蛋白质凝胶机理

蛋白质凝胶摘要：凝胶特性是食品蛋白质的重要功能特性，蛋白质的凝胶行为及其流变性质是形成某些食品独特的质构、感官和风味的决定性因素长期以来，人们对蛋白质的凝胶行为进行了广泛深入的研究，但对蛋白质凝胶的机理和凝胶动力学还没有完全了解：本文对当前有关蛋白质凝胶的类型、凝胶过程中蛋白质分子构象的变化、形成蛋白质凝胶的主要作用力和凝胶动力学过程的研究进展作了综述：随着现代分析研究技术的进步，对蛋白质凝胶行为的认识也逐渐深入关键词：蛋白质，凝胶机理1 蛋白质凝胶的定义、类型及其凝胶过程中分子构象的变化蛋白质凝胶的形成可以定义为蛋白质分子的聚集现象，在这种聚集过程中，吸引力和排斥力处于平衡，以至于形成能保持大量水分的高度有序的三维网络结构或基体(matrix)。

如果吸引力占主导，则形成凝结物，水分从凝胶基体排除出来。

如果排斥力占主导，便难以形成网络结构。

蛋白质凝胶的类型主要决定于蛋白质分子的形状。

由于凝胶过程是一个动态过程，也受外界环境的pH、离子强度及加热的温度和时间的影响。

纤维状蛋白质分子，如明胶和肌浆球蛋白凝胶的网络结构由随机的或螺旋结构的多肽链组成。

Ledward报道，明胶的凝胶网络为线性分子通过形成连接区而形成凝胶网络。

Hermanssan和langton观测到肌浆球蛋白凝胶是由线性分子间形成连接点而构建成三维网络。

球蛋白的热凝胶是由仍保持球形结构的蛋白质分子首尾聚集而形成的。

Tombs认为球蛋白形成两种类型的凝胶：高度定向有序的“念珠串状”网络结构和随机聚集的网络结构。

“念珠串状”凝胶外观透明或半透明，Nakamura报道了大豆蛋白具有这种凝胶的网络结构。

这种凝胶是在低离子强度和远离蛋白质等电点pI的条件下形成的。

当环境的离子强度较高及pH接近等电点pI时，则形成随机聚集的凝胶。

然而大多数球蛋白凝胶都具有这两种类型的凝胶网络，这决定于蛋白质的浓度、环境的pH与离子强度及加热的温度和时间。

蛋白质分子构象的变化是蛋白质分子聚集的先决条件，球蛋白更是如此。

在串状网络结构中发现蛋白质分子仍保持球形构象。

经典的球形蛋白质分子展开的“两种状态”理论认为仅存住两种状态的蛋白质：未变性的蛋白质和高度变性的无序蛋白质一现在已经证明，存从无序状态向未变性状态展开的路径中明显存在一动态的中间体。

已经发现相似的中间体状态存在于低pH(或高pH)的平衡条件下、适当浓度变性剂的条件下和高温度的条件下。

这种中间体状态被称为“熔融球蛋白状态”，它被定义为含有与未变性状态相似的二级结构而三级结构展开的紧凑的球形分子。

从受热时的未变性状态到熔融球蛋白的转变及这种部分变性的形式主要与热凝胶的形成有关。

2形成蛋白质热凝胶的作用力蛋白质凝胶是变性的蛋白质分子间排斥和吸引相互作用力相平衡的结果。

一般认为，形成和维持蛋白质凝胶的作用力主要是疏水相互作用、氢键、静电相互作用等物理作用力，但含有巯基的蛋白质分子间SH-SS交换反应也可能对蛋白质的凝胶作用有贡献。

2．1 疏水相互作用蛋白质受热时包埋的非极性多肽暴露出来，从而增强了I临近多肽非极十牛片段的疏水相互作用：因而，平均疏水性(例如蛋白质中疏水氨基酸的比率)应该影响凝胶的形成过程I Shimada和Matsushita等报道，含有高于31．5％克分子分数的非极性氨基酸残基的蛋白质形成凝结型凝胶．而那些含有低于31．5％克分子百分数的非极性氨摹酸残基的蛋白质则形成半透明型凝胶。

这种分类方法清楚地表明疏水相互作用对凝胶形成的重要性和从蛋白质的氨基酸组成预测凝胶特性的可能性。

但是Maria Babajimopoulos等认为疏水相互作用和静电相互作用对于大豆分离蛋白凝胶的形成是可以忽略的.2．2 氢键有关氢键对蛋白质凝胶形成的作用，不同的研究者得到的结论相似。

