Protamex复合蛋白酶水解大豆分离蛋白的研究
上一篇 / 下一篇 2009-02-27 12:22:51 / 个人分类:蛋白资料
刘艳秋,陈 光*,孙 旸
摘 要:为优化大豆分离蛋白酶水解条件,本试验采用二次回归正交旋转组合设计方法对Protamex复合蛋白酶水
解大豆分离蛋白的条件进行研究。建立了水解度(DH)与 pH 值、反应温度、反应时间、底物浓度、酶与底物浓
度比之间的数学模型;并获得最佳水解工艺条件:pH 值 6.5,温度 40℃,水解时间 10h,底物浓度 14%,酶与
底物浓度比4.5%;主成分分析表明,pH 对 DH 的贡献率最大。
关键词:回归旋转设计;大豆分离蛋白;Protamex 复合蛋白酶;水解
大豆肽是以大豆蛋白为底物经蛋白酶水解后获得的 90℃温度下加热处理 10min左右,可使大豆蛋白致密的
蛋白质水解产物,它由不同分子量的多肽混合组成, 立体结构变得松散,有利于提高大豆蛋白的酶解速率,
水解产物中还含有少量游离氨基酸、糖类、无机盐 但随着底物浓度的增加和加热时间的延长,蛋白分子会
等。大豆肽具有特殊的理化特性和生理机能,如良好 通过疏水作用和二硫键作用形成网状聚合体,反而会降
热稳定性、水溶性,易消化吸收,低抗原性及促进脂 低蛋白酶解速率。结合本试验设计方案,各浓度大豆蛋
肪代谢,降低胆固醇,抗氧化等作用。近年来,以 白溶液在80℃温度下恒温水浴 15min,效果较好。
酶法水解大豆蛋白来提高其营养保健价值及加工功能特 1.4.2 水解度的检测方法[7~11]性已成为研究热点[1,2],不同研究者所选用的蛋白酶系不 大豆蛋白水解度(DH)以水解断裂的肽键数目(h)占总同或采用不同分离方法,获得了功能特性更为广泛的大 肽键数目(htot)的百分数来确定,即DH=h/htot× 100%。豆肽[3~5]。 依据 pH-stat法,蛋白水解度可由水解过程中NaOH
但由于酶解过程中的影响因素较多,因素变化范 的消耗量来计算。计算公式如下:
围较大,如采用一般的回归分析,由于各因素所取水 DH%=B× NB×(1/α)×(1/MP)×(1/Htot)× 100
平不同,对应的各个预测值 Y 的方差不同,影响了不公式(1)同预测值之间的直接比较。为了克服这一不足,本文 式 中 :引入二次回归正交旋转组合设计方法,对中性内切蛋白 B —水解过程中所消耗的 NaOH 溶液量酶—Protamex复合蛋白酶水解大豆分离蛋白的条件进行NB —溶液的当量浓度研 究 。 α—为α-氨基解离度,1/α=1+10^( pK - pH) 应用五因素五水平的二次回归旋转组合设计,可使 pK 为大豆蛋白质α- 氨基的pK 值
试验组合由 3125次压缩到 36 次,通过试验获得的参数, MP —底物蛋白质的总量借助分析软件对数据进行科学处理,建立数学模型,完 Htot—每克蛋白质中肽键的克当量数(取8.38)成试验方案的模拟运算、统计分析,可筛选出最优化 1.4.3大豆蛋白的酶解操作的生产条件,并通过调控生产条件可获得较高水解度的 根据试验设计方案,称取大豆分离蛋白加入适量水
综合方案。 配制成为一定浓度的大豆蛋白溶液,经恒温水浴预处理
1 材料与方法 后,调节温度至反应温度搅拌 20min,调节 pH 值至反
应 pH 值,加入一定比例蛋白酶,在反应温度下进行恒
1.1 材料 温酶解,酶解过程中需要不断进行搅拌,同时通过滴
大豆分离蛋白(金龟2200) 吉林不二蛋白有限公
加 4N 的 NaOH溶液以保持反应体系pH 值恒定,反应偏
司;Protamex复合蛋白酶(食用级) 丹麦诺维信(NOVO)
差一般控制在±0.1。达到反应预定时间后,调节pH 至
公司,酶活力 25000U;其它试剂 均为 AR 级。
大豆蛋白等电点(pH4.3),之后将大豆蛋白酶解液加热升
1.2 仪器 温至 85℃,保温 10min 使酶活力丧失,然后通过低温
电子分析天平Sartorius BS210S型 德国赛多利斯
离心机在12000r/min,10℃下离心10min,除去未水解
股份公司;恒温水浴锅DSY-1-2孔型 北京国华医疗器
大豆蛋白和其它非溶性物质,倾倒出上清液置于 4℃冷
械厂;pH-stat装置(KF-5L发酵罐使用部分功能) 韩国
藏保存。记录 NaOH溶液的滴加量,利用公式(1)pH-stat
KoBio Tech Co. Ltd;低温冷冻离心机Laboratory Centri-
法计算水解度。
fuges 3K18型 美国Sigma公司。
1.4.4
