劉妍兵 陶 陽 苗 雪 刁靜靜 張東杰,2 陳洪生 王長遠
(黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院1,大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學國家雜糧工程技術(shù)研究中心2,大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心3,大慶 163319)
蕓豆(PhaseolusvulgarisL)屬蝶形花科菜豆,是我國主要雜糧作物之一,據(jù)國際糧農(nóng)組織統(tǒng)計,蕓豆是世界上栽培面積第二大的豆類農(nóng)作物,僅次于黃豆[1]。蕓豆含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、礦物質(zhì)以及人體所需的必需氨基酸[2],其中淀粉質(zhì)量分數(shù)為40%~60%、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)20%~30%、粗脂肪質(zhì)量分數(shù)為1%~3%、多酚含量是綠豆種子的4.5倍,B、C族維生素質(zhì)量分數(shù)豐富,也是鎂、鉀、鈉等元素的良好來源[3]。目前,大多數(shù)研究集中于蕓豆淀粉的制取、速食蕓豆以及鮮食蕓豆產(chǎn)品等制品的開發(fā),這些都源于蕓豆具有較好的營養(yǎng)功效。
蛋白質(zhì)和多酚是蕓豆的重要組成成分,蕓豆蛋白具有良好的加工特性及一定的藥用價值,是一種新型的植物蛋白資源[4]。蕓豆多酚是蕓豆的次生代謝產(chǎn)物之一,分子中一般具有苯環(huán)、一個或多個鄰位酚羥基和對位酚羥基。充足的多酚攝入可以使機體免受自由基的損害,避免細胞氧化損傷[5],與蕓豆的抗氧化性、降血脂等功效有關(guān)。有研究表明,多酚類物質(zhì)可以與活潑的金屬離子進行絡(luò)合反應(yīng),也可以使蛋白質(zhì)變性甚至失活,還可以與多糖等物質(zhì)反應(yīng),使其性質(zhì)發(fā)生改變[6],從而彌補單一物質(zhì)的不足與缺陷[7]。且多酚有可能通過非共價鍵或共價鍵結(jié)合蛋白質(zhì)并與蛋白質(zhì)形成可溶性或不可溶復(fù)合物,從而發(fā)揮抗氧化、降血脂、抗菌等功效[8]。即蛋白質(zhì)經(jīng)多酚修飾后會發(fā)生構(gòu)象的變化從而改變其活性。謝鳳英等[9]研究發(fā)現(xiàn),在加熱條件下多酚可以通過氫鍵、疏水相互作用與蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈形成復(fù)合物,致使復(fù)合物中多酚的功能性質(zhì)發(fā)生改變,從而獲得更好的生物活性。蕓豆具有提高人體免疫力、促進新陳代謝等多種功能,這些功能均與其富含的功能成分有關(guān),其中蕓豆蛋白、蕓豆多酚有很好的營養(yǎng)價值,但這些成分在熱處理過程中均會受到不同程度的影響,從而改變其理化特性、結(jié)構(gòu)特性以及功能活性,但目前對于蕓豆加工過程中蛋白與多酚功能活性變化規(guī)律的研究還不甚清楚。因此,本研究探討了蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物在熱處理過程的功能活性及結(jié)構(gòu)的變化,以期為蕓豆的精深加工提供理論參考。
英國紅蕓豆、大豆色拉油;2 ,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、凱氏定氮催化劑、十二烷基硫酸鈉(SDS)均為分析純;蘆丁標準品為色譜級。
FD-1B-80凍干機,A25-digital實驗室高剪切乳化機,NP-40L懸臂式電動攪拌器,SKD-2000全自動凱氏定氮儀,BIO-Rad Mini-Protean電泳儀。
1.3.1 蕓豆蛋白的制備
參照馬文鵬等[10]的方法。首先將英國紅蕓豆清洗,于40 ℃烘箱中烘干,采用高速粉碎機粉碎后過80目篩,獲得的紅蕓豆粉末與正己烷1∶3(g/mL)混合后脫脂24 h,脫脂后于通風櫥干燥,干燥后的紅蕓豆粉與去離子水1∶10(g/mL)混合并用2 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH至9.5,于室溫下攪拌2 h后,以4 500 r/min離心條件下離心20 min,棄沉淀,留取上清液,采用2 mol/L的HCl溶液調(diào)pH至4.5,室溫下攪拌2 h后4 500 r/min離心20 min,棄上清液,留沉淀,以適量去離子水溶解后調(diào)pH至7.0,獲得蕓豆蛋白溶液,凍干備用(蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)86.77%)。
1.3.2 蕓豆多酚制備
