蘆 鑫,孟雅昆,張麗霞,孫 強,高錦鴻,黃紀念,*
(1.河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南鄭州 450002; 2.河南省農產品生物活性物質工程技術研究中心,河南鄭州 450002; 3.河南農業大學食品科學技術學院,河南鄭州 450002)
花生蛋白是花生的主要組分,約占花生仁重的25%~36%左右,由于花生蛋白的氨基酸組成均衡合理、營養價值高、資源豐富、價格低廉、且適應多種加工方式,已廣泛應用于食品領域,成為世界第三大植物食用蛋白資源[1-4]。
花生蛋白具有良好的持水性、吸油性、乳化性和凝膠性,但溶解性較差,且對pH、溫度敏感[5-6]。當花生蛋白處于酸性、中性條件時,因接近等電點,溶解性差,易產生沉淀,但當溫度超過55 ℃時,會引發蛋白變性,也會導致溶解性下降,這限制了花生蛋白在飲料中的應用[7-9]。研究表明,改性可以提高植物蛋白的溶解性,其中去酰胺改性可有效提高花生蛋白、大豆蛋白、小麥蛋白的溶解性[10-15]。盧寅泉等[11]利用鹽酸去酰胺改性花生蛋白,使花生蛋白的等電點降低到pH0.5~1之間,pH為7時,其溶解性由未改性時的66.3%提高到81.8%。目前,根據酸濃度高低,蛋白去酰胺改性可分為低酸長時與高酸短時兩種改性方式。低酸長時法雖有反應溫和的優點,但耗時長且能耗高;高酸短時雖有反應快速、效果明顯、生產效率高的優點,但是會加劇蛋白水解,這限制了高酸短時法的應用,因此,有必要開展控制水解度的高酸短時去酰胺研究。以往的研究中,僅以蛋白的去酰胺度(DD)與水解度(DH)為評價指標,但上述指標不能直觀反映體系中參與去酰胺反應與水解反應的蛋白的比例,因此,有必要對評價方法進行完善。此外,研究者也未深入探討去酰胺改性對花生蛋白組成、結構的影響,有必要開展相關研究。
本研究中,以DD與DH為評價指標外,引入去酰胺度與水解度比值(DD/DH)來評價體系內去酰胺反應與水解反應的主次關系,優化花生蛋白的酸法去酰胺工藝,并表征去酰胺改性對花生蛋白組成結構與功能性的影響,推動花生蛋白去酰胺改性研究。
花生蛋白粉 實驗室自制;KBr 光譜純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;其他試劑 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。
IS5傅立葉紅外分析儀 美國賽默飛世爾科技公司;K-05型自動定氮儀 上海晟聲自動化分析儀器有限公司;Lyovac GT1冷凍真空干燥機 德國SRK有限公司;DL-5B型離心機 上海安亭科學儀器廠;UV-6300型分光光度計 上海美譜達有限公司;XS205電子天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司;DF-101S集熱磁力加熱攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司。
1.2.1 花生蛋白制備 稱取一定量的脫脂花生餅粕粉加入到蒸餾水中,兩者比例為1∶10 (g/mL),磁力攪拌下用1.0 mol/L NaOH調節到pH10.0,室溫攪拌2 h,采用4000 r/min 離心20 min,收集上清液,將沉淀再次加入到相同體積蒸餾水并調節到pH10.0,重復上述攪拌和離心操作,合并第1次和第2次上清液,采用1.0 mol/L HCl調節到pH4.30,4 ℃靜置30 min,4000 r/min離心20 min,收集沉淀,并水洗至中性,透析,冷凍干燥,粉碎過100目篩,得到花生蛋白[16]。蛋白含量94.06%±0.47%,水分含量5.12%±0.25%,灰分含量0.82%±0.07%
1.2.2 花生蛋白去酰胺改性 參考大豆蛋白的去酰胺方法[14-15],稱取一定質量的花生蛋白加入到0.05~0.5 mol/L的硫酸溶液中,配制成質量濃度1%~7%的花生蛋白溶液,在60~100 ℃下,反應1~6 h后,用3 mol/L NaOH中和后,采用截留分子量3500 Da透析袋4 ℃透析18 h,-40 ℃冷凍干燥,得到改性花生蛋白粉,測定其DD和DH,并計算DD/DH。
1.2.3 單因素實驗設計 為優化去酰胺實驗,首先以DD和DH為評價指標,進行硫酸濃度、花生蛋白質量濃度、反應時間、反應溫度單因素實驗。
優化硫酸濃度時,固定花生蛋白質量濃度4%,分別采用0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55 mol/L硫酸在80 ℃下水解1 h。
優化花生蛋白質量濃度時,固定硫酸濃度為0.25 mol/L,分別取花生蛋白質量濃度1.0%、2.5%、4.0%、5.5%、7.0%在80 ℃下水解1 h。
優化反應時間時,固定硫酸濃度0.25 mol/L,取質量濃度為5.5%花生蛋白在80 ℃分別反應1、2、3、4、5、6 h。
優化反應溫度時,采用0.25 mol/L硫酸作用于質量濃度5.5%花生蛋白溶液分別在60、70、80、90、100 ℃反應2 h。
1.2.4 正交實驗設計 綜合單因素實驗結果,選用硫酸濃度、反應時間、反應溫度對DD、DH、DD/DH進行正交實驗。

