆分離蛋白和大豆卵磷脂在中性條件下（pH 7.0）復合后，可自發(fā)組成蛋白質(zhì)-磷脂復合體系，但仍有部分未自組裝的蛋白質(zhì)和磷脂存在于溶液中。為實現(xiàn)蛋白質(zhì)-磷脂最大程度復合，解析復合體系功能性質(zhì)與大豆蛋白二級結(jié)構(gòu)間的構(gòu)效關(guān)系，本研究采用“超聲改性-結(jié)構(gòu)變化-功能表達”的研究理念，采用傅里葉變換紅外光譜法研究體系結(jié)構(gòu)變化，測定持水性、持油性、凝膠質(zhì)地剖面并分析其功能性質(zhì)。結(jié)果表明：超聲處理會顯著改善大豆蛋白-磷脂復合體系的功能性質(zhì)，超聲時間較短時，持水性、持油性等功能性質(zhì)隨功率的增加先升高后降低；超聲時間較長時，功能性質(zhì)隨功率的增加持續(xù)降低。傅里葉變換紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)低、中功率條件下，大豆蛋白二級結(jié)構(gòu)中β-折疊相對含量較多而α-螺旋結(jié)構(gòu)相對含量較少，說明大豆蛋白與磷脂間的交互作用更明顯。超聲波作用下復合體系凝膠質(zhì)地剖面分析表明，功能性質(zhì)與蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)改變具有一定的關(guān)聯(lián)性。以上結(jié)果說明，適當?shù)某曁幚碛兄诟淖兇蠖沟鞍?磷脂復合體系的結(jié)構(gòu)并提升其功能性質(zhì)。

大豆蛋白；卵磷脂；功能性質(zhì)；結(jié)構(gòu)性質(zhì)；傅里葉變換紅外光譜

引文格式：

畢爽, 張巧智, 丁儉, 等. 紅外光譜研究超聲促聚集作用對大豆蛋白-磷脂結(jié)構(gòu)與功能的影響[J]. 食品科學, 2017, 38(11): 18-24. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711004. http://www.spkx.net.cn

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大豆蛋白是一種優(yōu)質(zhì)的全價植物蛋白，可替代動物蛋白[1]。但其難以同時滿足加工時的特殊需要，所以應做出適當?shù)母男訹2]。在過去幾年中，蛋白質(zhì)的改性技術(shù)研究主要集中在物理改性和化學改性[3-4]。尋找一種簡單、營養(yǎng)、高效的天然改性技術(shù)一直是研究熱點，如引入生物小分子使其與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，復合體系的產(chǎn)生對大豆分離蛋白的功能性質(zhì)具有重要影響。

大豆卵磷脂作為一種兩性離子表面活性劑，可以通過結(jié)合的方式使蛋白質(zhì)的表面活性發(fā)生改變，且蛋白質(zhì)與磷脂之間的交互作用會影響大豆蛋白的功能性質(zhì)。至今人們已對大豆蛋白-磷脂交互作用方式進行了部分研究，但未能清晰地解釋超聲處理等物理加工方式對蛋白質(zhì)-磷脂復合體系的影響，更缺少對其結(jié)構(gòu)及功能性質(zhì)間構(gòu)效關(guān)系的研究。磷脂與蛋白會通過靜電作用和疏水作用結(jié)合形成復合物[5]，環(huán)境因素能夠影響復合體系的性質(zhì)，如pH值可以修飾蛋白質(zhì)和磷脂復合物的表面活性，同時改變液滴之間的流體動力學作用；NaCl濃度的增加導致乳清蛋白-磷脂乳液粒徑增大，易造成油滴聚集降低乳液穩(wěn)定性[6]。但是物理改性技術(shù)如超聲波處理，對蛋白質(zhì)-磷脂復合體系功能性質(zhì)的影響研究目前仍鮮見報道。

因此，本實驗重點研究超聲功率和超聲時間對大豆蛋白-磷脂復合體系結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響。采用低、中、高3 種超聲功率（150、300、450 W）和短時、長時2 種超聲時間（12、24 min）作為實驗條件，并對復合體系結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能特性進行了分析。實驗結(jié)果為超聲技術(shù)運用于加工專用型大豆蛋白-磷脂復合產(chǎn)品提供了一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白 東北農(nóng)業(yè)大學糧油加工實驗室自制；大豆卵磷脂 德國Sigma公司；大豆油 山東魯花集團商貿(mào)有限公司。

