CN114437374A - 一种高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高弹性豌豆蛋白水凝胶的制备方法，涉及水凝胶材料制备技术领域，包括豌豆分离蛋白的提取、蛋白质水化、NaOH溶液和蛋白质低温预冷、蛋白质碱性溶液制备、加入交联剂、脱泡、水浴加热交联、冷却成胶。本发明采用低温碱性条件对蛋白质进行前处理，与传统的加热使蛋白质变性的方法相比，蛋白质分子链展开的程度更大，在交联剂的作用下，所交联形成的网络结构更加紧密，制备的凝胶具有更好的强度及弹性，持水性能好，水中长时间浸泡也不会发生变形或破损，使植物蛋白凝胶能应用于更广泛的领域。
Description
技术领域
本发明涉及水凝胶材料制备技术领域，具体为一种高强度高弹性豌豆蛋白水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是一种由亲水高分子构成的具有网络交联结构的软性和湿性弹性体，可广泛应用于食品、医药、生物化工等领域。植物蛋白质因其可再生、来源丰富、价格低廉、具有良好的生物相容性和降解性，近年来受到广泛关注。凝胶特性是蛋白质重要的功能性质之一，但是传统方法制备的植物蛋白质水凝胶的机械性能无法满足实际需求，因此目前亟需制备高强度和高弹性的植物蛋白质水凝胶的方法。
植物蛋白凝胶化的过程主要分成两步完成，第一步是蛋白质受热后分子链解聚，使得卷曲在分子链内部的功能基团比如巯基、疏水基团暴露出来。第二步是在冷却等条件下，展开的蛋白质分子通过二硫键、氢键、疏水作用、静电引力以及范德华引力等相互结合在一起，形成三维网络结构。加热是诱导植物蛋白质凝胶化最常用的方法，在这个过程中，蛋白质展开和聚集，通过共价和非共价相互作用形成自身支持网络。但是，在热诱导凝胶中，通常需要非常高的加热温度(95℃)来使得植物蛋白质分子链展开，但是在较高的温度下加热，形成凝胶的粘弹性却较低，而且能源消耗高。为了提高植物蛋白的胶凝能力，人们采取了许多策略，包括提高加热温度、调节溶液pH值、加入各种盐离子(比如钙离子)、物理/化学改性蛋白质、添加能促使蛋白质交联的酶等。尽管如此，目前制备的植物蛋白质凝胶的强度和弹性都较差。
本专利提出一种通过低温碱性条件促使蛋白质分子链伸展，制备高强度和高弹性的植物蛋白凝胶的方法。首先将一定浓度的氢氧化钠溶液与蛋白质溶液在低温下充分混匀，使得蛋白质的链能够充分展开。再加入环氧氯丙烷，在50℃水浴加热条件下，环氧氯丙烷能交联展开的蛋白质链，形成非常强的网络结构。此制备方法简单，制得的豌豆蛋白凝胶具有高强度及高弹性，压缩强度可以达到190kPa；且持水性较好(>90％)；稳定性好，在水中浸泡很长时间也不会发生明显的溶胀和皱缩。
发明内容
本发明目的在于针对目前存在的现状，为解决上述问题，本发明提供一种操作简单的豌豆蛋白凝胶制备方法。
一种高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法提取豌豆分离蛋白；
S2、蛋白质水化：分别配制氢氧化钠溶液和豌豆分离蛋白溶液，放入冰箱中冷藏过夜，使蛋白质充分水化和冷却；
S3、溶液低温预冷：将豌豆分离蛋白溶液和氢氧化钠溶液放入冰箱冷冻至溶液呈过冷状态；
S4、蛋白质碱性溶液制备：将过冷的氢氧化钠(NaOH)溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下剧烈搅拌；
S5、加入交联剂：将环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将得到的粘稠状溶液放入离心机离心脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将脱泡后的溶液放入恒温水浴锅中加热；
S8、冷却成胶：将上一步中得到的凝胶放入冰箱冷却过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
具体的，步骤S1中，原料为植物蛋白质。
具体的，步骤S2中，冰箱中温度保持为1-10℃。
具体的，步骤S3中，冰箱中温度为-10℃～-20℃。
具体的，步骤S4中，蛋白质溶液和氢氧化钠(NaOH)溶液搅拌温度为-4℃～-10℃，搅拌时间为1-30min。
具体的，步骤S7中，溶液在50℃下恒温水浴2h。
具体的，步骤S8中，冰箱中温度保持为1-10℃。
本发明的有益效果：
1.本发明采用低温碱性条件对蛋白质进行前处理，与传统的加热方法相比，使得蛋白质的肽链能够更充分的展开，在交联剂环氧氯丙烷的作用下，所交联形成的网络结构也更加紧密。此方法制备的凝胶具有更好的弹性及强度，使植物蛋白凝胶能应用于更广泛的领域。
2.本发明采用低温碱性进行豌豆蛋白凝胶的制备，持水性能较好，水中长时间浸泡也不会发生变形或破损。
附图说明
图1为本发明中植物蛋白质凝胶的制备流程图；
图2为本发明凝胶机理与传统凝胶机理对比图；
图3为不使用碱溶液制备的豌豆蛋白凝胶外观图；
图4为本发明植物蛋白质水凝胶的外观图；
图5为本发明实施例3制得的植物蛋白质水凝胶的压缩-回弹图；
图6为本发明实施例1-5制得的植物蛋白质水凝胶的压应力-应变曲线图；
图7为本发明实施例1-5制得的植物蛋白质水凝胶的溶胀前后外观图；
图8为本发明实施例1-5制得的植物蛋白质水凝胶持水性；
图9为本发明实施例2制得的植物蛋白质凝胶的微观形貌图(扫描电子显微镜图)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图表，对本发明的技术方案进行进一步详细的描述，但本发明并不局限于下述实施例。基于本发明中的实施例，在本领域中的普通技术人员没有做出创造性劳动的前提下所取得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明主要解决的技术问题是克服现有植物蛋白水凝胶低强度、低弹性的缺陷，提供一种操作简单的高强度和高弹性植物蛋白凝胶制备方法。针对上述发明目的，本发明提供以下技术方案:
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白；
S2、蛋白质水化：分别配制一定浓度的氢氧化钠溶液和豌豆蛋白溶液，放入5℃冰箱中冷藏过夜；
