理化預處理協同MTGase交聯處理對大豆7S球蛋白功能特性及結構的影響

范麗麗，竇博鑫，徐晨冉，蘆志鳳，梁佳文，劉 穎

（哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江省食品科學與工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150076）

大豆7S球蛋白作為大豆蛋白中的主要貯藏蛋白之一，具有極高的研究價值。大豆蛋白的乳化性、持油性等與食品品質相關的多種功能特性，被廣泛應用于飲料、焙烤食品、乳品等食品工業領域，有研究顯示大豆7S球蛋白對大豆蛋白乳化性及其穩定性影響較大，二者呈正相關[1-2]；對肉類、熏醬類產品發揮吸油性功能，大大減少了其營養價值的流失，同時對產品的外形也起到了很好的維穩作用[3-4]。但由于大豆7S球蛋白易受處理時間、pH值、溫度等條件的影響，在食品加工應用中受到了很大的限制，因而有必要對大豆7S球蛋白進行改性，而單一改性方法效率低且改性效果不佳，如果組合采用2種或多種不同的改性方法，可起到同時改善蛋白質多種功能的目的[5-7]。

轉谷氨酰胺酶（TGase），按來源可分為來自動物肝臟組織的TGase和微生物產生的MTGase。其中，微生物法生產的MTGase具有周期短、成本低、制得的酶制劑價格低廉等優點，在食品工業中被廣泛使用，從作用機理上來說，TGase易于分離純化，催化交聯的程度高[8]，能使蛋白質分子間或蛋白質分子內發生交聯作用，也可以使蛋白質與氨基酸之間發生交聯作用，使蛋白質的結構發生變化，從而改善蛋白質功能特性，且不會改變蛋白營養成分的含量[9]。

蛋白質主要是通過氫鍵、離子鍵、二硫鍵和疏水相互作用等作用力來維持其結構的穩定[10]。二硫鍵存在于分子內或分子間，它的作用是可以使蛋白質的折疊結構穩定[11]。Na2SO3作為一種還原劑，可以還原蛋白分子間和分子內的二硫鍵，使蛋白分子中的二硫鍵部分斷裂形成游離巰基，引起蛋白質結構的改變[12]。

超聲技術在超聲提取、食物無損檢測、超聲殺菌等領域具有不可或缺作用[13-14]，其原理是超聲振蕩作用于介質，使媒介發生周期性緊縮和擴張作用產生空穴效應，從而引起超聲波效應，改善蛋白的理化特性[15-16]。

試驗測定經Na2SO3預處理和超聲波預處理的大豆7S球蛋白與MTGase交聯后的持油性、乳化性及乳化穩定性、游離巰基含量，探究不同預處理方法協同MTGase改性大豆7S球蛋白，比較作用前后大豆7S球蛋白的功能特性是否得到改善，并對7S球蛋白功能特性的機理進行探討[17]，對復合改性大豆7S球蛋白及其在食品加工行業中的廣泛應用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低溫脫脂大豆粕，山東禹王有限公司提供；轉谷氨酰胺酶（MTGase），江蘇瑞欣食品生物科技有限公司提供；Na2SO3、NaHSO3、KH2PO4、K2HPO4、Na-Cl，哈爾濱市新春化工廠提供；三羥甲基胺基甲烷（Tris）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、甘氨酸、DTNB，Sigma試劑公司提供；EDTA，Amresco公司提供；大豆油，九三大豆油脂廠提供；KH2PO4、K2HPO4、Na-Cl，優級純；其余試劑為分析純。

1.2 儀器與設備

冷凍干燥機，錫山市林洲干燥機廠產品；高速離心機，上海市盧湘儀離心機儀器有限公司產品；722S型分光光度計，上海市精密科學儀器有限公司產品；恒溫加熱磁力攪拌器，北京市科偉永興儀器有限公司產品；數顯臺式鼓風干燥箱，青島海爾電器廠產品；精密pH計，上海市雷磁儀器廠產品；Malvern激光粒度儀，上海市思百吉儀器系統有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 Na2SO3預處理大豆7S球蛋白

