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        超聲輔助酶解高溫豆粕制備抗氧化產(chǎn)物

        2018-10-31 00:52:16于冬蕾李婷婷吳海波朱秀清石彥國萬兆祥劉春成
        食品科學 2018年20期
        關鍵詞:豆粕多肽蛋白酶

        于冬蕾,李婷婷,吳海波,2,朱秀清,2,*,石彥國*,萬兆祥,劉春成

        (1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.國家大豆工程技術研究中心,黑龍江 哈爾濱 150028;3.哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院,黑龍江 哈爾濱 150076)

        高溫豆粕是由大豆浸油后,經(jīng)高溫脫溶而得的副產(chǎn)品,它含有大豆中全部蛋白質(zhì),具有很高的開發(fā)和利用價值[1]。但由于煉油工藝中高溫脫溶步驟造成蛋白質(zhì)的熱變性,導致其蛋白質(zhì)溶解性較差。目前高溫豆粕主要用作飼料,少量用于發(fā)酵食品,未能發(fā)揮其潛在的應用價值,造成了資源的浪費[2]。

        酶法處理是改善豆粕營養(yǎng)品質(zhì)的有效方法,其作用條件溫和,不但能夠破壞或消除豆粕中的抗營養(yǎng)因子,且可將豆粕中蛋白質(zhì)等降解為小分子物質(zhì),在提升生物效價的同時賦予更多的生物活性[3-4]。已有研究表明,酶解高溫豆粕獲得的小分子活性物質(zhì)具有較高的抗氧化活性[5]。近年來,生物小分子抗氧化物質(zhì)以其分子質(zhì)量小、易吸收、活性高等特點越來越受到人們的青睞,成為研究的熱點之一[6-9]。

        超聲波在介質(zhì)中傳播時,會產(chǎn)生熱效應、機械效應和空化效應,引起介質(zhì)的一些特性變化[10]。因為上述特性,在促進活性成分的提取[11]、輔助酶解[12]和促進蛋白乳化[13]等方面起到顯著的效果,其中最為顯著的是在超聲輔助酶解方面,可以縮短酶解時間、提高酶解效率、增加產(chǎn)物得率[14]。目前已經(jīng)將超聲輔助酶解法應用到大豆[15]、麥麩[16]、紅豆[17]、核桃[18]以及花生[19]等植物中以制備得到抗氧化活性物質(zhì)。

        抗氧化性在食品中主要用于阻止或延緩油脂的自動氧化,還可防止食品在貯藏中因氧化而使營養(yǎng)損壞、褐變、褪色等[20]。因此,開發(fā)和利用天然食物源抗氧化物質(zhì)成為目前科研領域的研究熱點。近年來,相繼有學者以豆粕為原料,采用發(fā)酵[21]以及酶解[22]等方法制備抗氧化物質(zhì)。趙亞琦等[23]研究發(fā)現(xiàn)豆粕固態(tài)發(fā)酵-酶解產(chǎn)物能夠保持肉丸色澤,有效地抑制脂肪氧化及蛋白氧化,并減緩pH值上升,在4 ℃冷藏條件下可保質(zhì)至13 d,顯著延長貨架期。目前對超聲輔助酶解制備高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的研究較少。

        本研究以高溫豆粕為原料,采用超聲輔助酶解法制備抗氧化產(chǎn)物,在單因素試驗基礎上,通過響應面分析法對超聲輔助酶解工藝進行優(yōu)化,然后對酶解產(chǎn)物依次進行乙醇沉淀、DEAE-Cellulose52離子交換層析、SephadxeG-25凝膠色譜層析分離純化以及抗氧化性研究,不僅提高了酶解速率,還使其產(chǎn)物抗氧化性增強,為高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的實際生產(chǎn)及其在食品領域的開發(fā)與應用提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        過8 0 目篩后的高溫豆粕粉(其含蛋白質(zhì)(39.24±0.67)%、水分(8.69±0.77)%、灰分(6.23±0.21)%、粗脂肪(1.24±0.39)%) 黑龍江省哈高科大豆食品有限公司;纖維素酶(酶活力(368 250±72.2) U/g) 上海國藥集團化學試劑有限公司;堿性蛋白酶(酶活力(15 963±25.1)U/g) 丹麥諾維信公司;中性蛋白酶(酶活力(95 248±63.8) U/g)上海金穗生物科技有限公司;酸性蛋白酶(酶活力(15 966±22.1) U/g) 天津奧博星生物公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

