大豆蛋白改性胶理化性质的研究*

杨波，杨光，耿玮蔚，袁超，王路清，隋宁

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海，200093)

大豆蛋白改性胶理化性质的研究*

杨波，杨光，耿玮蔚，袁超，王路清，隋宁

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海，200093)

利用DSC、紫外扫描、高效液相色谱、傅立叶变换红外光谱研究了大豆蛋白改性胶的热变性温度、相对分子质量分布等。结果表明:蛋白胶的热反应温度出现在165℃，干燥后，热反应温度上升到182℃;紫外扫描分析，蛋白改性胶吸收峰在280.2 nm，蛋白改性胶的相对分子质量主要集中在1 331～141 254 u;蛋白改性胶的傅里叶红外光吸收图谱表明，与豆粕相比，蛋白胶的O—H和N—H基团明显减少，使耐水性提高。

大豆基蛋白质，理化性质

大豆蛋白胶是以大豆榨油后的下脚料——豆粕为原料制备。蛋白胶在生产过程中无“三废”排放，对环境无污染，属于“清洁生产技术”，因蛋白胶使用豆粕作为主要原料，又可提高农产品附加值，增加农民收入，可真正达到科技与环保的完美结合。

大豆蛋白胶作为木材胶粘剂历史悠久，目前研究重点集中在提高胶的粘接性能和耐水性2个方面。本实验利用DSC热分析技术，研究大豆蛋白改性胶的化学及物理变化的热效应，得出蛋白胶的变性温度和焓值，分析大豆蛋白胶的吸热反应温度，推导出蛋白胶固化温度范围和改性程度，为使用蛋白改性胶进行压板的工艺提供理论指导。大豆蛋白胶的其他各理化指标如:蛋白含量、黏度等也是影响蛋白质粘结性质的主要因素［1－2］，因此研究蛋白胶的各理化性质，得到胶合强度较强时蛋白胶的宏观状态，为提高蛋白胶的胶粘性能提供理论依据，也为实际生产提供了理论价值。

1 材料与仪器

1.1 实验材料

大豆蛋白胶1401和豆粕，均为上海泓涵化工科技有限公司提供;大豆分离蛋白(SPI):自制;其他化学试剂:十二烷基磺酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、卡尔费修试剂、三氯甲烷、亚甲基蓝、苯胺基-8-萘磺酸(ANS)、吐温80等均为分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司，中国医药上海化学试剂公司。

1.2 主要仪器设备

KF-1B水分测定仪，上海化工研究院仪表厂;HN-01凯氏定氮仪，上海勇规分析仪器有限公司;pHS-3C数字型pH计，上海雷磁仪器有限公司;NDJ-1旋转黏度计，上海恒平科学仪器有限公司;DDS-307精密电导率仪，上海理达仪器厂;PYRIS Diamond差示量热扫描仪，美国PE公司;高效液相色谱系统，美国Waters公司;UV-1700型紫外线可见光分光光度计，日本岛津;FTLA2000-104红外光谱仪，加拿大ABB公司;7200分光光度计，尤尼柯(上海)仪器有限公司;Cary Eclipse荧光分光光度计，上海市防伪技术产品测评中心;冷冻离心机，美国Beckman公司。Wizard2.0冷冻干燥机，德国VirTis公司。

1.3 试验方法

1.3.1 蛋白胶固含量、蛋白含量测定

采用卡尔费休法测定大豆分离蛋白的水分含量;根据GB2905－1982测定大豆分离蛋白中的蛋白含量。

1.3.2 黏度的测定

采用NDJ-1型旋转式黏度计测定黏度。估计样品的黏度范围，选用合适的转子(使读数在刻度盘的20%～80%)。将待测样品倒入高型烧杯，容器中的试样和转子用水浴恒温至25℃，最终的黏度=刻度盘上的读数×转子系数。蛋白胶常温下为固态，需液化后再测其黏度。

1.3.3 蛋白改性胶的DSC热分析

样品装皿密封后称重，4℃冰箱内平衡24 h后进行DSC扫描

1.3.4 蛋白改性胶高效液相色谱分析

1.3.4.1 配制流动相

配制0.05mol/L的甘氨酸-氢氧化钠溶液缓冲液作为流动相，pH值9.62。

1.3.4.2 样品预处理

调节样品pH值至7.0左右，冷冻干燥后研磨成粉，过100目筛。

准确秤取4种标准蛋白及蛋白改性胶制品，甘氨酸-氢氧化钠缓冲液充分溶解混匀，作为标准品溶液及待分析样液备用。

1.3.4.3 蛋白分子量测定条件

泵:Waters 1525;色谱柱:Waters Ultrahydrogel凝胶渗透色谱柱，7.8 mm×300 mm;柱温:25℃;检测器:Waters 2487，检测波长 280 nm;进样量:20μL;流速:0.2mL/min。

