吳曉江,童火艷,萬 茵,付桂明,劉成梅
(食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,南昌大學(xué)食品學(xué)院,江西南昌 330031)
大米蛋白的氨基酸組成合理,與WHO/FAO 的推薦值很接近,具有生物價值高、低致敏性、氣味清淡,無刺激性氣味的優(yōu)點,被公認(rèn)為一種優(yōu)質(zhì)的植物蛋白[1]。另外大米蛋白還具有抗氧化、降血壓、抗癌和抑制肥胖等生理功效,在預(yù)防慢性疾病方面發(fā)揮著積極的作用[2-4]。然而,與大多數(shù)的谷物蛋白一樣,因其較低的水溶性,導(dǎo)致其較差的功能性質(zhì)(例如溶解性、表面活性、起泡性、乳化性等),而這極大的限制了大米蛋白的應(yīng)用和開發(fā)。研究表明造成大米蛋白溶解性差的主要原因是存在于大米蛋白多肽鏈內(nèi)和鏈間大量的二硫鍵、和其蛋白表面存在較多的疏水性氨基酸殘基[5]。因此為了增加大米蛋白的溶解性,有必要降低大米蛋白的分子量,促進蛋白與水的相互作用,進而增加其水溶性,改善其功能性質(zhì)。
已經(jīng)有多種改性技術(shù)手段被用作改善大米蛋白的溶解和功能性質(zhì),根據(jù)技術(shù)手段改性原理可以分為:物理改性、化學(xué)改性、生物改性、基因工程改性等[6-7]。其中生物改性特指酶法改性。酶法改性具有反應(yīng)條件溫和、可控性強、且不易產(chǎn)生毒副作用的優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于大米蛋白的改性。王威,Zhao 和Nisov 等研究不同種類蛋白酶酶解對大米蛋白功能性質(zhì)影響,研究表明酸性蛋白酶,堿性蛋白酶,中性蛋白酶和胰蛋白酶可以提高大米蛋白的水溶性,其在中性條件下蛋白回收率介于50%~75%,具有較高的蛋白回收率,且制備的大米蛋白水解產(chǎn)物的功能性質(zhì)和抗氧化性質(zhì)由蛋白酶的種類決定[8-10]。
角蛋白是一種不溶性、高度穩(wěn)定的蛋白質(zhì),具有很高的機械穩(wěn)定性和大量的二硫鍵,因而無法被常見的蛋白酶酶解,例如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶。角蛋白酶是一種可專一地降解角蛋白的蛋白酶類,可由多種微生物產(chǎn)生[11]。目前角蛋白酶已被廣泛應(yīng)用于脫毛、皮革和紡織工業(yè),化妝品等領(lǐng)域,能夠高效的降解羽毛、羊毛、指甲、頭發(fā)及角質(zhì)層等角質(zhì)蛋白,廢物再利用[12]。但關(guān)于角蛋白酶對大米蛋白的降解未見報道。因此本研究采用角蛋白酶對大米蛋白進行酶解改性,制備不同水解度(DH0 的大米蛋白水解產(chǎn)物,測定其起泡性和起泡穩(wěn)定性和氨基酸組分,并采用聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE),圓二色譜和內(nèi)源性熒光測定水解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu),研究結(jié)果將為大米蛋白的酶解改性提供一定的理論依據(jù)。
大米濃縮蛋白 由碎米經(jīng)堿溶酸沉、耐高溫α 淀粉酶除雜,水洗數(shù)次之后氣流干燥制得,蛋白含量85.4%,脂肪含量3.41%,灰分含量2.04%,水分含量2.19%,由江西金農(nóng)公司提供。角蛋白酶,比酶活:200 kU/g,最佳pH=11,最佳反應(yīng)溫度60 ℃,由濟南諾能生物工程有限公司提供。
