動態高壓微射流處理順序對果膠-乳鐵蛋白復合物結構及性質的影響

梁瑞紅，華 慧，王學棟，李 婭，劉成梅，陳 軍*

（南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

蛋白質是構成人類食物的重要組成部分，對食品的色、香、味及結構等起到關鍵性作用，作為食品原料或添加劑被廣泛應用于食品工業[1]。而多糖作為另一種天然存在的重要高分子，其來源廣泛，許多天然來源的多糖具有抗糖尿病、抗癌、免疫調節、抗炎等生物活性[2]。但是，蛋白質和多糖因自身的結構及性質限制了其應用范圍[3-4]。近年來，大量技術被用于蛋白和多糖改性，如蛋白改性方面有超聲波[5]、動態高壓微射流（dynamic high pressure microfluidization，DHPM）[6]、美拉德交聯反應[7]、超高壓[8]等方法；而多糖改性可通過酶法[9]、微波處理[10]、DHPM[11]、共混[4]等進行。然而，在食品體系中，蛋白和多糖多以共存形式存在，且易發生相互作用，但關于外部物理處理手段對蛋白與多糖共存體系影響的研究還相對較少。

目前，關于物理手段處理蛋白與多糖共存體系的方式主要有先改性蛋白再與多糖復合、先改性多糖再與蛋白復合，以及直接處理蛋白與多糖共存體系。先改性蛋白再與多糖復合的研究方面，丁儉等[12]利用超高壓技術預處理大豆分離蛋白再與可溶性大豆多糖復合，復合體系的乳液穩定性得到增強；改性多糖再與蛋白復合的研究方面，Hosseini等[13]發現超聲處理后的海藻酸鈉與β-乳球蛋白間相互作用減弱且復合物粒子分布更加均勻；而直接處理蛋白與多糖共存體系的研究方面，Albano等[14]研究發現超聲波處理可以降低乳清蛋白與果膠復合物粒徑，增強其分散穩定性。但目前關于物理手段處理對蛋白與多糖共存體系影響的研究主要是通過采用上述某一種處理方式，而關于3 種不同處理方式對蛋白與多糖共存體系的影響是否存在差異鮮見報道。

DHPM是一種通過高壓對液體物料進行高速撞擊、強烈剪切、高頻振蕩等作用的物理改性技術，可以起到超微細化、乳化和均一的效果，進而對物料理化性質產生影響[6]。乳鐵蛋白（lactoferrin，LF）是一種分子質量約為80 kDa的單鏈糖蛋白，含有約700 個氨基酸殘基，等電點約為8.0，且具有抗菌、抗炎、抗腫瘤、免疫調節等生物活性[15]。果膠是一種由α-1,4-糖苷鍵連接D-半乳糖醛酸組成的陰離子多糖[16]，具有優良的凝膠性、增稠性、乳化穩定性等，在食品、醫藥、日化等行業作為添加劑（如凝膠劑、增稠劑、藥物載體等）和功能因子（如預防和治療癌癥、抗氧化和促進腸道等）被廣泛應用[17-18]。近年來，乳鐵蛋白-果膠復合物的研究備受關注，如乳鐵蛋白-果膠復合物作為姜黃素運載體可以改善姜黃素的水溶性、控釋性和抗氧化活性[19]；Bengoechea等[20]研究了pH值、多糖/蛋白比例、溫度對乳鐵蛋白-果膠復合物制備的影響。

基于以上背景，本實驗采用DHPM為處理手段，以乳鐵蛋白和果膠為研究對象。采用DHPM以3 種順序進行處理：DHPM預處理乳鐵蛋白再與果膠混合（MLFP）、DHPM預處理果膠再與乳鐵蛋白混合（MPLF）以及乳鐵蛋白與果膠混合后再經DHPM處理（MLFP），制備3 種乳鐵蛋白-果膠復合物，探究DHPM處理順序對復合物溶解性、乳化性和結構的影響，為探討食品組分在食品加工過程中的結構和性質變化提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食品級乳鐵蛋白（pI≈8.0、分子質量80 kDa、純度約97.5%） 新西蘭Westland乳業公司；果膠（半乳糖醛酸質量分數78.33%、分子質量約為1 273 kDa、酯化度72.65%[21]） 美國CP Kelco公司。其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

