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    黑豆7S球蛋白提取工艺及抑制淀粉酶特性研究.pdf

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    黑豆7S球蛋白提取工艺及抑制淀粉酶特性研究.pdf

    1、2023 年 6 月第 44 卷第 3 期河南工业大学学报(自然科学版)Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition)Jun.2023Vol.44 No.3收稿日期:2022-06-16基金项目:河南省重点研发专项(221111112000)作者简介:孙丽娜(1998),女,河南周口人,硕士研究生,研究方向为食品营养与健康。通信作者:任顺成,博士,教授,E-mail:。黑豆 7S 球蛋白提取工艺及抑制淀粉酶特性研究孙丽娜1,张雅斐2,任顺成11.河南工业大学 河南省天然色素制备重点实验室,河南 郑州 4500

    2、012.乐普(北京)医疗器械股份有限公司,北京 102200摘要:为探究黑豆中 7S 球蛋白在抑制-淀粉酶活性方面的作用,采用碱提酸沉法提取黑豆 7S 球蛋白,运用 Box-Behnken 响应面试验优化提取工艺,并探究其在温度及酸碱度等方面的稳定特性。结果表明:在提取液料比 13 1(mL/g)、pH 4.8、氯化钠浓度 0.16 mol/L 条件下,黑豆 7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制效果最好。该蛋白为热敏性蛋白,3060 时对-淀粉酶有良好的抑制活性,pH 3 9 时具有较好的酸碱耐受性。7S 球蛋白质量浓度为 020 mg/mL 时,对-淀粉酶的抑制率表现出线性正相关性;淀粉质量浓度对-

    3、淀粉酶抑制活性的影响不大,这可能跟黑豆 7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制类型有关。黑豆 7S 球蛋白可作为一种天然活性物质用于抑制淀粉酶活性方面的研究。关键词:黑豆;7S 球蛋白;-淀粉酶中图分类号:TS201.2文献标志码:A文章编号:1673-2383(2023)03-0091-07DOI:10.16433/j.1673-2383.2023.03.012Extraction technology of 7S globulin and inhibition of amylase in black beanSUN Lina1,ZHANG Yafei2,REN Shuncheng11.Henan P

    4、rovincial Key Laboratory of Natural Pigment Preparation,Henan University of Technology,Zheng-zhou 450001,China2.Lepu Medical Technology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing 102200,ChinaAbstract:When-amylase acts on starch,it cuts the-1,4-glycosidic bond inside the molecule to gen-erate reducing sugar and dextri

    5、n.Inhibition of-amylase activity can affect the increase of blood sugar lev-el in human body and reduce the risk of hyperglycemia and obesity.Studies have found that in addition to antioxidant activity,black bean protein can also inhibit-amylase activity,and 7S globulin has better in-hibitory activi

    6、ty on-amylase and-amylase.In order to explore the inhibitory activity of 7S globulin on-amylase,the following experiments were designed.The optimal extraction process of 7S globulin was determined by using design-Export 8.0 software,with-amylase inhibition rate as index,solid-liquid rati-o,extractio

    7、n pH and sodium chloride addition as influencing factors.The optimal extraction conditions were liquid-solid ratio of 13 1,pH 4.8 and sodium chloride content of 0.16 mol/L,under which the in-hibitory rate of 7S globulin on-amylase could reach 70.51%.It was concluded that the inhibitory rate of 7S gl

    8、obulin on-amylase showed a positive linear correlation when the concentration was 0-20 mg/mL.In the range of 30-60,7S globulin had a good inhibitory activity on-amylase.In addition,7S globu-lin is a thermosensitive protein.7S globulin had good acid-base tolerance in the pH range of 3-9,and was 河南工业大

    9、学学报(自然科学版)2023 年completely inactivated when pH drops to 2.Starch mass concentration had little effect on the inhibitory ac-tivity of-amylase,which might be related to the inhibitory type of 7S globulin.According to this experi-mental study,it was shown that 7S globulin had a good inhibitory effect o

    10、n-amylase,and different treat-ment conditions can affect the activity of this globulin,and the experimental results can provide reference value for improving the utilization of 7S globulin resources in black bean.Key words:black soya bean;7S globulin;-amylase经常食用高碳水化合物的食物会增加各种代谢综 合 征 的 风 险,比 如 肥 胖 症