Catsimpoolas 和Meyer报道．用6mol／L的尿素处理预凝胶，抑制r大豆分离蛋白冷却时形成凝胶，因此认为氢键和疏水相互作用是形成凝胶的主要作用力。

但是高浓度的尿素可能导致蛋白质严重变性，破坏了蛋白质的二级结构，而二级结构x,j-于球蛋白形成凝胶来说是必需的，因为氢键是形成与凝胶有关的B一折叠结构的主要作用力.Maria Babajimopoulos等认为与大豆分离蛋白凝胶过程有关的主要作用力是氢键和范德华力，而疏水相互作用和静电相互作用可以忽略：Shigeru Utsumi等也报道氢键是大豆11S球蛋白、7S球蛋白和大豆分离蛋白凝胶的形成及维持凝胶网络结构的最重要的物理作用力。

2．3 静电相互作用静电相互作用通常在蛋白质聚集过程中表现为相互排斥力，特别是在体系仅含有一种蛋白质或含有相似等电点的不同种蛋白质的情况下。

pI时蛋白质的净电荷为零，当环境的pH接近pI时，蛋白质分子快速随机的聚集，因而很容易形成凝结块在pH条件远离pI时，由于存在较高的净负电荷，静电排斥力占主导，蛋白质分子的聚集不会发生。

当体系的pH 处于pI和极端pH的中间区域时，静电排斥力和相互吸引作用力(主要是疏水相互作用)很好地平衡，从而形成凝胶网络…。

凝胶中静电排斥力的重要性已被在介质中添加盐类所证实．即在pH远离pI的条件下，加入盐类屏蔽了蛋白质分子表面过剩的电荷，并使蛋白质间连接形成纤细的“念珠串”状网络结构。

然而，在介于pI和极端pH中间的pH条件下，加入盐类打破了吸引力和排斥力间的平衡．导致形成聚集体或凝结块。

2．4 二硫键Koseki等证实，即使一些蛋白质的SH—SS间的交换反应被抑制，凝胶的形成也是可能的，因此他们认为分子间的共价二硫键(S—S)不充当起始的凝胶网络的骨架。

Shigeru Utsumi等也认为SH-SS间的交换反应对于大豆11S凝胶的形成是不必要的，但对于形成强的弹性凝胶很重要。

由凝胶的溶解性试验表明，通过形成分子间的二硫键可以获得凝胶网络的物理完整性。

二硫键是否在凝胶网络的连接区形成或它们仅仅有助于增加多肽的有效链长目前还不清楚。

但在后一种情况下，长的多肽链很容易缠绕在一起，因而在凝胶网络内加强了非共价键的形成。

3蛋白质凝胶的应用3．1 蛋白质凝胶在吸水凝胶方面的应用吸水凝胶是一种通过水合作用迅速吸收大量水分而成凝胶状的不溶性亲水高聚物。

它能吸收自身重量数十倍甚至数千倍的液体，同时具有较强的保液能力。

目前国内外研究和应用最多的主要是聚丙烯酸与聚丙烯腈类高吸水凝胶，这类凝胶有很好的持水能力，不足之处是它们不可生物降解，并且自身含有未反应的有毒单体，在应用上受到一定的限制。

近10年来，已有化学改性蛋白质凝胶被用于制备吸水材料，因为蛋白质无污染，是可生物降解的天然物。

Hwang等通过乙二胺四乙酸二酐改性大豆蛋白，经戊二醛交联得到最大吸水量可达自重300多倍的吸水凝胶。

Rathna等进一步研究了用乙醇处理的EDTAD改性大豆蛋白和鱼蛋白凝胶。

所得凝胶的最大吸水量可达自重的400多倍，乙醇还可除去凝胶中的水分，萃取蛋白凝胶中低分子量臭味物质和凝胶中未反应的戊二醛。

刘琼等∞则在制备EDTAD改性明胶蛋白凝胶时重点探讨酰化前蛋白质预处理，通过紫外一可见分光光度法确定了酰化反应的工艺条件蛋白质浓度为l％，pH值为12，酰化反应时间为2～3m。

