果膠酯化度對酪蛋白-果膠相互作用及其復合物性能的影響

劉敏,羅國柳,覃小麗,劉郁琪,劉雄,鐘金鋒*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學),重慶,400715)

酪蛋白(casein,CS)是牛奶和其他反芻動物奶中的主要蛋白質,因其良好的營養特性和生物相容性,常用于食品和醫藥領域的生物活性物質的包埋遞送。然而天然酪蛋白存在溶解度低、穩定性差以及膠束再聚集等問題[1],在一定程度上限制了酪蛋白的應用。酪蛋白與多糖在水溶液中通過靜電力、氫鍵等相互作用形成的可溶性復合物,可作為乳液穩定劑和脂肪替代物等,起到改變食品的結構并改善其穩定性的作用[2]。LIU等[3]研究發現當pH值5.0(接近等電點)時,乳清分離蛋白-海藻酸鈉復合溶液的粒徑和濁度與乳清分離蛋白溶液相比分別顯著降低了65.0%和68.5%。LAN等[4]的研究表明豌豆分離蛋白與果膠形成可溶性復合物,使其熱變性溫度略微升高,熱穩定性增強。因此,通過酪蛋白與多糖復合解決酪蛋白溶解度低、穩定性差等問題,對于提高酪蛋白利用率以及拓展酪蛋白-多糖復合物在食品和醫藥領域的應用具有重要意義。

果膠(pectin,PE)是常見的天然多糖,主要分為高甲氧基果膠(甲酯化度>50%)和低甲氧基果膠(甲酯化度<50%)。果膠的酯化度可以顯著地影響其與蛋白質的絡合行為以及相互作用產物的理化性質(溶解度、乳化性能等)[5]。ARCHUT等[6]研究表明豌豆蛋白-柑橘果膠復合物的形成受果膠酯化度影響,且50%的酯化度最有利于復合物的形成。WARNAKULASURIYA等[7]研究發現豌豆分離蛋白與高甲氧基果膠復合后,其在pH值4.5處的溶解度顯著高于其他低甲氧基果膠。然而上述研究僅從宏觀實驗指標分析了果膠酯化度對其與蛋白質形成的復合產物性能的影響,缺乏微觀層面二者相互作用機制的研究。分子動力學(molecular dynamics,MD)模擬因其能直接揭示分子或原子間的相互作用,提供相互作用類型、結構變化等微觀信息,而被廣泛應用于復合物相互作用的研究[8-9]。因此,通過該計算方法有望闡明酪蛋白和果膠分子間的相互作用機理。

本文旨在通過濁度測定和溶解度測定考察不同酯化度果膠(PE 36.1%、PE 41.6%、PE 47.8%和PE 67.9%)對其與酪蛋白形成的復合產物性能的影響,并進一步借助MD模擬、熒光光譜以及紅外光譜分析酪蛋白與果膠相互作用的機制,以期擴大酪蛋白與果膠復合產物的應用范圍并為其理化性能的進一步改善提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酪蛋白(CAS:9000-71-9,純度>95%),合肥博美生物科技有限公司;果膠(酯化度:36.1%和67.9%),恒銳食品生物科技有限公司;溴化鉀(光譜級),天津光孚精細化工研究所;其他試劑均屬于分析純。

1.2 儀器與設備

FD-1A-50型冷凍干燥機,北京博醫康實驗儀器有限公司;F-2500型熒光分光光度計,日本日立公司;T6新世紀紫外分光分度計,北京譜析通用儀器有限責任公司;Zetasizer ZS90型激光粒徑儀,英國Malvemn公司;Spectrun 100型傅里葉紅外光譜儀,美國PerkinElmer公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 酪蛋白-果膠復合物的制備

