修 雨,靳浩文,王紫冰,張曹雅馨,寧 新,李書(shū)紅
(天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,天津300457)
鈣及其化合物支持著機(jī)體的各種運(yùn)動(dòng),從生命誕生起就對(duì)生命活動(dòng)起著極其重要的作用.人類對(duì)鈣及其化合物的認(rèn)識(shí)越來(lái)越清晰,對(duì)其利用也越來(lái)越細(xì)化[1].鈣離子在神經(jīng)傳導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)代謝和骨骼結(jié)構(gòu)支持中發(fā)揮重要作用.鈣缺乏會(huì)引起骨質(zhì)疏松癥、高血壓、佝僂病[2].人體對(duì)鈣的吸收受到限制,是由于在胃腸道消化過(guò)程中形成不溶性鈣鹽沉淀,降低了鈣的生物利用度[3].為了提高鈣的生物利用度,將鈣離子和有機(jī)配體形成配合物,構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)遞送體系,可達(dá)到提高鈣的穩(wěn)定性和生物利用度的目的[4].肽螯合鈣不僅可以用作鈣的強(qiáng)化,而且有利于機(jī)體氨基酸的補(bǔ)充.
酪蛋白磷酸肽(casein phosphopeptide,CPP)是由酪蛋白衍生而來(lái)的磷酸化生物活性肽,活性中心可以螯合鈣形成可溶且穩(wěn)定的配合物,促進(jìn)鈣的吸收[3].牛奶和乳制品是具有良好功能活性的生物活性肽的潛在來(lái)源[5],但是酪蛋白磷酸肽容易受到蛋白酶、胰酶和胃酸的影響,導(dǎo)致活性中樞失活,直接影響腸道鈣的吸收.因此,構(gòu)建穩(wěn)定可控的消化道遞送材料,用于遞送肽鈣螯合物,已引起越來(lái)越多的關(guān)注.
近年來(lái),利用蛋白質(zhì)和多糖等生物大分子組裝保護(hù)性的緩釋載體有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性,可以降低機(jī)體內(nèi)各種生物活性化合物的反應(yīng)速率或釋放速率.由于葡聚糖呈電中性而阻止了靜電絡(luò)合物的形成,所以它被廣泛用于蛋白質(zhì)糖基化結(jié)合.蛋白質(zhì)-葡聚糖共聚物在食品系統(tǒng)中可能具有提高最終產(chǎn)品質(zhì)量的潛力[6].多糖作為屏障可以防止酶的降解,而蛋白質(zhì)用于提供親和力來(lái)結(jié)合生物活性化合物[7].糖接枝法作為廣泛用于提高蛋白質(zhì)或多肽的特性的方法,在接枝過(guò)程中發(fā)生了美拉德反應(yīng),然而由于反應(yīng)進(jìn)程慢和接枝率較低等問(wèn)題,使其在食品工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用受到限制.超聲處理作為一種新的綠色環(huán)保的加工技術(shù),其特有的空穴作用可產(chǎn)生巨大的壓力、剪切力、湍流和激烈的攪拌.王忠合等[8]用超聲波加速反應(yīng)進(jìn)程以及強(qiáng)化提取過(guò)程[9],不僅可以改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象和特性,而且可以改善反應(yīng)條件,加快反應(yīng)速率,提高反應(yīng)產(chǎn)率,具有能夠較好地保留食品自身特性等優(yōu)點(diǎn).
為了提高葡聚糖和CPP接枝反應(yīng)的速率和程度,使其更廣泛地應(yīng)用于鈣離子遞送中,本研究選擇中性多糖葡聚糖與CPP通過(guò)美拉德反應(yīng)進(jìn)行共價(jià)結(jié)合制備葡聚糖-CPP共聚物,通過(guò)超聲控制美拉德反應(yīng)進(jìn)程,促進(jìn)二者接枝率的提高,并對(duì)葡聚糖-CPP共聚物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.構(gòu)建葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系,研究分析葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性及其微觀結(jié)構(gòu),旨在為蛋白質(zhì)與多糖共聚物作為鈣遞送體系的應(yīng)用與完善奠定基礎(chǔ).
葡聚糖(相對(duì)分子質(zhì)量2×104),上海源葉生物科技有限公司;CPP,上海麥克林生化科技有限公司;氯化鈣,天津化學(xué)試劑一廠;十二烷基硫酸鈉(SDS)、乙二胺四乙酸(EDTA)、胃蛋白酶、胰蛋白酶,北京索萊寶生物科技有限公司;去離子水,實(shí)驗(yàn)室自制;鄰苯二甲醛(OPA)、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、硼酸、β-巰基乙醇等試劑均為分析純?cè)噭?
