（材料学专业论文）大豆分离蛋白的接枝、层层组装及应用研究.pdf

题名：大豆分离蛋白的接枝、层层组装及应用研究 硕士研究生姓名：华菁 导师姓名：刘晓亚 专业名称：材料学 摘要 本文对大豆分离蛋白接枝改性及应用进行了研究。大豆分离蛋白分散在8 m o l l 尿素水 溶液中，在n 2 保护下，以过硫酸铵为引发剂，合成了大豆分离蛋白接枝聚2 丙烯酰胺基2 甲基丙磺酸共聚物( s p i - g - p a m p s ) ，对s p i 以及s p i - g p a m p s 的溶液性质进行了研究； 对可降解大豆分离蛋白膜方面的应用做了初步研究；对以大豆分离蛋白为基质的层层组装 进行了探讨。 用傅立叶红外光谱仪( f r 瓜) 、核磁共振仪( n m r ) 对s p i - g - p a m p s 进行了表征， 证明了聚2 丙烯酰胺基2 甲基丙磺酸已成功接枝到了大豆分离蛋白上。并讨论了引发剂浓 度、单体浓度、变性剂浓度、时间等反应条件对接枝率( 研) 和接枝效率( g e ) 的影 响。结果表明，接枝率( g p ) 和接枝效率( g e ) 在4 h 后达到最大值；随引发剂用量， 变性剂用量，单体用量的增加，接枝率( g p ) 和接枝效率( g e ) 先增加后减小。 用紫外分光光度计( u v ) 研究了s p i , s p i - g - p a m p s 在水相体系中的溶解性，热稳定 性。利用荧光分光光度计研究了s p i ，s p i - g - p a m p s 溶液的表面疏水性。结果表明：与s p i 相比，s p i - g - p a m p s 的水溶性得到提高。尤其在等电点附近溶解性提高约2 0 以上； s p i - g - p a m p s 在水相体系中的稳定性能较好，在相同条件下，加热时间的长短以及加热的 温度对s p i - g - p a m p s 的溶解性影响不大；s p i - g - p a m p s 的表面疏水性( s 0 ) 明显降低，并且 随着接枝率的增加，其表面疏水性下降。 还用动态激光光散射( d l s ) 进一步研究了s p i , s p i - g - p a m p s 在水相体系中对p h 值 的响应性。结果发现：s p i 对水相p h 值具有很高的响应性。大豆分离蛋白平均流体动力学 半径 在等电点附近( p h = 4 ) 达到最大值；接技率为3 5 6 的s p i - g - p a m p s 接枝共聚 物的平均流体动力学半径心在p hz3 时最大，在p h 值2 1 3 范围内s p i - g - p a m p s 胶粒 的 变化不大，在等电点附近无明显聚集。利用z e t a 电位测定仪对s p i ，s p i - g - p a m p s 溶液在不同条件下的z e t a 电位进行了测量并进行了对比分析，结果发现：接枝p a m p s 后 能明显地增加大豆分离蛋白分子表面的电荷，有利于提高大豆分离蛋白在溶液中的稳定性。 浓度和p h 值的变化能够明显改变大豆分离蛋白及其接枝产物在溶液中的z e t a 电位。 在大豆分离蛋白球表面用层层组装技术交替组装阳离子聚电解质聚烯丙基胺盐酸盐 ( n 蝴) 和阴离子聚对苯乙烯璜酸钠( p s s ) 。利用z e t a 电位，紫外分光光度计跟踪组装 过程的迸行。结果表明：阴阳离子聚电解质可以在球蛋白表面发生逐层组装。 最后，以s p i 为主要成膜物质，分别与聚乙烯醇，甘油，明胶共混，用去离子水配制 成膜液，调节p h 值，用流延法分别制成了膜。研究了不同的共混物对膜的性能如抗拉强 度口s ) 、断裂伸长率( e ) 、透光率等的影响。结果表明：聚乙烯醇和明胶均可明显改善膜 的拉伸强度，明胶的改善效果远远优于聚乙烯醇，拉伸强度最大可达到2 0 8 8 6 m p a 。聚乙 烯醇和甘油能改善膜的韧性、提高断裂伸长率，而且两者并用能大大增强大豆分离蛋白膜 的韧性。 关键词。大豆分离蛋白，接枝共聚，2 丙烯酰胺基2 甲基丙磺酸，层层组装，可食性膜 捕要 t i t l e ：s t u d i e so i lg r a f tm o d i f i c a t i o no fs o y b e a np r o t e i ni s o l a t e , l a y e r - b y - l a y e ra s s e m b l ya n d a p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t e ：j i n gh u a s u p e r v i s o r ：x i a o y al i u m a j o r ：p o l y m e r a b s t r a c t t h es y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no fs o yp r o t e i ni s o l a t eg r a f t e dc a ) p o l y m e r sh a v e b e e n i n v e s t i g a t e d s p i - g - p a m p sw a ss y n t