大豆蛋白分离工艺研究

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蛋白质是两性电解质,分子表面有许多可解
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金山油化纤
第 25 卷
离的基团,如 羟 基、氨 基 和 羧 基 等,因 此 蛋 白 质 既可溶 解 于 酸,又 可 溶 解 于 碱。但 是 蛋 白 质 在 强 酸 、强 碱 的 作 用 下 ,分 子 的 空 间 构 象 会 遭 到 破 坏,导致蛋 白 质 理 化 性 质、生 物 活 性 的 改 变,即 蛋白质的变性。著名生物化学家吴宪先生就曾 指出:“ 蛋白质的变性就是从肽链的高度折叠状 态转 变 到 伸 展 状 态 ”。 简 言 之 ,蛋 白 质 的 变 性 就 是二级结构以上的高级结构受到破坏而导致生 物活性丧失的过程。
得不稳定 并 开 始 变 性[2],同 样,豆 类 的 活 性 蛋 白 通常在高于 50 C 时容易失活[3],而本研究中提 取蛋白质的第一步是将大豆豆粕粉碎,粉碎机通 过锋利刀片的高速转动,将豆粕组织或细胞搅碎, 便于抽提蛋白质。试验发现,干豆粕粉碎时,由于 摩擦生热,体系温度可上升至 60 C 以上,蛋白质 会发生严重变性。严重变性是不可逆的,因为变 性后的蛋白质疏水基团外露,致使其溶解度降低, 且分子的不对称性增加,失去了结晶能力。另外,
3 蛋白质提取率测定
采用紫外吸收法测定蛋白质的质量分数,以 牛血清白蛋白为标样作标准曲线。
蛋白质提取率计算公式为: 蛋白质提取率 = 提取的蛋白质量(/ 原料质 量 > 原料中蛋白的质量分数)> 100%
4 结果与分析
4. 1 原料粉碎方式对蛋白质性质的影响 研究表明,大部分蛋白质在 40 ~ 50 C 以上变
关键词: 大豆蛋白 浸提 提取率 变性
蛋白质是人们日常生活中必需的重要营养物 质,通常可以从动物的乳汁或天然植物( 如花生、 大豆等)中提取。大豆是目前植物中蛋白质含量 最为丰富的一种( 蛋白质含量在 40% 以上),大豆 蛋白中含有人体必需的 8 种氨基酸。
随着科 技 的 发 展 和 人 们 对 健 康 生 活 的 追 求,人们对蛋白质 的 利 用 已 不 仅 仅 停 留 在 食 用 方面,各 类 再 生 蛋 白 纤 维 的 研 究 正 在 不 断 兴 起。
离心时 间 / min
10 30 10 30 10 10 10
离心温 度/ C 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温
滤液 外观
备注
很浑浊 淀粉沉淀较好 浑浊 淀粉沉淀良好 浑浊 淀粉沉淀良好
较浑浊 淀粉沉淀良好 较澄清 淀粉沉淀良好
澄清 淀粉沉淀良好 Βιβλιοθήκη Baidu清 淀粉沉淀良好
澄清的蛋白质溶液中含有盐和水溶性的糖 类 等 小 分 子 物 质 ,因 此 ,利 用 蛋 白 质 溶 液 的 溶 解 特 性 ,采 用 酸 沉 工 艺 ,边 搅 拌 边 在 澄 清 的 蛋 白 水 溶液中缓慢加入 10% 的 HCI 溶液,将 pH 值调节 至 4. 4 ~ 4. 5,使蛋白质在等电状态下析出,此时 蛋白质溶液由浅黄色的澄清溶液逐渐变成白色 浑浊液。静 置 一 段 时 间 后,蛋 白 质 聚 集 成 较 大 颗粒而沉淀下来。 4. 3. 2 对蛋白质沉淀效果的影响
!" 大豆蛋白的性质和提取原理
其中 R1 、R2 、Rn 为极性或非极性基团。 大豆蛋白具有四级结构。分子构象呈 ! 螺旋结构和 " - 折叠结构,分子质量分布较宽。 由于大豆蛋白分子中极性基团与非极性基团的相 互作用,分子链较易发生团聚,形成近似球状的复 杂结构,称为球蛋白。大豆蛋白主要由球蛋白组 成,球蛋白的含量约占蛋白质总量的 90% ,剩余 5% 为清蛋白。球蛋白与清蛋白在水或碱性溶液 中的溶解性很好,但是球蛋白在等电点( pH 值约 为 4. 5 时)会发生沉淀,故又将球蛋白称为酸沉 蛋白。利用球蛋白的这一特性,可以将其从豆粕 中分离出来[1]。 在光照、加热、冷冻、有机溶剂、辐射、搅拌、超 声波等作用下,蛋白质次级链中原先团聚的蛋白 质肽链会发生舒展。因此,工业上利用这种性质, 在碱性条件下使分离出来的大豆球蛋白溶解,再 调配成具有一定黏度的纺丝溶液,经喷丝头挤入 弱酸性的凝固浴中成形,然后经过拉伸、热处理等
