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1、伊犁师范学院物理与电子信息学院2010届物理专业毕业论文1、前言 1.1 鸡蛋清蛋白鸡蛋蛋白质可分为蛋清蛋白和蛋黄蛋白，蛋清是一种以水作为介质，以蛋白作为分散相的胶体物质，而剩余的固形物中，有蛋白质，维生素等。蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。蛋白质根据分子组成，可分为两类，一类是分子中仅含有氨基酸的简单蛋白，另一类是由氨基酸和其他非蛋白质化合物组成的结合蛋白。根据结合蛋白质中的非蛋白部分，可将杂蛋白分为核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白和金属蛋白1。1.2 蛋白质的性质及应用蛋白质是一类与生命直接相关的生物大分子，在正常情况下以紧密折叠结构存在。蛋白质的性质： 两
2、性电解质性质，蛋白质是两性电解质，使蛋白质两性解离的主要因素是其酸性、碱性侧链，而非两个末端。 水化作用，蛋白质分子表面分布着各种不同的极性基团，由于这些极性基团同水分子之间的吸引力，使水溶液中的蛋白质分子成为高度水化的分子，这就是蛋白质的水化作用。 乳化性质，蛋白质是两性分子，能在水-气界面和油-水界面形成高黏弹性薄膜，而且比低分子表面活性剂所稳定的泡沫和乳状液更稳定。因此，在食品中有着广泛的应用。 起泡性质，牛奶、蛋黄、奶油、色拉酱等乳状液类产品中的蛋白质能起到乳化的作用。 结合风味性质，蛋白质本身并没有气味，但是他们能与风味化合物结合，从而影响食品的风味。 凝胶作用，蛋白质水溶液是胶体溶
3、液，具有胶体溶液的性质：丁达尔现象、布朗运动、不能通过半透膜、具有吸附能力等。 沉淀作用，破坏其中的一个原因，都能使蛋白质从溶液中析出。 蛋白质的变性，蛋白质在物理或者化学作用下发生理化特性和生物学特性变化的过程称为变性作用。这里所说的变是指蛋白质的某些物理性质（如溶解度降低）和生物活性（如酶的催化作用），化学性质一般并无多大变化。 其他性质。1.3 有关蛋白质变性的研究长期以来，人们一般认为蛋白质的变性是一个“全或无”的变化，即分子直接由天然态转变为完全伸展的变性态，原因是在变性因素逐渐增加的情况下，用不同的物理化学方法测定某些蛋白质的伸展程度，所得到的实验数据落在同一条S型变性曲线上由于不
4、同的物理化学方法反映不同的分子构象变化，在变性过程中蛋白质分子构象变化只有天然和完全变性两种状态5,7,8,9,10。生物大分子是近年来生命科学的研究热点和难点之一，而对蛋白质变性的研究有助于深刻揭示生命现象的机理11,13。有机体中所含化学成分及其所进行的生物化学变化虽然错综复杂，但蛋白质是参与其中的最重要的物质14。天然蛋白质分子受到某些物理因素如加热、紫外线照射、高压、表面张力等或化学因素如有机溶剂、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变，蛋白质易受外界因素影响而发生构象变化导致活性丧失，这一过程称为蛋白质变性。有关蛋白质变性的研究工作始于
5、20世纪20年代。1931年吴宪首先提出了蛋白质变性的概念，指出蛋白质变性不是蛋白质分子化学结构变化而是其空间结构的变化所导致的，能够引起蛋白质变性的原因可分为物理和化学因素两类。物理因素可以是加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线照射、超声波的作用等；化学因素有强酸、强碱、尿素、重金属盐、十二烷基磺酸钠等8。在实验中可以采用不同的方法使蛋白质变性，最常用的方法有两种： 用化学变性剂使天然蛋白质分子变性； 通过对蛋白质溶液加温使蛋白质变性5。变性蛋白质更易被人体消化。食品加工中利用蛋白质的变性可以制成豆腐，酸乳，腌蛋等。食品卫生中的乙醇消毒灭菌和加热蒸煮杀菌，均是蛋白质变性的实践应用。1.4 胶