酪蛋白溶液和果膠溶液的制備:將酪蛋白粉末分散于去離子水中,然后用2 mol/L氫氧化鈉溶液將pH值調節至8.0左右。在50 ℃下加熱30 min,使其完全溶解得到酪蛋白溶液。將酯化度為36.1%和67.9%的果膠按照質量比12∶1和6∶1分散于去離子水中配制成果膠混合溶液,然后將其冷凍干燥得到酯化度為41.6%和47.8%的果膠。將4種酯化度的果膠分別分散于乙酸溶液中,在室溫下以500 r/min持續攪拌1 h,使其充分溶解得到果膠溶液。

酪蛋白-果膠復合物的制備:將0.5 g/L的酪蛋白溶液和0.5 g/L的不同酯化度果膠溶液按照不同質量比(1∶1～7∶1)混合,室溫下攪拌均勻后置于4 ℃下冷藏12 h使其完全水合,然后使用1.0 mol/L氫氧化鈉和1.0 mol/L鹽酸將混合物的pH值調節至所需值,繼續攪拌1 h使其混合均勻得到不同質量比的酪蛋白-果膠復合物(CS-PE 36.1%、CS-PE 41.6%、CS-PE 47.8%和CS-PE 67.9%)。

1.3.2 濁度的測定和臨界pH值(pHc、pHφ1、pHopt和pHφ2)的確定

參考LI等[10]的方法,采用可見紫外分光光度計測定不同pH值(2.0～8.0)作用下酪蛋白-果膠復合體系的濁度。以酪蛋白-果膠復合體系在600 nm處的光密度(optical density,OD)表示濁度,以超純水作為空白對照。

參考LIU等[11]的方法,根據酪蛋白-果膠復合體系的OD曲線確定臨界pH(pHc、pHφ1、pHopt和pHφ2)。延伸OD曲線拐點兩側的切線,并確定相鄰2條切線的交點,從右向左依次出現的交點對應的pH分別為pHc、pHφ1、pHopt和pHφ2。

1.3.3 溶解度的測定

根據王魯慧等[12]的方法,稍作修改,測定蛋白質溶解度。將10 mg/mL的復合溶液以9 690×g離心10 min,采用G250考馬斯亮藍法測定上清液中蛋白含量,以牛血清蛋白為標準物繪制標準曲線,酪蛋白作為對照組。溶解度表示為上清液中蛋白的含量比總蛋白的含量。

1.3.4 MD模擬

1.3.4.1 酪蛋白同源建模

采用同源模型構建β-酪蛋白的三維結晶。首先在UniProt數據庫中搜索β-酪蛋白的氨基酸序列(P09116);局部比對后在RCSB蛋白質數據庫中進行搜索,經比較后選擇PDB ID為5TC1,2Q2F和6O35的晶體結構作為混合模板蛋白[13];最后利用MODELLER(版本號:9.2)[14]進行多模板聯合建模,得到最優蛋白構象以進行后續的分子動力學模擬。

1.3.4.2 不同酯化度果膠模型構建

采用Gaussview 5.0.9構建果膠分子結構,果膠的代表模型有24個單糖殘基,其組成如下[15-17]:{[GalA-α(1-4)]10-α(1-4)-GalA-α(1-2)-Rha-α(1-4)-GalA-α(1-2)-Rha-α(1-4)-[GalA-α(1-4)]6-α(1-4)-GalA-α(1-2)-Rha-α(1-4)-GalA-α(1-4)-GalA},其中36.1%酯化度果膠1、3、5、7、15、17、20和23位的GalA被甲基化,67.9%酯化度果膠1、2、3、5、7、9、10、15、16、17、19、20、23和24位的GalA被甲基化,然后使用Gaussian 09程序在PM6D3理論水平上對果膠進行結構初步優化。