十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）配制試劑盒 北京索寶來試劑公司；鹽酸、氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 北京新光化工試劑廠。所有試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

超聲波細胞破碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司；5430小型高速離心機 德國Eppendorf公司；TA-XT2質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro System公司；MAGNA-IR560傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrum，F(xiàn)T-IR）儀 美國尼高麗公司；SDS-PAGE儀 東方電泳設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 大豆分離蛋白的制備

新鮮大豆磨粉后與正己烷以1∶3（m/V）的比例混合，在 40 ℃條件下攪拌2 h 脫脂3 次。將脫脂豆粉按1∶10（m/V）的比例與水混合，采用2 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至8.5，攪拌后在4 ℃條件下10 000×g離心20 min，取上清液再用2 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至4.5。靜置后在4 ℃條件下6 000×g離心20 min，沉淀水洗2 次后分散于水中并用2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.0。冷凍干燥后粉碎得大豆分離蛋白[7]。

1.3.2 超聲制備大豆蛋白-磷脂復合體系

將大豆分離蛋白與大豆卵磷脂以質(zhì)量比1∶10混合于50 mL錐形瓶中，室溫條件下不斷攪拌2 h。超聲處理參考Hu Hao等[8]的方法。將超聲波探頭置于復合體系液面下，按表1條件依次超聲。為保持溫度一致，每5 min向冰水浴中加入冰塊。超聲處理后冷凍干燥得大豆蛋白-磷脂復合體系樣品。

表1 超聲處理制備大豆蛋白-磷脂復合體系條件Table 1 Ultrasonic treatments applied on soybean protein-lecithin complex

1.3.3 大豆蛋白-磷脂凝膠持油性測定

將超聲處理的大豆蛋白-磷脂復合體系樣品制備成10 g/100 mL的分散液。90 ℃條件下加熱20 min后冷卻至室溫，形成蛋白質(zhì)-磷脂凝膠，4 ℃的條件下冷藏24 h以完全形成凝膠。

參考Predroche等[9]的方法。取1 g大豆蛋白-磷脂凝膠樣品加入12 mL大豆油混合。室溫放置30 min使樣品充分被大豆油浸潤，4 500 r/min離心20 min，取沉淀稱質(zhì)量，持油性的計算方法見式（1）。

式中：m1為樣品離心后沉淀的質(zhì)量/g；m2為樣品的質(zhì)量/g。

1.3.4 大豆蛋白-磷脂凝膠持水性測定

將凝膠樣品放在5 mL的離心管中，室溫6 000×g離心20 min，將試管倒轉(zhuǎn)，甩去多余的水分移出，分別將離心前與離心后的試管稱質(zhì)量[10]，持水性的計算見式（2）。

式中：m1為樣品離心前與離心管的總質(zhì)量/g；m2為樣品離心除水后與離心管的總質(zhì)量/g。

1.3.5 大豆蛋白-磷脂凝膠質(zhì)構(gòu)測定

采用TA-XT2型質(zhì)構(gòu)儀進行測定。使用P/0.5探頭，探頭下行速率為1 mm/s，進入凝膠過程中的速率為1 mm/s，下行力為7 g，壓縮變形為樣品高度的30%，室溫測定，每個樣品重復3 次測定，取平均值作為最終結(jié)果[11]。

1.3.6 FT-IR測定

采用KBr壓片法，稱取凝膠樣品1 mg，加入溴化鉀100 mg，壓片后進行測定。在室溫條件下，設定掃描波數(shù)譜段范圍為400～4 000 cm－1，分辨率設定為4 cm－1，波數(shù)精度為0.01 cm－1條件下掃描64 次，譜圖利用Peakfit Version軟件進行處理。平滑處理后估算出子峰的位置和個數(shù)，根據(jù)各子峰與二級結(jié)構(gòu)對應關(guān)系，利用積分面積計算各二級結(jié)構(gòu)組分的相對百分含量[12]。

1.3.7 SDS-PAGE測定

參考Laemmli[13]的測定方法，分離膠體積分數(shù)12%，濃縮膠體積分數(shù)5%，樣品質(zhì)量濃度為1 mg/mL，與上樣緩沖液在95 ℃條件下加熱5 min，上樣量為10 μL。電泳過程先恒壓為80 V，跑至分離膠時為120 V，結(jié)束后先染色再脫色，標準蛋白采用市售彩虹Marker。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆蛋白-磷脂凝膠持油性分析

