基于大分子组成化学计量学考察的大豆乳清蛋白-聚电解质复凝聚行为及复凝聚产物结构性质研究

Soybean whey protein is very large in total quantity and high in amino acid score. To recover soybean whey protein is urgently asked for by the soy protein industry. As a method of being able to precipitate soluble proteins, protein-polyelectrolyte complex coacervation is very important in developing high efficiency soybean whey protein recovery process. However, the complex coacervation behavior is influenced by many factors and the coacervation products are of highly variable with respect to structure and properties. It is thus difficult to use complex coacervation in practical recovery of proteins. The protein and polyelectrolyte stoichiometric ratio is a fundamental quantitative relation in complex coacervation. It is proposed by the applicant that the stoichiometric ratio can be used as a base number to evaluate the efficiency of the complex coacervation and the structure and property of coacervation products, since "good" complex coacervation products with fast sedimentation property seem to be formed only at certain specified stoichiometric ratio. The coacervation behavior and the structure and properties of single component or mixed components soybean whey protein-anionic polyelectrolyte systems will be investigated using electrostatic interaction level, protein-polyelectrolyte interaction pattern, and polyelectrolyte structural parameter as variables. Complex coacervation kinetics, end point stoichiometry, macromolecular stoichiometric ratio, coacervation product microstructure and sedimentation properties under different conditions will be characterized by using advanced analytical methods and their correlations are analyzed. The proposed research plan will benefit us with more comprehensive understanding of the complex coacervation of soybean whey proteins and provide scientific guideline for the global optimization of protein recovery process.

大豆乳清蛋白总量巨大，氨基酸分数高，将其回收是大豆蛋白行业的迫切需求。蛋白质-聚电解质复凝聚能够沉降可溶性蛋白质，对大豆乳清蛋白高效回收工艺开发具有重要意义。由于复凝聚行为受多种因素影响，导致复凝聚产物的结构和性质具有很大的不确定性，影响蛋白质回收目标的实现。蛋白质-聚电解质的化学计量比值是复凝聚的基本定量关系，特定的化学计量值对于形成易于沉降的"良态"复凝聚产物具有重要意义，申请者认为可以将其作为反映复凝聚有效性的"准数"。本项目将研究单一组分以及混合组分大豆乳清蛋白-酸性聚电解质体系的复凝聚行为和产物结构性质；以静电作用力强度、蛋白质-聚电解质作用模式以及聚电解质分子结构参数为基本变量，采用各种现代分析方法，考察不同条件下的复凝聚动力学、终点化学计量值、复凝聚产物组成化学计量值、微结构以及沉降性能之间的关系；从而获得对大豆乳清蛋白复凝聚行为的更全面认识，为全局性的工艺优化提供

大豆乳清是大豆分离蛋白生产过程中的副产物，将其中的蛋白质回收利用不仅有利于大豆的综合利用，还能减少环境污染。基于大分子组成化学计量学考察的大豆乳清蛋白—聚电解质复凝聚行为是一种具有丰富内涵的大分子相互作用。由于复凝聚行为受多种因素影响，导致复合产物的结构和性质具有很大的不确定性，影响蛋白质回收目标的实现。本项目从动力学和热力学角度研究多种天然聚电解质与大豆乳清蛋白的复凝聚行为，并且对蛋白-多糖复凝聚产物的形成机理和控制因素进行详细考察。研究结果表明，大豆乳清蛋白/聚电解质体系形成不溶性复合物需要满足蛋白和多糖分子电荷数相等，极性相反的电中和守恒规律。通过控制体系pH达到最大程度复合 (pHmax)，获得的复合物总量最多，蛋白含量最高；可溶性复合物的形成 (pHc) 是由于蛋白表面电荷的不均一性造成，在蛋白表面存在局部的负/正电荷区域，被称为“电荷补丁”，它独立于聚电解质分子量、混合比例等因素。动态光散射和等温滴定量热表明，盐浓度的增加可以抑制静电相互作用的强度，表现为放热焓（-ΔH）、自由能（-ΔG）和亲和常数（Kb）的显著降低。根据聚电解质类型、电荷密度和分子量的不同，四种大豆乳清蛋白会与聚电解质发生不同程度的选择性复凝聚作用，从而实现单一蛋白组分的提取与纯化。多糖滴定蛋白的过饱和作用模式可以影响复凝聚浊度曲线形成的路径和强度，但不改变最终形成产物的构成。微观结构表明，羧基多糖与大豆乳清蛋白的复凝聚产物类似于“液-液”相分离，硫酸多糖/大豆乳清蛋白体系复凝聚产物更类似于“沉淀”，这与聚电解质的电荷密度密切相关。最终纯化得到的大豆乳清蛋白具有较高的生物活性，表明复凝聚行为没有改变蛋白的天然活性。本项目的顺利完成为经济环保利用大豆乳清废水，回收功能活性蛋白以及开发大豆乳清蛋白功能性产品提供了一定的理论依据。