RS-232型電子分析天平,丹納赫傳感工業(yè)控制有限公司;TDL-5-A型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;722型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),上海光譜儀器有限公司;JP-040ST型超聲波清洗機(jī),深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司;HH型數(shù)顯恒溫水浴鍋,金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;FD-10型真空冷凍干燥機(jī),北京德天佑科技發(fā)展有限公司;透析袋(截留相對(duì)分子質(zhì)量為8×103~1.4×104、500),上海源葉生物科技有限公司;SU1510型掃描電子顯微鏡,日本日立株式會(huì)社;TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀,布魯克儀器有限公司.
1.2.1 葡聚糖-CPP共聚物的制備
準(zhǔn)確稱量一定量CPP和葡聚糖,分別加入pH 7.0、0.2mol/L磷酸鹽緩沖液中充分溶解,均配制成質(zhì)量濃度為5mg/mL的溶液.
將配制好的溶液按CPP與葡聚糖質(zhì)量比為1∶4使二者均勻混合,常溫下調(diào)至pH 7.0,取30mL混合物置于燒杯中,分別在功率180W和250W下超聲處理0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0h,溫度設(shè)定為(60±5)℃,恒溫水浴槽控溫.反應(yīng)完畢,使用冰水使混合液冷卻至室溫,將混合液3000r/min離心10min除去沉淀,得到上清液,流水透析24h(截留相對(duì)分子質(zhì)量為8×103~1.4×104)得到葡聚糖-CPP共聚物,24h后冷凍干燥,備用.同時(shí),按上述條件制備CPP和葡聚糖的混合物,以90℃水浴未超聲處理作為對(duì)照,此條件下處理獲得的產(chǎn)物表示為水浴-90.在功率180W、250W超聲處理下獲得的產(chǎn)物分別表示為MRPs-180、MRPs-250.
1.2.2 接枝率的測(cè)定
參考Vigo等[10]的方法并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.取4.0mL OPA試劑置于試管中,加入0.2mL制備的各條件下共聚物,搖勻,水浴2min,終止反應(yīng),整個(gè)過(guò)程避光進(jìn)行.用0.2mL的超純水替換0.2mL的樣品作為空白調(diào)零,其余相同.反應(yīng)結(jié)束后,冷卻至室溫,在340nm處測(cè)定吸光度.以0.1~0.5mg/mL的賴氨酸溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(y=1.691x-0.1409,R2=0.9991),計(jì)算樣品中游離氨基的含量.按照式(1)[11]計(jì)算接枝率(G).
式中:c0為零時(shí)刻時(shí)單一蛋白溶液中游離氨基的濃度,mol/L;ct為t時(shí)刻接枝物溶液中游離氨基的濃度,mol/L.
1.2.3 葡聚糖-CPP共聚物微觀結(jié)構(gòu)分析
傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析:1.0mg樣品凍干粉末與(150±10)mg溴化鉀混合,置于瑪瑙研缽內(nèi)充分研磨,將混合物倒入模具進(jìn)行壓片.將壓至透明的薄皮放入傅里葉變換紅外光譜儀中,波數(shù)范圍400~4000cm-1,分辨率4cm-1,掃描次數(shù)32次,使用OMNIC軟件對(duì)譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及基線校正.
掃描電子顯微鏡(SEM)觀察:將一定量樣品液滴加到1cm的小玻璃板上,自然風(fēng)干,將干燥的樣品均勻分布在樣品盤(pán)上的導(dǎo)電膠表面,進(jìn)行真空噴金處理.將噴金處理后的樣品盤(pán)置于掃描電子顯微鏡下觀察,加速電壓10kV,放大倍數(shù)1000倍.
1.2.4 葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系的制備
準(zhǔn)確稱取一定量在250W超聲處理240min后凍干的葡聚糖-CPP粉末,配制成20mg/mL溶液,加入與之等量的CaCl2,調(diào)節(jié)pH至7.0,恒溫40℃條件下振蕩40min.反應(yīng)完成后,加入10倍體積的95%乙醇醇沉,3000r/min離心10min,棄上清液,取沉淀物進(jìn)行冷凍干燥,備用.CPP-Ca2+溶液遞送體系的制備方法與上述方法相同.
1.2.5 Ca2+遞送體系在體外胃(腸)道模擬體系中的穩(wěn)定性
準(zhǔn)確稱取0.6g NaHCO3、1.1g KCl和3.1g NaCl,用超純水將溶液定容至1L,配制成胃電解質(zhì)溶液,調(diào)節(jié)pH至2.0,常溫貯存.稱取150.0mg胃蛋白酶,將其溶解于胃電解質(zhì)溶液,配制成1mg/mL人工胃液,4℃保存?zhèn)溆?
