D-氨基半乳糖修飾對(duì)玉米醇溶蛋白結(jié)構(gòu)性質(zhì)及生物活性的影響

曲 悅，王曉杰，劉曉蘭，叢萬鎖

(齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院, 黑龍江省玉米深加工理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

按照溶解性的不同，玉米中的蛋白質(zhì)可以分為醇溶蛋白、谷蛋白、清蛋白和球蛋白。其中，醇溶蛋白是玉米中蛋白質(zhì)的主要成分，占玉米蛋白總量的50%～60%[1-2]。醇溶蛋白的氨基酸組成及其分子內(nèi)存在的大區(qū)域α-螺旋結(jié)構(gòu)，使之具有很強(qiáng)的疏水性，這一特性限制了玉米蛋白在食品工業(yè)的應(yīng)用。為了使醇溶蛋白能夠應(yīng)用于食品工業(yè)，需要對(duì)其進(jìn)行改性處理。

目前，主要采用化學(xué)法對(duì)醇溶蛋白進(jìn)行改性，包括磷酸化[3]、琥珀酰化[4]與美拉德糖基化[5-6]等方法。其中，美拉德糖基化是主要采用的改性方法。美拉德反應(yīng)能夠在一定程度上改善醇溶蛋白的溶解性等功能特性，但是存在反應(yīng)溫度高、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，有些產(chǎn)物會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致癌、致突變等毒害作用等缺點(diǎn)[7]。與美拉德反應(yīng)相比，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TGase)催化的蛋白質(zhì)與氨基糖之間的酶法糖基化反應(yīng)具有反應(yīng)特異性強(qiáng)、條件溫和、食用安全等優(yōu)點(diǎn)，顯示出良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與前景。同時(shí)，蛋白質(zhì)多肽鏈中糖基的引入，使得蛋白質(zhì)的功能性，如溶解性、熱穩(wěn)定性、凝膠性等得到顯著改善，甚至?xí)黾幽承┑鞍踪|(zhì)的抗氧化性、抑菌性和降低免疫原性等生理功能[8-12]。

玉米醇溶蛋白富含谷氨酰胺殘基，適合作為TGase的催化底物。在前期工作中，本課題組已經(jīng)建立了D-氨基半乳糖糖基化修飾玉米醇溶蛋白的反應(yīng)體系[13]，在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)以D-氨基半乳糖糖基化修飾的玉米醇溶蛋白為原料，研究糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白結(jié)構(gòu)性質(zhì)及生物活性的影響，為糖基化玉米醇溶蛋白在食品工業(yè)中應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米蛋白粉；D-氨基半乳糖，TGase(1 000 U/g)，菲洛嗪，5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)，2-脫氧-D-核糖，Sigma公司；其他試劑均為分析純。

DF-I集熱式磁力加熱攪拌器，常州榮華儀器制造有限公司；Q-20差示掃描量熱儀，美國(guó)TA儀器有限公司；DU800紫外可見分光光度計(jì)，貝克曼庫(kù)爾特商貿(mào)(中國(guó))有限公司；Spectrum One傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)Perkin Elmer公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米醇溶蛋白的制備

玉米醇溶蛋白的制備方法參照文獻(xiàn)[14]。玉米蛋白粉經(jīng)擠壓膨化、去淀粉和脫色處理后，用70%乙醇萃取兩次。將兩次萃取液濃縮至有微小顆粒析出，冷凍干燥后獲得蛋白質(zhì)含量為88.59%的玉米醇溶蛋白。

