胡居吾,熊 華
(1.江西省科學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)研究所,江西 南昌 330096;2.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江西 南昌 330047)
硒在植物體內(nèi)對植物蛋白質(zhì)合成起著促進(jìn)作用,同時,硒具有轉(zhuǎn)運氨基酸的功能,使得植物體內(nèi)的氨基酸組成也發(fā)生了變化[1]。Wan等[2]對茶葉、Yang等[3]對大豆、Sigrist等[4]對綠藻以及Sharifi等[5]對靈芝的研究均表明,在適量硒濃度范圍內(nèi),硒均可提高這些植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。研究人員還研究了硒對大豆、大蒜、馬鈴薯、油菜以及菠菜和花椰菜等植物中其營養(yǎng)成分的影響,結(jié)果表明,適量的硒對于上述植株體內(nèi)其他營養(yǎng)成分,如脂肪酸、維生素C、可溶性糖、葉綠素等成分的含量都有變化[6-8]。目前,大部分文獻(xiàn)探索了人工噴施硒源對植物中營養(yǎng)成分的影響,但是,關(guān)于天然硒土壤中不同的硒含量對農(nóng)作物中營養(yǎng)成分影響的研究不多。
本研究的目的在于掌握豐城市天然硒土壤中不同硒含量對大豆中主要組成成分的影響,包括大豆蛋白質(zhì)和脂肪酸的含量、蛋白質(zhì)的分子量分布和亞基組成、氨基酸組成以及對大豆油中脂肪酸組成等成分的影響。
原料采集:選擇豐城市三個有代表性地區(qū),這三個地區(qū)的土壤中含硒量不同,設(shè)為低硒區(qū)(A區(qū),蕉坑村,硒含量0.124 mg/kg)、中硒區(qū)(B區(qū),荷湖村,硒含量0.42 mg/kg)、高硒區(qū)(C區(qū),董家村,硒含量0.941 mg/kg)。課題組研究結(jié)果顯示,這三個地區(qū)土壤中除了硒含量不同外,土壤組成(如土壤中pH值、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量等)、環(huán)境、氣候無明顯差異;同時,在這三個地區(qū)栽培的大豆品種相同,都為華夏1號(國審豆2006023)。采集這三個地區(qū)成熟的大豆作為研究對象,經(jīng)檢測這三個區(qū)的大豆中硒含量分別為0.034 mg/kg、0.081 mg/kg和0.142 mg/kg。
甲狀腺球蛋白、醛縮酶、牛血清白蛋白、卵清蛋白、過氧化物酶、腺苷酸激酶、肌紅蛋白、核糖核酸酶 A、抑蛋白酶肽,購自美國Sigma公司;正己烷、NaOH、維生素 B12、磷酸鈉、Tris、三氨基甲烷、甘氨酸、β-巰基乙醇、溴苯酚、丙烯酰胺/雙丙烯酰胺、四甲基乙二胺(TEMED)、硫酸銨、考馬氏亮蘭R-250、醋酸、甲醇、三氯乙酸、氫氧化鉀,均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑(上海)有限公司。
BS210S分析天平,德國Sartorius公司;Flash EA 1112 NC凱氏定氮儀,美國Thermo公司;ST16高速離心機(jī),美國Thermo公司;E2695高效液相色譜儀,美國Waters公司;7890B高效氣相色譜儀,美國安捷倫公司;A300全自動氨基酸分析儀,德國曼默博爾公司;Minn-Sub-Cell電泳儀,美國Bio-Rad公司。
1.3.1 對蛋白質(zhì)和油脂含量的影響 (1)對蛋白質(zhì)含量的影響。蛋白質(zhì)含量的測定方法參照GB 50095-2010 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)“食品中蛋白質(zhì)的測定”中的凱氏定氮法[9]。
(2)對油脂含量的影響。粗脂肪含量測定方法參照GB/T 14772—2008食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)“食品中粗脂肪的測定”中的索氏提取法[10]進(jìn)行測定。
1.3.2 不同含硒量對大豆蛋白分子量分布的影響 (1)大豆分離蛋白質(zhì)的提取。以水∶大豆=10∶1的水料比,用1 mol/L NaOH調(diào)pH值至10.0,在磁力攪拌下提取時間為2 h;以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速離心15 min;濾渣再按上述條件下重復(fù)一次,合并兩次的上清液。上清溶液用2 mol/L HCl調(diào)pH值調(diào)至等電點,靜置過夜,離心,濾渣用水洗滌兩次,再用NaOH調(diào)pH至7.0,溶液轉(zhuǎn)入真空冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行冷凍干燥,得天然富硒大豆分離蛋白質(zhì)樣品。
