吳麗雯，龍 瀾，袁名遠，郭 陽，羅 凱*，張 強#

(1.湖北民族大學 生物與食品工程學院，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學院，湖北 恩施 445000；3.西南大學 農(nóng)學與生物科技學院，重慶 400715)

硒是生物體必需的微量元素之一[1]，它在生物體內具有抗氧化、抗腫瘤、預防心腦血管疾病、免疫調節(jié)、抗炎、防克山病和大骨節(jié)病等多種重要生理功能[2-8].硒攝入不足或過多都會導致疾病的發(fā)生[9]，如硒缺乏會導致人體抗氧化功能障礙[10].科學膳食補硒是一種有效、安全的補硒形式，可通過植物轉化、動物轉化、微生物轉化等途徑將有毒的無機硒轉化為安全的有機硒[11].硒蛋白是植物中有機硒的主要存在形態(tài)之一[12]，通常能以水、鹽、酸、堿、酶、醇等化學方法、物理方法和其他輔助方法提取[13].

四季豆(Kidney bean)是普通菜豆(PhaseolusvulgarisL.)的中文別名；在分類學上屬豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionoidae)菜豆族(Phaseoleae)菜豆屬(Phaseolus)菜豆種，是一種一年生草本植物[14].四季豆原產(chǎn)于中南美洲，15世紀后傳入中國.由于其對土壤具有廣泛適應性，在我國各地均有種植[15].四季豆既可作為有嫩莢的蔬菜食用，其干籽也可作為散裝食品食用，倍受大眾青睞；這是歸因于其嫩莢和干籽粒中均含有人體所必需的8種氨基酸以及其他豐富的營養(yǎng)成分[16-17].

四季豆葉片是一種潛在的蛋白質資源，生物量大，品質好.然而，收獲四季豆果實后，除小部分葉片可用作禽畜飼料外，其余大部分都被丟棄或者焚燒，因此造成了環(huán)境污染和資源浪費.目前，關于富硒四季豆葉蛋白(leaf protein of selenium-enriched kidney bean，SKP)的提取及其抗氧化活性研究的報道很少.本研究結合恩施州富硒的特點，采用響應面法優(yōu)化了恩施地區(qū)SKP的堿提酸沉提取工藝，并研究了其體外抗氧化活性，以期為進一步開發(fā)SKP、提高其生物價值和經(jīng)濟價值提供參考.

1 材料與方法

1.1 原料

選用恩施本地四季豆(自留種)葉片，由恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學院提供.采用葉面噴施硒肥的方法對四季豆葉片進行富硒處理，噴施硒溶液的質量濃度為0.048 g/m2(以硒計)，從苗期到開花前噴施硒肥5次，每次間隔7天，均勻噴灑至葉片上.

1.2 主要試劑

包括考馬斯亮藍G-250、牛血清白蛋白、2,2′-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)、1,1-二苯基-2-苦肼基(DPPH)，由上海源葉生物公司提供;硒標準溶液,由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供;鹽酸、硝酸為國產(chǎn)優(yōu)級純，其他試劑均為國產(chǎn)分析純.

1.3 主要儀器與設備

包括粉碎機(德清拜杰電器有限公司，BJ-800A)、電熱恒溫鼓風干燥箱(上海新苗公司，DHG-9243BS-Ⅲ)、分析天平(德國Sartorius公司，BS-124S)、pH計(梅特勒公司，F(xiàn)E20K)、離心機(湖南湘立公司，TG16-WS/CenLee20R)、真空冷凍干燥機(寧波新芝公司，S-18N)、凱氏定氮儀(海能公司，K9840)、紫外-可見分光光度計(日本島津公司，UV-1900)、全波長酶標儀(美國Molecular Devices公司，Spectra Max190)、雙道原子熒光光度計(北京海光儀器公司，AFS-9760).

