超聲處理對(duì)腎豆蛋白乳化活性和結(jié)構(gòu)的影響

楊柳，覃小麗，李依燦，鐘金鋒，曾凡坤

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶,400715)

腎豆(又稱花豆、虎豆等)是一種營(yíng)養(yǎng)豐富且廉價(jià)的豆科植物。腎豆?fàn)I養(yǎng)價(jià)值高，是一種高蛋白、高碳水化合物、低脂的優(yōu)質(zhì)食物資源。腎豆中含有20%～30%的蛋白質(zhì)，具有良好的氨基酸組成[1-2]，因此腎豆蛋白是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白質(zhì)。腎豆蛋白除了為人類提供基本的營(yíng)養(yǎng)之外，還有一些有益的生物學(xué)活性，例如抗組胺、抗腫瘤、抗真菌、抗昆蟲活性、免疫調(diào)節(jié)和抗人類免疫缺陷病毒等[3]，有著良好的開發(fā)前景。

國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于腎豆蛋白的研究有腎豆蛋白的提取工藝[4-5]、腎豆蛋白的功能性質(zhì)[4,6]、腎豆蛋白水解物的性質(zhì)[7-9]等。乳化性是蛋白質(zhì)功能特性中的一項(xiàng)重要性質(zhì)，然而與酪蛋白和白蛋白等具有優(yōu)良乳化性的蛋白質(zhì)相比，腎豆蛋白的乳化性較差[6]。改善腎豆蛋白的乳化性質(zhì)對(duì)提高腎豆蛋白相關(guān)乳化食品的乳化性質(zhì)等方面具有重要意義，進(jìn)一步滿足現(xiàn)代食品加工的需求。YIN等[10]研究發(fā)現(xiàn)高壓處理能顯著提高腎豆蛋白質(zhì)分離物的乳化活性指數(shù)(emulsifying activity index，EAI)。然而，尚未有利用超聲處理手段研究腎豆蛋白乳化性質(zhì)的報(bào)道；超聲處理后腎豆蛋白的乳化性質(zhì)受環(huán)境因素的影響規(guī)律也尚未清楚；超聲處理后腎豆蛋白的微觀表面形貌和結(jié)構(gòu)的變化也有待研究。因此，本文旨在通過(guò)超聲處理改善腎豆蛋白的乳化性質(zhì)，考察超聲處理?xiàng)l件(超聲功率、超聲時(shí)間)以及環(huán)境因素(pH、溫度)對(duì)腎豆蛋白EAI的影響，并進(jìn)一步借助掃描電鏡、紅外光譜和拉曼光譜分析腎豆蛋白在超聲處理前后的微觀表面形貌及結(jié)構(gòu)變化，以期擴(kuò)大腎豆蛋白在食品工業(yè)的應(yīng)用范圍并為腎豆的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

腎豆(蛋白質(zhì)含量約23%[11])，產(chǎn)于重慶黔江；超純水，Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國(guó)Millipore公司)制備；大豆油，中糧福臨門食品營(yíng)銷有限公司；KBr，光譜純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；其他試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JY98-IIIDN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(探頭直徑20 mm)，寧波新芝生物科技股份有限公司；FD-1A-50型冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；T6新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；JSM-6510LV10800鎢燈絲掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司；Spectrum 100紅外光譜，美國(guó)Perkin-Elmer公司；DXR2拉曼光譜儀，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 腎豆蛋白的提取