(2)標(biāo)準(zhǔn)蛋白曲線的制作。將標(biāo)準(zhǔn)蛋白腺苷酸激酶(32 000)、甲狀腺球蛋白(分子量為669 000道爾頓)、卵清蛋白(43 000)、醛縮酶(158 000)、維生素 B12(1 350)、過氧化物酶(40 200)、核糖核酸酶 A(13 700)、牛血清白蛋白(67 000)、肌紅蛋白(17 000)、抑蛋白酶肽(6 500)分別配成1%的濃度,然后用高效液相色譜儀測定分子量,以保留時間為橫坐標(biāo),蛋白的分子量為縱坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)蛋白曲線Fig.1 Standard protein curve
(3)蛋白分子量分布測定[11]。樣品在4 500 r/min和25 ℃條件下離心15 min,上清溶液采用0.45 μm醋酸纖維微孔濾膜過濾,濾液稀釋到0.2%的濃度,然后用高效液相色譜儀測定分子量色譜條件為:所使用的柱子是高分子蛋白分離柱、流動相流速為1 mL/min、流動相是50 mmol/L磷酸鈉緩沖液(pH7),檢測器在280 nm進(jìn)行檢測。
1.3.3 不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)亞基組成的影響 取50 mg大米蛋白質(zhì)粉溶于1 mL電泳樣品制備液。該制備液為0.06 mol/L Tris-HCI緩沖液,內(nèi)含25%甘油(v/v)、2%SDS(w/v)、5% 2-ME(v/v)、0.1%溴酚藍(lán)(w/v),間隙振蕩4 h,100 ℃水浴加熱4 min,12 000 r/min離心10 min,上清液用于電泳[12]。
1.3.4 不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)中氨基酸組成的影響[13]總氨基酸的測定采用6 mol/L HCl真空水解樣品24 h,采用三氯乙酸沉淀未水解蛋白質(zhì),10 000 r/min高速離心后測定。
色譜條件:安捷倫1 100液相色譜儀,自動衍生化反應(yīng)及放置樣品;熒光檢測器,激發(fā)波長200~700 nm,發(fā)射波長280~900 nm;可變波長紫外檢測器,波長190~600 nm;分析柱,Hypersil ODS C18(4×125)nm卡套柱。
1.3.5 不同硒含量對油脂中脂肪酸組成的影響 (1)總脂肪酸提取。采用正己烷作為萃取劑,在40 ℃恒溫下,每次萃取2 h。
(2)樣品脂肪酸甲酯化。準(zhǔn)確稱取1.000 g油脂樣品,于潔凈的錐形瓶中,加入10 mL正己烷,搖勻;取出1 mL,加入正己烷至15 mL,再加入4 mL乙酸甲酯,搖勻,再加入1 mL甲醇鈉溶液,劇烈搖勻2 min,后在室溫下反應(yīng)20 min,再置于-20 ℃放置10 min,取出,加入1 mL草酸飽和溶液,搖勻。最后用無水Na2SO4過濾,濾液進(jìn)行GC分析。
(3)氣相色譜條件。Varian石英毛細(xì)管柱(φ0.32 mm×50 m×0.25 μm),載氣為高純N2,流速為1.0 mL/min,進(jìn)樣口溫度為250 ℃,升溫程序:開始柱溫為70 ℃,保持2 min后,以10 ℃/min升溫,直至150 ℃后,保持1 min,再以10 ℃/min升溫至220 ℃,保持10 min后,最后以20 ℃/min升溫至250 ℃,保持15 min。
當(dāng)物料為橫觀各向同性材料(秸稈類與木質(zhì)類生物質(zhì)原料)時,可以認(rèn)為??變?nèi)物料在同一截面內(nèi)任意方向上具有相同力學(xué)特性,因此 Ey=Ez,νxy=νxz,νyx=νzx,由于彈性模量與泊松比之間存在如下關(guān)系:
表1顯示,大豆籽粒中的質(zhì)白質(zhì)的含量發(fā)生變化,在C區(qū)蛋白質(zhì)含量(35.08%)比A區(qū)(34.81%)和B區(qū)(34.60%)蛋白質(zhì)含量高,且有顯著性差異。同時,油脂的含量隨著硒含量的提高而下降,由A區(qū)的18.90%下降到16.51%,且有顯著性差異。
硒對蛋白質(zhì)含量的影響主要原因是半胱氨酸和蛋氨酸中含有硫元素,硒與硫競爭,硒取代硫元素與半胱氨酸和蛋氨酸結(jié)合,形成了硒代氨基酸化合物,部分或全部取代了蛋白質(zhì)中游離的蛋氨酸和半胱氨酸后,硒被結(jié)合到蛋白質(zhì)中,造成的蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的變化,對蛋白質(zhì)的合成產(chǎn)生了的影響[14]。
表1 不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)和油脂含量的影響Tab.1 Effect of on content of protein and fat content of different Se content in soybean
