超聲輔助合成玉米醇溶蛋白-糖接枝物的研究

趙　卓，袁　媛，肖志剛，解夢汐（.沈陽師范大學化學化工學院，遼寧沈陽　0034；.沈陽師范大學糧食學院，遼寧沈陽　0034）

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超聲輔助合成玉米醇溶蛋白-糖接枝物的研究

趙卓1，袁媛2，*肖志剛2，解夢汐1
（1.沈陽師范大學化學化工學院，遼寧沈陽110034；2.沈陽師范大學糧食學院，遼寧沈陽110034）

摘要：以自制玉米醇溶蛋白為原料，采用超聲輔助加熱方式對玉米醇溶蛋白進行濕法糖接枝反應，并對接枝物功能性及結構進行研究。結果表明，隨著加熱時間的延長，接枝物溶解性有了不同程度的提高，玉米醇溶蛋白-葡萄糖在超聲時間30 min的溶解度提高了近86.2倍，達到27.22%；乳化性及乳化穩定性也有明顯改善。對相同反應條件下的玉米醇溶蛋白而言，接枝物表面疏水性有所下降，且玉米醇溶蛋白與葡萄糖接枝物的下降更為顯著。FTIR分析表明，玉米醇溶蛋白以共價鍵方式結合糖分子。SEM結果表明，接枝物結構與玉米醇溶蛋白明顯不同。

關鍵詞：玉米醇溶蛋白；糖接枝；功能性；結構

0　引言

玉米醇溶蛋白是玉米淀粉經過深加工處理后的主要副產物之一，約占玉米蛋白的45%～50%［1］。由于其具有較高表面疏水性和脂肪酸結合能力，以及缺乏賴氨酸、色氨酸等必需氨基酸導致其不溶于水、功能性較差，限制了在食品工業中的應用［2-3］。為了擴大其利用范圍，提高利用價值，國內外學者在探究玉米醇溶蛋白方面做了大量研究，但主要是提取工藝條件方面的優化。另外，研究最多的是其成膜性和在纖維方面改性的利用［4-5］。也有學者對其功能性進行了研究，主要是化學性和酶改性，含有較多化學試劑，可能會造成污染［6］。

近年來，通過蛋白質-糖接枝反應改善蛋白質功能性質得到了越來越多的關注，該反應是以美拉德反應為基礎，不需要加入任何催化劑，僅加熱便可自發反應。研究表明，利用糖接枝可以顯著提高蛋白質的溶解性、乳化性、起泡性、熱穩定性和抗氧化性等［7-8］。目前，糖接枝反應主要有干法和濕法改性，但是反應周期長，不利于應用。Guan等人［9］采用微波加熱合成大豆分離蛋白-糖的接枝物，加速了反應時間，功能性得到了較大改善；張智剛等人［10］對米蛋白-葡聚糖進行了微波加熱接枝的工藝研究。目前，關于玉米醇溶蛋白糖接枝改性還鮮有報道。

本文以玉米醇溶蛋白為原料，糖基供體選取葡萄糖和麥芽糊精，采用超聲波輔助加熱方式，對玉米醇溶蛋白進行糖接枝改性，并研究了接枝物的功能性及其結構。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

1.1.1 試驗材料

玉米蛋白粉，大連奧肽動物營養有限公司提供；葡萄糖、麥芽糊精，北京鼎國昌盛生物技術有限責任公司提供；賴氨酸、十二烷基磺酸鈉（SDS）、β-巰基乙醇、鄰苯二甲醛（OPA）等均為分析純；透析袋（截留相對分子質量8 000～12 000 Da）。

1.1.2主要儀器設備

UV- 9000型紫外可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司產品；HH S4型恒溫水浴鍋，江蘇金壇億通電子有限公司產品；低速冷凍離心機，貝克曼庫爾特有限公司產品；冷凍干燥機、超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司產品；掃描電鏡，日本Hitachi公司產品。

1.2試驗方法

1.2.1玉米醇溶蛋白的提取工藝

1.2.2玉米醇溶蛋白-糖接枝物的制備

稱取一定量的玉米醇溶蛋白，溶解于0.2 mol/L （pH值12）的KCl- NaOH緩沖液中，于恒溫水浴中磁力攪拌30 min，使蛋白均勻分散開。然后，按配比為1∶2加入葡萄糖或麥芽精糊，磁力攪拌20 min，使玉米醇溶蛋白與糖充分混勻，并調至適宜的反應溫度，放入超聲儀器反應一定時間。待反應完成后，立即冰浴冷卻到室溫，取10 mL反應后的混合液保存在冰箱中，剩下的反應混合物于4℃蒸餾水中透析24 h，將所透析的溶液冷凍干燥成粉末。

