幾種常規(guī)改性方法對(duì)大豆蛋白化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

朱 勁，單人為，李 琴，李延軍，袁少飛，王洪艷

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省竹類(lèi)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；3. 江西廣播電視大學(xué)，江西 南昌 330046）

農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)，在我國(guó)持續(xù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，積極探索出一條農(nóng)產(chǎn)品特別是農(nóng)產(chǎn)品剩余物的工業(yè)化利用途徑，會(huì)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著事半功倍的作用。豆粕是大豆炸完油后的下腳料，蛋白質(zhì)的含量為（40% ~ 50%）[1]，一般用于家禽家畜的飼料或農(nóng)作物的肥料[2~4]。如何充分利用這些大豆蛋白質(zhì)，把這些農(nóng)產(chǎn)品剩余物變成附加值極高的工業(yè)產(chǎn)品成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。研制以豆粕為原料的大豆蛋白膠粘劑是一個(gè)很好的選擇，既能有效的利用這些剩余物，又能替代“三醛”膠的使用，減輕對(duì)環(huán)境的危害[5~6]。

鑒于大豆蛋白的結(jié)構(gòu)，要想利用這些蛋白質(zhì)從而研制出大豆蛋白膠粘劑，就必須對(duì)大豆蛋白進(jìn)行改性處理。研究表明經(jīng)過(guò)改性后的大豆蛋白會(huì)暴露出更多活性基團(tuán)，從而增加蛋白質(zhì)的粘結(jié)強(qiáng)度和交聯(lián)度，這也是改善大豆蛋白膠黏劑膠合強(qiáng)度低和耐水性差的主要原因[7~8]。目前，對(duì)大豆蛋白進(jìn)行改性的方法主要有：物理改性、化學(xué)改性，生物改性，而熱改性、酸堿改性和酶改性又是這些方法中最常規(guī)的方法。本文對(duì)大豆蛋白進(jìn)行了熱改性、酸、堿改性和酶改性實(shí)驗(yàn)，并采用紅外光譜對(duì)改性前后大豆蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)大豆蛋白化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析，為這幾種常規(guī)改性方法在大豆蛋白膠黏劑的反應(yīng)機(jī)理和成膠機(jī)理中所起到的作用提供了理論依據(jù)和研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料 大豆豆粕（200目）；硫酸（分析純）；氫氧化鈉（分析純）；胃蛋白酶（活力單位10萬(wàn)/g）。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備 pHS-3C數(shù)字酸度計(jì)；NDJ-5S數(shù)字式粘度計(jì)；THY-2030數(shù)控超級(jí)恒溫槽；電動(dòng)攪拌棒；真空冷凍干燥箱；紅外光譜儀；冰箱；電子天平等。

1.2 試驗(yàn)方法

分別以溫度、pH（酸和堿）、蛋白酶為單因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用紅外光譜分析儀對(duì)改性前后大豆蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

①將30 g豆粕粉加入到裝有100 g水的燒瓶中，在常溫下使用攪拌機(jī)攪拌30 min，得到均勻的豆粕溶液（未處理）；②將30 g豆粕粉加入到裝有100 g水的燒瓶中，在恒溫槽中加熱并保持溫度為75℃，使用攪拌機(jī)攪拌30min，得到大豆蛋白的熱改性溶液（熱改性）；③將30 g豆粕粉加入到裝有100 g水的燒瓶中，在恒溫槽中加熱并保持溫度為39℃，用硫酸調(diào)溶液的pH為2.0，加入5 000U/g的胃蛋白酶，使用攪拌機(jī)攪拌30min，然后用氫氧化鈉調(diào)溶液的pH為5.6，得到大豆蛋白的酶改性溶液（酶改性）；④將30 g豆粕粉加入到裝有100 g水的燒瓶中，用硫酸調(diào)溶液的pH為2.0，并使用攪拌機(jī)攪拌30 m in，得到大豆蛋白的酸改性溶液（酸改性）；⑤將30 g豆粕粉加入到裝有100 g水的燒瓶中，用氫氧化鈉調(diào)溶液的pH為12.0，并使用攪拌機(jī)攪拌30 m in，得到大豆的堿改性溶液（堿改性）。

將上述制備的各豆粕溶液先用粘度計(jì)測(cè)試各溶液（25℃）的粘度，然后取少部分放入冰箱中，在-18℃下冷凍24 h，隨后用真空冷凍干燥箱對(duì)樣品進(jìn)行冷凍干燥，并使用紅外光譜儀對(duì)冷凍干燥后的樣品粉末進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

