介质极性对柔性玉米醇溶蛋白乳化性的影响

董世荣 ，玄丽琪，郭珊珊

（1.哈尔滨学院食品工程学院，黑龙江哈尔滨 150086；2.内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司，北京 101100）

玉米醇溶蛋白（zein）是玉米中主要的贮藏蛋白，因具有非致敏性、可降解性、独特的自组装能力和良好的生物兼容性而得到广泛关注。玉米醇溶蛋白含有超过50%的非极性氨基酸，特殊的氨基酸组成使其无法分散在纯水介质中，但可以分散在60～95%乙醇水溶液或pH11.3～12.7 的水溶液中。玉米醇溶蛋白的分子结构非常特殊。Matsushima 等提出玉米醇溶蛋白分子是一个棱镜（13 nm×1.2 nm×3 nm）模型，该模型中含有9～10 个以反平行方式排列的螺旋段，螺旋两端由富含谷氨酰胺的桥连接。基于上述氨基酸组成和结构特点，玉米醇溶蛋白属于双亲性蛋白质，具有很强的自组装能力，可以自组装形成规则的球状纳米颗粒。反溶剂法是制备玉米醇溶蛋白纳米颗粒常用的方法。利用此方法制备的纳米颗粒大小较为均匀，可以广泛用于Pickering 乳化液、运载小分子活性物质等。由于天然玉米醇溶蛋白形成的球状纳米颗粒疏水性太高、刚性太强，对环境适应能力较差，在一定程度限制了其应用。

为了提高玉米醇溶蛋白的环境适应能力，利用碱结合热修饰可以提高玉米醇溶蛋白的分子柔性。蛋白质分子柔性反映了分子结构对外界环境改变时的适应能力。柔性与蛋白质的一级、二级和三级结构均息息相关。分子间的氢键、范德华力、静电作用力、疏水作用力和共价键等因素也均对蛋白质的柔性有影响。相关研究发现，蛋白质分子柔性越好，其越能够表现出更好的功能特性。相关研究也发现利用碱结合热修饰玉米醇溶蛋白提高了分子的柔性，进而表现出较好的乳化特性。一般而言，在乙醇水溶液中乙醇浓度越大，介质极性越小。相关研究发现乙醇浓度对玉米醇溶蛋白的聚集形态和结构性质影响显著。Dong等在60%～92%醇水介质环境下获得了不同柔性玉米醇溶蛋白，不同柔性玉米醇溶蛋白自组装形成的纳米颗粒表现出不同的乳化活性和乳化稳定性，介质极性越高，柔性玉米醇溶蛋白的乳化活性和乳化稳定性越好。换而言之，在强极性介质环境下，柔性玉米醇溶蛋白表现出更好的乳化活性和乳化稳定性。

基于玉米醇溶蛋白的强自组装特性，其可以自组装形成不同聚合物广泛应用于生物、食品、化学等领域，而大部分生物、食品等体系并不是单一介质环境，且玉米醇溶蛋白在复杂体系中状态和性质影响着其具体应用。因此，研究玉米醇溶蛋白在复杂介质环境下的状态和性质是非常有必要的。采用水介质环境对玉米醇溶蛋白的柔性进行改进，然后研究介质极性对柔性玉米醇溶蛋白聚集形态和乳化性的影响，本研究利用碱和热修饰玉米醇溶蛋白，得到柔性玉米醇溶蛋白。将柔性玉米醇溶蛋白分散至不同浓度（60%、70%、80%、90%、92%，v/v）的乙醇水溶液中，利用反溶剂法制备不同聚合物，观察不同聚合物的微观形态和粒径的变化，同时比较不同聚合物的乳化活性和乳化稳定的差异，最后分析不同聚合物的表面疏水性和二级结构的变化，以期通过此研究为拓宽玉米醇溶蛋白的应用范围提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

Z3625 型玉米醇溶蛋白（蛋白质含量100%）、尼罗红和尼罗蓝 Sigma Aldrich 公司；其他化学试剂均为国产分析纯。

F-4500 荧光分光光度计、S-3400N 扫描电镜日本日立公司；UV-2550 紫外可见光分光光度计日本岛津公司；FSH-2A 可调高速匀浆机 常州金坛精达仪器制造有限公司；Nano-ZS 纳米粒度电位仪英国Malvern Panalytical 公司；旋转蒸发仪 上海爱朗仪器有限公司；CD J-815 圆二色光谱仪 日本JASCO 公司；FDU-2110 冷冻干燥机 埃朗科技国际贸易（上海）有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 参考Dong 等制备柔性玉米醇溶蛋白的方法。将10 g 玉米醇溶蛋白分散至pH11.8的水介质中，利用0.01 mol/L NaOH 溶液精确调节pH 至11.8，用pH11.8 的水定容至1000 mL，然后再在70 ℃水浴锅中加热10 h，获得柔性玉米醇溶蛋白，冻干备用。

