超聲波作用于大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的流變性和拉曼光譜變化

畢 爽，隋曉楠，韓天翔，李 楊，王中江，齊寶坤，江連洲

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

超聲波作用于大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的流變性和拉曼光譜變化

畢 爽，隋曉楠，韓天翔，李 楊，王中江，齊寶坤，江連洲*

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

研究超聲波低功率（100 W）、中功率（300 W）和高功率（450 W）在不同的時(shí)間條件下（12、24 min）對(duì)大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響。掃描電子顯微鏡及流變學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示低、中功率超聲波處理形成的凝膠結(jié)構(gòu)致密均勻、彈性模量G’較高，且300 W條件下處理24 min時(shí)，樣品凝膠性質(zhì)最好。采用光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系構(gòu)象的變化是影響其凝膠性質(zhì)的主要因素；拉曼光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波改變了大豆分離蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)以及色氨酸、酪氨酸所處的微環(huán)境，暴露疏水性基團(tuán)，使其更易與大豆卵磷脂發(fā)生疏水相互作用，且低、中功率條件下超聲波對(duì)大豆分離蛋白和磷脂交互作用的影響較大。超聲波功率進(jìn)一步增大（450 W）使大豆分離蛋白發(fā)生不溶性聚集，減弱了與磷脂間的相互作用，復(fù)合體系的功能性質(zhì)隨之下降。

超聲波處理；大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系；熒光光譜；拉曼光譜；空間結(jié)構(gòu)

大豆分離蛋白由于營(yíng)養(yǎng)豐富而被廣泛使用，作為食品成分用來增強(qiáng)食品營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味。但天然大豆蛋白對(duì)溫度、離子強(qiáng)度、pH值等因素敏感，使它們?cè)谑称芳庸ぶ械膽?yīng)用受到限制。為拓寬其應(yīng)用范圍，大豆分離蛋白的天然改性已經(jīng)成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)[1-2]。大豆卵磷脂是食品中重要的營(yíng)養(yǎng)成分，具有改善食品風(fēng)味和質(zhì)地的作用。作為一種兩性離子表面活性劑，它可以通過疏水結(jié)合的方式使蛋白質(zhì)的表面活性發(fā)生改變[3]。

近年來，較多研究指出蛋白質(zhì)與磷脂可以通過靜電作用或疏水相互作用結(jié)合形成復(fù)合體系，也有學(xué)者對(duì)其功能性質(zhì)進(jìn)行了一定的研究。Mantovani[4]和Yamamoto[5]等發(fā)現(xiàn)磷脂的添加可以提高乳清分離蛋白在接近等電點(diǎn)處的穩(wěn)定性，同時(shí)，大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合乳液粒徑分布均勻且體積平均粒徑較小，是一種良好的天然乳化劑。有研究者研究發(fā)現(xiàn)pH值和熱處理會(huì)在一定程度上影響大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系功能性質(zhì)的表達(dá)[6-8]。目前，超聲波技術(shù)在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其在液體介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)剪切、空化等作用，可以改變大豆分離蛋白的柔性空間結(jié)構(gòu)[9-10]，誘導(dǎo)磷脂結(jié)構(gòu)變化，促進(jìn)大豆分離蛋白與磷脂間的融合與交互。然而，鮮有關(guān)于不同超聲波條件對(duì)大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系功能性質(zhì)的影響研究，而采用熒光光譜和拉曼光譜研究大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系構(gòu)象變化與凝膠性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系也相對(duì)較少。

本實(shí)驗(yàn)探究不同超聲波功率（150、300、450 W）和超聲波作用時(shí)間（12、24 min）對(duì)大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響，解析復(fù)合體系結(jié)構(gòu)變化對(duì)功能性質(zhì)產(chǎn)生的影響，以期為超聲波技術(shù)在食品加工中的合理應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)室自制；大豆卵磷脂 美國(guó)Sigma公司。

鹽酸、氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 北京新光化學(xué)試劑廠；正己烷 天津北科化學(xué)品有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲波細(xì)胞破碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司；AL204型分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；S-3400掃描電子顯微鏡、F-4500熒光分光光度計(jì) 日本Hitachi公司；離心機(jī) 德國(guó)Eppendorf公司；FD5-3型冷凍干燥機(jī) 美國(guó)SIM公司；PerkinElmer Raman Station 400 拉曼光譜儀 美國(guó)PE公司。

