幾種常規改性方法對大豆蛋白化學結構的影響

朱 勁，單人為，李 琴，李延軍，袁少飛，王洪艷

（1. 浙江農林大學，浙江 臨安 311300；2. 浙江省林業科學研究院 浙江省竹類研究重點實驗室，浙江 杭州 310023；3. 江西廣播電視大學，江西 南昌 330046）

農業是一個國家的基礎，在我國持續推動農業發展的同時，積極探索出一條農產品特別是農產品剩余物的工業化利用途徑，會對我國農業的發展起著事半功倍的作用。豆粕是大豆炸完油后的下腳料，蛋白質的含量為（40% ~ 50%）[1]，一般用于家禽家畜的飼料或農作物的肥料[2~4]。如何充分利用這些大豆蛋白質，把這些農產品剩余物變成附加值極高的工業產品成為了一個新的研究熱點。研制以豆粕為原料的大豆蛋白膠粘劑是一個很好的選擇，既能有效的利用這些剩余物，又能替代“三醛”膠的使用，減輕對環境的危害[5~6]。

鑒于大豆蛋白的結構，要想利用這些蛋白質從而研制出大豆蛋白膠粘劑，就必須對大豆蛋白進行改性處理。研究表明經過改性后的大豆蛋白會暴露出更多活性基團，從而增加蛋白質的粘結強度和交聯度，這也是改善大豆蛋白膠黏劑膠合強度低和耐水性差的主要原因[7~8]。目前，對大豆蛋白進行改性的方法主要有：物理改性、化學改性，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的方法。本文對大豆蛋白進行了熱改性、酸、堿改性和酶改性實驗，并采用紅外光譜對改性前后大豆蛋白的化學結構進行了分析。通過對大豆蛋白化學結構的分析，為這幾種常規改性方法在大豆蛋白膠黏劑的反應機理和成膠機理中所起到的作用提供了理論依據和研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 試驗材料 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/g）。

1.1.2 試驗設備 pHS-3C數字酸度計；NDJ-5S數字式粘度計；THY-2030數控超級恒溫槽；電動攪拌棒；真空冷凍干燥箱；紅外光譜儀；冰箱；電子天平等。

1.2 試驗方法

分別以溫度、pH（酸和堿）、蛋白酶為單因素設計實驗，采用紅外光譜分析儀對改性前后大豆蛋白的化學結構進行了分析。

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℃，用硫酸調溶液的pH為2.0，加入5 000U/g的胃蛋白酶，使用攪拌機攪拌30min，然后用氫氧化鈉調溶液的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，用硫酸調溶液的pH為2.0，并使用攪拌機攪拌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，用氫氧化鈉調溶液的pH為12.0，并使用攪拌機攪拌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測試各溶液（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樣品進行冷凍干燥，并使用紅外光譜儀對冷凍干燥后的樣品粉末進行分析。

2 結果與分析

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，其中波數為3 411.16 cm-1處的寬的吸收峰是分子間氫鍵O-H伸縮振動和N-H伸縮振動吸收的特征峰；波數為 2 929.50 cm-1處的峰是CH2的伸縮振動特征峰；波數為1 654.22 cm-1處的峰是C=O伸縮振動（酰胺Ⅰ譜帶）；波數為1 541.43 cm-1處的峰是N-H面內彎曲振動和C-N伸縮振動的偶合峰（酰胺Ⅱ譜帶）；波數為1 241.75 cm-1處的峰是C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）；在波數為1 399.92 cm-1處的峰是COO-的特征峰，波數為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有變化。這說明熱改性沒有改變大豆蛋白的一級結構(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生了熱變性。在加熱條件下，大豆蛋白質分子由原來的卷曲緊密結構舒展開來，使分子內部的疏水基團暴露在外部，從而使分子外部的親水基團相對減少，致使溶解度降低，并且蛋白質分子在受熱后可能發生了締合作用[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為 1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）和波數為1 053.50 cm-1處的伯醇吸收帶。C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）吸收強度的減弱說明在蛋白酶的作用下，部分肽鍵或酰胺鍵發生了水解；波數為1 053.50 cm-1處的伯醇吸收帶的消失以及出現波數為1 111.38 cm-1的特征峰，說明大豆蛋白肽鏈水解后的小分子中的伯醇基團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，在波數為1 541.43 cm-1處的N-H面內彎曲振動（酰胺Ⅱ譜帶）吸收強度減弱，說明一部分的-NH2參與了交聯反應。此外，由表1可知，經蛋白酶改性后的豆粕溶液的粘度有所增大，這可能是部分斷裂開的多肽鏈的分子內或分子間交聯，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理主要在于能夠改變大豆蛋白的一級結構，有限度地水解酰胺鍵使大豆蛋白部分降解，增加其分子內或分子間交聯或連接其他特殊功能基團[1]。

