几种常规改性方法对大豆蛋白化学结构的影响

2014-06-23单人为李延军袁少飞王洪艳

浙江林业科技 2014年2期

朱劲，单人为，李琴，李延军，袁少飞，王洪艳

（1. 浙江农林大学，浙江临安 311300；2. 浙江省林业科学研究院浙江省竹类研究重点实验室，浙江杭州 310023；3. 江西广播电视大学，江西南昌 330046）

农业是一个国家的基础，在我国持续推动农业发展的同时，积极探索出一条农产品特别是农产品剩余物的工业化利用途径，会对我国农业的发展起着事半功倍的作用。豆粕是大豆炸完油后的下脚料，蛋白质的含量为（40% ~ 50%）[1]，一般用于家禽家畜的饲料或农作物的肥料[2~4]。如何充分利用这些大豆蛋白质，把这些农产品剩余物变成附加值极高的工业产品成为了一个新的研究热点。研制以豆粕为原料的大豆蛋白胶粘剂是一个很好的选择，既能有效的利用这些剩余物，又能替代“三醛”胶的使用，减轻对环境的危害[5~6]。

鉴于大豆蛋白的结构，要想利用这些蛋白质从而研制出大豆蛋白胶粘剂，就必须对大豆蛋白进行改性处理。研究表明经过改性后的大豆蛋白会暴露出更多活性基团，从而增加蛋白质的粘结强度和交联度，这也是改善大豆蛋白胶黏剂胶合强度低和耐水性差的主要原因[7~8]。目前，对大豆蛋白进行改性的方法主要有：物理改性、化学改性，生物改性，而热改性、酸碱改性和酶改性又是这些方法中最常规的方法。本文对大豆蛋白进行了热改性、酸、碱改性和酶改性实验，并采用红外光谱对改性前后大豆蛋白的化学结构进行了分析。通过对大豆蛋白化学结构的分析，为这几种常规改性方法在大豆蛋白胶黏剂的反应机理和成胶机理中所起到的作用提供了理论依据和研究基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

1.1.1 试验材料大豆豆粕（200目）；硫酸（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）；胃蛋白酶（活力单位10万/g）。

1.1.2 试验设备 pHS-3C数字酸度计；NDJ-5S数字式粘度计；THY-2030数控超级恒温槽；电动搅拌棒；真空冷冻干燥箱；红外光谱仪；冰箱；电子天平等。

1.2 试验方法

分别以温度、pH（酸和碱）、蛋白酶为单因素设计实验，采用红外光谱分析仪对改性前后大豆蛋白的化学结构进行了分析。

①将30 g豆粕粉加入到装有100 g水的烧瓶中，在常温下使用搅拌机搅拌30 min，得到均匀的豆粕溶液（未处理）；②将30 g豆粕粉加入到装有100 g水的烧瓶中，在恒温槽中加热并保持温度为75℃，使用搅拌机搅拌30min，得到大豆蛋白的热改性溶液（热改性）；③将30 g豆粕粉加入到装有100 g水的烧瓶中，在恒温槽中加热并保持温度为39℃，用硫酸调溶液的pH为2.0，加入5 000U/g的胃蛋白酶，使用搅拌机搅拌30min，然后用氢氧化钠调溶液的pH为5.6，得到大豆蛋白的酶改性溶液（酶改性）；④将30 g豆粕粉加入到装有100 g水的烧瓶中，用硫酸调溶液的pH为2.0，并使用搅拌机搅拌30 m in，得到大豆蛋白的酸改性溶液（酸改性）；⑤将30 g豆粕粉加入到装有100 g水的烧瓶中，用氢氧化钠调溶液的pH为12.0，并使用搅拌机搅拌30 m in，得到大豆的碱改性溶液（碱改性）。

将上述制备的各豆粕溶液先用粘度计测试各溶液（25℃）的粘度，然后取少部分放入冰箱中，在-18℃下冷冻24 h，随后用真空冷冻干燥箱对样品进行冷冻干燥，并使用红外光谱仪对冷冻干燥后的样品粉末进行分析。

2 结果与分析

表1和图1分别为改性前后豆粕溶液的粘度和红外光谱图。

表1 改性前后豆粕溶液的粘度

2.1 热改性对大豆蛋白的影响

由图1可知，豆粕中主要含有-OH、-NH2、-COOH等活性基团，其中波数为3 411.16 cm-1处的宽的吸收峰是分子间氢键O-H伸缩振动和N-H伸缩振动吸收的特征峰；波数为 2 929.50 cm-1处的峰是CH2的伸缩振动特征峰；波数为1 654.22 cm-1处的峰是C=O伸缩振动（酰胺Ⅰ谱带）；波数为1 541.43 cm-1处的峰是N-H面内弯曲振动和C-N伸缩振动的偶合峰（酰胺Ⅱ谱带）；波数为1 241.75 cm-1处的峰是C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）；在波数为1 399.92 cm-1处的峰是COO-的特征峰，波数为1 053.50 cm-1处的峰是伯醇吸收带。