h e s i z e di n8m o f lu 舰a q u e o u ss o l u t i o ni n i t i a t e db y a m m o l l i u mp e r s u l p h a t eu n d e rt h ep r o t e c t i o no fn i t r o g e n 2 ) f u r t h e r , t h es o l u t i o np r o p e r t i e so f s p ia n ds p i - g - p a m p s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es o yp r o t e i ni s o l a t ei nt h ef i e l do fs p ie d i b l ef i l m s ， a n dl a y e r - b y - l a y e r g r o w t ho f n a n o p a r t i c l e - p o l y l e c t r o l y t em u l t i l a y e r so ns p iw c a es t u d i e d s p i - g - p a m p sc o p o l y m e rw a sc h a r a c t e r i z e db y i n f r a r e d s p e c t r o m e t e ra n dn u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h ea m p s h a db e e ng r a f t e do nt h es p i t h ei n f l u e n c e o fr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，s u c ha si n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o n , m o n o m e rc o n c e n t r a t i o n , d e n a t u r a n t c o n c e n t r a t i o na n dt i m eo np e r c e n t a g eg r a f ta n dp e r e e n t s g ee f f i c i e n c y , w 肿i n v e s t i g a t e d 1 1 h e r e s u l t sw e r et h a tt h ep e r c e n t a g e 罟m f ia n dp e r c e n t a g ee f f i c i e n c yr e a c h e dt h em a 如u ma f t e rs p i r e a c t e df o r4h o u r s t h ep e r c e n t a g eg r a f ta n dp e r c e n t a g ee f f i c i e n c yi n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e n d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n i t i a t o rc o n c e n w a f i o n , t h em o n o m d c o n c e n u a t i o na n dt h e d e n a t u r a n tc o n c e n t r a t i o n t h es o l u b i l i t y , h e a ts t a b i l i t ya n dh y d r o p h o b i c i t yo fs p ia n ds p i - g - p a m p sh a v eb e e n c h a r a c t e r i z e db yu va n df l u o r e s c e n c e i tw a ss h o w nt h a tt h es o l u b i l i t ya n dh e a ts t a b i l i t yo f s p i - g - p a m p sw e r eb e t t e tt h a ns p i b e s i d e s ，t h eh y d r o p h o b i c i t yo fs p i - g - p a m p sd e c r e a s e d w i t hi t sg r a f t m gp e r c e n t a g e ( 6 黝) i n c r e a s e d t h ee f f e c to f p hv a l u eo nt h es o l u t i o nb e h a v i o ro f s p ia n ds p i - g - p a m p sw a si n v e s t i g a t