由圖1可知，未經(jīng)超聲處理的樣品持油性為32.1%，在較短超聲時間下，樣品的持油性隨著超聲功率的升高先增加后降低。延長超聲時間至24 min后，樣品的持油性在超聲功率為150 W時達到最大（52.7%），相比于未超聲樣品持油率增加64.2%，這是因為在超聲波的機械剪切作用下，蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)打開，暴露的疏水基團與磷脂發(fā)生疏水相互作用，提升了復合體系凝膠的親油特性[14]。然而，隨著超聲功率進一步增加，大豆蛋白-磷脂凝膠樣品的持油率又有所下降。說明超聲功率過大的情況下，大豆蛋白發(fā)生一定程度的聚集，形成的聚集體由可溶性轉(zhuǎn)為不溶性，與磷脂間的疏水相互作用減弱。疏水基團包埋，降低了復合體系凝膠的親油性[15]。

圖1 不同超聲條件下大豆蛋白-磷脂凝膠樣品持油性Fig. 1 Oil-holding capacity of soybean protein isolate-lecithin gels irradiated under different ultrasonic conditions

2.2 大豆蛋白-磷脂凝膠持水性分析

圖2 不同超聲條件下大豆蛋白-磷脂凝膠樣品持水性Fig. 2 Water-holding capacity of soybean protein isolate-lecithin gels irradiated under different ultrasonic conditions

由圖2可知，與未超聲樣品相比，經(jīng)過不同程度的超聲處理后，大豆蛋白-磷脂凝膠的持水性明顯改善。持水性是重要的凝膠性質(zhì)，提供凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)吸收水分和保持水分的能力，同時也可表征樣品凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粗糙程度[16]。Wu Wei等[17]研究表明大豆蛋白凝膠持水性受蛋白質(zhì)溶解性和粒徑大小的影響。當超聲時間較短時，凝膠樣品持水性隨超聲功率的增加而先升高后降低，這可能是由于超聲波的空化與剪切作用提高了蛋白質(zhì)的溶解性并減小蛋白質(zhì)粒子的顆粒直徑，可溶性大豆蛋白與磷脂的交互作用更加明顯。同時超聲波處理導致大豆蛋白的疏水基團暴露，與磷脂分子的疏水尾部發(fā)生疏水相互作用[5]，形成的密集凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有助于結(jié)合水分。但當超聲時間較長時，高功率超聲作用下粒徑及不溶性聚集體含量增加，由于靜電排斥作用，大豆蛋白與磷脂間的作用減弱，無法發(fā)生大范圍的交聯(lián)，造成一些大分子的不溶性聚集體出現(xiàn)在凝膠結(jié)構(gòu)中，降低了大豆蛋白-磷脂凝膠的持水性[18]。

2.3 大豆蛋白-磷脂凝膠質(zhì)構(gòu)分析

凝膠質(zhì)地剖面分析（texture profile analysis，TPA）實驗模擬人體口腔的咀嚼運動，樣品進過兩次壓縮，得到力-時間的關(guān)系曲線。圖3是典型的蛋白質(zhì)凝膠質(zhì)構(gòu)分析曲線，第一個峰值f2代表凝膠的硬度；t2與t1之比代表凝膠彈性；S3+S4與S1+S2之比代表凝膠的內(nèi)聚性；S2與S1之比代表回彈性[19]。

圖3 典型的蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)特性曲線[19]Fig. 3 Typical texture curves of protein gels[19]

圖4 不同超聲條件下大豆蛋白-磷脂凝膠質(zhì)構(gòu)特性Fig. 4 Texture properties of SPI-lecithin gels irradiated under different ultrasonic conditions

如圖4所示，超聲處理后凝膠樣品的硬度、彈性、內(nèi)聚性以及回彈性較未處理的樣品均有所提高，且不同凝膠樣品間變化較為顯著。超聲時間為12 min時，中強度超聲功率（300 W）條件下大豆蛋白-磷脂凝膠樣品的硬度較高，當超聲時間為24 min時，低強度超聲功率（150 W）條件下樣品的硬度顯著高于其他樣品（P＜0.05）。這可能是由于超聲時間與超聲功率的協(xié)同作用能量適宜，促進大豆蛋白與卵磷脂的溶解，此時體系內(nèi)形成的聚集體是可溶性的，粒徑較小。超聲處理有助于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開，促進與磷脂間的交互作用，形成致密的凝膠結(jié)構(gòu)以增大凝膠的彈性[20]。但當超聲能量輸入進一步增加，蛋白質(zhì)發(fā)生重聚集，形成不溶性的聚集體，破壞凝膠形成有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。說明高功率條件下蛋白質(zhì)分子柔性被破壞，降低其與小分子生物活性物質(zhì)的相互作用，致使凝膠表現(xiàn)出硬度低、易破裂及彈性差等現(xiàn)象[21]。為了進一步探究樣品功能性質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系，本實驗采用光譜學方法及凝膠電泳分析蛋白質(zhì)-磷脂凝膠樣品的結(jié)構(gòu)。

