趙子軒,楊 雪,魏 潔,陳曉梅
(集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院,福建 廈門 361021)
新鮮度對水產(chǎn)品的品質(zhì)及原料的加工適性有重要影響[1]。隨著生活水平的提高,人們對于水產(chǎn)品的鮮度要求也越來越高。目前,水產(chǎn)品新鮮度評價方法主要包括常規(guī)的感官評價法以及特殊標(biāo)志物測定法[2]。前者操作繁瑣、費(fèi)時且重復(fù)性差,相較而言,特殊標(biāo)志物測定法準(zhǔn)確性好、靈敏度高,因此受到研究者的廣泛關(guān)注[3]。
次黃嘌呤(hypoxanthine,Hx)作為一種重要的生物堿,是三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的主要分解代謝產(chǎn)物[4]。水產(chǎn)品死亡后,體內(nèi)的ATP在酶的作用下發(fā)生一系列降解反應(yīng),產(chǎn)生Hx,其主要步驟如下:三磷酸腺苷→二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)→ 單磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)→ 肌苷酸(inosinemonphosphate,IMP)→次黃嘌呤核苷(hypoxanthine ribonucleoside,HxR)→Hx[5-6]。相比水產(chǎn)品鮮度的其他特征標(biāo)志物,Hx在水產(chǎn)品變質(zhì)的早期即產(chǎn)生[7]。因此,對Hx含量的準(zhǔn)確、快速測定有助于評估水產(chǎn)品的早期新鮮度,這對于保障水產(chǎn)品的食用安全性具有重要意義。
目前,Hx的傳統(tǒng)檢測方法主要有高效液相色譜法[8]、 毛細(xì)管電泳法[9]、酶電極傳感器法[10-12]等。這些方法需要相對昂貴的設(shè)備和熟練的技術(shù)人員,不適合應(yīng)用于Hx的現(xiàn)場快速檢測[3]。比色分析法是一種根據(jù)待測物質(zhì)顏色變化而建立起來的定量分析方法,具有操作簡便、快速、成本低的優(yōu)點[13],在食品和環(huán)境污染物檢測方面?zhèn)涫荜P(guān)注[14-15]。Tang Yue等[16]合成了具有H2O2模擬酶活性的二維分層狀二硫化鎢納米片,當(dāng)體系中含有Pb(II)時,H2O2模擬酶活性受到抑制,使3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺(3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine,TMB)藍(lán)色氧化物生成量減少,導(dǎo)致650 nm波長處吸光度下降,從而實現(xiàn)對Pb(II)的靈敏檢測。Salem等[17]合成了對氨基苯甲酸穩(wěn)定的銀納米棒,與SO42-結(jié)合后銀納米棒發(fā)生聚集,反應(yīng)體系顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)黑色,實現(xiàn)對水樣中SO42-的檢測。課題組在前期研究工作中,合成了具有模擬酶活性的鉑鈀納米花修飾石墨烯復(fù)合材料,結(jié)合TMB實現(xiàn)了對H2O2的比色檢測[18]。本實驗在前期研究工作的基礎(chǔ)上,通過室溫攪拌法合成半胱氨酸(cysteine,Cys)穩(wěn)定的銅納米簇(copper nanoclusters,CuNCs),以TMB為顯色劑,H2O2為底物,考察Cys-CuNCs的H2O2模擬酶活性,結(jié)合Hx在黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XOD)的作用下生成H2O2的特點,建立快速、靈敏檢測Hx的比色分析方法,并將其應(yīng)用于草魚魚肉鮮度的評價。
