大豆蛋白改性膠理化性質(zhì)的研究*

楊波，楊光，耿瑋蔚，袁超，王路清，隋寧

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海，200093)

大豆蛋白改性膠理化性質(zhì)的研究*

楊波，楊光，耿瑋蔚，袁超，王路清，隋寧

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)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(duì)分子質(zhì)量分布等。結(jié)果表明:蛋白膠的熱反應(yīng)溫度出現(xiàn)在165℃，干燥后，熱反應(yīng)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(duì)分子質(zhì)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?qǐng)D譜表明，與豆粕相比，蛋白膠的O—H和N—H基團(tuán)明顯減少，使耐水性提高。

大豆基蛋白質(zhì)，理化性質(zhì)

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(chǎn)過程中無“三廢”排放，對(duì)環(huán)境無污染，屬于“清潔生產(chǎn)技術(shù)”，因蛋白膠使用豆粕作為主要原料，又可提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，增加農(nóng)民收入，可真正達(dá)到科技與環(huán)保的完美結(jié)合。

大豆蛋白膠作為木材膠粘劑歷史悠久，目前研究重點(diǎn)集中在提高膠的粘接性能和耐水性2個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)利用DSC熱分析技術(shù)，研究大豆蛋白改性膠的化學(xué)及物理變化的熱效應(yīng)，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(yīng)溫度，推導(dǎo)出蛋白膠固化溫度范圍和改性程度，為使用蛋白改性膠進(jìn)行壓板的工藝提供理論指導(dǎo)。大豆蛋白膠的其他各理化指標(biāo)如:蛋白含量、黏度等也是影響蛋白質(zhì)粘結(jié)性質(zhì)的主要因素［1－2］，因此研究蛋白膠的各理化性質(zhì)，得到膠合強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)蛋白膠的宏觀狀態(tài)，為提高蛋白膠的膠粘性能提供理論依據(jù)，也為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論價(jià)值。

1 材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)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(xué)試劑:十二烷基磺酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、卡爾費(fèi)修試劑、三氯甲烷、亞甲基藍(lán)、苯胺基-8-萘磺酸(ANS)、吐溫80等均為分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，中國(guó)醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

KF-1B水分測(cè)定儀，上?；ぱ芯吭簝x表廠;HN-01凱氏定氮儀，上海勇規(guī)分析儀器有限公司;pHS-3C數(shù)字型pH計(jì)，上海雷磁儀器有限公司;NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海恒平科學(xué)儀器有限公司;DDS-307精密電導(dǎo)率儀，上海理達(dá)儀器廠;PYRIS Diamond差示量熱掃描儀，美國(guó)PE公司;高效液相色譜系統(tǒng)，美國(guó)Waters公司;UV-1700型紫外線可見光分光光度計(jì)，日本島津;FTLA2000-104紅外光譜儀，加拿大ABB公司;7200分光光度計(jì)，尤尼柯(上海)儀器有限公司;Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)，上海市防偽技術(shù)產(chǎn)品測(cè)評(píng)中心;冷凍離心機(jī)，美國(guó)Beckman公司。Wizard2.0冷凍干燥機(jī)，德國(guó)VirTis公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蛋白膠固含量、蛋白含量測(cè)定

采用卡爾費(fèi)休法測(cè)定大豆分離蛋白的水分含量;根據(jù)GB2905－1982測(cè)定大豆分離蛋白中的蛋白含量。

1.3.2 黏度的測(cè)定

采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測(cè)定黏度。估計(jì)樣品的黏度范圍，選用合適的轉(zhuǎn)子(使讀數(shù)在刻度盤的20%～80%)。將待測(cè)樣品倒入高型燒杯，容器中的試樣和轉(zhuǎn)子用水浴恒溫至25℃，最終的黏度=刻度盤上的讀數(shù)×轉(zhuǎn)子系數(shù)。蛋白膠常溫下為固態(tài)，需液化后再測(cè)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(nèi)平衡24 h后進(jìn)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(dòng)相

