（材料学专业论文）大豆蛋白的凝胶性与edtad改性大豆蛋白凝胶的制备与性能的研究.pdf

摘要 摘要 凝胶性是大豆蛋白的摄重要的功能性之，通过化学改性可增强其凝胶性， 促进蛋白质水合能力的增加。本论文以大豆蛋白为原料，制备出大豆蛋白凝胶， 对大豆蛋白凝胶的溶胀性、质构和结构及其影响因素进行了研究；将大豆蛋白经 乙二胺四乙酸二酐( e d t a d ) 酰化改性，再以戊二醛交联，制各出改性大豆蛋 白凝胶：对改性大豆蛋白凝胶的性质与结构进行研究；并探讨了改性大豆蛋白凝 胶的溶胀行为、降解性和交联过程流变性。本文的主要内容如下： 1 制备了大豆蛋白凝胶，并对其溶胀率的影响因素进行了研究，结果显示： 凝胶溶胀率随蛋白质浓度增加而先增加后降低，当蛋白质浓度为1 3 ，溶胀率最 高：添加适量的k + 或c a 2 + 使凝胶溶胀率增加，但离子浓度增加，凝胶网络内外 因离子渗透压下降而使凝胶溶胀率下降；溶剂乙醇对凝胶溶胀影响不大，交联剂 戊二醛对大豆蛋白凝胶的溶胀率影响显著。对凝胶的质构进行研究发现，添加适 量的k + 、c a “使大豆蛋白凝胶的硬度、内聚性增大，戊二醛使凝胶的硬度、内 聚性、弹性和破裂强度有显著的增大，乙醇的影响作用稍弱。戊二醛交联的大豆 蛋白凝胶比纯大豆蛋白凝胶具有更有序的微观结构。 2 大豆蛋白在6 5 ，p h 为1 2 的条件下预处理3 0 m i n ，再于2 5 p h l 2 条件 下与乙二胺四乙酸二酐( e d t a d ) 酰化反应，加入适量戊二醛交联制各出改性 大豆蛋白凝胶。对酰化反应进行了研究发现，当m e o t a o ：m s r ，升至o 5 ，大豆蛋白 的酰化改性程度最大；通过赖氨酸残基含量与羧基含量测定，发现m e 啪：m s p i 在0 1 至0 3 时，s p i 与e d 吖d 的反应中，按照每引入一个e d t a d 分子，给s p l 分子带入三个亲水性的羧基的比例进行，但m n o t a o ：m s r t 超过0 5 ，则有部分酰化 反应不再按分子此比例进行，e d t a d 可能使大豆蛋白分子发生交联。p h 值电对 酰化反应方式有影响。测定溶胀率发现，m e d l n o ：m s r 。为0 2 时，凝胶溶胀率最大， 为9 5 8 7 。e d t a d 的引入对凝胶的质构和微观结构产生影响。 3 通过示差量热分析法( d s c ) 和热重法( t g ) 研究了大豆蛋白凝胶中水的 状态，证明大豆蛋白凝胶中的水可分为非冻结水和可冻结水，它们与肽链的作用 方式有所不同，非冻结水与肽链结合紧密，可冻结水位于网络空间，具较大的移 广东工业大学工学博士学位论文 动性。氯化钾和氯化钙由于对肽链或凝胶网络结构的不同作用，使凝胶中的水的 状态和古量发生不同的变化，氯化钾对大豆蛋白凝胶的平衡水含量( e w c ) 影 响不大，使凝胶中非冻结水含量下降，可冻结水含量上升。氯化钙使凝胶的e w c 和非冻结水含量均上升，可冻结水含量下降。氯化钙的影响作用大于氯化钾。 e d t a d 改性大豆蛋白凝胶中，e d t a d 用量增加，改性凝胶中非冻结水含量增加。 4 研究了改性大豆蛋白凝胶的平衡溶胀率的影响因素和溶胀行为。结果发 现，交联前蛋白质浓度、溶液p h 值、离子强度和凝胶粒度等影响改性大豆蛋白 凝胶的平衡溶胀率。改性大豆蛋白凝胶的溶胀率随着交联前蛋白质浓度的升高而 减低，控制交联前蛋白质的浓度，可制得一定力学强度和溶胀性的凝胶；p h 变化 对改性大豆蛋白凝胶影响明显；离子强度和凝胶粒径范围都对凝胶溶胀率有影 响。通过溶胀数据的分析，发现m e d t a d ：m s p i 为o ，o 0 5 ，0 1 和o 2 的改性大豆 蛋白凝胶溶胀属f i c k i a n 扩散；考察p h 对溶胀行为的影响，发现酸性p h 值下，凝 胶表现出n o n f i c k i a n 扩散；而碱性p h 下，凝胶溶胀仍为f i c k i a n 扩散。通过 拉伸实验研究改性大豆蛋白凝胶的分子链结构性质。 5 以酶降解实验和微生物生长测试研究了改性大豆蛋白凝胶的生物降解性， 结果显示改性大豆蛋白凝胶具完全的生物降解性。s d s p a g e 电泳结果显示酶解 物中大豆蛋白的主要亚基结构消失；g p c 结果显示，凝胶酶解物为分子量9 0 0 0 至1 0 0 的小分子物质。菌种生长测试显示改性大豆蛋白凝胶经2 8 天被菌种完全 覆盖，凝胶颗粒消失。 6e d t a d 改性大豆蛋白在与戊二醛交联的过程中，体系储能模量( g ) 不断 增大，损耗模量( g ”) 亦增大，而相角正切值( t a n6 ) 减小。流变参数的这种变化趋 势反映体系在交联过程中以弹性增加形成三维网络结构凝胶的趋势为主导，分子 粘性作用力的增加并不足以抵消体系变化的总趋势。e d t a d 用量增加使体系g 增加，而戊二醛用量的增加使体系交联初始速率和g 都增加，反映出酰化剂和 交联剂对蛋白质链的状态和凝胶结构的影响。 