HH-6 數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇常州國華電器有限公司;DFY-500 粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;SP-756P 紫外-可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司;TGL-16B 高速冷凍離心機 美國熱電公司;Mini PROTEAN 電泳儀 美國Bio-Rad 公司;L-8900 氨基酸分析儀、F7000 熒光分光光度計 日本HITACH 公司;MOS-450 圓二色譜儀 法國Bio-Logic SAS 公司 JSM-6701F 場發(fā)射掃描電鏡帶能譜儀 日本電子公司。
1.2.1 不同DH 大米蛋白水解產(chǎn)物的制備 稱取10 g大米蛋白溶于250 mL 的蒸餾水中,攪拌1 h,使其充分水化。調(diào)節(jié)溶液pH9,溫度60 ℃。然后按2000 U/g加酶量添加角蛋白酶,實驗過程中通過不斷滴加2 mol/L NaOH 維持反應(yīng)體系的pH 不變。分別制備5、10、25、45、80、120、240 min 水解時間下對應(yīng)的水解產(chǎn)物,對照組為未經(jīng)過酶解的樣品。將不同水解時間的大米蛋白滅酶(95 ℃,10 min)后冷卻至室溫,并調(diào)節(jié)混合體系pH=7 后,然后在5000 r/min 條件下離心15 min,取上清液,在-80 ℃冷凍24 h 后凍干成粉,用于后續(xù)測定。
1.2.2 DH 測定 根據(jù)Xu 等[13]的方法采用pH-Stat法測定大米蛋白的DH。從添加角蛋白酶至反應(yīng)體系中開始計時,在整個反應(yīng)過程不斷滴加2 mol/L NaOH 維持反應(yīng)體系的pH=9,記錄相應(yīng)的反應(yīng)時間和對應(yīng)消耗的的2 mol/L NaOH 的體積。不同水解時間下大米蛋白的DH 計算公式如下:
其中:B 為消耗的堿的體積mL;Nb為堿的摩爾濃度mol/L;;Mp為底物蛋白質(zhì)的含量g;htot為大米蛋白中肽鍵的理論值,7.40 meq/g 大米蛋白。
1.2.3 不同酶解時間下大米蛋白回收率測定 不同水解時間的大米蛋白在中性條件下的蛋白回收率根據(jù)以下公式進行計算:
式中:上清液中蛋白質(zhì)量為1.2.1 中上清液蛋白質(zhì)量,上清液中蛋白含量采用福林酚法測定[9],并以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白制作標(biāo)準(zhǔn)曲線;總蛋白質(zhì)量為10 g。
1.2.4 蛋白起泡性及起泡穩(wěn)定性研究 根據(jù)劉成梅等[14]的方法,稱取50 mg 蛋白溶于25 mL 去離子水中,用0.1 mol/L 的NaOH 將上述蛋白溶液pH 調(diào)至10,于10000 r/min 條件下用高速分散機分散1 min,記錄分散停止時泡沫體積,靜置30 min 后再次測定泡沫體積,計算起泡穩(wěn)定性。選用乳清蛋白(WPC)作為對照蛋白。起泡性(Foaming ability,F(xiàn)A)和起泡穩(wěn)定性(Foaming stability,F(xiàn)S)計算公式如下:
1.2.5 水解產(chǎn)物氨基酸分析測定 精確稱取一定量的樣品置于水解管中,加入6 mol/L 的HCl 溶液,真空封口,在110 ℃下水解24 h,冷卻后定容、過濾、蒸干,取濾液1 mL 于小燒杯中,真空干燥后加入1 mL 0.02 mol/L 的HCl 溶液,在空氣中放置30 min后,采用氨基酸分析儀測定氨基酸的含量(色氨酸除外)。
1.2.6 SDS-PAGE 分析 采用SDS-PAGE 對不同DH大米蛋白水解產(chǎn)物的分子量進行標(biāo)準(zhǔn),具體方法參考Sun 等人方法,并作一定的調(diào)整[15]。配制含有0.1% SDS 的12%的分離膠和4%的濃縮膠。配制濃度5 mg/mL 的蛋白樣品,蛋白樣液分別于還原性上樣緩沖液和非還原性上樣緩沖液以3:1 的比例進行混合,接著高速離心機進行離心0.5 min,然后95 ℃加熱處理10 min,再高速離心0.5 min。跑濃縮膠電壓為80 V,分離膠電壓為120 V。最后進行染色和脫色處理。
