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        轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性大豆分離蛋白的溶解性研究

        2021-03-18 05:56:38張志衡王升楠盧亞東李玉娥陳振家
        山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:溶解性亞基條帶

        張志衡,王升楠,盧亞東,李玉娥,陳振家

        (山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山西太谷 030801)

        大豆不僅是一種優(yōu)良的油料作物,更是一種理想的食用蛋白質(zhì)資源,隨著社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展,人們越來越強的健康意識促進了大豆相關(guān)食品市場的活躍,其中大豆分離蛋白(SPI)是大豆蛋白產(chǎn)品中極為重要的產(chǎn)品之一,大豆分離蛋白作為優(yōu)質(zhì)的植物蛋白質(zhì),蛋白濃度極高,營養(yǎng)成分均衡,富含人體必需的氨基酸,在機體內(nèi)的消化利用率高,適當(dāng)?shù)靥砑涌商岣呤称返牡鞍坠πП戎?。大豆分離蛋白亦具有良好的溶解性、起泡性、乳化性等功能特性,這些特性在食品加工中起著決定性作用[1]。因而對SPI 的深入研究至關(guān)重要。

        由于當(dāng)前SPI 在食品加工中某些功能特性的兼容性較差,且很難同時兼具多種功能,而生產(chǎn)上需求的卻是專項最佳功能或兼具幾種功能平衡的產(chǎn)品。因此,需對其進行改性處理。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(簡稱TG)是一種催化轉(zhuǎn)?;福艽呋鞍踪|(zhì)中賴氨酸上的ε-氨基與谷氨酸上γ-羥酰胺基之間發(fā)生聯(lián)合反應(yīng),聚合蛋白多肽形成共價聚合物。而TG 酶交聯(lián)能改變SPI 的溶解性、凝膠特性、疏水性等性質(zhì),利用TG 酶交聯(lián)改性大豆分離蛋白,使SPI 的空間結(jié)構(gòu)和功能特性得以改變,能夠滿足人們的生產(chǎn)要求[2]。如改性后蛋白產(chǎn)物中小分子肽組分含量高,比氨基酸蛋白質(zhì)更易于被人體消化吸收;改性后的大豆蛋白具有更高的應(yīng)用價值,可以拓寬SPI 在食品工業(yè)中作為配料應(yīng)用的范圍。國內(nèi)外很多學(xué)者對TG 酶交聯(lián)改性SPI 的功能特性已有一定的研究,但溫度、pH、鹽離子濃度對改性SPI 溶解性影響的研究卻寥寥無幾,再者,溶解性作為食品的主要功能特性,具有很重要的研究價值。本研究以脫脂豆粕為原料制備SPI 和MSPI,研究它們分別在不同溫度、pH 和鹽離子濃度下改性前后大豆分離蛋白的溶解性,并使用SDS-PAGE 電泳技術(shù)對改性后的大豆分離蛋白組分進行了亞基分析,探究改性前后大豆分離蛋白聚集特性的變化,旨在為改性大豆分離蛋白在食品中的應(yīng)用提供一定的參考。

        1 材料和方法

        1.1 材料

        1.1.1 試驗材料與試劑 大豆脫脂豆粕(購于金源糧油工業(yè)有限責(zé)任公司,蛋白質(zhì)>51%);轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、NaCl、考馬斯亮藍G-250、牛血清蛋白、無水乙醇、巰基乙醇、丙烯酰胺、甲雙叉丙烯酰胺、SDS、溴酚藍、過硫酸銨、低分子量Marker(14.4~97.4 ku)、四甲基乙二胺、Tris(分析純)。

        1.1.2 試驗儀器 DYY-7C 型電泳儀(北京市六一儀器廠);可見分光光度計(上海菁華科技有限儀器公司);HH 系列數(shù)顯恒溫水浴鍋、磁力加熱攪拌器(金壇市科析儀器有限公司);HC-2064 高速離心機、大容量低速離心機(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司);高剪切分散機(德國IKA 公司);精密增力電動攪拌器(常州國華電器有限公司)。

        1.2 試驗方法

        試驗于2019 年12 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院糧油實驗室進行。

        1.2.1 大豆分離蛋白樣品的制備 將脫脂豆粕與水按1∶10(m∶V)比例混合,調(diào)pH 值至8.5,攪拌2 h 后紗布過濾,過濾液4 000 r/min 離心20 min,上清液調(diào)pH 值至4.5,靜置15 min 后離心,水洗沉淀2 次;沉淀加水復(fù)溶至pH 值7.0 后,冷凍干燥后備用。