同列中不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)
Different lowercase letters in the same column meant significant differences(P<0.05)
由于在脂肪酸合成途徑中,丙二酸單酰輔酶A(malonyl-CoA)是重要的參與合成時的三碳單元中間體,其中,硫元素是此輔酶的重要組成元素之一,若植物在生長的環(huán)境中存在著硒元素,則硒元素和硫元素存在著競爭關(guān)系,硒會替代硫元素與酶結(jié)合,降低了含硫酶活力,從而造成種子中油脂積累降低[15],降低了油脂的含量。
硒對動、植物、微生物的必需性已得到確認(rèn),而且關(guān)于適宜的Se含量對農(nóng)作物能起到改善品質(zhì)和增加產(chǎn)量[16]。硒對多種作物的影響試驗研究表明,適量硒肥具有明顯的增產(chǎn)效果,如硒對大豆和水稻等農(nóng)作物的影響實驗,結(jié)果同樣表明,同空白對照組相比,適量的硒含量對水稻和大豆的品質(zhì)和產(chǎn)量方面都有一定的影響[17]。
本實驗采用高分子蛋白質(zhì)分離層析柱,對不同硒含量土壤種植的天然富硒大豆分離蛋白質(zhì)的分子量進(jìn)行了測定。排阻色譜圖如圖2所示。
圖2 不同硒含量區(qū)的大豆蛋白分子量分布Fig.2 The distribution of soybean protein molecular quantity in different Se content area
由圖2 A、B、C區(qū)可以看出,3個區(qū)的蛋白質(zhì)分子量出峰時間是一樣的,都大約在6 min,說明天然富硒土壤中不同的硒含量,不會改變天然富硒大豆蛋白質(zhì)的種類。
表2 不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)分子量分布的影響Tab.2 Effects on protein molecular weight distribution in different Se contents soybean
譜帶1:A區(qū)大豆蛋白質(zhì);譜帶2:B區(qū)大豆蛋白質(zhì);譜帶3:C區(qū)大豆蛋白質(zhì)Band 1:A region soybean protein;band 2:B region soybean protein;band 3:C region soybean protein圖3 不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)組成的影響Fig.3 SDS-PAGE analysis of total soybean protein extracted from different Se content soybean
采用SDS-PAGE法研究了不同硒含量的土壤中對大豆蛋白質(zhì)亞基組成的影響。結(jié)果如圖3所示,不同的硒含量不會改變大豆蛋白質(zhì)亞基組成。不同硒含量的蛋白SDS-PAGE圖譜中,條帶沒有增加,也沒有減少。通過研究表明,不同硒含量土壤中生長的大豆,在大豆蛋白質(zhì)中,不同硒含量對蛋白質(zhì)亞基的分布不會產(chǎn)生影響。但是,會對不同分子量的蛋白或肽鏈的濃度產(chǎn)生影響。
天然富硒大豆蛋白質(zhì)與低硒大豆蛋白質(zhì)的蛋白譜帶基本相同,在譜帶上沒有蛋白譜帶消失,同時,也沒有新的蛋白譜帶產(chǎn)生,這一現(xiàn)象是由于不同含量的硒被豆類植物從根系轉(zhuǎn)運進(jìn)入到植株內(nèi)和果實中時,雖然由于硒含量的不同而影響了蛋白質(zhì)合成速度,并且高硒含量會提高大豆籽粒中蛋白質(zhì)的含量,但對蛋白質(zhì)代謝的途徑不會發(fā)生變化,這個結(jié)果與在富硒靈芝和富硒水稻研究中的結(jié)果一致[19]。
表3所示,當(dāng)土壤中硒含量越高,對大豆蛋白質(zhì)中氨基酸組分影響最大的也是半胱氨酸(Cys)和蛋氨酸(Met)。在低硒區(qū)(A區(qū))大豆蛋白質(zhì)中的半胱氨酸(Cys)含量為2.58%,而在高硒區(qū)(C區(qū))的含量只有0.124%;在低硒區(qū)(A區(qū))大豆蛋白質(zhì)中的蛋氨酸(Met)含量為3.02%,而在高硒區(qū)(C區(qū))的含量只有2.24%。