1.2.7 圓二色譜分析水解產(chǎn)物的二級結(jié)構(gòu) 測定遠紫外區(qū)190~250 nm 范圍的CD 光譜。蛋白質(zhì)濃度為0.1 mg/mL,測定溫度為25 ℃,石英比色皿光徑為0.1 cm,分辨率為0.2 nm,譜帶寬度為1.0 nm。靈敏度為20 mdeg,響應(yīng)時間為0.25 sec,掃描速率為200 nm/min,重復(fù)掃描8 次,累加得到CD 譜圖。CD 光譜使用DICHROWEB 網(wǎng)站的SELCON3 方法進行分析[16]。
1.2.8 內(nèi)源性熒光分析 內(nèi)源性熒光測定參考Xu等[13]的方法。稱取一定量的蛋白質(zhì)溶解于10 mmol/L pH=7.0 磷酸緩沖液中,配置成0.01 mg/mL 的蛋白質(zhì)溶液。設(shè)置激發(fā)波長為280 nm,掃描300~500 nm范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度都設(shè)置為2.5 nm。
所有實驗結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差,各組之間的顯著性分析采用單因素方差分析,采用Ducan進行多重比較,所用軟件為SPSS 25.0,所有測試至少三次。
角蛋白酶處理對大米蛋白DH 和蛋白回收率的影響如圖1 所示。由圖可知,大米蛋白的DH 在前25 min 內(nèi)由0%快速增加至7.93%,25~240 min內(nèi)DH 緩慢增加,240 min 時DH 最大為16.77%。其中水解時間為0、5、10、25、45、80、120、240 min時,大米蛋白對應(yīng)的DH 分別為0%、3.09%、5.01%、7.93%、9.96%、12.05%、13.88%、16.77%,回收的大米蛋白水解樣品分別對應(yīng)標(biāo)記為DH0、DH3、DH5、DH8、DH10、DH12、DH14、DH17。大米蛋白回收率隨時間變化呈現(xiàn)出先快速增加后逐漸平緩的趨勢,前10 min 回收率由1.8%快速增加至75.06%,隨后緩慢增加,水解至80 min 時,對應(yīng)的回收率為92.05%,之后無顯著性變化(P>0.05)。
圖1 角蛋白酶水解時間對大米蛋白水解度與蛋白回收率的影響Fig.1 Effects of hydrolysis time of keratinase on the hydrolysis degree and protein recovery of rice protein
蛋白質(zhì)的多種功能性質(zhì)會受其溶解性影響,特別是增稠、起泡、乳化、凝膠等功能。大米谷蛋白,是大米蛋白中最主要的貯藏蛋白,以蛋白體的形式集中存在,大米谷蛋白因疏水作用和大量的二硫鍵交聯(lián),表現(xiàn)出高度的水不溶性[17-18]。本研究中蛋白回收率測定的是pH=7 時上清液中總蛋白占比總蛋白的比例。從圖1 中可以看出,角蛋白酶可顯著提高大米蛋白在中性條件下的蛋白回收率(P<0.05)。水解時間10~45 min,5%<DH<10%,大米蛋白回收率為73.0~76.4%,具有較高的回收率。大米谷蛋白與角蛋白結(jié)構(gòu)上兼存在大量的二硫鍵,角蛋白酶對大米蛋白高效的酶解作用可能與其降解角蛋白的機制類似,即既可以高效降解大米蛋白中的二硫鍵,又可以發(fā)揮蛋白酶的水解作用,將大米蛋白水解[11]。之前的研究表明大米蛋白的回收率主要受蛋白酶種類影響,酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶及復(fù)合蛋白酶等水解大米蛋白后,大米蛋白回收率在50%~72%范圍[8,9,19]。對比可知,角蛋白酶是一種可高效水解大米蛋白的蛋白酶。