e d b yd y n a m i cl a s e rl i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er a d i u so fs p ia g g r e g a t e w a sr e l a t e dt ot h ep hv a l u e s t h ea v e r a g eh y d r o d y n a m i cr a d i u so fs p ia g g r e g a t eh a dt h e m a x i l n u l nv a l u ea ti t si s o e l e c t r i cp o i n t ( p h i - 4 ) 硼 a v e r a g eh y d r o d y n a m i cr a d i u so f s p i - g - p a m p sa g g r e g a t ew i t ht h e3 6 5 g r a f t e dp e r c e n t a g eh a dt h em a x i m u m a tp h 妈t h e a v e r a g eh y d r o d y n a m i cf a d i u so fs p i - g - p a m p sa g g r e g a t ed o e sn o tc h a n g eal o ta tt h ep hr a n g e o f2 - 1 3 t h ez e t ap o t e n t i a lo fs p ia n ds p i - g - p a m p sw a ss t u d i e db yz e t as i z e r t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tg f a f tc o p o l y m e r i z a t i o nc o u l di n c r e a s et h ec h a r g eo ft h es u r f a c eo ft h es p i , w h i c h h e l p e dt oe n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h es p is o l u t i o n b e s i d e s ，t h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dp h c o u l dc h a n g et h ez e t ap o t e n t i a lo f t h es p ia n ds p i - g - p a m p ss o l u t i o n s p i n a n o p a r t i c l e s c a nb ec o a t e dw i t h o p p o s i t e l yc h a r 嚣dp o l y e l e c t r o l y t e su s i n g l a y e r - b y - l a y e r ( l b l ) d e p o s i t i o na st h es o l em e t h o d z e t ap o t e n t i a la n du v v i s i b l es p e c t r o s c o p y c o n f i r m e dt h a tp o l y e l e c t r o l y t e sp o l y ( a l l y l a m i n eh y d r o c h l o r i d e ) ( p 邺a n dp o l y ( s o d i u m - 4 - s t y r e n e s u l f o n a t e ) 口s s ) w e r ed e p o s i t e do n t ot h es u r f a c eo fs p il a y e rb yl a y e r t h u sl b lo p e n sa 江南大学硕士学位论文 n e wa n d g e n e r a lr o u t ef o r t h ef u n c t i o n a l i z a t i o no f n a n o p a r t i c l e s t h ee d i b l ef i l m sw e r ep r e p a r e df r o mt h ea q u e o u ss o l u t i o no fs o yp r o t e i ni s o l a t em i x e dw i t h p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) ，g l y c e r o la n dg l u t i n 1 1 1 ee f f e c t so ft h em i x t u r ec o n c e n t r a t i o n0 1 1t h e t e n s i l es t r e n g