不同pH、CaCl2浓度下玉米醇溶蛋白-阿魏酸相互作用、结构表征及理化特性研究

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玉米是一种高产量的粮食作物,其主要蛋白为玉米醇溶蛋白(zein),zein具有独特的溶解性(亲水/亲油性),常基于这种两亲性制备自组装胶体颗粒,并广泛应用于药物控释、包埋生物活性物质、递送功能因子、稳定Pickering乳液等领域。阿魏酸(Ferulic acid,FA)是白色、黄色和紫色玉米种子中主要的酚酸,具有良好的抗氧化活性。由于zein和FA分别是玉米中含量最多的蛋白和酚酸,可能在食品加工、贮藏、人体消化吸收过程发生相互作用,影响蛋白/多酚的结构和性质、食品的感官品质和营养等。研究表明,基于蛋白-多酚的相互作用可以调控食品品质,增强食品的营养价值,这一潜在方法已成为食品领域和生物医药领域的研究热点。目前zein胶体材料的研究主要聚焦在生物活性物质的保护和包埋、药物的递送和控释等方面,对zein/FA相互作用的相关研究较少,关于pH和CaCl2浓度这两种因素对相互作用的影响也少有报道。因此,本文研究了两种化学条件(pH、CaCl2)下,zein和FA的相互作用情况,了解其复合物的结构特性与理化性质改变。这对把控食品品质具有实际意义,同时对蛋白-多酚复合产品的开发及实际应用提供理论基础。主要研究内容与结果如下:(1)通过紫外光谱(UV-vis)和荧光猝灭法(经内滤光校正)研究zein与FA相互作用的机理。结果表明,zein与FA之间发生了相互作用,并引起了zein构象发生改变。FA与zein的荧光猝灭方式是分子间形成不发荧光的复合物产生的静态猝灭,不同摩尔比的FA与zein至少有1个结合位点,结合过程是由氢键和范德华力介导的放热反应。(2)FA与zein相互作用对zein的结构和功能的影响表现在:FA的结合使zein的红外峰位发生一定的偏移,对zein的N-H、C=O、C-N结构产生影响;使zein的g-g-g构型明显降低,t-g-t构型增加,分子内二硫键被破坏;微观形貌呈现更紧密的颗粒聚集;提高了zein的抗氧化活性,引起了蛋白总巯基含量的下降,降低了蛋白的表面疏水性、变性温度和消化性。(3)利用荧光光谱(Fluorescence Spectroscopy,FL)、UV-vis、傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)、拉曼光谱(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)和扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)探究不同pH下zein/FA的互作机制和结构改变。紫外和荧光结果表明:zein/FA在pH9时相互作用最强。红外光谱显示随着pH从3→5→7→9,zein的α-螺旋含量逐渐增加,β-折叠含量降低,β-转角含量变化不明显,无规则卷曲含量先增加后减少。在pH 7时,酪氨酸呈“暴露”状态,酚羟基同时是中到弱氢键的受体和供体;在pH 3、pH 5和pH 9条件下,酪氨酸呈“包埋”状态,酚羟基是强氢键中的质子供体。zein/FA的微观结构都呈球形纳米颗粒,但是不同pH条件下颗粒的粒径和聚集程度不同。(4)为了进一步确定分子角度不同pH下zein与FA之间的相互作用机制,通过同源建模对zein的三维结构进行了预测,随后采用Autodock技术进行分子对接。结果表明:不同pH条件下(pH 5、pH 7、pH 9)zein都可以结合1个FA分子,结合方式主要为氢键和离子键,在pH 9时结合稳定性最强。(5)通过抗氧化活性、巯基含量、表面疏水性、热稳定性、体外模拟消化性等来研究不同pH下zein/FA的理化特性改变。在pH 7时,zein/FA的抗氧化活性最强,pH 5时zein/FA的巯基含量最高,随着pH的增加,zein/FA的表面疏水性和变性温度都逐渐降低,不同pH下zein/FA的消化率无明显差异。(6)利用FL、UV-vis、FTIR、SERS和SEM技术探究不同CaCl2浓度下zein/FA的互作机制和结构改变。结果发现,紫外和荧光光谱显示,CaCl2的加入使样品的峰值或峰位发生一定的改变,随着CaCl2浓度的增大,zein及zein/FA的紫外吸收强度逐渐增大,呈增色效应;荧光强度逐渐降低,猝灭效果增强。红外光谱表明,加入的CaCl2浓度越高,对zein/FA的结构影响越大。拉曼光谱表明CaCl2浓度升高会促使zein/FA的结构展开,酪氨酸残基暴露,分子间二硫键破坏。SEM显示不同CaCl2浓度下zein/FA都呈固体球状颗粒,加入CaCl2后,样品的微观形貌呈现不规则聚集且出现更多的小颗粒。(7)通过抗氧化活性、表面疏水性、热稳定性、体外模拟消化性来研究zein/FA的理化特性改变。测定结果显示,zein/FA在CaCl2浓度为0.3 mol/L时抗氧化活性最强。随着CaCl2浓度的升高,zein/FA的巯基含量逐渐增大,热稳定性、体外模拟消化率和表面疏水性都呈下降趋势。
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