不同DH 大米蛋白的起泡性和起泡穩(wěn)定性結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出與DH0 和WPC 相比,水解后的大米蛋白的起泡性均得到了顯著的提升(P<0.05)。起泡能力由強到弱依次為DH8>DH5>DH3>DH10>DH12>DH14>DH17>DH0,整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。DH8 的起泡性在所有水解產(chǎn)物中最強,為172%,相比DH0,提升了40.0%,相比WPC 提高了46.5%。起泡穩(wěn)定性結(jié)果表明,大米蛋白水解產(chǎn)物與WPC 都具有較好的穩(wěn)定性,其起泡穩(wěn)定性均在95%~99%,各組之間無顯著性差異(P>0.05)。
圖2 不同水解度大米蛋白水解產(chǎn)物起泡性及起泡穩(wěn)定性Fig.2 Foamability and foaming stability of rice protein hydrolysate with different degree of hydrolysis
溶解是保證蛋白起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的必要條件之一,溶解后的蛋白能夠快速擴散至空氣/水界面,降低表面張力,從而擁有較好的起泡性。本研究大米蛋白水解產(chǎn)物取自中性條件下的上清液,其起泡性都明顯優(yōu)于未水解的大米蛋白的起泡性(P<0.05)。這可能是因為大米蛋白水解產(chǎn)物主要由小分子肽構(gòu)成,而小分子肽具有更好的兩親性和表面活性能力,能快速進入氣液界面展開并重組界面,因此起泡性得到增強[20]。但當(dāng)DH 超過8%時,隨著DH 的增加,起泡性呈不斷下降趨勢??赡苁荄H 太大時,溶液中電荷數(shù)目激增,降低氣液薄膜強度,過度的自我交聯(lián)使片層彈力損失而導(dǎo)致泡沫塌陷,因而泡沫易破裂[21]。蛋白的泡沫穩(wěn)定性主要由蛋白質(zhì)溶液的流變學(xué)性質(zhì)決定,如吸附膜中蛋白質(zhì)的水合、濃度、膜厚度等決定。決定蛋白質(zhì)泡沫穩(wěn)定性的因素包括溶液的表面張力、表面粘度、液膜氣體通透性和分子表面電荷。其中關(guān)鍵的因素是表面粘度和液膜的彈性[21]。實驗結(jié)果表明各樣品在起泡穩(wěn)定性上無顯著性差異,可能是因為各樣品在表面粘度和液膜彈性上無明顯差異。
不同DH 大米蛋白水解產(chǎn)物的氨基酸組成如表1 所示。大米蛋白是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白,具有氨基酸組成合理,致敏性低的特點。大米蛋白氨基酸種類豐富,含有人體必須氨基酸,DH0 中含量排前五位的氨基酸分別為:谷氨酸(14.09%)、天冬氨酸(7.23%)、精氨酸(6.17%)、亮氨酸(5.90%)、纈氨酸(4.36%),這與崔沙沙等報道的基本一致[22]。相比DH0,大米蛋白水解產(chǎn)物的含硫氨基酸、疏水性氨基酸含量明顯降低(P<0.05)。半胱氨酸是大米蛋白二硫鍵形成的主要貢獻者,從表中可以看出水解之后半胱氨酸的含量降低明顯(P<0.05),這將有利于大米蛋白的溶解,與2.1 結(jié)果一致。
表1 不同水解度大米蛋白水解產(chǎn)物氨基酸組成(%)Table 1 Amino acid composition of rice protein hydrolysate with different degree of hydrolysis (%)