（1） 不同質量濃度Na2SO3對大豆7S球蛋白的處理[18-19]。將 60～100 mg的 Na2SO3按照 5 mg為梯度，分別溶解到100 mL蒸餾水中，勻速攪拌至完全溶解，加入5 g大豆7S球蛋白，在溫度25℃，pH值7.0的條件下連續攪拌30 min，在真空冷凍干燥的條件下得到預處理的大豆7S球蛋白樣品。

（2） 不同處理時間對大豆7S球蛋白的處理。將950 mg的Na2SO3溶解到100 mL蒸餾水中，勻速攪拌至完全溶解，加入5 g大豆7S球蛋白，在溫度25℃，pH值7.0的條件下分別攪拌20，30，40，50，60 min，在真空冷凍干燥的條件下得到預處理的大豆7S球蛋白樣品。

1.3.2 超聲波預處理大豆7S球蛋白

（1） 不同超聲功率對大豆7S球蛋白的處理[20-21]。將5 g大豆7S球蛋白，溶于1 L蒸餾水中，于25℃條件下攪拌2 h，使大豆7S球蛋白完全溶解。取100 mL蛋白溶液裝入250 mL燒杯中，蒸餾水稀釋至1 mg/mL，然后分別在超聲功率為180，210，240，270，300 W下處理20 min，在真空冷凍干燥的條件下得到預處理的大豆7S球蛋白樣品。

（2） 不同超聲時間對大豆7S球蛋白的處理。將5 g大豆7S球蛋白，溶于1 L蒸餾水中，于25℃條件下攪拌2 h，使大豆7S球蛋白完全溶解。取100 mL蛋白溶液裝入250 mL燒杯中，蒸餾水稀釋至1 mg/mL，然后在超聲功率為180 W下分別處理20，40，60，80，100 min，在真空冷凍干燥的條件下得到預處理的大豆7S球蛋白樣品。

1.3.3 不同預處理協同MTGase交聯處理大豆7S球蛋白

取一定量經Na2SO3和超聲預處理的7S樣品，溶于0.02 mol/L PBS緩沖溶液，在pH值7.5的條件下加入20 μg MTGase，然后在55℃下水浴2 h，80℃下水浴滅酶5 min，將得到的樣品進行凍干處理。

1.3.4 持油性的測定

參考Tomotake H等人[22]的方法，稱取1.0 g大豆7S球蛋白試樣（M0）置于50 mL離心管中，稱量（M1），放入5 mL大豆油，漩渦振動5 min使其混合均勻，室溫下靜置30 min后，以轉速3 000 r/min離心10 min，移除上層油層，用濾紙吸干凈管壁剩余的油滴，再稱量（M2）。持油性（OHC）的計算公式為：

式中：M0——7S球蛋白的質量，g；

M1——離心管的質量，g；

M2——離心管與沉淀的總質量，g。

1.3.5 乳化性及乳化穩定性的測定

配制1%（W/V） 的MTGase交聯處理大豆7S球蛋白溶液，取15 mL蛋白溶液與5 mL大豆油混合，均質（10 000 r/min，2%），形成均一的乳化液。分別在0 min和30 min取20 μL的乳狀液與5 mL的0.1%SDS溶液均勻混合取樣點固定在離燒杯底部0.5 cm處，于波長500 nm處測定其吸光度，分別記為A0和A30，用0.1%的SDS作為空白對照[23-24]。

乳化性（EAI）、乳化穩定性（ESI）計算公式如下：

式中：T——2.303；

N——稀釋倍數，250；

A0——0 min時的吸光度；

C——乳化液形成前蛋白質水溶液中蛋白質質量濃度，g/mL；

φ——乳化液中油的體積分數，0.25；

L——比色池光徑，cm。

式中：A0——0 min時的吸光度；

A30——30 min時的吸光度；

t——間隔時間。

1.3.6 游離巰基的測定

游離巰基的測定主要參考Hu H等人[25]的方法稍加修改。準確吸取0.5 mL的樣品溶液（質量濃度為10 mg/mL），加入2.5 mL Tris-Gly-8Murea溶液，混勻后加入0.02 mL DTNB，迅速混合，在25℃恒溫條件下反應30 min，于波長412 nm處測定吸光度，同時測定空白值。每組試樣至少平行測定3次，取3組數據的平均值。游離巰基（SH） 含量的計算公式：

