基金项目:国家自然科学基金资助项目(20704044);作者简介:李海萍(1984-),女,硕士研究生;3通讯联系人,E 2mail :cesyjz @.大豆分离蛋白改性的研究进展李海萍,易菊珍3(中山大学化学与化学工程学院高分子研究所,广州 510275) 摘要:首先介绍了大豆分离蛋白的基本组成与结构,然后分别从化学改性、酶改性和物理改性三个方面对大豆分离蛋白改性进行了综述。
其中,在化学改性方面,针对大豆分离蛋白中含有的氨基、羧基、巯基等不同活性基团的改性原理及研究现状进行了介绍。
在酶改性方面,主要介绍了谷胺酰胺转胺酶、木瓜蛋白酶等对大豆分离蛋白的改性作用。
在物理改性方面,介绍了共混、加热改性等目前研究较多的方法。
通过化学、物理和酶等方法等来引起分子结构的微变化,可使人们获得各种符合预期的性能优良的产品,开发其在医药、化工等领域的应用潜力。
关键词:大豆分离蛋白;结构;改性引言近年来,由于全球石油危机及环境污染问题,以石油为原料、不可降解的聚合物材料的广泛使用引起了大家的担忧[1],而且塑料垃圾掩埋后,有毒单体和小分子低聚物的释放又会污染地下水资源,给人类和生物体健康构成威胁。
因此,人们致力于研究通过可再生农作物开发环境友好、可生物降解的材料。
大豆分离蛋白(s oybean protein is olate ,SPI )是一种重要的植物蛋白,是每年都可进行大量种植的可再生资源,而且具有无毒、可降解等优点,在材料领域具有广泛的应用前景。
大豆蛋白包含多种功能团,如氨基、羟基、巯基、酚基、羧基等。
这些活性基团可作为化学改性或交联的位点,来合成各种功能可与以石油为原料的材料相当或更优的新型聚合物。
因此,本文介绍了大豆分离蛋白的基本组成与结构,并对基于大豆分离蛋白功能基团的改性研究进行了综述。
1 大豆分离蛋白的基本组成及结构大豆分离蛋白(S oybean Protein Is olate ,SPI )是以低变性脱脂豆粕为原料,采用现代化的加工技术制取的一种蛋白质含量较高的功能性食品添加剂或食品原料。
其主要组成元素为C 、H 、O 、N 、S 和P ,还含有少量的Zn 、Mg 、Fe 和Cu 。
大豆分离蛋白中蛋白质含量高达90%以上,含有多种人体必需氨基酸,其主要氨基酸含量如表1所示[2]。
SPI 主要包括β2大豆伴球蛋白(7S 球蛋白,β2conglycinin )和大豆球蛋白(11S 球蛋白,glycinin )两种成分[3]。
其中β2大豆伴球蛋白是由α’2(69kDa )、β2(68kDa )和β2(42kDa )三种亚基组成的分子量约为～180kDa 的三聚体糖蛋白,三种亚基分子量不同文献报道有所差别[4]。
大豆球蛋白是由五种分子量为54kDa ～64kDa 的亚基(G 12G 5)组成的分子量约为～320kDa 的六角形化合物。
各个亚基的基本结构通式为A 2SS 2B ,其中A 表示分子量为34～44kDa 的酸性多肽,B 表示分子量约为20kDa 的碱性多肽,A 和B 由二硫键(SS )连接。
Utsumi [5]、Maruyama 等[6]利用基因重组技术并通过X 射线晶体衍射法推导出大豆球蛋白和β2大豆伴球蛋白结构模型,如图1所示。