草魚 廈門集美農(nóng)貿(mào)市場。
Hx(純度99%)、L-Cys(純度99%)、TMB(純度98%) 上海麥克林生化有限公司;黃嘌呤氧化酶 美國Sigma-Aldrich公司;二水合氯化銅(分析純) 西隴化工股份有限公司;實驗用水均為超純水。
F30透射電子顯微鏡 美國FEI公司;Lambda 265紫外-可見分光光度計、LS55熒光分光光譜儀 鉑金埃爾默股份有限公司;Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer,F(xiàn)TIR)儀 美國 賽默飛世爾科技公司;ME204分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;TG16-WS臺式高速離心機(jī) 昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;RH D S25加熱磁力攪拌器 德國IKA公司。
1.3.1 Cys-CuNCs的制備
參考文獻(xiàn)[19]的制備方法。首先,在劇烈攪拌下向10 mL 5 mmol/L CuCl2溶液中逐滴加入10 mL 5 mmol/L Cys溶液,此時,溶液由淡藍(lán)色變?yōu)樽仙?。在室溫下繼續(xù)攪拌15 min,利用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH 12,此時,溶液變?yōu)榛液谏?。繼續(xù)攪拌2 h后,溶液呈青綠色。將所得溶液在9 000 r/min離心15 min,收集上清液重復(fù)離心3 次,用截留分子質(zhì)量為3 500 Da的透析袋避光透析24 h,得到Cys-CuNCs,于4 ℃冰箱密封保存。
1.3.2 Cys-CuNCs模擬酶活性的測試
以TMB為顯色劑,H2O2為底物,測試Cys-CuNCs的過氧化物模擬酶活性。實驗步驟如下:將10 μL 1.0 mg/mL 的Cys-CuNCs加入2 mL含有1 mmol/L TMB溶液和0.1 mol/L NaAc緩沖液(pH 4.4)的混合溶液中,再加入50 μL的0.1 mol/L H2O2溶液。混合均勻后,室溫下靜置10 min,檢測在652 nm波長處的吸光度。
使用分光光度計在掃描動力學(xué)模式下記錄652 nm波長處的吸光度變化,研究過氧化物模擬酶的催化氧化反應(yīng)動力學(xué)。實驗分別通過固定TMB濃度測試不同濃度H2O2反應(yīng)速率、固定H2O2濃度測試不同濃度TMB反應(yīng)速率,在此基礎(chǔ)上,計算得到底物的米氏常數(shù)Km和最大反應(yīng)速率Vmax。動力學(xué)計算公式為米氏方程:
式中:V為初始速率/(mol/(L?s));Vmax為最大反應(yīng)速率/(mol/(L?s));[S]為底物濃度/(mol/L);Km為米氏常數(shù)/(mol/L)。
1.3.3 Hx的測定
采用比色法進(jìn)行測定。過程如下:1)將50 μL 1 U/mL XOD加入2 mL含不同濃度Hx的磷酸鹽緩沖液中(pH 7.5,0.1 mol/L),30 ℃水浴反應(yīng)1 h;2)取0.2 mL水浴反應(yīng)產(chǎn)物加入Cys-CuNCs模擬酶反應(yīng)體系(同 1.3.2節(jié))中;3)將混合溶液在室溫中反應(yīng)10 min,測定混合溶液在652 nm波長處的吸光度。每組實驗重復(fù)檢測3 次,吸光度取平均值。
1.3.4 魚肉樣品的檢測
將新鮮草魚剔除魚頭、魚鱗、魚皮及內(nèi)臟部分,在25 ℃保存,每隔5 h沿背脊取肌肉部分在4 ℃均質(zhì)混勻。取均質(zhì)后的樣品5 g加入20 mL 10%高氯酸溶液中,渦旋振蕩1 min后,在4 ℃、8 000 r/min離心10 min,取上清液。用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH值至6.0。隨后按照1.3.3節(jié)進(jìn)行Hx濃度的測定,每組做3 個平行樣品,結(jié)果取平均值。同時取均質(zhì)后的樣品20 g按照GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》[20]中微量擴(kuò)散法測定樣品的揮發(fā)性鹽基氮(total volatile base nitrogen,TVB-N)含量,每組做3 個平行樣品,結(jié)果取平均值。
