低pH條件下大豆蛋白7S和11S組分的表面特性

徐紅華,董世榮,何雪飛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)

低pH條件下大豆蛋白7S和11S組分的表面特性

徐紅華,董世榮,何雪飛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)

本文采用7S形成纖維聚合結(jié)構(gòu)的制備條件,研究低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間熱處理對(duì)大豆蛋白7S和11S(包括酸性亞基和堿性亞基)乳化性和起泡性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間熱處理的聚合手段,可以顯著(p<0.05)改善不同大豆蛋白組分的起泡性,但對(duì)乳化性沒(méi)有明顯的改善作用,甚至對(duì)乳化穩(wěn)定性有降低作用,這種改善程度與是否形成纖維聚合結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。與pH7.0條件下的熱處理手段相比,低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間熱處理的聚合手段能夠使大豆蛋白7S和11S表面疏水性顯著增加,這種特殊的結(jié)構(gòu)變化更有力于提高起泡性能。因此,在低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間熱處理后,7S和11S具有較高的表面疏水性和較好的起泡性能。

大豆蛋白,起泡性,乳化性,表面疏水性,聚合

與其他植物蛋白相比,大豆蛋白擁有較突出的表面性質(zhì),表面性質(zhì)的改善取決于大豆蛋白分子的組成、形狀、電荷分布、表面疏水性、空間結(jié)構(gòu)、分子的柔性和剛性以及與其他成分的作用或反應(yīng)等[1],其中,熱聚合是改善蛋白質(zhì)表面性質(zhì)非常重要的手段之一。Wang 等人[2]發(fā)現(xiàn)在pH2.0條件下85℃加熱7S的三種亞基(α,α′和β)6～20 h可以形成纖維聚合物;Tang等人[3]發(fā)現(xiàn)在pH2.0條件下80 ℃長(zhǎng)時(shí)間加熱7S可以形成纖維聚合物;同時(shí)Tang等人[4]研究發(fā)現(xiàn)pH 2.0的7S在不同的靜電屏蔽條件下80 ℃加熱也可以形成纖維聚合物。這種獨(dú)特的蛋白質(zhì)聚合結(jié)構(gòu)引起了人們的廣泛關(guān)注。本文研究了在低pH(2.0)長(zhǎng)時(shí)間熱處理?xiàng)l件下形成纖維聚合結(jié)構(gòu)的7S與不能形成纖維結(jié)構(gòu)的11S(包括酸性亞基和堿性亞基)的乳化性和起泡性,比較了與常規(guī)pH(7.0)條件下對(duì)應(yīng)表面性能的差異,分析了不同pH條件下蛋白質(zhì)熱聚合物表面結(jié)構(gòu)特性的變化,以及這種結(jié)構(gòu)差異與界面性質(zhì)之間的關(guān)系,希望為改善大豆蛋白功能性質(zhì)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆 購(gòu)自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆研究中心;自制脫脂豆粉 利用組織搗碎機(jī)將大豆磨碎,過(guò)60目篩,按照國(guó)標(biāo)G2906-82進(jìn)行脫脂,樣品自然干燥得到自制脫脂豆粉(蛋白質(zhì)49.44%,灰分0.0891%),ANS熒光探針,Sigma公司。

DS-1高速組織搗碎機(jī) 上海精科實(shí)業(yè)有限公司;BME100L高剪切混合乳化機(jī) 啟東市長(zhǎng)江機(jī)電有限公司;KDN-102C半自動(dòng)定氮儀 上海纖檢儀器有限公司;F-4500熒光分光光度計(jì) 日本日立。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 7S和11S的分離 依據(jù)Nagano[5]的方法對(duì)7S和11S球蛋白進(jìn)行分離。取一定量的自制脫脂大豆粉與去離子水按照1∶15(w/v)的比例進(jìn)行充分溶解后調(diào)解pH至8.0,然后在室溫下充分?jǐn)嚢? h。將溶液離心(9000×g,30 min),取上清液后,用2 mol/L HCl和0.1 mol/L HCl,將pH調(diào)解至6.4,冰浴過(guò)夜。然后將溶液離心(6500×g,20 min,4 ℃)得到的沉淀即為11S球蛋白(用去離子水清洗兩遍),收集上清液將pH調(diào)至4.8,離心(6500×g,20 min,4 ℃),沉淀為7S球蛋白。將所得的7S和11S球蛋白沉淀溶于去離子水中,調(diào)節(jié)pH至7.0,充分?jǐn)嚢柚敝脸浞秩芙夂笥萌ルx子水透析48 h。冷凍干燥,即制得7S和11S球蛋白。

