曹 靜,翁靜宜,程 萌,齊軍茹*
乳化劑在現(xiàn)代食品工業(yè)中扮演重要的角色,在乳制品、醬汁及冰淇淋等甜品的工藝中應用廣泛。多種蛋白質由于其兩親性結構和表面活性而具有良好的乳化性,蛋白吸附于油水界面阻止油滴的聚集,被視為環(huán)境友好型乳化劑。然而,蛋白的乳化活性在等電點或者高溫和高鹽的加工條件下大幅度降低。國內外學者討論了美拉德反應的方法對糖基化產物物化性質的影響,如干熱、濕熱及超聲輔助等方法,以及糖基化產物在水包油乳化劑和作為活性物質包封、運輸載體方面的熱點應用[1]。
多糖對蛋白的修飾在其乳化性應用上取得巨大的成就[2-7]。大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)與麥芽糊精和阿拉伯膠干熱產物都顯著提高了乳液的乳化穩(wěn)定性[2];大豆乳清蛋白與葫蘆巴膠糖基化產物的粒徑在蛋白等電點和高鹽條件下顯著減小,并且證明了熱處理糖基化產物后(75 ℃和85 ℃)制備的乳液的性能更加穩(wěn)定[3]。近些年,花生蛋白借助其營養(yǎng)價值和良好的表面活性受到了廣泛的關注。花生蛋白與葡聚糖、麥芽糖共價接枝改善了花生蛋白在等電點的物化性質。在超聲輔助條件下,不同制備參數快速得到不同接枝程度花生蛋白-麥芽糊精糖基化產物,表面疏水性變化明顯,在乳化體系中的穩(wěn)定性提高[7]。但是其加工性能易受到環(huán)境改變的影響。
葡聚糖在溶液中呈中性,分子的主鏈結構由α(1→6)糖苷鍵連接葡萄糖單位聚合而成,葡聚糖分子中也可能含有少量α(1→2)和α(1→4)等糖苷鍵,α(1→6)糖苷鍵增加了葡聚糖的水溶性,每個葡聚糖分子都有一個還原末端可以和氨基酸發(fā)生接枝反應[8-11]。作為中性多糖的葡聚糖具有簡單的直鏈結構和良好的水溶性和穩(wěn)定性。此外,葡聚糖尚有清除游離基、抗輻射、溶解膽固醇,預防高脂血癥作用及抵抗濾過性病毒、真菌、細菌等引起的感染等作用,因此被廣泛應用在蛋白質和多糖的糖基化研究中[12-14]。
納米技術作為包埋活性物質的手段,能夠增強人體對活性物質的吸收和起到控釋的作用,在功能性食品和藥物學領域中越來越受到關注。納米包埋材料來源豐富,其中天然高分子材料,如固體脂、脂質體、蛋白質和多糖,由于其不同的特性及豐富的營養(yǎng)備受關注[15]。但是,可以廣泛獲得并且經濟環(huán)保的植物蛋白(主要是大豆蛋白)在其等電點的應用受到極大限制[16]。糖基化產物作為克服蛋白質在等電點不具溶解性的綠色包埋介質在國內外被廣泛研究。Yang Yuexi等[17]研究了大豆蛋白-大豆多糖增強了含有檸檬醛的水包油乳液的物理穩(wěn)定性。Feng Jin等[18]研究了關于通過美拉德反應制備卵白蛋白-葡聚糖納米凝膠提高姜黃素的生物利用價值,在等電點獲得的穩(wěn)定納米凝膠作為包封材料顯示出重要的意義。由于美拉德產物接枝程度不均一,是多種產物的混合體系,對其包埋效果產生一定的影響。
隨著“大分子擁擠”體系在蛋白-多糖型美拉德反應領域的廣泛研究,不同程度上達到了蛋白分子處于非聚集狀態(tài)的反應效果,顯著改善了糖基化產物的物化性能[19]。大分子擁擠體系產物在其功能上的應用效果也十分顯著,作為乳化劑及活性物質運送基質具有重要意義。很多研究已對美拉德型蛋白-多糖糖基化產物的反應參數進行了討論,大分子擁擠體系改變產物的接枝度,進而對其功能特性產生影響。在大分子擁擠體系的基礎上,通過分級分離手段獲得的糖基化產物的物化性質研究備受關注[20]。
本實驗將通過美拉德反應制備SPI-葡聚糖共價接枝物,并且根據在酸性條件下溶解度的差異將接枝物分離的產物應用于蛋白等電點附近水包油乳液及制備姜黃素納米顆粒體系中。著重研究等電點條件下制備的美拉德反應產物與中性條件下制備的產物在水包油乳化體系中的貯藏穩(wěn)定性和對疏水活性物質姜黃素的運載性能,比較兩組分在不同體系中的功能性質差異,為其工業(yè)應用提供指導。探討改變乳液pH值、添加鹽離子和熱處理對乳液穩(wěn)定性的影響;表征納米顆粒的荷載率、粒度、電位和微觀結構,對膠體和化學穩(wěn)定性進行對比,引入了一種新的包裝材料。