1.3.4.3 酪蛋白與果膠分子動力學模擬

為闡明β-酪蛋白與不同酯化度果膠之間相互作用的差異,使用YASARA(版本號:19.12.14)軟件進行MD模擬[18]。模擬過程中使用YASARA2力場,首先,利用周期性邊界條件,將酪蛋白-果膠復合物包埋在立方盒子中(盒子邊緣到復合物表面的最小距離為10 ?),然后加入TIP3P模型水,并通過Na+或Cl-中和系統電荷。在系統能量最小化后,設置pH值為4.6,模擬溫度和壓力分別為298 K和1 Bar,并分別運行15 ns,時間步長為2.5 fs[19]。最后,從軌跡分析獲得酪蛋白和酪蛋白-果膠復合物的均方根偏差(root mean square deviation,RMSD)、回旋半徑(radius of gyration,Rg)、氫鍵和酪蛋白-果膠復合物的結合能。

1.3.5 熒光光譜的測定

以酪蛋白溶液為對照,使用熒光分光光度計測定不同pH作用下的酪蛋白-果膠復合溶液中酪蛋白的熒光光譜。固定激發波長為280 nm,激發和發射狹縫寬度均為5 nm,掃描范圍為300～500 nm。

1.3.6 傅里葉紅外的測定(Fourier transformed infrared,FTIR)

使用Spectrun 100型傅里葉紅外光譜儀對CS、PE 36.1%、PE 67.9%、CS-PE 36.1%和CS-PE 67.9%進行分析。儀器設定波數為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描32次。在測量前,將樣品冷凍干燥,然后以1∶100的質量比與溴化鉀混合,得到測試樣品,用壓片機將測試樣品壓入透明片中。

1.4 數據處理

實驗指標平行測定3次,樣品平行測定2次,結果以平均值±標準偏差表示。用統計軟件SPSS(version 14.0 demo;SPSS Inc., Chicago, IL, USA)進行單因素(analysis of variance,ANOVA)分析(P<0.05時為差異顯著)。

2 結果與分析

2.1 不同酯化度果膠及其與酪蛋白的質量比對體系復合凝聚的影響

圖1表示酪蛋白與果膠的質量比和果膠的酯化度對不同pH值下酪蛋白溶液和酪蛋白-果膠復合溶液OD值的影響。如圖1所示,與酪蛋白溶液的OD峰相比,酪蛋白-果膠復合溶液整體OD峰向左偏移,表明果膠與酪蛋白的聚集體間發生了相互作用[20]。隨著pH值的降低,酪蛋白-果膠復合溶液的OD值呈現先增大后減小的趨勢。當pH值為3.4～4.8時,不同酯化度的果膠與酪蛋白聚集體形成的復合物由于發生電荷中和而沉淀[21],從而導致復合溶液的OD值(0.37～0.68)達到最大。此外,酪蛋白-果膠復合溶液的OD峰值(0.37～0.68)低于酪蛋白溶液的OD峰值(0.72),這可能是因為果膠抑制了酪蛋白間的聚集[20]。

A-CS-PE 36.1%;B-CS-PE 41.6%;C-CS-PE 47.8%;D-CS-PE 67.9%圖1 酪蛋白與果膠的質量比和果膠酯化度對不同pH值下酪蛋白溶液和酪蛋白-果膠復合溶液OD值的影響Fig.1 Effects of mass ratio of casein to pectin and the degree of esterification of pectin on OD values of casein solution and casein-pectin composite solution at different pH values

2.2 酪蛋白與果膠復合過程中的特征轉變點

酪蛋白與果膠的質量比對復合體系臨界pH(pHc、pHφ1、pHopt和pHφ2)及pHopt處的OD值的影響如圖2所示。由圖2可知,酪蛋白-果膠可溶性復合物形成的臨界pH(pHc)始終高于酪蛋白的等電點(pI=4.6),且當酪蛋白與果膠的質量比由1∶1增加至7∶1時,除CS-PE 67.9%的pHc由4.90升高至6.40外,其他復合體系的pHc始終保持在6.10左右。此外,隨著質量比的增加,酪蛋白與不同酯化度果膠形成不溶性復合物時的pH(pHφ1),發生最大相互作用時的pH(pHopt)以及復合物開始溶解時的pH(pHφ2)均呈升高的趨勢。

