脉冲电场处理对大豆分离蛋白理化性质的影响

摘要

本文以大豆分离蛋白（Soy protein isolate，简称SPI）为处理对象，以脉冲电场（Pulsed electric field，简称PEF）为处理手段，以高效液相色谱（HPLC）、圆二色光谱（CD）、傅立叶红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、紫外分光光度法（UV）以及差热扫描（DSC）、粒度分析等仪器检测手段全面分析了PEF处理前后SPI理化性质的变化。从SPI溶解度、分散体系粒径、表面ξ电位及其溶液表面张力、总氨基酸，以及热焓等多个角度，探索了PEF影响SPI分子结构及其分散体系稳定性的情况，并在此基础上采用Matlab数学分析软件，建立了与之模拟结果较好的数学模型，具体研究工作和创新之处如下。
　　 论文首先采用紫外分光光度法分析了不同脉冲强度条件下不同浓度的SPI分散体系中SPI溶解性的变化情况，脉冲场强范围为0-35 kV/cm。结果表明，10 mg/L（较低浓度）和20 mg/L（较高浓度）的SPI分散体系中，其可溶性大豆分离蛋白含量随脉冲场强变化较明显，且在20 kV/cm左右时含量达到最大。同时发现，7S亚基组分比11 S亚基组分对PEF更敏感。
　　 采用圆二色光谱、傅立叶红外光谱、拉曼光谱，分析了PEF对SPI分子结构的影响。结果表明，0-30 kV/cm的脉冲场强处理，蛋白质分子表面极性增强，分子内部的色氨酸、酪氨酸等疏水氨基酸暴露程度增加，其周围环境的极性增强，脂肪族氨基酸C-H弯曲周围环境极性增加，天冬氨酸和谷氨酸中的COO-吸收强度增加，COOH基团增加，α-螺旋结构减低，同时β-折叠结构减小，说明SPI分子中有序结构降低、无序结构增加，SPI分子展开；10 kV/cm的脉冲场强已使得C-O-O含量减少，说明了蛋白质分子在此场强的情况下C-O-O断裂；随着脉冲强度的增大（20-35 kV/cm），C=O、C-O-O含量，以及CH3、CH2有所增加，特别是在30 kV/cm条件下出现了CH2扭曲的增加，说明SPI分子在展开的同时通过侧链发生了分子间的连接。当脉冲场强在35-50 kV/cm之间时，蛋白质分子的色氨酸和酪氨酸包埋程度有所增加，β-折叠结构增加，蛋白质分子中脂肪族C-H弯曲的暴露与极性环境的相对含量有所减小，说明SPI分子内结构有趋向密实的倾向。40-50 kV/cm脉冲处理使得C=O、C-O-O含量减小，说明聚集的SPI分子发生断裂，同时，SPI分子中α-螺旋结构缓慢增加，侧链振动急剧减小，无规则结构几乎维持不变，说明高强脉冲电场引起聚集的蛋白质分子表面的主链或残基断裂，分子结构更加密实。
　　 为验证以上研究发现，采用差示扫描量热法分析了PEF引起大豆分离蛋白热焓和变性温度的改变情况。结果表明，0-20 kV/cm的脉冲电场处理对SPI的热图谱影响不大；但在25 kV/cm时，11 S对应的吸热峰明显高于未处理样和低强度脉冲处理样，说明该强度的脉冲处理使得蛋白质聚集程度达到最大，蛋白质分子处于亚稳定状态；35 kV/cm强度的脉冲处理，7S完全变性；45 kV/cm强度的脉冲处理，11 S完全变性。由此可知，脉冲场强越高，SPI变性程度越大，与分子结构的变化规律一致。
　　 蛋白质结构变化、亲水性质变化会影响了其凝沉性和表观粒度，本文随后采用马文尔粒度分析仪分析了PEF对SPI分散体系颗粒粒径的影响，发现0-20 kV/cm的脉冲处理能够使得大豆蛋白分散体系（包括10 mg/L和20 mg/L）胶体性质增强，平均粒径增大：25-35 kV/cm的脉冲场强处理使得已经增大的颗粒粒径重新趋于减小，平均粒径减小，说明聚集的蛋白质分子重新发生断裂。采用马文尔电位测定仪分析了PEF对SPI分子表面ξ电位的影响，发现其ξ电位绝对值随着脉冲场强的升高先增加而后又减低。表面张力分析结果表明对于低浓度的SPI溶液，其表面张力在场强为20 kV/cm时达到最大（41．165 mN/m），对于高浓度SPI溶液，其表面张力在场强为25 kV/cm时达到最大值（40．562 mN/m），和对照样相比，二者分别增加了1．38％和1．49％。当脉冲电场场强达到最高35 kV/cm时，大豆分离蛋白溶液表面张力都显著减小（与最高值相比）。这些结论均较好地吻合了SPI溶解性等理化性质及分子结构随PEF处理强度的变化规律。
　　 论文最后利用Matlab数学分析软件对研究数据进行了模拟，得到PEF对SPI分子结构的影响机制方程：f（x）= a1e-（（x-b1）/c1）2+a2e-（（x-b2）/c2）2，其中f（x）是蛋白质分子结构变化量，a1和a2是蛋白质分子结构参数，b1，b2，c1，c2是脉冲电场参数因数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 脉冲电场技术及其概况