脫脂大豆粕 山東禹王有限公司;姜黃素(純度>90%) 美國Sigma公司。
高效液相色譜系統(tǒng)(2487高效液相泵、2487紫外雙波長檢測器) 美國Waters公司;Himac CR 22G高速冷凍離心機、CS150NX超速離心機 日本Hitachi公司;Alpha-4冷凍干燥機 德國Christ公司;Rapid N Dumas定氮儀法國Elementar公司;DYCZ-30垂直板電泳儀 北京六一儀器廠;UV2300紫外-可見分光光度計 上海天美公司;Nano-ZS激光動態(tài)粒度掃描儀、Mastersizer 2000激光粒度儀 英國Malvern公司;MultiMode SPM掃描電子顯微鏡 美國Veeco公司。
1.3.1 SPI的制備
根據Frankel等[21]的方法,從低溫脫脂豆粕中提取。蛋白含量使用凱氏定氮法測定約為(86.86±0.79)%(N含量×6.25)。
1.3.2 SPI-葡聚糖糖基化物的制備及分級分離
在大分子擁擠體系條件下,通過美拉德反應制備SPI-葡聚糖糖基化產物。將SPI與葡聚糖(1∶3,m/m)混合后分散于磷酸鹽緩沖溶液中(10 mmol/L,pH 6.8),質量濃度分別為5 g/100 mL和15 g/100 mL。溶液攪拌至充分溶解,于4 ℃過夜充分水化,恒溫95 ℃條件下加熱攪拌6 h,立即通過冰浴結束美拉德反應,得到樣品為美拉德產物(SPI-dextran conjugates,CON)。用1 mol/L HCl溶液調節(jié)糖基化產物pH值至4.5,攪拌2 h后離心(10 000×g,30 min),其中取上清液回調pH 6.8并透析、冷凍干燥后得到組分MC45。離心后沉淀以質量比1∶10的比例用磷酸緩沖液復溶,使用1 mol/L NaOH溶液調節(jié)pH值至6.5,10 000×g離心30 min,將上清液透析、冷凍干燥后得到組分MC65。采用Dumas法測得凍干的MC45和MC65樣品中蛋白質質量分數分別為4.21%和70.33%(干質量,N含量×5.71)。SPI與葡聚糖據上述比例混合、凍干,得到樣品為MIX。
1.3.3 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDSPAGE)分析
依據Laemmli[22]的方法進行SDS-PAGE。將樣品置于樣品緩沖液中(0.125 mol/L Tris-HCl緩沖液,含1 g/100 mL SDS,體積分數5%甘油溶液,體積分數2%2-巰基乙醇溶液和0.025 g/100 mL溴酚藍溶液),電泳前煮沸5 min,10 000×g離心10 min,取上清液上樣,上清液中蛋白質質量濃度為2.0 mg/mL,上樣量為10 μL。分離膠為13%,濃縮膠為5%。凝膠電泳于恒定電流條件下進行,樣品在濃縮膠中的電流設定為20 mA,樣品進入濃縮膠與分離膠界面后,將電流調節(jié)為40 mA,當電泳跑至距離電泳槽橡膠底邊約1.5 cm時,關閉電源。分別用考馬斯亮藍R-250試劑和PAS染色法對凝膠膠片進行蛋白質及糖染色。脫色完成后,對膠片拍照并進行分析。
1.3.4 分子質量分布測定