稱取0.65g KCl、5.4g NaCl用超純水定容至1L,配制成腸電解質(zhì)溶液,調(diào)節(jié)pH至7.8.稱取4.0g胰蛋白酶并用超純水定容至100mL,加入100mL腸電解質(zhì)溶液均勻混合,制成人工小腸液,pH調(diào)至7.8,4℃保存?zhèn)溆?
參考Gao等[12]的方法并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.配制質(zhì)量濃度均為100mg/mL的CPP-Ca2+和葡聚糖-CPPCa2+復(fù)合物溶液,采用透析袋法測(cè)定遞送體系的Ca2+在體外胃腸道模擬體系中的釋放效果.
取5mL已配制好的復(fù)合物溶液置于透析袋(截留相對(duì)分子質(zhì)量為500)中,將透析袋分別置于100mL pH 2.0的胃電解質(zhì)溶液和人工胃液的燒杯中,37℃水浴振蕩2h,每隔15min從燒杯取1mL待測(cè)液;待模擬胃消化反應(yīng)結(jié)束后,將透析袋移至腸電解質(zhì)溶液和人工小腸液的燒杯中,消化4h,每隔30min從燒杯取1mL待測(cè)液,利用EDTA法測(cè)定溶液中的Ca2+含量.釋放率(R)按照式(2)計(jì)算.
式中:1ρ和0ρ分別為滴定鈣質(zhì)量濃度和總鈣質(zhì)量濃度,mg/mL.
1.2.6 葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系微觀結(jié)構(gòu)分析
葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系微觀結(jié)構(gòu)采用傅里葉變換紅外光譜分析與掃描電子顯微鏡觀察,具體操作步驟與參數(shù)設(shè)置參照1.2.3節(jié).
所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次,計(jì)算結(jié)果均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示.采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行一維方差分析,差異顯著性采用鄧肯檢驗(yàn),不同字母表示差異性顯著(P<0.05).
2.1.1 接枝率
OPA法是一種有效檢測(cè)氨基酸的方法.美拉德反應(yīng)中殘余的游離氨基一般用來(lái)評(píng)價(jià)多糖的反應(yīng)水平.CPP與葡聚糖的接枝反應(yīng)主要是在游離氨基和還原性醛基之間發(fā)生,還原糖的羰基會(huì)使CPP中游離氨基含量降低.采用OPA法測(cè)定340nm處的氨基含量,對(duì)共聚物的接枝率進(jìn)行了測(cè)定.超聲處理對(duì)接枝率的影響如圖1所示.
圖1 超聲處理對(duì)接枝率的影響Fig.1 Effects of ultrasonic treatment on grafting rates
從圖1中可以看出,CPP和葡聚糖的接枝率與超聲功率和反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān);超聲波處理后,游離氨基含量呈遞減趨勢(shì),接枝強(qiáng)度也隨之增加,且在超聲功率為180W和250W下的接枝率差異顯著(P<0.05);250W超聲處理4h接枝率最高,為62.30%.這是由于超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)促進(jìn)了CPP與葡聚糖間的接枝反應(yīng)[11].超聲處理加速分子的運(yùn)動(dòng),使葡聚糖與CPP之間的碰撞概率增加,促進(jìn)游離氨基和還原性醛基之間發(fā)生接枝反應(yīng),且防止CPP分子間聚集,有利于氨的羰基化.
反應(yīng)時(shí)間是影響美拉德反應(yīng)[13]過(guò)程中褐變程度和中間產(chǎn)物形成的重要因素.在水浴溫度90℃、控制CPP和葡聚糖的比例為1∶4時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),接枝率先升高后降低,在4h時(shí)接枝率最高;與水浴法相比,超聲處理組達(dá)到與之相同接枝率時(shí)的處理時(shí)間明顯縮短,即1h后,水浴組接枝率明顯低于相同處理時(shí)間下超聲處理組的接枝率(P<0.05),4h后,250W超聲處理組的接枝率比水浴組高19.67%.
