SDS改性大豆分離蛋白凝膠溶脹規(guī)律的研究
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張學(xué)盈，崔永巖*
天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院（天津300457）
摘要通過(guò)預(yù)熱處理，制備了十二烷基磺酸鈉(SDS)改性，戊二醛交聯(lián)的大豆分離蛋白(SPI)凝膠。研究了SDS對(duì)預(yù)處理溶液性質(zhì)、凝固時(shí)間及凝膠溶脹性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)SDS含量為0.5%時(shí)，預(yù)處理溶液的黏度值最低，為14.8 m Pa .s；當(dāng)SDS含量為0.3%時(shí)，SPI預(yù)處理溶液的凝固時(shí)間達(dá)到最小值8min,凝膠平衡溶脹率可達(dá)到115.67 g/g。對(duì)凝膠的溶脹率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果顯示，未4:SDS改性和經(jīng)過(guò)改性的凝膠溶脹特征指數(shù)n均在0.5以下，屬于
Fickian擴(kuò)散。
關(guān)鍵詞 大豆分離蛋白；凝膠；十二烷基磺酸鈉：戊二醛；溶脹動(dòng)力學(xué)
大豆分離蛋白( Soy protein isolate，SPI)是從大豆中提取的一種蛋白質(zhì)含量極高的植物蛋白，具有來(lái)源廣泛、可生物降解以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，屬于環(huán)境友好型高分子材料，可部分取代不可降解的合成高分子材料。大豆分離蛋白具有乳化性、起泡性和凝膠性等特點(diǎn)，其中凝膠性十分重要。凝膠通過(guò)交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸收和保持大量水分，但天然大豆蛋白形成凝膠溶脹率較低，通過(guò)改變分子鏈上離子種類、數(shù)量或改變凝膠結(jié)構(gòu)，均可達(dá)到提高溶脹率的效果。
采用十二烷基磺酸鈉( SDS)改性SPI，以戊二醛為交聯(lián)劑，制備了改性SPI凝膠。測(cè)定了SDS對(duì)SPI預(yù)處理溶液黏度值、透光率和凝固時(shí)間的影響，討論SDS對(duì)SPI水溶液的分散狀態(tài)的改善作用；測(cè)定了各組改性凝膠的溶脹率，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性擬合分析，討論改性凝膠在水中溶脹的擴(kuò)散類型。
1材料與方法
1.1材料與試劑
大豆分離蛋白( SPI)：食品級(jí)，臨沂山松生物制品有限公司；十二烷基磺酸鈉( SDS)：分析純，天津市永大化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心；戊二醛：分析純，天津博迪化工股份有限公司；氫氧化鈉( Na OH)：分析純，天津市化學(xué)試劑一廠；蒸餾水：實(shí)驗(yàn)室自制。
1.2儀器與設(shè)備
集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S，鄭州杜甫儀器廠；pH計(jì)：PHS-3C，上海佑科儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)：NDJ-79，同濟(jì)大學(xué)機(jī)電廠；紫外一可見(jiàn)分光光度計(jì)：UV759S，上海儀電分析儀器有限公司；冷凍干燥機(jī)：FD-1，北京德天佑公司；掃描電子顯微鏡( SEM)：JSM-6380LV，日本JEOL公司。
1.3方法
1.3.1改性SPI凝膠的制備
將9 g SPI和一定量SDS分散于100 m L去離子水中，置于65 0C水浴處理30 min，水浴過(guò)程中使用2mol/L的Na OH調(diào)整pH為12。加熱結(jié)束后以3 000 r/min的離心條件脫泡5 min，待溶液冷卻至室溫后置于磁力攪拌裝置上，邊攪拌邊加入25%戊二醛500μ L。凝膠形成后于4℃條件下靜置48 h，隨后放人-18℃的冷凍室中冷凍，并利用冷凍干燥機(jī)進(jìn)行干燥，可制得改性干凝膠。
1.3.2溶液性質(zhì)的測(cè)定
將未加入交聯(lián)劑的預(yù)處理溶液于室溫下靜置2h。使用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)在550 nm波長(zhǎng)下測(cè)量溶液的透光率；使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量溶液的黏度。
1.3.3凝固時(shí)間的測(cè)定
在溶液中滴入交聯(lián)劑后充分?jǐn)嚢?0 s，待溶液充分混合均勻后停止攪拌并重新計(jì)時(shí)，每隔1 min傾斜燒杯，直至在燒杯壁上形成一層穩(wěn)定均勻的凝膠層，記該時(shí)間為凝膠的凝固時(shí)間。
1.3.4溶脹動(dòng)力學(xué)測(cè)試
1.3.5掃描電鏡觀測(cè)
分別取各組冷凍干燥后的干凝膠置于液氮中，進(jìn)行脆斷。將斷面進(jìn)行噴金處理，置于掃描電子顯微鏡內(nèi)進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)為100倍，觀察凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。
2結(jié)果與分析
2.1 SDS改性SPI溶液的性質(zhì)
如圖1所示，預(yù)處理SPI溶液的透光率和黏度值呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，即黏度值下降則透光率升高。當(dāng)SDS含量為0.5%時(shí)，溶液的黏度值為14.8 m Pa．s，此時(shí)的溶液的透光率為22.2%。溶液的黏度值反映了SPI在水中的分散情況，即在相同的加熱條件下，黏度值越低則分散程度越高。SDS的加入破壞了蛋白質(zhì)分子間的疏水結(jié)合，促進(jìn)了肽鏈的展開(kāi)，從而有利于形成穩(wěn)定、均勻的凝膠結(jié)構(gòu)。