1.2.2 糖基化玉米醇溶蛋白的制備

糖基化玉米醇溶蛋白的制備方法參照文獻(xiàn)[13]。向玉米醇溶蛋白懸浮液中添加D-氨基半乳糖(酰基供體與酰基受體物質(zhì)的量比為1∶3)，按60 U/g(以蛋白質(zhì)量為基準(zhǔn))的加酶量添加TGase，在pH 7.5、37℃條件下進(jìn)行糖基化反應(yīng)10 h。反應(yīng)結(jié)束后，85℃熱處理5 min，使反應(yīng)體系中的TGase失活。冷卻至室溫，用截留相對(duì)分子質(zhì)量為1 000 Da的透析袋于4℃透析48 h，每隔2 h換一次水，除去反應(yīng)體系中未反應(yīng)的D-氨基半乳糖。透析后的樣品經(jīng)冷凍干燥后即為糖基化玉米醇溶蛋白。該糖蛋白的蛋白質(zhì)含量為80.43%，糖含量為8.4%。同時(shí)，在上述體系中不加D-氨基半乳糖制備交聯(lián)玉米醇溶蛋白。

1.2.3 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物游離巰基含量的測(cè)定

采用Ellman’s分光光度法，參照文獻(xiàn)[14]測(cè)定玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物游離巰基含量。將0.030 0 g待測(cè)樣品與8 mL含有8 mol/L尿素的pH為8.0的Tris-Gly緩沖液混合，磁力攪拌下溶解1 h，離心收集上清液。取2 mL上清液，加入2 mL Tris-Gly緩沖液和40 μL Ellman’s試劑，混勻后反應(yīng)1 h，在412 nm處測(cè)定吸光度，以不加樣品只加Ellman’s試劑為空白。游離巰基含量(S0)的計(jì)算公式如下：

式中：S0為游離巰基含量，μmol/g ；A412為412 nm吸光度；C為樣品蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/mL；D為稀釋倍數(shù)。

1.2.4 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物熱穩(wěn)定性的測(cè)定

精確稱取2.0 mg 待測(cè)樣品放入鋁盒中，壓蓋機(jī)壓蓋密封后置于DSC儀器的樣品支持器上，以密封空鋁盒作為對(duì)照。測(cè)定條件：氮?dú)鈮毫?.05 MPa，升溫速率10℃/min，溫度范圍20～190℃。

1.2.5 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的紅外光譜分析

稱取200 mg KBr粉末，除去其中的水分，充分研磨后壓片作為空白對(duì)照。另外取一份KBr，加入 1 mg 干燥的待測(cè)樣品，除去其中的水分，研磨后壓片，采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)定波數(shù)為4 000～400 cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜，分辨率為4 cm-1。

1.2.6 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物抗氧化活性的測(cè)定

抗氧化活性的測(cè)定指標(biāo)包括DPPH自由基清除活性、超氧陰離子自由基清除活性、羥基自由基清除活性和還原力，測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[15]。其中，超氧陰離子自由基清除活性采用鄰苯三酚自氧化法，羥基自由基清除活性采用2-脫氧-D-核糖法。

1.2.7 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物乙醇脫氫酶激活率的測(cè)定

采用瓦勒-霍赫法[16]。將各種相應(yīng)反應(yīng)液加到試管中，混合后放入25℃的水浴鍋中，加蓋溫浴5 min后，立即向測(cè)定管中加入0.1 mL 0.25 U/mL乙醇脫氫酶(ADH)，搖勻后立即于340 nm處進(jìn)行時(shí)間掃描，反應(yīng)5 min，取反應(yīng)最初的線性部分作圖，斜率記為Kp。對(duì)照管中用0.1 mL蒸餾水取代待測(cè)樣品，操作方法同測(cè)定管，記斜率為Kc。按下式計(jì)算ADH激活率。

1.2.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均為重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次獲得，結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。采用Origin、IBM SPSS Statistics 19等數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響

2.1.1D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白游離巰基含量的影響

游離巰基是形成二硫鍵的原體，是影響蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。因此，通過測(cè)定游離巰基含量的變化情況可以預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)方面的變化程度。玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的游離巰基含量的測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的游離巰基含量

