以大豆粕蛋白为原料可控制备蛋白质基表面活性剂机理研究

Protein-based surfactants, as a new type of green surfactants, have aroused wide interest. However, most natural proteins almost exhibit no surface activity because the groups inside the protein molecule cannot be exposed outward due to the locking by intra-chain and inter-chain disulfide bonds. On the basis of previous research, by using soybean 7S and 11S globulins as the object of research and by controllably cleaving the protein disulfide bonds to disrupt the protein structure and controllably expose the intramolecular groups of the protein, this project aims to study the relationship between the change in protein molecular structure and the change in surface activity, and elucidate the technical principle of directly using soybean meal proteins to produce protein-based surfactants. Moreover, this project aims to explore the technical principle and means of further enhancing the surface active performance of proteins by means of improving the effect of chemical modifications. Additionally, by simulating the unfolding process of soybean proteins following cleavage of disulfide bonds using molecular simulation methods and by sampling the balanced structures obtained from simulation and employing them for the evaluation of hydrophilic/hydrophobic performance and surface active performance, this project aims to provide insight for guidance and optimization of experiments, verification of experimental results, and elucidation of mechamisms. This work can provide reference for designing protein-based surfactants and optimizing their performances, and provide technical support for building a novel industry of protein-based surfactants.

蛋白质基表面活性剂作为一种新型绿色表面活性剂，已经引起人们广泛关注。但由于受到链内和链间二硫键锁定的影响，致使蛋白质分子内部基团无法暴露，多数天然蛋白质几乎没有表面活性。本项目在前期研究基础上，以大豆7S和11S球蛋白为研究对象，通过控制性打开蛋白质二硫键，破坏蛋白分子结构，控制性暴露蛋白分子内部基团，探索蛋白分子结构变化与表面活性变化关联关系，以掌握利用大豆蛋白直接研制蛋白质基表面活性剂的技术原理；进一步探索通过改善化学修饰效果来进一步提升蛋白质表面活性性能的技术原理和途径。此外，项目还通过分子模拟方法模拟断裂二硫键后大豆蛋白去折叠过程，并对模拟得到的平衡结构进行采样用于进行亲水疏水性能和表面活性性能评价，从而进一步指导和优化实验并可以对实验结果进行验证和机理阐明。该工作可为蛋白质基表面活性剂设计和性能优化提供参考，为开辟一个全新的蛋白质基表面活性剂产业提供技术支撑。

由于二硫键在维持大豆蛋白结构和性能方面起着重要作用，因此，部分打开二硫键可以改变大豆蛋白分子结构而改变大豆蛋白的表面活性。虽然蛋白质二硫键很容易被诸如β-巯基乙醇、二硫代苏糖醇、亚硫酸氢钠、亚硫酸钠裂解，但是这些化学试剂从功能和营养角度来看都是不安全的，而过氧化氢、过氧乙酸及过氧甲酸也能氧化裂解蛋白质二硫键成亚硫酸且在反应过程中自身很迅速地分解为氧气、水、乙酸或甲酸而没有任何有害成分残留。为此，本项目利用过氧化氢、过氧乙酸及过氧甲酸控制性地裂解蛋白质二硫键，破坏蛋白质结构，暴露蛋白质分子内部疏水基团，以便更好地研究蛋白质分子结构变化与表面活性变化关系，阐明直接利用豆粕蛋白生产蛋白基表面活性剂的技术原理。结果表明，随着二硫键断裂水平提升，大豆蛋白表面疏水性、起泡能力和乳化能力在初始阶段逐渐增加，但是达到最佳二硫键断裂水平后，氧化大豆蛋白的表面疏水性、发泡性和乳化性不升反降。说明大豆蛋白的表面活性与二硫键断裂引起的表面疏水性变化密切相关。此外，我们还研究壳聚糖、葡萄糖、葡聚糖等对二硫键断裂前后的大豆蛋白表面活性的影响。结果表明，糖类的化学修饰可以在一定程度上提升二硫键断裂后大豆蛋白的表面性能。另外，分子动力学模拟、回归模型方程及底物结合对谷氨酰胺结合蛋白功能运动影响的分子对接研究等这些相关研究，不仅可以验证具体实验结果，还可以对本项目实验和研究提供指导。相关性分析结果表明，化学处理过程中蛋白质的表面疏水性与表面性质呈正相关。通过改变蛋白质分子结构，消除结构约束，使更多的疏水性残基暴露于分子表面，可以改善蛋白质表面活性。由于蛋白质的表面疏水性反映了蛋白质表面疏水性残基的真实分布，因此，表面疏水性可以作为一个理想的关键指标去评价和预测因结构变化而导致的蛋白质表面活性变化。适当部分断裂二硫键、适当的糖修饰或离子化处理，可以改变蛋白质分子表面疏水基团分布，从而改善提升蛋白表面活性。