M-7125微射流均質機 美國Microfluidica公司；TU-1810紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；F-7000熒光分光光度計 日本日立公司；MOS-450圓二色光譜（circular dichroism，CD）儀法國Bio-Logic公司；Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀美國Thermo Scientific公司；DW-86L390超低溫冰箱青島澳柯瑪超低溫冷凍設備有限公司；Alpha1-2LD冷凍干燥機 美國Labconco公司；OCA25光學視頻接觸角測量儀 德國DATA PHYSICS儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復合物的制備

在Bengoechea等[20]方法基礎上稍作修改制備樣品。將果膠、乳鐵蛋白分別溶于去離子水，在25 ℃下持續攪拌使其完全溶解，最終配成質量濃度為2.0 mg/mL的母液，即果膠、乳鐵蛋白溶液的濃度分別為1.57×10-6、2.50×10-5mol/L。并分別用1.0 mol/L和0.1 mol/L的NaOH溶液將乳鐵蛋白與果膠溶液調至pH 7.0，待用。

本研究設計4 個實驗組，分別為：空白對照組：將果膠母溶液和乳鐵蛋白母溶液按體積比1∶1混勻，形成復合物（空白對照）；實驗組1：將經DHPM在80 MPa壓力下預先處理的乳鐵蛋白溶液（MLF）與未經處理果膠溶液按體積比1∶1混勻，形成復合物（MLFP）；實驗組2：將經DHPM在80 MPa壓力下預先處理的果膠溶液（MP）與未經處理乳鐵蛋白溶液按體積比1∶1混勻，形成復合物（MPLF）；實驗組3：取部分空白對照組的混合溶液，采用DHPM在80 MPa下處理，制得復合物MLFP。

所有樣品置于室溫下2 h左右以形成穩定復合物，最終樣品都放置在4 ℃冰箱貯存備用。

1.3.2 ζ-電位和平均粒徑的測定

采用粒度儀測定樣品溶液的ζ-電位和平均粒徑。在25 ℃下測定，溫度平衡時間為120 s，每個樣品做3 次平行[22]。

1.3.3 熒光光譜測定

采用F-7000型熒光分光光度計分析DHPM處理順序對復合物內源熒光性的影響。取3 mL樣品置于石英比色皿中，激發波長為292 nm[23]，發射波長為290～450 nm，激發、發射的狹縫寬度均為2.5 nm，掃描速率240 nm/min。所有樣品均在25 ℃進行測定，每個樣品測3 次平行。

1.3.4 溶解度測定

取1 mL樣品，在15 000 r/min下離心15 min，取上清液。用考馬斯亮藍G-250法測定上清液中蛋白質量濃度，并以牛血清白蛋白作標準蛋白，測定不同質量濃度蛋白的標準曲線，通過線性回歸方程計算出上清液中蛋白質量濃度，溶解度為計算后結果比蛋白總質量濃度，所有實驗操作均在室溫下進行，每個樣品做3 次平行[24]。

1.3.5 乳化性測定

根據Shen Lan等[3]的方法測定樣品的乳化性。取9 mL的樣品溶液于燒杯中，加入3 mL的玉米油，用高速分散機10 000 r/min分散1 min。立即從燒杯底部吸取50 μL溶液，分別加入5 mL的質量分數0.1%十二烷基硫酸鈉溶液，漩渦振蕩10 s，在500 nm波長處測定吸光度。乳化活性指數（emulsifying activity index，EAI）按下式計算。

式中：DF是稀釋因子（100）；ρ是初始蛋白質量濃度/（g/mL）；L是光程（1 cm）；φ是形成乳液的油體積分數/%；A0是稀釋后乳液的吸光度。

1.3.6 界面張力的測定

采用OCA25視頻光學接觸角測量儀測定復合物吸附的界面張力。將樣品置于注射器內，并使注射器上的不銹鋼針插入盛有玉米油的玻璃槽內，利用電動注射單元將樣品推到不銹鋼針的尖端形成15 μL的液滴，立即啟動視頻攝像系統連續采集液滴的外形圖像，檢測樣品界面張力γ隨吸附時間t的變化情況。實驗在25 ℃下進行，維持10 min。然后，根據Young-Laplace方程，利用SCA20軟件對液滴外形圖像分析，計算出t為10 min時，樣品的界面張力[12,25]。

1.3.7 圓二色光譜測定

采用遠紫外CD儀分析樣品二級結構變化。將樣品溶液置于光路為0.1 cm的圓形石英比色皿中，掃描范圍在190～250 nm，掃描步距分辨率為1.0 nm、掃描速率100 nm/min、譜帶寬度2.0 nm。每份樣品在25 ℃下測定，重復掃描3 次，采用DichroWeb在線數據庫預測二級結構含量[26]。