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液和氢氧化钠溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出；
S4、蛋白质碱性溶液制备：将氢氧化钠溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min；
S5、加入交联剂：将环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将S5中得到的粘稠状溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
本发明提供以下实施例：
实施例1
以下是以浓度14％的豌豆蛋白溶液，0.5％的氢氧化钠溶液，10％环氧氯丙烷制作高强度高弹性豌豆蛋白凝胶的具体步骤：
S1、豌豆分离蛋白的制备：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ至9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白。
S2、蛋白质水化：称取豌豆蛋白粉末3.5g，以蒸馏水10.75g配制成溶液；以及配制10.75g浓度为0.5％的氢氧化钠溶液。放入5℃冰箱中冷藏过夜。
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液和氢氧化钠溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出。
S4、蛋白质碱性溶液制备：将氢氧化钠溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min；
S5、加入交联剂：将2.5mL环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将S5中得到的粘稠状溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
实施例2
以下是以浓度14％的豌豆蛋白溶液，1.0％的氢氧化钠溶液，5.0％环氧氯丙烷制作高强度高弹性豌豆蛋白凝胶的具体步骤：
S1、豌豆分离蛋白的制备：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白。
S2、蛋白质水化：称取豌豆蛋白粉末3.5g，以蒸馏水10.75g配制成溶液；以及配制10.75g浓度为1.0％的氢氧化钠溶液。放入5℃冰箱中冷藏过夜；
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液和氢氧化钠溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出；
S4、蛋白质碱性溶液制备：将氢氧化钠溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min；
S5、加入交联剂：将1.25mL环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将S5中得到的粘稠状溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
实施例3
以下是以浓度14％的豌豆蛋白溶液，1.0％的氢氧化钠溶液，10％环氧氯丙烷制作高强度高弹性豌豆蛋白凝胶的具体步骤：
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白；
S2、蛋白质水化：称取豌豆蛋白粉末3.5g，以蒸馏水10.75g配制成溶液；以及配制10.75g浓度为1.0％的氢氧化钠溶液。放入5℃冰箱中冷藏过夜；
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液和氢氧化钠溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出；
S4、蛋白质碱性溶液制备：将氢氧化钠溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min；
S5、加入交联剂：将2.5mL环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将S5中得到的粘稠状溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
实施例4
以下是以浓度14％的豌豆蛋白溶液，2.0％的氢氧化钠溶液，10％环氧氯丙烷制作高强度高弹性豌豆蛋白凝胶的具体步骤：
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白。
S2、蛋白质水化：称取豌豆蛋白粉末3.5g，以蒸馏水10.75g配制成溶液；以及配制10.75g浓度为2.0％的氢氧化钠溶液。放入5℃冰箱中冷藏过夜。
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液和氢氧化钠溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出。
S4、蛋白质碱性溶液制备：将氢氧化钠溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min。
S5、加入交联剂：将2.5mL环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将S5中得到的粘稠状溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
实施例5
以下是以浓度14％的豌豆蛋白溶液，3.0％的氢氧化钠溶液，10％环氧氯丙烷制作高强度高弹性豌豆蛋白凝胶的具体步骤：
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白。
S2、蛋白质水化：称取豌豆蛋白粉末3.5g，以蒸馏水10.75g配制成溶液；以及配制10.75g浓度为3.0％的氢氧化钠溶液。放入5℃冰箱中冷藏过夜。