圖2-E為酪蛋白-果膠復合溶液在pHopt處的OD值隨酪蛋白與果膠的質量比的變化情況。酪蛋白-果膠復合溶液在pHopt處的OD值反映了二者形成的復合物的產量,該值越大,表示酪蛋白與果膠間形成復合物的產量越高[22]。如圖2-E所示,酪蛋白-果膠復合溶液在pHopt下的OD值隨質量比的增加呈現先增大后減小的趨勢。CS-PE 36.1%、CS-PE 41.6%、CS-PE 47.8%和CS-PE 67.9%分別在質量比為4∶1、4∶1、4∶1和5∶1時達到OD峰值。隨著質量比繼續增加,酪蛋白與不同酯化度果膠形成的復合溶液在pHopt處的OD值反而降低,表明蛋白質的聚集大于酪蛋白與果膠間的相互作用[23]。因此分別選擇4∶1、4∶1、4∶1和5∶1的質量比來研究CS-PE 36.1%、CS-PE 41.6%、CS-PE 47.8%和CS-PE 67.9%的相互作用。

A-PE36.1%;B-PE41.6%;C-PE47.8%;D-PE67.9%;E-酪蛋白與果膠的質量比圖2 酪蛋白與果膠的質量比和果膠酯化度對酪蛋白-果膠可溶性復合物形成(pHc)、不溶性復合物形成(pHφ1)、 最大相互作用(pHopt)、復合物溶解(pHφ2)和pHopt處OD值的影響Fig.2 Effects of mass ratio of casein to pectin and the degree of esterification of pectin on casein-pectin soluble complex formation (pHc), insoluble complex formation (pHφ1), maximal interaction (pHopt), complex dissolution (pHφ2) and OD at pHopt注:不同字母和不同羅馬數字表示差異顯著(P<0.05)(下同)。

2.3 果膠酯化度對酪蛋白-果膠復合凝聚的影響

果膠分子的酯化度對其與蛋白質形成復合物的能力至關重要[20]。因此本環節研究了不同酯化度果膠對相關臨界pH值的影響,結果如圖3所示。當酪蛋白分別與不同酯化度果膠以不同質量比(CS∶PE 36.1%,4∶1;CS∶PE 41.6%,4∶1;CS∶PE 47.8%,4∶1;CS∶PE 67.9%,5∶1)混合時,隨著果膠酯化度由36.1%增加至67.9%,酪蛋白與果膠形成的復合體系的pHc和pHφ2始終保持在2.20和6.12左右,而pHφ1和pHopt卻分別降低了0.38和0.39,這與WARNAKULASURIYA等[7]的研究結果一致,表明果膠酯化度對于酪蛋白-果膠可溶性復合物的形成以及復合物的溶解沒有顯著影響,卻與其不溶性復合物形成時的pH(pHφ1)及發生最大相互作用時的pH(pHopt)呈負相關。

2.4 果膠對酪蛋白溶解度的影響

圖4顯示了酪蛋白溶液和最佳質量比的酪蛋白-果膠復合溶液在酪蛋白等電點(pI=4.6)處的溶解度。由圖4可知,酪蛋白與不同酯化度果膠混合后,其在pH值4.6處的溶解度顯著增加,且隨著果膠酯化度的升高其溶解度呈現逐漸增大的趨勢。當果膠酯化度由36.1%升高至67.9%時,酪蛋白在此pH下的溶解度增加了10.44%。由此可見,添加果膠能夠增加酪蛋白在等電點處的溶解度,且該溶解度與果膠的酯化度呈現正相關。

