改性大豆蛋白二级结构变化对其粘接强度的影响.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期: 2008 - 05 - 15 作者简介:李晓静(1982) ,女,在读硕士,主要从事农产品资 源开发与利用方面的研究工作( Tel)( E2mail) lixiaojing303 sina. com。 油料蛋白 改性大豆蛋白二级结构变化对其粘接强度的影响 李晓静,卞 科 (河南工业大学 粮油食品学院,郑州450052) 摘要:采用不同浓度的尿素 (1 、3、5、8 mol/L)对大豆分离蛋白进行改性,使其二级结构发生变化。 测定了大豆蛋白-螺旋、 -折叠、 -转角和无规则卷曲含量,并对二级结构含量与尿素改性大 豆蛋白对木材粘接强度的关系进行了研究。结果表明, SPI对木材的粘接特性影响是十分复杂的, 并不能简单地用蛋白质二级结构的含量多少来表示,同时改性SPI的抗水性也很难用其二级结构 的含量来解释。因此,关于改性大豆蛋白对木材的粘接性能及其抗水性机理需要深入研究。 关键词:大豆分离蛋白;尿素;粘接强度;二级结构 中图分类号: TQ932 文献标志码:A 文章编号: 1003 - 7969 (2008) 12 - 0024 - 04 Influence of modified soybean proteins secondary structure on adhesive strength L IXiaojing,B I AN Ke (Faculty of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450052, China) Abstract:The soybean protein isolate (SPI) was modified to change its secondary structure by adding different concentrations of urea (1 mol/L, 3 mol/L, 5 mol/L, 8 mol/L). The soybean proteins- helix, - sheet,- corner and random coil were measured and the adhesive strength of the modified soybean protein to wood was studied.The results showed that the influence on SPIs adhesive characteristics to the wood was very complicated and it could not be explained only by the content of proteins secondary structure; the modified SPIswater resistance was also difficult to be explained by its secondary structure content .Therefore, the modified SPIs adhesive properties to the wood and the water resistance mecha2 nism need further research. Key words:SPI; urea; adhesive strength; secondary structure 大豆蛋白是一种质优价廉、 来源丰富的植物蛋 白,大豆蛋白质分子具有许多重要的生化功能,如乳 化性、 持水性、 凝胶性、 吸脂性、 起泡性、 黏性、 弹性、 风味性 1, 2 等。近年来 ,随着人类环境保护和可持 续发展意识的增强,可再生和来源丰富的大豆蛋白 开始重新被用于非食品行业中,例如用大豆蛋白制 作胶粘剂 3、 大豆蛋白塑料4 和大豆蛋白膜等5 。 为了改善大豆蛋白相容性,增加其功能性,需要根据 具体要求对它进行改性。蛋白质改性方法有物理 法、 化学法、 酶法和基因工程法等。蛋白质改性后需 对其结构进行表征,通过表征蛋白质结构可了解是 否达到改性要求 6 。 目前,蛋白质结构分析的常用方法大致有:红外 光谱、 核磁共振、 圆二色谱(circular dichrois m ,简写 为 CD) 和X射线衍射。其中红外光谱酰胺 带 (1 6001 700 cm - 1 )的谱峰指认目前已比较成熟, 但在本研究中不能使用酰胺 带进行谱峰指认,因 为尿素在酰胺 带吸收很强,尿素吸收与蛋白吸收 重叠,当尿素溶液浓度过大时影响蛋白质样品二级 结构含量的认定,因此本试验采用CD指认蛋白质 二级结构的含量。CD可以灵敏地反映出蛋白质构 象的变化,已被广泛应用于蛋白质构象的研究 中 7 。