陳曦,汪娟,孫為正
(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州,510641)
亞油酸氧化誘導(dǎo)大豆分離蛋白氧化對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響
陳曦,汪娟,孫為正*
(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州,510641)
利用脂肪氧合酶催化不同底物濃度亞油酸氧化大豆分離蛋白,通過測(cè)定氧化后大豆分離蛋白的羰基值、巰基、表面疏水性、內(nèi)源熒光以及凝膠電泳等指標(biāo),對(duì)氧化修飾后大豆分離蛋白的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并通過分析氧化后大豆分離蛋白在不同溶劑中溶解性能表征其分子間相互作用力。結(jié)果表明,隨體系中亞油酸濃度的增加,大豆分離蛋白羰基含量增加56.3%,總巰基和游離巰基含量降低,表面疏水性呈先增大后減小趨勢(shì),內(nèi)源熒光強(qiáng)度降低,發(fā)生先紅移后藍(lán)移現(xiàn)象,大豆分離蛋白粒徑先減小后增大,主要分布于5~40 nm之間,蛋白質(zhì)氧化過程發(fā)生去折疊和重聚集,蛋白質(zhì)交聯(lián)中存在非二硫鍵共價(jià)鍵生成。
蛋白質(zhì)氧化;大豆分離蛋白;分子結(jié)構(gòu);亞油酸氧化
大豆分離蛋白(SPI)是重要的植物蛋白質(zhì)之一,富含多種氨基酸,其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可與優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物性蛋白質(zhì)相媲美[1]。大豆分離蛋白被廣泛應(yīng)用于脂質(zhì)豐富的食品中,是大豆制品的主要成分之一,能夠有效提高該類食品的質(zhì)量品質(zhì)。在酶促和非酶促條件下不飽和脂肪酸容易發(fā)生氧化,脂質(zhì)過氧化反應(yīng)產(chǎn)生自由基以及過氧化物,可與食品中蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng),引起蛋白質(zhì)的氧化[2]。大豆中富含脂肪氧合酶(EC1.13.11.12,Lipoxygenase,LOX),可直接作用于含1,4-順,順-戊二烯結(jié)構(gòu)的多不飽和脂肪酸;亞油酸(順,順-9,12-十八(碳)二烯酸)是大豆中主要的多不飽和脂肪酸之一。亞油酸在脂肪氧合酶的催化下可產(chǎn)生大量活性氧自由基和具活性的次生氧化產(chǎn)物,從而引起大豆蛋白氧化[3]。食品工業(yè)中大豆經(jīng)低溫脫脂后仍然會(huì)有脂質(zhì)殘留,且脂肪氧合酶未完全失活,脂肪氧合酶可造成殘留脂質(zhì)氧化,從而對(duì)大豆蛋白相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[1]。
針對(duì)大豆分離蛋白的氧化,陳楠楠等研究了烷過氧自由基(ROO·)和丙二醛對(duì)大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)的影響[3-4]。吳偉等也分別研究了烷過氧自由基、丙二醛和丙烯醛對(duì)大豆分離蛋白的影響[5-7]。結(jié)果表明,大豆分離蛋白經(jīng)過氧化后結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,并且伴隨蛋白質(zhì)聚集體或蛋白質(zhì)共價(jià)交聯(lián)物的產(chǎn)生。不飽和脂肪酸的過氧化反應(yīng)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程,通??僧a(chǎn)生多種具有誘導(dǎo)蛋白質(zhì)氧化的活性氧自由基等,脂肪氧合酶催化氧化亞油酸可產(chǎn)生相對(duì)復(fù)雜的活性氧自由基體系。黃友如等對(duì)脂肪氧合酶誘導(dǎo)亞油酸對(duì)大豆分離蛋白氧化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,氧化可誘導(dǎo)大豆分離蛋白發(fā)生聚集[1,8-10]。由于體系復(fù)雜,其氧化分子機(jī)制仍不清晰。本文以脂肪氧合酶催化氧化多不飽和脂肪酸亞油酸模擬氧化大豆分離蛋白,表征氧化后大豆分離蛋白的結(jié)構(gòu),探究油脂氧化對(duì)大豆分離蛋白氧化的影響機(jī)制。
1.1材料與試劑
低溫脫脂大豆粕,山東;亞油酸,Aladdin;脂肪氧合酶,Sigma;其他化學(xué)試劑均為分析純。