1.4 數據處理分析

實驗數據通過SPSS 16.0軟件處理，采用Tukey法對數據進行差異顯著性分析（P≤0.05表示差異顯著，P＞0.05表示差異不顯著）。每個實驗重復3 次，采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 ζ-電位分析結果

-電位的影響Fig. 1 Effect of DHPM treatment sequence on ζ-potential of LF, pectin and LF-P complexes圖 1 DHPM處理順序對乳鐵蛋白、果膠、乳鐵蛋白-果膠復合物ζ

乳鐵蛋白、果膠、乳鐵蛋白-果膠復合物經DHPM處理后的ζ-電位變化如圖1所示，在pH值為7.0（pH＜pI）時，乳鐵蛋白經DHPM處理前后均帶有凈正電荷，且經DHPM處理后乳鐵蛋白溶液的正電荷量增加，這可能是由于DHPM處理使乳鐵蛋白團聚物分散成粒徑更小的粒子，增大了乳鐵蛋白表面積，從而使乳鐵蛋白粒子表面暴露出更多的帶電基團[27]。果膠溶液經DHPM處理后其表面所帶的負電荷減少，這可能是因為DHPM處理導致果膠分子降解成一些短的果膠鏈，而新形成的果膠短鏈電荷密度較小[11,13]。目前已經有研究報道，多糖與蛋白質量濃度比對復合物形成具有重要影響，當蛋白質量濃度一定時，隨著多糖濃度的不斷增加，所帶電荷由正電逐漸變成負電，且當多糖濃度增大到一定程度，與蛋白復合達到飽和，此時電位不再變化[28]。在果膠與乳鐵蛋白復合體系中，當乳鐵蛋白的濃度遠大于果膠濃度時，混合液是復合物與大量游離的乳鐵蛋白共存，ζ-電位分析結果可能由于大量游離乳鐵蛋白的影響而顯示為正電荷，而本研究中果膠、乳鐵蛋白的濃度分別約為7.85×10-7、1.25×10-5mol/L，兩者濃度比約為1∶15，混合后，果膠（—COO-）與乳鐵蛋白（—NH3+）發生靜電復合從而使果膠包覆在蛋白表面，并且由于果膠為長鏈大分子，具有許多帶負電的游離羧基，從而使復合物帶負電荷且帶電量均小于果膠溶液，該結果與Bengoechea等[20]的研究結果一致。此外，復合物的負電性為空白對照＞MLFP＞MLFP＞MPLF，這可能是由于DHPM處理順序不同使果膠鏈形態存在差異，當單獨處理果膠時，導致果膠鏈的結構變化最大，從而使復合物MPLF的帶電量最小。

2.2 熒光光譜分析結果

乳鐵蛋白在激發波長為292 nm時，其內源性熒光主要通過色氨酸產生，但由于色氨酸殘基所處微環境和三級結構變化易影響色氨酸產生的熒光強度[29]，因此，可以通過熒光光譜（圖2）分析DHPM處理順序對乳鐵蛋白與果膠相互作用的影響。首先，DHPM處理使乳鐵蛋白的熒光強度增強，表明DHPM處理使乳鐵蛋白結構變得更加松散，色氨酸被更多地暴露，而果膠處理前后的熒光強度均接近于0。同時，乳鐵蛋白在處理前后的熒光強度均明顯大于4 種復合體系，這說明形成復合物會使乳鐵蛋白的熒光強度顯著降低。且經DHPM處理后復合物熒光強度均小于未經DHPM處理的空白對照。這顯然是由于經DHPM處理后，復合物的結構發生變化造成的，原因可能是DHPM使乳鐵蛋白和果膠分子伸展度加大且增強了果膠與乳鐵蛋白的相互作用，導致色氨酸被包裹在復合物內側，使熒光強度減小[30]；也可能是乳鐵蛋白中色氨酸的氨基（正電）與果膠的羧基（負電）復合使立體結構變化。而復合物MLFP熒光強度最低，這可能是由于復合物MLFP是由DHPM直接處理乳鐵蛋白與果膠混合體系，使乳鐵蛋白與果膠結合更為緊密，從而使色氨酸被果膠更大程度地包裹在復合物內側[29]。

