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磁性阳离子吸附树脂在双水相体系中分离神秘果蛋白的研究



全 文 :第28卷第4期 海南师范大学学报(自然科学版) Vol.28 No.4
2015年12月 Journal of Hainan Normal University(Natural Science) Dec.2015
摘 要:利用磁性阳离子吸附树脂与双水相体系联用对神秘果蛋白进行分离和纯化 .探究了溶
液pH值、离子强度和吸附速率对羧基改性粒子吸附神秘果蛋白能力的影响,并考察了双水相的组
成、溶液pH和氯化钠质量分数对该体系萃取神秘果蛋白效果的影响 .结果表明,当羧基改性粒子在
溶液pH值为4.9,且不加氯化钠时,吸附神秘果蛋白效果最佳 .双水相体系中,当PEG 4000质量分数
为16%,(NH4)2SO4质量分数为8%时,该双水相体系对神秘果蛋白的萃取效果最佳 .联合两种方法,
经紫外分光光度法测定,从25 g冻干神秘果果肉中,提取出了30 mg的神秘果蛋白 .
关键词:磁性树脂;双水相;神秘果蛋白
中图分类号:TS 204 文献标识码:A 文章编号:1674-4942(2015)04-0404-06
姜 伟 1,马艺丹 1,闫瑞昕 1,廖小伟 1,戚金玲 1,马思聪 1,薛秉祥 1,刘 红 1,2*
(1.海南师范大学 化学与化工学院,海南 海口 571158;
2.海口市热带特色药食同源植物研究与开发重点实验室,海南 海口 571158)
JIANG Wei1,MA Yidan1,YAN Ruixin1,LIAO Xiaowei1,QI Jinling1,
MA Sicong1,XUE Bingxiang1,LIU Hong1,2*
磁性阳离子吸附树脂在双水相体系中
分离神秘果蛋白的研究
Abstract:A new extraction method of separation and purification on Miraculin by magnetic particles associated with aque⁃
ous two-phase extraction technique(ATPE)was explored. The pH value and ionic strength in the solution, also adsorption
rates were examined for the impact on mysterious fruit protein adsorption ability in carboxyl-modified particles. The phase⁃
forming salt, pH and Nacl concentraton were explored for extration rate of miraculin by ATPE. The results showed that if the
carboxyl-modified particles were in a solution with 4.9 of pH without sodium chloride, the adsorbing rate about protein from
mysterious fruit was the best. The optimal contiondition of aqueous two-phase systems for protein extraction efficiency were
16% of PEG 4000, 8% of(NH4)2SO4, and 4.9 of the pH value. 30 mg of Miraculin determined by UV spectrophotometry
were successfully obtained from 25 g freeze-dried fruit pulp with comprehensive two kinds of extraction methods.
Key words:magnetic particles;ATPE;Miraculin
Integration of Carboxyl Modified Magnetic Particles and Aqueous
Two-phase Extraction for Selective Separation of Miraculin
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering,Hainan Normal University,Haikou 571158,China;
2. Haikou Key Laboratory of Research and Development on Topical and Special Medicine and Edible Plant,
Haikou 571158,China)
神秘果(Synsepalum dulcificum)属于山榄科热带
常绿灌木,又称变味果,它的果肉中含有奇特的变味
糖蛋白,能改变人的味觉,使原本酸味食物变得甘甜
[1]. 种子含有天然固醇和多种微量矿物元素 [2]. 近年
来,对神秘果植物的研究获得了较大的成果,早期的
探究热点主要集中在对神秘果蛋白的结构、功能及
其在转基因植物上的表达[3],对神秘果蛋白的提取方
法研究较少 .一般提取蛋白的方法有透析法、离心分
离法、溶剂沉淀法和色谱法[4].若想提高神秘果蛋白
的纯度,一般将以上几种方法联合使用[5]. 对于一般
收稿日期:2015-09-21
基金项目:海南省社会发展专项(2015SF11);海口市应用技术研究与开发项目(2014-90);海南省大学生创新训练项目
(20131165800);海南师范大学学生科研项目(XSKY201512);海南师范大学“大学生创新创业训练计划”项目(cx⁃
cyxj2015023)
*通讯作者
生物样品来说,蛋白质的分离是比较困难的,因为它
们的浓度范围较大而且不均匀[6].磁性颗粒具有良好
的生物相容性和超顺磁特性,其表面可以通过改性
附加多种活性官能团,在蛋白质吸附和亲和力的相
互作用中起重要作用[7].外部磁场很容易地从样品中
分离蛋白质,无需离心分离或过滤的复杂过程,因
此,在目标分子的快速和选择性分离上具有一定优
势[8].