    11、、2 型 糖 尿 病等1。食物中的淀粉和糖原能被-淀粉酶分解为葡萄糖和麦芽糖2,从而导致血液中葡萄糖水平增加。抑制-淀粉酶活性可有效控制血糖升高。有研究表明,植物性食物蛋白,比如大豆分离蛋白能有效抑制-淀粉酶的活性3。通过抑制-淀粉酶活性减缓淀粉消化、控制血糖升高已经成为当前研究的热点。黑豆是我国重要的农作物之一,营养丰富,功效众多,有悠久的药食同源史4-5,其蛋白含量高于 40%,被称为“植物蛋白之王”6。7S 球蛋白是黑豆蛋白的主要组分之一,又被称为-伴大豆球蛋白,在球蛋白中占比 1/3 左右7。研究表明,黑豆蛋白有良好的生物活性8-10(如抗氧化性)和优良的功能特性11-13(如起泡性、

    12、乳化性等)。7S 球 蛋 白 对 -淀 粉 酶 的 抑 制 活 性 较好14,可以延缓淀粉的消化。黑豆蛋白肽类具有降低脂肪生成的能力,可作为功能性成分应用到与减肥相关的产品上15。碱提酸沉法具有成本低、操作简单等优点,是目前国内外提取黑豆 7S 球蛋白最主要的方法之一16-17。不同的提取条件会影响 7S 球蛋白的提取量及生物活性。目前,国内外有关碱提酸沉法提取 7S 球蛋白的研究主要集中在提取量和抗氧化性等方面18-19,关于其抑制-淀粉酶活性的作用鲜有报道,极大局限了黑豆资源的开发利用。作者采用碱提酸沉法提取黑豆 7S 球蛋白,以液料比、提取 pH 值和氯化钠浓度为主要影响因素,以-淀粉酶

    13、抑制率为指标,运用响应面法进行优化,研究提取条件对-淀粉酶抑制活性的影响,并探究蛋白质量浓度、温度、酸碱度及淀粉质量浓度等因素对黑豆 7S 球蛋白的活性影响,进一步了解不同处理条件下该蛋白的活性变化。旨在提高黑豆的利用价值,为黑豆资源的综合利用提供理论依据。1材料与方法1.1材料与试剂黑豆:赣州康瑞农产品有限公司;3,5-二硝基水杨酸(DNS):国药集团化学试剂有限公司;猪胰腺-淀粉酶、可溶性淀粉:上海源叶生物科技有限公司;石油醚、亚硫酸氢钠、氯化钠:郑州新丰化验器材有限公司。1.2仪器与设备PHS-3C 雷磁酸度计:上海仪电科学仪器股份有限公司;MVS-1 旋涡混合器:北京金北德工贸有限公司

    14、;FA1004 电子分析天平:上海上平仪器公司;TDL-5A 台式低速离心机:江苏省金坛市医疗仪器厂;V-1600-B 紫外可见分光光度计:上海美谱达仪器有限公司;SHZ-82 数显水浴恒温振荡器:金坛华峰仪器有限公司。1.3试验方法1.3.1原料预处理黑豆经筛选后进行粉碎,过 60 目标准筛。将黑豆粉与石油醚按体积比 1 3置于烧杯中,并用保鲜膜密封,常温下用磁力搅拌器搅拌 4 h,倒去石油醚和脂肪,将沉淀部分自然风干,得脱脂黑豆粉,并于 4 冰箱中保存备用。1.3.2黑豆 7S 球蛋白的提取参考 Nagano 等20使用的方法并进行优化:称取一定量的脱脂黑豆粉,按一定比例加入蒸馏水,室温下

    15、搅拌使其完全溶解。调 pH 值至 7.5,3 500 r/min 离心 20 min,去沉淀,上清液中加入0.98 g/L 的亚硫酸氢钠,搅拌溶解后,用 1 mol/L的 HCl 或 NaOH 调 pH 值至 6.4,4 冷藏过夜。3 500 r/min 离心 20 min,去沉淀,在上清液中添加一定量的氯化钠,调 pH 值至 5.0,3 500 r/min离心 20 min,去沉淀;调节上清液的 pH 值,3 500 r/min 离心 20 min,倒去上清液,得黑豆 7S 球蛋白。冻干后备用。29第 44 卷第 2 期孙丽娜,等:黑豆 7S 球蛋白提取工艺及抑制淀粉酶特性研究1.3.3-淀

    16、粉酶抑制活性的测定食物进入肠胃后,淀粉被胰腺-淀粉酶水解成麦芽糖和葡萄糖,它们均可被 DNS 还原,因此,可采用 DNS 比色法进行活性测定。取 4 支试管(25 mL)为一组,分别标记为样品管、样品对照管、空 白 管 和 空 白 对 照 管。样 品 管 中 加 入250 L、20 mg/mL 的 7S 球蛋白溶液和-淀粉酶溶液;样品对照管中加入 250 L 的 7S 球蛋白溶液和蒸馏水;空白管中加入 250 L 的-淀粉酶溶液和蒸馏水;空白对照管中加入 500 L 的蒸馏水。将试管放入 37 水浴恒温振荡器中振荡10 min,加入糊化后的 1%小麦淀粉溶液 500 L,继续振荡 10 min