利用反溶剂法制备不同聚合物，具体过程如下：称取5 份2.5 g 柔性玉米醇溶蛋白分别溶解到100 mL 的60%、70%、80%、90%、92%（v/v）乙醇水溶液中，配制成浓度为2.5%（w/v）溶液。然后在室温下将100 mL 的5 种柔性玉米醇溶蛋白溶液分别边磁力搅拌（1000 r/min）边滴加至5 份250 mL 的去离子水中，滴加完后继续搅拌15 min，得到蛋白质浓度为0.71%（w/v）。然后利用旋转蒸发仪将乙醇蒸发除去。得到不同蛋白浓度的5 份溶液均分别分成2 份，1 份以溶液形式储备在4 ℃冰箱中，另1 份冻干备用。

1.2.2 微观结构的测定 采用扫描电镜观察在不同浓度乙醇水溶液中柔性玉米醇溶蛋白形成聚合物的微观结构。取少量冻干的5 种聚合物样品涂抹在双面导电胶上，然后进行喷金处理。在电压为15 kV下观察聚合物的形态，成像并保存照片。

1.2.3 粒径的测定 将5 种聚合物溶液分别用去离子水稀释成浓度为0.3%（w/v），利用Malvern 纳米粒度电位分析仪测定溶液的粒径大小和强度分布。其中水的折射率为1.33，样品的折射率为1.53，测试温度为室温。

1.2.4 乳化性的测定 采用Pearce 等提出的浊度法测定5 种聚合物的乳化活性和乳化稳定性。分别取3 mL 浓度为1%（w/v）的5 种聚合物溶液置于5 mL量杯中，然后加入1 mL 大豆油。利用高速匀浆机在20000 r/min 下均质2 min，均质3 次，在均质后0 和10 min 时分别迅速从距离测量杯底部0.5 cm处取10 μL 乳状液加入到5 mL 浓度为0.1%（w/v）的十二烷基苯磺酸钠（SDS）溶液，在500 nm 处测定吸光值，以0.1%（w/v）的SDS 溶液空白调零。乳化活性（EAI）和乳化稳定性（ESI）计算公式如下：

式中：A-溶液在500 nm 下的吸光值；C-蛋白质浓度（g/mL）；-大豆油占乳化液的体积分数（=0.25）；A-乳化液静止时间为10 min 时的吸光值；A-乳化液静止时间为0 min 时的吸光值；D溶液稀释的倍数。

1.2.5 乳液粒径和电位的测定 将1.2.4 制备的乳化液分别用0.1%（w/v）的SDS 溶液释成浓度为0.3%（w/v），利用Malvern 纳米粒度电位分析仪测定乳化液粒径强度分布、颗粒大小和电位高低，测试温度为室温。

1.2.6 表面疏水性的测定 采用8-苯氨基-1-奈磺酸（ANS）荧光探针法测定5 种聚合物的表面疏水性。用磷酸缓冲液（c=0.01 mol/L，pH7.0）分别将5 种聚合物溶液稀释成5 个浓度梯度（0.03%、0.015%、0.0075%、0.00375%、0.001875%（w/v））。分别取6 mL 稀释后的不同浓度溶液，加入20 μL 的ANS荧光探针（8 mmol/L），然后充分混匀，反应15 min（室温条件），加入探针、混匀和反应的操作均需避光。荧光强度测定参数如下：激发波长390 nm，发射波长470 nm，狭缝均为5 nm。以荧光强度值为纵坐标，蛋白质浓度为横坐标作图，以线性关系良好的回归曲线的斜率作为评定表面疏水性的指标。每个样品重复3 次。

1.2.7 二级结构的测定 用去离子水分别将5 种聚合物溶液浓度稀释成0.01%（w/v），分别取100 μL 样品置于直径为0.2 cm 的石英比色皿中，然后对样品进行扫描。参数设置如下：扫描范围190～260 nm，扫描速率100 nm/min。用去离子水作为基线。根据Yang 等提出计算-螺旋百分含量的方法，公式如下：

式中：[]-波长为222 nm 特征峰的CD 椭圆度值；Y-波长222 nm 处扫描的能量变化值。

1.3 数据处理

本研究中的数据均以平均值±标准差表示（n=3）。试验数据采用origin9.0 和Statisix8.1 软件对试验数据进行统计分析（＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 微观形态的分析