將去皮腎豆置于50 ℃烘箱中干燥48 h，再將其用粉碎機(jī)粉碎成腎豆粉。采用堿溶酸沉法提取腎豆蛋白[12]，并稍作改進(jìn)。將腎豆粉與水按1∶10(g∶mL)的比例混合，用2 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至9.0。將混合液置于30 ℃的水浴鍋內(nèi)以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 h，得到堿提取液。在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下將堿提取液離心7 min，分離得到含蛋白質(zhì)的上清液和沉淀。沉淀與水按1∶5(g∶mL)的比例混合，重復(fù)上述過(guò)程2次。用0.1 mol/L HCl溶液將含蛋白質(zhì)的上清液pH調(diào)至4.5，然后在8 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心20 min，分離出沉淀并冷凍干燥，即得到腎豆蛋白(提取率15%～20%)。將腎豆蛋白置于干燥器中密封保存，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。腎豆脂肪含量低[4]，并且脫脂處理可能對(duì)蛋白質(zhì)造成不利影響，故本實(shí)驗(yàn)不對(duì)腎豆蛋白進(jìn)行脫脂處理。

1.3.2 超聲波處理

將腎豆蛋白配成100 mL 60 g/L的溶液，在不同的超聲功率(240、360和600 W)和超聲時(shí)間(10、20和30 min)下處理，超聲過(guò)程中通過(guò)冰水浴控制蛋白溶液溫度在49 ℃以下，然后將超聲處理后的蛋白溶液進(jìn)行冷凍干燥。

1.3.3 環(huán)境因素對(duì)腎豆蛋白乳化活性的影響

影響蛋白質(zhì)乳化性的因素很多，本環(huán)節(jié)選擇pH和溫度這2個(gè)較為重要的環(huán)境因素研究其對(duì)腎豆蛋白乳化活性的影響。分別將不同超聲條件處理后的腎豆蛋白溶于10 mmol/L pH 7.0磷酸鹽緩沖溶液中，配成30 mL的2 g/L樣品溶液。室溫下將腎豆蛋白樣品溶液調(diào)節(jié)至不同pH(3、4、5、7和8)然后水浴攪拌3 h；或者將腎豆蛋白樣品溶液在不同的溫度(20、30、40、60和70 ℃)下水浴攪拌3 h。然后，采用比濁法測(cè)定EAI以評(píng)價(jià)pH及溫度處理對(duì)腎豆蛋白的乳化活性的影響。

EAI的測(cè)定參照PEARCE等[13]方法進(jìn)行，并稍作改進(jìn)。向腎豆蛋白樣品溶液中加入10 mL大豆油，10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下均質(zhì)1 min。用1 g/L SDS溶液將50 μL均質(zhì)后的樣液稀釋100倍，測(cè)定稀釋液在500 nm處的吸光度，SDS溶液作為空白。按照公式(1)計(jì)算腎豆蛋白的EAI(m2/g)。

(1)

式中：A，500 nm處的吸光度；N，稀釋倍數(shù)(此處為100)；c，腎豆蛋白溶液的質(zhì)量濃度，g/mL；φ，油相體積分?jǐn)?shù)。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察

采用JEOL掃描電鏡系統(tǒng)檢測(cè)腎豆蛋白在超聲處理前后的微觀表面形貌變化。將腎豆蛋白樣品固定在樣品架上并噴射一層薄金，高真空條件下，在15 kV的加速電壓下進(jìn)行SEM檢測(cè)并選取具有代表性的區(qū)域拍攝。

1.3.5 傅里葉紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法進(jìn)行紅外光譜分析。將KBr置于120 ℃的烘箱中干燥2 h后研磨，取5.00 mg腎豆蛋白均勻分散在100 mg研磨過(guò)的KBr中，再快速研磨混合均勻。取適量混合粉末壓片，使用Spectrum 100紅外光譜儀進(jìn)行掃描，掃描范圍4 000～400 cm-1，光譜分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32次，采用紅外光譜儀自帶操作軟件采集及處理紅外圖譜。

1.3.6 拉曼光譜分析

將腎豆蛋白均勻地鋪在單凹載玻片的凹部，用MPlan 20×/0.40物鏡觀察，選取清晰典型區(qū)域進(jìn)行拉曼激光散射。光闌選用50 μm狹縫，激光波長(zhǎng)785 nm，激光能量30.0 mW，測(cè)量拉曼譜范圍為3 378～50 cm-1，曝光時(shí)間10 s，曝光次數(shù)為30。

