豆什么结构

收稿:2007年4月,收修改稿:2007年8月

*国家自然科学基金项目(No.20674011)、教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0354)和教育部长江学者和创新

团队发展计划项目资助

**通讯联系人e-mail:chenx@

大豆分离蛋白结构与性能*

田琨管娟邵正中陈新**

(复旦大学高分子科学系聚合物分子工程教育部重点实验室上海200433)

摘要大豆分离蛋白是大豆的重要组成部分,含有大量活性基团,具有可再生、可生物降解性等优

点,可以成为制备环境友好材料的主要原料。由于大豆分离蛋白的组成和构象会对其功能特性产生明显的

影响,因此对其结构和性能之间的关系进行系统的研究无疑会对材料学家在今后开发出新型的具有优异性

能的大豆蛋白材料具有相当的帮助。本文首先介绍了大豆分离蛋白的组成、亚基的结构以及对其两种主要

成分)))B-大豆伴球蛋白(7S球蛋白)和大豆球蛋白(11S球蛋白)的分离方法;然后对大豆分离蛋白在不同

条件下的构象研究和其主要物理化学性质,如溶解性和凝胶性的研究进展作了介绍;最后对大豆分离蛋白在

薄膜、纤维和塑料等材料领域的应用进行了简要的综述。

关键词大豆球蛋白B-大豆伴球蛋白植物蛋白质纤维薄膜

中图分类号:O636,O629.73,O631.1文献标识码:A文章编号:1005-281X(2008)04-0565-09

StructuralandFunctionalStudyofSoybeanProteinIsolation

TianKunGuanJuanShaoZhengzhongChenXin**

(KeyLaboratoryofMolecularEngineeringofPolymersofMinistryofEducation,Departmentof

MacromolecularScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

AbstractSoybeanproteinisolation(SPI),themaincomponentinsoybean,maybecomeanimportantchemical

resourceforthepreparationofenvironmentallyfriendlymaterialsbecauitcontainsmanyreactivegroupsandhasthe

ompositionandconformationofSPImaysignificantlyinfluenceits

appropriatefunctionalproperties,thesystematicelucidationoftherelationshipbetweenthestructuresandpropertiesof

SPIcouldhelpscientiststodevelopth

thebeginningofthisarticle,thecomposition,thesubunitstructuresofSPIandtheparationofitsmajorcomponents,

B-conglycinin(7Sprotein)andglycinin(11Sprotein),theconformationstudiesunderdifferent

conditionsandthemainphysico-chemicalpropertiesofSPI,

last,theapplicationsofSPIasfilms,fibersandplasticsinthematerialfieldarebrieflyreviewed.

