论文部分内容阅读
目前关于单一蛋白β-乳球蛋白和乳清分离蛋白(WPI)在非常规条件下制备的纤维特性已有不少研究。而对于成分相对复杂的乳清浓缩蛋白(WPC)在非常规条件下,形成的特殊结构——纳米纤维,以及所具有的独特性质则少有报道。因此本课题主要研究纳米纤维的制备条件(蛋白浓度、pH和热处理时间),分析了纳米纤维的主要作用力(游离巯基、表面疏水性)、特性(浊度、ThT、DSC、表观粘度、蛋白组成),酸可逆性、功能性质(胶凝性、起泡性、乳化性)的变化。乳清浓缩蛋白纳米纤维具有的特性,有可能使其成为独特的乳蛋白基料,对拓展或改善乳蛋白的应用领域有积极意义。主要研究结果分述如下:纳米纤维的制备条件及其影响因素通过透射电镜(TEM)分析,在pH1.8条件下,蛋白浓度为3.0wt%的WPC溶液,在90℃下热处理10h可形成纳米纤维结构,分析蛋白浓度、pH、以及热处理时间对纳米纤维形成的影响。结果发现随着蛋白浓度、pH的增加,形成的纳米纤维就越粗,分支处的聚合物较多,若蛋白浓度和pH过低,其形成的纳米纤维过细,状态不明显,因此蛋白浓度为3.0wt%的WPC溶液在pH1.8条件下适宜形成纳米纤维。此外,随着热处理时间的延长,纳米纤维分支处的聚合物减少,纤维状态越清晰,当乳清浓缩蛋白在90℃下加热至10h时,可形成细长、形态良好的纳米纤维结构。主要作用力通过对纳米纤维的表面疏水性、游离巯基的研究表明,纳米纤维和常规乳清浓缩蛋白聚合物的表面疏水性含量分别为93.46±2.23和71.62±1.59,游离巯基含量从最初的22706.6(μmol/L)和21014(μmoL/L)分别下降到16606.66(μmol/L)和2325.19±59.01(μmoL/L),由此可见,在纳米纤维的形成过程中,表面疏水性起主要作用而二硫键作用比较微弱。特性通过对浊度、ThT、表观粘度、DSC以及蛋白组成的研究表明,乳清浓缩蛋白通过热聚合形成的纳米纤维,拥有比常规乳清浓缩蛋白聚合物更低的浊度值、表观粘度和更高的变性温度,二种聚合物在形成过程中蛋白质结构变化也有所不同。并且分析了两种聚合物之间聚合量和蛋白组成的差异,纳米纤维和常规乳清浓缩蛋白聚合物的聚合量分别分0.167±0.006g/L和0.786±0.011g/L,可见纳米纤维的聚合量明显低于常规乳清浓缩蛋白聚合物的聚合量。通过SDS-PAGE凝胶电泳研究表明,纳米纤维的蛋白质组成与常规聚合物存在一定差异,形成纳米纤维聚合物的蛋白质存在一定的酸水解作用。酸可逆性纳米纤维在pH1.8与pH6.5之间反复调节pH及二次热处理,通过对其微观结构、浊度、聚合量、游离巯基、表面疏水性及二级结构的研究表明,纳米纤维结构具有酸可逆性,在pH1.8和6.5之间多次调整,仍可以在pH1.8恢复纤维结构,并且恢复之后的纤维结构仍具有很好的热稳定性。二次热处理后纳米纤维的聚合量有一定增加,二硫键数目略有增加,表面疏水性作用进一步增强导致纳米纤维形成更多的枝杈结构。通过对ThT、CD研究表明,二次热处理后乳清蛋白-螺旋结构的进一步减少可能使纤维形成量略有增加。基于酸可逆模型,猜测酸可逆主要是非共价键的部分断开,二硫键产生的少量聚合和未解聚纤维以碎片的形式分散在pH6.5的介质中,这些碎片通过疏水作用聚合成大的聚合物,当pH再次降至1.8时,以非共价键聚合的大聚合物解离重新形成纤维,只是这种解离并不完全,导致酸可逆之后形成的纤维有较多枝杈,形成淀粉样纤维特征;当调回pH6.5时再次的热处理会使其丧失再次形成纤维的能力,其原因主要是蛋白质分子之间形成了太多的共价键(二硫键),这种纤维碎片之间的聚合不会因再次调回pH1.8而再次解聚,因而无法再次恢复纤维结构。除此之外,我们分析了离子强度对纳米纤维酸可逆性的影响,通过透射电镜(TEM)分析,随着Ca2+浓度的增加,纳米纤维变短、呈蠕虫状,最后纤维结构被破坏,呈团簇状聚合;Na+浓度的增加,纳米纤维开始保持良好的状态,随后逐渐变短、变粗,呈蠕虫状聚合;当Ca2+浓度为10mM及Na+浓度为20mM时,可保持良好的纳米纤维结构。通过对ThT的研究表明,Ca2+存在时纳米纤维的酸可逆性较差,而Na+存在时纳米纤维具有较好的酸可逆性。功能性质通过对胶凝性的研究表明,添加乳清浓缩蛋白对酸奶凝胶有强化作用,纳米纤维添加量低对酸奶凝胶的影响不大,而添加高含量纳米纤维对酸奶凝胶起到负面作用。添加纳米纤维的酸奶凝胶的硬度、黏度,随着蛋白添加量的增加而减小;添加0.150.30wt%纳米纤维的硬度和粘度稍有降低,酸奶凝胶组织状态较紧实,没有乳清析出;添加0.450.6wt%纳米纤维的酸奶凝胶的硬度和粘度明显降低,而且酸奶的凝胶组织状态不紧实,伴有部分乳清的析出,酸奶凝胶的网络结构疏松、空隙不均匀。通过对起泡性和乳化性的研究表明,与常规乳清浓缩蛋白聚合物相比,纳米纤维具有较好的乳化稳定性,当静置30min后,纳米纤维的乳化稳定性提高了20%,尤其在起泡能力和泡沫稳定性方面,明显高于乳清浓缩蛋白常规聚合物,其中,起泡能力增加了2.4倍,泡沫稳定性是乳清浓缩蛋白常规聚合物的2.96倍。并且酸可逆性处理过程中,二次加热后的纳米纤维溶液起泡能力和泡沫稳定性最强,分别是纳米纤维原样的1.17倍和1.54倍;其乳化活性和乳化稳定性也最强,分别是纳米纤维原样的1.11倍和1.25倍。纳米纤维聚合物在起泡性能方面的表现优于乳化性能,相对于常规聚合物而言,纳米纤维的这种特殊结构更有利于改善乳清浓缩蛋白的界面性质。