王治平 何荣海 丁文慧 邢 欢 侯福荣 马海乐

(江苏大学食品与生物工程学院；江苏省农产品物理加工重点实验室；江苏省食品智能制造工程技术研究中心，镇江 212013)

葡萄糖接枝改性对米渣分离蛋白乳化性及结构的影响

王治平 何荣海 丁文慧 邢 欢 侯福荣 马海乐

(江苏大学食品与生物工程学院；江苏省农产品物理加工重点实验室；江苏省食品智能制造工程技术研究中心，镇江 212013)

利用湿热法合成米渣分离蛋白-葡萄糖接枝产物，以研究美拉德反应条件及反应程度对接枝产物乳化性和结构的影响。以温度、pH值、时间、米渣分离蛋白和葡萄糖质量比为试验因素，并利用响应面法优化试验。结果显示，接枝产物乳化性同实验因素之间不呈线性关系。在温度79.13 ℃，pH 10.6,时间16 min，质量比1∶1的反应条件下制得的接枝产物乳化性为7 778 m2/g，为米渣分离蛋白的1.46倍。在此条件下蛋白接枝产物表面疏水性降低；红外光谱结果表明米渣分离蛋白以共价键的形式引入糖分子，蛋白接枝产物的α-螺旋结构含量减少，β-折叠和不规则卷曲结构含量增加。电镜扫描结果显示蛋白改性后表面结构分散，聚集体之间的界限分明。

米渣蛋白 糖接枝改性 乳化性

米渣是大米生产淀粉糖或味精后的副产物，蛋白质质量分数高达60% 以上，原料来源广、价格低，是一种提取大米蛋白的理想原料。大米蛋白氨基酸组成合理[1]，低抗原性[2]的特点使其深受欢迎。但大米蛋白属于高疏水性植物蛋白，具有溶解性小，乳化性、起泡性等[3]功能性质弱的特点。

美拉德反应又称为羰氨反应[4]。其原理是食品中的羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)之间的反应。反应产物蛋白质-糖共价复合物中多糖的引入是对蛋白质的改性和功能性质的强化。此共价复合物可以提高油-水乳化系统中水相的黏度，降低油-水界面张力，因而达到提高蛋白乳化性及乳化稳定性的作用[5]，在此反应中蛋白质与糖共价结合不需要化学试剂作为催化剂，仅通过加热可使反应自发地进行，并且接枝产物是一种相对安全的食品配料，符合现代社会对食品配料的要求。陆钫[6]、纪崴[7]、华静娴[8]等分别用大米蛋白和还原糖进行美拉德反应，结果表明反应后蛋白改性产物的乳化性、乳化稳定性、溶解性等功能性质均得到不同程度的改善。不过关于接枝反应条件对大米蛋白改性产物功能性的影响规律的较深入研究报道还比较少，而了解这一规律可以为该技术的应用奠定理论基础，是目前该领域研究的迫切需要解决的问题。

以美拉德反应为手段，以提高米渣分离蛋白乳化性为目的，研究蛋白和糖接枝产物的接枝度和其乳化性的关系，以及糖接枝后米渣蛋白的结构变化，以期在此基础上揭示不同接枝条件对米渣分离蛋白乳化性影响，为扩大米渣蛋白应用范围提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 原料

米渣(蛋白质质量分数为62.32%)：安徽锦泰糖业有限公司；大豆油：中粮集团。

1-苯胺基-8-萘磺酸(ANS)、2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)：Sigma公司；透析袋(阻截分子质量8 000～14 000)：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器与设备

ATAVAR型傅里叶变换红外光谱仪：美国Nicolet公司；S-4800电镜扫描仪：日本电子株式会社；Cary Eclipse荧光分光光度计：美国Varian公司；IKA ULTRA-TURRAX 分散仪：金坛市富华仪器有限公司；微量紫外分光光度计：北京瑞利实验设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 米渣分离蛋白的制备

将一定量的米渣粉碎，过筛后置于磁力搅拌水浴锅中，在温度35 ℃，时间2 h，料液比1∶15(m/m)的条件下用浓度为0.03 mol/L的碱液提取米渣分离蛋白。原料液经5 000 r/min离心15 min后，取上清液调至等电点pI 4.0，静置2 h，沉淀用蒸馏水溶解，用NaOH溶液将pH调到7.0，在4 ℃条件下透析24 h，冷冻干燥备用，制得样品蛋白纯度为89%。