1.3 方法

1.3.1 大豆分離蛋白的制備

參考Wolf[11]的方法。新鮮大豆磨粉后與正己烷以料液比1∶3（m/V）的比例混合，在40 ℃條件下攪拌2 h。將所得混合物在4 ℃、10 000×g條件下離心20 min，棄去上層油脂，再重復(fù)離心過程3 次，室溫條件下風(fēng)干備用。將脫脂豆粉按1∶10的料液比（m/V）與水混合，然后用2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值至8.5，45 ℃條件下攪拌2 h后，將其懸浮液在4 ℃、10 000×g條件下離心20 min，取上清液再用2 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至4.5。靜置后在4 ℃、6 000×g條件下離心20 min，得蛋白質(zhì)沉淀水洗2 次，最后用2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)pH值至7.0。將此蛋白溶液冷凍干燥后研磨即得粉末狀大豆分離蛋白。1.3.2 超聲波處理制備大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系

將大豆卵磷脂與大豆分離蛋白以1∶10（m/m）的比例混合于錐形瓶中，配制成大豆分離蛋白質(zhì)量濃度為1 g/100 mL的水溶液，室溫條件下攪拌2 h。超聲波處理的方法及條件設(shè)定參考Hu Hao等[12]并進(jìn)行一定修改。將超聲波處理器的鈦探頭（直徑0.636 cm）插入液面，20 kHz條件下分別在輸出功率為150、300、450 W條件下處理12、24 min，超聲波作用時(shí)間4 s，間隔時(shí)間2 s，并每隔5 min向冰水浴中加入冰塊保持低溫，各樣品處理?xiàng)l件見表1。

表1 超聲波處理制備大豆蛋白-磷脂復(fù)合物Table 1 Ultrasonic treatments applied to soybean protein isolate-lecithin complex

1.3.3 掃描電子顯微鏡觀察大豆分離蛋白-磷脂凝膠樣品

將超聲波處理的大豆分離蛋白-磷脂樣品制備成質(zhì)量濃度為100 mg/mL的分散液。在90 ℃條件下加熱20 min后冷卻至室溫形成大豆分離蛋白-磷脂凝膠，在4 ℃條件下冷藏24 h以完全形成凝膠。樣品前處理：將制好的凝膠切成塊狀，浸泡在固定液中24 h。再用體積分?jǐn)?shù)30%～100%的乙醇溶液梯度洗脫至凝膠基本呈硬塊狀。切成表面較為平整的片狀凝膠，用冷凍干燥機(jī)干燥[13]。將干燥后的凝膠脆斷、鍍金，樣品置于掃描電子顯微鏡（15 kV）下觀察其顯微結(jié)構(gòu)。

1.3.4 流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定

流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定采用溫度掃描模式。將經(jīng)過不同條件超聲波處理的大豆分離蛋白-磷脂溶液加到流變儀平板上，平板直徑為40 mm，探頭型號(hào)及尺寸：pp為20 mm，板間距為0.5 mm。采用石蠟油對(duì)兩平行板間的縫隙封口，防止水分蒸發(fā)。測(cè)定參數(shù)：初始溫度25 ℃，以5 ℃/min升溫速率升溫至90 ℃后保溫20 min，之后以5 ℃/min降溫速率降溫至25 ℃。角頻率為0.63 rad/s，固定形變0.01[14]。記錄下彈性模量G’數(shù)值的變化。

1.3.5 拉曼光譜的測(cè)定及分析

拉曼光譜儀在室溫條件下相關(guān)參數(shù)設(shè)定：功率80 mW，激發(fā)光波長(zhǎng)785 nm，曝光時(shí)間60 s，掃描400～2 000 cm-1范圍內(nèi)的波數(shù)譜段，每個(gè)樣品都重復(fù)掃描3 次以上，由計(jì)算機(jī)做信號(hào)累加平均并繪圖輸出，峰位誤差控制在±3 cm-1內(nèi)。掃描后各樣品的拉曼數(shù)據(jù)利用Origin 9.1軟件進(jìn)行平滑處理，先進(jìn)行基線校正，然后以苯丙氨酸（1 003±1） cm-1作為歸一化因子[15]。采用Peakfit Version軟件進(jìn)行擬合分析各蛋白樣品二級(jí)結(jié)構(gòu)組分的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描電子顯微鏡觀察大豆分離蛋白-磷脂凝膠樣品