Keywordsglycinin;B-conglycinin;botanicprotein;fibers;films

1引言

蛋白质(包括植物蛋白和动物蛋白)是生命体中

不可缺少的基本成分。包括人类在内的各种陆上动

物,均直接或间接地消耗着大量的植物蛋白,这些植

物蛋白为合成各类动物蛋白提供了丰富的氨基酸来

源。多年来,由于在营养上的重要性,植物蛋白已成

为各国专家广泛研究的课题。在各种植物蛋白中,

分布最为广泛的是豆球蛋白(legumin)和豌豆球蛋白

(vicilin),它们不仅存在于单子叶植物(包括棕榈和

第20卷第4期

2008年4月

化学进展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.20No.4

Apr.,2008

谷类)和双子叶植物中,而且也存在于蕨类植物的孢

子中[1,2]。

众所周知,大豆(黄豆、黑豆)因具有极高的营

养价值和优良的保健功能,近年来备受关注,在食品

工业中大放异彩。另一方面,大豆中含有大量的储

存蛋白质,其含量可高达40%。因此如何能利用如

此丰富的蛋白质,促使科学家们不断探索,期望从了

解天然蛋白质材料的结构与性能之间的关系入手,

借鉴自然界的力量开发出具有优异性能的蛋白质材

料。虽然几年前我国拥有自主知识产权的大豆蛋白

纤维的研制成功使大豆蛋白吸引了众多的目光,但

是这种纤维仍属于合成纤维,大豆蛋白只是作为分

散相存在于合成高分子(PVA)组成的连续相中,离

真正意义上的全天然大豆蛋白纤维仍有相当大的差

距。因此对大豆蛋白结构与性能之间的关系进行全

面的基础研究仍显得十分重要和必要。

大豆分离蛋白(soybeanproteinisolation,SPI)是

大豆的重要组分。它是在低温下将豆粕除去大豆油

和水溶性非蛋白成分后,得到的一种蛋白质含量不

少于90%的混合物[3],其组成、结构和性质基本代

表纯的大豆蛋白。本文主要对近年来人们对大豆分

离蛋白的亚基结构、分离方法、构象研究和物化性质

等方面的研究以及它在材料领域的应用作一比较详

细的介绍,以期对今后有关大豆蛋白的研究和应用

有所帮助。

2大豆分离蛋白的组成与结构

大豆分离蛋白的主要组成元素为C、H、O、N、S

和P,还含有少量的Zn、Mg、Fe和Cu,其氨基酸组成

主要有甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和色氨

酸等。

2.1大豆分离蛋白的分类

根据离心分离系数(即沉降系数)不同,大豆分

离蛋白可分为2S、7S、11S和15S4种组分(S是蛋白

质超速离心机组分分离时的单位,1S=1P1013s)[4]。

大豆分离蛋白各组分的组成和含量如表1所示,其

中7S组分占35%,11S组分占52%,7S组分中的B-

大豆伴球蛋白(B-conglycinin)和11S组分中的大豆

球蛋白(glycinin)是大豆分离蛋白的主要成分。

我们知道蛋白质中氨基酸的序列和含量会对蛋

白质结构和性质产生很大影响,但是各种文献报道

略有差异[6,7]。从Tilley[7]报道的B-大豆伴球蛋白

和大豆球蛋白中氨基酸含量(表2)来看,大豆分离

蛋白中这两种主要成分的氨基酸含量有较大的差

别:B-大豆伴球蛋白中极性氨基酸Asp(Asn)、Glu

(Gln)、Arg、Lys和His的总含量(5310%)远远高于大

豆球蛋白(2818%);弱极性氨基酸Cys、Tyr和Ser的

总含量两者相当(B-大豆伴球蛋白为1212%,大豆球

蛋白为817%),而非极性氨基酸Ala、Gly、Ile、Leu、

Met、Phe、Pro和Val的总含量则是大豆球蛋白

(6215%)远远高于B-大豆伴球蛋白(3418%)。

表1大豆分离蛋白的组成[3,5]

Table1ThecompositionofSPI[3,5]

fractionchemicalcomponentrangeofM

w

wt%

2Strypsininhibitors

8.0@103)2.15@1048

cytochromec

1.2@104

7Sbloodcellagglutinin

1.1@10535

lipoxygena

1.02@105

B-amyla6.17@104

B-conglycinin1.8@105)2.1@105

11Sglycinin3.5@10552

15Sdimerofglycinin6.0@1055

表2B-大豆伴球蛋白和大豆球蛋白中的氨基酸含量[7]

Table2TheaminoacidcompositionsinB-conglycininand

glycinin[7]

aminoacidB-conglycinin(mol%)glycinin(mol%)

strongpolarasparagine+

asparticacid

91872174

glutamine+

glutamicacid

231758195

arginine81764199

lysine910210175

histidine11601134

weakpolarcysteine01941130

tyrosine31333147

rine71943191

non-polaralanine51565140

glycine61045132

isoleucine31886168

leucine019818159

methionine11061110

phenylalanine616811125

proline71119105

valine31485114

2.2大豆球蛋白(11S球蛋白)

在大豆中,大豆球蛋白是11S球蛋白的主要成

分。成熟的大豆球蛋白由非共价键连接的6个亚基

对组成,每一对由一个分子量约32kDa的酸性亚基

(一条N末端酸性A链)和一个分子量约20kDa的

碱性亚基(一条C末端碱性B链)构成[8],它们之间

通过一个二硫键相连。每个亚基对作为一个前体蛋

白质合成,待二硫键形成后前体蛋白质被水解形成

#566#化学进展第20卷

亚基对。大豆球蛋白分子的6个亚基对堆积成两个

堆叠的六元环[9];也有报道称大豆球蛋白的6个亚

基在中性疏水条件下的最佳聚集结构是三方反棱柱

密堆积结构[10,11]。

大豆球蛋白有5种亚基,根据氨基酸序列的特

点分为两组[8]:第一组包括A1aB1b、A2B1a和A1bB2

3种;第二组包括A3B4和A5A4B3两种。日本

Utsumi课题组通过基因重组的方法研究了

A1aB1b[8]和A3B4[12]两种亚基的结晶结构以及结构

与物化性能之间的相互关系。他们报道了由3个

A1aB1b亚基组成的大豆球蛋白三聚体的结晶结构:

它包含了1128个氨基酸残基和34个结晶水,其核

心结构包含了25个B-折叠和5个A-螺旋,形成类

似于两个果冻卷(jelly-roll)形状的B-圆筒和两个包

含了两个螺旋的伸展螺旋(extendedhelix)区域[8]。

他们还确定了亚基为A3B4的六聚体的结晶结构是

由面对面的两个三聚体堆积起来的32点群对称体,

其内表面包埋了高度隐藏的二硫键。他们还提出在

酸性pH下,含有大量分子间二硫键且带大量的正

电荷的亚基表面会诱导六聚体向三聚体转变[12]。

2.3B-大豆伴球蛋白(7S球蛋白)

在大豆中,B-大豆伴球蛋白是7S球蛋白的主要

成分,其分子量约为180)210kDa,由3个亚基对组

成。与大豆球蛋白相似,B-大豆伴球蛋白的每个亚

基对由一条N末端酸性的A链和一条C末端碱性

的B链组成。由于缺少半胱氨酸残基,A链和B链

之间不会生成二硫键[13]。

B-大豆伴球蛋白共有3个亚基,分别称为A亚

基(分子量约为67kDa)、Ac亚基(分子量约71kDa)

和B亚基(分子量约50kDa),并且这3个亚基均是

N-糖基化的[14]。A亚基和Ac亚基可分为外围区域

(A亚基有125个氨基酸残基,Ac亚基有141个氨基

酸残基)和核心区域(均为418个氨基酸残基)[15];

而B亚基只包含核心区域(416个氨基酸残基)。在

这些亚基的核心区域含有大量同源氨基酸残基(A

亚基与Ac亚基、A亚基与B亚基、Ac亚基与B亚基之

间不变氨基酸残基的比例分别为9014%、7612%和

7515%)。此外,A亚基与Ac亚基的外围区域含有

5713%同等序列且都含有大量的酸性氨基酸残基。

由氨基酸序列可以计算得到A亚基和Ac亚基的等

电点以及疏水性均低于B亚基[16],同时各种亚基之

间的热稳定性也有很大的差别[15],顺序为B(36318

K)>A(35517K)>Ac(35116K)。这些研究结果均

表明B-大豆伴球蛋白中各个亚基结构上的差异导

致了它们性质上的不同。例如Maruyama等[17]比较

了Ac亚基与B亚基的一级结构和三维空间结构,指

出虽然B-大豆伴球蛋白亚基的核心结构高度同源,

但是Ac亚基的热稳定性不如B亚基,其主要有5方

面的影响因素:(1)Ac亚基的总空穴体积更大;(2)

Ac亚基单体间(intermonomer)界面上的集束电荷残余

量更小,并且Ac亚基缺少B亚基单体间连接的盐

桥;(3)Ac亚基接触溶剂一侧表面更加疏水;(4)Ac

亚基中脯氨酸的含量更少;(5)由于5个额外插入

的残基使得Ac亚基中第3根螺旋和Jc股(strandJc)

所形成的环形区域结构更加灵活可变。

图1a大豆球蛋白天然结构模型[8,17];bB-大豆伴球

蛋白结构模型[18]

Fig.1aStructuremodelofglycinin[8,17];bStructuremodel

B-conglycinin[18]

