射流空化處理對蕓豆蛋白的影響

王馨 郭亞男 曹銘 白銀 郭增旺 王中江

[摘要]以蕓豆蛋白為研究對象，探究射流空化不同處理時間（0min，2min，4min，6min，8min，10min，15min，20min）對蕓豆蛋白結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)的影響，并分析了結(jié)構(gòu)與功能特性的關(guān)系。研究表明，隨著射流空化處理時間的延長，蕓豆蛋白的溶解度、乳化性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;α-螺旋、β-折疊呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，β-轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，無規(guī)則卷曲含量變化不明顯;熒光光譜結(jié)果表明，熒光最大吸收波長呈現(xiàn)先紅移后藍移的趨勢。結(jié)果表明：射流空化能改善蕓豆蛋白的功能性質(zhì)，為蛋白質(zhì)的改性提供了新的參考。

[關(guān)鍵詞]蕓豆蛋白;射流空化;結(jié)構(gòu)性質(zhì);功能性質(zhì)

中圖分類號：TS201.21 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

蛋白改性的方法主要有高壓改性、超聲改性、酶法改性、化學(xué)改性以及基因工程改性等[1-2]。射流空化作為一種高新技術(shù)，將水射流技術(shù)與空化效應(yīng)相結(jié)合[3]，大量的空化泡破裂產(chǎn)生的局部高溫、高壓與腔體內(nèi)產(chǎn)生的高剪切力等極端環(huán)境，可能會使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而實現(xiàn)對蛋白質(zhì)功能的定向調(diào)控[4-6]。近年來，這項技術(shù)已被應(yīng)用于土木工程、建筑、機械等領(lǐng)域，但在食品領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報道。

本試驗研究了在不同處理時間下，射流空化對蕓豆蛋白結(jié)構(gòu)和功能特性的影響，并分析了其內(nèi)在機理，為拓寬射流空化技術(shù)的應(yīng)用范圍、改性蕓豆蛋白的研究提供了新思路，為功能性更優(yōu)的蕓豆蛋白產(chǎn)品的開發(fā)提供了新的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕓豆蛋白粉（純度>90%）：哈高科大豆食品有限責(zé)任公司;大豆油：家樂福超市;Lowry法蛋白質(zhì)含量測定試劑盒：上海荔達生物科技有限公司;氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、鹽酸、亞硫酸鈉等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

2L實驗室小型射流空化機：北京中森匯嘉科技發(fā)展有限責(zé)任公司;熒光分光光度計（F-4500）：日本日立公司;傅里葉變換紅外光譜儀（MAGNA-IR560）：美國尼高力公司;高速分散均質(zhì)機（FJ-200）：上海標(biāo)本模型廠;酸度計（pHS-25）：上海偉業(yè)儀器廠;冷凍干燥機（FD5-3）：美國SIM公司;電子分析天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;紫外-可見分光光度計（1600PC）：上海美普達儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 蕓豆蛋白的處理

將蕓豆蛋白用超純水調(diào)節(jié)濃度至2%，用2moL/L HCl或NaOH溶液調(diào)pH至值為7.0，取1L的上述蛋白溶液加入射流空化機內(nèi)，處理0min、2min、4min、6min、8min、10min、15min、20min后，冷凍干燥即得到蕓豆蛋白樣品。

1.3.2 溶解性測定

參考Molina E等[7]等的實驗方法，用PBS（0.01mol/L pH=7.0）配制20mg/mL的蛋白質(zhì)溶液，攪拌1h使樣品溶解，靜置2min后，將上層液倒入離心管中離心（5 000g，15min）。取上清液10mL。采用Lowry法測定蛋白質(zhì)含量[8]。溶解度按下式計算：

溶解度=100%??????????????????? （1）

1.3.3 乳化性的測定

參考Molina E等[7]的實驗方法，配成蛋白濃度1%（V/V）的溶液，取15mL蛋白溶液與5mL大豆油混合，放入玻璃大試管中。在高速乳化均質(zhì)機下以13 500r/min的速度乳化2min，將乳化液迅速倒入25mL小燒杯中，立即開始取樣。取樣點固定在離燒杯底部0.5cm處，取20μL的蛋白乳狀液與5mL 0.1%的SDS溶液均勻混合，在500nm處測定其吸光值，記為A0，乳狀液靜置30min后采用相同的方法測定乳狀液吸光值，記為A30，用0.1%的SDS做空白對照。