圖1 不同超聲波處理?xiàng)l件下大豆分離蛋白-磷脂樣品凝膠掃描電子顯微鏡圖（500×）Fig. 1 Scanning electron microscope image of soybean protein isolatelecithin gel prepared under different ultrasonic conditions (500 ×)

由圖1可知，未處理的大豆分離蛋白-磷脂凝膠結(jié)構(gòu)不均勻，表面不平整并且現(xiàn)大面積孔洞。經(jīng)過低、中功率超聲波處理的樣品凝膠具有聚集結(jié)構(gòu)并夾雜一些疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)150 W超聲波處理24 min時(shí)，樣品從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槟z狀結(jié)構(gòu)、表面平整、致密有序。但經(jīng)過高頻率、長(zhǎng)時(shí)間超聲波處理的樣品，凝膠空間結(jié)構(gòu)表面不均一并出現(xiàn)較大的空洞。適宜強(qiáng)度的超聲波處理可以加速大豆分離蛋白-磷脂的相互作用，易于凝膠聚集體的形成，這與Zuniga等[16]結(jié)果一致。超聲波的空化作用使大豆分離蛋白和磷脂的空間結(jié)構(gòu)展開，功能基團(tuán)（如疏水基團(tuán)）暴露，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與磷脂之間彼此發(fā)生相互作用從而形成蛋白質(zhì)聚集體，呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。不同樣品間凝膠性的差異可能與大豆分離蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)變化有緊密聯(lián)系。也可能因?yàn)槌暡ㄌ幚頊p少了大豆分離蛋白-磷脂體系的粒度，在凝膠過程中形成較小的聚合物，更好地填充在蛋白質(zhì)-磷脂的凝膠網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)，使凝膠結(jié)構(gòu)更致密、均一。

2.2 超聲波處理對(duì)大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系流變學(xué)性質(zhì)的影響分析

圖2 不同超聲波條件下大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的流變學(xué)特性Fig. 2 Rheological properties of soybean protein isolate-lecithin composite system prepared under different ultrasonic conditions

彈性模量可以衡量樣品的凝膠強(qiáng)度，代表凝膠在彈性形變過程中積蓄的能量[17]。由圖2可知，經(jīng)過不同條件超聲波處理后，所有樣品的彈性模量G’變化趨勢(shì)均相同，但在升溫過程中各樣品的G’幾乎不發(fā)生變化。在加熱過程中蛋白質(zhì)分子逐步解折疊，發(fā)生部分變性，暴露出疏水基團(tuán)與磷脂發(fā)生相互作用。但升溫過程中，樣品還未形成凝膠，所以大豆分離蛋白-磷脂體系的G’沒有升高。在保溫過程中，由于凝膠初始階段蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)-磷脂間發(fā)生一定的相互作用，因此樣品的G’升高但并不明顯[18]。在降溫過程中，樣品的G’開始持續(xù)上升，蛋白質(zhì)分子間氫鍵、二硫鍵或蛋白質(zhì)與磷脂間的疏水相互作用等作用力使其結(jié)合并形成凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過150 W、24 min條件下超聲波處理的樣品最先形成凝膠，說明其形成凝膠能力最強(qiáng)[19]。但相同時(shí)間條件下（24 min），隨著超聲波功率的增加，樣品降溫結(jié)束后的G’降低，可能是高功率協(xié)同長(zhǎng)時(shí)間超聲波處理會(huì)使大豆蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，形成不溶性聚集體后與大豆卵磷脂間的交互作用程度減弱，導(dǎo)致最終凝膠強(qiáng)度降低，與掃描電子顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu)一致。當(dāng)超聲波作用時(shí)間為12 min時(shí)，最終凝膠的G’隨超聲波功率的升高先增加后下降，較低超聲波功率（150 W）時(shí)，空化作用不明顯，大豆分離蛋白與磷脂交互作用較差。中等強(qiáng)度超聲波功率（300 W）使大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)打開，蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大豆分離蛋白與磷脂相互作用程度增加，形成凝膠強(qiáng)度較高。但高強(qiáng)度超聲波會(huì)破壞大豆分離蛋白的結(jié)構(gòu)[20]，同時(shí)降低大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的溶解性，影響最終凝膠的G’。為了進(jìn)一步探究凝膠狀態(tài)與樣品結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)采用拉曼光譜分析大豆分離蛋白-磷脂樣品的結(jié)構(gòu)。

