大豆蛋白改性膠理化性質的研究*

楊波，楊光，耿瑋蔚，袁超，王路清，隋寧

(上海理工大學醫療器械與食品學院，上海，200093)

大豆蛋白改性膠理化性質的研究*

楊波，楊光，耿瑋蔚，袁超，王路清，隋寧

(上海理工大學醫療器械與食品學院，上海，200093)

利用DSC、紫外掃描、高效液相色譜、傅立葉變換紅外光譜研究了大豆蛋白改性膠的熱變性溫度、相對分子質量分布等。結果表明:蛋白膠的熱反應溫度出現在165℃，干燥后，熱反應溫度上升到182℃;紫外掃描分析，蛋白改性膠吸收峰在280.2 nm，蛋白改性膠的相對分子質量主要集中在1 331～141 254 u;蛋白改性膠的傅里葉紅外光吸收圖譜表明，與豆粕相比，蛋白膠的O—H和N—H基團明顯減少，使耐水性提高。

大豆基蛋白質，理化性質

大豆蛋白膠是以大豆榨油后的下腳料——豆粕為原料制備。蛋白膠在生產過程中無“三廢”排放，對環境無污染，屬于“清潔生產技術”，因蛋白膠使用豆粕作為主要原料，又可提高農產品附加值，增加農民收入，可真正達到科技與環保的完美結合。

大豆蛋白膠作為木材膠粘劑歷史悠久，目前研究重點集中在提高膠的粘接性能和耐水性2個方面。本實驗利用DSC熱分析技術，研究大豆蛋白改性膠的化學及物理變化的熱效應，得出蛋白膠的變性溫度和焓值，分析大豆蛋白膠的吸熱反應溫度，推導出蛋白膠固化溫度范圍和改性程度，為使用蛋白改性膠進行壓板的工藝提供理論指導。大豆蛋白膠的其他各理化指標如:蛋白含量、黏度等也是影響蛋白質粘結性質的主要因素［1－2］，因此研究蛋白膠的各理化性質，得到膠合強度較強時蛋白膠的宏觀狀態，為提高蛋白膠的膠粘性能提供理論依據，也為實際生產提供了理論價值。

1 材料與儀器

1.1 實驗材料

大豆蛋白膠1401和豆粕，均為上海泓涵化工科技有限公司提供;大豆分離蛋白(SPI):自制;其他化學試劑:十二烷基磺酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、卡爾費修試劑、三氯甲烷、亞甲基藍、苯胺基-8-萘磺酸(ANS)、吐溫80等均為分析純，上海凌峰化學試劑有限公司，中國醫藥上海化學試劑公司。

1.2 主要儀器設備

KF-1B水分測定儀，上海化工研究院儀表廠;HN-01凱氏定氮儀，上海勇規分析儀器有限公司;pHS-3C數字型pH計，上海雷磁儀器有限公司;NDJ-1旋轉黏度計，上海恒平科學儀器有限公司;DDS-307精密電導率儀，上海理達儀器廠;PYRIS Diamond差示量熱掃描儀，美國PE公司;高效液相色譜系統，美國Waters公司;UV-1700型紫外線可見光分光光度計，日本島津;FTLA2000-104紅外光譜儀，加拿大ABB公司;7200分光光度計，尤尼柯(上海)儀器有限公司;Cary Eclipse熒光分光光度計，上海市防偽技術產品測評中心;冷凍離心機，美國Beckman公司。Wizard2.0冷凍干燥機，德國VirTis公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 蛋白膠固含量、蛋白含量測定

采用卡爾費休法測定大豆分離蛋白的水分含量;根據GB2905－1982測定大豆分離蛋白中的蛋白含量。

1.3.2 黏度的測定

采用NDJ-1型旋轉式黏度計測定黏度。估計樣品的黏度范圍，選用合適的轉子(使讀數在刻度盤的20%～80%)。將待測樣品倒入高型燒杯，容器中的試樣和轉子用水浴恒溫至25℃，最終的黏度=刻度盤上的讀數×轉子系數。蛋白膠常溫下為固態，需液化后再測其黏度。

1.3.3 蛋白改性膠的DSC熱分析

樣品裝皿密封后稱重，4℃冰箱內平衡24 h后進行DSC掃描

1.3.4 蛋白改性膠高效液相色譜分析

1.3.4.1 配制流動相

配制0.05mol/L的甘氨酸-氫氧化鈉溶液緩沖液作為流動相，pH值9.62。

1.3.4.2 樣品預處理

調節樣品pH值至7.0左右，冷凍干燥后研磨成粉，過100目篩。

準確秤取4種標準蛋白及蛋白改性膠制品，甘氨酸-氫氧化鈉緩沖液充分溶解混勻，作為標準品溶液及待分析樣液備用。

1.3.4.3 蛋白分子量測定條件

泵:Waters 1525;色譜柱:Waters Ultrahydrogel凝膠滲透色譜柱，7.8 mm×300 mm;柱溫:25℃;檢測器:Waters 2487，檢測波長 280 nm;進樣量:20μL;流速:0.2mL/min。

