大豆蛋白聚集体—多糖混合体系相行为及微观结构的研究

论文摘要

蛋白质-多糖的相分离是发展新的食品加工技术和进行产品微结构设计的基本手段,大豆蛋白的开发也必然需借助于此原理来获得具有期望结构的产品。大豆制品的加工中热诱导蛋白质聚集是普遍存在的现象,因此本课题主要通过构造不同的大豆蛋白聚集体—多糖混合体系并研究其相行为及微观结构。论文首先系统研究了蛋白质浓度、离子强度和冷冻干燥对大豆蛋白热诱导聚集的影响,应用电泳、体积排阻色谱、激光光散射和zeta电位等分析方法研究了不同条件下形成的热诱导聚集体的结构。SDS-PAGE的结果表明大豆蛋白热诱导聚集体是通过非共价键和/或二硫键结合。离子强度为0时,体积排阻色谱的结果揭示出聚集后的溶液中包含了三种主要部分:聚集体部分、中间体部分和未聚集的分子,随着蛋白溶液的浓度从1%增加到5%时,聚集体部分由14.7%增加至74.7%;激光光散射的结果也证明随着浓度的增加,体系的流体动力学半径从37.02 nm增加到144.9 nm;冷冻干燥后中间体部分显著降低,聚集体部分和平均粒径增加。1%的大豆蛋白溶液在高离子强度下热处理后,中间体部分基本消失,聚集体部分显著增加,形成了平均粒径较大的聚集体;zeta电位的结果表明盐离子对蛋白质电荷屏蔽的作用促进了较大粒径聚集体的形成;高离子强度下冷冻干燥的影响减小。构造不同大小的大豆蛋白粒子（天然蛋白、1%A和5%A）-κ-卡拉胶混合体系,通过离心、化学分析和目测建立了相图;采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察了相分离体系的微观结构,并进行图像分析;流变学手段进一步研究混合体系的微观结构,以及粒径测定仪分别测定上下层相的粒径分布。相图的结果证明大豆蛋白和κ-卡拉胶发生了互斥相分离,5%A和κ-卡拉胶的混合体系具有较窄的均相区域;CLSM的观察结果表明相分离后蛋白质富集组分间存在交联,并形成了网状结构,灰度水平变化方差和灰度直方图对图像的分析证明5%A和κ-卡拉胶的相分离体系形成了较不均匀的微观结构;流变测定表明相分离体系显示出较高的粘度值,时间扫描图谱揭示出5%A与κ-卡拉胶混合体系的G’-G”交叉时间较早,较快与卡拉胶发生相分离。上述研究结果表明大豆蛋白热诱导聚集导致颗粒大小增加,促进了与卡拉胶的相分离,说明大豆蛋白和卡拉胶的相分离主要是由于排空相互作用。粒径测定仪的结果证明较大的颗粒存在于体系的下层相中,进一步证明在本实验条件下,排空相互作用导致了混合体系的相分离。通过建立相图、CLSM结合图像分析以及流变分析研究了大豆蛋白粒子大小和多糖分子量大小对大豆蛋白-葡聚糖混合体系相行为及微观结构的影响。研究结果表明两种大分子的相分离是由于葡聚糖分子链的排空作用,使得蛋白质富集部分间产生了有效而不均匀的交联,大豆蛋白粒子的尺寸增大以及葡聚糖分子量的增加会促进两者间的相分离。通过观察混合体系的微观结构发现相分离和胶凝同时存在并存在竞争,当相分离速度大于胶凝速度时,形成宏观相分离;当胶凝速度大于相分离速度时,形成了宏观上均匀,而微观上不均匀的微相分离结构,流变分析结果证明了这种体系凝胶的形成。采用CLSM观察5%A-葡聚糖相分离体系不同阶段的微观结构,结果表明随着时间的变化,混合体系的微观结构不断演变,和流变分析中时间扫描的结果一致。通过相图、CLSM观察以及流变分析研究了离子强度对大豆蛋白聚集体与葡聚糖混合体系相分离的影响。把NaCl并入大豆蛋白聚集体—葡聚糖混合体系后,盐会屏蔽蛋白质分子上的电荷而减少分子间的排斥力,促进蛋白质间的交联。盐一方面影响着蛋白质分子的聚集,另一方面也促进了蛋白质与葡聚糖间的相分离。从相图看来,在一定离子强度下加热形成较大的聚集体颗粒对相分离的影响意义更大,较大的胶体粒子更容易与多糖发生相分离,进一步验证了排空相互作用在一定离子强度下的大豆蛋白聚集体和葡聚糖的相分离中发挥了重要作用。CLSM的观察结果表明,相分离混合物的微观结构与聚合物/胶体粒子的粒径比（ξ）相关,当ξ较小时,形成了聚集网状结构,而此值较大时则形成了球状微观结构。流变测定结果也证实了盐对聚集和相分离的双重影响。