蛋白质分子的肽链结构通常由 -螺旋、 - 折叠、 -转角和无规则卷曲所组成,溶液状态下的 蛋白质因受溶剂、 温度、pH、 微扰剂等理化条件的影 42 中 国 油 脂 CHI NA O I LSAND FATS 2008 Vol133 No112 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 响,其二级结构又称溶液构象,在研究蛋白质分子结 构与功能关系时,测定蛋白质溶液状态的二级结构 更为重要 8。用 CD测定溶液状态下的二级结构具 有独到之处 9 。 有报道认为蛋白质二级结构的含量对粘接强度 的影响是有规律的,即“ 不能太多,也不能太少 ” 10 。 本试验通过测定改性大豆分离蛋白(SPI)的二级结 构与粘接强度,探究其关系。试验选取化学方法诱 导蛋白质变性,因尿素分子结构中含有2个酰胺键, 在与其他分子形成氢键时,尿素分子中4个氢原子 可作为质子供体, 1个氧原子可作为质子受体 11 。 尿素诱导蛋白质从天然状态完全转变至变性状态的 浓度是8 mol/L。另外,由于尿素具有形成氢键的能 力,因此尿素溶液会打断水的氢键结构,溶剂水结构 的破坏使它成为非极性残基的一种更好的溶剂,这 就导致蛋白质分子内部的非极性残基的展开和增 溶 12 ,对其构象改变显著,因此选择尿素诱导蛋白 质变性,结果比较明显。 本试验利用不同浓度的尿素 (1 、3、5、8 mol/L) 对SPI进行改性,测定改性后蛋白的粘接强度,利用 CD仪测定变性后蛋白质的二级结构,以分析和了解 二级结构的改变与粘接强度之间的关系。 1 材料与方法 111 主要原料 SPI (河南郑州油脂化学集团公司 ) : 蛋白含量 90. 46% ,水分含量6. 62%。 112 仪器、 试剂 JASCO J - 715型CD仪, XLB - D3503502 型平板硫化机,WDW - 300J精密型微机控制电子万 能试验机,BS210S型电子分析天平。尿素(洛阳市 化学试剂厂 ) , 分析纯。 113 样品制备 室温下配制尿素溶液 (1 、3、5、8 mol/L) , SPI以 110比例加入尿素溶液中,搅拌状态下室温反应 4 h,以没有添加尿素的SPI水溶液(尿素浓度 0) 作 为对照。 114 测定方法 11411 粘接强度的测定 1141111 木块的压合 热压法。设置平板硫化机 压合条件为:压力1 MPa,温度120,压合时间15 min。木块切割成8 cm2. 5 cm0. 6 cm的大小, 在空气中自然干燥。配好的蛋白胶均匀涂布在木块 的两边,涂布面积2. 5 cm3 cm,涂布量为2 mg/cm 2。另外 2块木块也涂上胶,与前一块木块粘 接(见图1) ,然后放在平板硫化机上(每一块平板硫 化机上放10块样品 ) , 在确定的压合条件下进行压 合,压完后,刮掉多余的胶,在室温下干燥整夜。 1. 4. 1. 2 粘接强度的测定 采用拉伸剪切法,用 WDW - 300J微机控制电子万能试验机从两边拉开 胶粘好的木块来测定拉断胶时的剪切力(见图 2) 。 拉伸速度为10 mm /min。所有的粘接强度为10个 平行样的平均值。 粘接强度=剪切力/单块木块粘接的面积 图1 木块粘接示意图 图2 木块拉伸示意图 1. 4. 1. 3 胶粘剂抗水性的测定 将粘好的木块在 室温下干燥整夜后测定其粘接强度,计为抗水0次。 将粘好的木块放在一个大容器中,木块上面加上重 物,加入大量的水使其浸过木块的上表面,浸泡24 h 后,取出木块放在通风橱中,吹干,测定其粘接强度 计为抗水1次。 1. 4. 2 改性蛋白二级结构的测定 采用JASCO J - 715型CD仪测定。石英样品池的光程0. 1 cm, 分辨率0. 2 nm,灵敏度20 mdeg/cm,扫描测定波长 范围190250 nm,扫描速度100 nm /min,在室温下 进行测定,得出CD图谱后,用Selcon3 13, 14 软件计 算二级结构含量。 2 结果与分析 211 尿素浓度对粘接强度的影响(见图 3) 图3 尿素改性后粘接强度变化 SPI起粘接作用主要是由于其含有一些极性基 团(如OH ,COOH等)和非极性基团,它们 可与粘接基材之间通过分子间作用力(取向力、 诱 导力、 色散力和氢键力)相互作用 15 。由图 3可以 看出,随着尿素溶液浓度的增大,粘接强度先增大而 52 2008年第33卷第12期 中 国 油 脂 CHI NA O I LSAND FATS 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 后逐渐降低,在尿素浓度从0增加到1 mol/L时粘 接强度由2. 853 MPa增加到3. 017 MPa,而后逐渐 降低,在尿素浓度为8 mol/L时降为0. 959MPa。这 是因为低浓度尿素溶液使蛋白质分子间甚至分子内 二硫键断裂,亚基伸展,疏水基暴露,使得分子间以 及蛋白胶和木块之间能够形成更多的相互作用,增 加其粘接强度,表现为尿素浓度为1 mol/L时粘接 强度增加。