黄豆蛋白胶体的制备和聚沉_高海燕.pdf

180 Univ.Chem.2023,38(1),180186 收稿：2022-01-24；录用：2022-03-11；网络发表：2022-04-06*通讯作者，Email: 基金资助：江苏省教学改革项目(2021JSJG351)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202201052 黄豆蛋白胶体的制备和聚沉黄豆蛋白胶体的制备和聚沉高海燕，董玉明*，杜佳琼，宁峥雯，陈雯清 江南大学化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122 摘要摘要：物理化学中胶体化学部分原有实验是氢氧化铁胶体制备和电泳速率测定，属于验证性实验，对胶体特征的表征局限于电学性质，缺少对粒径、光学性质的表征探究及创新训练。本文通过黄豆蛋白胶体的制备、表征和聚沉，将原先的验证性实验改进为具有综合性和探究性的实验。通过物理分散法获得黄豆蛋白胶体，对其粒径、光学性质、电学性质进行了表征，并对聚沉条件进行探究，最终获得豆腐产品。结果表明，黄豆蛋白胶体粒径范围为20120 nm、最可几分布为51 nm，胶粒平均带电41.8 mV。通过丁达尔效应，在与入射光垂直方向观察到散射的蓝光，并观察到透过的光呈橙红色。通过探究反离子种类、温度、pH等条件的影响，加深了对植物蛋白胶体聚沉过程的理解。该实验引入了现代Zeta电位及粒度分析仪，加入了蛋白质聚沉的特殊情况，强化对书本知识的延伸应用。产品豆腐与生活密切联系，有利于思政教育，彰显化学魅力。关键词：关键词：创新实验；胶体；豆腐；黄豆蛋白；聚沉 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Preparation and Aggregation of Soybean Protein Colloids Haiyan Gao,Yuming Dong*,Jiaqiong Du,Zhengwen Ning,Wenqing Chen School of Chemistry and Materials Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,Jiangsu Province,China.Abstract:In the colloidal chemistry part of physical chemistry course,the original experiment is the preparation of iron hydroxide colloid and the determination of electrophoresis rate,which are confirmatory experiments.Furthermore,the resulting characterization of colloids is limited to electrical properties with no consideration of particle size or optical properties.In this paper,the preparation,characterization,and aggregation of soybean protein colloids were studied and the experiments were improved from the original confirmatory experiment to a comprehensive,exploratory experiment.Soybean protein colloids were prepared using the physical dispersion method,and the resulting particle size was then characterized,as well as the optical and electrical properties.Next,the aggregation and precipitation conditions were explored,and finally,tofu was produced.The particle size of the soybean protein colloids was found to be between 20120 nm,with the most probable distribution of 51 nm,and an average charge of 41.8 mV.According to the Dindal effect,scattered blue light is observed in the direction perpendicular to the incident light,whereas the transmitted light is orange and red.By exploring the effects of counter ion types,temperature,and pH value,a deeper understanding of the colloidal precipitation process of plant protein was developed.The experiment introduces modern Zeta potential and particle size analysis,and considers protein aggregation and precipitation to extend the application of book knowledge.The final product,tofu,is closely related to life,highlighting the charm of chemistry and demonstrating the crucial role it plays in the manufacture of everyday items.Key Words:Innovation experiment;Colloid;Tofu;Soybean protein;Aggregation No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX202201052 181胶体化学融合化学、物理、材料、生物等诸学科，是物理化学中兼具科学意义与实际应用的重要部分。