1.4 試驗方法

1.4.1 牛血清蛋白標準曲線的制備 采用考馬斯亮藍法(Bradford法)[18]繪制牛血清蛋白溶液標準曲線，其線性回歸方程為y=0.005 5x+0.001 2，R2=0.999 6.

1.4.2 SKP提取工藝流程 堿提酸沉法不僅是提取植物葉片粗蛋白應用最多的方法[19]，也是適用于植物體內硒蛋白提取的方法[20].參考李雪[21]的方法并改進提取SKP：將富硒四季豆葉片采摘后于80 ℃烘箱中烘干，粉碎過80目篩；取一定量過篩后的富硒四季豆葉粉，溶于適量濃度的NaOH溶液，適當溫度下加熱浸提2 h，再經(jīng)6 000 r/min離心處理20 min取上清液；之后采用最佳等電點法加入乙酸酸沉過夜，再經(jīng)8 000 r/min離心處理10 min取沉淀物；最后將沉淀物提前預凍后進行真空冷凍干燥，得到SKP粉末.

1.4.3 SKP提取率的測定 采用1.4.1中的Bradford法，測試堿提離心后的富硒四季豆葉片上清液中的可溶性蛋白質含量，根據(jù)測得的牛血清蛋白標準曲線計算樣品溶液中的蛋白質含量.SKP的蛋白質總含量按照《食品安全國家標準-食品中蛋白質的測定》(GB 5009.5-2016)中凱式定氮法測定[22]，其蛋白質的質量分數(shù)為(53.46±0.09)%，SKP提取率計算公式為E=m1/m2×100%.式中：E為SKP提取率(%)；m1為上清液中SKP總量(mg)；m2為SKP總量(mg).

1.4.4 總硒含量的測定 參考《食品中硒含量的測定》(GB 5009.93-2017)，采用氫化物-原子熒光光譜法[23]測定富硒四季豆葉粉原料和堿提酸沉工藝最優(yōu)條件下蛋白質中的總硒：C=m3/m4.式中：C為總硒含量(μg/g)；m3為樣品中硒的質量(μg)；m4為樣品質量(g).

1.4.5 SKP提取單因素試驗 固定提取溫度為60 ℃、料液比為1∶30 g/mL、NaOH溶液濃度為0.1 mol/L，考察提取時間(30、60、90、120、150、180 min)對SKP提取率的影響；固定提取時間為120 min、料液比為1∶30 g/mL、NaOH溶液濃度為0.1 mol/L，考察提取溫度(50、55、60、65、70 ℃)對SKP提取率的影響；固定提取時間為120 min、提取溫度為60 ℃、NaOH溶液濃度為0.1 mol/L，考察料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL)對SKP提取率的影響；固定提取溫度為60 ℃、提取時間為120 min、料液比為1∶20 g/mL，考察NaOH溶液濃度(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mol/L)對SKP提取率的影響.

1.4.6 SKP提取響應面法優(yōu)化試驗 考慮到堿提酸沉法是先堿提后酸沉分步進行的，所以在單因素試驗的基礎上，確定提取時間A(min)、提取溫度B(℃)、料液比C(g/mL)、NaOH濃度D(mol/L)為考察自變量，以SKP提取率為響應值，利用Design-Expert.V8.0.6.1軟件，采用響應面法設計4因素3水平試驗，得到優(yōu)化提取SKP工藝的最佳參數(shù)；在最佳提取工藝參數(shù)下再確定酸沉的最適宜pH值.

1.4.7 驗證試驗 根據(jù)響應面法優(yōu)化試驗工藝，進行驗證試驗并重復3次，以驗證工藝的可靠性和穩(wěn)定性.

1.4.8 SKP等電點的確定 參考文獻[24]并改進，在SKP提取工藝的最佳條件下測試其等電點，分別取SKP堿提液5份，每份10 mL，用乙酸將pH值調整為4.2、4.3、4.4、4.5、4.6；靜置1 h后，通過離心處理(8 000 r/min，10 min)收集上清液，用Bradford法測定上清液中蛋白質的殘留量.

