双蛋白系统的相互作用机制、功能特性及稳定性研究：大豆与藻蓝蛋白的结合

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Interaction mechanism, functional characterization and stability of dual protein system: Soybean with phycocyanin proteins

本研究通过共沉淀和混合法制备大豆蛋白 isolate（SPI）与蓝藻蛋白（PC）的复合物，探究蛋白比例及相互作用模式对复合物结构及功能的影响。结果表明，共沉淀处理的复合物（Co）具有更强的氢键、疏水相互作用及二硫键，显著提升溶解性（65.91%）、乳化活性（36.71%）等，最佳比例为PC:SPI 3:1。

　　

苏瑞涵|王静苗|曹静|李兰鑫|童小红|王欢|江连洲

中国东北农业大学食品科学学院，哈尔滨 150030

摘要

双蛋白是通过结合两种异源蛋白来互补其各自的功能而形成的。在本研究中，大豆蛋白和藻蓝蛋白在pH 4.0的条件下共沉淀，制备出共沉淀蛋白（Co）。研究了蛋白质间结合方式（共沉淀和混合）以及蛋白质比例对复合物结构和功能的影响。根据傅里叶变换红外光谱（FTIR）、圆二色光谱（CD）、表面疏水性分析、游离巯基含量分析、分子相互作用、SDS-PAGE和分子对接的结果，混合蛋白（BL）主要依靠氢键和疏水相互作用来维持其结构。然而，Co不仅具有更强的氢键和疏水相互作用，还含有二硫键。与BL相比，共沉淀处理显著改变了蛋白质的结构，导致负电荷增加、疏水基团减少、颗粒尺寸减小以及β-折叠片层比例升高。因此，Co表现出更好的溶解性、抗氧化活性、乳化性和发泡性能。当PC与SPI的比例为3:1时，Co的溶解性（65.91%）、乳化活性（36.71%）、乳液稳定性（86.23%）、发泡能力（50.28%）和泡沫稳定性（86.89%）均达到最佳。总之，共沉淀处理在制备结构稳定的复合物方面更为有效，并显著改善了SPI-PC复合物的功能特性。这为制备具有优异功能特性的蛋白质复合物提供了参考。

引言

大豆蛋白分离物（SPI）是一种从大豆中提取的植物蛋白，在食品工业中得到广泛应用。然而，SPI在关键氨基酸方面存在不足，且溶解性和抗氧化性能有限（Li等人，2022；Liu等人，2024；Sui等人，2021）。在加工过程中，大豆蛋白的营养和功能特性会受到不同程度的影响。研究表明，将大豆蛋白与其他蛋白质复合可以显著提高其营养价值并改善其功能特性。本研究发现，大豆蛋白与大米蛋白的复合使其溶解度提高了80%（Wang, Xu等人，2018）。大豆蛋白与乳清蛋白的结合形成了致密的凝胶网络，而SPI的加入提高了凝胶的保水能力（Jose等人，2016）。类似地，含有豌豆蛋白和草鱼蛋白的混合系统表现出更强的乳化效率和更好的泡沫稳定性（Zhou等人，2021）。这些研究表明，蛋白质间的相互作用在决定复合物的特性中起着关键作用。

藻蓝蛋白（PC）来源于螺旋藻，其中蛋白质和色素分子通过共价键连接。PC中的色素分子是光敏发色团，具有开放的四吡咯结构。这些结构附着在蛋白质的主链上，在吸收光能中起关键作用（Ying等人，2022）。PC的蛋白质结构可以通过修饰来实现多种功能特性，如发泡和乳化能力。PC是一种天然存在的色素，具有巨大的商业潜力，其藻蓝蛋白和载体蛋白具有抗氧化性能（Garcia等人，2016）。然而，PC容易不稳定，对pH值、光照和温度非常敏感。预计与其他蛋白质复合可以减轻外部环境对其生物活性的影响。

两种蛋白质的结合可以有效弥补单一蛋白质在营养和功能特性上的不足。蛋白质间的相互作用会显著影响复合物的结构和功能特性（Jiao等人，2024）。共沉淀蛋白是通过多种方法从一种或多种来源材料中提取的结合蛋白。这种方法能够有效整合来自不同来源的蛋白质，并允许精确调整蛋白质比例，以满足特定食品产品的功能或营养需求。共沉淀蛋白间的相互作用主要包括氢键、疏水相互作用和二硫键（Kristensen等人，2021a；Tian, Kunyu等人，2022）。与传统蛋白质相互作用系统相比，共沉淀蛋白通过可控的共沉淀条件实现了分子间相互作用的精确调节，并已被证明能提高蛋白质的营养价值和功能特性。罗非鱼与大豆的共沉淀蛋白表现出完整的氨基酸组成（Liu等人，2024）。大豆与小麦的共沉淀蛋白的乳化和发泡性能也得到了显著改善（Tian, Kunyu等人，2022）。

虽然之前的研究已经探讨了蛋白质复合物及其功能效果（Jiao等人，2024；Xie等人，2024；Ye等人，2021），但共沉淀作用对其结构稳定性、胶体韧性和功能效果的影响尚未得到研究。此外，植物来源和微生物来源蛋白质之间的相互作用仍大部分未被探索，这是当前食品蛋白质研究中的一个重要空白。基于此，我们使用共沉淀和混合技术合成了SPI-PC复合物，研究了SPI与PC之间的相互作用以及不同比例下复合物的功能特性和稳定性。这些发现为未来研究蛋白质-蛋白质相互作用、开发创新、营养丰富且环保的食品提供了方向。

材料

脱脂大豆粉由哈尔滨市益海 Kerry有限公司提供。藻蓝蛋白（蛋白质浓度：77.57%）购自台州市宾梅生物技术有限公司。2,2'-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）和8-苯胺萘-1-磺酸（ANS）购自上海市Source Leaf生物技术有限公司。所有试剂均为分析级纯度。

从大豆蛋白分离物（SPI）制备蛋白质

根据Tian, Kunyu等人的方法（2022），...

二级结构分析

傅里叶变换红外光谱（FTIR）可用于确定物质的分子结构并根据其内部分子信息识别化合物。不同处理条件下材料的FTIR光谱如图1所示。与混合蛋白（BL）相比，Co在3300 cm?1处的特征峰（N-H弯曲）出现了轻微的红移。此外，Co在1240 cm?1处的特征峰也出现了红移（C-N和N-H键）。

结论

本研究结果表明，共沉淀和混合显著增强了两种蛋白质之间的相互作用。非共价相互作用在维持BL结构中起关键作用。然而，共沉淀处理导致了SPI和PC的结构展开和重组。疏水相互作用和氢键是Co形成的主要机制，S-S键的断裂和重组也参与了这一过程。

CRediT作者贡献声明

苏瑞涵：撰写初稿、方法论设计、实验设计、概念构思。 王静苗：软件操作。 曹静：数据整理。 李兰鑫：软件操作、实验设计。 童小红：资源获取、概念构思。 王欢：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。 江连洲：资源获取、概念构思。

利益冲突声明

本研究未发现任何需要声明的利益冲突。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号：32230082）、国家自然科学基金青年科学基金（编号：32302128）和黑龙江省博士后基金（编号：LBH-Z24085）对本研究的资助。