        1.2 儀器與設備

        JY92-11N超聲細胞粉碎機 寧波新芝生物科技有限公司;TU-1901雙光束紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;GL-21M高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;蛋白質(zhì)純化儀 美國GE公司。

        1.3 方法

        1.3.1 高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的制備及其得率計算

        制備步驟:高溫豆粕→超聲波同步纖維素酶酶解→蛋白酶水解→酶滅活→調(diào)節(jié)pH值至4.5→離心取上清液→乙醇沉淀(加入體積分數(shù)75%乙醇溶液,4 ℃保存,靜置48 h)→沉淀復溶→過濾→濃縮→DEAE Cellulose 52離子交換層析→Sephadex G-25凝膠色譜層析→冷凍干燥→高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物。按公式(1)計算抗氧化產(chǎn)物的提取得率:

        式中:m1為抗氧化產(chǎn)物質(zhì)量/g;m2為高溫豆粕總質(zhì)量/g。

        1.3.2 可溶性多肽含量測定

        取1 mL上清液加入1 mL 10%三氯乙酸溶液,室溫放置30 min后5 000×g離心10 min,利用快速Lowry法蛋白含量測定試劑盒測定多肽含量,以牛血清白蛋白為標準品。標準曲線方程為y=0.380 3x+0.101 9(R2=0.996 9)。可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)按公式(2)計算:

        式中:N1為上清液蛋白質(zhì)量濃度/(mg/mL);V為加入蒸餾水體積/mL;m為高溫豆粕總質(zhì)量/g。

        1.3.3 可溶性多糖含量的測定

        采用苯酚-硫酸法[24],以葡萄糖為標準品。標準曲線為y=13.293x+0.045 5(R2=0.991 8),線性范圍為0.020~0.100 mg/mL??扇苄远嗵琴|(zhì)量分數(shù)按公式(3)計算:

        式中:N2為上清液多糖質(zhì)量濃度/(mg/mL);V為加入蒸餾水體積/mL;m為高溫豆粕總質(zhì)量/g。

        1.3.4 水解度的測定

        總氮的測定采用凱氏定氮法[25]。游離氨基氮測定采用甲醛滴定法[26]。水解度按公式(4)計算:

        1.3.5 鐵離子還原力的測定

        使用S0116總抗氧化能力檢測試劑盒進行測定。

        1.3.6 超氧陰離子自由基清除能力的測定

        使用A052抑制與產(chǎn)生超氧陰離子自由基測定試劑盒進行測定。

        1.3.7 超聲波同步纖維素酶酶解高溫豆粕工藝

        1.3.7.1 超聲波處理

        樣品制備:準確稱取一定質(zhì)量的高溫豆粕溶于100 mL水中,用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值為中性,升溫加熱60 ℃,磁力攪拌2 h。然后用0.5 mol/L HCl調(diào)節(jié)溶液pH值為4.5,離心(4 000×g,20 min),取上清液用0.5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為7.2~7.4,對其進行可溶性多肽和可溶性多糖含量的測定。

        將高溫豆粕充分溶解,用0.1 mol/L檸檬酸溶液調(diào)節(jié)溶液pH值至4.2,加入已活化的纖維素酶,酶解3 h。用0.5 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為4.5,離心(4 000×g,20 min),取上清液用0.5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為7.2~7.4,對其進行可溶性多肽和可溶性多糖含量的測定。

        超聲處理順序:將高溫豆粕充分溶解,在超聲功率200 W條件下處理10 min(按工作3 s、間歇3 s進行)。然后用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值為4.2,加入已活化的纖維素酶,酶解3 h。