2.1.2 葡聚糖-CPP共聚物的表征
(1)FTIR分析
傅里葉變換紅外光譜分析可用于分析多糖和多肽的結(jié)構(gòu)變化以及共聚物的相互作用,是分析美拉德反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的有力手段,其在紅外譜區(qū)都有若干特征吸收帶[14].不同樣品的傅里葉變換紅外光譜圖如圖2所示.與葡聚糖和CPP對(duì)比,共聚物的吸收峰在3400cm-1附近發(fā)生變化,這表明在美拉德反應(yīng)后引入葡聚糖導(dǎo)致O—H在3200~3700cm-1處產(chǎn)生了伸縮振動(dòng);C—H在2800~3000cm-1處產(chǎn)生了伸縮振動(dòng),與Pirestani等[15]的研究一致.
圖2 不同樣品的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of different samples
在1650cm-1波數(shù)附近的吸收峰對(duì)應(yīng)于羧基中的C=O,這是酰胺Ⅰ帶(1600~1700cm-1)的特征吸收峰.與CPP相比,水浴處理組共聚物在這里的吸收峰強(qiáng)度稍有減弱,是由于羰基含量減少而逐漸聚合成大分子;與水浴處理組相比,超聲處理組的最大吸收波長(zhǎng)有所降低.超聲處理組在1651cm-1酰胺Ⅰ帶吸收峰變化明顯,說(shuō)明超聲會(huì)影響CPP的二級(jí)結(jié)構(gòu)[16].1070cm-1附近超聲處理組相較于水浴處理組峰強(qiáng)度增加,本研究結(jié)果與Wang等[17]的研究結(jié)果相似.FTIR譜圖變化證明了共價(jià)連接的形成,同時(shí),不同處理?xiàng)l件下的共聚物表現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)上的差異.
(2)SEM分析
利用SEM觀察不同樣品表面微觀結(jié)構(gòu)變化.如圖3所示,CPP為球狀,表面粗糙,部分有粘連;葡聚糖,形態(tài)以片狀為主,其表面平整光滑.水浴處理下的葡聚糖-CPP共聚物,從圖3中可以看出兩種形態(tài)的物質(zhì)交替覆蓋,這是由于CPP與葡聚糖之間的分子間相互作用導(dǎo)致,表明兩種物質(zhì)通過(guò)阿馬道里重排和共價(jià)鍵緊密地結(jié)合在一起[18].通過(guò)美拉德反應(yīng),葡聚糖分子中的羰基與CPP分子中的氨基相結(jié)合發(fā)生分子間的交聯(lián)或橋聯(lián)現(xiàn)象.同時(shí),葡聚糖可以對(duì)CPP起到一定的保護(hù)作用,提高CPP的穩(wěn)定性.
圖3 CPP、葡聚糖、水浴處理葡聚糖-CPP共聚物、超聲處理葡聚糖-CPP共聚物的掃描電子顯微鏡圖Fig.3SEM images of CPP,dextran,dextran-CPP copolymer under water bath treatment and dextran-CPP copolymer under ultrasonic treatment
超聲處理下的葡聚糖-CPP共聚物,CPP附著在葡聚糖上的結(jié)合形態(tài)相較水浴處理下的共聚物發(fā)生變化.這是由于超聲可以使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)產(chǎn)生變化從而影響共聚過(guò)程[17],即超聲波可以使酪蛋白發(fā)生去折疊現(xiàn)象,改變蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),這會(huì)導(dǎo)致游離氨基的增加,同時(shí)影響活化能[9],還可以通過(guò)展開(kāi)CPP的空間構(gòu)象增加糖基化點(diǎn)位,這也驗(yàn)證了測(cè)得的接枝率有所提高的原因.
2.2.1 葡聚糖-CPP-Ca2+結(jié)構(gòu)表征
(1) FTIR分析
Jiang等[19]研究發(fā)現(xiàn),可用接枝率反映不同條件下葡聚糖-CPP吸附Ca2+的能力,故對(duì)上述超聲處理接枝率最高條件下和水浴處理下得到的共聚物進(jìn)行Ca2+的遞送,并進(jìn)行葡聚糖-CPP-Ca2+結(jié)構(gòu)表征.葡聚糖-CPP-Ca2+的傅里葉變換紅外光譜圖如圖4所示.CPP中3409cm-1處的吸收峰為—NH2的伸縮振動(dòng)峰,與鈣離子螯合后發(fā)生了紅移,移動(dòng)至3428cm-1,由此可知鈣離子與氨基氮發(fā)生反應(yīng).