水解条件优化试验设计
1.3 检测方法
在Protamex复合蛋白酶水解大豆分离蛋白时,其最
蛋白质含量测定 凯氏定氮法;蛋白酶活力测
佳作用条件会随着 pH 值、水解温度(T)、水解时间(t)、
定 Folin-酚法;蛋白质水解度(DH)测定与控制 pH-
底物浓度([S])、酶与底物浓度比([E/S])等因素的变化会
stat法。
有所不同。首先通过单因素试验确定五因素的取值水平
1.4 试验方法
范围,然后以水解度(DH)为指标,选用5因素(1/2实施)
1.4.1
大豆蛋白预处理 回归正交旋转组合设计方案进行研究,以确定最佳水解
据资料[6]介绍,浓度为5%~8%大豆蛋白溶液在85~
条 件 。
1.4.4.1 各因素水平及变化间距 表3 五因素回归旋转正交组合试验结构矩阵和结果
单因素试验确定了各因素的零水平应取数值,分别 Table 3 Experiment structural matrix and DH data
为:pH=7.5,T=50℃,t=6h,[S]=10%,[E/S]=2.5%。 pH T t [S] [E/S] DH(%)
No.
X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 Y
其中,Z0j=(Z2j+Z1j)/2;△j=(Z2j-Z0j)/ γ;γ=2 1 1 1 1 1 1 14.90
则水解条件因素水平及变化间矩,见表 1 。 2 1 1 1 -1 -1 11.95
3 1 1 -1 1 -1 9.19
表1 水解条件因素水平及变化间矩 4 1 1 -1 -1 1 13.33
Table 1 Five influencing factors of DH and spaces between 5 1 -1 1 1 -1 13.08
levels of each factor 6 1 -1 1 -1 1 15.83
pH T(℃) t(h) [S](%) [E/S](%) 7 1 -1 -1 1 1 12.16
水平
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 8 1 -1 -1 -1 -1 7.59
Z2j(上水平) 8.5 60 10 14 4.5 9 -1 1 1 1 -1 13.18
Z0j(零水平) 7.5 50 6 10 2.5 10-1 1 1 -1 1 17.64
Z1j(下水平) 6.5 40 2 6 0.5 11-1 1 -1 1 1 15.34
△j(间距) 0.5 5 2 2 1 12-1 1 -1 -1 -1 13.12
13-1 -1 1 1 1 25.61
1.4.4.2 试验因素水平编码 14-1 -1 1 -1 -1 23.18
15-1 -1 -1 1 -1 12.95
根据编码公式 Xj=Zj-Z0j/△j,Protamex复合蛋白酶 16-1 -1 -1 -1 1 18.56
水解大豆分离蛋白试验因素水平编码见表2。 17 2 0 0 0 0 12.54
18-2 0 0 0 0 23.09
表2 五因素水平编码表 19 0 2 0 0 0 12.53
Table 2 Decisive variety X and linear coded data 20 0 -2 0 0 0 20.31
X 21 0 0 2 0 0 17.15
1 X X2 3 X X
4 5 pH T(℃) t(h) [S](%) [E/S](%)
上星号臂(+γ) 2 2 2 2 2 8.5 60 10 14 4.5 22 0 0 -2 0 0 10.05
上水平(1) 1 1 1 1 1 8.0 55 8 12 3.5 23 0 0 0 2 0 12.18
零水平(0) 0 0 0 0 0 7.5 50 6 10 2.5 24 0 0 0 -2 0 13.09
下水平(-1) -1 -1 -1 -1 -1 7.0 45 4 8 1.5 25 0 0 0 0 2 15.25
下星号臂(-γ) -2 -2 -2 -2 -2 6.5 40 2 6 0.5 26 0 0 0 0 -2 6.73
27 0 0 0 0 0 13.65
1.4.4.3 五因素回归旋转正交组合试验设计结构矩阵 28 0 0 0 0 0 13.60
29 0 0 0 0 0 13.40
试验设计3 6 个处理,结构矩阵见表3 。
30 0 0 0 0 0 13.60
31 0 0 0 0 0 13.65
2 结果与分析
