大豆蛋白凝胶中溶胀性能检测方案(质构仪)

广州化工2007年35卷第3期·21 交联大豆蛋白凝胶的溶胀性能的研究* 王飞镝，李品高，杨谷毅，周智鹏 (广东工业大学轻工化工学院，广东广州510090) 摘 要：制备了大豆蛋白凝胶与戊二醛交联大豆蛋白凝胶，研究了凝胶的溶胀性及其影响因素，以质构仪、扫描电镜对凝胶的质构和断面微观结构进行了表征，结果表明：大豆蛋白浓度为13%，其凝胶溶胀率为15.00g/g；当大豆蛋白浓度为12%，25%戊二醛用量为50mL，交联大豆蛋白凝胶溶胀率为25.1g/g，；氯化度浓度和水的温度对交联大豆蛋白凝胶的溶胀率有影响，氯化钠浓度从0升至0.1M，交联凝胶溶胀率从25.1减小为5.34g/g；水的温度从20升至60℃，凝胶的溶胀率从21.81增至49.12g/g；质构分析和扫描电镜结果显示，戊二醛交联凝胶比大豆蛋白凝胶具有更高的硬度、弹性、内聚性、破裂强度和更有序的微观结构。 关键词：交联；戊二醛；大豆蛋白；凝胶；溶胀 Study on Swelling Property of Crosslinked Soy Protein Gels WANG Fei-di， LI Pin gao， YANG Gu-yi， ZHOU Zhi-peng (Faculty of Chemical Engineering and Light Industry， Guangdong Universityof Technology， Guangzhou 510090， China) Abstract ： A soy protein gel and a glutaraldehyde crosslinked soy protein gel are prepared， the swelling property ofgels and affecting factors of which are researched， and the texture and the section microstructure of gels are characterizedby texture analyzer and scanning electron microscope(SEM). The results showed that the swelling ratio of soy protein gelwas 15.00 g/ g at 13 % of the concentration of soy protein； the swelling ratio of the glutaraldehyde crosslinked gel was 25.1 g/ g at 12 %of the concentration of soy protein and 50 puL of the amount of 25 % glutaraldehyde solution； the swelling ra-tio of theglutaraldehyde crosslinked gel was affected by the concentration of sodium chloride solution and the temperatureof water， which decreased from 25. 1 to 5.34 g/g at the concentration of sodium chloride solution from 0 to 0. 