乙酰化麦醇溶蛋白溶液及与麦谷蛋白共混液流变性能的研究

李玉莹，马晓军

（江南大学 食品学院，江苏 无锡214122）

小麦深加工过程中的副产物谷朊粉产量巨大，但因利用不充分、不合理而价格低迷，因此谷朊粉的加工利用正逐渐成为研究的热点。

谷朊粉的主要成分为麦谷蛋白和麦醇溶蛋白，其中具有较高相对分子质量较强弹性的麦谷蛋白约占质量分数30%～40%，具有较低相对分子质量较好延伸性的麦醇溶蛋白约占40%～50%[1]，麦醇溶蛋白的相对分子质量在 30×103～80×103之间[2-3]，因此谷朊粉在医疗、纺织等领域的应用具有广阔的开发前景。常见的麦醇溶蛋白化学改性方法包括磷酸化、酰化和糖基化等，乙酰化可以提高蛋白材料的疏水性和机械性能[4]，研究相对较少，乙酰化改性是利用乙酰基将小麦蛋白质分子链上具有较高反应活性的赖氨酸ε-氨基进行替换[5]，较高相对分子质量的麦谷蛋白不适宜进行乙酰化改性处理。因此作者首先选择利用乙酰化对麦醇溶蛋白进行化学改性。

小麦蛋白溶液的流变学性能对其应用具有重要影响，但研究较少。宋义虎[6]对小麦蛋白溶液的流变性能的研究结果表明：麦醇溶蛋白溶液在偏离等电点（pH 7.5）的条件下黏度增大。柳翠青[7]对小麦蛋白—聚乙烯醇共混液的流变性能的研究结果表明：小麦蛋白—聚乙烯醇共混液属剪切变稀型流体，增大小麦蛋白的添加量、提高共混液的浓度均会降低其非牛顿指数，而适当升高温度可提高其非牛顿指数。但乙酰化对麦醇溶蛋白溶液流变性能影响的研究更是鲜有报道，作者选择研究乙酰化麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液的流变性能，对指导对谷朊粉的应用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

谷朊粉：食品级，中纺汇泽生物科技有限公司；乙酸酐、乙醇、氢氧化钠、尿素、亚硫酸钠：均为分析级，国药集团化学试剂有限公司。

AR旋转流变仪：美国TA公司产品；RH Basic 1磁力搅拌器：德国IKA公司产品；FE20 pH计：德国IKA公司产品；RJ-LDL-50G型低速离心机：瑞江分析仪器有限公司产品；RV 10 digital型旋转蒸发仪：德国IKA公司产品；海尔BCD-539WT型冰箱；ACPHA1-4型冷冻干燥机：CHRIST公司产品；DKZ-450B型电热恒温振荡水槽：上海森信实验仪器有限公司产品。

1.2 实验方法

1.2.1 麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的提取 麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的提取参考文献[8]的方法上略作改动。麦醇溶蛋白的提取：将谷朊粉和体积分数65%乙醇溶液以1 g∶30 mL的料液质量体积比混合，50℃下振荡提取3 h，离心分离，取上清液进行旋转蒸发，冷冻干燥后得到麦醇溶蛋白。麦谷蛋白的提取：将提取麦醇溶蛋白后的沉淀和水以1 g∶15 mL的料液质量体积比混合，调节pH为11.5，60℃下振荡提取3 h，离心分离，向上清液中添加无水乙醇，配制成体积分数65%乙醇溶液，并调节pH为7，4℃下过夜后离心，沉淀用蒸馏水洗涤3次，冷冻干燥后得到麦谷蛋白。

1.2.2 麦醇溶蛋白的乙酰化改性 乙酰化麦醇溶蛋白的制备参考文献[9]略作改动。配制质量分数5%的麦醇溶蛋白溶液，40℃下分别加入麦醇溶蛋白质量 0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%和 1.5%的乙酸酐，维持pH在8.0～8.5，不断搅拌反应0.5 h，反应结束后离心3次，冷冻干燥得到不同乙酰化程度的麦醇溶蛋白。

1.2.3 麦醇溶蛋白乙酰化程度的测定 茚三酮法[10-11]。取1 mL体积分数1%乙酰化麦醇溶蛋白溶液加入试管中，然后加入1 mL体积分数0.2%茚三酮溶液，混合均匀后沸水浴加热10 min，迅速冷却至25℃，加入3 mL体积分数65%乙醇溶液，以体积分数65%乙醇溶液/茚三酮溶液作为空白对照，测定其在580 nm处的吸光度，乙酰化程度计算公式如下：

1.2.4 乙酰化麦醇溶蛋白溶液和乙酰化麦醇溶蛋白/麦谷蛋白溶液的配制 按照参考文献[12]的方法分别配制不同乙酰化程度的麦醇溶蛋白溶液及其与麦谷蛋白共混溶液，麦谷蛋白与麦醇溶蛋白以质量比1∶1比例混合，并将蛋白质质量分数调至15%，静置待用。

1.2.5 乙酰化麦醇溶蛋白/麦谷蛋白溶液流变性能的测定 采用旋转流变仪测定不同乙酰化程度的麦醇溶蛋白溶液及其与麦谷蛋白共混溶液的剪切应力和表观黏度随剪切速率的变化。

