王 鑫,趙 磊,郝 帥,劉國榮,王成濤,朱金錦
(北京工商大學,食品營養(yǎng)與人類健康北京高精尖創(chuàng)新中心, 北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京 100048)
花色苷是一類天然水溶性多酚類物質,是花青素與各種糖以糖苷鍵結合而成的類黃酮化合物,主要存在于果蔬植物和谷類中[1-2]。近幾年,花色苷由于其潛在的營養(yǎng)和醫(yī)療價值而備受關注。有研究表明,花色苷具有抗炎、抗菌、降低血壓、提高視力和預防肝損傷等多種生理功能,對高血脂、肥胖等疾病也有一定的預防功能[3-7]。同時花色苷也是一種天然且安全的食用色素,在食品加工中得到了廣泛應用。研究表明,花色苷與食品中的蛋白質存在相互作用,HE等[8]發(fā)現蛋白質對花色苷具有保護作用,因此研究花色苷和蛋白質的相互作用具有重要意義。趙煥焦等[9]采用多光譜法研究黑米花色苷與酪蛋白之間的相互作用,發(fā)現黑米花色苷與酪蛋白可以發(fā)生結合并引起其構象上的變化,推測出花色苷類成分在乳品中可以通過與酪蛋白相互作用,從而保護其抗氧化基團在食品加工、儲運和消化吸收過程中免遭破壞。Tang等[10]研究表明,矢車菊色素-3-葡萄糖苷(C3G)和牛血清白蛋白之間存在復合作用,其中氫鍵是主要結合力。當溶液pH大于蛋白質等電點時,多肽或蛋白質與花色苷間還存在靜電相互作用[11]。然而,目前的報道多為花色苷提取物與蛋白相互作用的研究,而對某種特定花色苷與蛋白相互作用的研究比較缺乏。市面上許多乳制品中均含有花色苷,如金時代藍莓酸牛奶、蒙牛黑谷粒早餐牛奶、澳洲美可卓藍莓護眼牛奶咀嚼片、巧焙蔓越莓牛軋?zhí)堑取3G是自然界中最為常見的花色苷,含量最高[12],因此,選取C3G,研究其與4種常見乳蛋白的相互作用機制具有重要意義。
本實驗運用熒光光譜、紫外光譜、紅外光譜和圓二色譜,研究C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白之間的猝滅機理、結合常數、結合位點數、結合力類型、結合距離等重要信息,并研究C3G對四種乳蛋白二級結構的影響,探究C3G與乳蛋白的相互作用機制,進而進一步探究乳蛋白對C3G的保護作用,為花色苷在乳制品中的應用提供理論依據。
矢車菊素-3-葡萄糖苷(≥98%) 四川省維克奇生物科技有限公司;α-酪蛋白、β-酪蛋白 Sigma公司;乳清蛋白、β-乳球蛋白 上海源葉生物科技有限公司;其他試劑 均為國產分析純。
F-4500型熒光分光光度計 日本日立公司;UV-2450型紫外分光光度計 日本島津公司;MOS-500型圓二色譜儀 法國Bio-Logic公司;Avater 370型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司;YLE-1000型恒溫水浴鍋 北京市精科華瑞儀器有限公司;NK200-1B型氮吹儀 杭州米歐儀器有限公司。
1.2.1 熒光光譜的測定 用磷酸鹽緩沖液(PBS,pH7.4,0.01 mol/L)分別配制20 μmol/L的α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白溶液,設定為對照組。用磷酸鹽緩沖液(PBS,pH7.4,0.01 mol/L)分別配制20 μmol/L的α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白溶液,隨后向其中加入C3G,使得溶液中C3G的終濃度分別為0、5、10、20、30、40、50 μmol/L。在25、45、65 ℃下加熱15 min,設置激發(fā)波長為280 nm,于300~400 nm波長下測定對照組與反應液的熒光發(fā)射光譜,并計算熒光猝滅率:
猝滅率(%)=1-(50 μmol/L C3G的蛋白最大發(fā)射波長熒光值/純蛋白質最大發(fā)射波長熒光值)×100
式(1)