1 M and in-creased from 21.81 to 49.12 g/g at the temperature of water from 20 to 60 ℃； the results of texture analyzer and SEMshowed that the hardness， springiness， cohesiveness， rupture strength of glutaraldehyde crosslinked gel were larger thanthat of soy protein gel and the section microstructure of glutaraldehyde crosslinked gel was more ordered than that of soyprotein gel. Key words： crosslinking； glutaraldehyde； soy protein； gel； swelling ratio 凝胶是一种交联的亲水聚合物，其网状结构能吸收和保持大量水分，对于大豆蛋白来说，一般认为其凝胶中的三维网络结构是由于肽链间的氢键、疏水键和静电力的作用形成的。这些相互缠绕又留有空隙的肽链交联网状结构成为束缚水分或其他组分的基质。蛋白质浓度和温度是形成凝胶的必要条件[2]，加入交联剂亦有利于大豆蛋白形成凝胶。据报道[3]，交联剂使氨基酸基团结构紧凑，不挥发的交联剂可能对蛋白质氢键及离子键有溶剂效应。戊二醛是蛋白质常用的较好的交联剂131，因从分子结构看，醛与伯胺通过亲核反应生成希夫碱，戈二醛与蛋白质肽链上的伯胺可产生类似的反应。 加入适量交联剂有利于大豆蛋白形成凝胶，使之表现出凝胶的特性——吸水溶胀；但过多的交联剂可使凝胶的溶胀性降低。为此，作者对戈二醛交联大豆蛋白凝胶的溶胀性及 其影响因素进行了研究，以便更多掌握凝胶化大豆蛋白分子的结构与性能的一些变化，拓展其应用领域。 材料与方法 1.1 材料与仪器 大豆分离蛋白 食品级，市售；氢氧化钠，戊二醛(25%)分析纯。 电子天平，FA2104型，上海良平仪器仪表有限公司；恒温水浴锅，SSY-2型，北京泰克仪器有限公司；定时电动搅拌器JJ-1型，江苏常州国华仪器厂；恒温水浴锅，SSY-2型，北京泰克仪器有限公司；TA- XT2i， Texture Analyser(质构分析仪)，英国；JSM- 5910 ，Scanning Electron；Micro-scope(扫描电子显微镜)，日本。 1.2 实验方法 1.2.1 大豆蛋白凝胶的制备 将大豆分离蛋白 SPI溶于蒸馏水，配制成不同浓度的SPI溶液，于95℃水浴40 min 后迅速用冰水浴骤冷使其直接形成凝胶。凝胶放入冰箱于44℃老化过夜。凝胶老化以后在真空干燥箱中干燥至质量恒定，装入密实袋中备用。 制备戊二醛交联大豆蛋白凝胶时，配制一定浓度(w/v)的SPI溶液15mL，用3NNaOH调节pH至12.00，覆盖保鲜膜于65℃水浴30 min ，冷却至室温后，边搅拌边加入一定量25%戊二醛，搅拌均匀后静置直至溶液形成凝胶。送冰箱于4℃老化过夜。凝胶老化以后在真空干燥箱中干燥至质量恒定，装入密实袋中备用。 1.2.2 凝胶溶胀率的测定 进行溶胀率测试时，将干凝胶胶重(Wa)，放在自制尼龙底胶杯，置于水中浸泡一定时间，取出将胶杯悬挂，滤掉凝胶表面水分，再称重；多次浸泡，直到凝胶湿重恒定不变，记为Ws，以下式计算溶胀率(SR)： 将凝胶置于不同浓度的NaCl溶液中浸泡，则可测得NaCl 溶液中凝胶溶胀率；置于不同温度的水中浸泡，可测得不同温度下凝胶的溶胀率。 1.2.3 凝胶 TPA 和凝胶特性的测定 (1)TPA测定条件 测定模式和选项 TPA；测定前探头速度2.0 mm/s；测定时探头速度5.0 mm/s；测定后探头速度5.0mm/s；测定距离凝胶厚度的50%；探头两次间隔时间3.00s；触发类型自动；触发力1.0g；探头型号P6；数据攫取速率200.0 pps。主要取得硬度(Hardeness)、脆度(Fracturability)、弹性(Springi-ness)和共聚性(Cohesiveness)。具体分析由 Texture Expert软件处理。 (2)凝胶破裂强度的测定条件 测定模式和选项测定压缩力；测定前探头速度2.0mm/s；测定时探头速度5.0mm/s；测定后探头速度5.0mm/s；测定距离凝胶厚度的50%；探头两次间隔时间3.00s；触发类型自动；触发力1.0g；探头型号0.5R；数据据取速率400.0pps。主要取得凝胶破裂强度数据。 