預處理對大豆分離蛋白結構及凝膠性質的影響

汪長青 李興江 穆冬冬 羅水忠 趙妍嫣 鐘昔陽 姜紹通 鄭 志

(合肥工業大學食品科學與工程學院;安徽省農產品精深加工重點實驗室，合肥 230009)

大豆分離蛋白是大豆的重要組分，是以低溫脫脂大豆粕為原料生產的一種蛋白質含量高達90%以上的混合物，已被廣泛應用于食品及其他行業中［1－2］。凝膠性是大豆分離蛋白重要的功能特性之一，直接影響大豆食品如豆腐、腐乳等的外形、口感和質地［3－4］。

大豆分離蛋白凝膠的形成受多種因素如加熱、凝固劑、交聯劑、酶等影響。酶法制備大豆蛋白凝膠中TG酶研究較多，TG酶可催化蛋白質及肽鍵中谷氨酰胺殘基的γ－羥基酰胺基和賴氨酸上ε－氨基之間的酰胺基轉移反應，形成ε－(γ－谷氨酰胺)賴氨酸共價鍵，導致蛋白質或多肽間發生共價交聯形成凝膠［5］。由于SPI蛋白的球狀結構，包埋了大量反應位點，不利于TG酶交聯。因此，對SPI蛋白進行預處理，促使蛋白結構展開，TG酶底物暴露成為本文研究要點。目前，對蛋白預處理方法主要集中在物理、化學和酶法方面［6］。Jambrak 等［7－8］研究顯示，超聲波的空化作用使得乳清蛋白和大豆蛋白的結構展開，肽鍵斷裂，蛋白質分子質量減小。Zhang等［9］對花生分離蛋白進行超聲波處理，提高了其溶解性及乳化性。Qin等［10］用微波處理大豆和小麥蛋白混合溶液，提高了蛋白的溶解性和游離巰基含量，促進了其TG酶促凝膠性能。孫撬撬等［11］對小麥蛋白進行亞硫酸鈉和超聲波復合預處理，提高了蛋白溶解性，促使二硫鍵還原，蛋白結構松散。王飛鏑等［12］通過添加乙醇增強了分子間氫鍵作用，影響了分子結構，從而增強了大豆蛋白凝膠的抗宏觀變形能力及吸水能力。

本實驗擬采用添加亞硫酸鈉、乙醇，以及超聲波和微波對SPI蛋白進行理化預處理，對比分析不同預處理方法前后SPI蛋白溶解度和結構的變化，在此基礎上，利用TG酶促進SPI蛋白形成凝膠，研究其凝膠強度及微觀結構。研究結果可為提高SPI蛋白的凝膠性，促進SPI蛋白在食品領域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(蛋白質含量≥90%):河南省鯤華生物技術有限公司;TG酶(酶活力為1 000 U/g):泰州市一鳴生物制品有限公司。

氫氧化鈉、亞硫酸鈉、乙醇:國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

721 G型可見分光光度計:上海精科儀器有限公司;JJ－1型數顯電動攪拌器:江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠;TA－XT plus型質構儀:英國Stable Micro System公司;MS－2000型激光粒度分析儀:英國Malvern公司;FC型全波長掃描酶標儀:美國Thermo Fisher公司;SB－5200DT型超聲波清洗機:寧波新芝生物科技股份有限公司;WP700TL23－K1型微波爐:佛山格蘭仕微波爐電器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 SPI的預處理

亞硫酸鈉預處理:預實驗確定了亞硫酸鈉濃度為800 mg/L、預處理時間為0.5 h時SPI蛋白溶解度最大。將0.08 g亞硫酸鈉溶解到100 mL水中，勻速攪拌，加入10 g SPI，在室溫、pH為7.0的條件下連續攪拌0.5 h，真空冷凍干燥得到預處理的SPI蛋白樣品。預處理樣品用于粒徑、表面疏水性、化學作用力及二級結構的檢測。

乙醇預處理:預實驗確定了乙醇體積濃度為1%、預處理時間為1 h時SPI蛋白溶解度最大。配制1%的乙醇溶液，勻速攪拌，加入10 g SPI，在室溫、pH為7.0的條件下連續攪拌1 h，真空冷凍干燥得到預處理的SPI蛋白樣品。預處理樣品用于粒徑、表面疏水性、化學作用力及二級結構的檢測。