在水介质环境下，利用碱结合热修饰玉米醇溶蛋白，获得柔性玉米醇溶蛋白。将柔性玉米醇溶蛋白分别分散至60%、70%、80%、90%和92%（v/v）乙醇水溶液中，借助于反溶剂法诱导玉米醇溶蛋白自组装形成聚合物，聚合物的形态见图1。乙醇浓度对柔性玉米醇溶蛋白自组聚合物形态有显著的影响。当分散至60%和70%乙醇水溶液中时，柔性玉米醇溶蛋白形成了胶束状的聚合物（图1a 和图1b），胶束状聚合物可能有更多的亲水端分布在聚合物表面，进而很好的分散于水介质中。当分散至80%乙醇浓度时，柔性玉米醇溶蛋白形成颗粒状的聚集形态（图1c），但形成的颗粒聚合物被一层薄膜状聚合物包裹。当乙醇浓度增加至90%和92%时，柔性玉米醇溶蛋白形成无规则的但排布均匀的聚合物（图1d 和图1e）。Yu 等也发现乙醇浓度对玉米醇溶蛋白自组装聚合物的形态有很大的影响，且乙醇浓度越高，蛋白质聚集趋势越高。乙醇浓度高，介质的疏水性强，增加了蛋白质之间的聚集能力。

图1 介质极性对柔性玉米醇溶蛋白聚集形态的影响Fig.1 Effect of solvent polarity on the aggregation morphology of the flexible zein

2.2 粒径的分析

利用粒度仪测定了柔性玉米醇溶蛋白形成的不同聚合物的粒径强度分布和颗粒大小，结果见图2和表1。从粒径强度分布的结果可以看出，不同聚合物的粒径强度分布并没有形成典型的单峰分布，而且乙醇浓度对柔性玉米醇溶蛋白聚合物的颗粒大小影响显著（＜0.05）。在60%乙醇介质中，柔性玉米醇溶蛋白形成的聚合物的颗粒大小为134.55 nm；在70%乙醇介质中，聚合物的粒径为161.75 nm；在80%乙醇介质中，聚合物的粒径为177.10 nm；在90%乙醇介质中，聚合物的粒径增加至189.14 nm，在92%乙醇介质中，聚合物的粒径进一步增加至293.90 nm。Kim 等研究发现，乙醇浓度的增加，尤其是增加至92%时，玉米醇溶蛋白的结构发生了逆转，由亲水端朝向介质环境转变为疏水端朝向介质环境。随着乙醇浓度的增加，玉米醇溶蛋白疏水基团得到更充分的暴露，疏水作用力起主导作用，进而诱导蛋白质分子间形成更大的颗粒。赖婵娟等也发现随着乙醇浓度的增加，玉米醇溶蛋白形成的颗粒越大。结果表明，随着介质极性的降低，聚合物的颗粒呈现增加的趋势。这些结果也反映了柔性玉米醇溶蛋白可以随着介质极性的变化而形成颗粒大小不同的聚合物。

图2 介质极性对柔性玉米醇溶蛋白聚合物粒径强度分布的影响Fig.2 Effect of solvent polarity on the intensity distribution and particle size of the flexible zein aggregations

表1 介质极性对柔性玉米醇溶蛋白聚合物粒径的影响Table 1 Effect of solvent polarity on the particle size of the flexible zein aggregations

2.3 乳化活性和乳化稳定性的变化

乳化性反映指标包括乳化活性和乳化稳定性。柔性玉米醇溶蛋白在不同浓度乙醇介质中形成了不同聚合物，这些聚合物制备的乳化液的乳化活性和乳化稳定性存在很大差异（表2）。随着介质极性的降低（乙醇浓度从60%增加至92%），乳化活性呈现下降的趋势，从3.12 m/g 降低至2.24 m/g；但是乳化稳定性呈现增加的趋势，从67.97%增加至86.47%。

表2 介质极性对柔性玉米醇溶蛋白乳化活性和乳化稳定性的影响Table 2 Effect of solvent polarity on the emulsifying activity and emulsifying stability of flexible zein

乳化液的粒度分布在一定程度上可反映乳化液的稳定性。不同聚合物制备的乳化液放置24 h后，利用粒度仪测定乳化液液滴的粒径体积分布和颗粒大小（图3 和表3）。在越高浓度的乙醇介质中形成的聚合物的乳化液的液滴越小，颗粒越小说明乳化液的稳定越好。不同聚合物形成的乳化液均形成两个峰的粒径体积分布特征，且颗粒大小存在明显差异（＜0.05）。当乙醇浓度从60%增加至92%时，不同聚合物形成的乳化液的粒径从355.60 nm 降低至251 nm，多分散系数（PDI）均较小，在0.18～0.25 之间，说明测定粒径的数据可靠性强。刘昊等发现，酸修饰玉米醇溶蛋白的结构发生变化，进而改变了玉米醇溶蛋白与其他物质的相互作用。乳化性的改变可能源于在不同介质中酸修饰玉米醇溶蛋白，改变了其结构，进而改变了蛋白质的乳化能力。碱修饰玉米醇溶蛋白提高了其分子柔性，对环境具有更强的适应能力。当介质环境由乙醇水介质到油水介质时，柔性玉米醇溶蛋白结构顺应环境改变而聚集形成不同颗粒大小的聚合物。