        充分溶解高溫豆粕,用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值為4.2,加入已活化的纖維素酶,在超聲功率200 W、超聲時間10 min條件下進行纖維素酶酶解。用0.5 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為4.5,離心(4 000×g,20 min),取上清液用0.5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為7.2~7.4,對其進行可溶性多肽和可溶性多糖含量測定。

        1.3.7.2 超聲功率、超聲時間對高溫豆粕的影響

        充分溶解高溫豆粕,用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值為4.2,加入已活化的纖維素酶并進行超聲處理,超聲功率分別為100、200、300、400 W;超聲時間分別為10、20、30、40 min。超聲結(jié)束后,用0.5 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為4.5,離心(4 000×g,20 min),取上清液用0.5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為7.2~7.4,然后對其進行可溶性多肽和可溶性多糖含量的測定。

        1.3.7.3 纖維素酶酶解工藝單因素試驗

        調(diào)節(jié)高溫豆粕質(zhì)量濃度分別為2、4、6、8、10 g/100 mL,用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值為4.2,加入已活化的纖維素酶并進行超聲處理,超聲功率300 W、超聲時間20 min。超聲結(jié)束后,同1.3.7.2節(jié)方法處理。

        高溫豆粕質(zhì)量濃度為10 g/100 mL,用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值為4.2,加入已活化的纖維素酶,纖維素酶添加量分別為300、600、900、1 200、1 500 U/g,并進行超聲處理,超聲功率300 W、超聲時間20 min。超聲結(jié)束后,同1.3.7.2節(jié)方法處理。

        高溫豆粕質(zhì)量濃度為10 g/100 mL,0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)溶液pH值分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,加入已活化的纖維素酶600 U/g,并進行超聲處理,超聲功率300 W、超聲時間20 min。超聲結(jié)束后,同1.3.7.2節(jié)方法處理。

        1.3.7.4 纖維素酶酶解工藝響應面試驗設計

        在單因素試驗的基礎上,采用Box-Behnken 3因素3水平試驗設計原理進行響應面優(yōu)化試驗,因素與水平見表1。

        表1 纖維素酶酶解工藝Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used in Box-Behnken design for cellulose hydrolysis

        1.3.8 蛋白酶水解高溫豆粕工藝技術優(yōu)化

        1.3.8.1 蛋白酶制劑的選擇

        經(jīng)過超聲波纖維素酶預處理的高溫豆粕,分別加入酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶,在相同的酶添加量、酶解時間,進行反應,水浴滅活。重復3 次,測定可溶性多肽和可溶性多糖的含量。

        1.3.8.2 堿性蛋白酶水解高溫豆粕的單因素試驗設計

        在酶解時間3 h、酶解溫度50 ℃、酶解pH 8.0條件下,考察堿性蛋白酶添加量(15 000、30 000、45 000、60 000、75 000 U)對可溶性多糖、可溶性多肽以及水解度的影響。

        在堿性蛋白酶添加量60 000 U、酶解時間3 h、酶解溫度50 ℃條件下,考察酶解pH值(8.0、8.5、9.0、9.5、10.0)對可溶性多糖、可溶性多肽以及水解度的影響。

        在堿性蛋白酶添加量60 000 U、酶解溫度50 ℃、酶解pH 9.0條件下,考察酶解時間(2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 h)對可溶性多糖、可溶性多肽以及水解度的影響。

        在堿性蛋白酶添加量60 000 U、酶解時間3 h、酶解pH 9.0條件下,考察酶解溫度(45、50、55、60、65 ℃)對可溶性多糖、可溶性多肽以及水解度的影響。

        1.3.8.3 堿性蛋白酶水解高溫豆粕的響應面試驗優(yōu)化方案

        在單因素試驗的基礎上,采用Box-Behnken 3因素3水平試驗設計原理進行響應面優(yōu)化試驗,因素與水平見表2。

        表2 堿性蛋白酶酶解工藝Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 2 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used in Box-Behnken design for protein hydrolysis