从图1可以看到，与未改性豆粕的谱图相比，热改性豆粕的红外光谱图中各峰形和峰位都没有变化。这说明热改性没有改变大豆蛋白的一级结构(多肽链上氨基酸的排列顺序），而由表1又可知，热改性豆粕溶液的粘度要比未改性的明显增大，这可能是大豆蛋白发生了热变性。在加热条件下，大豆蛋白质分子由原来的卷曲紧密结构舒展开来，使分子内部的疏水基团暴露在外部，从而使分子外部的亲水基团相对减少，致使溶解度降低，并且蛋白质分子在受热后可能发生了缔合作用[9]，从而使得粘度增加。

图1 改性前后豆粕溶液的红外光谱图

2.2 酶改性对大豆蛋白的影响

由图1可知，与未改性豆粕的谱图相比，酶改性豆粕的红外光谱图中峰的变化主要是在波数为 1 241.75 cm-1处的C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）和波数为1 053.50 cm-1处的伯醇吸收带。C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）吸收强度的减弱说明在蛋白酶的作用下，部分肽键或酰胺键发生了水解；波数为1 053.50 cm-1处的伯醇吸收带的消失以及出现波数为1 111.38 cm-1的特征峰，说明大豆蛋白肽链水解后的小分子中的伯醇基团在浓硫酸的催化作用下生成了醚链。与酸改性豆粕的谱图相比，在波数为1 541.43 cm-1处的N-H面内弯曲振动（酰胺Ⅱ谱带）吸收强度减弱，说明一部分的-NH2参与了交联反应。此外，由表1可知，经蛋白酶改性后的豆粕溶液的粘度有所增大，这可能是部分断裂开的多肽链的分子内或分子间交联，致使分子量增大，从而使粘度升高。蛋白酶改性大豆蛋白的作用机理主要在于能够改变大豆蛋白的一级结构，有限度地水解酰胺键使大豆蛋白部分降解，增加其分子内或分子间交联或连接其他特殊功能基团[1]。

2.3 酸改性对大豆蛋白的影响

由图1可知，与未改性豆粕的谱图相比，酸改性豆粕的红外光谱图中峰的变化主要是在波数为1 241.75 cm-1处的C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）和波数为1 541.43 cm-1处的N-H面内弯曲振动（酰胺Ⅱ谱带）。C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）吸收强度的减弱说明在强酸的作用下，部分肽键发生了水解；波数为1 541.43 cm-1处的N-H面内弯曲振动（酰胺Ⅱ谱带）吸收强度的增强说明在浓硫酸的作用下，大豆蛋白的空间球状结构发生了明显的变化，球蛋白中的多肽链被解离开来，暴露出更多的-NH2，并且-NH2也没有被反应掉。由图1还可知，酶和酸改性豆粕的谱图与未改性豆粕的谱图相比，各酰胺谱带发生了不同程度的蓝移，这可能是酸的诱导效应。此外，由表1可知，浓硫酸改性过的豆粕溶液的粘度下降明显，这可能是在酸的作用下被解离的大豆蛋白的多肽链舒展开来，另外，对比图1中酶改性豆粕的谱图可知，虽然蛋白分子在酸的作用下发生了部分肽键或酰胺键的水解，但对整条肽链的影响不大，断开的肽键部位也没有出现分子内或分子间交联的迹象。

2.4 碱改性对大豆蛋白的影响

由图1可知，与未改性豆粕的谱图相比，碱改性豆粕的红外光谱图中峰的变化主要是在波数为1 241.75 cm-1处的C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）和波数为1 541.43 cm-1处的N-H面内弯曲振动（酰胺Ⅱ谱带）。但与酸改性和酶改性的谱图相比可以发现，碱水解肽键或酰胺键的能力要高于酸和酶，在波数为1 241.75 cm-1处的C-N伸缩（酰胺Ⅲ谱带）几乎完全消失了，碱水解肽键或酰胺键的能力比胃蛋白酶强，这可能是胃蛋白酶对肽链中的肽键或酰胺键的水解具有专一性，并不能水解所有肽链中的肽键或酰胺键，而强碱对肽键或酰胺键的水解并没有这方面的限制。此外，由波数为1 541.43 cm-1处的N-H面内弯曲振动（酰胺Ⅱ谱带）吸收强度的减弱可知，大部分的-NH2被反应掉了。由图1还可知，碱改性豆粕的谱图与未改性豆粕的谱图相比，各酰胺谱带也发生了不同程度的蓝移，这可能是具有两性的蛋白质在碱的作用下也发生了的诱导效应。在实验过程中随着溶液pH值的上升，搅拌越来越困难，并且由表1可知，碱改性的豆粕溶液的粘度达到83 417 mPa/s，远远高于未改性和其他常规改性的豆粕溶液。碱改性豆粕的机理主要在于大程度的水解肽键和酰胺键，并催化一些活性基团参与各分子内或分子间的交联反应[10]。

综合以上的分析可知，热改性，酶改性，酸、碱改性等常规改性方法均能导致大豆蛋白的化学结构发生变化，这些变化也反应出不同改性方法改性大豆蛋白的机理和程度也各有所异。单一的改性往往有着局限性，联合使用两种或多种方法对大豆蛋白进行改性才是今后研究的重点。