參照陳純琦[11]方法。將蕓豆粉末過80目篩,稱取2 g篩下物樣品于超聲-微波瓶中,加入體積分數(shù)為60%的乙醇溶液(料液比1∶30)進行超聲波-微波協(xié)同處理,處理條件:功率為500 W,處理時間2.5 min,溫度55 ℃,將超聲-微波處理后的樣品于3 000 r/min離心處理,取上清液抽濾棄去多余殘渣,將樣品溶液于50 ℃條件下旋蒸,所得溶液凍干處理,獲得蕓豆多酚,于干燥避光條件下保存。
1.3.3 蕓豆蛋白-多酚相互作用
準確稱量蕓豆蛋白樣品2 g與0.1 g多酚(蛋白、多酚按照蕓豆籽粒中比例),加入400 mL蒸餾水溶解,分別于室溫(25 ℃)、熟制加工溫度(70、80、90、100 ℃)條件下水浴攪拌15 min,反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫,凍干處理,獲得不同溫度條件下的蛋白-多酚復(fù)合物,凍干備用。
1.3.4 DPPH自由基的測定
按照韋芳媚等[12]的方法稍作修改,準確稱取3.5 mg DPPH試劑于10 mL容量瓶中,無水乙醇定容溶解,再取DPPH溶液2 mL于100 mL容量瓶中定容,獲得DPPH實驗溶液。準確稱量蛋白-多酚復(fù)合物5.2 mg,無水乙醇定容至100 mL容量瓶中,搖勻獲得樣品溶液。于10 mL比色管中加入4 mL DPPH實驗溶液和4 mL樣品溶液,加入無水乙醇定容至刻度線,混合均勻于1 cm3比色皿中,517 nm波長下測定吸光值(A1),再于室溫避光條件下保存30 min,測定吸光值記為A2,以DPPH乙醇溶液為空白對照,測定吸光值(A3),重復(fù)3次實驗,取平均值。由公式計算DPPH自由基清除率。
(1)
式中:A1為加樣品后DPPH溶液的吸光度;A2為樣品的吸光度;A3為未加樣品時DPPH溶液的吸光度。
1.3.5 ABTS自由基測定
參考林戀竹等[13]的方法并稍作修改,將樣品配制成濃度為40 μL/mL的溶液,對ABTS自由基的清除能力進行測定。用PBS稀釋已配好的ABTS自由基存儲液,作為工作液。各處理組分別取100 μL樣品加入96孔酶標板,再加入100 μL的ABTS自由基工作液混勻,黑暗中靜置50 min,于734 nm處測定吸光度,以ABTS自由基存儲液為空白對照,重復(fù)3次實驗,取平均值。由式(2)計算不同處理組的ABTS自由基清除率。
(2)
式中:A0為不加樣品時的吸光度;Ai為加入各處理組樣品后的吸光度。
1.3.6 溶解性的測定
參照胡娜等[14]的方法,稍作修改,表示方法為氮溶指數(shù)(NSI)。五種溫度處理下互作的蕓豆蛋白質(zhì)-多酚樣品各取2 g放于100 mL的燒杯中,加入雙蒸水混合并充分攪拌,0.05 mol/L的HCl溶液及0.05 mol/L的NaOH溶液將pH調(diào)節(jié)至7.0,隨后于100 mL的容量瓶定容,在室溫下條件下磁力攪拌20 min,在10 000 r/min條件下離心20 min,取上層清液5 mL,用凱氏定氮儀測定上層清液中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。3次平行實驗取平均值。
(3)
1.3.7 乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定
參照Pearce等[15]的方法,并作出適當修改。五種溫度處理下得到的互作的蕓豆蛋白-多酚樣品分別配制成質(zhì)量濃度為1 g/L的樣品溶液,各取24 mL,用0.1 mol/L的HCl溶液或0.1 mol/L的NaOH溶液分別調(diào)pH至3.0、5.0、7.0、9.0,再分別加入大豆色拉油8 mL,用剪切乳化儀10 000 r/min處理后立即在容器底部快速取樣100 μL,再用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的SDS溶液稀釋該溶液至100倍,混合搖勻后于500 nm處測定吸光值,空白試樣為SDS標準溶液,放置10 min后于室溫條件下再取樣品測定乳化穩(wěn)定性(ESI),3次實驗取平均值。
乳化活性(EAI)和乳化穩(wěn)定性(ESI)按公式計算:
(4)
(5)
式中:C為樣品質(zhì)量濃度/g/mL;Φ為乳化液中油相比例,Φ=0.25;L為比色杯光徑;N為稀釋倍數(shù);A0為乳化液的吸光值;A10為10 min后的吸光值。
1.3.8 起泡性和泡沫穩(wěn)定性的測定
參考Wang等[16]方法并稍作修改,分別取40 mL,配制質(zhì)量濃度為20 g/L的蛋白溶液,用0.1 mol/L的HCl溶液和0.1 mol/L的NaOH溶液分別調(diào)pH至3.0、5.0、7.0、9.0,置于高速攪拌器中,轉(zhuǎn)速為10 000 r/min條件下攪打3 min,測量攪打停止時泡沫及液體總體積為V0以及攪打30 min后的泡沫及液體總體積V1,起泡性和穩(wěn)定性計算公式為:
(6)
(7)
1.3.9 外光譜的測定