t ho s ) ，t h ee l o n g a t i o n s ( e ) a n dt h et r a n s p a r e n c yo fs p if i l mw e r es t u d i e d 1 k r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t p v a a n d g l m i n c o u l de n h a n o g t h e t e n s i l es t r e n 柚o f t h e f i l m g r e a t l y , g l u t i n c o u l de n h a n c et h et e n s i l es t r e n g t hb e t t e rt h a np v ad o e s n 圮t e n s i l es t r e n g t hc o u l db e 2 0 8 8 6 m p a p v aa n dg l y c e r o lc o u l de n h a n c et h et e n a c i t yo ft h ef i l mg r e a t l y , a n dt h e c o m b i n a t i o no fg l y c e r o la n dp v ac o u l de n h a n c et h ee l o n g a t i o nb e t t e rt h a np v a o rg l y c e r o l a l o n ed o e s k e yw o r d s ：s o yp r o t e i ni s o l a t e ；g r a rp o l y m e r i z a t i o n ；a m p s ；l b l ；e d i b l ef i l m 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 本人为获得江南大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：日期：2 0 0 7 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 盍：i 监兰 日期：2 0 0 7 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 目前，世界上对大豆食品的研究开发和生产比较先进的国家是美国和日本，美国的大 豆产量居世界第一。以前利用大豆主要是为了榨油，脱油后的豆粕用作饲料。从二十世纪 五、六十年代开始，从豆粕中提取蛋白质，相继开发生产了大豆分离蛋白。浓缩蛋白和组织 蛋白等产品，到了九十年代，世界大豆分离蛋白年产量达到7 0 万吨，其中美国占3 0 多万吨， 日本3 万吨以上，而我国不到3 万吨。白二十世纪九十年代初开始，大豆制品一直是美国食品 工业发展最快的行业之一，每年以1 0 - 1 5 的速度增长。除此以外。近年来，在国外深受欢 迎的是大豆中各种具有保健作用的物质。大量实验证明。大豆中的这些特殊成分分别具有 延缓衰老、降血压、降血脂、抗癌等不同功能。 大豆蛋白质营养价值高、资源丰富、加工技术成熟，是人类最为熟悉、安全和经济的植 物蛋白资源。从氨基酸组成以及必需氨基酸含量来看，大豆蛋白质也是为数不多的可取代 动物蛋白的营养佳品之一【l 】。 1 2 大豆蛋白质的分类及组成 1 2 1 大豆蛋白的分类 大豆中约含4 0 的蛋白质。根据蛋白质溶解特性，大豆蛋白可分为清蛋白和球蛋白两 类。清蛋白一般占大豆蛋白质的5 左右，球蛋白约占9 0 左右。大豆球蛋白是o s b o r a 和 d a m p b a u 首先用食盐溶液提取，并经反复透析得到的。由于该蛋白质分子的长轴和短轴之 比小于1 0 ：l ，故命名为大豆球蛋白。因大豆球蛋白在p h 4 2 4 6 的酸性环境下能被沉淀下 来，因而又被称为酸沉淀蛋白。清蛋白无此特性，称非酸沉淀蛋白。根据生理功能分类， 大豆蛋白又可分为贮藏蛋白和生物活性蛋白两类。贮藏蛋白是主体，约占总蛋白的7 0 左 右( 如l l s 球蛋白、7 s 球蛋白等) 。生物活性蛋白包括胰蛋白酶抑制剂、淀粉酶、血球凝集 素、脂肪氧化酶等，它们所占比例不多，但对大豆制品的质量却有重要影响。 1 2 2 大豆蛋白质的组分 对大豆蛋白质深入研究发现，它在0 5 离子强度的介质溶液中，可分2 s 、7 s 、l l s 和1 5 s 。 ( s 是蛋白质超速离心机组分分离时的单位，i s = 1 0 - 1 3 秒1 ) 。 c 1 ) 2 s 组分的研究 纯化的2 s 组分包含四种亚组分，分子量分别为2 2 8 k d a ，2 1 5k d a ，1 9 2k d a ，1 7 8 k d a ，所含氨基酸残基数分别为1 9 1 ，1 7 9 ，1 6 3 和1 4 7 个。n 末端分析表明这四种蛋白质的n 末端均为天门冬氨酸，其中4 种亚组分中的一个能够抑制甜胰凝乳酶活性。但是2 s 组分在圆 江南大学硕士学位论文 盘电泳上可以分为6 条带，其d p a 2 a 3 a 4 3 条带为主带，占全部2 s 组分的8 0 。