不同儲藏溫濕度對玉米中蛋白質的影響

殷晶晶,趙 妍,*,田曉花

(1.河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001;2.山東商務職業學院,山東煙臺 264670)

不同儲藏溫濕度對玉米中蛋白質的影響

殷晶晶1,趙 妍1,*,田曉花2

(1.河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001;2.山東商務職業學院,山東煙臺 264670)

以“鄭單958”品種玉米為對象,模擬中國蒙新、華北、華中和華南儲糧微環境條件(15 ℃,50% RH;20 ℃,65% RH;28 ℃,75% RH和35 ℃,85% RH),以研究儲藏期間玉米蛋白質的變化規律,結果表明儲藏時間對玉米的總蛋白含量幾乎無影響(p>0.05);隨著儲藏時間延長,玉米中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和巰基含量呈下降趨勢(p<0.05),而谷蛋白和二硫鍵含量則呈現上升趨勢;儲藏微環境對蛋白組分以及巰基和二硫鍵含量的變化影響顯著(p<0.05)。與低溫低濕條件(15 ℃,50%RH)相比,高溫高濕條件(35 ℃,85% RH)下,玉米中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和巰基含量分別減少了0.24、0.13、0.26 g/100 g和1.19 μmol/g,谷蛋白和二硫鍵含量分別增加了0.74 g/100 g和2.05 μmol/g。因此,低溫低濕環境(15 ℃,50% RH)更利于玉米安全儲藏。

玉米,儲藏微環境,蛋白質組分,巰基,二硫鍵

玉米是世界三大糧食作物之一,可作為食品原料、畜禽飼料和工業原料,具有產量大、種植面積廣泛的特點,在中國農業生產以及國民經濟中占據著重要地位[1]。2012年玉米產量首次超過稻谷成為我國第一大糧食作物[2],據美國農業部預測數據顯示,2016年我國作為總產量僅次于美國的玉米生產大國,玉米產量將達2.3億t[3]。隨著畜牧業和玉米加工業的發展,玉米將成為未來保障我國糧食安全的關鍵作物。

蛋白質是生命活動的基礎性物質,幾乎參與了所有的生命活動,作為機體的重要組成部分,蛋白質在營養結構、飲食結構中占據重要地位[4]。玉米的營養品質主要取決于籽粒的營養價值和籽粒中生化物質的含量,玉米的品質在儲藏期間會受到溫度、濕度和氣候變化等儲藏條件的影響。蛋白質作為玉米的成分之一,在一定程度上決定了玉米籽粒的品質和特點。儲藏期間玉米蛋白質的變化直接影響到玉米風味和加工特性[5]。我國玉米加工主要是利用濕法提取淀粉,提取淀粉后的副產物主要為玉米面筋粉,蛋白質含量達到60%[6],其中富含醇溶蛋白、谷蛋白,還含有少量的清蛋白、球蛋白。玉米蛋白與玉米的營養和加工品質密切相關,是玉米及其加工制品進行優劣評定的重要指標之一。根據我國不同地域的氣候差異和農業耕作特點,我國可劃分為七大儲糧區域[6],其中蒙新儲糧區、華北儲糧區、華中儲糧區和華南儲糧區為玉米主產區。本文對玉米蛋白質進行定量研究,探究在不同儲藏溫濕度下儲藏期間玉米蛋白質的變化規律,不僅為玉米的安全儲藏提供理論依據,同時對于玉米蛋白的深度加工和利用具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

2015年新收獲玉米 品種為鄭單958,產自河南,購買于河南瑞星種業有限公司。

氯化鈉、乙醇、氫氧化鈉、磷酸、硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、考馬斯亮藍G-250、牛血清蛋白、尿素、β-巰基乙醇、三氯乙酸、鹽酸胍等;均為分析純。