超聲預處理:預實驗確定了超聲時間為1.5 h時SPI蛋白溶解度最大。配制10 g/100 mL的SPI溶液，在室溫、pH為7.0的條件下連續攪拌0.5 h后放置于超聲處理裝置中(40 kHz，300 W)1.5 h，真空冷凍干燥得到預處理的SPI蛋白樣品。預處理樣品用于粒徑、表面疏水性、化學作用力及二級結構的檢測。

微波預處理:預實驗確定了微波功率為700 W、預處理時間為1 min時SPI蛋白溶解度最大。配制10 g/100 mL的SPI溶液，在室溫、pH為7.0的條件下連續攪拌0.5 h后進行微波預處理(3.0 GHz，700 W)，處理時間為1 min，真空冷凍干燥得到預處理的SPI蛋白樣品。預處理樣品用于粒徑、表面疏水性、化學作用力及二級結構的檢測。

1.3.2 TG 酶交聯制備 SPI凝膠

在預處理后的SPI蛋白溶液中，邊攪拌邊加入TG酶，加酶量均為40 U/g蛋白，混勻，水浴40℃反應40 min，90℃滅酶10 min，立即冰浴冷卻，將所得凝膠置于4℃冰箱中過夜保存，以未經預處理的SPI蛋白凝膠作對照，進行凝膠強度、持水性和掃描電子顯微鏡(SEM)的檢測。

1.4 分析方法

1.4.1 溶解度的測定

依據Sun等［13］的測定方法，略有改動。將預處理樣品配成濃度為10 mg/mL的水溶液，在室溫下用磁力攪拌器攪拌1 h，4℃下8 000 r/min離心20 min，上清液中可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定。

1.4.2 粒徑的測定

參考Arzeni等［14］所述，將預處理樣品分散于去離子水(10.0%，0.1 g/10 mL水)中并在25℃下攪拌0.5 h。使用Mastersizer 2000激光粒度分析儀通過激光散射測定樣品的粒度。參數分別設定為泵速1 800 r/min、折射率1.333 和吸收 0.001。粒徑測定的數值為表面積平均直徑(D32)和體積平均直徑(D43)。

1.4.3 游離巰基的測定

依據Shimada等［15］測定方法，略有改動。配制pH=8.0 的 Tris－ Gly緩沖液(0.086 mol/L Tris，0.09 mol/L Glycine 和4 mmol/L Na2EDTA)和4 mg/mL DTNB溶液(Ellman試劑)。取預處理樣品溶解在Tris－Gly緩沖液中(0.1 g樣品/5 mL Tris－Gly緩沖液)，在25℃水浴中反應24 h，8 000 r/min離心20 min，取3 mL上清液中加入0.03 mL DTNB溶液混合均勻，反應15 min后在412 nm處測定吸光度，以緩沖液為對照。按公式計算:

式中:1.36×104為Ellman試劑的摩爾消光系數;A412為412 nm處的吸光值;D為稀釋系數;C為樣品最終濃度/mg/mL。

1.4.4 表面疏水性的測定

根據Hayakawa等［16］的方法，使用 ANS作為熒光探針來測量樣品的表面疏水性。用磷酸鹽緩沖液稀釋預處理樣品(1 mg/mL溶解于0.01 mol/L pH=7緩沖液中)，8 000 r/min離心20 min。將上清液中的蛋白質濃度以0.1～0.000 5 mg/mL的梯度稀釋。然后，向3 mL稀釋的樣品中加入60μL ANS(溶解在8.0 mmol/L磷酸鹽緩沖液中)，并使用全波長掃描酶標儀的熒光模式來測定相對熒光強度，測定參數為激發波長365 nm和發射波長484 nm。表面疏水性值為相對熒光強度比蛋白質濃度的初始斜率。

1.4.5 分子間作用力的測定

參考 Gómez－Guillén 等［17］所述的方法并稍作修改。用于溶解預處理樣品的緩沖液如下:(1)0.05 mol/L的NaCl溶液(PA);(2)0.6 mol/L的 NaCl溶液(PB);(3)0.6 mol/L 的 NaCl溶液 +1.5 mol/L 的尿素(PC);(4)0.6 mol/L的NaCl溶液+8 mol/L的尿素(PD)。取0.3 g凍干的SPI樣品，分別溶解于5 mL上述緩沖液中并混合均勻，4℃條件下靜置1 h，10 000 r/min離心20 min，上清液的蛋白含量由考馬斯亮藍法測得。離子鍵的貢獻以溶解于PB和PA中SPI含量之差表示，氫鍵貢獻以溶解于PC和PB中SPI含量之差表示，疏水相互作用貢獻以溶解于PD和PC中的SPI含量之差表示。

