周慧穎 歐陽林娟 彭小松 朱昌蘭 陳小榮 傅軍如 邊建民 胡麗芳 賀浩華 賀曉鵬
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室;雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,南昌 330045)
支鏈淀粉作為稻米胚乳最主要的組分,是稻米品質(zhì)和淀粉理化特性的主要決定因素[1-3]。支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)包括平均鏈長(CL)、平均外部鏈長(ECL)、平均內(nèi)部鏈長(ICL)、A∶B值(每條B鏈上所具有的A鏈數(shù)目)、鏈長和鏈長分布等參數(shù)[4]。目前對稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究主要是利用凝膠層析法、熒光糖電泳法(基于毛細(xì)管電泳、基于測序儀)等測定支鏈淀粉的鏈長和鏈長分布[5-7]。利用酶法測定支鏈淀粉結(jié)構(gòu)是采用β-淀粉酶、異淀粉酶、普魯蘭酶這3種酶對支鏈淀粉進(jìn)行酶解,從而獲得β-淀粉酶水解率、CL、ECL、ICL、A∶B值等支鏈淀粉結(jié)構(gòu)參數(shù),這些參數(shù)可更好地反映支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)。已有研究利用酶法對葛根[8]、銀杏[9]及慈姑[10]的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定,而在水稻中利用酶法測定支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)鮮見報道。此外,前人在利用酶法測定葛根、銀杏及慈姑的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的具體過程中,酶解反應(yīng)條件存在一定差異,如在測定β-淀粉酶水解率時采用的β-淀粉酶用量分別是500、500、325 U,測定A∶B值時采用的異淀粉酶用量分別是2、80、80 U,且對酶解的最佳反應(yīng)時間沒有明確。本試驗對酶法測定稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的酶解反應(yīng)條件進(jìn)行了摸索和優(yōu)化,以期對稻米支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的測定和特性的研究提供參考。
1.1 材料和儀器
秈稻品種為昌恢121、南京11、桂朝2號、昌恢T025;粳稻為寧粳1號、常粳06-3、武育粳7號、日本晴。昌恢121、昌恢T025為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)育成的恢復(fù)系材料,其他品種均引自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。同期成熟種子收獲后曬干,存放3個月以上,用精米機(jī)充分研磨成精米后進(jìn)一步磨成米粉,采用賀曉鵬等[11]的方法進(jìn)行支鏈淀粉的分離和純化,得到純支鏈淀粉粉末后密封保存。
β-淀粉酶(EC 3.2.1.2)、普魯蘭酶(EC 3.2.1.41)、異淀粉酶(EC 3.2.1.68):Sigma-Aldrich公司。
SCINO-CT410旋風(fēng)式樣品磨:瑞典FOSS公司;TU-1810D紫外可見分光光度計:北京普析公司。
1.2 β-淀粉酶酶解反應(yīng)條件的優(yōu)化及稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率的測定
每個供試品種取5 mL離心管4個,加入純化的支鏈淀粉0.1 g分散于5 mL濃度為0.02 mol/L,pH 5.0的醋酸緩沖溶液中,分別加入300、400、500、600 U的β-淀粉酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫約48 h后,將反應(yīng)液沸水浴滅酶25 min,冷卻后測定體系中的還原力(麥芽糖當(dāng)量),以還原力不再增加的最低酶用量為優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。
每個供試品種取5 mL離心管1個,加入純化的支鏈淀粉0.1 g分散于5 mL濃度為0.02 mol/L,pH 5.0的醋酸緩沖溶液中,加入優(yōu)化酶用量的β-淀粉酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫,測定4 h至60 h不同反應(yīng)時間點酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間。每個樣品重復(fù)測定3次。
在酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,測定反應(yīng)體系中的總糖和還原力,重復(fù)3次,以不加酶的樣品同樣處理作為對照,計算稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率:
β-淀粉酶水解率=還原力(麥芽糖當(dāng)量)×100/總糖 (麥芽糖當(dāng)量)
1.3普魯蘭酶反應(yīng)條件的優(yōu)化及稻米支鏈淀粉CL、ECL、ICL的測定
每個供試品種取5 mL離心管4個,稱取22 mg純支鏈淀粉,加入濃度為0.05 mol/L, pH 5.0的醋酸緩沖液5 mL,充分混勻后加入2、4、6、8 U的普魯蘭酶,液面以1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫約24 h后,將反應(yīng)液沸水浴滅酶20 min,冷卻后測定體系中的還原力,以還原力不再增加的最低酶用量為優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。