糖基化產物的生成及其分子質量分布使用高效液相色譜測定。SE-HPLC在Waters高效液相色譜系統(tǒng)中執(zhí)行,色譜柱為TSK G 4000 PW XL(300 mm×7.8 mm,10 μm)。其中流動相為磷酸鹽緩沖液(pH 7.2,50 mmol/L NaCl),樣品過濾膜(0.45 μm)后利用超聲脫氣,洗脫速率為0.6 mL/min,洗脫液在波長280 nm處檢測,柱溫25 ℃。氨基酸標準品分別用磷酸緩沖液配制為質量分數0.5%的標準樣品液,進樣量為20 μL。取0.05 g樣品用流動相配成質量濃度為5 g/L的樣液,高速離心(9 300×g,10 min),上清液過0.22 μm水相微孔濾膜過濾,按照上述色譜條件進行分析。用于繪制分子質量分布標準曲線的標準物質分別為:甲狀腺球蛋白(669 kDa)、鐵蛋白(430 kDa)、醛縮酶(158 kDa)、伴清蛋白(75 kDa)和卵白蛋白(43 kDa)。
1.3.5 乳液的制備
參考Zhu Dan等[19]的方法,并稍作修改。將SPI、MIX、CON、MC45和MC65樣品過夜水化,與純化的玉米油混合?;旌衔锿ㄟ^均質后(10 000×g,2 min)再通過高壓微射流處理2 次(40 MPa)。最后得到蛋白質量濃度為1 g/100 mL,油質量濃度為20 g/100 mL的乳液。在制備好的乳液中添加0.04 g/100 mL疊氮鈉抑制微生物的生長。
乳液的酸耐受性測定:將新鮮的乳液調節(jié)pH值為3.0~7.0。乳液的熱耐受性質測定:新鮮乳液調節(jié)pH值為3.0,30、50、70 ℃和90 ℃條件下進行熱處理,處理時間為30 min,處理后立即冷卻。離子濃度對乳液影響的測定:在新鮮的乳液中加入NaCl后使乳液中離子濃度為0、50、100 mmol/L和200 mmol/L,并且調節(jié)pH值為3.0。所有制備的乳液在室溫條件下放置24 h后測定。
1.3.6 粒度分布和Zeta電位測定
樣品的乳液采用Mastersizer 3000粒度分布儀測定乳狀液滴的粒徑大小。實驗采用d43,體積平均直徑來表征液滴平均粒徑。
樣品的Zeta電位采用Zetasizer Nano-ZS儀器測量。激光器為4 mV的He-Ne激光器,入射波長為633 nm,25 ℃條件下測量3 次取平均值。
1.3.7 姜黃素納米顆粒的制備
參考Patel等[23]的方法制備姜黃素納米顆粒。將樣品(蛋白質的質量濃度為1 mg/mL)分散于磷酸緩沖液中(10 mmol/L,pH 6.8),滴加溶于無水乙醇的姜黃素溶液(3 mg/mL)最終質量濃度為150 μg/mL。離心(4 ℃,10 000×g,20 min)后,將上清液避光保存于4 ℃待用。
1.3.8 復合納米顆粒姜黃素荷載量的測定
使用高效液相色譜系統(tǒng)進行荷載量分析,并連接紫外分光光度檢測器[24]。將姜黃素溶于甲醇,在20.0 mL容量瓶中定容,終質量濃度為1.0 mg/mL。將溶液超聲處理5 min。用甲醇(1.0 mg/mL)稀釋標準溶液,試樣制備不同質量濃度溶液備用(0.5~75.0 μg/mL)。
測定姜黃素的標準曲線為y=0.44x+0.001 5,x和y分別為吸光度和質量濃度(μg/mL),R2=0.999 4。取5 mg樣品加入5 mL無水乙醇中充分振蕩,以C18為分離柱,甲醇為流動相,利用高效液相色譜測定波長420 nm處的吸光度,根據標準曲線計算不同樣品的姜黃素質量濃度。取3 次結果平均值。
1.3.9 1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基清除能力測定
參考O’Regan等[25]的方法分析納米顆粒的抗氧化活性分析。用無水乙醇溶解19.72 mg姜黃素納米顆粒定容至50 mL,用無水乙醇稀釋10 倍備用;將稀釋至200 μg/mL樣品取1.5 mL和1.5 mL DPPH溶液充分混勻,靜置30 min,在波長517 nm處測定待測樣品的吸光度。DPPH自由基清除率按下式計算:
式中:A0和A1分別為蒸餾水和樣品反應液吸光度。
1.3.10 納米顆粒微觀結構分析
將樣品均勻黏附于掃描電子顯微鏡的樣品臺上進行噴金。對薄片進行拍照,拍照時的電壓為15 kV。
