超高壓處理對大米蛋白功能特性及結(jié)構(gòu)的影響

管弋铦,何 苗,熊雙麗

(1.西南科技大學生命科學與工程學院,四川綿陽 621010;2.四川省生物質(zhì)資源利用與改性工程技術(shù)研究中心,四川綿陽 621010)

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超高壓處理對大米蛋白功能特性及結(jié)構(gòu)的影響

管弋铦,何 苗,熊雙麗

(1.西南科技大學生命科學與工程學院,四川綿陽 621010;2.四川省生物質(zhì)資源利用與改性工程技術(shù)研究中心,四川綿陽 621010)

以不同壓力(200、400、600 MPa)對大米進行超高壓處理。研究了超高壓處理對大米中谷蛋白功能特性以及清蛋白、球蛋白和谷蛋白結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:超高壓處理后大米蛋白的功能特性和二級結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化,不同壓力影響效果不同。200 MPa時蛋白質(zhì)的溶解性、持水性和乳化性提高,持油性降低;400 MPa時持水性和乳化性降低,持油性提高,溶解性升高不明顯;600 MPa時溶解性、持水性、持油性和乳化性均降低。超高壓處理后清蛋白、球蛋白和谷蛋白的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,β-折疊結(jié)構(gòu)含量降低,無序結(jié)構(gòu)增多。相關(guān)性分析結(jié)果表明壓力、功能特性和二級結(jié)構(gòu)三者之間存在相關(guān)。

超高壓,功能特性,結(jié)構(gòu),相關(guān)分析

全球有超過一半的人口將大米作為主食。大米中蛋白質(zhì)含量占8%左右[1]。按Osborne分級分離法可從大米中分離出四種溶解性不同的蛋白:清蛋白,球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白[2-4]。其中,谷蛋白占大米總蛋白的80%以上;球蛋白占的8%～10%左右,清蛋白和醇溶蛋白含量均不超過5%。谷蛋白、球蛋白和水溶性的清蛋白對大米品質(zhì)有重要影響,谷蛋白的功能特性是大米食用品質(zhì)和加工特性的重要影響因素之一。

超高壓技術(shù)是一項高新的食品加工技術(shù)。超高壓處理食品原料時,可以在不影響或少影響食品的色澤、風味以及營養(yǎng)價值的前提下使食品中淀粉和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生改變,從而改變原料的加工特性[5-6]。侯磊等[7]研究了0.8%的檸檬酸溶液浸泡大米時進行超高壓處理,隨著壓強的升高,大米淀粉的糊化度逐漸增強,大米的老化度顯著降低,米飯的品質(zhì)得到提高。朱轉(zhuǎn)等[8]研究表明,大米浸泡和超高壓預處理使米飯淀粉中抗性淀粉的含量降低,慢速消化淀粉和快速消化淀粉的含量升高,米飯的消化特性得到提高。高嘉琦[9]研究發(fā)現(xiàn)大米超高壓處理后制得的米飯在色澤、嚼勁性和彈性等方面均優(yōu)于對照樣品。目前關(guān)于大米超高壓處理的研究熱點主要是大米淀粉特性和大米食用品質(zhì)方面,而對蛋白質(zhì)性質(zhì)研究相對較少。本文選用不同壓力對大米進行超高壓處理,分級分離出清蛋白、球蛋白和谷蛋白三種主要蛋白,通過紅外光譜分析三種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化,研究谷蛋白的溶解度、持水性、持油性、乳化性等功能性質(zhì)變化以及他們與谷蛋白結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性,深入分析超高壓處理大米過程中蛋白質(zhì)的變化及其對大米加工性質(zhì)的影響,為超高壓技術(shù)在新型大米制品開發(fā)中的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

珍珠米、粳型米 黑龍江省大慶豐源農(nóng)業(yè)科技有限公司薩爾圖分公司,主要成分:水分含量為13.39%,蛋白質(zhì)含量為10.80%,淀粉含量為75.58%;氯化鈉、無水乙醇、氫氧化鈉、考馬斯亮藍G-250、牛血清蛋白、硼酸、無水硫酸銅、甲基紅、溴甲酚綠、硫酸 均購自天津市福晨化學試劑廠 均為分析純。

