（材料学专业论文）乙酰化和羟基丙酰化大豆分离蛋白的制备与特性研究.pdf

摘要 近来大豆分离蛋白( s p i ) 作为一种新材料资源受到广泛关注。本工作采用 乙酸酐和丁二酸酐对s p l 进行酰化和羧基化处理制备了乙酰化和羧基丙酰化大 豆分离蛋白材料。采用电导滴定法和茚三酮比色法比较测定了酰化度，采用傅立 叶红外光谱对其进行了结构表征，并进一步测定了材料的等电点、相对粘度、溶 解性、溶液电导率、吸水性、交联凝胶等特性。 研究结果表明，酰化度随着反应时间的增加、酸酐的增加而显著增加。酰化 度和介质的p h 值也有很大的关系，在1 2 附近酰化效果最好。乙酰化s p l 的溶 解性变化不大；而羧基丙酰化s p i 在中性和碱性介质中的溶解性有了很大的提 高，在酸性条件下却有所降低。随着乙酰化度的提高，乙酰化s p i 等电点降低； 而羧基丙酰化s p l 的等电点下降幅度较小。乙酰化s p i 和羧基丙酰化s p l 的相对 粘度升高。乙酰化s p i 的持水性提高。采用戊二醛对羧基丙酰化s p i 进行交联后 可得到溶胀度较高的水凝胶。 茚三酮比色法测出的酰化度比电导滴定法测出的要高一些，但差别不大于5 ：茚三酮比色法和电导滴定法还可以用来测定s p i 的分子量，二者测出的s p i 的数均分子量的差别不大于2 。 关键词：乙酰化大豆分离蛋白；羧基丙酰化大豆分离蛋白；大豆分离蛋白；乙 酸酐；丁二酸酐；酰化；羧基；酰化度；相对粘度；等电点；溶解度；电导率； 水凝胶 a b s t r a c t r - e c e n t l y ；s o y b e a np r o t e i ni s ol a t e d ( s p i ) h a sb e e np a i da j t t e n t i o nt oa s an o v e l m a t e r i a l 1 nt h i ss t u d y ，w ep r e p a r e da c e t i ca c y l a t e ds p la n dc a r b o x y lp r o p i o n y i a t e d s p l ( c p s p i ) u s i n ga c e t i ca n h y d r i d ea n ds u c c i n i ca n h y d r i d e t h ed e g r e eo fa c y l a t i o n o fs p lw a sc o n f o r m e db yt h en i n h y d r i n b a s e dm e t h o da n dt h ec o n d u c t i v i t y b a s e d m e t h o d a n dt h ec h a n g eo fs t t l j c t u r ew a sc h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r n li n f r a r e d s p e c t r o m e t e r ( f t i r ) a n dt h e nw ed e t e r n l i n e dt h ei s o e l e c t r i cp o i m ( i e p ) ，r e l a t i v e v i s c o s i t y ；s o l u b i l i t y ；c o n d u c t i v i t y ， a n dg e lp r o p e r t i e s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a td e g r e eo f a c y l a t i o n ( d a ) o fs p ii n c r e a s e da l o n gw i t h t h er e a c t i o nt i m ea n dt h eq u a n t i t yo fa n h y d r i d e w ea l s of o u n dt h a tt h ed e g r e eo f a c y i a t i o nh a dc l o s er e l a t i o nw i t hp h ，w h i c hw a sl a 玛e s ta tp h12 t h ec h a n g eo fs ol u b ili t yo fa c e t i ca c y l a t e ds p i 、 ，a 【sn o tv e 叫b i ga n dt h ed e c r e a s e d i s o e i e c t r i cp o i n tw a sg o t t e n ，h o w e v e r ，a c e t i ca c y l a t e ds p ie n h a n c e dt h ea q u e o u s s o l u b i l i t yo fn a t i v es o yi s o l a t e c p s p ii m p r o v e dt h es o