1.3.2 米渣分离蛋白-糖共价复合物的制备

将米渣分离蛋白配制成浓度为1.2%(m/V)的溶液，用NaOH溶液调至pH 12，在50 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h使蛋白溶解，冷却至室温。按一定质量比加入葡萄糖，磁力搅拌20 min，使蛋白与葡萄糖混合均匀，常温下调节pH至恒定值。取蛋白-葡萄糖混合液于具塞试管中水浴加热。待反应结束后在冰浴中迅速冷却终止反应。取部分反应溶液用于接枝度分析，褐变分析。其余反应溶液在4 ℃条件下透析24 h。透析液冷冻干燥后备用。

1.3.3 改性产物乳化性测定

乳化性的测定采用浊度法[9]，略有改动。

米渣分离蛋白改性产物溶解于磷酸缓冲液(10 mmol/L, pH 7.0)制成1 mg/mL的蛋白溶液，取15 mL蛋白溶液和5 mL大豆油混合后在10 000 r/min高速分散仪中均质1 min，迅速从试管底部取出50 μL乳液，按1∶100的比例加入0.1 mg/mL SDS溶液中，用分光光度计在500 nm下测定吸光值，得乳化性指标EAI。

(1)

式中：A0为吸光值；DF为稀释倍数(100)；C为蛋白质量浓度/g/mL；φ为光程(1 cm)；θ为油相所占的体积(0.25)。

1.3.4 米渣分离蛋白-糖共价复合物接枝度的测定

采用TNBS法[10]，取样品液1 mL，加入5 mL 0.1% SDS溶液配制成0.2%(m/V)的蛋白溶液，磁力搅拌15 min。取0.4 mL样品液，依次加入2 mL的磷酸盐溶液(pH 8.2)和1 mL 0.1% (m/V)TNBS试剂，混合均匀。50 ℃水浴锅中避光反应1 h后加入2 mL HCL(0.1 mol/L)终止反应。室温下放置30 min，以蒸馏水代替样品按上述相同过程处理作为空白调零，在340 nm下测量吸光值。用赖氨酸做标准曲线计算自由氨基的含量。

(2)

式中：C0为未反应时样品中自由氨基含量/mol/L；Ct为反应th后样品中自由氨基含量/mol/L。

1.3.5 米渣分离蛋白-糖共价复合物褐变程度的测定

取样品液1 mL，加入5 mL 0.1% SDS溶液配制成0.2%(m/V)的蛋白溶液，磁力搅拌20 min。以0.1% SDS溶液为对照，于420 nm下测量吸光值。

1.3.6 米渣分离蛋白糖接枝复合物表面疏水性研究

根据Kato等[11]的方法将米渣分离蛋白和透析后的接枝产物用0.01 mol/L Na2HPO4-NaOH缓冲液稀释至0.001 25、0.002 5、0.005、0.01、0.02 mg/mL。取20 μL ANS溶液(8 mmol/L)溶于0.0l mol/L磷酸盐缓冲液)加入4 mL稀释蛋白溶液后立即摇匀。于激发波长为390 nm、发射波长为470 nm检测荧光强度。激发和发射缝宽2.5 nm。用荧光强度对蛋白溶液浓度作图并进行线性回归，以线性回归斜率做蛋白表面疏水性曲线。

1.3.7 米渣分离蛋白糖接枝复合物傅里叶红外光谱研究

测定条件：KBr于200 ℃烘箱内烘干。样品充分干燥后，以1∶100～1∶200的比例与KBr混合于研磨中研磨至颗粒大小为2～3 μm后压片，红外光谱仪全波段扫描(400～4 000 cm-1)，扫描次数128次。室温敞开状态下以KBr薄片为背景，相同条件下测量样品。

谱图处理：用OMNIC软件校正水汽和二氧化碳，减差KBr背景谱图，选择酰胺Ⅰ带范围(1 600～1 700 cm-1)。利用Peakfit 4.12软件进行两点基线校正、平滑、Deconvolve Gaussian IRF峰形拟合、二阶求导后得到各子峰相对面积，根据其积分面积累加计算各二级结构相对百分含量。

