磷脂水解產(chǎn)物對低蛋白天然膠乳穩(wěn)定性的影響

劉運浩，李普旺，楊子明，呂明哲，王超，周闖，何祖宇，李志鋒

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 湛江 524001)

天然膠乳主要成分是順式1,4-聚異戊二烯橡膠烴，其余為蛋白質(zhì)、脂肪酸、灰分、糖類等非橡膠物質(zhì)[1-2]。天然膠乳中的水溶性蛋白極易引起人體過敏反應，對制品的安全性造成了不良影響[3-7]。近些年，低蛋白天然橡膠在生物醫(yī)學材料領域應用越來越廣泛[8-10]；此外，還用于制備功能性的熱塑性彈性體、環(huán)氧化天然橡膠等[11-12]。然而，蛋白質(zhì)的去除會導致膠乳的機械穩(wěn)定性變差、膠凝速度遲緩等[13-14]。國內(nèi)外的研究熱點主要集中在蛋白質(zhì)的脫除方法[15-18]，對穩(wěn)定體系的研究較少。本研究利用尿素與堿性蛋白酶處理天然膠乳，再加入磷脂及脂肪酶,重新構建低蛋白質(zhì)天然膠乳的穩(wěn)定體系。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

新鮮天然膠乳；氫氧化鈉、十二烷基硫酸鈉(SDS)均為分析純；乙酸、2709堿性蛋白酶、磷脂、脂肪酶、氨水、乙醇等均為工業(yè)品。

TCP-03-107離心機；KJELTEC 2300型凱氏定氮儀；LL4240NA機械穩(wěn)定度測定儀。

1.2 低蛋白天然膠乳的制備

以新鮮膠乳為原料，采用0.3%的NH3(以膠乳質(zhì)量計，下同)和0.125%的十二烷基硫酸鈉作為保存劑，加入一定量的尿素和堿性蛋白酶，在溫度35 ℃ 消化12 h。在70 ℃對堿性蛋白酶滅活處理1 h， 離心濃縮后，得到低蛋白天然膠乳(LPNRL)，補氨保存。低蛋白天然膠乳測試總蛋白質(zhì)含量(TP)。

1.3 磷脂水解產(chǎn)物保存LPNRL的制備

在低蛋白天然膠乳中按一定比例加入磷脂和脂肪酸，重新構建低蛋白天然膠乳的保存體系，得到低蛋白天然濃縮膠乳，并對比高氨低蛋白膠乳和低氨低蛋白膠乳的性能，分別測試機械穩(wěn)定度、總固體含量、干膠含量、NH3含量等。

1.4 性能測試

膠乳總固體含量(TSC)按照國家標準GB/T 8298—2017測定；膠乳干膠含量(DRC)按照國家標準GB/T 8299—2008測定；膠乳總蛋白質(zhì)含量(TP)的測定是由膠乳加入乙酸凝固成膜，瀝濾24 h后在70 ℃烘箱中烘干至恒重，再用凱氏半微量定氮法測定以干膠計的總氮含量，并乘以6.25常數(shù)，換算成TP含量；機械穩(wěn)定度(MST)按照國家標準GB/T 8301—2008測定。

2 結果與討論

2.1 低蛋白天然膠乳的制備工藝優(yōu)化

以新鮮膠乳為原料，以NH3和SDS作為穩(wěn)定劑，對消化時間、尿素用量、堿性蛋白酶用量和消化溫度進行正交實驗，以總蛋白質(zhì)含量為評價指標，因素與水平見表1，結果見表2。

表1 因素與水平表Table 1 Factor and level table

由表2可知，4個因子對制備低蛋白天然膠乳的影響大小順序為：C(酶用量)>A(消化時間)>B(尿素用量)>D(消化溫度)，最佳工藝條件為A1B2C1D2，即消化時間12 h，尿素用量0.1%，酶用量70 000 u/kg膠乳，消化溫度35 ℃。在本研究中,先利用尿素破壞膠乳中蛋白質(zhì)中的氫鍵，促使蛋白質(zhì)的結構變得疏松[19]，然后采用堿性蛋白酶對蛋白質(zhì)進行高效水解，降低了膠乳中的蛋白質(zhì)含量。

表2 低蛋白天然膠乳制備工藝條件正交實驗結果Table 2 Orthogonal test results of the process conditions of low protein natural latex

2.2 脂肪酶用量對濃縮低蛋白天然膠乳穩(wěn)定性的影響

機械穩(wěn)定度(MST)是表征天然膠乳穩(wěn)定性的重要參數(shù)，本研究在磷脂用量為0.08%的條件下，添加不同用量的脂肪酶熟化和穩(wěn)定低蛋白天然膠乳，研究脂肪酶用量對保存體系在提高低蛋白膠乳穩(wěn)定性的作用效果。對照樣、低氨低蛋白天然膠乳(LA-LPNRL)和高氨低蛋白天然膠乳(HA-LPNRL)貯存熟化30 d后的MST平均值見表3。

表3 采用磷脂保存的低蛋白天然膠乳儲存30 d的MST Table 3 MST value of low protein natural latex preserved by phospholipid stored for 30 d