关键词：大豆蛋白，乙二胺四乙酸二酐( e d t a d ) ，凝胶，溶胀平衡，溶胀行为 水的状态，交联，流变性，生物降解性 i i a b s t r a c t a b s t r a c t g e l a t i o ni so n eo fm em o s ti m p o r t a n tf h n c t i o n a l i t yo fs o yp r o t e i n g e l a t i o na n d h y d r a t i o n o f s o yp m t e i n a r ei m p r o v e d b y c h e i i l i c a l m o d i f i c a t i o n i nm et h e s i s ，as o yp r o t e i ng e li s p r e p a r e da n da n da m o d i f i e ds o yp r o t e i ng e li ss y n t h e s i z e db yf i r s ta c y l a t i n gt h es o yp r o t e i n i s o l a t ew i me m y l e n e d i a l i n e t e t r a a c e t i cd i a d j l y d r i d e ( e d t a d ) ，f o l l o w e d b yc r o s s l i n k i n g w i t l l g l u t a r a l d e h y d e t h e s w e l l i n g r a c i o ，t e x t u r e ， s t m c t u r eo fs o yp m t e i n _ b a s e dg e l sa n dm a i na f 艳c t i n gf a c t o r so fw h i c h a r er e s e a r c h e d ；m es w e l l i n g b e h a v i o r b i o d e g r a d a b i l i t y a n dr h e o l o g y p r o p e n i e sa tc r o s s l i n h n gp m c e s so fm o d i f i e ds o yp m t e i ng e l s a r e d i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e l a t e do r i g i n a la c l l i e v e m e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 as o yp m t e i ng e l i sp r e p a r e da n dt 1 1 em a i nf a c t o r sw h j c ha f ! f e c t i n g t h es w e l l i n gr a t i oo fs o yp r o t e i ng e l sa r er e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v es h o w nm a tt h es w e l l i n gr a t i oc h a n g ew i t hm ei n c r e a s i n go f c o n c e n t r a t i o no fp m t e i n ，山eo p t i m lc o n c e n t r a t i o no fp r o t e i ni s13 a t w h i c hm el a 唱e s ts w e l l i n gr a t i oi s g o t ；t 1 1 es w e l l i n gm t i oi n c r e a s e sb y a d d i n ga p p r o p r i a t ek + o rc a 2 + ，b u tf u r t h e ri n c r e a s eo fc o n t e n to fi o n s c a u s e sd e c r e a s eo fm es w e l l i n gr a t i ob e c a u s eo fd e c r e a s eo fm eo s r n o t i c p r e s s u r eo fg e l sn e t w o r k ；t h ee f f e c to fs o l v e n te t h a i l o lo nm es w e l l i n g r a t i oi sn o to b v i o u s ，b u tw h i c ho fc m s s l i n ga g e n tg l u t a r a l d e h y d ei s o b v i o u s ；m et e x m r ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a ta d d i o t i o no fa p p r o p r i a t e a m o u n to fk + o rc a “c a u s e si n c r e a s eo ft h eh