32 0 0 0 0 0 13.45
33 0 0 0 0 0 13.55
通过二次正交旋转组合试验,36 个处理组合试验测
34 0 0 0 0 0 12.75
得水解度的结果如表 3 所示。用“旋转组合设计试验数 35 0 0 0 0 0 12.60
据计算程序包”对数据进行处理,建立水解度与各因 36 0 0 0 0 0 12.65
素关系的数学模型,并通过数学模型分析获得最佳水解
D误=1.734 f误=9
条 件 。
D总=549.842 f总=35
2.1 数学模型的建立
D回=544.238 f回=20
2.1.1 回归方程的初步确立 D剩=5.604 f剩=15
为考察各因素对水解度的影响,以 DH(Y)为指标, D拟=3.870 f拟=6
对表 3 的试验结果进行分析,可得五因素与水解度之间 然后进行 F 检验:
的回归方程为: F1=(D拟/f拟)/(D误/f误)=3.3473<F0.05(6,9)=3.37
Y=13.256 -2.610X1 - 1.495X2+1.972X3 - 0.275X4+1.924X5 F2=(D回/f回)/(D剩/f剩)=72.8378>F0.01(20,15)=3.37
+ 1.358X1X2 - 0.384X1X3+0.378X1X4 - 0.019X1X5 - 1.234X2X3 - F 检验的结果表明,由于F1 不显著,F2 达显著水
0.129X2X4 - 0.099X2X5 + 0.071X3X4 - 0.247X3X5 + 0.631X4X5 + 平,说明二次回归方程与实际情况拟合得较好,试验
1.183X1 + 0.834X2 + 0.129X3 - 0.112X4 - 0.524X5 方程(1)
2 2 2 2 2 误差的方差σ2 可取估计值,σ2=D剩 /f剩 =0.3736。
2.1.2 回归方程的显著性检验 2.1.3
回归系数的检验与数学模型的建立
为了确定模型的实际意义,现对模型统计量进行检 对各回归系数进行检验,除t15、t25、t34外,回
验,其结果分别为: 归系数都在不同程度上显著,剔除不显著项,因此二
次回归方程(1)可以改写为: 水解度(Y)与 pH 值(X1)、反应温度(X2)、反应时间(X3)、
Y=13.256 - 2.610X1 - 1.495X2 + 1.972X3 - 0.275X4 + 1.924X5
底物浓度(X4)、酶与底物浓度比(X5)之间建立的二次回归
+ 1.358X1X2 - 0.384X1X3 + 0.378X1X4 - 1.234X2X3 - 0.129X2X4
数学模型为:
- 0.247X3X5 + 0.631X4X5 + 1.183X1 + 0.834X2 + 0.129X3
2 2 2 Y=13.256 - 2.610X1 - 1.495X2 + 1.972X3 - 0.275X4 + 1.924X5
- 0.112X4 - 0.524X5 方程(2)
2 2 + 1.358X1X2 - 0.384X1X3 + 0.378X1X4 - 1.234X2X3 - 0.129X2X4
回归模型中显示了多项交互作用。因此,在一定 - 0.247X3X5 + 0.631X4X5 + 1.183X1 + 0.834X2 + 0.129X3 -
2 2 2
范围内可运用回归方程(2)调节水解 pH 值、水解温度、 0.112X4 - 0.524X5
2 2
水解时间、底物浓度、酶与底物浓度比的关系,使D H 3.2 Protamex的最佳水解工艺条件为pH6.5,温度40℃,
达到所需的水平。 水解时间10h,底物浓度 14%,酶与底物浓度比 4.5%。
2.2 酶水解工艺的优化参数组合 3.3 各因素对水解度的贡献率由大到小依次为:pH 对
通过电脑模拟寻优得出水解度(DH)最高的优化组合 水解度的贡献率最大,其它因素的贡献率从大到小依次
为X1=-2,X2=-2,X3=2,X4=2,X5=2。即 Protamex
为温度>酶与底物浓度比>时间>底物浓度。
酶水解大豆蛋白的最佳方案为 pH 值 6.5,温度 40℃,时
间 10h,底物浓度 14%,酶与底物浓度比为4.5%,此 参考文献:
时的水解度DH 为 48.94%。通过在最佳水解条件下进行 [1] 赵新淮, 冯志彪, 于国平, 等. 酶促水解大豆分离蛋白的
水解实际检验,其水解度DH 为 39.79%,与预测值基 研究[J]. 食品与发酵工业, 1994, (5): 7-11.
