酪蛋白與明膠的酶促交聯(lián)與產(chǎn)物的流變學(xué)性質(zhì)

張伊寧，趙新淮

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150030）

酪蛋白與明膠的酶促交聯(lián)與產(chǎn)物的流變學(xué)性質(zhì)

張伊寧，趙新淮

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150030）

利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)酪蛋白和明膠進(jìn)行酶促混合交聯(lián)。在酪蛋白與明膠比例為4︰1（質(zhì)量比）時(shí)，以交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)研究酶添加量、反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)交聯(lián)反應(yīng)的影響。優(yōu)化后的適宜交聯(lián)條件為：底物質(zhì)量濃度固定為50 g/L，酶添加量為每克蛋白質(zhì)20 U，反應(yīng)時(shí)間為4 h，溫度為45℃。SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析表明產(chǎn)物中含有蛋白質(zhì)聚合物。與原料酪蛋白、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶促交聯(lián)的酪蛋白相比，所得到的產(chǎn)物的分散液表觀黏度和黏彈性均有顯著的改變，表明轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化的酪蛋白和明膠混合可以用于改善其流變學(xué)性質(zhì)。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶；酪蛋白；明膠；交聯(lián)；流變學(xué)性質(zhì)

0 引言

蛋白質(zhì)交聯(lián)是通過(guò)一定的化學(xué)試劑或催化劑，在蛋白質(zhì)分子之間或分子內(nèi)形成共價(jià)鍵[1]，它可以影響食品蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)[2]。常用的方法有化學(xué)法和酶法，且酶法大多采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶[3]。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（EC 2.3.2.13，TG）能夠催化蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間形成-（γ-谷氨酰基）賴(lài)氨酸共價(jià)鍵[4，5]。利用它處理后的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)的乳化性質(zhì)變化[6]，制作的食用膜有較好的阻水性[7]，凝膠的微觀結(jié)構(gòu)更為緊密[8]或者是強(qiáng)度增強(qiáng)[9]。采用TG交聯(lián)單一蛋白質(zhì)的研究較多，而對(duì)兩種以上蛋白質(zhì)的混合交聯(lián)則不多。本研究利用TG催化酪蛋白與明膠混合交聯(lián)，以產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，單因素試驗(yàn)確定適宜的反應(yīng)條件，用電泳驗(yàn)證交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，并對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物的流變學(xué)性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

酪蛋白（蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)89.4%），明膠（蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)90.6%，等電點(diǎn)pH值為8.0～9.0），轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，L-羥脯氨酸，其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 主要設(shè)備

UV-2401PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，Gemini II高級(jí)流變儀，AL204型分析天平，Alpha 1-4中型凍干機(jī)，HZQ-F160型全溫振蕩培養(yǎng)箱，DELTA 320型精密pH計(jì)，H-1型微型漩渦混合器，DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋。

2 方法

2.1 交聯(lián)反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.1.1 酪蛋白與明膠的混合交聯(lián)

分別配置蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度50 g/L的酪蛋白與明膠溶液，用濃度為0.2 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.5，二者以4︰1體積比混合。然后采用單因素實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)后交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，考察酶添加量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的影響作用，以確定適宜的交聯(lián)反應(yīng)條件，并在優(yōu)化的條件下制備混合交聯(lián)蛋白質(zhì)。反應(yīng)結(jié)束后樣品在沸水浴加熱15 min滅酶，冷卻至室溫。

用濃度為1 mol/L的HCl將樣品溶液pH值調(diào)至4.6，使交聯(lián)酪蛋白等電點(diǎn)沉淀并除去未混合交聯(lián)的明膠，11 000 g離心15 min，棄去上清液，重復(fù)2次，沉淀為交聯(lián)產(chǎn)物（混合交聯(lián)蛋白），100℃烘干至恒重。