表1 花生蛋白去酰胺正交實驗設計表Table 1 The orthogonal experimental design for deamination of peanut protein
1.2.5 指標的測定
1.2.5.1 去酰胺度的測定 采用那治國修改的微量彌散皿法[14]。
1.2.5.2 水解度的測定 采用茚三酮比色法[17]。
1.2.6 改性蛋白性質的確定
1.2.6.1 氨基酸的測定 采用GB 5009.124-2016測定未改性花生蛋白與去酰胺花生蛋白的氨基酸含量,其中去酰胺花生蛋白是采用5.5%花生蛋白溶液,0.3 mol/L硫酸,在85 ℃改性120 min,中和透析、冷凍干燥的樣品。
1.2.6.2 花生蛋白微觀結構 使用E-1010離子噴濺儀對花生蛋白粉進行真空噴金,隨后采用15 kV的加速電壓下,在電子顯微鏡下拍攝,照片分辨率1280×960。
1.2.6.3 花生蛋白的紅外光譜測定 采用紅外光譜進行分析,分析0.3 mol/L硫酸在85 ℃改性5.5%花生蛋白溶液過程中蛋白二級結構的變化。操作條件參考蘆鑫等[5]的方法,獲得紅外光譜圖后,用Origin 8.5以二次微分從紅外光譜1600~1700 cm-1的波峰中尋找隱峰,按照1610~1642 cm-1歸屬β-折疊,1642~1650 cm-1歸屬無規則卷曲,1650~1660 cm-1歸屬α-螺旋,1660~1680 cm-1歸屬β-轉角,1680~1700 cm-1歸屬β-逆折疊[18],進行歸類與計算二級結構組成。
1.2.6.4 溶解度的測定 為考察不同改性程度花生蛋白在不同pH條件下的溶解度特性,取未改性花生蛋白與采用5.5%花生蛋白溶液,0.3 mol/L硫酸,在85 ℃改性時間分別為30、60、90和120 min的去酰胺花生蛋白,在pH4、7、10的氮溶解指數(NSI)。NSI測定條件:稱取0.2 g樣品,溶于30 mL純水中,調節pH為4、7、10,緩慢攪拌30 min后,4000 r/min離心30 min,取上清液5 mL。凱氏定氮法測定上清液中可溶性氮質量Ms與樣品總氮質量Mt,計算NSI,見公式(1)。
NSI(%)=(Ms/Mt)×100
式(1)
除特別說明,所有實驗平行測定3次,采用IBM SPSS 20進行Duncan算法的單因素方差分析,顯著水平為p<0.05,高度顯著水平為p<0.01。同一曲線上帶有相同小寫字母的數據在0.05水平上無顯著差異。
由圖1和圖2可知,隨著硫酸濃度升高,花生蛋白的去酰胺度與水解度顯著提高,這是由于隨著酸濃度提高,體系中有更多的氫離子參與到酰胺基與酰亞胺基的親和取代反應中,從而提高蛋白去酰胺反應與肽鏈斷裂反應的速度[11]。蛋白水解作為酸法脫酰胺的副反應,適度水解可以降低蛋白分子尺寸,從而提高蛋白溶解分散性,但過度水解會導致蛋白內部疏水氨基酸暴露,產生苦味,從而影響口感[19]。故開展花生去酰胺改性研究時,應在控制水解度的前提下,提高去酰胺度。結合DD/DH分析,硫酸濃度應選擇0.25 mol/L為宜。