a r d n e s sa 1 1 dc o h e s i v e n e s so f g e l s ，c r o s s l i n l ( i n g o fg l u t a r a l d e h y d ec a u s e si n c r e a s eo ft l l eh a r d n e s s ， c o h e s i v e n e s sa n ds p r i n g i n e s so fg e l so b v i o u s l y t h es c a n n i n ge l e c t r o n r n j c r o s c o p e ( s e m ) p i c t u r e ss h o wm a t l ei i l i c r o s t m c t u f eo fs o yp m t e i ng e l i i l 广东工业大学工学博士学位论文 c m s s l i n k e db yg l u t a r a l d e h y d ei sc l e a r e rm a nt h a tw i t h o u tg l u t a r a l d e h y d e 2 t h en l o d i f i e ds o yp r o t e i ng e li ss y n t h e s i z e db yh e a t i n gs o yp r o t e i l l a t6 5 p h l 2f o r3 0m i n ，t h e na c y l a t i i 唱w i he d t a da t2 5 p h l 2 ， f o l l o w e db y c r o s s l i n l ( i n g w i t h 9 1 u t a r a l d e h y d e t h r o u 曲d e t e m = l i n i n g c o n t e n to fl y s y lr e s i d u ea n dc a r b o x y lm o i t i e so fm o d i f i e ds o yp r o t e i n ， a c y l a t i o nr e a c t i o nm o d ei sa i l a l y z e d t h ee x p e r i m e n td a t ah a v es h o w n t l l a ta c y l a t i o nr e a c t i o ni sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt os u c ham d o ：a b o u t3 c a 巾o x y lm o i e t i e sp e r1 y s y lr e s i d u ea r ei n c o i p o r a t e di n t os o yp r o t e i n w h e nm e d t a d ：m s p ii so 1o r0 3 ；p a r t i a lc r o s s l i n h n gm a yo c c u rw h e n i i l e d t a d ：m s p ii su pt oo 5 t h es w e l l i n gp m p e n i e sa n de 仃e c to fm a s sr a t i o o fr e a g e n t sa r ei n v e s t i g a t e d ，m er e s u l t ss h o wt h a tt l l eo p t i m a ls w e l l i n g m t i oi s9 5 8 7a t m e d t a d ：m s h = 0 _ 2a n dm s p i ：m g l u = 9 0 ：2 t h e m i c r o s t m c t u r eo fg e l si ss c a n n e db ys c a n i l i n ge l e c t r o nr n j c r o s c o p e ( s e m ) ， i t a p p e a r s m a tm o d i f l e d s o yp r o t e i ng e l s h a v e 1 1 i g h l y o r d e r e d i i l i c r o s t r l l c t u r e 3 t h m u g h d i f 艳r e n t i a l s c a i l i l i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a n d t h e n n o g m v i m e n y ( t g ) ，m es t a t ea n dc o n t e n to fw a t e ri ns o yp r o t e i ng e l s a r ea n a l y z e d ，t h er e s u l t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ：t