1.3.4.4 蛋白膠紫外光譜分析

用pH值7.0、0.01mol/L的磷酸緩沖液溶解蛋白膠和豆粕，最終濃度分別為2、1和0.5mg/mL，靜置30 min，過濾待用。掃描范圍200～400 nm，掃描速率10 nm/min。

1.3.5 蛋白膠紅外光譜分析

蛋白膠冷凍干燥后研磨成粉，過100目篩;取適量蛋白膠與培養皿中，涂布均勻，150℃固化15 min后備用。將各蛋白制品壓制成片，掃描波數500cm～4 000cm－1。

2 結果與討論

2.1 蛋白改性膠的理化性質

表1 大豆蛋白膠的指標

當大豆分離蛋白含量為10%時，蛋白改性膠可以取得較好的黏接性能［3－4］。化學改性可以打開大豆蛋白質的三級結構，使分子內部的疏水基團暴露出來，與木材纖維素的結合力增強，從而提高了膠合強度。蛋白膠為茶褐色，正常狀態下為凝固態，黏度很大，使用前通過攪拌或加熱可以將其液化成黏稠狀液體，黏度降至74 000(Pa·s)左右，具有比較好的流動性，在適合施膠的黏度范圍內［5］。

2.2 蛋白改性膠的DSC熱分析［6］

采用高壓皿對蛋白膠進行DSC熱分析，溫度范圍50～200℃，升溫速率10℃/min，其熱反應曲線如圖1所示。蛋白膠的峰溫出現在165.65℃，表明蛋白膠的固化溫度在165℃附近。特征峰對應△H達到了960.225J/g，說明蛋白質分子固化時需要的熱量較多。

圖1 蛋白改性膠的熱反應曲線

對蛋白改性膠進行冷凍干燥，然后進行DSC掃描，溫度50℃恒速升溫至200℃(圖2)。蛋白膠的熱反應曲線在約180.51℃時開始出現吸熱反應，對應峰溫182.35℃，焓值230.844J/g，說明干燥態的蛋白膠較穩定。但是其熱吸收峰較窄，熱反應完成時間短，也就是說施膠后延長陳化時間，降低板坯含水率，有利于縮短熱壓時間。但膠粘劑的含水率不宜過低，會對施膠及膠粘劑在單板之間的傳遞和滲透過程造成影響。

圖2 冷凍干燥后的蛋白改性膠的熱反應曲線

圖3為真空干燥后蛋白膠的熱反應曲線，干燥條件45℃，0.09 MPa。與圖3相比，峰溫有所升高，但是△H降低了88 J/g。這說明真空干燥得到的蛋白膠的熱穩定性略高于冷凍干燥制得的蛋白膠，但是蛋白分子聚集程度要低于凍干的蛋白膠。Onset溫度與熱反應結束溫度僅相差6℃左右，再次證明含水率的降低能縮短熱壓時間。

2.3 HPLC測定蛋白膠分子質量分布范圍

2.3.1 紫外光譜分析

豆粕和蛋白膠的紫外吸收光譜分析。蛋白改性膠和豆粕分別在280.2 nm和278.6 nm處有吸收峰，符合蛋白質特性。

2.3.2 繪制蛋白分子量標準曲線

本實驗所用標準蛋白分別為標準雞蛋白，分子RFM 量(Mr)42 000，標準牛血清蛋白，Mr 66 200，標準蛋白，Mr 97 000，標準肌球蛋白，Mr 200 000。

圖3 真空干燥后的蛋白改性膠的熱反應曲線

各標準蛋白樣品的保留時間分別為:

表2 標準蛋白樣品保留時間

以lg Mr為橫坐標，樣品保留時間Tr為縱坐標，繪制蛋白分子量的標準曲線(圖4)［7］。其中回歸方程為Y=－4.116X+55.702，R2=0.990 3，各數據點具有較為良好的線性關系。

圖4 蛋白分子質量的標準曲線

2.3.3 蛋白膠及大豆分離蛋白分子質量的確定

用流動相溶解蛋白膠及大豆分離蛋白，過濾進樣，分析HPLC圖譜，根據保留時間計算分子質量。

從圖5可以看出，大豆分離蛋白在35.302 min時出現一個峰值。其相對分子質量在90 420.8左右(表3)。

表3 大豆分離蛋白的相對分子質量

圖5 大豆分離蛋白圖譜

圖6 蛋白膠圖譜

圖6中，蛋白改性膠出現了2個峰值，保留時間分別為33.876、42.213 min，對應的相對分子質量分別為141 254和1 331(表4)。相對分子質量在3 564.5左右的組分含量約為43%，相對分子質量在150 101.4左右的組分含量約為57%［8］。

