姚海霞,齊斌,黃友如,王立梅
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130118)(2.常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,江蘇常熟 215500)
竹豆(bamboo bean)又名爬豆、飯豆和蔓豆等,屬豆科類草本植物,豇豆屬,生長在低海拔高溫高濕的熱帶和亞熱帶地區(qū),我國主要分布在云南、山西、貴州和陜西等地區(qū)。與綠豆、小豆相比,竹豆具有抗蟲害、耐酸鋁、產(chǎn)量高、適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)勢[1],適合在干旱、高溫、土壤貧瘠地區(qū)種植。竹豆富含淀粉、蛋白質(zhì)、鈣、磷、鐵及粗纖維、維A原、維生素B1、維生素B2和維C等[2]。竹豆的營養(yǎng)質(zhì)量比許多其他豇豆屬類高,主要是由于蛋白質(zhì)和必需氨基酸含量高,且抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)如植酸磷,多酚水平、皂苷和胰蛋白酶抑制劑在竹豆中也相對(duì)低于其他豆類食物[3]。竹豆不僅營養(yǎng)豐富,而且還具有“利水、除濕和排血膿,消腫解毒”的功效,對(duì)治療水腫、腳氣、黃疸、便血和癰腫等病有明顯作用[4]。竹豆還具有抗氧化力和抗糖尿病潛力,它對(duì)α-葡萄糖苷酶具有抑制活性,可以抑制晚期糖基化終產(chǎn)物的形成,在食品保健與醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。
然而,竹豆作為一種夏季高產(chǎn)綠肥,其副產(chǎn)物竹豆籽粒一直被用作飼料,造成植物蛋白資源的巨大浪費(fèi)。目前,國內(nèi)外對(duì)竹豆的農(nóng)藝性狀[6]、栽培措施[7]和種質(zhì)資源多樣性[8]等均有報(bào)道,但關(guān)于竹豆蛋白的研究報(bào)道幾乎沒有。同時(shí),植物清蛋白的研究大多集中在蕓豆[9]、綠豆[10]、米糠[11]和菜籽粕[12]等農(nóng)作物,圍繞提取工藝、功能性質(zhì)研究展開,關(guān)于清蛋白的性質(zhì)及二級(jí)結(jié)構(gòu)研究甚少,因此充分了解竹豆清蛋白的性質(zhì)及結(jié)構(gòu),對(duì)其在食品中的開發(fā)應(yīng)用具有重要意義。
本文通過闡明竹豆清蛋白的氨基酸組成、亞基分子量分布情況,研究不同pH下的熱學(xué)性質(zhì),采用傅里葉紅外對(duì)其二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,為竹豆清蛋白的功能特性研究及其應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
竹豆:購于云南昆明蘭姐特產(chǎn)店;聚丙烯酰胺凝膠快速配制試劑盒:碧云天生物技術(shù)研究所;其他試劑均為分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
磁力加熱攪拌器:蘇州賽恩斯 IKA儀器有限公司;高速冷凍離心機(jī):CR22GⅡ,日本HITACHI公司;紫外可見分光光度計(jì):UVmini-1240,日本SHIMADZU公司;冷凍干燥機(jī):Alpha 1-2 LD plus,德國CHRIST公司;pH計(jì):Seven Easy S20K,瑞士METTLER TOLEDO 公司;分析天平:XS105DualRange,瑞士METTLER TOLEDO公司;電泳儀:Mini-PROTEAN Tetra,美國Bio-Rad伯樂公司;綜合熱分析儀:TAQ2000,美國TA公司;傅里葉紅外光譜儀:NICOLET IS10,美國熱電Thermo公司。
1.2.1 竹豆清蛋白的制備
