孔板水力空化对大豆蛋白聚集行为的影响及其作用机制研究

Hydrodynamic cavitation(HC), a new processing technology, is easier for industrial application than ultrasonic technology. We have found that HC can change the physicochemical and structural properties of soy protein and increase its solubility, emulsion property and foaming capacity. In view of functional properties of protein closely related with its aggregation behavior, this project uses orifice plate HC with a wide range intensity and a homogeneous fields to treat 7S fraction, 11S fraction of soy protein and its mixture. The contents of the study are as follows: (1) The subunits component, physicochemical and structural properties, and particle morphology of soy protein aggregates in different experiment conditions of HC are researched and its change rules are analyzed. (2) Three-dimensional structures of soy protein and its aggregates are built by homologous modeling and molecular docking. (3) The changes of the subunit structures, the intermolecular forces and the sites among the subunits induced by different HC effects are studied by the simulations of bubble dynamics and molecular dynamics. The results of the experiments and computational modeling are analyzed and the effect mechanism of HC on aggregation behavior of soy protein is expounded. The study will provide the theoretical references for regulating and controlling the aggregation behavior of soy protein and improving its functional properties.

水力空化是一项比超声更易实现工业化应用的新技术。我们发现水力空化能使大豆分离蛋白的理化性质和结构特性发生明显的变化，显著提高其溶解性、乳化性、起泡性。基于蛋白质的功能性质与其聚集行为密切相关，本项目拟以大豆蛋白的主要组分7S、11S及其混合物为研究对象，采用空化强度范围宽、空化场分布均匀的孔板水力空化装置，通过实验研究揭示孔板水力空化对大豆蛋白聚集体亚基组成、结构特性、理化性质、粒子形貌等的影响及其规律；通过同源模建及分子对接，构建大豆蛋白的三维结构及其部分聚集体的三维结构；运用空泡动力学模拟和分子动力学模拟研究不同水力空化效应引起的亚基结构变化、亚基-亚基分子间作用力及其作用位点的变化。主要研究目标是揭示水力空化对大豆蛋白聚集行为的影响并阐明其作用机制。研究结果将为应用水力空化调控大豆蛋白的聚集行为、改善大豆蛋白的功能性质提供理论指导。

本项目开创了水力空化在食品蛋白质改性方面的应用，研究了孔板水力空化对大豆蛋白聚集行为的影响规律，构建了4个7S三聚体和5个11S六聚体的三维结构，并运用分子动力学模拟研究了空化效应（瞬时高温和高压）诱导的7S和11S结构变化模式。结果表明：（1）7S经热效应较强的空化处理后能通过疏水相互作用形成大的聚集体，乳化性降低、起泡性增加，而经自由基效应较强的空化处理后聚集体解离，乳化性增加、起泡性降低；11S经空化处理后能通过二硫键形成大的聚集体，乳化性降低、起泡性增加；7S和11S经空化处理后内源荧光光谱最大吸收峰向长波方向移动，表面疏水性增加，二级结构中α-螺旋和β-折叠含量降低、β-转角和无规则卷曲含量增加。（2）CFD模拟结果表明，在不同孔板水力空化过程中，空化泡溃灭瞬间压力越大、温度越高，其产生的羟基自由基的量越大，其中孔径为15mm的单孔孔板，经计算其空化泡溃灭压力为127.55 MPa，溃灭温度为1387.99 K，所产生的羟基自由基的量为0.07668 mol/m3。（3）通过同源建模首次构建了11S 的A1bB2、A2B1a、A5A4B3亚基及7S的α亚基的三维结构，并运用分子对接构建了4个7S三聚体和5个11S六聚体的三维结构。在压力为127.55 MPa、温度为1387.99 K时进行分子动力学模拟，结果表明瞬时高温高压使7S和11S结构迅速被破坏，蛋白尺寸及蛋白残基波动不断增大，二级结构迅速发生解螺旋或解折叠，随着时间的推移，蛋白结构坍塌，转变为结构柔性较大的无规则卷曲，并进一步缠结形成互穿结构，回转半径和溶剂可及表面增加。.研究成果将为利用水力空化调控大豆蛋白的聚集行为、改善大豆蛋白的功能性质提供理论指导。