取凍干后的蛋白-多酚復(fù)合物粉末于40 ℃真空條件下干燥24 h,準確稱取100 mg溴化鉀和1 mg樣品混合研磨壓片,采用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(FTIR)測定其譜圖,測定條件:吸收光譜為400~4 000 cm-1,波數(shù)度為0.01 cm-1,分辨率為2 cm-1掃描128次。
1.3.10 電泳的測定
參考張舒等[17]的實驗方法并稍作修改。準確稱取100 mg凍干的樣品粉末溶解于500 μL濃度為0.5 mol/L氯化鈉-磷酸緩沖液中,在渦旋緩沖器中振蕩2~3 h,隨后10 000 r/min離心5 min,棄去上清液,重復(fù)離心3次。加入500 μL試樣提取液,室溫下振蕩溶解2 h,15 000 r/min離心5 min,冷藏條件保存上清液。取上清液200 μL沸水浴3 min。樣品上樣量10 μL,濃縮膠質(zhì)量分數(shù)5%,分離膠質(zhì)量分數(shù)12%。SDS-PAGE具體操作條件,樣品在濃縮膠階段采用80 V電壓,分離膠階段調(diào)整至120 V,直至到達分離膠底部停止電泳。浸泡在染色液中染色4 h,隨后脫色液脫色。洗脫完成,凝膠成像系統(tǒng)拍照,結(jié)果采用labworks 4.5軟件分析。
所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)實驗平均值,采用Statistix 8對數(shù)據(jù)進行分析,平均值之間顯著性差異(P<0.05)通過Turkey HSD進行多重比較分析。并采用SigmaPlot 13.0和Excel 6.0作圖。
如圖1所示25 ℃處理組的DPPH自由基、ABTS自由基清除率最高,此時因處理溫度低,多酚和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化,多酚自身的活性沒有發(fā)生變化,因此自由基清除率最高。隨著處理溫度的升高,自由基清除率隨之降低,這可能是由于蕓豆蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)舒展,結(jié)合位點暴露與多酚形成復(fù)合物,從而導(dǎo)致抗氧化性降低。李恩慧[18]通過分析牛血清蛋白結(jié)合藍莓花色苷復(fù)合物清除自由基的能力發(fā)現(xiàn)兩者的相互作用對多酚類物質(zhì)的抗氧化性有抑制作用,與本文研究結(jié)果一致。當處理溫度為80 ℃或90 ℃時,自由基清除能力相對穩(wěn)定且處于較高水平,可能是由于蕓豆中含有豐富的兒茶素、沒食子酸等多酚類物質(zhì),這些物質(zhì)B環(huán)和D環(huán)上的羥基結(jié)構(gòu)使其具有較強的抗氧化活性。在加工過程中,這些物質(zhì)受到溫度的影響,會發(fā)生自氧化反應(yīng)或者與蛋白質(zhì)以共價鍵的形式連接起來,從而使其抗氧化性降低[19,20]。表沒食子兒茶素沒食子酸酯等物質(zhì)在高溫下會異構(gòu)為沒食子兒茶素沒食子酸酯。Wang等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)兒茶素等多酚類物質(zhì)在98 ℃的高溫下可發(fā)生異構(gòu)化和自動氧化。另外,本研究熱處理條件均在70 ℃以上,前期課題組的研究已發(fā)現(xiàn)蕓豆蛋白的熱變性溫度為80 ℃,而研究發(fā)現(xiàn)沒食子酸等物質(zhì)容易與變性蛋白結(jié)合,所以在不同熱處理溫度下,蕓豆蛋白與多酚形成了不同的復(fù)合物,因此蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的抗氧化能力發(fā)生不同程度的改變。綜上所述,為獲得具有較強DPPH自由基、ABTS自由基清除能力的蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物處理溫度應(yīng)選為80 ℃或90 ℃。這與Li等[22]得到的處理溫度相接近。
圖1 不同處理溫度處理對DPPH自由基、 ABTS自由基清除率的影響
由圖2可見,不同處理溫度下各個樣品組的溶解性不同,與25 ℃處理組相比,高溫處理組溶解性顯著升高,這是由于溫度的升高會促使蛋白結(jié)構(gòu)舒展、疏水基團暴露,更易與水分子相互作用使其具有良好的溶解性[23,24],而溫度的持續(xù)升高蛋白質(zhì)空間構(gòu)象發(fā)生改變,分子聚集從而影響樣品的溶解性[25]。當?shù)鞍踪|(zhì)與多酚類化合物發(fā)生反應(yīng)后可能會引起蛋白質(zhì)交聯(lián),這種相互作用改變了蛋白質(zhì)分子的凈電荷,從而影響了其溶解性。Bourvellec等[26]的研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)與多酚相互作用后會引起其溶解性改變,這與本研究結(jié)果一致。綜上所述,處理溫度為80 ℃時蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物具有較高的溶解性。
