吳海濤
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)
野生黑豆是植物大豆屬的帶有黑色種皮的植物油料,又稱零烏豆、馬料豆、野料豆、細(xì)黑豆,是世界上重要的農(nóng)業(yè)商品之一,廣泛分布于中國東北地區(qū)[1]。較黑豆相比野生黑豆蛋白(black bean protein isolate,BBPI)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過35%,營養(yǎng)價(jià)值遠(yuǎn)超其他色系大豆,被冠以“植物蛋白之王”的美譽(yù)。野生黑豆?fàn)I養(yǎng)豐富,富含生物活性肽、大豆皂醇、皂苷、異黃酮、花青素、纖維和礦物質(zhì)等,已發(fā)現(xiàn)野生黑豆中的一些生物活性肽具有抗癌、降高血壓、降膽固醇、降血脂、抗氧化作用和免疫調(diào)節(jié)特性[2-3]。其作為一種植物蛋白資源,較大豆蛋白更具優(yōu)越性,被廣泛應(yīng)用于食品加工。
近年來,部分科研人員利用物理、化學(xué)改性和酶誘導(dǎo)對蛋白進(jìn)行處理,如超聲波改性、高壓均質(zhì)處理、熱處理、酸堿處理、美拉德交聯(lián)反應(yīng)等方法[4-7]。為更好地利用BBPI,本實(shí)驗(yàn)通過微射流均質(zhì)對BBPI進(jìn)行改性。動(dòng)態(tài)高壓微射流是一種集合了物料輸送、混合、粉碎等操作的新興食品加工技術(shù)[8]。加工過程中產(chǎn)生的高速剪切力和空化作用可以促使大分子聚合物降解,并有效改善蛋白乳化性、起泡性、溶解性等功能性質(zhì),與傳統(tǒng)高壓均質(zhì)技術(shù)相比,微射流技術(shù)能源利用率低、易操作且空化效果更強(qiáng)。胡洋等[9]研究高壓微射流對木薯淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)微射流破壞了木薯淀粉的結(jié)構(gòu),使其發(fā)生部分糊化,淀粉結(jié)晶度下降,溶解性提高。許艷華等[10]利用高壓微射流技術(shù)處理大豆蛋白發(fā)現(xiàn),在0.1~120 MPa的壓力范圍內(nèi)會(huì)使大豆分離蛋白顆粒破碎,且破壞程度隨著壓力的增加而加劇,其溶解度、泡沫穩(wěn)定性和持油性均得到了改善。涂宗財(cái)?shù)萚11]利用動(dòng)態(tài)高壓均質(zhì)處理蛋清蛋白,研究發(fā)現(xiàn)乳清蛋白的結(jié)構(gòu)及其流變性和黏度在微射流作用下發(fā)生改變,蛋白粒徑減小,黏度增加。但微射流用于BBPI的改性還鮮有報(bào)道。
本研究的目的是探究微射流均質(zhì)對BBPI乳化特性及蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響,并從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化角度探討其作用機(jī)理,系統(tǒng)研究均質(zhì)條件對蛋白類物質(zhì)的影響,以期為BBPI實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo),為生產(chǎn)出令消費(fèi)者滿意的功能蛋白類食品提供理論參考。
野生黑豆由吉林省六谷農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供;十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、三硝基苯磺酸、氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、正己烷、鹽酸等均為國產(chǎn)分析純試劑。
PHSJ-4A型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì) 上海雷磁公司;錘片式粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;THZ-80型水浴恒溫振蕩器 江蘇金壇億通電子有限公司;CR22G型高速冷凍離心機(jī)、F-4500熒光分光光度計(jì) 日本HITACHI公司;M-110EH30型高壓微射流均質(zhì)機(jī) 上海鯉躍精密機(jī)械貿(mào)易有限公司;79-1型磁力加熱攪抖器 武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司;XW-80A型漩渦混合器 上海青浦滬西儀器廠;Raman Station 400型拉曼光譜儀 美國Perkin Elmer公司。
1.3.1 BBPI的制備
工藝流程:野生黑豆→粉碎、過篩→正己烷萃取→黑豆粉→加堿液調(diào)pH值至8.0→離心分離→取上清液→加酸液調(diào)pH值至4.0→離心分離→取沉淀→反復(fù)水洗和離心→BBPI
