丙烯醛氧化修飾對核桃蛋白結(jié)構(gòu)和乳化特性的影響

孫領(lǐng)鴿，王丹丹，毛曉英*，詹 萍，田洪磊

（石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆 石河子 832000）

在食品科學(xué)領(lǐng)域，蛋白質(zhì)氧化是指蛋白質(zhì)分子受活性氧直接攻擊，或與次生氧化產(chǎn)物間接反應(yīng)而發(fā)生的共價結(jié)構(gòu)修飾[1]。蛋白質(zhì)氧化會導(dǎo)致蛋白質(zhì)主鏈發(fā)生斷裂、氨基酸殘基側(cè)鏈發(fā)生氧化修飾以及形成蛋白質(zhì)分子間交聯(lián)物[2]，從而引起食品營養(yǎng)成分損失、品質(zhì)下降。在自然條件或高溫、高壓、輻照等加工條件下，食品中含有的不飽和脂肪酸、色素、金屬離子、酶等成分均能夠誘導(dǎo)蛋白質(zhì)發(fā)生氧化。近年來，蛋白質(zhì)氧化對食品營養(yǎng)成分和品質(zhì)的影響成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。盧巖等[3]研究發(fā)現(xiàn)羥自由基氧化能使大豆蛋白產(chǎn)生共價交聯(lián)；劉晶等[4]研究發(fā)現(xiàn)高濃度的丙二醛能夠使大豆蛋白持水性、乳化性等功能性質(zhì)下降。

核桃被稱為世界四大堅(jiān)果之一[5]，營養(yǎng)物質(zhì)豐富且含量均衡[6]，具有極高的營養(yǎng)價值和保健功效。核桃中油脂含量占50%以上[7]，且以多不飽和脂肪酸為主。在自然條件和加工過程中，核桃中的脂肪氧合酶（lipoxygenase，LOX）誘導(dǎo)多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氫化反應(yīng)產(chǎn)生的脂質(zhì)自由基或脂質(zhì)活性氧化產(chǎn)物（包括脂質(zhì)氫過氧化物、活性醛類等）能夠誘導(dǎo)蛋白質(zhì)發(fā)生氧化。與自由基和脂質(zhì)氫過氧化物相比，活性醛類因其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定能夠?qū)е赂蟪潭鹊牡鞍踪|(zhì)氧化。在脂質(zhì)過氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的α,β-不飽和醛中，丙烯醛的反應(yīng)活性最強(qiáng)，能夠使蛋白質(zhì)發(fā)生共價交聯(lián)[8]。此前關(guān)于丙烯醛對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)影響的研究報道主要集中在動物蛋白和大豆蛋白。如李學(xué)鵬等[9]采用丙烯醛溶液對大黃魚魚肉進(jìn)行體外氧化模擬，研究發(fā)現(xiàn)丙烯醛能夠破壞大黃魚肌肉組織結(jié)構(gòu)并引起肌原纖維蛋白氧化；Wu Wei等[10]采用不同濃度的丙烯醛氧化大豆蛋白，發(fā)現(xiàn)丙烯醛氧化修飾使得大豆蛋白發(fā)生交聯(lián)，蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。而關(guān)于丙烯醛氧化對核桃蛋白結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響鮮見報道。目前，關(guān)于大豆等植物性原料在貯藏和加工過程中由LOX催化的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)是導(dǎo)致植物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)性氧化修飾從而造成其功能性質(zhì)下降的主要原因基本得到了廣泛共識。然而，關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)性氧化修飾對其功能性產(chǎn)生的影響機(jī)理尚不清楚。

乳化性作為核桃蛋白加工過程中重要的功能指標(biāo)，是影響核桃蛋白產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。影響核桃蛋白乳化特性的因素有很多。趙潤澤等[11]研究發(fā)現(xiàn)烘烤處理會使核桃蛋白乳化穩(wěn)定性下降；Tapal等[12]利用姜黃素提高大豆蛋白乳化性。而蛋白質(zhì)的種類和結(jié)構(gòu)是影響蛋白質(zhì)乳化性的關(guān)鍵因素。因此，本實(shí)驗(yàn)以丙烯醛代表LOX催化的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)產(chǎn)生的次生產(chǎn)物，采用不同濃度（0～1 mmol/L）的丙烯醛溶液氧化核桃蛋白，以氧化后核桃蛋白的羰基含量、巰基含量、溶解度、表面疏水指數(shù)和圓二色光譜表征核桃蛋白結(jié)構(gòu)，乳化性和乳化穩(wěn)定性表征核桃蛋白乳化特性，以研究LOX催化的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)次生產(chǎn)物的活性醛對核桃蛋白結(jié)構(gòu)和乳化特性的影響機(jī)理，為核桃蛋白產(chǎn)品在加工及貯藏過程中品質(zhì)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