        1.2.2 TG 酶改性大豆分離蛋白樣品的制備 將脫脂豆粕與水按1∶10(m∶V)比例混合,調(diào)pH 值至8.5,攪拌2 h 后紗布過濾,過濾液4 000 r/min 離心20 min,上清液調(diào)pH 值至4.5,靜置15 min 后離心,水洗沉淀2 次;沉淀加水復(fù)溶至pH 值7.0 后,加入0.5%(m酶∶m溶液)TG 酶,50 ℃水浴反應(yīng)2 h,之后沸水浴5 min 滅酶。調(diào)pH 值至4.5,離心,棄上清液,沉淀水洗2 次,復(fù)溶至中性,冷凍干燥后備用。

        1.2.3 溶解性單因素試驗 將蛋白樣品分散于蒸餾水中配制質(zhì)量濃度為1%的溶液,在一定的溫度下用恒溫磁力攪拌器攪拌30 min,調(diào)整pH 值,稱取一定質(zhì)量的NaCl,并攪拌10 min 至溶解,取1 mL樣品離心(10 000 r,10 min),適當(dāng)稀釋一定倍數(shù),取100 μL 樣品與5 mL 考馬斯亮藍溶液混合[3],用分光光度計在595 nm 下測定可溶性蛋白質(zhì)的含量。溫度分別設(shè)為50、60、70、80、90、100 ℃共6 個水平,pH 值分別設(shè)為2、3、4、4.5、5、6、7、8、9、10、11、12 共12 個水平,鹽離子濃度分別設(shè)為0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mol/L 共13 個水平。

        1.2.4 大豆分離蛋白組分SDS-PAGE 電泳 溶解度測定完成后,分別取上述不同處理蛋白樣品中的上清液和底部沉淀制備電泳樣品,上清液和沉淀的添加量不超過1 mg/mL(m蛋白:m電泳液),本試驗要分析二硫鍵的變化規(guī)律,因此,需添加2%β 巰基乙醇作還原處理進行對比。SDS -PAGE 電泳采用LAEMMLI[4]的方法,制得的分離膠濃度為12%,濃縮膠濃度為5%,上樣量5 μL,恒壓電泳,電流為40 mA,濃縮膠電壓為100 V,分離膠電壓為150 V。電泳完畢,固定3 h 并染色,染色2.5 h 后脫色,然后用掃描儀進行掃描,并分析圖譜。

        1.3 數(shù)據(jù)分析

        采用Microsoft Excel 2019 對數(shù)據(jù)進行分析,采用Orign 8.0 軟件進行制圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同溫度下MSPI 和SPI 溶解性的比較

        由圖1 可知,經(jīng)TG 酶改性后的MSPI 溶解性明顯下降。改性前后SPI 的溶解性在50~70 ℃內(nèi)均增大,在70~100 ℃內(nèi)隨溫度升高而下降。有研究表明[5],蛋白質(zhì)進行適當(dāng)?shù)臒崽幚頃霈F(xiàn)離解和開鏈現(xiàn)象,增強了水合能力,溶解度增大。但是當(dāng)溫度達到70 ℃以上時,肽鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,大量疏水性基團暴露在蛋白質(zhì)表面并且蛋白質(zhì)分子間互相纏繞,促進了蛋白質(zhì)分子的聚集和沉淀,導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度下降,因此,在70 ℃時蛋白含量達到峰值。同時,因為在大豆分離蛋白交聯(lián)過程中分子間或分子內(nèi)發(fā)生共價交聯(lián),使小分子物質(zhì)聚集成大分子物質(zhì),形成了以G-L 鍵連接的更加穩(wěn)定的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),不易與水結(jié)合,因此,MSPI 的溶解性較SPI 低。

        2.2 不同pH 值梯度下MSPI 和SPI 溶解性的比較

        由圖2 可知,在不同pH 條件下的MSPI 的溶解性明顯低于SPI。SPI 和MSPI 曲線雖均呈先下降后上升趨勢,但MSPI 的溶解性對pH 的敏感度較SPI 低。2<pH<4.5 時,溶解性均逐漸下降;4.5<pH<12 時,溶解性均逐漸上升,在等電點(pH 值4.5)附近時,SPI 和MSPI 的溶解性最差,究其原因是,蛋白質(zhì)在等電點附近時,溶液正負電荷達到平衡,蛋白質(zhì)分子間的排斥力很小,更容易形成大的不溶性聚集體,因此,溶解度最低;當(dāng)遠離等電點時,平衡被打破,在較酸或較堿環(huán)境下,蛋白質(zhì)溶液帶正電荷或負電荷,蛋白質(zhì)分子間的排斥力增大,體系分散性越好,則溶解性越好。MSPI 溶解性明顯低于SPI,原因是經(jīng)過TG 酶改性后,大豆蛋白分子內(nèi)或分子間形成了以共價鍵(G-L 鍵)連接的共聚物,使其蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,這與張海均[6]等的研究結(jié)果一致。

