糖基化-酰化菜籽蛋白抗菌水凝膠的制備與表征

王志高，陶 璇，張倩玉，何 榮，鞠興榮

(南京財經大學食品科學與工程學院；江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心；江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室，南京 210023)

菜籽粕是油菜籽提取油脂(壓榨或溶劑浸出)后的副產物，年產量近千萬噸。菜籽粕含有35%～45%的粗蛋白，且具有豐富的蛋氨酸、賴氨酸和胱氨酸，不僅氨基酸平衡優于其他的植物蛋白，其營養價值也可與酪蛋白和動物蛋白相媲美。此外，菜籽蛋白在食品的加工、儲藏及配制等過程中表現出一定的成膜性、起泡性、持水性、溶解性、凝膠性和乳化性等功能特性[1, 2]，是我國優質的植物蛋白源，有極高的開發利用價值。研究發現菜籽蛋白可以吸附大于自身質量近4倍的水，吸水能力要明顯優于商業化較成熟的大豆蛋白[3]。然而，天然的菜籽蛋白在pH 4～9之間的溶解性較差[4, 5]，其凝膠形成能力也低于大豆蛋白[6]。這說明菜籽蛋白具有制備水凝膠的先天條件，只是溶解性、凝膠性等還需進一步改善，若能對其功能進行修飾或改進，將大大提高菜籽蛋白在食品、農業、生物醫學等方面的利用度。

凝膠性是蛋白質重要的功能性質之一，被作為評估蛋白衍生產品的重要指標。目前，改善菜籽蛋白凝膠性的方法中通常有化學、物理及生物方法。化學改性主要通過化學反應改變聚合物的物理化學性質，方法包括酸堿化、脫酰胺、酰基化和糖基化等[7]。其中，酰基化在食品加工方面的應用較為廣泛，其本質是酰化劑與蛋白質分子中游離的氨基或羥基之間發生親核取代從而改變蛋白質的功能性質[8]。酰基化能改善菜籽蛋白的凝膠特性[9]，但僅僅是加強了菜籽蛋白的凝膠形成能力，無法有效提高凝膠強度和凝膠性能。目前，還有研究人員發現糖基化可以改善蛋白質的乳化、凝膠、溶解和熱穩定等性能[10]。殼聚糖、葡聚糖和纖維素這類天然多糖，具有良好的生物相容性和生物可降解性，其主鏈上含有的許多游離羥基易于修飾和交聯，適合酰化菜籽蛋白的糖基化修飾。菜籽蛋白由于含有的大量賴氨酸，在糖基化反應時能促進穩定優良凝膠的形成。

目前，這類植物蛋白基水凝膠因其具有良好的氣體交換、保濕、生物相容性、低毒和可降解等性質[11]，被用作傷口敷料。凝膠在我國長期處于供不應求的狀態，需求量保持持續高速增長狀態，但其機械性和抑菌效果差，存在被微生物感染的風險，不利于傷口愈合[12, 13]。聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽(PHMB)是一種無毒、無致突變性的細胞膜活性抗菌劑，對細菌繁殖體和真菌的殺滅作用均較好[14]。其抑菌機理為PHMB作為聚陽離子型化合物，可吸附于帶有負電荷的微生物表面，并通過跨膜運輸至細胞質中的磷脂雙分子層與帶負電磷酸基結合，以此改變細胞膜的選擇透過性，阻止細胞分裂繁殖，破壞細胞代謝，從而殺死微生物[15]。