l u b i l t yo fu n m o d i n e ds p ii n n e u t r a la n db a s i cc o n d i t i o n ，a l t h o u g hi ti sa l m o s tt h es a m ei nt h ea c i d i cc i r c u m s t a n c e t h ec h a n g eo fi e pi sn o ta sn o t a b l ea st h ea c e t i ca c y l a t e ds p i w eg o tt h eg e l sw i t h g o o ds w e l l i n ga b i l i t yu s i n gt h ec r o s s “n ko fg l u t a r a l d e h y d e ( g a ) w 色a l s of o u n dt h a tt h em o l e c u l a r - w e i g h ta v e r a g eo fn u m b e rc o u l db ec a l c u l a t e db y t h en i n h v d r i n - b a s e dm e t h o do rc o n d u c t i v i t y b a s e dm e t h o d t h er e s u l t so fd ab a s e d o nn i n h y d r i nm e t h o dw e r en o tb i g g e rt h a n5 c o m p a r e dw i t ht h ec o n d u c t i v i t y - b a s e d m e t h o d ，a n df o r t h em o l e c u l a 卜w e i g h t ，t h ed i f f e r e n c ew a sn o tm o r et h a n2 1 娅yw o r d s ：a c e t i ca c y l a t e ds o y b e a np r o t e i ni s o l a t e d ( a s p i ) ，c a r b o x y lp r o p i o n y l a t e d s o y b e a np r o t e i ni s o l a t e d ( c p s p i ) ，s o y b e a np r o t e i ni s 0 1 a t 吐a c e t i ca l l h y “d e ，s u c c i n i ca n h y “d e ， r e l a t i v ev i s c o s i 坝s o l u b i l i 吼g e l ，p r e p a r a t i o n ，s 仃u c t 盯e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：翟神避 签字日期： 2 。1 年3 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤奎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：程辑茜 签字日期：2 。町年3 月f 日 蕲签测 签字日期似年、月1 日 第一章绪论 1 1 大豆蛋白 第一章绪论 1 1 1 大豆蛋白质的资源状况 大豆蛋白质( s o y b e a np r o t e i n ，s p ) 可以由提取食用油脂之后的大豆副产品( 饼 粕) ，也可以由制取豆浆、豆奶后的副产品( 豆渣) 制备。大豆起源于古代中国， 是适应性很强的作物，在世界上有广泛的种植区域和面积，其高蛋白质含量提供 了丰富的植物蛋白原材料资源。据来自、删w b i c i f c o n e t2 0 0 4 1 2 1 的报道， 2 0 0 3 2 0 0 4 期间，南美大豆产量已超过1 亿吨，约占世界总产量的4 3 ，也就是 说世界大豆总产量已接近2 亿5 千万吨，这相当于现在每年可产出约l 亿吨的大 豆蛋白。而且，大豆产量仍具有巨大的增长潜力。这种可重复生产的资源将会给 以大豆分离蛋白为基的生物可降解材料提供源源不断的可再生资源1 1 剖。 1 1 2 大豆蛋白产品的种类和生产方法 大豆蛋白的主要工业产品有：脱脂大豆粉( d e f a n e ds o yf l o u r ，d s f ) 、大豆浓 缩蛋白( s o yp r o t e i nc o n c e m r a t e d ，s p c ) 和大豆分离蛋白( s o yp r o t e i ni s o l a t e d ，s p i ) 。 脱脂大豆粉( d s m ) 含蛋白质4 0 6 0 和油脂小于1 蟛4 。5 ，7 】，它可由大豆压 榨去油后的豆饼直接粉碎制备或经进一步浸出、脱溶后的油粕粉碎得到。一般其 粒度小于1 0 0 目p j 。 浓缩大豆蛋白( s p c ) 含有6 0 7 0 的大豆蛋白质。