1.4.9 氨基酸組成分析 按照《食品安全國家標準-食品中氨基酸的測定》(GB 5009.124-2016)[25]測定SKP粉末中的氨基酸組成.

1.4.10 SKP體外抗氧化活性測定 DPPH自由基清除能力的測定參考倪慶圓[26]、Ahn等[27]的方法并加以改進.ABTS自由基清除能力的測定參考Perez等[28]的方法并加以改進；羥基自由基清除能力的測定參考Mojica等[29]的方法并加以改進；超氧陰離子自由基清除能力的測定參考金小乂等[30]的方法并加以改進.4種自由基的清除率計算公式為：A=[1-(A2-A0)/A1]×100%.式中：A為自由基清除率(%)；A2為樣品組吸光值；A1為對照組吸光值；A0為空白組吸光值.

1.5 數(shù)據(jù)處理

單次試驗重復3次，測定結果以(平均值±標準差)表示，使用Excel 2017處理數(shù)據(jù)，使用SPSS 16.0進行顯著性分析，使用OriginPro 9.1繪圖.

2 結果與分析

2.1 總硒和蛋白質的測定

結果表明，亞硒酸鈉溶液在0～50 μg/L質量濃度范圍內與熒光值有良好的線性關系，其線性回歸方程為y=93.923x-5.395，R2=0.999 8.此條件下測得富硒四季豆葉片總硒和堿提酸沉工藝最優(yōu)條件下SKP的總硒含量分別為(1.40±0.10)μg/g、(2.29±0.06)μg/g，均達到《富硒含硒食品與相關產(chǎn)品硒含量標準》(DB61/T 556-2018)中規(guī)定.采用凱式定氮法測定富硒四季豆葉片、堿提酸沉工藝最優(yōu)條件下的蛋白質質量分數(shù)，分別為(26.02±0.14)%、(53.46±0.09)%；說明SKP是一種良好的植物蛋白資源，可進一步開展分離純化研究.

2.2 SKP提取單因素試驗結果

2.2.1 提取時間對蛋白提取率的影響 如圖1(a)所示，隨著浸提時間的增加，SKP的提取率先增加后降低，說明浸提時間對SKP的提取率有一定的影響.當浸提時間為120 min時，蛋白提取率最高，為(32.02±1.71)%；但在提取時間120 min后，隨著提取時間的增加提取率反而下降，可能是因為蛋白質與堿液反應飽和后導致蛋白質溶出量較少、且反應時間過長導致SKP發(fā)生部分變性或者降解[31]；因此，選擇120 min為合適的提取時間.

2.2.2 提取溫度對蛋白提取率的影響 如圖1(b)所示，隨著提取溫度的不斷升高，SKP的提取率首先呈現(xiàn)上升趨勢，可能是由于蛋白質和堿液中的水分子、鹽離子等其他物質的相互作用隨著溫度升高而加強[32]，促使蛋白質在60 ℃時達到最大溶出量.但當提取溫度超過60 ℃時，蛋白質提取率下降，可能是由于溫度過高導致蛋白質變性、水解，或因氨基酸的外消旋作用而影響了蛋白質的溶出[33].因此，適宜的提取溫度應控制在60 ℃.

2.2.3 料液比對蛋白提取率的影響 如圖1(c)所示，首先蛋白提取率隨著料液比增加而迅速上升，這可能是由于初始反應階段富硒四季豆葉粉末在溶液體系中更易分散，蛋白質更好溶出.但隨著料液比的逐漸增大，一方面蛋白質質量濃度和黏度逐漸降低，另一方面蛋白質的溶解度可能達到了飽和狀態(tài)[34]，因此提取率趨于平緩.考慮到料液比過大會導致蛋白質提取對工業(yè)資源消耗增加，因此，選擇合適的提取料液比應是1∶20 g/mL左右.