本研究選擇用琥珀酸酐、羧甲基殼聚糖(CMCS)和對菜籽分離蛋白進行酰基化-糖基化協同處理，然后將PHMB作為抗菌劑加載到羧甲基殼聚糖-酰化菜籽蛋白水凝膠上，探究PHMB加載濃度與菜籽蛋白水凝膠的抑菌效果之間的關系，以及加載PHMB前后凝膠的溶脹性、熱穩定性和透氣性的變化情況，并通過傅里葉紅外光譜和X射線衍射分析凝膠內部結構的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽粕、CMCS、PHMB、無水乙醇、溴化鉀、氯化鈉、氯化鉀、琥珀酸酐、PBS、Tris-甘氨酸(Tris-Gly)、胰蛋白胨、酵母粉、瓊脂粉、金黃色葡萄球菌(CMCC26003)、銅綠假單胞菌菌種(ATCC 9027)、聚四氟乙烯帶，所用化學試劑均為優級純。

1.2 儀器與設備

HWCL-3型恒溫磁力攪拌器，HHS-2型數顯恒溫水浴鍋，AL204型分析天平，GL-21M型高速冷凍離心機，AE150型pH測定儀，Hirayama HVE-50型高溫高壓蒸汽滅菌鍋，crystal IS-RDV1型恒溫振蕩器，WIGGENSWCI-180型CO2恒溫培養箱，Q2000型差示掃描量熱儀，SW-CJ-2FD型潔凈工作臺，Tensor 27型傅里葉紅外光譜儀，RigakuUltima IV型X射線衍射儀，Spectramax M2e型多功能酶標儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 菜籽分離蛋白的制備

將菜籽粕按比例(1∶10)溶于去離子水，后用1 mol/L的NaOH溶液調節pH至11，磁力攪拌后(轉數，3 h，50 ℃)，離心收集上清液(10 000 g，30 min，4 ℃)。用1 mol/L的HCl溶液調節上清液的pH至4.5，在室溫下靜置沉淀2 h，后離心收集沉淀(1 000 g，30 min，4 ℃)，并用無水乙醇洗滌沉淀去除酚類物質。最后將沉淀冷凍干燥后即得到菜籽分離蛋白。

1.3.2 酰化菜籽蛋白的制備

將得到的菜籽分離蛋白溶于去離子水中，制備2%的菜籽蛋白溶液。用2 mol/L的NaOH溶液調節蛋白溶液的pH至10。緩慢加入菜籽蛋白質量5%的琥珀酸酐進行反應，反應時用2 mol/L的NaOH溶液維持溶液pH為10。反應結束將混合溶液用截留分子量為10 ku的透析袋透析48 h，得到酰化度為5%的酰化菜籽蛋白(ARPI)溶液，最后將樣品冷凍干燥備用，ARPI的純度為80%。

1.3.3 糖基化-酰化協同修飾制備菜籽蛋白水凝膠

首先，將適量的ARPI樣品和CMCS(以ARPI質量的10%計)溶于質量分數為0.5%的NaCl溶液中，加入菜籽蛋白為100 U/g的TG酶催化反應的進行，得到酰化菜籽蛋白質量分數為15%的懸浮液。用1 mol/L的NaOH試劑調節pH至9，均勻混合后將3 mL懸液轉移到直徑為28 mm、高度為57 mm的圓柱形玻璃小瓶中。將小瓶放在90 ℃的水浴中加熱30 min，然后立即在冰浴中冷卻到室溫，在4 ℃的條件下保存過夜，得糖基化-酰化協同修飾菜籽蛋白水凝膠。

1.3.4 PHMB-CMCS-ARPI水凝膠的制備

在溶解時加入以ARPI質量0.1%～0.2%的PHMB于質量分數為0.5%的NaCl溶液中，后續實驗步驟相同。

1.3.5 抑菌活性的測試

1.3.5.1 培養基的配制

LB液體培養基：量取100 mL的蒸餾水倒入250 mL的錐形瓶中，稱取1 g胰蛋白胨、0.5 g酵母粉和1 g氯化鈉并加入錐形瓶中混勻，置于高溫高壓蒸汽滅菌鍋中在121 ℃條件下滅菌15 min后待用。

