富硒大豆中蛋白提取工藝優(yōu)化及HPLC-MS聯(lián)用測定硒代蛋氨酸

鐵 梅，李寶瑞，邢志強(qiáng)，韓 杰，高 俁，張安寧，莊曉虹,*

富硒大豆中蛋白提取工藝優(yōu)化及HPLC-MS聯(lián)用測定硒代蛋氨酸

鐵 梅1，李寶瑞1，邢志強(qiáng)2，韓 杰1，高 俁1，張安寧1，莊曉虹1,*

（1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧大學(xué)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110036）

根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理和響應(yīng)面分析法確定了富硒大豆中硒蛋白提取的最佳工藝；在此條件下，獲取可溶性硒蛋白中的硒代氨基酸，并 采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對富硒大豆可溶性蛋白中的硒代蛋氨酸進(jìn)行定性定量分析。結(jié)果表明，液料比11∶1（mL/g）、提取溫度 44 ℃、提取時間96 min時，可溶性硒蛋白的提取率可達(dá)到76.03%。對4 種自行種植的富硒大豆中可溶性蛋白分析可知：硒-L-蛋氨酸中硒含量與可溶性蛋白中硒含量、富硒大豆中總硒量呈正相關(guān)；實驗范圍內(nèi)硒代蛋氨酸相對于可溶性蛋白中硒含量最高可達(dá)28.46%；說明富硒大豆中不僅含有硒代蛋氨酸，還存在其他形態(tài)的硒代氨基酸，有待于進(jìn)一步研究探索。對大豆進(jìn)行富硒種植，不僅能提高大豆中含硒總量，而且能通過大豆的生物代謝將其轉(zhuǎn)化成安全無毒營養(yǎng)的有機(jī)硒。

富硒大豆；高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用；硒代蛋氨酸

硒（Se）是人和動物的必需微量營養(yǎng)元素，具有重要的生理功能，大量資料證實或提示，硒具有廣泛的生物學(xué)作用，在預(yù)防克山病、某些癌癥和延緩衰老中發(fā)揮著重要作用[1-3]。我國2/3的地區(qū)缺硒，大量研究表明，有機(jī)硒尤其是蛋白硒及氨基酸硒毒性小、生物利用率高，因此如何獲取具有生物活性的硒蛋白和硒代氨基酸，已成為人們研究的熱點[4-9]。我國是世界大豆主產(chǎn)國，大豆具有很高的營養(yǎng)價值，蛋白含量在豆類中居前列，大豆也成為了富硒效果較好的農(nóng)產(chǎn)品[10]。

目前，國內(nèi)外分離提取大豆蛋白的方法主要有堿提酸沉、NaCl溶液浸提、Tris-HCl緩沖液浸提等方法，但強(qiáng)堿容易引起賴氨酸損失，產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，如賴氨酰胺丙氨酸，還可能造成蛋白的變性和水解，從而影響其生物活性、營養(yǎng)價值和商業(yè)價值[11-13]。考慮到本研究采用高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（high performance liquid chromatography with mass spectrometry，HPLC-MS）法對蛋白酶解液進(jìn)行分析，應(yīng)盡量減少無機(jī)鹽的干擾，因此選取Tris-HCl緩沖液為浸提劑，探究各因素對富硒大豆中可溶性硒蛋白提取效果的影響。

硒代蛋氨酸是蛋氨酸中的硫被硒取代而形成的一種硒代氨基酸，是生物利用度較高的有機(jī)硒化物[14]。近年來，國外測定富硒食品中硒代氨基酸的方法有高效液相色譜串聯(lián)電感耦合等離子質(zhì)譜（high performance liq uid chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometry，HPLC-ICP-MS）、HPLC-MS、毛細(xì)管電泳-電化學(xué)發(fā)光法等[15-18]，雖然對富硒產(chǎn)品中硒形態(tài)的定量、定性分析采用最多的是HPLC-ICP-MS，然而對于質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，由于多反應(yīng)監(jiān)測（multiple reaction monitoring，MRM）技術(shù)在質(zhì)譜檢測中的應(yīng)用，使得在檢測過程中有針對性地選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)譜信號采集，對符合規(guī)則的離子進(jìn)行信號記錄，去除不符合規(guī)則離子信號的干擾，相比較HPLC-ICP-MS，HPLC-MS技術(shù)具有靈敏度高、檢出限低、分析速度快等優(yōu)點[19-20]，目前國內(nèi)使用HPLC-MS測定大豆中硒代氨基酸的報道相對較少。本實驗采用HPLC-MS聯(lián)用儀對富硒大豆中的硒代蛋氨酸進(jìn)行了定性定量分析，對于進(jìn)一步研究其他硒代化合物有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