Utsumi[8,17]、Maruyama[18]等利用基因重组并通

过X射线晶体衍射法推导出大豆球蛋白和B-大豆

伴球蛋白结构模型(图1)。如上文所述,大豆球蛋

白酸性亚基与碱性亚基的排布与B-大豆伴球蛋白

类似,只是前者是由6个亚基对组成,后者由3个亚

#567#第4期田琨等大豆分离蛋白结构与性能

基对组成;而Lawrence等[19]认为11S六聚体结构也

许是由两个7S三聚体背对背堆积而成的。

3大豆球蛋白和B-大豆伴球蛋白的分离纯化

生命科学家已经用cDNA的方法测出了组成大

豆球蛋白和B-大豆伴球蛋白各个亚基的氨基酸序

列[8,15]。理论上人们可以利用大肠杆菌等微生物作

为生产这两种蛋白质的工厂,但是从基因工程的角

度来获得纯净的大豆球蛋白和B-大豆伴球蛋白并

不是材料学家、食品专家以及化学家的目的,因为一

来基因工程的方法成本高,绝对产量低;二来从细胞

中提取蛋白质并不比从种子中获得来得更为容易。

因此科学家们一直在探索直接从大豆中分离和纯化

大豆球蛋白和B-大豆伴球蛋白的方法。

人们最先想到的直接方法是超速离心,根据沉

降速率不同,大豆蛋白大部分以7S和11S的形式从

溶液中分级沉淀出来,7S部分主要为B-大豆伴球蛋

白,11S部分则为大豆球蛋白。然而,超速离心分离

对于大规模分离纯化并不是经济高效的方法。其他

的分离方法主要依据两种蛋白质理化性质的差异来

进行,包括低温沉淀[20]、等电点沉淀、盐析、膜分离

和层析分离等。目前广泛采用的是等电点沉淀和层

析分离以及二者结合的方法。但总体说来,目前人

们尚未找到一种具有较高分离效率,而又经济适用,

可以大批量分离纯化的方法。

3.1等电点沉淀

Thanh和Shibasaki[21]在1976年首次报道了利用

等电点的不同来分离两种大豆球蛋白的方法。他们

通过不同的tris缓冲液来调节大豆分离蛋白水溶液

的pH值:当pH=614时,11S球蛋白(大豆球蛋白)

