郝天舒,王長(zhǎng)遠(yuǎn)
黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院,大慶 163319
米糠蛋白的必需氨基酸完全,氨基酸組成接近FAO/WHO 的推薦模式;米糠蛋白中賴氨酸含量高于大米胚乳、小麥面粉以及其它谷物,生物效價(jià)與牛奶中的酪蛋白相近,消化率達(dá)90%以上,是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的植物蛋白。另外,由于其具有低過敏性的特點(diǎn),故可在嬰幼兒食品中應(yīng)用[1-3]。盡管米糠蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,但米糠蛋白的有效提取及功能性發(fā)揮相對(duì)受制,因而現(xiàn)今的研究多圍繞增進(jìn)米糠蛋白提取率及合理米糠蛋白改性展開。其中微波技術(shù)是一種米糠蛋白輔助增溶及提高制取率的常用技術(shù),但目前對(duì)此技術(shù)的研究多集中在以提高得率為目標(biāo)的提取工藝上,對(duì)于微波處理下米糠蛋白結(jié)構(gòu)特征及功能性的變化研究尚未見報(bào)道。
目前,在蛋白質(zhì)的構(gòu)象研究中,由于受到分散介質(zhì)的影響,較多結(jié)構(gòu)分析儀器無法完成正常測(cè)定或受到一定測(cè)定影響,由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。從蛋白質(zhì)的拉曼光譜可以得到有關(guān)它的芳香族組成氨基酸的信息,還能進(jìn)一步得到二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息。有關(guān)利用拉曼光譜分析多肽及蛋白質(zhì)構(gòu)型的研究國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道[4-7]。
本研究擬采用拉曼光譜研究微波處理對(duì)米糠蛋白結(jié)構(gòu)的影響,并探究了微波處理對(duì)米糠蛋白功能性的影響,以期通過結(jié)構(gòu)變化的辨認(rèn)為探清微波處理下米糠蛋白功能性改良提供指導(dǎo)。
材料:米糠蛋白,由實(shí)驗(yàn)室制備(米糠蛋白蛋白含量為89.21%);其它化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
主要儀器:格蘭仕WP800TL23-K3 微波爐,格蘭仕集團(tuán);PE Raman Station 400 激光顯微拉曼光譜儀,美國(guó)PE 公司;TD5A-WS 臺(tái)式低速離心機(jī),湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。
1.2.1 米糠蛋白的制備及微波處理
將新鮮粗米糠(蛋白質(zhì)含量約為14.0%),經(jīng)60 目篩除雜質(zhì),向過篩米糠中以1∶6 的比例加入正己烷,室溫下攪拌2 h,然后停止攪拌靜止5 min 將上清液倒入回收瓶待回收,再用料液比為1∶4 的比例加入正己烷繼續(xù)攪拌2 h,4000 rpm 離心5 min,沉淀在通風(fēng)櫥中室溫風(fēng)干,制得脫脂米糠備用。
脫脂米糠100 g,按料液比1∶10 加入1000 mL水,用NaOH 溶液調(diào)pH 至9,45 ℃下恒溫水浴攪拌2 h,4000 rpm 下離心20 min,收集上清液,調(diào)節(jié)pH至4.5,靜止沉淀后4000 rpm 離心15 min,傾去上清液,沉淀于4 ℃對(duì)蒸餾水透析48 h,沉淀真空冷凍干燥,即為米糠蛋白粉,所制備的米糠蛋白粉經(jīng)DE-52纖維素陰離子交換層析初步純化后,利用Sephadex G-75 凝膠過濾層析柱再次純化。純化后樣品凍干并于-20 ℃保存?zhèn)溆?。?jīng)測(cè)定,所制備的米糠蛋白蛋白含量為89.21%。
將米糠蛋白溶解在pH 7.4、10 mM 的磷酸緩沖液(標(biāo)準(zhǔn)緩沖液)中,磁力攪拌2 h 配制成濃度為3%的米糠蛋白溶液。4000 rpm 離心10 min 除去不溶物,以用作儲(chǔ)備液。然后將儲(chǔ)備液用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液稀釋分裝在三角瓶中,用軟膠塞塞住瓶口避免水分蒸發(fā)。
將充分水合的米糠蛋白液置于微波爐物料倉(cāng)中,調(diào)整微波爐的功率輸出分別為136、296、528、680、800 W,設(shè)置加熱時(shí)間為5 min。微波處理結(jié)束后將米糠蛋白液冷卻、凍干,留樣待測(cè)。對(duì)應(yīng)于微波功率136、296、528、680、800 W,處理后的米糠蛋白液溫度分別為90、90、92、100、102 ℃,將微波處理后的米糠蛋白樣品分別記為W-1、W-2、W-3、W-4、W-5;未經(jīng)微波處理的米糠蛋白作為對(duì)照樣品,記為RBP。
1.2.2 拉曼光譜分析