圖1A為Cys-CuNCs、Cys和CuCl2的紫外-可見吸收光譜圖,相比Cys和CuCl2的譜圖,Cys-CuNCs在波長300~400 nm之間出現(xiàn)一個寬吸收峰,而在波長500~600 nm之間沒有明顯的吸收峰。這表明合成的是粒徑較小的CuNCs[21]。從圖1B可以看出,當(dāng)激發(fā)波長為370 nm時,在495 nm波長處出現(xiàn)Cys-CuNCs的熒光發(fā)射峰。插圖為Cys-CuNCs在日光和紫外燈下的照片,日光下Cys-CuNCs呈現(xiàn)淡藍(lán)綠色,紫外燈下發(fā)出明顯的藍(lán)色熒光。這與Cys-CuNCs的熒光發(fā)射波長相對應(yīng),說明Cys-CuNCs成功合成。
圖1 Cys-CuNCs、Cys和CuCl2的紫外-可見吸收光譜(A)及 Cys-CuNCs的熒光光譜圖(B) Fig. 1 UV-vis absorption spectra of Cys-CuNCs, Cys and CuCl2 (A) and fluorescence spectrum of Cys-CuNCs (B)
從圖2A可見,Cys-CuNCs外觀呈圓粒狀,具有良好的分散性,顆粒大小均勻。進(jìn)一步統(tǒng)計分析,得到粒徑分布圖,如圖2B所示,粒徑集中分布在2~3 nm之間,平均粒徑為2.58 nm。
圖2 Cys-CuNCs的電子顯微鏡圖(A)及粒徑分布圖(B)Fig. 2 TEM image (A) and particle size distribution (B) of Cys-CuNCs
圖3A為Cys-CuNCs和Cys的FTIR譜圖。Cys譜圖中的特征峰可標(biāo)記為在1 598.80 cm-1處的(COO—)不對稱拉伸,3 193.63 cm-1處的(—OH)寬吸收峰以及在2 546.55 cm-1處(—SH)的弱峰。Cys-CuNCs的FTIR光譜與Cys大致相似,但未觀察到—SH的吸收峰,證實了S-Cu的相互作用[22-23]。此外,由于高電子致密金屬銅和Cys結(jié)合導(dǎo)致其偶極矩發(fā)生變化,Cys-CuNCs光譜中其他基團(tuán)的特征振動吸收頻率相對于Cys略有不同。實驗通過X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)技術(shù)研究Cys-CuNCs表面的化合價態(tài), 從圖3B可知,Cu在932.2 eV和952.5 eV處各有一個峰,而在942 eV處未觀測到明顯的峰,表明Cu表面主要為 Cu(I)和Cu(0)[24]。
圖3 Cys-CuNCs和Cys的FTIR譜圖(A)及Cys-CuNCs中 Cu 2p的XPS圖(B)Fig. 3 FTIR spectra of Cys-CuNCs and Cys (A) and XPS energy spectrum of Cu 2p of Cys-CuNCs (B)
為研究Cys-CuNCs的過氧化物模擬酶活性,實驗以H2O2為底物,TMB為顯色劑,考察模擬酶體系的紫外-可見吸收光譜。如圖4A所示,當(dāng)體系同時含有H2O2、TMB、Cys-CuNCs時,在0~10 min內(nèi),反應(yīng)體系在652 nm波長處的吸光度逐漸增強(qiáng),插圖中反應(yīng)體系的顏色相應(yīng)地由無色變?yōu)樗{(lán)色。實驗對不同體系在652 nm波長處吸光度-時間曲線進(jìn)行研究,如圖4B所示,當(dāng)體系中只含H2O2、TMB時或只含Cys-CuNCs、TMB時,652 nm波長處的吸光度在10 min內(nèi)沒有明顯變化,只有同時存在H2O2、TMB、Cys-CuNCs時,652 nm波長處的吸光度增長明顯,表明Cys-CuNCs有明顯的過氧化物模擬酶活性。