实验表明,蛋白质的溶解度随着浸提液 pH 值的升高而上升,且在 pH 值为 11 时达到最大。 如果在浸提液中加入酸,大豆蛋白的溶解度在 pH 值为 4 ~ 5( 即等电区)时降至最小,pH 值更小 时,蛋白质又重新溶解。虽然低 pH 值和高 pH 值 都有利于提高蛋白质提取率,但是在这两种条件 下蛋白质都会发生变性。
对沉淀后的蛋白质需要加以离心脱水。不同 离心工艺对蛋白质沉淀效果的影响见表 2。
第 3 期(2006)
徐静 . 大豆蛋白分离工艺研究
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表 2 离心速度和时间对蛋白质沉淀效果的影响
离心速度 / r·min - 1
2 000 3 000 4 000
离心时 间 / min
20 10 10
离心温 度/C 室温 室温 室温
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金山油化纤
第 25 卷
大豆蛋白分离工艺研究
徐静
( 中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶部,200540)
摘要: 阐述了大豆蛋白质的分离原理,分析了运用“ 碱提酸沉”分离法提取大豆蛋白质过程中,豆粕的粉碎方式、浸 提温度、浸提时间、浸提液的 pH 值以及离心工艺对提取效果的影响,为大豆蛋白 / 聚丙烯腈纤维的工业化生产提供了依 据。
浸提液的 pH 值对蛋白质提取率的影响如图 2 所示。
到一定的时间后,蛋 白 质 的 溶 出 率 不 再 随 时 间 的延长 而 发 生 明 显 的 变 化。 另 外,在 较 高 的 pH 值或 较 高 温 度 下 提 取 蛋 白 质,延 长 浸 提 时 间会使大豆蛋白的水解程度加深。从试验情 况来看,浸提 时 间 以 6 1 左 右 为 宜。 实 际 生 产 中需要综 合 考 虑 能 源 消 耗、设 备 周 转 率、生 产 周期和工艺成本等各种因素来确定合理的浸 提时间。 4. 3 离心分离工艺的影响 4. 3. 1 对蛋白质提取液中的淀粉分离效果的影 响
图 2 pH 值对蛋白质提取率的影响
从图 2 可以看出,用碱提高分散液的 pH 值 后,蛋白质提取率上升得相当快。当 pH 值为 9. 0 时,不仅可以得到高的提取率,而且不会影响蛋白 质的性质;当 pH 值超过 9. 5 时,蛋白质溶出量的 增加趋于缓慢。另外,在强碱条件下大豆蛋白易 发 生 胱 赖 反 应,氨 基 酸 转 化 成 了 有 毒 化 合 物,因 此,如果在分散液的 pH 值为 9. 0 的条件下提升 浸提温度,不仅可以避免出现因温度升高而造成 的蛋白质酸败现象,而且可以进一步提高蛋白质 的提取率。 4. 2. 3 浸提时间
溶液 外观
备注
较浑浊 蛋白质部分沉淀 较澄清 蛋白质沉淀较好
澄清 蛋白质完全沉淀
5 结论
利用“ 碱提酸沉”法提取大豆蛋白时,豆粕的 粉碎方式、浸取温度、浸提时间和 p~ 值等都会影
响到蛋白质的提取效果。当浸提温度为 50 C 、 p~ 值为 9. 0 左右、浸提时间达到 6 h 时,蛋白质 的提取率最高。离心分离时,将转速控制在 3 500 ~ 4 000 r / min,蛋白质溶液中淀粉和蛋白质的沉 淀情况最好,能够得到很好的分离。
蛋白质是多种氨基酸通过肽键连接而成的生 物大分子,分子质量一般在 10 000 以上,分子结 构式如下:
收稿日期:2006 - 06 - 27。 作者简介:徐静,女,1969 年出生,1991 年毕业于北京化纤工 学院纤维材料系,高级工程师。
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徐静 . 大豆蛋白分离工艺研究
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因此,将豆粕和水共同注入粉碎机中,使豆粕 在粉碎过程中始终浸泡在水中,不仅可使大豆细 胞中的蛋白质等物质释放到水中,水溶液还起到 了良好的冷却作用,以免豆粕在粉碎过程中过热 而导致蛋白质变性。 4. 2 浸提工艺对蛋白值提取率的影响 4. 2. 1 浸提温度