    17、,再加入 1 mL DNS 试剂,沸水浴5 min,迅速取出在自来水下冲凉冷却,定容后在540 nm 测定吸光度,重复 3 组平行。-淀粉酶抑制率=(1-(A1-A2)/(A3-A4)100%,式中:A1、A2、A3、A4分别代表样品管、样品对照管、空白管、空白对照管的吸光度。1.3.4单因素试验1.3.4.1液料比称取 50 g 脱脂黑豆粉,固定氯化钠浓度为0.25 mol/L,提取 pH 4.8,添加蒸馏水使液料比分别为 8 1、10 1、12 1、14 1、16 1(mL/g),提取黑豆 7S 球蛋白并测定-淀粉酶的抑制率。1.3.4.2pH 值称取 50 g 脱脂黑豆粉,固定液料比为

    18、10 1(mL/g),氯化钠浓度为 0.25 mol/L,提取 pH 值设为 4.0、4.2、4.4、4.6、4.8、5.0(提取 pH 值为 5.0 时前一个步骤的 pH 值设为 5.2 以沉淀杂质),提取黑豆 7S 球蛋白并测定-淀粉酶的抑制率。1.3.4.3氯化钠浓度称取 50 g 脱脂黑豆粉,固定液料比为 10 1(mL/g),提取 pH 为 4.8,分别加入 0、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mol/L 的氯化钠,提取黑豆 7S 球蛋白并测定-淀粉酶的抑制率。1.3.5响应面优化试验根据单因素试验结果,选取液料比、提取 pH值、氯化钠浓度为影响因素,以-淀粉酶抑制

    19、率为响应值,设计响应面优化试验。1.3.6影响-淀粉酶抑制活性的因素研究1.3.6.17S 球蛋白质量浓度对-淀粉酶抑制率的影响用 0.2 mol/L 的磷酸盐缓冲液(pH 6.8)将7S 球蛋白配制成 0.1、0.5、1、5、10、15、20 mg/mL的样品溶液,用 1.3.3 方法探究 7S 球蛋白质量浓度对其抑制-淀粉酶活性的影响。1.3.6.2温度对-淀粉酶抑制率的影响用 0.2 mol/L 的磷酸盐缓冲液(pH 6.8)配制7S 球蛋白溶液,并分别置于 20、30、40、50、60、70、80、90 的恒温水浴锅中,30 min 后取出冷却至室温,用 1.3.3 方法探究温度对 7

    20、S 球蛋白抑制-淀粉酶活性的影响。1.3.6.3pH 值对-淀粉酶抑制率的影响配制 pH 值为 2、3、4、5、6、7、8、9 的缓冲液(pH 值为 2、3、4、8、9 用 HCl 和 NaOH 配制,其他用磷酸盐溶液配制),用不同 pH 值的缓冲液配制7S 球蛋白溶液,静置 2 h,用 1.3.3 方法探究 pH值对 7S 球蛋白抑制-淀粉酶活性的影响。1.3.6.4淀粉质量浓度对-淀粉酶抑制率的影响用 0.2 mol/L 的磷酸盐缓冲液(pH 6.8)配制质量浓度分别为 10、20、30、40、50、60 mg/mL 的淀粉溶液,于 90 恒温水浴锅糊化 30 min,用1.3.3 方法探

    21、究淀粉质量浓度对 7S 球蛋白抑制-淀粉酶活性的影响。1.4数据处理与分析采用 SPSS 26 对试验数据进行显著性分析,Design-Expert 8.0 进 行 方 差 分 析,使 用 Origin 2021 绘图。2结果与讨论2.1单因素试验2.1.1液料比对-淀粉酶抑制率的影响由图 1 可知,随着液料比的增大,-淀粉酶抑制率呈先增大后减小的趋势。液料比为 12 1时,-淀粉酶抑制率达到峰值,此时与液料比14 1时的抑制率差异不显著,液料比继续增大时,-淀粉酶抑制率急剧降低。这可能是因为随着溶剂比例的增大,提取出的活性物质逐渐增加,在液料比 12 1时基本浸提完全。而当液料比进一步增大时