2.4 FT-IR分析

圖5 不同超聲條件下樣品中大豆蛋白FT-IR分析Fig. 5 FT-IR spectra of SPI irradiated under different ultrasonic conditions

圖5 所示為不同超聲條件下樣品中大豆蛋白的FT-IR圖。FT-IR圖可提供蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶、酰胺Ⅲ帶信息以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的C—C振動和碳氧糖苷鍵振動等信息[22]。FT-IR的研究可以定量給出樣品中蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。根據(jù)已有研究，蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)與各子峰間的對應關(guān)系為：α-螺旋結(jié)構(gòu)對應波數(shù)1 646～1 664 cm－1；β-折疊結(jié)構(gòu)對應波數(shù)1 615～1 637 cm－1和1 682～1 700 cm－1；β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)對應波數(shù)1 664～1 681 cm－1；無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)對應波數(shù)1 637～1 645 cm－1[23]。

帶的擬合圖譜Fig. 6 Second-derivative FT-IR spectra in the amide Ⅰ region and Gaussian curve fitting for SPI irradiated under different ultrasonic conditions圖6 不同超聲條件下樣品中大豆蛋白酰胺Ⅰ

將不同超聲條件下樣品中大豆蛋白的酰胺Ⅰ帶紅外譜圖做二階導數(shù)，采用Gauss面積法擬合，通過峰位歸屬確定二級結(jié)構(gòu)種類和含量，計算結(jié)果見表2。

表2 不同超聲條件下樣品中大豆蛋白的二級結(jié)構(gòu)相對含量Table 2 Contents of secondary structures in SPI irradiated under different ultrasonic conditions

低、中功率時蛋白質(zhì)-磷脂凝膠樣品中α-螺旋及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)相對含量較低，β-折疊結(jié)構(gòu)相對含量較高，尤其是當150 W功率超聲24 min時（4號樣品）。這與Li Chen等[24]的研究一致，可能是大豆卵磷脂的疏水尾部結(jié)合到了α-螺旋結(jié)構(gòu)中的疏水性氨基酸區(qū)域，從而使蛋白質(zhì)分子展開改變了體系中二級結(jié)構(gòu)的組成。高功率下蛋白質(zhì)分子由于空穴效應運動加速，會發(fā)生一定程度的聚集，降低了磷脂與蛋白的疏水相互作用。當超聲功率為450 W時，樣品中的α-螺旋結(jié)構(gòu)相對含量呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，這與Hu Hao等[8]研究結(jié)果一致，由于蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)受蛋白質(zhì)分子與其他分子交互作用的影響，上述結(jié)果說明超聲波破壞了這些作用，導致二級結(jié)構(gòu)變化。相似地，Chandrapala等[25]也指出較高的超聲功率（20 kHz，450 W）導致蛋白質(zhì)出現(xiàn)β-折疊結(jié)構(gòu)向α-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。450 W超聲條件下，當超聲時間延長至24 min時，α-螺旋結(jié)構(gòu)相對含量變化更加明顯。因此，形成凝膠結(jié)構(gòu)無序且分布不均勻，凝膠硬度及彈性較差。

2.5 SDS-PAGE結(jié)果

圖7 不同超聲條件下樣品中大豆蛋白的SDS-PAGE圖Fig. 7 SDS-PAGE profiles of SPI irradiated under different ultrasonic conditions

由圖7可知，未處理樣品SDS-PAGE圖清晰地顯示出大豆蛋白各亞基的條帶。超聲處理后大豆蛋白的條帶并無顯著變化，表明超聲處理未改變蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)，與Karki[26]、Zhang Qiuting[27]等研究結(jié)果相同。進一步說明非共價鍵是引起蛋白分子聚集的主要因素，如大豆蛋白與磷脂間的靜電作用和疏水作用[28-30]。