h ew a t e ri ns o yp r o t e i ng e l s i n c l u d e s n o n f r e e z i n g w a t e ra n d f r e e z i n gw a t e r ； t h ec o n t e n to f n o n f r e e z i n g w a t e ri n s o yp r o t e i ng e l sd e c r e a s e sw i 山g m w mo fk 十 p e r c e n t a g e ，a i l di n c r e a s e sw i t hg r o w mo fc a 2 + p e r c e n t a g e ；t h ec o n t e n to f n o n f r e e z i n g w a t e ri nm o d i f i e d s o yp r o t e i ng e l s i n c r e a s e sw i t l l m e d t a d ：m s h t h ec o n t e n to fd i f f e r e n ts t a t e so fw a t e ri ns o yp r o t e i ng e l si s a f f e c t e db ya d d i t i v ei o no ri i l c o r p o m t e df u n c t i o n a lg r o u p 4 t h ee q u i l i b r i u ms w e l l i n gr a t i oa 1 1 ds w e u i n gb e h a v i o ro fs o yp r o t e i n g e l sa r es t u d i e d t h er e s u t ss h o wt l l a tt h es w e l l i n gr a t i oo fm o d i f i e ds o y p r o t e i ng e l s d e c r e a s e s w i t h g r o w t h o fp m t e i nc o n c e n t r a t i o nd u r i n g c r o s s l i n k i n gs t e p ，b u t l o w e rp r o t e i nc o n c e n t i a t i o nm a k e ss o f t e r g e l s ， w h i c hm e a n st h a tg e l sa r ep r e p a r e da tap r o p e rp r o t e i nc o n c e n r a t i o n ；t h e i v e f k c to fp ho nt h es w e i i i n gr a c i oo fm o d i f i e ds o yp r o t e i ng e i si so b v i o u s ， g e l sh a v ea p p e a r e dp h s e n s i t i v i t y ；i o n i cs t r e n g ma n dg e lp a r t i c l es i z e h a v ea1 i t d ee f ! f 色c to ns w e u i n gr a t i oo fg e l s t h es w e u i n gd a t aa r e a n a l y z e db ym a t l l e m a t i c a lm e m o d ，m er e s u l t sa r ea sf 0 1 l o w s ：m d d i f i e d s o yp r o t e i ng e l sw i n lm e d t a d ：m s p ia so ，o 0 5 ，0 1o r0 2a p p e a rf i c k i a i l s d i f r u s i o nb e h a v i o ri nw a t e r ；a ta l k a l i n ep h ，g e l sh a v ea p p e a r e dm es a m e b e h a v i o r ，b u ta p p e a r e dn o n f i c b a n sd i m j s i o nb e h a v i o ra ta c i dp h b e c a u s eo fs h 血曲n go fg e ln e t w o r k 5 t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fm o d i f i e ds o yp r o t e i ng e l si sd e m o n s t r a t e d b ye n z y m eh y d r o l y s i s a i l daf u n g a lo v e 唱m w t ht e s t a f k r6 0h r p r o t e