能够从溶液中沉淀出来;当pH=418时,7S球蛋白

(B-大豆伴球蛋白)能够从溶液中沉淀出来。作者还

分析了不同蛋白质浓度、tris缓冲溶液浓度和离子强

度对等电点分离效果的影响,结果表明蛋白质浓度

和离子强度(当[0104mol#L-1时)对分离效果几乎

没有影响;而tris缓冲液则是浓度越低分离效果越

好。等电点分离需要解决的一个问题是精确控制溶

液的pH到达蛋白质的等电点,因此Rusll等[22]在

2001年提出了用挥发性电解质溶液)))碳酸溶液

体系来替代传统的水溶液,通过控制液面上方CO

2

的压力来精确调控溶液pH的。

3.2层析法

目前层析法在生物大分子分离纯化领域应用广

泛,根据不同的层析机理可分为凝胶过滤层析、离子

交换层析、疏水作用层析和亲和层析等。对于两种

不同的蛋白质,理论上人们总可以找到一种合适的

层析介质,能够响应不同的理化性质而将两者分开。

对于大豆球蛋白)))B-大豆伴球蛋白体系,首先它

们具有不同的分子大小,大豆球蛋白是亚基的六聚

体,分子量约为350kD,而B-大豆伴球蛋白是亚基

的三聚体,分子量约为180kD,因此凝胶过滤层析应

该可以将二者分离开来,但由于它们的分子量处于

同一数量级,在实际分离仍存在分辨率的问题。其

次,氨基酸组成分析表明大豆球蛋白和B-大豆伴球

蛋白含有的非极性氨基酸的比例不同,大豆球蛋白

高于B-大豆伴球蛋白。Riblett等[7]在研究二者表面

疏水性的过程中发现B-大豆伴球蛋白在层析柱

LunaColumn的保留时间(3)10min)短于大豆球蛋

白的保留时间(22)35min),表明二者具有不同的

表面疏水性,可以疏水相互作用层析来进行分离。

3.3其它方法

蛋白质与盐离子的作用一方面可以使蛋白质在

水中的溶解度增加,另一方面也可因为屏蔽了其表

面电荷使其发生聚沉。当溶液中的盐离子浓度到达

一定数值时,后一种作用占主导,蛋白质从溶液中沉

淀出来,即发生盐析作用。研究表明,大豆球蛋白和

B-大豆伴球蛋白在同一种盐的作用下,发生盐析时

所需盐的浓度不同,这为两者之间的分离提供了条

件。Deak等[23,24]采用用CaCl

2为沉淀剂,NaHSO3为

还原剂;Wu[25]等采用NaCl作沉淀剂,均取得了一定

的分离效果。

此外,Chove等[26]采用两种不同微孔尺寸的醋

酸纤维素微滤膜来分离大豆分离蛋白中两种主要的

球蛋白,虽然得到了富含其中一种的分离产物,但通

过这两种膜的分离均不能得到相对纯净的分离

产物。

4大豆分离蛋白的构象研究

大豆分离蛋白中主要存在3种构象:A-螺旋、B-

折叠和无规线团,而这3种构象的含量随着大豆种

类和产地的不同而有所不同。大豆分离蛋白由于其

组分比较复杂,加上不同的原料来源和不同的测试

手段及实验条件均给其构象的研究带来了一定的难

度,因此得到的结论也各有不同。Ishino等[27]认为

大豆球蛋白中A-螺旋的含量大约为20%左右,B-折

叠为17%;但后来有研究者推断其应包含大约35%

的B-折叠,而A-螺旋则可以忽略[28]。此外,Marcone

等[29]运用CD测得大豆球蛋白的B-折叠含量为

#568#化学进展第20卷

56%,A-螺旋含量为16%;Dev等[30]采用FTIR测得

大豆球蛋白中A-螺旋的含量应低于10%。虽然以

上结果并不相同,但是可以认为在大豆球蛋白的构

象以B-折叠为主。

酸碱度的变化可以引起大豆分离蛋白的构象转

变:如Tsumura等[31]的研究表明,B-大豆伴球蛋白中

B

3单链在酸性的乙醇溶液中会发生由B-折叠向A-

螺旋的转变;而Ishino等[32]发现大豆分离蛋白溶液

在pH>1110的碱性条件下会发生构象转变而产生

变性。

另一个可促使大豆分离蛋白发生构象转变的因

素是热处理。Nagano等[33]运用FTIR研究了B-大豆

伴球蛋白在25)80e,pD=716的磷酸盐缓冲体系

中的热诱导构象变化过程,结果发现在65e时B-大

豆伴球蛋白开始变性,至75e变性基本结束,生成

的B-折叠结构含量不再增加。CD的结果与FTIR的

结果相吻合。Wang等[34]报道了大豆球蛋白热凝胶

的构象变化。他们认为天然状态下大豆球蛋白主要

是以B-折叠和无规结构为主;而在凝胶状态下B-折

叠含量下降,无规结构含量则会增加。Marcone[35]研

究了大豆球蛋白在20)85e时的构象变化,结果发

现当温度在20)60e时,大豆球蛋白的构象(高B-

折叠含量和低A-螺旋含量)几乎没有变化;但是当

温度超过80e时,其B-折叠含量显著下降,而无规

线团含量则相应增加。Hashizume等[36]则发现当大