1.3.8 米渣分离蛋白糖接枝复合物扫描电子显微镜研究

样品冷冻干燥后涂于双面导电胶上。于原料涂层喷金厚度约10 nm，15 kV电压下扫描。

1.3.9 统计分析

采用SPSS 16.0软件进行试验数据分析。

2 结果与分析

2.1 米渣分离蛋白葡萄糖接枝改性试验

分别以反应温度、时间、蛋白(g) /糖(g)质量比及反应pH值为试验因素，以糖接枝复合物乳化性为评价指标，优化米渣分离蛋白的最佳改性条件。

2.1.1 反应时间对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度与褐变程度的影响

图1为米渣分离蛋白和葡萄糖混合溶液在pH 10、温度80 ℃、质量比1∶1条件下反应不同时间后产物乳化性，接枝度和褐变程度的变化。从图1可以看出，随反应时间的增加，蛋白-糖复合产物乳化性呈现先增后降的趋势。在反应15 min时有显著性变化，复合产物乳化性最好。随反应时间的增加，增加了葡萄糖与米渣分离蛋白的接触机会，使复合产物乳化性增加，待反应完全时复合产物乳化性不再增加甚至有所降低。糖接枝复合物的接枝度随时间的增长呈先增加再保持不变的趋势。当糖接枝反应进行到20 min时，接枝度为18.67%，基本达到饱和。颜色变化是美拉德反应进入高级阶段的重要和极其显著特征，颜色的变化与食品的种类和反应程度有关。由图可知随着反应时间的不断增加褐变程度也不断增加。糖接枝复合物的乳化性和接枝度，褐变程度在不同反应时间条件下并非呈正相关的趋势，原因是随着反应前期葡萄糖和米渣蛋白反应结合，蛋白表面的羟基增多从而增加产物的亲水性，从而增加了蛋白的乳化性。但随着反应时间的增加，蛋白接枝产物的接枝度升高，葡萄糖通过共价键的形式键合到蛋白上的数量越来越多使蛋白更偏于亲水，从而使接枝产物的乳化性降低。这种现象在陆钫[6]的研究中也有体现。

图1 反应时间对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度及褐变程度的影响

2.1.2 反应温度对糖接枝米渣分离蛋白乳化性, 接枝度与褐变程度的影响

图2为米渣分离蛋白和葡萄糖混合溶液在pH 10，质量比1∶1，不同反应温度条件下反应15 min后产物乳化性，接枝度和褐变程度的变化。从图2可以看出，随温度的升高，复合产物乳化性呈现先增后降的趋势。在80 ℃和90 ℃改性效果显著。在温度为80 ℃时，复合产物乳化性最好。这是由于热处理使蛋白分子变性展开，使原来隐藏在分子内的疏水基团暴露出来，亲油性增强、电荷数量增加，阻止了油滴的相互靠近，表现为复合产物的乳化性增强。但随着温度的升高，过热处理一方面破坏了蛋白质分子的结构，另一方面蛋白质分子的伸展增加了分子间的相互作用力，使蛋白分子凝聚和沉淀，表现为乳化性降低[13]。接枝复合物的接枝度和褐变程度随反应温度的升高有显著的增加。这是因为碱性环境、高温利于糖接枝反应的发生，同时有利于类黑素的生成。在不同温度条件下蛋白和糖的复合产物的乳化性和接枝度并非成正相关。随温度升高蛋白质分子展开疏水性集团暴露，以及蛋白和糖反应接枝产物表面羟基含量增多，从而增加了蛋白的乳化性。随着温度升高，糖接枝产物接枝度升高，复合物表面羟基含量增多，从而使其亲水性增加，同时反应温度升高蛋白分子容易产生聚集等现象降低亲油性。从而使蛋白复合产物的乳化性降低。

图2 反应温度对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度及褐变程度的影响

2.1.3 葡萄糖添加量对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度与褐变程度的影响

图3为米渣分离蛋白和葡萄糖混合溶液在pH 10，温度80 ℃，不同质量比条件下反应15 min后产物乳化性，接枝度和褐变程度的变化。如图3可知，蛋白(g) /糖(g)的质量比变化对复合产物乳化性的影响不大，在蛋白(g) /糖(g)的质量比为1∶1和2∶1处有较显著变化，主要是由于葡萄糖分子质量较小，接枝程度高，所以蛋白(g) /糖(g)的质量比对乳化性影响不明显。蛋白(g) /糖(g)的质量比对糖接枝复合物接枝度的影响基本保持不变，在蛋白(g) /糖(g)质量比为2∶1和4∶1时有较显著的降低。对复合产物的褐变程度有显著性影响，随着蛋白(g) /糖(g)的质量比的增加褐变程度显著性的增加。随着蛋白和糖的比例变化，蛋白接枝产物的乳化性和接枝度几乎都没有发生变化。原因是葡萄糖是小分子糖较易和蛋白发生接枝反应。在较低糖浓度条件下接枝反应已经达到饱和。