2.3 不同超聲波處理?xiàng)l件下大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的拉曼光譜分析

大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白質(zhì)的拉曼光譜特征峰和峰位歸屬見表2，根據(jù)表中振動(dòng)來源與波數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可在圖3中標(biāo)注出不同超聲波處理?xiàng)l件下大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的拉曼譜帶。

表2 大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白質(zhì)的拉曼光譜特征峰和峰位歸屬Table 2 Tentative assignment of some bands in the Raman spectrum of soybean protein isolate-lecithin complex system

圖3 不同超聲波處理?xiàng)l件下大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的拉曼光譜Fig. 3 Raman spectra of soybean protein isolate-lecithin composite system under different ultrasonic treatments

大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中的各種功能鍵以及大豆蛋白的二、三級(jí)結(jié)構(gòu)信息均需激光拉曼光譜進(jìn)行分析。通過拉曼光譜圖頻率和強(qiáng)度反應(yīng)大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系所處環(huán)境和構(gòu)象變化等信息。經(jīng)過不同條件超聲波處理后樣品在波數(shù)400～2 000 cm-1的拉曼光譜如圖3所示，在1 003 cm-1波段苯丙氨酸不易受到外界環(huán)境變化的影響、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故可作為歸一化因子[21]。由圖3可知，各樣品譜線發(fā)生不同程度的位移，說明超聲波處理后大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中散射中心和化學(xué)鍵數(shù)目發(fā)生變化。拉曼光譜的頻率和強(qiáng)度變化，反映出大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系空間構(gòu)象的變化。

2.3.1 大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)變化

拉曼光譜中的特征峰可用于確定大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)中酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅲ帶的構(gòu)象，酰胺Ⅰ帶主要包括C＝O與C—N的伸張。酰胺Ⅰ帶和Ⅲ帶的特征峰位置如表3所示[22]。

表3 大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)拉曼光譜頻率及歸屬Table 3 Raman frequencies and band assignments of secondary structures in soybean protein isolate-lecithin complex system cm-1

由表3可知，蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅲ帶可用于表征蛋白質(zhì)的主鏈結(jié)構(gòu)，拉曼光譜圖中1 665～1 675 cm-1處譜帶強(qiáng)度大，表明復(fù)合體系酰胺Ⅰ帶中主要存在β-折疊及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)含量可通過蛋白質(zhì)的酰胺Ⅰ帶定量分析，結(jié)果見表4。超聲波未處理組樣品中的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)組成為：α-螺旋結(jié)構(gòu)24.75%、β-折疊結(jié)構(gòu)25.40%、β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)15.61%及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)34.54%。

表4 大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量（n=3）Table4 Percentages of protein secondary structures in soybean protein isolate-lecithin composite system?under different?ultrasonic conditions (n= 3) %

由表4可知，低功率（150 W）時(shí)大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中α-螺旋及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)含量隨著超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)下降，β-折疊結(jié)構(gòu)含量上升。當(dāng)超聲波作用功率為150 W時(shí)，超聲波處理使α-螺旋含量由24.75%分別降低到24.31%（12 min）和23.06%（24 min）。這與Li Chen等[23]的研究一致，可能是大豆卵磷脂結(jié)合到了α-螺旋結(jié)構(gòu)中的疏水性氨基酸區(qū)域，從而使蛋白質(zhì)分子展開改變了大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中二級(jí)結(jié)構(gòu)的組成。超聲波的空化效應(yīng)使蛋白質(zhì)暴露疏水基團(tuán)與磷脂發(fā)生疏水相互作用，進(jìn)而降低大豆分離蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)，但高功率超聲波作用下，大豆分離蛋白分子由于空穴效應(yīng)運(yùn)動(dòng)加速，會(huì)發(fā)生一定程度的聚集，降低了磷脂與大豆分離蛋白的疏水相互作用。相對(duì)于未處理樣品而言，經(jīng)過450 W、12 min和24 min超聲波處理時(shí)，大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系樣品中的α-螺旋結(jié)構(gòu)含量呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，而β-折疊結(jié)構(gòu)含量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。這與Hu Hao等[12]研究結(jié)果一致，由于蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)取決于氨基酸序列和蛋白質(zhì)分子與其他分子的交互作用，上述結(jié)果說明超聲波破壞了這些作用，導(dǎo)致二級(jí)結(jié)構(gòu)變化。相似地，Chandrapala等[9]也指出較高的超聲功率（20 kHz，450 W）導(dǎo)致蛋白質(zhì)表現(xiàn)出β-折疊結(jié)構(gòu)向α-螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。450 W超聲波條件下，當(dāng)超聲波作用時(shí)間延長(zhǎng)至24 min時(shí)，α-螺旋結(jié)構(gòu)含量變化相比于超聲波處理12 min時(shí)更加明顯。形成的凝膠結(jié)構(gòu)無序且分布不均勻，凝膠立體感差。