和田產(chǎn)薄皮核桃購于新疆石河子市農(nóng)貿(mào)市場；丙烯醛（分析純） 山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

LGJ-18S冷凍干燥機(jī) 北京松源華興科技有限公司；PHS-3C雷磁pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；MULTIFUGE X1R高速冷凍離心機(jī) 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；SHZ-B水浴恒溫振蕩器 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；F-7000熒光光譜儀 日本日立公司；ELE高速均質(zhì)剪切機(jī) 上海易勒機(jī)電設(shè)備有限公司；MOS-450圓二色光譜儀 法國Biologic公司。

1.3 方法

1.3.1 核桃分離蛋白的制備

以當(dāng)年收獲的和田薄皮核桃為原料，參照毛曉英[13]的方法采用堿溶酸沉法制備核桃分離蛋白。采用正己烷對脫皮后的核桃仁進(jìn)行脫脂得到脫脂核桃粉。將脫脂核桃粉用95%乙醇溶液（料液比1∶10）進(jìn)行醇洗，過濾得到濾餅后揮干溶劑，用去離子水（料液比1∶26）溶解得到蛋白質(zhì)溶液。調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)溶液pH值為11，攪拌離心得到上清液。調(diào)節(jié)上清液pH值為4.5，攪拌離心得到沉淀，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)沉淀pH值至中性用冷凍干燥機(jī)凍干24 h，即得到核桃分離蛋白。

1.3.2 丙烯醛氧化核桃蛋白的制備

根據(jù)Wu Wei等[10]的方法，略修改。用0.01 mol/L pH 8.0磷酸鹽緩沖溶液溶解核桃分離蛋白，加入一定量NaN3以防止微生物滋生。將丙烯醛與核桃蛋白溶液混合，使得丙烯醛在核桃蛋白溶液中的濃度分別為0、0.001、0.01、0.1 mmol/L及1 mmol/L。將含有丙烯醛的核桃蛋白溶液在25 ℃恒溫水浴振蕩器中振蕩反應(yīng)24 h，反應(yīng)過程中注意避光。反應(yīng)結(jié)束后將核桃蛋白溶液在4 ℃去離子水中透析72 h，透析過程中要及時更換去離子水。最后將透析后的溶液冷凍干燥得到氧化核桃蛋白。

1.3.3 核桃蛋白羰基含量的測定

采用2,4-二硝基苯肼法[14]測定羰基含量。

1.3.4 巰基含量的測定

參照Huang Youru等[15]的方法。對照組不加5,5’-二硫雙（2-硝基苯甲酸），在波長412 nm處測定上清液的吸光度，巰基含量用13 600 L/（mol?cm）消光系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1.3.5 溶解度的測定

根據(jù)葉林[16]的方法，略修改。將核桃蛋白樣品溶于去離子水中，磁力攪拌1 h，離心后取上清液測定波長540 nm處吸光度。以牛血清白蛋白作標(biāo)準(zhǔn)曲線。溶解度為樣品蛋白質(zhì)含量和溶液蛋白質(zhì)含量的比值。

1.3.6 表面疏水指數(shù)的測定

采用ANS作為熒光探針[15]。核桃蛋白樣品溶于0.01 mol/L pH 7.0磷酸鹽緩沖溶液中，使得蛋白溶液質(zhì)量濃度在0.005～0.5 mg/mL之間。取50 μL濃度為8 mmol/L ANS溶液加入4 mL不同濃度的稀釋樣品中。激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為365 nm和484 nm。以蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，蛋白質(zhì)分子表面疏水指數(shù)為蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為0時得到的斜率。