HPP.L2-800/1型食品高壓設(shè)備 天津華泰森淼生物工程技術(shù)股份有限公司;DZ400-DZ(2 L)型真空封裝機 四川成都瑞昌儀器制造有限公司;FT-IR5700傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電;離心機 中國上海科析實驗儀器廠;PHS-3C酸度計 上海雷磁儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 大米粉的制備 首先將大米除雜、粉碎,過60目篩,制成大米粉,用塑封袋裝好后置于干燥器中備用。

1.2.2 超高壓處理 大米粉碎后,稱取一定質(zhì)量的大米粉,加入40%的去離子水,攪拌混勻后裝入PE袋中。抽真空密封后,在20 ℃條件下,以壓力(200、400、600 MPa),15 min分別對大米進行超高壓處理。加壓時升壓速度為50 MPa/s,卸壓速度為100 MPa/s。高壓處理后的大米粉與10倍體積的95%乙醇迅速混勻脫水,抽濾后再與少量無水乙醇混勻并抽濾,所得米粉在25 ℃下鼓風干燥2 h后研磨成粉,過80目篩,裝入塑封袋中并置于干燥器內(nèi)備用。另稱取一定量的大米粉于燒杯中,添加40%的去離子水,混勻后靜置15 min作為未經(jīng)高壓處理的空白對照。

1.2.3 大米蛋白提取 稱取高壓處理前后的大米粉200 g,參考Osborne 的方法[2]分級提取大米中的清蛋白、球蛋白和谷蛋白。具體操作如下:

處理后的大米粉→蒸餾水提取(固液比1∶3,室溫,2 h)→離心(5000 r/min,25 min)→沉淀→5%Nacl溶液提取(固液比1∶3,室溫,2 h)→離心(5000 r/min,25 min)→沉淀→洗滌兩次→70%乙醇提取(固液比1∶3,室溫,2 h)→離心(5000 r/min,25 min)→沉淀→洗滌兩次→0.05 mol/L NaOH溶液提取(固液比1∶3,室溫,2 h)→離心(5000 r/min,25 min)。

保留去離子水、5% Nacl溶液和0.05 mol/L NaOH溶液提取離心后的上清液,用2 M HCl調(diào)節(jié)等電點沉淀蛋白質(zhì),離心所得蛋白質(zhì)沉淀洗滌2次后冷凍干燥,得清蛋白、球蛋白和谷蛋白樣品。所得蛋白質(zhì)樣品純度均在83.79%以上。

1.2.4 谷蛋白功能性測定

1.2.4.1 溶解性測定 參考汪昔琴[10]的方法并稍有改動。準確稱取0.5 g谷蛋白樣品,加入30 mL去離子水,在室溫下攪拌40 min后5000 r/min離心10 min,取上清液用考馬斯亮藍G-250法測蛋白質(zhì)濃度,用微量凱氏定氮法測定未處理樣品中的含氮量,按下式計算氮溶解度:

氮溶解度=上清液中含氮量/樣品總含氮量×100

1.2.4.2 持水性和持油性的測定 參考文獻[11]。

1.2.4.3 乳化性的測定 乳化性測定:乳化性測定參考鐘昔陽并略有改動[12]。配制3%的大米谷蛋白懸浮液,取25 mL該懸浮液與25 mL色拉油混合,用勻漿機以10000 r/min速度攪打1 min,使其充分形成水-油乳化物,將上述乳化物裝入10 mL有刻度的離心管中,以1500 r/min離心5 min,測量乳化層體積和液體總體積,按照下列公式計算樣品的乳化性:

1.2.5 大米三種蛋白紅外分析 采用傅里葉紅外變換光譜(FTIR)分析大米中的三種蛋白。準確稱量2 mg的樣品,加入100 mg溴化鉀,用研缽研磨成均勻粉末,壓制成薄片,再用紅外光譜儀做全波段掃描(400～4000 cm-1),掃描次數(shù)128次。數(shù)據(jù)處理采用PeakFit 4.12軟件(SPSS Inc.Chicago,IL,USA),Omnic軟件(Nicolet,USA)和Origin8.0軟件(OriginLab Corp.,Northampton,MA,USA)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

每組實驗重復3次,所有數(shù)據(jù)均以平均值±標準差(X±SD)給出,數(shù)據(jù)處理采用SPSS 11.5(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)統(tǒng)計分析軟件(p<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 超高壓處理對大米谷蛋白功能性質(zhì)的影響