根據(jù)Osborne分級(jí)提取工藝[13],取100 g脫脂竹豆于2 L燒杯中,按料液比1:10加入600 mL去離子水,置于恒溫磁力加熱攪拌器中,45 ℃攪拌浸提1 h,離心(10000 r/min、4 ℃、20 min)取上清液,沉淀再按料液比1:10重復(fù)浸提1次,合并兩次上清液。用1 mol/L HCl將其pH調(diào)至等電點(diǎn)4.0處,靜置30 min離心(10000 r/min、4 ℃、20 min),所得沉淀用適量去離子水溶解,用1 mol/L NaOH回調(diào)pH至7.0,4 ℃下透析48 h,冷凍干燥后得竹豆清蛋白。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,結(jié)果取平均值,采用凱氏定氮法測得竹豆清蛋白的純度為88.75%(干基)。
1.2.2 竹豆清蛋白的氨基酸組成
采用酸水解法測17種氨基酸,步驟如下:準(zhǔn)確稱取100 mg的樣品(精確到0.0001 g),置于水解管中,加8 mL的6.0 mol/L鹽酸。充氮?dú)? min后旋緊膠塞。將水解管封口于120 ℃烘箱中水解22 h,再加4.8 mL 10M NaOH中和,用蒸餾水定容至50 mL。過濾后離心(10000 r/min、4 ℃、15 min),取上清測樣。采用堿水解法測色氨酸,稱取相同重量樣品,加 8 mL 5 mol/L NaOH水解,再加6.7 mL 6 mol/L HCL中和,其他步驟同上。
色譜條件:Agilent Hypersil ODS柱(5 μm,4.0 mm×250 mm);流動(dòng)相A:27.6 mmol/L醋酸鈉-三乙胺-四氫呋喃體積比為(500:0.11:2.5),流動(dòng)相B:80.9 mmol/L醋酸鈉-甲醇-乙腈體積比為(1:2:2);流速為1 mL/min;柱溫:40 ℃;紫外檢測器(VWD)檢測波長為338 nm,以外標(biāo)法進(jìn)行定量。
1.2.3 竹豆清蛋白的SDS-PAGE電泳
準(zhǔn)確稱取清蛋白10 mg,溶于2 mL水中,35 ℃下超聲提取15 min,離心(4000 r/min,15 min)取上清。取80 μL上清液,加入20 μL上樣緩沖液(Sample Loading Buffer×5),再加入2 μL的巰基乙醇,沸水浴下進(jìn)行5~10 min,使其充分變性。冷卻至室溫后再離心(12000 r/min,5 min),取10 μL上清液上樣。采用晶彩生物的蛋白電泳凝膠制備試劑盒進(jìn)行制膠,進(jìn)行不連續(xù)垂直電泳,濃縮膠采用60 V、30 min,分離膠采用100 V、1.5 h。待溴酚藍(lán)條帶移動(dòng)到距離分離膠下邊緣1 cm左右時(shí)關(guān)閉電源,結(jié)束電泳,凝膠進(jìn)行考馬斯亮藍(lán)G-250染色,脫色后拍照保存。
1.2.4 竹豆清蛋白的熱變性
取10 mg左右的竹豆清蛋白,溶于100 μL 0.01 mol/L的不同pH的磷酸緩沖液中,充分混勻。準(zhǔn)確稱取10 mg左右的樣品于鋁盤中,密封鋁盤,以空鋁盤作參比,采用氮?dú)?,?0 ℃加熱至120 ℃,升溫速率為5 ℃/min,試驗(yàn)重復(fù)三次。記錄曲線峰值點(diǎn)溫度,即蛋白變性溫度Td,采用儀器自帶分析軟件計(jì)算吸熱曲線形成峰的面積,即焓變值ΔH。
1.2.5 竹豆清蛋白的FT-IR測定
采用溴化鉀壓片法:在暖燈下,取1 mg竹豆清白與100 mg KBr混勻研磨,充分干燥除去水分,均勻壓制成片,采用omnic軟件進(jìn)行樣品采集。光譜掃描范圍為400~4000 cm-1,分辨率為4 cm-1。
圖譜處理:取1700~1600 cm-1的酰胺Ⅰ帶圖譜,用PeakFit v4.12軟件進(jìn)行分析。對(duì)曲線依次進(jìn)行平滑、基線校正、Gaussian去卷積、二階導(dǎo)數(shù)擬合數(shù)據(jù)處理。
試驗(yàn)結(jié)果采用Origin 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理,SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和差異顯著性分析。
表1 竹豆清蛋白的氨基酸組成分析Table 1 Amino acid composition of bamboo bean albumin