另有一种观点认为 2 s 球蛋白是由物理性质和化学性质相异而又比较接近的5 种组分所构成。2 s 组分由胰蛋白酶 抑制剂、细胞色素c 和尿素酶等多种亚组分构成，现在进行研究的只有胰蛋白酶抑制剂。胰 蛋白酶抑制剂是不均一的蛋白质，至少由4 种亚组分构成，而且有缺失现象。 ( 2 ) 7 s 组分研究 7 s 组分包括血球凝集素、脂肪氧化酶、b 一淀粉酶和7 s 伴大豆球蛋白，其中血球凝集素 和p 一淀粉酶研究的较少。大豆7 s 球蛋白分子量为1 8 0 k d a - - 2 1 0 k d a ，包括两种组分：b 一 伴大豆球蛋白和y 一伴大豆球蛋白。 大豆7 s 球蛋白是糖蛋白，碳水化合物占7 s 伴大豆球蛋白总量的5 左右。7 s 球蛋白的空 间结构是紧密折叠的，其中a 一螺旋结构，b 一折叠结构和不规则结构分别占5 ，3 5 和6 0 。在三级结构中，1 个分子只有3 个色氨酸残基侧链，全部处于分子表面，3 5 个酪氨酸残 基侧链几乎全部处于分子内部的疏水区，4 个胱氨酸残基侧链中每2 个结合在一起，形成一s - - s 一结合。7 s 伴大豆球蛋白中含有人体必需的8 种氨基酸，赖氨酸含量高于1 1 s 球蛋白。7 s 球蛋白中色氨酸和蛋氨酸总量是l l s 球蛋白的l 5 1 6 ，所以7 s 伴大豆球蛋白和1 l s 球蛋白相 比是低含硫氨基酸蛋白质。大豆7 s 球蛋白能够随溶液的离子强度变化而发生聚合和解离作 用，如在0 1 离子强度和中性p h 条件下，7 s 会聚合成9 s 和1 2 s 型；在接近等电点时发生更大 的聚合作用，生成1 8 s 型；而在0 5 离子强度下仍保持7 s 型。 ( 3 ) l l s 组分研究 在大豆种子贮藏蛋白中，1 1 s 球蛋白研究得最为清楚。i l s 球蛋白是一种不均匀的蛋白 质，占大豆蛋白的3 l 左右，分子量为3 0 2 k d a - - 3 7 5k d a ，等电点为4 6 4 。1 1 s 球蛋白中含 糖量只有0 8 ，不属于糖蛋白。l l s 球蛋白中的含硫氨基酸( 蛋氨酸和半胱氨酸) 含量比 较高，是7 s 球蛋白中的5 - - 6 倍。疏水氨基酸和亲水氨基酸含量为2 3 5 0 a ，4 6 7 。 ( 4 ) 1 5 s 组分 1 5 s 组分占蛋白质的1 1 ，分子量范围在6 0 0 k d a 以上。它并不是单纯蛋白质，而是由多 种分子构成的。在酸沉淀，透析间沉淀时，1 5 s 首先沉淀。目前，对这一组分研究的还很不 透彻，未能单独离析提取。因为l l s 组分和1 5 s 组分在s d s p a g e 电泳中表现同样的条带，普 遍认为1 5 s 是1 l s 球蛋白的一个聚合物。 1 3 大豆蛋白质的功能特性 所谓功能特性，就是指大豆蛋白质在食品加工、烹调、储藏和销售过程中发生作用的那 些物理和化学性质，它是大豆蛋白质本身固有的物化性质( 成分、氨基酸序列、形态结构) 的反映。大豆蛋白质的功能特性主要包括溶解度、持水性、乳化性、起泡性、凝胶性、粘 2 第一章绪论 着性等，它们的发挥受与其共存的某些食物组分( 水、盐、蛋白质、糖、脂肪等) 、所接 触环境( 如温度等加工条件) 、尤其是自身组成的影响。 国内外学者对大豆蛋白的组成对大豆蛋白功能特性影响进行了广泛研究，研究表明 a s a 4 8 3 亚基与大豆蛋白凝胶形成速度和凝胶透明性密切相关, a 3 8 4 与大豆蛋白凝胶的硬度 有密切的关系【2 1 。 1 4 大豆蛋白的结构 大豆蛋白质的分子结构分为四级，一级结构是指氨基酸如何接成肽键；二级结构是指 多肽键以折叠和螺旋连接的结构；三级结构是指肽链折叠、盘曲成内有袋形空穴的空间排 列，链的卷曲、折叠力量来自肽链中氨基酸的支链性质，包括二硫键或疏水性相互作用、 v a n d e rw a l l s 力、离子键或氢链；四级结构指几条多肽链以非共价键缔合在一起形成蛋白 质。 1 5 大豆蛋白改性 1 5 1 大豆蛋白的物理改性p 1 物理改性是利用加热、机械作用、声波等方式改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集 方式，一般不涉及蛋白质的一级结构，实际上，物理改性就是在控制条件下的蛋白质定向 变形c 4 。物理改性常用的方法有：加热、高静压、超高压、超声等，另外，有文章报道使 用氮气改善大豆分离蛋白的凝胶性、保水性、乳化性和乳化稳定性【5 l 。 最常用的是加热改性法。蛋白质的热处理会造成结构变化、肽键水解、氨基酸侧链的 改性和蛋白质分子与其他分子的缩合。这些变化同时取决于加热的强度和时间、水分活度、 p h 、盐含量、其他活性分子的种类和浓度以及其他因素。张春红等【6 】人研究了利用热处理 对大豆分离蛋白进行改性，结果显示热烘改性对大豆分离蛋白的吸水性、吸油性、起泡性 和泡沫稳定性无显著性影响，但常温粘度、高温粘度、耐热性、凝胶性和保水性分别比对 照提高了1 1 8 、1 3 5 、1 0 8 、8 1 和8 3 ，并得出比较适宜的热烘改性条件为1 0 m i n 8 5 。 美国研究者k a yh m c w a 牡e r s 等 7 1 将大豆制成质量分数为2 水悬液，以1 0 0 蒸汽加热0 ， l o ，2 0 ，3 0m i l l ，研究了氮溶解度、乳化性能和粘度等性质。