图3 柔性玉米醇溶蛋白聚合物乳化液的粒径强度分布Fig.3 Intensity distribution and particle size of the emulsion stabilized by the aggregations formed from the flexible zein in different polarity solvents

表3 柔性玉米醇溶蛋白聚合物乳化液粒径大小Table 3 Particle size of the emulsion stabilized by the aggregations formed from the flexible zein in different polarity solvents

2.4 不同聚合物乳化液电位的变化

图4的结果显示不同聚合物形成乳化液液滴表面电荷的大小。随着乙醇浓度的增加，乳化液液滴表面的电荷呈现增加的物质，但是差异并不显著（0.05）。从乙醇浓度为60%时的-40 mV 变化至乙醇浓度为92%时的-42.85 mV。乳化液液滴的电荷越高，其稳定性越好。这些结果说明乳化液稳定性好也归因于乳化液表面电荷的增大。柔性玉米醇溶蛋白对环境有较强的适应能力。随着介质极性的降低（乙醇浓度的增加），柔性玉米醇溶蛋白暴露在表面的带电氨基酸不同，进而赋予乳化液不同的电荷量。

图4 柔性玉米醇溶蛋白聚合物乳化液的电位变化Fig.4 Changes of Zeta potential of the emulsion stabilized by the aggregations formed from the flexible zein in different polarity solvents

2.5 表面疏水性的变化

表面疏水性是影响乳化液稳定的一个重要因素。图5 显示了不同聚合物的表面疏水性。随着乙醇浓度的增加，形成的聚合物的表面疏水性的呈现增加的趋势（＜0.05）。随着介质极性的降低（60%增加至92%），柔性玉米醇溶蛋白聚合物的表面疏水性从2448.55 增加至3658.25。表面疏水性的变化可以一定程度反映聚合物表面疏水氨基酸的暴露程度。蛋白质内部疏水基团的暴露对乳化能力的提升起到积极的作用。柔性蛋白质的结构可随环境的变化而发生改变。随着介质极性的降低（乙醇浓度的增加），柔性玉米醇溶蛋白暴露在表面的疏水氨基酸增加，从而表现出较高的表面疏水性，进而赋予较好的乳化稳定性。

图5 柔性玉米醇溶蛋白聚合物表面疏水性的变化Fig.5 Changes of surface hydrophobicity of the aggregations formed from the flexible zein in different polarity solvents

2.6 二级结构的变化

图6和表4 分别显示了柔性玉米醇溶蛋白在不同极性介质中圆二色光谱和-螺旋含量的变化。从图6 结果可以得出，柔性玉米醇溶蛋白中-螺旋含量随着乙醇浓度的增加而增加。天然玉米醇溶蛋白的-螺旋含量为50%～60%左右，碱和热修饰会很大程度破坏玉米醇溶蛋白分子中-螺旋。当柔性玉米醇溶蛋白重新分散至不同浓度的乙醇介质后，其-螺旋一定程度得到恢复。当分散至60%乙醇后，其-螺旋含量为8.50%，当进一步增加乙醇浓度至70%时，-螺旋含量为8.68%，当进一步增加乙醇浓度至80%、90%和92%时，-螺旋含量分别增加至9.92%、11.68%和14.62%。这些结果说明柔性玉米醇溶蛋白对环境适应能力较好，二级结构可以随着介质极性的变化而变化。二级结构影响着蛋白质的功能性质。在低极性介质（高乙醇浓度）环境下，柔性玉米醇溶蛋白可以获得较高的-螺旋含量，进而表现出良好的乳化稳定性。

图6 不同极性介质中柔性玉米醇溶蛋白圆二色光谱Fig.6 Typical stacked Far-UV CD spectra of the flexible zein in different polarity solvents

表4 不同介质中柔性玉米醇溶蛋白的α-螺旋的含量Table 4 α-Helix content of the flexible zein in different polarity solvents

3 结论

通过调节乙醇浓度获得不同极性介质环境。介质极性影响了柔性玉米醇溶蛋白的聚集形态，聚合物颗粒随着介质极性的增加而降低。在高极性介质环境下柔性玉米醇溶蛋白形成的聚合物的乳化活性更高，但是乳化稳定性更低。当乙醇浓度从60%增加至92%时，乳化稳定性从67.97%增加至86.47%，液滴大小从355.60 nm 降至251.00 nm，-螺旋含量从8.50%增加到14.62%。柔性玉米醇溶蛋白在高乙醇浓度下形成的聚合物具有较高的乳化稳定性，这可能是因为柔性玉米醇溶蛋白对介质环境具有较强的适应能力。在低极性（高乙醇浓度）介质环境下，柔性玉米醇溶蛋白获得更高的表面疏水性和较高的-螺旋含量。