2.1.1 SDS-PAGE分析
圖1 蛋白質染色(A)和糖染色(B)的SDS-PAGE圖Fig. 1 SDS-PAGE patterns with protein staining (A) and carbohydrate staining (B)
通過SDS-PAGE鑒定共價復合物的形成,結果如圖1所示。蛋白質染色和糖染色分離膠的頂部產生高分子質量的產物,證明大分子糖基化產物的形成。蛋白染色中,MC45組分的條帶較MC65組分淺,而在糖染色中顯示出相近的糖含量,說明了MC45組分接枝程度較高。蛋白質染色中,MC65組分底端中有小分子物質存在,條帶較為分散。說明大分子體系條件下,蛋白發(fā)生水解生成小分子物質。糖基化物經過不同的pH值分級分離,得到的MC45組分中只存在大量高分子糖基化產物,而MC65中則存在較多小分子物質。
2.1.2 分子質量分析
圖2 糖基化分級分離組分的凝膠排阻色譜Fig. 2 Gel permeation chromatography of conjugates and control samples
如圖2所示,樣品在33 min左右出現(xiàn)的峰形為溶劑峰。糖基化產物及其分級分離產物的出峰時間比較集中,進一步說明其分子質量的分布比較集中。與MC45相比,MC65組分出現(xiàn)2 個峰,在20~28 min出現(xiàn)的峰為糖基化產物的分子質量分布區(qū)間,緊隨其后出現(xiàn)的小峰可能是糖基化過程中未反應及水解的蛋白組分,其平均分子質量為68 913 kDa。MC45組分的平均分子質量最大,為74 132 kDa,而SPI的平均分子質量為9 257 kDa。結合電泳分析可知,其多糖與蛋白的糖基化程度較高,同時存在的未反應葡聚糖分子的分子質量分布與MC45組分相近,故分子質量較高且分布集中。結合SDS-PAGE、分子質量分布結果分析以及Weng Jingyi等[20]的研究,大分子體系條件下制備的糖基化產物經過分級分離后制備得到的2 個組分顯示出不同的物化特征,對其功能特性可能產生較大影響。
2.2.1 pH值對不同糖基化產物穩(wěn)定的乳液性質影響
蛋白穩(wěn)定乳液的突出問題是乳液在蛋白等電點附近的絮凝。與天然蛋白相比,很多共價復合物已顯示出良好的酸耐受性能。然而,蛋白等電點附近乳液的穩(wěn)定性仍然沒有達到預期的效果。本實驗希望通過分級分離手段改善乳液的酸穩(wěn)定性。
圖3 pH值對SPI、MIX和不同條件分級分離糖基化產物穩(wěn)定乳液性質的影響Fig. 3 Influence of pH on the properties of the emulsions stabilized with SPI, MIX and SPI-dextran conjugates
如圖3所示,由SPI制備的乳液粒徑明顯受到pH值的影響,在等電點附近獲得最大值(SPI制備的乳液最大粒徑約為14 μm)。與中性條件下制備的乳液相比,當pH 4.5時,乳液的Zeta電位絕對值接近零,液滴間的相互排斥作用大大減弱,導致聚集作用增強。MIX制備乳液的Zeta電位與粒徑變化與SPI在不同pH值條件下變化趨勢幾乎相近,說明未發(fā)生共價結合的葡聚糖對SPI的乳化性影響較小。由此可見,SPI-葡聚糖非共價混合物的乳化性能借助于蛋白表面靜電相互排斥作用。