发现大豆粕粉在蒸汽加热的 第l ，2 ，3 个1 0 m m 内，氮溶解度从9 8 分别降低到5 7 ，4 3 和3 4 ；而乳化能力降低分 别为o ，6 和2 2 。至于乳液的粘度，在加热0 ，1 0 ，2 0r a i n 后均能形成稠厚、类似蛋黄 酱的制品，而在加热3 0 m i n 后只能形成较稀、类似色拉调味料的制品。 1 5 2 化学改性 根据实际需要，通过化学手段在大豆蛋白中引入各种功能基团如带负电荷基团、亲水 亲油基团、二硫基团等开发生产出多种具有特殊加工功能特性的大豆蛋白品种，即为化学 3 江南大学硬士学位论文 改性。化学改性包括酸碱处理、氨基酸共价连接、硫醇化、酰化、磷酸化、 胍基化、糖基化、磺酸化、氧化降解等。 ( 1 ) 酸处理 酸诱导的7 s 和1 1 s 蛋白构象发生改变，是由于两类蛋白质解离成亚基和多肽链展开造 成的。虽然酸改性大豆分离蛋白结构变化明显，但功能性质的改变却有限，比如溶解度的 影响就很小。酸改性大豆分离蛋白的性质改变主要体现在泡沫形成与稳定上，且凝胶形成 能力并没有丧失。这主要是由于l l s 蛋白的高度变性和解离使蛋白质分子变小，表面疏水性 增加及酸碱中和使得盐含量较高所造成的嘲。 ( 2 ) 氨基酸共价连接 共价连接氨基酸是一种提高蛋白质营养价值和功能性质的方法。利用异肽键的形成可 以将外源氨基酸导入至蛋白质中，如将蛋氨酸或半胱氨酸与蛋白质共价连接，所形成的异 肽可被肠道氨肽酶水解，因此这种结合可用于蛋白质氨基酸的富集，从而缓解大豆蛋白质 中含硫氨基酸相对偏低的缺点，提高了其营养价值。 ( 3 ) 酰化 酰化分为琥珀酰化和乙酰化。大豆蛋白的琥珀酰化是指大豆蛋白质分子的亲核基团 ( 如氨基、羟基) 与琥珀酸酐的亲电子基团( 如羰基) 相互反应，从而引入了琥珀酸亲水 基团，然后在催化剂作用下又引入长碳链亲油基团，使得大豆蛋白成为具有双极性基团的 高分子表面活性剂的过程。k a yl f r a n z 脚和j o h ne k i n s c l l a 【9 】发现经过琥珀酰化的大豆蛋 白的乳化活性和乳化稳定性分别提高了3 0 和2 1 ，乳化量提高了3 倍。而起泡力和泡沫稳 定性则分别提高了2 0 和5 0 。乙酰化是指将醋酸酐引入到大豆蛋白质结构的氨基上即成 为乙酰化大豆蛋白。乙酰化作用可使大豆蛋白质的等电点向较低p h 转变，使大豆蛋白在 p h 4 5 7 0 范围内溶解性提高，粘度增大，凝聚性降低，发泡性及稳定性提高。从理论上 讲蛋白质氨基酸残基上的所有亲核基团都可能发生酰化作用，事实上以赖氨酸的氨基最容 易。琥珀酰化和乙酰化都可以增加大豆分离蛋白的比容【l o 】。前者还可使其色泽由棕黄色变 为白垩色，而后者对色泽没有改变。两种酰化作用对蛋白质的气味和滋味都没有不利的影 响。 ( 4 ) 磷酸化 大豆蛋白的磷酸化作用是无机磷酸与蛋白质上特定的氧原子( s c r 、t h r 、t y r 的一o h ) 或氮原子( l y s 的e - - 氨基、a r g 的胍基末端n ) 作用形成c o - p i 或c n p i 的酯化反应，是 种比较传统的方法。目前工业上应用最多的磷酸化试剂是三氯氧磷( p o c l 3 ) 和s t m p 1 1 】。 大豆蛋白经酰化作用可提高其溶解能力、乳化能力和凝胶形成能力。 4 第一章绪论 ( 5 ) 酶改性 酶处理是一种制造低粘度、高分散性和不凝胶蛋白的方法，而且作用条件温和，专一 性强。通过酶部分降解蛋白质，增加其分子内或分子间交联或连接特殊功能基团，可以显 著改变蛋白质的功能特性，提高营养价值。酶法改性通常是蛋白酶的有限水解，改性的程 度与酶量、底物浓度、水解时间等因素密切相关。目前工业上常用的蛋白酶有胃蛋白酶、 胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶等。其中，前两种是动物蛋白酶，第三 种是植物蛋白酶，后两种是微生物蛋白酶。由于微生物蛋白酶来源丰富，产量较大且价格 低廉，已逐渐成为最重要的工业用蛋白酶品种，也将成为今后酶改性研究的热点领域。 通过胰酶( 包括胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶) 限制性水解大豆分离蛋白( s p i ) 可提高表 面疏水性，改善其乳化性和溶解性，这种水解后的s p i 可用作食品的乳化剂。用木瓜蛋白 酶水解大豆分离蛋白，酶解液的溶解度、乳化能力、发泡能力均大大提高。但乳化及发泡 的稳定性下降，粘度下降【1 2 】。用碱性蛋白酶对大豆分离蛋白进行水解时，可以通过控制水 解时间来控制水解程度，避免生成苦味肽，水解后产品具有较好的感官质量，而且水解蛋 白的氨基酸组成基本不变，使其营养价值得以保持。除酶水解外，目前还已知有多种酶可 以催化蛋白质分子交联，形成凝胶的弹性和强度都较好，这其中以谷氨酰转氨酸g ) 最具 代表性【1 3 】。 ( 6 ) 生物工程改性 生物工程改进是指应用植物育种和分子生物学技术改变蛋白质分子结构，进而提高其 功能性质的方法【1 4 1 。目前针对大豆蛋白的生物工程改进主要集中在以下两方面：一是改变 大豆球蛋白的组成，提高其营养价值；其次是改变脂肪氧化酶同工酶的组成或研究出该酶 的抑制剂，减少大豆中的腥昧。 