富硒大豆采用大田試驗，實驗共設(shè)4 個施硒處理，硒肥含硒量分別為0、10、20、40 mg/kg，于遼寧省沈陽市于洪區(qū)光輝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)種植。

硒標(biāo)準(zhǔn)液（1000mg/L） 國家環(huán)保總局標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所；硒代蛋氨酸 美國Sigma公司；胰蛋白酶、蛋白酶K、三羥甲基甲烷、硫酸銨、乙腈、甲酸（均為色譜純）、硝酸、過氧化氫、硝酸鎳（均為優(yōu)級純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實驗用水均為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

1100高效液相色譜系統(tǒng)、6410三重串聯(lián)四極桿質(zhì)譜美國安捷倫公司；SpectrAA220型原子吸收光譜儀、GTA110型石墨爐、cary50紫外-可見分光光度計 美國Varian公司；MDS-2002A型壓力自控密閉微波消解系統(tǒng)上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；LGJ-15D型真空冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；KJELTEC2100型半自動凱式定氮儀 瑞典富斯-特卡托公司；XZ-21K高速冷凍離心機(jī) 長沙湘智離心機(jī)儀器有限公司；MDFU50V超低溫冰箱 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

成熟大豆樣品采收后，先用大量自來水沖洗，再以超純水洗滌3 次，瀝干，裝入塑料袋中，置于-85 ℃冷凍冰柜冷凍24 h后，再移至真空冷凍干燥系統(tǒng)中，在真空度3.5 Pa、溫度為-55 ℃條件下進(jìn)行連續(xù)72 h冷凍干燥。粉碎干燥好的樣品，裝入塑料自封袋中，置干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 大豆樣品中總硒量的測定

稱取0.5 g大豆粉末于聚四氟乙烯消化罐中，加入5 mL 65%的HNO3溶液和1 mL 30%的H2O2溶液，擰緊外蓋放入微波消化儀，微波消解程序為：0.5 MPa、1 min；1.0 MPa、2 min；1.5 MPa、3 min；使用石墨爐原子吸收測定富硒大豆中的總硒量[21]。硒的吸收峰面積（A）與硒質(zhì)量濃度（ρ）在0～50 μg/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，線性方程為A=0.003 1ρ＋0.014 6（r=0.994 2），檢出限為1.20 μg/L。石墨爐原子吸收光譜儀工作條件：狹縫1.0 nm，燈電流7.0 mA，灰化溫度與原子化溫度分別為800 ℃與2 300 ℃。

1.3.3 大豆中可溶性蛋白的提取

取3 g富硒大豆樣品，按一定的液料比加入浸提液，在一定溫度和時間條件下振蕩，25 ℃條件下4 000 r/min離心30 min，取上清液在冰浴條件下緩慢加入4 倍溶液體積丙酮，于-20 ℃冰箱放置4 h后，4 ℃條件下10 000 r/min離心20 min，棄上清液并在通風(fēng)櫥吹干丙酮，得可溶性蛋白。

1.3.4 大豆中蛋白含量的確定

大豆中總蛋白和可溶性蛋白的測定采用微量凱氏定氮法，參照GB 5009.5—2010《食品中蛋白的測定》[22]。

1.3.5 大豆蛋白提取單因素試驗

采用30 mol/L pH 7.5的Tris-HCl緩沖液為浸提劑，選擇液料比5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1（mL/g），提取溫度20、30、40、50、60 ℃，提取時間30、60、90、120、150 min分別做單因素試驗，考察各因素對蛋白提取率的影響，得到提取可溶性蛋白的適宜條件范圍。

1.3.6 大豆蛋白提取的響應(yīng)面試驗

采用Box-Behnken試驗設(shè)計原理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以液料比、提取溫度、提取時間為影響因素，以蛋白的提取率為試驗指標(biāo)，采用軟件Design-Expert V8.0.6建立三因素三水平試驗，進(jìn)一步優(yōu)化可溶性蛋白的提取條件，試驗因素及水平見表1。

表 1 Box-Behnken試驗因素水平表Table 1 Factors and levels used in response surface design

1.3.7 大豆中蛋白硒含量的測定

在最佳浸提條件下提取富硒大豆蛋白，取20 mL浸提液于聚四氟乙烯消化罐中，加5 mL 65%的HNO3溶液和1 mL 30%的H2O2溶液置于微波消解儀中消化。微波消解程序及蛋白硒含量測定方法見1.3.2節(jié)。