酰化改性明胶制得的水凝胶，其吸水量最大可达自重的100多倍。

研究还发现此水凝胶体系有pH敏感性，可用作药物控释的载体。

3．2蛋白质凝胶在智能凝胶方面的应用智能型水凝胶是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶，外界刺激可以是温度、pH值、溶剂、盐浓度、光、化学物质等。

根据对外界刺激的响应情况，智能型水凝胶分为：温度敏感型水凝胶、pH敏感型水凝胶、光敏感型水凝胶、压力响应型水凝胶、生物分子响应型水凝胶等。

由于敏感型水凝胶的这种智能性，其在药物缓释、蛋白质的分离提纯、人工肌肉等方面有着广阔的应用前景智能凝胶以合成材料为主，近年，以蛋白质或蛋白质经改性后制得对环境产生敏感响应的凝胶开始出现。

WaitercMstin水发现LEA—l蛋白加入水能生成水凝胶。

该水凝胶可作为吸收材料的有效组成、皮肤治疗剂、药物或化妆品赋形剂、改善食物吸湿和保湿作用的添加剂、保持生物分子完整性的防冻剂、增强有机体抗干渗透、耐热性和耐寒性的材料。

丝心蛋白和壳聚糖共混，与戊二醛交联制得半互穿网络结构的智能水凝胶，其可用作非诺洛芬钙缓释制剂的载体嗍。

周英辉等嗍明胶／海藻酸钠聚合物交联互穿网络作为基材，制备了一种pH敏感型微胶囊药物制剂。

该制剂在酸性环境中释放百分率较小，而在碱性环境中为突释型制剂，释放率升高，体现了蛋白质的特性，适用于在酸性环境中需要保护药效、在碱性环境中发挥药效的药物。

3．3蛋白质凝胶在组织工程材料等方面的应用蛋白质凝胶还可应用于组织工程基材、创伤敷料和合金膜等生物材料方面。

高学军等闭以戊二醛为交联剂，利用冻干工艺制得的胶原海绵可用于生物杂化人工皮肤组织工程的研究。

国外有文献报道，将转化生长因子引入到胶原海绵中，可以释放具有生物活性，这种海绵体材料是骨修复的理想材料吲。

马芳制备了一种丝素／明胶共混膜，随着明胶含量的增加，共混膜的溶胀率、透气性、热稳定性都有所提高，改善了原有丝素膜的性能。

邹勇等溯制备的明胶一壳聚糖合金膜是一种优质的皮外覆盖材料。

何兰珍等阿通过冷冻壳聚糖一明胶共混液诱导相分离的方法，制备了多孔性、亲水性、透气性良好的壳聚糖一明胶海绵状伤口敷料。

4结语蛋白质是天然亲水高分子化合物，蛋白质凝胶无毒、可生物降解且生物相容性好。

由于人们对环境问题的日益重视，寻求具环境友好特征的吸水材料和生物材料成为热点问题，而蛋白质凝胶的研究为人们提供了一种新的思路。

作者认为，以下几个问题值得重视。

国内外对于蛋白质凝胶在吸水材料、智能凝胶和人工材料方面研究与应用有一定的报道，但从蛋白分子结构深入研究，并考虑凝胶功能与蛋白质结构和凝胶结构的关系的报道仍不多。

系统的蛋白质凝胶结构与功能关系研究可为蛋白质凝胶应用提供良好的理论基础，对于天然基材料的应用也十分有意义．在这方面仍需要国内外学者的继续努力。

参考文献l 顾雪蓉，朱育平．凝胶化学．北京：化学工业出版社，20052 贾伟，高文远．药物控释新剂型．北京：化学工业出版社，20053顾雪蓉，朱育平．凝胶化学．北京：化学工业出版社，20054 贾伟，高文远．药物控释新剂型．北京：化学工业出版社，20055 胡坤，赵谋明，林伟锋，等．物理作用力对大豆分离蛋白凝胶质构特性的影响．食品科学，20056李云，华欲飞，李向红．大豆蛋白预先热聚集对其凝胶性质的影响．食品科技，20077王飞镝，周智鹏，崔英德，等．DSC研究大豆蛋白凝胶中水的状态叨．功能材料，20068耿信笃，白泉，王超展．蛋白折叠液相色谱法．北京：科学出版社，20069彭湘红，张俐娜．壳聚糖一丝心蛋白包药微球的结构和释放性能研究扁分子学报，200010周英辉，黄明智．明胶／海藻酸钠复合体系用于pH敏感智能药物释放体系的研究．北京化工大学学报，2003。