        1.3.9 高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的分離與純化

        取高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物粗品若干,用0.01 mol/L Tris-HCl(pH值為7.2)緩沖液溶解,上蛋白質(zhì)純化儀,分兩步進行抗氧化產(chǎn)物的分離與純化。首先以DEAE Cellulose 52離子交換樹脂為填料,依次用含有0.1、0.25、0.5 mol/L NaCl的0.01 mol/L Tris-HCl(pH 7.2)緩沖液進行梯度洗脫,上樣質(zhì)量濃度為10 mg/mL,上樣體積為10 mL,流速為1 mL/min,洗脫液流速為2 mL/min,收集器的裝液量為10 mL/管。每一管測定波長208 nm處的多肽吸收,隔管測定波長490 nm處的多糖吸收,收集二者的重合峰,濃縮,透析除鹽,冷凍干燥后測定其鐵離子還原力和超氧陰離子自由基清除能力。

        然后將DEAE-Cellulose52離子交換層析后抗氧化活性較好的產(chǎn)物配成質(zhì)量濃度為10 mg/mL的溶液,以Sephadex G-25凝膠為填料,用蒸餾水洗脫,上樣量為10 mL,洗脫速率為1 mL/min,收集器的裝液量為10 mL/管。每一管測定波長208 nm處的多肽吸收,檢測波長490 nm處的多糖含量,收集二者重合的峰,凍干后測定其鐵離子還原力和超氧陰離子自由基清除能力。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Origin 8.0繪圖軟件、SPSS 11.5分析軟件、Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進行處理與分析,數(shù)據(jù)重復3 次取平均值。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 超聲波同步纖維素酶處理高溫豆粕工藝

        2.1.1 超聲波處理結(jié)果

        圖1 超聲波纖維素酶對高溫豆粕可溶性多肽(A)、可溶性多糖(B)提取的影響Fig. 1 Effects of ultrasonic-assisted cellulose extraction on the extraction efficiency of soluble polypeptide (A) and polysaccharide (B)from soybean meal

        如圖1所示,經(jīng)過超聲波同步纖維素酶處理的高溫豆粕,其可溶性多肽和可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)分別為(6.11±0.49)%和(7.26±0.27)%,顯著高于(P<0.05)其他處理方式的可溶性多肽以及多糖含量,這說明超聲對于纖維素酶酶解具有一定的促進作用,故選擇超聲波同步纖維素酶處理工藝進行后續(xù)試驗。

        2.1.2 超聲條件對高溫豆粕水解效果的影響

        圖2 超聲功率、超聲時間對高溫豆粕水解的影響Fig. 2 Effects of ultrasonic power and irradiation time on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from soybean meal

        如圖2所示,在超聲功率100~400 W條件下,隨著超聲功率的增加,高溫豆粕可溶性多肽含量和可溶性多糖含量呈現(xiàn)相同趨勢,先升高后降低。這說明,在一定的超聲功率內(nèi),超聲波可以有效破壞高溫豆粕的細胞壁,加快纖維素酶水解,使大分子纖維素轉(zhuǎn)化為可溶性多糖,同時促進包裹在大分子纖維素里的可溶性物質(zhì)溶出,使可溶性多糖以及多肽含量增加。但是超聲功率過強可能導致細胞及溶液局部溫度增加過快,破壞多肽和多糖的結(jié)構。此外,較高的超聲功率會產(chǎn)生瞬時空化作用,使酶分子結(jié)構被破壞,導致酶活力下降[27],也會影響可溶性多肽和可溶性多糖的含量。

        超聲作用能夠縮短反應時間,在超聲功率300 W條件下,超聲處理20 min的大豆肽含量顯著高于(P<0.05)其他處理時間,可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)為(14.63±1.56)%,可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)為(6.64±0.56)%。在一定的超聲時間范圍內(nèi),處理時間越長,酶催化反應效果越好,超出范圍后,可能會使酶催化效果下降,可能更長時間超聲波促進了蛋白質(zhì)變性、聚合的發(fā)生。綜上所述,選擇超聲功率300 W、超聲時間20 min進行下一步試驗。