具體操作參考O’Donnell等[12]的方法,稍加改動(dòng)。原料野生黑豆經(jīng)去皮、粉碎過100 目篩,在37 ℃條件下用正己烷萃取制備脫脂黑豆粕,脫脂黑豆粕按1∶10(m/V)與蒸餾水混合,然后用2 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至8.0,在50 ℃水浴鍋中攪抖2 h后,將其懸浮液4 ℃、10 000×g離心30 min,取離心后所得上清液用2 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH值至4.0。靜置后4 ℃、6 000×g離心30 min,將離心所得的BBPI沉淀水洗3 次,最后將沉淀分散于水中并用2 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0。將此時(shí)得到的BBPI溶液置于-40 ℃的冰箱中預(yù)凍48 h,然后進(jìn)行冷凍干燥,蛋白溶液冷凍干燥后粉碎即得粉末狀BBPI,于4 ℃冰箱保存。
1.3.2 微射流處理
將10 g樣品溶解于500 mL蒸餾水中,置于高壓微射流均質(zhì)機(jī)中,在不同壓力(0、42.5、89.0、123.5、152.0、175.5 MPa)下均質(zhì)2 次。對微射流處理的樣品溫度和pH值進(jìn)行調(diào)節(jié),酶解溫度60 ℃,酶解時(shí)間2 h,酶解pH 8.6,95 ℃溫度滅酶5 min,真空濃縮至固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%左右,冷凍干燥得到BBPI樣品[13]。
1.3.3 溶解性測定
根據(jù)Samoto等[14]的方法測定BBPI溶解性。稱取100 mg蛋白樣品分散于10 mL的蒸餾水中,20 ℃下磁力攪抖30 min,10 000×g離心20 min。取上清液溶于0.01 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.0)稀釋10 倍,采用Lowry法測定蛋白質(zhì)量濃度,以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn)物繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。蛋白質(zhì)的溶解度采用公式(1)計(jì)算。
1.3.4 表面疏水性測定
根據(jù)Kato[15]和王中江[16]等的方法使用8-苯胺基-1-萘磺酸銨鹽(8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid hydrate ammonium salt,ANS)作為熒光探針測定BBPI的表面疏水性。將微射流均質(zhì)處理的BBPI溶于0.01 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.0),室溫下攪抖1.0 h,10 000×g離心30 min,取上清液用Lowry法測定蛋白質(zhì)量濃度,用磷酸鹽緩沖溶液分別稀釋至質(zhì)量濃度0.150、0.075、0.038 mg/mL和0.019 mg/mL。分別取不同質(zhì)量濃度的稀釋樣品4 mL,實(shí)驗(yàn)中激發(fā)波長λex=390 nm,發(fā)射波長λem=470 nm,夾縫寬度5 nm,掃描速率10 nm/s。取4 mL不同濃度梯度的樣品溶液,分別加入20 μL濃度8 mmol/L的ANS溶液(用0.01 mol/L、pH 7.0的磷酸鹽緩沖液配制),經(jīng)振蕩后靜置3 min,再測定樣品熒光強(qiáng)度。用F-4500熒光光譜儀測量熒光強(qiáng)度,以熒光強(qiáng)度比蛋白質(zhì)量濃度作圖,曲線最初斜率表示表面疏水性。
1.3.5 粒徑分布測定
粒徑分布測定參照文獻(xiàn)[13]。將BBPI樣品用激光粒度分布儀進(jìn)行粒子分布測定,用50 mmol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)將樣品稀釋為1 mg/mL,測定參數(shù)為:樣品折射率為1.5,當(dāng)折光率穩(wěn)定在8%~12%或散射的偏振強(qiáng)度差穩(wěn)定在45%~55%時(shí)開始測定。
1.3.6 乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定
用0.05 mol/L pH 7.0磷酸鹽緩沖液中配制1 mg/mL的BBPI溶液,加入大豆油均質(zhì)(10 000 r/min、10 s)2 遍,形成均一的乳化液。均質(zhì)后,分別在0、10 min取1 mL新制備的乳化液,用蒸餾水稀釋100 倍,然后再取1 mL被稀釋的乳化液,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1% SDS稀釋10 倍。將最后溶液在500 nm波長處進(jìn)行吸光度測定。乳化穩(wěn)定性指數(shù)(emulsion stability index,ESI)和乳化活性指數(shù)(emulsifying activity index,EAI)分別采用公式(2)、(3)[17]進(jìn)行計(jì)算。