圖譜處理：拉曼圖譜基線校正、歸屬采用OMNIC 8.0軟件，歸一化處理以苯丙氨酸的(1 003±1)cm-1作為歸一化因子[14]。然后使用PeakFit 4.12軟件進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算各結(jié)構(gòu)的百分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次，各樣品的指標(biāo)進(jìn)行3次平行測(cè)定，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示結(jié)果。使用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(p<0.05時(shí)判斷組間存在顯著差異)，用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對(duì)超聲處理的腎豆蛋白EAI的影響

大多數(shù)食品體系呈中性偏酸性或者弱堿性。因此，本環(huán)節(jié)考察的pH為3～8，以研究不同超聲功率處理后的腎豆蛋白在此pH范圍內(nèi)的EAI變化規(guī)律。由圖1可知，不同超聲功率處理的腎豆蛋白EAI受pH的影響規(guī)律是一致的，并且與未超聲處理的腎豆蛋白EAI隨pH的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明超聲處理不改變pH對(duì)腎豆蛋白EAI的影響機(jī)制。腎豆蛋白EAI均隨pH的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這與NNADOZIE等[15]的研究結(jié)果一致。腎豆蛋白在pH 5時(shí)EAI最小，這是由于在腎豆蛋白的等電點(diǎn)(pI 4.5)附近，因?yàn)槿狈o電斥力，蛋白質(zhì)間的疏水相互作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集甚至沉淀，溶解度顯著降低，參與乳化的蛋白質(zhì)少，故EAI較小。反之，當(dāng)pH遠(yuǎn)離腎豆蛋白的等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶有電荷而存在一定的靜電斥力，腎豆蛋白的溶解度增大，故EAI增大。超聲功率幾乎不改變腎豆蛋白在等電點(diǎn)附近(pH 4～5)的EAI，但在遠(yuǎn)離等電點(diǎn)的環(huán)境下對(duì)腎豆蛋白EAI有較為明顯的影響。240 W超聲處理在遠(yuǎn)離等電點(diǎn)的pH下可提高腎豆蛋白的EAI。在pH 5～8時(shí)，經(jīng)較大超聲功率(≥360 W)處理后的腎豆蛋白EAI明顯小于未超聲的腎豆蛋白EAI。這說(shuō)明適當(dāng)強(qiáng)度的超聲功率可提高腎豆蛋白EAI，而過(guò)高的超聲功率反而會(huì)使EAI減小。這可能由于適當(dāng)超聲功率(240 W)使蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)適當(dāng)分散，蛋白質(zhì)變性程度小，疏水基團(tuán)暴露，進(jìn)而增強(qiáng)蛋白質(zhì)的表面疏水性，從而使EAI提高[16]。而過(guò)高的超聲功率會(huì)使原來(lái)分散的蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，蛋白質(zhì)變性程度增大，故EAI減小[17]。經(jīng)過(guò)240 W的超聲功率處理，腎豆蛋白的乳化性質(zhì)較好，因此選擇240 W的超聲功率處理腎豆蛋白，考察pH對(duì)不同超聲時(shí)間處理的腎豆蛋白EAI的影響。

圖1 pH對(duì)不同超聲功率處理的腎豆蛋白EAI的影響Fig.1 Effect of pH on the EAI of kidney bean protein treated with different ultrasonic power

在240 W的功率下，不同超聲時(shí)間處理后的腎豆蛋白在不同pH下的EAI的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，不同超聲時(shí)間處理的腎豆蛋白EAI均隨pH的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，與圖1呈現(xiàn)的規(guī)律一致。在遠(yuǎn)離等電點(diǎn)附近(pH 4～5)的pH下，超聲處理10 min使腎豆蛋白EAI增大。與未超聲處理的腎豆蛋白EAI相比，超聲處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(20和30 min)的腎豆蛋白EAI在一定程度上減小。這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間持續(xù)超聲處理使蛋白質(zhì)變性嚴(yán)重，不溶性蛋白質(zhì)增多，EAI隨之減小[18]。因此，在240 W的功率下超聲處理10 min可在一定程度上改善腎豆蛋白在遠(yuǎn)離等電點(diǎn)的pH下的EAI。