圖2 DHPM處理順序對乳鐵蛋白、果膠、乳鐵蛋白-果膠復合物的熒光光譜的影響Fig. 2 Effect of DHPM treatment sequence on fluorescence spectra of LF, pectin and LF-P complexes

2.3 CD分析結果

采用CD分析DHPM處理順序對復合物中乳鐵蛋白二級結構影響，結果如圖3所示，所有樣品在210～220 nm波長處有一較寬的負峰，在190～200 nm波長處存在一個明顯的正峰，這表明經DHPM處理前后，復合物中的乳鐵蛋白二級結構均以β-折疊為主[31]。通過利用DichroWeb在線數據庫對所測得的圖譜進行分析計算，測得二級結構組成與比例，如表1所示，經DHPM處理后，復合物的α-螺旋相對含量均有所減少，β-折疊相對含量均增加，而β-轉角和無規卷曲含量無明顯變化，表明維持螺旋結構的氫鍵排布發生變化，使復合物中乳鐵蛋白的結構變得更加松散，柔性結構含量增加[32]。且與空白對照相比，MLFP的α-螺旋含量變化最顯著，這是由于DHPM直接處理乳鐵蛋白，使蛋白結構改變；而MLFP的α-螺旋含量變化相對較小，這可能是由于果膠包覆在蛋白表面，減弱了DHPM處理對乳鐵蛋白結構的影響。

圖3 DHPM處理順序對乳鐵蛋白-果膠復合物二級結構的影響Fig. 3 Effect of DHPM treatment sequence on secondary structure of LF-P complexes

表1 DHPM處理順序對乳鐵蛋白-果膠復合物二級結構相對含量的影響Table 1 Effect of DHPM treatment sequence on secondary structure content of LF-P complexes

2.4 粒徑分析結果

DHPM處理順序對乳鐵蛋白、果膠、乳鐵蛋白-果膠復合物的粒徑影響如圖4所示，空白對照、MLFP、MLFP、MPLF的粒徑分別為391.00、275.73、375.63、259.60 nm，表明DHPM處理使復合物粒徑均減小。沙小梅等[33]研究也發現DHPM處理會減小大豆蛋白-大豆多糖復合物粒徑。經處理后的乳鐵蛋白粒徑減小，這可能是由于DHPM處理使蛋白團聚物發生一定解聚[34]，而果膠經DHPM處理后粒徑減小則可能是由于果膠分子鏈發生斷裂[11]，粒徑的變化證實了上述推論，即乳鐵蛋白、果膠帶電荷量變化是由于DHPM處理使其結構、粒徑變化所造成的。且復合物粒徑為空白對照＞MLFP＞MLFP＞MPLF，這可能是由于復合物的粒徑主要受果膠結構的影響，DHPM處理順序的不同使復合物中果膠鏈形態存在差異，如復合物MLFP中果膠以完整的分子鏈包覆在蛋白表面，而MPLF和MLFP中果膠均受到DHPM處理的影響，但MLFP是由DHPM直接處理乳鐵蛋白與果膠混合體系，乳鐵蛋白分擔了部分DHPM的機械影響，從而使果膠鏈的結構變化不如MPLF明顯，最終導致形成不同粒徑的復合物。

圖4 DHPM處理順序對乳鐵蛋白、果膠、乳鐵蛋白-果膠復合物粒徑的影響Fig. 4 Effect of DHPM treatment sequence on Z-average diameter of LF, pectin and LF-P complexes

2.5 分散性分析結果

表2 DHPM處理順序對乳鐵蛋白-果膠復合物的溶解度、EAI及界面張力的影響Table 2 Effects of DHPM treatment sequence on solubility, emulsifying activity index, and interfacial tension of LF-P complexes

經不同順序DHPM處理后復合物的分散性通過測定復合物中乳鐵蛋白的溶解度來分析，如表2所示，DHPM處理均顯著提高了復合物中乳鐵蛋白的溶解度（P＜0.05），且MLFP＞MPLF＞MLFP＞空白對照，溶解度依次為92.17%、90.32%、83.26%、80.31%。通過上述粒徑分析結果可知DHPM處理使復合物粒徑減小，這可能增大了復合物粒子被結合水覆蓋的表面積，從而使復合物的分散性增強[35]。但MLFP粒徑大于MPLF，而分散性卻是MLFP大于MPLF，這可能是由于復合物MLFP在經DHPM處理時，乳鐵蛋白一定程度上抑制了果膠鏈斷裂，使較長的果膠鏈包覆在乳鐵蛋白表面，抑制復合物聚合，進而提高復合物的分散穩定性[36]。

