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        不同熱處理大豆蛋白柔性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

        2018-04-24 12:01:26徐曄曄王喜波江連洲
        食品科學(xué) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:巰基濁度水性

        王 健,徐曄曄,于 潔,張 旭,王喜波*,江連洲

        大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)由于其良好的功能性質(zhì)、營養(yǎng)價(jià)值及潛在的健康益處而一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn),并被廣泛應(yīng)用于食品的多個(gè)領(lǐng)域[1-3]。蛋白質(zhì)的柔性可以理解為蛋白質(zhì)所處外部環(huán)境變化時(shí),其結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生改變的能力,反映出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化的敏感性[4-6]。因其在決定蛋白功能性質(zhì)尤其是界面性質(zhì)中的關(guān)鍵作用而受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。Tang Chuanhe等[7]研究牛血清白蛋白結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)發(fā)現(xiàn),柔性越高的蛋白越易在界面形成更好的黏彈性蛋白膜,從而表現(xiàn)出更好的乳化性質(zhì)。Kato等[8]利用不同蛋白對胰蛋白的敏感性來表征柔性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)起泡性、乳化性與蛋白柔性具有較好的相關(guān)性。Tang Chuanhe[6]、Nakai[9]等認(rèn)為相比于表面疏水性,蛋白柔性在決定SPI乳化性時(shí)起著更為決定性的作用。江連洲[10]總結(jié)現(xiàn)有食用蛋白質(zhì)加工技術(shù),首次提出蛋白質(zhì)柔性化加工技術(shù)概念,即通過物理、化學(xué)及生物等加工方式改變蛋白質(zhì)天然的剛性結(jié)構(gòu),使其柔性化,從而提高蛋白的功能性質(zhì)。雖然柔性在蛋白質(zhì)功能性質(zhì)中的作用得到廣泛的關(guān)注[11-13],但用胰蛋白酶的敏感性表征蛋白柔性來研究柔性與蛋白結(jié)構(gòu)的關(guān)系還鮮有報(bào)道。

        柔性蛋白比剛性蛋白對胰蛋白酶更加敏感[8],本實(shí)驗(yàn)利用SPI對胰蛋白酶的敏感性表征柔性,研究不同熱處理?xiàng)l件對SPI柔性與結(jié)構(gòu)的影響,并分析它們之間的關(guān)系,以期為進(jìn)一步研究柔性在SPI結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)中的作用提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        大豆由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆研究所提供;三氯乙酸永華精細(xì)化學(xué)品有限公司;十二烷基硫酸鈉、Tris、胰蛋白酶、8-苯胺-1-萘磺酸(8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid,ANS)熒光探針 美國Sigma公司;5,5’-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(5,5’-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid),DTNB) 美國Merck公司;其他試劑均為分析純。

        1.2 儀器與設(shè)備

        T18 Basic型高速分散機(jī)/勻漿機(jī) 德國IKA公司;LD4-2A低速離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠;TU-1800型紫外-可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;ALPHA 1-4 LSC型冷凍干燥機(jī) 德國Christ公司;ALC-310.3型分析天平 德國艾科勒公司;紫外分光光度計(jì) 美國布魯克海文儀器公司;F-4500熒光分光光度計(jì) 日本日立公司;恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋 賽普實(shí)驗(yàn)儀器廠;滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠。

        1.3 方法

        1.3.1 SPI制備

        參照Sorgentini等[14]方法并略作改動(dòng)。大豆粉碎后過60 目篩,乙醚低溫脫脂,脫脂后豆粕與蒸餾水以1∶10(m/V)的比例混合,調(diào)pH值至8.5,室溫低速攪拌2 h溶解。4 000×g離心20 min,取上清液,調(diào)pH值至4.5,4 ℃靜置過夜,去上清液,4 000×g離心5 min,水洗沉淀,離心兩次,復(fù)溶后調(diào)pH值至7.0,冷凍干燥。

        1.3.2 SPI成分測定

        蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:GB 5009.5-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》中凱氏定氮法;水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:GB 5009.3-2010《食品中水分的測定》中直接干燥法;灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:GB 5009.4-2010《食品中灰分的測定》;粗脂肪的測定:GB/T 14772-2008《食品中粗脂肪的測定》。

        1.3.3 樣品制備

        將SPI溶于緩沖液(0.2 mol/L、pH 7.0磷酸鹽緩沖液),質(zhì)量濃度為20 mg/mL,室溫?cái)嚢? h,再用分散機(jī)10 000 r/min處理1 min,水化過夜。

