劉琳琳,楊楊,范婧,邊鑫,馬春敏,郭曉雪,石彥國,張娜

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院,哈爾濱 150070)

蛋白質(zhì)中的自由氨基與多糖中的羧基通過共價(jià)鍵形成“蛋白質(zhì)-多糖偶聯(lián)物”,該接枝反應(yīng)在保留蛋白質(zhì)與多糖初始性能的同時(shí),還可進(jìn)一步提高蛋白質(zhì)的功能特性[7],蛋白質(zhì)是兩親性分子,常用來作為乳化劑和穩(wěn)定劑,為此大量學(xué)者探究糖基化反應(yīng)對蛋白乳化性的影響,Zhang等[8]以小麥蛋白與葡聚糖進(jìn)行糖基化反應(yīng),發(fā)現(xiàn)蛋白的乳化性有所提高,并將其作為脂肪替代品應(yīng)用于蛋糕中。Li等[9]用乳清分離蛋白與半乳糖生成的糖基化乳清分離蛋白制成的乳液顯示出較好的物理穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性,并有增強(qiáng)消化的效果。因此,糖基化在提高蛋白質(zhì)乳化性方面發(fā)揮了重要作用。

因此,本研究利用干熱法糖基化反應(yīng),以不同質(zhì)量比的SPI和葡聚糖生成不同接枝度的糖基化蛋白,控制一定的反應(yīng)溫度、濕度及時(shí)間,通過測定接枝程度、紅外光譜、內(nèi)源熒光光譜、表面疏水性指數(shù),探究不同質(zhì)量比下發(fā)生糖基化反應(yīng)后蛋白質(zhì)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化,以及糖基化反應(yīng)對SPI乳化活性與乳化穩(wěn)定性的影響,為擴(kuò)大蛋白質(zhì)作為乳化劑在調(diào)味品行業(yè)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(SPI):哈高科大豆食品有限責(zé)任公司;葡聚糖T10:上海源葉生物科技有限公司;鄰苯二甲醛(OPA):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;十二烷基硫酸鈉(SDS)、β-巰基乙醇:北京索萊寶科技有限公司;1-苯胺基-8-萘磺酸(ANS):北京百靈威科技有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SCIENTZ-12N冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;HWS-50B恒溫恒濕培養(yǎng)箱 天津市宏諾儀器有限公司;LAMBDA紅外光譜儀 珀金埃爾默股份有限公司;紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;UV5100B高速均質(zhì)乳化機(jī) 上海滬析實(shí)業(yè)有限公司;F97Pro熒光分光光度計(jì) 上海棱光技術(shù)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 糖基化大豆蛋白的制備

配制4 g/dL的SPI溶液和1 g/dL的葡聚糖溶液,攪拌一段時(shí)間至樣品完全水合,將SPI與葡聚糖分別按照1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0、1∶2.5、1∶3.0的質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配,經(jīng)過1 h的攪拌處理,置于-20 ℃冷凍保存,利用冷凍干燥機(jī)凍干48 h成粉備用。為獲得美拉德前期反應(yīng)產(chǎn)物,將凍干后的粉末置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中反應(yīng),控制溫度與相對濕度分別為60 ℃和79%,反應(yīng)24 h后于4 ℃下保存[10]。

1.3.2 接枝度的測定

比較(1)式與(2)式不難看出，鋼纖維的含量特征值的變化對鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不同，鋼纖維對劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果大于對軸心抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。其原因可能是在劈裂抗拉時(shí)，受荷端的劈裂面上的鋼纖維承受壓剪兩個(gè)方向的作用，相當(dāng)于對劈拉區(qū)施加了約束，形成了邊壁效應(yīng)，隨著鋼纖維含量特征值的增大，邊壁效應(yīng)的約束作用也同時(shí)增大，使得鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于軸心抗拉強(qiáng)度；而在鋼纖維再生混凝土軸心受拉時(shí)，鋼纖維只受拉力作用，因此軸心抗拉強(qiáng)度增長值沒有劈裂抗拉強(qiáng)度增長值明顯。

對于糖基化蛋白接枝程度的考察參照Sun等[11]的方法并稍加改動,采用OPA法進(jìn)行測定,首先配制50 mL OPA溶液,稱取40 mg OPA溶于1 mL甲醇溶液中,加入5 g/mL的SDS溶液2.5 mL、0.1 mol/L的硼砂溶液25 mL、β-巰基乙醇100 μL,用蒸餾水定容至50 mL。試管中加入4 mL配制好的OPA溶液與200 μL 2 mg/mL的糖基化蛋白溶液,混勻后置于35 ℃水浴鍋中溫浴2 min,于340 nm處測定其吸光值A(chǔ)1,空白對照為添加200 μL蒸餾水的OPA試劑,二者吸光值的差值ΔA為自由氨基的凈吸光值,接枝度(DG)按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算:

DG(%)=(A0-A1)/A0×100。

(1)

1.3.3 紅外光譜掃描

參照Yang等[12]的方法并稍作修改,通過傅里葉紅外掃描圖譜表征糖基化反應(yīng)前后蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu),稱取糖基化反應(yīng)前后的蛋白1 mg,與溴化鉀按1∶150的質(zhì)量比混合后于研缽中研磨成粉,壓制成薄片,在4 000～400 cm-1波數(shù)內(nèi)掃描32次,記錄蛋白的紅外圖譜。

1.3.4 內(nèi)源熒光光譜掃描

參考Chen等[13]的方法掃描樣品的內(nèi)源熒光光譜,配制糖基化前后的蛋白溶液濃度為1 mg/mL,設(shè)置狹縫寬度為5 nm,使蛋白溶液于280 nm波長處激發(fā),掃描其在300～500 nm波長下的發(fā)射光譜,記錄蛋白的內(nèi)源熒光光譜。

1.3.5 表面疏水性指數(shù)的測定

糖基化產(chǎn)物表面疏水性指數(shù)的測定參照Mu等[14]的方法并稍加改動,配制濃度為2 mg/mL的蛋白樣品溶液,梯度稀釋制作曲線,分別稀釋至0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mg/mL。試管中倒入4 mL待測樣品溶液,加入8 mmol/L的ANS 20 μL后混合均勻,使用熒光分光光度計(jì)于15 min內(nèi)對樣品熒光強(qiáng)度進(jìn)行測定。設(shè)定狹縫寬度為5 nm,使待測樣品在390 nm波長下激發(fā),掃描其在300～600 nm波長內(nèi)的發(fā)射光譜,糖基化蛋白質(zhì)的表面疏水性指數(shù)可由曲線初始階段的斜率表示。

1.3.6 乳化性及乳化穩(wěn)定性測定

乳化性的測定參照Zhang等[15]的方法并稍作修改,量取15 mL 2 mg/mL糖基化前后的大豆蛋白溶液與5 mL大豆油混合,室溫下用高速均質(zhì)乳化機(jī)以11 000 g將溶液均質(zhì)2 min,立即在容器底部取100 μL勻漿,與5 mL 0.1% SDS溶液充分混合,空白對照即為0.1% SDS溶液,測定500 nm波長下的吸光值A(chǔ)0;均質(zhì)后靜置30 min,于同一位置取100 μL勻漿,與5 mL 0.1% SDS溶液充分混合,空白對照仍為0.1% SDS溶液,于500 nm波長下測定吸光值A(chǔ)30。乳化活性指數(shù)(EAI)與乳化穩(wěn)定性指數(shù)(ESI)分別按照公式(2)、公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

式中:n為稀釋倍數(shù);C為形成乳液前的蛋白質(zhì)濃度(g/mL);φ為乳狀液中油相的體積分?jǐn)?shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,所得數(shù)據(jù)使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖分析,采用IBM SPSS Statistics 26軟件對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,P<0.05代表具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 糖基化產(chǎn)物接枝度分析

SPI與葡聚糖之間發(fā)生的干熱糖基化反應(yīng)屬于美拉德反應(yīng)的前期反應(yīng),接枝度是評價(jià)糖基化程度的重要指標(biāo)。由圖1可知,葡聚糖添加量的增加致使接枝程度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢,蛋白與糖的質(zhì)量比由1∶0.5增大至1∶2.5,接枝度從26.32%增大到42.68%,這說明蛋白質(zhì)與葡聚糖分子之間接觸的面積增加,體系中參與接枝反應(yīng)的活性基團(tuán)增多,SPI中自由氨基可與葡聚糖分子上更多的羰基發(fā)生共價(jià)結(jié)合,促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生[16]。魏晨[17]以不同質(zhì)量比的木糖與卵白蛋白發(fā)生濕熱美拉德反應(yīng),研究表明不同的質(zhì)量比會影響糖基化反應(yīng)的接枝度,糖占比增大時(shí)反應(yīng)體系中活性位點(diǎn)接觸機(jī)會增加,促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生,與本文得到的結(jié)果相似。當(dāng)?shù)鞍着c糖的質(zhì)量比達(dá)到1∶3.0時(shí),接枝度顯著下降至39.68%,可能的原因是糖占比過大,提高了體系的黏度,阻礙了分子間的接觸,而接枝后的SPI空間位阻增大,可能發(fā)生再聚集,使接枝度下降[18]。

圖1 SPI與葡聚糖在不同質(zhì)量比下糖基化產(chǎn)物的接枝度Fig.1 Degree of grafting of glycosylated products at different mass ratios of SPI to dextran注:不同字母表示差異顯著(P<0.05),下圖同。

