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大豆分离蛋白的化学改性

马力  
【摘要】:大豆分离蛋白,是大豆中的主要成分之一。由于其来源丰富、价格低廉以及优良的功能性,逐渐被人们作为一种环境友好材料来使用。在目前的文献报道中,有不少关于大豆蛋白材料的应用,如塑料、凝胶、膜、粘合剂以及一些生物材料等。但是,由于天然大豆蛋白分子是一种球状结构,蛋白分子之间的相互作用可能仅仅是一些球形亚基之间的摩擦力,因此,它的力学性能在作为材料使用时表现得很差,再加上其较高的水敏感性,所以,关于纯大豆蛋白膜材料的制备及应用的文献报道寥寥无几。要想制备具有实际应用价值的大豆蛋白材料,就势必要对其进行物理或化学的改性,从目前已经报道的关于大豆蛋白改性的方案来看,基本上都是采用和其它合成或天然高分子材料共混的方式或是与一些含有醛基的化合物进行简单的化学交联来改善大豆蛋白材料的力学性能。这些方法尽管在一定程度上改善了大豆蛋白的力学性能,但是,它们同时在很大程度上改变了大豆蛋白的基本天然属性,而且,最终得到的材料的力学性能也基本上都是要取决于另外加入到大豆蛋白中物质的性质,甚至一些物质的加入还会引起一些其它的弊端,如与大豆蛋白之间较低的相容性和细胞毒性。因此,目前对于大豆蛋白的改性研究中还没有一种较为成熟的或更好的手段来改善其力学性能。在本文中,我们尝试采用一种在前人研究中很少采用的化学改性方法来改善大豆蛋白的力学性能。这些方法并不是简单的进行通过醛基化合物进行的化学交联改性,也不是简单的共混,而是首先要通过对我们所使用的大豆蛋白进行氨基酸分析,得到其中具体的各种极性氨基酸残基含量后,再有针对性的对这些极性氨基酸进行化学修饰。原料大豆蛋白中主要含有5种极性氨基酸残基:赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸和谷氨酸,它们的总含量可以到达47.1%之多,几乎达到了所有氨基酸的一半左右。其中,含量最多的是含有侧羧基的天冬氨酸和谷氨酸,它们的含量几乎是含有侧氨基的精氨酸和赖氨酸的1倍多。因此,我们主要针对这四种含有羧基和氨基的氨基酸残基进行化学改性。我们对大豆蛋白中极性氨基酸残基进行改性的目的就在于,通过对极性氨基酸残基的修饰可以在一定程度上改变大豆蛋白原来的静电平衡,减少碱性氨基酸和酸性氨基酸残基之间的静电相互作用。从而在一定程度上破坏大豆蛋白原来的球状三级结构,使大豆蛋白的球状结构变的疏松,甚至舒展开来,这样就可以使大豆蛋白链发生一定程度的缠结,为制备力学性能良好的大豆蛋白膜材料打下良好且坚实的基础。我们首先采用Atherton-Todd反应这样一个只针对伯氨基具有特异性的反应入手,对大豆蛋白中赖氨酸和精氨酸残基中的伯氨基进行磷酰化改性。这是因为在大豆蛋白中,氨基酸残基中的伯氨基具有最低的pKa值,因而则具有最高的反应活性,它将最先会受到磷酰化试剂的进攻。研究结果表明,我们通过Atherton-Todd反应成功地将二乙氧磷酰基修饰到了大豆蛋白多肽链上,摩尔接枝率为0.15-1.18%。改性后的大豆蛋白的等电点、表观粘度、储能和损耗模量以及二级结构的构象都发生了较为明显的变化。这种磷酰化改性方法在一定程度上减少了碱性氨基酸和酸性氨基酸残基之间的静电相互作用,增加了大豆蛋白多肽分子链间的空间位阻,从而破坏其原有的球状三级结构。