圖3 果膠酯化度對酪蛋白-果膠復合物在最佳質量比 (CS∶PE 36.1%, 4∶1;CS∶PE 41.6%, 4∶1;CS∶PE 47.8%, 4∶1;CS∶PE 67.9%, 5∶1)下的臨界pH值的影響Fig.3 Effect of the degree of esterification of pectin on the critical pH values associated with complex coacervation of casein-pectin complex at optimum mass ratio (CS∶PE 36.1%, 4∶1; CS∶PE 41.6%, 4∶1;CS∶PE 47.8%, 4∶1;CS∶PE 67.9%, 5∶1)

圖4 酪蛋白和酪蛋白-果膠復合物(CS∶PE 36.1%,4∶1; CS∶PE 41.6%,4∶1;CS∶PE 47.8%,4∶1;CS∶PE 67.9%, 5∶1)在pH 4.6時的溶解度Fig.4 Solubility of CS and casein-pectin complex (CS∶PE 36.1%, 4∶1;CS∶PE 41.6%, 4∶1;CS∶PE 47.8%, 4∶1; CS∶PE 67.9%, 5∶1) at pH 4.6

2.5 酪蛋白和果膠的相互作用

2.5.1 MD模擬

2.5.1.1 RMSD分析和Rg分析

RMSD能夠反映分子結構在特定時間內偏離其初始構象的程度,是衡量體系是否穩定的重要指標[24]。由圖5-A可知,β-酪蛋白的RMSD在0～15 ns內曲直上升,且波動較大。而對于β-酪蛋白-PE 36.1%和β-酪蛋白-PE 67.9%而言,在10 ns之前,RMSD逐漸升高,模擬達到10 ns后趨于穩定,RMSD分別維持在0.51 nm(β-酪蛋白-PE 36.1%)和0.36 nm(β-酪蛋白-PE 67.9%)的平衡值,低于該范圍(10～15 ns)內β-酪蛋白的平均RMSD值(0.56 nm),表明酪蛋白-果膠復合物的穩定性強于酪蛋白,且果膠酯化度越高,復合物的穩定性越強。

圖5-B是β-酪蛋白、β-酪蛋白-PE 36.1%和β-酪蛋白-PE 67.9%的Rg隨時間的變化情況。Rg是反映復合體系結構致密性的物理量,該值越小表示結構越緊密,反之,該值越大,則表示體系結構越膨脹[24]。如圖5-B所示,β-酪蛋白的Rg隨模擬時間的延長而逐漸升高并穩定在2.63左右;而β-酪蛋白-PE 36.1%和β-酪蛋白-PE 67.9%的Rg在10 ns前逐漸降低,隨后維持在2.48 nm和2.49 nm附近,說明果膠的加入可以增大體系的致密性,有利于系統的穩定。

A-RMSD;B-Rg圖5 β-酪蛋白、β-酪蛋白-PE 36.1%和β-酪蛋白-PE 67.9% 在模擬過程中的RMSD和Rg變化Fig.5 The RMSD and Rg of β-casein, β-casein-PE 36.1% and β-casein-PE 67.9% along the MD simulation

2.5.1.2 氫鍵分析和結合能分析

圖6顯示了15 ns模擬過程中β-酪蛋白-PE 36.1%和β-酪蛋白-PE 67.9%的氫鍵數目隨時間的變化情況以及各項能量的貢獻情況。如圖6-A所示,在模擬達到平衡后(10～15 ns),β-酪蛋白-PE 36.1%在大多數時間內出現1個氫鍵,而β-酪蛋白-PE 67.9%呈現2個 或3個氫鍵,說明酯化度越高的果膠能與酪蛋白形成更多的分子間氫鍵,越有利于復合物的穩定性[3]。

