黃豆蛋白膠體的制備和聚沉

高海燕，董玉明，杜佳瓊，寧崢雯，陳雯清

江南大學化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122

膠體化學融合化學、物理、材料、生物等諸學科，是物理化學中兼具科學意義與實際應用的重要部分。目前物理化學實驗教材中有關膠體化學內容的實驗，一般都是氫氧化鐵膠體的制備和電泳速率的測定[1–10]。該實驗屬于驗證性實驗，對膠體特征的表征局限于電學性質，缺少對膠體粒徑、光學性質的表征探究，且在培養(yǎng)學生綜合運用理論知識和主動解決問題的能力方面具有較大的改進空間。對膠體化學實驗進行重新思考和創(chuàng)新設計，賦予了鼓勵學生探究、分析問題的新內涵，對于高素質人才培養(yǎng)將發(fā)揮積極作用。

我國是豆腐的發(fā)源地，豆腐富含蛋白、味甘性涼，在國內家喻戶曉，國際上也廣受喜愛，是彰顯中國文化的經典食品。傳統(tǒng)的豆腐是通過黃豆豆?jié){中蛋白膠體的聚沉得到的，通過粉碎法制備的黃豆蛋白平均粒徑小于100 nm，分散在水中形成的豆?jié){屬于膠體，適合教學。

本文對傳統(tǒng)物理化學實驗——膠體的制備及電泳測定，進行了如下改進：

(1) 在教學內容上，研究對象從化學法凝聚合成的Fe(OH)3膠體改進為物理法分散制備的黃豆蛋白膠體，體現創(chuàng)新設計以及化學與物理、生物的學科交叉；

(2) 在教學手段上，使用新型儀器對膠體的標志性特點進行表征(顆粒尺寸、光學性質、電學性質)，有利于學生運用已學理論知識，更全面地認識膠體化學，體現綜合性；

(3) 在教學方式上，鼓勵學生對植物蛋白這一膠體進行文獻調研和具體分析，設計了溫度、酸堿等對聚沉影響的探究性實驗，更有利于學生創(chuàng)新思維和科研能力的培養(yǎng)；

(4) 在教育理念上，運用現代膠體化學知識，研究傳統(tǒng)食品豆腐的制作工藝，促進學生更寬視野地理解科學、社會與生活。方便課后自行拓展應用，培養(yǎng)運用知識、熱愛勞動的習慣。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

膠體分散體系是指分散相粒子直徑在1–1000 nm的多相分散系統(tǒng)，具有高度分散性和熱力學不穩(wěn)定性。粒徑、光學性質、電學性質及聚沉是膠體的標志性特征。

1.1.1 膠體粒子的制備方法

通常的制備方法有分散法和凝聚法，分散法是將大尺度的物料分散成膠體粒子，而凝聚法是由分子(原子或離子)的分散狀態(tài)凝聚為膠體尺度。原膠體實驗采用化學凝聚法，利用FeCl3溶液在沸水中水解制備得到Fe(OH)3膠體。本文采用分散法，黃豆蛋白經物理粉碎分散于水中形成膠體。

黃豆的主要成分包括蛋白質約39%、碳水化合物和粗纖維約26%、脂類物質約17%[11]。物理粉碎后黃豆蛋白的粒徑一般較小，但是黃豆中纖維素和碳水化合物等尺寸較大，因此在黃豆粉碎后需要進行過濾，同時濾掉的還有不溶于水的脂肪類化合物，獲得的豆?jié){為黃豆蛋白膠體。

1.1.2 膠體的粒徑

本實驗采用Zeta電位及粒度分析儀測量膠體粒徑。不同粒徑的顆粒產生的散射光的θ角不同，顆粒越小，散射光的θ角越大。散射光的強度代表該粒徑顆粒的數量，測量不同角度上散射光的強度，就可得到樣品的粒度分布。利用Zeta電位及粒度分析儀測量粒徑，不僅可以得到樣品的粒徑分布，更加準確清晰，同時測量得到的粒徑可以直接用于后續(xù)的Zeta電位的測量。還可以通過透射電子顯微鏡觀測膠粒尺寸，或者超顯微鏡根據下式測量粒徑r (nm)：