風(fēng)味氨基酸的分類根據(jù)王彩理等[23]報道的進行分類。相比DH0、DH8 中的苦味氨基酸(組氨酸、精氨酸、蛋氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸)降低了3.6%,而DH3 和DH17 中提高了1.8%,但無顯著性差異(P>0.05),說明水解后的大米蛋白的苦味沒有明顯的改變;除DH12、DH17 外,在水解樣品中鮮味氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸)的含量都得到了明顯提升(P<0.05),DH5 時提升最多(11.0%),這表明水解之后的大米蛋白具有更強烈的鮮味,有利于蛋白口感的提升;大米蛋白水解產(chǎn)物中甜味氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸)的含量均得到了顯著的提升(P<0.05),DH5 中提升程度最大(7.8%),甜味的提升同樣有利于消費者對水解蛋白樣品的接受。上述結(jié)果表明,大米蛋白水解產(chǎn)物相比原大米蛋白而言在鮮味和甜味、苦味均得到一定程度的提高,且甜味和鮮味氨基酸提升程度大于苦味氨基酸提升程度,這將有利于提高回收蛋白的口感。
大米蛋白及其水解產(chǎn)物的SDS-PAGE 如圖3所示。從第一泳道可以看出在此電泳條件下,蛋白marker 得到了較好的分離。RP 泳道(等同于DH=0 的泳道)出現(xiàn)30、20、12 kDa,還有分子量大于116 kDa的蛋白條帶。其中30、20 kDa 條帶分別對應(yīng)酸性的α 亞基和堿性的β 亞基,12 kDa 是谷醇溶蛋白,它是大米谷蛋白不可或缺的一部分。出現(xiàn)的大于116 kDa 的蛋白條帶是大米谷蛋白的聚集體。這也是大米谷蛋白溶解性差的原因之一。這一結(jié)果與Xu 等[13]的測定結(jié)果一致。Amagliani 等[24]利用SDS-PAGE 技術(shù)對大米蛋白進行分子量表征,發(fā)現(xiàn)存在大于250 kDa 的蛋白聚集體條帶,與本研究中出現(xiàn)的大分子條帶類似。DH3~DH10 樣品的泳道出現(xiàn)的蛋白條帶主要在20 kDa 以下,且14.4 kDa 以下為主。DH 大于10%(DH12-DH17)水解產(chǎn)物的條帶集中在14.4 kDa,20 kDa 左右的條帶已消失。表明隨著角蛋白酶的酶解,大米蛋白的分子量不斷減小,大米蛋白被降解為分子量更小的多肽。這一結(jié)果也與驗證了2.1 中大米蛋白的回收率大幅增加以及2.2 中大米蛋白水解產(chǎn)物起泡性提高的猜想。水解產(chǎn)物分子量的降低也進一步說明角蛋白酶作用大米蛋白的可能機理是先還原大米蛋白中的二硫鍵,然后繼續(xù)將其進行水解,從而產(chǎn)生分子量更小的多肽[11]。
圖3 不同水解度大米蛋白水解產(chǎn)物的SDS-PAGEFig.3 SDS-PAGE of rice protein hydrolysate with different degree of hydrolysis
圓二色譜已逐漸被視作測定溶液狀態(tài)存在的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段之一[25]。不同DH 大米蛋白水解產(chǎn)物的圓二色譜計算結(jié)果如表2 所示。相比DH0,水解之后大米蛋白的二級結(jié)構(gòu)中α螺旋出現(xiàn)了顯著的降低(P<0.05),由9.07%降低至4.72%(DH17),β折疊也出現(xiàn)顯著的降低(P<0.05),由41.72%降低至38.15%(DH5),相反無規(guī)則卷曲含量出現(xiàn)了明顯的增加(P<0.05),在DH10 中,無規(guī)則卷曲由25.27%增加至33.94%,增加了34.2%。
表2 不同水解度大米蛋白水解產(chǎn)物二級結(jié)構(gòu)Table 2 The secondary structure of rice protein hydrolysate with different degrees of hydrolysis