2.3.2 大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中蛋白質(zhì)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)變化

2.3.2.1 色氨酸殘基的變化

色氨酸在拉曼光譜圖上會(huì)表現(xiàn)出多個(gè)拉曼光譜譜帶，對(duì)于觀察蛋白質(zhì)微環(huán)境的極性及氫鍵變化規(guī)律有著重要作用。Li-Chan等[24]研究表明在波長(zhǎng)760 cm-1附近區(qū)域，色氨酸殘基可觀察到“埋藏式”到“暴露式”的轉(zhuǎn)變。在本研究中，經(jīng)過超聲波處理的大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系拉曼光譜峰強(qiáng)度在760 cm-1附近區(qū)域有所增加（表5），表明色氨酸殘基由“埋藏式”微環(huán)境轉(zhuǎn)為“暴露式”展開形式[25]。

2.3.2.2 酪氨酸側(cè)鏈環(huán)境的變化

超聲波處理后磷脂與大豆分離蛋白的交互作用對(duì)蛋白質(zhì)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的影響采用的相對(duì)強(qiáng)度衡量，在拉曼光譜圖中830、850 cm-1附近是酪氨酸環(huán)吸收振動(dòng)和面彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的特征振動(dòng)峰。二者的相對(duì)強(qiáng)度能夠鑒定酪氨酸組分“暴露”或“埋藏”的程度。酪氨酸殘基數(shù)通常由公式（1）、（2）計(jì)算。

式中：N為“暴露”或“埋藏”的酪氨酸殘基數(shù)；I為不同波數(shù)的拉曼光譜峰強(qiáng)度。

850 cm-1和830 cm-1是酪氨酸殘基苯環(huán)的呼吸振動(dòng)和面外彎曲倍頻之間的費(fèi)米共振，通過2 條譜線的強(qiáng)度比，推測(cè)酪氨酸是氫鍵的供體或是受體[22]。若比值為2.5，酪氨酸苯環(huán)上的羥基氧原子是強(qiáng)氫鍵受體；如果比值為1.25，此時(shí)酪氨酸苯環(huán)上的羥基氧原子為中強(qiáng)度氫鍵的供體或受體；如果比值為0.3，表明酪氨酸的苯環(huán)上的羥基氧原子是強(qiáng)氫鍵的供體。而在本研究中，酪氨酸振動(dòng)峰譜帶的比值范圍為0.975～0.998，說明經(jīng)過不同強(qiáng)度超聲波處理后大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中的酪氨酸部分暴露到溶液的極性微環(huán)境中，且作為中性強(qiáng)度氫鍵的供體或受體。由表5可知，超聲波處理顯著影響酪氨酸殘基在850 cm-1和830 cm-1的峰強(qiáng)比，未處理樣品比值最低，超聲波處理后樣品的比值有不同程度的升高，表明酪氨酸苯環(huán)上的羥基氧原子由強(qiáng)氫鍵的供體向強(qiáng)氫鍵的受體趨勢(shì)轉(zhuǎn)變。

表5 不同超聲波處理?xiàng)l件下大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系中色氨酸、酪氨酸雙峰比、C—H振動(dòng)譜帶強(qiáng)度Table 5 Normalized intensities of tryptophan band, tyrosyl doublet and C–H band in SPI-lecithin composite system under different ultrasonic conditions

