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文|山大王

编辑|山大王

前言

面筋网络由小麦贮藏蛋白的复杂混合物组成，具有极其重要的经济意义，因为烘焙产品和基于面筋的生物材料的结构取决于它们的机械行为。在基础水平上，流变性质由相邻蛋白质链之间作用的吸引和排斥超分子力的相互作用控制。弱力通常包括氢键、疏水相互作用、范德华力、芳香氨基酸环之间的π-π堆积和离子相互作用。

强力尤其是二硫键在含硫氨基酸之间形成永久偶联。弱相互作用协同作用，形成不稳定的瞬时结合配偶体，它们可以在特定的时间尺度内断裂和重组。强力在蛋白质链之间形成交联，蛋白质链也可能发生二硫键交换，尤其是在高温和施加剪切力的情况下。在分子水平上发生的相互作用的复杂性和多样性赋予面筋蛋白独特的流变性质和理解，控制它们的行为是一项具有挑战性的任务。

应力松弛测量

使用旋转流变仪在0–70°C之间进行应力松弛测量，该旋转流变仪配备有锯齿板-锯齿板几何形状。使用6.28rad/s的角频率在0–70°C之间进行剪切应变振幅扫描实验，以确定样品的线性粘弹性区域。发现应变在所有样品的LVR内，并给出令人满意的信噪比。在6.28rad/s和2%应变下进行60分钟剪切动态振荡时间扫描，显示储能模量和损耗模量在15分钟内达到假平衡。

因此，在测量之前，让样品平衡15分钟，以消除加载过程中产生的应力。对每个样品使用2%的瞬时应变进行30分钟的应力松弛试验。在每个温度下连续使用相同的样品。对每个样品进行四次测量，并记录平均曲线。

应力松弛模量的数据相对于观测的时间尺度以对数模式收集。应变上升时间为20ms，30ms后开始收集数据点。还施加了一薄层低粘度硅油以使实验过程中的水分损失最小化。用GraphPadPrismv.6进行非线性回归。

如前所述，在MATLAB中进行数值计算，简而言之，第一步包括应力松弛函数的离散化以创建矩阵A并且使用鉴别器m其他地方出版的脚本，在这一步之后，算法csvd.m用于计算矩阵的奇异值分解A和l_曲线.m为了计算最佳正则化参数，使用了Hansen的正则化工具包，最后，算法NLCSmoothReg.m用于光谱的计算。

应力松弛测量

研究的第一步是探索分子间作用力对试样应力松弛曲线的影响。抗坏血酸作为氧化剂，有助于与谷蛋白的含硫氨基酸形成额外的二硫桥。相反，DDT是一种强还原剂，能切断二硫键，而尿素对材料的氢键有影响。所有样品都在0–70°C的LVR范围内进行了应力松弛测量，数据绘制成双对数图。

温度升高对样品的刚性有显著影响，松弛模量在0°c和70°c之间下降约一个对数周期。对照和抗坏血酸处理的样品在非常相似的边界之间松弛，但具有不同的松弛模式。这在超过100秒其中用抗坏血酸处理的样品加速了它们的松弛。应该提到的是，实验的持续时间和温度可能对抗坏血酸诱导的化学反应起作用，尤其是在高温下。

然而，应力松弛曲线的发展表明任何可能发生的动力学变化都不能被当前的实验方案所捕获。用尿素处理样品带来了完全不同的现象，样品在所有温度下都具有降低的刚性和甚至更快的长弛豫过程。用DTT处理的样品没有形成网络，而是形成粘性液体，松弛模量松弛到接近零，这是未连接的大分子的典型行为。

很明显，在没有二硫键的情况下，谷蛋白不能形成三维网络。有趣的是，当温度超过20°C时，样品开始胶凝，从而改变了材料的机械性能，实验不得不终止。使用越来越多的β之前已经观察到β-巯基乙醇可能通过β-折叠蛋白结构的分子间连接形成谷蛋白。因此，二硫键交联在谷蛋白网络形成中起着不可或缺的作用，部分粘弹性应归因于它们的存在，如下所述。

长松弛事件似乎是样品应力松弛曲线的独特元素。这些延迟的过程与整个网络结构的松弛有关，分子相互作用对网络结构的影响尤其在较低温度和超过100s，最近的研究表明，长松弛事件与由于样品加载而残留在结构中的残余应力有关，因此难以获得比测量前样品在流变仪上的停留时间更长的时间。

通过绘制应力松弛曲线的一阶导数，可以观察到长时间衰减的开始。图中显示了30°C时分子间作用力对样品的影响。可以看出，氢相互作用的破坏对长弛豫过程的开始具有最大的影响。此外，温度的升高也加速了长过程的出现，因为链的移动性随着温度的升高而增加。

由于所有样品在测量前都有相同的休息时间，结果显示温度以及材料的具体结构细节也对终端区的发展起作用。因此，长时间弛豫状态的开始不仅是静止时间的函数，也是温度和材料中分子相互作用的函数。为了进一步探索面筋网络的松弛动力学，使用时间-温度叠加原理处理应力松弛曲线，该原理能够将松弛模量的监测扩展到实验时间范围之外。