2 结果与讨论

2.1 乙酸酐用量对麦醇溶蛋白乙酰化程度的影响

麦醇溶蛋白的乙酰化程度随着乙酸酐用量的增加而增大，但增幅在不断地减小。这可能是因为在反应初始阶段，随着乙酸酐用量的增大，分子间碰撞几率增增大，反应速率增大；但随着乙酸酐用量继续增大，麦醇溶蛋白上的反应位点逐渐趋于饱和[13]，影响反应效率的继续提高，从而使得麦醇溶蛋白乙酰化程度与乙酸酐用量不成正比。

2.2 乙酰化麦醇溶蛋白溶液流变性能的研究

由图1可知，麦醇溶蛋白溶液具有较小的结构黏度指数，乙酰化麦醇溶蛋白溶液无结构黏度指数。乙酰化改性前的麦醇溶蛋白溶液是剪切变稀型流体，结构黏度指数较小，而乙酰化麦醇溶蛋白引入乙酰基[5]后，蛋白溶液转变为剪切增稠型流体。

图1 乙酰化对麦醇溶蛋白溶液结构黏度指数的影响Fig.1 Effect of acetylation on structural viscosity index of gliadin solution

由图2可知，作用于乙酰化麦醇溶蛋白溶液的剪切应力随着剪切速率的增大而增大，随着乙酰化程度的增大而增大。表1为不同乙酰化程度的麦醇溶蛋白溶液的非牛顿指数。麦醇溶蛋白溶液的的非牛顿指数为0.976 2，是假塑性流体；乙酰化麦醇溶蛋白溶液的非牛顿指数均大于1，且随着乙酰化程度的增大而增大，是胀塑性流体。麦醇溶蛋白的乙酰化改性在蛋白分子链上引入了乙酰基[5]，链长增加，单位体积内分子数目增多，蛋白分子链间缠结几率增大，形成聚合线团能力增强，所需的剪切应力增大，从而使乙酰化麦醇溶蛋白溶液剪切增稠，非牛顿指数增大；随着剪切速率的增大，乙酰化麦醇溶蛋白形成的聚合线团数量增大，分子间距减小，分子间相互作用力增大[14]，也会使乙酰化麦醇溶蛋白溶液剪切增稠，非牛顿指数增大[15]。引入了乙酰基[5]的麦醇溶蛋白相对分子质量增大，分子链柔顺性减小，分子间作用力增大[16]，分子链相互缠结几率增大，因此麦醇溶蛋白溶液的黏度随着乙酰化程度的增大而增大。

图2 乙酰化对麦醇溶蛋白溶液非牛顿指数的影响Fig.2 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin solution

表1 乙酰化对麦醇溶蛋白溶液非牛顿指数的影响Table 1 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin solution

2.3 乙酰化麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液流变性能的研究

由图3可知，乙酰化麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液的黏度比同浓度的乙酰化麦醇溶蛋白溶液的大；共混液的结构黏度指数随着麦醇溶蛋白乙酰化程度的增大而减小。共混液中的麦谷蛋白与乙酰化麦醇溶蛋白相互缠结，此外，含有高分子量亚基的麦谷蛋白的加入使得溶液中蛋白的相对分子质量分布变宽[17]，所以共混液的黏度高于同浓度的乙酰化麦醇溶蛋白溶液。在达到一定剪切速率后，随着麦醇溶蛋白乙酰化程度的增大，麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的缠结几率减小[18]，从而使其结构黏度指数减小。

图4为乙酰化对麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液非牛顿指数的影响。由图4可知，乙酰化麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液的剪切应力随着剪切速率的增大而增大，随着麦醇溶蛋白乙酰化程度的增大而减小。表2为不同乙酰化程度的麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液的非牛顿指数。由表2可以看出，麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液的非牛顿指数随着乙酰化程度的增大而增大，但均小于1，共混液是典型的剪切变稀型流体。麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液中两种蛋白链混合后，形成较多柔性链，而在剪切过程中，柔性链主要通过链段运动进行取向，随着剪切速率的提高，链段中的应力来不及弛豫及发生取向，导致各流层间传递动能的能力减小，牵拽力减小，流动阻力减小，因而共混液的黏度随着剪切速率的增大而减小[19-22]。也可能是因为随着剪切速率的增加，蛋白分子链沿着剪切方向排列更整齐，也可使共混液黏度减小[23]。共混液中乙酰化麦醇溶蛋白分子链与麦谷蛋白分子链相互缠结，随着乙酰化程度的增大，麦醇溶蛋白分子伸展，溶解度增大[24]，两种蛋白缠结几率减小，因此乙酰化麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液的黏度随着乙酰化程度的增大而减小[18]。

图3 乙酰化对麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混液结构黏度指数的影响Fig.3 Effect of acetylation on structural viscosity index of gliadin/glutenin blend solution

图4 乙酰化对麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混溶液非牛顿指数的影响Fig.4 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin/glutenin blend solution

表2 乙酰化对麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混溶液非牛顿指数的影响Table 2 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin/glutenin blend solution

3 结 语

通过对麦醇溶蛋白进行乙酰化处理，并研究其流变学特性，结果表明：虽然乙酰化显著改变了麦醇溶蛋白的流变学特性，使其由剪切变稀型变为剪切增稠型流体，且麦醇溶蛋白溶液的黏度随着乙酰化程度的增大而增大；但乙酰化麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混溶液的黏度随着乙酰化程度的增大而减小，且呈现典型的剪切变稀型流体性质。乙酰化降低了麦醇溶蛋白—麦谷蛋白共混溶液的结构黏度指数，改善了成膜、纤维化等性质，进而改善了其应用效果。