图3 蛋白(g)/糖(g)质量比对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度及褐变程度的影响

2.1.4 反应pH对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度与褐变程度的影响

图4 反应pH对糖接枝米渣分离蛋白乳化性、接枝度及褐变程度的影响

图4为米渣分离蛋白和葡萄糖混合溶液在温度80 ℃，质量比1∶1，不同pH值条件下反应15 min后产物乳化性，接枝度和褐变程度的变化。由图4可知，伴随pH的升高，复合产物乳化性得到显著改善，当溶液pH为11时产物的乳化性最大。当pH再增加时，乳化性又降低。主要是由于米渣分离蛋白为碱溶性蛋白，随着pH值的增加蛋白更好的溶解于溶液中增加了蛋白分子与葡萄糖分子的接触机会，有利于接枝反应的进行表现在接枝度增加，复合产物的乳化能力增强，但高碱液浓度导致蛋白质的严重变性，这也是复合产物乳化性降低的原因。反应产物的接枝度也是随着pH值的增加有显著性的升高，当pH为11时接枝度最大，随着pH值继续增加，接枝度下降，高碱浓度会导致蛋白变性，同时发生蛋白质交联反应，使接枝复合物的接枝度降低。但接枝产物的褐变程度随着pH值的增加不断升高。原因是高碱浓度有利于糖接枝反应生成褐色色素-类黑精。 糖接枝产物的乳化性和接枝度一样随反应溶液的pH增加先升高后降低。原因是随pH升高蛋白溶解度增加接枝反应加剧，接枝度升高，乳化性加强。但在强碱性条件下蛋白变性严重，不利于接枝反应进行，产物的乳化性降低。同时强碱性条件下美拉德反应容易从高级阶段开始易产生类黑素等物质，所以强碱性条件下接枝产物的褐变程度较大。

2.2 对米渣分离蛋白糖接枝复合产物结构性质的研究

经过接枝反应响应面分析优化试验(限于篇幅，本文中不详细报告)，得到了反应温度为79 ℃、体系pH 10.6及时间16 min、蛋白(g) /糖(g)比例为1∶1的最佳反应条件，在此条件下制备米渣分离蛋白接枝产物，测得其乳化性为7 677 m2/g，是米渣分离蛋白乳化性(5 258 m2/g)的1.46倍，并分析接枝产物结构的变化。

2.2.1 米渣分离蛋白糖接枝复合产物表面疏水性研究

米渣分离蛋白的表面疏水性为1 196.3，在温度79 ℃、pH 10.6、反应时间16 min、蛋白(g) /糖(g)比例为1∶1的条件下制取的糖接枝复合物的表面疏水性为1 064.6。糖接枝反应是羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)间的反应，经过复杂的反应后蛋白质接上携带羰基的糖分子，使蛋白接枝产物表面亲水性基团增加，蛋白的表面疏水环境在相对减少，使其疏水性降低[13]。另外一些亲水基团的暴露也会增加蛋白接枝产物的亲水性，这也是蛋白接枝产物疏水性降低的原因。

2.2.2 米渣分离蛋白糖接枝复合产物傅里叶红外光谱研究

如图5为米渣分离蛋白以及蛋白糖接枝反应产物的傅里叶红外图谱。在波长3 700～3 000 cm-1处接枝复合物的峰宽增大，峰的吸收强度增加。表明产物分子中新形成的 C-N 共价键伸缩振动吸收强度增大，说明葡萄糖通过共价键的形式接入蛋白质分子中，使蛋白分子中羟基数量增加[14]。1 500～1 350 cm-1波段的吸收峰强度增加，这说明接枝反应能引起 C-H 的变角振动及 C-OH 振动的增加。根据这两组峰可以进一步确认接枝物中糖类化合物的存在。表1是对葡萄糖接枝米渣分离蛋白酰胺Ⅰ带峰形拟合、面积计算后的结果。表1中结果表明，糖接枝复合物的α-螺旋结构数量减少，β-结构(β-折叠、β-转角)和无规卷曲结构数量呈上升趋势。说明接枝后米渣分离蛋白的结构由有序变为无序。蛋白质的α-螺旋结构是紧密的无空腔结构，结构过于稳定不利于蛋白质的功能性质。β-结构(β-折叠、β-转角)和无规卷曲在结构上要比α-螺旋结构差很多。因此，糖接枝改性使α-螺旋结构含量降低，使蛋白的柔韧性增加，乳化性质得到改善[13]。