注：表中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

由表1可知，玉米醇溶蛋白中游離巰基含量為74.06 μmol/g，可能是由于二氧化硫浸泡過程將玉米醇溶蛋白分子中的部分二硫鍵還原為游離巰基，導(dǎo)致玉米醇溶蛋白本身具有較高的游離巰基含量。與玉米醇溶蛋白相比，雖然TGase催化的交聯(lián)反應(yīng)使玉米醇溶蛋白的游離巰基含量顯著增加，但是糖基化反應(yīng)使玉米醇溶蛋白的游離巰基含量顯著降低，可能的原因是糖基化過程中暴露出來的巰基發(fā)生了氧化反應(yīng)或與二硫化物形成了分子內(nèi)及分子間的二硫鍵。另外，與殼寡糖糖基化玉米醇溶蛋白相比，D-氨基半乳糖糖基化玉米醇溶蛋白的巰基含量下降的幅度較大，可能與D-氨基半乳糖的相對(duì)分子質(zhì)量小而還原性強(qiáng)于殼寡糖有關(guān)[17]。

2.1.2D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白熱穩(wěn)定性的影響

對(duì)玉米醇溶蛋白和糖基化產(chǎn)物進(jìn)行DSC測(cè)定，以表征TGase催化的糖基化反應(yīng)對(duì)玉米醇溶蛋白熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖1和表2所示。

圖1 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的DSC曲線表2 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的變性溫度和總變性焓

樣品變性溫度/℃總變性焓/(J/g)玉米醇溶蛋白108.52±2.54a162.45±8.98b交聯(lián)玉米醇溶蛋白112.08±0.91a160.60±11.31b糖基化玉米醇溶蛋白117.32±10.13a194.42±18.04a

由表2可知，酶法糖基化反應(yīng)使玉米醇溶蛋白的變性溫度和總變性焓都發(fā)生了不同程度的上升，在整體上提高了玉米醇溶蛋白的熱穩(wěn)定性。與玉米醇溶蛋白相比，糖基化反應(yīng)使玉米醇溶蛋白的變性溫度提高8.8℃，總變性焓提高31.97 J/g。結(jié)合2.1.1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明D-氨基半乳糖的共價(jià)結(jié)合使玉米醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)變得更加有序，熱穩(wěn)定性提高，這與殼寡糖糖基化的研究結(jié)果[17]及遲玉杰等[18]的研究結(jié)論相一致。但是，與玉米醇溶蛋白相比，交聯(lián)反應(yīng)使玉米醇溶蛋白的變性溫度和總變性焓變化不顯著，說明在D-氨基半乳糖不存在的情況下，TGase催化的玉米醇溶蛋白分子間的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生概率低。

2.1.3 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的紅外光譜

傅里葉紅外光譜是目前常用的一種分析糖蛋白結(jié)構(gòu)的方法，用以判別糖蛋白分子上糖的特征吸收峰。采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定了玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的紅外光譜圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的紅外光譜圖

由圖2可知，與玉米醇溶蛋白相比，糖基化玉米醇溶蛋白在1 145～1 000 cm-1范圍內(nèi)明顯不同，而在此范圍內(nèi)，玉米醇溶蛋白和交聯(lián)玉米醇溶蛋白基本沒有差異，說明交聯(lián)反應(yīng)沒有顯著影響玉米醇溶蛋白基團(tuán)的振動(dòng)。在1 200～1 000 cm-1間比較大的吸收峰主要由兩種C—O伸縮振動(dòng)引起，一種是C—O—H，一種是糖環(huán)的C—O—C，說明糖基化產(chǎn)物中有糖環(huán)的特征吸收峰[19]。 1 080～1 025 cm-1處的峰是環(huán)狀COH、COC和CH2OH的C—O伸縮振動(dòng)區(qū)[20]。糖基化玉米醇溶蛋白在1 030 cm-1處的伸縮振動(dòng)顯著增強(qiáng)，說明糖基化玉米醇溶蛋白含有更多的C—OH，進(jìn)一步說明在TGase的催化下，D-氨基半乳糖與玉米醇溶蛋白之間發(fā)生了共價(jià)結(jié)合。