1.2.3接枝度的測定

采用鄰苯二甲醛（OPA）法測定自由氨基的含量［11］。精確稱取80.0 mg OPA溶解于2 mL甲醇中，再加入5.0 mL 20%SDS，50.0 mL硼砂（0.1 mol/L）及200 μL的β-巰基乙醇，最后用蒸餾水定容至100 mL。測定時，取8.0 mL的OPA，分別加入400 μL蒸餾水和樣品混勻于試管中，置于35℃水浴中反應2 min后于340 nm下測定吸光度。以0.1～0.5 mg/mL的賴氨酸制作標準曲線，計算樣品中自由氨基的含量。

接枝度（DG）按式（1）計算：

式中：C0——零時刻時單一蛋白質溶液中游離氨基含量；

Ct——t時刻接枝物溶液中游離氨基的含量。

1.2.4溶解度的測定

精確稱取一定量的玉米醇溶蛋白及其接枝物溶于蒸餾水中，調節蛋白質質量濃度為1 mg/mL，在常溫下攪拌30 min后，以轉速5 000 r/min離心10 min，收集上清液。利用雙縮脲法測定上清液中蛋白質含量［12］，以牛血清白蛋白做標準曲線。

1.2.5乳化性及乳化穩定性的測定

參照Pearce和Kinsella［13］的方法并稍作改動。取15 mL蛋白質量濃度為1 mg/mL待測樣品液（樣品溶于0.2 mol/L pH值7.5磷酸緩沖液中），加入5 mL大豆色拉油，在高速分散機以轉速12 000 r/min，25℃下分散1 min，分別于0 min和10 min時迅速從溶液底部取100 μL乳濁液，加入到10 mL 0.1%的溶液中，用振蕩混勻器混勻，立即于500 nm處測定吸光度，以SDS溶液為對照。0 min時測定的吸光度A0，作為乳化活性（EA）。

乳化穩定性按式（3）計算：

式中：A10——10 min時于500 nm處測得的吸光度。

1.2.6表面疏水性的測定

采用ANS熒光探針法測定表面疏水性。將玉米醇溶蛋白和通過不同處理的接枝物溶解于0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH值7.0），在室溫條件下攪拌1.0 h后以轉速10 000 r/min離心30 min，測定上清液中蛋白質量濃度，用磷酸鹽緩沖液依次將蛋白樣品稀釋，保證梯度質量濃度為0.005～0.200 mg/mL，試驗中激發波長λex為390 nm，發射波長λem為470 nm。取不同梯度的蛋白溶液4 mL，分別加入40 μL用0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH值7.0）配制的最終濃度為8.0 mmol/L ANS溶液，經暗處振蕩快速混合均勻，迅速測定其混合液的熒光強度（FI）。以熒光強度對蛋白質量濃度作圖，初始段斜率即為蛋白質分子的表面疏水指數。

1.2.7傅里葉紅外光譜（FTIR）分析

紅外光譜測試采用溴化鉀（KBr）壓片法，稱取玉米醇溶蛋白及接枝物樣品1 mg，加入溴化鉀100 mg，研磨混勻，壓片后進行測定。室溫條件下，設置紅外光譜儀的波數譜段范圍為4 000～400 cm-1，設定分辨率為4 cm-1，掃描32次［14］。

1.2.8掃描電子顯微鏡（SEM）分析

將烘干至恒質量的不同處理玉米醇溶蛋白及接枝物樣品，用雙面膠在紅外線燈下固定于樣品臺上，觀察前用離子噴射器在表面噴15 nm的金箔。測試時，將樣品置于掃描電子顯微鏡中觀察，拍攝具有代表性的樣品顆粒形態。

2　結果與討論

2.1超聲強化玉米醇溶蛋白-糖接枝度（DG）的影響

接枝度是作為反映蛋白質與糖程度的一個極其重要指標。影響蛋白質與糖接枝的原因有蛋白質質量濃度、蛋白質與糖的質量比、反應溫度、反應pH值等。除此之外，接枝反應時間也是其重要因素之一，隨著熱處理時間的延長，反應體系的內部會產生一系列復雜的變化，從而影響產品的性質。