由圖6-B可知,酪蛋白-果膠復合物的范德華勢能、鍵伸縮勢能、鍵角彎曲勢能、二面角扭曲勢能以及離平面振動勢能均為正值,且對結合能貢獻較小;而分子間靜電勢能呈現負值,且與結合能的變化保持一致,說明靜電相互作用主導了酪蛋白和果膠之間的結合。此外,β-酪蛋白-PE 67.9%的分子間靜電勢能(-2.29×106kJ/mol)和結合能(-1.91×106kJ/mol)分別低于β-酪蛋白-PE 36.1%的分子間靜電勢能(-2.20×106kJ/mol)和結合能(-1.83×106kJ/mol),表明β-酪蛋白-PE 67.9%復合物由于具有更強的靜電相互作用而表現更好的穩定性。同時,這也說明酯化度越高的果膠可能因為與酪蛋白產生更強的靜電相互作用,從而更有利于降低酪蛋白在等電點(pI=4.6)附近的濁度。

A-氫鍵數目變化;B-能量貢獻圖6 β-酪蛋白-PE 36.1%和β-酪蛋白-PE 67.9%在模擬 過程中的氫鍵數目變化和能量貢獻Fig.6 The number of hydrogen bonds and energy contribution in the β-casein-PE 36.1% and β-casein-PE 67.9% along the MD simulation

2.5.2 熒光光譜分析

酪蛋白的內源熒光主要來源于色氨酸殘基,故可通過該殘基的熒光信息來研究酪蛋白與果膠之間的相互作用及酪蛋白的構象變化。圖7所示為不同pH(3.5～7.0)處理的酪蛋白和酪蛋白-果膠復合體系的熒光光譜。由圖7-A和圖7-B可知,當pH值由3.5升高至7.0時,酪蛋白溶液和酪蛋白-果膠復合溶液的熒光強度均呈現先減弱后增強的趨勢,且在pH值4.6時達到最弱,這可能是因為當pH值接近酪蛋白的等電點(pI=4.6)時,酪蛋白發生聚集導致色氨酸被包裹在酪蛋白內部的疏水基團中從而使熒光強度降低,隨著pH值繼續增加,酪蛋白肽鏈展開,越來越多的色氨酸殘基暴露,導致熒光強度增強[25]。此外,與酪蛋白溶液相比,酪蛋白與不同酯化度果膠(PE 36.1%和PE 67.9%)復合后,其熒光強度降低,且熒光最大發射峰發生了輕微的藍移(1～5 nm),說明果膠與酪蛋白之間的靜電相互作用(圖6-B),導致酪蛋白的構象發生變化,使色氨酸殘基移動到疏水環境[26]。

A-CS-PE 36.1%;B-CS-PE 67.9%圖7 CS、CS-PE 36.1%和CS-PE 67.9%在不同 pH下的熒光光譜Fig.7 Fluorescence spectra of CS, CS-PE 36.1% and CS-PE 67.9% at different pH values

2.5.3 FTIR分析

A-PE 36.1%, CS-PE 36.1%;B-PE 67.9%, CS-PE 67.9%圖8 CS、PE(A,PE 36.1%;B,PE 67.9%)和CS-PE復合物 (A,CS-PE 36.1%;B,CS-PE 67.9%)的紅外光譜Fig.8 FTIR spectra of CS, PE (A, PE 36.1%;B, PE 67.9%) and CS-PE complexes (A, CS-PE 36.1%;B, CS-PE 67.9%)

3 結論

本文研究了果膠酯化度對酪蛋白與果膠相互作用及其產物性能的影響。結果表明,CS與PE 36.1%、PE 41.6%、PE 47.8%和PE 67.9%分別在4∶1、4∶1、4∶1和5∶1質量比下形成的復合物的產量最高。在此條件下,隨著果膠酯化度由36.1%增加至67.9%,酪蛋白在pI值4.6處的溶解度升高了10.44%。MD模擬結果顯示CS-PE 67.9%復合物的RMSD值和結合能分別比CS-PE 36.1%少0.15 nm和8×104kJ/mol,表現更強的穩定性;靜電相互作用主導了β-酪蛋白與果膠復合物的形成,且有助于降低酪蛋白-果膠復合溶液在酪蛋白等電點處的濁度。本結果為提高酪蛋白的利用率以及為進一步研究酪蛋白-果膠復合性能提供了理論參考。