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

1.3.4.2 樣品預(yù)處理

調(diào)節(jié)樣品pH值至7.0左右，冷凍干燥后研磨成粉，過100目篩。

準(zhǔn)確秤取4種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)品溶液及待分析樣液備用。

1.3.4.3 蛋白分子量測(cè)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(cè)器:Waters 2487，檢測(cè)波長(zhǎng) 280 nm;進(jìn)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(yǎng)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(shù)500cm～4 000cm－1。

2 結(jié)果與討論

2.1 蛋白改性膠的理化性質(zhì)

表1 大豆蛋白膠的指標(biāo)

當(dāng)大豆分離蛋白含量為10%時(shí)，蛋白改性膠可以取得較好的黏接性能［3－4］?；瘜W(xué)改性可以打開大豆蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，使分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露出來，與木材纖維素的結(jié)合力增強(qiáng)，從而提高了膠合強(qiáng)度。蛋白膠為茶褐色，正常狀態(tài)下為凝固態(tài)，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(dòng)性，在適合施膠的黏度范圍內(nèi)［5］。

2.2 蛋白改性膠的DSC熱分析［6］

采用高壓皿對(duì)蛋白膠進(jìn)行DSC熱分析，溫度范圍50～200℃，升溫速率10℃/min，其熱反應(yīng)曲線如圖1所示。蛋白膠的峰溫出現(xiàn)在165.65℃，表明蛋白膠的固化溫度在165℃附近。特征峰對(duì)應(yīng)△H達(dá)到了960.225J/g，說明蛋白質(zhì)分子固化時(shí)需要的熱量較多。

圖1 蛋白改性膠的熱反應(yīng)曲線

對(duì)蛋白改性膠進(jìn)行冷凍干燥，然后進(jìn)行DSC掃描，溫度50℃恒速升溫至200℃(圖2)。蛋白膠的熱反應(yīng)曲線在約180.51℃時(shí)開始出現(xiàn)吸熱反應(yīng)，對(duì)應(yīng)峰溫182.35℃，焓值230.844J/g，說明干燥態(tài)的蛋白膠較穩(wěn)定。但是其熱吸收峰較窄，熱反應(yīng)完成時(shí)間短，也就是說施膠后延長(zhǎng)陳化時(shí)間，降低板坯含水率，有利于縮短熱壓時(shí)間。但膠粘劑的含水率不宜過低，會(huì)對(duì)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(yīng)曲線

圖3為真空干燥后蛋白膠的熱反應(yīng)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(wěn)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(yīng)結(jié)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(shí)間。

2.3 HPLC測(cè)定蛋白膠分子質(zhì)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(zhì)特性。

2.3.2 繪制蛋白分子量標(biāo)準(zhǔn)曲線

本實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)蛋白分別為標(biāo)準(zhǔn)雞蛋白，分子RFM 量(Mr)42 000，標(biāo)準(zhǔn)牛血清蛋白，Mr 66 200，標(biāo)準(zhǔn)蛋白，Mr 97 000，標(biāo)準(zhǔn)肌球蛋白，Mr 200 000。

圖3 真空干燥后的蛋白改性膠的熱反應(yīng)曲線

各標(biāo)準(zhǔn)蛋白樣品的保留時(shí)間分別為:

表2 標(biāo)準(zhǔn)蛋白樣品保留時(shí)間

以lg Mr為橫坐標(biāo)，樣品保留時(shí)間Tr為縱坐標(biāo)，繪制蛋白分子量的標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖4)［7］。其中回歸方程為Y=－4.116X+55.702，R2=0.990 3，各數(shù)據(jù)點(diǎn)具有較為良好的線性關(guān)系。

圖4 蛋白分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.3.3 蛋白膠及大豆分離蛋白分子質(zhì)量的確定

