小麦胚芽不仅含有蛋白、脂肪、矿物质以及维生素等营养元素，还含有黄酮类、谷胱甘肽等生物活性物质，被誉为“人类天然的营养宝库”。 小麦胚芽蛋白 （WGP）为完全蛋白，主要以球蛋白和白蛋白为主，结构致密，缺乏灵活性，其溶解性、乳化性、发泡性、持水性、持油性等很多功能特性不能满足生产、加工和贮藏的需求，严重限制了其在食品中的应用。研究人员通常利用物理、化学、酶法对其进行加工和修饰以提高蛋白质的表面活性。大功率和长时间的微波处理对WGP的营养价值及功能特性会产生一定的负面影响。金属离子不仅会影响蛋白质-溶剂间的疏水相互作用，还会影响蛋白质-蛋白质间的疏水交互作用，从而导致蛋白质功能性质的变化。将微波与金属离子联合是否可以使蛋白质的功能特性达到更好效果的研究鲜见报道，且具有一定的研究价值。
江苏科技大学粮食学院的郭宇、姜城红、郭元新*等以未经脱脂的离体小麦胚芽为原料，采用碱溶酸沉法提取WGP，利用微波、金属离子（ ZnSO 4 、 MnSO4 和 CaCl2 ）和微波联合金属离子 3 种方式对其进行改性，测定改性前后 WGP 的溶解性、持水力、持油力、乳化性和乳化稳定性、 FC 和气泡稳定性等功能特性，采用傅里叶变换红外光谱（ FTIR ）、扫描电子显微镜（ SEM ）和十二烷基硫酸钠 - 聚丙烯酰胺凝胶电泳（ SDS-PAGE ）分析改性前后 WGP 多级结构的变化，以期为 WGP 功能性产品的开发利用提供依据。
01
微波联合金属离子对WGP功能特性的影响
1.1 微波联合金属离子对WGP溶解性的影响
图1表明，对照组的溶解性为22.46%，微波、金属离子及其联合处理均显著提高了WGP的溶解性（
P＜0.05），提高了46.86%～86.61%。短时的微波加热也可显著提高蛋白的溶解性。带电荷的蛋白质同金属离子相互作用使带相反电荷的相邻蛋白质分子之间的静电作用降低，且二价金属离子能在相邻多肽的特殊氨基酸残基之间形成交联，从而使蛋白溶解度增加。微波处理和金属离子处理对WGP的溶解性提高具有协同作用，微波及金属离子处理可以进一步增强孵育过程中WGP内源蛋白酶活力，显著提高可溶性肽的含量，使分子表面电荷增加，与水分子相互作用增强，导致溶解度上升；微波与金属离子对蛋白质分子构象的改变，二级结构中α-螺旋的减少导致表面疏水性基团减少，使分子的亲水性提高。
1.2微波联合金属离子对WGP持水性和持油性的影响
如图2所示，微波联合金属离子可显著提高WGP的持水性、持油性（
P＜0.05）。微波处理后持水性提高22.68%，持油性提高26.09%，这是因为微波处理可以促进WGP分子表面结构展开，松散的网状结构提高了蛋白质与水、油的结合能力，且多肽侧链极性基团上的水、油结合位点暴露，导致持水力与持油力提高。经过金属离子处理后，持水性变化不显著，而持油性由2.12%提高至2.62%，变化显著（
P＜0.05），可能是因为小分子蛋白质与金属离子形成络合物，构成一种疏松多孔的结构，易于容纳溶剂，显著提高了WGP的持油性。在微波和金属离子协同作用下持水力和持油力分别比对照组提高了22.86%、82.16%，蛋白质的二硫键断裂变为巯基，蛋白大分子被降解，分子质量变小，且内部吸附基团暴露，有利于水分和油分的进入。微波联合金属离子能够更有效地改善WGP的持水、持油能力。
1.3微波联合金属离子对WGP乳化性和乳化稳定性的影响
由图3可见，微波处理后，WGP的EAI显著增加，而ESI显著降低。ESI降低可能是因为微波促使蛋白裂解成短肽，削弱了蛋白在油水界面上的相互作用的强烈程度，阻碍稳定薄膜的形成。金属离子处理后WGP的EAI比对照组提高了161.58%，而ESI变化不显著，这表明金属离子可用于改善蛋白质的乳化性能。微波联合金属离子处理后EAI、ESI分别比对照组提高了120.90%、15.64%，联合作用可以显著提高WGP的EAI，但比单独使用金属离子处理效果差。经过微波和金属离子联合处理后WGP的分子质量降低，蛋白质结构舒展，溶解性增加，蛋白质分子更易向气-水或水-油界面扩散，分子具备更强的柔韧性，有助于提高WGP的乳化能力。微波联合金属离子处理后仍具有维持稳定的能力，是因为乳状液中的不溶性团聚体转变为可溶性的团聚体，形成刚性薄膜，隔断了油相和水相，使油水界面清晰分明，阻止了油滴聚集，进而维持溶液整体的ESI。