式中，m：單位體積溶膠中分散相的總質量；C：膠粒個數；ρ：膠體的密度。

1.1.3 膠體的光學性質

當膠體粒子尺度小于可見光波長(400–760 nm)時，通過膠體的入射光會發(fā)生明顯的散射現象，在與入射光垂直的方向上，可以觀察到散射光，稱為丁達爾(Dindal)效應。散射光的強度可以通過瑞利(Rayleigh)公式計算，白光中藍、紫光由于波長短而散射效應強，橙、紅光由于波長長而透過效應好。瑞利公式為：

式中A：入射光的振幅；λ：入射光波長；ν：單位體積中粒子數；V：每個粒子體積；n1：分散相折射率；n2：分散介質折射率。

1.1.4 膠體的電學性質

由于膠體本身的電離或膠粒對某些離子的選擇性吸附，使膠粒的表面帶有一定電荷。在外電場作用下，固-液兩相可以發(fā)生相對運動；同時，外力作用下，迫使固-液兩相相對運動時又可產生電勢差。電場作用下膠粒向異性電極的定向移動稱為電泳，發(fā)生相對移動的界面稱為滑動面，滑動面與液體內部的電位差稱為電動電勢或ζ電勢，其大小影響膠粒在電場中的移動速率。

傳統(tǒng)實驗使用電泳儀測定電泳速率進而計算ζ電勢，本實驗提出通過Zeta電位儀測定ζ電勢，采用儀器測量溶膠移動的速度，克服人眼觀察的誤差，更加方便準確。測量原理如下：

在兩極間接上電位差U(V)后在t(s)時間內膠體界面移動的距離為d(m)，即膠體電泳速度v(m?s?1)為：

相距為L(m)的兩極間的電位梯度平均值H(V?m?1)為：

如果輔助液的電導率與膠體的電導率相差較大，則在整個電泳管內的電勢降是不均勻的，這時需用下式求H[2]:

式中，LK為膠體兩界面間的距離。

從實驗求得膠粒電泳速度后，可按下式求ζ(V)電位[2]：

式中，K：與膠粒形狀有關的常數(對于球形粒子K = 5.4 × 1010V2?s2?kg?1?m?1)，對于棒形粒子K = 3.6 ×1010V2?s2?kg?1?m?1；η：介質的黏度(kg?m?1?s?1)；ε：介質的介電常數。

1.1.5 膠體的穩(wěn)定與聚沉

膠體在一定條件下、一定時間內穩(wěn)定，與所帶電荷的排斥作用、表面溶劑化作用以及布朗運動有關，膠體顆粒相互聚結進而沉淀的現象稱為聚沉。

在膠體中加入合適電解質后可以促進聚沉，電解質聚沉能力的大小通常用聚沉值表示，聚沉值是使膠體發(fā)生聚沉時需要電解質的最小濃度值，其單位用mol?L?1表示。舒爾策-哈迪(Schulze-Hardy)規(guī)則表明，起決定性作用的是與膠粒帶相反電荷的離子，反離子的價數越高，聚沉能力越強。這個規(guī)則一般來說是成立的，但也有許多反?，F象。

pH也會影響膠粒的帶電性質，從而影響膠體的聚沉。尤其是對于蛋白質而言，蛋白質的分子結構與環(huán)境的pH密切相關。在等電點附近時，蛋白質表面的帶電量接近于0 mV，此時蛋白質分子之間的靜電排斥最小，最容易聚沉。而當pH高于或者低于等電點時，蛋白質帶負電或者正電，靜電排斥大，會增加溶解度[12]。溫度也對膠體的穩(wěn)定有一定的影響。高溫下布朗運動和水化去除加劇，并且黃豆蛋白會受熱變性、疏水性增強，更易在電解質作用下聚沉形成豆腐凝膠[13]。