        2.1.3 纖維素酶酶解工藝單因素試驗結(jié)果

        2.1.3.1 底物質(zhì)量濃度對高溫豆粕的影響

        圖3 底物質(zhì)量濃度對高溫豆粕水解的影響Fig. 3 Effect of substrate concentration on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from soybean meal

        如圖3所示,隨著底物質(zhì)量濃度的增加,多肽含量及多糖含量呈現(xiàn)先升高到趨于平穩(wěn)的趨勢,當?shù)孜镔|(zhì)量濃度為8 g/100 mL時,可溶性多肽((17.44±0.42)%)和可溶性多糖((10.92±0.08)%)質(zhì)量分數(shù)為最大值。這是由于在低底物質(zhì)量濃度情況下,酶解速率降低,酶解效果不佳,但過量則不利于高溫豆粕的充分溶解和酶的水解反應進行,造成可溶性多肽和可溶性多糖提取效果上升不明顯。因此,較適宜的底物質(zhì)量濃度確定為8 g/100 mL左右。

        2.1.3.2 纖維素酶添加量對高溫豆粕的影響

        從圖4可以看出,隨著纖維素酶添加量的增加,高溫豆粕可溶性多肽和可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為先升后降的趨勢,當纖維素酶的添加量為600 U/g時,高溫豆粕可溶性多肽和可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)最高,分別為(18.44±0.89)%和(10.61±0.32)%,故纖維素酶添加量確定在600 U/g左右最佳。

        圖4 纖維素酶添加量對高溫豆粕水解的影響Fig. 4 Effect of cellulase dosage on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from soybean meal

        2.1.3.3 纖維素酶酶解pH值對高溫豆粕的影響

        圖5 pH值對高溫豆粕水解的影響Fig. 5 Effect of hydrolysis pH value on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from of soybean meal

        如圖5所示,當纖維素酶酶解pH值為4.0時,可溶性多肽和可溶性多糖的質(zhì)量分數(shù)分別為(17.59±0.42)%和(10.53±0.69)%,高于其他pH值條件下可溶性多肽和多糖的含量。這可能由于溶液pH值是決定酶催化活性的重要參數(shù)之一,一方面過酸過堿可改變酶的空間構象,使酶失活;另一方面,pH值還可以改變反應底物的解離狀態(tài),影響其與酶的結(jié)合[28]。故酶解pH值確定為4.0左右為宜。

        2.1.4 Box-Behnken試驗設計結(jié)果及響應面試驗分析

        以可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)為響應值,依據(jù)Box-Behnken設計因素水平編碼值,測定結(jié)果見表3。

        采用Design-Expert 8.0軟件進行回歸擬合,去除不顯著的因素,得到各試驗因素對響應值影響的回歸方程為R=10.81+0.17A+0.18B+0.11C-0.055AB-0.077AC+0.035BC-0.42A2-0.37B2-0.27C2。

        對模型采用方差分析,由表4可知,一次項A、B、C和二次項A2、B2、C2表現(xiàn)為差異極顯著;交互項AB、BC差異不顯著;AC為差異顯著。模型具有極顯著性(P<0.01),因變量與所考察的自變量之間的線性關系顯著(R2=0.991 7),模型調(diào)整確定系數(shù)為0.981 0,該模型擬合程度良好,失擬項(P=0.059 3>0.05)差異不顯著,說明所得的回歸方程可行度高,可以用于預測纖維素酶酶解高溫豆粕工藝參數(shù)。

        表3 纖維素酶酶解工藝Box-Behnken試驗設計方案及結(jié)果Table 3 Box-Behnken experimental design and results for optimization of cellulase hydrolysis

        表4 纖維素酶酶解工藝二次回歸方程模型方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance for the fi tted quadratic response surface regression model describing cellulase hydrolysis

        按照回歸方程優(yōu)化結(jié)果,計算得最佳工藝條件為底物質(zhì)量濃度8.36 g/100 mL、纖維素酶添加量666 U/g、酶解pH值4.1,響應面模型指標值為10.85%。依據(jù)最佳工藝,進行驗證實驗5 次,測出可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)的均值為(10.83±0.32)%,實際值與模型值的誤差絕對值小于5%,t檢驗差異不顯著(P>0.05),說明可以使用響應面試驗優(yōu)化設計模型參數(shù),作為實際的酶解工藝,并且在最優(yōu)條件下可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)為(18.51±0.36)%。