一般它可以在大豆脱脂 后采用热水或醇溶解处理、或在溶液中经等电点( p h = 4 2 4 6 ) 沉淀分离而得 到【4 ，5 】。 大豆分离蛋白( s p i ) 是工业大豆蛋白产品中最主要的产品，具有很高的功 能活性。其蛋白质含量达到9 0 9 5 蜊4 5 j ，主要由7 s 和1 1s 球蛋白组成。根据 k i n s e l l a 【9 发表的数据，经过超速离心分离所得到的s p i ，2 s 、7 s 、1 1s 和l5 s 的含 量分别为8 、3 5 、5 2 和5 。目前，我国已有数十家生产制造厂。大豆分 离蛋白的可采用如下工艺制备：将脱脂大豆粉分散在热水中，将不溶性多聚糖分 离出去；再经酸调节到等电点，沉淀分离出高纯度的大豆蛋白( 因其沉淀物主要 第一章绪论 为大豆蛋白，故称为大豆分离蛋白) 。在等电点不沉淀的多是可溶性碳水化合物。 由于s p i 的蛋白质含量接近1 0 0 ，故s p i 也称为大豆蛋白( s p ) 。 1 1 3 大豆蛋白质的化学组成和分子结构 s p 是在大豆植物生长过程中由氨基酸聚合而成的大豆聚肽。由于生长时间 和条件的差异，形成的蛋白质具有很宽的分子量分布和不同的氨基酸组成序列的 分子结构【4 ，5 1 。所以，s p 是一种蛋白质混合物。s p 的各种蛋白质组分的化学结构 可由图1 1 表示： o o o o 丛一；j 一岂一丛一村一岂一址一对一岂一丛一。h c n c c n c c 。一n c c o h i1i r 1r 3 r n 图1 - 1 大豆蛋白质的分子式 f i g 咀e1 - 1t h em o l e c u l a rf - 0 r m u l ao fs o y b e a u lp r a t e i n k i n s e l i a 【9 1 等研究表明，s p i 主要含有十八种氨基酸( 表1 1 ) 。按照这氨基酸 残基的极性、酸碱性可将它们分为： 1 中性氨基酸 这类氨基酸一般只含有一个氨基和一个羧基的氨基酸。按其r 基团是否带 电荷和有无极性，又可分为两类： ( 1 ) 非极性中性氨基酸 r 基团不带电荷，无极性，具有疏水性的中性氨基酸，均属于非极性中性氨 基酸。 ( 2 ) 极性中性氨基酸 r 基团有极性，但不能解离或解离极弱，并具亲水性。 2 酸性氨基酸 此类氨基酸含有两个羧基一个氨基，其r 基团有极性。在中性溶液中，羧 基完全解离呈酸性，使分子带负电荷，亲水性强。 3 碱性氨基酸 此类氨基酸通常含有两个氨基一个羧基，其r 基团有极性，在中性溶液中 这些基团可质子化，呈碱性，使分子带正电荷，亲水性强。 氨基酸也可按有机化合物分类，分为脂肪烃氨基酸、芳香烃氨基酸( 酪氨酸、 苯丙氨酸) 、杂环烃氨基酸( 色氨酸、组氨酸、脯氨酸) 。脂肪烃氨基酸又可分为 中性、酸性( 天冬氨酸、谷氨酸) 和碱性氨基酸( 赖氨酸、精氨酸) 。中性氨基 hii 一 叫 第一章绪论 酸按r 基的结构不同，又可分为含侧链烷基的( 缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸) ， 含羟基的( 丝氨酸、苏氨酸) ，含硫的( 半胱氨酸、甲硫氨酸) ，含酰胺基的( 天 冬酰胺、谷氨酰胺) 以及最简单的甘氨酸和丙氨酸。 极性氨基酸残基( 如：谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸等) 赋予了s p 良好的亲 水性；而非极性氨基酸( 如：亮氨酸残基等) 使得s p 具有亲油性。高密度的氨 基酸残基包含有氨基、羧基、脂肪羟基、芳香羟基、巯基、咪唑基等反应活性残 基与聚肽链的端氨基、端羧基一起为s p 提供了丰富的反应活性位点。这些反应 活性残基与聚肽链的端氨基、端羧基一起为s p 提供了多种化学改性途径，使蛋 白质有可能制备成具有不同性质的聚合物材料。 表1 1 大豆蛋白质和大豆分离蛋白的氨基酸含型5 】 t a b l e1 - 1 c o n t e mo fa t l l i n 伊a c i d si ns o y b e a na n ds o y b e a i lp r o t e i ni s o l a t e d ( s p i ) 甘氨酸 丙氨酸 非 缬氨酸 极 件 亮氨酸 异亮氨酸 氨 甲硫氨酸 基 苯丙氨酸 酸 色氨酸 h 2 n c h 2 一c o o h h 2 n c h ( c h 3 ) 一c o o h h 3 c c h ( c h 3 ) c h ( n h 2 ) 一c o o h h 3 c - c h ( c h 3 ) c h 2 一c h ( n h 2 ) c o o h c h 3 一c h 2 一c h ( c h 3 ) c h ( n h 2 ) - c 0 0 h c h 3 - s c h 2 一c h 2 - c h ( n h 2 ) - c o o h c 6 h 5 c h 2 - c h ( n h 2 ) 一c o o h p h - n h c h = c - c h 2 - c h ( n h 2 ) - c o o h 脯氨酸 4 75 3 n h ( c h 2 ) 3 c h c 0 0 h 不丝氨酸 