以上結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究結(jié)果表明，在D-氨基半乳糖不存在的反應(yīng)體系中，TGase催化的玉米醇溶蛋白分子間的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生的概率低，對(duì)玉米醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響較小。另外，在前期的研究中，已經(jīng)證實(shí)交聯(lián)玉米醇溶蛋白的抗氧化活性與玉米醇溶蛋白之間沒有顯著性差異(P>0.05)[21]。因此，在下面的實(shí)驗(yàn)中，僅以玉米醇溶蛋白為對(duì)照，測(cè)定D-氨基半乳糖的共價(jià)結(jié)合對(duì)玉米醇溶蛋白抗氧化活性的改善程度。

2.2 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白抗氧化活性的影響

2.2.1 糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白DPPH自由基清除率的影響

DPPH自由基是一種高穩(wěn)定性的自由基，常被用于表征物質(zhì)的抗氧化活性。以玉米醇溶蛋白為對(duì)照，測(cè)定糖基化玉米醇溶蛋白對(duì)DPPH自由基的清除能力，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著樣品質(zhì)量濃度的增加，玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的DPPH自由基清除率逐漸增大，且糖基化產(chǎn)物清除DPPH自由基的能力高于玉米醇溶蛋白。在質(zhì)量濃度為1.25 mg/mL時(shí)，糖基化玉米醇溶蛋白的DPPH自由基清除率為59.09%，比玉米醇溶蛋白高9.09個(gè)百分點(diǎn)。通過EC50(半最大效應(yīng)濃度)值的計(jì)算，玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物清除DPPH自由基的EC50值分別為1.25 mg/mL和1.15 mg/mL，說明糖基化修飾改善了玉米醇溶蛋白對(duì)DPPH自由基的清除能力，可能是由于D-氨基半乳糖可以向DPPH自由基提供氫原子，使其成為穩(wěn)定的DPPH-H分子導(dǎo)致的。

圖3 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白DPPH自由基清除率的影響

2.2.2 糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白羥基自由基清除率的影響

羥基自由基具有很強(qiáng)的氧化能力，幾乎可以和所有的生物大分子物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等)反應(yīng)，使生物大分子發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，造成嚴(yán)重的細(xì)胞學(xué)后果。因此，對(duì)于抗氧化劑來說，具有清除羥基自由基的能力非常重要。分別測(cè)定玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物對(duì)羥基自由基的清除能力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白羥基自由基清除率的影響

由圖4可知，雖然玉米醇溶蛋白本身具有清除羥基自由基的能力，但能力較低，而D-氨基半乳糖的共價(jià)結(jié)合使玉米醇溶蛋白的羥基自由基清除能力顯著增加。在質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL時(shí)，糖基化玉米醇溶蛋白的羥基自由基清除率為26.74%，比玉米醇溶蛋白高16.85個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)一步說明糖基化玉米醇溶蛋白是良好的氫供體，可以使高活性羥基自由基被還原。

2.2.3 糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白超氧陰離子自由基清除率的影響

超氧陰離子自由基在氧化過程中最早產(chǎn)生，氧化性雖然相對(duì)較弱，但其可以形成羥基自由基等更強(qiáng)的活性氧自由基。因此，阻斷超氧陰離子自由基的產(chǎn)生可有效中斷整個(gè)自由基的反應(yīng)鏈。分別測(cè)定玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物對(duì)超氧陰離子自由基的清除率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白超氧陰離子自由基清除率的影響

由圖5可知，隨著樣品質(zhì)量濃度的升高，玉米醇溶蛋白和糖基化玉米醇溶蛋白的超氧陰離子自由基清除率均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且在相同質(zhì)量濃度下，糖基化玉米醇溶蛋白的超氧陰離子自由基清除能力高于玉米醇溶蛋白。在質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL時(shí)，糖基化玉米醇溶蛋白的超氧陰離子自由基清除率為15.16%，比玉米醇溶蛋白高4.43個(gè)百分點(diǎn)，說明糖基化玉米醇溶蛋白分子中具有抗氧化活性的氨基酸與D-氨基半乳糖的伯、仲 —OH的協(xié)同作用，使鄰苯三酚在自氧化初期產(chǎn)生的超氧陰離子自由基形成穩(wěn)定的分子，從而有效中斷整個(gè)自由基的反應(yīng)鏈。