        1.3.4 熱處理

        將制備好的SPI樣品在不同溫度60、70、80、90、100 ℃(水?。?21 ℃(滅菌鍋)下處理5、10、30 min,迅速用冰水冷卻5 min備用。

        1.3.5 柔性測定

        參照Kato等[15]的方法略作修改。利用SPI對胰蛋白酶的敏感性來表征并量化柔性。取250 μL 1 mg/mL胰蛋白酶(溶于0.05 mol/L、pH 8.0的Tris-HCl緩沖液)溶液加入到4 mL 1 mg/mL熱處理后蛋白溶液中(V(蛋白):V(酶)=16∶1),38 ℃保溫酶解5 min,酶解反應(yīng)結(jié)束后,加4 mL 體積分?jǐn)?shù)5% 三氯乙酸溶液終止酶解反應(yīng),離心后取上清液測定其在280 nm波長處吸光度,用吸光度A0表示柔性。

        1.3.6 濁度測定

        濁度的測定參照Kurganov等[16]的方法,并略作改動(dòng),將熱處理后的SPI樣品溶液用去離子水稀釋至3 mg/mL,混合均勻后于400 nm波長處測定其吸光度,即為濁度值。

        1.3.7 游離巰基含量測定

        游離巰基的含量測定參照Beveriger等[17]的方法,并略作改動(dòng)。取1 mL不同熱處理后SPI樣品(10 mg/mL)加入到5 mL的Tris-Gly緩沖溶液(0.086 mol/L Tris、0.09 mol/L甘氨酸、0.004 mol/L乙二胺四乙酸、8 mol/L尿素,pH 8.0)中,然后加入20 μL DTNB試劑,振蕩混勻,在室溫下靜止反應(yīng)15 min,412 nm波長處測定吸光度,以不加DTNB的溶液做空白調(diào)零。游離巰基含量按下式計(jì)算。

        式中:A412nm為412 nm波長處的吸光度;ρ為固形物質(zhì)量濃度/(mg/mL);D為稀釋系數(shù)。

        1.3.8 表面疏水性測定

        參照Hayakawa等[18]方法并略作改動(dòng)。用0.01 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)將SPI樣品溶液稀釋到0.100 00、0.050 00、0.002 50 mg/mL和0.001 25 mg/mL,然后加入20 μL的ANS(8 mmol/L,溶于0.01 mol/L的磷酸鹽緩沖液,pH 7.0)熒光探針,混勻后在室溫下避光15 min后測定樣品的熒光強(qiáng)度,設(shè)定激發(fā)波長為390 nm,發(fā)射波長為470 nm,狹縫寬度5 nm,測得的熒光強(qiáng)度對蛋白溶液質(zhì)量濃度作圖,選擇線性關(guān)系良好的回歸曲線斜率作為蛋白質(zhì)表面的疏水性指數(shù)。

        1.3.9 紫外光譜掃描

        參照Liang Haini等[19]的方法并略作改動(dòng)。熱處理后的SPI樣品稀釋至0.2 mg/mL后進(jìn)行紫外光譜掃描,波長范圍為250~310 nm,掃描速率為100 nm/min,分辨率為0.2 nm。

        1.3.10 內(nèi)源色氨酸熒光光譜

        參照Liu Yan等[20]的方法并略作改動(dòng),熱處理后的SPI樣品用10 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)稀釋到0.2 mg/mL進(jìn)行測定,設(shè)定激發(fā)波長為290 nm,發(fā)射波長范圍為300~460 nm,狹縫寬度均為2.5 nm,電壓為700 mV進(jìn)行熒光光譜掃描,所有測定重復(fù)3 次。

        1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

        每次實(shí)驗(yàn)做3 次平行,結(jié)果用 ±s表示,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件,組間差異顯著性采用t檢驗(yàn)分析(P<0.05);實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin 9.0軟件繪圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 SPI成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

        實(shí)驗(yàn)所制得的SPI蛋白質(zhì)、水分、灰分和粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(87.22±0.44)%、(3.24±0.67)%、(3.39±0.53)%和(0.47±0.56)%,符合實(shí)驗(yàn)要求。

        2.2 熱處理對SPI柔性與結(jié)構(gòu)的影響

        2.2.1 熱處理溫度對SPI柔性的影響

        圖1 不同熱處理?xiàng)l件對SPI柔性的影響Fig. 1 Flexibility of soy protein isolate under different heating treatment conditions