2.2.4 NaOH溶液濃度對蛋白提取率的影響 如圖1(d)所示，SKP提取率隨著NaOH溶液濃度的增加而增加，當NaOH濃度增加到0.2 mol/L之后，蛋白質提取率提高幅度不大.這說明大部分蛋白質在NaOH溶液濃度為0.2 mol/L前就能夠溶出，這是因為堿液濃度逐漸增加時蛋白質之間的作用大于蛋白質和水之間的作用所致[35].一般來說，由于高堿度環(huán)境有助于通過破壞氫鍵、破壞葉組織和提高蛋白質溶解度來提取植物葉蛋白，因此強堿性溶液能促進葉蛋白的溶解和提取[36].因此，選擇提取SKP的堿液濃度應控制在0.2 mol/L左右較適宜.但是，試驗發(fā)現(xiàn)堿液提取后的SKP顏色為深褐色，影響感官；這可能是因為高堿度條件下美拉德反應迅速發(fā)生，產(chǎn)生了黑褐色物質，導致了提取液中非蛋白質含量的增加，分離效果下降[37].若將其開發(fā)為產(chǎn)品可考慮增加后續(xù)的脫色和純化處理.

(a) 提取時間對蛋白提取率的影響 (b) 提取溫度對蛋白提取率的影響

(c) 料液比對蛋白提取率的影響 (d) NaOH濃度對提取率的影響圖1 SKP提取單因素試驗結果Fig.1 Single factor test results of SKP extraction rate

表1 響應面設計試驗因素水平及編碼Tab.1 Experimental factor leveland coding table of response surface design

2.3 SKP提取響應面法優(yōu)化試驗結果

2.3.1 響應面法試驗方案及結果 響應面試驗因素水平及編碼見表1.根據(jù)單因素試驗結果，選取提取時間(A)、提取溫度(B)、料液比(C)、NaOH溶液濃度(D)4個影響因素作自變量，采用Box-Benhnken設計4因素3水平試驗對SKP提取工藝進行優(yōu)化，結果如表2所示.

2.3.2 響應面模型的建立與分析 根據(jù)Design-expert 12.0對響應面模型進行多元回歸擬合分析，獲得了以蛋白質提取率為響應值的回歸方程：

Y=29.26+0.25A+0.046B-0.23C+0.011D+0.098AB-0.66AC-0.25AD+

0.28BC+0.31BD+0.20CD-1.96A2-0.50B2-1.16C2-0.71D2，

由回歸方程可知，A、B、C、D4個因素一次項系數(shù)的絕對值依次可排列為A>C>B>D，確定了各因素對富硒蛋白提取率的影響順序為：提取時間>料液比>提取溫度>NaOH溶液濃度.

對響應面回歸模型進行方差分析，結果如表3所示，回歸模型F值為25.92，模型P值<0.000 1，表明試驗模型極顯著，試驗方法可靠；失擬項P=0.884 0(>0.05)，表明失擬項不顯著，未知因素對試驗影響不大.相關系數(shù)R2=0.962 9，模型預測值與真實試驗值在試驗范圍內有較好的擬合度.A2、B2、C2、D2對蛋白提取率的影響達到極顯著水平(P<0.01)，提取時間、料液比對葉蛋白提取率的影響達到顯著水平(P<0.05).

表2 SKP提取響應面優(yōu)化試驗結果Tab.2 Response surface optimization experimental results extracted by SKP

表3 回歸模型方差分析Tab.3 ANOVA of regression model

2.3.3 響應面交互作用分析 圖2為提取時間(A)、提取溫度(B)、料液比(C)、NaOH溶液濃度(D)4因素的交互作用響應面圖.在響應面圖中，若由頂點向下的曲面坡度越大，則說明圖中的單因素對響應值的影響越大.在二維等高線圖中，等高線線圈的橢圓程度體現(xiàn)不同的意義：若圖中兩個單因素對響應值的交互作用越顯著則線圈越橢圓，相反不顯著則線圈越圓.提取時間和料液比兩因素交互作用的響應面曲面較陡峭，說明這兩項交互作用顯著；而提取溫度和NaOH溶液濃度交互作用的響應面曲面則較平緩，對應的等高線圈也較圓，說明這兩項交互作用不顯著；這與方差分析結果一致.