1.3.8 大豆蛋白中硒代蛋氨酸分析測定

用5 mL 30 mol/L pH 7.5的Tris-HCl緩沖液將1.3.3節(jié)所得可溶性蛋白溶解，按底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%加入胰蛋白酶，于50 ℃水浴振蕩4 h，在相同條件下加入同等量蛋白酶K振蕩4 h，反應(yīng)完成后100 ℃煮沸10 min滅酶，5 000 r/min 離心20 min，取上清液待測。

色譜工作條件：ZORBAX 300A SB-C18色譜柱（100 mm×2.1 mm，3.5 μm）；柱溫20 ℃；流動相為20% A（水）＋80% B（乙腈），A、B流動相中各含0.1%甲酸；流速為200 μL/min；進(jìn)樣量為10 μL。

質(zhì)譜工作條件：電噴霧離子電離源，正離子電離方式，電離電壓3 845 V；霧化器為高純氮氣；離子源溫度300 ℃；霧化器壓力為300 psi；采用MRM。

串聯(lián)四極桿質(zhì)譜能夠進(jìn)行MRM，最大程度上減少基質(zhì)的干擾，為目標(biāo)化合物的分析提供高選擇性和高靈敏度。本研究對硒代蛋氨酸的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行質(zhì)譜條件摸索，其中包括優(yōu)化毛細(xì)管電壓和碰撞能。優(yōu)化毛細(xì)管電壓是為了保證母離子的傳輸效率最高，碎片離子產(chǎn)生最少，隨著毛細(xì)管電壓由小變大，母離子響應(yīng)強(qiáng)度會逐漸變強(qiáng)，但到達(dá)最適值達(dá)到最大后再增大毛細(xì)管電壓，母離子響應(yīng)就會逐漸減弱，碎片離子反而增多。優(yōu)化好毛細(xì)管電壓后，給予母離子不同碰撞能，將其打碎，得到其特征性的子離子，根據(jù)子離子響應(yīng)、穩(wěn)定性選擇最佳碰撞能。

1.4 統(tǒng)計分析

使用SPSS 1 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，對各處理間的差異性進(jìn)行多重比較和最小顯著差數(shù)法分析（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 富硒大豆中總硒量和總蛋白量

采用微波消解與石墨爐原子吸收光譜法對富硒大豆中的總硒量進(jìn)行測定（表2），對照組含硒量為58.67 μg/kg，而施硒量為10、20、40 mg/kg的大豆中含硒量呈現(xiàn)上升趨勢，表明隨著施硒量的增加，能促進(jìn)大豆對無機(jī)硒的吸收、遷移及轉(zhuǎn)化。

采用凱氏定氮法對大豆中蛋白進(jìn)行3 次測定，如表2所示，隨著施硒量的增加，大豆中蛋白含量的變化并不大。

表 2 富硒大豆中總硒量和總蛋白量Table 2 Total Se content and total protein content in Se-enriched soybean

2.2 大豆蛋白提取的單因素試驗結(jié)果

考察單因素對蛋白提取率的影響，結(jié)果表明，提取大豆可溶性蛋白的合適浸提條件范圍為：液料比10∶1、提取時間90 min、提取溫度40 ℃左右。

2.3 大豆蛋白提取工藝的優(yōu)化

2.3.1 回歸模型的建立

表 3 響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果Table 3 Response surface design and results for soybean protein extraction

對表3試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸模擬，得到各試驗因素對響應(yīng)值的影響回歸方程為：蛋白提取率/%=74.74＋6.19A＋4.92B＋1.73C＋1.15AB-0.23AC-0.045BC-7.64A2-3.42B2-1.38C2。

由表4可知，回歸方程中因變量和自變量之間的線性關(guān)系顯著（R2=0.968 9），P=0.000 2＜0.01，說明此方程極顯著，表明此模型可分析和預(yù)測富硒蛋白提取工藝參數(shù)。模型中的A、B、A2、B2達(dá)到極顯著水平，C影響顯著，AB、AC、BC、C2影響不顯著。由F值可知，影響蛋白提取率主要因素依次是A＞B＞C，即液料比＞提取溫度＞提取時間。

表 4 模型的ANOVA分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic regression model

2.3.2 響應(yīng)面分析

圖 1 液料比和提取溫度對蛋白提取率影響的響應(yīng)面Fig.1 Response surface plot for the effect of liquid/material ratio and temperature on protein yield

圖 2 提取溫度和提取時間對蛋白提取率影響的響應(yīng)面Fig.2 Response surface plot for the effect of extraction temperature and time on protein yield