        由圖1可知,處理溫度低于80 ℃,熱處理對SPI柔性影響不顯著,當(dāng)溫度高于80 ℃,SPI柔性隨著處理溫度的增加和時(shí)間的延長而增加,在121 ℃、30 min時(shí)達(dá)到最大。有文獻(xiàn)表明SPI中7S變性溫度在70 ℃以上,而11S的變性溫度大約在95 ℃左右[21]。處理溫度低于70 ℃,熱處理不足以破壞SPI的剛性結(jié)構(gòu),所有熱處理對柔性影響不顯著,而高于80 ℃熱處理會(huì)破壞維系SPI剛性結(jié)構(gòu)的共價(jià)和/或非共價(jià)作用[21-22](如范德華力、氫鍵、靜電相互作用、二硫鍵、疏水作用等)從而造成SPI柔性的增加。

        2.2.2 熱處理溫度對SPI濁度的影響

        圖2 不同熱處理?xiàng)l件對SPI濁度的影響Fig. 2 Turbidity of soy protein isolate under different heating treatment conditions

        由圖2可知,隨著處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長,SPI濁度逐漸增加,并在100 ℃處理?xiàng)l件下達(dá)到最大,熱處理溫度高于100 ℃,隨著SPI柔性持續(xù)增加,濁度卻發(fā)生了顯著下降。Cromwell等[23]認(rèn)為濁度與溶液中聚集體大小和數(shù)量有關(guān),處理溫度在60~100 ℃,柔性的增強(qiáng)有利于SPI聚集體的形成而導(dǎo)致濁度的上升,處理溫度為121 ℃時(shí)柔性與濁度表現(xiàn)出相反的變化趨勢,可能是由于121 ℃高溫會(huì)使SPI形成較大的聚集體(實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有沉淀產(chǎn)生)從而導(dǎo)致濁度的下降,但會(huì)持續(xù)破壞維系SPI剛性結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵(如二硫鍵,圖3)從而導(dǎo)致SPI柔性的增加。

        2.2.3 熱處理溫度對SPI游離巰基含量的影響

        圖3 不同熱處理?xiàng)l件對SPI游離巰基含量的影響Fig. 3 Content of free sulfhydryl groups in soy protein isolate under different heating treatment conditions

        由圖3可知,熱處理溫度高于60 ℃,SPI游離巰基含量隨柔性上升而上升,在121 ℃處理5 min時(shí)達(dá)到最大,隨后游離巰基含量隨著時(shí)間的延長而下降。原因可能是當(dāng)SPI柔性上升到某一個(gè)值時(shí),柔性的增加反而有利于斷裂生成的游離巰基在冷卻過程中發(fā)生重排,形成新的二硫鍵,從而導(dǎo)致游離巰基含量的下降。

        2.2.4 熱處理溫度對SPI表面疏水性的影響

        由圖4可知,SPI表面疏水性與濁度表現(xiàn)出相同的變化趨勢,隨著處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長,SPI表面疏水性隨柔性增加逐漸增大,在處理溫度為100 ℃時(shí)達(dá)到最大,隨后又下降??赡艿慕忉尀樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)柔性的增加伴隨著原來隱藏在SPI內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露在外從而導(dǎo)致表面疏水性的上升,而在121 ℃處理?xiàng)l件下形成的柔性更大的松散肽鏈在冷卻過程中易發(fā)生疏水相互作用引起蛋白質(zhì)的疏水聚集,導(dǎo)致SPI表面疏水性的降低。121 ℃處理?xiàng)l件下SPI表面疏水性的降低和游離巰基含量上升的結(jié)果與Wang Jinmei等[24]研究結(jié)果相似,他們認(rèn)為在這種情況下聚集體更易由疏水相互作用穩(wěn)定,部分游離巰基內(nèi)卷于聚集體內(nèi)部,抑制了分子間二硫鍵的形成,以維持蛋白的柔性構(gòu)象。

        圖4 不同熱處理?xiàng)l件對SPI表面疏水性的影響Fig. 4 Surface hydrophobicity of soy protein isolate under different heating treatment conditions

        2.2.5 熱處理SPI的紫外光譜分析

        圖5 熱處理10 min SPI紫外吸收光譜Fig. 5 UV spectra of SPI with 10 min heating treatment

        蛋白質(zhì)產(chǎn)生紫外吸收光譜主要是由于色氨酸和酪氨酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)對紫外光的吸收作用,據(jù)蛋白質(zhì)對紫外光譜吸收的不同,可以推斷蛋白質(zhì)分子在溶液中構(gòu)象的變化[25]。由圖5可知,熱處理溫度在80~100 ℃范圍,SPI紫外吸收強(qiáng)度隨著柔性的增加而增加,表明隨柔性增加,SPI分子內(nèi)部發(fā)色基團(tuán)暴露在外部,SPI結(jié)構(gòu)變得更加舒展。而當(dāng)處理溫度上升到121 ℃過程中,紫外吸收強(qiáng)度隨柔性的繼續(xù)上升而下降(5、30 min處理?xiàng)l件結(jié)果相似),可能是因?yàn)榫奂w的形成(2.2.2節(jié))導(dǎo)致暴露在外部的發(fā)色基團(tuán)重新隱藏在內(nèi)部從而導(dǎo)致紫外吸收強(qiáng)度的降低[25]。

