射流空化处理对芸豆蛋白的影响

王馨 郭亚男 曹铭 白银 郭增旺 王中江

[摘要]以芸豆蛋白为研究对象，探究射流空化不同处理时间（0min，2min，4min，6min，8min，10min，15min，20min）对芸豆蛋白结构与功能性质的影响，并分析了结构与功能特性的关系。研究表明，随着射流空化处理时间的延长，芸豆蛋白的溶解度、乳化性均呈现先上升后下降的趋势;α-螺旋、β-折叠呈现先下降后上升的趋势，β-转角呈现先上升后下降的趋势，无规则卷曲含量变化不明显;荧光光谱结果表明，荧光最大吸收波长呈现先红移后蓝移的趋势。结果表明：射流空化能改善芸豆蛋白的功能性质，为蛋白质的改性提供了新的参考。

[关键词]芸豆蛋白;射流空化;结构性质;功能性质

中图分类号：TS201.21 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

蛋白改性的方法主要有高压改性、超声改性、酶法改性、化学改性以及基因工程改性等[1-2]。射流空化作为一种高新技术，将水射流技术与空化效应相结合[3]，大量的空化泡破裂产生的局部高温、高压与腔体内产生的高剪切力等极端环境，可能会使蛋白质结构发生变化，进而实现对蛋白质功能的定向调控[4-6]。近年来，这项技术已被应用于土木工程、建筑、机械等领域，但在食品领域的应用鲜有报道。

本试验研究了在不同处理时间下，射流空化对芸豆蛋白结构和功能特性的影响，并分析了其内在机理，为拓宽射流空化技术的应用范围、改性芸豆蛋白的研究提供了新思路，为功能性更优的芸豆蛋白产品的开发提供了新的技术手段。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芸豆蛋白粉（纯度>90%）：哈高科大豆食品有限责任公司;大豆油：家乐福超市;Lowry法蛋白质含量测定试剂盒：上海荔达生物科技有限公司;氢氧化钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、盐酸、亚硫酸钠等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

2L实验室小型射流空化机：北京中森汇嘉科技发展有限责任公司;荧光分光光度计（F-4500）：日本日立公司;傅里叶变换红外光谱仪（MAGNA-IR560）：美国尼高力公司;高速分散均质机（FJ-200）：上海标本模型厂;酸度计（pHS-25）：上海伟业仪器厂;冷冻干燥机（FD5-3）：美国SIM公司;电子分析天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司;紫外-可见分光光度计（1600PC）：上海美普达仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 芸豆蛋白的处理

将芸豆蛋白用超纯水调节浓度至2%，用2moL/L HCl或NaOH溶液调pH至值为7.0，取1L的上述蛋白溶液加入射流空化机内，处理0min、2min、4min、6min、8min、10min、15min、20min后，冷冻干燥即得到芸豆蛋白样品。

1.3.2 溶解性测定

參考Molina E等[7]等的实验方法，用PBS（0.01mol/L pH=7.0）配制20mg/mL的蛋白质溶液，搅拌1h使样品溶解，静置2min后，将上层液倒入离心管中离心（5 000g，15min）。取上清液10mL。采用Lowry法测定蛋白质含量[8]。溶解度按下式计算：

溶解度=100%                    （1）

1.3.3 乳化性的测定

参考Molina E等[7]的实验方法，配成蛋白浓度1%（V/V）的溶液，取15mL蛋白溶液与5mL大豆油混合，放入玻璃大试管中。在高速乳化均质机下以13 500r/min的速度乳化2min，将乳化液迅速倒入25mL小烧杯中，立即开始取样。取样点固定在离烧杯底部0.5cm处，取20μL的蛋白乳状液与5mL 0.1%的SDS溶液均匀混合，在500nm处测定其吸光值，记为A0，乳状液静置30min后采用相同的方法测定乳状液吸光值，记为A30，用0.1%的SDS做空白对照。

乳化性：

（2）

乳化稳定性：

（3）

式中：T=2.303;N为稀释倍数250;C为乳化液形成前蛋白质水溶液中蛋白质浓度，g/mL;Φ为乳化液中的油的体积分数（0.25）。

1.3.4 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定

取一定量芸豆蛋白冻干样品研磨成粉，40℃下真空干燥24h后，称取1mg，与100mg溴化钾研磨混匀压片后进行红外光谱测定。测定条件为：测定波数范围为400～4 000cm-1的吸收光谱，分辨率2cm-1，波数度0.01cm-1，扫描次数128次，环境温度为室温。在数据采集期间，持续用干燥的N2吹洗测量室[8]。