1.3.7 圓二色光譜的測定

根據(jù)吳偉[17]的方法，略修改。用去離子水溶解核桃蛋白樣品使蛋白質(zhì)量濃度為50 μg/mL，掃描核桃蛋白樣品在波長190～250 nm之間的圓二色光譜。掃描3 次得到平均值，以去離子水作為空白組。

1.3.8 乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定

參考Pearce等[18]方法，略修改。將一定量核桃蛋白樣品溶解于去離子水中，取9 mL蛋白質(zhì)溶液加入3 mL大豆油，用均質(zhì)機(jī)以10 000 r/min均質(zhì)2 min后在0 min和10 min時取乳狀液5 μL溶于0.1%十二烷基硫酸鈉溶液中混勻，在波長500 nm處測定吸光度分別記為A0和A10。以0.1%十二烷基硫酸鈉溶液為空白。乳化性和乳化穩(wěn)定性按公式（1）、（2）計(jì)算：

式中：A0為均質(zhì)后0 min測定的吸光度；A10為均質(zhì)后10 min測定的吸光度；c為蛋白溶液的質(zhì)量濃度/（g/mL）；φ為油占總?cè)橐旱捏w積分?jǐn)?shù)，0.25。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

每個指標(biāo)進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用 ±s表示。繪圖采用Origin 8.5軟件，顯著性分析采用SPSS Statisics 23.0單因素ANOVE中的Dukeny檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 丙烯醛氧化對核桃蛋白氧化程度的影響

圖1 丙烯醛氧化對核桃蛋白羰基含量的影響Fig. 1 Effect of oxidative modification with acrolein on the carbonyl content of walnut protein

蛋白質(zhì)氧化發(fā)生的顯著變化之一就是羰基的形成，用羰基含量表征蛋白質(zhì)氧化程度已經(jīng)成為廣泛共識。由圖1可以看出，丙烯醛濃度為0 mmol/L時，核桃蛋白羰基含量為4.287 nmol/mg；隨著丙烯醛濃度增加，核桃蛋白羰基含量顯著增加（P＜0.05）；當(dāng)丙烯醛濃度為1 mmol/L時，核桃蛋白羰基含量為11.078 nmol/mg，與未氧化的核桃蛋白相比增加了158.41%。Mellon等[19]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)丙烯醛濃度為0.005～50 μmol/L時，突觸體的蛋白質(zhì)羰基值隨著丙烯醛濃度的增加呈線性增加。這是因?yàn)楹颂业鞍踪|(zhì)中部分氨基酸殘基上的基團(tuán)與丙烯醛分子中存在的雙鍵發(fā)生親核加成反應(yīng)生成NH3和相應(yīng)的羰基衍生物[20]。

2.2 丙烯醛氧化對核桃蛋白游離巰基和總巰基含量的影響

圖2 丙烯醛氧化對核桃蛋白巰基含量的影響Fig. 2 Effect of oxidative modification with acrolein on the sulfhydryl content of walnut protein

因蛋白質(zhì)中的半胱氨酸最容易被氧化修飾，其氧化狀態(tài)可反映蛋白質(zhì)的氧化程度。而半胱氨酸的氧化狀態(tài)通常用巰基含量來表征[21]。由圖2可以得出，隨著丙烯醛濃度的增加，核桃蛋白游離巰基和總巰基含量呈下降趨勢；且丙烯醛濃度大于等于0.01 mmol/L時，游離巰基和總巰基含量顯著下降（P＜0.05）。當(dāng)丙烯醛濃度達(dá)到1 mmol/L時，核桃蛋白游離巰基和總巰基含量相比于未氧化的蛋白分別下降55.18%和31.13%。李學(xué)鵬等[9]研究發(fā)現(xiàn)大黃魚肌原纖維蛋白的游離巰基和總巰基含量隨著丙烯醛濃度的增加而下降。這是因?yàn)檐浻H電試劑丙烯醛與軟親核試劑蛋白質(zhì)巰基可迅速發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)，從而使暴露在外面的游離巰基含量降低[22]。隨著丙烯醛濃度的增加，蛋白質(zhì)氧化變性伸展使得蛋白質(zhì)內(nèi)部的巰基得到釋放進(jìn)一步與丙烯醛反應(yīng)，從而使總巰基含量下降。同時研究結(jié)果表明丙烯醛氧化使核桃蛋白二硫鍵減少，這是由于丙烯醛氧化使得二硫鍵斷裂，蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化。巰基與二硫鍵交互反應(yīng)的平衡常數(shù)受蛋白質(zhì)氧化修飾的影響[23]，游離巰基和二硫鍵含量同時下降說明丙烯醛氧化使核桃蛋白生成了含硫氧化產(chǎn)物。