表1和圖1分別為改性前后豆粕溶液的粘度和紅外光譜圖。

表1 改性前后豆粕溶液的粘度

2.1 熱改性對(duì)大豆蛋白的影響

由圖1可知，豆粕中主要含有-OH、-NH2、-COOH等活性基團(tuán)，其中波數(shù)為3 411.16 cm-1處的寬的吸收峰是分子間氫鍵O-H伸縮振動(dòng)和N-H伸縮振動(dòng)吸收的特征峰；波數(shù)為 2 929.50 cm-1處的峰是CH2的伸縮振動(dòng)特征峰；波數(shù)為1 654.22 cm-1處的峰是C=O伸縮振動(dòng)（酰胺Ⅰ譜帶）；波數(shù)為1 541.43 cm-1處的峰是N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)和C-N伸縮振動(dòng)的偶合峰（酰胺Ⅱ譜帶）；波數(shù)為1 241.75 cm-1處的峰是C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）；在波數(shù)為1 399.92 cm-1處的峰是COO-的特征峰，波數(shù)為1 053.50 cm-1處的峰是伯醇吸收帶。

從圖1可以看到，與未改性豆粕的譜圖相比，熱改性豆粕的紅外光譜圖中各峰形和峰位都沒(méi)有變化。這說(shuō)明熱改性沒(méi)有改變大豆蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)(多肽鏈上氨基酸的排列順序），而由表1又可知，熱改性豆粕溶液的粘度要比未改性的明顯增大，這可能是大豆蛋白發(fā)生了熱變性。在加熱條件下，大豆蛋白質(zhì)分子由原來(lái)的卷曲緊密結(jié)構(gòu)舒展開(kāi)來(lái)，使分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露在外部，從而使分子外部的親水基團(tuán)相對(duì)減少，致使溶解度降低，并且蛋白質(zhì)分子在受熱后可能發(fā)生了締合作用[9]，從而使得粘度增加。

圖1 改性前后豆粕溶液的紅外光譜圖

2.2 酶改性對(duì)大豆蛋白的影響

由圖1可知，與未改性豆粕的譜圖相比，酶改性豆粕的紅外光譜圖中峰的變化主要是在波數(shù)為 1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）和波數(shù)為1 053.50 cm-1處的伯醇吸收帶。C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）吸收強(qiáng)度的減弱說(shuō)明在蛋白酶的作用下，部分肽鍵或酰胺鍵發(fā)生了水解；波數(shù)為1 053.50 cm-1處的伯醇吸收帶的消失以及出現(xiàn)波數(shù)為1 111.38 cm-1的特征峰，說(shuō)明大豆蛋白肽鏈水解后的小分子中的伯醇基團(tuán)在濃硫酸的催化作用下生成了醚鏈。與酸改性豆粕的譜圖相比，在波數(shù)為1 541.43 cm-1處的N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)（酰胺Ⅱ譜帶）吸收強(qiáng)度減弱，說(shuō)明一部分的-NH2參與了交聯(lián)反應(yīng)。此外，由表1可知，經(jīng)蛋白酶改性后的豆粕溶液的粘度有所增大，這可能是部分?jǐn)嗔验_(kāi)的多肽鏈的分子內(nèi)或分子間交聯(lián)，致使分子量增大，從而使粘度升高。蛋白酶改性大豆蛋白的作用機(jī)理主要在于能夠改變大豆蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)，有限度地水解酰胺鍵使大豆蛋白部分降解，增加其分子內(nèi)或分子間交聯(lián)或連接其他特殊功能基團(tuán)[1]。