1.2.4 扫描电子显微镜观察 采用JSM-5910型扫描电子显微镜观察大豆蛋白凝胶和戊二醛交联的大豆蛋白凝胶面微观结构，样品经清洁、固定、干燥、表面喷金后，在20.0kv加速电压下进行观察。 2 结果与讨论 2.1 大豆蛋白凝胶溶胀率的研究 2.1.1 大豆分离蛋白(SPI)浓度对凝胶溶胀率的影响 凝胶是一种吸收水分而自身不溶于水的立体网络结构的聚合物形态，凝胶性是大豆蛋白的重要功能性之一。大豆蛋白的浓度对其凝胶性有决定性的影响。表1数据显示，浓度10%至12%时，凝胶溶胀率随着SPI浓度增大而增大。当 SPI度度为13%时，大豆蛋白凝胶的溶胀率最大，为15.00 g/g；SPI浓度继续增大，溶胀率随着 SPI浓度增加而下降。因为，大豆蛋白的浓度较低时，蛋白质分子肽链通过缠绕、分子间相互作用力、交联剂等作用形成凝胶网络强度较 弱，凝胶中溶剂分子难以束缚在凝胶网络中，导致溶胀率较小。当大豆蛋白浓度较高，分子链之间通过各种作用力(例如范德华力、分子间氢键、交联剂与蛋白肽链所形成的化学键等)形成紧密的凝胶网络，溶剂进入凝胶网络所受到网络分子链的作用力增大，从而致使溶胀率下降。 表1的数据还显示，与纯大豆蛋白凝胶相比，戊二醛交联的大豆蛋白凝胶具有更高的溶胀率，如大豆蛋白浓度为12%，交联大豆蛋白凝胶的溶胀率最大，为25.1g/g。因为大豆蛋白在加热、戊二醛交联共同作用下，能形成结构均匀、分子链之间相互作用力适中的凝胶网络，成为一种能吸收水分子的良好基质。 表1 不同大豆蛋白浓度的凝胶的溶胀率 SP/ % 10 11 12 13 14 15 SR/ (g/g) 6.49 10.36 14.81 15.00 13.72 10.43 SR2/ (g/g) 16.9 21.6 25.1 24.9 20.1 19.6 注：SR为为纯大豆蛋白凝胶的溶胀率数据，SR2为戊二醛交联大豆蛋白凝胶的溶胀率数据。 2.1.2戊二醛用量对交联大豆蛋白凝胶平衡溶胀率的影响 表2 不同用量戊二醛制备的大豆蛋白凝胶的溶胀率 戊二醛/uL 50 100 150 200 250 SR/ (g/g) 25.1 23.31 19.07 16.58 14.52 注：制备过程中 SPI浓度12% 表2数据显示，随着戊二醛用量的增加，凝胶的溶胀率下降，从加入量50pL时的25.1g/g一直下降到戊二醛加入量250pL时的14.52g/g。这种现象最主要的原因在于，在凝胶三维网络结构中，当交联剂用量增大时，交联剂与蛋白质肽链之间形成的交联结点增多，按照 Florry 溶胀理论凝胶交联度增大，会使平衡溶胀率下降。另外，交联度增大会使得网络弹性收缩力增强，水进入凝胶收到的阻力增强，凝胶平衡溶胀率下降。 2.1.3 NaCl浓度对大豆蛋白凝胶溶胀率的影响 表3不同浓度NaCl 溶液中大豆蛋白凝胶的溶胀率 NaCl浓度/M 0.001 0.005 0.010 0.050 0.100 SR/ (g/g) 19.76 12.02 11.89 6.08 5.34 从表3数据可见，大豆蛋白凝胶在盐水中的溶胀率随着离子浓度的增大而不断减小。这是由于 Donnan 效应4，外界溶液的 NaCl与凝胶内部的 NaCl会产生不均等的分布，并且凝胶内部与溶液中的NaCl化学势相当。外界溶液 NaCl浓度较高时，NaCl大部分都分布在溶液中，当外界溶液浓度较低时，则凝胶和溶液中NaCl 浓度相当。因此随着外界溶液浓度越来越高，溶液的通过扩散进入到凝胶的渗透压不断下降，使凝胶吸水能力下降、溶胀率下降。 2.1.4!温度对大豆的蛋白凝胶溶胀率的影响 表4 凝胶在不同温度下溶胀率 温度/℃ 20 40 60 80 SR/ (g/g) 21.81 33.11 49.12 溶解 由表4看出，随温度的升高凝胶的溶胀率不断增大，到了80℃，凝胶开始溶解，不能测出溶胀率。凝胶的溶胀过程是一个溶剂不断进入高聚物和高聚物内形成网络分子链因受到应力而产生的弹性收缩的过程，当两者的作用相当时，凝胶便达到了溶胀平衡1。凝胶的溶胀率随着温度的升高而增大，一方面说明由于分子布朗运动不断增强，水进入凝胶的的能力也在不断增强，同时凝胶网络向水中扩散的能力也在不断加强；另一方面说明温度较高时，凝胶的网络结构膨胀，在温度足够高的情况下，溶剂进入网络时对网络所产生的作用力超过网络间的分子链作用力时，凝胶的网络结构被破坏，凝胶溶解。 