大豆蛋白的結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用研究.pdf

1、大豆因具有極高的營養(yǎng)價值和優(yōu)良的保健功能在食品工業(yè)中大放異彩，同時由于大豆中含有高達40％的蛋白質(zhì)，因此促使科學家們不斷探索，期望從了解天然蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系入手，借鑒自然界的力量開發(fā)出具有優(yōu)異性能的大豆蛋白材料。大豆蛋白主要組分是7S球蛋白和11S球蛋白，兩者占到蛋白質(zhì)總含量的87％，基本代表了純大豆蛋白的營養(yǎng)價值、物化性能以及生理功能等。對大豆蛋白進行仔細而深入的基礎(chǔ)研究，有利于弄清其結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，從而能夠有的

2、放矢地設(shè)計和制備各類基于大豆蛋白的天然材料，充分發(fā)揮大豆蛋白全天然、可再生、可回收等綠色環(huán)保的特點。
　　 大豆蛋白具有復雜的組成和結(jié)構(gòu)，亞基內(nèi)和亞基間存在較強的相互作用，形成緊密的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，不利于其在水中溶解，因此，制備均勻、穩(wěn)定的大豆蛋白水溶液對于后續(xù)研究非常重要。采用了兩種常見的生化試劑--鹽酸胍和二硫蘇糖醇(或巰基乙醇)來破壞大豆蛋白中的氫鍵和二硫鍵，再經(jīng)過透析將它們除去，從而獲得濃度為3.0wt％左右，并且分子鏈未發(fā)

3、生明顯降解的大豆蛋白水溶液。將3.0wt％的大豆蛋白水溶液進一步采用聚乙二醇水溶液進行反向透析后可獲得濃度更高的大豆蛋白水溶液用于后續(xù)研究。大豆蛋白溶液性質(zhì)對于充分理解并改善大豆蛋白材料結(jié)構(gòu)和性能至關(guān)重要，因此接著采用流變技術(shù)考察了大豆蛋白溶液性質(zhì)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)大豆蛋白溶液的濃度是其流變性質(zhì)的重要影響因素。當大豆蛋白溶液濃度小于等于7.2wt％時其在低頻區(qū)的模量幾乎不隨濃度而變化且彈性模量大于損耗模量，說明溶液中存在某種微凝膠結(jié)構(gòu)；當溶

4、液濃度大于等于9.0wt％時，大豆蛋白溶液的流變性質(zhì)發(fā)生顯著變化，其動態(tài)模量與頻率有如下關(guān)系：G’(ω)～G”(ω)～ω”，且損耗角tanδ與頻率ω無關(guān)，符合Winter的自相似松弛模型，即當濃度等于臨界濃度11.3 wt％時，儲存模量與損耗模量相等，形成亞穩(wěn)定臨界凝膠；低于11.3 wt％時轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤籂顟B(tài)而高于11.3wt％時會形成弱凝膠。
　　 大豆蛋白構(gòu)象及其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與其功能有著密切的關(guān)系，本論文詳細討論了熱誘導大豆蛋白

5、膜的構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程，并提出其構(gòu)象轉(zhuǎn)變機理。在升溫過程中，外界熱能使得大豆蛋白膜中蛋白質(zhì)分子鏈及鏈段運動得以實現(xiàn)，發(fā)生局部調(diào)整或重排，部分不穩(wěn)定的無規(guī)線團構(gòu)象遭到破壞，形成了較為穩(wěn)定的β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象。通過對特征峰隨溫度升高的變化曲線圖以及二維相關(guān)紅外光譜分析，將1500cm-1處的特征峰歸屬于與1700 cm-1處同源的β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象。同時我們發(fā)現(xiàn)酰胺Ⅰ的變化速率要快于1550 cm-1處特征峰的變化速率，究其原因認為該處吸收峰是酰胺Ⅱ和酪氨酸

6、殘基振動的協(xié)調(diào)效果。大豆蛋白膜在一定溫度下隨時間的增加而發(fā)生的構(gòu)象轉(zhuǎn)變機理在本質(zhì)上與通過加熱誘導的構(gòu)象轉(zhuǎn)變機理相同。升降溫循環(huán)實驗則表明了熱誘導大豆蛋白膜的大豆蛋白大約有30％～40％的構(gòu)象具有可逆回復的性質(zhì)，但是，1700 cm-1處的特征峰在降溫再升溫過程中幾乎沒有變化，表明大豆蛋白通過熱誘導形成的β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象比較穩(wěn)定。
　　 蛋白質(zhì)材料通常在制備后很短時間內(nèi)(幾個小時或者更短的時間)會發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，如較容易吸收空氣中的水