5 o 5 5 h o c h 2 - c h ( n h 2 ) c o o h 带苏氨酸4 35 5 c h 3 一c h ( o h ) c h ( n h 2 ) c o o h 极 曼酪氨酸 3 4 3 7 h o p p h c h 2 c h ( n h 2 ) c o o h 何 性 半胱氨酸 1 5】o h s c h 2 c h 州h 2 ) c o o h 氨谷氨酸l7 22 0 5 h o o c - ( c h 2 ) 2 - c h ( n h 2 ) - c o o h 基 带天冬氨酸l1 3 11 9 h 2 n c o c h 2 c h ( n h 2 ) 一c o o h 酸 电赖氨酸 5 76 1 h 2 n ( c h 2 ) 4 c h ( n h 2 ) c o o h 荷精氨酸7 07 8 h n = c 州h 2 ) - n h ( c h 2 ) 3 c h ( n h 2 ) c o o h 组氨酸 2 62 5 n h c h ；n c h ；c c h ! c h 州h 2 ) 一c 0 0 h 9 8 7 9 4 4 4 4 4 7 4 l 5 1 6 5 8 3 7 8 4 4 4 6 4 1 4 1 第一章绪论 1 1 3 1 大豆蛋白的四级结构 大豆蛋白( s p ) 是一种具有高分子量和一定结构规整形的天然生物高分子。 如其它高分子一样，它的物理性质、化学性质和材料性能在很大程度上取决于其 分子结构和聚集态。但作为种来自植物的大分子，其分子结构和聚集态取决于 基因和生理特征、生长条件以及由小分子聚合生成聚肽的生物过程。研究表明， s p 由乳清蛋白和球蛋白组成，具有一般蛋白质所具有的四级结构，但具体结构 取决于多肽链段的三维聚集态，且随环境条件而变化18 i 。 蛋白质分子中多肽链的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构，它决定着蛋 白质分子的二级、三级等高级结构。蛋白质分子的一级结构是由基因上遗传密码 的排列顺序决定的。肽键是蛋白质分子的主要共价键。除此以外，在某些蛋白质 分子一级结构中，尚有肽链间或肽链内的二硫键。蛋白质分子中氨基酸的排列是 十分严格的，每一种氨基酸的数目与其序列都是不能轻易变动的，否则就会改变 整个蛋白质分子的性质与功能。由于蛋白质的一级结构决定高级结构。因此，了 解蛋白质的一级结构是研究蛋白质分子结构的基础。 在自然条件下，蛋白质分子的多肽链并不以完全伸展的线性形式存在，而是 折叠、盘曲成特定的空间结构。这种空间结构称为蛋白质的构象。蛋白质的空间 构象按其肽链的折叠、排布方式和构象的复杂程度，将其分为二级、三级和四级 结构。 蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子在各局部空间的排列分布状况，而 不涉及各r 侧链的空间排布。在所有己测定的蛋白质中均有二级结构的存在， 主要形式包括螺旋结构、d 折叠和d 转角等。 构成蛋白质二级结构( 即主链构象) 的基本单位是肽键平面或称酰胺平面。 肽键具有双键性质，不能自由旋转而成平面结构。此平面结构两侧的、与a 碳原 子相连的单键则可自由旋转。经过折叠、盘曲可形成a 螺旋和p 片层结构。 1 a 一螺旋 在a 螺旋中肽链如螺旋样盘曲上升，每旋转一圈为3 6 个氨基酸残基，其中 每个氨基酸残基升高0 1 5 n m ，螺旋上升一圈的高度( 即螺距) 为o 5 4 n m ( 3 6 n m x o 1 5 n m ) 。 每个氨基酸残基的一n h 一与间隔三个氨基酸残基的= c = 0 形成氢键，每个肽 键的= c = 0 与一n h 一都参加氢键形成，因此保持了c 【螺旋的最大稳定性。绝大多 数蛋白质以右手a 螺旋形式存在。 2 良折叠结构 它是两条肽链或一条肽链内的各肽段之间的= c 一0 与一n h 一形成氢键而成。 两肽链可以是平行的，也可以是反平行的。 4 第一章绪论 b _ 、量昙、五丑：主、- 1 巨垂至吁一、罢，a 。一 函一斗主 r c t t 平i t l 罢f o l 多肽链除此两种局部折叠形式外，还有d 转角( p t u m ，或称p 发夹结构) 和无规卷曲( r a n d o mc o i l ) 等。 蛋白质的三级结构是指上述蛋白质的a 螺旋、阻折叠以及线状等二级结构受 侧链和各主链构象单元间的相互作用，从而进一步卷曲、折叠成具有一定规律性 的三度空间结构。蛋白质的三级结构包括每一条肽链内全部二级结构的总和及所 有侧基原子的空间排布和它们相互作用的关系。稳定三级结构的因素，除了主键 肽键外，还有副键，如氢键、盐键、疏水键和二硫键等以及范德华力的作用一引。 由两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互结合而成一定空 间结构的聚合体，称为蛋白质的四级结构j 引。只由一条多肽链构成，或由两条 以上多肽链通过共价键连接而成的蛋白质，都不是具有四级结构，如胰岛素。构 成四级结构中，每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基。