1.2 試劑或材料

氯化鈉、無水氯化鈣、六水氯化鋁、氫氧化鈉、磷酸均為分析純，以及400目濾布、布濾紙，購自國藥集團化學試劑有限公司。優(yōu)質黃豆產于東北，超市購買。

1.3 儀器和表征方法

1.3.1 儀器

常見儀器燒杯、燒瓶、電熱套、溫度計、玻璃棒、量筒、布氏漏斗，專用儀器見表1。

表1 實驗中使用的專用儀器及其信息

1.3.2 表征方法

通過氙燈觀察丁達爾現象，驗證其光學性質。利用Zeta電位及粒度分析儀，進行粒徑和ζ電勢的測定。

1.4 實驗步驟

1.4.1 黃豆蛋白膠體制備

1) 磨漿(分散法)：將30 g黃豆放入破壁機中，并且加入1000 mL水，操作儀器開始制備豆?jié){。一部分制成生豆?jié){，另一部分利用破壁機加熱功能制成熟豆?jié){。

2) 過濾：使用布氏漏斗抽濾裝置，上面再鋪上400目的濾布，啟動水泵開始抽濾。收集濾出的濾液，即為黃豆蛋白膠體。

1.4.2 電學性質及粒徑表征

打開Zeta電位及粒度分析程序，將過濾后的熟豆?jié){稀釋10倍后加入到比色皿中，插入樣品槽，進入程序后，設置溶膠粒子形狀為球形(實驗前教師通過電鏡證實)，分散介質選擇水，開始測量。

打開Zeta電位程序，將已經稀釋10倍的過濾后的熟豆?jié){加入比色皿1/3高度處，趕走氣泡，鈀電極插入溶液，再將鈀電極插入儀器內的插口中。將比色皿放入樣品槽中，進入程序，設溶膠粒子形狀為球形(實驗前教師通過電鏡證實)，分散介質選擇水，開始測量。

1.4.3 光學性質表征

將氙燈光源從裝有稀釋10倍的熟豆?jié){的燒杯一側照射，在入射光垂直方向觀察拍照。

1.4.4 豆腐成品的制備

將方木框放在活動底板上，貼靠模板，鋪上粗白布，倒入聚沉后豆?jié){，加上框蓋加壓使豆腐水從布孔流出，直到豆腐水由線流變?yōu)榈瘟?，得到豆腐?/p>

2 結果與討論

2.1 電學性質及粒度表征

首先對豆?jié){的粒度進行測量，結果(圖1)表明多數豆?jié){膠體顆粒尺度在20–120 nm之間，最可幾粒徑為51.1 nm。而膠體的粒徑范圍為1–1000 nm，由此驗證得豆?jié){屬于膠體。再對Zeta電位進行測定，3次實驗結果(表2)均表明黃豆蛋白膠粒Zeta電位小于?40 mV，為帶負電顆粒，為后面實驗奠定了基礎。

表2 黃豆蛋白膠體的ζ電勢

圖1 黃豆蛋白膠體的粒徑分布圖

2.2 光學性質表征

用氙燈照射后(圖2)，看到明顯的藍色散射光，而且從入射光的對面看，透射的光顯示橙紅色，印證膠體特征以及瑞利公式中波長和散射強度的關系，純水和粗分散體系均沒有此現象。若分散相的粒子大于入射光的波長，則主要發(fā)生光的反射或折射現象，粗分散系統(tǒng)就屬于這種情況。而原來實驗中所用到的氫氧化鐵膠體本身為深紅色，不能顯示波長對光的散射和透射的影響。

圖2 (a)、(b) 黃豆蛋白膠體的丁達爾效應圖；(c) 粗分散體系的光學性質表征；(d) 水的光學性質表征

2.3 溫度對聚沉的影響探究

通過不同溫度下加入0.05 mol?L?1CaCl2溶液的量，得到聚沉值(表3)，其中25 °C下的濃度達到0.0065 mol?L?1時仍未聚沉，說明溫度對黃豆蛋白膠體的聚沉存在影響。一方面加熱加劇膠粒布朗運動和水化去除，促使膠體凝聚；另一方面黃豆蛋白中的主要成分是7S蛋白和11S蛋白，其變性溫度分別是70 °C和90 °C左右，隨著溫度升高變性加劇、暴露出的疏水基團增多，有利于聚沉[14]。