式中:A0為均質(zhì)后迅速被稀釋的乳化液的吸光度;ΔA為乳化液在0 min和10 min的吸光度差值;t為時(shí)間/min。
1.3.7 拉曼光譜分析
參考張萍等[18]的方法,將BBPI溶解于磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.0、0.01 mol/L)中,制成質(zhì)量濃度為100 mg/mL的溶液進(jìn)行測定。激發(fā)光波長785 nm,發(fā)射功率為300 mW,掃描范圍400~2 000 cm-1,掃描時(shí)間每次60 s,積分10 次,4 次掃描進(jìn)行累加。以苯丙氨酸((1 003±1)cm-1)作為歸一化因子,得到BBPI的拉曼光譜。譜圖基線校正、譜峰歸屬查找采用Peakfit 4.12軟件。以苯丙氨酸譜峰((1 003±1)cm-1)的強(qiáng)度作為歸一化因子,得到微射流均質(zhì)處理的BBPI的拉曼光譜,采用Origin 8.5軟件繪制。
采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析及相關(guān)性分析,其他數(shù)據(jù)擬合處理采用Origin 8.5軟件。
由圖1可知,微射流均質(zhì)能顯著增強(qiáng)BBPI溶解性(P<0.05),隨著均質(zhì)壓力的增加,BBPI溶解性逐漸上升,這主要是由于微射流均質(zhì)誘導(dǎo)蛋白中不可溶性分子發(fā)生降解,進(jìn)而溶解性增加,壓力大于152.0 MPa時(shí),BBPI溶解性下降,Cano-Medina等[19]研究發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)的剪切作用力會(huì)破壞蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu),促進(jìn)蛋白質(zhì)分子間相互作用形成聚集,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
圖 1 均質(zhì)壓力對BBPI溶解性的影響Fig. 1 Effect of homogenization pressure on solubility of BBPI
圖 2 均質(zhì)壓力對BBPI表面疏水性的影響Fig. 2 Effect of homogenization pressure on surface hydrophobicity of BBPI
由圖2可知,微射流均質(zhì)后BBPI的表面疏水性有不同程度的增強(qiáng),這進(jìn)一步證實(shí)了在高速剪切力下BBPI結(jié)構(gòu)解折疊現(xiàn)象會(huì)引起表面疏水性的增加。在均質(zhì)壓力42.5~123.5 MPa時(shí),BBPI表面疏水性隨著壓力的增加而增大,而在均質(zhì)壓力超過123.5 MPa時(shí),BBPI表面疏水性隨著均質(zhì)壓力的增加而增加[20]。
圖 3 均質(zhì)壓力對BBPI粒徑分布影響Fig. 3 Effect of homogenization pressure on particle size distribution of BBPI
由圖3可知,隨著微射流壓力增加,BBPI溶液的粒徑分布逐漸向小粒徑方向移動(dòng),呈現(xiàn)“瘦高”狀,且由多峰轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏?,?dāng)射流空化壓力為123.5 MPa時(shí),乳液粒徑最小。這可能是乳液經(jīng)微射流處理后在狹小的空間被多次碰撞,剪切形成較小的顆粒。但是隨著壓力增加,黑豆分離蛋白之間相互作用加強(qiáng),蛋白質(zhì)形成直徑較大的顆粒,從而使粒徑有所提高,粒度分布范圍變寬。這與李良等[13]的研究結(jié)果一致。
圖 4 均質(zhì)壓力對BBPI乳化性影響Fig. 4 Effect of homogenization pressure on emulsifying activity of BBPI
如圖4所示,與未處理BBPI相比,微射流均質(zhì)處理能顯著提高BBPI乳化性,是因?yàn)锽BPI會(huì)隨著溶解性的增加向油-水界擴(kuò)散,形成穩(wěn)定的乳化體系,蛋白乳化活性與溶解性呈正相關(guān),隨著均質(zhì)壓力增加而增大,蛋白乳化穩(wěn)定性也依賴于蛋白質(zhì)表面和側(cè)鏈上氨基酸疏水性[17],這與2.1、2.2節(jié)結(jié)論一致。研究發(fā)現(xiàn),BBPI在微射流處理下發(fā)生解折疊,表現(xiàn)為表面疏水性的增強(qiáng),蛋白質(zhì)疏水性增加也是乳化性提高的重要影響因素[21]。
圖 5 不同均質(zhì)條件下BBPI拉曼光譜Fig. 5 Raman spectra of BBPI with different microfluidization treatments