这些亚基的结构可以 是相同的，也可以不同。亚基间的聚合力也是依赖于盐键、氢键、疏水键作用和 范德华力。但以前两者为主。各亚基常以a 、p 、n6 等命名。 1 1 4s p 材料的物理性质 1 1 4 1s p 的热塑性 s p 已经被证明是热塑性的，在热、剪切力、压力、增塑剂等作用下可以熔 融流动1 9 。2 2 1 。模压【2 2 】、挤出【2 3 2 5 1 、注射2 7 ，2 9 1 等各种材料成型加工方法已被用来 制备大豆蛋白材料。而工艺条件对材料性能的影响是不可忽视的。s u n 和m o p 叫 等系统分析了s p 材料的模压加工条件对力学性能的影响，发现s p i 的含水量为 5 时，最适合的模压成型温度、压力和时间分别为1 5 0 、2 0 m p a 、5 m i n ，样 品拉伸强度达到4 2 m p a 。然而，其吸湿率很高，在水中浸泡2 h 、2 6 h 后，吸水 率分别达到5 0 和1 6 7 ，t o 咖g u z o v 等【2 1j 研究了s p 材料挤出加工和性能的关 第一章绪论 系，发现s p 在较高的温度和挤压、剪切作用下，蛋白质分子间的交联、二硫键 可能被劈裂，但随后又会重新组合，结果使其产生熔化流动，呈现热塑性。 1 1 4 2s p 材料的力学性质的稳定性 为了考察水、甘油增塑的s p 材料随时间的力学性质的稳定性，m o 和s u n 【3 l j 研究了s p 材料性能一储存时间的关系。他们发现，水和甘油增塑的样品在储存 期间均产生机械性能下降。而且，开始时有一个快速时效速度。甘油增塑的s p 材料在6 0 天之后变得十分稳定，但拉伸强度下降约5 0 ，稳定在8 8 m p a 。而断 裂伸长率变化不大，而用2 m 尿素处理的s p 材料有一个较慢的时效速度，在6 0 天之后趋于稳定，但拉伸强度增加约5 0 ，断裂伸长率却下降5 0 。 1 1 4 3 溶解性 由于s p 分子的双亲性结构，导致其具有水溶性、醇溶性和溶于某些有机溶 剂。其水溶性受蛋白质自身结构、溶液酸碱度、离子强度和温度等因素影响。在 1 1s 大豆蛋白质中，包含三种酸性亚基，等电点分别为p h 8 0 、p h 8 2 5 和p h 8 5 。 酸性亚基含有三种不同的n t e m i n a l ( n 一端) 氨基酸蛋白质，如亮氨酸、异亮 氨酸、苯丙氨酸等。碱性亚基仅含有一种端基一氨基乙酸。在p h 5 4 7 之间， 1 1s 比7 s 的溶解度下降的快，这样可以分离1 1s 和7 s 。在强酸溶液和p h 9 5 的 碱性溶液中s p 具有好的溶解性，1 1s 被加热到8 0 ，发生沉淀。但加入7 s 后将 阻止碱性亚基沉淀。大豆蛋白的溶解度一般有两种指标表示：氮溶解指数n s i 和分散度指数p d i 。n s i 定义为水溶解的氮量总氮量，而p d l 定义为水分解蛋 白量总蛋白质量。溶解性在大豆蛋白材料制备中有重要作用【1 叽1 4 】。 1 1 5s p 材料的化学性质 s p 具有一般蛋白质的化学性质，可发生水解、热裂解、硫醇化、氧化、酰 化、还原烷基化、磷酸化、硅烷化、交联、接枝共聚等多种反应。 1 1 5 1 解聚、重聚和变性 环境介质的性质发生变化时，s p 将产生可逆或不可逆的解聚或变性。引发 这样的变化的因素有很多，如温度、压力、机械作用、酸碱性、离子强度、还原 剂浓度、有机介质其它共聚物等。解聚是指由于蛋白质一蛋白质分子间或肽链之 间的相互结合作用力被破坏而导致的聚集态结构发生变化。变性可能仅仅使大豆 第一章绪论 球蛋白的四级结构发生改变，也可能使大豆蛋白寡聚体被离解为分子量较小的蛋 白质或亚基。 如在p h 7 5 、离子强度在0 5 0 1 之间时，可假定由于受到静电 力的作用，1 1 s 能够以可逆聚集的聚合物存在；但离子强度变为0 o l 时，将导致 它解离成7 s ( 一个含有六个亚基的三聚体) 和3 s ( 一个碱性亚基和一个酸性亚 基构成的二聚体) ，并解折型m 1 6 ，3 2 1 。 1 1 5 2 碱对大豆球蛋白的影响 碱对大豆球蛋白的变性作用的研究较为深入。关于四级结构的逐步分解也被 报道了。7 s 及1 1 s 的球蛋白在p h1 1 以上时沉降速度降低到2 s 左右。对于分解 的机理有两种看法。第一种看法认为是由于肽链普遍的去折叠和并发硫氢琉氢一 二硫的交换。第二种看法认为分离了的亚基，即使是在p h1 2 8 时，还能保持疏 水核心。最近，关于大豆球蛋白的n m r ( 核磁共振分析) 的结果支持后一种看法， 因为其谱线即便是在p h1 1 1 2 时也与随机线圈的谱线相差很远1 3 引。 图1 2 大豆蛋白的碱变性嗍 f i g u r e1 2d e n a l t r a t i o no fs p ii n d u c e db yb a s e 1 1 6s p 材料存在的问题及解决方法 s p 具有热塑性，尤其是在增塑剂存在下，可制备生物降解材料。但s p 的 分子特征、强烈的氢键和自组装作用、高亲水性也给s p 基材料带来了几个普遍 存在的问题： ( 1 ) 可加工性差，不添加增塑剂时，软化温度高，流变阻力大，制品刚而脆。 o o l_。