目前物理化学实验教材中有关胶体化学内容的实验，一般都是氢氧化铁胶体的制备和电泳速率的测定110。该实验属于验证性实验，对胶体特征的表征局限于电学性质，缺少对胶体粒径、光学性质的表征探究，且在培养学生综合运用理论知识和主动解决问题的能力方面具有较大的改进空间。对胶体化学实验进行重新思考和创新设计，赋予了鼓励学生探究、分析问题的新内涵，对于高素质人才培养将发挥积极作用。我国是豆腐的发源地，豆腐富含蛋白、味甘性凉，在国内家喻户晓，国际上也广受喜爱，是彰显中国文化的经典食品。传统的豆腐是通过黄豆豆浆中蛋白胶体的聚沉得到的，通过粉碎法制备的黄豆蛋白平均粒径小于100 nm，分散在水中形成的豆浆属于胶体，适合教学。本文对传统物理化学实验胶体的制备及电泳测定，进行了如下改进：(1)在教学内容上，研究对象从化学法凝聚合成的Fe(OH)3胶体改进为物理法分散制备的黄豆蛋白胶体，体现创新设计以及化学与物理、生物的学科交叉；(2)在教学手段上，使用新型仪器对胶体的标志性特点进行表征(颗粒尺寸、光学性质、电学性质)，有利于学生运用已学理论知识，更全面地认识胶体化学，体现综合性；(3)在教学方式上，鼓励学生对植物蛋白这一胶体进行文献调研和具体分析，设计了温度、酸碱等对聚沉影响的探究性实验，更有利于学生创新思维和科研能力的培养；(4)在教育理念上，运用现代胶体化学知识，研究传统食品豆腐的制作工艺，促进学生更宽视野地理解科学、社会与生活。方便课后自行拓展应用，培养运用知识、热爱劳动的习惯。1 实验部分实验部分 1.1 实验原理实验原理 胶体分散体系是指分散相粒子直径在11000 nm的多相分散系统，具有高度分散性和热力学不稳定性。粒径、光学性质、电学性质及聚沉是胶体的标志性特征。1.1.1 胶体粒子的制备方法胶体粒子的制备方法 通常的制备方法有分散法和凝聚法，分散法是将大尺度的物料分散成胶体粒子，而凝聚法是由分子(原子或离子)的分散状态凝聚为胶体尺度。原胶体实验采用化学凝聚法，利用FeCl3溶液在沸水中水解制备得到Fe(OH)3胶体。本文采用分散法，黄豆蛋白经物理粉碎分散于水中形成胶体。黄豆的主要成分包括蛋白质约39%、碳水化合物和粗纤维约26%、脂类物质约17%11。物理粉碎后黄豆蛋白的粒径一般较小，但是黄豆中纤维素和碳水化合物等尺寸较大，因此在黄豆粉碎后需要进行过滤，同时滤掉的还有不溶于水的脂肪类化合物，获得的豆浆为黄豆蛋白胶体。1.1.2 胶体的粒径胶体的粒径 本实验采用Zeta电位及粒度分析仪测量胶体粒径。不同粒径的颗粒产生的散射光的角不同，颗粒越小，散射光的角越大。散射光的强度代表该粒径颗粒的数量，测量不同角度上散射光的强度，就可得到样品的粒度分布。利用Zeta电位及粒度分析仪测量粒径，不仅可以得到样品的粒径分布，更加准确清晰，同时测量得到的粒径可以直接用于后续的Zeta电位的测量。还可以通过透射电子显微镜观测胶粒尺寸，或者超显微镜根据下式测量粒径r(nm)：r=(3m4C)1/3 式中，m：单位体积溶胶中分散相的总质量；C：胶粒个数；：胶体的密度。1.1.3 胶体的光学性质胶体的光学性质 当胶体粒子尺度小于可见光波长(400760 nm)时，通过胶体的入射光会发生明显的散射现象，在与入射光垂直的方向上，可以观察到散射光，称为丁达尔(Dindal)效应。散射光的强度可以通过瑞利(Rayleigh)公式计算，白光中蓝、紫光由于波长短而散射效应强，橙、红光由于波长长而透过效应182 大 学 化 学 Vol.38好。瑞利公式为：I=242A2V24(n12-n22n12+2n22)2 式中A：入射光的振幅；：入射光波长；：单位体积中粒子数；V：每个粒子体积；n1：分散相折射率；n2：分散介质折射率。1.1.4 胶体的电学性质胶体的电学性质 由于胶体本身的电离或胶粒对某些离子的选择性吸附，使胶粒的表面带有一定电荷。在外电场作用下，固-液两相可以发生相对运动；同时，外力作用下，迫使固-液两相相对运动时又可产生电势差。电场作用下胶粒向异性电极的定向移动称为电泳，发生相对移动的界面称为滑动面，滑动面与液体内部的电位差称为电动电势或电势，其大小影响胶粒在电场中的移动速率。传统实验使用电泳仪测定电泳速率进而计算电势，本实验提出通过Zeta电位仪测定电势，采用仪器测量溶胶移动的速度，克服人眼观察的误差，更加方便准确。测量原理如下：在两极间接上电位差U(V)后在t(s)时间内胶体界面移动的距离为d(m)，即胶体电泳速度v(ms1)为：v=d/t 相距为L(m)的两极间的电位梯度平均值H(Vm1)为：H=U/L 如果辅助液的电导率与胶体的电导率相差较大，则在整个电泳管内的电势降是不均匀的，这时需用下式求H 2:H=U K K0(L-LK)+LK 式中，LK为胶体两界面间的距离。从实验求得胶粒电泳速度后，可按下式求(V)电位2：=KHv 式中，K：与胶粒形状有关的常数(对于球形粒子K=5.4 1010 V2s2kg1m1)，对于棒形粒子K=3.6 1010 V2s2kg1m1；：介质的黏度(kgm1s1)；：介质的介电常数。1.1.5 胶体的稳定与聚沉胶体的稳定与聚沉 胶体在一定条件下、一定时间内稳定，与所带电荷的排斥作用、表面溶剂化作用以及布朗运动有关，胶体颗粒相互聚结进而沉淀的现象称为聚沉。在胶体中加入合适电解质后可以促进聚沉，电解质聚沉能力的大小通常用聚沉值表示，聚沉值是使胶体发生聚沉时需要电解质