每個供試品種取5 mL離心管1個,稱取22 mg純支鏈淀粉,加入濃度為0.05 mol/L, pH 5.0的醋酸緩沖液5 mL,充分混勻后加入優(yōu)化酶用量的普魯蘭酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫,測定4 h至32 h不同反應(yīng)時間段內(nèi)酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間。每個樣品重復(fù)測定3次。
在酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,測定反應(yīng)體系中的總糖和總還原力,重復(fù)3次,以不加酶的樣品同樣處理作為對照計算CL,同時根據(jù)所測定的β-淀粉酶水解率可以計算出支鏈淀粉的ECL和ICL。
CL=產(chǎn)物中的總糖(葡萄糖當(dāng)量)/產(chǎn)物中的總還原力(葡萄糖當(dāng)量)
ECL=CL ×β-淀粉酶水解率+2.0
ICL=(CL-ECL)-1.0
1.4 β-淀粉酶和普魯蘭酶酶解溫度的確定
根據(jù)所購β-淀粉酶和普魯蘭酶的質(zhì)檢報告,β-淀粉酶和普魯蘭酶的推薦反應(yīng)溫度分別為20 ℃和25 ℃,杜先鋒等[8]、敖自華等[9]采用β-淀粉酶、普魯蘭酶進(jìn)行水解反應(yīng)時,采用的反應(yīng)溫度均為37 ℃。為此,在β-淀粉酶和普魯蘭酶酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,設(shè)置20、37 ℃和25、37 ℃兩種溫度,測定不同品種在兩種反應(yīng)溫度下酶解產(chǎn)生的還原力,明確β-淀粉酶和普魯蘭酶酶解反應(yīng)的最佳溫度。每個樣品重復(fù)測定3次。
1.5 支鏈淀粉A∶B值酶解反應(yīng)條件的優(yōu)化及測定
將測定β-淀粉水解率時的最終反應(yīng)液加入3倍體積無水甲醇,冰浴30 min后6 000 r/min離心5 min,傾去上清液,加入75%的甲醇沖洗沉淀,37 ℃恒溫干燥后用研缽磨成細(xì)粉,獲得支鏈淀粉β-極限糊精。稱取5 mg β-極限糊精粉末于2 mL離心管中,加入200 μL蒸餾水,沸水浴中加熱攪拌10 min后,加入濃度為0.04 mol/L,pH 4.5的醋酸緩沖液,再次置沸水浴中加熱攪拌10 min,冷卻至室溫,制成1 mg/mL的β-極限糊精溶液。
每個供試品種取2 mL離心管5個,量取β-極限糊精溶液1 mL,首先分別加入2、10、50、100、150 U的異淀粉酶進(jìn)行第一步脫支水解,37 ℃水浴保溫,24 h后將反應(yīng)液置沸水浴中25 min滅酶,冷卻后測定反應(yīng)液中的還原力,以還原力不再增加的最低酶用量為異淀粉酶優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。
每個供試品種取2 mL離心管1個,量取β-極限糊精溶液2 mL,加入優(yōu)化酶用量的異淀粉酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫,測定4 h至32 h不同反應(yīng)時間段內(nèi)酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間,此時反應(yīng)液中的還原力為C1。每個樣品重復(fù)測定3次。
在異淀粉酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,每個供試品種取2 mL離心管4個,取異淀粉酶水解后的反應(yīng)液 1 mL,再次分別加入0.6、0.8、1、1.2 U的普魯蘭酶第二步脫支水解,37 ℃水浴保溫,24 h后將反應(yīng)液置沸水浴中25 min滅酶,冷卻后測定反應(yīng)液中的還原力,以還原力不再增加的最低酶用量為普魯蘭酶優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。
在異淀粉酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,每個供試品種取2 mL離心管1個,取異淀粉酶水解后的反應(yīng)液1 mL,向每個供試品種的體系中加入優(yōu)化酶用量的普魯蘭酶,測定4 h至32 h不同反應(yīng)時間點酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間,此時反應(yīng)液中的還原力為C2,每個樣品重復(fù)測定3次。
根據(jù)測定的C1、C2可計算出稻米支鏈淀粉的A∶B值:
C1=B+0.5A
C2=B+A
2.1稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定的最適反應(yīng)條件
2.1.1 β-淀粉酶水解率測定的最適酶用量
圖1為8種稻米支鏈淀粉分別加入300、400、500、600 U β-淀粉酶的反應(yīng)體系37 ℃酶解48 h后的還原力(麥芽糖當(dāng)量)測定結(jié)果。從圖1中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為500 U時開始,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大??梢姡瑢τ?.1 g的稻米支鏈淀粉,測定β-淀粉酶水解率時β-淀粉酶的最適酶用量為500 U,與測定葛根、銀杏支鏈淀粉β-淀粉酶水解率的酶用量(500 U)相同[8-9],大于測定慈姑支鏈淀粉β-淀粉酶水解率的酶用量(325 U)[10]。
注:數(shù)據(jù)為平均值,短線表示均方差,不同小寫字母代表處理間達(dá)顯著差異水平(P<0.05),余同。圖1 稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定時β-淀粉酶用量與還原力生成的關(guān)系
2.1.2 β-淀粉酶水解率測定的最適反應(yīng)時間