由表1可知,竹豆清蛋白氨基酸含量豐富,種類齊全,含有18種人體所需氨基酸及8種人體必需氨基酸,富含谷氨酸、天門冬氨酸、亮氨酸和賴氨酸,是一種具有開發(fā)食用前景的植物蛋白資源。其中,谷氨酸含量最高,占18.35%;天門冬氨酸次之,占11.73%;半胱氨酸的含量最少,僅有0.11%。非極性氨基酸(即纈氨酸、脯氨酸、丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸和色氨酸)占38.98%;不帶電荷的極性氨基酸(即甘氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸,天冬酰胺和谷氨酰胺除外)含量占13.90%;帶正電荷的極性氨基酸(即賴氨酸、精氨酸和組氨酸)含量占16.93%;帶負(fù)電荷的極性氨基酸(即天冬氨酸與谷氨酸)含量占30.08%;必需氨基酸(即蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸和色氨酸)含量占39.96%;
而所必需的半必需氨基酸(即精氨酸、組氨酸)含量占9.48%。根據(jù)表1數(shù)據(jù),能夠計(jì)算出必需氨基酸/氨基酸總量(E/T)為39.96%,必需氨基酸/非必需氨基酸(E/N)的值為66.55%。這與FAO/WHO[14]提出的必需氨基酸占總氨基酸的比值為40%、必需氨基酸與非必需氨基酸的比值為60%以上的參考蛋白模式相符,說明竹豆清蛋白屬于一種優(yōu)質(zhì)的植物蛋白。
圖1 竹豆清蛋白的SDS-PAGE還原電泳Fig.1 SDS-PAGE profile of bamboo bean albumin
竹豆清蛋白的SDS-PAGE電泳圖如圖1所示,通過Image Lab軟件,將蛋白質(zhì)Marker的分子量對(duì)數(shù)與條帶相對(duì)遷移率作標(biāo)準(zhǔn)曲線:y=-2.4*x+2.88,R2=0.9833(y為條帶相對(duì)遷移率,x為分子量對(duì)數(shù))。將竹豆清蛋白條帶相對(duì)遷移率帶入上式,計(jì)算其主要亞基分子量。
如表2所示,竹豆清蛋白含有9個(gè)亞基條帶,分別為113.3 ku、103.5 ku、94.6 ku、49.6 ku、35.3 ku、32.3 ku、27.6 ku、24.0 ku、19.7 ku。其中最主要亞基分布在 49.6 ku和 27.6 ku,分別占總量的 61.1%和20.6%,這與李永武提取的綠豆清蛋白[10]亞基分子量分布相似。
表2 SDS-PAGE竹豆清蛋白分子量分布表Table 2 Molecular weight distribution table of bamboo bean albumin obtained by SDS-PAGE
蛋白天然結(jié)構(gòu)的改變及變性過程常伴隨著焓變,常采用差示熱量掃描(DSC)來進(jìn)行監(jiān)控。在DSC譜圖中,最大峰對(duì)應(yīng)的溫度即變性溫度(Td),代表蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性[15]。由圖1和表3可知,竹豆清蛋白的變性溫度(Td)從高到低依次對(duì)應(yīng) pH:7>5>9,在pH=7.0時(shí)最高,達(dá)到100.6 ℃,熱穩(wěn)定性最強(qiáng)。這是因?yàn)楫?dāng)pH在5~7時(shí),接近蛋白原生環(huán)境,蛋白所帶凈電荷少,靜電排斥力相當(dāng)?shù)?,其天然結(jié)構(gòu)未被破壞,蛋白較穩(wěn)定。而在pH=9時(shí),大量凈電荷誘導(dǎo),靜電排斥力增加,導(dǎo)致蛋白質(zhì)展開,發(fā)生部分變性,熱穩(wěn)定性降低。
圖2 pH對(duì)竹豆清蛋白熱變性的影響Fig.2 Effect of pH on thermal denaturation of bamboo bean albumin
表3 pH對(duì)竹豆清蛋白Td和ΔH的影響Table 3 Effect of pH on Td and ΔH of bamboo bean albumin