圖1 硫酸濃度對花生蛋白脫酰胺度和水解度的影響Fig.1 Effect of sulfuric acid on degree of deamination and hydrolysis of peanut protein

圖2 DH/DD在硫酸濃度作用下的變化Fig.2 Variation of DH/DD under the effect of sulfuric acid
由圖3和圖4可知,花生蛋白質量濃度從1%增加到7%,蛋白去酰胺度與水解度呈現下降趨勢;當花生蛋白質量濃度從1%增加到5.5%時,DD/DH有所上漲,這表明脫酰胺度的下降幅度小于水解度下降幅度,隨后繼續增加蛋白質量濃度,水解度趨于穩定,而去酰胺度持續下降,導致DD/DH下降。結合DD/DH考慮,花生蛋白質量濃度取5.5%為宜。

圖3 質量濃度對花生蛋白脫酰胺度和水解度的影響Fig.3 Effect of mass concentration on degree of deamination and hydrolysis of peanut protein

圖4 DH/DD在花生蛋白質量濃度作用下的變化Fig.4 Variation of DH/DD under the effect of mass concentration of peanut protein
由圖5和圖6可知,反應時間從1 h延長到3 h時,花生蛋白去酰胺度顯著提高(p<0.05),隨后延長反應時間,花生蛋白的去酰胺度無顯著變化(p>0.05);在此過程中,蛋白水解度持續增加。這可能是在反應初期,蛋白中天冬氨酰(Asn)和谷氨酰胺(Gln)殘基中的酰胺基數量多,且由于位于氨基酸殘基的側鏈上,其空間位阻小于肽鏈中酰亞胺基,故去酰胺反應速度大于肽鏈斷裂速度;但隨著反應進行,蛋白中的Asn和Gln殘基中的酰胺基減少,氫離子有更大概率與肽鏈中酰亞胺基碰撞發生反應,因此,水解度持續增加,而去酰胺度增幅較小[11]。

圖5 反應時間對花生蛋白脫酰胺度和水解度的影響Fig.5 Effect of reaction time on degree of deamination and hydrolysis of peanut protein

圖6 DH/DD在反應時間影響下的變化Fig.6 Variation of DH/DD under the effect of reaction time
將水解時間在3 h蛋白的去酰胺度較水解時間2 h的蛋白有所提高,但蛋白水解度的提高幅度更大(反應時間從2 h增加到3 h時,蛋白去酰胺度增幅為21.21%,水解度增幅為82%)。水解度過高,會導致蛋白變成多肽,影響改性蛋白的其他功能特性。綜合考慮蛋白的DD、DH、DD/DH,反應時間選取2 h為宜。
由圖7和圖8可知,隨著反應溫度的提高,花生蛋白的去酰胺度與水解度均顯著提高(p<0.05)。當加熱溫度低于90 ℃時,花生蛋白去酰胺反應增速快于水解反應,DD和DH持續增加;但加熱溫度高于90 ℃時,花生蛋白去酰胺反應速度基本達到平衡,而水解反應速度快速增加,導致DD/DH下降。綜合考慮DD、DH和DD/DH,反應溫度以90 ℃為宜。

圖7 反應溫度對花生蛋白脫酰胺度和水解度的影響Fig.7 Effect of reaction temperature on degree of deamination and hydrolysis of peanut protein

