乙酰化麥醇溶蛋白溶液及與麥谷蛋白共混液流變性能的研究

李玉瑩，馬曉軍

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫214122）

小麥深加工過程中的副產物谷朊粉產量巨大，但因利用不充分、不合理而價格低迷，因此谷朊粉的加工利用正逐漸成為研究的熱點。

谷朊粉的主要成分為麥谷蛋白和麥醇溶蛋白，其中具有較高相對分子質量較強彈性的麥谷蛋白約占質量分數30%～40%，具有較低相對分子質量較好延伸性的麥醇溶蛋白約占40%～50%[1]，麥醇溶蛋白的相對分子質量在 30×103～80×103之間[2-3]，因此谷朊粉在醫療、紡織等領域的應用具有廣闊的開發前景。常見的麥醇溶蛋白化學改性方法包括磷酸化、酰化和糖基化等，乙酰化可以提高蛋白材料的疏水性和機械性能[4]，研究相對較少，乙酰化改性是利用乙酰基將小麥蛋白質分子鏈上具有較高反應活性的賴氨酸ε-氨基進行替換[5]，較高相對分子質量的麥谷蛋白不適宜進行乙酰化改性處理。因此作者首先選擇利用乙酰化對麥醇溶蛋白進行化學改性。

小麥蛋白溶液的流變學性能對其應用具有重要影響，但研究較少。宋義虎[6]對小麥蛋白溶液的流變性能的研究結果表明：麥醇溶蛋白溶液在偏離等電點（pH 7.5）的條件下黏度增大。柳翠青[7]對小麥蛋白—聚乙烯醇共混液的流變性能的研究結果表明：小麥蛋白—聚乙烯醇共混液屬剪切變稀型流體，增大小麥蛋白的添加量、提高共混液的濃度均會降低其非牛頓指數，而適當升高溫度可提高其非牛頓指數。但乙酰化對麥醇溶蛋白溶液流變性能影響的研究更是鮮有報道，作者選擇研究乙酰化麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液的流變性能，對指導對谷朊粉的應用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

谷朊粉：食品級，中紡匯澤生物科技有限公司；乙酸酐、乙醇、氫氧化鈉、尿素、亞硫酸鈉：均為分析級，國藥集團化學試劑有限公司。

AR旋轉流變儀：美國TA公司產品；RH Basic 1磁力攪拌器：德國IKA公司產品；FE20 pH計：德國IKA公司產品；RJ-LDL-50G型低速離心機：瑞江分析儀器有限公司產品；RV 10 digital型旋轉蒸發儀：德國IKA公司產品；海爾BCD-539WT型冰箱；ACPHA1-4型冷凍干燥機：CHRIST公司產品；DKZ-450B型電熱恒溫振蕩水槽：上海森信實驗儀器有限公司產品。

1.2 實驗方法

1.2.1 麥醇溶蛋白和麥谷蛋白的提取 麥醇溶蛋白和麥谷蛋白的提取參考文獻[8]的方法上略作改動。麥醇溶蛋白的提取：將谷朊粉和體積分數65%乙醇溶液以1 g∶30 mL的料液質量體積比混合，50℃下振蕩提取3 h，離心分離，取上清液進行旋轉蒸發，冷凍干燥后得到麥醇溶蛋白。麥谷蛋白的提取：將提取麥醇溶蛋白后的沉淀和水以1 g∶15 mL的料液質量體積比混合，調節pH為11.5，60℃下振蕩提取3 h，離心分離，向上清液中添加無水乙醇，配制成體積分數65%乙醇溶液，并調節pH為7，4℃下過夜后離心，沉淀用蒸餾水洗滌3次，冷凍干燥后得到麥谷蛋白。

1.2.2 麥醇溶蛋白的乙酰化改性 乙酰化麥醇溶蛋白的制備參考文獻[9]略作改動。配制質量分數5%的麥醇溶蛋白溶液，40℃下分別加入麥醇溶蛋白質量 0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%和 1.5%的乙酸酐，維持pH在8.0～8.5，不斷攪拌反應0.5 h，反應結束后離心3次，冷凍干燥得到不同乙酰化程度的麥醇溶蛋白。

1.2.3 麥醇溶蛋白乙酰化程度的測定 茚三酮法[10-11]。取1 mL體積分數1%乙酰化麥醇溶蛋白溶液加入試管中，然后加入1 mL體積分數0.2%茚三酮溶液，混合均勻后沸水浴加熱10 min，迅速冷卻至25℃，加入3 mL體積分數65%乙醇溶液，以體積分數65%乙醇溶液/茚三酮溶液作為空白對照，測定其在580 nm處的吸光度，乙酰化程度計算公式如下：

1.2.4 乙酰化麥醇溶蛋白溶液和乙酰化麥醇溶蛋白/麥谷蛋白溶液的配制 按照參考文獻[12]的方法分別配制不同乙酰化程度的麥醇溶蛋白溶液及其與麥谷蛋白共混溶液，麥谷蛋白與麥醇溶蛋白以質量比1∶1比例混合，并將蛋白質質量分數調至15%，靜置待用。

1.2.5 乙酰化麥醇溶蛋白/麥谷蛋白溶液流變性能的測定 采用旋轉流變儀測定不同乙酰化程度的麥醇溶蛋白溶液及其與麥谷蛋白共混溶液的剪切應力和表觀黏度隨剪切速率的變化。