注:不同字母代表在P<0.05水平上具有顯著性差異。下同。圖2 不同處理溫度對蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物溶解性的影響
由圖3可知,隨著溫度的升高,復(fù)合物的乳化性及其穩(wěn)定性均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在80 ℃時,復(fù)合物的乳化性和乳化穩(wěn)定性與對照組相比差異顯著(P<0.05),這可能是因為在此加熱溫度下,蕓豆蛋白與多酚形成復(fù)合物增加了表面疏水性,且復(fù)合物具有更好的乳化穩(wěn)定性,也可能是因為復(fù)合物包埋的液滴之間具有更強的斥力。這一研究結(jié)果與Wei等[27]的研究結(jié)果一致。當溫度高于80 ℃時,熱運動更加劇烈,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞,甚至蛋白因此嚴重變性,溶解度和疏水性發(fā)生變化,絮凝和聚集加劇,乳化活性及穩(wěn)定性下降。在pH 7.0和pH 9.0時,各個處理組的乳化性及其穩(wěn)定性與酸性pH條件下差異顯著(P<0.05),這可能是在低pH條件下蛋白質(zhì)有很多結(jié)合位點,蛋白質(zhì)和多酚的結(jié)合程度較大,且多是以非共價結(jié)合的形式為主,因此蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化較大,所以乳化性較低。Wang等[28]將α-乳清蛋白與酚類物質(zhì)復(fù)合,發(fā)現(xiàn)pH>7時,多酚容易被氧化形成自由基或者醌類物質(zhì),然后再以較穩(wěn)定的共價形式與蛋白質(zhì)結(jié)合[29]。而Prigent等[30]的研究則證實,高溫環(huán)境下的酚易被氧化成醌類物質(zhì),從而在于蛋白結(jié)合過程中產(chǎn)生共價鍵。綜合溫度和pH對蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的乳化性及其穩(wěn)定性的影響來看,溫度對乳化性及其穩(wěn)定性的影響較大,其中在堿性條件下,80 ℃或90 ℃條件下形成的復(fù)合物具有較強的乳化性及其穩(wěn)定性更好。
圖3 不同處理溫度對蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物 乳化性及其穩(wěn)定性的影響
如圖4所示,隨著處理溫度的升高,起泡性能出現(xiàn)先增加后減少的趨勢,80 ℃蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的起泡性及其泡沫穩(wěn)定性與其他處理組相比較為顯著(P<0.05),當溫度繼續(xù)升高,復(fù)合物的起泡性能下降。這是由于適當?shù)母邷靥幚硎沟玫鞍踪|(zhì)分子舒展,溶解度增加,界面處流變性質(zhì)得到改善,相互作用增強[31]。另外pH對蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的起泡性能影響也較為顯著,總體來看在同一高溫處理條件下,pH對復(fù)合物起泡性能影響不很顯著,在25 ℃條件下,復(fù)合物的起泡性能受pH影響較顯著(P<0.05)。另外在pH 3.0,70 ℃時泡沫穩(wěn)定性遠強于同溫度下其他pH條件下的結(jié)果,這是由于此時pH接近等電點,存在較多的不溶解蛋白質(zhì)顆粒使得表面黏度較強,間接增強了復(fù)合物的泡沫穩(wěn)定性[32]。所以在溫度為80 ℃時,蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物起泡性及其泡沫穩(wěn)定性較好。
圖4 不同處理溫度對不同pH的蛋白-多酚體系 起泡性及泡沫穩(wěn)定性的影響
FTIR光譜分析結(jié)果表明25 ℃時蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物表現(xiàn)出的主要峰值為3 417 cm-1(酰胺A帶,代表N—H伸縮和氫鍵),2 927 cm-1(CH2不對稱伸縮振動),1 640 cm-1(酰胺Ⅰ帶,代表C—O伸縮/氫鍵和COO-)、1 402 cm-1(代表含苯環(huán)的黃酮類、生物堿類物質(zhì)的主要基團,或者C—H彎曲和C—O伸縮)、1 240 cm-1(酰胺Ⅲ帶)[33]。在熱處理后,蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的峰值與對照組相比發(fā)生了一定的變化,如形成的復(fù)合物在2 927 cm-1的峰值藍移了約4 nm,說明蛋白質(zhì)的—NH2參與了反應(yīng)。