        2.2.6 熱處理SPI的內(nèi)源色氨酸熒光光譜分析

        圖6 熱處理10 min SPI內(nèi)源色氨酸熒光光譜Fig. 6 Typical intrinsic emission fluorescence spectra of SPI with 10 min heating treatment

        蛋白質(zhì)內(nèi)源熒光強(qiáng)度及發(fā)射波長主要取決于暴露于溶液環(huán)境中的酪氨酸和色氨酸殘基的極性,或者兩者之間的相互作用。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)展開,發(fā)色團(tuán)暴露于溶劑中會(huì)導(dǎo)致溶液熒光強(qiáng)度的降低[26-27]。由圖6可知,不同的熱處理?xiàng)l件,并沒有導(dǎo)致SPI在最大發(fā)射波長發(fā)生偏移。然而,熱處理溫度在60~100 ℃范圍,所有經(jīng)過熱處理的SPI樣品的熒光強(qiáng)度都降低,原因可能是熱處理導(dǎo)致SPI的柔性增加,使得更多的發(fā)色團(tuán)暴露于溶劑中發(fā)生熒光猝滅從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低,這與Liang Haini等[19]的研究結(jié)構(gòu)一致,他們認(rèn)為一定濃度尿素處理能降低牛血清白蛋白內(nèi)源性色氨酸熒光強(qiáng)度。而當(dāng)處理溫度繼續(xù)升到121 ℃時(shí),熒光強(qiáng)度隨柔性的繼續(xù)上升又有了輕微上升(5、30 min處理?xiàng)l件結(jié)果相似),這與2.2.5節(jié)的結(jié)果一致,推測也可能是由于較大聚集體的形成導(dǎo)致。

        2.3 SPI柔性與結(jié)構(gòu)關(guān)系分析

        相關(guān)性分析指出,當(dāng)熱處理溫度范圍在60~100 ℃時(shí),SPI柔性與濁度、游離巰基含量、表面疏水性呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)分別為0.956、0.954、0.954。SPI濁度、游離巰基含量與表面疏水性隨柔性上升而上升,其中濁度與柔性相關(guān)性最好,其次分別為游離巰基含量和表面疏水性。

        為進(jìn)一步確定SPI柔性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,將處理溫度在60~100 ℃的柔性與濁度、游離巰基含量、表面疏水性分別進(jìn)行曲線擬合,結(jié)果如圖7所示。

        圖7 SPI柔性與濁度(A)、游離巰基含量(B)、表面疏水性(C)擬合曲線Fig. 7 Fitting curves of turbidity (A), free sulfhydryl group content (B),and surface hydrophobicity (C) of SPI as a function of flexibility

        處理溫度在60~100 ℃范圍,SPI柔性與濁度、游離巰基含量、表面疏水性的多項(xiàng)式擬合模型函數(shù)分別為y=-1.937 57+10.640 22x-10.866 98x2、y=-42.404 3+210.036 8x-198.824 56x2、y=-1 674.016 59+8 421.410 56x-9 259.539 27x2,其中擬合度分別為0.911 24、0.902 59、0.915 15。濁度、游離巰基含量、表面疏水性在60~100 ℃范圍都能與柔性進(jìn)行較好的擬合,且擬合度都在0.900 00以上,表明SPI濁度、游離巰基含量和表面疏水性與柔性有較強(qiáng)的相關(guān)性。

        3 結(jié) 論

        熱處理溫度低于80 ℃時(shí),對SPI柔性影響不顯著,熱處理溫度高于80 ℃時(shí),SPI柔性隨處理溫度的增加和時(shí)間的延長而增加。

        熱處理溫度在60~100 ℃范圍,SPI柔性與濁度、游離巰基含量、表面疏水性呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)分別為0.956、0.954、0.954。熱處理溫度在100~121 ℃范圍時(shí),濁度、表面疏水性隨著柔性上升而下降,游離巰基含量隨著柔性的上升繼續(xù)上升,在121 ℃、5 min到達(dá)最大值,隨后又下降。

        熱處理溫度在80~100 ℃范圍時(shí),隨著SPI柔性的增加,其結(jié)構(gòu)更加舒展。

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