如果尿素浓度过高,蛋白质分子变性程 度增大,疏水性反而降低,导致粘接强度又有所下 降。通过比较可以看出,做过1次抗水后的木块其 粘接强度较没有做过抗水的有所下降,且整体呈下 降趋势。 2. 2 CD图谱 图4 图8给出了不同浓度尿素处理的蛋白溶 液的CD图谱。由图中可以看出,尿素浓度不同对 蛋白溶液影响程度不同。 图4 尿素0 mol/L CD图谱 图5 尿素1 mol/L CD图谱 图6 尿素3 mol/L CD图谱 图7 尿素5 mol/L CD图谱 图8 尿素8 mol/L CD图谱 213 不同浓度尿素处理的蛋白溶液中二级结构含 量及粘接强度变化 表1给出了不同浓度尿素处理的蛋白溶液中二 级结构含量及粘接强度。由表1可以看出,随着尿 素浓度由0增大到5 mol/L,-螺旋含量由2.2% 上升到了16.6% ,-折叠含量由56.7%下降到 29.1% ,而当尿素浓度提高到8 mol/L以后,-螺 旋和-折叠含量的变化趋势都出现拐点,-螺旋 的含量由16.6%下降到11% ,-折叠含量由 29. 1%上升至44. 4%。分析原因,尿素是极性分 子,当少量尿素加入蛋白溶液中时,尿素分子能与水 分子迅速形成分子间氢键,导致水结构破坏从而使 蛋白质分子周围环境极性发生变化,影响蛋白质分 子之间疏水相互作用,导致蛋白质分子展开,非极性 基团暴露出来,表现为 -折叠含量降低,-螺旋 含量增加。但随着尿素浓度逐渐增加,溶液极性降 低程度变大,溶液介电常数降低,而低介电常数环境 能促进氢键形成和稳定,从而导致蛋白质中非极性 基团之间氢键重新形成,表现为-折叠含量升高, -螺旋含量降低。 表1 不同浓度尿素处理的蛋白溶液中 二级结构含量及粘接强度 尿素浓度 / (mol/L) -螺旋 /% -折叠 /% -转角 /% 无规则 卷曲/% 粘接强度 /MPa 02. 256. 71. 040. 12. 853 110. 746. 410. 332. 63. 017 314. 442. 69. 233. 72. 815 516. 629. 119. 235. 22. 213 811. 044. 411. 533. 10. 959 由表1也可以看出,随着 -螺旋含量升高及 -折叠含量降低,蛋白溶液粘接强度呈先上升后下 降趋势。在粘接强度为0.959 MPa,也就是尿素浓 度为8 mol/L的时候有一个十分明显的拐点,原因 是尿素浓度过高时,蛋白质分子变性程度增大,疏水 性反而降低,表现为粘接强度降低,其对蛋白溶液粘 接强度的影响超过了二级结构变化产生的影响。 3 结 论 尿素对SPI内部结构影响较大,使用尿素改性 62 中 国 油 脂 CHI NA O I LSAND FATS 2008 Vol133 No112 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 后其-螺旋、 -折叠、 -转角和无规则卷曲含 量都有较大的变化,适当浓度的尿素溶液可以显著 改变其粘接强度,表现为随着尿素浓度的增大粘接 强度先增大后减小。在尿素浓度从0增加到1 mol/L时粘接强度由2. 853 MPa增加为3. 017 MPa, 而后逐渐降低,在尿素浓度为8 mol/L时降低为 0. 959 MPa。 随着尿素浓度的增大,-螺旋的含量先增加 后降低,-折叠的含量先降低后增加,拐点都是在 尿素浓度达到8 mol/L时出现。无规则卷曲含量的 变化趋势不明显。 分析二级结构含量与粘接强度之间的关系可 知, SPI对木材的粘接特性影响是十分复杂的,并不 能简单地用蛋白质二级结构的含量多少来表示,同 时改性SPI的抗水性也很难用其二级结构的含量来 解释。 参考文献: 1李里特,李再贵,殷丽君.大豆加工与利用M .北京:化 学工业出版社, 2003: 1 - 2. 2石彦国,任莉.大豆制品工艺学M .北京:中国轻工业 出版社, 1993: 116. 3 KUMAR R, CHOUDHARY V,M ISHRA S, et al . Adhesives and plastics based on soy protein products J . Industrial Crops and Products, 2002, 16 (3) : 155 - 172. 4 KALAPATHYU,HETTI ARACHCHYN S,MYERSD, et al . Modification of soy proteins and their adhesive properties on woods J . J Am Oil Chem Soc,1995,72(5): 501 - 507. 5 OU S Y, WANG Y, TANG S Z, et al . Role of ferulic acid in preparing edible fil ms from soy protein isolateJ . 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