采用Vrij建立的排空相互作用理论模型预测了大豆蛋白及其热诱导聚集体与多糖混合体系的相边界,预测中所用到的参数采用静态光散射测定,预测结果中蛋白质的体积分数和浓度的转变通过测定极稀浓度下蛋白质溶液的相对粘度获得。天然蛋白、1%A和5%A与葡聚糖混合体系的理论相边界结果证明随着多糖分子量的增加,体系的相边界向坐标轴靠拢;胶体粒子的粒径增大时,会促进相分离,均与实验结果一致,说明在大豆蛋白胶体粒子与中性多糖的混合体系中,Vrij理论模型的适用并在一定程度上能反映二者的相分离行为。一定离子强度下的大豆蛋白聚集体与葡聚糖体系的理论计算边界高于实验所得值,因为理论计算的时候忽略了实际体系中盐离子的存在对体系熵的贡献也很大;但理论计算的结果较好的证明了在一定蛋白浓度时加盐聚集形成的较大胶体粒子促进了体系的排空相互作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 蛋白质和多糖混合体系的相分离性质及对食品微结构的影响
• 1.1.1 相分离对食品微结构的影响
• 1.1.2 蛋白质和多糖的相分离性质
• 1.1.2.1 结合相分离（Associative Phase Separation）
• 1.1.2.2 互斥相分离（Segregative Phase Separation）
• 1.2 热力学不相容导致的蛋白质和多糖的互斥相分离
• 1.3 蛋白质-多糖相分离的控制—理论预测
• 1.3.1 Flory-Huggins（FH）理论及应用现状
• 1.3.2 排空相互作用理论
• 1.3.2.1 排空相互作用理论的原理及相关的重要参数
• 1.3.2.2 排空相互作用理论的应用现状
• 1.4 立题背景及意义
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 浓度,离子强度和冷冻干燥方法对大豆蛋白热诱导聚集的影响
• 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 主要仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 样品主要成分分析
• 2.3.2 原料的制备
• 2.3.2.1 脱脂豆粕的醇洗
• 2.3.2.2 大豆蛋白的制备
• 2.3.3 大豆蛋白氮溶解指数（NSI）的测定
• 2.3.4 大豆蛋白表面疏水性测定
• 2.3.5 热诱导大豆蛋白聚集体的制备
• 2.3.6 SDS-PAGE
• 2.3.7 SEC-HPLC研究天然大豆蛋白及其聚集体的相对分子量分布
• 2.3.8 DLS研究天然大豆蛋白及其聚集体的粒径分布
• 2.3.9 大豆蛋白热聚集体的zeta电位
• 2.4 结果和讨论
• 2.4.1 大豆蛋白的表征
• 2.4.1.1 大豆蛋白的特征
• 2.4.1.2 天然大豆蛋白表面疏水性
• 2.4.2 SDS-PAGE凝胶电泳
• 2.4.3 离子强度为0时大豆蛋白的聚集
• 2.4.3.1 大豆蛋白及其聚集体的分子量分布
• 2.4.3.2 大豆蛋白及其聚集体的粒径分布
• 2.4.4 高离子强度下大豆蛋白的聚集
• 2.4.4.1 高离子强度下大豆蛋白聚集体的分子量分布及粒径分布
• 2.4.4.2 高离子强度下大豆蛋白聚集体zeta电位的测定
• 2.4.5 冷冻干燥对大豆蛋白聚集的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 大豆蛋白热聚集体和K-卡拉胶混合物的相行为及微观结构的研究
• 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 主要仪器
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 热诱导大豆蛋白聚集体的制备
• 3.3.2 K-卡拉胶溶液的制备
• 3.3.3 相图的确定
• 3.3.4 微观结构观察和图像分析
• 3.3.5 动态模量（G',G"）以及混合体系粘度的确定
• 3.3.6 相分离体系粒径的测量