2.1.1 超高壓處理對大米谷蛋白溶解性的影響 蛋白質(zhì)的溶解性是蛋白質(zhì)最重要功能性質(zhì)之一,溶解性的大小直接影響蛋白質(zhì)的可利用價值。

蛋白質(zhì)溶解性主要反映了蛋白質(zhì)的水化作用,超高壓處理可以破壞蛋白質(zhì)的肽鍵或氨基酸側(cè)鏈極性基團與水分子的相互作用,從而改變其溶解性[13]。大米谷蛋白屬于水不溶性蛋白,本身在水中的溶解性很差。由圖1可以看出200 MPa時谷蛋白溶解性提高到7.15%,400 MPa時升高至7.34%,600 MPa時溶解性下降至5.82%。200 MPa下蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)松散,促進肽鍵伸展,側(cè)鏈極性基團水化作用增強,溶解性提高。400 MPa時由于蛋白質(zhì)分子內(nèi)一部分疏水基團暴露,抑制了水化作用的提高。600 MPa處理時疏水基團暴露增多,水化作用減弱,溶解性降低。另外,解締的蛋白質(zhì)分子在高壓力下重新聚集也會使溶解性降低[14]。

圖1 超高壓處理對大米谷蛋白溶解性的影響Fig.1 Changes in solubility of the glutenin after ultra high pressure treatment

2.1.2 超高壓處理對大米谷蛋白持水性和持油性的影響 食品加工中蛋白質(zhì)主要影響食品的口感和風味,蛋白質(zhì)的持水性能主要影響食品的質(zhì)地和口感,持油性能影響油脂保留能力,與食品風味密切相關(guān)。因而,蛋白質(zhì)的持水性和持油性對食品加工而言十分重要。

從圖2可知,200 MPa處理時蛋白質(zhì)吸水量提高且達最大值4.71 mL/g,400 MPa時吸水量降低,600 MPa時進一步降低。形成這一現(xiàn)象的原因可能是200 MPa處理時蛋白質(zhì)分子伸展,形成了較好的蛋白質(zhì)框架,同時親水基團暴露增多,蛋白質(zhì)水化能力增強,持水能力提高[15]。隨著壓力的增大,隱藏在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水基團逐漸暴露出來,蛋白質(zhì)與水分子結(jié)合的能力降低,持水能力下降。另外,高壓下松散的蛋白質(zhì)重新凝聚也會導致持水能力下降。

圖2 超高壓處理對大米谷蛋白持水性的影響Fig.2 Changes in water holding capacity of the glutenin after ultra high pressure treatment

由圖3可知,200 MPa時谷蛋白的吸油量降低至最小值1.42 mL/g,400 MPa時有所提高,達到最大值2.59 mL/g,600 MPa時吸油量下降至1.58 mL/g。這一現(xiàn)象可能是由于200 MPa處理時親水基團水化能力增強,蛋白質(zhì)親油性減弱,吸油量下降。壓力增大后疏水基團的暴露使谷蛋白親油性增加,持油能力回升。壓力繼續(xù)升高后解締蛋白的重新凝集可能是導致持油能力下降的原因之一。

圖3 超高壓處理對大米谷蛋白持油性的影響Fig.2 Changes in oil holding capacity of the glutenin after ultra high pressure treatmen

2.1.3 超高壓處理對大米谷蛋白乳化性的影響 蛋白質(zhì)所能降低油-水界面表面張力的能力是決定其乳化能力的關(guān)鍵因素[16]。由圖4可知,超高壓處理提高了大米谷蛋白的乳化能力。200 MPa處理時蛋白質(zhì)乳化性提高至最大值33.89%,400 MPa時乳化能力有所降低,600 MPa時進一步降低。這一現(xiàn)象可能是由于200 MPa時壓力作用使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)受到破壞,極性基團水化作用增強,親水性提高,并且與疏水基團共同作用,使親水性和親油性達到較好平衡,宏觀上表現(xiàn)為乳化能力提高。隨壓力逐漸增大,由于蛋白質(zhì)發(fā)生進一步聚集,導致吸附到油水界面上蛋白減少,所以乳化性又呈下降[17]。

圖4 不同壓力處理下大米谷蛋白乳化性的比較Fig.4 Changes in emulsifying ability of the glutenin after ultra high pressure treatment