2.3.4 驗證試驗 經(jīng)過響應面法優(yōu)化后得到SKP的堿提工藝條件為：提取時間為122.29min、提取溫度為60.92 ℃、料液比為1∶18.95g/mL、NaOH溶液濃度為0.22mol/L；此條件下葉蛋白提取率為30.06%.綜合考慮實際情況，對SKP的提取工藝最優(yōu)條件進行了修正：提取時間為120min、提取溫度為60 ℃、料液比為1∶20g/mL、NaOH溶液濃度為0.2mol/L；此條件對富硒四季豆葉片進行提取，實際提取率為(29.92±1.28)%，與提取率理論值30.06%相差不大，表明該模型能較好地預測SKP的提取.

2.4SKP等電點測定結果分析

在最優(yōu)提取工藝條件下，采用等電點沉淀法將蛋白質沉淀下來，用Bradford法測得上清液在波長595nm處的吸光度大小與葉蛋白含量呈正相關[38]；因此，上清液中葉蛋白含量最低時的pH值即是沉淀SKP的最佳pH值.如圖3所示，吸光度隨著pH值的升高先降低后增加，當pH值為4.4時吸光度最低，即蛋白質接近完全沉淀.因此，SKP沉淀的最適pH值為4.4.

圖2 各因素交互作用對蛋白質提取率影響的響應面圖Fig.2 Response surface three-dimensional map of the effect of the interaction of various factors on the protein extraction rate

圖3 SKP等電點測試Fig.3 Determination ofisoelectric point of SKP

2.5氨基酸組成分析

SKP中各氨基酸含量及占總氨基酸比例見表4.對SKP進行氨基酸檢測，結果表明其含有16種氨基酸，但由于色氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺和胱氨酸在酸性條件下已水解，色氨酸被破壞，其他氨基酸側鏈酰胺基水解為羧基導致未被檢測到[28].SKP中含有8種人體必需氨基酸中的7種(色氨酸除外)，占總氨基酸比例為35.96%；含量從高到低依次為：亮氨酸(Leu)>苯丙氨酸(Phe)>纈氨酸(Val)>賴氨酸(Lys)>酪氨酸(Tyr)>異亮氨酸(Ile)>蛋氨酸(Met).此外，SKP的非必需氨基酸中谷氨酸、丙氨酸、天冬氨酸的含量較高.疏水氨基酸約占44.86%，高含量的疏水氨基酸為制備抗氧化活性蛋白、肽提供了物質基礎[38].

表4 SKP氨基酸組成含量及占總氨基酸比例Tab.4 Analysis of SKP amino acid composition content and proportion of total amino acids

2.6最優(yōu)條件下SKP體外抗氧化活性分析

使用SPSS16.0軟件來計算半抑制濃度(halfmaximalinhibitoryconcentration，IC50).IC50值可表示不同抗氧化劑的抗氧化性強弱：值越低表明其自由基清除能力越強[39].

2.6.1DPPH自由基清除活性 如圖4(a)所示，在樣品質量濃度為0.5～3.0mg/mL范圍內，Vc比SKP對DPPH自由基有更明顯的清除作用.隨著SKP質量濃度的增加，其DPPH自由基清除能力從(72.05±0.1)%不斷增大到(90.91±0.31)%，在樣品濃度0.5～2.0mg/mL范圍內變化較為明顯，在樣品濃度2.0～3.0mg/mL范圍內變化平緩，IC50=0.167mg/mL.金小乂等[30]研究發(fā)現(xiàn)無論是低硒(37.81μg/g)還是高硒(64.78μg/g)的花生秧蛋白，在濃度0.25～2.0mg/mL范圍內對DPPH自由基的清除率均能達到了70%，之后趨于穩(wěn)定；表明硒與蛋白在清除自由基方面有協(xié)同作用.