圖 3 液料比和提取時間對蛋白提取率影響的響應(yīng)面Fig.3 Response surface plot for the effect of liquid/material ratio and extraction time on protein yield

圖1 ～3反映各因素對大豆蛋白提取率的影響。比較3 組圖可知：液料比對蛋白提取率的影響較大，曲線變化較陡；提取溫度次之；提取時間對蛋白提取率的影響最小，曲面變化比較平緩。

2.3.3 最佳提取條件及驗證

由Design-Expert V8.0.6分析軟件得到的最佳浸提條件為液料比10.91∶1、提取溫度43.96 ℃、提取時間95.77 min，理論上蛋白提取率為78.59%。考慮到實驗的可行性，將最佳條件調(diào)整為料液比11∶1（mL/g）、提取溫度44 ℃、提取時間96 min。在此條件下，對大豆蛋白進(jìn)行浸提，通過3 次平行實驗，測得蛋白提取率為76.03%，相對誤差為3.26%，沒有顯著差異。

2.4 富硒大豆中蛋白硒含量

圖 4 大豆中的總硒量、可溶性蛋白含硒量以及硒代蛋氨酸含硒量Fig.4 The concentrations of total-Se, protein-Se and methionine-Se in soybeans applied with different levels of selenium

在最優(yōu)浸提條件下分別提取施硒量為0、10、20、40 mg/kg成熟大豆中的可溶性蛋白，對其硒含量進(jìn)行測定，由圖4可知，隨著土壤施硒量的增加，蛋白硒的含量有所增加，對照組蛋白硒含量為20.3 μg/kg，土壤施硒40 mg/kg的大豆中蛋白硒含量達(dá)到151.04 μg/kg。但是，隨著施硒量的增加，蛋白硒占總硒的比例呈下降趨勢，對照組為34.60%，而土壤施硒40 mg/kg的大豆蛋白硒占總硒比例為23.84%。方建華等[23]對富硒大米中硒形態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，富硒大米中有機(jī)硒的主要賦存形態(tài)為蛋白硒，占總硒量53.40%，其次是多糖硒和RNA硒。而李華為等[24]對富硒金針菇中硒的分布研究發(fā)現(xiàn)，蛋白硒的含量僅占總硒量的5.03%，其原因可能是物種間富硒特性的差異及蛋白提取方法不同造成的。

2.5 富硒大豆中硒代蛋氨酸的定性定量分析

在最優(yōu)提取條件下獲得的可溶性蛋白，經(jīng)蛋白酶酶解后，采用HPLC-MS聯(lián)用儀對酶解產(chǎn)物進(jìn)行分析測定。硒代蛋氨酸分子式為C5H11NO2Se，經(jīng)甲酸對其進(jìn)一步離子化形成分子離子 [(COOHNH3)CHCH2SeCH3]＋，m/z為198。本實驗經(jīng)優(yōu)化選擇毛細(xì)管電壓為70 V，碰撞能20 V，對質(zhì)量濃度為5 μg/L的硒代蛋氨酸標(biāo)液進(jìn)行二級質(zhì)譜掃描，觀察碎片離子的種類和質(zhì)荷比。如圖5所示，確定硒代蛋氨酸的保留時間為2.41 min，選擇m/z為198.0和181.0[COOHCH＋CH2SeCH3]＋離子通道，對硒代蛋氨酸進(jìn)行定量分析（圖6）。分別配制0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 μg/L的硒代蛋氨酸標(biāo)樣繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程：y=7 720.779 7x-7 167.072 0（r2=0.999 3）。采用信噪比（RSN）為3，計算方法最低檢出限為0.5 μg/L。

圖 5 硒代蛋氨酸標(biāo)準(zhǔn)樣品的MRM質(zhì)量色譜圖Fig.5 Multiple reaction monitoring (MRM) liquid chromatogram of selenomethionine standard solution

圖 6 硒代蛋氨酸標(biāo)準(zhǔn)樣品的二級質(zhì)譜圖Fig.6 MS2spectrum of selenomethionine of selenomethionine standard solution

圖 7 富硒大豆蛋白酶解液總離子流圖Fig.7 Total ion chromatogram of selenium-enriched soybean

圖 8 富硒大豆蛋白中硒代蛋氨酸的MRM質(zhì)量色譜圖Fig.8 MRM Liquid chromatograms of selenomethionine for selenium-enriched soybeans