2.3 酸改性對(duì)大豆蛋白的影響

由圖1可知，與未改性豆粕的譜圖相比，酸改性豆粕的紅外光譜圖中峰的變化主要是在波數(shù)為1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）和波數(shù)為1 541.43 cm-1處的N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)（酰胺Ⅱ譜帶）。C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）吸收強(qiáng)度的減弱說(shuō)明在強(qiáng)酸的作用下，部分肽鍵發(fā)生了水解；波數(shù)為1 541.43 cm-1處的N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)（酰胺Ⅱ譜帶）吸收強(qiáng)度的增強(qiáng)說(shuō)明在濃硫酸的作用下，大豆蛋白的空間球狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，球蛋白中的多肽鏈被解離開(kāi)來(lái)，暴露出更多的-NH2，并且-NH2也沒(méi)有被反應(yīng)掉。由圖1還可知，酶和酸改性豆粕的譜圖與未改性豆粕的譜圖相比，各酰胺譜帶發(fā)生了不同程度的藍(lán)移，這可能是酸的誘導(dǎo)效應(yīng)。此外，由表1可知，濃硫酸改性過(guò)的豆粕溶液的粘度下降明顯，這可能是在酸的作用下被解離的大豆蛋白的多肽鏈?zhǔn)嬲归_(kāi)來(lái)，另外，對(duì)比圖1中酶改性豆粕的譜圖可知，雖然蛋白分子在酸的作用下發(fā)生了部分肽鍵或酰胺鍵的水解，但對(duì)整條肽鏈的影響不大，斷開(kāi)的肽鍵部位也沒(méi)有出現(xiàn)分子內(nèi)或分子間交聯(lián)的跡象。

2.4 堿改性對(duì)大豆蛋白的影響

由圖1可知，與未改性豆粕的譜圖相比，堿改性豆粕的紅外光譜圖中峰的變化主要是在波數(shù)為1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）和波數(shù)為1 541.43 cm-1處的N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)（酰胺Ⅱ譜帶）。但與酸改性和酶改性的譜圖相比可以發(fā)現(xiàn)，堿水解肽鍵或酰胺鍵的能力要高于酸和酶，在波數(shù)為1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）幾乎完全消失了，堿水解肽鍵或酰胺鍵的能力比胃蛋白酶強(qiáng)，這可能是胃蛋白酶對(duì)肽鏈中的肽鍵或酰胺鍵的水解具有專(zhuān)一性，并不能水解所有肽鏈中的肽鍵或酰胺鍵，而強(qiáng)堿對(duì)肽鍵或酰胺鍵的水解并沒(méi)有這方面的限制。此外，由波數(shù)為1 541.43 cm-1處的N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)（酰胺Ⅱ譜帶）吸收強(qiáng)度的減弱可知，大部分的-NH2被反應(yīng)掉了。由圖1還可知，堿改性豆粕的譜圖與未改性豆粕的譜圖相比，各酰胺譜帶也發(fā)生了不同程度的藍(lán)移，這可能是具有兩性的蛋白質(zhì)在堿的作用下也發(fā)生了的誘導(dǎo)效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨著溶液pH值的上升，攪拌越來(lái)越困難，并且由表1可知，堿改性的豆粕溶液的粘度達(dá)到83 417 mPa/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未改性和其他常規(guī)改性的豆粕溶液。堿改性豆粕的機(jī)理主要在于大程度的水解肽鍵和酰胺鍵，并催化一些活性基團(tuán)參與各分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)反應(yīng)[10]。

綜合以上的分析可知，熱改性，酶改性，酸、堿改性等常規(guī)改性方法均能導(dǎo)致大豆蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這些變化也反應(yīng)出不同改性方法改性大豆蛋白的機(jī)理和程度也各有所異。單一的改性往往有著局限性，聯(lián)合使用兩種或多種方法對(duì)大豆蛋白進(jìn)行改性才是今后研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）熱改性不會(huì)對(duì)大豆蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)造成影響，會(huì)使大豆蛋白的溶解度降低；大豆蛋白會(huì)在受熱時(shí)發(fā)生熱變性，并且可能發(fā)生了締合作用，使溶液的粘度升高。

（2）酶改性會(huì)在一定程度上水解肽鏈中的肽鍵或酰胺鍵，增加肽鏈分子內(nèi)或分子間交聯(lián)或連接其他特殊功能基團(tuán)，并且水解后生成的部分小分子已經(jīng)發(fā)生了交聯(lián)。

（3）酸改性會(huì)部分水解肽鍵，但這種改性對(duì)肽鏈的影響不大，并且水解出來(lái)的小分子沒(méi)有發(fā)現(xiàn)交聯(lián)的跡象，另外酸還會(huì)對(duì)大豆球蛋白進(jìn)行解離，致使改性后的豆粕溶液的粘度大幅降低。

（4）堿改性會(huì)大程度地水解肽鍵或酰胺鍵，使得多肽鏈上大量的極性基團(tuán)暴露出來(lái)；水解出來(lái)的小分子會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成分子量更大的分子，使溶液的粘度急劇升高。

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