(a) DPPH自由基清除率 (b) ABTS自由基清除率

(c) 羥基自由基清除率 (d) 超氧陰離子自由基清除率圖4 SKP體外抗氧化活性試驗結果Fig.4 SKP in vitro antioxidant test results

2.6.2ABTS自由基清除活性 如圖4(b)所示，在樣品濃度為0.5～3.0mg/mL范圍內，Vc隨著濃度的增加對ABTS自由基的清除效果變化不大；但SKP隨著質量濃度的增加其對ABTS自由基的清除能力增加幅度較大，從(36.73±0.74)%不斷增大到(98.30±0.23)%，IC50=0.892mg/mL，且當濃度為3.0mg/mL時與Vc的自由基清除率接近.

2.6.3 羥基自由基清除活性 如圖4(c)所示，在樣品濃度為0.5～3.0mg/mL范圍內，相對于SKP而言，Vc對羥基自由基清除效果更明顯；隨著SKP質量濃度的增加其羥基自由基清除能力從(23.89±0.56)%不斷增大到(71.67±0.57)%，IC50=1.51mg/mL，但與Vc的自由基清除率始終有差距.張瑞等[40]的研究表明低、中、高硒含量的核桃蛋白在濃度為0.2～1.0mg/mL范圍內對羥基自由基的清除能力均會隨著樣品濃度增加而增大，且高硒含量的核桃蛋白清除羥基自由基的能力優(yōu)于低、中硒含量的核桃蛋白.

2.6.4 超氧陰離子自由基清除活性 如圖4(d)所示，在樣品濃度為0.5～3.0mg/mL范圍內，Vc對超氧陰離子自由基清除能力更明顯；而隨著SKP質量濃度的增加，其對超氧陰離子自由基清除能力從(41.70±0.16)%增大到(53.55±0.41)%，IC50=2.00mg/mL，但同濃度下清除率遠低于Vc.馬玲等[41]發(fā)現(xiàn)富硒平菇水溶性蛋白在濃度為1.0mg/mL時對超氧陰離子自由基的清除率達到最大值51.9%.成華等[42]研究發(fā)現(xiàn)海水鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis)C-藻藍蛋白富硒后會體現(xiàn)出較高的超氧陰離子自由基清除能力.不同來源的硒蛋白對自由基的清除能力有所差異，可能是因為各類硒蛋白結構不同導致其功能高低也有差距[43].

3 結論

以恩施富硒四季豆葉片為材料，采用堿提酸沉法提取SKP；通過單因素試驗和響應面法確定了SKP的最佳提取工藝條件為：提取時間為120min、提取溫度為60 ℃、料液比為1：20g/mL、NaOH溶液濃度為0.2mol/L；在此條件下葉蛋白的提取率為(29.92±1.28)%.氨基酸分析表明，該蛋白有人體必需的7種氨基酸，占總氨基酸比例為35.96%；疏水氨基酸占比約44.86%，為制備抗氧化活性蛋白、肽提供了物質基礎.SKP對自由基的清除能力在濃度0.5～3.0mg/mL范圍內隨著蛋白質量濃度的增加而增大，表明SKP的添加量與自由基的清除率具有一定的協(xié)同效應；而且SKP對自由基的清除能力存在差異，這可能是由于SKP的硒蛋白結構不同所致.但制備的SKP樣品顏色較深，若計劃在后續(xù)研究中進一步探索相關產(chǎn)品的開發(fā)，可考慮脫色和純化處理.