對土壤施硒量為10 mg/kg的富硒大豆蛋白酶解液進(jìn)行質(zhì)譜全掃（圖7），由保留時間2.41 min時得到的總離子流程圖可以發(fā)現(xiàn)m/z為198的分子離子峰，并對4 種不同施硒量的富硒樣品進(jìn)行二級質(zhì)譜掃描，除了空白樣品外，其他梯度的富硒大豆樣品均出現(xiàn)硒代蛋氨酸MRM質(zhì)量色譜峰（圖8）。經(jīng)測定并計算，圖8a～d中硒代蛋氨酸中硒的含量分別為3.67、15.33、24.81、40.66 μg/kg，表明隨著施硒量的增加，在一定程度上促進(jìn)了大豆中硒代蛋氨酸的合成。相對于可溶性蛋白中的硒含量，硒代蛋氨酸中硒的含量所占最高比例可達(dá)28.46%（圖4）。Vetter[25]、Turto[26]等發(fā)現(xiàn)，植物中的有機(jī)硒形態(tài)不僅僅為硒代蛋氨酸，還包括硒代半胱氨酸、硒甲基硒代半胱氨酸等，對于富硒大豆中其他形態(tài)的硒代氨基酸有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

選擇Tris-HCl緩沖液為浸提劑，利用Design-Expert V8.0.6分析軟件進(jìn)行優(yōu)化分析得到提取大豆可溶性蛋白的最佳工藝參數(shù)為液料比11∶1（mL/g）、提取溫度44 ℃、提取時間96 min，在此條件下蛋白提取率達(dá)到76.03%。表明響應(yīng)面法對于大豆可溶性蛋白提取條件的優(yōu)化是可行的。確定了蛋白最優(yōu)浸提條件后，對4 種大豆中的蛋白硒含量進(jìn)行測定，并與大豆中的總硒量對比。結(jié)果表明，隨著土壤中施硒量的增加，不僅大豆中總硒量在增加，蛋白硒的含量也在增加。

采用HPLC-MS聯(lián)用技術(shù)對富硒大豆可溶性蛋白中的硒代蛋氨酸進(jìn)行了定性定量分析，表明隨著施硒量的增加，在一定程度上促進(jìn)了大豆中硒代蛋氨酸的合成，同時表明硒蛋白中不僅含有一定量的硒代蛋氨酸，還大量存在其他形態(tài)的硒代氨基酸，本課題組還將繼續(xù)對未知形態(tài)的硒代氨基酸作進(jìn)一步研究探索。

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Optimization of Protein Extraction from Selenium-Enriched Soybean and Determination of Selenomethionine by Liquid Chromatography Coupled with Mass Spectrometry

TIE Mei1, LI Baorui1, XING Zhiqiang2, HAN Jie1, GAO Yu1, ZHANG Anning1, ZHUANG Xiaohong1,*
(1. College of Environmental Sciences, Liaoning University, Shenyang 110036, China；2. College of Chemistry, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

Based on single factor experi ments, the extraction process for selenium-enriched soybean protein was optimized through Box-Behnken central composite design and response surface methodology. Selenoamino acids were obtained from soluble protein under the optimized extraction conditions. Selenomethionine was qualitatively and quantitatively analyzed by liquid chromatography coupled with mass spectrometry. The optimal conditions for extraction were determined as the follows: liquid/ material ratio, 11:1; extraction temperature, 44 ℃; and extraction time, 96 min. The yield of soluble selenium-containing protein under these conditions was 76.03%. Analysis of soluble proteins from four soybeans enriched with four different levels of selenium indicated that the content of selenium in selenomethionine accounted for 28.46% of the total selenium. Thus, other selenoamino acids also existed besides selenomethionine. Soybeans were able to not only absorb and accumulate selenium, but also to transform inorganic selenium into organic selenium compounds with higher bioavailability and less toxicity. This study provides a scientifi c approach for developing selenium-enriched functional organic food based on soybeans.

selenium-enriched soybean; liquid chromatography coupled with mass spectrometry; selenomethionine

TS201.2

A

1002-6630（2015）08-0006-06

10.7506/spkx1002-6630-201508002

2014-09-27

國家自然科學(xué)基金面上項目（31371085）； 遼寧省科技廳計劃項目（2011205001）

鐵梅（1964—），女，教授，博士，研究方向為土壤、農(nóng)作物、食品中微量元素的檢測方法、形態(tài)分析、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等。E-mail：1154061312@qq.com

*通信作者：莊曉虹（1971—），女，副教授，博士，研究方向為土壤、農(nóng)作物、食品中微量元素的檢測方法、形態(tài)分析、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等。E-mail：syhoujun@126.com