尿素变性大豆蛋白的分子结构及胶粘机理研究

论文摘要

大豆蛋白胶粘剂由于具有良好的可再生性、可降解性、来源丰富等优点而受到人们的关注从而再次成为研究的热点。尿素是常用的蛋白质变性剂,在胶粘剂研究中起着重要的作用。本课题主要是通过研究尿素变性大豆蛋白的分子结构的变化来揭示其产生胶粘的机理。论文首先系统研究了大豆蛋白中的两个主要球蛋白:7S和11S分别经过尿素变性后分子结构的变化,在软、中、硬三种不同硬度的木块上的湿润能力的变化及胶粘强度的变化。特性粘度及流变实验结果表明,不同浓度尿素变性导致了7S、11S分子结构的不同变化,差示扫描量热结果证明尿素变性部分展开了7S、11S的分子结构。液滴形状分析结果表明不同的胶粘剂在不同的木块上有不同的湿润性能,7S蛋白经过尿素变性后在胡桃木和樱桃木上有较好的湿润性能,11S蛋白经过1 mol/L尿素变性后在松木上有好的湿润性能。1 mol/L尿素变性使得11S蛋白在三种木块上的胶粘强度在所有胶粘剂中为最大;3 mol/L尿素变性使得7S蛋白在胡桃木和樱桃木上的胶粘强度比11S的大,但在松木上的胶粘强度则是11S/3M高于7S/3M。结合傅立叶红外光谱分析胶粘剂的二级结构结果表明,胶粘强度与尿素变性前后蛋白质的二级结构的变化有关。通过测定不同浓度尿素变性后的大豆蛋白的内源性荧光光谱,二级结构,特性粘度,巯基含量,表面疏水性,相对分子质量分布和粒径分布等表征了尿素变性蛋白质的结构变化,并通过正交试验确定了尿素变性大豆蛋白胶粘榉木的实验条件。内源性荧光光谱实验结果表明,尿素展开了大豆蛋白分子,尿素浓度不同展开的程度不同,展开的蛋白质会进一步聚集,二级结构,特性粘度及巯基含量测定结果进一步证实了这一点。1 mol/L尿素变性后的蛋白质的表面疏水性最大,相对分子质量分布和粒径分布实验结果表明,尿素变性后蛋白质中都有聚集体出现,1 mol/L尿素变性蛋白质分子中组分分布最不均匀。流变测定结果表明,所有样品都是剪切变稀体系,当8 mol/L尿素变性蛋白质时则几乎为牛顿流体。通过正交试验表明,对于胶粘榉木而言,温度和时间是影响胶粘强度的两个主要因素,热压压强是次要因素。1 mol/L和3 mol/L尿素变性提高了大豆蛋白在榉木上的胶粘强度,其中1 mol/L尿素变性蛋白具有最大的胶粘强度,此时,当热压温度为100℃和120℃时,胶粘强度没有显著性差异。将尿素变性大豆蛋白经过100℃加热处理10 min来模拟实际热压时的反应条件,通过测定样品的分子结构的变化来研究高温加热蛋白质对其结构的进一步影响。热力学实验结果表明,尿素变性和加热处理都降低了蛋白质的变性自由能,加热减少了蛋白质分子可接触表面面积,变性展开了蛋白质分子,同时分子之间互相缠绕成了网状结构,1 mol/L和3mol/L尿素部分展开了蛋白质结构,加热后蛋白质展开的比例增加。傅立叶红外光谱分析二级结构结果表明,与加热前的样品相比较,加热进一步改变了蛋白质的二级结构。当尿素浓度达到8 mol/L时,蛋白质已经完全变性了。样品经过加热处理后,随着尿素浓度的增加,蛋白质的表面疏水性降低。在尿素变性后的样品中,1 mol/L尿素变性导致蛋白质具有最大的表面疏水性,抗水性实验证明了这一点。相对分子质量分布及粒径分布实验结果表明,尿素变性蛋白质在加热后会不同程度地形成聚集体,同时,由于尿素展开蛋白质结构的程度不同从而导致各个样品中组分的分散性不同,低浓度尿素变性蛋白加热后多分散性较高,均一的分布有利于胶粘。通过测定不同浓度尿素变性大豆蛋白加热固化以后蛋白质样品的溶出活化能,使用不同溶剂溶解及使用不同电泳方法研究了尿素变性大豆蛋白在100℃加热处理10 min固化后的分子间相互作用。活化能实验结果表明,固化后的SPI/1M/100℃的活化能最高,使用不同溶剂溶解样品后测定溶出物的相对分子质量分布,分析结果表明,尿素变性大豆蛋白经过加热固化后通过二硫键和范德华引力形成聚集体,聚集体之间通过疏水相互作用和非共价键结合会有利于胶粘强度。使用还原原态电泳、非还原SDS-PAGE电泳和SDS-PAGE电泳来进一步对蛋白质样品的分子间作用力进行研究,结果表明:尿素变性导致蛋白质分子展开,分子形状变大,蛋白质分子主要以疏水相互作用结合,亚基之间存在二硫键。使用戊二醛对1 mol/L尿素变性后的大豆蛋白进行了结构的交联与固定,通过使用差示扫描量热仪、热重分析仪、凝胶色谱、SDS-PAGE凝胶电泳测定不同浓度戊二醛交联后的样品的性质,结果表明,80 mmol/L戊二醛交联效果最好,胶粘后的榉木的干、湿胶粘强度都证实了这一结果,气相色谱分析结果表明,此时胶粘剂中残留的戊二醛浓度为0.0031%/（g胶粘剂）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略表