圖2 pH對(duì)不同超聲時(shí)間處理的腎豆蛋白EAI的影響Fig.2 Effect of pH on the EAI of kidney bean protein treated with different ultrasonic time

2.2 溫度對(duì)超聲處理的腎豆蛋白EAI的影響

熱處理作為食品工業(yè)中重要的改善食品品質(zhì)、延長(zhǎng)食品貯藏期的方式，對(duì)食品體系的性質(zhì)有重要影響。因此，本環(huán)節(jié)研究不同超聲功率處理后的腎豆蛋白在不同溫度(20～70 ℃)下的EAI變化規(guī)律。由圖3可知，超聲處理后的腎豆蛋白在不同溫度下的EAI變化趨勢(shì)與未超聲的相似。不同超聲功率處理及未超聲處理的腎豆蛋白EAI在20～60 ℃內(nèi)隨溫度升高而增大，可能是由于適當(dāng)提高溫度使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)迅速展開，使其疏水基團(tuán)暴露，從而提高乳化性能[19]。與未超聲處理的腎豆蛋白EAI比較，240 W的超聲處理顯著提高腎豆蛋白EAI，40 ℃時(shí)可提高37.12%；而經(jīng)360 W和600 W的超聲處理后的腎豆蛋白EAI卻顯著降低，70 ℃時(shí)經(jīng)360 W超聲處理10 min甚至降低50.36%。當(dāng)溫度從60 ℃升高到70 ℃，低功率(240 W)超聲處理和未超聲處理的腎豆蛋白EAI有繼續(xù)提高的趨勢(shì)，而較高超聲功率(≥360 W)處理的腎豆蛋白EAI有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明高溫對(duì)高功率處理的腎豆蛋白EAI影響更大。由圖3可知，240 W的超聲處理在所考察的溫度范圍內(nèi)可增大腎豆蛋白EAI。因此，選擇在240 W的超聲功率下用不同時(shí)間處理腎豆蛋白，研究溫度對(duì)所得蛋白的EAI的影響。

圖3 溫度對(duì)不同超聲功率處理的腎豆蛋白EAI的影響Fig.3 Effect of temperature on the EAI of kidney bean protein treated with different ultrasonic power

不同超聲時(shí)間處理后的腎豆蛋白EAI隨溫度的變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知，在所考察的溫度范圍內(nèi)，超聲10 min的腎豆蛋白EAI顯著高于未經(jīng)超聲處理的腎豆蛋白EAI；超聲處理20和30 min的腎豆蛋白EAI與未經(jīng)超聲處理的腎豆蛋白EAI無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，在240 W的功率下超聲處理10 min有利于改善腎豆蛋白在不同溫度(20～70 ℃)下的EAI。

圖4 溫度對(duì)不同超聲時(shí)間處理的腎豆蛋白EAI的影響Fig.4 Effect of temperature on the EAI of kidney bean protein treated with different ultrasonic time

2.3 掃描電鏡觀察

通過(guò)掃描電鏡對(duì)腎豆蛋白的微觀表面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。未經(jīng)超聲處理的腎豆蛋白呈連續(xù)片狀，表面較為粗糙，有較淺的褶皺(圖5-A/a)。與未經(jīng)超聲處理的腎豆蛋白比較，經(jīng)過(guò)超聲處理的蛋白質(zhì)表面形貌均有顯著的變化，整體呈塊狀堆積形態(tài)(圖5-B、C、D和E)。這些微觀形貌的變化可能是由于超聲過(guò)程中空化泡崩潰時(shí)的沖擊波、剪切力致使蛋白質(zhì)分子間的氫鍵和范德華力發(fā)生斷裂[20]，破壞蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián)[21]。超聲功率240 W下處理10 min的腎豆蛋白(圖5-B/b)表面褶皺減弱，更加光滑，而將超聲功率提高到360 W(圖5-C/c)后，腎豆蛋白的表面增加了許多小突起且出現(xiàn)了少許微小孔隙。在360 W的超聲功率下處理20 min(圖5-D/d)和在600 W的超聲功率下處理20 min(圖5-E/e)的腎豆蛋白微觀形貌無(wú)明顯差別，且與在360 W的超聲功率下處理10 min(圖5-C/c)的腎豆蛋白的微觀形貌差別不大。這說(shuō)明超聲功率或超聲時(shí)間達(dá)到一定大小后再繼續(xù)增大對(duì)腎豆蛋白的微觀表面形貌無(wú)顯著影響。