由表3可知，對照樣、LA-LPNRL和HA-LPNRL熟化30 d后的MST分別為146 s和200 s。在加入磷脂后，需要熟化一定的時間才能提升膠乳穩(wěn)定性；單獨使用磷脂對膠乳的穩(wěn)定性提高雖然對機械穩(wěn)定性有一定的提高效果，但遠比添加脂肪酶后的機械穩(wěn)定性差。此外，隨著脂肪酶用量從0.04%增加到0.10%，兩種膠乳的MST增加都非常顯著。低氨低蛋白天然膠乳的MST由638 s增加到990 s，高氨低蛋白天然膠乳的MST由860 s增加到1 190 s，說明兩種低蛋白天然膠乳的穩(wěn)定性都得到了顯著提升。

2.3 貯存時間對磷脂保存低蛋白天然膠乳穩(wěn)定性的影響

低氨和高氨兩種低蛋白天然膠乳，在磷脂用量為0.08%、脂肪酶用量為0.04%和0.10%的作用下，熟化一定時間后的MST，見圖1。

圖1 LA-LPNRL在不同儲存期間的MST Fig.1 MST value in different storage periods of LA-LPNRL

由圖1可知，在LA-LPNRL中加入新型穩(wěn)定體系，在脂肪酶用量為0.04%時，貯存10 d后，MST達到600 s，而在脂肪酶用量為0.10%時，僅需7 d。貯存18 d后，兩種配比的穩(wěn)定體系在不同膠乳中MST均趨于穩(wěn)定，且低氨低蛋白天然膠乳的MST始終優(yōu)于低氨濃縮膠乳。

由圖2可知，在HA-LPNRL加入新型穩(wěn)定體系，當脂肪酶用量為0.04%時，MST值需要8 d后才能達到600 s以上；在脂肪酶用量為0.10%時，僅需要3 d。貯存18 d后，兩種配比的穩(wěn)定體系在低蛋白膠乳中MST趨于穩(wěn)定，且高氨低蛋白天然膠乳的MST始終優(yōu)于高氨濃縮膠乳。HA-NRL采用傳統(tǒng)的月桂酸銨+氨水的保存體系，在30 d的時間內(nèi)MST上升不明顯，因為常規(guī)天然濃縮膠乳經(jīng)離心加工后需要長時間的儲存熟化，MST才能達到標準值。

圖2 HA-LPNRL在不同儲存期的MST Fig.2 MST value in different storage periods of HA-LPNRL

由于脂肪酶能促進橡膠顆粒表面的磷脂以及添加的磷脂水解反應，形成長鏈脂肪酸，并與膠乳中少量的氨水結合，生成脂肪酸皂，吸附于橡膠顆粒的表面，使橡膠膠體的性質(zhì)更加穩(wěn)定[20-21]。通過加入較多的脂肪酶，能使膠乳的MST值上升更快，MST值的快速上升有利于縮短生產(chǎn)時間，提高濃縮天然膠乳出廠前的穩(wěn)定性，從而提高生產(chǎn)效率。此外，研究發(fā)現(xiàn)，高氨條件下膠乳的MST上升更快，這是由于脂肪酶與高濃度氨相結合，更好地促進磷脂的水解，導致橡膠液中含有更多的脂肪酸皂。研究表明，脂肪酶+磷脂這一新型保存體系，能有效促進低蛋白天然膠乳的快速穩(wěn)定。因此，可進一步降低膠乳保存中氨的用量，從而減少天然膠乳生產(chǎn)過程中因氨的使用而帶來的環(huán)境污染。

2.4 脂肪酶對貯存熟化膠乳基本性能的影響

低蛋白膠乳的基本性能隨貯存時間的變化見表4。

表4 貯存熟化時間對低蛋白天然膠乳TSC、DRC 和NH3的影響Table 4 Effect of aging time on TSC,DRC and NH3 of low protein natural latex

由表4可知，在熟化1，31，90 d后，高氨濃縮膠乳、高氨和低氨低蛋白膠乳的總固含量(TSC)和干膠含量(DRC)保持相對穩(wěn)定，熟化時間對乳液的基本性能無影響，膠乳的TSC和DRC值基本沒有變化，這是因為水中的所有固體橡膠和橡膠成分在熟成期間不會分解。然而，隨著熟化時間的延長，膠乳中NH3含量呈逐漸降低的趨勢，主要是由于氨參與了天然膠乳中蛋白質(zhì)的水解以及氨氣揮發(fā)的原因所致。

通過尿素聯(lián)合蛋白酶解工藝能夠制備得到低蛋白天然膠乳，采用磷脂水解產(chǎn)物能夠重新構建穩(wěn)定的低蛋白天然膠乳保存體系，提高了低蛋白天然膠乳的穩(wěn)定性，解決了低蛋白天然膠乳機械穩(wěn)定性差的問題。后續(xù)將深入研究低蛋白天然膠乳的成膜性質(zhì)、硫化橡膠特性以及復合改性技術，以期更大程度地提高低蛋白天然橡膠的性能。

3 結論

(1)在尿素的作用下,破壞膠乳中蛋白質(zhì)中的氫鍵，然后采用堿性蛋白酶對蛋白質(zhì)進行高效水解，該工藝可以有效降低膠乳中的蛋白質(zhì)含量，最佳工藝條件為消化時間12 h,尿素用量0.1%,酶用量70 000 u/kg 膠乳，消化溫度35 ℃。

(2)采用脂肪酶水解磷脂的產(chǎn)物保存低蛋白天然膠乳,能有效提高機械穩(wěn)定性，隨著脂肪酶用量從0.04%增加到0.1%，無論是低氨或高氨低蛋白天然膠乳的穩(wěn)定性都得到了顯著提升。

(3)磷脂水解產(chǎn)物保存體系對低蛋天然膠乳的總固含量和干膠含量等基本性能無影響。