大豆分離蛋白的化學(xué)改性.pdf

1、大豆分離蛋白，是大豆中的主要成分之一。由于其來(lái)源豐富、價(jià)格低廉以及優(yōu)良的功能性，逐漸被人們作為一種環(huán)境友好材料來(lái)使用。在目前的文獻(xiàn)報(bào)道中，有不少關(guān)于大豆蛋白材料的應(yīng)用，如塑料、凝膠、膜、粘合劑以及一些生物材料等。但是，由于天然大豆蛋白分子是一種球狀結(jié)構(gòu)，蛋白分子之間的相互作用可能僅僅是一些球形亞基之間的摩擦力，因此，它的力學(xué)性能在作為材料使用時(shí)表現(xiàn)得很差，再加上其較高的水敏感性，所以，關(guān)于純大豆蛋白膜材料的制備及應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道寥寥無(wú)幾。

2、要想制備具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的大豆蛋白材料，就勢(shì)必要對(duì)其進(jìn)行物理或化學(xué)的改性，從目前已經(jīng)報(bào)道的關(guān)于大豆蛋白改性的方案來(lái)看，基本上都是采用和其它合成或天然高分子材料共混的方式或是與一些含有醛基的化合物進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)交聯(lián)來(lái)改善大豆蛋白材料的力學(xué)性能。這些方法盡管在一定程度上改善了大豆蛋白的力學(xué)性能，但是，它們同時(shí)在很大程度上改變了大豆蛋白的基本天然屬性，而且，最終得到的材料的力學(xué)性能也基本上都是要取決于另外加入到大豆蛋白中物質(zhì)的性質(zhì)，甚至一些物

3、質(zhì)的加入還會(huì)引起一些其它的弊端，如與大豆蛋白之間較低的相容性和細(xì)胞毒性。因此，目前對(duì)于大豆蛋白的改性研究中還沒(méi)有一種較為成熟的或更好的手段來(lái)改善其力學(xué)性能。
　　在本文中，我們嘗試采用一種在前人研究中很少采用的化學(xué)改性方法來(lái)改善大豆蛋白的力學(xué)性能。這些方法并不是簡(jiǎn)單的進(jìn)行通過(guò)醛基化合物進(jìn)行的化學(xué)交聯(lián)改性，也不是簡(jiǎn)單的共混，而是首先要通過(guò)對(duì)我們所使用的大豆蛋白進(jìn)行氨基酸分析，得到其中具體的各種極性氨基酸殘基含量后，再有針對(duì)性的對(duì)這些

4、極性氨基酸進(jìn)行化學(xué)修飾。原料大豆蛋白中主要含有5種極性氨基酸殘基:賴氨酸、精氨酸、組氨酸、天冬氨酸和谷氨酸，它們的總含量可以到達(dá)47.1％之多，幾乎達(dá)到了所有氨基酸的一半左右。其中，含量最多的是含有側(cè)羧基的天冬氨酸和谷氨酸，它們的含量幾乎是含有側(cè)氨基的精氨酸和賴氨酸的1倍多。因此，我們主要針對(duì)這四種含有羧基和氨基的氨基酸殘基進(jìn)行化學(xué)改性。我們對(duì)大豆蛋白中極性氨基酸殘基進(jìn)行改性的目的就在于，通過(guò)對(duì)極性氨基酸殘基的修飾可以在一定程度上改變大

5、豆蛋白原來(lái)的靜電平衡，減少堿性氨基酸和酸性氨基酸殘基之間的靜電相互作用。從而在一定程度上破壞大豆蛋白原來(lái)的球狀三級(jí)結(jié)構(gòu)，使大豆蛋白的球狀結(jié)構(gòu)變的疏松，甚至舒展開來(lái)，這樣就可以使大豆蛋白鏈發(fā)生一定程度的纏結(jié)，為制備力學(xué)性能良好的大豆蛋白膜材料打下良好且堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　我們首先采用Atherton-Todd反應(yīng)這樣一個(gè)只針對(duì)伯氨基具有特異性的反應(yīng)入手，對(duì)大豆蛋白中賴氨酸和精氨酸殘基中的伯氨基進(jìn)行磷?；男?。這是因?yàn)樵诖蠖沟鞍字?，氨?/p>

6、酸殘基中的伯氨基具有最低的pKa值，因而則具有最高的反應(yīng)活性，它將最先會(huì)受到磷?；噭┑倪M(jìn)攻。研究結(jié)果表明，我們通過(guò)Atherton-Todd反應(yīng)成功地將二乙氧磷酰基修飾到了大豆蛋白多肽鏈上，摩爾接枝率為0.15-1.18％。改性后的大豆蛋白的等電點(diǎn)、表觀粘度、儲(chǔ)能和損耗模量以及二級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象都發(fā)生了較為明顯的變化。這種磷?；男苑椒ㄔ谝欢ǔ潭壬蠝p少了堿性氨基酸和酸性氨基酸殘基之間的靜電相互作用，增加了大豆蛋白多肽分子鏈間的空間位阻，從