2.3 酸改性對大豆蛋白的影響

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為1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）和波數為1 541.43 cm-1處的N-H面內彎曲振動（酰胺Ⅱ譜帶）。C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）吸收強度的減弱說明在強酸的作用下，部分肽鍵發生了水解；波數為1 541.43 cm-1處的N-H面內彎曲振動（酰胺Ⅱ譜帶）吸收強度的增強說明在濃硫酸的作用下，大豆蛋白的空間球狀結構發生了明顯的變化，球蛋白中的多肽鏈被解離開來，暴露出更多的-NH2，并且-NH2也沒有被反應掉。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，各酰胺譜帶發生了不同程度的藍移，這可能是酸的誘導效應。此外，由表1可知，濃硫酸改性過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舒展開來，另外，對比圖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生了部分肽鍵或酰胺鍵的水解，但對整條肽鏈的影響不大，斷開的肽鍵部位也沒有出現分子內或分子間交聯的跡象。

2.4 堿改性對大豆蛋白的影響

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為1 241.75 cm-1處的C-N伸縮（酰胺Ⅲ譜帶）和波數為1 541.43 cm-1處的N-H面內彎曲振動（酰胺Ⅱ譜帶）。但與酸改性和酶改性的譜圖相比可以發現，堿水解肽鍵或酰胺鍵的能力要高于酸和酶，在波數為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，這可能是胃蛋白酶對肽鏈中的肽鍵或酰胺鍵的水解具有專一性，并不能水解所有肽鏈中的肽鍵或酰胺鍵，而強堿對肽鍵或酰胺鍵的水解并沒有這方面的限制。此外，由波數為1 541.43 cm-1處的N-H面內彎曲振動（酰胺Ⅱ譜帶）吸收強度的減弱可知，大部分的-NH2被反應掉了。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，各酰胺譜帶也發生了不同程度的藍移，這可能是具有兩性的蛋白質在堿的作用下也發生了的誘導效應。在實驗過程中隨著溶液pH值的上升，攪拌越來越困難，并且由表1可知，堿改性的豆粕溶液的粘度達到83 417 mPa/s，遠遠高于未改性和其他常規改性的豆粕溶液。堿改性豆粕的機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參與各分子內或分子間的交聯反應[10]。

綜合以上的分析可知，熱改性，酶改性，酸、堿改性等常規改性方法均能導致大豆蛋白的化學結構發生變化，這些變化也反應出不同改性方法改性大豆蛋白的機理和程度也各有所異。單一的改性往往有著局限性，聯合使用兩種或多種方法對大豆蛋白進行改性才是今后研究的重點。

3 結論

（1）熱改性不會對大豆蛋白的一級結構造成影響，會使大豆蛋白的溶解度降低；大豆蛋白會在受熱時發生熱變性，并且可能發生了締合作用，使溶液的粘度升高。

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

（3）酸改性會部分水解肽鍵，但這種改性對肽鏈的影響不大，并且水解出來的小分子沒有發現交聯的跡象，另外酸還會對大豆球蛋白進行解離，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暴露出來；水解出來的小分子會發生交聯反應，生成分子量更大的分子，使溶液的粘度急劇升高。

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