    22、,提取的活性物质在两相中比例减少,进而对-淀粉酶的抑制率降低21。因此,液料比为 12 1(mL/g)提取 7S 球蛋白最为适宜。2.1.2pH 值对-淀粉酶抑制率的影响由图 2 可知,pH 4.05.0 时,-淀粉酶抑制率先增大后减小,在 pH 4.8 时达到峰值,pH 值增大至 5.0 时,-淀粉酶抑制率略微下降,差异不显著。可能是因为 pH 4.8 时最接近该物质的等电点,活性物质析出最多;而当 pH 值过大或过小时,会影响及破坏蛋白的结构,从而降低蛋白活39河南工业大学学报(自然科学版)2023 年注:不同小写字母表示差异显著(P0.05)。图 2图 3 同。图 1液料比对-淀粉酶抑制

    23、率的影响Fig.1Effect of liquid-solid ratio on-amylase inhibition rate图 2pH 值对-淀粉酶抑制率的影响Fig.2Effect of pH on the rate of beta-amylase inhibition性22。因此,在 pH 4.8 时提取 7S 球蛋白最为适宜。2.1.3氯化钠浓度对-淀粉酶抑制率的影响由图 3 可知,当氯化钠浓度从 0 mol/L 增加到 0.3 mol/L 时,7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制率先增大后减小,在 0.15 mol/L 时达到峰值。可能是因为盐离子会影响溶液的离子强度,导致溶液发生盐溶或盐

    24、析作用。适量的盐离子可以增加活性基团的稳定性,而当其浓度过大时,活性基团会遭到 破 坏,从 而 降 低 对 -淀 粉 酶 的 抑 制率23。氯化钠浓度 0.15 mol/L 时,与其他浓度的添加量差异显著。因此,选用 0.15 mol/L 的氯化钠提取 7S 球蛋白。2.2响应面优化试验2.2.1响应面优化试验设计与结果根据单因素试验结果,以液料比(A)、提取pH 值(B)、氯化钠浓度(C)为考察因素,以-淀图 3NaCl 浓度对-淀粉酶抑制率的影响Fig.3Effect of NaCl concentrations on the-amylase inhibition rate粉酶抑制率(Y)

    25、为响应值,采用 Design-Export 8.0 软件,用 Box-Behnken 方法设计试验方案,试验设计及结果见表 1,回归方差分析见表 2。以-淀粉酶抑制率为响应值,对响应结果进行回归拟合分析,得回归方程:Y=75.61-2.25A+7B+4.12C-0.78AB+2.43AC-2.42BC-12.42A2-15.54B2-16C2。由表 2 可 知:该 模 型 P 0.05,说明方程模型极为显著。B、C、A2、B2、C2对响应值 Y 有极显著影响,A、AC、BC对响应值 Y 有显著影响,AB 对响应值 Y 影响不显著。R2=0.994 7,R2adj=0.985 2,说明该模型可以

    26、对 试 验 结 果 进 行 合 理 的 解 释。变 异 系 数 为1.66%,说明此方法的重复性较好。2.2.2响应面模型的验证根 据 Design-Export 8.0 分 析,在 液 料 比13.5 1,提取 pH 4.84、氯化钠浓度 0.16 mol/L时,预测-淀粉酶抑制率为 68.09%。调整实际工艺参数:液料比 13 1,提取 pH 4.8、氯化钠浓度0.16 mol/L,进行验证试验,得到-淀粉酶抑制率为 70.51%,与理论预测值相差3%。此提取工艺的可靠、有效,对实际生产具有指导意义。2.3抑制-淀粉酶活性的影响因素分析2.3.1 7S 球蛋白质量浓度对-淀粉酶抑制率的影响

    27、由图 4 可知,7S 球蛋白的质量浓度越大,对-淀粉酶的抑制效果就越强。当 7S 球蛋白质量浓度大于 5 mg/mL 时,-淀粉酶抑制率线性上升。当 7S 球蛋白质量浓度为 20 mg/mL 时,抑制率达到 75.38%,高于贾光锋等24制得的白芸豆AAI 粗制品对-淀粉酶的抑制率(43%)。49第 44 卷第 2 期孙丽娜,等:黑豆 7S 球蛋白提取工艺及抑制淀粉酶特性研究表 1响应面试验设计及结果Table 1Response surface test design and results试验号A 液料比/(mL g-1)B pH 值C NaCl 浓度/(mol L-1)Y-淀粉酶抑制率/

    28、%1-1(10 1)-1(4.6)0(0.15)40.860.6821(14 1)-1039.220.173-11(5.0)057.632.13 411052.881.17 5-10(4.8)-1(0.1)50.160.65610-139.510.90 7-101(0.2)52.680.53810151.761.6690(12 1)-1-132.042.631001-149.691.05110-1145.970.29 1201153.932.671300073.881.331400075.610.501500077.352.35表 2回归方差分析Table 2Regression ANOVA