MC45組分制備的乳液平均粒徑為10 μm左右,并且不隨pH值的變化而變化。其Zeta電位值變化較小,絕對值接近零。以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是由于MC45組分中的多糖分子對蛋白表面電荷的屏蔽作用,導致乳液液滴表面凈電荷減少。MC45組分在SPI等電點附近優(yōu)越的乳化性質由于糖基化程度較高,為體系增加了空間位阻作用,同時展現(xiàn)了葡聚糖耐受pH值干擾的特性,油滴周圍覆蓋的糖層明顯削弱了酸性環(huán)境的不利影響。與天然蛋白相比,MC65組分制備的乳液液滴表面電荷較低,與未經過分級分離的糖基化產物相近。然而,MC65制備乳液的平均粒徑隨pH值變化顯著,在SPI等電點附近平均粒徑大于30 μm。由于其糖基化程度較低,空間位阻作用弱,并且組分中存在未參加糖基化過程的天然蛋白及水解物,導致乳液液滴聚集程度增加。在酸性環(huán)境中,葡聚糖的加入形成消耗性絮凝可能是MC65組分乳化穩(wěn)定性降低的原因。
通過研究pH值對分級分離糖基化產物穩(wěn)定乳液的研究,分級分離產物的乳化穩(wěn)定性結果差異明顯,對糖基化產物的功能特性開發(fā)應用具有指導意義。
2.2.2 離子濃度對不同糖基化產物穩(wěn)定的乳液性質影響
圖4 NaCl濃度對SPI、MIX和不同條件分級分離糖基化產物穩(wěn)定乳液的性質的影響Fig. 4 Influence of NaCl concentration on the properties of the emulsions stabilized with SPI, MIX and SPI-dextran conjugates
如圖4a所示,隨著離子濃度的增加,各組分制備的乳液液滴表面電荷顯著減小。其結果與很多糖基化物研究結果一致,鹽離子對帶電顆粒溶液或乳液有一定的屏蔽作用[26-27]。在酸性條件下,SPI及MIX的平均粒徑隨著離子濃度的增加而增加。結合Zeta電位分析結果,進一步說明未經過糖基化的葡聚糖加入對SPI的修飾作用較弱,不能有效改善其功能特性。MC45組分制備的乳液Zeta電位值表明其表面電荷受到離子濃度的影響極小,其平均粒徑也不受離子濃度的影響。MC45組分中葡聚糖與蛋白高效共價接枝,一定程度改變了蛋白的物化性質,進而對其乳化穩(wěn)定性產生了積極作用。MC65組分制備的乳液受離子濃度影響很大,一方面其糖基化程度低,多糖對蛋白的修飾作用不明顯,另一方面由于組分中存在可溶解的蛋白聚集物、天然蛋白及蛋白水解物等,導致其功能特性表征較差。
2.2.3 熱處理對不同糖基化產物穩(wěn)定的乳液性質影響
圖5 熱處理對SPI、MIX和不同條件分級分離糖基化產物穩(wěn)定乳液性質的影響Fig. 5 Influence of thermal treatment on the properties of the emulsions stabilized with SP, MIXI and SPI-dextran conjugates
如圖5所示,在酸性條件下,天然SPI制備的乳液經過熱處理后Zeta電位絕對值減小較其他組分明顯,平均粒徑隨著溫度的升高明顯增加。當SPI與葡聚糖通過糖基化反應形成共價復合物后,由于葡聚糖包裹在蛋白的表面,共價復合物制備的乳液液滴表面電荷變化較小。MC45組分制備的乳液平均粒徑在加熱過程中變化較小,表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性。而MC65組分制備的乳液平均粒徑在加熱溫度大于50 ℃時,粒徑明顯增大。
糖基化產物分級分離后在酸性條件下的乳化性質差異較大,對pH值、離子濃度以及溫度耐受性差異明顯。大分子體系環(huán)境中制備的糖基化產物經過分級分離對糖基化產物的研究具有重要意義。
2.3.1 荷載量分析