LB固體培養基：量取100 mL的蒸餾水倒入250 mL的錐形瓶中，稱取1 g胰蛋白胨、0.5 g酵母粉、1 g氯化鈉和1.5 g瓊脂粉并加入錐形瓶中混勻，置于高溫高壓蒸汽滅菌鍋中在121 ℃條件下滅菌15 min。培養基冷卻至60 ℃左右后，倒入一次性培養皿(每個培養皿15 mL培養基)，充分凝固后待用。

1.3.5.2 細菌懸液的制備

在3支12 mL的細菌培養管中分別加入3 mL的LB液體培養基，然后2支培養管各加入從金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌固體培養基上挑取的單菌落，另一支作空白對照。3支培養管在37 ℃、200 r/min條件下振蕩培養過夜，多功能酶標儀上測得菌液OD460值[16]和OD585值[17](金黃色葡萄球菌OD460值與銅綠假單胞菌OD585值均為0.91，前者對應菌液濃度為4.1×108CFU/mL；后者對應菌液濃度為 2.23×108CFU/mL)。

1.3.5.3 樣品的處理

凝膠樣品在75%乙醇中浸泡30 min，待乙醇充分揮發后將凝膠按0.1 g/mL的比例加入無菌PBS溶液，靜置(37 ℃，48 h)后得凝膠浸提液。凝膠浸提液用0.22 μm過濾器過濾至無菌離心管中備用。

1.3.5.4 抑菌圈的測試

用無菌PBS溶液將菌液的菌落數稀釋至1×106CFU/mL，將100 μL菌液均勻涂布在LB固體培養基平板上，再用9 mm無菌打孔器打孔。按序將樣品(每孔100 μL)加入孔中。最后，將平板置于37 ℃的恒溫培養箱內培養18 h，后取出拍照并測得抑菌圈的直徑。

1.3.6 溶脹性能的測試

將凍干后的菜籽蛋白水凝膠樣品制成質量相等的近似形狀，分別浸泡于pH為4、7、10的去離子水(37 ℃)中，間隔預設時間(t)后取出稱重直至樣品達到溶脹平衡(質量恒定)。根據式(1)計算水凝膠的吸水量(S)：

吸水量=(mt-m0)/m0

(1)

式中：m0為干凝膠的質量/g；mt為t時刻水凝膠的質量/g。

1.3.7 透氣性能的測試

取開口直徑為15 mm的圓底玻璃瓶，向瓶中加入10 mL的去離子水，將菜籽蛋白水凝膠樣品切成厚度為3 mm、邊長為20 mm的正方形，覆蓋在圓底玻璃瓶口上并在瓶口邊緣用聚四氟乙烯帶密封以免水分流失。測量各個玻璃瓶的總質量，然后將玻璃瓶放入37 ℃烘箱中，24 h后取出再次測量玻璃瓶的質量，按式(2)計算水蒸氣透過率[g/(m2·d)]，以評估水凝膠的透氣性能：

水蒸氣透過率=(ms-mf)/A

(2)

式中：A為瓶口面積/m2；ms為覆蓋有樣品的玻璃瓶的初始質量/g；mf為玻璃瓶最終質量/g。

1.3.8 熱重測試

將菜籽蛋白水凝膠樣品凍干，在氮氣充分的條件下用熱重分析儀以20 ℃/min的速度將室溫升高至800 ℃，記錄下凝膠樣品的熱重(TG)曲線和導數熱重(DTG)曲線。

1.3.9 傅里葉紅外光譜的測試

將冷凍干燥的水凝膠樣品研磨過篩(120目)，將樣品與溴化鉀粉末充分混合壓成片劑。用Tensor 27傅里葉紅外光譜儀在400～4 000 cm-1范圍內對樣品粉末的紅外光譜進行測定[18]。