HWS型智能恒溫恒濕箱 寧波東南儀器有限公司;JFSD-70型實驗室粉碎磨 上海嘉定糧油儀器有限公司;1241型FOSS近紅外谷物品質分析儀InfratecTM上海錦勱儀器設備有限公司;PHS-3C型精密酸度計 上海大普儀器有限公司;METTLER-MS105DU分析天平 北京西化儀科技有限公司;TGL-16C臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;HY-4型調速多功能振蕩器 江蘇省金壇市醫療儀器廠;752-紫外可見分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司;HH-S恒溫水浴鍋 鞏義市英峪予華儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗條件及樣品處理 模擬蒙新儲糧區、華北儲糧區、華中儲糧區和華南儲糧區這四個玉米主產區的年平均溫濕度條件,設計了15 ℃,50% RH;20 ℃,65% RH;28 ℃,75% RH和35 ℃,85% RH 4種儲糧微環境條件,在恒溫恒濕箱中進行人工模擬加速陳化儲藏,儲藏時間為360 d,每隔60 d取4種儲藏條件下的玉米樣品粉碎成粉末(樣品粉碎3次,每次的粉碎時間為10 s),過60目篩網,備用。

1.2.2 玉米總蛋白含量 采用GB/T 24897-2010中的近紅外法。

1.2.3 玉米蛋白質組分的提取與分離 參照王若蘭等[7]的方法對玉米清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白進行提取與分離,并對其方法加以改進。清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的提取分別用去離子水、10%的NaCl溶液、70%的乙醇溶液和0.2%的NaOH溶液作為提取劑。稱取玉米粉樣品0.500 g置于10 mL離心管中,加入5 mL提取劑,充分混勻,在水浴振蕩器上振蕩30 min(20 ℃,220 r/min),然后在4000 r/min的轉速下離心15 min,將上清液移入50 mL容量瓶。向離心管的沉淀中加入5 mL提取劑充分混勻,再次振蕩和離心。同一離心管的樣品提取3次,合并上清液,最后用相應的提取劑定容到50 mL,即得清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白待測液。

1.2.4 玉米蛋白質組分含量測定 采用考馬斯亮藍G-250比色法[8]。以0.1 mg/mL牛血清蛋白為標準液制作標準曲線,所得標準曲線方程為y=0.0085x+0.0207,R2=0.9979。分別以去離子水、10%的NaCl溶液、70%的乙醇和0.2%的NaOH溶液各1 mL代替樣品液作為空白,參照標準曲線的方法測定清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白含量。

1.2.5 游離巰基和二硫鍵含量的測定 樣品制備:準確稱取150 mg玉米粉樣品放入小燒杯中,用1 mL的Tris-甘氨酸緩沖液(pH8.0)緩慢溶解,然后加入4.70 g鹽酸胍,充分攪拌,待全部溶解后,繼續用 Tris-甘氨酸緩沖液定容至10 mL。

游離巰基和二硫鍵含量采用Ellman比色法[9]。游離巰基含量計算公式如下:

-SH/g(μmol)=73.53A412×D/C

式中:73.53=106/(1.36×104),1.36×104是Ellman試劑的摩爾消光系數;A412為λ=412 nm下吸光度值;D為稀釋系數,取D=5.02;C為樣品的蛋白質最終濃度,單位為mg/mL。

二硫鍵含量計算公式如下:

-S-S-(μmol/g)=(總巰基含量-游離巰基含量)/2

1.3 數據處理

所有實驗均重復測定3次,實驗結果取平均值。實驗數據處理采用SPSS Statistics 20.0軟件進行差異性顯著分析(p=0.05),利用Excel軟件進行數據處理及繪圖。

2 結果與分析

2.1 玉米籽粒總蛋白含量的變化

玉米中蛋白質含量為6.6%～13.5%,僅次于小麥、大米,是重要的食品和飼料蛋白源[10]。由圖1可見,在4種貯藏條件下,玉米籽粒總蛋白含量變化均比較平緩。統計結果表明,儲藏360 d后,各儲藏組的玉米籽粒總蛋白含量與其前期相比無顯著性差異(p>0.05),4種不同貯藏條件下的玉米籽粒間,其總蛋白含量也不存在顯著性差異(p>0.05)。因此,儲藏溫濕度與儲藏時間對玉米籽粒總蛋白含量影響均不顯著。這與解慧等[11]關于在自然條件下玉米總蛋白含量幾乎無變化的報道相一致。儲藏期間玉米總蛋白含量的基本不變,表明玉米在儲藏期間加工品質的變化并不是由總蛋白含量的變化引起的,因此,不能僅依靠總蛋白含量的變化作為衡量玉米品質的指標。