不同微射流均質(zhì)處理?xiàng)l件下BBPI在波數(shù)為400~2 000 cm-1的拉曼光譜如圖5所示,相關(guān)特征峰根據(jù)已有研究[22],指認(rèn)結(jié)果如表1所示。由于拉曼光譜的強(qiáng)度與散射中心的數(shù)目成正比,譜線強(qiáng)度的變化即意味著散射中心(包括基團(tuán)和化學(xué)鍵)數(shù)目的變化,如果譜帶位移,則可能是相應(yīng)的基團(tuán)或化學(xué)鍵受到處理而發(fā)生變化的緣故。根據(jù)表1中振動(dòng)來源與波數(shù)的對應(yīng)關(guān)系可在圖5中標(biāo)注出不同微射流均質(zhì)處理?xiàng)l件下BBPI的拉曼譜帶。
表 1 BBPI的拉曼光譜特征峰位及峰位歸屬Table 1 Tentative assignment of some bands in Raman spectra of BBPI
2.5.1 對主鏈結(jié)構(gòu)的影響
BBPI的構(gòu)象主要由酰胺I帶和酰胺III帶的拉曼特征峰確定,酰胺I帶是C=O與C—N鍵的伸縮振動(dòng),而酰胺III帶是C—N鍵的伸縮振動(dòng)和N—H面外彎曲振動(dòng)。BBPI酰胺I帶和酰胺III帶的二級(jí)結(jié)構(gòu)拉曼光譜頻率及歸屬如表2所示。本實(shí)驗(yàn)中BBPI的拉曼圖譜二級(jí)結(jié)構(gòu)的定量計(jì)算使用Peakfit 4.12軟件完成,結(jié)果如表3所示。
表 2 BBPI的二級(jí)結(jié)構(gòu)拉曼光譜頻率及歸屬Table 2 Raman frequency and amide band assignment to secondary structures of BBPI
表 3 拉曼光譜測定不同均質(zhì)處理黑豆蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對含量Table 3 Secondary structure contents of native and microfluidizationtreated BBPI estimated from Raman spectra
蛋白質(zhì)的酰胺I帶及酰胺III帶常用于表征蛋白質(zhì)的主鏈結(jié)構(gòu)。拉曼譜圖中1 665~1 675 cm-1處譜帶強(qiáng)度大多表明BBPI酰胺I帶中主要存在β-折疊結(jié)構(gòu)及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。其中主要是C=O伸縮振動(dòng)和部分肽鍵間的N—H內(nèi)部彎曲振動(dòng),蛋白質(zhì)的酰胺I帶主要用于研究蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)相對含量的定量分析[23]。由表3可知,與未處理的BBPI相比,經(jīng)過不同微射流均質(zhì)條件處理的BBPI表現(xiàn)出α-螺旋結(jié)構(gòu)相對含量先降低后增多的趨勢。這種現(xiàn)象是由于射流均質(zhì)產(chǎn)生的高速剪切力和高頻振蕩等機(jī)械作用會(huì)誘導(dǎo)BBPI結(jié)構(gòu)發(fā)生解折疊,β-折疊結(jié)構(gòu)相對含量先降低后增加,這與畢爽等[24]研究成果一致。張萍等[18]研究發(fā)現(xiàn)均質(zhì)破壞蛋白質(zhì)分子中的氫鍵,分子內(nèi)部氫鍵發(fā)生重排,表現(xiàn)為蛋白質(zhì)分子中β-折疊結(jié)構(gòu)相對含量增加,而微射流均質(zhì)引起的蛋白質(zhì)聚集是引起這一現(xiàn)象的重要原因,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí),Mauerer等[25]研究證明,射流均質(zhì)誘導(dǎo)蛋白趨向于無序的二級(jí)結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)結(jié)構(gòu)相對含量的增加,當(dāng)均質(zhì)壓力超過175.5 MPa時(shí),產(chǎn)生的作用力蛋白重新聚集,β-折疊結(jié)構(gòu)相對含量增多。
2.5.2 對側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的影響
表 4 不同均質(zhì)條件下BBPI色氨酸、酪氨酸雙峰比、CH振動(dòng)譜帶強(qiáng)度Table 4 Normalized intensity of tryptophan band (760 cm-1), tyrosyl doublet (850/830 cm-1), and δCH band (1 450 cm-1) in BBPI with different microfluidization treatments