o l y s i s ，m o d i f i e d s o yp r o t e i ng e l s a r ec o m p l e t e l yh y d r o l y z e db y t r y p s i n s d s p a g ep i c m r es h o w st l l a t7 sa n d1 1 ss u b u n i to fe n z y m a t i c h y d r o l y z e dp r o d u c t sd i s 叩p e a r e d ；g p cd i a g r a m ss h o wt l l ei n o l e c u l a r w e i 曲tr a n g eo fe n z y m a t i ch y d r 0 1 y z e dp m d u c t sa r ef r o m1 0 0t o9 0 0 0 a f t e ra2 8d a y si n c u b a t i o nw i t hf u n g a l s p o r e s t l l e g e lp a n i c l e s a r e d i s s o l v e dc o m p l e t e l ya n dc o v e r e db yg r o w i n gf u n g a l t h er e s u l t sh a v e p r o v e df u l l yb i o ( 1 e g r a d a b i l i t yo fm o d i f i e ds o yp m t e i ng e l s 6 t h ec h a n g eo fr e o l o g i c a lp a r a m e t e r si n c r o s s l i n b n gp r o c e s so f n l o d i f i e ds o yp r o t e i nw i t hg l u t a r a l d e h y d ea r ei n v e s t i g a t e d t h es t o r a g e m o d u l u s ( g ) o fm o d i f i e ds o yp r o t e i ns y s t e mi n c r e a s e sp r o n o u n c e d l ya n d t h el o s sm o d u l u s ( g ) o fi ti n c r e a s e dt oal e s s e re x t e n t ，s ot a n g e n to fp h a s e a n g l e ( t a n6 ) d e c r e a s e d t h i si n d i c a t e st h a ti n c r e a s i n go fe l a s t i c i t yi nt h e s y s t e mh a sb e c o m eam a i nt r e n d ，a n di n c r e a s i n ge x t e n to fa d h e s i o ni n s y s t e mi sn o te n o u g ht oc o u n t e r a c tt h a to fe l a s t i c i t y am o r ee l a s t i cg e l m a t r i xw i 血t h r e e d i m e n s i o a 1n e t w o r ki sf o m e da tt h ep r o c e s s al a 曙e r m e d t a d ：m s p iv a l u ec a u s e sa1 a 曙e rg i ng e l s ，a i l dal a 曙e ra m o u n to f g l u t a r a l d e h y d ec a u s e sal a r g e rg a n di n i t i a lc r o s s l i n k i n gv e l o c i t yw h i c h r e s u nf m md i e r e n te f f e c to fe d t a da i l d9 1 u t a r a l d e h y d e v 广东工业大学1 学博士学位论文 k e yw b r d s ：s o yp r o t e i n ，g e l ，c r o s s l i n k i n g ，e t h y l e n e d i a m i n e t e t r a a c e t i c d i a n h y d r i d e ( e d t a d ) ，s w e l l i n ge q u i l i b r i u m ，s w e l l i n gb e h a v i o r ，t 1 1 es t a t e o fw a t e r r e o l o g y ，b i o d e g r a d a b i l i t y v i 第一章绪论 1 1 背景与意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 自然界存在许多亲水性的天然高分子化合物，这些化合物具有一定的吸水与 保水能力，可以作为吸水材料的原料。