1.4.6 傅里葉紅外光譜分析

FTIR光譜分析使用配備有氘化硫酸三甘氨酸附件的傅里葉紅外光譜儀來進行測量［18］。取0.1 g預處理樣品，按1∶99的比例加入KBr中，使用瑪瑙研缽將樣品混合，并使用液壓機壓制形成1～2 mm的薄片。置于氘化硫酸三甘氨酸附件上，在4 000 cm－1至400 cm－1的測定全波段下以4 cm－1的分辨率進行總共64次掃描。使用Omnic 6.0軟件和PeakFit 4.12軟件進行1 600至1 700 cm－1的酰胺I帶圖譜中的二級結構變化進行分析。先校正基線，然后經過去卷積和二階導數擬合。根據峰面積計算各二級結構的比率。

1.4.7 凝膠強度的測定

將1.3.2節制備的凝膠樣品取出后放置30 min。采用質構儀穿刺實驗法測凝膠強度［19］。

25℃下采用質構儀測定改性大豆蛋白的凝膠強度，穿刺實驗操作條件:P0.5探頭，測試前速度:5.0 mm/s，測試速度:2.0 mm/s，測試后速度:10.0 mm/s，出發力10 g，下壓凝膠10 mm所需力為凝膠強度，單位g/cm2。

1.4.8 凝膠樣品持水率的測定

根據 Tang等［20］測定方法，按照 1.3.1 中得到的凝膠樣品取5 g用于WHC的測量。將凝膠樣品置于10 mL離心管中，以8 000 r/min在4℃下離心20 min。離心后，除去水并精確稱量帶有樣品的離心管。WHC計算方法:

式中:W t為凝膠樣品中所含水分的總質量/g;W r為離心后凝膠溢出水分的質量/g。

1.4.9 微觀結構觀察

依據Chin等［21］測定方法，將凍干的凝膠樣品置于氬氣環境下進行粘板，臨界點干燥，離子濺射，和噴金處理。然后將噴金處理后的樣品在10 kV加速電壓下的掃描電子顯微鏡進行測量，并觀測記錄預處理對TG酶誘導的SPI蛋白凝膠的微觀形態結構。

1.5 數據處理

所有的實驗進行三次重復，數據以平均值±標準差的形式表示。數據的顯著性(P＜0.05)通過SPSS軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 預處理對大豆分離蛋白溶解度的影響

溶解度的變化一定程度上能反應蛋白質結構的變化，是蛋白質的重要特征。亞硫酸鈉預處理(濃度為800 mg/L、預處理時間為0.5 h)、乙醇預處理(體積濃度為1%、預處理時間為1 h)、超聲波預處理(40 kHz，300 W，1.5 h)、微波預處理(700 W，1 min)對SPI可溶性蛋白含量的影響如圖1所示。

圖1 預處理對大豆分離蛋白溶解度的影響

由圖1可知，預處理能顯著提高大豆分離蛋白的溶解性。微波預處理使可溶性蛋白含量由2.95 mg/mL提升為5.30 mg/mL。亞硫酸鈉是一種還原劑，可以還原蛋白分子間和分子內的二硫鍵，使蛋白分子中的二硫鍵部分斷裂形成游離巰基，從而破壞其三級結構，使溶解性增強［22］。超聲波的空化效應和機械效應等作用使大顆粒的蛋白聚集體解聚成較小顆粒的蛋白分子，蛋白質顆粒體積的減小，從而使蛋白質更易分散在水中［23］。微波通過對蛋白質中極性分子在水中強電場強度的高頻率振蕩作用，使微波場能轉化為熱能導致蛋白質溫度升高，從而斷裂蛋白質分子間和分子內的共價鍵和非共價鍵，例如二硫鍵和氫鍵，從而導致蛋白質結構的疏散展開，改善了蛋白質的溶解性［24］。低濃度醇類的添加降低了水介質的介電常數，提高了蛋白質分子內和分子間的靜電作用力，能在一定程度上能影響蛋白質分子結構的展開，然而對大豆分離蛋白的溶解性提升并不明顯［12］。