一cj_c一一n工u-o上一ac小匕_一】，一n工o-o c一口c小匕一一 第一章绪论 ( 2 ) 耐水性、耐湿性和力学性质稳定性差。在潮湿环境中，机械强度和刚度下 降很快，使用寿命短。 ( 3 ) 在改性过程中，耐水性、耐湿性、力学性质稳定性和强度、刚度等性能往 往呈现相反的变化趋势，使改性措施很难同时获得良好的力学性能和耐水性、耐 湿性及力学性质稳定性。 s p 具有优越的应用价值和生理功能。至今，主要被用作食品和动物饲料。 但从大豆蛋白质到动物蛋白的转化率仅为3 0 左右。但氨基酸残基和氨基、羧 基、羟基、巯基、咪唑基等使其具备了丰富的反应性位点和功能，可以形成大量 的分子内和分子间氢键，使其组装呈性能各异的四级结构。利用这些高密度的化 学反应位点、肽键、氢键组装和丰富的四级结构，采用一定的化学、物理、酶法 处理，可改变其化学结构和聚集态结构，使其成为具备各种不同的功能性质和一 定的物理机械性能的材料。但过去，关于s p 制备在材料方面的研究主要集中在 可食用蛋白质包装薄膜和食品保鲜涂膜、可食用凝胶以及基于s p 的黏合剂、涂 料等方面的研究与应用。但在最近几年，才有几个研究组报道了他们关于s p 生 物可降解材料的工作。 尽管研究者已经采用改性措施，探索了改性这些问题的途径，但这与s p 材 料的实际应用要求还有较大的差距，需要更多、更广、更深的研究。 1 s p 的增塑 没有增塑剂的干燥s p 材料是刚性且脆性的，所以增塑剂对s p 的增塑和改 性作用是许多研究者关注的重点。p a e t a u 和j a n e 【2 6 1 等研究了水分含量、酸处理和 加工温度对s p 材料机械性能的影响。通过对1 2 5 下模压制备的s p i 材料样品 的测定，发现当含湿量低于7 1 时，样品刚而脆，拉伸强度与聚苯乙烯相当， 杨氏模量却接近于16 0 0 m p a 。而经过盐酸在等电点沉淀处理的s p 制备的材料样 品的拉伸强度可达到3 4 m p a 、屈服强度可达4 9 m p a ，而丙烯酸处理的s p c 的拉 伸强度和屈服强度则分别达4 0 m p a 和5 9 m p a 。且在1 4 0 1 6 0 的模压成型制备 的样品在1 4 0 以下制备的样品具有更高的拉伸强度。他们认为，这是由于温度 升高改善了蛋白质链段的运动能力和相互作用。并发现水分不仅是s p 材料的增 塑剂，其含量对材料的机械强度、刚度和伸长率有很大的关系。当水分超过1 2 5 后，强度和刚度急剧下降到很低的水平。然而，其吸湿性最高可达7 1 6 9 。 j a n e 等研究多元醇增塑s p 时发现 ”36 i ，乙二醇、甘油、丙二醇与s p i 共混后， 塑性明显改善。含3 0 乙二醇、甘油的样品的断裂伸长率分别达到4 0 0 和3 3 0 ，但拉伸强度降低到较低水平。并且，随c 原子数增加，多元醇增塑效果下 降，揭示了甘油是s p 材料的良好的增塑剂。并发现，甘油增塑的s p 材料耐水 性高于水增塑的s p 材料。 z h a n g 和j a n e 2 4 】等报道，以甘油或甲基葡糖苷和水共同增塑s p ，先在 第一章绪论 6 0 1 1 5 的温度下挤出造粒，然后在1 2 0 1 6 0 的温度下挤出成型，制备出较好 综合机械性能的s p 材料板。当s p l ：水：甘油之比为1 0 0 ：8 0 ：2 0 时，其断裂 强度和延伸率分别达到2 9 6 m p a 和7 4 ；而保持前两组分不变，仅甘油增加到3 0 份时，其断裂强度和延伸率为1 4 m p a 和1 3 3 。若继续增加甘油量，尽管断裂 伸长率增加，但强度降低到较低的水平。由于挤出过程中有较高的温度、压力和 剪切力能够导致蛋白质解聚和重聚，活性功能基团暴露给共混物、添加剂，所以， 在s p 的挤出加工中，添加还原剂巯基乙醇、碱金属亚硫酸盐等，将促进分子间 的、甚至分子内二硫键的断裂，发生不可逆变性，制品颜色变浅，透明性增加。 这一结果也显示，反应性挤出是s p 材料的一种有效改性手段。 尽管s p 有高的模量和一定强度，并可以通过水、多元醇等增塑使其具有良 好的柔韧性，但上述研究结果充分表明，在高湿环境和水存在的条件下，其强度 随时间和吸水率的增加而迅速恶化，以至于在一般条件下难以应用或无法保持使 用要求的力学性能。 2 大豆蛋白化学改性 作为食品应用的蛋白质的功能特性系指对人们所期望食品特征产生影响那 些物理化学性质，它对于食品或食品成分在制造、加工或保藏中物理性质起着重 要作用。蛋白质功能性质包括以下几个方面： ( 1 ) 水合性质，取决于蛋白质与水的相互作用，如溶解性，持水性，粘度等； ( 2 ) 表面性质，主要包括蛋白质乳化性和起泡性等； ( 3 ) 蛋白质与蛋白质相互作用，体现在蛋白质凝胶作用和成膜性等。这些特性与 其作为材料的特性有相通之处，也有其特殊性。 食品蛋白质功能特性改善是目前该领域研究热点，改性方法包括物理、化学 和酶法改性等。从分子水平看，改性实质是切断蛋白质分子中主链或是对蛋白质 分子侧链基团进行修饰，从而引发蛋白空间结构和理化性质改变，使蛋白功能特 性和营养特性得到改善。其中化学改性和酶法改性是研究、应用较多改性方法， 化学改性具有简单、应用广泛和效果显著特点。以下就国内外食品蛋白质化学改 性技术作一下回顾。 