燕麥分離蛋白疏水性及起泡性研究

田斌強，鄧乾春，黃娟，謝筆鈞

（1.河南農業大學煙草學院，河南鄭州450002；2.華中農業大學食品科技學院，湖北武漢430070；3.中國農業科學院油料作物研究所，湖北武漢430062）

燕麥分離蛋白疏水性及起泡性研究

田斌強1，2，鄧乾春3，黃娟2，謝筆鈞2

（1.河南農業大學煙草學院，河南鄭州450002；2.華中農業大學食品科技學院，湖北武漢430070；3.中國農業科學院油料作物研究所，湖北武漢430062）

采用堿提酸沉法從脫脂燕麥粉中提取得到了蛋白含量為93.01%的分離蛋白（OPI），分析其氨基酸組成，并用ANS熒光探針法研究pH、NaCl、蔗糖、CaCl2、AlCl3和尿素對燕麥分離蛋白疏水性和起泡性的影響。結果表明，OPI氨基酸組成接近FAO/WHO理想模式，pH對燕麥分離蛋白疏水性的影響最大，pH 2時疏水性最強，且酸性環境下的疏水性遠遠超過堿性環境。不同鹽離子對蛋白疏水性的影響程度和趨勢不一樣，隨AlCl3和尿素濃度增加，OPI疏水性減弱；而CaCl2和蔗糖濃度升高時蛋白疏水性增強。NaCl在低濃度（＜0.6mol/L）時蛋白疏水性減弱，高濃度時蛋白疏水性增強。不同因素對OPI起泡性也具有較大的影響，其變化趨勢與疏水性較為一致。另外，蔗糖的加入可提高OPI的起泡穩定性，而加入NaCl對其有所降低。

燕麥；分離蛋白；疏水性；ANS；起泡性

不同燕麥品種中蛋白質含量最高可達17.92%，最低為8.71%，多數在10%～15%之間[1]。燕麥蛋白是一種低過敏性的優質植物蛋白，已被應用于冷凍甜點、飲料、防曬霜、面膜、沐浴液、洗發水等產品當中[2]。關于燕麥蛋白研究主要涉及燕麥分離蛋白和濃縮蛋白的提取、成分分析、物化性質、功能性質和營養價值，尤其是化學和酶法改性后功能性質的變化情況[3-6]。由于球蛋白是燕麥總蛋白中的主要成分，含量高達70%以上，因此也有不少球蛋白的研究報道，比如已有學者通過凝膠過濾、電泳、元二色譜、差示掃描量熱、紫外、熒光、拉曼光譜等手段對燕麥球蛋白性質與結構進行了表征[7-9]。國內直到近些年才有相關文獻出現，目前的研究內容主要集中在燕麥麩皮蛋白的提取及功能性質研究方面[10]。

由于大多數食品或化妝品都是含水體系，所以，有必要了解燕麥蛋白在應用環境下一些相關特性的變化規律。水溶液中蛋白的疏水性是影響其在許多領域中可應用性的重要因素之一，目前為止鮮見有關燕麥蛋白疏水性研究的文獻報道。熒光探針法測定蛋白的表面疏水性操作簡單快速，是目前使用最廣泛的方法。本文通過ANS熒光探針法研究燕麥分離蛋白表面疏水性和起泡性，為燕麥分離蛋白應用于實際生產提供一定的理論基礎。

1 材料和方法

1.1 材料、試劑與儀器

燕麥：山西省農科院高寒植物研究所李剛研究員提供的晉燕八號裸燕麥；考馬斯亮藍試劑盒：南京建成生物工程研究所（批號20070329）；8-苯胺基-1-萘磺酸銨：ANS，Sigma公司；實驗所用其他試劑為分析純，水為去離子水；所用主要儀器有均質機：（PT2100，Kinematic AG）；離心機：（SCR20BC，日立公司）；熒光分光光度計：（960MC，上海精科儀器有限公司）。