2.2 預處理對大豆分離蛋白粒徑的影響

不同理化預處理后的SPI蛋白的粒度分布和粒徑大小如圖2和圖3所示。

圖2 預處理對大豆分離蛋白粒徑分布的影響

圖3 預處理對大豆分離蛋白粒徑的影響

由圖2、圖3可知，亞硫酸鈉、超聲波和微波預處理使大豆分離蛋白的表面積平均粒徑(D32)和體積平均粒徑(D43)都顯著降低。微波預處理對粒徑改變效果最明顯，使D32從169.43μm降至108.17 μm，D43從324.79 μm 降至222.24 μm。亞硫酸鈉還原了蛋白質中的二硫鍵，使其粒徑減小。超聲波可能通過空穴效應使溶液形成湍流，湍流產生的機械剪切力將蛋白顆粒打散，使蛋白質的粒徑減小。微波使粒徑減小可能是通過還原二硫鍵、減小氫鍵作用等使蛋白斷裂展開所致。乙醇預處理對粒徑的改變并不明顯。預處理對粒徑的改變與溶解度的結果類似，說明SPI的溶解性與粒徑有一定的關系。

2.3 預處理對大豆分離蛋白游離巰基的影響

根據含游離巰基的蛋白質易與Ellman試劑發生反應的原理，測定游離巰基含量。游離巰基的含量在SPI蛋白結構中起重要作用。不同理化預處理對SPI溶液中游離巰基含量的影響如圖4所示。

圖4 預處理對大豆分離蛋白游離巰基含量的影響

由圖4可以看出，亞硫酸鈉預處理對可溶性大豆蛋白的游離SH含量的提升很顯著，含量由5.44 μmol/g提升為17.93μmol/g，驗證了亞硫酸鈉對蛋白二硫鍵的還原作用，使游離SH含量增大。超聲波和微波預處理對游離SH含量也有明顯提升，可能是由于超聲波空化現象的高壓、剪切力和湍流力使得蛋白質內二硫鍵發生斷裂。微波處理會產生極化現象，可以使二硫鍵斷裂以形成游離SH基團。乙醇預處理并沒有明顯改變SPI的游離SH含量。經過預處理的SPI，游離SH含量上升，二硫鍵含量下降，可能導致蛋白分子展開，從而影響到蛋白顆粒的粒徑與溶解性。

圖5 預處理對大豆分離蛋白表面疏水性的影響

2.4 預處理對大豆分離蛋白表面疏水性的影響

表面疏水性(H0)不僅在研究蛋白質的穩定性、構象和分子間相互作用中具有重要作用，而且在凝膠網絡的形成中也起到一定的作用［25］。

由圖5可知，亞硫酸鈉、超聲波和微波預處理能顯著提高可溶性大豆蛋白的H0。超聲波預處理使蛋白H0從72.39升至115，提升效果最為顯著。亞硫酸鈉通過破壞蛋白二硫鍵從而使內部疏水基團暴露到表面，提升了H0。超聲波的空化現象會使蛋白質分子展開和分散，疏水基團暴露到表面。微波處理的熱效應使蛋白質分子展開，蛋白質的變性暴露了疏水基團［26］。乙醇預處理沒有明顯改變蛋白的H0。

2.5 預處理對大豆分離蛋白分子間作用力的影響

通過測定SPI在四種溶劑中的溶解度，來表征預處理引起的蛋白質分子間作用力，測定結果如圖6所示。

圖6 預處理對大豆分離蛋白分子間作用力的影響

維持蛋白質結構的化學鍵主要有離子鍵、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵等。不同化學試劑對大豆分離蛋白具有破壞特定形式化學鍵的能力，根據大豆分離蛋白在幾種不同化學試劑中溶解度的不同，測定了預處理后大豆分離蛋白化學鍵的變化［27］。由圖6可知，亞硫酸鈉預處理可使離子鍵作用增強，可能是由于鹽離子的引入。乙醇預處理使氫鍵作用顯著提升，可能是由于極性溶劑乙醇可通過羥基與蛋白質分子形成氫鍵所致［28］。圖6還可以發現，疏水相互作用對于維持SPI蛋白結構所起的作用較大。亞硫酸鈉、微波和超聲波預處理使疏水相互作用顯著降低，可能是由于預處理使蛋白質分子展開，破壞了疏水相互作用。