蛋白质化学改性主要是对其多肽中一些氨基( - n h 2 ) 、羟基( o h ) 、巯基( s h ) 以及羧基( c o o h ) 进行改性，从而起到改善其各项功能特性，包括溶解性、表面 性质、吸水性、凝胶性及热稳定性等【3 叫3 1 。其实质是通过改变蛋白质的结构、静 电荷、疏水基团，从而改变其功能性质。食品蛋白质化学改性方法，包括酰化、 脱酰胺、磷酸化、糖基化( 即美拉德反应) 、共价交联、水解及氧化等方法。 j a n e 和p a e t a u 等吲报道了用甲醛、戊二醛、脂肪酸酐乙酸酐交联改性s p 材料研究。结果显示，醛交联s p 可以提高耐水性，并增加拉伸强度，但原本较 第一章绪论 低的塑性更加恶化。而酸酐交联使样品的各项机械性能均变坏。忱等【3 8 】研究了 乙二醛交联s p 材料的力学性能和在胶原酶中的降解性。发现降解速度受制于交 联度。认为此类材料可用于承载或短时间的组织支架。z h a n g 和j a n e 掣2 5 】利用 d m s 研究了甘油一水增塑和交联对s p 的影响。结果发现，在挤出加工中，交联 反应发生。结果导致了s p 材料的玻璃化温度伴随湿含量从2 6 降到2 6 而在 7 1 到3 5 之间变化。 ( 1 ) 水解 在酸、碱作用下，s p 肽链可发生断裂而分解成为较小的分子。在水解酶的 作用下，大豆蛋白同样会解离为分子量较小的多肽，进而分解成氨基酸，而氨基 酸又能作为微生物合成新细胞质的原料，或被某些细菌用作能源与碳源物质，维 持基体的生长。适度的水解可改变s p 的反应活性以及象溶解性、乳化性、界面 性质、分子运动能力等物理性质。这为适应不同用途的材料要求提供了条件，也 是s p 基材料生物降解的主要途径h 4 4 7 。5 0 1 。蛋白质水解可拓宽其应用范围，采用 酸水解可用于加工一些廉价粗原料。酸水解会引起一些氨基酸( 如色氨酸、丝氨 酸、苏氨酸及一些含硫氨基酸) 异构化及破坏。 ( 2 ) 热裂解 s p 热解是在足够热度( 温度) 作用下分解成较小蛋白质分子、多肽或小分 子的反应。主要与s p 主链肽键的键能有关。关于s p 热裂解机理的研究报道很 少，仅有个别的报道提到其热分解温度和分解产物【5 1 1 。但在s p 基塑料制备中， 有时成型温度较高，是否发生热解以及对材料性能的影响尚有待研究，以便利用 热解改性或避免其不良影响。 ( 3 ) 硫醇化作用 s p 的二硫键在还原剂作用下可发生硫醇化还原反应，这将减少二硫键含量， 使s p 的折叠构象由球状向伸展状变化。结果，可改变其溶解度、凝胶性、乳化 性、界面亲和性等性质，并增加了分子链的柔韧性。h u a n g 、s u n l 5 2 ”j 用尿素、 盐酸胍作为还原剂，改善了大豆蛋白粘合剂的表面亲和力，改进了粘结强度和剪 切强度。但由于还原剂的作用，减弱了蛋白质的内聚能，降低了材料的强度。如 用n a 2 s 0 3 可增加s p l 的流动性、但降低了s p 塑料的机械强度。 ( 4 ) 氧化作用 氧化大豆蛋白质半胱氨酸的巯基可获得含有胱氨酸的氧化大豆蛋白质，改善 分子的柔韧性、乳化性、凝胶性、表面性能等。r o c k v i l l e l y 【5 5 】利用这种氧化作用 可以改善s p 粘合剂与玻璃纤维的粘结强度。 ( 5 ) 去酰胺 通过去除此类蛋白质酰胺基团，可使其获得良好溶解性、乳化性及发泡性。 1 0 第一章绪论 蛋白质化学去酰胺作用可通过以下二种机制进行：( 1 ) 酸或碱催化下水解；( 2 ) p 一 转变机制( p s h i rm e c h a n i s m ) 。前者研究较多，后者通过产生不稳定琥珀酰亚胺中 间物，立即被水解从而产生一个“异头肽”( i s o p e p t i d e ) 。以下就前一种机制改性植 物蛋白质作一叙述。 采用温和酸水解去酰胺作用可有效提高大量植物蛋白功能特性，包括大豆蛋 白【5 6 】、谷蛋白( g l u t e n ) 5 7 1 和燕麦蛋白质侧等。其中，c h a n 和m a 采用酸水解对 大豆粕去酰胺作用进行研究，结果显示，改性后溶解度显著增加，乳化性及起泡 性也有所提高；进一步研究显示，此类功能特性变化是由于一些物化性质，如分 子量、净电荷及表面疏水度等下降缘故。除酸水解方法去酰胺外，还有许多其它 方法。卢寅泉掣6 0 j 报道选用0 0 1 x 7 树脂作为脱酰胺剂，对花生进行脱酰胺处理。 据称，蛋白去酰胺程度可达3 0 1 ，且经处理后蛋白溶解性提高，等电点下降， 其乳化性及起泡性都有明显改善。吴向明等【6 l ，6 2 】采用磷酸二氢钠和磷酸氢二钠对 大豆蛋白进行去酰胺改性，结果显示改性后大豆蛋白等电点随去酰胺程度增加， 向低p h 移动，大豆蛋白功能性质均有不同程度改善。 另外，若以0 0 8 mn a o h 作用于小麦面筋蛋白，加热进行去酰胺作用，可使 面筋亲水性、功能特性增加。用碱催化去酰胺改性鲜有报道，这种方法虽速度快， 但使蛋白质中氨基酸发生消旋作用，使必需氨基酸l 一对映体减少和消化率降 低，并产生赖丙氨酸，毒理研究表明，它对小鼠肾有毒害作用1 6 引。 谷氨酰胺脱氨作用频率和速率远小于天门冬酰胺。