乳化性：

（2）

乳化穩(wěn)定性：

（3）

式中：T=2.303;N為稀釋倍數(shù)250;C為乳化液形成前蛋白質(zhì)水溶液中蛋白質(zhì)濃度，g/mL;Φ為乳化液中的油的體積分數(shù)（0.25）。

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測定

取一定量蕓豆蛋白凍干樣品研磨成粉，40℃下真空干燥24h后，稱取1mg，與100mg溴化鉀研磨混勻壓片后進行紅外光譜測定。測定條件為：測定波數(shù)范圍為400～4 000cm-1的吸收光譜，分辨率2cm-1，波數(shù)度0.01cm-1，掃描次數(shù)128次，環(huán)境溫度為室溫。在數(shù)據(jù)采集期間，持續(xù)用干燥的N2吹洗測量室[8]。

1.3.5 熒光光譜測定

尹壽偉[9]的方法略有改動。采用RF-5301 PC熒光分光光度計測定蕓豆蛋白的內(nèi)源性熒光光譜。將蛋白樣品溶于PBS（0.01mol/L pH=7.6）中，配成濃度為0.1mg/mL的蛋白溶液，測定條件為激發(fā)光譜290nm，發(fā)射波長300～450nm，夾縫寬均為5.0nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶解性

如圖1所示，隨著射流空化處理時間的延長，2%蕓豆蛋白的溶解度呈先升高后下降的趨勢，處理時間在6min時，蕓豆蛋白的溶解度最大。溶解度提高的原因可能是射流空化產(chǎn)生的空化效應(yīng)破壞了蕓豆蛋白的非共價作用，如氫鍵和疏水相互作用，導(dǎo)致其與水分子結(jié)合能力增強，溶解度提高[10]。但隨著處理時間的延長，溶解度下降，這可能是由于射流空化無法將球蛋白亞基繼續(xù)打碎，腔體內(nèi)長時間強烈的剪切、撞擊與空穴作用增加了亞基的接觸，從而發(fā)生聚集，溶解度下降[11]。

2.2 乳化特性

如圖2所示，隨著射流空化處理時間的延長，2%蕓豆蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，乳化性在6min達到最大，乳化穩(wěn)定性8min達到最大。蛋白質(zhì)的乳化性和乳化穩(wěn)定性與蛋白質(zhì)表面電荷，表面疏水性和分子柔韌性有關(guān)，射流空化處理會改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進而影響蛋白質(zhì)的乳化特性[12]。

2.3 傅里葉變換紅外光譜

如表1所示，隨著處理時間的延長，α-螺旋與β-折疊呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，β-轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，無規(guī)則卷曲含量變化不明顯。二級結(jié)構(gòu)含量的變化可能是由于在射流空化處理下，蛋白質(zhì)分子的內(nèi)聚力被破壞，蕓豆蛋白的結(jié)構(gòu)逐漸展開，無序結(jié)構(gòu)增加，從有序的結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邮杷傻臓顟B(tài)，使蛋白發(fā)生解聚行為，導(dǎo)致氨基酸殘基從蕓豆蛋白被掩埋的疏水核中暴露出來[13-14]，這表明射流空化技術(shù)可改變蕓豆蛋白的二級結(jié)構(gòu)，進而調(diào)控其功能特性。

2.4 熒光光譜

如圖3所示，隨著處理時間的增長，2%蕓豆蛋白的最大吸收峰位先紅移后藍移。熒光取決于色氨酸（Trp）/酪氨酸（Tyr）殘基或Trp/Tyr特定相互作用的環(huán)境的極性，處理時間為6min之前，λmax向長波方向移動，說明色氨酸殘基更多暴露在蛋白質(zhì)分子表面，這可能是由于空化效應(yīng)導(dǎo)致球蛋白內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸展開，與前面紅外光譜的測定結(jié)果一致;6min之后，λmax向短波方向移動，原因可能是隨著蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的繼續(xù)展開，蛋白質(zhì)分子間由于氫鍵、疏水相互作用、共價鍵等作用而開始聚集成更大粒子，導(dǎo)致部分色氨酸被掩埋。