图5 糖接枝改性对米渣分离蛋白二级结构的影响

表1 糖接枝改性对米渣分离蛋白二级结构的影响

样品α-螺旋/%1645～1662/cm-1β-折叠/%1615～1638/cm-1β-转角/%1662～1682/cm-1不规则卷曲/%1638～1645/cm-1米渣分离蛋白27.9830.0718.8014.23糖接枝复合物22.6432.0120.1516.02

2.2.3 米渣分离蛋白糖接枝复合产物扫描电子显微镜研究

蛋白质的表面结构反应了蛋白分子状态，影响着蛋白质的功能性质。由图6可知，糖接枝改性后复合产物表面结构发生明显变化，产物表面较为分散，聚集体之间的界限分明。这可能是由于米渣分离蛋白分子结构上引入了糖分子,使分子扩散伸展减少了分子的聚集[15]。

注：均放大1 000倍。图6 糖接枝改性对米渣分离蛋白显微结构的影响

3 结论

研究结果表明反应温度、pH值、时间以及蛋白和糖的比例对糖接枝复合产物乳化性的影响不是简单的线性关系。在不同的温度、时间、pH条件下接枝蛋白的乳化性都是先升高后降低的趋势，但随着蛋白和糖的比例变化，蛋白接枝产物的乳化性几乎没有发生变化。米渣分离蛋白在蛋白/糖质量比为1∶1、反应温度79 ℃、体系pH 10.6及反应时间16 min条件下经接枝改性后，表面疏水性由1 196.3降低至1 064.6。通过对接枝前后蛋白样品酰胺Ⅰ带峰形拟合、面积计算表明，糖接枝作用使米渣分离蛋白的α-螺旋结构向β-结构(β-折叠、β-转角)和无规卷曲结构转化。蛋白质分子的空间结构由有序变为无序，柔韧性增强，功能性得到改善。复合产物表面结构发生明显变化，产物表面较为分散，聚集体之间的界限分明，形成相对均匀的小颗粒物。这可能是由于米渣分离蛋白分子中引入了糖分子，使分子伸展减少了蛋白的聚集。

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Effects of Glycosylation on Emulsification Property and Structure of Rice Residue Protein Isolate

Wang Zhiping He Ronghai Ding Wenhui Xing Huan Hou Furong Ma Haile

(School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University Key Laboratory for Physical Processing of Agricultural Products of Jiangsu Province Food Intelligent Manufacturing Engineering Technology Research Center of Jiangsu Province, Zhenjiang 212013)

In order to investigate the effect of maillard reaction condition and degree on the emulsifying activity index and structural properties of Rice residue protein isolate (RRPI)-glucose conjugates. The RRPI was glycated with glucose through classical heating in this work. The reaction temperature, pH, time and RRPI/ glucose mass ratio (w/w) were the control conditions of maillard reaction, and the response surface methodology was used to optimize the test. Results indicated that the emulsifying activity index of the grafted products was not a linear relationship with the experimental factors，and the optimal reaction conditions were 79.13 ℃, pH 10.6, 16 min, RRPI/ glucose mass ratio (w/w) 1∶1. Under this reaction conditions the emulsifying activity index of RRPI-glucose conjugates was 7 778 m2/g, 1.46 times of RRPI. The surface hydrophobicity of RRPI-glucose conjugates were less than the RRPI. The result of fourier transform infrared spectroscopy indicated that the RRPI introduced glucose in the form of covalent bonds, and the structural feature analyses suggested that the contents of α-helical structure of RRPI-glucose conjugates reduced, while the contents of β-sheet and random coil structure increased. The scanning electron microscope results suggested that surface structural feature of RRPI-glucose conjugates was more dispersive than RRPI.

rice residue protein, glycosylation, emulsifying activity index

863计划(2013AA100203)，国家公益性行业(农业)科技专项(201303071)，江苏省自然科学基金(BK2012708)，国家星火计划(2014GA690262)，镇江市科技支撑(NY2013012)

2015-06-26

王治平，女，1989年出生，硕士，植物蛋白加工技术

何荣海，男，1971年出生，教授，食品蛋白质、多肽加工技术

TS210.9

A

1003-0174(2017)02-0043-06