2.1.2 羥脯氨酸的測(cè)定

稱(chēng)取100 mg樣品于水解管中，加入4 mL濃度為7.5 mol/L的HCl和1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%苯酚，封口后置于110℃下水解24 h，取出后用濃度為10 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH值至6.0并且定容至25 mL，用乙酸鹽-檸檬酸鹽緩沖溶液（濃度為0.88 mol/L乙酸鈉，0.24 mol/L檸檬酸，0.21 mol/L乙酸和0.85 mol/L氫氧化鈉，pH值6.0）稀釋到適當(dāng)濃度。取2 mL稀釋液于試管中，加入1 mL氯胺-T溶液（濃度為0.06 mol/L氯胺-T溶于體積分?jǐn)?shù)為50%的正丙醇），混勻后室溫下反應(yīng)20 min；再加入2 mL對(duì)二甲氨基苯甲醛試劑（濃度為0.05 mol/L對(duì)二甲氨基苯甲醛，濃度為3.7 mol/L高氯酸溶于體積分?jǐn)?shù)為60%的正丙醇），搖勻，60℃恒溫水浴中反應(yīng)20 min。迅速冷卻，550 nm處測(cè)定吸光值，平行3次。

以L-羥脯氨酸為標(biāo)準(zhǔn)品，配置不同濃度的L-羥脯氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，同上測(cè)定。以L-羥脯氨酸濃度為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[10]。

2.1.3 SDS-PAGE分析

采用穩(wěn)壓法電泳。分離膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，濃縮膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，低分子量標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度為0.1 g/L，樣品蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為5 g/L，每孔進(jìn)樣10 L。樣品在濃縮膠時(shí)電壓為80 V，待溴酚藍(lán)前沿進(jìn)入分離膠后，加壓至120 V，待溴酚藍(lán)距離下緣0.5～1.0 cm時(shí)結(jié)束電泳。膠片取下后固定30 min，染色6 h，然后脫色直至條帶清晰、背景色完全褪去為止，并在凝膠系統(tǒng)成像[11]。

2.2 交聯(lián)產(chǎn)物的流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定

2.2.1 表觀黏度與剪切速率關(guān)系曲線

配制質(zhì)量濃度為10 g/L的混合交聯(lián)蛋白質(zhì)分散液、質(zhì)量濃度為100 g/L的交聯(lián)酪蛋白分散液和質(zhì)量濃度為120 g/L的酪蛋白分散液，調(diào)節(jié)pH值至7.0。測(cè)試選用夾具為平板（直徑20 mm），測(cè)試間距為500 μm，剪切速率的范圍為0.1 s-1～100 s-1[12]，取30個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

2.2.2 黏彈性

振幅掃描：配制質(zhì)量濃度為10 g/L的混合交聯(lián)蛋白質(zhì)分散液、100 g/L的交聯(lián)酪蛋白分散液、100 g/L和120 g/L的酪蛋白分散液。測(cè)試夾具和間距同2.2.1，測(cè)定參數(shù)條件如下：應(yīng)變范圍為0.1%～100%，在頻率為1 Hz的條件下進(jìn)行振幅掃描。

頻率掃描：測(cè)試夾具和間距同2.2.1，用振幅掃描試驗(yàn)確定出線性黏彈區(qū)內(nèi)的最優(yōu)應(yīng)變值進(jìn)行頻率掃描測(cè)試，頻率范圍為0.1～5 Hz。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 13.0軟件中Duncan’s multiple range tests對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（α=0.05），利用Excel 2003軟件繪圖報(bào)告結(jié)果，其中每組試驗(yàn)重復(fù)數(shù)為3次。

3 結(jié)果與討論

在轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的作用下，理論上，不僅酪蛋白、明膠可以發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，酪蛋白和明膠之間也可以發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。羥脯氨酸是機(jī)體膠原蛋白的主要成分之一，而在其它蛋白中則不存在[13]。明膠中含有羥脯氨酸，酪蛋白中并無(wú)此種氨基酸。由于明膠的等電點(diǎn)在8～9，所以pH值4.6下的酸沉淀處理，可以除去未與酪蛋白結(jié)合的明膠。故此，測(cè)定混合交聯(lián)產(chǎn)物中的羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不僅可以證實(shí)明膠與酪蛋白之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，還可以衡量出混合交聯(lián)蛋白中明膠的相對(duì)水平。