1.1.1 脉冲电场技术研究现状

1.1.2 脉冲电场处理室能量及其分布

1.1.3 脉冲电场灭菌模型简述

1.1.4 脉冲电场对酶的影响

1.2 大豆蛋白分子结构和流变特性

1.2.1 大豆分离蛋白分子结构

1.2.2 维系蛋白质分子的主要因素

1.2.3 蛋白质溶液流变特性

1.3 其他物理方法对大豆分离蛋白的影响

1.4 研究意义

1.5 研究内容

本章参考文献

第二章 PEF对SPI溶解度、亚基组成及总氨基酸的影响

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验仪器

2.2.3 脉冲设备

2.2.4 实验方法

2.3 结果和讨论

2.3.1 PEF对SPI溶解度的影响

2.3.2 PEF对SPI溶液亚基组成的影响

2.3.3 PEF处理对SPI溶液氨基酸的影响

2.4 本章小结

本章参考文献

第三章 光谱分析脉冲电场对SPI分子结构的影响

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验设备

3.2.4 实验方法

3.3 结果和讨论

3.3.1 拉曼图谱分析

3.3.2 红外图谱分析

3.3.3 圆二图谱分析

3.4 本章小结

本章参考文献：

第四章 脉冲电场引起SPI热学性质变化分析

4.1 引言

4.2 材料和方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验设备

4.2.4 实验方法

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

本章参考文献

第五章 PEF对SPI分散系粒径的影响

5.1 引言

5.2 材料和方法

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验仪器

5.2.3 实验设备

5.2.4 实验方法

5.3 结果和讨论

5.3.1 PEF对较低浓度SPI分散体系粒径的影响

5.3.2 PEF对较高浓度SPI分散系粒径的影响

5.3.3 脉冲电场对11 S单分散体系粒径的影响

5.3.4 脉冲电场对7 S单分散体系粒径的影响

5.4 本章小结

本章参考文献

第六章 脉冲电场对SPI界面性质的影响

6.1 引言

6.2 材料和方法

6.2.1 实验材料

6.2.2 实验仪器

6.2.3 实验设备

6.2.4 实验方法

6.3 结果和讨论

6.3.1 脉冲电场对SPI溶液zeta电位的影响

6.3.2 脉冲电场对SPI溶液表面张力的影响

6.4 本章小结

本章参考文献

第七章 机理分析与模型建立

7.1 引言

7.2 材料和方法

7.2.1 实验材料

7.2.2 实验仪器

7.2.3 实验设备

7.2.4 实验方法

7.3 结果和讨论

7.3.1 脉冲场强分布图和不同场强下对应的能量大小

7.3.2 PEF引起蛋白质分子结构变化的模型建立

7.3.3 脉冲电场对SPI溶解性影响机理

7.3.4 验证建立的数学模型

7.5 本章小结

本章参考文献

结论与展望

一、结论

二、创新之处

三、展望

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