常见的天然亲水性高分子化合物包括淀粉、 纤维素、甲壳素和蛋白质等。与合成吸水材料相比，天然高分子作为吸水材料的 原料，具有两大优势：一是储量丰富，可不断再生；二是没有毒性且可以降解， 减少对环境的污染。特别是随着石油资源的日益减少，研究和应用以天然高分 子为原料的吸水材料对于环境安全和人类健康，减少对石油资源的过分依赖有着 重要的意义。 1 1 1 _ l 大豆蛋白 大豆是我国主要的粮油作物之一，大豆蛋白是重要的植物蛋白，它富含1 9 种以上的氨基酸而且包括8 种人体必需的氨基酸，还含有大量对人体健康有益的 必需脂肪酸、磷脂和丰富的钙、磷等矿物质，且不含胆固醇，它对维系人类的生 命和保证人类的健康起着不可替代的作用【2 】。另外，大豆蛋白还具有吸水性、持 水性、溶胀性、凝胶性、乳化性和发泡性等多种功能特性。大豆蛋白由于其高营 养价值，多功能性的特点而成为深受欢迎的优质蛋白质，被广泛应用于食品中 3 】。 而在非食品领域，所报道的主要有黏合剂、纸张涂料h 和降解塑料嘲等。与淀粉、 纤维素相比，大豆蛋白在非食品领域的研究应用要少得多。 实际上，相对于淀粉、纤维素等多羟基高分子，蛋白质有其结构上的优点， 蛋白质的多肽链的刚性更强；蛋白质的侧链上有多种活性基团，包括氨基、羟基、 巯基、酚基和羧基，它们都可以成为化学改性与交联的位置，以制备新的高分子 结构 6 j 。因此，制备蛋白质基高分子司砑夷得较好的结构与机械性。 广东工业大学工学博士学位论文 1 1 1 2e i a d e d t a d 全名为乙二胺四乙酸二酐。它是双官能团试剂，对称分子。它可以 用常用试剂e d l a 为原料脱水制得口】。用e d t a d 对大豆分离蛋白进行化学改性 的基本原理是e r a d 能与肽链上赖氨酸的一n h 2 发生反应，从而将一c o o 一引入蛋 白分子链。这些被引入的一c o o 一产生分子内静电排斥作用，破坏蛋白分子规整的 折叠结构，另外还大幅度提高与水分子亲和力。将经此改性后的大豆分离蛋白交 联，便可制得具有强吸水能力的水凝胶材料。 本质上用e d t a d 改性的蛋白不具有毒性，因为除了羧基，没有反应基团被 弓f 入蛋白质分子。e d t a d 容易与水反应和在反应过程中转变为e d t a 的钠盐， 所以未反应的二酐不可能出现在最后的改性蛋白中。因为e d t a 的钠盐是一种 “普遍认为安全”的食品添加剂，所以在改性蛋白中引入e d t a 不需要担心环境 安全和残余量毒性问题。因此，不像含有残余毒性单体( 如丙烯酸盐) 的凝胶， e d t a 蛋白凝胶是安全的，既可应用于食品工业又可以应用于非食品工业。 1 1 1 3 大豆蛋白凝胶的非食品工业应用 在大豆蛋白的多个功能性当中，凝胶性是其最重要的性质之一【8 】。凝胶是 一种交联的亲水聚合物的网状结构，它能吸收或保持大量的水分 9 j 。大豆蛋白凝 胶具有低交联亲水性的三维空间网络结构，能吸收水、盐水和生理液，并具有一 定的持水能力，在加热或受压下不易失水。这种性质对于改善食品的口感和风味 十分有用。根据蛋白质分子的特点，对大豆蛋白分子进行改性( 如用e d t a d ) ， 增强其吸水溶胀性，使之像合成的聚合物凝胶( 如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠等) 一样在土壤保水，一次性生理卫生用品等方面得到应用，从而拓宽其在非食品领 域的应用。 1 1 2 研究意义 近几十年来，大豆已经成为一种日益重要的农作物，年产量在稳步增长。据 农业部门统计n 伽，2 0 0 4 年大豆产量在1 8 0 0 万吨左右，比2 0 0 3 年增长1 6 8 ：2 0 0 4 年l 1 1 月进口大豆1 8 0 3 万吨，同比下降5 9 9 。国家相关农业政策亦十分鼓励大 豆产业的发展。 第一章绪论 2 l 世纪，解决环境污染问题仍然是人类最关心的课题之一。目前合成高分 子吸水材料主要以石油资源为基础，这些材料使用后在自然界中很难被降解，给 环境带来了污染。另外石油资源越用越少，据报道全世界的石油储量只能用4 1 年l 。所以，我们有必要寻找一种可再生原料代替石油资源制备可生物降解，具 有环境友好特征的新型高分子吸水材料。大豆蛋白凝胶以天然高分子大豆分离蛋 白为主要原料，具有良好的生物降解性，不管是在土壤环境还是在海洋环境中， 均可很快降解转化成为二氧化碳、水和低分子含氮物1 2 】，有望成为石油基吸水材 料的理想替代品。 采用e d t a d 改性或适当改性法制备大豆蛋白凝胶，研究它的性质与应用， 既有利于丌拓大豆蛋白在非食品领域的应用，也为研究完全降解的吸水材料提供 参考。 1 2 大豆蛋白的组成、结构与功能性 1 2 1 大豆蛋白的组成与结构 大豆蛋白是指存在于大豆种子中诸多蛋白质的总称。大豆的蛋白质含量很 高，通常每1 0 0 9 含蛋白质3 0 4 0 9 f 2 】，是大豆加工利用的主要成分之一。 大豆分离蛋白f s p d 是从低温脱脂豆粕中通过以碱提酸沉、膜分离等方法制取 的一种高纯度的大豆蛋白产品，其蛋白含量在9 0 以上，是大豆蛋白产品中蛋 白质含量最高的产品。