1.3.4.4 蛋白胶紫外光谱分析

用pH值7.0、0.01mol/L的磷酸缓冲液溶解蛋白胶和豆粕，最终浓度分别为2、1和0.5mg/mL，静置30 min，过滤待用。扫描范围200～400 nm，扫描速率10 nm/min。

1.3.5 蛋白胶红外光谱分析

蛋白胶冷冻干燥后研磨成粉，过100目筛;取适量蛋白胶与培养皿中，涂布均匀，150℃固化15 min后备用。将各蛋白制品压制成片，扫描波数500cm～4 000cm－1。

2 结果与讨论

2.1 蛋白改性胶的理化性质

表1 大豆蛋白胶的指标

当大豆分离蛋白含量为10%时，蛋白改性胶可以取得较好的黏接性能［3－4］。化学改性可以打开大豆蛋白质的三级结构，使分子内部的疏水基团暴露出来，与木材纤维素的结合力增强，从而提高了胶合强度。蛋白胶为茶褐色，正常状态下为凝固态，黏度很大，使用前通过搅拌或加热可以将其液化成黏稠状液体，黏度降至74 000(Pa·s)左右，具有比较好的流动性，在适合施胶的黏度范围内［5］。

2.2 蛋白改性胶的DSC热分析［6］

采用高压皿对蛋白胶进行DSC热分析，温度范围50～200℃，升温速率10℃/min，其热反应曲线如图1所示。蛋白胶的峰温出现在165.65℃，表明蛋白胶的固化温度在165℃附近。特征峰对应△H达到了960.225J/g，说明蛋白质分子固化时需要的热量较多。

图1 蛋白改性胶的热反应曲线

对蛋白改性胶进行冷冻干燥，然后进行DSC扫描，温度50℃恒速升温至200℃(图2)。蛋白胶的热反应曲线在约180.51℃时开始出现吸热反应，对应峰温182.35℃，焓值230.844J/g，说明干燥态的蛋白胶较稳定。但是其热吸收峰较窄，热反应完成时间短，也就是说施胶后延长陈化时间，降低板坯含水率，有利于缩短热压时间。但胶粘剂的含水率不宜过低，会对施胶及胶粘剂在单板之间的传递和渗透过程造成影响。

图2 冷冻干燥后的蛋白改性胶的热反应曲线

图3为真空干燥后蛋白胶的热反应曲线，干燥条件45℃，0.09 MPa。与图3相比，峰温有所升高，但是△H降低了88 J/g。这说明真空干燥得到的蛋白胶的热稳定性略高于冷冻干燥制得的蛋白胶，但是蛋白分子聚集程度要低于冻干的蛋白胶。Onset温度与热反应结束温度仅相差6℃左右，再次证明含水率的降低能缩短热压时间。

2.3 HPLC测定蛋白胶分子质量分布范围

2.3.1 紫外光谱分析

豆粕和蛋白胶的紫外吸收光谱分析。蛋白改性胶和豆粕分别在280.2 nm和278.6 nm处有吸收峰，符合蛋白质特性。

2.3.2 绘制蛋白分子量标准曲线

本实验所用标准蛋白分别为标准鸡蛋白，分子RFM 量(Mr)42 000，标准牛血清蛋白，Mr 66 200，标准蛋白，Mr 97 000，标准肌球蛋白，Mr 200 000。

图3 真空干燥后的蛋白改性胶的热反应曲线

各标准蛋白样品的保留时间分别为:

表2 标准蛋白样品保留时间

以lg Mr为横坐标，样品保留时间Tr为纵坐标，绘制蛋白分子量的标准曲线(图4)［7］。其中回归方程为Y=－4.116X+55.702，R2=0.990 3，各数据点具有较为良好的线性关系。

图4 蛋白分子质量的标准曲线

2.3.3 蛋白胶及大豆分离蛋白分子质量的确定

用流动相溶解蛋白胶及大豆分离蛋白，过滤进样，分析HPLC图谱，根据保留时间计算分子质量。

从图5可以看出，大豆分离蛋白在35.302 min时出现一个峰值。其相对分子质量在90 420.8左右(表3)。

表3 大豆分离蛋白的相对分子质量

图5 大豆分离蛋白图谱

图6 蛋白胶图谱

图6中，蛋白改性胶出现了2个峰值，保留时间分别为33.876、42.213 min，对应的相对分子质量分别为141 254和1 331(表4)。相对分子质量在3 564.5左右的组分含量约为43%，相对分子质量在150 101.4左右的组分含量约为57%［8］。