圖1 不同儲藏微環境條件下玉米籽粒總蛋白含量變化Fig.1 The total protein content of maize under different micro-environmental conditions

2.2 玉米籽粒各蛋白組分含量的變化

玉米籽粒中蛋白質80%以上集中于胚乳層,平均蛋白質含量為10.47%左右。其中,醇溶蛋白和谷蛋白含量較大,醇溶蛋白占總蛋白的50%～55%,谷蛋白占總蛋白的30%～35%;球蛋白占總蛋白的10%～20%,而清蛋白僅占總蛋白的2%～10%[12]。其中清蛋白和球蛋白統稱為可溶性蛋白,主要為細胞質中參與各種代謝的酶;醇溶蛋白和谷蛋白統為儲藏蛋白,是玉米主要蛋白質,谷蛋白與醇溶蛋白的比例決定了玉米蛋白(黃粉)的加工特性[13]。糧食在儲藏過程中,基于環境條件和微生物的活動會引起蛋白質的水解和變性,從而引起蛋白質組分含量的變化,因此研究不同貯藏條件下玉米蛋白質組分的變化有助于對于探究玉米品質的變化規律,為玉米的安全儲藏提供理論依據。

2.2.1 清蛋白和球蛋白含量的變化 玉米中清蛋白和球蛋白含量的變化如圖2所示,兩種蛋白在不同儲藏微環境下總體均呈下降趨勢,這與張珅鋮[16]的研究結果一致。由圖2a可知,隨著儲藏時間延長,玉米籽粒中清蛋白含量呈下降趨勢。儲藏360 d后,各組玉米清蛋白含量顯著低于儲藏初期(p<0.05),其原因可能為隨著儲藏期的延長,蛋白質的分子凝聚力和親水性都會降低,蛋白質可溶性也隨之降低,從而影響了清蛋白含量的變化[16];玉米籽粒中球蛋白含量變化如圖2b所示,隨著儲藏時間的延長,各組玉米籽粒中球蛋白的含量均呈先上升后下降趨勢。在前60 d清蛋白含量略有上升,60 d后隨著儲藏時間的延長清蛋白含量不斷下降,360 d之后的清蛋白的含量均低于儲藏初期(p<0.05)。在儲藏前期玉米籽粒中球蛋白含量略有上升,可能是由新收獲玉米成熟度不均和原始水分含量較大引起的[17]。

圖2 不同儲藏微環境條件下玉米籽粒清蛋白(a)和球蛋白(b)含量的變化Fig.2 The albumin(a)and globulin(b)content of maize under different micro-environmental conditions

不同儲藏微環境對于清蛋白和球蛋白含量變化的影響各不相同。由圖2可以看出,在微環境15 ℃,50% RH與20 ℃,65% RH條件下,清蛋白和球蛋白含量的變化相比于在28 ℃,75% RH和35 ℃,85% RH條件下較為平緩,下降幅度較小;在儲藏期末期(360 d),4種儲藏微環境下玉米中的清蛋白與球蛋白含量之間均存在極顯著性差異(p<0.01)。這表明儲藏環境的溫濕度對清蛋白和球蛋白含量的影響較大。與低溫低濕條件(15 ℃,50% RH)相比,高溫高濕條件(35 ℃,85% RH)下,玉米中清蛋白和球蛋白含量分別減少了0.24、0.13 g/100 g,即在高溫高濕條件下,玉米清蛋白和球蛋白含量的下降幅度均大于低溫低濕條件。高溫高濕條件容易改變清蛋白和球蛋白的結構穩定性,從而使清蛋白和球蛋白的物理性質發生改變,溶解度下降[17],可能造成了清蛋白和球蛋白含量的下降。

2.2.2 玉米籽粒醇溶蛋白和谷蛋白含量變化 由圖3(a)可以看出,在儲藏期的前60 d,4種儲藏條件下的玉米醇溶蛋白的含量均存在較微弱的上升趨勢,在60 d之后醇溶蛋白含量出現下降的變化趨勢。儲藏到300 d時,4個貯藏組玉米中的醇溶蛋白含量與起始均存在顯著差異(p<0.05)。而隨著儲藏時間的延長,玉米谷蛋白的含量呈現明顯上升趨勢。