將米糠分離蛋白分散在相應(yīng)的pH 緩沖液中配制成100 mg/mL 溶液進(jìn)行拉曼實(shí)驗(yàn),激發(fā)光波長(zhǎng)785 nm,發(fā)射功率300 mW,測(cè)量拉曼譜范圍為400~2000 cm-1。每個(gè)樣品都重復(fù)掃描3 次以上,各樣品的拉曼譜圖都由計(jì)算機(jī)做信號(hào)累加平均并繪圖輸出,峰位誤差小于±3 cm-1。
拉曼圖譜基線校正、歸屬采用OMINIC 軟件,歸一化處理以苯丙氨酸的1003 cm-1為內(nèi)標(biāo),以此作為各拉曼峰強(qiáng)度變化的依據(jù),譜圖的擬合采用Origin 8.0 軟件。
1.2.3 溶解性
蛋白的溶解性以氮溶指數(shù)表示。精確稱取2.00 g 蛋白樣品,溶解于45 mL 蒸餾水中,調(diào)節(jié)pH 至7.0,室溫下攪拌1 h 后,在4000 rpm 下離心20 min除去沉淀,測(cè)定上清液中的氮含量。
1.2.4 乳化及乳化穩(wěn)定性
微波處理后米糠蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性測(cè)試方法參照Agyare 等[8]。準(zhǔn)確稱取1.00 g 樣品,加入到0.05 mol/L,pH 7.0 的磷酸緩沖液中,配置成1%的蛋白溶液100 mL,使之充分溶解。取75 mL蛋白溶液與25 mL 大豆油充分混合,在高速剪切乳化機(jī)下10000 rpm 乳化2 min,然后立刻在0 min 燒杯底部吸取20 μL 乳狀液,加入至5 mL 0.1%的SDS 溶液中混合均勻,使之稀釋250 倍。以濃度為0.1%的SDS 溶液為空白樣品,測(cè)定500 nm 下的吸光值。按下面公式計(jì)算乳化活性EAI。
其中:T=2.303;N 為稀釋倍數(shù),250;c 為乳化液未形成前蛋白質(zhì)溶液的濃度(g/mL);Φ 為乳化液中油相體積分?jǐn)?shù),0.25;A0為0 min 時(shí)的吸光值。
測(cè)定蛋白的乳化穩(wěn)定性,則待乳化液放置10 min 后,再?gòu)臒撞课∪闋钜?一定要與0 min取樣點(diǎn)的高度相同),按如上方法測(cè)定吸光值。按下面公式計(jì)算乳化穩(wěn)定性ES。
其中:A0為0 min 時(shí)的吸光值;A10為10 min 時(shí)的吸光值;t 為間隔時(shí)間,10 min。
1.2.5 起泡及起泡穩(wěn)定性
微波處理后米糠蛋白的起泡性及泡沫穩(wěn)定性測(cè)試方法參照Agyare 等[8]。將蛋白樣品取一定量加入到0.01 mol/L 的pH 7.0 磷酸緩沖液中,配置成5%蛋白溶液,取200 mL 樣品,在高速均質(zhì)機(jī)下以10000 rpm,攪打2 min,快速移至500 mL 量筒中,記錄0 min,15 min 泡沫的高度,表示蛋白起泡能力的大小,并進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)。按如下公式計(jì)算:
其中,H 為未攪打時(shí)溶液的高度,cm;H0為攪打停止時(shí)泡沫的高度,cm。
其中,H15為攪打停止靜置15 min 時(shí)泡沫的高度,cm。
1.2.6 數(shù)據(jù)處理
單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,采用SPSS19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析,其他數(shù)據(jù)擬合處理采用Origin8.5軟件。
圖1 不同微波處理?xiàng)l件下米糠蛋白的拉曼光譜圖Fig.1 Raman spectra of rice bran protein under different conditions
圖1 所示為不同拉曼處理?xiàng)l件下米糠蛋白的拉曼光譜圖,譜線以苯丙氨酸在1003 cm-1處的拉曼歸屬峰作為內(nèi)標(biāo),利用OMINIC 軟件歸一化處理,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了不同微波處理?xiàng)l件下米糠蛋白中各個(gè)基團(tuán)的譜線強(qiáng)度的變化率。此后采用Orgin8.0 軟件進(jìn)行分峰指認(rèn)及平滑處理,最終擬合結(jié)果如圖1所示。
2.1.1 微波處理對(duì)米糠蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)影響的拉曼分析