1.2 燕麥與其分離蛋白提取

燕麥分離蛋白（OPI）的提取參考文獻[4]方法。OPI的得率用冷凍干燥后所得粉末的重量與原燕麥粉重量的比值表示。

1.3 蛋白質含量測定與氨基酸分析

原燕麥分和分離蛋白質中的蛋白質含量測定采用微量凱氏定氮法（換算系數6.25）。在疏水性測定中蛋白濃度用考馬斯亮藍試劑盒測定，操作步驟按照試劑盒說明書進行。燕麥蛋白氨基酸組成分析參考文獻[11]進行。

1.4 燕麥分離蛋白質疏水性和起泡性的測定

燕麥分離蛋白質疏水性采用王文高[12]的方法，起泡性的測定采用Xiao[10]的方法。

2 結果及討論

2.1 燕麥分離蛋白氨基酸分析

經分析所用晉燕八號燕麥的蛋白含量為17.52%，分離蛋白得率為11.32%，分離蛋白的蛋白含量為93.01%。

表1 燕麥分離蛋白氨基酸組成Table1 Amino acid composition of oat protein isolates（g氨基酸/100 g蛋白）

從表1可知，本實驗提取的燕麥分離蛋白其氨基酸各組分含量與Hinoat燕麥濃縮蛋白相當，必需氨基酸含量為28.37%（色氨酸沒有測定），接近FAO/WHO理想模式的35%，賴氨酸為第一限制性氨基酸，蛋氨酸為第二限制性氨基酸。OPI中疏水性氨基酸含量為33.54%，高于大豆分離蛋白的23.9%，可推測燕麥分離蛋白有比大豆分離蛋白較好的疏水性。

2.2 燕麥分離蛋白疏水性

2.2.1 pH對疏水性的影響

如圖1a所示，pH為2時，OPI的疏水性（S0）最強；當pH從2增至4時，S0急劇下降，直至pH6.0時降至最低，隨后隨pH增大分離蛋白疏水強度呈緩慢增長趨勢。這是因為在偏離等電點較遠時，OPI的溶解性較好，溶于緩沖液中的蛋白較多，從而總的暴露表面疏水區也相應增多；而在pI附近，OPI溶解性最低，因此有效蛋白濃度也減小。

2.2.2 鹽對OPI疏水性的影響

本實驗分別測定了0.2 mol/L～1.0 mol/L NaCl、CaCl2和AlCl3溶解的OPI的疏水性，結果見圖1b、1c和1d。從圖1b可以看出，隨著NaCl濃度的增高，疏水性值S0先下降后上升，當NaCl濃度為0.6mol/L時，S0最低。這可能是NaCl對蛋白的鹽溶鹽析作用，當NaCl濃度從0.2mol/L增至0.6mol/L時，蛋白凈電荷增加并因此帶上較厚的水化膠層，疏水性下降；但隨著NaCl濃度超過0.6mol/L繼續上升，因在蛋白分子表面疏水區域含有許多排列有序的水分子，而NaCl是很強的水結合劑，會將這些水分子抽出，從而暴露了疏水基團，使S0上升。

圖1 不同因素對OPI的疏水性的影響Fig.1 Effects of different factors on surface hydrophobicity of OPI

CaCl2對OPI疏水性的影響如圖1c所示。在整個觀測濃度范圍內，隨著CaCl2濃度的增加S0呈上升趨勢，即蛋白疏水性增加，這可能是由于Ca2+降低了非極性基團轉移到水中的自由能，使蛋白去折疊趨勢加強。

圖1d表明有AlCl3存在時，隨著AlCl3濃度的增大，疏水性呈下降趨勢。這與Ca2+對OPI疏水性的影響正好相反。這可能是因為鋁離子可以增大蛋白分子表面的凈電荷并使之帶上較厚的水化膠層，從而使暴露的疏水區域減小[13]。

鹽可以干擾蛋白溶液中蛋白與帶電集團和極性集團之間的相互作用，還可以通過修飾水的結構而影響蛋白質和水的疏水相互作用。對水結構的影響程度依賴于其陽離子和陰離子的本質。一般陽離子對水結構影響大小的順序為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+。此序列中靠前的離子可以降低將非極性基團轉移到水中的自由能，并弱化蛋白質分子間的疏水相互作用使蛋白去折疊趨勢加強；這與上面的研究結果是一致的。