本符合。 [2] 曲永洵. 大豆肽的特性及其应用[J]. 中国油脂, 1996, 21
但对于有的多因素非线性模型方程的选优,极值不 (2): 3-5.
一定存在,即使存在,它在实际上的实现频率也不一 [3] 邓勇, 吴煜欢. 微生物蛋白酶对大豆分离蛋白水解作用的
定很大,因此可采用统计选优方法加以解决,这里不 研究[J]. 食品科学, 1999, (6): 42-45.
再赘述。 [4] 汪建斌, 邓勇. Alcalase碱性蛋白酶对大豆分离蛋白水解
2.3 主成分分析 作用的研究[J]. 食品工业科技, 2002, (1): 61-63.
见前述所建立的回归模型方程(2)视为二次型,经 [5] 黄建韶, 张洪, 黄錾. 枯草杆菌蛋白酶水解大豆分离蛋白
的研究[J]. 食品工业, 2002, (3): 13-15.
主成分分析,得正交变换标准方程如下:
[6] 李书国, 陈辉, 庄玉亭, 等. 复合酶法制备活性大豆寡肽
Y1=0.71X1 - 0.65X2 - 0.21X3 - 0.15X4 + 0.05X5
研究[J]. 粮食与油脂, 2001, (3): 5-7.
Y2=0.63X1 + 0.53X2 + 0.55X3 - 0.06X4 + 0.07X5
[7] Jens Adler-Nissen. Determination of the degree of hydroly-
Y3=-0.30X1 - 0.46X2 + 0.72X3 - 0.36X4 + 0.20X5
sis of food protein hydrolysates by trinitrobenzenesulfonic
Y4=0.04X1 - 0.27X2 + 0.35X3 + 0.77X4 - 0.46X5
acid[J]. Agric Food Chem, 1979, 27(6): 1256-1262.
Y5=0.01X1 - 0.05X2 - 0.02X3 + 0.51X4 + 0.86X5
[8] Magdalena Karamac, Ryszard Amarowicz, Henryk Kostyra.
Y′=13.26 - 3.40Y1 - 0.01Y2 + 1.02Y3 + 0.53Y4 + 1.96Y5 +
Effect of temperature and enzyme/substrate ratio on the
1.88Y1 + 0.57Y2 - 0.27Y3 + 0.05Y4 - 0.73Y5
2 2 2 2 2 hydrolysis of pea protein isolates by trypsin[J]. Czech J
经分析计算,各因素对水解度的贡献率大小如 Food Sci, 2002, 20(1): 1-6.
下:pH值为3.322,T为2.962,t为2.515,[S]为1.760,
[9] M C Márquez, V Fernández. pH-stat method to evaluate
[E/S]为 2.732。由此可以得出,pH对水解度的贡献率最 the heat inactivation of subtilisin inhibitor in legumes[J].
大,其次为温度、酶与底物浓度比、时间和底物浓度。 Chem Biochem Eng Q, 2002, 16(1): 31-35.
[10] J Adler-Nissen. Enzymatic hydrolysis of food proteins[J].
3 结 论 Process Biochemistry, 1977, July/August: 18-23.
[11] Jens Adler-Nissen. Enzymatic hydrolysis of proteins for
3.1 采用二次回归正交旋转组合设计方法对 Protamex increased solubility[J]. Agric Food Chem, 1976, 24(6): 1090-
复合蛋白酶水解大豆分离蛋白的工艺条件进行研究,在 1093.
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