1.2.2 紫外光譜的測定 用0.01 mol/L PBS(pH7.4)配制10 μmol/L C3G溶液,室溫下以PBS溶液為空白對照,掃描300~400 nm內的紫外吸收光譜。采用OriginPro 8.5軟件將C3G的紫外光譜分別與10 μmol/Lα-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白的熒光光譜重疊在一起繪制圖譜。
1.2.3 傅里葉紅外光譜的測定 用0.01 mol/L PBS(pH7.4)分別配制C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白摩爾濃度比為1∶1的混合溶液,濃度均為10 μmol/L,室溫下反應15 min,再將其制成干燥粉末。KBr烘干6 h以上,所有樣品分別與100~200 mg干燥的KBr粉末混合壓片制得透明薄片進行全波段(4000~500 cm-1)掃描,掃描次數為32次,分辨率為4 cm-1。
1.2.4 圓二色譜的測定 用0.01 mol/L PBS(pH7.4)分別配制C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白摩爾濃度比為1∶1的混合溶液。以PBS溶液為空白對照,在190~250 nm的遠紫外區(qū)對待測樣品溶液進行掃描,響應時間為0.2 nm,狹縫寬度為2 nm,采集時間1 s/點,CD測試范圍300~1000。采用OriginPro 8.5作圖,并聯合Dicroprot軟件中K2D方法和Uniprot蛋白質數據庫,計算出蛋白質二級結構的組成與百分比。
實驗均重復做三組,采用SPSS 13.0軟件進行獨立樣本T檢驗,用Tukey多重比較確定各均數間的顯著性差異,顯著水平為α=0.05。所有圖譜均采用OriginPro 8.5軟件繪制。
2.1.1 不同乳蛋白的熒光光譜測定 由圖1可知,在280 nm的激發(fā)波長,300~400 nm的發(fā)射波長范圍下C3G使α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的熒光強度降低產生熒光猝滅作用,而且隨著C3G摩爾濃度增加,四種乳蛋白的熒光猝滅程度逐漸增大。當C3G濃度為50 μmol/L時,對10 μmol/L的α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的熒光猝滅率,分別達到84%、74%、77%和75%,四種乳蛋白相互比較,發(fā)現C3G對α-酪蛋白的熒光猝滅作用顯著(p<0.05)。在蛋白質熒光強度降低的同時,其最大發(fā)射波長(λmax)也發(fā)生了變化。未加入C3G時,α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的λmax分別為335、340、328和332 nm。四種乳蛋白λmax的數值都隨著C3G濃度的增大而增加,λmax發(fā)生紅移。研究表明,當激發(fā)波長為280 nm時,色氨酸和酪氨酸共同提供蛋白質的熒光光譜[13],因此,熒光圖譜紅移現象說明C3G影響了α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白中酪氨酸和色氨酸殘基的微環(huán)境,親水性增強,疏水性減弱[14]。
圖1 矢車菊素-3-葡萄糖苷對α-酪蛋白(A)、β-酪蛋白(B)、乳清蛋白(C)、β-乳球蛋白(D)的熒光光譜的影響Fig.1 Effect of cyanidin 3-O-glucoside on intrinsic fluorescence of α-casein(A), β-casein(B),whey protein(C)and β-lactoglobulin(D)注:0:C(蛋白質)=10 μmol/L;1~6:C(C3G)=5、10、20、30、40、50 μmol/L。
2.1.2 C3G對乳蛋白熒光猝滅機理的判定 依據 Stern-Volmer(S-V)方程可初步進行判定猝滅類型[15]:
F0/F=1+KSV[Q]=1+Kqτ[Q]
式(2)