pHS-25數(shù)顯pH計(jì),瑞士梅特勒-托利多公司;CS150NX超速離心機(jī),日本HITACI公司;SP-721可見分光光度計(jì),上海精密儀器儀表有限公司;F-7000熒光分光光度計(jì),日本日立公司;Nano ZS納米粒度分布儀,英國(guó)Malvern公司。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 大豆分離蛋白的制備
參考CHEN等[3]的方法并略加改進(jìn),將低溫脫脂豆粕粉碎后與去離子水按1∶15(g∶mL)混合后,使用2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.5。浸提2 h后在4 ℃、8 000 g下離心20 min,取上清液用2 mol/L HCl調(diào)pH值至4.5。靜置后在4 ℃、8 000 g下離心10 min,所得沉淀進(jìn)行復(fù)溶,使用2 mol/L NaOH調(diào)pH值至7.0,然后在4 ℃下透析72 h,經(jīng)冷凍干燥后即得大豆分離蛋白。
1.2.2 氧化大豆分離蛋白的制備
底物亞油酸(LA)溶液配制:取1.5 g亞油酸于燒杯中,依次加入1 mL 5 mmol/L NaOH溶液,10 mL 0.2 mol/L的硼酸緩沖液(pH 9.0)和2滴Tween 20,搖勻后使用0.2 mol/L的硼酸緩沖液(pH 9.0)進(jìn)行定容(50 mL),LA最終濃度為0.107 mol/L。
配制5%的SPI溶液,用2 mol/L NaOH調(diào)pH值至9.0。分別稱100 g溶液置于5組編號(hào)為1~5的錐形瓶中,每組加酶液10 mL,并分別加入0、3、5、7、9 mL底物亞油酸溶液,振蕩混勻,在25 ℃搖床中培養(yǎng)6 h后取出,迅速冷卻至0 ℃,用2 mol/L HCl調(diào)pH值至4.5,在4 ℃、5 000 g下離心30 min,取出沉淀物,按沉淀物∶乙醇∶正己烷=1 g∶4 mL∶2 mL的比例浸提約30 min,抽濾,將濾餅醇洗,并90 ℃滅酶約30 min。最后復(fù)溶,經(jīng)冷凍干燥得到氧化大豆分離蛋白SPI-1至SPI-5。
1.2.3 大豆蛋白羰基含量的測(cè)定
參考WU等[6]的方法(2,4-二硝基苯肼比色法)測(cè)定大豆分離蛋白經(jīng)氧化后的羰基含量,消光系數(shù)為22 000 mol/(L·cm),計(jì)算每毫克大豆分離蛋白羰基含量。
1.2.4 大豆蛋白巰基的測(cè)定
參考WU等[6]的測(cè)定方法。取3 mL的蛋白質(zhì)溶液(4 mg/mL),加入3 mL 0.1 mol/L、pH 8.0含有1 mmol/L乙二胺四乙酸和1%十二烷基硫酸鈉的磷酸鹽緩沖液,室溫下磁力攪拌2 h后8 000 g離心20 min。取上清液測(cè)定總巰基和游離巰基的含量。
1.2.5 大豆蛋白表面疏水性的測(cè)定
采用ANS熒光探針法[11],用0.01mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)稀釋至蛋白濃度為0.005~0.5 mg/mL不等;熒光分光光度計(jì)激發(fā)波長(zhǎng)365 nm、發(fā)射波長(zhǎng)484 nm(狹縫均為5 nm)。
1.2.6 大豆蛋白內(nèi)源熒光的測(cè)定
參考CHEN等[4]的測(cè)定方法,將大豆蛋白分散于0.01 mol/L pH 7.0的磷酸鹽緩沖液中,磁力攪拌2 h后在 4 ℃、10 000 g下離心30 min,采用雙縮脲法測(cè)定上清液中蛋白濃度,通過稀釋使得上清液中蛋白質(zhì)濃度達(dá)到0.1 mg/mL。采用熒光分光光度計(jì)在激發(fā)波長(zhǎng)295 nm條件下得到300~400 nm之間的發(fā)射光譜,以pH 7.0、0.01 mol/L的磷酸鹽緩沖液為空白。
1.2.7 粒徑
將SPI-1~5溶解于0.01 mol/L pH 7.0的磷酸鹽緩沖液中,稀釋到適當(dāng)濃度(2 mg/mL),用納米粒度分析儀測(cè)定氧化后大豆分離蛋白的粒徑分布。
1.2.8 溶解度
參考CHEN等[3]的測(cè)定方法,將SPI-1~5分別分散在下列溶劑中:(a)磷酸鹽緩沖液(PBS);(b)1%十二烷基硫酸鈉(SDS)+PBS;(c)8 mol/L尿素+ 1%SDS+PBS;(d)20 mmol/L二硫蘇糖醇(DTT)+8 mol/L尿素 +1%SDS+PBS。在25 ℃靜置10 h后,將樣品在25 ℃、10 000 g下離心10 min,取上清液,用BCA法分析上清液中蛋白質(zhì)濃度,在d組的上清液中加碘乙酰胺溶液進(jìn)行稀釋,來消除DTT對(duì)BCA蛋白測(cè)定的影響。上清液的蛋白質(zhì)含量與初始蛋白質(zhì)含量的比值即為蛋白質(zhì)溶解度。