        2.3 不同鹽離子濃度下MSPI 和SPI 溶解性的比較

        由圖3 可知,在不同鹽離子濃度下MSPI 的溶解性明顯低于SPI;MSPI 和SPI 的溶解性隨鹽離子濃度的變化趨勢相似,均呈先升高后降低的趨勢,在鹽離子濃度為0.05 mol/L 時,SPI 和MSPI 的溶解性最大。鹽離子濃度大于0.05 mol/L 后,MSPI 和SPI 的溶解性逐漸降低,究其原因是,隨著鹽離子濃度的增加,鹽離子大量中和蛋白質(zhì)顆粒上的電荷,降低了蛋白分子間排斥力,從而使蛋白質(zhì)顆粒更容易聚集形成沉淀析出,即鹽析效應(yīng)[7-8]。

        2.4 不同溫度下MSPI 上清與沉淀的電泳圖譜

        從圖4 可以看出,在非還原電泳圖譜中,MSPI上清液中的亞基主要分布在相對分子質(zhì)量14.4~97.4 ku 之間,在此區(qū)間的亞基條帶顏色隨溫度升高越來越淺,這與MSPI 在不同溫度下溶解度的變化趨勢相符。在還原電泳圖譜中,上清液中的亞基主要分布在14.4~97.4 ku和大于97.4 ku,各泳道濃縮膠消失,AB-11S 亞基完全消失,說明這些亞基是通過二硫鍵連接形成的;各亞基條帶的顏色隨溫度的升高逐漸加深,推測是由于AB-11S 亞基的斷裂形成了這些新的亞基。

        在非還原電泳圖譜中,MSPI 沉淀中的亞基主要分布在66.2~97.4 ku和大于97.4 ku的區(qū)間。各泳道的濃縮膠和14.4~97.4 ku的亞基條帶顏色隨溫度的增加逐漸變淺。在14.4~22、31~43 ku的亞基條帶顏色非常淺。在還原電泳圖譜中,大于97.4 ku的亞基條帶顏色變淺,各泳道的濃縮膠消失,AB-11S亞基完全消失;各泳道亞基條帶顏色隨溫度升高逐漸變淺,這對應(yīng)了上清中的亞基變化規(guī)律;在31~43、14.4~22 ku的亞基顏色明顯變深,推測是AB-11S 亞基斷裂形成了這些新的亞基[9]。

        2.5 不同pH 下MSPI 上清與沉淀電泳圖譜

        由圖5 可知,3、4、5 泳道的亞基條帶顏色很淺,說明在此區(qū)間蛋白溶解度很低,這與MSPI 在等電點附近的溶解性一致。在非還原電泳圖譜中,MSPI上清中的蛋白亞基主要分布在43~97.4 ku和大于97.4 ku的區(qū)間。MSPI 的亞基條帶對于pH 變化較為敏感,pH 值為3 時顏色較淺,pH 值2、11、12 時亞基條帶顏色較深,pH 值在6~10 時,亞基條帶的顏色隨pH 值的升高逐漸加深。在還原電泳圖譜中,相對分子質(zhì)量在66.2~97.4 ku及大于97.4 ku的亞基條帶顏色明顯變淺,在14.4 及31 ku附近的亞基消失,在52~68 ku的AB-11S 亞基消失,說明這些亞基主要是通過二硫鍵形成;在31~43 ku的A-11S亞基和14.4~22 ku的B-11S 亞基顏色加深,推測是由于AB-11S 亞基斷裂形成,這與DING 等[10]研究結(jié)果相符。