双水相系统(ATPS)是由不同的水溶性聚合物,
或一种单一的聚合物和特定盐的水溶液混合物组成
[9].因为双水相中的两相含有水超过 70%,可用于蛋
白质和其他生物分子的分离纯化 .双水相萃取,一般
用PEG/盐体系进行选择性分离和富集生物分子,这
个方法简单、快捷、方便、成本低[10-11]. Gai等将双水相
萃取应用在蛋白质上,如人类唾液中蛋白质的选择
性分离和富集,以及血清蛋白,人类免疫球蛋白的纯
化,人体尿液中蛋白质的定量提取等[12].
本实验利用羧基改性磁性粒子吸附法结合双水
相萃取的方法用于提取神秘果蛋白 .根据其等电点,
溶液的pH和离子强度进行吸附 .通过磁性阳离子交
换剂和 PEG/硫酸胺双水相体系萃取分离神秘果蛋
白 .
1.1 原料与试剂
1.1 原料
神秘果采自海南省保亭县,经海南师范大学生
命科学学院钟琼蕊老师鉴定为山榄科植物神秘果 .
将神秘果果实去皮及种子,取其果肉经冷冻干燥、粉
碎,备用 .
1.2 试剂
纳米四氧化三铁(99.5% 20 nm);油酸(AR);乙
醇(95%);苯乙烯(St,AR),交联剂二乙烯苯(DVB,
80%);引发剂偶氮二异丁腈(AIBN,99%);聚乙烯醇
(PVA,AR);次甲基蓝溶液;硝酸银;98%浓硫酸;
PEG4000(AR);硫酸铵(AR);临时配制Tris-HC1缓冲
液(0.05 mol/L,25 ℃);考马斯亮蓝(BR);
1.2 仪器
TU—3900双光束紫外可见分光光度计(北京普
析通用仪器有限责任公司);iChrom 5100高效液相
色谱仪(大连依利特分析仪器有限公司);HY-5A回
旋振荡器(金坛市金楠仪器制造有限公司);DHG-
907A电热恒温鼓风干燥箱(上海申贤恒温设备厂);
800电动离心机(常州澳华仪器有限公司);DF-101S
集热式磁力加热搅拌器(金坛市金南仪器制造有限
公司);HH-1数显恒温水浴锅(江苏智博瑞仪器制造
有限公司);XO-5200DTS超声波清洗机(南京先欧
仪器制造有限公司);
1.3 神秘果粗蛋白的提取
采摘新鲜神秘果,去除种子后得到果肉,经冷冻
干燥后研磨处理,得到细微的神秘果粉 .通过凯氏定
氮法测定其粗蛋白的含量 .
称取神秘果粉,加入 0.02 mol/L Tris-HCl缓冲
液,振荡,离心 .计算提取率(粗蛋白提取率=粗提液
中蛋白质质量/果粉中蛋白质质量).
1.4 制备磁性阳离子交换剂
1.4.1 油酸修饰改性
取 0.5 g纳米Fe3O4通过超声振荡均匀的分散至
50 mL蒸馏水中形成纳米 Fe3O4溶胶,将 16 mL油酸
与30 mL纳米Fe3O4溶胶混合,在75 ℃水浴恒温反应
40 min,冷却至室温,静置,待溶液分层,纳米Fe3O4粒
子被油酸萃取出来,分布在溶液上层,然后自然烘干
48 h,得到羧基改性的纳米Fe3O4粉末 .
最佳物质的量之比,由表 1可知:n(油酸)∶n
(Fe3O4)=96∶1[12]. 即此时 Fe3O4粒子表面被油酸完全
包裹 .