豆球蛋白加热至80e(低离子强度时)或90e(高离

子强度时)时会分解成亚基;当温度继续升高时,这

些亚基的构象会发生改变。

Subirade等[37]通过FTIR研究了大豆蛋白溶液

和大豆蛋白膜的构象及其变化,他们认为大豆球蛋

白的二级结构主要是B-折叠(48%)和无规线团

(49%);大豆球蛋白溶液在碱性和增塑剂乙二醇存

在的条件下由于乙二醇的螺旋化效应使得18%的

二级结构(12%的无规线团和6%的B-折叠)转变成

A-螺旋。此外,他们还发现成膜过程中通过分子间

氢键形成的B-折叠结构是形成大豆蛋白薄膜网络

结构结合点的关键因素。Zhang等[38]采用了巯基探

测、荧光光谱、紫外、CD、DSC和电泳等测试手段研

究了在高压条件下的大豆球蛋白的构象变化。他们

发现大豆球蛋白在高压下会分解成亚基,并且这些

亚基的构象都会被改变。DSC结果表明大豆球蛋白

在400MPa的压力下经过10min已完全变性;CD结

果则表明大豆球蛋白在500MPa的压力下经过10

min,其规整的A-螺旋和B-折叠结构均遭到破坏而

变成无规线团。

我们知道,不管是蛋白质膜材料还是蛋白质纤

维材料的性能都与其二级结构有着密不可分的关

系,因此弄清蛋白质本身的构象和聚集态结构,对研

制出优异性能的蛋白质材料有着至关重要的作用。

大豆分离蛋白成分复杂,大豆球蛋白和B-大豆伴球

蛋白两种主要组分不仅各自有多种不同的聚集体存

在,而且随着外界条件的变化这些聚集体会发生着

解聚与再聚集,因此弄清大豆分离蛋白中不同亚基

在不同条件下的构象状况及变化规律是大豆蛋白构

象研究中的关键所在。

5大豆分离蛋白的主要物理化学性质

植物蛋白品质的好坏取决于它的营养特性和功

能特性,其中功能特性主要包括其溶解性、水合性、

乳化性、起泡性、凝胶性和聚集性等[39]。蛋白质的

组分[40]和构象[41]会影响其功能特性。组分的差异

包括蛋白质组分含量比率的变化[42]、亚基浓度的改

变[43]和氨基酸的差异[44]等。Tanteeratarm等[45]的研

究表明:大豆中B-大豆伴球蛋白与大豆球蛋白的比

率取决于大豆的成熟度;随着大豆的成熟,大豆球蛋

白含量的增长速率远高于B-大豆伴球蛋白。由于

大豆球蛋白每个单元包含的蛋氨酸和半胱氨酸含量

高于B-大豆伴球蛋白[46],因此尽管B-大豆伴球蛋白

的乳化性能优于球蛋白,但球蛋白更易于形成凝

胶[47]。如果把大豆分离蛋白作为一种制备生物材

料的原料,那么它的溶解性和凝胶性在其所有功能

特性中显得更为重要。下面主要对这两个特性作一

介绍。

5.1大豆分离蛋白的溶解性

溶解性是食物蛋白质的一个非常重要的物理性

质,因为它限制了其他的功能特性。Damodaran[48]认

为在特定条件下其溶解性的制约因素是蛋白质与蛋

白质以及蛋白质与水之间相互作用的平衡。影响大

豆蛋白(像其它食物蛋白一样)溶解性主要包括内在

因素和外在因素两方面:内在因素包括疏水作用、氢

键作用等;外在因素则包括pH、盐的种类和离子强

度等[49]。例如,随着离子强度从0增加到011mol

#L-1,大豆分离蛋白的溶解性不断下降;但是当离子

强度高于011mol#L-1时溶解性又会有所上升。pH

值会影响大豆分离蛋白中的各组分溶解度,如果缓

冲体系中离子强度低于0103mol#L-1,当pH值大约

在610左右时,大豆球蛋白溶解性很差而B-大豆伴

球蛋白却很好;然而pH值大约在418时B-大豆伴

#569#第4期田琨等大豆分离蛋白结构与性能

球蛋白却很难溶[3]。

Shewry[50]认为溶解性本质上是由氨基酸的组

成、亚基的结构及其相互作用决定的,后者包括大豆

球蛋白和B-大豆伴球蛋白的亚基如何聚集成成熟

的蛋白质,以及目前还不是很清楚的蛋白质单体、低

聚物和高聚物之间的相互作用,因为在生理条件下

球蛋白的不溶性使得储存蛋白更容易形成密堆积。

Marcone等[51]把大豆球蛋白从大豆分离蛋白中提取

出来,发现其会发生部分聚合,形成分子量更高的聚

集体,从而出现水溶液浑浊、黏度增大等现象。

蛋白质的溶解性与它的等电点有密切的关系,

但是目前对大豆分离蛋白及其组分等电点的报道因

为实验条件的不同并不能很好地统一起来。如大豆

分离蛋白的等电点有报道为pH=4164[3],但也有文

献报道为pH=412[52];B-大豆伴球蛋的等电点为pH

=418[53],大豆球蛋白等电点为pH=614[54]。很明

显,大豆分离蛋白的等电点与其两个重要组分大豆

球蛋白和B-大豆伴球蛋白的等电点并不匹配,这可

能是在这些实验中蛋白质分散体系并不相同,如采

用缓冲溶液(磷酸盐缓冲液[55]、tris-HCl缓冲液[21,54]