2.2.3 蔗糖對疏水性的影響

隨蔗糖濃度增加OPI疏水性增加（圖1e所示）。這可能是由于蔗糖分子是多羥基的，當這些-OH以氫鍵與蛋白分子結合時，會破壞維持蛋白分子高級結構的部分作用力，而使分子內部的部分疏水基團暴露出來，從而增大了蛋白疏水性。

2.2.4 尿素對疏水性的影響

圖1f表明，隨著尿素濃度的增加，疏水性值S0逐漸下降。其中，當尿素濃度從4mol/L升至6mol/L時，S0迅速下降；當尿素濃度大于6mol/L時，S0下降趨勢極其緩慢。

尿素作為一種變性劑，對蛋白質分子結構具有較大程度的破壞作用，在本試驗中，可能由于尿素不僅使OPI蛋白分子變性伸展，且破壞了暴露的疏水區，從而使蛋白分子的疏水性下降。

2.3 燕麥分離蛋白起泡性

2.3.1 pH對OPI起泡性的影響

pH對起泡性的影響曲線呈先下降后上升的趨勢（如圖2a所示），其中以pH4時，OPI的起泡能力（FA）最差。這是因為在接近pI時，溶液中溶解的蛋白較少，從而使有效蛋白量減少，因此起泡性差；而遠離p I時，蛋白凈電荷增多，排斥力增強，從而削弱了疏水反應，加大了蛋白分子的柔軟度，而使分子更迅速的分散于空氣-水界面包裹住空氣顆粒，另一個原因也是由于溶解性比pI時增大了，因而起泡性得以增強[10]。

圖2 不同因素對OPI起泡性的影響Fig.2 Effects of different factors on foaming ability of OPI

此外，將起泡性圖與疏水性圖比較可知，起泡性圖是堿性pH下的起泡性好，而疏水性圖則是酸性pH下的疏水性值高。這是由于在堿性條件下蛋白質的溶解度大于酸性條件，此時溶解度對起泡性的影響超過疏水性對其的影響，因此盡管疏水性值小，但由于溶液中有效蛋白濃度大大上升，所以起泡性會增高。

在各個pH環境中OPI的泡沫均較為穩定。

2.3.2 鹽對OPI起泡性的影響

NaCl對OPI起泡性的影響（圖2b）同疏水性圖1a一樣呈先降后升趨勢。在NaCl濃度為0.4mol/L時，FA出現最小值。這是由于NaCl濃度小于0.4mol/L時，鹽溶作用會降低FA；而大于0.4mol/L時，鹽析作用中和了蛋白質電荷，而且使疏水性增大了，因此FA升高。NaCl濃度為0.8mol/L時FS最差。

如圖2c所示，CaCl2濃度在0.2mol/L～1.0mol/L的范圍內，FA呈上升趨勢。而在0.2mol/L～0.4mol/L時，FA上升速度較快；之后則趨于平緩。

AlCl3對OPI起泡性的影響見圖2d。當AlCl3濃度從0.2mol/L增至0.4mol/L時，FA急劇下降；當AlCl3濃度大于0.4mol/L時，FA變化趨勢較為平緩。AlCl3高濃度時的FS要好于低濃度時的。

三種鹽對OPI起泡性的影響趨勢與之對疏水性的影響基本上是一致的，表明該條件下，蛋白的起泡性與其疏水性存在正相關關系。這可能是由于疏水基團有助于使蛋白迅速鋪展于兩相界面，從而使其起泡能力相應增強。

2.3.3 蔗糖對起泡性的影響

圖2e表明，隨著蔗糖濃度的升高，OPI的起泡能力先下降后上升，在蔗糖濃度為5%時達到最低值。這是因為在濃度小于5%時，隨著蔗糖濃度的增大，蛋白溶液粘度增強，阻礙了蛋白分子迅速移動到空氣-水界面而使起泡性降低，但隨著蔗糖濃度進一步增加，OPI起泡性能力增強，這可能是由于蛋白此濃度范圍內的疏水性增強所致（如圖1e）。