式中：A——波長412 nm處的吸光度；

D——稀釋系數6.04；

C——待測樣品的最終質量濃度，mg/mL。

1.3.7 平均粒徑的測定

根據李楊等人[26]的測定方法，采用Malvern激光粒度儀測定大豆7S樣品溶液的平均粒徑分布。將大豆7S球蛋白樣品用PBS緩沖溶液進行稀釋，配制成0.1%的蛋白溶液，過0.45 μm水系醋酸纖維素濾膜，在溫度25℃，樣品平衡時間2%的條件下進行測量。

1.4 數據處理

采用Origin 8.5軟件繪圖，SPSS 17.0統計分析試驗數據，每組試驗均重復3次，數據結果以平均值±標準偏差表示，方差分析差異性顯著（p＜0.05）時采用Duncan方法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白持油性的影響

不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白持油性的影響見圖1。

圖1 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白持油性的影響

預試驗可知，未經處理的大豆7S球蛋白持油性為3.43 g/g，經MTGase交聯處理的大豆7S球蛋白持油性為6.42 g/g，經Na2SO3協同MTGase處理的大豆7S球蛋白持油性顯著提高（p＜0.05）。

由圖1（a） 可知，當Na2SO3質量濃度為800～1 000 mg/L時，持油性呈現先增大后降低的趨勢；當質量濃度為950 mg/L時，持油性達到最大，為8.70 g/g。可能是由于Na2SO3破壞了大豆7S球蛋白的二硫鍵，使二硫鍵斷裂為游離巰基[12]，適當質量濃度的Na2SO3處理有助于大豆7S球蛋白結構的破壞，同時在MTGase交聯作用下，使持油性提高，但隨著Na2SO3質量濃度的持續增加，大豆7S球蛋白的結構過度破壞，導致持油性降低。

由圖1（b） 可知，隨著Na2SO3處理時間的增加，大豆7S球蛋白的持油性先增大后降低，處理時間為40 min時，持油性達到最大值8.94 g/g，處理時間繼續增加，持油性開始下降，這可能是由于恒溫條件下，隨著處理時間的增加，有利于蛋白質結構的破壞[11]，在MTGase的交聯作用下，增大了持油性，但隨著處理時間的增加，不利于大豆7S球蛋白持油性的提高。

由圖1（c） 可知，大豆7S球蛋白經超聲波處理協同MTGase作用后持油性提高，180～240 W的超聲作用下，持油性升高；240 W時持油性最大，最大值為8.20 g/g；240 W后持油性減小。可能是由于經超聲波機械剪切力或空化作用下的蛋白質顆粒變小，組織蓬松，比表面積變大，同時也破壞蛋白質構造，拉伸分子、二硫鍵、疏水官能團被裸露，提高了吸附樣品和聯合脂質能力[27]，持油性升高；隨著超聲功率繼續增大，導致蛋白質變性過度，破壞其構造，使其變得致密，顆粒變大，含油能力逐步下降。

由圖1（d） 可知，隨著超聲時間的增加，持油性呈先增加后減小的趨勢，但整體較未進行超聲波作用的對照組呈增大的趨勢，在超聲功率180 W，超聲時間60 min時持油性達到最大值，最大值為7.2 g/g，隨后超聲時間增加，持油性下降，原因可能是在超聲波作用下，隨著超聲時間的增加蛋白質因空化作用使蛋白顆粒變小，比表面積和吸附作用增強，從而使油脂含量逐漸上升，疏水性變大，持油性增加；超聲時間繼續增加，比表面積和較強的吸附能力作用減弱，從而使油脂含量逐漸下降，持油性下降。