大豆分离蛋白的主要成分是7 s 和1 1 s 球蛋白，次要成分则 具有很大的不均匀性，主要有y 一伴球蛋白、7 s 碱性球蛋白、脂肪氧合酶、b 一 淀粉酶、植物凝集素以及胰蛋白酶抑制剂等【l ”j 。 大豆蛋白质的分子结构可分为四级。一级结构是指氨基酸如何连接成肽键即 氨基酸在肽键中的种类、数目和排列顺序；在生物体中，多肽键并不是成为长的 线性结构，而是以折叠和螺旋连接的方式存在，这就是蛋白质的二级结构，它是 多肽链间以氢键结合而形成的展开的、部分展开的或螺旋状卷曲的多肽链间的空 间关系；蛋白质或构成蛋白质分子的亚基内所有原子之问相互作用使得蛋白质中 肽链折叠、盘曲成内有袋形空穴的空间排列，链的卷衄、折叠力量来自肽链中氨 广东工业大学工学博士学位论文 基酸的支链性质，包括二硫键或疏水性相互作用、范德华力、离子键或氢键，称 为三级结构；几条多肽链以非共价键缔合在一起，形成蛋白质的四级结构【l “。 7 s 球蛋白是由理化性质不同的三个主要部分所组成，即：b 一伴球蛋白，y 一伴球蛋白和碱性7 s 球蛋白，而b 一伴球蛋白是7 s 球蛋白的主要组成部分，因此 许多研究学者所称的7 s 球蛋白实际上就是d 一伴球蛋白。它是三个亚基( a ，c 【和 b ) 的不同结合形成的三聚体，三个亚基之间通过疏水键和氢键结合。 1 1 s 球蛋白是寡聚蛋白，每个蛋白分子由两个原体组成，每个原体由3 个亚甲 基构成，而每一个亚基又由两个多肽链通过二硫键连接而成。其中一条多肽链的 等电点在酸性范围，故称为酸性多肽( a c i d ，a ) ，另一条多肽链的等电点在碱 性范围，故称为碱性多肽( b a s i c ，b ) 。1 1 s 球蛋白含有多种酸、碱性多肽链。目 前确认的至少有5 种酸性多肽( a l 一5 ) 和4 种碱性多肽( b 1 _ 4 ) 。l l s 球蛋白的等电 点为4 6 4 ，其分子问至少含有2 0 个二硫键和2 个巯基盼18 1 。 7 s 疏水性氨基酸含量高，1 1 s 含硫氨基酸含量高。由于1 l s 和7 s 有着各自特殊 的氨基酸组成和结梅，使它们对大豆蛋白的功能特性产生不同的贡献。 1 2 2 大豆蛋白的功能性及其影响因素 大豆蛋白质的功能特性是指其吸水性、持水性、脂肪吸收性、凝胶性、乳化 性、起泡性、黏性和弹性等物理化学特性吟2 ”。这些功能特性赋予食品良好的物 理形状、组织状态和感官性状，在食品加工、贮藏过程中发挥良好的作用。根据 分子作用力的不同，这些功能特性大致可分为三个类别：水化性，含吸水性、 持水性、润湿性、分散性等，它们与蛋白质一水相互作用有关；与蛋白质蛋白 质相互作用有关的性质包括凝胶性、沉淀作用等；表面性质，主要关系到蛋白 质的表面张力、乳化作用和起泡性等【2 “。 这些功能性质并非完全独立，如凝胶性既与蛋白质一蛋白质相互作用有关， 也与蛋白质一水相互作用有关。 蛋白质的分子结构，特别是高级立体结构是影响蛋白质功能特性的决定性因 子。影响蛋白质高级结构的稳定性，或者说影响蛋白质功能特性的化学力主要有 四种：范德华力、氢键、离子力和非极性键( 疏水键) ，其中，非极性键对蛋白 质功能特性的影响最大。蛋白质的结构与蛋白质一蛋白质相互作用也有着重要影 4 第一章绪论 响。 1 2 3 大豆蛋白的改性方法及其对功能特性的影响 蛋白质改性是人为地对蛋白质结构进行修饰，从而改善产品的相容性和功能 性。目前常用的蛋白质改性方法包括物理法、化学法、酶法和基因工程方法等 。 在大豆分离蛋白制备或加工过程中，应用不同的处理方法，都会引起蛋白质的理 化性质发生变化。适当的改性可产生合适的功能性质，拓宽大豆分离蛋白的应用 范围。 1 2 3 1 物理改性及对其功能特性的影响 物理改性是利用高压、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性。高压处理和热处理是食品加工与保藏中常用的 方。以热处理为例，热处理对大豆分离蛋白的影响主要是诱导其解离、变性以及 1 1 s 和7 s 组分的聚集。研究者发现，经过一段时间热处理的大豆分离蛋白乳化性 能最好，表面疏水性和溶解度也较高。大豆分离蛋白经透析处理后，其起泡性能 明显下降。这是因为透析是在水中进行的，7 s 和1 1 s 球蛋白的聚集一解离状态很 可能发生了改变雌2 引。 1 2 3 2 化学改性对大豆蛋白功能性的影响 化学改性有广义和狭义之分，前者泛指所有利用化学手段，例如p h 、盐、 表面活性剂等，对蛋白质进行结构修饰的说法；后者专指蛋白质的化学衍生化， 也就是利用特定的化学试剂与蛋白质分子上特定的基团反应【2 4 1 。 ( 1 ) 酰化改性 蛋白质的酰基化反应是按亲核加成的历程进行的，其酰化作用是蛋白质的亲 核基团( 例如氨基或羟基) 与酰化试剂中的亲电基团( 例如羰基) 相互反应，而 引入新功能基的过程。琥珀酸酐和乙酸酐是最常使用的酰化试剂。蛋白质分子参 加反应的有赖氨酸的氨基、酪氨酸的酚羟基、苏氨酸及丝氨酸的羟基、半胱氨酸 的巯基。蛋白质分子的酰化反应式可表示如下2 5 也6 1 ( v 代表蛋白质分子) ： 广东工业大学工学博士学位论文 m + ：一。儿邺儿 上 。且一 。夕。一。几一。 。r k 一。 