2.2 SDS對(duì)SPI凝固時(shí)間的影響
由圖2可以看出，適量SDS的加入對(duì)降低SPI凝膠的凝固時(shí)間有較為明顯的效果。當(dāng)SDS含量為0.3%時(shí)，凝固時(shí)間可降至8 min，繼續(xù)增加SDS的含量，凝固時(shí)間則會(huì)上升。SDS是一種同時(shí)具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的表面活性劑，其長(zhǎng)烴鏈可與蛋白質(zhì)的非極性側(cè)鏈基團(tuán)產(chǎn)生疏水結(jié)合；其親水部分與蛋白質(zhì)不帶電荷的極性側(cè)鏈形成氫鍵。適量SDS的加入縮短了凝固時(shí)間，這是由于SDS的加入破壞了蛋白質(zhì)分子間的疏水結(jié)合，對(duì)肽鏈的展開(kāi)起到了促進(jìn)作用，蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)得到伸展，從而暴露出更多的疏水基團(tuán)，而疏水性的增加對(duì)二硫鍵和凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成均有一定作用。過(guò)量的SDS會(huì)使蛋白質(zhì)分子變形，導(dǎo)致分子間作用力增強(qiáng)，不利于肽鏈的展開(kāi)和凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，從而導(dǎo)致凝固時(shí)間延長(zhǎng)，這也解釋了過(guò)量的SDS會(huì)使SPI溶液的黏度值上升。
2.3 SDS對(duì)SPI溶脹動(dòng)力學(xué)的影響
如圖3所示，隨著SDS含量的增加，SPI干凝膠的溶脹率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，溶脹速率沒(méi)有明顯變化，當(dāng)SDS含量為0.3%時(shí)，凝膠的平衡溶脹率最高，為115.67 g/g。SDS的烴鏈與蛋白質(zhì)的非極性側(cè)鏈結(jié)合，固定于粒子表面，其所攜帶的磺�；鶠橛H水基團(tuán)，從而使得蛋白質(zhì)分子更容易與溶劑結(jié)合，溶脹率也有所提升。另外，凝膠結(jié)構(gòu)更加均勻、疏松也有利于溶劑進(jìn)入凝膠內(nèi)部，從而溶脹率升高。當(dāng)SDS含量繼續(xù)增加時(shí)，凝膠的溶脹率下降，這可能是由于凝膠結(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)致的。
擬合直線的斜率，是凝膠的特征指數(shù)，可描述凝膠在溶劑中的溶脹機(jī)理，進(jìn)一步確定溶劑擴(kuò)散速度和聚合物鏈段松弛速度的關(guān)系。當(dāng)，n≤0.5時(shí)，溶劑的擴(kuò)散類型為Fickian擴(kuò)散，此時(shí)小分子的擴(kuò)散對(duì)溶脹起決定作用，聚合物鏈段幾乎不松弛；當(dāng)0.5<n<1時(shí)，屬于非Fickian擴(kuò)散，此時(shí)溶劑的擴(kuò)散速度與聚合物鏈段的松弛速度相當(dāng)；當(dāng)，n≥1時(shí)，溶脹類型屬于松弛平衡擴(kuò)散，大分子鏈的松弛起決定作用。
由表1可知，未經(jīng)SDS改性和經(jīng)過(guò)改性后的SPI凝膠的，n值均在0.5以下，且相關(guān)系數(shù)R均超過(guò)0.99，說(shuō)明其擬合程度較高，凝膠溶脹過(guò)程屬于Fickian擴(kuò)散。在凝膠溶脹過(guò)程中，聚合物分子鏈幾乎不松動(dòng)，無(wú)法通過(guò)鏈段伸展來(lái)提高吸水能力，溶脹速率基本取決于水
分子進(jìn)入凝膠網(wǎng)絡(luò)的速度。
2.4 SDS對(duì)SPI凝膠結(jié)構(gòu)的影響
SDS含量對(duì)SPI凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，未添加SDS的SPI凝膠的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)不完整，且較為松散。少量添加SDS后（圖5b～5c），凝膠可形成較為完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這是由于SDS的加入促進(jìn)了SPI分子鏈的伸張，使得交聯(lián)更加均勻，有利于提高凝膠的穩(wěn)定性和溶脹率。隨著SDS含量的持續(xù)升高（圖5d～5e）．凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加致密、網(wǎng)孔尺寸減小且分布更加均勻，但這種結(jié)構(gòu)使得水分子進(jìn)入凝膠網(wǎng)絡(luò)時(shí)所受到的阻力增加，導(dǎo)致了凝膠溶脹率的下降，該結(jié)論也與圖3所示數(shù)據(jù)相吻合。
3結(jié)論
SDS可以促進(jìn)SPI分子鏈在溶液中的伸展，有利于形成質(zhì)地均勻、溶脹率高的凝膠。
1)當(dāng)SDS含量為0.5%時(shí)，預(yù)處理溶液的黏度出現(xiàn)最小值，為14.8 m Pa．s，此時(shí)溶液的透光率為22.2%．SPI在水中的分散情況最好。
2)當(dāng)SDS含量為0.3%時(shí)，在戊二醛交聯(lián)的條件下，溶液的凝固速度最快，為8 min，且溶脹率達(dá)到最大值115.67 g/g，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)則。
3)當(dāng)SDS含量超過(guò)0.5%時(shí)，凝膠的凝固時(shí)間延長(zhǎng)，凝膠結(jié)構(gòu)更為致密，不利于溶脹率的提高。