2.2 质构分析结果 质构仪是一种代替人体感官的更客观、更准确测量肉制品、米制品糖果等物性的仪器。通过物质的硬度、弹性、粘聚性、胶着性、咀嚼性等数据反映出物质组织特性。 从表5中两种凝胶的质构数据可以看出，戊二醛交联的大豆蛋白凝胶在硬度、弹性、内聚性和凝胶破裂强度方面，都比纯大豆蛋白凝胶高。根据研究，戊二醛可与蛋白质中的e-氨基、肽链N-端氨基等伯氨基、杂环上的亚胺基、巯法羟基以及酰胺基反应。李临生16]通过对蛋白质与戊二醛的反应进行研究，支持形成了稳定的环状吡啶结构这一结论。这些研究结果说明说明戊二醛的加入能稳定凝胶的有三维网络结；戊二醛与蛋白质的化学作用强于大豆蛋白肽链间分子力等作用，使戊二醛交联大豆蛋白凝胶表现出更高的硬度、弹性、内聚性和破裂强度。 表5 两种大豆蛋白凝胶质构数据 硬度/g 弹性 内聚性 破裂强度 A 1.261 0.916 0.358 4.6 B 33.382 1.332 0.796 10.9 注：A为纯大豆蛋白凝胶；B为戊二醛交联大豆蛋白凝胶 图1 纯大豆蛋白凝胶与戊二醛交联大豆蛋白凝胶 SEM 图 注：A图为纯大豆蛋白凝胶：B图为戊二醛交联大豆蛋白凝胶 2.3 扫描电镜(SEM)观察 图1显示，纯大豆蛋白凝胶结构不规则，凝胶中有许多间隙。戊二醛交联大豆蛋白凝胶结构则具有较整齐有序的结构，凝胶中的网络结构显示出一定的排列顺序。说明凝胶的微观结构的有序性，规整的网络结构更有利于水进入到网络中。 3 结 论 分别制备了纯大豆蛋白凝胶和戊二醛交联大豆蛋白凝胶，研究其溶胀率，并通过质构分析、SEM 对其进行表征。得到以下结论： (1)戊二醛交联大豆蛋白凝胶比纯大豆蛋白凝胶具有更高的平衡溶胀率。制备过程中蛋白质浓度和交联剂用量对凝胶平衡溶胀率有影响。SPI浓度13%时，纯大豆蛋白凝胶平衡溶胀率达到最大值 15 g/g。 SPI浓度12%时，戊二醛用量为50uL时，二二醛交联大豆蛋白凝胶的平衡溶胀率达到最大值 25.1 g/g. (2)溶液pH值、NaCl浓度等对戊二醛交联大豆蛋白凝胶平衡溶胀率有影响。凝胶的平衡溶胀率随着外界 NaCl浓度不断增大而减小；凝胶的吸水倍率随着温度的升高而增大。 (3)质构表征显示戊二醛交联的大豆蛋白凝胶硬度、内聚性、弹性和破裂强度较纯大豆蛋白凝胶更大，说明戊二醛的在蛋白质分子间的交联大于蛋白质分子链之间通过范德华力、氢键的作用，成为形成凝胶网络结构的主导作用。扫描电镜 SEM也显示出戊二醛交联的大豆蛋白凝胶网络结构更工整、有序。 ( 参考文献 ) ( [1]] Srinivasan Damodaran. R efolding of t h ermally unfolded soypro- teins during the cooling r egime of the g e lation process： effect o n gelation[J]， J Agric Food Chem ， 1988 ，36：262 - 269. ) ( [2] 王凤翼，钱方.大豆蛋白质生产与应用[M].北京：中国轻工 业出版社，2004，3. ) ( [3] 黄曼，卞科.交联剂对大豆分离蛋白疏水性的影响[J].郑州 工程学院学报，2002，23(2)：5-9. ) ( [4] 吴季怀，林建明，魏月琳等编著.高吸水保水材料[M].北京：化 学工业出版社，2005. ) ( [5] 赵振河.高分子化学和物理[M].北京：中国纺织出版社， 2003. ) ( [6] 李临生，张淑娟.戊二醛与蛋白质反应的影响因素和反应机 理[J]. 中 国皮革，1997，26(12)：8-1 2 . ) ( 更 正 ) ( 本刊2007年第一期第60页《12Cr2Mol合成气/锅炉给水预热器的制造》一文的作者应改为傅华、杨阳、赵嘉渝。并向作者致谦。 ) ◎ China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net