圖3 不同儲藏微環境條件下玉米籽粒醇溶蛋白(a)和谷蛋白(b)含量的變化Fig.3 The gliadin(a)and gluten(b)content of maize under different micro-environmental conditions

在4種儲藏微環境下,儲藏360 d后玉米籽粒中醇溶蛋白含量均下降,其中35 ℃,85% RH條件下醇溶蛋白含量下降最多,相比于15 ℃,50% RH減少了0.26 g/100 g。儲藏360 d后,15 ℃,50% RH條件下醇溶蛋白的含量是35 ℃,85% RH條件的2.18倍,醇溶蛋白含量的變化在15 ℃,50% RH條件與35 ℃,85% RH條件之間存在顯著差異(p<0.05)。表明儲藏溫濕度對于玉米醇溶蛋白含量存在明顯影響,溫濕度越高,影響越明顯。由圖3(b)可以看出,與28 ℃,75% RH和35 ℃,85% RH條件相比,在微環境15 ℃,50% RH和20 ℃,65% RH 條件下的谷蛋白含量的變化相對平緩。在180 d后谷蛋白含量也出現了較明顯的增長,15 ℃,50% RH條件與35 ℃,85% RH條件下的谷蛋白含量存在顯著差異(p<0.05)。與低溫低濕條件(15 ℃,50%RH)相比,高溫高濕條件(35 ℃,85% RH)下,玉米中谷蛋白含量分別增加了0.74 g/100 g。在不同儲藏微環境下,玉米籽粒中谷蛋白含量的增加可能是由于蛋白組分的轉化引起的,隨著儲藏時間的延長,清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量均不斷減小,同時在儲藏過程中伴隨著蛋白質的變性,使谷蛋白的含量趨于增加。谷蛋白與醇溶蛋白之比在35 ℃,85% RH條件下最大,并隨著儲藏時間延長,其比例不斷增大。

2.3 玉米籽粒中游離巰基和二硫鍵含量的變化

巰基和二硫鍵是玉米蛋白質變化的一個重要指標,反映了玉米品質的變化情況。玉米蛋白質中巰基經氧化變成二硫鍵,影響其加工品質和營養價值[19]。尹陽陽等[20]發現儲藏過程中稻谷巰基變化與硬度、粘度之間存在顯著的相關性。謝宏等[21]報道了二硫鍵含量對玉米淀粉糊化具有一定的影響,結果表明谷蛋白含量與二硫鍵的含量正相關,二硫鍵通過限制淀粉粒的糊化影響玉米的口感及品質。這些都說明了巰基和二硫鍵含量的變化與玉米的加工品質聯系密切。

2.3.1 玉米籽粒中游離巰基含量的變化 巰基具有清除自由基作用,能夠維持細胞的正常代謝和保護細胞膜的完整性[22]。由圖4可知,隨著儲藏時間延長,玉米籽粒游離巰基含量呈下降趨勢。儲藏期間隨著巰基含量的減少,玉米籽粒中的自由基將會增加,從而使玉米細胞發生老化,改變玉米的品質。經過360 d儲藏,4個儲藏條件下的玉米籽粒中游離巰基含量分別下降了31%、35%、45%和56%,4種儲藏微環境下的游離巰基含量之間存在顯著性差異(p<0.05)。與低溫低濕條件(15 ℃,50% RH)相比,高溫高濕條件(35 ℃,85% RH)下,巰基含量分別減少了1.19 μmol/g,這表明儲藏環境的溫濕度同樣對游離巰基含量產生影響,且溫濕度越高,影響越明顯。

圖4 不同儲藏微環境條件下玉米籽粒游離巰基含量的變化Fig.4 The free sulfhydryl content of maize under different micro-environmental conditions

2.3.2 玉米籽粒中二硫鍵含量的變化 在糧食儲藏過程中,活性氧累積能導致二硫鍵形成[23]。由圖5可知,隨著儲藏時間延長,玉米籽粒中二硫鍵含量呈上升趨勢,該變化趨勢與巰基相反,說明在儲藏期間,玉米的巰基與二硫鍵發生了一定程度的轉化,這和張來林等[24]研究結果相一致。儲藏360 d后,各儲藏組玉米籽粒中二硫鍵含量均顯著高于起始(p<0.05),分別上升了18%、23%、39%和44%,存在顯著性差異。高溫高濕條件(35 ℃,85% RH)下儲藏的玉米二硫鍵含量比在低溫低濕條件(15 ℃,50% RH)下增加了2.05 μmol/g,不同儲藏微環境下間游離巰基含量存在顯著性差異(p<0.05),說明高溫高濕條件會加速巰基氧化為二硫鍵。這種變化將會影響到蛋白質的成膜、面筋和凝膠的形成,降低玉米的加工品質。