1.3.5 荧光光谱测定

尹寿伟[9]的方法略有改动。采用RF-5301 PC荧光分光光度计测定芸豆蛋白的内源性荧光光谱。将蛋白样品溶于PBS（0.01mol/L pH=7.6）中，配成浓度为0.1mg/mL的蛋白溶液，测定条件为激发光谱290nm，发射波长300～450nm，夹缝宽均为5.0nm。

2 结果与分析

2.1 溶解性

如图1所示，随着射流空化处理时间的延长，2%芸豆蛋白的溶解度呈先升高后下降的趋势，处理时间在6min时，芸豆蛋白的溶解度最大。溶解度提高的原因可能是射流空化产生的空化效应破坏了芸豆蛋白的非共价作用，如氢键和疏水相互作用，导致其与水分子结合能力增强，溶解度提高[10]。但随着处理时间的延长，溶解度下降，这可能是由于射流空化无法将球蛋白亚基继续打碎，腔体内长时间强烈的剪切、撞击与空穴作用增加了亚基的接触，从而发生聚集，溶解度下降[11]。

2.2 乳化特性

如图2所示，随着射流空化处理时间的延长，2%芸豆蛋白的乳化性和乳化稳定性均呈现先上升后下降的趋势，乳化性在6min达到最大，乳化稳定性8min达到最大。蛋白质的乳化性和乳化稳定性与蛋白质表面电荷，表面疏水性和分子柔韧性有关，射流空化处理会改变蛋白质的结构进而影响蛋白质的乳化特性[12]。

2.3 傅里叶变换红外光谱

如表1所示，随着处理时间的延长，α-螺旋与β-折叠呈现先下降后上升的趋势，β-转角呈现先上升后下降的趋势，无规则卷曲含量变化不明显。二级结构含量的变化可能是由于在射流空化处理下，蛋白质分子的内聚力被破坏，芸豆蛋白的结构逐渐展开，无序结构增加，从有序的结构逐渐转变为更加疏松的状态，使蛋白发生解聚行为，导致氨基酸残基从芸豆蛋白被掩埋的疏水核中暴露出来[13-14]，这表明射流空化技术可改变芸豆蛋白的二级结构，进而调控其功能特性。

2.4 荧光光谱

如图3所示，随着处理时间的增长，2%芸豆蛋白的最大吸收峰位先红移后蓝移。荧光取决于色氨酸（Trp）/酪氨酸（Tyr）残基或Trp/Tyr特定相互作用的环境的极性，处理时间为6min之前，λmax向长波方向移动，说明色氨酸残基更多暴露在蛋白质分子表面，这可能是由于空化效应导致球蛋白内部结构逐渐展开，与前面红外光谱的测定结果一致;6min之后，λmax向短波方向移动，原因可能是随着蛋白质分子结构的继续展开，蛋白质分子间由于氢键、疏水相互作用、共价键等作用而开始聚集成更大粒子，导致部分色氨酸被掩埋。

3 结 论

以芸豆蛋白为研究对象，探究射流空化不同处理时间对芸豆蛋白结构与功能特性的影响。结果表明：射流空化能够明显改善芸豆蛋白的溶解度与乳化特性;会导致蛋白质二级结构的变化;芸豆蛋白的荧光最大吸收波长呈现先红移后蓝移的趋势，荧光强度呈现先升高后降低的趋势。研究表明，射流空化技术可改善芸豆蛋白的功能特性，且蛋白结构也发生了变化，为射流空化在芸豆蛋白改性方面的研究提供了参考。

参考文献

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Effect of Jet Cavitation on Kidney Bean Protein

Wang Xin，Guo Yanan，Cao Ming，Bai Yin，Guo Zengwang，Wang Zhongjiang

（Food Science College， Northeast Agricultural University，Harbin，Heilongjiang 150030）

Abstract：Taking kidney bean protein as the research object， the effects of different jet cavitation time （0，2，4，6，8，10，15，20 min） on the structure and functional properties of kidney bean protein were studied， and the relationship between structure and functional properties was analyzed. The results showed that the solubility and emulsification of kidney bean protein increased first and then decreased with the increase of jet cavitation time; the α - helix decreased first and then increased， the β - fold decreased first and then increased， the β - angle increased first and then decreased， and the content of irregular curl did not change significantly; the results of fluorescence spectrum showed that the maximum absorption of fluorescence was observed The receiving wavelength shows a trend of first red shift and then blue shift. The results show that jet cavitation can improve the functional properties of kidney bean protein and provide a new reference for protein modification.

Key Words：kidney bean protein，cavitation jet，structure properties，functional properties

收稿日期：2019-12-25

基金項目：东北农业大学SIPT项目资助（201910224099）。

作者简介：王馨，女，本科，研究方向为食品科学与工程。

通信作者：王中江，男，博士，讲师，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程。