        從圖6 可以看出,無論是在非還原還是還原條件下,3、4、5 三條泳道的顏色最深,說明等電點附近沉淀中的蛋白含量最高,對應(yīng)了圖5 上清中蛋白溶解度,再次印證了等電點附近溶解度變化規(guī)律。在非還原電泳圖譜中,MSPI 沉淀的亞基主要分布在43~97.4 ku,pH 值為3 時亞基條帶顏色最淺,pH 值4 時顏色最深,pH 值在4~10 時,各亞基條帶顏色隨pH 增加越來越淺;與圖5 相比,A-11S 亞基和B-11S 亞基的顏色在圖5 中較深,在圖6 中較淺,說明A-11S 亞基和B-11S 亞基主要存在于上清中,為可溶性單體。在還原電泳圖譜中,AB-11S亞基和大于97.4 ku的亞基顏色明顯變淺,說明這些亞基主要是通過二硫鍵連接形成;同樣,pH 值在4~10 的亞基條帶隨pH 增加顏色逐漸變淺,在14.4~22 ku出現(xiàn)新的亞基,這可能是11S 蛋白亞基斷裂形成的,與部分學(xué)者得出的結(jié)果一致[11]。

        2.6 不同鹽離子濃度下MSPI 上清和沉淀的電泳圖譜

        從圖7 可以看出,在非還原電泳圖譜中,MSPI的上清蛋白亞基主要分布在43~97.4 ku。隨著鹽離子濃度的增加,條帶顏色逐漸變淺,說明隨著鹽離子濃度的增加,MSPI 的溶解度逐漸降低,這與圖3 中MSPI 的溶解性變化曲線相符;不同鹽離子濃度條件下,上清液中的蛋白亞基種類沒有發(fā)生改變,說明鹽離子濃度的變化不會改變MSPI 上清中的亞基分布。在還原電泳圖譜中,各泳道濃縮膠消失,相對分子質(zhì)量大于97.4 ku及43~97.4 ku的亞基除了α′和α亞基外顏色均變淺,AB-11S 亞基完全消失,說明這些亞基主要是由二硫鍵形成的;在31~43、14.4~22 ku的亞基顏色變深,在14.4 ku 附近出現(xiàn)新的亞基條帶,推測是由于AB-11S 亞基斷裂形成的,且隨著鹽離子濃度的增加,各濃度亞基條帶的顏色基本一致。

        從圖8 可以看出,在非還原電泳圖譜中,鹽離子濃度為0.6 mol/L 時亞基條帶顏色最淺,其余泳道的亞基條帶顏色基本保持一致。對比圖7 發(fā)現(xiàn),在66.2~97.4 ku和大于97.4 ku的亞基在圖8 中顏色加深,說明這些亞基主要是以不溶性聚集體的形式存在。在還原電泳圖譜中,各泳道濃縮膠消失,AB-11S 亞基完全消失,大于97.4 ku的亞基條帶顏色變淺,說明這些亞基主要是由二硫鍵連接形成的。在66.2~97.4、31~43、14.4~22 ku的亞基顏色明顯變深,14.4 ku附近出現(xiàn)新的亞基,推測是AB-11S亞基斷裂形成了這些新的亞基。同樣是在鹽離子濃度為0.6 mol/L 時,條帶顏色最淺,其余泳道的條帶顏色基本保持一致,整體比未加入β 巰基乙醇時的顏色更深。

        3 結(jié)論與討論

        大豆分離蛋白經(jīng)TG 酶交聯(lián)后形成了以G-L鍵連接的更加穩(wěn)定的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此,在不同溫度、pH、鹽離子濃度下,MSPI 的溶解性均低于SPI,在食品行業(yè)中可以用以改善因蛋白質(zhì)溶解酸敗而出現(xiàn)的食品問題,具有重要的研究價值。隨著溫度的升高,MSPI 的溶解度呈先上升后下降的趨勢,在70 ℃時溶解度最高,80~100 ℃溶解度變化不大。MSPI 的溶解度隨pH 值的增加呈先下降后上升的趨勢且明顯低于SPI,在pH 值4.5 即等電點時溶解度最低。MSPI 的溶解度在鹽離子濃度大于0.05 mol/L時有著小幅度上升,后隨鹽離子濃度的升高而下降。本試驗結(jié)果與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相似,不足之處在于試驗方法單一,還有待進一步研究。

        從非還原狀態(tài)下的MSPI 電泳圖譜中可以明顯看出,有6 條亞基:α′、α、β、AB、A、B 亞基。相對分子質(zhì)量在14.4~22 ku 的B-11S 亞基在不同溫度下主要是以可溶性粒子形式存在于上清液中;MSPI在等電點附近時主要以沉淀形式存在;鹽離子濃度的增加不會改變MSPI 溶液中的亞基分布。在加入β 巰基乙醇后,AB-11S 亞基的二硫鍵斷裂,生成其他新的亞基。本試驗結(jié)果與部分學(xué)者的研究結(jié)果相似,不足之處在于試驗存在一定的誤差,可通過多次試驗對試驗結(jié)果進行檢驗來改善。

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