（材料学专业论文）大豆蛋白胶粘剂的合成与应用研究.pdf

摘要 摘要 大豆蛋白的改性方法主要有物理法、化学法、酶法、生物基因工程法等。本文是以 大豆蛋白( s p i ) 为原料，用疏水性的乙烯基单体对大豆蛋白进行接枝改性以期改善大 豆蛋白作为胶粘剂的胶粘特性。 本文首先利用醋酸乙烯酯( v a c ) 接枝改性大豆蛋白合成了接枝改性大豆蛋白胶粘 剂。在3 m o l l 的尿素溶液中，以过硫酸铵亚硫酸氢钠( a p s - n 棚s 0 3 ) 为氧化还原引 发剂，进行了接枝共聚的反应。用傅立叶红外光谱( f t i r ) 证明了醋酸乙烯酯成功地接 枝到了大豆蛋白上。热压条件( 热压温度、热压压力、热压时间) 对大豆蛋白胶粘剂的 粘接性能有较大影响，因此通过正交实验研究并确定了较优的热压条件。基于大豆蛋白 胶粘剂对木材的粘接能力主要取决于胶粘剂与木材表面的极性非极性基团的相互作用 的原理，研究了影响接枝反应( 即影响接枝率) 的各种反应条件对于胶粘剂的对木材的 剪切强度和耐水性的影响，得到了较好的反应条件。对合成的胶粘剂母液进行了配方设 计，得到了较优的配方比例，并测验了不同体系( 纯大豆蛋白胶粘剂，未加配方的接枝 改性大豆蛋白胶粘剂和加入配方后的接枝改性大豆蛋白胶粘剂) 的理化性质。 在上面的研究基础上，本文又采用具有双官能团的甲基丙烯酸缩水甘油酯对大豆蛋 白进行接枝改性，研究了影响接枝反应的各种反应条件对于胶粘剂的对木材的剪切强度 和耐水性的影响，得到了较好的反应条件。在该接枝反应中，为了研究接枝反应条件中 的主要因素以及其交互效应对粘接性能的影响，因此设计了三因子二次回归正交实验， 得出了显著的因素和拟合方程，为探明影响粘接性能的复杂关系做出了初步尝试。 关键词：大豆蛋白，接枝共聚，醋酸乙烯酯，甲基丙烯酸缩水甘油酯，耐水性，胶粘剂， 正交试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e t h o d so fm o d i f y i n gs p i ( s o yp r o t e i ni s o l a t e ) a rei n c l u d i n gp h y s i c s ，c h e m i s t r y , e n z y m ea n db i o t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fs p lw i t hv i n y l m o n o m e r sw a ss t u d i e d ，i no r d e rt oi m p r o v et h eb o n d i n g p r o p e r t i e so ft h ea d h e s i v e s i nt h i sp a p e r , t h e 铲a rc o p o l y m e r i z a t i o no fs p lw i t hv i n y la c e t i ce s t e r ( v a c ) w a s i n i t i a t i v e l ys t u d i e d t h ea m m o n i u mp e r s u l p h a t e ( a p s ) 一s o d i u mb i s u l f i t e ( n a h s 0 3 ) w a su s e d a sar e d o xi n i t i a t o r , a n d3 m o l ll l r e as o l u t i o n sw a su s e da sad e n a t u r i n ga g e n t t h ef t i r s p e c t r ao fs p ia n dg r a f t e dc o p o l y m e r si n d i c a t e dt h a tt h ev a ch a db e e ng r a f t e do nt h es p i t h eh o t p r e s s i n gc o n d i t i o n s ( h o t - p r e s s i n gt e m p e r a t u r e ，h o t p r e s s i n gp r e s s u r e ，h o t p r e s s i n g t i m e ) h a v eab i ge f f e c to na d h e s i v e sb o n d i n gp r o p e r t i e s ，s ot h eb e s tc o n d i t i o n so fh o tp r e s s w a sd i s c u s s e dt h r o u g ht h eo r t h o m e t r i ce x p e r i m e n t a tt h eb a s e m e n to fat h e o r yt h ea d h e s i v e s b o n d i n gp r o p e r t i e si sd e t e r m i n e db yt h ei n t e r a c t i o nb a l a n c eo fp o l a r - a p o l a rg r o u pb e t w e e n a d h e s i v e sa n dt h ew o o ds u r f a c e ，s ot h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb o n d i n gp r o p e r t i e sa n dr e a c t i o n c o n d i t i o n so fa f f e c t i n gg r a f t i n gr e a c t i o n ( t h es a m ea sg r a f t i n gp e r c e n t ) w a ss t u d i e d t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h es y n t h e t i c a la d h e s i v es o l u t i o n sw e r em a d eb yf o r m u l a d e s i g n t h eo p t i m u mf o r m u l ap r o p o r t i o nw a sd e t e r m i n e d a tl a s t ，t h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e so fd i f f e r e n ta d h e s i v e ss y s t e m sw e r es t u d i e d a tt h eb a s eo ff o r m e rs t u