圖8 DH/DD在反應溫度影響下的變化Fig.8 Variation of DH/DD under the effect of reaction temperature
固定花生蛋白質量濃度在5.5%,對硫酸濃度、反應溫度與反應時間進行正交設計,以獲得最佳的花生蛋白去酰胺工藝參數。采用SAS進行正交方差分析發現:在取值范圍內,去酰胺度與水解度的正交模型顯著,可以客觀真實地反映硫酸濃度、反應時間、反應溫度對去酰胺度與水解度的影響規律。分析各影響因素對去酰胺度的影響,硫酸濃度是第一顯著因素,其次是反應時間,最后是反應溫度;而對于水解度而言,反應溫度是第一顯著因素,其次是硫酸濃度,反應時間不顯著。通過極差分析因素的影響強弱與方差分析結果相一致。
為獲得較高去酰胺度且水解度較低的花生蛋白以去酰膠度為主要指標,采用極差分析,獲得去酰胺度最高的工藝組合為A3B3C3,但在此條件下,蛋白水解度也是最高,不符合研究目的。故結合顯著性分析,由表2可知,對于硫酸濃度而言,正交實驗的3個水平的去酰胺度均有顯著差異(p<0.05),故選擇水平3,即硫酸濃度取0.3 mol/L;對于反應時間,水平2和水平3的去酰胺度之間為非顯著差異(p>0.05),選擇水平2(2 h)可以減少反應時間,故反應時間取2 h;對于反應溫度,水平2與水平3之間的去酰胺度無顯著差異(p>0.05),同時,選擇水平2可以減少水解度,故反應溫度取90 ℃;在此因素水平組合下,花生蛋白去酰胺度是69.07%±0.34%,但水解度過高,達到16.75%±0.18%。

表2 花生蛋白去酰胺正交實驗結果表Table 2 The orthogonal experimental result for deamination of peanut protein
在控制水解度的前提下,進一步提高花生的去酰胺度,有必要分析DD/DH變化趨勢。在取值范圍內,反應時間對水解度影響不顯著,但會顯著影響脫酰胺度。為獲得高脫酰胺的蛋白,固定反應時間2 h,分析硫酸濃度、反應溫度對DD/DH的影響。由圖9可知,高DD/DH的區域出現在0.23~0.25 mol/L硫酸、88~90 ℃反應溫度和0.29~0.30 mol/L硫酸、85~86 ℃反應溫度,在上述區域中去酰胺反應是主要反應,水解反應不起主導作用。由表3可知,去酰胺度與反應溫度呈正比,但在85~90 ℃之間時,反應溫度對去酰胺度的無顯著影響;而水解度與反應溫度呈反比,故高硫酸濃度、低反應溫度的區域適宜花生蛋白去酰胺反應。結合DH/DD,確定最佳的花生蛋白去酰胺反應條件為:采用0.30 mol/L硫酸,在85 ℃反應2 h,此時花生蛋白脫酰胺度、水解度、DD/DH分別為(66.98%±0.54%)、(10.56%±0.27%)、6.34。

表3 花生去酰胺正交實驗的方差分析表Table 3 The variance analysis of the orthogonal experiment for deamination of peanut protein

圖9 花生去酰胺改性過程中DD/DH變化趨勢Fig.9 The change trend of DD/DH during modification of peanut protein by deamination
為分析去酰胺反應對花生蛋白組成結構的影響,分別利用氨基酸分析、掃描電鏡、紅外光譜來觀察花生蛋白氨基酸組成、微觀特征、二級結構的變化。
2.6.1 去酰胺改性對花生蛋白氨基酸組成的影響 由表5可知,經過去酰胺改性花生蛋白的氨基酸組成與未改性花生蛋白基本一致,這表明去酰胺不會破壞花生蛋白的氨基酸,因而不會影響蛋白的營養價值,這與前人去酰胺改性大豆蛋白的氨基酸組成變化的結果一致[20]。氨基酸存在的細微差異可能是去酰胺改性過程中,花生蛋白發生部分水解,產生的短肽在透析過程中有部分損失,從而導致氨基酸組成有所變化[20]。

表5 花生蛋白與去酰胺花生蛋白氨基酸組成表Table 5 Compositions of amino acid of peanut protein and deaminated peanut protein
2.6.2 去酰胺改性對花生蛋白微觀結構的影響 由圖10可知,花生蛋白經過去酰胺改性,其微觀結構發生明顯變化。未改性的花生蛋白粉以有序、排列緊密的扁平狀顆粒聚集體的形式存在;而去酰胺改性的花生蛋白以松散、無規則片層狀的形式存在(圖10(a、c))。觀察蛋白微粒發現,未改性花生蛋白表面光滑且形態完整,而去酰胺花生蛋白表面粗糙、凹凸不平且有大量裂紋。這些變化可能是去酰胺過程中,蛋白質的氨基酸殘基側鏈發生變化,肽鍵部分斷裂,導致蛋白分子之間的氫鍵、疏水作用減弱,形成這種疏松的網絡片層結構。上述蛋白形態變化與姜紅研究酸法去酰胺大豆蛋白的形態變化相一致[15]。