為確定米糠蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)組成在超聲處理下的變化,試驗(yàn)采用OMINIC 軟件對(duì)米糠蛋白拉曼光譜的酰胺I 區(qū)進(jìn)行解析,經(jīng)整合現(xiàn)有文獻(xiàn)得知蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元的拉曼峰位歸屬為[9]:α-螺旋結(jié)構(gòu)1645~1660 cm-1;β-折疊結(jié)構(gòu)1665~1680 cm-1;β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)1680~1690 cm-1;無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)1660~1670 cm-1,進(jìn)一步分析得到相應(yīng)結(jié)果如表1 所示。
表1 利用酰胺Ⅰ帶擬合米糠蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)組成結(jié)果Table 1 Secondary structure of rice bran protein fitted by amide I
由表1 可知,未經(jīng)微波處理的米糠蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)組成主要為β-折疊構(gòu)象,α-螺旋結(jié)構(gòu)及無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量次之,β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量最少。相比于未處理的米糠蛋白,微波處理總體降低了米糠蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)含量,但增加了β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量。
隨著微波強(qiáng)度的增大,米糠蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)含量和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)均呈先降低后增加的變化趨勢(shì),而β-折疊結(jié)構(gòu)含量總體呈降低趨勢(shì),無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量則呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。
2.1.2 微波處理對(duì)米糠蛋白側(cè)鏈結(jié)構(gòu)影響的拉曼分析
850 cm-1和830 cm-1是酪氨酸殘基的苯環(huán)的呼吸振動(dòng)和面外彎曲倍頻之間的費(fèi)米共振[10],通過公式(1)可進(jìn)一步精確地表征酪氨酸分子暴露與包埋數(shù)[11]。
通過公式計(jì)算,酪氨酸分子暴露與包埋數(shù)比值如表2,由表2 可知未微波處理的米糠蛋白其酪氨酸主要呈現(xiàn)暴露態(tài),總體而言,微波處理后酪氨酸的暴露分子數(shù)呈現(xiàn)微量增加,但微波功率強(qiáng)度的增加并未顯著影響酪氨酸分子的分布狀態(tài)。
表2 酪氨酸費(fèi)米共振線I850/I830及殘基暴露與包埋分子數(shù)Table 2 Ratio of the intensity of the Fermi-resonance doublet of tyrosine and the number of exposed and the buried tyrosines per molecules
756 cm-1附近的拉曼譜帶歸屬為色氨酸側(cè)鏈,圖2 所示為不同微波處理下色氨酸側(cè)鏈的變化。由圖可知,色氨酸的相對(duì)拉曼強(qiáng)度經(jīng)微波處理后有較為明顯的降低,Li-Chan 研究指出色氨酸相對(duì)拉曼強(qiáng)度的降低與微環(huán)境狀態(tài)有關(guān),色氨酸相對(duì)拉曼強(qiáng)度降低時(shí)色氨酸更趨近于“暴露態(tài)”。但隨著微波功率的進(jìn)一步增大,色氨酸相對(duì)拉曼強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì),而色氨酸的增大主要是由于微波引起的米糠蛋白聚集使內(nèi)部的疏水性殘基包埋引起的。
2.1.3 微波處理對(duì)米糠蛋白二硫鍵振動(dòng)模式影響的拉曼分析
圖2 微波處理對(duì)色氨酸側(cè)鏈環(huán)境的影響Fig.2 Effect of microwave treatment on tryptophan side chain environment
圖3 米糠分離蛋白拉曼譜帶在490~560 cm-1區(qū)域內(nèi)的高斯擬合Fig.3 The decomposition of the components of rice bran protein in the ranges of 490-560 cm-1
500~550 cm-1范圍內(nèi)是二硫鍵的特征譜帶。二硫鍵在不同振動(dòng)模式下所反應(yīng)出來的拉曼位移有所不同,如500~510 cm-1處為gauche-gauche-gauche(g-g-g)模式,515~525 cm-1為gauche-gauche-trans(g-g-t)模式,535~545 cm-1為trans-gauche-trans(tg-t)模式[11]。