1.4微波联合金属离子对WGP FC和FS的影响
图4表明，微波处理使WGP的FC提高了80.76%，金属离子对FC无显著影响，联合处理对FC的影响为协同作用，使WGP的FC比对照组提高了116.91%，效果极显著，这得益于蛋白溶解性的增加，使得蛋白更易于向油-水或气-水界面扩散，蛋白结构展开，表面张力降低，从而有利于起泡。经过微波和金属离子处理的WGP维持泡沫稳定的能力较差，微波、金属离子的联合作用使蛋白大分子裂解成大量短肽，使得溶液黏度和液体表面张力降低，不利于形成稳定的泡沫薄膜。
02
微波联合金属离子对WGP结构的影响
2.1微波联合金属离子对WGP组分亚基的影响
图5为对照组和微波联合金属离子处理后的WGP在非还原条件下的电泳图，对照组的WGP的分子质量在130 kDa以下分布，主要有5 条谱带，分别为115、90、35、34、30 kDa，在17～21 kDa观察到了低质量的聚合物，说明其主要由小分子蛋白质组成。经过3 种方法处理的WGP分子质量分布并未有明显差异，微波联合金属离子处理的WGP 25 kDa以上的条带相较于对照组颜色较浅，说明微波联合金属离子降低了大分子蛋白的含量，这可能是因为微波联合金属离子使蛋白内部离子键断裂，发生了折叠，影响了WGP的功能特性。经过金属离子处理的WGP电泳条带清晰，且存在拖尾现象，可能是因为加入的金属离子使WGP溶解性增大，各亚基之间发生了交联。
2.2微波联合金属离子对WGP微观结构的影响
如图6所示，经过微波和金属离子处理的WGP在外观和形态上发生了较大变化。对照组的WGP大多呈现块状及片状，紧密堆叠在一起，局部有细微的孔眼，且块状颗粒形状不规则，表面凹凸不平整，疏水基团更容易暴露在表面。经过微波改性后，WGP颗粒变得松散，体积变小，整体更加疏松，这可能是微波处理可使深埋在蛋白分子内部的侧链基团暴露出来，分子柔韧性增强，蛋白分子在界面上的展开与形态改变更容易。这也是微波可提高WGP乳化活性的微观原因。经金属离子改性后的WGP呈现聚集而成的团块状且形状不规则，这可能是由于金属离子和多肽形成了络合物，加剧了蛋白间的相互作用。经微波联合金属离子改性后的WGP，部分蛋白颗粒聚集成小团，部分颗粒松散且形状较小，可能是由于大块的蛋白-金属离子络合物受微波作用而分解。所以微波联合金属离子对WGP的微观结构有明显影响。
2.3微波联合金属离子对WGP二级结构的影响
由图7可见，微波及金属离子处理并没有导致新的特征吸收峰出现，在酰胺III带（1 200～1 300 cm －1 ）、酰 胺 I I 带 （ 1 500 ～ 1 600 cm －1 ）、酰胺 I 带（1 600～1 700 cm －1 ）处都出现了典型的酰胺带振动。酰胺I带（1 600～1 700 cm －1 ）对蛋白质二级结构的变化最为敏感，故作进行进一步分析。根据研究，将酰胺I带划分为β -折叠（1 613～1 637、1 682～1 696 cm －1 ）、无规卷曲（1 637～1 645 cm －1 ）、α-螺旋（1 645～1 662 cm －1 ）、β-转角（1 662～1 682、1 630 cm －1 ）。α-螺旋通常由氨基氢（NH—）和羰基氧（—CO）基团之间的分子内氢键形成，代表蛋白质分子的有序性。β-折叠由多肽链之间的链间氢键决定的，相对稳定。β-转角是由微弱的氢键结构形成的，具有较大的自由度。而无规卷曲是由未折叠的构型形成的，与蛋白质的灵活性有关。β-折叠、β-转角和无规卷曲结构均反映蛋白质分子松散程度。