圖10 花生蛋白與去酰胺花生蛋白的掃描電子顯微鏡圖Fig.10 Scanning electron microscope photo of peanut protein and deaminated peanut protein注:(a)和(b)花生蛋白,(c)和(d)去酰胺花生蛋白,(a)、(c)放大1000倍,(b)、(d)放大10000倍。
2.6.3 去酰胺改性對花生蛋白二級結構的影響 在加工過程中,花生蛋白的構象會發生改變[21-22]。因此,有必要分析改性對花生蛋白二級結構的影響。由圖11可知,改性對花生蛋白二級結構影響有限,雖然改性使花生蛋白的β-折疊、β-轉角、無規則卷曲的比例有所下降,β-逆折疊和α-螺旋比例略微上升,但未改變花生蛋白以β-折疊、β-轉角、α-螺旋為主的結構組成特點。

圖11 去酰胺改性過程中花生蛋白二級結構變化圖Fig.11 The change in secondary structure during modification of peanut protein by deamination
2.6.4 去酰胺改性對花生蛋白溶解性的影響 為評價去酰胺改性對花生蛋白溶解性提高效果,測試不同pH條件下,花生蛋白與去酰胺花生蛋白的NSI。由圖12可知,在pH分別為4、7、10條件下,去酰胺花生蛋白的NSI明顯高于花生蛋白,并且伴隨著改性程度增加,花生蛋白的溶解性也隨之增加。尤其在pH4條件下,通過去酰胺改性花生的溶解度從11.64%±0.38%上升到68.43%±0.70%。這表明去酰胺改性提高花生蛋白溶解性,有效改善在酸性和中性溶液中的分散性。以上結果與去酰胺改性提高大豆蛋白、面筋蛋白、玉米蛋白溶解性的結果一致[12-14,23]。去酰胺花生蛋白溶解度的增加的原因是:蛋白質去酰胺反應將弱極性的Asn和Gln轉化為極性的Asp和Glu,增加蛋白質的凈電荷,從而增強水化作用。此外,肽鍵的部分斷裂形成小分子多肽,也促進溶解性提高[19,24-25]。

圖12 花生蛋白與去酰胺花生蛋白的NSI圖Fig.12 NSI of peanut protein and deaminated peanut protein
以DD、DH、DD/DH為評價指標,通過單因素實驗考察硫酸濃度、反應溫度、反應時間與蛋白質量濃度對去酰胺改性花生蛋白效果的影響規律,并采用正交實驗確定最佳的改性條件。隨后,采用氨基酸分析、電子顯微鏡、紅外光譜、察改性對花生蛋白結構組成的影響,并利用NSI來驗證去酰胺改性對提高花生蛋白溶解性的效果。獲得如下結論:
a. 花生蛋白去酰胺的最優條件是:采用0.30 mol/L硫酸作用于質量濃度5.5%花生蛋白溶液,85 ℃反應2 h,在此條件下,花生蛋白脫酰胺度、水解度、DD/DH分別為66.98%±0.54%、10.56%±0.27%、6.34。
b. 去酰胺改性基本未改變花生蛋白的氨基酸組成;改性使花生蛋白的β-折疊、β-轉角、無規則卷曲的比例有所下降,β-逆折疊和α-螺旋比例略微上升,但未改變花生蛋白以β-折疊、β-轉角、α-螺旋為主的結構組成特點。
c. 去酰胺改性使花生蛋白由原有緊密完整的聚團結構變成疏松破裂的網絡片層結構,并且將原有弱極性的Asn和Gln轉化為極性強的Asp和Glu,增強水化作用,加之蛋白的部分水解,從而使去酰胺花生蛋白的溶解性得到明顯改善。
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