圖4 微波處理對(duì)米糠蛋白的二硫鍵的影響Fig.4 Effects of microwave treatment on the conformation of the S-S bonds of rice bran protein
由此結(jié)合圖4 可知,t-g-t 模式為米糠蛋白最主要的二硫鍵振動(dòng)模式,微波處理后t-g-t 模式總體增多,而其他兩種二硫鍵振動(dòng)模式含量在微波處理后均有所降低。隨著微波處理功率的增大,t-g-t 模式和g-g-g 模式均呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢(shì),而二硫鍵的g-g-t 振動(dòng)模式含量則呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)。對(duì)于隨著微波處理功率的增大二硫鍵的變化規(guī)律現(xiàn)今研究尚不能全面解析,因?yàn)榘殡S著微波輸出功率增大,微波極化作用及蛋白質(zhì)聚集作用的混合作用更為明顯,而上述兩種作用對(duì)蛋白質(zhì)二硫鍵的振動(dòng)模式影響更無法衡量。但有研究指出,二硫鍵的構(gòu)型特征與蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成(尤其是α-螺旋結(jié)構(gòu))有關(guān),并呈現(xiàn)一定的相關(guān)性[12]??梢钥闯觯S著微波功率的增強(qiáng),二硫鍵g-g-t 構(gòu)型變化趨勢(shì)與α-螺旋結(jié)構(gòu)變化相符,而其他二硫鍵構(gòu)型也表現(xiàn)出與β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量相似的變化趨勢(shì),也在一定印證了二硫鍵研究的正確性,為后續(xù)深入探討奠定基礎(chǔ)。
蛋白質(zhì)的溶解性是蛋白質(zhì)最主要功能特性,溶解性的表達(dá)在很大程度上影響著其他功能性質(zhì),另外,蛋白質(zhì)的溶解性也會(huì)較為顯著地影響蛋白質(zhì)的商用及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。
圖5 微波處理對(duì)米糠蛋白溶解性的影響Fig.5 Effects of microwave treatment on solubility of rice bran protein
由圖5 可知,微波處理后米糠蛋白的溶解性有所增大,溶解性在微波功率為528 W 時(shí)有最大值63.5%。另外,由圖5 也可得知,米糠蛋白在高功率下溶解性有所降低。
圖6 微波處理對(duì)米糠蛋白乳化性的影響Fig.6 Effects of microwave treatment on emulsion of rice bran protein
乳化性是指互不相溶的液體在機(jī)械攪拌后形成乳液的能力。乳化性是蛋白質(zhì)較為重要的表面性質(zhì)之一,這主要是由于蛋白分子鏈內(nèi)分布有較多的親水或疏水基團(tuán),親水性及疏水性基團(tuán)的存在也決定了蛋白質(zhì)的表面活性特點(diǎn)[13,14]。米糠蛋白乳化性在食品加工過程中起到了重要的作用,因此,現(xiàn)今研究多圍繞此功能性質(zhì)展開。
由圖6 可知,微波處理后米糠蛋白乳化性得到較大幅度提高,微波處理功率為296 W 時(shí)米糠蛋白乳化性有最大值54.6 m2/g。而在高微波功率下,米糠蛋白乳化性呈小幅降低,相較于微波處理功率為296 W,微波處理功率800 W 時(shí)米糠蛋白的乳化性為45.12%。
圖7 微波處理對(duì)米糠蛋白乳化穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effects of microwave treatment on emulsion stability of rice bran protein
如圖7 所示,微波處理有益于米糠蛋白乳化性的穩(wěn)定,主要表現(xiàn)為微波處理下米糠蛋白乳化穩(wěn)定性均有所增加,米糠蛋白分子柔性的增強(qiáng)及內(nèi)部疏水性基團(tuán)的暴露是上述現(xiàn)象的主要原因。
為了測(cè)試米糠蛋白的起泡性,試驗(yàn)采用泡沫膨脹率為指標(biāo)進(jìn)行分析。微波處理對(duì)米糠蛋白起泡性的影響如圖8 所示,由圖可知未處理?xiàng)l件下米糠蛋白的起泡性較差,這主要是由于米糠蛋白的結(jié)構(gòu)相對(duì)致密,內(nèi)部富含二硫鍵增進(jìn)了結(jié)構(gòu)的緊實(shí)性,難以分散形成泡沫[9]。
圖8 微波處理對(duì)米糠蛋白起泡性的影響Fig.8 Effects of microwave treatment on foamation of rice bran protein