对大豆分离蛋白和蛋白改性胶分析发现蛋白胶较晚被分离出来，保留时间相对较长。这可能是因为改性使得蛋白质的结构被打开，内部活性基团被暴露出来，在色谱柱内进行分离时空间位阻增大，造成样品在柱内停留时间较长;第二方面被暴露出来的活性基团不稳定，它们在熵变的驱动下可能会自发聚集形成大分子的聚合物［9］，说明改性后的蛋白质体系既有水解后的小分子集团存在，也有相对分子质量很大聚合体存在，因此相对分子量分布较广。

2.4 傅里叶红外光谱分析

图7的曲线4为豆粕的红外吸收图谱，可以看出不同波段的活性基团分别为:在波数3 378.05cm－1主要是 O—H和 N—H在伸缩振动，1 648.92cm－1处是 C=O 的伸缩振动峰，1 538.99cm－1是N—H弯曲振动和C—N伸缩振动形成的偶合峰，1 405.92cm－1是 COO—的特征峰，1 081.92cm－1是伯醇吸收峰。

图7 不同蛋白制品的红外光谱图

大豆分离蛋白与豆粕相比，O—H和N—H含量仍比较大，1 460～1 410cm－1波段内羧基的双吸收峰为较明显的双峰，有别于豆粕非常靠近的双尖峰，此外1 080cm－1附近伯醇的吸收强度明显降低，由于对豆粕进行碱溶酸沉提取大豆分离蛋白时，碱液会与羧基反应生成盐。提纯对O—H和N—H影响不大，所以大豆分离蛋白做胶粘剂其耐水性不高，仍需进行改性。

曲线1为蛋白改性胶的红外光谱图。与豆粕相比，O—H和N—H的特征吸收峰形变尖，吸收强度变弱，说明 O—H和 N—H明显减少，此外1 650cm－1处的峰形略变宽，说明改性可以打开蛋白质的三级结构，暴露出内部基团，使得体系内非极性基团增多，提高了耐水性［10－11］;曲线 3 与 1 相比，C=O基团特征吸收峰变尖，说明C=O减少，与此同时固化后的蛋白胶伯醇的特征峰比未固化的峰形要宽，也说明伯醇的含量有所增加，可能是高温固化使得部分C=O与水分子结合生成醇类。

3 结论

(1)蛋白改性胶的理化指标分别为:蛋白含量11.66%，固含量 30.79%，pH值 3.0，黏度 74 000(mPa·s)。

(2)对蛋白改性胶在50～200℃内进行DSC热分析，结果表明130℃以下蛋白胶特征曲线较平缓，无剧烈热反应出现。湿态蛋白胶的热反应温度出现在165℃，对应焓值较大，分子聚集程度较高。对其进行干燥后，热反应温度上升到182℃以上，峰形明显变窄，说明干燥有利于缩短蛋白改性胶热压固化时间。

(3)蛋白改性胶和豆粕分别在280.2 nm和278.6 nm处有吸收峰，蛋白胶的OD280略高于豆粕。

(4)用高效液相色谱法对蛋白改性胶的分子量分布进行分析，测得大豆分离蛋白的相对分子质量约为90 421，蛋白改性胶的相对分子质量主要集中在1 331～141 254 u内。化学改性破坏了蛋白胶的空间结构，释放疏水基团，使得内部活性基团得以重组。

(5)蛋白改性胶的傅里叶红外光吸收图谱表明，与豆粕相比，蛋白胶的O—H和N—H基团明显减少，说明化学改性提高了蛋白质的疏水性能。

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Studies on the Physico chemical Properties of Modified Soy Protein-based Resin

Yang Bo，Yang Guang，Geng Wei-wei，Yuan Chao，Wang Lu-qing，Sui Ning
(School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science. ＆ Technology，Shanghai，200093，China)

The modification of soy protein glue thermal reaction temperature，relative molecular weight distribution were studied through the DSC，ultraviolet scan，high－performance liquid chromatography and Fourier transform infrared spectroscopy.Results indicate that the wet protein adhesive thermal reaction temperature appears in 165℃，heat reaction temperature rose to 182℃ after drying;ultraviolet scan analysis，soy protein glue absorption peak is in 280.2nm，protein modification relative molecular mass is concentrated mainly in 1 331～141 254;infrared absorption spectrum shows that the O—H and N—H group of soy protein glue was decreased compared with the soy meal，the water resistance was significantly improved.

soy protein-based resin，characteristics

硕士，副教授。

*2008年上海市科委科技攻关重点项目(08ZR1415200);上海市自然科学基金资助项目(08521102004)。

2010－07－27，改回日期:2010－10－25