β折疊結(jié)構(gòu)被視作更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),而α螺旋,β轉(zhuǎn)角,和無規(guī)則卷+曲被視作更為靈活和松散的二級結(jié)構(gòu)[13,26]。由此可知,相比DH0,大米蛋白水解產(chǎn)物具有更加松散、靈活的二級結(jié)構(gòu),整體分子結(jié)構(gòu)松弛,分子柔性增加,這也從側(cè)面解釋了為什么水解后大米蛋白在中性條件下的回收率能大幅提升的原因,另外結(jié)合SDS-PAGE 的實驗結(jié)果,可以得出水解后的大米蛋白分子量更小,結(jié)構(gòu)更靈活,因而更容易吸附到空氣液體界面,從而提高其起泡性。王章存等[27]采用堿性蛋白酶酶解大米蛋白,發(fā)現(xiàn)酶解之后大米蛋白的α 螺旋含量明顯降低,而β轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲的比例大幅增加,這與本文結(jié)果基本一致。
內(nèi)源性熒光能夠反應(yīng)蛋白質(zhì)芳香族氨基酸在溶液中的暴露情況,即能夠反應(yīng)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。280 nm 激發(fā)波長下,熒光光譜主要反應(yīng)的是色氨酸和酪氨酸殘基的熒光特性。大米蛋白及其水解產(chǎn)物的內(nèi)源性熒光結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出,相比DH0,大米蛋白水解產(chǎn)物的熒光強度均得到了明顯提升,這表明由更多的色氨酸和酪氨酸殘基被暴露出來,更多的疏水性基團的暴露會改善蛋白質(zhì)的兩親性,進而影響蛋白質(zhì)的功能性質(zhì),如:溶解性和起泡性。研究表明,熒光峰位置紅移表明色氨酸殘基暴露在溶劑中,藍移則表明色氨酸基團位于更加疏水的環(huán)境中[28]。另外,相較于DH0,大米蛋白水解產(chǎn)物的整體波峰發(fā)生了明顯的紅移,這表明更多的色氨酸殘基被暴露于水相,被轉(zhuǎn)移到分子表面,原先包裹在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水基團暴露到分子表面,蛋白結(jié)構(gòu)會更加松散,這與圓二色譜的結(jié)果相吻合。大米蛋白水解產(chǎn)物的熒光強度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,在DH 小于10%時,隨著DH 的增加熒光強度增加,當(dāng)DH 大于10%時,隨著DH 的增加熒光強度下降。可能是因為當(dāng)大米蛋白被過度水解時形成的小分子肽結(jié)構(gòu)更靈活,在疏水相互作用下又重新聚集,從而出現(xiàn)熒光強度的下降[29]。
圖4 不同水解度大米蛋白水解產(chǎn)物的內(nèi)源性熒光Fig.4 Endogenous fluorescence of rice proteins hydrolysate with different degrees of hydrolysis
本研究采用角蛋白酶對大米蛋白進行改性,并對其起泡性,氨基酸組成和相關(guān)結(jié)構(gòu)進行測定。結(jié)果表明角蛋白酶能夠顯著提高大米蛋白在中性條件下的回收率,且回收蛋白具有較好的起泡性和起泡穩(wěn)定性。大米蛋白水解產(chǎn)物中甜味氨基酸、鮮味氨基酸含量顯著提升,這將有利于改善大米蛋白的風(fēng)味。SDS-PAGE 結(jié)果表明,角蛋白酶能夠?qū)⒋竺椎鞍姿鉃榉肿恿康陀?0 kDa 的小肽,且當(dāng)DH 大于10%時,分子量低于14.4 kDa。圓二色譜結(jié)果表明大米蛋白水解產(chǎn)物的二級結(jié)構(gòu)中無規(guī)則卷曲含量增加明顯,α螺旋和β折疊的含量則明顯下降,表明其結(jié)構(gòu)更柔和、松散,有利于提高其溶解性。內(nèi)源性熒光結(jié)果表明,相比未水解大米蛋白,大米蛋白水解產(chǎn)物的三級結(jié)構(gòu)中暴露出更多的疏水性氨基酸。綜上所述,角蛋白酶能夠?qū)⒋竺椎鞍捉到鉃榉肿恿扛?,結(jié)構(gòu)更靈活的柔性結(jié)構(gòu),從而提高大米蛋白的中性條件下的水溶性,改善其起泡性能和氨基酸組成。