2.2 糖基化產(chǎn)物二級結(jié)構(gòu)分析

在1 200～800 cm-1波數(shù)范圍內(nèi),對碳水化合物來說,主要有C-H的彎曲方式及C-C和C-O的拉伸,呈現(xiàn)于圖譜中會有波峰產(chǎn)生,糖基化產(chǎn)物對該區(qū)域內(nèi)的吸收強(qiáng)于天然SPI,說明葡聚糖附著于SPI上,二者之間發(fā)生了共價(jià)結(jié)合[20]。糖基化反應(yīng)發(fā)生后,賴氨酸分子中的-NH2官能團(tuán)可能發(fā)生丟失,而美拉德化合物(C-O)、吡嗪類(C-N)和席夫堿(C-N)的量增加,糖基化后的蛋白在碳水化合物區(qū)域有較強(qiáng)的吸收,由紅外圖譜(見圖2)可以看出共軛物于1 200～800 cm-1波長內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)新的吸收峰,未經(jīng)糖基化處理的SPI幾乎不存在吸收峰,表明在干熱美拉德反應(yīng)期間,葡聚糖附著在SPI分子上,二者之間發(fā)生了共價(jià)結(jié)合。Zhou等[21]將不同分子量的葡聚糖與SPI按照1∶10的質(zhì)量比發(fā)生糖基化反應(yīng),其紅外圖譜的結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 SPI與葡聚糖在不同質(zhì)量比下糖基化產(chǎn)物的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrograms of glycosylated products at different mass ratios of SPI to dextran

2.3 糖基化產(chǎn)物三級結(jié)構(gòu)分析

SPI分子中的色氨酸殘基在280 nm波長下激發(fā)從而產(chǎn)生熒光,熒光光譜的變化可以用來反映色氨酸微環(huán)境的變化,當(dāng)SPI與葡聚糖發(fā)生共價(jià)結(jié)合時(shí),蛋白本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,發(fā)色基團(tuán)被掩埋從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低[22],由圖3中熒光光譜也可以看出,糖基化反應(yīng)可以明顯降低SPI的熒光強(qiáng)度,Hu等在濕熱條件下制備了SPI與杏鮑菇多糖的美拉德偶聯(lián)物,其研究結(jié)果也出現(xiàn)了糖基化后蛋白的內(nèi)源熒光強(qiáng)度低于天然SPI的類似現(xiàn)象[23]。糖基化產(chǎn)物的最強(qiáng)熒光發(fā)射峰出現(xiàn)在340 nm左右的波長下,熒光強(qiáng)度隨糖占比的增大呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,當(dāng)?shù)鞍着c糖的質(zhì)量比為1∶2.0時(shí)熒光值為75.16,僅次于天然蛋白的89.03,最大發(fā)射波長發(fā)生小程度的藍(lán)移且峰強(qiáng)度有所減弱,表明糖基化反應(yīng)對SPI的結(jié)構(gòu)有一定影響,部分色氨酸參與了糖基化反應(yīng),而接入的葡聚糖鏈分子過多,遮蔽了蛋白本身的發(fā)射強(qiáng)度,造成峰強(qiáng)度有所降低;同時(shí)酪氨酸與色氨酸之間可能會發(fā)生疏水相互作用,在蛋白內(nèi)部形成疏水環(huán)境,致使最大發(fā)射波長出現(xiàn)藍(lán)移的現(xiàn)象。

圖3 SPI與葡聚糖在不同質(zhì)量比下糖基化產(chǎn)物的內(nèi)源熒光光譜圖Fig.3 Endogenous fluorescence spectrograms of glycosylated products at different mass ratios of SPI to dextran

2.4 糖基化產(chǎn)物表面疏水特性

ANS熒光探針用于測定糖基化反應(yīng)前后SPI的表面疏水特性,ANS熒光探針中含有的磺酸基團(tuán)帶有負(fù)電,可以與蛋白質(zhì)中帶正電的氨基酸(如賴氨酸等)發(fā)生結(jié)合,使用熒光分光光度計(jì)掃描時(shí)可發(fā)射出熒光強(qiáng)度,通過測定樣品的熒光強(qiáng)度可計(jì)算出蛋白質(zhì)的表面疏水性指數(shù),見圖4。

圖4 SPI與葡聚糖在不同質(zhì)量比下糖基化產(chǎn)物的表面疏水性Fig.4 Surface hydrophobicity of glycosylated products at different mass ratios of SPI to dextran