用流動(dòng)相溶解蛋白膠及大豆分離蛋白，過濾進(jìn)樣，分析HPLC圖譜，根據(jù)保留時(shí)間計(jì)算分子質(zhì)量。

從圖5可以看出，大豆分離蛋白在35.302 min時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值。其相對(duì)分子質(zhì)量在90 420.8左右(表3)。

表3 大豆分離蛋白的相對(duì)分子質(zhì)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(xiàn)了2個(gè)峰值，保留時(shí)間分別為33.876、42.213 min，對(duì)應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量分別為141 254和1 331(表4)。相對(duì)分子質(zhì)量在3 564.5左右的組分含量約為43%，相對(duì)分子質(zhì)量在150 101.4左右的組分含量約為57%［8］。

對(duì)大豆分離蛋白和蛋白改性膠分析發(fā)現(xiàn)蛋白膠較晚被分離出來，保留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。這可能是因?yàn)楦男允沟玫鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)被打開，內(nèi)部活性基團(tuán)被暴露出來，在色譜柱內(nèi)進(jìn)行分離時(shí)空間位阻增大，造成樣品在柱內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng);第二方面被暴露出來的活性基團(tuán)不穩(wěn)定，它們?cè)陟刈兊尿?qū)動(dòng)下可能會(huì)自發(fā)聚集形成大分子的聚合物［9］，說明改性后的蛋白質(zhì)體系既有水解后的小分子集團(tuán)存在，也有相對(duì)分子質(zhì)量很大聚合體存在，因此相對(duì)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?qǐng)D譜，可以看出不同波段的活性基團(tuán)分別為:在波數(shù)3 378.05cm－1主要是 O—H和 N—H在伸縮振動(dòng)，1 648.92cm－1處是 C=O 的伸縮振動(dòng)峰，1 538.99cm－1是N—H彎曲振動(dòng)和C—N伸縮振動(dòng)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(nèi)羧基的雙吸收峰為較明顯的雙峰，有別于豆粕非?？拷碾p尖峰，此外1 080cm－1附近伯醇的吸收強(qiáng)度明顯降低，由于對(duì)豆粕進(jìn)行堿溶酸沉提取大豆分離蛋白時(shí)，堿液會(huì)與羧基反應(yīng)生成鹽。提純對(duì)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(jìn)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(qiáng)度變?nèi)?，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(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，暴露出內(nèi)部基團(tuán)，使得體系內(nèi)非極性基團(tuán)增多，提高了耐水性［10－11］;曲線 3 與 1 相比，C=O基團(tuán)特征吸收峰變尖，說明C=O減少，與此同時(shí)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(jié)合生成醇類。

3 結(jié)論

(1)蛋白改性膠的理化指標(biāo)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(duì)蛋白改性膠在50～200℃內(nèi)進(jìn)行DSC熱分析，結(jié)果表明130℃以下蛋白膠特征曲線較平緩，無劇烈熱反應(yīng)出現(xiàn)。濕態(tài)蛋白膠的熱反應(yīng)溫度出現(xiàn)在165℃，對(duì)應(yīng)焓值較大，分子聚集程度較高。對(duì)其進(jìn)行干燥后，熱反應(yīng)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(shí)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(duì)蛋白改性膠的分子量分布進(jìn)行分析，測(cè)得大豆分離蛋白的相對(duì)分子質(zhì)量約為90 421，蛋白改性膠的相對(duì)分子質(zhì)量主要集中在1 331～141 254 u內(nèi)?；瘜W(xué)改性破壞了蛋白膠的空間結(jié)構(gòu)，釋放疏水基團(tuán)，使得內(nèi)部活性基團(tuán)得以重組。

(5)蛋白改性膠的傅里葉紅外光吸收?qǐng)D譜表明，與豆粕相比，蛋白膠的O—H和N—H基團(tuán)明顯減少，說明化學(xué)改性提高了蛋白質(zhì)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(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(08ZR1415200);上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(08521102004)。

2010－07－27，改回日期:2010－10－25