        2.2 蛋白酶水解高溫豆粕工藝優(yōu)化結(jié)果

        2.2.1 蛋白酶的選擇結(jié)果

        圖6 不同酶制劑對高溫豆粕可溶性多肽(A)、可溶性多糖(B)提取的影響Fig. 6 Effect of different proteases on the extraction efficiency of soluble polypeptide (A) and polysaccharide (B) from soybean meal

        如圖6所示,經(jīng)過超聲波-纖維素酶處理后的高溫豆粕溶液分別進行3 種蛋白酶處理,相同條件酶添加量和酶解時間,堿性蛋白酶對高溫豆粕多肽的影響顯著高于(P<0.05)其他2 種酶,堿性蛋白酶在酶解時間1、2、3 h的可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)分別為(22.41±80.72)%、(21.76±0.67)%、(22.74±0.53)%,可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)分別為(11.458±0.29)%、(12.08±0.71)%、(12.32±0.48)%。這是由于堿性蛋白酶是一種內(nèi)切型的絲氨酸蛋白酶,一般在芳香族或疏水性氨基酸(如亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸)的羧基發(fā)生水解[29-30]。而大豆中7S和11S球蛋白為主要大豆蛋白,堿性氨基酸的含量占大部分,因此更易于被堿性蛋白酶作用,并且水解所產(chǎn)生的斷裂位點比其他酶多。綜上所述,選取堿性蛋白酶進行下一步試驗。

        2.2.2 單因素試驗結(jié)果

        2.2.2.1 堿性蛋白酶添加量對高溫豆粕的影響

        圖7 堿性蛋白酶添加量對高溫豆粕水解的影響Fig. 7 Effect of protease dosage on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from soybean meal

        從圖7可以看出,隨著加酶量的增大,水解度逐漸上升,當?shù)鞍酌柑砑恿繛?0 000 U時,水解度達到最大,此時高溫豆粕的可溶性多肽和可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)達到最大值,分別為(24.91±0.37)%和(12.57±0.18)%。這是因為在底物質(zhì)量濃度一定時,隨著堿性蛋白酶添加量增多,使酶與蛋白質(zhì)分子接觸機會增多,高溫豆粕中的蛋白質(zhì)水解越充分,生成的小分子多肽越多,多肽含量和水解度隨之上升。但當酶添加量進一步增加時,底物被酶完全飽和,水解度增加緩慢,酶解反應受到抑制。因此,堿性蛋白酶的最適添加量在60 000 U左右。

        2.2.2.2 堿性蛋白酶酶解pH值對高溫豆粕的影響

        圖8 酶解pH值對高溫豆粕水解的影響Fig. 8 Effect of hydrolysis pH value on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from soybean meal

        pH值能影響酶活性部位上有關基團的解離,進而影響酶與底物蛋白的結(jié)合與催化,酶只有在其最適的pH值條件下,才能使酶反應速率達到最大[31]。由圖8所示,堿性蛋白酶在較低pH值條件下,高溫豆粕可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)隨水解度的增大呈現(xiàn)增加趨勢,當pH值為9.0時,水解度達到最大,此時的可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)最多,為(23.40±0.49)%,然而pH值繼續(xù)升高,可溶性多肽含量顯著下降(P<0.05)。因此,堿性蛋白酶的較適宜酶解pH值為9.0。

        2.2.2.3 堿性蛋白酶酶解時間對高溫豆粕的影響

        圖9 酶解時間對高溫豆粕水解的影響Fig. 9 Effect of hydrolysis time on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from soybean meal

        由圖9可以看出,隨著酶解時間延長,水解度和可溶性多肽含量增加,當酶解時間為3 h時,水解度最大,此時的可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)達到最大值(24.23±0.20)%,繼續(xù)延長酶解時間,整體表現(xiàn)為多肽含量先降低后升高最后趨于平緩。故最佳酶解時間確定為3 h左右較為合適。