    29、results方差来源平方和自由度方差FP显著性模型2 577.139286.35104.330.000 1 A40.32140.3214.690.012 2B392.561392.56143.020.000 1 C135.631135.6349.420.000 9 AB2.4212.420.880.391AC23.67123.678.620.032 4BC23.47123.478.550.032 8A2569.831569.83207.610.000 1 B2892.001892.00324.990.000 1 C2793.851793.85289.230.000 1 残差13.7252.7

    30、4失拟项7.7032.570.850.579 5不显著R20.994 7R2adj0.985 2变异系数/%1.66注:表示差异显著(P0.05);表示差异极显著(P0.01)。图 4 7S 球蛋白质量浓度对-淀粉酶抑制率的影响Fig.4Effect of 7S globulin mass concentration on rate of amylase inhibition2.3.2温度对-淀粉酶抑制率的影响由图 5 可知,3060 时,7S 球蛋白具有-淀粉酶抑制活性,且在 30 时抑制活性最好。当温度升到 70 时,7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制率为 0,此时 7S 球蛋白已经完全失活。表

    31、明 7S球蛋白属于热敏性蛋白。2.3.3pH 值对-淀粉酶抑制率的影响由图 6 可知,当 pH 3 9 时,7S 球蛋白对-淀粉酶均具有一定的抑制活性,且 pH 5 8 时抑制效果较佳。当 pH 值下降到 2 时,7S 球蛋白完全丧失抑制活性。说明 pH 3 9 时,7S 球蛋白有较好的酸碱耐受性。姜彩霞等25研究发现白芸豆-淀粉酶抑制蛋白在 pH 210 时活性稳定性较高,与本研究结果类似。2.3.4淀粉质量浓度对-淀粉酶抑制率的影响由图 7 可知,淀粉质量浓度从 10 mg/mL 增加到 60 mg/mL 时,7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制59河南工业大学学报(自然科学版)2023 年图 5

    32、温度对-淀粉酶抑制率的影响Fig.5Effect of temperature on the-amylase inhibition rate图 6pH 值对-淀粉酶抑制率的影响Fig.6Effect of pH on the-amylase inhibition rate图 7淀粉质量浓度对-淀粉酶抑制率的影响Fig.7Effect of starch mass concentration on the rate of -amylase inhibition rate率变化不大。这可能跟 7S 球蛋白的抑制类型有关,当抑制类型为非竞争性抑制时,底物浓度的改变对抑制程度无影响26。表明 7S 球

    33、蛋白对-淀粉酶的抑制类型可能为非竞争性抑制。由于淀粉质量浓度对-淀粉酶的抑制率影响不大,为降低成本和原料,可选择低质量浓度淀粉测定-淀粉酶的抑制活性。3结论采用单因素和响应面优化试验,确定了提取7S 球蛋白的最优工艺:提取液料比 13 1(mL/g),提取 pH 4.8,氯化钠浓度 0.16 mol/L,在此条件下 7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制效果最佳,可达到 70.51%。通过对影响 7S 球蛋白抑制-淀粉酶的因素进行研究可知,7S 球蛋白的质量浓度越大,对-淀粉酶的抑制效果越好;7S 球蛋白为热敏性蛋白,在 70 及以上即会失活,在 30 抑制活性较好;pH 39 时,7S 球蛋白有较好的

    34、酸碱耐受性,pH 值低于 3 时,7S 球蛋白失活;淀粉质量浓度对-淀粉酶抑制率没有明显影响,这可能跟7S 球蛋白的抑制类型有关,后续可对 7S 球蛋白对-淀粉酶的抑制类型进行探究。7S 球蛋白对-淀粉酶存在较好的抑制活性,可在降血糖、肥胖症等方面得到广泛应用,并可为黑豆中 7S 球蛋白的综合利用提供理论参考。参考文献:1DA SILVA LINDEMANN I,LAMBRECHT DITTGEN C,DE SOUZA BATISTA C,et al.Rice and common bean blends:effect of cooking on in vitro starch digesti

    35、bility and phenolics profile J.Food chemistry,2021,340:127908.2BALASUBRAMANIAN A,BHATTACHAR-JEE M,SAKTHIVEL M,et al.Isolation,purification and characterization of protein-aceous fungal-amylase inhibitor from rhizo-me of Cheilocostus speciosus(J.Koenig)C.D.Specht J.International journal of bio-logica

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