时间-温度叠加

时间-温度叠加原理先前已经用于谷蛋白来研究在粘弹性的最远实验极限下的松弛机制。在目前的研究中，我们使用减少变量的方法来计算水平移动因子并构建参考温度T下的粘弹性主曲线o=20°c。主曲线延长了四个对数周期的观察实验时间范围，并揭示了所有样品的类似松弛行为，与处理无关。

用尿素处理的样品显示出松弛模量值的急剧降低。抗坏血酸处理的网络显示更快的短时间松弛(log(t/aT)<?1);然而，对于log(t/a),它们与未处理的网络(对照)没有显示出任何明显的差异T)>?1。

图中使用以下方法复制此类数据处理的双对数图λ 选择 。光玻璃区代表蛋白质链的弹性反应和氨基酸、侧链或缠结的局部构型重排。在过渡区，模量将受到氢键结合的蛋白质链、不形成二硫键的缠结蛋白质和二硫键交联蛋白质的影响。该区域中的模量是弹性活动网络元件的数量和每个元件存储的能量的乘积。

在链的氢键链段的情况下，储存弹性能量的位点以时间依赖的方式断裂和重组。链与相邻配偶体的脱离导致释放或压力，并使链回到较低的平均能量状态。这是一个连续的过程，由于组合物的多分散性和复杂性，因此不会出现橡胶平台。在超分子聚合物材料领域中，网络生成中非共价瞬时键的可逆性的概念已经建立。

与“常规”聚合物材料相反，超分子体系的强度是由瞬时相互作用的“粘性”产生的，而不仅仅是由共价键或链缠结产生的。粘性reptation动力学经常用于生物材料的流变学，例如在明胶凝胶中、藻酸盐凝胶，杂化水凝胶或谷蛋白复合物超分子力量占优势的地方。

μ计算机断层摄影

微观结构观察是流变测量不可或缺的一部分，因为获得的信息可以相互关联，并提供对材料力学行为的见解。为此，采用了断层摄影，因为它非常适合研究样品的内部结构。图中显示了从样品架的大致相同平面和区域纵向拍摄的图像。光束通过样品时的衰减用灰度体素表示，灰度体素对应于微结构的密度，由于光束衰减增加，浅色区域表示更致密的结构。

对照样品的结构特征与cryo-SEM和共焦激光器显示穿孔的多孔网络的特征的成像。应该提到的是，这些是微孔，而不是上一节提到的纳米孔。网络密度似乎各向异性地分布在整个样品中，一些区域的密度低于其他区域。

用抗坏血酸处理样品或尿素揭示了分子间作用力对材料微观结构的显著影响。用抗坏血酸处理的样品显示较低的光束衰减，而用尿素处理的那些谷蛋白网络的特征拓扑消失，显示出很少的区别特征。

此外，材料的缺陷分析表明，与用抗坏血酸或尿素处理的对照样品相比，紧密堆积的微孔占优势。层析成像观察的合理解释可能在于化学添加剂存在下蛋白质-水相互作用的调节。根据蛋白质链与水的接近程度，谷蛋白表现出与水相互作用的不同强度。在大多数情况下，蛋白质链附近的水分子表现出强烈的相互作用。

尿素的存在削弱了蛋白质-水的相互作用，因此蛋白质链附近保留的水较少，导致总体上更大的光束衰减，而抗坏血酸存在下的氧化交联显示出相反的效果。很明显，前面章节中描述的粘弹性松弛与材料的微观结构有关。例如，微孔率的变化也可能导致前面章节中观察到的松弛过程的差异，因为蛋白质链在存在空隙的情况下具有更大的拓扑自由度来松弛。

应该提到的是，在我们以前的工作中，网络中醇溶蛋白量的增加也以类似于尿素处理的方式影响样品的松弛行为和微观结构，这可能表明谷蛋白比醇溶蛋白更多地参与氢键结合。在这一阶段，很难量化材料中缺陷的影响，但显然可以通过影响负责结构形成和稳定的力来改变。

总的来说，通过控制蛋白质组成和超分子相互作用之间的相互作用，有可能调整面筋网络的机械性能，以创造新的面筋基生物材料。应该强调的是，水合程度的影响预计将发挥重要作用，但仍有待探索。

总结

研究了受分子间相互作用影响的水合面筋网络的松弛动力学。宽温度范围的应力松弛实验和时间-温度叠加原理的利用增加了粘弹性函数的实验监控的时间范围。氢键在面筋的机械松弛中起着关键作用，而二硫键似乎主要影响Rouse-like松弛模式。

粘弹性主曲线的光谱分析表明，面筋网络在中等松弛时间表现出幂律行为，这与溶胶-凝胶转变附近的聚合物凝胶难以区分。在很长时间内，谷蛋白表现出主要的松弛事件，除了蛋白质链动力学之外，还归因于由于水在纳米多孔结构中的迁移而导致的多孔弹性松弛。还发现超分子力调制影响微观结构并与网络的弛豫特性耦合。