水解膠原蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性研究

張素風(fēng), 王 群, 王學(xué)川, 郝曉麗, 強(qiáng)濤濤

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

我國是制革大國，每年產(chǎn)生約140萬噸的皮革廢棄物，大部分是皮邊角余料，這些廢棄物中含有80%以上的膠原蛋白[1].針對制革廢棄物的利用，國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究.主要有以下幾個(gè)方面：(1)填埋處理[2],該法會污染土地，處理成本較高；(2)熱解或焚燒處理[3-6],該方法可以得到燃?xì)?、油和碳質(zhì)殘?jiān)?，但也會產(chǎn)生二次污染；(3)作為肥料和飼料[7],該方法只局限于不含鉻的廢棄物.顯然上述處理方式不會是其最終的處理方式.制革廢棄物經(jīng)過常規(guī)方法[8]如酶法、酸法、堿法、氧化法等得到的水解膠原蛋白，由于水解膠原蛋白分子鏈上含有氨基、羧基、酰胺基等活性基團(tuán)，一般采用乳液聚合的方式對其進(jìn)行改性利用[9-12].膠原蛋白在乳液聚合中可以作單體，同時(shí)也可以是乳化劑.而乳化劑對乳液聚合性能有重要的影響.乳化是一種液體以極微小液滴均勻地分散在互不相溶的另一種液體中形成的具有相當(dāng)穩(wěn)定性的多相分散體系的過程[13,14]，蛋白質(zhì)乳化性是指蛋白質(zhì)能使油與水形成穩(wěn)定的乳化液而起乳化劑的作用.測定乳化能力和乳化穩(wěn)定性的方法有很多[15]，如離心法、分光光度法、電導(dǎo)法等.但測定時(shí)使用的儀器大多均為高速均質(zhì)機(jī)，大量文獻(xiàn)中轉(zhuǎn)速和時(shí)間都無據(jù)可循，沒有選取該條件的原因.

本文采用分光光度法，利用高速攪拌機(jī)進(jìn)行乳化實(shí)驗(yàn)，首先探究了轉(zhuǎn)速和時(shí)間對乳化性的影響.然后選擇合適的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，并在此條件下考察了pH、電解質(zhì)(NaCl)濃度、水解膠原蛋白濃度和水解膠原蛋白的分子量等因素對水解膠原蛋白乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

膠原蛋白(分子量2 000、5 000、7 000、10 000、50 000、100 000、150 000、200 000，河北某公司提供)；魯花花生油(襄陽魯花濃香花生油有限公司)；十二烷基磺酸鈉(AR，上海化學(xué)試劑公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高速攪拌機(jī)(MAX-E1100，上海沐軒實(shí)業(yè)有限公司)；可見分光光度計(jì)(722N，上海精科儀器有限公司)；多參數(shù)分析儀(DNZ-708，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司).

1.3 分光光度法測定乳化活性能(EA)和乳化穩(wěn)定性指數(shù)(ESI)

參考文獻(xiàn)[16,17]中的方法測定乳化活性及乳化穩(wěn)定性.取一定體積濃度為1%的水解膠原蛋白溶液，加入同體積的大豆色拉油，以一定的速度高速攪拌一定的時(shí)間，之后分別在0 min、10 min取樣，以0.1%(w/v)SDS(十二烷基磺酸鈉，pH7.0)稀釋100倍，以SDS溶液為空白，測定500 nm處的吸光度值，以0 min的吸光度值(A0)表示EA，乳化穩(wěn)定性用ESI表示:

式中：A0為0時(shí)刻的吸光值；ΔT為時(shí)間差(min)；ΔA為ΔT內(nèi)的吸光值差.

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速對乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響

以分子量為7 000的水解膠原蛋白為原料，設(shè)定轉(zhuǎn)速分別是500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min，乳化時(shí)間20 min條件下，測定轉(zhuǎn)速對乳化性能的影響，結(jié)果見圖1.

由圖1可以看出，轉(zhuǎn)速對膠原蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響比較大.2 000轉(zhuǎn)以前，隨著轉(zhuǎn)速的增加，乳化性呈增長趨勢，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，油相和水相受到的剪切力變大，使得油滴和水滴直徑變小，兩種液體均以極微小的液滴均勻地分散在彼此中，油和水的分散效果越來越好.隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，乳化穩(wěn)定性先提高后降低，在2 000 r/min時(shí)，存在最佳穩(wěn)定性ESI點(diǎn).在轉(zhuǎn)速很低時(shí)，乳化穩(wěn)定性也較低，是由于攪拌速度過低，油相與水相達(dá)不到充分混合的目的.當(dāng)攪拌速度超過2 000 r/min時(shí)，乳化穩(wěn)定性降低，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速過高，將氣泡帶入體系，使之成為三相體系，而使乳狀液不穩(wěn)定[18,19].后續(xù)研究均確定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min.