超聲時間對糖基化產物接枝度的影響見圖1。

圖1　超聲時間對糖基化產物接枝度的影響

由圖1可看出，玉米醇溶蛋白與糖的接枝反應度總體上呈現先升高后下降的趨勢。這可能是由于超聲產生的氣泡空穴效應和機械效應導致蛋白鏈結構的展開，使其內部結構斷裂開，變得疏松，增加了蛋白與糖的碰撞機會，從而使得接枝度迅速增加［15］。而隨著超聲時間的延長，一些蛋白小分子又重新集聚起來，自由氨基端被包埋，反應幾率減少，造成接枝度降低。同時，由于葡萄糖分子較小、分子鏈較短、還原性較強，可以提供更多的還原羰基，能快速自由地與玉米醇溶蛋白反應，所以與玉米醇溶蛋白的接枝反應速度和程度明顯高于麥芽糊精。麥芽糊精較低的反應活性與其大分子量的空間阻礙有關。這表明超聲輔助加熱玉米醇溶蛋白-糖接枝反應程度與糖分子的大小、形狀及其還原性關系。

2.2溶解度分析

溶解度不僅是蛋白質最基本的功能性質之一，而且是其他功能性質良好的前提。玉米醇溶蛋白通過超聲輔助加熱進行糖接枝改性后，由于糖分子鏈段親水性羥基的引入，糖分子羥基上的氫鍵結合能力改變了原來蛋白質的表面疏水性質，使得玉米醇溶蛋白溶解度顯著提高。親水性多糖的鍵合可以提高蛋白質和水分子之間的親合性，并且抑制蛋白質分子在極端條件下的相互聚集作用。

超聲時間對玉米醇溶蛋白和接枝物溶解度的影響見圖2。

由圖2可看出，在超聲時間30 min時，玉米醇溶蛋白-葡萄糖接枝物溶解度提高了86.2倍，達到了27.22%。玉米醇溶蛋白-葡萄糖和玉米醇溶蛋白-麥芽糊精接枝物的溶解度均隨接枝度的升高而表現出增加的趨勢，但玉米醇溶蛋白-葡萄糖溶解度較高，是因為其與麥芽糊精的接枝物分子量較大，其接枝物空間位阻較大，從而溶解度低于玉米醇溶蛋白-葡萄糖。隨著超聲時間的延長，超聲輔助處理又使玉米醇溶蛋白分子內部疏水性殘基暴露出來，造成其溶解度降低。

圖2　超聲時間對玉米醇溶蛋白和接枝物溶解度的影響

2.3乳化性及乳化穩定性分析

超聲時間對玉米醇溶蛋白和接枝物乳化性的影響見圖3，超聲時間對玉米醇溶蛋白和接枝物乳化穩定性的影響見圖4。

圖3　超聲時間對玉米醇溶蛋白和接枝物乳化性的影響

圖4　超聲時間對玉米醇溶蛋白和接枝物乳化穩定性的影響

由圖3和圖4可看出，玉米醇溶蛋白接枝物與對照組相比，乳化性和乳化穩定性顯著提高。玉米醇溶蛋白-麥芽糊精乳化性隨超聲時間的延長有所上升，而在60 min時有所下降，這可能是因為溶解度下降的緣故，玉米醇溶蛋白-葡萄糖乳化性隨超聲時間的延長上升并趨于相對平穩。從總體上看，玉米醇溶蛋白-麥芽糊精乳化性要優于玉米醇溶蛋白-葡萄糖。有研究報道，氮溶解指數是決定蛋白質乳化特性的主要因素［16］。這可能是因為一方面麥芽糊精分子鏈較長，黏度較葡萄糖大，所形成的接枝物黏度也較大，可得到較好的乳化性；另一方面，也可能是由于玉米醇溶蛋白-葡萄糖接枝度較高，故形成的復合物親水性太大，則接枝物的乳化性較低。

Shu等人［17］研究表明，適當糖鏈長度的增加可以改善蛋白質的乳化性能。玉米醇溶蛋白-麥芽糊精乳化穩定性先隨超聲時間增加而后趨于穩定，而與葡萄糖接枝物在45 min后有所下降。這可能是由于麥芽糊精具有較大的分子量和分子間的空間位阻；另一方面，蛋白質分子的側鏈也具有一定的疏水性，從而使接枝物較易吸附在蛋白質油水界面，表現出較大的屈服應力［18］。試驗采用分子量較低、空間位阻較小的葡萄糖和蛋白質反應的接枝物不能提供足夠強的穩定空間。因此，玉米醇溶蛋白-葡萄糖穩定性較差。

2.4表面疏水性分析

表面疏水性（H0）是衡量蛋白質表面疏水性基團數目的一個重要指標，主要用來評定蛋白質的空間構象。由于環境的改變使得蛋白分子結構的展開，而會使分子內部更多的疏水基團和區域暴露于周圍的環境里。