        2.2.2.4 堿性蛋白酶酶解溫度對高溫豆粕的影響

        圖10 酶解溫度對高溫豆粕水解的影響Fig. 10 Effect of hydrolysis temperature on the extraction efficiency of soluble polysaccharide and polypeptide from of soybean meal

        從圖10可以看出,酶解溫度在55 ℃以內(nèi),隨著酶解溫度的不斷升高,酶活性增加,同時酶解速度加快,水解度不斷增加,使可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)不斷增加。當酶解溫度為55 ℃時,水解度效果最好,此時的可溶性多肽和可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)最高,分別為(25.33±0.33)%和(13.14±0.39)%。這是由于升高溫度可以加速蛋白質(zhì)分子運動,使蛋白質(zhì)分子間、分子內(nèi)的二硫鍵斷裂,導致亞基結(jié)構伸展[30];但持續(xù)升高酶解溫度,酶蛋白部分變性,使堿性蛋白酶鈍化失活,降低酶的催化能力,并且溫度過高,也會使蛋白分子發(fā)生折疊-聚合以至于聚合體增多[32],導致可溶性多肽和多糖含量下降。因此,最佳的酶解溫度確定為55 ℃左右。

        2.2.3 響應面試驗結(jié)果

        響應值為可溶性多肽含量,依據(jù)Box-Behnken設計因素水平編碼值,測定結(jié)果見表5。

        表5 堿性蛋白酶酶解工藝Box-Behnken試驗設計方案及結(jié)果Table 5 Box-Behnken experimental design and results for optimization alkaline protease hydrolysis

        采用Design-Expert 8.0軟件進行回歸擬合,可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)對蛋白酶添加量、酶解pH值、酶解時間和酶解溫度的二次多項回歸模型為Y=25.46+0.14X1+0.048X2+

        表6 堿性蛋白酶酶解工藝二次回歸方程模型方差分析結(jié)果Table 6 Analysis of variance for the fi tted quadratic response surface regression model describing alkaline protease hydrolysis

        如表6所示,模型的一次項X4、交互項X1X2、X2X3、X2X4和二次項X12、X22、X32、X42差異極顯著;X1、X1X3、X3X4差異顯著;X2、X3、X1X4差異不顯著。模型為極顯著(P<0.01),因變量與所考察的自變量之間線性關系顯著(R2=0.954 8),調(diào)整確定系數(shù)R2Adj為0.913 5,該模型擬合程度良好,失擬項(P=0.549 7>0.05)差異不顯著,說明所得的回歸方程可行度高,可以用于預測蛋白酶酶解工藝。

        按照回歸方程優(yōu)化出的工藝條件,蛋白酶添加量61 900 U、酶解pH 9、酶解時間3 h、酶解溫度56.4 ℃,響應面模型指標值為25.51%。驗證實驗重復5 次,獲得可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)為(25.47±0.81)%,實際值與預測值的誤差絕對值小于5%,t檢驗差異不顯著(P>0.05)。在最佳工藝條件下,計算得到高溫豆粕的水解度為(33.51±0.42)%,說明運用響應面優(yōu)化設計出的模型參數(shù)準確,可應用實際的酶解實驗中,同時在最優(yōu)條件下可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)為(13.22±0.49)%。

        2.3 高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的分離與純化

        2.3.1 離子交換層析結(jié)果

        圖11 DEAE-Cellulose 52離子交換層析Fig. 11 DEAE-Cellulose 52 anion-exchange chromatography

        如圖1 1所示,高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物粗品經(jīng)DEAE Cellulose 52離子交換層析分離出3 種混合物,分別為抗氧化產(chǎn)物a1、a2和a3,其分別對應第10、23、36管,且每管收集到的量為10 mL。

        圖12 高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的抗氧化能力Fig. 12 Antioxidant activity of different antioxidant products from highly denatured soybean meal