圖2為8種稻米支鏈淀粉加入β-淀粉酶500 U,37 ℃水浴酶解后,4 h至60 h不同反應(yīng)時間點酶解反應(yīng)體系中還原力(麥芽糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖2中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,水解初期,還原力增加較快,而后逐漸緩慢,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到48 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再而增加??梢?,對于0.1 g的稻米支鏈淀粉,測定β-淀粉酶水解率時的最適酶解時間為48 h。
圖2 稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定時酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系
2.1.3 β-淀粉酶水解率測定的最適反應(yīng)溫度
圖3為8種稻米支鏈淀粉分別在20、37 ℃兩種水浴溫度下(酶用量500 U,反應(yīng)時間48 h)的還原力的測定結(jié)果。從圖3中可以看出,反應(yīng)體系溫度為37 ℃時,8個品種的還原力均大于20 ℃時的還原力??梢姡瑢τ?.1 g的稻米支鏈淀粉,測定β-淀粉酶水解率時的最適反應(yīng)溫度為37 ℃。
圖3 稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定時不同反應(yīng)溫度下的還原力
2.2 稻米支鏈淀粉鏈長測定的最適反應(yīng)條件
2.2.1 CL測定的最適酶用量
圖4為8種稻米支鏈淀粉分別加入2、4、6、8 U普魯蘭酶的反應(yīng)體系37 ℃酶解24 h后的還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖4中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為4 U時開始,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大??梢?,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,測定CL時的普魯蘭酶最適酶用量為4 U,與測定銀杏支鏈淀粉CL的酶用量(4 U)相同[9],大于測定慈姑支鏈淀粉CL的酶用量(3 U)[10]。
圖4 稻米支鏈淀粉CL測定時普魯蘭酶用量與還原力生成的關(guān)系
2.2.2 CL測定的最適反應(yīng)時間
圖5為8種稻米支鏈淀粉加入普魯蘭酶4 U,37 ℃水浴酶解后, 4 h至32 h不同反應(yīng)時間點內(nèi)酶解反應(yīng)體系中還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖5中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到24 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再增加。可見,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,測定CL時的最適酶解時間為24 h。
圖5 稻米支鏈淀粉CL測定時酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系
2.2.3 CL測定的最適反應(yīng)溫度
圖6為8種稻米支鏈淀粉在25、37 ℃兩種水浴溫度下(酶用量4 U,反應(yīng)時間24 h)的還原力測定結(jié)果。從圖6中可以看出,反應(yīng)體系溫度為37 ℃時,8個品種的還原力均大于25 ℃時的還原力??梢?,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,測定CL時的最適反應(yīng)溫度為37 ℃。
圖6 稻米支鏈淀粉CL測定時不同反應(yīng)溫度下的還原力
2.3 A∶B值最適反應(yīng)條件的優(yōu)化及測定
2.3.1 A∶B值測定時異淀粉酶的的最適酶用量
圖7為8種稻米β-極限糊精溶液分別加入2、10、50、100、150 U異淀粉酶的反應(yīng)體系37 ℃酶解24 h后的還原力(葡萄糖當(dāng)量)測定結(jié)果。從圖7中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為100 U時,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大。可見,對于1 mL濃度為1 mg/mL的稻米β-極限糊精溶液,測定A∶B值時異淀粉酶的最適酶用量為100 U,高于測定銀杏、慈姑支鏈淀粉的酶用量(80 U)和葛根支鏈淀粉的酶用量(2 U)[8-10]。
圖7 稻米支鏈淀粉A∶B測定時異淀粉酶用量與還原力生成的關(guān)系
2.3.2 A∶B值測定時異淀粉酶的最適反應(yīng)時間
圖8為8種稻米β-極限糊精溶液加入異淀粉酶100 U,37 ℃水浴酶解后,4 h至32 h不同反應(yīng)時間點酶解體系中還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖8中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到24 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再增加??梢?,對于1 mL濃度為1 mg/mL的β-極限糊精溶液,測定A∶B值時的最適酶解時間為24 h。
圖8 稻米支鏈淀粉A∶B值測定時異淀粉酶酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系
2.3.3 A∶B值測定時普魯蘭酶的最適酶用量