玉米醇溶蛋白和接枝物表面疏水性見圖5。

圖5　玉米醇溶蛋白和接枝物表面疏水性

由圖5可看出，未經超聲處理過的玉米醇溶蛋白具有較低的表面疏水性指數（H0）。這是由于蛋白質通過疏水相互作用團聚的疏水性基團，包埋于分子內部而造成的。而經過超聲熱處理和超聲輔助糖接枝后，表面疏水性指數（H0）迅速增加，這表明超聲處理會使疏水基團不斷暴露于溶液當中。同時，從圖5還可看出，玉米醇溶蛋白-葡萄糖和玉米醇溶蛋白-麥芽糊精接枝物的H0，均比經過同等條件下處理的玉米醇溶蛋白小。這是因為蛋白質與糖接枝集聚后，親水性羥基的鍵入使其親水性得以提高。接枝度的增加，會降低蛋白質的表面疏水性，這可能是同一條件下，玉米醇溶蛋白-葡萄糖的H0比玉米醇溶蛋白-麥芽糊精小的原因。Zhang［19］報道了β-球蛋白-葡聚糖接枝物經由糖接枝后的H0低于僅加熱的β-球蛋白，但同時也高于原樣蛋白。在此試驗中，玉米醇溶蛋白在超聲45 min后，表面疏水性指數將近是原樣玉米醇溶蛋白的6倍，而接枝反應在超聲時間60 min時，其表面疏水性則有所降低，這可能是由于在熱處理與超聲的共同作用下，引起蛋白體的集聚而導致的結果。

2.5FTIR分析

玉米醇溶蛋白和接枝物FTIR圖譜見圖6。

圖6　玉米醇溶蛋白和接枝物FTIR圖譜

當蛋白質與糖共價結合后，紅外圖譜上表現出的一個典型特征是在1 260～1 000 cm-1出現吸收及在3 700～3 200 cm-1出現一個寬峰，分別歸屬于羥基和碳氧鍵的伸縮振動。由圖6可看出，接枝物在3 700～3 200 cm-1及1 260～1 000 cm-1吸收均強于玉米醇溶蛋白，特別是玉米醇溶蛋白-麥芽糊精接枝物在1 260～1 000 cm-1有很強的吸收，這是由于O- H面內變性振動產生的。由此可知，玉米醇溶蛋白以化學共價鍵結合了糖分子。

2.6SEM分析結果

玉米醇溶蛋白及其接枝物SEM圖譜見圖7。

由圖7可看出，玉米醇溶蛋白和接枝物的微觀結構明顯不同，玉米醇溶蛋白呈球狀，經超聲處理后，分子間斷開，聚集成為小分子；而其接枝物呈片狀結構，并且分散開來，特別是玉米醇溶蛋白-麥芽糊精接枝物。這是因為超聲使分子間肽鏈伸展開，又由于糖分子的空間阻礙作用，使玉米醇溶蛋白與糖共價結合后，分子散開，減少了分子聚集。這與管軍軍［14］的研究結果一致。

3　結論

試驗采用超聲輔助的方式合成了玉米醇溶蛋白接枝物，對其蛋白接枝物的功能性及其結構進行了分析討論，并且與玉米醇溶蛋白進行了對比。

圖7　玉米醇溶蛋白及其接枝物SEM圖譜

玉米醇溶蛋白經過糖接枝改性后，其接枝共聚物的溶解度有了很大提高，在超聲30 min時，玉米醇溶蛋白-葡萄糖溶解度提高了近86.2倍，達到27.22%；接枝物的乳化性及其乳化穩定性也有了很大改善。玉米醇溶蛋白在與糖接枝后，其表面疏水性對比相同反應條件下的原樣蛋白有所降低，且玉米醇溶蛋白與葡萄糖接枝物的下降程度更為顯著。FTIR分析表明，玉米醇溶蛋白以共價鍵方式結合糖分子。SEM結果表明，接枝物結構與玉米醇溶蛋白明顯不同。糖接枝改性是一種較好的改性方法，這也為玉米醇溶蛋白改性提供了一種新的改性思路，為拓展其應用領域提供一種新的技術支撐。

參考文獻：

［1］Shukla R，Cheryan M. Zein：the industrial protein from corn［J］. Industrial Crops and Products，2001（13）：171-192.

［2］Zhang B，Luo Y，Wang Q. Effect of acid and base treatments on structural，rheological，and antioxidant properties of α-zein［J］. Food Chemistry，2011，124（1）：210-220.

［3］Ilaria Santoni，Benedetto Pizzo. Evaluation of alternative vegetable proteins as wood adhesives［J］. Industrial Crops and Products，2013（2）：148-154.

