镉与稻米蛋白结合机理及结构稳定性

Rice is a kind of crop with strong Cd enrichment. Cd pollution in rice has a negative impact for consumer's health and would lead to serious food waste. Establishing effective removal techniques for Cd is important to resolve the problem of Cd pollution in rice and improve the utilization value of Cd-polluted rice. The preliminary basis of removal techniques for cadmium is to know the binding mechanism of Cd and rice protein as well as its the stability in processing environment. This is also the key theory problem existing. This item is to study the kinds and molecular weights of cadmium-protein in rice as well as the characteristics of amino acid composition, to analyze the environment and space structure of cadmium-protein complex ligand, and to analyze the stability of cadmium-protein complex in different environment by imitating the acid, alkali and surfactant environment generated in processing. The innovation of this project is to reveal the binding mechanism of Cd and rice protein through the protein kind, molecular weight, amino acid composition, the environment and space structure of ligand using rice. This research will provide theoretical basis for developing the processing and removal techniques for Cd as well as the effective utilization of Cd polluted rice.

水稻是一种镉富集能力较强的作物，稻米的镉污染对消费者健康造成不良影响，并造成严重的粮食浪费。建立有效去除稻米中镉的技术方法是解决稻米镉污染问题，提高镉污染稻米利用价值的重要途径之一。明确镉与稻米蛋白的结合机理及其在加工环境中的稳定性是镉去除技术方法建立的前期基础，也是目前存在的关键理论问题。本项目通过研究镉结合稻米谷蛋白种类、分子量及氨基酸组分特点，分析镉-蛋白复合物配体环境及空间结构，阐明镉与稻米谷蛋白的结合机理；通过模拟加工过程中产生的酸、碱及表面活性剂环境，分析镉-蛋白复合物在不同环境中的稳定性。项目的创新点在于以稻米蛋白为研究对象，从蛋白质的种类、分子量、氨基酸构成、配体环境、空间结构方面系统揭示镉与稻米谷蛋白的结合机理。本研究将为开发稻米中镉污染的加工去除技术，有效利用镉污染稻米提供理论依据。

我国是世界上最大的水稻生产国，稻米产量约占我国粮食总产量的一半。随着我国工业采矿业的发展，环境中的镉负荷逐步增加，镉污染已经成为威胁我国食品安全的重要问题之一。水稻作为一种镉富集能力较强的作物，中国的稻米镉污染已对消费者健康造成不良影响，并造成严重的粮食浪费。建立有效去除稻米中镉的技术方法是解决稻米镉污染问题，提高镉污染稻米利用价值的重要途径之一。明确镉与稻米蛋白的结合机理及其在加工环境中的稳定性是镉去除技术方法建立的前期基础，也是目前存在的关键理论问题。本项目利用激光烧蚀串联电感耦合等离子体质谱法研究了稻米籽粒中镉元素的主要富集部位，确定了镉结合稻米谷蛋白种类、分子量及氨基酸组分特点，鉴定出了主要的镉结合蛋白的序列，研究了不同加工工艺条件对水稻籽粒中镉元素的脱除效果。研究结果表明，水稻籽粒中镉元素呈现外高内低的分布趋势，且主要富集在胚、果皮、互粉层和外胚乳中；砻谷、碾米等初加工工艺均能使稻米籽粒中的镉含量降低，通过建立的初加工工艺数学模型分析，确定了镉含量低于0.226mg/kg的稻谷可通过砻谷加工获得含量达标的糙米产品，而镉含量低于0.288mg/kg的糙米可通过优化的碾米加工工艺获得镉含量达标的精白米；研究样品中淀粉占稻谷总营养物质的73.34%，蛋白质占7.98%，而淀粉中的镉含量仅占全籽粒的10.86%，蛋白质中的镉占全籽粒的54.81%，表明镉主要与蛋白质组分结合；不同种类蛋白质的镉结合能力存在显著差异，镉结合能力排序为：球蛋白＞清蛋白＞谷蛋白＞醇溶蛋白；通过氨基酸组分分析，蛋白质中的两种含硫氨基酸，甲硫氨酸和半胱氨酸，与镉含量呈现显著正相关关系，证明镉与含硫氨基酸的结合能力较强；镉结合蛋白主要有3个明显的分子量特征区间，分别为> 2000k Da, 570k Da和131.9k Da；通过蛋白质种类鉴定，找出了189种镉亲和蛋白；确定了pH值、微生物发酵、超声波、电场处理等方式对稻米蛋白质中镉元素解吸附的影响，开发出了开发了基于酸性条件结合超声波及电场处理的稻米籽粒中镉元素消减技术，分别申报了2项发明专利。