式中:F0為未加入C3G的熒光強度;F為加入C3G的熒光強度;[Q]為C3G的摩爾濃度(mol/L);Kq為猝滅速率常數(L/(mol·s));Ksv為Stern-Volmer(S-V)猝滅常數(L/mol);τ為生物大分子的熒光壽命(一般認為平均壽命約為10-8s)。
各類熒光猝滅劑對生物大分子的最大猝滅常數約為2×1010L/(mol·s)[16]。根據公式(1),以F0/F對[Q]進行線性擬合(圖2),進而得出不同溫度條件下C3G與乳蛋白相互作用的Ksv和Kq,結果見表1。
表1 不同溫度下四種乳蛋白與C3G的 Stern-Volmer的相關參數Table 1 Stern-Volmer correlation parameters of four milk proteins quenching caused by C3G at three different temperatures
圖2是C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白相互作用的S-V猝滅曲線,從圖可以看到猝滅曲線與猝滅劑濃度的關系基本上符合動力學猝滅方程。熒光猝滅是熒光物質分子(即熒光體)與溶劑或溶質分子之間所發(fā)生的,導致熒光強度下降的物理或化學作用,基于物質間的相互作用分為靜態(tài)猝滅和動態(tài)猝滅[17]。
圖2 不同溫度下矢車菊素-3-葡萄糖苷與α-酪蛋白(A)、β-酪蛋白(B)、 乳清蛋白(C)、β-乳球蛋白(D)相互作用的Stern-Volmer曲線Fig.2 Stern-Volmer curves of cyanidin 3-O-glucoside interacting with α-casein(A), β-casein(B),whey protein(C)and β-lactoglobulin(D)at different temperatures
若猝滅常數大于2×1010L/(mol·s)時,屬于靜態(tài)猝滅;若猝滅常數小于2×1010L/(mol·s)時,屬于動態(tài)猝滅[18]。根據表1,乳清蛋白和β-乳球蛋白的Ksv隨溫度的上升而下降,即靜態(tài)猝滅常數下降,這說明C3G對乳清蛋白和β-乳球蛋白的熒光猝滅機制屬于靜態(tài)猝滅。對于生物大分子,各類猝滅劑由擴散碰撞產生的最大猝滅常數2×1010L/(mol·s),乳清蛋白和β-乳球蛋白的Kq遠大于2×1010L/(mol·s),進一步說明C3G對這兩種乳蛋白的猝滅機理是分子之間結合形成化合物所引起的靜態(tài)猝滅,而不是由分子擴散和碰撞所引起的動態(tài)猝滅。α-酪蛋白的Ksv雖然隨溫度的升高而升高,但其Kq數量級為1012,不符合動態(tài)猝滅機理;同理,β-酪蛋白的Ksv和Kq也不符合動態(tài)猝滅機理。綜上初步判定,C3G對這四種乳蛋白的猝滅機制是基于形成不發(fā)光穩(wěn)定復合物的靜態(tài)猝滅,而不是由動態(tài)碰撞引起。
2.1.3 結合常數和結合位點的計算 在靜態(tài)猝滅過程中,可對公式(1)雙對數處理曲線方程,進而計算結合常數Ks、結合位點數n:
lg[(F0-F)/F]=lgKS+nlg[Q]
式(3)
式中:F0,F,[Q]同2.1.2,Ks為C3G與蛋白質結合常數(L/mol),n為C3G與蛋白質結合位點數。根據公式(2)以lg[(F0-F)/F]對lg[Q]做直線,斜率為n,截距為lgKS。
從圖3看出,α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的曲線成良好的線性關系,說明C3G與這四種乳蛋白的相互作用為靜態(tài)結合。KS代表結合常數,KS值越大說明C3G與乳蛋白之間有較強的結合力。由表2可知,四種乳蛋白中α-酪蛋白的KS最大,其次是β-乳球蛋白,又根據熒光猝滅率結果得知C3G對α-酪蛋白的猝滅最明顯,從而推斷C3G與α-酪蛋白的靜態(tài)結合能力最強[19]。這四種乳蛋白的結合位點數n約等于1,由此可知C3G與這四種乳蛋白之間形成了摩爾比約1∶1的靜態(tài)復合物。且由表2結果發(fā)現隨著溫度的升高,KS的變化與n的變化一致,表明結合力越大,C3G結合到乳蛋白的結合位點越準確。