2.2 紅外結(jié)果分析

清蛋白、球蛋白和谷蛋白作為大米蛋白中3種主要的蛋白質(zhì),影響著大米的質(zhì)地、口感和營養(yǎng)價值,超高壓處理下這三種蛋白的結(jié)構(gòu)變化可以為大米品質(zhì)的變化提供依據(jù)。

圖5 超高壓處理后大米三種蛋白的紅外光譜Fig.5 FT-IR spectroscopy of three kinds proteins in rice after ultra high pressure treatment

圖5為不同壓力處理條件大米三種蛋白紅外圖譜,對蛋白質(zhì)中的C=O、N—H和C—N的振動方式與二級結(jié)構(gòu)有關(guān),紅外在多個波段對這些的振動方式均有吸收,其中,酰胺Ⅰ帶(1600～1700 cm-1)以C=O的伸縮振動為主[18],對蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化的反映相對比較簡明,因而酰胺Ⅰ帶的特征頻率常被用來表征蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。本研究選取大米谷蛋白、清蛋白和球蛋白紅外光譜的酰胺Ⅰ帶來分析大米谷蛋白和球蛋白二級結(jié)構(gòu)的組成變化,采用Peakfit軟件對蛋白質(zhì)酰胺I帶進行解析。

表1 超高壓處理后大米三種蛋白二級結(jié)構(gòu)含量變化(%)

注:同列不同字母表示差異極顯著,p<0.01。酰胺Ⅰ帶譜峰指認如下:1610～1640 cm-1和1690～1700為β-折疊,1640～1650 cm-1為無規(guī)則卷曲;1650～1660 cm-1為α-螺旋結(jié)構(gòu);1660～1690 cm-1為β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)[19-20]。

由表1可知大米谷蛋白二級結(jié)構(gòu)以β-折疊為主,占44.48%,其次為β-轉(zhuǎn)角,無規(guī)則卷曲含量最少。超高壓處理降低了β-折疊和α-螺旋的含量。200 MPa時β-折疊和α-螺旋的含量均極顯著下降(p<0.01),β-折疊含量達到最小值34.42%,400 MPa時α-螺旋的含量繼續(xù)下降達到最小值11.00%,β-折疊的含量極顯著升高(p<0.01),600 MPa時兩者含量均極顯著升高(p<0.01)。無規(guī)則卷曲含量變化與α-螺旋相反。β-轉(zhuǎn)角的含量在200 MPa時極顯著升高(p<0.01),400 MPa時極顯著下降(p<0.01),600 MPa時極顯著升高(p<0.01),達到最大值35.04%。α-螺旋和β-折疊通過氫鍵分別維持著蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間的有序性。超高壓處理能夠破壞蛋白質(zhì)的氫鍵[21],200 MPa時兩者含量下降也說明了這種氫鍵作用力減弱,促進了蛋白質(zhì)分子伸展。400 MPa時β-折疊的含量回升,分子間的氫鍵作用力提高,但α-螺旋結(jié)構(gòu)維持的分子內(nèi)氫鍵作用繼續(xù)減弱。600 MPa時兩者含量增加,氫鍵作用力增強,蛋白質(zhì)分子凝聚程度提高。這一現(xiàn)象進一步為谷蛋白的溶解性、乳化性、持水性和持油性等功能特性的變化提供了依據(jù)。

大米清蛋白二級結(jié)構(gòu)以β-折疊為主,占41.49%。β-折疊所占比例隨壓力升高而降低,在400 MPa時達到最小值35.30%,隨后極顯著增加(p<0.01)。無規(guī)則卷曲含量變化與谷蛋白相似,在400 Mpa時達到最大值19.21%。200 MPa時α-螺旋含量極顯著下降(p<0.01),且達到最小值8.85%,400 MPa時極顯著上升(p<0.01),600 MPa時極顯著下降(p<0.01)。β-轉(zhuǎn)角含量在200 MPa和400 MPa時均極顯著增加(p<0.01),200 MPa時達到最大值37.08%,但隨著壓力升高增長幅度變小,600 MPa時含量無顯著變化(p>0.05)。

大米球蛋白二級結(jié)構(gòu)以β-折疊為主,超高壓處理后β-折疊的變化與清蛋白相似。3種壓力處理下無規(guī)則卷曲含量均極顯進一步比較三種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn),超高壓處理降低了三種蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)組成的有序結(jié)構(gòu)(β-折疊和α-螺旋)的總量,這表明超高壓處理破壞了清蛋白、球蛋白和谷蛋白的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