本實驗具體分析了大豆蛋白-磷脂復合體系功能性質(zhì)隨超聲條件變化的規(guī)律，以及構(gòu)象變化對復合體系功能性質(zhì)的影響。持水、持油性質(zhì)和凝膠TPA是復合體系重要的功能性質(zhì)，與疏水基團的暴露、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)組成及構(gòu)象變化息息相關(guān)。因此，采用FT-IR法分析復合體系構(gòu)象變化有利于解析超聲波對復合體系構(gòu)象、功能性質(zhì)的影響規(guī)律。

3 結(jié) 論

本實驗選用不同超聲功率和時間處理蛋白-磷脂復合體系，分析其對體系功能性質(zhì)的影響，并采用FT-IR分析體系功能與結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系。得到主要結(jié)論如下：1）經(jīng)過超聲處理后樣品的持油、持水能力都有一定程度的提升。低（150 W）、中（300 W）功率超聲條件下，樣品凝膠的硬度、彈性以及內(nèi)聚性等性質(zhì)較好。高功率（450 W）處理致使樣品功能性質(zhì)下降，且隨著時間的延長更加明顯。2）當大豆蛋白-磷脂復合體系經(jīng)過150 W，24 min超聲處理時，復合體系的功能性質(zhì)最佳。通過FT-IR分析發(fā)現(xiàn)，大豆蛋白-磷脂復合體系構(gòu)象上的變化是影響其持水性、持油性、凝膠TPA性質(zhì)的主要原因。3）FT-IR結(jié)果發(fā)現(xiàn)低（150 W）、中（300 W）功率超聲處理樣品中α-螺旋及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)相對含量降低，β-折疊相對含量上升，大豆卵磷脂的疏水尾部結(jié)合到了α-螺旋結(jié)構(gòu)中的疏水性氨基酸區(qū)域，改變了二級結(jié)構(gòu)組成。高功率條件下蛋白質(zhì)分子由于空穴效應運動加速，會發(fā)生一定程度的聚集，降低了磷脂與蛋白的疏水相互作用，因此復合體系功能性質(zhì)較差，形成的凝膠硬度及彈性低。樣品的SDS-PAGE結(jié)果無明顯改變，進一步說明復合體系功能性質(zhì)的改變與蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，而與四級結(jié)構(gòu)變化無關(guān)。該結(jié)果為超聲波技術(shù)運用于加工專用型大豆蛋白-磷脂復合產(chǎn)品提供了一定的理論依據(jù)。

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Infrared Spectroscopic Analysis of the Effect of Ultrasound-Promoted Aggregation Behavior on Structural and Functional Properties of Soybean Protein-Lecithin System

BI Shuang, ZHANG Qiaozhi, DING Jian, SUI Xiaonan, WANG Zhongjiang, QI Baokun, JIANG Lianzhou, LI Yang*
(College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Soybean protein isolate (SPI) and lecithin can be self-assembled into a complex system at neutral condition (pH 7.0), while the unassembled compounds are still present in the solution. In an effort to achieve maximum complexation between SPI and lecithin and to elucidate the relationship between the functional properties of the complex system and the secondary structure of soybean proteins, we examined the structural variability of the system by Fourier transform infrared spectroscopy and measured its water-holding capacity, oil-holding capacity, gel texture characteristics and functional properties under ultrasound irradiation. The results showed that ultrasonic treatment significantly improved functional properties of the soybean protein-lecithin complex. Water-holding capacity and oil-holding capacity increased firstly then decreased with increasing ultrasonic power after a short irradiation time, but these functional properties continuously decreased with increasing ultrasonic power after a long irradiation time. Fourier transform infrared spectroscopic analysis revealed that the secondary structure of SPI contained a lower content of α-helix and a higher content of β-structure after ultrasonic irradiation at low and medium powers, indicating stronger protein-lecithin interactions. There was a certain relationship between the gel texture characteristics of the complex system and the secondary structure of SPI. The structure of soybean protein-lecithin system could be changed by proper ultrasonic treatment, thus improving its functional properties.

soybean protein; lecithin; functional properties; structural properties; Fourier transform infrared spectroscopy

10.7506/spkx1002-6630-201711004

TS214.9

A

1002-6630（2017）11-0018-07

2016-03-17

國家自然科學基金青年科學基金項目（31301501）；國家自然科學基金面上項目（31571876）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2013AA102104）；黑龍江省普通本科高等學校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目（UNPYSCT-2015011）

畢爽（1992－），女，碩士研究生，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：13163436989@163.com

*通信作者：李楊（1979－），男，副教授，博士，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：liyanghuangyu@163.com