圖2 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白乳化性及乳化穩定性的影響

2.2 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白乳化性及乳化穩定性的影響

不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白乳化性及乳化穩定性的影響見圖2。

未經任何處理的大豆7S球蛋白乳化性為23.99 m2/g，MTGase交聯處理的大豆7S球蛋白乳化性為77.24 m2/g，經Na2SO3和MTGase處理的大豆7S球蛋白乳化性顯著提高（p＜0.05），比未處理的大豆7S球蛋白乳化性提高了256.80%，比MTGase交聯處理大豆7S球蛋白乳化性提高了10.82%。

由圖2（a） 可知，當Na2SO3質量濃度為600～800 mg/L時，乳化性先增大后降低，當質量濃度為700 mg/L時，乳化性達到最大，為87.60 m2/g。這是因為Na2SO3可以破壞大豆7S球蛋白的二硫鍵，使二硫鍵斷裂為游離巰基[12]，大豆7S球蛋白的網絡結構被破壞，同時由于7S球蛋白大量的疏水氨基酸，在MTGase作用下使其能快速吸附在油滴表面，乳化性提高，一定質量濃度的Na2SO3有利于蛋白質結構的破壞[26]，但隨Na2SO3質量濃度的增大，可能過度破壞了7S球蛋白的結構，導致乳化性降低；當Na2SO3質量濃度為600～800 mg/L時，交聯處理后大豆7S球蛋白的乳化穩定性先增大后降低，當質量濃度為700 mg/L時，乳化穩定性達到最大，為158.80 min。這是因為適當質量濃度的Na2SO3處理有助于大豆7S球蛋白結構的破壞[12]，在MTGase交聯作用下，從而使乳化穩定性提高。但隨著Na2SO3質量濃度的持續增加，大豆7S球蛋白的結構過度破壞，導致乳化穩定性降低。

由圖2（b） 可知，隨Na2SO3對大豆7S球蛋白處理時間的增加，乳化性先增大后降低，處理30 min時，乳化性達到最高為87.60 m2/g，這是由于恒溫條件下，對大豆7S球蛋白進行一定時間的處理，有利于蛋白質結構的破壞，在MTGase的交聯作用下增強了油滴吸附能力，增大了大豆7S球蛋白乳化性[26]，隨著處理時間的繼續增加，乳化性逐漸降低，這是因為恒溫條件下，對大豆7S球蛋白進行長時間的處理，蛋白質乳化能力達到飽和，導致大豆7S球蛋白乳化性降低，也可能是由于MTGase的交聯作用隨處理時間的延長而減弱，以至30 min后乳化性降低；隨著處理時間的增加，大豆7S球蛋白經MTGase交聯后乳化穩定性先升高后降低，處理時間為30 min時，乳化穩定性達到最高，為157.64 min。這是因為恒溫條件下，對大豆7S球蛋白進行一定時間的預處理，有利于蛋白質結構的破壞[21]，使乳化穩定性提高。隨著處理時間的繼續增加，大豆7S球蛋白乳化穩定性降低并趨與平緩，可能由于MTGase的交聯作用隨時間的延長而減弱，以至30 min后乳化穩定性降低。

由圖2（c）可知，隨著超聲功率的增加，乳化性提高，當超聲功率為240 W時，乳化性的值達到最大，最大值為35.15 m2/g；240 W后，乳化性變小。乳化性增大可能是由于發生機械振動、毀壞分子結構、油水界面的部分膨脹和聚集，從而降低表面張力，從而打開氫鍵、疏水鍵與二硫鍵，暴露酶解位點，提高酶解反應速度，這一趨勢被Liu C M等人[28]的研究驗證。乳化性減小可能由于經過超聲作用后，蛋白質的分子柔性、表面疏水性和聚集形態均會產生改變，從而影響其乳化性；未經超聲波處理的空白對照組乳化穩定性為74.19 min，超聲功率逐步增加，乳化穩定性變大，180～210 W時乳化穩定性下降，主要是由于超聲波對其內部構造產生破壞作用，210 W后逐漸上升，300 W時達到最大值，為91.37 min。隨著超聲功率增大，乳化穩定性減小，可能是由于超聲波作用下超聲波的機械作用破壞了其明顯穩定的狀態，擾亂了其整齊規則的結構[27]。隨后乳化穩定性增大主要是由于內部空間慢慢恢復了其排列形態，并逐步趨于穩定，分散相與連續相相溶，且溶解越來越完全，乳化穩定性增大。