这可能是由于侧链氨基与 肽链氮距离不同而引起。一些学者认为，侧链氨基与肽链形成氢键有利于增加脱 酰胺作用。另外，在一定温度范围内，虽碱性去酰胺较酸法去酰胺速度要快，但 碱性去酰胺会破坏c y s ，形成赖氨酰丙氨酸。 ( 6 ) 还原烷基化 s p 的赖氨酸侧链可与醛希夫碱发生反应，再用硼氢酸钠还原希夫碱，可得 到稳定的衍生物【l4 | 。 ( 7 ) 磷酸化及其应用 磷酸化反应是在s p 活性基团丝氨酸的羟基和氨基、苏氨酸和赖氨酸的氨基 引入磷酸根基团制得磷酸化蛋白的过程。利用这种方法可以改善s p 的水溶性、 持水能力、乳化性、凝胶性和流变性等功能性质。实用的磷酸化试剂主要是p o c l 3 和三聚磷酸钠( s t p ) 。p o c l 3 与水发生放热反应，产生强酸，可导致蛋白质变性。 在使用p o c l 3 进行磷酸化改性常常需要将其先溶于有机溶剂，然后缓慢添到蛋白 质溶液中。m e d i n a 等【6 4 】研究发现，磷酸基增加了蛋白质的净负电荷，使蛋白质 具有更好的凝胶性。蛋白质磷酸化作用是指无机磷酸( p ) 与蛋白质上特定氧原子 ( s e r 、t h r 、1 w 的一o h ) 或氮原子( l y s 的芎一氨基，h i s 咪唑环l ，3 位n ，a 唱胍基 第一章绪论 末端n ) 形成一c o p i 或一c - n p i 酯化反应。在食品体系中常用的为前者， 常用磷酸化试剂有磷酰氯( 或三氯氧磷，p o c l 3 ) 、五氧化二磷和多聚磷酸钠( s t m p ) 等，其中后者是f d a 允许使用食品添加剂。磷酸化作用能改善诸多蛋白溶解性、 吸水性、凝胶性及表面性能，如使用p o c l3 进行磷酸化作用，可提高酪蛋白、 乳清蛋白、大豆蛋白凝胶形成能力，而s t m p 处理，可增加大豆蛋白在酸性条 件下溶解性和乳化能力。 姚玉静等【6 5 】采用s t m p 对大豆蛋白进行磷酸化改性研究，结果显示，改性 后大豆蛋白等电点向酸性区域迁移，其乳化性、溶解性及持水性也有明显提高。 田少君等陋】采用三氯氧磷对大豆分离蛋白进行磷酸化改性，发现改性后大豆分 离蛋白溶解性和凝胶性得到较大提高；同时还发现其等电点由4 5 漂移到3 0 左 右，并在3 o 左右时，磷酸化分离蛋白溶液粘度也得到一定提高。 ( 8 ) 硅烷化作用 利用侧链氨基的反应活性，s p 可与环氧基硅烷化合物作用。由于这种硅烷 化改性作用引入的烷氧基易于和羟基作用，故可改进s p 与结构单元含羟基的聚 合物的作用。如l i a n 2 等【6 7 l 利用引入的硅氧基作为偶联剂，使其与玻璃纤维表面 的羟基偶联，强化大豆蛋白基质与玻璃纤维的界面粘结强度，制造了大豆蛋白质 玻璃纤维复合材料。 ( 9 ) 化学交联 通过一定化学试剂或催化剂，使蛋白质分子内或分子间产生交联反应 ( c r o s s 1 i n k i n g ) ，从而起到改善蛋白质功能特性目的。目前，有关蛋白质化学交 联报道还甚少，仍以美拉德反应交联为主。众所周知，蛋白质与糖类反应经常会 导致前者溶解度下降，现在已知这是由于发生美拉德反应导致蛋白质分子聚合缘 故。h i l l 等 6 8 】证实以干粉状态存在卵清蛋白与一系列糖类共存会发生交联反应。 经美拉德反应交联后，蛋白质凝胶特性及凝胶保水性得到显著提高，且在还原糖 存在下可使较低浓度蛋白溶液发生交凝，有关这一点对于食品凝胶体系显得非常 重要。最近，l e d e r e r 等【6 9 7 0 分别研究几个蛋白质一糖体系，分离并鉴定到蛋白 质与糖类共价单位，这为美拉德反应化学共价交联提供理论基础。 f a y l e 等【7 1 】研究采用去氢抗坏血酸( d h a ) 及其降解产物对蛋白质进行交联， 以i 酬a s ea 作为模型蛋白，结果显示，在类似食品加工温度范围内，该交联反 应可很快进行；且d h a 降解产物交联活性比其本身更强。进一步研究显示，蛋 白交联反应主要涉及赖氨酸。交联使s p 常用的改性方法，有多种交联剂可用于 s p 的交联改性，如脂肪醛、3 一羟甲基硝基甲烷、二甲醛、二亚硫酸甲醛钠、醛 基淀粉、甘油醛、脂肪族环氧化合物、水溶性铜、铬、锌盐和一些杂环化合物。 大豆蛋白交联可以提高其抗水性、强度。 第一章绪论 ( 1 0 ) 共聚作用 在碱性条件下，s p 可以与丙烯酸单体、阳离子环氧化合物、烯类单体进行 接枝共聚7 6 1 和嵌段共聚。心i n s k i 等阮7 6 1 用氯化三甲基胺、3 一氯2 一羟丙基 丙烯酸酯等加入s p l 的碱溶液中，使之产生接枝共聚，改进了s p i 与丁苯橡胶 的相容性。d y k s t r a 等【_ 7 8 】利用过硫酸氨作引发剂，通过溶液聚合，完成了苯乙烯、 丙烯酸等乙烯单体与大豆蛋白质共聚( 交联或接枝) 。这种改性大豆蛋白可以与 合成橡胶化合。 ( 11 ) 糖基化 食品加工及贮藏过程中，蛋白质氨基与羰基之间共价相互作用( 也称美拉德 反应) 已被广泛研究。已有大量研究显示，这种反应可导致蛋白质一糖体系功能 性变化。自2 0 世纪8 0 年代以来，日本学者k a t o 及其同仁就开始报道多糖与蛋 白质之间共价键合作用。6 0 、湿度 7 5 下，卵清蛋白与右旋糖苷( d e x