浸提温度对蛋白质的提取率有重要的影响。 温度越高,浸出效率就越高。在 15 ~ 30 C 之间, 温 度 每 升 高 1 C ,蛋 白 质 的 提 取 率 可 提 高 0. 25% 。有文献认为,浸提温度在 30 ~ 90 C 之间 较为合适,80 C 时大豆蛋白的提取率最大,80 C 以上蛋白质会凝固成凝胶。浸提温度对蛋白质提 取率的影响如图 1 所示。
Xu Jing ( Acrylic Fibers Di1ision,S N EPC Shanghai Petrochemical Co. ,Ltd. 200540)
脱脂豆粕中除了含有丰富的蛋白质外,还含 有淀粉 和 糖 类 物 质。因 此,根 据 豆 类 蛋 白 质 多 为 水 溶 性 ,以 及 淀 粉 、油 脂 和 蛋 白 质 的 密 度 各 不 相同的特 点,用 离 心 分 离 法 对 浸 提 后 得 到 的 蛋 白质提取液 进 行 分 离,以 去 除 淀 粉[1]。经 过 离 心 分 离 ,提 取 液 中 的 淀 粉 沉 淀 在 离 心 管 的 底 部 。 对 滤 液 进 行 过 滤 后 ,得 到 澄 清 的 蛋 白 质 水 溶 液 。 离心速度和时间对蛋白质溶液中的淀粉分离效 果的影响见表 1。
图 1 浸提温度对蛋白质提取率的影响
由图 1 可以看出,蛋白质的提取率随着浸提 温度的提高而逐渐增大,且增大的趋势明显。因 此,在豆粕浸泡过程中将温度升高到 60 C 甚至 60 C 以上,可以获得理想的提取率。但是,如此 高的温度不仅会使豆渣的黏度增加,蛋白质分离 困难,而且使蛋白质发生轻微的热变性,甚至可能 发生降解。随着提取液的 pH 值逐渐降低,蛋白 质会析出,变成颗粒较大的蛋白并随豆渣一起排 出,这无疑又会降低蛋白质的提取率。因此,在浸 提过程中不仅必须将温度控制在 50 C 左右,还必 须严格控制浸提液的 pH 值。 4. 2. 2 浸提液的 pH 值
工序,制成具有轻柔滑爽的手感、柔和华贵光泽的 大豆蛋白纤维。
2 试验材料与方法
2. 1 试验材料 大豆豆粕( 蛋白质的质量分数为 40% ); 质量分数为 10% 的 NaOH 溶液; 质量分数为 10% 的 HCI 溶液; 质量分数为 58% 的 NaSCN 溶液。
2. 2 试验仪器 恒温水浴槽,上海思尔达科学仪器有限公司; 粉碎机,搅拌速度 10 000 r / min; 离心分离机,0404 - 1 型,上海医用分析仪器
1969 年日本东洋纺公司开发成功了牛奶纤 维并实现了工业化生产。2000 年河南濮阳华康 生物化学工程联合集团公司研制出了大豆蛋白纤 维,填补了世界化学纤维制造领域中中国原创技 术的空白。以大豆蛋白与高聚物的接枝产物或共 混物为原料的新品种纤维相继问世,在赋予织物 真丝般的光泽、平滑柔软的手感和极佳的悬垂性 的同时,还有效地改善了化纤产品的透气性。在 此就大豆蛋白/ 聚丙烯腈纤维开发过程中分离工 艺对大豆蛋白的生物活性和提取效果的影响进行 分析,以期为工业化生产提供依据。
厂; 紫外分光光度仪,UV - 3000 型,日本岛津。
2. 3 试验方法 大豆蛋白的分离采用“ 碱提酸沉”法,工艺流
程为: 豆粕浸泡、粉碎、碱提、离心去杂、调节 pH
值、酸沉、静置分离、离心脱水。
正常情况下豆类中普遍存在功能性活性蛋白——— 胰蛋白酶抑制剂和糜蛋白酶抑制剂,对胰蛋白酶 和糜蛋白酶有抑制作用,而在 50 C 以上粉碎干豆 粕将使胰蛋白酶抑制剂和糜蛋白酶抑制剂失去生 物活性,蛋白质易被蛋白酶水解[1]。
浸提时间的选择主要取决于蛋白质的溶出 率。一般 来 说,在 一 定 的 浸 提 条 件 下,浸 提 时 间越长,蛋白质的 溶 出 率 越 高。 但 是 当 浸 提 达
表 1 离心速度和时间对淀粉分离效果的影响
离心速度 / r·min - 1
1 000 1 000 2 000 2 000 3 000 3 500 4 000
参考文献
1 杨彦功. 大豆蛋白质纤维的生产原理与过程. 合成技术及应 用,2002(2):27 ~ 29
2 沈同,王镜岩,生物化学. 北京:高等教育出版社,1990,216 ~ 220
3 郝利平,郝林. 黑大豆与扁豆活性蛋白质提取工艺的研究. 农 业工程学报,2002(3):117 ~ 119
Study on Separation Process of Soybean Protein
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