• 第一章 绪论
• 1.1 大豆蛋白胶粘剂概述
• 1.1.1 胶粘剂的概念及发展概述
• 1.1.2 变（改）性大豆蛋白胶粘剂的研究进展
• 1.1.3 尿素变性大豆蛋白胶粘剂
• 1.2 胶粘剂胶粘机理
• 1.2.1 胶接基本理论
• 1.2.2 大豆蛋白分子基础及胶粘原理
• 1.3 尿素变性蛋白质的理论基础
• 1.3.1 尿素变性蛋白质的理论概述
• 1.3.2 尿素变性大豆蛋白的理论概述
• 1.4 立题背景和意义
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 尿素变性7S、11S球蛋白的湿润性能、二级结构对其胶粘性质的影响
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料与设备
• 2.2.1 主要材料与试剂
• 2.2.2 主要设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 7S和11S球蛋白的制备
• 2.3.2 尿素变性7S、11S球蛋白的制备
• 2.3.3 木块样品的制备
• 2.3.4 接触角测量
• 2.3.5 胶粘强度的测量
• 2.3.6 蛋白质二级结构的测量
• 2.3.7 蛋白质的热变性质
• 2.3.8 蛋白质特性粘度的测定
• 2.3.9 蛋白质表观粘度的测定
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 不同胶粘剂在木块上的湿润能力
• 2.4.2 不同浓度尿素变性后的蛋白质胶粘剂的胶粘强度
• 2.4.3 蛋白质的二级结构与胶粘强度的关系
• 2.4.4 尿素变性7S、11S的热变性质
• 2.4.5 尿素变性前后的7S、11S的特性粘度
• 2.4.6 蛋白质的表观粘度
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 尿素变性大豆蛋白的结构及胶粘性质研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与设备
• 3.2.1 主要材料与试剂
• 3.2.2 主要设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 原料的制备
• 3.3.1.1 大豆蛋白（SPI）的提取
• 3.3.1.2 尿素变性大豆蛋白的制备
• 3.3.2 SPI中基本成分的测定
• 3.3.3 280uM激发的变性大豆蛋白的内源性荧光光谱
• 3.3.4 傅立叶红外（FTIR）光谱分析蛋白质的二级结构
• 3.3.5 蛋白质特性粘度的测定
• 3.3.6 蛋白质巯基含量的测定
• 3.3.7 蛋白质表面疏水性的测定
• 3.3.8 凝胶色谱（SEC-HPLC）测定蛋白质的相对分子质量分布
• 3.3.9 应用纳米激光分析仪分析样品的粒径分布
• 3.3.10 蛋白质表观粘度的测定
• 3.3.11 木块样品的制备
• 3.3.12 胶粘强度的测量
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 提取的大豆蛋白的主要指标
• 3.4.2 尿素变性前后大豆蛋白的内源性荧光光谱的分析比较
• 3.4.3 尿素变性大豆蛋白的二级结构
• 3.4.4 尿素变性大豆蛋白的特性粘度
• 3.4.5 尿素变性对蛋白质巯基含量的影响
• 3.4.6 尿素变性对蛋白质表面疏水性的影响
• 3.4.7 尿素变性大豆蛋白的相对分子质量分布
• 3.4.8 尿素变性大豆蛋白的粒径分布
• 3.4.9 尿素变性大豆蛋白的表观粘度
• 3.4.10 尿素变性对蛋白质胶粘强度的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 加热对尿素变性大豆蛋白结构的影响研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料与设备
• 4.2.1 主要材料与试剂