變性焓(ΔH)即樣品發(fā)生轉(zhuǎn)變前后吸熱峰的峰面積,反映蛋白質(zhì)分子的疏水性或親水性,同時(shí)也表征蛋白質(zhì)分子的聚集程度(反應(yīng)有序結(jié)構(gòu)比例)。它是蛋白質(zhì)變性過程中熱能變化的指標(biāo)值,主要反映在分子間氫鍵的斷裂和疏水作用,氫鍵斷裂吸熱,破壞疏水作用放熱[15]。由表3可知,竹豆清蛋白的變性焓(ΔH)從高到低依次對(duì)應(yīng)pH:5>7>9,說明變性焓(ΔH)隨pH的升高而降低,這與黎衛(wèi)[16]等對(duì)芡實(shí)谷蛋白熱學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果相符。pH=5.0時(shí),變性焓(ΔH)達(dá)到最大,為3.40 J/g,表明此時(shí)蛋白有序結(jié)構(gòu)比例最高[17]。這歸功于在這種pH下,蛋白靜電斥力較小,疏水基團(tuán)埋藏在蛋白質(zhì)內(nèi)部,疏水作用較小,蛋白結(jié)構(gòu)緊湊有序,熱變性時(shí)需吸收更多熱能,焓變值較大。而在pH=9.0時(shí),較強(qiáng)的靜電斥力使蛋白分子伸展,疏水基團(tuán)大量暴露,疏水作用增大,蛋白結(jié)構(gòu)從有序向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,發(fā)生部分變性,熱變性吸收的熱能減少,焓變值變小。總的來說,竹豆清蛋白在等電點(diǎn)附近及中性環(huán)境下,蛋白結(jié)構(gòu)有序緊湊,熱穩(wěn)定性更好,而在堿性條件下,蛋白易發(fā)生變性,無序結(jié)構(gòu)增多,熱穩(wěn)定性較差。
圖3 竹豆清蛋白的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrogram of bamboo bean albumin
由圖3可知,在3414 cm-1有強(qiáng)而寬的吸收峰,可能是蛋白質(zhì) N-H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)或者是醇羧基的O-H伸縮振動(dòng);2961 cm-1處有吸收,是烷烴CH3的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)。蛋白質(zhì)的肽鏈段屬于腫酰胺,當(dāng)?shù)鞍锥?jí)結(jié)構(gòu)以α螺旋為主時(shí),C=O伸縮振動(dòng)頻率在1651 cm-1,以β折疊為主時(shí),位于1637 cm-1左右,1641 cm-1處的吸收峰表明固態(tài)狀態(tài)下竹豆清蛋白的有序結(jié)構(gòu)以β折疊為主,這也與紅外擬合結(jié)果相一致[18]。1543 cm-1處的吸收可能源于 NH4+的不對(duì)稱變角振動(dòng)或者腫酰胺Ⅱ的C-N-H彎曲振動(dòng);1444 cm-1處的峰形尖而窄,可能是NH3+的對(duì)稱變角引起的,1401 cm-1的吸收峰可能是氨基酸化合物特征基團(tuán)COO引起的對(duì)稱伸縮導(dǎo)致;1239 cm-1處的吸收峰可能是清蛋白C-N的伸縮振動(dòng)或C=N=N的對(duì)稱伸縮振動(dòng);1076 cm-1的吸收峰可能是竹豆清蛋白中的直鏈C-C伸縮振動(dòng)或者雜質(zhì)糖類C-OH、C-O-C基團(tuán)的振動(dòng)引起的。617 cm-1處的吸收峰為雜質(zhì)峰,可能是磷酸鹽或硫酸鹽類引起的不對(duì)稱變角振動(dòng)。
蛋白質(zhì)紅外光譜圖上的特征吸收主要分為三組:1700~1600 cm-1、1580~1500 cm-1以及 1340~1220 cm-1,分別對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)的酰胺Ⅰ帶(C=O伸縮振動(dòng))、酰胺Ⅱ帶(C-N伸縮振動(dòng)和N-H變形)、酰胺Ⅲ帶(C-N伸縮振動(dòng))。
酰胺Ⅰ帶的吸收峰一般能反應(yīng)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),同時(shí)酰胺Ⅰ帶的譜峰指認(rèn)目前已經(jīng)比較成熟,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:β折疊(1610~1640 cm-1),無規(guī)卷曲(1640~1650 cm-1),α螺旋(1650~1658 cm-1),β轉(zhuǎn)角(1660~1700 cm-1)[19,20]。