由圖2（d） 可知，當超聲時間20～100 min時，7S球蛋白乳化性隨超聲時間增大呈現先增大后減小的趨勢，80 min之前乳化性隨著超聲時間的增加，乳化性提高，當超聲時間為80 min時，乳化性最大，最大值為35.12 m2/g；80 min后，隨著超聲時間的增加，乳化性慢慢變小。分析原因，可能是由于超聲處理使蛋白質結構打開，而MTGase的加入，隨著反應時間的增加，溶液中小分子開始聚合，形成具有疏水性又穩定的大分子聚合物，乳化性增大，超聲時間繼續延長，乳化性下降；而隨著超聲時間增加，乳化穩定性在20～60 min時乳化穩定性下降，60 min后逐漸上升，100 min時乳化穩定性最大，最大值為92 min。

2.3 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白游離巰基的影響

不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白游離巰基含量的影響見圖3。

圖3 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白游離巰基含量的影響

巰基含量對蛋白的功用性能起到很大的決定作用，由圖3（a） 可知，當Na2SO3質量濃度為800～1 000 mg/L時，經Na2SO3處理的大豆7S球蛋白與MTGase交聯后游離巰基含量先增大后趨于平緩，950 mg/L時游離巰基含量達到最大值29.11 μmol/g，之后趨于平緩，但整體變化不明顯，分析其產生原因可能是由于Na2SO3使大豆7S球蛋白分子中的二硫鍵斷裂成為游離巰基[12]，但因為二硫鍵和游離巰基是可以相互轉變的，在空氣的氧化作用下，部分游離的巰基可以轉變為二硫鍵，并達到動態平衡的狀態，以致于Na2SO3質量濃度繼續升高，游離巰基含量的變化不明顯。

由圖3（b） 可知，隨著處理時間增大，游離巰基的含量先增大后降低。當處理時間為40 min時游離巰基的含量達到最大，為29.20 μmol/g。這是因為，隨Na2SO3處理時間的增加，被破壞的二硫鍵的數量增多，導致游離巰基含量增加，繼續增加時間對其巰基含量沒有影響，游離巰基含量下降。

由圖3（c） 可知，在超聲波協同MTGase交聯處理下的大豆7S球蛋白，大豆7S球蛋白樣品的游離巰基含量呈下降的趨勢。超聲功率為180～300 W時，游離巰基含量先增大后下降，且在210 W時，游離巰基含量達到最大值44.5 μmol/g，隨著超聲功率作用繼續增大，游離巰基含量逐漸減少，可能是由于超聲波的空化作用使蛋白質二硫鍵破壞，使其結構變得松散，游離巰基含量增大，繼續增大超聲功率，超聲波的機械作用過度破壞其明顯穩定的狀態，擾亂了其整齊規則的結構，使得游離巰基含量下降。

由圖3（d） 可知，超聲時間20～60 min，游離巰基含量增加，可能是由于超聲作用使蛋白結構打開，蛋白結構變得松散，游離巰基含量增大；超聲時間大于60 min時，巰基含量反而呈減小的趨勢，其原因可能是因為長時間的超聲處理會出現一些相互影響而產生氫過氧化物的自由基，它們會再次生成新的二硫鍵，同時蛋白質內部的游離構造隨著超聲時間的延長，有自主聚集的趨勢，可包埋住暴露的巰基[29]。這樣的變化趨勢，可以發現通過超聲波的不斷作用可以使其內部隱藏的巰基暴露到表面上，造成了游離巰基含量的降低，加快其生成二硫鍵，應用到日常生活中可以加強相關制品，如市場上新型的大豆冰激凌或大豆果凍等的凝膠性。