圖4 H2O2+TMB+Cys-CuNCs體系的紫外-可見吸收光譜(A)及 不同反應(yīng)體系在652 nm波長處的吸光度-時間曲線(B)Fig. 4 UV-vis spectra of H2O2 + TMB + Cys-CuNCs (A) and absorbance-time curves of different reaction systems at 652 nm (B)
為確定擬酶的動力學(xué)參數(shù),實驗分別改變TMB和H2O2的濃度,在最適條件下測定反應(yīng)體系在652 nm波長處的吸光度,運(yùn)用米氏方程獲得最大反應(yīng)速率Vmax和米氏常數(shù)Km。為得到更好的實驗條件,首先對緩沖液體系及其pH值進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)過實驗得知,采用NaAc緩沖體系,pH 4.4時,Cys-CuNCs對H2O2、TMB混合溶液有最大的吸光度,因此確定緩沖體系的最佳條件。動力學(xué)分析實驗結(jié)果表明,固定H2O2濃度調(diào)節(jié)TMB濃度,當(dāng)TMB濃度為1 mmol/L時,初速率達(dá)到最大值;固定TMB濃度調(diào)節(jié)H2O2濃度,當(dāng)H2O2濃度為12.5 mmol/L 時,初速率達(dá)到最大值。從表1可知,以TMB和H2O2為反應(yīng)底物時,Cys-CuNCs的Km值分別為 0.41 mmol/L和2.85 mmol/L,均比辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)的Km值低,說明Cys-CuNCs對TMB和H2O2的親和力均優(yōu)于HRP,可以實現(xiàn)對H2O2的靈敏檢測。
表1 Cys-CuNCs和HRP的酶動力學(xué)參數(shù)比較Table 1 Comparison of enzyme kinetic parameters between Cys-CuNCs and HRP
由于制備的Cys-CuNCs具有良好的過氧化物模擬酶活性,利用Cys-CuNCs催化H2O2氧化TMB使溶液變藍(lán)的方法檢測H2O2。如圖5A所示,隨著H2O2濃度不斷增加,652 nm波長處的吸光度也逐漸增加。以H2O2濃度和652 nm波長處的吸光度建立線性關(guān)系,如圖5B所示,在5~100 μmol/L范圍內(nèi)H2O2濃度與吸光度呈良好的線性關(guān)系,線性回歸方程為y=0.001 4x+0.032 7(y為652 nm波長處的吸光度,x為H2O2濃度(μmol/L)),R2為0.994 6,檢出限為0.8 μmol/L。結(jié)果表明,基于Cys-CuNCs模擬酶活性,可實現(xiàn)對H2O2的靈敏檢測。
圖5 加入不同濃度H2O2后H2O2+TMB+Cys-CuNCs體系的紫外-可見吸收光譜(A)和H2O2濃度對吸光度的影響(B)Fig. 5 UV-Vis spectra of H2O2 + TMB + Cys-CuNCs system added with different concentrations of H2O2 (A) and effect of different H2O2 concentrations on absorbance (B)
根據(jù)文獻(xiàn)報道[25],在XOD的催化下,Hx與溶解氧反應(yīng)生成H2O2。方程式如下:
為得到更好的檢測效果,對上述反應(yīng)的孵育溫度和孵育時間進(jìn)行優(yōu)化。單因素試驗結(jié)果表明,當(dāng)孵育溫度30 ℃、反應(yīng)時間1 h時,反應(yīng)體系有最大的吸光度,因此在后續(xù)實驗中選擇30 ℃和1 h作為反應(yīng)體系的孵育溫度和孵育時間。XOD催化下產(chǎn)生的H2O2與Hx的量直接相關(guān),Cys-CuNCs可催化H2O2,使其與TMB反應(yīng),溶液變藍(lán)色,反應(yīng)體系在652 nm波長處的吸光度增加。依據(jù)上述原理,可實現(xiàn)對Hx的比色檢測。以Hx濃度和652 nm波長處的吸光度建立線性關(guān)系,Hx濃度與652 nm波長處的吸光度在4~100 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性方程為y=0.001 8x+0.022 1,R2=0.992 0(y為652 nm波長處吸光度,x為Hx濃度(μmol/L)),檢出限為1.2 μmol/L。 圖6為不同濃度Hx對反應(yīng)體系顏色的影響,隨著Hx濃度升高,反應(yīng)體系的顏色從無色透明逐漸變?yōu)樗{(lán)色,從而實現(xiàn)對Hx的比色測定。
圖6 Hx系列濃度反應(yīng)體系的顏色 Fig. 6 Color of reaction system with the different Hx concentrations
為研究魚肉中可能存在的干擾物對傳感器性能的影響,實驗分別以葡萄糖、乳酸、抗壞血酸、尿酸為干擾物,在相同條件下測試這些物質(zhì)在652 nm波長處吸光度的變化。如圖7所示,添加等量物質(zhì)(100 μmol/L)后,Hx在652 nm波長處的吸光度有顯著變化,而添加其他物質(zhì)后,吸光度變化不明顯(A其他<0.15AHx),表明所建立方法對Hx檢測有較好的選擇性和抗干擾能力。
圖7 不同干擾物對體系吸光度的影響Fig. 7 Effects of different interferents on the absorbance of the system
每隔5 h對25 ℃貯藏的草魚肉按照2.5節(jié)進(jìn)行處理,之后進(jìn)行Hx和TVB-N含量的測定,結(jié)果如圖8所示。草魚魚肉隨著時間變化,Hx和TVB-N含量變化趨勢基本一致,將Hx含量與TVB-N含量建立相關(guān)性,可實現(xiàn)對魚肉新鮮度的評價。在貯藏期0~20 h時,Hx和TVB-N含量增長較為平緩,此時魚肉品質(zhì)較為新鮮。在貯藏20 h后,Hx和TVB-N含量變化較為明顯,在此之后魚肉的變質(zhì)速率明顯加快。在30 h時,魚肉的TVB-N含量超過國標(biāo)規(guī)定的限定值(20 mg/100 g)[26],此時魚肉已不再新鮮,所對應(yīng)的Hx含量為(1.09±0.02)mg/5 g。 因此,可以認(rèn)為當(dāng)魚肉中Hx含量超過(1.09± 0.02)mg/5 g時魚不再新鮮。
圖8 草魚死后25 ℃貯藏過程中Hx和TVB-N含量變化的關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between the changes of hypoxanthine and TVB-N contents in grass carp muscle during postmortem storage at 25 ℃
本研究通過室溫攪拌法得到Cys穩(wěn)定的Cys-CuNCs,并對Cys-CuNCs的形貌、元素組成、表面官能團(tuán)和發(fā)光特征進(jìn)行表征。通過分析反應(yīng)體系的紫外-可見吸收光譜,驗證了Cys-CuNCs具有良好的過氧化物模擬酶活性,在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)對H2O2的靈敏檢測。結(jié)合XOD催化Hx生成H2O2的反應(yīng),建立了一種檢測Hx的比色分析方法。Hx濃度在4~100 μmol/L內(nèi)與吸光度呈良好的線性關(guān)系,檢出限為1.2 μmol/L。將該方法應(yīng)用于草魚魚肉中Hx含量的測定,同時根據(jù)魚肉中的TVB-N含量,建立Hx和新鮮度的相關(guān)性,實現(xiàn)對魚肉新鮮度的判斷。該檢測方法簡便快捷、靈敏可靠,研究結(jié)果將為其他肉類新鮮度檢測方法的改良積累基礎(chǔ)資料。