1.4.2 聚苯乙烯包覆试验
将 10 g苯乙烯(St),0.2 g二乙烯苯(DVB)和
0.375 g偶氮二异丁腈(AIBN)加入到 20 0mL圆底烧
瓶中,安装温度计和回流装置,添加改性纳米 Fe3O4
磁性微粒,N2保护,搅拌 1 h.将 0.25 g PVA溶解于超
纯水并滴入 5滴次甲基蓝溶液,边搅拌边缓慢加入
到上述烧瓶中 . 水浴恒温 80 ℃反应 10 h,并用氮气
保护,得到的产物用蒸馏水洗涤三次,干燥后称重 .
1.4.3 浓硫酸磺化反应
取上述产物 5 g加入到 200 mL圆底烧瓶中,再
加入 0.25 g AgNO3,加热,温度上升到 75 ℃,缓慢滴
30
30
30
30
30
30
30
30
0
1
5
8
10
15
20
25
42.1
40.2
29.1
26.9
19.0
24.3
23.1
27
0.00
4.51
30.88
36.10
54.87
42.28
45.13
35.87
0
1
2
3
4
5
6
7
编号 V(Fe3O4溶胶) V(油酸) V(EDTA) 萃取率/%
/mL /mL /mL
表1 不同体积的油酸和EDTA对Fe3O4溶胶萃取率的影响
Tab.1 Influence of different volume of oleic acid
and EDTA on extraction by Fe3O4 sol
1 材料与方法
第4期 姜 伟等:磁性阳离子吸附树脂在双水相体系中分离神秘果蛋白的研究 405
加浓硫酸 60 mL,当温度升高至 80 ℃,保持反应 40
min后,静置15 min,将磺化产物进行过滤,用大量蒸
馏水洗涤至pH为7左右,然后过滤,抽干 .
1.5 磁性树脂对神秘果蛋白吸附量影响因素测定实

考察pH值对吸附量的影响:取磁性聚合物颗粒
3.0 mg分散到 0.02 mol/L Tris-HCl缓冲液中直至平
衡,然后添加3 mL 0.5 mg/mL的蛋白质溶液中,溶液
pH范围在6.0-9.5.在25 ℃下,用回旋振荡器振荡15
min,然后用磁铁分离磁性颗粒 .通过紫外分光光度
计在 278 nm处测定剩余溶液的上清液中蛋白质的
浓度 .
考察离子强度对吸附量的影响,取磁性颗粒3.0
mg分散到 0.02 mol/L Tris-HCl缓冲液中直至平衡,
然后加入 3 mL 0.5 mg/mL蛋白质溶液,在不同浓度
的NaCl溶液范围内(0.05~0.5 mol/L),室温下振荡器
中振荡 10 min.通过紫外分光光度计测定上清液中
蛋白质残留浓度 .
考察改性后磁性粒子对吸附量的影响:取磁性
颗粒 3.0 mg分散到 0.05 mol/L Tris-HCl缓冲液中直
到平衡,然后加入3 mL 0.5 mg/mL蛋白质溶液,重复
上述步骤,用裸露的纳米四氧化三铁在相同条件下
进行测定 .
磁性颗粒的动力学吸附研究:取磁性颗粒 3.0
mg分散到 0.05 mol/L Tris-HCl缓冲液中直到平衡,
然后加入 3 mL 1 mg/mL蛋白质溶液,室温震荡 10
min培育期间,颗粒由外部磁场在间隔10 min内进行
分离 .吸附量计算公式如下:
Q=(C0 -Ct)V/m.
C0为初始浓度(mg/mL),Ct为最终浓度(mg/mL),
V为混合物体积(mL),m为磁性粒子质量(g).
1.6 双水相的制备
1.6.1 制备双水相
PEG4000(1.7647 g)和(NH4)2S04(6.7340 g)分别
加入到10 mL水,然后各取10 mL震荡离心形成双水
相并用移液管获得两相体积 . 最后得到含 15%
PEG4000和 10%(NH4)2S04的双水相溶液 .若添加蛋
白质溶液,分别计算:
相比R=上相体积/下相体积
蛋白质分配系数Kp=上相蛋白质的浓度/下相蛋
白质的浓度
1.6.2 PEG4000/(NH4)2S04双水相相图的绘制
向 100 mL烧杯滴加定量的质量分数为 15%的
聚乙二醇4000溶液,接着滴加质量分数为10 %的硫
酸铵水溶液,记录溶液质量,离心,直到出现混浊状
态,记录硫酸铵水溶液的质量,然后滴加一定量的超
纯水,震荡后,重新出现澄清状态,记录此时混合物
质量;反复进行如上操作得到数个独立的点,即可得
该体系相图 .