A/a-未超聲;B/b-240 W 10 min;C/c-360 W 10 min;D/d-360 W 20 min;E/e-600 W 20 min圖5 腎豆蛋白的掃描電鏡圖Fig.5 SEM images of kidney bean protein

2.4 超聲處理前后腎豆蛋白的傅里葉紅外光譜

圖6 腎豆蛋白的紅外光譜Fig.6 Infrared spectra of kidney bean protein

圖7 腎豆蛋白在酰胺I帶的紅外光譜Fig.7 Infrared spectra of kidney protein in Amide I band

2.5 超聲處理前后腎豆蛋白的拉曼光譜

圖8 腎豆蛋白的拉曼光譜Fig.8 Raman spectra of kidney bean protein

圖9 腎豆蛋白在酰胺I帶的拉曼光譜Fig.9 Raman spectra of kidney protein in Amide I band

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲。α-螺旋結(jié)構(gòu)表征蛋白質(zhì)分子的規(guī)整性，β-折疊和轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)反映蛋白質(zhì)分子的松散性[24]。分析拉曼圖譜并計(jì)算出腎豆蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)百分含量，如圖10所示。由圖10可知，超聲處理對(duì)無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的含量無(wú)明顯影響。在240 W的超聲功率下處理10 min，腎豆蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)含量減少，而β-折疊和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的總含量增多，這表明腎豆蛋白結(jié)構(gòu)由規(guī)整向松散轉(zhuǎn)化。然而，高強(qiáng)度超聲功率(≥360 W)和長(zhǎng)時(shí)間(≥20 min)超聲處理都使腎豆蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)含量增多，β-折疊和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的總含量減少，這說(shuō)明高強(qiáng)度超聲功率或長(zhǎng)時(shí)間超聲處理都使腎豆蛋白的松散性更弱。松散的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更加利于其乳化性質(zhì)的發(fā)揮。因此，腎豆蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量驗(yàn)證了超聲處理對(duì)腎豆蛋白乳化活性的影響結(jié)果。

圖10 不同處理?xiàng)l件下腎豆蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)百分含量Fig.10 The composition of secondary structure of kidney bean protein

3 結(jié)論

本文采用超聲處理手段研究腎豆蛋白的乳化活性、微觀形貌和結(jié)構(gòu)。一定的超聲處理(超聲功率240 W，超聲時(shí)間10 min)在遠(yuǎn)離等電點(diǎn)時(shí)可增大腎豆蛋白EAI，在所考察溫度范圍(20～70 ℃)顯著增大腎豆蛋白EAI；而過(guò)高功率(≥360 W)或長(zhǎng)時(shí)間(≥20 min)的超聲處理使腎豆蛋白EAI在不同pH下有不同程度的減小，在所考察溫度范圍顯著降低。超聲處理使腎豆蛋白由連續(xù)片狀變?yōu)閴K狀堆積形態(tài)，并改變了腎豆蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)。超聲處理作為一種改變腎豆蛋白結(jié)構(gòu)和乳化性質(zhì)的手段，對(duì)腎豆蛋白的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)，并為超聲處理在乳化體系中對(duì)蛋白質(zhì)的改性機(jī)理提供理論參考。