2.3 丙烯醛氧化對核桃蛋白溶解度的影響

圖3 丙烯醛氧化對核桃蛋白溶解度的影響Fig. 3 Effect of oxidative modification with acrolein on solubility of walnut protein

溶解度的大小與蛋白樣品的變性和聚集程度有關(guān)，是實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的基礎(chǔ)和前提[24]。由圖3可以看出，丙烯醛氧化對核桃蛋白溶解度影響比較大。隨著丙烯醛濃度的增加，核桃蛋白溶解度從9.25%降低到1.48%（P＜0.05）。未氧化的核桃蛋白溶解度比較低是由于溶解性差的谷蛋白占核桃蛋白組成的70%以上且在核桃蛋白的氨基酸組成中主要以酸性氨基酸和疏水性氨基酸為主[13]。Ye Lin等[25]認(rèn)為氧化導(dǎo)致花生分離蛋白溶解度下降是由于不溶性蛋白質(zhì)氧化聚集體的形成。核桃蛋白溶解度隨著氧化程度增加而下降的原因可能是核桃蛋白中多肽鏈的親核基團(tuán)與丙烯醛中的不飽和雙鍵結(jié)合發(fā)生加成反應(yīng)，蛋白質(zhì)上氨基與丙烯醛上的羰基結(jié)合發(fā)生羰氨反應(yīng)生成Schiff堿，兩者共同作用使得蛋白質(zhì)發(fā)生共價交聯(lián)生成了大量不可溶性聚集體[10]。

2.4 丙烯醛氧化對核桃蛋白表面疏水指數(shù)的影響

圖4 丙烯醛氧化對核桃蛋白表面疏水性的影響Fig. 4 Effect of oxidative modification with acrolein on the surface hydrophobicity of walnut protein

蛋白質(zhì)表面疏水指數(shù)能夠衡量蛋白質(zhì)變性的程度[26]，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能特性有重要的影響[27]。表面疏水指數(shù)反映了蛋白質(zhì)表面疏水性氨基酸的相對含量[26]。由圖4可以看出，核桃蛋白的表面疏水指數(shù)隨著丙烯醛濃度的增加顯著下降，從469.47降低至412.22（P＜0.05）。Tamamizu-Kato等[28]也發(fā)現(xiàn)丙烯醛氧化能夠降低阿樸脂蛋白的表面疏水性。吳偉等[29]研究結(jié)果表明大豆蛋白被氧化后容易發(fā)生去折疊反應(yīng)從而使其表面疏水性降低。丙烯醛氧化使得蛋白質(zhì)發(fā)生變性，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)部氨基酸殘基被氧化，原本包藏在蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水性基團(tuán)如芳香族氨基酸被暴露出來，這些暴露出來的疏水基團(tuán)在疏水相互力的作用下形成氧化聚集體，從而使氧化核桃蛋白的表面疏水性下降；另外，蛋白質(zhì)羰基等親水基團(tuán)的形成也是引起蛋白質(zhì)表面疏水性下降的原因之一[30]。

2.5 丙烯醛氧化對核桃蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響

圖5 核桃蛋白樣品圓二色光譜圖Fig. 5 Circular dichroism spectra of walnut protein samples

表1 丙烯醛氧化對核桃蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響Table 1 Effect of oxidative modification with acrolein on the secondary structure contents of walnut protein

