不同處理對小米分離蛋白溶解性及亞基帶分布的影響

侯超凡，陳振家，郝利平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030801)

小米又稱粟，由谷子脫殼而成，是我國北方廣泛種植的作物之一[1]。小米所含的各種營養(yǎng)素豐富，口感良好，深受北方人的喜愛[2]。小米中營養(yǎng)素比例比較均衡，是一種良好的飲食來源。相較于其他常見的谷物，小米的營養(yǎng)價值更優(yōu)，與水稻、玉米等谷物相比，小米的蛋白質(zhì)含量更高[3]；與大米和小麥等谷物相比，小米中所含的鈣、膳食纖維也更多[4]。同時，小米蛋白也是優(yōu)質(zhì)蛋白的來源，其消化率高達83.4%，可用于食品調(diào)味品、營養(yǎng)強化劑、添加劑等多個領(lǐng)域[5]。

近年來，許多水解后的植物蛋白被用于加工成各種增加產(chǎn)品風(fēng)味的調(diào)味品[6]，常見的有豆類蛋白[7]和谷類蛋白[8]，這得益于其水解后產(chǎn)生的游離氨基酸。小米中含有豐富的蛋白質(zhì)，其蛋白具有低過敏性的特點，分解后可產(chǎn)生大量的游離氨基酸產(chǎn)物，可用于調(diào)味品及其他添加劑的研究[9]。小米蛋白質(zhì)的氨基酸組成模式中賴氨酸和蘇氨酸是限制性氨基酸，但其必需氨基酸的含量高于稻米和小麥[10]。在實際的食品生產(chǎn)加工過程中，蛋白質(zhì)容易受到諸多因素的影響，蛋白的加工處理極易破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，發(fā)生聚集行為，從而影響蛋白質(zhì)的功能特性，進而影響食品的感官品質(zhì)。其中，蛋白的溶解度作為蛋白與溶劑之間平衡的性質(zhì)，是蛋白功能性質(zhì)中最為重要的性質(zhì)，蛋白質(zhì)的起泡性及起泡穩(wěn)定性、乳化性及乳化穩(wěn)定性都會受到溶解度的影響[11]。離子濃度、pH和溫度對蛋白質(zhì)的加工影響巨大，然而目前這3種處理對小米分離蛋白的影響報道較少。

本試驗主要研究不同離子濃度、pH、溫度對小米分離蛋白溶解性及亞基帶分布的影響，以期為小米分離蛋白及其加工產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

晉谷21號小米：山西晉中樂民恒星雜糧加工廠；考馬斯亮藍G250：Solarbio公司；5x非還原型蛋白上樣緩沖液、SDS-PAGE凝膠制備試劑盒：Servicebio公司。

YS-04A小型高速粉碎機 北京燕山正德機械設(shè)備有限公司；KDC-1044L大容量低速離心機、HC-2064高速離心機 安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司。

1.2 樣品的制備

將小米粉碎、過篩，用石油醚對小米粉進行脫脂，干燥后采用堿提酸沉法提取小米分離蛋白，50 ℃恒溫水浴下用0.1 mol/L的NaOH調(diào)溶液pH為12溶出分離蛋白，再用0.1 mol/L的HCl使蛋白沉淀，中和溶液pH后透析除鹽，用液氮對蛋白進行速凍，再經(jīng)真空冷凍干燥制得小米分離蛋白[12-14]，提取出的小米分離蛋白主要含有谷蛋白、清蛋白和球蛋白[15]。

1.3 牛血清蛋白標準曲線的繪制

采用考馬斯亮藍比色法[16]測定上清液中蛋白質(zhì)濃度，以不同質(zhì)量濃度的牛血清蛋白為橫坐標，其吸光度為縱坐標，繪制標準曲線，其線性方程為：

A595=0.5451×C+0.0173。

式中：A595為595 nm處的吸光值，C為蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度，R2=0.9997。

1.4 不同處理對小米分離蛋白溶解度的影響

1.4.1 鹽離子濃度對小米分離蛋白溶解度的影響

使用鹽離子濃度為0.01，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0 mol/L的NaCl溶液溶解分離蛋白，測定不同鹽離子濃度對小米分離蛋白溶解性的影響。