2.4 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白平均粒徑的影響

不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白平均粒徑的影響見圖4。

由試驗可知，未經處理的大豆7S球蛋白粒徑為40.21 nm，經MTGase交聯處理的大豆7S球蛋白粒徑為58.76 nm，經Na2SO3協同MTGase處理的大豆7S球蛋白粒徑顯著提高（p＜0.05）。

由圖4（a） 可知，當Na2SO3質量濃度為800～1 000 mg/L時，經MTGase交聯處理后大豆7S球蛋白的粒徑先增大后減小；當Na2SO3質量濃度為950 mg/L時，7S球蛋白平均粒徑達到最大，為110.3 nm。這是由于Na2SO3的還原作用使大豆7S球蛋白中的二硫鍵斷裂[12]，在MTGase的交聯作用下，蛋白質聚集現象增加，表現為粒徑的增大[26]，隨后MTGase作用達到飽和，粒徑變小。

由圖4（b） 可知，處理時間在40 min之前，隨著處理時間的增加，粒徑變化不明顯，當處理時間為50 min時，粒徑達到最大值，為111.0 nm，隨著處理時間的繼續增加，粒徑降低。這是由于恒溫條件下，對大豆7S球蛋白進行一定時間的處理，有利于蛋白質結構的破壞，在MTGase的交聯作用下，使蛋白粒徑增大；時間繼續增加，對粒徑影響變小，平均粒徑變小。

由圖4（c） 可知，在超聲波的處理下大豆7S球蛋白協同MTGase交聯作用，超聲功率為180～300 W時，平均粒徑先增大后減小，在240 W時，平均粒徑達到最大，最大值為112 nm，隨著超聲功率作用繼續增大，平均粒徑逐漸減小，可能是由于超聲波的空化作用使蛋白質二硫鍵破壞，使其結構變得松散，在MTGase的交聯作用下，蛋白質聚集現象增加，表現為粒徑的增大，繼續增大超聲功率，粒徑減小。

由圖4（d） 可知，相對于未經超聲波處理的大豆7S球蛋白，超聲波處理能極大程度上降低大豆7S球蛋白平均粒徑，隨著超聲時間的增大，在超聲波的處理下大豆7S球蛋白與MTGase交聯協同作用，蛋白質趨向于聚集，使其平均粒徑些許增大，隨著超聲波作用時間的增加平均粒徑改變不明顯，20～60 min時平均粒徑基本保持不變。可能是由于超聲波的空穴效應使其形成湍流，作用生成的剪切力等作用打亂了原來具有的完整的蛋白顆粒，80 min后增加，平均粒徑反而從107.8 nm增大到129.8 nm，可能是由于過長時間的高強度處理誘發了其非共價作用而形成的微小物理聚集體，導致平均粒徑增大。

圖4 不同理化預處理協同MTGase對大豆7S球蛋白平均粒徑的影響

3 結論

以Na2SO3質量濃度、處理時間、超聲功率、超聲時間為單因素，研究理化預處理協同MTGase交聯改性處理后大豆7S球蛋白的持油性、乳化性及乳化穩定性、游離巰基含量、平均粒徑等變化。結果表明，Na2SO3處理協同MTGase交聯處理明顯提高大豆7S球蛋白持油性、乳化性及乳化穩定性，Na2SO3質量濃度950 mg/L，處理時間40min時，持油性達到最大，最大值為8.94 g/g；Na2SO3質量濃度700 mg/L時，處理時間30 min時，乳化性達到最大（87.60 m2/g），乳化穩定性達到最大（153.42 min）；超聲處理協同MTGase交聯處理明顯提高大豆7S球蛋白游離巰基含量，增大蛋白顆粒平均粒徑；超聲功率180 W，超聲時間60 min時，游離巰基含量達到最大值，為51.96 μmol/g；超聲功率180 W，超聲時間100 min時，平均粒徑達到最大值，為129.8 nm。