1.3.10 X射線衍射的測試

對菜籽蛋白水凝膠進行X射線衍射的測試：銅靶，石墨單色器，電流100 mA，電壓40 kV，發射狹縫為1°，防散射狹縫為19°，接收狹縫為0.15 mm，掃描區間為5°～40°，掃描速度為5(°)/min，使用MDI計算2θ/θ連續掃描，步長為0.02°。用JADE6.5軟件進行分析。

1.3.11 數據分析

研究中每個實驗至少重復3次，數據分析由SPSS 23.0軟件完成。實驗數據用均值±標準差描述，采用Duncan 檢驗對數據進行單因素方差分析，當P<0.05時認為差異具有顯著性。

2 結果與分析

2.1 菜籽蛋白水凝膠的抗菌性能

金黃色葡萄球菌(G+)和銅綠假單細胞菌(G-)是較為常見的傷口部位易感染細菌，本研究選取這2種細菌來檢測加載PHMB前后菜籽蛋白水凝膠的抗菌性能。檢測結果如表1所示，細菌的濃度為1×106CFU/mL，在加載PHMB前，盡管CMCS本身具有抗菌性能，但其在與酰化菜籽蛋白交聯后形成的穩定緊密網狀結構對殼聚糖的細菌吸附作用形成阻礙，CMCS-ARPI凝膠浸提液仍然表現出一定的抗菌效果，抗菌性相較于單獨的PHMB略強。王志高[19]研究發現酰化菜籽蛋白在其等電點以上的ζ電位明顯低于未改性菜籽蛋白的ζ電位，表明酰化后陰離子丁二酰基部分取代了菜籽蛋白中的陽離子ε-氨基基團，使得酰化菜籽蛋白的電負性得到加強。猜測PHMB是以靜電吸附的方式與CMCS-ARPI水凝膠結合。隨著PHMB的加載和濃度的提升，抑菌效果愈發增強，測得的抑菌圈直徑逐漸變大，說明PHMB成功加載到了CMCS-ARPI凝膠上。以金黃色葡萄球菌為例，0.20%的PHMB-CMCS-ARPI水凝膠浸提液的抑菌圈直徑為8 mm，凝膠樣品表現出的抗菌性能比文獻報道的聚氨酯/白及多糖復合水凝膠更強[20]。

表1 抑菌圈直徑/mm

2.2 不同pH條件下菜籽蛋白水凝膠的溶脹性能

水凝膠敷料的溶脹性能是影響其在生物醫藥領域內應用的一個重要因素，適合的溶脹比更有利于傷口愈合，過低的溶脹比可能無法為傷口提供溫和濕潤的恢復環境，過高的溶脹比可能會增加傷口感染的可能性[21]。加載PHMB前后以及不同加載量下的菜籽蛋白水凝膠在不同pH條件下去離子水中的溶脹性能如圖1所示，4種樣品在相同pH條件下去離子水中的溶脹率沒有顯著差異。其中加載量為0.20%的PHMB-CMCS-ARPI水凝膠溶脹率較高，在pH為4、7、10條件下去離子水中的溶脹率分別為6.01、8.83、9.19 g/g。與抗菌型殼聚糖基水凝膠的溶脹比[22]相比，PHMB-CMCS-ARPI菜籽蛋白水凝膠溶脹性能更好，且表現出更適宜的吸濕速率，能夠為傷口提供濕潤而干爽的恢復環境。另外猜測PHMB的加載是通過靜電吸附完成的，因而不會對水凝膠的網狀多孔結構產生影響，相反，可能會在一定程度上增加凝膠網絡結構的密度。