［4］Arcan I，Yemeniciolu A. Incorporating phenolic compounds opens a new perspective to use zein films as flexible bioactive packaging materials［J］. Food Research International， 2011，44（2）：550-556.

［5］Yang Jianmao，Zha Liusheng，Yu Dengguang，et al. Coaxial electrospinning with acetic acid for preparing ferulic acid/zein composite fibers with improved drug release profiles［J］. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces，2013，102（3）：737-743.

［6］Kong B，Xiong Y L. Antioxidant activity of zein hydrolysates in a liposome system and the possible mode of action［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54（16）：6 059-6 068.

［7］那治國，馬永強，韓春然，等.米糠谷蛋白干法糖基化改性的研究［J］.食品科學，2013，34（2）：52-57.

［8］魯偉，黃筱茜，柯李晶，等.美拉德反應產物的抗氧化活性研究［J］.食品與機械，2008，24（4）：61-64.

［9］Guan Junjun，Qiu Aiyong，Liu Xiaoya. Microwave improvement of soy protein isolate-saccharide graft reactions［J］. Food Chemistry，2006，97（4）：577-585.

［10］張智剛，聶小華，王寧，等.微波場中米蛋白-葡聚糖接枝反應的工藝研究［J］.浙江農業科學，2013（8）：1 019-1 022.

［11］Sorgentini D A，Wagner J R. Comparative study of structural characteristics and thermal behavior of whey and isolate soybean proteins［J］. Journal of Food Biochemistry，1999，23（5）：489-507.

［12］Gornall A G，Bardawill C J，David M M. Determination of serum proteins by means of the biuret reaction［J］. Journal of Biological Chemistry，1949，177（2）：51-766.

［13］Pearce K N，Kinsella J E. Emulsifying properties of proteins：evaluation of a turbidimetric technique［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1978，26（3）：716-723.

［14］管軍軍.微波合成大豆蛋白-糖接枝物機理結構及功能性［D］.無錫：江南大學，2005.

［15］Mu Lixia，Zhao Mouming，Yang Bao，et al. Effect of ultrasonic treatment on the graft reaction between soy protein isolate and gum acacia and on the physicochemical properties of conjugates［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58（7）：4 494-4 499.

［16］Li Chan E，Nakai S，Wood D. Hydrophobicity and solubility of meat proteins and their relationship to emulsifying properties［J］. Journal of Food Science，1984，49（2）：345-350.

［17］Shu Y W. Effects of the length of polysaccharide chains on the functional properties of the Maillard -type lysozyme -polysaccharide conjugate［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1996，44（9）：2 544-2 548.

［18］Diftis N，Kiosseoglou V. Physicochemical properties of dry-heated soy protein isolate-dextran mixtures［J］. Food Chemistry，2006，96（2）：228-233.

［19］Zhang X. Characterization of soy β-conglycinin -dextran conjugate prepared by Maillard reaction in crowded liquid system［J］. Food Research International，2012，49（2）：648-654.◇

Study of Zein- Saccharide Graft Reaction Products Prepared by Ultrasonic Treatment

ZHAO Zhuo1，YUAN Yuan2，*XIAO Zhigang2，XIE Mengxi1
（1. College of Chemistry and Chemical Engineering，Shenyang Normal University，Shenyang，Liaoning 110034，China；2. College of Grain Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang，Liaoning 110034，China）

Abstract：Zein- saccharide graft reaction products are prepared by ultrasonic treatment. The functional properties and structure are studied. The results show that solubility is improved to different degree with the extension of the heating time as well as emulsifying properties. The solubility of zein- glu reached 27.22%，increasing by 86.2 times at 30 min. Surface hydrophobicity of grafts is lower than the control. Moreover，H0of zein- glucose decreased significantly. FTIR analysis demonstrated that zein is grafted with saccharide by covalent bonds. SEMresults indicat that structure of grafts is significantly different from zein.

Key words：zein；graft reaction；functional properties；structure

中圖分類號：TS210.2

文獻標志碼：A

doi：10.16693/j.cnki.1671- 9646（X）.2016.04.030

文章編號：1671- 9646（2016）04b- 0001- 05

收稿日期：2016- 03- 17

基金項目：國家星火計劃重點項目（2015GA650007）；遼寧省“百千萬人才工程”資助項目（2013921038）；沈陽市科技創新項目（F14104300）。

作者簡介：趙卓（1990—），女，在讀碩士，研究方向為植物蛋白與油脂。

*通訊作者：肖志剛（1972—），男，博士，教授，研究方向為糧食油脂及植物蛋白工程。