添加蔗糖后的OPI溶液起泡穩定性（FS）要高于鹽和尿素的FS，因為糖類物質能增大體相黏度，降低了薄片流體的脫水速率，從而可提高泡沫的穩定性[14]。

2.3.4 尿素對起泡性的影響

尿素濃度在1mol/L～8mol/L濃度范圍內（如圖1f），OPI的FA變化曲線類似于W形。如前所述，影響FA因素是多方面的，出現波動現象的原因可能是在不同濃度范圍內，主要的影響因素發生變化所致。其具體作用機制有待于進一步的研究。高濃度時的起泡穩定性要優于低濃度時的。

3 結論

1）晉燕八號燕麥的蛋白含量為17.52%，分離蛋白得率為11.32%，分離蛋白的蛋白含量為93.01%。OPI的氨基酸組成接近FAO/WHO理想模式。賴氨酸為第一限制性氨基酸，蛋氨酸為第二限制性氨基酸。OPI中疏水性氨基酸含量為33.54%，高于大豆分離蛋白。

2）pH對燕麥分離蛋白疏水性的影響最大，不同鹽離子對蛋白疏水性的影響程度和趨勢不一樣，隨AlCl3和尿素濃度增加，OPI疏水性減弱；CaCl2和蔗糖濃度升高蛋白的疏水性增強。NaCl在低濃度時蛋白疏水性減弱高濃度時蛋白疏水性增強，這可能是由于各種鹽對蛋白溶解性和分子結構的不同影響程度所導致的。不同因素對OPI起泡性的影響變化趨勢與疏水性的變化較為一致?？梢奜PI的疏水性對其起泡能力具有較大的影響。蔗糖的加入可提高OPI的起泡穩定性，而加入NaCl則會降低起泡穩定性。

[1]龔海,李成雄,王雁麗．燕麥品種資源品質分析[J]．山西農業科學, 1999,27(2)：16-19

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[13]董元彥．無機及分析化學[M]．北京：科學出版社,2000：58-59,304-318

[14]謝筆鈞．食品化學[M]．2版.北京：科學出版社,2004：211-301

Surface Hydrophobicity and Foaming Ability of Oat Protein Isolates

TIAN Bin-qiang1，2，DENG Qian-chun3，HUANG Juan2，XIEBi-jun2
（1.College of Tobacco Science，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，Henan，China；2.College of Food Science&Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，Hubei，China；3.Oil Crops Research Institute，Chinese Academy of Agricultral Sciences，Wuhan 430062，Hubei，China）

Oat protein isolates （OPI）were prepared by alkali extraction and isoelectric precipitation from defatted oat groats.OPI contains93.01%protein.The amino acid composition of the isolates was analyzed，and found that OPI has more hydrophobic amino acids than soy protein isolates and the amino acids composition of OPI is close to the ideal model recommended by FAO/WHO.The hydrophobicity and the isolates were measured using ANS fluorescent probe method at various pH and different concentration solution with NaCl，sucrose，CaCl2，AlCl3and urea.The foaming ability of OPI was investigated at the same condition.The results showed that pH had the highest influence on the surface hydrophobicity of OPI and the hydrophobicity reaches its peak at pH2；the hydrophobicity of OPI atacid pH was much stronger than that at alkali pH.The trend of effect of different salts on protein hydrophobicity was not same.With AlCl3and urea concentration increased，the OPI hydrophobicity decreased，but CaCl2and sucrose was on the contrary.The hydrophobicity decreased in NaCl solution with low concentrations （<0.6 mol/L）while hydrophobicity enhanced with concentration rising. Different factors had great influence on OPI foaming，the trend was consistent with the hydrophobic.In addition，the addition of sucrose can improve foaming stability of OPI，and the accession to the NaCl reduced it.

oat；protein isolates；surface hydrophobicity；ANS；foaming ablity

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.06.001

2014-01-06

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2006BAD27B09）

田斌強（1976—），男（漢），講師，博士，研究方向：天然產物化學。