1.2.9 SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分析
SDS-PAGE參照LAEMMLI的方法[12]。分離膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%,濃縮膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,電泳前將已和樣品緩沖液混合的樣品煮沸5 min,并在4 ℃、10 000 g下離心5 min,取15 μL上清液進(jìn)樣,凝膠電泳在恒流下進(jìn)行,濃縮膠中電流為20 mA,進(jìn)入分離膠后增至40 mA。
2.1氧化大豆分離蛋白羰基含量、總巰基和游離巰基含量
圖1 大豆分離蛋白羰基含量變化圖Fig.1 Carbonyl group content of modified SPI
羰基含量是被廣泛用來衡量蛋白質(zhì)氧化程度的重要指標(biāo)之一[13],如圖1所示,SPI-1的羰基含量為4.17 nmol/mg蛋白,這與HUANG[8]的4.31 nmol/mg蛋白接近。隨著底物亞油酸的濃度升高,羰基含量上升了56.3%,表明大豆分離蛋白發(fā)生了顯著的氧化。亞油酸的過氧化產(chǎn)生活性氧自由基和氫過氧化物等,自由基反應(yīng)活性強(qiáng),能直接引起大豆分離蛋白氧化,引起蛋白質(zhì)主肽鏈的斷裂而羰基化;自由基可與側(cè)鏈基團(tuán)形成氫過氧化合物,其在一定條件下生成具活性的羰基化合物,從而與蛋白質(zhì)側(cè)鏈發(fā)生共價(jià)交聯(lián),引起羰基化[14],導(dǎo)致大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
半胱氨酸殘基很容易受到攻擊,引起巰基含量的變化,其是表征蛋白質(zhì)氧化的重要指標(biāo)之一,圖2和圖3分別為游離巰基和總巰基的變化情況。由圖2可知,隨著底物濃度的增加,大豆分離蛋白的游離巰基從SPI-1的3.79 nmol/mg減小到SPI-5的2.38 nmol/mg。由圖3可知,總巰基也有下降趨勢(shì),其中SPI-4、SPI-5總巰基值下降尤為明顯。半胱氨酸是容易受到氧化攻擊的一種氨基酸,氧化會(huì)使半胱氨酸的氧化還原狀態(tài)發(fā)生改變,影響蛋白質(zhì)巰基和二硫鍵之間的交互反應(yīng)平衡常數(shù),進(jìn)一步改變巰基及二硫鍵的含量以及分布情況[15]。EATON研究表明,蛋白質(zhì)的巰基氧化有可逆與不可逆2種,可逆氧化會(huì)生成二硫鍵和次磺酸,不可逆氧化則主要生成磺酸和亞磺酸[16]。隨底物濃度增加,總巰基含量減小幅度分別為0.326、0.445、2.254、1.806 nmoL/mg,游離巰基含量減小幅度分別為0.495、0.271、0.206、0.437 nmoL/mg,由此可以看出,在低底物濃度時(shí),游離巰基變化量稍大,說明氧化過程中有巰基向二硫鍵轉(zhuǎn)化,但是當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾?,總巰基變化量顯著增大,說明這個(gè)氧化階段中有非二硫鍵形式的化合物生成,這與WU等研究結(jié)果中對(duì)應(yīng)指標(biāo)都下降的結(jié)論相一致[7]。
圖2 大豆分離蛋白游離巰基含量變化圖Fig.2 Free sulphydryl content of modified SPI
圖3 大豆分離蛋白總巰基含量變化圖Fig.3 Total sulphydryl content of modified SPI
2.2氧化大豆分離蛋白表面疏水性、內(nèi)源熒光
疏水相互作用力是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的重要分子作用力之一[17]。表面疏水性的變化如圖4所示,隨著底物亞油酸濃度增加,大豆蛋白的表面疏水性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。HUANG等發(fā)現(xiàn)大豆蛋白氧化后表面疏水性會(huì)增加[8],而WU等研究結(jié)果表明氧化會(huì)使大豆蛋白表面疏水性降低[7]。蛋白質(zhì)氧化過程中球蛋白表面氨基酸先被氧化,疏水性基團(tuán)變?yōu)橛H水性基團(tuán),并且通過氫鍵和范德華力進(jìn)入球蛋白內(nèi)部,自由基進(jìn)一步氧化球蛋白內(nèi)部氨基酸殘基,造成蛋白質(zhì)去折疊,疏水基團(tuán)暴露,引起蛋白質(zhì)表面疏水性升高。隨著氧化進(jìn)行,暴露的疏水性基團(tuán)可以通過疏水相互作用力引起聚集,表面疏水性降低。該結(jié)果說明氧化大豆分離蛋白的去折疊和聚集體形成的過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[18]。