Li-Chan[26]研究表明760 cm-1附近區(qū)域歸屬于色氨酸殘基的伸縮振動(dòng),色氨酸殘基會(huì)隨著拉曼峰強(qiáng)度降低由原本“包埋”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨┞丁睉B(tài)。如表4所示,經(jīng)過42.5~123.5 MPa均質(zhì)處理的BBPI的拉曼圖譜,在760 cm-1附近區(qū)域的拉曼峰強(qiáng)度略有下降,表明色氨酸殘基由“包埋”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨┞丁睉B(tài)。而隨著均質(zhì)壓力持續(xù)增強(qiáng),色氨酸殘基趨向于“包埋”態(tài)[27],這表明均質(zhì)誘導(dǎo)蛋白部分疏水基團(tuán)外露,進(jìn)一步解釋了前述蛋白表面疏水性增加的原因。
酪氨酸的費(fèi)米共振會(huì)引起850 cm-1和830 cm-1左右處的特征峰隨之改變。二者的相對強(qiáng)度(I850cm-1/I830cm-1)對氫鍵的性質(zhì)或酚羥基離子化狀態(tài)有極大影響,因此它被廣泛用來鑒定酪氨酸組分包埋和暴露的程度。當(dāng)I850cm-1/I830cm-1≥1時(shí),酪氨酸殘基趨向于“暴露”態(tài);當(dāng)I850cm-1/I830cm-1≤1時(shí),酪氨酸殘基趨向于“包埋”態(tài)[4]。在本研究中,I850cm-1/I830cm-1范圍為1.016~1.039,表明不同均質(zhì)條件處理后的BBPI的酪氨酸殘基作為中性強(qiáng)度氫鍵的供體或受體,暴露于溶液的極性微環(huán)境中。由表4可知,與未處理的BBPI相比,經(jīng)過不同均質(zhì)條件處理后的蛋白的酪氨酸雙峰比值有所增加,這說明微射流均質(zhì)處理破壞了蛋白質(zhì)的氫鍵,使蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)受到破壞,酪氨酸殘基暴露到蛋白分子的表面[27-28]。
1 450 cm-1是脂肪族氨基酸的拉曼歸屬峰,表明CH2和CH3的彎曲振動(dòng),拉曼光譜的2 800~3 050 cm?1表征脂肪族氨基酸、多肽類和蛋白質(zhì)的C—H伸縮振動(dòng),研究表明脂肪族氨基酸的拉曼歸屬峰強(qiáng)度增加,脂肪族氨基酸殘基與“暴露”態(tài)轉(zhuǎn)為“包埋”態(tài)。在本研究中,與未處理BBPI相比,經(jīng)過42.5~152.0 MPa均質(zhì)BBPI在1 450 cm-1處的拉曼歸屬峰均顯著升高(P<0.05)、脂肪族氨基酸趨于“包埋”態(tài),4號(hào)樣品(152.0 MPa)譜帶強(qiáng)度達(dá)到最大值,而隨著均質(zhì)壓力的增加,譜帶強(qiáng)度反而下降,脂肪酸殘基趨于“暴露”態(tài),蛋白質(zhì)發(fā)生聚集,導(dǎo)致疏水基團(tuán)向“包埋”轉(zhuǎn)變,使譜帶強(qiáng)度降低。
2.5.3 BBPI二硫鍵構(gòu)型的拉曼光譜分析
研究發(fā)現(xiàn)500~560 cm-1范圍是二硫鍵的特征譜帶,是蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的重要維持力,在不同振動(dòng)模式下所反映出來的拉曼光譜位移有所不同,510 cm-1附近為gauche-gauche-gauche(g-g-g)模式,525 cm-1附近為gauche-gauche-trans(g-g-t)模式,540 cm-1附近為trans-gauche-trans(t-g-t)模式[29]。從圖5可以推斷出,g-g-t和t-g-t型構(gòu)象是未經(jīng)處理的BBPI的主要二硫鍵構(gòu)象。而隨著均質(zhì)處理壓力的增大,BBPI的t-g-t型構(gòu)象轉(zhuǎn)化為g-g-t型構(gòu)象,這與楊勇等[22]的研究成果一致。二硫鍵構(gòu)型的變化也解釋了BBPI受到均質(zhì)處理后會(huì)發(fā)生蛋白質(zhì)解折疊發(fā)生聚集的現(xiàn)象。
微射均質(zhì)處理能顯著提高BBPI分子間的疏水交互作用,進(jìn)而增強(qiáng)BBPI的乳化活性,這些功能特性的改變與微射流均質(zhì)產(chǎn)生的快速剪切碰撞的作用力使BBPI二級(jí)結(jié)構(gòu)主要組成單元發(fā)生改變有關(guān),隨著均質(zhì)壓力增加,α-螺旋結(jié)構(gòu)相對含量增加,β結(jié)構(gòu)和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)相對含量相對降低,蛋白質(zhì)中色氨酸趨向于“暴露”態(tài),酪氨酸參加更多的暴露于蛋白質(zhì)分子表面,BBPI的t-g-t型構(gòu)象逐漸轉(zhuǎn)化為g-g-t型構(gòu)象。當(dāng)壓力超過152 MPa,BBPI乳化性下降,表現(xiàn)為蛋白疏水基團(tuán)暴露,有序結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。