1.7 磁性粒子和双水相的结合
取5.0 mg神秘果蛋白质溶液加到1.5 g双水相溶
液中,然后震动离心分离 .结果显示顶部和底部各自
混入羧基改性的磁性微粒,最后,磁性粒子由外部磁
场分离,蛋白质主要集中于双水相的上部,其含量用
高效液相色谱法测定 .
1.8 高效液相色谱法分析测定神秘果蛋白含量
采用 TSK-TMS 250色谱柱(4.6*75 mm),流动
相:20%乙腈(ν/v),0.05%三氟乙酸 .采用线性梯度洗
脱蛋白质(乙腈20-70%).溶剂流速为0.5 mL/min,保
留时间为60 min,样品注入量为10 uL,柱温为25 ℃.
278 nm波长的吸光度测定样品的浓度 .
2.1 对改性后磁性粒子的表征
从电镜图(图 1a)可以看出,未改性的纳米 F3O4
似乎是球形的,其直径约为200 nm,这与使用相同的
制备方法获得的颗粒粒径一致 .与图1b和c比较,可
以清楚地观察到该羧基改性的磁性颗粒的表面上有
特定形状的聚合物外壳和特定光对比度的结构,此
聚合物外壳的平均厚度约为50 nm.
2.2 磁性离子对神秘果蛋白的吸附
采用羧基改性的磁性颗粒,考察了不同因素对
蛋白质吸附量的影响,其吸附量取决于蛋白质的等
电点、溶液的pH和离子强度 .
2.2.1 pH值的影响
在吸附过程中,溶液的pH值是直接影响羧基的
离解度和蛋白质带电性质的重要的因素之一 .当溶
液的 pH值为 6.0~9.5时,羧基改性磁性颗粒对神秘
果蛋白有吸附作用(神秘果素的等电点约为9).如图
2所示,当溶液的pH值低于其等电点时,对蛋白质有
一个明显的吸附作用 .这些蛋白质的吸附现象与离
子交换吸附的静电相互作用机制是一致的 .因此,溶
液的 pH值和蛋白质等电点以及羧基改性的磁性颗
粒对蛋白质的吸附有至关重要的作用 .裸露的Fe3O4
呈现出较弱的非特异性吸附,由于几个羧基存在于
它的表面,其吸附能力随pH增大而变小 .
2.2.2 离子强度的影响
离子强度的影响对神秘果蛋白的吸附量影响,
如图 3所示,当氯化钠浓度高于 0.1mol /L时,磁性
粒子吸附力降低较慢 .在氯化钠浓度为0.2 mol/L时,
2 结果与讨论
406 海南师范大学学报(自然科学版) 2015年
磁性粒子对神秘果蛋白的吸附量迅速降低到 7%.
当氯化钠浓度高于 0.4 mol/ L时,几乎不吸附,原因
是该离子强度破坏了蛋白质与-COO-之间的静电相
互作用 .因此,磁性颗粒对蛋白质的吸附受含氯化钠
浓度和溶液的离子强度的影响较为显著 .同样地,裸
露的纳米四氧化三铁对神秘果蛋白的吸附能力并没
有随着离子强度的增加而发生明显变化 .
2.2.3 吸附速率
根据动力学对磁性粒子在分离蛋白质过程中
的吸附率进行了研究,优化神秘果蛋白吸附溶液的
pH值后,磁性粒子的吸附能力迅速增加,蛋白质的
吸附量达到 77%(见图 4).时间越长吸附速率减慢,
并最终在20 min达到吸附平衡 .因此,此方法适合于
该蛋白质的快速分离 .