使用PeakFit 4.12软件进行反卷积和曲线拟合，通过拟合子峰各波段的峰面积量化WGP二级结构的变化，结果如表1所示。未经处理的WGP的二级结构主要由β-折叠（34.64%）、无规卷曲（8.07%）、β-转角（15.58%）和α-螺旋（41.7%）组成。其中α-螺旋和β-折叠占比很大，形成了WGP紧密的无空腔结构及较好的构象稳定性和紧密程度，而α-螺旋具有广泛的氢键网络，形成了疏水性强的特点，致使WGP溶解性较差。通过微波及金属离子处理后，WGP中α-螺旋、β-折叠含量显著降低（
P＜0.05），无规卷曲及β-转角显著增加（
P＜0.05），增加了WGP的灵活性。在微波的作用下，WGP发生解螺旋现象，α-螺旋的相对含量由41.70%降至32.32%，β-转角和无规卷曲分别提高至24.26%、16.86%，蛋白质的无序性增加，结构更加疏松，这可能是由于微波的非热效应使蛋白质结构更加舒展所致。金属离子处理过的WGP无规卷曲比对照组提高了115.49%，是3 种改性方式中最高的，这可能是因为金属离子通过对分子间静电作用的屏蔽和对溶剂氢键的影响，改变了蛋白质分子的构象，也可能是金属离子与蛋白质表面的巯基、胺基、羟基等基团形成络合物，无序性增强。总之微波联合金属离子可以改变WGP的构象，且联合改性与单独改性趋势一致。
结论
微波联合金属离子通过改变蛋白质的构象有效地提高了WGP的功能特性。联合处理用于改善WGP的功能特性效果优于微波和金属离子单独处理。联合处理过的WGP溶解性、持水性、持油性、EAI、ESI、FC分别提高了86.61%、22.86%、82.16%、120.90%、15.64%、116.91%，微波及金属离子处理后的WGP分子质量并未有明显变化，结构更疏松，二级结构向着无序化方向进行，β-转角结构占比由15.58%提高至24.63%，无规卷曲结构占比由8.07%提高至14.05%，提高了蛋白结构的灵活性。因此，微波联合金属离子是一种可以有效实现小麦胚芽资源高值化利用的处理方法。改性可以进一步扩大WGP的应用范围，如功能性蛋白饮料、复合营养粉、烘焙食品等，应用前景广阔。此外，微波联合金属离子技术对不同蛋白的功能特性研究较少，相关机制尚不完善，以及微波联合金属离子改性后的蛋白用于开发产品时营养及品质变化有待进一步研究。
本文《微波联合金属离子对小麦胚芽蛋白功能特性及结构的影响》来源于《食品科学》2024年45卷第5期217-224页，作者：郭宇, 姜城红, 杨玉婵, 等。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230710-106。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社将与陕西师范大学、新疆农业大学、浙江海洋大学、大连民族大学、西北大学于2024年10月14-15日在陕西西安共同举办“2024年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。
长按或微信扫码了解详情
为加强企业主导的产学研深度融合，促进食品科研成果转化和服务地方经济产业，由全国糖酒会主办，北京食品科学研究院、中国食品杂志社和中粮会展（北京）有限公司承办的“食品科技成果交流会”将于2024年10月29-31日糖酒会期间在深圳国际会展中心举办，以当前食品科技发展趋势和食品产业发展的重点科技需求为导向，针对食品产业发展面临的重大科技问题，交流和借鉴国外经验，为广大食品科研工作者和生产者提供新的思路，指明发展方向。
长按或微信扫码进行注册
会议招商招展
联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）
热门跟贴