對大豆分離蛋白和蛋白改性膠分析發現蛋白膠較晚被分離出來，保留時間相對較長。這可能是因為改性使得蛋白質的結構被打開，內部活性基團被暴露出來，在色譜柱內進行分離時空間位阻增大，造成樣品在柱內停留時間較長;第二方面被暴露出來的活性基團不穩定，它們在熵變的驅動下可能會自發聚集形成大分子的聚合物［9］，說明改性后的蛋白質體系既有水解后的小分子集團存在，也有相對分子質量很大聚合體存在，因此相對分子量分布較廣。

2.4 傅里葉紅外光譜分析

圖7的曲線4為豆粕的紅外吸收圖譜，可以看出不同波段的活性基團分別為:在波數3 378.05cm－1主要是 O—H和 N—H在伸縮振動，1 648.92cm－1處是 C=O 的伸縮振動峰，1 538.99cm－1是N—H彎曲振動和C—N伸縮振動形成的偶合峰，1 405.92cm－1是 COO—的特征峰，1 081.92cm－1是伯醇吸收峰。

圖7 不同蛋白制品的紅外光譜圖

大豆分離蛋白與豆粕相比，O—H和N—H含量仍比較大，1 460～1 410cm－1波段內羧基的雙吸收峰為較明顯的雙峰，有別于豆粕非常靠近的雙尖峰，此外1 080cm－1附近伯醇的吸收強度明顯降低，由于對豆粕進行堿溶酸沉提取大豆分離蛋白時，堿液會與羧基反應生成鹽。提純對O—H和N—H影響不大，所以大豆分離蛋白做膠粘劑其耐水性不高，仍需進行改性。

曲線1為蛋白改性膠的紅外光譜圖。與豆粕相比，O—H和N—H的特征吸收峰形變尖，吸收強度變弱，說明 O—H和 N—H明顯減少，此外1 650cm－1處的峰形略變寬，說明改性可以打開蛋白質的三級結構，暴露出內部基團，使得體系內非極性基團增多，提高了耐水性［10－11］;曲線 3 與 1 相比，C=O基團特征吸收峰變尖，說明C=O減少，與此同時固化后的蛋白膠伯醇的特征峰比未固化的峰形要寬，也說明伯醇的含量有所增加，可能是高溫固化使得部分C=O與水分子結合生成醇類。

3 結論

(1)蛋白改性膠的理化指標分別為:蛋白含量11.66%，固含量 30.79%，pH值 3.0，黏度 74 000(mPa·s)。

(2)對蛋白改性膠在50～200℃內進行DSC熱分析，結果表明130℃以下蛋白膠特征曲線較平緩，無劇烈熱反應出現。濕態蛋白膠的熱反應溫度出現在165℃，對應焓值較大，分子聚集程度較高。對其進行干燥后，熱反應溫度上升到182℃以上，峰形明顯變窄，說明干燥有利于縮短蛋白改性膠熱壓固化時間。

(3)蛋白改性膠和豆粕分別在280.2 nm和278.6 nm處有吸收峰，蛋白膠的OD280略高于豆粕。

(4)用高效液相色譜法對蛋白改性膠的分子量分布進行分析，測得大豆分離蛋白的相對分子質量約為90 421，蛋白改性膠的相對分子質量主要集中在1 331～141 254 u內。化學改性破壞了蛋白膠的空間結構，釋放疏水基團，使得內部活性基團得以重組。

(5)蛋白改性膠的傅里葉紅外光吸收圖譜表明，與豆粕相比，蛋白膠的O—H和N—H基團明顯減少，說明化學改性提高了蛋白質的疏水性能。

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Studies on the Physico chemical Properties of Modified Soy Protein-based Resin

Yang Bo，Yang Guang，Geng Wei-wei，Yuan Chao，Wang Lu-qing，Sui Ning
(School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science. ＆ Technology，Shanghai，200093，China)

The modification of soy protein glue thermal reaction temperature，relative molecular weight distribution were studied through the DSC，ultraviolet scan，high－performance liquid chromatography and Fourier transform infrared spectroscopy.Results indicate that the wet protein adhesive thermal reaction temperature appears in 165℃，heat reaction temperature rose to 182℃ after drying;ultraviolet scan analysis，soy protein glue absorption peak is in 280.2nm，protein modification relative molecular mass is concentrated mainly in 1 331～141 254;infrared absorption spectrum shows that the O—H and N—H group of soy protein glue was decreased compared with the soy meal，the water resistance was significantly improved.

soy protein-based resin，characteristics

碩士，副教授。

*2008年上海市科委科技攻關重點項目(08ZR1415200);上海市自然科學基金資助項目(08521102004)。

2010－07－27，改回日期:2010－10－25