表3 不同溫度下的CaCl2聚沉值

2.4 凝聚劑對聚沉的影響探究

探究加入0.05 mol?L?1的NaCl、CaCl2、AlCl3的聚沉值(表4) (以上的實驗都是在溫度為80 °C下進行的)，其中NaCl濃度達到0.0065 mol?L?1時仍未聚沉。在負離子相同的條件下可以得出，隨著電解質反離子的價態(tài)升高，聚沉值減小、聚沉能力增強，這與舒爾策-哈迪(Schulze-Hardy)規(guī)則相符。通過對溫度、凝固劑的探究對比，當溫度從80 °C升到100 °C時，聚沉值并未發(fā)生明顯變化，而當改變聚沉劑時，聚沉值的變化非常明顯，可以看出凝固劑對膠體的聚沉影響更加顯著。

表4 不同凝聚劑聚沉值

2.5 pH對聚沉的影響探究

原始豆?jié){的pH是6.65，在逐漸加酸調節(jié)pH過程中，當調節(jié)到pH為5附近的時候，出現了明顯聚沉如圖3(a)，聚沉現象最明顯，再加酸聚沉現象沒有明顯改變。當調節(jié)黃豆蛋白膠體的pH偏離5后，直接加酸直到pH為1.48時，沒有出現聚沉如圖3(b)。直接加入過量的堿時，調節(jié)pH至11.39，此過程也沒有出現聚沉如圖3(c)。

圖3 (a) pH = 4.61的聚沉現象；(b) pH = 1.48的聚沉現象；(c) pH = 11.39的聚沉現象

黃豆蛋白中的主要成分是7S蛋白和11S蛋白，11S蛋白的理論等電點是6.4，但是所用的黃豆不同其等電點也會有所不同[15]。本實驗中當pH在接近5的時候，聚沉效果最好，說明這批黃豆蛋白的等電點是5左右，而當直接調節(jié)pH為1左右的時候，聚沉效果明顯減弱，說明在低于黃豆蛋白的等電點時因為靜電斥力的增加導致體系更加分散，不易聚沉，同理加入過量的堿時，也因為斥力的增加不易聚沉。

2.6 豆腐的制備

將聚沉的黃豆蛋白膠體放入模具，增加壓力，10分鐘后，豆腐成品出現(圖4)?？筛淖兙鄢羷┑姆N類、用量、模具壓力等得到豆腐腦、嫩豆腐、老豆腐、豆腐干等不同產品。

圖4 豆腐成品

黃豆蛋白膠體與水通過氫鍵結合，通過增加壓力，可以克服水與蛋白膠體之間氫鍵作用力，同時壓力可以使蛋白膠體之間的空間結構坍塌，從而擠掉水分，形成豆腐成品。

3 結語

本實驗制備了黃豆蛋白膠體，考察了其粒徑、光學性質、電學性質和聚沉現象，涵蓋了膠體化學的大部分知識點，綜合性特色鮮明。原有實驗中氫氧化鐵膠體為深紅色，不能展示丁達爾效應中的顏色變化規(guī)律，而黃豆蛋白膠體克服了這一缺點；引入Zeta電位儀同時準確測量粒徑和ζ電勢，明確所制備的黃豆蛋白粒徑屬于膠體范圍；在教材中膠體聚沉理論的基礎上，拓展設計了生物基膠體聚沉過程的探究實驗，增強學生的學科交叉意識和科研創(chuàng)新思維。本實驗可在8小時之內完成，有利于本科教學推廣。該實驗還具有延伸性，學生可以在課后繼續(xù)進行拓展思考及探究，比如選用先進儀器考察聚沉前后的界面變化、思考新型豆腐聚沉原理等，提升學生的實驗興趣和綜合實踐能力。