2.2.4 糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白還原力的影響

樣品還原能力的強(qiáng)弱可以反映抗氧化性的強(qiáng)弱。分別測(cè)定玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的還原力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白還原力的影響

由圖6可知，玉米醇溶蛋白具有一定的還原力，且還原力與樣品質(zhì)量濃度之間呈正相關(guān)。在質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL時(shí)，玉米醇溶蛋白的還原力為0.154。與玉米醇溶蛋白相比，經(jīng)D-氨基半乳糖的共價(jià)結(jié)合后玉米醇溶蛋白的還原力增加，可能是因?yàn)樘腔揎棶a(chǎn)物既是良好的氫供體，也是良好的電子供體，可以向Fe3+提供電子，將其還原成Fe2+，使普魯士藍(lán)的生成量增加，700 nm處吸光度升高，糖基化樣品的還原力增強(qiáng)[17]。

2.3 糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白乙醇脫氫酶激活率的影響

肝臟中乙醇脫氫酶活力是乙醇代謝的關(guān)鍵。因此，糖基化產(chǎn)物的乙醇脫氫酶活力是其發(fā)揮促酒精代謝的重要指標(biāo)。分別測(cè)定玉米醇溶蛋白及其糖基化產(chǎn)物的乙醇脫氫酶激活率，以表征樣品的體外促酒精代謝活性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 D-氨基半乳糖糖基化修飾對(duì)玉米醇溶蛋白乙醇脫氫酶激活率的影響

由圖7可知，在質(zhì)量濃度小于1.0 mg/mL時(shí)，玉米醇溶蛋白無乙醇脫氫酶的激活活性，在質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL時(shí)，玉米醇溶蛋白的乙醇脫氫酶激活率也僅為1.56%。與玉米醇溶蛋白相比，糖基化修飾改善了玉米醇溶蛋白對(duì)乙醇脫氫酶的激活能力，在質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL時(shí)，糖基化產(chǎn)物的乙醇脫氫酶激活率為5.13%，比玉米醇溶蛋白高3.57個(gè)百分點(diǎn)，可能是D-氨基半乳糖的共價(jià)結(jié)合使玉米醇溶蛋白的溶解性增加，可以與乙醇脫氫酶非共價(jià)結(jié)合形成復(fù)合物，提高了乙醇脫氫酶反應(yīng)速率，起到激活作用[22]。但是，在相同質(zhì)量濃度下，D-氨基半乳糖修飾產(chǎn)物的乙醇脫氫酶激活率低于殼寡糖修飾產(chǎn)物，可能是因?yàn)闅す烟鞘嵌嗵牵瑢?duì)玉米醇溶蛋白溶解性改善的程度強(qiáng)于D-氨基半乳糖導(dǎo)致的。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以含有伯胺基團(tuán)的D-氨基半乳糖為酰基受體，通過TGase催化的糖基化反應(yīng)修飾玉米醇溶蛋白，研究了糖基化反應(yīng)對(duì)玉米醇溶蛋白結(jié)構(gòu)性質(zhì)及生物活性的影響。紅外光譜的測(cè)定結(jié)果表明，在TGase的催化下，玉米醇溶蛋白與D-氨基半乳糖發(fā)生了共價(jià)結(jié)合。與玉米醇溶蛋白相比，D-氨基半乳糖的共價(jià)結(jié)合使玉米醇溶蛋白的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗氧化活性(包括DPPH自由基、超氧陰離子自由基和羥自由基清除活性和還原力)和乙醇脫氫酶激活率顯著提高，但交聯(lián)反應(yīng)對(duì)玉米醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響較小。在此基礎(chǔ)上，可以開展細(xì)胞實(shí)驗(yàn)或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究糖基化玉米醇溶蛋白的護(hù)肝活性。