2.3.2.3 脂肪族C—H鍵彎曲振動(dòng)模式變化

由表5可知，CH2和CH3的彎曲振動(dòng)在1 450 cm-1波數(shù)附近可以觀察到，超聲波作用12 min時(shí)拉曼光譜中1 450 cm-1的譜帶強(qiáng)度隨著超聲波功率強(qiáng)度的增強(qiáng)呈先增加后下降趨勢(shì)；超聲波作用24 min后，樣品4號(hào)譜帶強(qiáng)度達(dá)到最大值，但隨著超聲波作用功率進(jìn)一步增強(qiáng)，譜帶強(qiáng)度反而下降。在1 450 cm-1處C—H鍵強(qiáng)度的增加說明樣品中的疏水基團(tuán)暴露到極性環(huán)境中[26]。當(dāng)超聲波功率進(jìn)一步增加時(shí)，蛋白聚集導(dǎo)致疏水基團(tuán)包埋并向微極性環(huán)境轉(zhuǎn)變，譜帶強(qiáng)度降低。與磷脂的疏水相互作用減弱，最終形成的凝膠樣品彈性弱。

2.3.2.4 二硫鍵分析

二硫鍵的伸縮振動(dòng)帶在500～550 cm-1波長(zhǎng)范圍處，由圖3可知，未處理的蛋白質(zhì)-磷脂樣品在525 cm-1和540 cm-1波數(shù)處出現(xiàn)拉曼峰，說明此時(shí)二硫鍵的主要構(gòu)象為g-g-t和t-g-t構(gòu)象。經(jīng)過不同條件超聲波處理后，g-g-t構(gòu)象發(fā)生了不同程度地向t-g-t構(gòu)象轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，說明超聲波處理對(duì)復(fù)合體系中的二硫鍵構(gòu)象產(chǎn)生影響，形成的t-g-t構(gòu)象利于樣品凝膠的形成。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)選用不同條件的超聲波處理大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系。并采用拉曼光譜對(duì)體系功能性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行分析可知，經(jīng)過低（150 W）、中功率（300 W）超聲波處理后，樣品凝膠具有較為致密、均一的結(jié)構(gòu)，G’較高。但高功率（450 W）超聲波處理致使凝膠表面不均一，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，凝膠表面出現(xiàn)孔洞，G’隨之下降。

當(dāng)超聲波處理?xiàng)l件為150 W、24 min時(shí)，大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系凝膠具有最致密的膠狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，流變學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其G’最高。通過拉曼光譜的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系構(gòu)象上的變化是影響其凝膠性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)的主要因素。

拉曼光譜顯示低（150 W）、中功率（300 W）條件下樣品中β-折疊含量上升，疏水基團(tuán)暴露，二硫鍵的主要構(gòu)象g-g-t構(gòu)象發(fā)生了不同程度地向t-g-t構(gòu)象轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，大豆分離蛋白與磷脂間的疏水相互作用更顯著。高超聲波功率導(dǎo)致復(fù)合體系中蛋白質(zhì)發(fā)生不溶性聚集，因此形成的凝膠結(jié)構(gòu)無序、立體感差。

本實(shí)驗(yàn)采用從宏觀到微觀、先規(guī)律后結(jié)構(gòu)的討論模式，具體分析了大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系功能性質(zhì)隨超聲波條件變化的規(guī)律及構(gòu)象變化對(duì)復(fù)合體系功能性質(zhì)的影響。凝膠性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)（溫度掃描模式）是復(fù)合體系重要的功能性質(zhì)，與疏水基團(tuán)的暴露、蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)組成及二硫鍵構(gòu)象的變化息息相關(guān)。因此采用拉曼光譜法分析復(fù)合體系構(gòu)象的變化有利于解析超聲波對(duì)復(fù)合體系構(gòu)象功能性質(zhì)的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為超聲波技術(shù)運(yùn)用于加工大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合產(chǎn)品和其他蛋白與磷脂復(fù)合的食品加工過程提供了一定的理論依據(jù)。

[1] MA L, LI B, HAN F, et al. Evaluation of the chemical quality traits of soybean seeds, as related to sensory attributes of soymilk[J]. Food Chemistry, 2015, 173: 694-701. DOI:10.1016/ j.foodchem.2014.10.096.