2.3 双水相的组成及萃取影响因素的分析
2.3.1 PEG4000/(NH4)2SO4双水相组成条件分析
由于盐析作用,亲水性高聚物与无机盐在水中
达到一定浓度时,才能形成两相 .双水相形成的条件
(a)
(b)
(c)
图1 a为裸露的纳米F3O4, b、c为羧基修饰改性的纳米F3O4
的扫描电子显微镜图
Fig.1 SEM images of bare F3O4(a)and
carboxyl modlfled F3O4(b,c)
80
60
40
20
0 7 8 9
—●—carboxyl modified F3O4
…■…bare F3O4
pH
图2 溶液pH对神秘果蛋白吸附量的影响
Fig.2 Influence of pH in the solution on mysterious
fruit protein adsorption
80
60
40
20
-0.01 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6concentration of NaCl(mol/L)
图3 离子强度神秘果蛋白吸附力的影响
Fig.3 Influence of ionic strength on mysterious
fruit protein adsorption
—●—carboxyl modified F3O4
…■…bare F3O4
Ads
orpt
ion
cap
acit
y(m
g/g) 80
60
40
20
0 10 20 30time(min)
图4 羧基改性后的磁性粒子对神秘果蛋白
的吸附力与时间的关系
Fig.4 Relationship between time and adsorption
capacity for mysterious fruit protein in
carboxyl modified magnetic particles
—■—carboxyl modified F3O4
Ads
orpt
ion
cap
acit
y(m
g/g)
Ads
orpt
ion
cap
acit
y(m
g/g)
第4期 姜 伟等:磁性阳离子吸附树脂在双水相体系中分离神秘果蛋白的研究 407
和定量关系可用相图表示,只有当成相组分的配比
在曲线的上方时,才能自动分为两相 .该相图如图5
所示,当PEG溶液的质量分数为16%时,若使之形成
双水相,且实验操作方便,硫酸铵的用量取 6.0%、
7.0%、8.0%、9.0%、10.0%.
2.3.2(NH4)2SO4质量分数对神秘果蛋白萃取量的影

在 pH值为 4.0、聚乙二醇 4000溶液的质量分数
为16.0%,先加入热熔法制备的磁性阳离子交换剂,
再加入神秘果蛋白质溶液 1.0 mL,分别用 6.0%、
7.0%、8.0%、9.0%、10.0%的硫酸铵溶液组成双水相
体系,离心分离并计算相比R和分配系数Kp.
由表 2可以得到,随硫酸铵量的增加,相比值R
减小 . 当硫酸铵溶液浓度为 8.0%(ω/ω)时,神秘果
蛋白的分配系数Kp达到最大值1.46.当硫酸铵溶液
浓度大于 8.0%(ω/ω)时,由于盐析效应使得神秘果
蛋白的分配系数Kp开始下降 .因此,选定萃取神秘
果蛋白的最佳硫酸铵溶液的质量分数为8.0%.
2.3.3 聚乙二醇4000质量分数的影响
在 pH值为 4.0,硫酸铵溶液质量分数为 8%,先
加入热熔法制备的磁性阳离子交换剂,加入神秘果
蛋白溶液 1.0 mL,使用 10.0%、13.0%、16.0%、19.0%
和22.0%的聚乙二醇溶液组成双水相体系,离心分离
并计算R和Kp.
由表 3可以得到,当硫酸铵溶液的质量分数为
8%时,随着聚乙二醇质量分数的增加,相比R逐渐
增大,而Kp则呈现出先增大后减小的趋势 .因此,选
定萃取神秘果蛋白的最佳聚乙二醇溶液的质量分数
为16.0%.
2.3.4 pH值对萃取的影响
在聚乙二醇溶液质量分数为 16.0%(ω/ω),硫酸
铵溶液浓度为 8.0%(ω/ω),先加入热熔法制备的磁
性阳离子交换剂,再加入神秘果蛋白质溶液 1.0mL,
改变pH值形成不同的双水相体系,离心分离并计算
R和Kp.
根据表 4可以得知,pH对相比R的波动幅度不
大,分配系数则呈现出先增加后减小的趋势,当 pH
为4.90时,分配系数达到最大值1.26.因此,以pH值
为4.90最好 .