3 結(jié) 論

以蕓豆蛋白為研究對象，探究射流空化不同處理時間對蕓豆蛋白結(jié)構(gòu)與功能特性的影響。結(jié)果表明：射流空化能夠明顯改善蕓豆蛋白的溶解度與乳化特性;會導(dǎo)致蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化;蕓豆蛋白的熒光最大吸收波長呈現(xiàn)先紅移后藍移的趨勢，熒光強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。研究表明，射流空化技術(shù)可改善蕓豆蛋白的功能特性，且蛋白結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，為射流空化在蕓豆蛋白改性方面的研究提供了參考。

參考文獻

[1] Duranti M，Lovati M R，Dani V，et al.The α′subunit from soybean 7S globulin lowers plasma lipids and upregulates liver β-VLDL receptors in rats fed a hypercholesterolemic diet[J].The Journal of nutrition，2004，134（6）：1334-1339.

[2] 懷寶東，張東杰，錢麗麗，等.大豆分離蛋白改性技術(shù)的研究與發(fā)展趨勢[J].中國釀造，2014，33（6）：13-16.

[3] 陳理.空化射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)， 2017.

[4] 李楊，解長遠，滕飛，等.射流空化對大豆11S球蛋白結(jié)構(gòu)和功能特性的影響[J/OL].食品科學(xué)：1-13[2020-02-10].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20191015.0948.024.html.

[5] Ijiri M，Shimonishi D，Nakagawa D，et al.New water jet cavitation technology to increase number and size of cavitation bubbles and its effect on pure Al surface[J].International Journal of Lightweight Materials and Manufacture，2018，1（1）：12-20.

[6] 巨倩.不同比例大豆7S、11S球蛋白水分散體系性質(zhì)的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2019.

[7] Molina E，Papadopoulou A，Ledward D A.Emulsifying properties of high pressure treated soy protein isolate and 7S and 11S globulins[J].Food Hydrocolloids，2001，15（3）：263-269.

[8] 王曄，耿其秀，秦亞男，等.測定含甘油牛血清白蛋白樣品Lowry法的優(yōu)化及驗證[J].中國生物制品學(xué)雜志，2019，32（4）：449-453.

[9] 尹壽偉.蕓豆蛋白的物化修飾及相關(guān)構(gòu)效機理研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[10] Hu H，Li-Chan E C Y，Wan L，et al.The effect of high intensity ultrasonic pre-treatment on the properties of soybean protein isolate gel induced by calcium sulfate[J].Food Hydrocolloids，2013，32（2）：303-37.

[11] 畢爽，齊寶坤，隋曉楠，等.超聲處理對黑豆蛋白結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響[J].中國食品學(xué)報，2016，16（6）：153-160.

[12] Zhang Q T，Tu Z C，Xiao H，et al.Influence of ultrasonic treatment on the structure and emulsifying properties of peanut protein isolate[J].Food and Bioproducts Processing，2014，92（1）：30-37.

[13] 莫春麗.傅立葉變換紅外光譜對再生絲蛋白二級結(jié)構(gòu)的表征[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.

[14] Li S，Yang X，Zhang Y，et al.Effects of ultrasound and ultrasound assisted alkaline pretreatments on the enzymolysis and structural characteristics of rice protein[J].Ultrasonics sonochemistry，2016（31）：20-28.

Effect of Jet Cavitation on Kidney Bean Protein

Wang Xin，Guo Yanan，Cao Ming，Bai Yin，Guo Zengwang，Wang Zhongjiang

（Food Science College， Northeast Agricultural University，Harbin，Heilongjiang 150030）

Abstract：Taking kidney bean protein as the research object， the effects of different jet cavitation time （0，2，4，6，8，10，15，20 min） on the structure and functional properties of kidney bean protein were studied， and the relationship between structure and functional properties was analyzed. The results showed that the solubility and emulsification of kidney bean protein increased first and then decreased with the increase of jet cavitation time; the α - helix decreased first and then increased， the β - fold decreased first and then increased， the β - angle increased first and then decreased， and the content of irregular curl did not change significantly; the results of fluorescence spectrum showed that the maximum absorption of fluorescence was observed The receiving wavelength shows a trend of first red shift and then blue shift. The results show that jet cavitation can improve the functional properties of kidney bean protein and provide a new reference for protein modification.

Key Words：kidney bean protein，cavitation jet，structure properties，functional properties

收稿日期：2019-12-25

基金項目：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)SIPT項目資助（201910224099）。

作者簡介：王馨，女，本科，研究方向為食品科學(xué)與工程。

通信作者：王中江，男，博士，講師，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。