[2] KATO A, OSAKA Y, MATSUDOMI N, et al. Changes in the emulsifying and foaming properties of proteins during heat denaturation[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1983, 47(1): 33-37. DOI:10.1080/00021369.1983.10865579.

[3] SCURIATTI M, TOMAS M, WANGNER J. Influence of soybean protein isolates-phosphatidycholine interaction on the stability on oilin-water emulsions[J]. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 2003, 80(11): 1093-1100. DOI:10.1007/s11746-003-0825-7.

[4] MANTOVANI R A, CAVALLIERI ? L F, NETTO F M, et al. Stability and in vitro digestibility of emulsions containing lecithin and whey proteins[J]. Food & Function, 2013, 4(9): 1322-1331. DOI:10.1039/C3FO60156K.

[5] YAMAMOTO Y, ARAKI M. Effects of lecithin addition in oil or water phase on the stability of emulsions made with whey proteins[J]. Bioscience, Biotechnology and Biochemistry, 1997, 61(11): 1791-1795. DOI:10.1271/bbb.61.1791.

[6] McCLEMENTS D J. Emulsion design to improve the delivery of functional lipophilic components[J]. Annual Review of Food Science and Technology, 2010, 1(1): 241-269. DOI:10.1146/annurev. food.080708.100722.

[7] WANG X S, TANG C H, LI B S, et al. Effects of high-pressure treatment on some physicochemical and functional properties of soy protein isolates[J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22(4): 560-567. DOI:10.1016/j.foodhyd.2007.01.027.

[8] BECKWITH A C. Interaction of phosphatidylcholine vesicles with soybean 7S and 11S globulin proteins[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1984, 32(6): 1397-1402. DOI:10.1021/jf00126a045.

[9] CHANDRAPALA J, OLIVER C, KENTISH S, et al. Ultrasonics in food processing[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2012, 19(5): 975-983. DOI:10.1016/j.tifs.2010.04.003.

[10] NIEUWENHUYZEN W, SZUHAJ B F. Effects of lecithins and proteins on the stability of emulsions[J]. Lipid, 1998, 100(7): 282-291. DOI:10.1002/(SICI)1521-4133(199807)100:7＜282:AIDLIPI282＞3.0.CO;2-W.

[11] WOLF W J. Soybean proteins. their functional, chemical, and physical properties[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1970, 18(6): 969-976. DOI:10.1021/jf60172a025.

[12] HU H, WU J, LI-CHAN E C Y, et al. Effects of ultrasound on structural and physical properties of soy protein isolate (SPI) dispersions[J]. Food Hydrocolloids, 2013, 30(2): 647-655. DOI:10.1016/j.foodhyd.2012.08.001.

[13] TANG C H, WANG X Y, YANG X Q, et al. Formation of soluble aggregates from insoluble commercial soy protein isolate by means of ultrasonic treatment and their gelling properties[J]. Journal of Food Engineering, 2009, 92(4): 432-437. DOI:10.1016/ j.jfoodeng.2008.12.017.

[14] 孫哲浩. 大豆分離蛋白與卡拉膠共凝膠體流變學(xué)特性的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2000, 21(6): 87-92.

[15] HERRERO A M, JIMENEZ F, CARMONA P, et al. Elucidation of structural changes in soy protein isolate upon heating by Raman spectroscopy[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2009, 44(4): 711-717. DOI:10.1111/j.1365-2621.2008.01880.x.

[16] ZUNIGA R N, KULOZIK U, AGUILERA J M. Ultrasonic generation of aerated gelatin gels stabilized by whey protein beta-lactoglobulin[J]. Food Hydrocolloids, 2011, 94(5): 958-967. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2010.09.010.

[17] HU H, WU J H, CHAN E C, et al. Effects of ultrasound on structural and physical properties of soy protein isolate (SPI) dispersions[J]. Food Hydrocolloids, 2013, 30(2): 647-655. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2012.08.001.

[18] 朱建華, 楊曉泉. 超聲處理對(duì)大豆分離蛋白流變學(xué)性質(zhì)的影響[J].食品科學(xué), 2005, 26(12): 52-57.

[19] STATHOPULOS P B, SCHOLZ G A, HWANG Y M, et al. Sonication of proteins causes formation of aggregates that resemble amyloid[J]. Protein Science, 2004, 13(11): 3017-3027. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2012.05.011.