對糖基化反應(yīng)前后的SPI進(jìn)行外源熒光強(qiáng)度的測定并利用線性關(guān)系計(jì)算得到其表面疏水性指數(shù),由圖4結(jié)合ANS熒光光譜圖(見圖5)可知,天然SPI的表面疏水性指數(shù)為64.01,而經(jīng)過糖基化反應(yīng)后,大量親水性羥基引入體系中,增大了體系的親水性,與天然SPI對比來看,糖基化處理后的蛋白質(zhì)表面疏水性指數(shù)出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象,有提高蛋白質(zhì)溶解度的可能性[24]。Qu等[25]采用傳統(tǒng)和超聲輔助濕熱法制備了油菜籽分離蛋白(RPI)與葡聚糖偶聯(lián)物,得到了類似的結(jié)果,與RPI相比,糖基化反應(yīng)降低了偶聯(lián)物的表面疏水性,由此說明,葡聚糖的接枝反應(yīng)對SPI的表面疏水性有較強(qiáng)的遮蔽效果,降低了SPI的表面疏水性?？梢杂^察到隨著糖占比的增大,復(fù)合體系的表面疏水性呈現(xiàn)上升的趨勢,可能是因?yàn)榻?jīng)過糖基化后的蛋白質(zhì),其結(jié)構(gòu)部分伸展,內(nèi)部疏水基團(tuán)部分暴露;當(dāng)?shù)鞍着c糖比例達(dá)到1∶2.0時(shí),其表面疏水指數(shù)達(dá)到最高,為34.28,繼續(xù)增大糖的占比時(shí),可能會因多糖鏈的遮蔽作用而使表面疏水指數(shù)略有降低[26]。

圖5 SPI與葡聚糖在不同質(zhì)量比下糖基化產(chǎn)物的ANS熒光光譜圖Fig.5 ANS fluorescence spectrograms of glycosylated products at different mass ratios of SPI to dextran

2.5 糖基化蛋白的乳化活性及乳化穩(wěn)定性分析

乳化活性指數(shù)(EAI)與乳化穩(wěn)定性指數(shù)(ESI)可以反映出蛋白質(zhì)形成及穩(wěn)定乳化體系的能力,可用于衡量蛋白質(zhì)的乳化性[27]。由圖6可知,天然SPI的乳化活性為75.14 m2/g,當(dāng)?shù)鞍着c糖的質(zhì)量比達(dá)到1∶0.5時(shí),乳化活性增大至92.07 m2/g,此時(shí)由于接枝反應(yīng)的發(fā)生,蛋白質(zhì)的球狀結(jié)構(gòu)部分伸展,暴露內(nèi)部的疏水基團(tuán),增強(qiáng)蛋白的表面活性,有利于油滴的分散,保持了更好的乳化性[28];隨著葡聚糖占比的增加,雖然蛋白質(zhì)與糖的接觸面積進(jìn)一步增大,糖基化反應(yīng)逐漸加強(qiáng),但葡聚糖的過多加入會使體系中引入大量親水基團(tuán),破壞了水油的界面平衡,因此受空間位阻的影響可能會導(dǎo)致乳化性與天然蛋白相比有下降的趨勢。乳化穩(wěn)定性更多受放置時(shí)油水界面形成的保護(hù)膜的穩(wěn)定性的影響[29],天然SPI的乳化穩(wěn)定性為22.55%,經(jīng)過糖基化反應(yīng)后的蛋白,其乳化穩(wěn)定性均高于天然蛋白,說明多糖的黏附性有利于乳化穩(wěn)定性的增強(qiáng)。過量糖的加入對乳化性不利,但對于乳化穩(wěn)定性來說卻是有利的[30]。

圖6 SPI與葡聚糖在不同質(zhì)量比下糖基化產(chǎn)物的乳化活性指數(shù)(EAI)及乳化穩(wěn)定性指數(shù)(ESI)Fig.6 Emulsifying activity index (EAI) and emulsion stability index (ESI) of glycosylated products at different mass ratios of SPI to dextran

3 結(jié)論

文章探究了SPI與葡聚糖的質(zhì)量比不同時(shí)發(fā)生糖基化反應(yīng)后蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及乳化性的改變,結(jié)果表明糖基化反應(yīng)的發(fā)生使蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)改變,葡聚糖接枝到SPI上,導(dǎo)致蛋白表面親水性基團(tuán)增多,降低了蛋白的表面疏水性。當(dāng)SPI與葡聚糖的質(zhì)量比為1∶2.0時(shí),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變最大,疏水基團(tuán)暴露最多,乳化穩(wěn)定性最高;當(dāng)SPI與葡聚糖的質(zhì)量比為1∶0.5時(shí),蛋白的乳化性最好,綜上所述,改變葡聚糖的添加量對糖基化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)以及乳化性有不同影響,而蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的改善對食品工業(yè)有重要影響,本研究可為糖基化大豆分離蛋白相關(guān)產(chǎn)品在新型乳液、脂肪替代品、生物活性載體等方面的開發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)。