圓二色光譜技術(shù)對檢測溶液蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)十分靈敏[31]。遠(yuǎn)紫外圓二色可以用來表征核桃蛋白氧化過程中二級結(jié)構(gòu)的變化。如圖5所示，未氧化核桃蛋白在波長209 nm和222 nm處各存在一個負(fù)肩峰，這是因?yàn)棣?螺旋結(jié)構(gòu)能夠引起負(fù)科頓效應(yīng)[17]，195 nm附近的正峰和200 nm的凹槽說明未氧化核桃蛋白含有β-折疊結(jié)構(gòu)和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)。隨著丙烯醛濃度的增加，195 nm處的正峰和209、222 nm處負(fù)肩峰強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，200 nm處的凹槽強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢。通過軟件分析得到氧化核桃蛋白二級結(jié)構(gòu)相對含量，如表1所示。核桃蛋白中含有4 種類型的二級結(jié)構(gòu)，其中以無規(guī)則卷曲和α-螺旋結(jié)構(gòu)相對含量居多。隨著丙烯醛濃度的增加，核桃蛋白α-螺旋、β-折疊相對含量減少，同時無規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角相對含量增加。丙烯醛氧化使得核桃蛋白中有序的α-螺旋、β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的無規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，核桃蛋白二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這一結(jié)果與吳偉等[32]研究蛋白質(zhì)氧化對大米蛋白二級結(jié)構(gòu)含量的影響結(jié)果一致。Sun Weizheng等[33]認(rèn)為氧化導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)展開使得α-螺旋發(fā)生解螺旋，導(dǎo)致有序結(jié)構(gòu)下降。β-折疊結(jié)構(gòu)的變化與蛋白表面疏水性有關(guān)[34]，無規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角含量的變化影響蛋白質(zhì)乳化穩(wěn)定[35]。

2.6 丙烯醛氧化對核桃蛋白乳化特性的影響

圖6 丙烯醛氧化對核桃蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig. 6 Effects of oxidative modification with acrolein on emulsifying capacity and emulsion stability of walnut protein

乳化特性是蛋白質(zhì)重要的功能性質(zhì)之一，通常用乳化性和乳化穩(wěn)定性表征蛋白質(zhì)的乳化特性[36]。由圖6可以看出，隨著氧化程度的增加，核桃蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性均呈減小的趨勢。未氧化的核桃蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性分別為46.87 m2/g和25.93 min；丙烯醛濃度為1 mmol/L時，核桃蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性分別下降了78.96%和32%（P＜0.05）。說明丙烯醛氧化破壞了核桃蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性。這一結(jié)果與核桃蛋白溶解度和表面疏水指數(shù)變化趨勢相符合。李艷青[37]認(rèn)為蛋白質(zhì)聚集體的形成是造成其乳化性及乳化穩(wěn)定性下降的主要原因。丙烯醛氧化導(dǎo)致核桃蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的降低，一方面是由于丙烯醛氧化使得蛋白質(zhì)發(fā)生共價交聯(lián)而形成的不可溶性蛋白質(zhì)聚集體使得分子柔韌性降低，蛋白質(zhì)溶解度和表面疏水性降低，蛋白表面積減小，蛋白膜黏度降低；另一方面是由于氧化使核桃蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性被破壞，蛋白質(zhì)與界面的作用力減弱，蛋白質(zhì)分子無法再結(jié)合到水-油界面形成穩(wěn)定的界膜。

3 結(jié) 論

在核桃貯藏和加工過程中由LOX催化的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)是導(dǎo)致核桃蛋白質(zhì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性氧化修飾的主要途徑。為探究核桃蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)性氧化修飾并影響其功能性的機(jī)理，本研究以丙烯醛代表脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的次生產(chǎn)物，采用不同濃度的丙烯醛溶液氧化核桃蛋白，研究丙烯醛氧化對核桃蛋白結(jié)構(gòu)和乳化特性的影響。結(jié)果表明丙烯醛能夠使核桃蛋白發(fā)生顯著氧化，導(dǎo)致核桃蛋白結(jié)構(gòu)的變化。表現(xiàn)在核桃蛋白羰基含量顯著增加；游離巰基和總巰基含量顯著降低；二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使核桃蛋白溶解度和表面疏水性減小，乳化性和乳化穩(wěn)定性降低。研究結(jié)果表明丙烯醛氧化可使核桃蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)性修飾，并對其乳化特性產(chǎn)生負(fù)面影響。本研究結(jié)果為核桃蛋白產(chǎn)品在加工及貯藏過程中品質(zhì)控制提供參考，并為蛋白氧化過程中脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的次生產(chǎn)物對其結(jié)構(gòu)和功能特性的影響提供理論支持。