1.2.2 酸性亞基和堿性亞基的分離 酸性(Acidic subunits)和堿性亞基(Basic subunits)的分離和制備依據(jù)Mo[6]等人的分離方法。將上述分離得到的11S大豆球蛋白用30 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)配成5 mg/mL的溶液,添加10 mmol/L的β-巰基乙醇,然后在90 ℃水浴30 min后冷卻,離心(10000×g,20 min,4 ℃),收集上清液和沉淀。收集的沉淀用去離子清洗兩遍,此沉淀即為堿性亞基。將上清液調(diào)節(jié)pH至5.0,然后再離心(6500×g,20 min,4 ℃),沉淀用去離子水清洗兩遍,即為酸性亞基。

1.2.3 熱聚合物的制備 參考Wang等人[2]關(guān)于7S纖維聚合物的制備方法,分別將一定量的7S、11S、酸性亞基和堿性亞基溶于去離子水中,將溶液pH調(diào)至2.0(2 mol/L HCl和0.1 mol/L HCl),對(duì)照樣pH調(diào)至7.0,然后在15000 g離心20 min(20 ℃),取中間清液,根據(jù)凱氏定氮測(cè)定的中間清液蛋白質(zhì)含量結(jié)果,用去離子水調(diào)整蛋白質(zhì)濃度至10 mg/mL,然后將溶液的pH精確調(diào)至2.0(對(duì)照樣調(diào)至7.0),95 ℃水浴加熱20 h,每隔2 h取樣立即冷卻,后立即冷卻,4 ℃冰箱保存過(guò)夜。

1.2.4 表面疏水性的測(cè)定 利用ANS熒光探針?lè)梢詼y(cè)定大豆蛋白表面疏水性的方法,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的修飾[7]。pH7.0或pH2.0、濃度為10 mg/mL的7S、11S、酸性亞基和堿性亞基溶液,在95 ℃分別加熱20 h,每隔2 h取樣,作為樣品。然后用0.01 mol/L的磷酸緩沖液(pH7.0)分別將加熱后的樣品溶液稀釋成蛋白濃度0.1、0.05、0.0025、0.00125 mg/mL等一系列樣品,然后加入20 μL的ANS(8 mmol/L,溶于0.01 mol/L的磷酸緩沖液,pH7.0)熒光探針,混勻后在室溫下避光15 min,激發(fā)波長(zhǎng)390 nm,發(fā)射波長(zhǎng)470 nm以及狹縫5 nm的條件下,在熒光分光光度計(jì)下比色測(cè)得的熒光強(qiáng)度對(duì)蛋白溶液濃度作圖,選擇線性關(guān)系良好的回歸線的斜率作為蛋白質(zhì)表面的疏水性指數(shù)。

1.2.5 起泡性的測(cè)定 參考Motoi[8]等人測(cè)定蛋白質(zhì)溶液的起泡能力(FC)和泡沫穩(wěn)定性(FS)的方法進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。pH7.0或pH2.0、濃度為10 mg/mL的7S、11S、酸性亞基和堿性亞基溶液,在95 ℃分別加熱0 h和20 h,然后用0.01 mol/L、pH7.0的磷酸緩沖液稀釋至1 mg/mL,室溫下用組織搗碎機(jī)12000 r/min均質(zhì)1 min,立即轉(zhuǎn)移至500 mL的量筒中測(cè)定攪打后大豆蛋白質(zhì)樣品泡沫的體積,再測(cè)定放置30 min后泡沫的體積,通過(guò)泡沫體積和靜止后穩(wěn)定的泡沫體積的比來(lái)計(jì)算樣品的起泡能力(FC)和泡沫穩(wěn)定性(FS),具體計(jì)算方法如下:

起泡能力(%)=V0/Vi×100

泡沫穩(wěn)定性(%)=Vt/V0×100

式中:V0-起泡0 min時(shí)的泡沫體積,Vt-起泡t min后的泡沫體積,Vi-起泡前最初液體的體積。

1.2.6 乳化性的測(cè)定 蛋白質(zhì)溶液乳化性能的測(cè)量采用Pearc[9]等人的方法。pH7.0或pH2.0、濃度為10 mg/mL的7S、11S、酸性亞基和堿性亞基溶液,在95 ℃分別加熱0 h和20 h,然后分別取3 mL加入1 mL的大豆油,混合液在20000 r/min均質(zhì)2 min,乳化液靜止0 min和10 min,然后立即從乳化液中取10 μL加入5 mL的1 mg/mL的SDS中,混勻,在500 nm處測(cè)定吸光值,以1 mg/mL的SDS為空白調(diào)零。乳化活性(EAI)和乳化穩(wěn)定(ESI)計(jì)算公式如下[10]:

EAI(m2/g)=((2×2.303)/(C×(1-φ)×104))×A500×D

ESI(%)=100×At/A0

式中:2.303-乳化活性計(jì)算常數(shù);A500-溶液在500 nm下的吸光值,可用平均值計(jì)算,C-蛋白質(zhì)濃度(g/mL),D-稀釋倍數(shù),φ-大豆油占乳化液的體積分?jǐn)?shù)(φ=0.25),At-乳化液靜止時(shí)間為t min時(shí)的吸光值,A0-乳化液靜止時(shí)間為0 min時(shí)的吸光值。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用excel和Statisix8.1軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示(n=3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 起泡性

2.1.1 低pH下大豆蛋白組分起泡性的比較 從結(jié)果中可以看出,依據(jù)7S形成纖維結(jié)構(gòu)的處理?xiàng)l件,4種大豆蛋白組分在pH2.0的條件下長(zhǎng)時(shí)間加熱,起泡性均有一定程度的提高,但是提高的幅度不同(p<0.05),其中7S、11S、酸性亞基和堿性亞基起泡能力的提高幅度分別為132.32%、122.54%、140.83%和48.76%(圖1a);同時(shí),泡沫穩(wěn)定性提高的幅度分別為61.69%、50.35%、35.55%和29.01%(見(jiàn)圖1b)。這種改善與是否能夠形成纖維聚合物無(wú)關(guān),因?yàn)門ang[3]等人研究發(fā)現(xiàn)7S較11S具有更強(qiáng)的纖維化能力,因此,對(duì)于形成纖維聚合物的7S和不能形成纖維結(jié)構(gòu)的11S,以及由11S解離出來(lái)的酸性亞基和堿性亞基均有很大程度的改善。說(shuō)明低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間加熱的處理手段可以顯著改善4種大豆蛋白組分的起泡性。具有良好起泡性能的蛋白具有的特征之一是通過(guò)分子相互作用形成黏性膜[1],而Akkermans等人發(fā)現(xiàn)在低pH下加熱形成的纖維聚合物使得黏度增加[11],這些可以解釋在低pH下加熱4種大豆蛋白可以改善其起泡性。

圖1 低pH條件下4種大豆蛋白組分熱處理前后起泡性的差異Fig.1 The foaming properties offour soy protein components at low pH注:同一圖上字母不同表示差異顯著(p<0.05);圖2～圖4同。

2.1.2 不同pH下起泡性的差異 從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論是形成纖維聚合結(jié)構(gòu)的7S還是不能形成纖維結(jié)構(gòu)的11S,在加熱20 h后,pH2.0條件下7S和11S的起泡能力顯著(p<0.05)高于pH7.0條件下的起泡能力。7S和11S在pH2.0條件下形成的聚合物的起泡能力分別是pH7.0條件下形成聚合物的起泡能力的2.37倍和6.32倍;7S和11S泡沫穩(wěn)定性分別是pH7.0條件下的1.79倍和4.16倍。說(shuō)明低pH條件下7S和11S形成的熱聚物結(jié)構(gòu)更有利于改善其起泡性,這種聚合結(jié)構(gòu)不僅僅局限于纖維結(jié)構(gòu)。Martinez等人[12]研究發(fā)現(xiàn)在糖基化的酪蛋白和明膠混合體系中pH3.5和pH6.5條件形成不同的復(fù)合體使得其起泡性存在不同。因此,7S和11S在不同pH下具有不同的起泡性,可能也是因?yàn)閮烧咴诓煌琾H下形成的聚合物結(jié)構(gòu)不同。