圖4 大豆分離蛋白表面疏水性變化圖Fig.4 Surfacehydrophobicity of modified SPI
圖5為氧化大豆分離蛋白內(nèi)源熒光的變化圖。
圖5 大豆分離蛋白內(nèi)源熒光變化圖Fig.5 Fluorescent emission spectra of modified SPI
隨著底物亞油酸濃度的升高,大豆分離蛋白的內(nèi)源熒光強(qiáng)度持續(xù)降低,最大吸收波長(zhǎng)λmax先略微增大后又減小,分別發(fā)生紅移和藍(lán)移。內(nèi)源熒光表征了大豆分離蛋白中色氨酸殘基的氧化程度以及它所處微環(huán)境的變化。色氨酸具有低單電子氧化勢(shì)能,極易被自由基通過奪氫反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的色氨酸自由基,進(jìn)而氧化為過氧自由基,轉(zhuǎn)化為犬尿氨酸,使內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降[11,19]。紅移說明在蛋白質(zhì)去折疊的過程中色氨酸殘基逐漸暴露在外部環(huán)境中,而隨著反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行,蛋白質(zhì)的聚集可能使分子中的色氨酸殘基回到分子中的非極性環(huán)境,從而導(dǎo)致其最大吸收波長(zhǎng)λmax發(fā)生藍(lán)移。本文蛋白質(zhì)最大吸收波長(zhǎng)變化與表面疏水性的分析結(jié)果相一致,再次證明氧化過程中大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了去折疊和重新聚集的復(fù)雜變化。
2.3氧化大豆分離蛋白的粒徑分布
底物亞油酸的誘導(dǎo)氧化,使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,粒徑也隨之改變,由圖6可以看出,當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾?,大豆分離蛋白的粒徑先減小,SPI-3粒徑達(dá)到最小,當(dāng)濃度繼續(xù)增加,粒徑增大,最大氧化程度的SPI-5粒徑略大于對(duì)照組SPI-1,粒徑上述變化趨勢(shì)的原因可能是在氧化初始階段,大豆分離蛋白去折疊分子展開,平均粒徑減小,隨著氧化程度加深,暴露的表面疏水性基團(tuán)發(fā)生相互作用,導(dǎo)致大豆分離蛋白聚集體的形成,使平均粒徑增大。這與表面疏水性(圖4)和內(nèi)源熒光(圖5)變化相一致。
圖6 大豆分離蛋白的粒徑變化圖Fig.6 Particle size distribution change of modified SPI
2.4氧化大豆分離蛋白分子間相互作用力分析
通過添加不同的試劑規(guī)避分子間作用力,通過溶解度的變化來分析大豆分離蛋白氧化后分子間作用力變化。由圖7可以看出,相比4種溶劑,PBS中蛋白質(zhì)的溶解度明顯低于其他3種溶劑,當(dāng)依次加入SDS、尿素、DTT,溶解度都有一定程度增加。在PBS中,隨著底物濃度增加,溶解度降低,表明大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,影響其溶解度。添加SDS和尿素后,溶解度有很大提高,SDS和尿素能夠破壞氫鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵,同時(shí),對(duì)比在PBS溶劑和含PBS、SDS、尿素溶劑中溶解度增加量,分別為27.77%、33.39%、39.43%、36.83%、36.48%,說明在氧化初期,大豆分離蛋白非共價(jià)的分子相互作用力較強(qiáng)。當(dāng)溶劑中繼續(xù)添加強(qiáng)還原劑DTT,溶解度進(jìn)一步增大,氧化程度高的增加越明顯,DTT能夠裂解二硫鍵,說明氧化過程有二硫鍵生成,CHEN等[3]的研究也得出在丙二醛誘導(dǎo)大豆分離蛋白氧化過程中生成二硫鍵。但是在底物濃度較高時(shí),仍然有不溶物,說明此過程生成了非二硫鍵形式的共價(jià)化合物,這與巰基變化結(jié)果相一致。
圖7 大豆分離蛋白在不同溶劑中溶解度Fig.7 Solublity of modified SPI in four types of solution
2.5氧化大豆分離蛋白的SDS-PAGE分析