圖1 轉(zhuǎn)速對乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響

2.2 乳化時(shí)間對乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min條件下，考察乳化時(shí)間對乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響.分別設(shè)定乳化時(shí)間為10、20、30、40、50、60/min，測定乳化性及乳化穩(wěn)定性，結(jié)果見圖2.

圖2 乳化時(shí)間對乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

由圖2可以看出，乳化穩(wěn)定性和乳化活性成反比，隨著乳化時(shí)間的增加，乳化活性先降低，后有緩慢增加趨勢，最終趨于穩(wěn)定.乳化穩(wěn)定性先增加，后減小，最后也是逐漸趨于穩(wěn)定.造成該趨勢的原因是，在乳化時(shí)間較短時(shí)，由于油相與水相達(dá)不到充分混合，此時(shí)活性較高，乳化穩(wěn)定性較低.隨著時(shí)間的增加，當(dāng)乳化時(shí)間為20 min時(shí)，油相與水相恰好可以充分混合，此時(shí)乳化穩(wěn)定性最高，乳化活性最低.隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，氣泡更多進(jìn)入油相與水相充分混合體系，使得乳化穩(wěn)定性降低.

圖1和2的結(jié)果表明，進(jìn)行乳化實(shí)驗(yàn)時(shí)，并不一定要利用高速均質(zhì)機(jī)，利用高速攪拌器也可以做乳化實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)條件要進(jìn)行探究.

2.3 電解質(zhì)的濃度對膠原蛋白乳化性的影響

將一定量的水解膠原蛋白溶解在不同濃度的NaCl溶液中，其中水解膠原蛋白的濃度為1%，測定乳化性及乳化穩(wěn)定性，觀察NaCl濃度對蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖3.

圖3 NaCl濃度對乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響

由圖3可以看出，當(dāng)NaCl濃度低于4%時(shí)，乳化性及乳化穩(wěn)定性均隨著NaCl濃度的升高而增加，乳化性在NaCl濃度為4%時(shí)達(dá)到最大值，此后，隨著NaCl濃度的繼續(xù)增加，乳化性開始下降.而乳化穩(wěn)定性在5%達(dá)到最大值后才開始明顯下降.分析上述結(jié)果的原因有以下幾個(gè)方面：一方面其濃度增加會降低膠原蛋白分子間的斥力，有利于膠原蛋白的溶解，使油滴更容易與膠原蛋白結(jié)合，從而提高其乳化性；另一方面，隨著濃度增加，鹽離子將壓縮擴(kuò)散的雙電層厚度，乳狀液滴表面電位降低，導(dǎo)致乳狀液體系的斥力能壘下降，液滴之間易產(chǎn)生聚集，引起乳化性的降低[14].在濃度較低范圍內(nèi)，前者起主要作用，隨著濃度增加，后一種作用優(yōu)勢更為明顯，故膠原蛋白乳化性又隨著濃度升高而降低.因此，一定范圍內(nèi)的鹽濃度增加有利于減少蛋白之間的排斥力，提高其乳化性；但當(dāng)濃度超過一定范圍時(shí)，蛋白出現(xiàn)凝聚而使其乳化性降低.

2.4 膠原蛋白的濃度對膠原蛋白乳化性的影響

不調(diào)節(jié)pH，蛋白濃度分別為1%、2% 、3% 、4%、5%、6%(w/v)下，考察不同濃度膠原蛋白對其乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖4.

圖4 膠原蛋白的濃度對膠原蛋白乳化性的影響

由圖4可以看出，隨著膠原蛋白濃度的增加，乳化性先增加后緩慢降低，乳化穩(wěn)定性則是先降低后隨膠原蛋白濃度增加變化很小，趨于穩(wěn)定.在1%～2%濃度范圍內(nèi)，其增加幅度很快，其后隨著濃度的增加，其乳化性有所降低，最后大致趨于穩(wěn)定，濃度在2%～3%時(shí)達(dá)到最大值.這是由于隨著濃度的增加，膠原蛋白在界面上分級吸附造成的.在較低濃度范圍內(nèi)，隨著濃度增加，膠原蛋白彼此吸附趨勢越來越大.隨著其濃度進(jìn)一步增加，吸附層逐漸形成更加緊密的、具有一定厚度和強(qiáng)度的界面膜，而當(dāng)濃度超過一定值時(shí)，即使再增加濃度，結(jié)合油的量變化也不明顯，即膜厚度和強(qiáng)度增加幅度減小，乳化性保持穩(wěn)定.