7、分使其力學性能發(fā)生改變，為日后的使用帶來很大的不便。因此在通過紅外光譜考察大豆蛋白膜熱誘導其構(gòu)象轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱力學分析(TGA和DMTA)從分子水平上來重點討論水在大豆蛋白膜構(gòu)象轉(zhuǎn)變中的作用。結(jié)合這三種不同的測試方法進行動力學分析，發(fā)現(xiàn)大豆蛋白膜的構(gòu)象轉(zhuǎn)變速率與蛋白質(zhì)熱力學次級松弛過程中的其分子鏈氨基酸殘基上締合的水分子經(jīng)升溫后的脫離過程有密切聯(lián)系。在加熱過程中，隨著水分子活動能力的增加，蛋白質(zhì)主鏈上氨基酸殘基的氫鍵被破壞，取而代

8、之的是脫離水分子后的氨基酸殘基間形成了新的氫鍵，從而引起蛋白質(zhì)分子鏈的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。但是研究表明，簡單的水蒸發(fā)過程并不能提供足夠的活化能使蛋白質(zhì)分子鏈發(fā)生重排，而是蛋白質(zhì)變性或其玻璃化轉(zhuǎn)變過程中水與氨基酸殘基之間相互作用引起的彈性不穩(wěn)定狀態(tài)導致了其從無序結(jié)構(gòu)向有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
　　 在研究大豆蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變機理的同時，制備純天然大豆蛋白材料是本論文的另一研究目的。雖然大豆蛋白在膜材料、纖維和塑料領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，但是將其作為智能型水凝膠

9、方面的應(yīng)用卻未見報道。由于大豆蛋白的分子鏈上含有較多的酸性和堿性氨基酸殘基，具有相當數(shù)量的可離子化基團，因此，成功將其制備成了一種具有較好力學性能的電場敏感水凝膠。作為一種蛋白質(zhì)水凝膠，大豆蛋白水凝膠上所帶電荷的種類和數(shù)量取決于電解質(zhì)溶液的pH值及其本身的等電點。當pH值接近大豆蛋白質(zhì)等電點時，大豆蛋白凝膠上所帶的電荷數(shù)量非常少，因此在pH=6的電解質(zhì)溶液中大豆蛋白水凝膠幾乎沒有電場響應(yīng)性。在pH<6的緩沖溶液中，大豆蛋白水凝膠具有聚陽

10、離子的性質(zhì)，在電場的作用下彎向陽極；在pH>6的緩沖溶液中，該水凝膠變?yōu)榫坳庪x子，在電場的作用下彎向陰極。在pH=2-4和pH=10-12范圍內(nèi)，水凝膠的平衡彎曲角可以達到60°以上，甚至在pH=2以及pH=12時，電壓為20 V的條件下可以達到90°。另外，在pH=7的中性條件下，大豆蛋白水凝膠彎向陰極，電壓為20 V時平衡彎曲角度可以達到21°。這些結(jié)果表明了制備的大豆蛋白水凝膠是一種性能良好的天然高分子電場敏感水凝膠，在很寬的pH

11、值范圍均具有較好的電場響應(yīng)性，優(yōu)于課題組先前報道的殼聚糖/羧甲基纖維素水凝膠和殼聚糖/羧甲基殼聚糖水凝膠。除溶液的pH值外，電壓的大小、溶液的離子強度等都會影響大豆蛋白水凝膠的電場響應(yīng)性，并且大豆蛋白水凝膠的彎曲行為具有很好的重復性，這些特點表明該水凝膠在微型傳感器、微型驅(qū)動器以及人工肌肉方面具有潛在的應(yīng)用價值。此外，在環(huán)形電場刺激下，大豆蛋白水凝膠環(huán)也有很好的刺激響應(yīng)性，拓展了其應(yīng)用范圍，為日后大豆蛋白電場敏感水凝膠的實際應(yīng)用奠定了基

12、礎(chǔ)。
　　 綜上所述，首先獲得了分子鏈未降解的高濃度大豆蛋白溶液，然后采用流變技術(shù)測定了其溶液性質(zhì)，用紅外光譜研究了其構(gòu)象轉(zhuǎn)變，同時結(jié)合熱力學分析，提出了大豆蛋白在熱誘導下的構(gòu)象轉(zhuǎn)變機理。最后成功制備了一種具有相當應(yīng)用潛力的大豆蛋白電場敏感水凝膠，并詳細研究了影響其電場響應(yīng)性的因素。由此，本論文分別從基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用兩方面對大豆蛋白這一種天然高分子材料進行了較為系統(tǒng)的研究，期望能夠加深對大豆蛋白這種來源豐富，可資源再生的天然高