3.1 反應(yīng)條件對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.1.1 酶添加量

在底物質(zhì)量濃度為50 g/L，50℃下反應(yīng)時(shí)間4 h時(shí)，酶添加量對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖1所示。由圖1可以看出，隨著酶添加量的增加，產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加。酶添加量從每克蛋白質(zhì)5 U增加到20 U時(shí)，羥脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從34.64 mg/g增加到41.29 mg/g。但當(dāng)酶添加量高于每克蛋白質(zhì)20 U時(shí)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無(wú)顯著性增加，故此選擇酶添加量為每克蛋白質(zhì)20 U。

圖1 酶添加量對(duì)羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.1.2 反應(yīng)時(shí)間

在底物質(zhì)量濃度為50 g/L，酶添加量為每克蛋白質(zhì)20 U，反應(yīng)溫度為50℃的條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖2所示。由2可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加，從28.16 mg/g增加到37.40 mg/g；反應(yīng)超過(guò)4 h后，產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著性增加。所以適宜的反應(yīng)時(shí)間確定為4 h。

圖2 時(shí)間對(duì)羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.1.3 反應(yīng)溫度

在底物質(zhì)量濃度為50 g/L、酶添加量為每克蛋白質(zhì)20 U，反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)，研究反應(yīng)溫度（40～60℃）對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)溫度從40℃升高到50℃時(shí)，產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加；當(dāng)溫度高于50℃時(shí)，羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而下降。這種現(xiàn)象與酶自身的特性相符，即在適宜的溫度下活力最高，當(dāng)溫度高于最適溫度時(shí)，酶的活力反而下降。當(dāng)反應(yīng)溫度為45℃時(shí)，產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.69 mg/g；而反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.46 mg/g。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，二者并無(wú)顯著性差異，所以選擇45℃為反應(yīng)溫度。

圖3 溫度對(duì)羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)酪蛋白與明膠質(zhì)量濃度固定為50 g/L時(shí)，混合交聯(lián)反應(yīng)的最優(yōu)條件：酶添加量為每克蛋白質(zhì)20 U，反應(yīng)時(shí)間為4 h，反應(yīng)溫度為45℃。

3.2 SDS-PAGE電泳分析

在優(yōu)化條件下制備混合交聯(lián)蛋白質(zhì)，同時(shí)按照這個(gè)條件制備交聯(lián)酪蛋白。將混合交聯(lián)蛋白、交聯(lián)酪蛋白、酪蛋白同時(shí)進(jìn)行SDS-PAGE分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，混合交聯(lián)蛋白質(zhì)（泳道1）與交聯(lián)酪蛋白（泳道2）中均有分子質(zhì)量大于97.4 ku的蛋白質(zhì)存在，并且沒(méi)有酪蛋白的特征條帶，而酪蛋白（泳道3）中則沒(méi)有分子質(zhì)量大于97.4 ku的蛋白質(zhì)存在。這說(shuō)明在轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶作用下生成了交聯(lián)蛋白。Chambi等[14]用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化明膠和酪蛋白交聯(lián)制備可食性薄膜，SDS-PAGE分析顯示交聯(lián)樣品有分子質(zhì)量大于212 ku的蛋白質(zhì)。Jiang等[15]在葡萄糖胺存在下用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆分離蛋白，SDS-PAGE分析結(jié)果產(chǎn)物中也有分子質(zhì)量大于97.4 ku的蛋白質(zhì)聚合物。本研究結(jié)果與這兩個(gè)研究的結(jié)果一致，即轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶有效地催化底物生產(chǎn)交聯(lián)蛋白。

圖4 SDS-PAGE分析結(jié)果

3.3 交聯(lián)產(chǎn)物的流變學(xué)性質(zhì)