        如圖12所示,3 種混合物的抗氧化效果存在顯著差異。在相同濃度情況下,a2的鐵離子還原力和超氧陰離子自由基清除能力,顯著高于(P<0.05)同一水平的a1、a3,且隨著a1、a2、a3產(chǎn)物濃度增加其抗氧化能力也增強。因此選擇具有抗氧化能力較強的抗氧化產(chǎn)物a2進行下一步分離純化。

        2.3.2 凝膠色譜層析結(jié)果

        圖13 Sephadex G-25凝膠色譜層析Fig. 13 Sephadex G-25 gel chromatography

        如圖13所示,抗氧化產(chǎn)物a2經(jīng)Sephadex G-25柱層析分離后獲得2 種產(chǎn)物,即抗氧化產(chǎn)物a2b1、a2b2,且2 種產(chǎn)物在波長208 nm和490 nm處均有吸收峰。

        圖14 高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物組分的抗氧化能力Fig. 14 Antioxidant activity of different antioxidant products from highly denatured soybean meal

        如圖14所示,在相同條件下,a2b1的鐵離子還原力和超氧陰離子自由基清除能力顯著高于(P<0.05)a2b2,因此a2b1為本研究所提取的高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物。經(jīng)計算,其提取得率為2.18%,其中可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)為(61.28±0.83)%,可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)為(29.76±0.26)%,糖肽復合物質(zhì)量分數(shù)為(8.96±0.55)%。

        2.3.3 抗氧化能力測定結(jié)果

        表7 高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物的抗氧化能力Table 7 Antioxidant capacity of the hydrolysate of highly denatured soybean meal

        如表7所示,當?shù)孜镔|(zhì)量濃度為1 mg/mL時,高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物與高溫豆粕相比較,其鐵離子還原力和超氧陰離子自由基清除能力顯著提高(P<0.05)。這說明,高溫豆粕經(jīng)過超聲、酶解以及分離純化處理,其變性蛋白質(zhì)被分解成多肽和短肽,使蛋白結(jié)構中具有抗氧化能力的基團(如巰基、咪唑基、酚羥基等)暴露出來;這些基團具有清除自由基,抑制氧化降解的作用,從而使高溫豆粕表現(xiàn)出更強抗氧化活性[32]。

        3 結(jié) 論

        本實驗采用超聲波復合酶制劑處理高溫豆粕,依次進行乙醇沉淀、DEAE-Cellulose52離子交換層析、SephadxeG-25凝膠色譜層析純化,制備高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物,拓展了高溫豆粕在食品領域的開發(fā)與利用。

        超聲波-纖維素酶處理高溫豆粕工藝最優(yōu)條件為超聲功率300 W、超聲時間20 min、底物質(zhì)量濃度8.36 g/100 mL、纖維素酶添加量666 U/g、酶解pH 4.1,可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)為(18.51±0.36)%,可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)為(10.83±0.32)%。

        堿性蛋白酶酶解工藝條件為蛋白酶添加量61 900 U、酶解pH 9、酶解時間3 h、酶解溫度56.4 ℃,可溶性多肽質(zhì)量分數(shù)為(25.47±0.81)%,可溶性多糖質(zhì)量分數(shù)為(13.22±0.49)%。

        高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物提取工藝:采用75%乙醇溶液沉淀粗品糖肽,透析、濃縮,利用DEAE-Cellulose52離子交換層析分離、純化3 種產(chǎn)物,分別為抗氧化產(chǎn)物a1、a2和a3,并對3 種產(chǎn)物進行抗氧化活性的測定,選擇具有抗氧化能力較強的抗氧化產(chǎn)物a2進一步分離純化;采用Sephadex G-25凝膠色譜層析分離、純化后獲得篩選具有抗氧化產(chǎn)物a2b1和a2b2,進行抗氧化活性的測定,抗氧化產(chǎn)物a2b1為本研究所提取的具有抗氧化功能的水溶性高溫豆粕抗氧化產(chǎn)物。經(jīng)計算,其提取得率為2.18%,并且當其質(zhì)量濃度為1 mg/mL時,其鐵離子還原力和超氧陰離子自由基清除能力分別為(0.495±0.042)mmol/g和(17.02±0.22)U/g。

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