6、体与水凝胶蛋白质是生物大分子,颗粒大小属于胶体粒子的范围,且分子表面有许多极性基团,亲水性强,易溶于水成为稳定的亲水性胶体溶液,几乎可以自发地吸附在任何表面上,而材料表面的物理性质和化学性质对蛋白质的吸附具有很大的影响。一般情况下,水凝胶材料吸附蛋白质的过程可以分为以下几步:蛋白质从主体相扩散到水凝胶材料表面的液膜层(液膜扩散)，蛋白质通过液膜层;蛋白质在水凝胶材料孔内扩散(粒内扩散)；蛋白质被水凝胶材料吸附。胶体有两种存在状态，即溶胶和凝胶。溶胶是液化的半流动状态，近似流体的性质。在一定条件下，溶胶可以转变成有一定结构和弹性的半固体状态的凝胶，这个过程称为凝胶作用。凝胶和溶胶可以相互转化，凝
7、胶转为溶胶的过程称为溶胶作用。引起这种转变的主要因素是温度。当温度降低时，胶粒动能减小，胶粒部分水膜变薄，胶粒之间互相连接形成网状结构，水分子处于网眼结构的孔隙之中，这时胶体呈凝胶状态；当温度升高时，胶粒动能增大，分子运动速度加快，胶粒联系消失，网状结构不再存在，胶粒均匀分布，呈自由活动状态，这就是溶胶。 溶胶： 溶于水的蛋白质能形成稳定的亲水胶体，是蛋白质分子分散在水中的分散体系。如：豆浆、牛奶、蛋清等。 凝胶是水分散在蛋白质中的一种胶体状态，食品中许多蛋白质以凝胶状态存在。 蛋白质的凝胶：有一定的形状、弹性，具有半固体的性质。 如：奶酪、豆腐制品、新鲜的鱼肉禽肉等。溶胶离子通常是溶剂化的，
8、胶粒可以相互交联在一起形成三维网络构型，可以把大量溶剂机械地包裹在聚集体内部，使之不再流动，变成半固体状态，这就是凝胶。凝胶失去水分但没有改变网络结构，就变成干凝胶。凝胶：弹性凝胶；在外力作用下可变形，去除外力又可复原，如橡胶。脆性凝胶，三维网络结构由化学键力形成，受外力很难变形，如硅胶，一旦破坏就难以复原。触变性凝胶，静置时呈半固体状态，受外力变成溶胶，去除外力又可恢复凝胶状态，如泥浆，流沙，触变涂料等。溶胶是范德华力交联形成的，加热可以拆散范德华力交联，使溶胶溶解凝胶是高分子链之间以化学建形成的交联结构是溶胀体，加热不能溶解也不能熔融水凝胶是线性高分子链交联形成三维网状结构，具有良好的吸水
9、性（从自身的10%到几千倍的吸水量），在经过大量溶剂溶胀形成的一种胶状物质。水凝胶的分散相介质是水，它是由水溶性分子经过交联后形成的，能够在水中溶胀并保持大量水分而不溶解的胶态物质。由于水凝胶含有大量的水，柔软而类似生物体组织，而且大多数制作水凝胶的材料无毒。因此水凝胶具有良好的组织相容性、毒性小等特点在医学上有着广泛的运用前景。1.5 本文对蛋白质变性的研究对蛋白质变性反应过程的实时监测，我们选择通过力学谱仪对其测量。测量力学谱的方法通常有低频扭摆、音频簧振动以及兆赫超声衰减与声速，由这些方法所获得的力学谱可以用来研究固体材料的相变，微观单元如点缺陷、位错、晶界、畴界的弛豫行为。力学谱方法已
10、在玻璃材料的研究已比较深入，其力学谱被Pohl等人详细地研究过25。但是固体中的低频扭摆实验方法和音频簧振动方法不能直接应用到液体力学谱的研究中，对于液体音频范围内的力学谱测量，一直是一个难题。目前，只有兆赫频率的超声衰减和声速实验方法被应用到液体的力学谱研究中。国内外一直还没有一个成熟的测量液体音频范围力学谱的实验方法.本论文中，用液态簧振动力学谱方法分别测量了玻璃衬底SiO2、水/SiO2玻璃衬底组成的复合系统、鸡蛋清蛋白水凝胶/玻璃衬底组成的复合系统的和随时间的变化结果，并对鸡蛋清蛋白水凝胶的质量和水的挥发率随时间的变化进行了测量，并对结果进行了对比分析。这对深入了解蛋白质的折叠与伸展、