a l l a ntp a n l s o n 和m a r v i na t u n g 通过对蛋白质的琥珀酰化研究发现，琥 珀酰化能显著提高蛋白质的溶解性，改变蛋白质的柔性，这主要是因为琥珀酰化 展开了蛋白质的亚基结构，使分子伸展，亲水基团更多地暴露而致；对于琥珀酰 化使蛋白质的净电荷增加这一现象，g m e n e rli s m o n d 认为琥珀酰化的作用使 净电荷增加以及远程斥力代替近程斥力使蛋白质结构打开，从而减弱了由于蛋白 质分子中氨基与羧基之间的引力使蛋白质分子集中的程度，相反增加了蛋白质与 水的作用。 熊正俊等2 9 1 则在上述基础上对大豆蛋白同时进行了乙酰化与琥珀酰化的比 较研究，发现琥珀酰化对蛋白质的水溶性、表面疏水性、乳化性等功能性的改变 大于乙酰化。 y a m a u c h i ( 3 田等研究了7 s 、1 l s 蛋白的乙酰化改性，他们发现修饰后7 s 蛋白 的乳化力和乳化稳定性随着乙酰化程度的增加而增加，而l l s 蛋白在中等修饰程 度( 6 0 8 0 ) 以下，随着乙酰化程度的提高，乳化力和乳化稳定性都增加，但 在乙酰化程度中等以上时呈下降趋势。 酰化增加蛋白质分子上净电荷，有利于分子链的展开，亲水基团的暴露，对 于改善蛋白质的乳化性、水合性呈现有利的影响。据静电作用的基本原理并应用 于分子体系，分子问静电力大小与分子上净电荷的平方成正比【3 1 l ；蛋白质上的净 电荷越高，其结构的变化越显著。而蛋白质的功能性需通过化学改性来提高，国 外有研究报道，采用一些分子上电荷密度较大的酰化剂能使蛋白质分子的功能性 得到较大的改变。如顺式四氢呋喃一2 ，3 ，4 ，5 一四羧酸二酐和4 一羧酸一1 ，2 一苯二甲酸酐【3 2 】 酰化蛋白质可提高其溶解性、乳化性和稳定性。以4 一羧酸一l ，2 一苯二甲酸酐酰化蛋 白质为例，反应式可表示如下： 芝处 第一章绪论 + n h o o h 0 在增强大豆蛋白的凝胶性、吸水性上，h w a n g ，d c 和d a m o d a r a n ，s 6 1 对大豆 分离蛋白先以乙二胺四乙酸二酐( e d t a d ) 进行酰化改性，再以戊二醛交联。 结果发现，改性干凝胶吸水能力可增大到1 0 0 倍；凝胶还能螯合重金属，平均每 克干胶吸附c a “，z n “，h 9 2 + 和p b 2 + 的量为o 7 0 ，o 6 5 ，0 9 5 和o 7 0 m m o l ；在土壤中完 全降解。 ( 2 ) 磷酸化改性 大豆分离蛋白磷酸化就是有选择地利用蛋白质侧链活性基团，如丝氨酸、酪氨 酸的o h 及赖氨酸的e n h 2 ，分别接进一个磷酸根基团，从而大量引进磷酸根基 团，通过改变蛋白质分予的电负性，提高了蛋白质分子之间的静电斥力，使之在 食品体系中更易于分散，相互排斥，因而能够提高分离蛋白的溶解性和聚结稳定 性，并降低了等电点例。 改善大豆蛋白的功能性较实用的磷酸化试剂是p 0 c 1 3 和三聚磷酸钠 ( s t p ) 。以p o c l 3 为例，大豆蛋白的磷酸化反应如下2 6 ： 0 h n h l 引 、0 h n r l 0 h 在磷酸化反应中，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。 以p o c l 3 为例，m e d i n aa l 等刚用p o c l 3 的c c k 溶液( vp 0 c 1 3 ，、7c c l 4 = 2 0 8 0 ) 对酪蛋白改性，研究结果表明，磷酸基改变了蛋白质负电性，使等电点降低；在 高于等电点的p h 条件下，磷酸基增加了蛋白质的净负电荷，使蛋白质分子的排 斥力增加，体系结构更分散，蛋白质侧链具有更好的粘弹性。在蛋白质的凝胶性 改变方面，美国加州大学m a t l l e i sg 【3 5 】 3 6 1 的研究通过多种凝胶电泳证实，用p o c l 3 改性的酪蛋白分子形成交联，即凝胶性提高，而未改性蛋白质分子没有；国内田 7 瓣 。工 n j 一 c 一 0ipi c + 广东丁业大学工学博士学位论文 少君删皿n 通过质构测定，证明磷酸化后大豆蛋白在碱性范围凝胶性得到提高。 日本富士油脂公司的h i m t s u k a 等3 8 谰p o c l 3 的正己烷溶液对大豆蛋白进行 磷酸化，通过质构化测定，结果显示，与未改性大豆蛋白相比，磷酸化大豆蛋白 在酸性至中性范围凝胶强度稳定，溶解性增高，乳化稳定性提高。 三聚磷酸钠亦提供对蛋白质的磷酸化改性。 ( 3 ) 还原烷基化改性 大豆蛋白与多羟基化合物共价结合，在希夫碱还原下，羰基衍生物( 如单糖 或低聚糖) 与e 一氨基发生美拉德反应，生成新的糖蛋白。还原烷基化增加了蛋白 质的极性、溶解度和抗热沉淀能力。如半乳甘露糖大豆蛋白具有较高的溶解性， 其乳化性和热稳定性也大大改善。美拉德反应有助于提高大豆蛋白的凝胶性。 c a b o d e v i l a 等【3 9 通过高温( 1 2 l 蒸汽浴加热6 0 m i n ) 下的美拉德反应制各出大 豆蛋白凝胶，这种凝胶具有较好的抗张强度和弹性，通过凝胶电泳研究，显示美 拉德凝胶中形成了另外的共价二硫键交联网络。 1 2 3 _ 3 大豆蛋白的酶改性 大豆蛋白的酶法改性是指通过酶部分降解蛋白质，增加