7、而破壞其原有的球狀三級(jí)結(jié)構(gòu)。在最終制備的材料方面，無(wú)論是在干態(tài)下還是濕態(tài)下，在不添加任何交聯(lián)劑和增塑劑的情況下，就可以得一種力學(xué)性能良好的膜，其在干態(tài)下的力學(xué)強(qiáng)度可以達(dá)到35 MPa左右，這一力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純大豆蛋白膜的力學(xué)強(qiáng)度，后者甚至在室溫下干燥的過(guò)程中就會(huì)破裂。這說(shuō)明，該磷酰化改性方法為改善大豆蛋白膜材料的力學(xué)性能提供了一個(gè)切實(shí)可行的途徑。
　　雖然，我們通過(guò)Atherton-Todd反應(yīng)成功制備得到了一種在于態(tài)下具有優(yōu)良

8、力學(xué)強(qiáng)度的大豆蛋白膜，基本上滿足了實(shí)際應(yīng)用的要求，但是，在干燥的日常環(huán)境中，它的斷裂伸長(zhǎng)率仍然較低（斷裂伸長(zhǎng)率為2.5％），尚不能滿足在加工處理時(shí)對(duì)于韌性的要求，這將在一定程度上限制該大豆蛋白膜材料在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。于是，我們?cè)噲D再尋找一種既可以在一定程度上改善大豆蛋白膜的力學(xué)強(qiáng)度，又可以使其承受較大程度機(jī)械形變的大豆蛋白改性試劑。于是，我們選擇了四羥甲基氯化磷（THPC）和大豆蛋白多肽鏈上的精氨酸及賴氨酸殘基上的伯氨基發(fā)生曼尼希反應(yīng)

9、對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行改性。經(jīng)過(guò)改性，在不加入任何其它交聯(lián)劑和增塑劑的情況下，所制備出的大豆蛋白膜在干態(tài)下(相對(duì)濕度約50％，25℃)的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為10±2MPa和25±3％，盡管改性后膜的力學(xué)強(qiáng)度只有前一種改性大豆蛋白膜的1/3左右。但是，其斷裂伸長(zhǎng)率卻要高出10倍;在濕態(tài)下(相對(duì)濕度約100％，25℃)其具有更強(qiáng)的韌性，斷裂伸長(zhǎng)率可以達(dá)到200±20％(n=5)。
　　在前面的兩部分中，我們都成功地對(duì)大豆蛋白多肽鏈中賴氨

10、酸和精氨酸殘基上的伯氨基進(jìn)行了化學(xué)改性，并都得到了力學(xué)性能優(yōu)良的改性大豆蛋白膜。從我們所使用的大豆蛋白的氨基酸分析數(shù)據(jù)可知，在大豆蛋白中含有羧基的谷氨酸和天冬氨酸殘基的含量是28.6wt％，這幾乎是含有氨基的賴氨酸和精氨酸殘基含量(14.0wt％)的一倍還多。既然對(duì)大豆蛋白中氨基進(jìn)行改性可以起到很好的效果，那么，對(duì)其中的羧基進(jìn)行化學(xué)改性從理論上講也應(yīng)該可以得到具有相似甚至性能更加優(yōu)良的大豆蛋白膜材料。于是，我們以EDC/HOBT為偶聯(lián)劑

11、，在氨基葡萄糖存在的條件下對(duì)大豆蛋白中的羧基進(jìn)行改性。在反應(yīng)過(guò)程中，既有大豆蛋白中活化后的羧基和氨基葡萄糖之間的偶聯(lián)反應(yīng)，也有大豆蛋白本身的氨基和羧基之間的反應(yīng)。我們希望通過(guò)這樣一種比較溫且安全的化學(xué)改性方法來(lái)增強(qiáng)大豆蛋白多肽之間的相互作用，接枝上去的氨基葡萄糖也會(huì)在一定程度上破壞正負(fù)電性的氨基酸之間靜電平衡，并產(chǎn)生一定的位阻作用，進(jìn)而使大豆蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)改變。同時(shí)，連接到大豆蛋白多肽鏈上氨基葡萄糖中的羥基也可能會(huì)起到一定的增塑作用，這

12、將直接有助于膜材料柔性的改善。最終，在不加入任何交聯(lián)劑和增塑劑的情況下，我們制備出了力學(xué)性能優(yōu)良的大豆蛋白膜。需要特別說(shuō)明的是，在濕態(tài)下，該改性大豆蛋白膜的斷裂伸長(zhǎng)率為350±30％(n=5)，這要比在前兩部分中制備的改性大豆蛋白膜在同樣濕態(tài)條件下的具有更好的韌性和可加工性。最后，我們還對(duì)改性的大豆蛋白進(jìn)行了生物相容性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，改性反應(yīng)并沒(méi)有使大豆蛋白膜材料產(chǎn)生細(xì)胞毒性，改性后的大豆蛋白膜材料仍保持了很好的生物相容性。