• 3.4 结果和讨论
• 3.4.1 大豆蛋白/卡拉胶体系的相图
• 3.4.2 微观结构观察（CLSM）和图像分析
• 3.4.3 大豆蛋白/卡拉胶相分离混合物的流变学性质
• 3.4.3.1 剪切速率-粘度曲线
• 3.4.3.2 大豆蛋白/卡拉胶相分离混合物动态模量的变化
• 3.4.4 相分离体系的粒径分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 多糖分子量对大豆蛋白聚集体/葡聚糖混合体系相行为和微观结构的影响
• 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 主要仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 热诱导大豆蛋白聚集体的制备
• 4.3.2 葡聚糖溶液的制备
• 4.3.3 相图的确定
• 4.3.4 微观结构观察和图像分析
• 4.3.5 相分离混合物流变性质的测定
• 4.4 结果和讨论
• 4.4.1 大豆蛋白/葡聚糖体系的相图
• 4.4.1.1 大豆蛋白/DT1#混合体系的相图
• 4.4.1.2 大豆蛋白/DT2#混合体系的相图
• 4.4.2 共聚焦激光扫描显微镜观察及图像分析
• 4.4.2.1 大豆蛋白/DT1#混合体系的微观结构及图像分析
• 4.4.2.2 大豆蛋白/DT2#混合体系的微观结构及图像分析
• 4.4.2.3 大豆蛋白/葡聚糖混合体系相分离不同阶段的微观结构
• 4.4.3 大豆蛋白/葡聚糖相分离混合物的动态模量
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 离子强度对大豆蛋白聚集体/葡聚糖混合体系的相行为及微观结构的影响
• 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 主要仪器
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 不同离子强度下热诱导大豆蛋白聚集体的制备
• 5.3.2 葡聚糖溶液的制备
• 5.3.3 大豆蛋白热聚集体的zeta电位
• 5.3.4 SEC-HPLC研究non-SA的相对分子量分布
• 5.3.5 激光光散射研究non-SA的粒径分布
• 5.3.6 相图的确定
• 5.3.7 微观结构观察
• 5.3.8 相分离混合物流变性质的测定
• 5.4 结果和讨论
• 5.4.1 大豆蛋白热聚集体的zeta电位
• 5.4.2 Non-SA的分子量分布
• 5.4.3 Non-SA的粒径分布
• 5.4.4 不同离子强度下的聚集体与葡聚糖2#的相图
• 5.4.5 微观结构观察
• 5.4.6 不同离子强度下形成的大豆蛋白聚集体/葡聚糖相分离混合物的动态模量
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 大豆蛋白聚集体-多糖混合体系相边界的理论预测
• 6.1 前言
• 6.2 理论背景
• 6.2.1 静态光散射及其测定原理
• 6.2.2 排空相互作用理论-Vrij理论模型
• 6.3 实验材料与设备
• 6.3.1 主要材料与试剂
• 6.3.2 主要仪器
• 6.4 实验方法
• 6.4.1 葡聚糖溶液的制备
• 6.4.2 葡聚糖分子量分布
• 6.4.3 静态光散射的测定
• 6.4.4 大豆蛋白及其聚集体的粘度分析
• 6.5 结果与讨论
• 6.5.1 葡聚糖的分子量分布
• 6.5.2 静态光散射测定结果
• 6.5.3 大豆蛋白及其不同聚集体的相对粘度
• 6.5.4 不同分子量的葡聚糖与大豆蛋白及其聚集体的混合体系的相边界计算
• 6.5.5 不同离子强度下的大豆蛋白聚集体与葡聚糖混合体系的相边界计算
• 6.5.6 大豆蛋白及其聚集体与K-卡拉胶混合体系的相边界计算
• 6.6 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的论文
• 附录1
• 附录2
• 附录3