1.4.2 pH對小米分離蛋白溶解度的影響

配制質(zhì)量濃度為10 mg/mL的小米分離蛋白溶液，加0.1 mol/L的HCl和NaOH分別調(diào)整溶液pH為2.0，3.0，4.0，4.5，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，11.0，12.0，測定不同pH對小米分離蛋白溶解度的影響。

1.4.3 溫度對小米分離蛋白溶解度的影響

配制質(zhì)量濃度為10 mg/mL的小米分離蛋白溶液，將溶液置于50，60，70，80，90，100 ℃的恒溫水浴鍋中，加熱處理1 h后取出迅速冷卻至室溫，測定不同溫度對小米分離蛋白溶解度的影響。

1.5 分離蛋白SDS-PAGE分析

參考Laemmli[17]的SDS-PAGE法對小米分離蛋白進行分析，將蛋白樣品溶解于非還原型上樣緩沖液中，振蕩完全后離心備用，在非還原型上樣緩沖液中加入20 μL的β-巰基乙醇，制得還原型上樣緩沖液。電泳膠采用12%的分離膠和5%的濃縮膠制得，在電泳槽位依次加入5 μL的低分子量Marker蛋白標樣以及20 μL的蛋白上樣緩沖液(非還原型與還原型)。濃縮膠電壓為100 V，分離膠電壓為150 V，條帶距底部1 cm處電泳停止。將電泳膠進行染色及脫色操作后掃描成圖分析。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本研究均進行3次重復(fù)試驗，并使用Origin 9.1軟件作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小米分離蛋白溶解度的影響

2.1.1 鹽離子濃度對小米分離蛋白溶解度的影響

圖1 鹽離子濃度對分離蛋白溶解度的影響Fig.1 Effect of salt ion content on the solubility of protein isolate

由圖1可知，隨著離子濃度的增加，蛋白的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先迅速降低后迅速增高再趨于穩(wěn)定的趨勢，未加鹽離子的蛋白溶液質(zhì)量濃度最高。鹽離子濃度為0.01 mol/L時，質(zhì)量濃度開始下降，0.05 mol/L時達到最低，之后又開始上升，0.3 mol/L時蛋白質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。這說明低鹽離子濃度對小米蛋白聚集性影響顯著，而中、高鹽離子濃度會降低蛋白的溶解度，這種變化可能是由于低鹽離子會影響蛋白質(zhì)的表面電荷，產(chǎn)生電荷屏蔽效應(yīng)[18]，如果蛋白質(zhì)有較高的非極性區(qū)域，屏蔽效應(yīng)會引起蛋白質(zhì)抵御外來鹽離子的影響并發(fā)生聚集反應(yīng)，從而導(dǎo)致蛋白溶解度迅速降低，許雪兒等[19]發(fā)現(xiàn)低鹽離子濃度會促進玉米醇溶蛋白和負載生育酚結(jié)合，產(chǎn)生電荷屏蔽效應(yīng)、抵御鹽離子的影響。

2.1.2 pH對小米分離蛋白溶解度的影響

圖2 pH對分離蛋白溶解度的影響Fig.2 Effect of pH on the solubility of protein isolate

由圖2可知，隨著pH值的不斷增高，蛋白質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先減小后升高最終趨于穩(wěn)定的趨勢。在pH值為4，4.5，5時蛋白質(zhì)量濃度相對較低，pH為5時達到最低，說明小米蛋白質(zhì)的等電點位于pH 5附近，這與堿提酸沉法的原理相似[20]。在等電點時，蛋白質(zhì)分子以兩性離子形式存在，其正負電荷相等，此時蛋白質(zhì)分子在溶液中因為沒有相同電荷的相互排斥，分子作用力減弱，蛋白質(zhì)分子碰撞幾率增大，隨之凝聚而產(chǎn)生沉淀，而pH不斷偏離等電點時，蛋白質(zhì)分子所帶電荷數(shù)增多，會產(chǎn)生靜電作用使蛋白質(zhì)分子之間不容易碰撞結(jié)合[21]。所以，蛋白質(zhì)在等電點時，其溶解度最小，最易形成沉淀物。高曉莉等[22]同樣發(fā)現(xiàn)當pH處于等電點附近時，燕麥蛋白的溶解度最低。