圖5 不同儲藏微環境條件下玉米籽粒二硫鍵含量的變化Fig.5 The disulfide bond content of maize under different micro-environmental conditions

3 結論

通過模擬蒙新、華北、華中和華南四個儲糧區域的微環境(15 ℃,50% RH;20 ℃,65% RH;28 ℃,75% RH和35 ℃,85% RH),探究在儲藏過程中玉米蛋白質變化規律。結果表明:在4種儲藏微環境下,與起始相比,玉米的總蛋白質含量沒有發生顯著變化;蛋白質組分中,玉米清蛋白含量均隨著儲藏時間的延長而呈現下降趨勢;而球蛋白含量在儲藏初期有所上升,后隨著儲藏時間的延長含量呈現下降趨勢;醇溶蛋白含量隨著儲藏時間的延長而不斷下降,而谷蛋白的含量隨著儲藏時間的延長呈現上升的趨勢。在儲藏期內(0～360 d),隨著溫濕度的上升玉米清蛋白、球蛋白含量下降幅度不斷增加,在15 ℃,50% RH條件下清蛋白的減少幅度最小,與20 ℃,65% RH、28 ℃,75% RH、35 ℃,85% RH 3個儲藏條件下差異顯著(p<0.05),儲藏360 d之后,4種儲藏微環境下的清蛋白含量存在極顯著性差異(p<0.01);醇溶蛋白、谷蛋白含量變化在15 ℃,50% RH條件與35 ℃,85% RH條件存在顯著差異(p<0.05),醇溶蛋白在15 ℃,50% RH條件下下降幅度較小,谷蛋白在15 ℃,50% RH條件下上升幅度較小。因此,高溫高濕條件容易導致玉米中蛋白質種類的變化;而低溫低濕條件則有利于保持玉米中蛋白質的穩定性。

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Effect of storage temperature and humidity on maize protein

YIN Jing-jing1,ZHAO Yan1,*,TIAN Xiao-hua2

(1.College of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou,450001，China;2.Shandong Business Institute,Yantai,264670,China)

Zhengdan 958 maize was chosen as the research object in this paper and it was stored under four different microenvironments,which were simulated to Meng-Xin,north China,central China and south China(15 ℃,50% RH;20 ℃,65% RH;28 ℃,75% RH;35 ℃,85% RH),to explore the variation law of maize protein during storage. Results showed that there was no significant influence of storage time on total protein content in each treatment group(p>0.05);the contents of albumin,globulin,gliadin and sulfhydryl all presented descending tendencies,while the contents of gluten and disulfide bond showed rising tendencies(p<0.05). The contents of protein components,sulfydryl and disulfide bond were changed significantly(p<0.05)under different storage microenvironments.Compared with the conditions of high temperature and humidity(35 ℃,85% RH)and low temperature and humidity(15 ℃,50% RH),the contents of albumin,globulin,gliadin and sulfhydryl were reduced by 0.24,0.13,0.26 g/100 g and 1.19 μmol/g,while the contents of gluten and disulfide bond were increased by 0.74 g/100 g and 2.05 μmol/g. In summary,temperature and humidity can be used as a reference index for the quality change of maize,and low temperature and humidity environment(15 ℃,50% RH)was more conducive to the safe storage of maize.

maize;storage microenvironment;protein component;sulfydryl;disulfide bond

2016-08-26

殷晶晶(1994-),女,碩士研究生,研究方向:糧食儲藏技術及品質控制,E-mail:18838036430@163.com。

*通訊作者:趙妍(1982-),女,博士,講師,研究方向為農產品保鮮與貯藏,糧食儲藏技術及品質控制,E-mail:zhaoyanss10@126.com。

國家自然科學基金項目(31401546);河南省科技攻關計劃項目(162102110063)。

TS213.4

A

:1002-0306(2017)03-0331-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.056