圖9為8種稻米異淀粉酶水解反應(yīng)液再次分別加入0.6、0.8、1、1.2 U普魯蘭酶進(jìn)行第二步脫支水解,反應(yīng)體系37 ℃酶解24 h后的還原力(葡萄糖當(dāng)量)測定結(jié)果。從圖9中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為1 U時,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大。可見,對于1 mL異淀粉酶水解后的反應(yīng)液,測定A∶B時普魯蘭酶的最適酶用量為1 U,與測定銀杏支鏈淀粉的酶用量(1 U)相同[9],高于測定葛根支鏈淀粉的酶用量(0.6 U)[8]。
圖9 稻米支鏈淀粉A∶B測定時普魯蘭酶用量與還原力生成的關(guān)系
2.3.4 A∶B值測定時普魯蘭酶的最適反應(yīng)時間
圖10為種稻米異淀粉酶水解反應(yīng)液再次加入普魯蘭酶1 U,37 ℃水浴酶解后,4 h至32 h不同反應(yīng)時間點酶解體系中還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖10中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到24 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再增加。可見,對于1 mL異淀粉酶水解后的反應(yīng)液,測定A∶B時的最適酶解時間為24 h。
圖10 稻米支鏈淀粉A∶B值測定時普魯蘭酶酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系
2.4 8個水稻品種的支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)
表1為根據(jù)優(yōu)化的反應(yīng)條件利用酶法測定的8個水稻品種的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)參數(shù),由表1可見,8個水稻品種的β-淀粉酶水解率變幅為51.22%~62.86%,其中昌恢121最大,寧粳1號最?。籆L的變幅為18.31~20.83,ECL的變幅為11.38~14.82,兩者中均為南京11最大,寧粳1號最?。籌CL的變幅為4.57~5.93,寧粳1號最大,昌恢121最小;A∶B值的變幅為1.05~1.67,常粳06-3最大,昌恢T025最小。
表1 參試水稻品種的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)
利用酶法測定支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本原理首先是利用β-淀粉酶作用于支鏈淀粉的α-1,4-糖苷鍵形成了β-限制糊精,并獲得β-淀粉酶水解率;利用普魯蘭酶作用支鏈淀粉的α-1,6-糖苷鍵使支鏈淀粉脫支成為直鏈片段,獲得CL;利用異淀粉酶作用于α-1,6-糖苷鍵先水解β-限制糊精中大于三個葡萄糖單位構(gòu)成的側(cè)鏈,再用普魯蘭酶進(jìn)一步水解兩個以上葡萄糖單位構(gòu)成的側(cè)鏈,這樣經(jīng)過異淀粉酶和普魯蘭酶共同作用后可以使β-極限糊精完全脫支,以此通過計算得到 A與B 鏈的比值。杜先鋒等[8]測定葛根支鏈淀粉β-淀粉酶水解率時,β-淀粉酶用量為500 U,反應(yīng)時間約48 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定A∶B值時,異淀粉酶用量為2 U,反應(yīng)時間為15 h,普魯蘭酶用量為0.6 U,反應(yīng)時間為24 h。敖自華等[9]測定銀杏支鏈淀粉β-淀粉酶水解率時,β-淀粉酶用量為500 U,反應(yīng)時間約44 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定CL時,普魯蘭酶用量為4 U,反應(yīng)時間約24 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定A∶B值時,異淀粉酶用量為80 U,反應(yīng)時間為20 h,普魯蘭酶用量為1 U,反應(yīng)時間為15 h。王素雅等[10]測定慈姑支鏈淀粉β-淀粉酶水解率時,β-淀粉酶用量為325 U,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定CL時,普魯蘭酶用量為3 U,反應(yīng)溫度為37 ℃。本研究表明,0.1 g的稻米支鏈淀粉水解時,β-淀粉酶的最適用量為500 U,反應(yīng)時間為48 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定CL時,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,普魯蘭酶的最適用量為4 U,反應(yīng)時間為24 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;對于1 mL濃度為1 mg/mL的稻米β-極限糊精溶液,先用100 U異淀粉酶對其進(jìn)行水解,反應(yīng)24 h 后加熱使酶失活,再用1 U普魯蘭酶進(jìn)行第二步脫支水解,反應(yīng)24 h后進(jìn)行A∶B值的測定可以取得較好的效果。研究結(jié)果對于了解支稻米鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu),揭示稻米食用品質(zhì)形成的機(jī)理都具有應(yīng)用價值。
本文優(yōu)化了酶法測定稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的各項反應(yīng)條件。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了稻米支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的測定,8個參試品種中,β-淀粉酶水解率的變幅為51.22~62.86%,CL的變幅為18.31~20.83,ECL的變幅為11.38~14.82,ICL的變幅為4.57~5.93,A∶B值的變幅為1.05~1.67。
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