在最终制备的材料方面,无论是在干态下还是湿态下,在不添加任何交联剂和增塑剂的情况下,就可以得一种力学性能良好的膜,其在干态下的力学强度可以达到35MPa左右,这一力学强度远远高于纯大豆蛋白膜的力学强度,后者甚至在室温下干燥的过程中就会破裂。这说明,该磷酰化改性方法为改善大豆蛋白膜材料的力学性能提供了一个切实可行的途径。虽然,我们通过Atherton-Todd反应成功制备得到了一种在干态下具有优良力学强度的大豆蛋白膜,基本上满足了实际应用的要求,但是,在干燥的日常环境中,它的断裂伸长率仍然较低(断裂伸长率为2.5%),尚不能满足在加工处理时对于韧性的要求,这将在一定程度上限制该大豆蛋白膜材料在实际中的广泛应用。于是,我们试图再寻找一种既可以在一定程度上改善大豆蛋白膜的力学强度,又可以使其承受较大程度机械形变的大豆蛋白改性试剂。于是,我们选择了四羟甲基氯化磷(THPC)和大豆蛋白多肽链上的精氨酸及赖氨酸残基上的伯氨基发生曼尼希反应对大豆分离蛋白进行改性。经过改性,在不加入任何其它交联剂和增塑剂的情况下,所制备出的大豆蛋白膜在干态下(相对湿度约50%,25℃)的强度和断裂伸长率分别为10±2 MPa和25±3%,尽管改性后膜的力学强度只有前一种改性大豆蛋白膜的1/3左右。但是,其断裂伸长率却要高出10倍;在湿态下(相对湿度约100%,25℃)其具有更强的韧性,断裂伸长率可以达到200±20%(n=5)。在前面的两部分中,我们都成功地对大豆蛋白多肽链中赖氨酸和精氨酸残基上的伯氨基进行了化学改性,并都得到了力学性能优良的改性大豆蛋白膜。从我们所使用的大豆蛋白的氨基酸分析数据可知,在大豆蛋白中含有羧基的谷氨酸和天冬氨酸残基的含量是28.6 wt%,这几乎是含有氨基的赖氨酸和精氨酸残基含量(14.0 wt%)的一倍还多。既然对大豆蛋白中氨基进行改性可以起到很好的效果,那么,对其中的羧基进行化学改性从理论上讲也应该可以得到具有相似甚至性能更加优良的大豆蛋白膜材料。于是,我们以EDC/HOBT为偶联剂,在氨基葡萄糖存在的条件下对大豆蛋白中的羧基进行改性。在反应过程中,既有大豆蛋白中活化后的羧基和氨基葡萄糖之间的偶联反应,也有大豆蛋白本身的氨基和羧基之间的反应。我们希望通过这样一种比较温且安全的化学改性方法来增强大豆蛋白多肽之间的相互作用,接枝上去的氨基葡萄糖也会在一定程度上破坏正负电性的氨基酸之间静电平衡,并产生一定的位阻作用,进而使大豆蛋白的三级结构改变。同时,连接到大豆蛋白多肽链上氨基葡萄糖中的羟基也可能会起到一定的增塑作用,这将直接有助于膜材料柔性的改善。最终,在不加入任何交联剂和增塑剂的情况下,我们制备出了力学性能优良的大豆蛋白膜。需要特别说明的是,在湿态下,该改性大豆蛋白膜的断裂伸长率为350±30%(n=5),这要比在前两部分中制备的改性大豆蛋白膜在同样湿态条件下的具有更好的韧性和可加工性。最后,我们还对改性的大豆蛋白进行了生物相容性实验,结果表明,改性反应并没有使大豆蛋白膜材料产生细胞毒性,改性后的大豆蛋白膜材料仍保持了很好的生物相容性。在本文中,我们采用三种不同的改性方法分别对大豆蛋白中的氨基和羧基进行了化学改性,成功地制备出了三种具有不同力学性能的大豆蛋白膜材料,其力学性能相比于未改性的大豆蛋白膜都有显著的提高。这些成功改性大豆蛋白的方法为拓展大豆蛋白材料的应用提供了坚实的基础。


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