圖2 不同pH下7S和11S起泡性的差異Fig.2 The foaming properties ofsoy protein 7S and 11S at different pH

2.2 乳化性

與起泡性的結(jié)果不同,低pH的處理手段并沒(méi)有對(duì)7S和11S的乳化性存在一致的改善作用。與pH7.0的結(jié)果相比,在pH2.0條件下7S形成的纖維聚合結(jié)構(gòu)降低了乳化活性,同時(shí)也降低了乳化穩(wěn)定性;11S在低pH條件下熱聚合的非纖維聚合結(jié)構(gòu)提高了其乳化活性,但是,熱處理前后的乳化穩(wěn)定性顯著(p<0.05)降低,降低幅度明顯高于pH7.0的結(jié)果(圖3)。如果將11S解離為酸性亞基和堿性亞基,堿性亞基乳化活性有所提高(p<0.05),但酸性亞基變化不明顯(p>0.05),對(duì)于乳化穩(wěn)定性而言,與11S不同,酸性亞基和堿性亞基相對(duì)熱處理之前均有明顯提高(圖4)?？傊?低pH的處理手段對(duì)7S和11S(包括酸性亞基和堿性亞基)乳化性并沒(méi)有一致的改善作用。王金梅等人[13]發(fā)現(xiàn)在低pH(酸性)條件下長(zhǎng)時(shí)間加熱大豆蛋白可以不同程度的增加其界面活性,但是其形成的纖維聚合物對(duì)其乳化液的性質(zhì)和穩(wěn)定性并沒(méi)有明顯的改善。

圖3 不同pH下7S和11S乳化性Fig.3 The emulsifying properties ofsoy protein 7S and 11S at different pH

2.3 表面疏水性

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在加熱過(guò)程中,pH7.0條件下的7S和11S的表面疏水性明顯低于pH2.0條件下的7S和11S的表面疏水性(圖5)。不同pH下7S和11S蛋白質(zhì)表面疏水性的變化與其起泡性能和乳化性能有著密切的關(guān)系,低pH條件下熱處理2 h后7S和11S蛋白質(zhì)分子表面疏水性最高,有更多的疏水氨基酸殘基暴露,隨后表面疏水性雖有一定降低,但是,依然顯著高于pH7.0時(shí)7S和11S的熱聚合變化,這種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化結(jié)果使7S和11S的起泡性顯著(p<0.05)改善,特別是起泡能力有大幅度提升,而疏水性的這種變化對(duì)乳化活性的改善不顯著(p>0.05)(表1)。乳化性的結(jié)果與Zhang等人[14]發(fā)現(xiàn)的在不同pH下乳化活性和表面疏水性是相互獨(dú)立的結(jié)果一致。

表1 不同pH下7S和11S加熱后起泡性和表面疏水性的關(guān)系

圖4 4種原料在pH2.0條件下的乳化性Fig.4 The emulsifying properties offour soy proteincomponents at pH2.0

圖5 不同pH下7S和11S加熱過(guò)程中的表面疏水性Fig.5 The surface hydrophobicity ofsoy protein 7S and 11S at different pH

注:
注:同列字母不同者差異顯著(p<0.05)。

3 結(jié)論

低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間熱處理的聚合手段,可以顯著改善大豆蛋白7S和11S(包括酸性亞基和堿性亞基)的起泡性,對(duì)乳化性的影響不顯著,這種改善與是否形成纖維聚合結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。低pH條件下長(zhǎng)時(shí)間熱處理與pH7.0條件下的熱處理手段相比,能夠使大豆蛋白7S和11S表面疏水性顯著增加,這種結(jié)構(gòu)的變化結(jié)果更有力于提高起泡性能。

[1]趙新淮,徐紅華,姜毓君. 食品蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能[M]. 北京：科學(xué)出版社,2009:1-485.