等)、甘油[56,57]、尿素[58]以及KCl和NaCl[51]的浓溶液

等,也有使用巯基乙醇[21,54,55]作变性剂先破坏其次

价键的例子。但是,目前这些分散体系都是悬浊液

或乳浊液,极少有得到光学澄清的大豆分离蛋白水

溶液的报道。

5.2大豆分离蛋白的凝胶性

影响大豆分离蛋白质凝胶化的因素是多方面

的,如pH值、温度和离子强度等[59)67]。有研究表

明,在中性pH值且没有加盐的条件下,B-大豆伴球

蛋白的热稳定性比大豆球蛋白差,其变性温度大约

在70e,而大豆球蛋白大约在80e[68]。也有文献报

道在中性pH值,离子强度为0125mol#L-1时,B-大

豆伴球蛋白的变性温度在74e,大豆球蛋白的变性

温度在90e[59]。由此可见,B-大豆伴球蛋白形成凝

胶的温度要低于大豆球蛋白[60]。

对于大豆分离蛋白的热致凝胶以及凝胶前后蛋

白质分子链间的相互作用还有多处报道[34,66,69)72]。

大豆分离蛋白和大豆球蛋白在凝胶化过程中二硫键

起着很重要的作用,而B-大豆伴球蛋白的凝胶过程

则没有二硫键的参与。大豆分离蛋白凝胶的机械性

能也受pH的影响。例如,由于在pH=716时大豆

球蛋白的酸性亚基和碱性亚基之间的二硫键会随温

度的升高而被打断,因此其凝胶的机械性能相对于

pH=318时会有所降低[59]。此外,盐的存在增强了

大豆分离蛋白聚集体内部的相互作用,促进凝胶化

过程并能稳定部分变性的凝胶结构[73]。

在食品工业中,对大豆蛋白相关物理化学性质

的研究已开展得较为广泛且成熟,但是材料学家所

考虑的大豆蛋白的物理化学性能与食品工业中所考

虑的显然不同。例如,在制备大豆分离蛋白生物材

料时需要高浓度的大豆分离蛋白水溶液(在水中溶

解度大)来缩短制样时间、提高材料强度;而当大豆

分离蛋白材料制成以后又希望它在含水的应用环境

下尽可能稳定(在水中溶解度小),对于诸如此类的

瓶颈问题需要对大豆分离蛋白的溶解性能进行更为

细致深入的研究才能有所突破;同时,不同来源的大

豆分离蛋白其蛋白质组成有可能不尽相同,从而导

致物理化学性能有较大的差异。因此,对大豆分离

蛋白的物理化学性质进行详尽的基础研究,无疑能

为大豆分离蛋白材料的开发和应用提供重要的理论

指导。

6大豆分离蛋白在材料领域的应用

大豆分离蛋白及其改性物在材料领域的应用非

常广泛,其中主要用于食用型大豆蛋白膜、大豆蛋白

纤维和大豆蛋白塑料等,以下就从这3方面做一简

单介绍。

6.1膜材料领域

目前对大豆分离蛋白膜的研究主要集中在食品

工业上。大豆分离蛋白制作的可食性薄膜能通过阻

止水气等气体以及溶质的迁移来保持食品的质量,

延长贮存期,并可降低包装成本,而且大豆蛋白能被

生物降解,不会造成环境污染。

大量研究集中于如何通过物理、化学或者酶处

理来提高大豆蛋白膜的机械性能和阻隔性能,比如

采用碱处理[74]、热处理[75,76]、藻酸钠盐或聚丙烯乙

二醇改性[77,78]、乙醇交联[79,80]、紫外照射[81,82]和酶

交联[83)85]等。

Gennadios等[86]的研究表明,大豆分离蛋白在

pH值为1)3以及6)12时可以成膜,而在pH值为

4)5不能成膜。在pH=6)11时成的膜相比于在

pH=1)3时成的膜,其拉伸强度和断裂伸长率都比

较高,并且水蒸气渗透性较低。Subirade等[37]用

FTIR研究了大豆球蛋白在溶液和膜中的构象转变,

认为大豆球蛋白在成膜过程中发生了从B-折叠和

无规线团到A-螺旋的构象转变。Soares等[87]采用

TGA和FTIR研究了基于大豆分离蛋白以及谷物淀

粉的生物可降解膜的热稳定性。研究结果表明谷物

#570#化学进展第20卷

淀粉膜热稳定性比大豆分离蛋白膜差,但两者共混

膜的热稳定性比单独的大豆分离蛋白膜或谷物淀粉

膜更差。Gennadios等[56]在浇铸大豆分离蛋白膜时

加入双醛淀粉,他们认为双醛淀粉可与大豆分离蛋