表2 不同溫度下矢車菊素-3-葡萄糖苷與 四種乳蛋白的結合常數KS和結合位點數nTable 2 Binding constants and and binding sites of four milk proteins and cyanidin 3-O-glucoside at different temperatures
圖3 不同溫度下α-酪蛋白(A)、β-酪蛋白(B)、乳清蛋白(C)、β-乳球蛋白(D)的lg[(F0-F)/F]與lg[Q]的關系圖Fig.3 Plots of lg[(F0-F)/F]and lg[Q]of α-casein(A),β-casein(B), whey protein(C)and β-lactoglobulin(D)at different temperature
2.1.4 熱力學參數與相互作用力類型 C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白之間的相互作用符合熱力學公式:
式(4)
ΔG=-RTlnKS
式(5)
ΔG=ΔH-TΔS
式(6)
式中:T為溫度(K);KS為該溫度下C3G與蛋白質的結合常數(L/mol);R為氣體常數(8.314 J/(mol·K));ΔG為生成自由能變(kJ/mol);ΔS為熵變(J/(mol·K));ΔH為焓變(kJ/mol);當溫度變化不大時,反應的ΔH、ΔS可看作常數。
小分子生物活性物質和生物大分子之間的作用力主要有氫鍵、范德華力、疏水作用和靜電作用:當ΔH<0、ΔS<0,主要作用力為范德華力和氫鍵;當ΔH>0、ΔS>0,主要作用力為疏水作用;當ΔH<0、ΔS>0,主要作用力為靜電作用[20],因此可以根據熵變(ΔS)和焓變(ΔH)判定兩者的作用方式[21]。從表3可以看出,C3G與所有乳蛋白結合的ΔG<0,說明C3G與乳蛋白之間的結合反應是自發(fā)進行的。其中,C3G與α-酪蛋白結合的ΔH<0,ΔS<0,說明C3G與α-酪蛋白的分子間作用力為氫鍵與范德華力;C3G分別與β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白結合后的ΔH和ΔS均符合ΔH<0,ΔS>0,這說明這三種乳蛋白與C3G之間主要靠靜電引力結合。C3G與乳清蛋白結合的ΔH<0,表明兩者之間的相互作用為放熱反應,降溫應有利于反應的進行,則其KS值應隨著溫度升高而減小。α-酪蛋白的ΔH<0,其KS符合這種規(guī)律(表2)。但β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的KS不符合這種規(guī)律,可能是C3G在pH7.4環(huán)境中不穩(wěn)定,且加熱到65 ℃引起部分C3G降解或結構變化,導致與β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白結合更容易,因而65 ℃的結合能力比45 ℃下要高。
表3 矢車菊素-3-葡萄糖苷與乳蛋白復合物的熱力學參數Table 3 Thermo dynamic parameters of C3G-milk protein complex
2.1.5 C3G與不同乳蛋白的結合距離 以上實驗結果表明C3G與四種乳蛋白都形成了靜態(tài)猝滅的復合物,計算兩者之間的結合距離可以進一步判斷出C3G與乳蛋白結合作用大小。根據F?ster’s的非輻射能量轉移理論,C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白的結合距離r0和能量轉移效率E之間有如下關系[22]:
式(7)
式(8)
式(9)
式中:F0,F同2.1.2;F(λ)為在波長λ時能量供體的熒光強度;ε(λ)為在波長λ時受體的摩爾吸光系數(L/mol);J為供體熒光發(fā)射光譜與受體吸收光譜的重疊積分((cm3·L)/mol);R0是轉移效率為在50%時的F?ster臨界距離(nm);φ為供體的熒光量子產率,此實驗取0.15;K2為偶極空間取向因子,取2/3;N為水和有機物折射指數,取其平均值1.336。