2.6 預處理對大豆分離蛋白二級結構的影響

FTIR分析用于說明蛋白質構象的變化。FTIR光譜的酰胺Ⅰ帶光譜(1 600～1 700 cm－1)主要來源于多肽鏈中蛋白質二級結構C=O鍵的彎曲振蕩，被廣泛應用于蛋白質二級結構的研究中。吸收峰與二級結構關系如下:α－螺旋為1 650～1 660 cm－1;β－折疊為1 610～1 640 cm－1和1 670～1 690 cm－1;β －轉角為1 660～1 670 cm－1和1 690～1 700 cm－1;和無規則卷曲為1 640 ～1 650 cm－1［29］。

表1 預處理對大豆分離蛋白二級結構的影響

蛋白質分子內多肽鏈可形成α－螺旋、β－折疊、β－轉角等特定的立體結構，這些結構的變化可反映蛋白二級結構的變化。如表1所示，亞硫酸鈉預處理對二級結構的改變程度并不大，其導致的蛋白質β－折疊的減少和無規則卷曲的增加可能是由于亞硫酸鈉使蛋白中的二硫鍵斷裂所引起的變化。乙醇預處理使α－螺旋增加、無規則卷曲減少，可能是由于極性溶劑乙醇可通過羥基與蛋白質分子形成氫鍵，增強氫鍵作用力所致。超聲波和微波預處理使α－螺旋顯著降低、無規則卷曲顯著上升，可能是破壞了維持α－螺旋的氫鍵，分子無序結構增加，微波預處理改變更為明顯。

2.7 預處理對TG酶改性大豆分離蛋白凝膠性質的影響

凝膠強度和持水性(WHC)是凝膠的兩個重要性質，反應了凝膠體系中蛋白質和水的相互作用能力。經過理化預處理后，TG酶的交聯作用使SPI形成凝膠，不同預處理方式對SPI凝膠凝膠強度和WHC的影響如圖7所示。

如圖7所示，預處理后形成凝膠的凝膠強度和WHC要顯著高于未處理樣品。微波預處理的SPI凝膠具有最高的凝膠強度和WHC。亞硫酸鈉、超聲波和微波預處理均使蛋白質粒徑分子減小，這利于形成緊湊和均勻的凝膠網絡，而緊密且均勻的結構可以束縛住凝膠體系中的水，從而導致凝膠強度和WHC。此外，這三種處理方式均使蛋白溶解性增強，表面疏水基團和無序結構增加，分子展開，TG酶反應位點增加，這些都利于凝膠強度和WHC的增強。乙醇主要是靠增強氫鍵作用促進凝膠強度和WHC。

2.8 微觀結構分析

SEM圖用來表示不同預處理對TG酶誘導的SPI蛋白凝膠的三維網絡微觀結構的影響。圖8顯示出在不同理化預處理方法下TG酶誘導的SPI蛋白凝膠的一組微觀結構圖像。

圖8 預處理TG酶改性大豆分離蛋白凝膠的SEM圖

大豆分離蛋白凝膠性質與其微觀結構密切相關。如圖8所示，未經處理的凝膠具有孔洞較大、交聯度較低且不規則的粗糙網絡結構，而預處理后的凝膠具有更為均勻且交聯度較高的網絡結構。

3 結論

物理預處理能夠顯著降低SPI蛋白的平均粒徑，使SPI蛋白溶解性增加，能夠引起部分蛋白質結構展開，二級結構發生改變。而亞硫酸鈉預處理主要通過還原二硫鍵引起蛋白質結構的改變，乙醇預處理顯著提高了蛋白間的氫鍵作用力。

預處理可以促進SPI蛋白形成TG改性凝膠，這是由于預處理使蛋白顆粒變小，溶解性增加，二硫鍵斷裂，疏水基團暴露，結構展開，構象改變。導致TG酶的反應位點暴露，增加了酶與底物結合機率，促進了蛋白質分子間的交聯，從而形成均勻致密的凝膠網絡，使凝膠強度和持水性增加。其中以微波預處理的SPI蛋白凝膠效果最好。