圖4 葡聚糖-CPP-Ca2+的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectrum of dextran-CPP-Ca2+
與鈣離子螯合后葡聚糖-CPP共聚物的-NH2吸收峰也出現(xiàn)藍(lán)移,這是因?yàn)镃PP或葡聚糖-CPP共聚物中的氨基分別形成C—N共價(jià)鍵和N—Ca離子鍵的不同也會(huì)導(dǎo)致吸收峰的藍(lán)移,且超聲處理比水浴處理?xiàng)l件下的波數(shù)有所降低,是因?yàn)殁}離子的加入會(huì)增加螯合物中的電子云密度,使得頻率升高,電場(chǎng)效應(yīng)發(fā)生改變.1650cm-1附近處為C=O伸縮振動(dòng)的特征峰[20],螯合反應(yīng)后該處特征峰均發(fā)生了藍(lán)移,表明C=O參與到了鈣離子結(jié)合中.
共聚物在1000~1200cm-1處的特征峰為磷酸P—O—C基團(tuán)的伸縮振動(dòng),在與鈣離子發(fā)生結(jié)合后,此處吸收峰強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化,這表明CPP中的磷酸基團(tuán)在鈣配位中發(fā)揮著重要作用,磷酸化絲氨酸殘基具有鈣結(jié)合能力,證明了磷酸基團(tuán)也參與了鈣離子的結(jié)合過(guò)程.
(2) SEM分析
水浴處理、超聲處理后的葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系在不同放大倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖如圖5所示.葡聚糖-CPP共聚物表面均呈現(xiàn)出凹凸不平的形態(tài),主要為片狀.共聚物與鈣離子結(jié)合后的葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系呈現(xiàn)出相互交織、疏松多孔的無(wú)定形狀態(tài).這是因?yàn)殁}離子的加入破壞了葡聚糖-CPP共聚物的原有結(jié)構(gòu)[21],誘導(dǎo)共聚物中CPP的結(jié)構(gòu)向外展開(kāi);同時(shí),多肽之間通過(guò)鈣離子連接發(fā)生交聯(lián),形成較大顆粒,鈣離子與CPP分子中的氨基端和羧基端作用也會(huì)使其表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.由圖5可以看出,超聲處理下的葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系的孔隙狀態(tài)比水浴處理下更加疏松.
圖5 水浴處理、超聲處理后的葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系在不同放大倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖Fig.5SEM images under different magnification of dextran-CPP-Ca2+delivery system under water bath treatment and ultrasonic treatment
2.2.2 Ca2+遞送體系的模擬體外消化
通過(guò)配制與人體胃腸道的內(nèi)環(huán)境相似的溶液來(lái)模擬人體消化,圖6為CPP-Ca2+和超聲處理下葡聚糖-CPP-Ca2+兩種Ca2+遞送體系的消化過(guò)程.
圖6 不同Ca2+遞送體系的模擬體外消化Fig.6Artificial simulation of in vitro digestion with different Ca2+ delivery systems
在體外模擬胃消化階段中,CPP-Ca2+在胃電解質(zhì)溶液和胃消化階段過(guò)程中的鈣離子釋放率分別達(dá)到68.73%和77.78%,葡聚糖-CPP-Ca2+在胃電解質(zhì)溶液和胃消化階段過(guò)程中的鈣離子釋放率分別為61.32%和64.48%.對(duì)于葡聚糖-CPP-Ca2+遞送體系而言,在胃消化結(jié)束階段并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05).在腸消化階段中,CPP-Ca2+在電解質(zhì)溶液和人工模擬液中的釋放率分別為98.31%和97.40%,葡聚糖-CPP-Ca2+在人工模擬液中的釋放率達(dá)到89.62%,在電解質(zhì)溶液中為84.86%,這表明葡聚糖-CPP-Ca2+具有更好的抗消化性.
CPP-Ca2+在整個(gè)消化階段表現(xiàn)出的Ca2+釋放率均高于葡聚糖-CPP-Ca2+,這可能是因?yàn)镃PP-Ca2+遞送體系中的CPP直接與外界環(huán)境接觸,更容易受到酶和環(huán)境pH的影響,致使鈣離子釋放得更快.
接枝率測(cè)定及共聚物表征研究表明,CPP與葡聚糖共聚物在250W超聲處理2h條件下的反應(yīng)程度與90℃水浴處理4h條件下相當(dāng);在反應(yīng)4h后,超聲處理組的接枝率比水浴處理組提高19.67%,且在螯合鈣離子后模擬胃腸道消化過(guò)程緩釋效果較好.超聲處理通過(guò)展開(kāi)CPP的空間構(gòu)象增加糖基化點(diǎn)位,使得CPP與葡聚糖結(jié)合點(diǎn)位明顯增多,改善了接枝能力,提高了共聚物的反應(yīng)速度和反應(yīng)程度,在遞送鈣離子的應(yīng)用中呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),為葡聚糖-CPP作為鈣遞送體系在后續(xù)食品工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).