另外,經(jīng)過高溫處理后蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物在3 292 cm-1處含有特征峰,且與李會梅[34]研究相比,蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的峰值發(fā)生了7~8 nm的紅移,說明酚羥基參與了多酚與蛋白質(zhì)之間的反應(yīng)。蛋白質(zhì)的紅外光譜變化多伴隨著二級結(jié)構(gòu)的變化,尤其是酰胺I帶(1 600~1 700 cm-1)肽主鏈的變化,其特征吸收峰發(fā)生了不同程度的藍移,表明蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變[35],同時高溫處理后在1 452、1 543 cm-1處出現(xiàn)了顯著的吸收峰,其中1 452 cm-1處峰值代表CH2的變形振動或者復(fù)合物中含有黃酮及生物堿類等成分;1 543 cm-1處的吸收峰代表酰胺Ⅱ帶,這說明高溫處理后復(fù)合物中含有多酚類物質(zhì),并且蛋白質(zhì)與多酚之間發(fā)生了共價反應(yīng)。在溫度達到80 ℃時,形成的復(fù)合物二級結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定,圖譜變化趨勢不明顯。以上結(jié)果表明在高溫條件下,蕓豆蛋白-多酚可能發(fā)生了共價反應(yīng),因而結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。
如圖5所示,在25 ℃下復(fù)合物還具有蛋白原有的亞基,在熱處理后,6條亞基發(fā)生不同的變化,條帶向上發(fā)生遷移[36],其中在43、52、66 ku的亞基在熱處理后發(fā)生明顯的聚集,這是由于SDS、β-巰基乙醇的加入破壞了非共價鍵[37],保留了共價鍵,使得電泳條帶上移。這與Kroll等[38]研究報道蛋白質(zhì)電泳條帶的上移可證明蛋白質(zhì)與植物多酚形成共價鍵相吻合。隨著處理溫度的升高,泳道頂部出現(xiàn)了明顯的聚集現(xiàn)象,Cao等[39]、Feng等[40]的研究同樣發(fā)現(xiàn),復(fù)合物在泳道頂部出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,并推測由于酚類物質(zhì)的加入與蛋白形成共價鍵,影響了二硫鍵的形成,認為酚類可以與蛋白親核基團發(fā)生共價結(jié)合。而溫度達到100 ℃時,此條亞基條帶顏色變淺,說明在此溫度下蛋白質(zhì)與多酚并沒有發(fā)生顯著的結(jié)合或者形成的復(fù)合物比率較低,推測在此溫度下蛋白質(zhì)的分子量發(fā)生了顯著變化。結(jié)合功能性研究也可以發(fā)現(xiàn),此時復(fù)合物的抗氧化活性和理化特性也發(fā)生了顯著的變化,且與其他處理組相比,顯著降低。
注:1為mark組;2為25 ℃時蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物;3為70 ℃時蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物;4為80 ℃時蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物;5為90 ℃時蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物;6為蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物。圖5 不同處理溫度下蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的電泳分析
考察不同加工溫度下蕓豆蛋白與多酚的相互作用,結(jié)果表明隨著溫度的升高,抗氧化活性降低,當溫度升高到一定程度時,蕓豆多酚與蛋白結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞,從而使抗氧化活性迅速降低,通過理化功能實驗發(fā)現(xiàn)熱處理溫度顯著改變了蕓豆蛋白-多酚復(fù)合物的溶解性、乳化性能和起泡性能,結(jié)合抗氧化實驗和理化功能實驗結(jié)果得出80 ℃時,形成的復(fù)合物DPPH清除率、ABTS自由基清除率分別達到41.37%、44.55%,溶解性達到77.4%,堿性環(huán)境下乳化性能也較對照組增加了26.95%,起泡性能也發(fā)生了同樣的變化趨勢。結(jié)合紅外光譜與電泳結(jié)果推測蕓豆蛋白與多酚在熱處理過程中可能形成共價鍵,從而改變了復(fù)合物的活性。