白产生交联从而有效地降低大豆分离蛋白膜在水中

的溶解度。

虽然目前关于大豆分离蛋白薄膜的报道已有不

少,但是总体水平仍处于初级阶段,包括力学性能和

阻湿、阻湿性能在内的各项性能都较差,远未达到实

际应用水平。因此,通过调控大豆分离蛋白中各个

亚基的构象进而优化其聚集态结构,完全有可能提

高大豆蛋白薄膜的力学性能以及阻气和阻湿性能,

充分利用其全天然、可再生回收和无毒无害的特点,

作为一种新型的功能性包装薄膜,向传统的聚乙烯、

聚丙烯膜等包装薄膜发起挑战。

6.2纤维领域

大豆蛋白纤维最早是在1948年由美国通用汽

车公司从豆粕中提取大豆蛋白纺制而成的,但当时

由于原料限制和成本过高等原因未能实现工业化生

产[88]。目前商品化的大豆蛋白纤维是我国科技人

员李官奇自主研发的并工业化,具有独立知识产权

的纤维材料(已于2001年获国家发明专利)。但是,

这种大豆蛋白纤维并不是真正意义上的蛋白质纤

维,而是一种聚乙烯醇和大豆分离蛋白的共混纤维

(PVA-SPF共混纤维),其中聚乙烯醇的含量高达

80%,因此大豆蛋白纤维也可以称作植物蛋白合成

丝[89,90]。由于天然状态下大豆分离蛋白以球蛋白

为主,不适合纺丝,因此在纺丝之前必须对蛋白质进

行变性处理,从而得到舒展线性的分子链[58]。目前

得到的PVA-SPF共混纤维比较脆并且在拉伸时核

心结构容易断裂。Zhang等[91]认为是大豆分离蛋白

的降解以及纺丝蛋白液中存在的微细凝胶引起的。

此外,PVA-SPF共混纤维中当聚乙烯醇含量少于

40%时,混纤是无规取向的,只有当聚乙烯醇含量高

于40%时才会存在聚乙烯醇的线性结晶结构[58]。

虽然目前大豆蛋白纤维并不是真正意义上的蛋

白质纤维,但是如果能找到合适的控制大豆蛋白构

象的方法,使大豆蛋白分子链能够沿轴向呈规则的

A-螺旋或B-折叠排列,完全有可能纺出真正的大豆

蛋白纤维。另一方面,也可将大豆分离蛋白与丝蛋

白等其它天然高分子共混纺丝,获得一种纯天然蛋

白质混合纤维。

6.3塑料领域

从可再生材料和保护环境的角度看,大豆蛋白

是很好的生物降解塑料的原料。Vaz等[92]研究了以

酪蛋白、大豆蛋白为基质的热塑性生物降解型塑料,

发现它们具有合适的生物降解性能和生物活性。研

究发现虽然大豆蛋白塑料强度较高(拉伸强度可达

到40MPa),但仍然较脆并且对水较为敏感[93]。通

常有两种方法广泛用于改善大豆蛋白塑料的韧性和

防水性:一是对大豆蛋白进行化学改性,如乙酰化作

用可以修饰大豆蛋白的侧链[94];二是在加工过程中

加入一些小分子助剂或与其他高分子材料进行共

混,如加入增塑剂可提高材料的韧性和可加工性

能[95,96],加入填料可增加防水性[97]等。武汉大学的

张俐娜课题组在大豆蛋白热塑性塑料方面开展了许

多富有成效的研究。他们通过密炼工艺将木质素与

大豆分离蛋白共混,使蛋白质分子上的活性基团暴

露出来使其易于与其它组分的活性基团发生作用,

从而提高了大豆蛋白塑料的力学强度和耐水

性[98,99]。他们还将其它材料,如纤维素须晶[100]、甲

壳素须晶[101]、水性聚亚胺酯[102]、高岭石[103]等与大

豆分离蛋白共混,通过压模亦得到力学性能较好的

大豆蛋白塑料片材。

7结束语

综上所述,大豆分离蛋白虽然来源丰富,但由于

它是由不同组分形成的混合物,因此结构比较复杂。

而且,目前对于大豆分离蛋白的研究主要集中在食

品工业,把它作为一种天然高分子材料的原料,从材

料学角度对它进行的研究(特别是基础研究)较少。

因此,对大豆分离蛋白以及其主要成分)))大豆球

蛋白和B-大豆伴球蛋白进行仔细而深入的基础研

究,有利于弄清其构象与结构和性能之间的关系,从

而能够有的放矢地设计和制备各类基于大豆分离蛋

白的天然材料,充分发挥大豆分离蛋白全天然、可再

生和可回收等绿色环保的特点。

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