1 5 3 大豆分离蛋白接枝改性 接枝共聚改性研究中获得高接枝率是反应的关键环节，它受很多因素制约。一个恰当 的引发体系不仅能使接枝效率较高，而且不会引发均聚反应或均聚物含量很低。接枝共聚 反应的首要条件是要有接枝点。引发剂是为接枝共聚提供活性种，而后产生接枝点。活性 点处于链的中问，聚合后才形成接枝共聚物【1 习。蛋白质接枝不同的单体，能够获得不同用 途的产品。单体参与接枝共聚的能力及接枝物综合性能的好坏，主要取决于单体的种类、 组成和总量【1 6 1 。 接枝大豆分离蛋白共聚原理可分为自由基引发、离子褶互作用、缩合加成三类，许多研 究主要是采取第一种方式，即通过自由基引发，它包括物理引发和化学引发两种形式。其中化 学引发是主要引发方式。 ( 1 ) 化学引发 化学引发常利用氧化还原反应产生自由基，最常用的是铈盐引发体系如硝酸铈铵，其 江南大学硕士学位论文 引发原理： s p i ( 大豆分离蛋白) + c e 4 + 一s p i c e 4 + _ s p i 斗c e 3 + + h + s p i + m - - * s p i m ( 接枝大豆分离蛋白) ( 1 一1 ) ( 1 2 ) ( 2 ) 单体的选择 大豆分离蛋白接枝共聚的单体可以是一种、也可以是两种或两种以上，通常使用乙烯基 单体，而当使用一种单体时常用的有丙烯酸、丙烯腈、低烷基丙烯酸酯、醋酸酯等；当使用 两种或两种以上单体时，常用的单体是甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯，氨基甲酰基( 或甲基或丁 基) 丙烯酸酯。单体结构对大豆蛋白接枝共聚反应的接枝效率有着显著的影响。取代基团位 阻较大的单体，其接枝效率较小，取代基因极性较大的单体。其接枝效率较大。 ( 3 ) 引发剂的选择 化学引发剂中研究最多的是c o ( i v ) 离子，其引发反应的活化能较低，为7 3 2 2k j m o l 因而在室温附近就顺利进行反应，而且引发速度快、效率较高、重现性强；但铈盐极其昂贵， 于是寻求综合性能较好的引发剂就成了一个极其重要的研究领域。 ( a ) 过氧化氢体系 过氧化氢受热分解成h0 自由基，但活化能较高( 约2 2 0k j t o o l 4 ) ，很少单独用作引发 剂；而与亚铁盐组成氧化还原体系，活化能可降至4 0k j t o o l - i , 使接枝反应易于发生。典型 的是f e n t o n 7 s 试剂饵2 0 曲s 0 4 ) ，常用的还原剂还有硫酸亚铁铵、硫脲、抗坏血酸等。该 体系价廉无污染，引发接枝效果好。 ( b ) 高锰酸钾体系 高锰酸钾不能单独作引发剂，在酸催化下能形成有效的引发体系，可引发大豆蛋白与 am 、a n 、ma a ( 甲基丙烯酸) 等接枝。常用的酸有草酸、柠檬酸。酸对接枝效率有重 要影响，用量太少起不到催化作用，用量过多在粘稠的产物中难以除尽，甚至引起阻聚反应， 使接枝物产量大大降低。 ( c ) 过硫酸盐引发体系 该体系是近些年才开始用于接枝共聚反应的，其引发效率较高、重现性较好、价廉而无 毒，是一种较有希望的接枝引发剂。因其氧化性弱于铈盐，故引发速度较慢，反应时间较长，反 应温度比铈盐高，不过在反应过程中无温度的剧烈变化，工业生产上易于控制：缺点是接枝 效率较低。该体系常用的还原剂有硫酸亚铁、亚硫酸氢钠等，它们都能显著降低过硫酸盐的 分解活化能。 1 5 4 微波技术的使用 6 第一章绪论 微波基于其高效、节能等特殊的特征，已经广泛应用于食品、化工领域。微波化学作 为- f - j 研究在化学体系中微波场对化学反应的促进和改变作用的学科，已成为目前迅速发 展的前沿科学之一。微波技术应用在化学反应、化学分析和环境保护等领域，表现出节省 能源、简化操作程序、减少有机溶剂使用、提高反应速率和显著降低化学反应产生的废弃 物对环境造成危害等优点。微波在有机合成中的优点已被越来越多的研究者所认同。近年 来。出现了利用波辐射技术制备接枝大豆分离蛋白的新方法。由于微波用于反应物可提高 它们的平均能量，降低反应活化能，使反应物分子的碰撞几率增加，因此大大提高了反应效 率；同时无污染、能源消耗少。以蛋白质接枝改性来说，已有报道利用微波技术加速对葵 花籽蛋白与正丁醇进行酯化反应【“j 。 1 6 层层组装 层层自组装技术( l a y e r - b y - l a y e rs e l f - a s s e m b l et e c h n i q u e ，l b l ) 是基于聚电解质阴阳 离子所带正负电荷问相互作用的一种自组装超分子技术。该技术的主要特点是在表面荷电 的基材表面通过静电相互作用交替地吸附上带相反电荷的聚电解质阴阳离子。因此，它具有 一系列优点，如：组装分子的选择范围广泛，可以为合成的聚电解质，也可以是蛋白质、多糖、 d n a 等荷电的生物活性大分子；其制备工艺简单，通过简单的交替浸涂技术可实现在材料 表面组装分子在纳米、亚微米尺度的有规结构设计；制备条件温和，可在常温水溶液中进行， 可以保证生物分子具有维持生物活性的天然构象；此外，该方法适用的基体材料种类多，对基 体材料的体型结构适应性强，并可在具有复杂体型结构的装置和材料上实现。