[2]Wang J M,Yang X Q,Yin S W,et al. Growth Kinetics of Amyloid-like Fibrils Derived from Individual Subunits of Soy β-Conglycinin[J]. Journal of Agriculture and Food Chemistry,2011,59:11270-11277.

[3]Tang C H,Wang C S. Formation and Characterization of Amyloid-like Fibrils from Soy β-Conglycinin and Glycinin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2010,58:11058-11066.

[4]Tang C H,Wang S S,Huang Q R. Improvement of heat-induced fibril assembly of soy β-conglycinin(7S Globulins)at pH2.0 through electrostatic screening[J]. Food Research International,2012,l46:229-236.

[5]Nagano T,Hirotsuka M,Mori H,et al. Dynamic viscoelastic study on the gelation of 7S globulin from soybeans[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1992,40(6):941-944.

[6]Mo X Q,Zhong Z K,Wang D H,et al. Soybean Glycinin Subnits Charaterizztion of Physicochemical and Adhesion Properties[J]. Journal of Agriculture and Food Chemistry,2006,54:7589-7593.

[7]Hayakawa S,Nakai S. Relationships of hydrophobicity and net charge to the solubility of milk and soy proteins[J]. Journal of Food Science,1985,50:486-491.

[8]Stieger M,Richering W,Pedersen J S,et al. Small-angle neutron scattering study of structural changes in temperature sensitive microgel colloids[J]. The Journal of Chemical Physics,2004,120:6197-6206.

[9]Pearce K N,Kinsella J E. Emulsifying properties of proteins:evaluation of a turbidimetric technique[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1978,6:716-723.

[10]Agyare K K,Kwaku A,Xiong Y L. Emulsifying and foaming properties of transglutaminase-treated wheat gluten hydrolysate as influenced by pH,temperature and salt[J]. Food Hydrocolloids,2009,23:72-81.

[11]Akkermans C,Vader Goot A J,Venema P,et al. Micrometer-Sized Fibrillar Protein Aggregates from Soy Glycinin and Soy Protein Isolate[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2007,55:9877-9882.

[12]María J Martinez,Víctor M. Pizones Ruiz-Henestrosa,Cecilio Carrera Sánchez,et al. Foaming and surface prope rties of casein glycomacrope ptideegelatin mixtures as affected by their interactions in the aqueous phase[J]. Food Hydrocolloids,2013,33:48-57.

[13]王金梅. 大豆蛋白熱聚集行為及界面、乳化性質(zhì)研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2012,1-24.

[14]Zhang T,Jiang B,Mu W. M.,et al. Emulsifying properties of chickpea protein isolates:Influence of pH and NaCl[J]. Food Hydrocolloids,2009,23:146-152.

Superficial properties of soy protein 7S and 11S at low pH

XU Hong-hua,DONG Shi-rong,HE Xue-fei

(College of Food,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Based on the conditions of 7S forming fibril,the emulsifying and foaming properties of soy protein 7S and 11S(including acidic and basic subunits)was investigated under prolonged heat treatment at low pH. The results showed that the foaming properties of different soy protein components were significantly improved(p<0.05),while the emulsification was not sigificantly regular changed even the emulsion stability was reduced by heating treatment at low pH. There were no relationships between the fibrillar aggregates and modified properties. Compared with the heating treatment at pH7.0,the surface hydrophobicities of soy protein 7S and 11S were significantly increased under heating treatment at low pH,and the special structure with high surface hydrophobicities was benefit for improving foaming properties of soy protein. Then,the surface hydrophobicities and foaming properties of 7S and 11S were improved significantly after prolonged heat treatment at low pH.

soy protein;foaming properties;emulsifying properties;surface hydrophobicity;aggregation

2014-10-21

徐紅華(1969-),女,博士,教授,從事食品蛋白質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)的教學(xué)和研究，E-mail:dongshirong118@126.com。

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(31471682)；黑龍江省教育廳青年學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目(1155G10)。

TS201.2

A

1002-0306(2015)15-0092-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.011