2.6 乳化性分析結果

DHPM處理順序對乳鐵蛋白-果膠復合乳化性的影響結果如表2所示，復合物MLFP、MLFP、MPLF的EAI均顯著小于未經DHPM處理的空白對照（P＜0.05），且MLFP＞MPLF＞MLFP。經DHPM處理后復合物乳化性均降低，原因可能是DHPM處理使復合物結構發生變化，導致復合物表面的疏水性基團數量減少，從而降低了其乳化特性[34]。MLFP和MPLF的乳化性大于MLFP，這可能是因為DHPM處理使果膠分子鏈發生斷裂，導致復合物MLFP和MPLF的疏水性基團相較于MLFP被更多地暴露出來，從而使復合物MLFP的乳化性相對較低；而MLFP的乳化性大于MPLF，則可能是由于DHPM直接處理乳鐵蛋白與果膠混合體系時，果膠鏈發生斷裂的同時，乳鐵蛋白蛋白的結構也變得更加松散，從而使復合物MLFP表面相較于經DHPM其他順序處理的復合物所暴露的疏水性基團較多。

2.7 界面張力分析結果

界面行為對于乳液的制備及穩定具有重要意義，復合物在油-水界面快速吸附，迅速降低界面張力，可以增強乳液穩定性，阻止油滴的聚集。因此可以通過界面張力表征復合物的乳化特性。DHPM處理順序對乳鐵蛋白-果膠復合物界面張力的影響如表2所示，經DHPM處理的復合物界面張力均顯著大于未經處理的空白對照（P＜0.05），且MLFP＞MPLF＞MLFP＞空白對照。界面張力的增加表明復合物表面活性的降低[37]，這與上述乳化性分析結果一致。可能的原因是DMHP處理使乳鐵蛋白-果膠復合物的結構發生變化，導致表面的疏水性基團數量減少，提高了復合物吸附壘能，降低吸附效率[12]，從而使界面張力增大。

3 討 論

本研究通過DHPM以不同順序處理，制備出3 種不同的乳鐵蛋白-果膠復合物，并探究DHPM處理順序對復合物結構及性質的影響。根據上述結果和分析，對DHPM處理順序影響乳鐵蛋白-果膠復合物形成的機理進行初步推斷（圖5）。復合物MLFP的制備是通過DHPM先處理乳鐵蛋白，使乳鐵蛋白解團聚，結構變得松散后與未經處理的果膠鏈靜電復合而成，相較于其他兩種制備方式，其粒徑較大，乳化性和分散性均最低；復合物MPLF則是通過DHPM先處理果膠，使果膠鏈斷裂后與乳鐵蛋白復合，形成最小粒徑的復合粒子；而復合物MLFP則是先將乳鐵蛋白與果膠直接形成較大的復合粒子后，再經DHPM處理，此時果膠與乳鐵蛋白之間存在一定交互影響，使DHPM對蛋白與果膠結構影響減弱，形成粒徑相對較小的復合粒子，且分散性和乳化性最高。

圖5 DHPM處理順序對乳鐵蛋白-果膠復合物形成影響的示意圖Fig. 5 Schematic diagram of effect of DHPM treatment sequences on formation of LF-P complexes

綜上，本研究得出以下結論：DHPM處理后使復合物的分散性增強、乳化性減小；經DHPM處理后的3 種復合物中，MLFP的分散性和乳化性最強，而MLFP的分散性和乳化性最弱，這與界面張力分析結果一致；經DHPM處理的復合物粒徑也顯著減小，且MPLF＜MLFP＜MLFP＜空白對照；粒徑和CD分析表明3 種復合物的結構也存在差異，MLFP中乳鐵蛋白經DHPM處理使蛋白團聚物發生解離且結構變得更加松散，MPLF中的果膠經DHPM處理則發生斷裂，而MLFP則是DHPM直接處理乳鐵蛋白和果膠混合體系，果膠和乳鐵蛋白分子間存在交互影響，一定程度上減弱了DHPM對復合物結構的影響；ζ-電位和熒光光譜分析結果表明，果膠和乳鐵蛋白復合物主要通過兩者間的靜電作用形成，且DHPM處理促進果膠與LF的相互作用。本研究為探討食品組分在食品加工過程中的結構和性質變化提供一定的理論依據。