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液和氢氧化钠溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出。
S4、蛋白质碱性溶液制备：将氢氧化钠溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min；
S5、加入交联剂：将2.5mL环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将S5中得到的粘稠状溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
对比例1
利用14％的豌豆蛋白溶液，而不加入氢氧化钠溶液，进行豌豆蛋白凝胶的制备。
S1、豌豆分离蛋白的制备：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白。
S2、蛋白质水化：配制一定浓度豌豆蛋白溶液，放入5℃冰箱中冷藏过夜。
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出。
S4、蛋白质溶液制备：将豌豆蛋白溶液迅速放置在机械搅拌机下高速(1000rpm)搅拌5min
S5、加入交联剂：将环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温；
S6、脱泡：将S5中得到的溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜取出成品。
实验案例1
以下是以浓度14％的豌豆蛋白溶液，10％环氧氯丙烷，而不加入氢氧化钠制作豌豆蛋白凝胶的具体步骤：
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法制备豌豆分离蛋白，脱脂豌豆粉以1:6(w/v)加入到蒸馏水中，用6mol/L NaOH溶液调pΗ9.0，在室温下搅拌1h，8000r/min离心10min，取上清液，用6mol/L HCl溶液调pH至4.5，8000r/min离心10min，取沉淀，沉淀以w/v1:10加入蒸馏水，用6mol/L NaOH调节pH至7.0，充分溶解，透析3-4天(透析袋截留分子量3000kDa)，冷冻干燥得豌豆分离蛋白。
S2、蛋白质水化：称取豌豆蛋白粉末3.5g，以蒸馏水21.5g配制成溶液。放入5℃冰箱中冷藏过夜。
S3、溶液低温预冷：将豌豆蛋白溶液取出，放入-18℃冰箱冷冻至溶液呈过冷状态后取出。
S4、蛋白质溶液制备：将豌豆蛋白溶液迅速放置在机械搅拌机下高速搅拌5min。
S5、加入交联剂：将2.5mL环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌1-30min，整个搅拌过程保持低温；
S6、脱泡：将S5中得到的溶液放入离心机4000rpm离心15min，脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将离心后的凝胶放入50℃水浴锅加热2h；
S8、冷却成胶：将S6中得到的凝胶放入1-10℃冰箱，冰水浴过夜，取出成品。
结果如图3所示，不使用碱溶液参与豌豆蛋白凝胶的制备，蛋白质溶液无法成胶。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、豌豆分离蛋白的提取：采用碱溶酸沉法提取豌豆分离蛋白；
S2、蛋白质水化：分别配制氢氧化钠溶液和豌豆分离蛋白溶液，放入冰箱中冷藏过夜，使蛋白质充分水化和冷却；
S3、溶液低温预冷：将豌豆分离蛋白溶液和氢氧化钠溶液放入冰箱冷冻至溶液呈过冷状态；
S4、蛋白质碱性溶液制备：将过冷的氢氧化钠(NaOH)溶液缓慢倒入蛋白溶液中，迅速放置在机械搅拌机下剧烈搅拌；
S5、加入交联剂：将环氧氯丙烷加入S4中的蛋白质溶液中，继续搅拌，整个搅拌过程保持低温，得到粘稠的蛋白溶液；
S6、脱泡：将得到的粘稠状溶液放入离心机离心脱除气泡；
S7、水浴加热交联：将脱泡后的溶液放入恒温水浴锅中加热；
S8、冷却成胶：将上一步中得到的凝胶放入冰箱冷却过夜，即得豌豆蛋白凝胶。
2.根据权利要求1所述的高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1中，制作水凝胶的原料为植物蛋白质，不仅限于豌豆分离蛋白。
3.根据权利要求1所述的高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S2中，蛋白质溶液需要在1-10℃的温度下充分水化。
4.根据权利要求1所述的高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S3中，蛋白质溶液和氢氧化钠溶液在混合前需要在-10℃～-20℃的温度下充分冷却。
5.根据权利要求1所述的高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S4中，蛋白质溶液和氢氧化钠溶液需要在-4℃～-10℃的低温环境中剧烈搅拌，搅拌时间为1-30min。
6.根据权利要求1所述的高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S7中，溶液在50℃下恒温水浴加热2h。
7.根据权利要求1所述的高强度高弹性植物蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S8中，冰箱中温度保持为1-10℃。
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| CN105582864A (zh) * | 2016-03-03 | 2016-05-18 | 福建农林大学 | 一种植物蛋白气凝胶及其制备方法 |
| CN107141817A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-09-08 | 武汉大学 | 一种水敏感形状记忆功能的羟乙基纤维素/大豆蛋白质复合海绵及其制备方法 |
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