2.1.3 溫度對小米分離蛋白溶解度的影響

圖3 溫度對小米蛋白溶解度的影響Fig.3 Effect of temperature on the solubility of millet protein

由圖3可知，隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)量濃度先升高，在60～80 ℃質(zhì)量濃度呈下降趨勢，80 ℃時蛋白溶解度達到最低，90 ℃時又有所回升。這是由于大多數(shù)蛋白質(zhì)均對60 ℃以上的溫度敏感，隨著溫度升高，蛋白逐漸變性，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被打開，蛋白質(zhì)分子之間、蛋白質(zhì)分子與界面之間的相互作用力都會改變，進而發(fā)生熱聚集反應(yīng)，致使蛋白質(zhì)溶解度下降[23]。但隨著溫度繼續(xù)升高，高溫條件會使已經(jīng)形成的熱聚集體發(fā)生熱分解，從而使蛋白溶解度增加。Hussain等[24]發(fā)現(xiàn)高溫條件使乳清蛋白的熱聚集體發(fā)生分解效應(yīng)，因此，溫度在90 ℃之后質(zhì)量濃度又有了一定程度的升高。

2.2 不同處理對小米分離蛋白亞基分布的影響

2.2.1 鹽離子濃度對小米分離蛋白亞基分布的影響

圖4 鹽離子濃度對小米蛋白上清液亞基帶分布的影響Fig.4 Effect of salt ion content on the subunit distribution of millet protein supernatant 注：0為低分子量Marker，1～12依次為不同鹽離子濃度處理后的小米蛋白上清液(0.01,0.05,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mol/L)，N為非還原樣品，R為還原樣品。

圖5 鹽離子濃度對小米蛋白沉淀亞基帶分布的影響Fig.5 Effect of salt ion content on the subunit distribution of millet protein precipitation 注：0為低分子量蛋白Marker，1～12依次為不同鹽離子濃度處理后的小米蛋白沉淀(0.01,0.05,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mol/L)，N為非還原樣品，R為還原樣品。

由圖4和圖5可知，上清液和沉淀樣品經(jīng)過β-巰基乙醇還原后，電泳中66.2 kDa以上的亞基帶消失不見，31～66.2 kDa之間的亞基條帶顏色加深，這表明蛋白樣品在經(jīng)過還原后，66.2 kDa以上亞基帶的消失與β-巰基乙醇的還原作用有關(guān)，β-巰基乙醇具有極強的還原作用，它可以使部分亞基帶中的二硫鍵打斷，破壞蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，從而造成亞基帶下移[25]。

由圖4和圖5可知，低鹽離子濃度下沉淀樣品的泳帶比上清液更加清晰，這說明在低鹽離子濃度下上清液中溶解的蛋白較少，沉淀中所含的蛋白較多，這恰好對應(yīng)了圖1中所得的結(jié)果，證實了低鹽離子濃度會影響蛋白質(zhì)表面上的電荷，產(chǎn)生電荷屏蔽效應(yīng)，進而引起蛋白質(zhì)的聚集沉淀。

2.2.2 不同pH值下離心后小米蛋白電泳圖譜

圖6 pH對小米蛋白上清液亞基分布的影響Fig.6 Effect of pH on the subunit distribution of millet protein supernatant 注：0為低分子量蛋白Marker，1～12依次為不同pH處理后的小米蛋白上清液(pH為2,3,4,4.5,5,6,7,8,9,10,11,12)，N為非還原樣品，R為還原樣品。