表2 超高壓與大米谷蛋白功能特性及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性

注:*顯著相關(guān)(p<0.05);**極顯著相關(guān)(p<0.01)。著升高,600 MPa時達到最大值17.07%。α-螺旋的含量在200 MPa和600 MPa處理時均極顯著下降(p<0.01),400 MPa時無顯著變化(p>0.05)。β-轉(zhuǎn)角的含量變化與谷蛋白相似,在200 MPa時達到最大值43.87%。另外,超高壓處理后β-轉(zhuǎn)角取代β-折疊成為球蛋白主要結(jié)構(gòu)。

由表2可知,壓力與α-螺旋和持水性呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)。無規(guī)則卷曲與β-折疊呈顯著負相關(guān)(p<0.05),和α-螺旋呈極顯著負相關(guān)(p<0.01),說明超高壓可以降低蛋白質(zhì)有序結(jié)構(gòu)含量,且有序結(jié)構(gòu)向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。蛋白質(zhì)溶解性與β-折疊和α-螺旋呈極顯著負相關(guān)(p<0.01),與無規(guī)則卷曲呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),乳化性與β-折疊呈極顯著負相關(guān)(p<0.01),說明蛋白質(zhì)有序結(jié)構(gòu)減少,無序結(jié)構(gòu)增加,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,有利于蛋白質(zhì)溶解性和乳化性的提高。蛋白質(zhì)溶解性與乳化性呈顯著正相關(guān)(p<0.05),說明蛋白質(zhì)乳化性能的優(yōu)劣與其溶解性有關(guān)。蛋白質(zhì)持油性與β-折疊呈顯著正相關(guān)(p<0.05),和β-轉(zhuǎn)角呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)。

3 結(jié)論

在超高壓處理大米過程中,蛋白質(zhì)的持水性和乳化性在200 MPa處理下提高,之后隨壓力增加而逐漸降低。谷蛋白溶解性隨壓力的增加先升高后降低。持油性在200 MPa處理下降低,之后隨壓力的增加先升高后下降。大米中的清蛋白、球蛋白和谷蛋白的二級結(jié)構(gòu)均以β-折疊為主,超高壓處理使這三種蛋白的β-折疊結(jié)構(gòu)含量降低,有序結(jié)構(gòu)總量減小,無序結(jié)構(gòu)增多,蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。相關(guān)性分析結(jié)果表明超高壓可以使蛋白質(zhì)有序結(jié)構(gòu)減少。蛋白質(zhì)有序結(jié)構(gòu)向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,有利于蛋白質(zhì)溶解性和乳化性的提高。另外,蛋白質(zhì)乳化性能的其溶解性有關(guān)。

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Effects of ultra high pressure treatment on functional properties and structure of rice proteins

GUAN Yi-xian1,HE Miao1,XIONG Shuang-li1,2,*

(1.School of Life Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China；2.Engineering Research Center for Biomass Resource Utilization and Modification of Sichuan Province,Mianyang 621010,China)

The objective of the study was to investigate the the effects of ultra high pressure treatment on the functional properties of glutenin and the structure of albumin,globulin and glutenin of rice. Result:ultra high pressure treatment changed the functional properties and the secondary structure of rice proteins,and different pressures had different effects. Solubility,water holding capacity and emulsifying ability of the glutenin increased and the oil holding capacity decreased after the 200 MPa pressure treatment.When pressure changed to 400 MPa,the water holding capacity and emulsifying ability decreased,the oil holding capacity increased,and there was no significant increase in the solubility. The solubility,water holding capacity,oil holding capacity and emulsifying ability decreased after the 600 MPa pressure treatment. Ultra high pressure treatment changed the secondary structure of albumin,globulin and glutenin which resulted in the reduction ofβ-sheet,and increase of disordered structure..Correlation analysis showed that there was close relationship among pressure,functional properties and secondary structure.

ultra high pressure,structure,functional properties,correlation analysis

2016-03-23

管弋铦(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：食品化學及應用， E-mail:125446503@qq.com。

*通訊作者:熊雙麗(1977-)，女，教授，研究方向：功能性食品加工與安全,E-mail:372364129@qq.com。

四川省生物質(zhì)資源利用與改性工程技術(shù)研究中心專職科研創(chuàng)新團隊建設(shè)基金項目(14tdgc04)。

TS210.1

A

1002-0306(2016)20-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.20.000