表1 构成大豆分离蛋白的主要氨基酸组成T able 1 The m ain amino acid compositions in soy protein isolate 必需氨基酸名称分子式含量Π%赖氨酸(Lys )HOOCCH (NH 2)CH 2CH 2CH 2CH 2NH 2611亮氨酸(Leu )HOOCCH (NH 2)CH 2CHCH 3(CH 3)717缬氨酸(Val )HOOCCH (NH 2)CH (CH 3)CH 3418异亮氨酸(Ile )HOOCCH (NH 2)CH (CH 3)CH 2CH 3419苏氨酸(Thr )HOOCCH (NH 2)CH (OH )CH 3317苯丙氨酸(Phe )HOOCCH (NH 2)CH 2Ph 911酪氨酸(T yr )HOOCCH (NH 2)CH 2PhOH 蛋氨酸(M et )HOOCCH (NH 2)CH 2SCH 3211半胱氨酸(Cys )HOOCCH (NH 2)CH 2SH 色氨酸(T rp )HOOCCH (NH 2)CH 22C 8H 5NH 114图1 a 1大豆球蛋白天然结构模型[5];b 1β2大豆伴球蛋白结构模型[6]Figure 1 a 1S tructure m odel of glycinin [5];b 1S tructure m odel of β2conglycinin [6]2 大豆分离蛋白的改性蛋白质改性就是人为地对蛋白质结构进行修饰,从而改善产品在制造、加工和保藏过程中的物理化学性质。
从分子结构角度来看,大豆分离蛋白是包含多种氨基酸的复杂大分子,沿着主链分布着—NH 2、—C OOH 、—OH 等多种功能团,可通过化学、物理和酶的方法等来引起分子结构的变化,从而产生不同的物理化学特性,以达到人们预期的效果。
211 化学改性化学改性的实质是通过改变蛋白质结构、静电荷和疏水性等性质,从而改善大豆分离蛋白的各种物理化学性质。
21111 对SPI 上的氨基(—NH 2)进行改性 对SPI 上氨基的改性研究主要集中在与羧酸、酸酐等物质发生酰基化反应,在SPI 分子链上引入新的功能基,赋予其新的功能。
H wang 和Dam odaran [7]首次通过对SPI 中赖氨酸上的氨基与乙二胺四乙酸二酐(E DT AD )进行酰基化改性,在SPI 分子链中引入大量的羧基,破坏了SPI 分子内静电吸引,使蛋白质分子链伸展,同时赋予了蛋白质分子聚阴离子特性。
然后加入戊二醛交联剂,制备了高吸水量的凝胶。
陈复生、郭东权等[8]用乙酸酐与SPI 上的氨基进行酰基化改性,制得了性能明显提高的SPI 材料:拉伸强度1114MPa ,断裂伸长率17716%,吸水率3014%。
说明酰化使SPI 的网络结构得到加强。
而随着乙酸酐添加量的增加,SPI 材料的拉伸强度降低,断裂伸长率升高,原因可能是乙酰化程度的提高,大豆球蛋白四级结构的结合力减弱,蛋白质分子的紧密结构被部分破坏,从而使SPI 材料的拉伸强度降低;同时酰化后蛋白质分子表面电荷下降,多肽链充分伸展,空间结构改变,导致分子体积增大,柔韧性提高,使SPI材料的断裂伸长率得到提高。
G uan等[9]通过微波加热使SPI上的氨基和多糖上的羰基发生梅拉德反应,成功制备了SPIΠ多糖接枝产物,并计算了接枝反应中氨基的反应速率常数。
梅拉德反应是法国化学家Millard在1912年提出的,是羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)间的反应。
核糖也是一种能与蛋白质发生梅拉德反应的高活性物质。
Easa等[10]使用核糖与SPI交联并制成微胶囊,研究了其对包埋的鱼油的防氧化作用。
结果表明,在储存过程中,核糖ΠSPI制备的微胶囊保存期限长,而且在37℃的胃蛋白酶溶液中,核糖ΠSPI制备的微胶囊鱼油释放量明显低于其它微胶囊。
Liu等[11]用马来酸酐(MA)与SPI分子链上的氨基和羟基反应,制备了MA接枝的SPI粘合剂。