圖7 pH對小米蛋白沉淀亞基帶分布的影響Fig.7 Effect of pH on the subunit distribution of millet protein precipitation 注：0為低分子量蛋白Marker，1～12依次為不同pH處理后的小米蛋白沉淀(pH為2,3,4,4.5,5，6,7,8,9,10,11,12)，N為非還原樣品，R為還原樣品。

pH對分離蛋白上清液的影響見圖6，泳帶4和5(pH為5和6)幾乎沒有亞基帶分布，其他泳帶的亞基帶明顯清晰，這一現(xiàn)象說明當溶液pH處于蛋白的等電點附近時，上清液中絕大多數(shù)的蛋白會發(fā)生聚集，從而導(dǎo)致上清液樣品中不含亞基帶分布，這是由于蛋白處于等電點時分子間作用力減弱，不斷碰撞聚集形成沉淀，而等電點的位置與三級結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基的組成有關(guān)，上清液電泳帶消失與圖2所得的結(jié)果一致。繼續(xù)觀察圖7中pH對分離蛋白沉淀的影響，可以發(fā)現(xiàn)沉淀在等電點處的泳帶都有亞基帶，這表明等電點處上清液中的蛋白聚集體整體遷移到了蛋白沉淀中，這進一步驗證了之前所得到的結(jié)論。通過比較非還原和還原的電泳圖，發(fā)現(xiàn)在樣品經(jīng)過還原后，66.2 kDa以上的亞基帶消失，而14.4～66.2 kDa的亞基帶顏色變深，這說明蛋白在經(jīng)過β-巰基乙醇還原后二硫鍵被打斷，分裂形成了低分子亞基帶。

2.2.3 不同溫度下小米蛋白電泳圖譜

圖8 溫度對小米蛋白上清液和沉淀亞基帶分布的影響Fig.8 Effect of temperature on the subunit distribution of millet protein supernatant and precipitation 注：0 為低分子量蛋白Marker，1～6依次為不同溫度處理后的小米蛋白上清液(50，60，70，80，90，100 ℃)；①～⑥依次為不同溫度處理后的小米蛋白沉淀(50，60，70，80，90，100 ℃)，N為非還原樣品，R為還原樣品。

由圖8可知，當溫度升高到60 ℃時，上清液亞基帶顏色加深，溫度繼續(xù)升高到80 ℃時，亞基帶顏色不斷變淺，再將溫度提高到90 ℃時顏色開始加深，這一現(xiàn)象說明上清液中蛋白濃度先升高再下降最后又回升，這與圖3所得到的結(jié)果一致。造成此現(xiàn)象的原因可能是適當?shù)臏囟瓤梢源龠M蛋白的溶解度，當溫度繼續(xù)升高使得蛋白變性，蛋白會發(fā)生熱聚集反應(yīng)，再將溫度提高到一定程度，蛋白熱聚集體會被高溫破壞，從而發(fā)生熱分解。通過比較非還原和還原電泳圖可以發(fā)現(xiàn)，66.2 kDa以上的亞基帶消失不見，31～66.2 kDa間的亞基帶顏色加深，這同樣證實了β-巰基乙醇有打斷二硫鍵的還原作用。

3 結(jié)論

通過使用離子濃度、pH及溫度對小米分離蛋白進行處理，結(jié)果表明低離子濃度蛋白可能使蛋白發(fā)生電荷屏蔽效應(yīng)，該效應(yīng)會使小米分離蛋白抵御外來鹽離子的影響，從而聚集在一起產(chǎn)生大量蛋白沉淀，溶解度嚴重降低，而中、高鹽離子濃度會降低蛋白的溶解性，當?shù)鞍兹芤旱膒H位于等電點附近時，蛋白所帶電荷相等，分子間作用力減弱，分子不斷碰撞進而產(chǎn)生強烈的聚集反應(yīng)，溫度適當?shù)靥岣呖梢源龠M蛋白的溶解，而中、高溫會使蛋白發(fā)生變性，產(chǎn)生熱聚集作用，但高溫會劇烈破壞熱聚集體的結(jié)構(gòu)，一定程度上增加了蛋白的溶解性。蛋白樣品經(jīng)過β-巰基乙醇的還原，大分子量的亞基帶消失，二硫鍵被打斷，形成了新的小分子量亞基帶。