2.3.5 氯化钠质量分数的影响
在 PEG4000溶液的质量分数为 16.0 %,(NH4)
2SO4溶液的质量分数为8.0%,pH 4.90,先加入热熔法
制备的磁性阳离子交换剂,加入神秘果蛋白溶液1.0
mL,改变氯化钠的浓度组成不同的双水相体系,离
心分离并计算R和Kp.
由表 5可知,该萃取体系随NaCl溶液的质量分
数的增加,相比减小,在NaCl溶液的质量分数为 2%
时,神秘果蛋白质分配系数达到最大,因NaCl对神
秘果蛋白质的分配系数的增长并不明显,故该体系
不添加NaCl.
35
30
25
20
15
10
5
0
ω(P
EG)
/%
2 4 6 8 10ω[(NH4)2SO4]/%
图5 PEG4000/(NH4)2SO4双水相体系相图
Fig.5 PEG4000/(NH4)2SO4 aqueous
two-phase system diagram
编号 (NH4)2SO4质量分数/% R Kp
1.24
1.33
1.46
1.45
1.31
1.24
1.33
1.46
1.45
1.31
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
1
2
3
4
5
表2 (NH4)2SO4质量分数对神秘果蛋白萃取量的影响
Tab.2 Mysterious fruit protein extraction rate
affected mass fraction of (NH4)2SO4
编号 pH R Kp
1.18
1.26
1.22
1.17
1.26
0.98
0.95
0.96
0.98
0.98
4.09
4.90
7.22
7.95
8.92
1
2
3
4
5
表4 pH对萃取的影响
Tab.4 Influence of pH value on extraction
编号 PEG4000质量分数/% R Kp
1.1987
1.3333
1.4615
1.2215
1.1655
10.0
13.0
16.0
19.0
22.0
10.0
13.0
16.0
19.0
22.0
1
2
3
4
5
表3 聚乙二醇4000质量分数对萃取的影响
Tab.3 Influence of mass fraction of PEG 4000 on
mysterious fruit protein extraction
408 海南师范大学学报(自然科学版) 2015年
2.4 高效液相色谱法分析神秘果蛋白含量
经液相色谱分析,神秘果蛋白在乙腈体积分数
为45 %时被洗脱出来,如图6所示,该蛋白样品中产
生了尖锐的单峰 . 由文献可知 [13],此保留时间在 23
min附近的单一峰,即为神秘果蛋白的吸收峰,说明
提取的神秘果蛋白的纯度较高 .通过测定 278nm处
的吸光度可知,采用上述方法,从25g的新鲜神秘果
果肉中得到了30 mg的神秘果蛋白 .
如图 6所示,蛋白质样品中产生了尖锐的单峰 .
通过上述方法,从 25g的新鲜神秘果果肉中得到了
30 mg的神秘果蛋白 .
蛋白质在混合物中受静电而吸附,可通过使用
羧基改性的磁性粒子和简单的溶液的 pH值调节分
开 .在磁性粒子吸附前,探究了双水相萃取对神秘果
[13]蛋白的选择性分离 .羧基改性后的磁性粒子和双
水相的结合,不仅可以快速和有选择性的吸附蛋白
质,也可以对蛋白质进行富集 .此外,由于羧基改性
粒子和双水相的种类较多,磁性吸附和双水相萃取
的组合可在复杂样品中得到更广泛的应用 .这种磁
吸附和双水相萃取的结合是简单快速的分离方法 .
其组合包括在液—固吸附,液—液萃取和磁性分离,
这可能在蛋白质的分离方法上有很大的前途 .
参考文献:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
12 24 36min
图6 神秘果素的液相色谱图
Fig.6 The liquid chromatogram of Miraculin
Fukushima F M, Guthridge M A, McColl S R, et al. A sen⁃
sitive magnetic bead method for the detection and identifi⁃
cation of tyrosine phosphorylation in proteins by MALDI-
TOF/TOF MS[ J ]. Proteomics,2009,9:3047-3057.
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责任编辑:毕和平
3 结论
编号 NaCl质量分数/% R Kp
1.46
1.53
1.29
1.22
1.12
0.81
0.78
0.69
0.72
0.76
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
1
2
3
4
5
表5 NaCl质量分数对神秘果蛋白萃取的影响
Tab.5 Influence of NaCl concentration on
mysterious fruit protein extraction
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