因此，该技术在 生物医用材料领域的研究中得到广泛的应用。 1 7 大豆蛋白在各个领域的应用 1 7 i 食品领域 ( 1 ) 在主食中的应用 一般谷物大米、面粉中含蛋白质1 0 左右，每人每天吃0 5 k g 主食，蛋白质只有5 0 9 ， 占需量的6 2 5 。若在主食中添加大豆蛋白粉，使主食中蛋白含量达到1 6 ，就能满足每人 每天摄取8 眙蛋白质的需要量。这是一种最有效的补充蛋白的方法。 ( 2 ) 在乳品饮料中的应用 我国饮料主要是碳酸饮料和果汁饮料，高档营养型的蛋白饮料基本还是空白。如果在 碳酸或果汁饮料中添加高溶解度的大豆分离蛋白，使蛋白质的含量基本达到 牛奶一样的水平，则既能满足人们喝饮料的需求，又能补充蛋白质摄入。 ( 3 ) 在糖果中的应用 江南大学硕士学位论文 我国糖果主要的品种有硬糖、软糖、奶糖、巧克力等，这些品种主要是以糖为主要原 料，若以分离蛋白为主要原料，也是人们摄取蛋白的一个途径。高蛋白糖果含大豆分离蛋 8 0 ，砂糖2 0 ，每块糖重5 9 ，含蛋白3 略，每人每天吃3 块糖，就能摄取蛋白1 0 跑。 ( 4 ) 可食性大豆蛋白膜 食品包装，是食品科技领域的一个重要学科，主要是保存和保护所有类型的食品和它 们的原材料免受氧化和微生物的腐蚀。来自于石油化学制品的塑料( 如聚烯烃、聚酯、聚胺 等) ，由于其大量存在，价格便宜，具有良好的功能性，如良好的柔韧性、抗拉强度、隔绝氧 气和芳香化合物的特性、热稳定性以及水蒸气转移速率低等特性。越来越多地被用作包装 材料。然而，它们不能被生物降解，这样会导致环境污染，从而引发严重的生态问题。因而 为了解决关于废物处理的问题，它们以何种形式使用会受到严格地限制，甚至逐渐会被淘 汰。环境意识的日益提高使人们的观念发生了转变，希望包装物可生物降解，并能与环境相 融。因此，包装与其它商品一样，应与环境协调发展，发展绿色包装和零包装已成为2 1 世 纪的必然选择。近年来，大豆蛋白膜由于其具有可生物降解性、可食性、营养特性以及某 些良好的性能( 如阻油特性) ，已渐渐成为国内外研究热点之一。 可食性膜是一种可以食用，并具有一定的包装保护功能的薄膜【1 引。它是以天然可食性物 质蛋白质、多糖、脂肪为原料，通过分子间相互作用形成的具有多孔网络结构的薄膜【1 9 】。 在这些材料制备的可食性膜中，大豆蛋白膜最具吸引力，这是因为：( 1 ) 采用蛋白质制各的膜 透气性很低，如大豆分离蛋白膜对0 2 的透性比低密度p e 膜、甲基纤维素膜、淀粉和果胶 膜分别低5 0 0 ，2 6 0 ，5 4 0 和6 7 0 倍；( 2 ) 蛋白质分子之间的交联作用较为强烈，膜的机械特性 优于多糖和脂肪膜鲫；( 3 ) 它可提高食品的营养价值。 1 7 2 化妆品领域 大豆蛋白是一类功能性和生物活性很强的蛋白。众所周知大豆蛋白典型的功能有凝胶 性、起泡性、乳化性及充当表面活性剂的作用，这些特性是日用化妆品行业非常重要的性 质。另一方面化妆品行业对原料的要求原则是希望材料具有功能性同时价格合理。我国是 大豆出产国，大豆资源极为丰富，大豆的提取工艺更是早已成熟，近年来对大豆肽、大豆水 解蛋白及大豆蛋白改性方面的研究也臻于成熟。从价格角度出发，对于高附加值的化妆品 行业，大豆蛋白是相当合理的。更值得一提的是，由于大豆蛋白的高营养性，它不仅对体内 营养是很大的补充，对于皮肤及头发也有相当优良的滋养作用。目前，国外如日本、美国等 已对它有所研究应用，但在国内尚属少见，可以预见大豆蛋白将会成为未来化妆品行业的 重要原料。本文对不同类型的大豆蛋白特性与化妆品行业的要求进行分析，并对其可能的 应用进行了展望。 1 7 3 塑料领域吲 第一章绪论 大豆蛋白塑料具有可观的应用前景。首先，大豆蛋白塑料可以制备各种一次性用品，如 盒、杯、瓶、勺子、片材以及玩具等家庭用品，育苗盆、花盆等农林用品，以及各种工艺、旅 游用品等，还可用于美容、化妆，甚至用于大型机器的保护和包装等。研究发现，当水的质量 含量保持低于5 时，大豆蛋白塑料具有比石油化工塑料更高的杨氏模量( 4 4 6 v a ) 。其韧性也 比双酚a 型环氧树脂和聚碳酸酯高0 1 9 6 m p a m 2 。因此，可生物降解的大豆蛋白塑料具有代 替不可降解的石油化工塑料应用于工程塑料领域的潜力甜】。 其次，随着对生物降解塑料认识的深入，我国已充分认识到这种材料及其产业对我国可 持续发展的战略作用。国家中长期科技发展规划纲要和十一五”科技发展规划中。都将 发展生物降解塑料产业作为重要内容之一。另外，2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年上海世博会 将是大豆蛋白塑料发展的很好契机。据保守估计，北京奥运会期问将产生1 0 0 0 0 t 以上垃圾。 其中4 l l p 4 0 0 t 是不可回收的塑料垃圾。以新型的生物降解塑料替代传统的不可降解塑料， 可有效地解决不可降解塑料带来的“白色污染”，体现“绿色奥运”的理念，为此。应该抓住这个 难得机遇，使我国的大豆蛋白塑料事业取得更大的进展。 1 8 立题依据 大豆蛋白系天然蛋白质高分子，是一种可生物降解的有机材料。大豆资源极其丰富且 再生速度快，在石油资源日益匮乏的今日，极有希望替代以石油为原料的合成材料，成为 新一代可