注：不同字母(a～c)表示數據之間存在顯著性差異(P<0.05)，余同。

和其他pH條件下相比，所有菜籽蛋白水凝膠樣品在pH為4的條件下溶脹率都較小，可能是由于羧甲基殼聚糖和酰化菜籽蛋白在酸性溶液中接受了質子，大分子鏈主要以正離子狀態存在，使得ARPI、CMCS和PHMB間的電荷排斥效應增加，大分子鏈更易于展開并迅速與極性水分子產生作用，更快達到溶脹平衡[23]，因此體外溶脹率明顯降低。而在pH為7和10條件下，菜籽蛋白水凝膠的溶脹率依次增加，表明溶脹介質的pH對本研究所制備的菜籽蛋白復合抗菌水凝膠的溶脹性能有明顯影響。當pH為10時樣品的溶脹率最高，這是—COOH基團的靜電排斥作用所引起的。本實驗制備的菜籽蛋白水凝膠在較寬的pH范圍內都具有較好的溶脹性能，且加載抗菌劑PHMB對凝膠的溶脹性能基本沒有影響，因此0.20% PHMB-CMCS-ARPI凝膠可以用于吸收傷口滲出液，為創面保持濕潤溫和的愈合環境。

2.3 菜籽蛋白水凝膠的熱穩定性能

圖2為菜籽蛋白水凝膠樣品的熱失重(TG)和導數熱重(DTG)曲線。如圖2所示3種蛋白凝膠粉末在314 ℃條件下均出現了蛋白凝膠分解的最大失重峰。其中，CMCS-ARPI凝膠和PHMB-CMCS-ARPI凝膠的熱損失率均小于ARPI凝膠，說明糖基化修飾提高了凝膠樣品的熱穩定性能。姜夢云等[24]在研究魚貝肌肉分離蛋白經過糖基化修飾后的熱穩定性能變化時得出了相同結論。未加載PHMB的蛋白凝膠粉末的DTG曲線在50～150 ℃范圍內出現了較寬的水分蒸發峰，這是由于凝膠具有親水性[11]，可與空氣中的水分子結合，故而蛋白凝膠粉末的含水量較多；而在180～210 ℃范圍內的蛋白質有一定程度的分解。加載PHMB的蛋白凝膠粉末的DTG曲線在50～150 ℃范圍內的水分蒸發區域質量損失較小，猜測是由于靜電吸引加載的PHMB增加了凝膠結構的交聯密度及穩定性，從而防止蛋白凝膠粉末與空氣中的水分子迅速結合；而在180～245 ℃范圍內的蛋白凝膠粉末質量損失顯著大于未加載PHMB之前的凝膠粉末質量，這可能是高溫下PHMB分解所導致的；在260～407 ℃范圍內出現的較寬質量損失峰是PHMB、CMCS和ARPI在加熱過程中分解峰疊加在一起產生的結果。

圖2 PHMB對凝膠熱穩定性能的影響

2.4 菜籽蛋白水凝膠的透氣性能

保證適當的表面濕潤度和失水率，理想傷口敷料的水蒸氣透過率應在2 000～2 500 g/(m2·d)范圍內[25, 26]。圖3為凝膠樣品的水蒸氣透過率。在無覆蓋物時樣品的水蒸氣蒸發速率為(9 244.3±324.5)g/(m2·d)，如此條件易導致傷口處過快的水分流失，使得上皮細胞生長緩慢，不利于傷口愈合。而市售的傳統醫用膠帶水蒸氣透過率為(682±59.2)g/(m2·d)，其表面致密且具有較高的密封性，需要使用者經常更換以保證傷口部位合適的透氣性和避免細菌感染。ARPI凝膠、CMCS-ARPI凝膠和0.2%PHMB-CMCS-ARPI凝膠的水蒸氣透過率分別為(2 436.6±262.8)、(2 136.6±119.2)、(1 972.4±164.3)g/(m2·d)，雖然糖基化修飾和抗菌劑PHMB的加載都使得凝膠結構更加致密，且在一定程度上對凝膠的透氣性有所影響，但是0.2% PHMB-CMCS-ARPI凝膠還是表現出了較為理想的透氣性能，略高于不同濃度的抗菌型聚乙烯醇基水凝膠材料在濕態下的水蒸氣透過率[27]，基本達到了醫用傷口敷料的要求。