以表2中C3G與四種乳蛋白結合位點數約為1這一根據,分別測定10 μmol/L乳蛋白的熒光光譜和10 μmol/L C3G的紫外光譜,如圖4所示。當供體的熒光發(fā)射光譜與受體的吸收光譜發(fā)生重疊時,且二者之間的最大距離小于7 nm時存在非輻射能量轉移[23]。表4中α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白與C3G結合距離r分別為2.17、2.66、2.18、2.19 nm,根據上述理論四種乳蛋白都符合非輻射能量轉移條件,也進一步驗證了C3G與四種乳蛋白的相互作用都是靜態(tài)猝滅。通過比較這四種乳蛋白與C3G結合距離大小,發(fā)現α-酪蛋白與C3G的結合距離最小,進一步證明四種乳蛋白中α-酪蛋白與C3G的結合強度最大。
圖4 α-酪蛋白(A)、β-酪蛋白(B)、乳清蛋白(C)、β-乳球蛋白(D)的 熒光發(fā)射光譜與矢車菊素-3-葡萄糖苷的吸收光譜之間的重疊圖Fig.4 The fluorescence emission spectra of α-casein(A),β-casein(B),whey protein(C), β-lactoglobulin(D)and the UV absorption spectra of cyanidin 3-O-glucoside
表4 矢車菊素-3-葡萄糖苷 與四種乳蛋白的結合距離Table 4 Binding distance between cyanidin 3-O-glucoside and four kinds of milk proteins
α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的紅外譜圖如圖5所示。C3G的加入引起α-酪蛋白的酰胺I帶從1650.40 cm-1移到1654.48 cm-1,而酰胺II帶從1527.81 cm-1移到1523.72 cm-1;β-酪蛋白的酰胺I帶從1642.22 cm-1移到1650.40 cm-1,而酰胺II帶從1523.72 cm-1移到1515.55 cm-1;乳清蛋白的酰胺I帶從1654.48 cm-1移到1650.40 cm-1,而酰胺II帶從1523.72 cm-1移到1519.64 cm-1;β-乳球蛋白的酰胺I帶從1646.31 cm-1移到1642.22 cm-1,而酰胺II帶從1523.81 cm-1移到1523.72 cm-1。紅外光譜的變化說明C3G對四種乳蛋白的二級結構產生了影響。α-酪蛋白和β-酪蛋白加入C3G后的酰胺I帶增強,初步判定C3G使這兩種乳蛋白的α-螺旋增加;乳清蛋白和β-乳球蛋白加入C3G后的酰胺I帶減弱,表明其α-螺旋在加入C3G后降低了。
α-螺旋二級結構的改變可以通過3300~3400 cm-1酰胺A帶(N-H伸縮振動)的改變來進行輔證[24]。圖5明顯看到波數3300~3400 cm-1附近有一明顯寬峰,其代表蛋白質的酰胺A帶,由N-H伸縮振動引起。C3G的加入引起α-酪蛋白的酰胺A帶波數從3423.84 cm-1右移至3338.02 cm-1,β-酪蛋白從3419.75 cm-1移至3317.59 cm-1,乳清蛋白從3301.25 cm-1移至3293.08 cm-1,β-乳球蛋白從3293.08 cm-1移至3288.99 cm-1。酰胺A帶的移動變化說明加入C3G后,這四種乳蛋白二級結構中氫鍵化形式與程度改變了。
圖5 矢車菊素-3-葡萄糖苷與α-酪蛋白(A)、β-酪蛋白(B)、乳清蛋白(C)、β-乳球蛋白(D)相互作用紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of cyanidin 3-O-glucoside and α-casein(A), β-casein(B),whey protein(C),β-lactoglobulin(D)and their complexes