2.5 膠原蛋白的分子量對膠原蛋白乳化性的影響

選取不同分子量的膠原蛋白，其它條件不變，考察不同分子量的膠原蛋白對其乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖5和圖6.

圖5 膠原蛋白的分子量對膠原蛋白乳化性的影響

圖6 膠原蛋白的分子量對膠原蛋白乳化性的影響

由圖5和圖6可以看出，不同分子量膠原蛋白對其乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響很大，水解膠原蛋白的分子量在10 000以下時(shí)，乳化性及乳化穩(wěn)定性的變化是一致的，當(dāng)其分子量在10 000以上時(shí)，乳化性和乳化穩(wěn)定性的變化相反.并且分子量低于10 000的膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性明顯要優(yōu)于分子量高于10 000的膠原蛋白.其原因可能是因?yàn)榉肿恿枯^低時(shí)，水解膠原蛋白暴露在外面的活性基團(tuán)較多，從而乳化性和乳化穩(wěn)定性較高，但分子量很低時(shí)，膠原蛋白的肽鏈被破壞，結(jié)構(gòu)受到損壞，所以乳化性和乳化穩(wěn)定性較低.當(dāng)分子量為7 000時(shí)恰好能保持肽鏈完整，而且活性基團(tuán)也大部分暴露出來，所以乳化性和乳化穩(wěn)定性較高.

2.6 不同pH對水解膠原蛋白乳化性的影響

利用醋酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)水溶液的pH，將膠原蛋白溶解于不同pH的水溶液，其它條件不變，考察不同pH對水解膠原蛋白乳化性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7.

圖7 pH對膠原蛋白乳化性的影響

由圖7可以看出，pH對膠原蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性影響較大，乳化性和乳化穩(wěn)定性變化趨勢不同，乳化性先升高，在pH為6時(shí)得到最大值，然后下降.乳化穩(wěn)定性先保持不變，當(dāng)pH為堿性時(shí)，迅速上升.這是由于膠原蛋白是十分典型的兩性聚電解質(zhì)，由于側(cè)鏈酸性和堿性等基團(tuán)的存在，在溶液中，將電離為大分子離子和抗衡離子，使得膠原蛋白所帶凈電荷可以隨環(huán)境pH變化而變化，在不同pH條件下，有不同的狀態(tài)[20].該分子量7 000的膠原蛋白的等電點(diǎn)經(jīng)測定為4.14，水溶液顯酸性.在酸性條件下，其乳化活性先降低，當(dāng)溶液pH為4時(shí)最低，此時(shí)pH距離其等電點(diǎn)最近，膠原蛋白的溶解度較低，所以相對的乳化活性較低.隨著pH的繼續(xù)增加，離等電點(diǎn)越遠(yuǎn)，膠原蛋白所帶靜電荷越高，電荷互相排斥，分子分散性好，乳化性就越好.當(dāng)pH為堿性時(shí)，膠原蛋白的乳化性開始下降，其原因可能是膠原蛋白的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，或降解成小分子所引起.當(dāng)pH為酸性時(shí)，其穩(wěn)定性基本保持不變，膠原蛋白的水溶液顯酸性，酸性條件下膠原蛋白分子間一直是斥力主導(dǎo)，分散得較好，乳化穩(wěn)定性不變，但當(dāng)pH為堿性時(shí)，膠原蛋白的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞或降解成小分子，乳化穩(wěn)定性增加.

3 結(jié)論

(1)采用高速攪拌器進(jìn)行乳化實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，乳化時(shí)間為20 min時(shí)膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性較好.

(2)膠原蛋白乳化性與其濃度、電解質(zhì)、分子量等因素密切相關(guān).乳化性開始隨蛋白濃度增大而增加，之后稍微有所降低，最后趨于穩(wěn)定.在遠(yuǎn)離膠原蛋白等電點(diǎn)時(shí)，膠原蛋白表現(xiàn)出良好的乳化性；接近等電點(diǎn)，在pH為4時(shí)，乳化性最差.NaCl濃度也影響膠原蛋白的乳化性，在較低NaCl濃度范圍內(nèi)，NaCl的加入對乳化性有促進(jìn)作用，而過高的濃度，則使乳化性降低.較低分子量的水解膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性明顯要優(yōu)于分子量較高的，但水解膠原蛋白的分子量也不是越低越好.

(3)膠原蛋白乳化穩(wěn)定性的變化較復(fù)雜，影響因素也較多，大多數(shù)情況下乳化性較差，乳化穩(wěn)定性較好，反之亦然.因此，要同時(shí)綜合考慮膠原蛋白乳化性與乳化穩(wěn)定性的變化，來獲得最佳的改性效果.

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