注：橫坐標中4、5分別為CMCS-ARPI、0.2%PHMH-CMCS-ARPI。

2.5 菜籽蛋白水凝膠的傅里葉紅外光譜分析

傅里葉紅外光譜是分析混合物分子之間的相互作用及官能團的變化的主要方法。加載0.2%PHMB前后菜籽蛋白水凝膠的化學結構變化如圖4所示。3種改性菜籽蛋白水凝膠位于3 275 cm-1處的特征峰是—NH2基團和—OH基團的伸縮振動所引起的[28]，1 659 cm-1和1 530 cm-1附近的強峰為菜籽蛋白水凝膠在酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的吸收峰[29]。1 447 cm-1處的強峰是C—H的伸縮振動和N—H彎曲振動所引起的，是菜籽蛋白水凝膠在酰胺Ⅲ帶的吸收峰。CMCS-ARPI凝膠和PHMB-CMCS-ARPI凝膠在1 079 cm-1附近的吸收峰是多糖(糖苷鍵中的C—O—C)的吸收峰[30]。O—H和N—H拉伸振動引起的吸收峰移動到較低的波數，表明CMCS的陽離子基團與改性菜籽蛋白的陰離子基團之間通過電荷間相互作用形成了氫鍵[31]，這是糖基化修飾反應的結果。2 200～2 300 cm-1范圍內無—NCO的吸收峰，表明PHMB成功加載到了菜籽蛋白水凝膠樣品上。

圖4 ARPI、CMCS-ARPI和PHMB-CMCS-ARPI凝膠樣品的紅外光譜圖

2.6 菜籽蛋白水凝膠的X射線衍射分析

X射線衍射分析可以用于研究物質的物相和晶體結構，因此用X衍射圖分析加載PHMB前后凝膠樣品的微觀結構。如圖5所示，ARPI、CMCS-ARPI和PHMB-CMCS-ARPI凝膠均為非晶體物質，其XRD曲線較為類似，均呈現出近似無定形的寬峰衍射，無典型結晶結構特征衍射峰，ARPI凝膠在2θ=19.2°處出現的衍射峰是菜籽蛋白的特征峰，這也是由于凝膠結構中的規整部分。

圖5 ARPI、CMCS-ARPI和PHMB-CMCS-ARPI凝膠樣品的X衍射圖

根據布拉格定律，2dsinθ=λ，(d為平行原子平面的間距；λ為入射波的波長；θ為入射光與晶面之間的夾角)，PHMB-CMCS-ARPI凝膠中衍射峰略微左移，說明入射光與晶面之間的夾角變小了，入射波的波長不變，因此只可能是由于平行原子平面的間距變大了。而本研究中d值變大極有可能是因為晶格受到了間隙原子的作用應力而伸長了，可能是PHMB的成功加載使得晶胞參數變大，晶面間距變大。

3 結論

通過糖基化-酰化協同修飾以及熱誘導法加載聚PHMB，菜籽蛋白基水凝膠的抗菌性能得到了顯著提升，加載0.2% PHMB的CMCS-ARPI凝膠樣品對金黃色葡萄球菌和銅綠假單細胞菌的抑菌圈直徑達到8 mm和6 mm。與CMCS-ARPI凝膠相比，加載0.2% PHMB的CMCS-ARPI凝膠的溶脹率上升至9.19 g/g，熱穩定性能基本不變，透氣性能有所下降但仍可滿足醫用凝膠敷料的透氣性要求，且三方面的變化均不具有顯著性。傅里葉紅外光譜和X射線衍射圖表明加載PHMB前后菜籽蛋白水凝膠的吸水性能、熱穩定性幾乎沒有發生變化。可以得出糖基化-酰化協同修飾及PHMB加載可以有效提高菜籽蛋白水凝膠的抗菌性能，因此改性后的菜籽蛋白水凝膠可作為傷口敷料新材料。