蛋白質-多糖納米復合物已經廣泛用于在過去幾十年中的藥物和營養(yǎng)物的遞送[28-29]。姜黃素是近年來備受關注的生物活性成分,但在水中溶解性較差,生物利用率極低,并且在胃腸液中易發(fā)生化學或代謝降解。如圖6所示,姜黃素水溶液渾濁,加入SPI、MIX和糖基化產物后溶液不同程度地澄清。結合姜黃素荷載量的結果,分析SPI、MIX和不同條件分級分離得到的糖基化產物對姜黃素荷載能力。中性條件下,MC45、MC65、CON 3 種復合納米顆粒的姜黃素荷載量較高,分別為18.37、30.21 μg/mg和24.62 μg/mg(表1)。與SPI和MIX相比,糖基化產物具有良好的荷載能力。已有研究證明,蛋白質用作親脂性化合物的物質空間,而由親水性片段組成的殼保護蛋白質免于在胃中的酶水解,并確保在腸內控制釋放。根據糖基化產物分離后得到不同組分的物化性質差異,親疏水平衡后對姜黃素表現(xiàn)的運載能力也不同,糖基化程度較高的MC45組分由于其親水性較強,故荷載量較低。
圖6 姜黃素水溶液和不同組分荷載姜黃素蛋白水溶液外觀圖Fig. 6 Visual observations of free curcumin and curcumin-loaded proteins
表1 SPI、MIX和分級分離糖基化產物包埋姜黃素的荷載量及粒度Table 1 Loading amount and size of curcumin in SPI-dextran conjugates
2.3.2 DPPH自由基清除率分析
圖7 SPI-葡聚糖分級分離糖基化產物DPPH自由基清除能力Fig. 7 DPPH scavenging capacity of soy dextran conjugates and fractions
姜黃素多酚類物質,具有很強的游離基清除能力,但是在強氧化條件易發(fā)生氧化而失去活性。需要特殊的包埋材料保護。如圖7所示,SPI和MIX組分在包埋姜黃素后對DPPH自由基的清除率接近,在50%~60%范圍內。而CON對DPPH自由基的清除率為15%左右,其對游離基的敏感度下降,對姜黃素起到保護作用。MC45和MC65組分DPPH自由基的清除率分別為8.43%和18.33%。與MC65比較,MC45荷載量較小,但是對姜黃素活性物質的保護作用增強,原因是等電點條件下得到的MC45組分糖基化程度高。根據Weng Jingyi[20]、Sasahara[30]等的研究,糖基化產物經過分級分離后的產物接枝程度不同,MC45包埋姜黃素提高DPPH游離基穩(wěn)定性的原因可能是由于其結構對外界氧化劑的隔絕作用增強,減少同外界的氧氣、光線以及氧化劑的接觸。
2.3.3 掃描電子顯微鏡分析
圖8 SPI-葡聚糖分級分離糖基化產物包埋姜黃素電子顯微鏡掃描圖Fig. 8 SEM photos of curcumin-loading nanoparticles with SPI-dextran conjugates and fractions
由圖8可知,SPI制備的姜黃素納米顆粒呈現(xiàn)典型冷凍干燥樣品無定型片狀結構。圖8b顯示大量海綿狀多孔結構,有利于樣品水化,提高樣品水溶解性,與本實驗前文研究結果一致。如圖8c所示,MC45組分包埋姜黃素納米顆粒中顯示較多的圓球形結構,放大倍數后可見完整的球狀結構,表明MC45通過反溶劑法包埋姜黃素主要形成了球狀納米顆粒(圖8e)。
大分子擁擠體系條件下,SPI和葡聚糖通過美拉德反應生成了糖基化產物,根據不同溶解度將產物分級分離得到MC45和MC65組分。兩組分的乳化穩(wěn)定性及制備得到的姜黃素納米顆粒性能存在較大差異。MC45穩(wěn)定的乳液對pH值、離子濃度和熱處理都具有較高的耐受性,MC65穩(wěn)定的乳液受環(huán)境因素干擾較大,乳化穩(wěn)定性較差。相反,利用反溶劑納米沉淀法制備的納米顆粒使姜黃素水溶性得到改善,并且MC65的荷載量大于MC45。相對表面疏水性較強的MC65與姜黃素的相互作用更強,對姜黃素的荷載量更高,MC45則荷載量較低。分離分級手段制備的糖基化產物為其應用提供更多的可能性,需要進一步的研究。
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