由電泳圖8可知,空白組大豆分離蛋白SPI-1的電泳條帶是β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白亞基的特征條帶,隨著氧化程度加深,有大分子聚集物產(chǎn)生。β-伴大豆球蛋白亞基α’和β條帶變模糊,在A、B亞基條帶變淺,說明在氧化過程中7S、11S受到攻擊,可能脂質(zhì)與蛋白質(zhì)結(jié)合,或者是大豆分離蛋白亞基之間的共價(jià)交聯(lián),并且隨著蛋白質(zhì)氧化加深,在聚集過程中形成了可溶性的聚集體[10]。
圖8 大豆分離蛋白的SDS-PAGE(M為標(biāo)準(zhǔn)蛋白,1-5分別對(duì)應(yīng)SPI-1~5)Fig.8 SDS-PAGE analyses of modified SPI
亞油酸氧化引起大豆分離蛋白氧化,進(jìn)而引起蛋白結(jié)構(gòu)改變,隨著氧化程度加深,蛋白質(zhì)表面疏水性呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),內(nèi)源熒光發(fā)生先發(fā)生小幅紅移,后發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象,蛋白粒徑先減小后增大,上述變化表明蛋白質(zhì)氧化過程中先發(fā)生去折疊后聚集。大豆分離蛋白在不同溶劑中溶解度變化和凝膠電泳圖譜表明蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,氧化過程中形成了以非二硫鍵形式的共價(jià)鍵鍵合的蛋白聚集體。
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Effectofproteinoxidationinducedbylinoleicacidoxidationonthestructureofsoyproteinisolate
CHEN Xi,WANG Juan,SUN Wei-zheng*
(School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)
Soy protein isolate (SPI) oxidation was induced by lipoxygenase-catalyzed linoleic acid. Protein carbonyl content, sulfhydryl content, surface hydrophobicity, intrinsic fluorescence, and gel electrophoresis were tested to evaluate the effect of protein oxidation of SPI. The solubility of SPI in different solvents was also analyzed to elaborate the inter- and intra-molecular interactions. Results indicated that with the increase of linoleic acid substrate, carbonyl value significantly increased, total sulfhydryl and free sulfhydryl group content decreased, surface hydrophobicity increased and then decreased, intrinsic fluorescence decreased, red shift of SPI was first observed and then blue shifted, the particle size of SPI decreased and then increased and was in the range 5-40 nm. The SPI oxidation caused protein unfolding and aggregation, and non-disulfide covalent bond generated.
protein oxidation; soy protein isolate; molecular structure; linoleic acid oxidation
碩士研究生(孫為正教授為通訊作者,E-mail:fewzhsun@scut.edu.cn)。
“廣東特支計(jì)劃”科技創(chuàng)新青年拔尖人才項(xiàng)目(2014TQ01N538);廣州市珠江科技新星專項(xiàng)(201610010105);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2015ZM155)
2017-02-07,改回日期:2017-03-10
10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013994