本實(shí)驗(yàn)采用 KBr壓片法,在圖譜處理中,采用Savitsk-Golay函數(shù)平滑后,進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)和傅里葉去卷積,采用Gausse函數(shù)對(duì)譜圖進(jìn)行擬合,多次擬合使殘差最小。
圖4 竹豆清蛋白酰胺Ⅰ帶曲線擬合結(jié)果Fig.4 The curve fitting results of amideⅠband from bamboo bean albumin
如圖4所示,根據(jù)各子峰的積分面積與波譜對(duì)應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系,計(jì)算出二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對(duì)百分含量。
表4 傅里葉紅外(FT-IR)下竹豆清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)含量Table 4 Secondary structure content of bamboo bean albumin determined by Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR)
如表4所示,可知竹豆清蛋白中β轉(zhuǎn)角(33.59%)所占比例最高,其次是β折疊(31.38%),α螺旋(17.97%)和無規(guī)卷曲(17.07%)。其中α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角占蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的80%以上,無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)較少,因此可認(rèn)為竹豆清蛋白是一個(gè)高度有序且穩(wěn)定的蛋白質(zhì)[21]。這與蓮子清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)含量:β轉(zhuǎn)角36.96%,β折疊33.88%,α螺旋20.39%和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)8.77%相似[22]。通過FT-IR可知,該制備工藝下竹豆清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)以β折疊和β轉(zhuǎn)角為主,具有較少的α螺旋和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu),是一個(gè)高度有序且穩(wěn)定的蛋白質(zhì)。
竹豆清蛋白富含18種氨基酸,且人體必需氨基酸種類齊全、組成平衡,富含谷氨酸、天門冬氨酸、亮氨酸和賴氨酸,是一種具有開發(fā)食用前景的植物蛋白資源。竹豆清蛋白含有9個(gè)亞基,分子量分布較廣,主要集中在49.6 ku和27.6 ku處。pH對(duì)竹豆清蛋白熱學(xué)性質(zhì)影響顯著,其變性溫度(Td)在pH=7.0時(shí)最高,可達(dá)到100.6 ℃,熱穩(wěn)定最高;變性焓ΔH在pH=5.0時(shí)最大,表明此時(shí)有序結(jié)構(gòu)比例最高。傅立葉紅外結(jié)果顯示,竹豆清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)以β折疊和β轉(zhuǎn)角為主,具有較少的α螺旋和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。通過研究竹豆清蛋白的理化性質(zhì)及二級(jí)結(jié)構(gòu),可為其功能性質(zhì)的研究與應(yīng)用開發(fā)提供理論依據(jù),對(duì)其在食品生產(chǎn)加工、藥物生產(chǎn)或其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。
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