由圖8 可知,微波處理后米糠蛋白的起泡性增大,微波處理功率為528 W 時(shí)米糠蛋白起泡性有最大值63.5%。而由于微波處理強(qiáng)度的進(jìn)一步增大,使米糠蛋白在高功率下起泡性降低。
圖9 微波處理對(duì)米糠蛋白起泡穩(wěn)定性的影響Fig.9 Effects of microwave treatment on foamation stability of rice bran protein
由圖9 可知,微波處理后米糠蛋白的泡沫穩(wěn)定性并未發(fā)生顯著變化,這可能是由于微波處理下米糠蛋白的結(jié)構(gòu)重排主要影響了其起泡性,對(duì)于泡沫的形成穩(wěn)定性影響較不明顯。
微波處理總體降低了米糠蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)含量,但增加了β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量現(xiàn)有研究表明,蛋白質(zhì)的分子極化現(xiàn)象是微波處理的主要變化,微波處理下米糠蛋白的分子極化使維持蛋白空間結(jié)構(gòu)的非共價(jià)鍵被破壞,蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)部分展開[9]、疏水性基團(tuán)的暴露,因而蛋白質(zhì)分子內(nèi)主要的有序結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)。g-g-g 模式是典型的分子內(nèi)二硫鍵振動(dòng)模式,其含量的減少可以說明微波處理誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)的極化現(xiàn)象,蛋白質(zhì)在此過程中結(jié)構(gòu)展開,更多的分子內(nèi)二硫鍵通過巰基-二硫鍵交換反應(yīng)形成分子間二硫鍵。
上述蛋白質(zhì)在微波處理下的結(jié)構(gòu)變化,有利于水分子的浸入,進(jìn)而增強(qiáng)了水合作用,提高了米糠蛋白的溶解性[15]。且由于微波處理后米糠蛋白的分子結(jié)構(gòu)變得更為松散,內(nèi)部疏水性基團(tuán)暴露,促進(jìn)了其與油脂之間的結(jié)合,而極性基團(tuán)與水之間亦發(fā)生明顯的水合作用,綜合效應(yīng)使米糠蛋白乳化性得以增強(qiáng)。微波場(chǎng)誘導(dǎo)下米糠蛋白分子結(jié)構(gòu)的展開也在一定程度上促進(jìn)了水-空氣界面的形成,另外,展開的蛋白質(zhì)分子間彼此作用構(gòu)成更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及界面膜,使米糠蛋白的起泡性得以增強(qiáng)[16,17]。
隨著微波強(qiáng)度的增大,米糠蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量先降低后增加,而β-折疊結(jié)構(gòu)含量總體呈降低趨勢(shì),無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量先增加后降低。這種現(xiàn)象主要是由于蛋白分子結(jié)構(gòu)更大程度地展開,極化的蛋白分子之間相互吸引,通過疏水相互作用、二硫鍵、靜電相互作用及氫鍵等重新形成分子聚集體[12]。而蛋白質(zhì)的聚集現(xiàn)象考慮可能是米糠蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)在高功率微波處理下特殊變化的原因。另有部分研究表明,微波所引起的蛋白質(zhì)聚集是β-折疊構(gòu)象減少的一個(gè)重要原因[13]。對(duì)于無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)在高功率微波處理下的降低,也能很好地證明米糠蛋白在此條件下發(fā)生了較為明顯的聚集現(xiàn)象。而在高功率下色氨酸趨于“包埋態(tài)”亦能說明米糠蛋白在此條件下發(fā)生了蛋白質(zhì)的聚集現(xiàn)象。
米糠蛋白在高微波處理?xiàng)l件下的溶解性降低與蛋白質(zhì)的變性及分子聚集有關(guān),且由于蛋白質(zhì)分子之間的聚合使蛋白分子柔性降低,蛋白質(zhì)表面疏水性降低,進(jìn)而造成了米糠蛋白乳化性的降低。而米糠蛋白分子展開程度增大,內(nèi)部的疏水基團(tuán)和巰基暴露程度增加,極化的蛋白分子之間通過非共價(jià)鍵重新形成更大的分子聚集體,水-空氣界面膜的穩(wěn)定性下降[18-20]。
綜上所述,適當(dāng)?shù)奈⒉ㄌ幚砜梢愿纳泼卓返鞍椎娜芙庑?、乳化性、乳化穩(wěn)定性、起泡性等,拓寬米糠蛋白產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
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