实验结果表明,MA与氨基的反应速率比与羟基的反应速率快。
同时发现,MA2g2SPI粘合剂效果不理想,但其与PEI(聚醚酰亚胺)的混合物则明显提高了木材粘合物的强度和防水能力。
Subirade等[12]将甲醛交联的SPI膜应用在药物释放上,并考察了甲醛用量对膜的抗张强度、弹性模量、伸长率和溶胀的影响。
结果显示SPI膜对化合物,尤其是疏水分子有卓越的粘合能力。
而且交联密度能够有效调节体系对膜的腐蚀。
虽然甲醛交联蛋白质的机理比较复杂,但Marquié[13]认为甲醛能够与蛋白质中赖氨酸残基上的氨基发生反应形成桥键。
周华等[14]通过原子转移自由基聚合法合成了大豆分离蛋白2g2聚甲基丙烯酸22羟乙酯。
首先通过酰胺化反应在SPI表面引入溴原子,合成大分子引发剂SPI2Br,再以CuCl和2,22联吡啶为催化剂进行原子转移自由基聚合。
并用FTIR、13C2NMR、G PC对大分子引发剂、接枝产物和接枝物降解链进行了结构表征。
结果证明ATRP反应成功,且有较高的接枝率。
K umar和Zhang[15]通过压塑成型法制备了含2,22二苯基222羟基乙酸(DPHE Ac)的SPI膜材料(S B膜),具有优良的疏水性。
同时在X射线光电子能谱、傅立叶转换红外光谱、元素分析、扫描电镜等表征结果及研究的基础上作者描述了由水诱发的S B膜疏水性增强的原因及过程,如图2所示。
在S B膜中,SPI和DPHE Ac无规分布,为一相,如图2a所示。
而在水中浸泡以后,生成的稳定性更高的DPH M在蛋白质链上形成了纳米尺寸的疏水保护壳,从而使制备的S B膜疏水性显著提高。
图2 SPI与DPHE Ac的反应过程示意图Figure2 Schematic illustration of the interaction between SPI and DPHE Ac(a)the processed films(b)films after immersion in water21112 对SPI上的羧基(—C OOH)进行改性 王岩等[16]利用环氧氯丙烷对大豆分离蛋白进行了改性制备可生物降解材料的研究,探讨了改性制备因素对其材料性能的影响。
结果表明,改性制备因素对材料的力学性能和抗水性能有显著影响,环氧氯丙烷改性大豆蛋白材料表现出高强度、低吸水率和低伸长率等特点。
姚永志、陈复生等[17]则利用傅立叶红外光谱仪(FTIR)对环氧氯丙烷增塑的大豆蛋白内部分子结构进行了深入分析,利用扫描电子显微镜(SE M)对不同增塑剂增塑的大豆蛋白材料断面概貌进行了比较,总结了环氧氯丙烷改性大豆分离蛋白的机理。
FTIR结果显示环氧氯丙烷对大豆分离蛋白起着增塑和化学改性的双重作用,环氧基团在高温高压下能与蛋白质分子中的羧基反应,改变了蛋白质的结构,减少了蛋白质的亲水基团数目。
21113 对SPI上的巯基(—SH)进行改性 孙超等[18]成功合成了SPI2甲基丙烯酸接枝共聚物,并对过硫酸铵引发机理进行了研究。
通过向SPI分子中引入水溶性更好的甲基丙烯酸,可进一步提高大豆分离蛋白的水溶性,改变其在水中的聚集状态,并利于其通过自组装形成新的可控聚集结构,拓宽其应用范围。
其提出的反应机理如图3所示。
(1)二硫键的打开(2)自由基的形成(3)接枝共聚反应图3 过硫酸铵引发机理Figure3 The mechanism initiated by amm onium persulfate212 酶法改性酶法改性技术是利用蛋白酶内切作用及外切作用将蛋白分子切割成较小分子,使其蛋白功能特性有所改变。