11、变性机理、结构稳定性及生命体的新陈代谢等问题具有很大意义。蛋白质科学研究将推动医药产业发展，培育和带动生物能源、生物材料等新型生物产业和蛋白质研究技术相关新型产业，最终确立生物与医药产业在我国经济体系中的战略地位，提高我国的综合国力。2、鸡蛋清蛋白水凝胶体系脱水过程的力学谱研究2.1 实验原理2.1.1 PJ-II型音频内耗仪整体原理:在基本电路基础上，PJ-II型音频内耗仪内部集中了选频器和放大器等辅助电路，实现了整机一体化。PJ-II型音频内耗仪的整体原理图如下：其中输出的交流信号输入示波器作为监控用，直流信号输入计算机AD-DA板作为振动检测信号。测温电压输出作为温度信号输入AD-DA板
12、。衰减的5V信号是由AD-DA板输出，作为样品衰减的控制信号。2.1.2 音频内耗测量系统的自动化运行:改进过的机械夹具、整合程度很高的型音频内耗仪，再配以其它设备，如真空系统、测温系统等，在计算机控制下就可以进行材料的音频内耗自动化测量。整个测量装置的整体图如下：控温装置采用把机械夹具浸入液氮中进行降温，也可以在机械夹具外面绕上加热丝并通过专门的控温仪器进行升温控制。机械夹具和外围的所有连线都是通过一根长达60厘米的金属细管连接，这样可以有效的降低外部导热对夹具的影响。33220A频率综合仪是安捷伦公司的成熟产品，该仪器可以通过电脑编程控制输出我们所需要的音频范围正弦波。ADDA板是采用通用
13、AD芯片，在电脑控制下，可以自动对信号进行采集，或者输出5V的衰减信号传给音频内耗仪。仪器的自动化测量，关键是要有成熟可靠的软件进行控制。音频内耗自动化测量软件我们采用VISUAL BASIC语言进行了编译开发。程序可以非常方便的建立温度表，设置初始测量参数，自动化进行测量处理并记录下数据。程序的简单流程图如下：该程序配合整体硬件，已经经过长时间的测量检验，基本是成熟可靠的。不过当测量过程中出现内耗峰值的时候，由于内耗变化过快，程序自动扫描衰减可能跟不上物理变化过程，这时候必须要求实验员短时间介入调整，这样才能有效的度过内耗峰的测量。2.1.3 实验仪器原理:实验仪器原理如下图所示。图1（a）
14、检测样品材料的液态簧振动力学谱仪的结构示意图。图中的衬底在其振动的节点处由直径0.1毫米镍铬丝mm固定衬底，两个电极分别用来激发和检测衬底的振动；（b）衬底和所要研究的样品材料组成的复合系统的侧视图，其中和分别为样品材料和衬底的厚度；（c）衬底和样品材料组成的复合系统的俯视图。其中，和分别为样品材料和衬底的长度，w为样品材料和衬底的宽度。 2.1.4 实验测量理论:实验仪器为南京大学物理系研制的液态簧振动力学谱仪（Reed Vibration Mechanical Spectroscopy for Liquids，为了方便缩写为RMSL），直接测量参量是衬底的共振频率与耗散因子、以及待测样品与
15、衬底组成的复合体系的共振频率与耗散因子随时间的变化。结合文献所发展的RMSL测量理论，可以计算出待测样品的复杨氏模量随T的变化。本文中为了突出重点、将仅仅给出硅衬底及其与待测样品组成的复合体系的共振频率的实验结果。通过测量到的fs 和fc计算出待测样品的的公式如下: （1） 式中为衬底的杨氏模量。，是一个中间计算参数。为了降低该方法的衬底Q1和防止低温下空气对样品的污染，样品室被保持在103托的真空环境中。温度控制由自行设计的冷源为液氮的系统完成。2.2 实验设备和原料2.2.1 仪器：低频谱态力学谱仪器和ESJ60-4型精密电子天平2.2.2 样品：鸡蛋清蛋白PJII 液态簧振动力学谱仪(R
16、MSL)实验仪器中的南京大学物理系自主知识产权的PJ-II型液态簧振动力学谱仪（Reed-vibration Mechanical Spectroscopy，简写为RMS）。音频内耗仪，是在PJ-I型内耗音频仪的基础上改进发展过来的26。PJ-I型音频内耗仪是由许多分立的仪器组成的，其体积庞大、成本高昂、操作不便。PJ-II型音频内耗仪把所有的分立仪器所需要的部分集中在一台仪器上，所以大大减小了体积，降低了成本，操作也变得极为简单。2.3 实验方法实验方案为：将鸡蛋清放入玻璃器皿中，再放入电子天平中，让其自然挥发，记录每一时刻所对应的质量，画出质量随时间的变化图。选用RMS-L方法15-21，