3.3.1 表觀黏度

在0.1 s-1～100 s-1的剪切速率下，3種蛋白質(zhì)分散液的表觀黏度與剪切速率關(guān)系如圖5所示。圖5中，3種不同蛋白質(zhì)分散液的表觀黏度的大小順序?yàn)椋?0 g/L混合交聯(lián)蛋白質(zhì)＞100 g/L交聯(lián)酪蛋白＞120 g/L酪蛋白。顯然，若分散液中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度一致，混合交聯(lián)蛋白質(zhì)分散液的表觀黏度會(huì)更大。蛋白質(zhì)分散液的表觀黏度受蛋白質(zhì)分子大小，溶劑-蛋白質(zhì)間相互作用，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間相互作用的影響[16]。酶促交聯(lián)形成了大分子物質(zhì)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分散液表觀黏度增大；由于明膠的引入，混合交聯(lián)產(chǎn)物的表觀黏度有了顯著增加。所以，交聯(lián)產(chǎn)物具有更好的增稠作用。

圖5 表觀黏度與剪切速率曲線

3.3.2 黏彈性

在0.1～5 Hz的頻率范圍內(nèi)，測(cè)定混合交聯(lián)蛋白質(zhì)、交聯(lián)酪蛋白和酪蛋白分散液的黏彈性，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，3個(gè)蛋白質(zhì)分散液的黏性模量、彈性模量由大到小的順序?yàn)椋夯旌辖宦?lián)蛋白質(zhì)分散液、交聯(lián)酪蛋白分散液、酪蛋白分散液。黏彈性的變化是由于酶促交聯(lián)形成的大分子蛋白質(zhì)物質(zhì)，使黏彈性增加。明膠本身具有很好的黏性和彈性，所以混合交聯(lián)蛋白質(zhì)中由于明膠的引入，使其黏彈性有了很大程度的增加。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，交聯(lián)產(chǎn)物具有更好的增稠作用。

圖6 三種蛋白質(zhì)分散液的黏性模量和彈性模量曲線

4 結(jié)論

（1）利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化酪蛋白與明膠進(jìn)行混合交聯(lián)，SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析表明，產(chǎn)物中含有蛋白質(zhì)聚合物?；瘜W(xué)分析表明，交聯(lián)產(chǎn)物中含有一定數(shù)量的羥脯氨酸，表明有明膠與酪蛋白交聯(lián)結(jié)合。

（2）通過(guò)對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物中羥脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的評(píng)價(jià)，在酪蛋白與明膠溶液的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為50 g/L，二者體積比為4︰1的條件下，單因素實(shí)驗(yàn)得到的最適反應(yīng)條件為：酶添加量為每克蛋白質(zhì)20 U，反應(yīng)時(shí)間4 h，反應(yīng)溫度45℃。

（3）混合交聯(lián)蛋白質(zhì)的流變學(xué)性質(zhì)得到改善。流變學(xué)分析結(jié)果表明，混合交聯(lián)蛋白質(zhì)的分散液具有顯著增加的表觀黏度、黏性模量、彈性模量。研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化酪蛋白和明膠的交聯(lián)產(chǎn)物，具有更好增稠作用，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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Transglutaminase-induced cross-linking of casein and gelatin and rheological properties of the products

ZHANG Yi-ning，ZHAO Xin-huai
(Key Laboratory of Dairy Science,Ministry of Education,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Cross-linking of casein and gelatin catalyzed by transglutaminase was studied in this work.When the ratio of casein to gelatin was fixed at 4∶1(w/w)and the content of hydroxyproline in the obtained product was used as index,the addition level of transglutaminase,reaction temperature and time were studied by single factor experiments.The optimal cross-linking conditions obtained were that protein concentration was fixed at 5%(w/v),enzyme addition level was 20 U/g proteins,reaction time was 4 h and reaction temperature was 45℃.SDSPAGE analysis demonstrated that some protein polymers existed in the obtained product.Compared to casein and transglutaminase-induced cross-linked casein,the dispersion of the obtained product exhibited markedly improved apparent viscosity and viscoelastic behaviors.Our result indicated that cross-linking of casein and gelatin could improve their rheological properties.

transglutaminase；casein；gelatin；cross-linking；rheological properties

Q936

A

1001-2230（2011）03-0020-04

2010-11-08

黑龍江省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（2010td11）。

張伊寧（1985-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。

趙新淮