[20] RINGGENBERG E, ALEXANDER M, CORREDIG M. Effect of concentration and incubation temperature on the acid induced aggregation of soymilk[J]. Food Hydrocolloids, 2013, 30(1): 463-469. DOI:10.1110/ps.04831804.

[21] MOON S Y, LI-CHAN E C Y. Assessment of added ingredient effect on interaction of simulated beef flavour and soy protein isolate by gas chromatography, spectroscopy and descriptive sensory analysis[J]. Food Research International, 2007, 40(10): 1227-1238. DOI:10.1016/ j.foodres.2007.08.002.

[22] OVERMAN S A, THOMAS Jr G J. Raman spectroscopy of the filamentous virus Ff (fd, f1, M13): structural interpretation for coat protein aromatics[J]. Biochemistry, 1995, 34(16): 5440-5451. DOI:10.1021/bi00016a015.

[23] LI C, HUANG X, PENG Q, et al. Physicochemical properties of peanut protein isolate-glucomannan conjugates prepared by ultrasonic treatment[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(5): 1722-1727. DOI:10.1016/j.ultsonch.2014.03.018.

[24] LI-CHAN E C Y. The applications of Raman spectroscopy in food science[J]. Trends in Food Science & Technology, 1996, 7(11): 361-370. DOI:10.1016/S0924-2244(96)10037-6.

[25] WONG H W, CHOI S M, PHILLIPS D L, et al. Raman spectroscopic study of deamidated food proteins[J]. Food Chemistry, 2009, 113(2): 363-370. DOI:10.1016/j.foodchem.2008.09.027.

[26] LIPPERT J, TYMINSKI D, DESMEULES P. Determination of the secondary structure of proteins by laser Raman spectroscopy[J]. Journal of the American Chemical Society, 1976, 98(22): 7075-7080. DOI:10.1021/ja00438a057.

Effect of Ultrasound on Rheological and Raman Spectroscopy Properties of Soybean Protein Isolate-Phospholipid Composite System

BI Shuang, SUI Xiaonan, HAN Tianxiang, LI Yang, WANG Zhongjiang, QI Baokun, JIANG Lianzhou*
(School of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

The aim of this study was to compare the effects of ultrasonic treatments at three different power levels (150, 300 and 450 W) for different durations (12 and 24 min) on the structural and functional properties of soybean protein isolate (SPI)-phospholipid composite system. Scanning electron microscope observation and rheology experiments showed that ultrasonic treatments at low and medium powers were suitable to generate compact and uniform gel with high elastic modulus. When the ultrasonic condition remained at 300 W for 24 min, the sample showed the best gel properties. It was confirmed that gel properties were influenced by the conformation of soybean protein-phospholipid composite system. Raman spectra showed that ultrasonic treatment could change the secondary structure of SPI. The microenvironment of tryptophan and tyrosine residues was changed at the same time. The interactions between SPI and lecithin easily occurred because of the exposure of hydrophobic groups. Low and medium power ultrasonication had a stronger effect on the composite system. Insoluble protein aggregates occurred when ultrasonic power increased to 450 W, and the functional properties of the composite system decreased because the interactions between soybean protein isolate and lecithin became weaker.

ultrasonic treatment; soybean protein isolate-phospholipid composite system; fluorescence spectroscopy; Raman spectroscopy; spatial structure

10.7506/spkx1002-6630-201621011

TS214.9

A

1002-6630（2016）21-0061-06

畢爽, 隋曉楠, 韓天翔, 等. 超聲波作用于大豆分離蛋白-磷脂復(fù)合體系的流變性和拉曼光譜變化[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(21): 61-66. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201621011. http://www.spkx.net.cn

BI Shuang, SUI Xiaonan, HAN Tianxiang, et al. Effect of ultrasound on rheological and Raman spectroscopy properties of soybean protein isolate-phospholipid composite system[J]. Food Science, 2016, 37(21): 61-66. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201621011. http://www.spkx.net.cn

2016-02-01

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD22B00）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2013AA102104）；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD201302）；高等學(xué)校博士生學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金博導(dǎo)類資助課題（20132325110013）

畢爽（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：13163436989@163.com

*通信作者：江連洲（1960—），男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：jlzname@163.com