2 結果與討論

2.1 乙酸酐用量對麥醇溶蛋白乙酰化程度的影響

麥醇溶蛋白的乙酰化程度隨著乙酸酐用量的增加而增大，但增幅在不斷地減小。這可能是因為在反應初始階段，隨著乙酸酐用量的增大，分子間碰撞幾率增增大，反應速率增大；但隨著乙酸酐用量繼續增大，麥醇溶蛋白上的反應位點逐漸趨于飽和[13]，影響反應效率的繼續提高，從而使得麥醇溶蛋白乙酰化程度與乙酸酐用量不成正比。

2.2 乙酰化麥醇溶蛋白溶液流變性能的研究

由圖1可知，麥醇溶蛋白溶液具有較小的結構黏度指數，乙酰化麥醇溶蛋白溶液無結構黏度指數。乙酰化改性前的麥醇溶蛋白溶液是剪切變稀型流體，結構黏度指數較小，而乙酰化麥醇溶蛋白引入乙酰基[5]后，蛋白溶液轉變為剪切增稠型流體。

圖1 乙酰化對麥醇溶蛋白溶液結構黏度指數的影響Fig.1 Effect of acetylation on structural viscosity index of gliadin solution

由圖2可知，作用于乙酰化麥醇溶蛋白溶液的剪切應力隨著剪切速率的增大而增大，隨著乙酰化程度的增大而增大。表1為不同乙酰化程度的麥醇溶蛋白溶液的非牛頓指數。麥醇溶蛋白溶液的的非牛頓指數為0.976 2，是假塑性流體；乙酰化麥醇溶蛋白溶液的非牛頓指數均大于1，且隨著乙酰化程度的增大而增大，是脹塑性流體。麥醇溶蛋白的乙酰化改性在蛋白分子鏈上引入了乙酰基[5]，鏈長增加，單位體積內分子數目增多，蛋白分子鏈間纏結幾率增大，形成聚合線團能力增強，所需的剪切應力增大，從而使乙酰化麥醇溶蛋白溶液剪切增稠，非牛頓指數增大；隨著剪切速率的增大，乙酰化麥醇溶蛋白形成的聚合線團數量增大，分子間距減小，分子間相互作用力增大[14]，也會使乙酰化麥醇溶蛋白溶液剪切增稠，非牛頓指數增大[15]。引入了乙酰基[5]的麥醇溶蛋白相對分子質量增大，分子鏈柔順性減小，分子間作用力增大[16]，分子鏈相互纏結幾率增大，因此麥醇溶蛋白溶液的黏度隨著乙酰化程度的增大而增大。

圖2 乙酰化對麥醇溶蛋白溶液非牛頓指數的影響Fig.2 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin solution

表1 乙酰化對麥醇溶蛋白溶液非牛頓指數的影響Table 1 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin solution

2.3 乙酰化麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液流變性能的研究

由圖3可知，乙酰化麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液的黏度比同濃度的乙酰化麥醇溶蛋白溶液的大；共混液的結構黏度指數隨著麥醇溶蛋白乙酰化程度的增大而減小。共混液中的麥谷蛋白與乙酰化麥醇溶蛋白相互纏結，此外，含有高分子量亞基的麥谷蛋白的加入使得溶液中蛋白的相對分子質量分布變寬[17]，所以共混液的黏度高于同濃度的乙酰化麥醇溶蛋白溶液。在達到一定剪切速率后，隨著麥醇溶蛋白乙酰化程度的增大，麥醇溶蛋白和麥谷蛋白的纏結幾率減小[18]，從而使其結構黏度指數減小。

圖4為乙酰化對麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液非牛頓指數的影響。由圖4可知，乙酰化麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液的剪切應力隨著剪切速率的增大而增大，隨著麥醇溶蛋白乙酰化程度的增大而減小。表2為不同乙酰化程度的麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液的非牛頓指數。由表2可以看出，麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液的非牛頓指數隨著乙酰化程度的增大而增大，但均小于1，共混液是典型的剪切變稀型流體。麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液中兩種蛋白鏈混合后，形成較多柔性鏈，而在剪切過程中，柔性鏈主要通過鏈段運動進行取向，隨著剪切速率的提高，鏈段中的應力來不及弛豫及發生取向，導致各流層間傳遞動能的能力減小，牽拽力減小，流動阻力減小，因而共混液的黏度隨著剪切速率的增大而減小[19-22]。也可能是因為隨著剪切速率的增加，蛋白分子鏈沿著剪切方向排列更整齊，也可使共混液黏度減小[23]。共混液中乙酰化麥醇溶蛋白分子鏈與麥谷蛋白分子鏈相互纏結，隨著乙酰化程度的增大，麥醇溶蛋白分子伸展，溶解度增大[24]，兩種蛋白纏結幾率減小，因此乙酰化麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液的黏度隨著乙酰化程度的增大而減小[18]。

圖3 乙酰化對麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混液結構黏度指數的影響Fig.3 Effect of acetylation on structural viscosity index of gliadin/glutenin blend solution

圖4 乙酰化對麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混溶液非牛頓指數的影響Fig.4 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin/glutenin blend solution

表2 乙酰化對麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混溶液非牛頓指數的影響Table 2 Effect of acetylation on non-Newtonian index of gliadin/glutenin blend solution

3 結 語

通過對麥醇溶蛋白進行乙酰化處理，并研究其流變學特性，結果表明：雖然乙酰化顯著改變了麥醇溶蛋白的流變學特性，使其由剪切變稀型變為剪切增稠型流體，且麥醇溶蛋白溶液的黏度隨著乙酰化程度的增大而增大；但乙酰化麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混溶液的黏度隨著乙酰化程度的增大而減小，且呈現典型的剪切變稀型流體性質。乙酰化降低了麥醇溶蛋白—麥谷蛋白共混溶液的結構黏度指數，改善了成膜、纖維化等性質，進而改善了其應用效果。