研究表明,硒元素進(jìn)入植物體內(nèi)是以兩種方式來促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和代謝[20]:一是無機(jī)硒進(jìn)入植物體內(nèi)后,硒通過植物器官轉(zhuǎn)運進(jìn)入植物體內(nèi)后,與植物體內(nèi)某些氨基酸相結(jié)合,尤其是含硫基的氨基酸,結(jié)合后形成硒代含硫氨基酸化合物或者其衍生物,如硒與半胱氨酸結(jié)合形成硒半胱氨酸(Se-Cys),硒與蛋氨酸結(jié)合形成硒代蛋氨酸(Se-Met),然后這些硒代含硫氨基酸化合物直接參與到植物蛋白質(zhì)合成的過程中,從而使植物體內(nèi)的游離氨基酸中半胱氨酸(Cys)和蛋氨酸(Met)的含量降低(表3)。同時,對其它氨基酸,如色氨酸(Trp)和甘氨酸(Gly)的含量會隨著硒含量的增大呈增加的趨勢。
表4 不同硒含量對大豆油脂中脂肪酸組成的影響Tab.4 Effects on fatty acid composition of different Se content in soybean oil
a Unidentified fatty acids.b Total SFA:all saturated fatty acids (without any double bonds,C14:0-C26:0).c Total MUFA:all fatty acids with a single double bond (C12:1-C24:1).d Total n-3 PUFA:C18:3n3;C20:3n3;C20:5n3,C22:5n3,and C22:6n3.e Total n-6 PUFA:C18:2n6;C20:2n6;C20:3n6;C22:2n6,and C22:4n6
不同硒含量對大豆油脂的含量有一定的影響,且為負(fù)相關(guān)并有顯著性差異(如表1所示)。雖然不同硒含量對大豆油脂中脂肪酸組成有一定的影響,但都沒有顯著性變化。
對不同硒含量的大豆油脂進(jìn)行了氣相色譜分析,如表4所示,不同硒含量的大豆油脂中十六酸、十七酸、二十碳酸、二十二碳烯酸的比例在數(shù)量上有些變化,如在這三個含硒量不同區(qū)的大豆油脂中十六酸含量分別為10.98%、11.02%和10.72%,但不存在顯著性差異。總硬脂酸的含量會隨著硒含量的增大而呈下降的趨勢,這3個含硒量不同區(qū)的大豆油脂中總硬脂酸含量分別為18.00%、17.31%和16.04%??俷-3多不飽和脂肪酸(Tn-3PUFA)的含量也會隨著硒含量的增大而呈上升趨勢,含量分別為9.42%、9.62%和9.70%。同時,軟脂酸和硬脂酸之間的比例會隨硒含量的增大略呈上升趨勢,而亞油酸和亞麻酸的之間的比例呈降低關(guān)系。在脂肪酸的代謝途徑中,不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸的代謝途徑不同。飽和脂肪酸在脂肪酸的β氧化反應(yīng)過程中,在脂肪酸的硫激酶(thiokinase)的起主要作用。不飽和脂肪酸需要的是烯酰-CoA異構(gòu)酶(isomerase)和2,4-二烯酰-CoA(2,4-dienoyl-CoA redyctase),而硒元素是烯酰-CoA異構(gòu)酶(isomerase)和2,4-二烯酰-CoA的重要組成成分,硒含量的不同,這兩種酶活性也不相同,因此,不同的硒含量對脂肪組中不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸的含量存在著影響[21]。
(1)研究了土壤中不同硒含量對大豆中主要成分的影響。結(jié)果表明,隨著硒含量的不同,C區(qū)(高硒區(qū))大豆中蛋白質(zhì)含量(35.08%)比A區(qū)(低硒區(qū))出現(xiàn)顯著性提高,而油脂的含量下降,由18.90%(A區(qū))下降到16.52%(C區(qū))。
(2)不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)分子量分布的影響,研究結(jié)果表明,硒含量的不同對于蛋白質(zhì)的種類沒有改變,但對大豆蛋白質(zhì)分子量分布產(chǎn)生了影響。
(3)不同硒含量對大豆蛋白質(zhì)組成和氨基酸組成的影響,結(jié)果表明,不同的硒含量不會改變大豆蛋白質(zhì)亞基組成,從SDS-PAGE圖譜中可以看出,條帶沒有增加,也沒有減少。但是,對氨基酸組成有一定的影響,當(dāng)土壤中硒含量越高,對大豆蛋白質(zhì)中氨基酸組分影響最大的也是半胱氨酸(Cys)和蛋氨酸(Met)。在低硒區(qū)(A區(qū))大豆蛋白質(zhì)中的半胱氨酸(Cys)含量為2.58%,而在高硒區(qū)(C區(qū))的含量只有0.124%;在低硒區(qū)(A區(qū))大豆蛋白質(zhì)中的蛋氨酸(Met)含量為3.02%,而在高硒區(qū)(C區(qū))的含量只有2.24%。
(4)不同含硒量對大豆脂肪酸組成的影響,結(jié)果表明,大豆油脂中十六酸、十七酸、二十碳酸、二十二碳酸的比例在數(shù)量上有些變化,但不存在顯著性差異。軟脂酸和硬脂酸之間的比例會隨硒含量的增大略呈上升趨勢,而亞油酸和亞麻酸的之間的比例呈降低關(guān)系。
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