如圖6所示,對比α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的圓二色譜圖,β-乳球蛋白在最大負峰的負橢圓率大于其他三種蛋白質,說明其α-螺旋含量最高,而α-酪蛋白和β-酪蛋白的圖形最相近,且都在215 nm附近有一個小肩縫,表示無規(guī)則卷曲[25]。α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的負吸收峰分別位于203、199、207和214 nm,C3G使四種乳蛋白CD譜圖的負峰都向右紅移,且負峰的強度也有所變化,再次驗證了C3G的加入對乳蛋白二級結構產生了影響。從表5可直觀看到加入C3G后,α-酪蛋白的α-螺旋由7%升至8%,β-折疊和轉角從48%降至44%,無規(guī)則卷曲含量上升;β-酪蛋白的α-螺旋由5%到6%,β-折疊和轉角含量由38%升至41%,但無規(guī)則卷曲含量下降;乳清蛋白的α-螺旋、β-折疊和轉角、無規(guī)則卷曲均無明顯變化;β-乳球蛋白的α-螺旋從25%降到21%,β-折疊和轉角由25%升高至30%,與其他三種乳蛋白相比,C3G對β-乳球蛋白的α-螺旋、β-折疊和轉角的影響最大。研究表明,植物多酚化合物與球狀蛋白有著強烈的相互作用,并可能導致蛋白質展開[26]。C3G對β-乳球蛋白的主要二級結構產生了明顯的影響,其α-螺旋含量的降低預示著α-螺旋中氫鍵的斷裂使蛋白質結構松散,可能轉化為β-轉角或無規(guī)則卷曲。綜上所述,圓二色譜的結果證明了C3G與這四種乳蛋白的相互作用導致蛋白質的二級結構的變化,其中對α-螺旋結構的影響與紅外光譜結果一致。
圖6 矢車菊素-3-葡萄糖苷與α-酪蛋白(A)、β-酪蛋白(B)、乳清蛋白(C)、β-乳球蛋白(D)體系的圓二色譜圖Fig 6 CD spectra of cyanidin 3-O-glucoside and α-casein(A),β-casein(B),whey protein(C),β-lactoglobulin(D)system
表5 四種乳蛋白及其與C3G復合物的二級結構含量Table 5 Secondary structure analysis from the free protein and their complexes
通過熒光光譜法發(fā)現C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白均可形成不發(fā)光的穩(wěn)定復合物產生靜態(tài)猝滅現象,且隨著C3G濃度的增加這四種蛋白質熒光猝滅越明顯。由熱力學參數判定C3G與β-酪蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白分子間作用力為靜電引力,與α-酪蛋白分子間作用力為氫鍵與范德華力,結合力最強。通過紅外光譜法和圓二色譜法的測定得出C3G對α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白的二級結構產生了影響,對β-乳球蛋白的二級結構影響最大。且加入C3G后α-酪蛋白和β-酪蛋白的α-螺旋含量增加,而乳清蛋白和β-乳球蛋白的降低。
C3G與α-酪蛋白、β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白之間有較強的相互作用,與α-酪蛋白分子間作用力為氫鍵與范德華力,與β-酪蛋白、乳清蛋白和β-乳球蛋白間作用力主要是靜電引力,并與α-酪蛋白結合最緊密。紅外光譜和圓二色譜均表明C3G與四種乳蛋白相互作用引起乳蛋白構象發(fā)生改變。本文闡述了C3G與四種乳蛋白之間的相互作用機制,為其生物學特性的深入研究和工業(yè)化生產技術開發(fā)提供一定依據。此外,C3G與四種乳蛋白相互作用的影響因素以及相互作用機制的了解還不夠全面,四種乳蛋白對C3G的保護作用仍需進一步深入研究。最終將其廣泛應用于食品工業(yè)、醫(yī)藥、化妝品等領域,合理利用兩者之間的相互作用,確保在不破壞食品品質的基礎上,充分發(fā)揮C3G的功能特性。