• 4.2.2 主要设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 原料的制备
• 4.3.1.1 大豆蛋白（SPI）的提取
• 4.3.1.2 尿素变性大豆蛋白加热处理的样品制备
• 4.3.2 尿素变性及加热处理对蛋白质热力学的影响
• 4.3.3 傅立叶红外光谱分析蛋白质的二级结构
• 4.3.4 差示扫描量热分析
• 4.3.5 变性蛋白质游离巯基含量的测定
• 4.3.6 变性蛋白质表面疏水性的测定
• 4.3.7 凝胶色谱测定蛋白质的相对分子质量分布
• 4.3.8 应用纳米激光分析仪分析样品的粒径分布
• 4.3.9 木块样品的制备
• 4.3.10 抗水性实验
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 尿素变性及加热处理对蛋白质热力学的影响
• 4.4.2 100℃加热对尿素变性蛋白质二级结构的影响
• 4.4.3 差示扫描量热结果
• 4.4.4 100℃加热对尿素变性蛋白质的巯基含量的影响
• 4.4.5 100℃加热对尿素变性蛋白质的表面疏水性的影响
• 4.4.6 100℃加热对尿素变性蛋白质的相对分子质量的影响
• 4.4.7 100℃加热对尿素变性蛋白质的粒径分布的影响
• 4.4.8 抗水性实验
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 加热固化对尿素变性大豆蛋白的分子间作用力的影响研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料与设备
• 5.2.1 主要材料与试剂
• 5.2.2 主要设备
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 原料的制备
• 5.3.1.1 大豆蛋白的提取
• 5.3.1.2 加热固化后的尿素变性大豆蛋白的制备
• 5.3.2 溶出活化能的测定
• 5.3.3 不同溶剂溶解蛋白质样品表征分子间作用力
• 5.3.4 还原原态电泳
• 5.3.5 非还原SDS-PAGE变性电泳
• 5.3.6 还原SDS-PAGE电泳
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 尿素变性大豆蛋白加热固化后的溶出活化能
• 5.4.2 尿素变性大豆蛋白加热固化后的分子间作用力
• 5.4.3 还原原态电泳
• 5.4.4 非还原SDS-PAGE变性电泳分析
• 5.4.5 还原 SDS-PAGE电泳分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 化学交联对尿素变性大豆蛋白的结构及胶粘性能的影响研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验材料与设备
• 6.2.1 主要材料与试剂
• 6.2.2 主要设备
• 6.3 实验方法
• 6.3.1 原料的制备
• 6.3.1.1 大豆蛋白的提取
• 6.3.1.2 戊二醛交联的尿素变性大豆蛋白的制备
• 6.3.2 差示扫描量热分析（DSC）
• 6.3.3 热重分析（TGA）
• 6.3.4 SEC-HPLC测定蛋白质的相对分子质量分布
• 6.3.5 SDS-PAGE凝胶电泳
• 6.3.6 交联后蛋白质的表观粘度的测定
• 6.3.7 木块的制备
• 6.3.8 干胶粘强度的测定
• 6.3.9 抗水性实验
• 6.3.10 浸泡后胶粘强度测定
• 6.3.11 胶粘剂中戊二醛残留量的测定
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 热变性温度DSC分析
• 6.4.2 热重分析（TGA）
• 6.4.3 交联后的蛋白质相对分子质量分布
• 6.4.4 SDS-PAGE凝胶电泳
• 6.4.5 尿素变性后戊二醛交联的蛋白质的表观粘度
• 6.4.6 戊二醛交联对尿素变性后的蛋白质胶粘强度的影响
• 6.4.7 抗水性实验
• 6.4.8 胶粘剂中戊二醛残留量的测定
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 主要结论
• 展望
• 论文创新点
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文清单
• 附录1