d y , t h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fs p lw i t hg l y c i d y lm e t h a c r y l a t e ( g m a ) w a sa l s o s t u d i e d t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb o n d i n gp r o p e r t i e sa n dr e a c t i o n c o n d i t i o n so fa f f e c t i n gg r a f t i n gr e a c t i o nw e r es t u d i e d i no r d e rt om a k ec e r t a i nh o wt h em a j o r c o n d i t i o n sa n dt h ei n t e r a c t i o n so fm a jo rc o n d i t i o n sa f f e c tt h eb o n d i n gp r o p e r t i e s ，at h r e e f a c t o r sa n dq u a d r a t i cr e g r e s s i o no r t h o m e t r i ce x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d t h es i g n i f i c a n tf a c t o r s a n df l te q u a t i o nw a so b t a i n e da n dp r e l i m i n a r yt r yw a sm a d et oe x s i c c a t et h ec o m p l i c a t e d r e l a t i o n sw h i c ha f f e c tb o n d i n gp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：s p i ，g r 啦c o p o l y m e r i z a t i o n ，v i n y la c e t i ce s t e r , g l y c i d y lm e t h a c r y l a t e ，w a t e r r e s i s t a n c e ，a d h e s i v e s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 期：7 归& 7 i 彩 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 鼋敞 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 近年来，诸多的因素引起人们极大的兴趣开始去关注并研究可再生资源。这些因素 主要包括：( 1 ) 石油产品生产的化纤类物质降解速度缓慢，这势必造成对环境的污染； ( 2 ) 石油价格的不断飙升以及今后石油资源匮乏的问题迫使人们去寻求新的能源；( 3 ) 科学技术的进步和发展，人类可以利用发展的技术来使可再生资源符合应用要求。另外， 可再生资源本身的特性也使对于可再生资源的研究大有可为。( 1 ) 可再生性，再生资源 高分子来自于太阳能所产生的生物，因此取之不尽、用之不竭；( 2 ) 多样性，生物的多 样性导致了可再生资源高分子的多样性；( 3 ) 环境相容性，可再生天然高分子材料及其 制品废弃后在土壤或潮湿环境中可被多种微生物降解，因此是环境友好材料，同时其降 解产物回归大自然后形成自然界的良性循环，有利于环境保护；( 4 ) 多功能性，可再生 资源高分子具有独特的结构及可修饰性，可制各不同功能的材料：( 5 ) 可加工性，可将 其加工成膜状、纤维状、板材、棒材及疏散结构状；( 6 ) 价廉性。基于天然可再生资源 高分子的上述特性以及合成高分子材料长期使用所带来的越来越严重的资源和环境问 题，世界各国正在努力探索废弃后合成高分子材料制品的回收与再利用途径，同时也投 入了大量的人力和财力致力于天然高分子改性的基础和应用研究，利用天然高分子生产 环境友好的生物可降解材料。 大豆起源于中国，古称“菽”，属于豆科，碟形亚科，大豆属，一年生【l 】。大豆已有 5 0 0 0 多年的栽培历史，十八世纪传入欧美等国，遍及全球，现今已有5 0 多个国家种植， 是当今世界上最重要的作物之一。大豆中蛋白质含量为4 0 ，大豆蛋白是大豆加工过程 中的副产物。大豆蛋白是富含氨基酸的一类天然蛋白质高分子，它是一种可生物降解的 有机材料，在自然的环境中可以被微生物或细菌降解，而且大豆资源极其丰富且再生速 度快，因此，以大豆蛋白制备的生物降解高分子材料将有可能成为新型高分子材料，可 用于食品之外的其它工业领域，例如环境友好材料、包装材料、绿色塑料【2 1 、粘结剂【3 1 、 乳化剂、大豆蛋白纤维1 4 】及军事方面等。由此可见，对大豆蛋白质的加工和利用具有非 常大的经济和社会价值，并且已经成为当前加工业和科研工作者研究的热点之一。 1 2 大豆蛋白质的组成及结构 1 2 1 大豆蛋白质的组成 大豆蛋白质是存在于大豆种子中诸多蛋白质的总称。大豆蛋白质主要是球蛋白，大 豆球蛋白在p h i 4 5 的等电点区域内不溶解。大豆蛋白质用等电方法沉淀析出后，再利 用超离心方式进行分离，根据蛋白质在离心机中的沉降速度来分，可将其分为4 个组分， 即2 s 、7 s 、1 1 s 和1 5 s 四组不同相对分子质量的球蛋白，具体见表1 1 【5 1 。 江南人学硕十学位论文 表1 1 大豆中主要蛋白质组成 t a b l e1 1t h em a i ns o yb e a np r o t e i nc o m p o n e n t s 主要成分一i 总蛋白( )次要成分分子量 胰蛋白酶抑止剂8 0 0 0 21 5 0 0 2 s2 2 细胞色素c 1 2 0 0 0 血球凝集素 1 1 0 0 0 0 脂肪氧化酶 1 0 2 0 0 0 7 s3 7 1 3 淀粉酶6 1 7 0 0 7 s 球蛋白 18 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 1 1s3 0 1 1 s 球蛋白 3 5 0 0 0 0 1 5 s1 1 有待测定 6 0 0 0 0 0 从表1 1 中可以看出，大豆蛋白质的主成分为球蛋白( 1 l s ) 和b 浓缩球蛋白( 7 s ) ， 两者合在一起约占球蛋白总量的7 0 ，而两者的比例也随品种而异。7 s 蛋白质的次单 元结构较复杂，受离子强度及酸碱值的影响非常显著【6 j ，如单指7 s 时往往就是指d - 浓 缩球蛋白。1 1 s 是由球蛋白组成的，可被离析出来，是大豆蛋白的主要成分，其构型易 受p h 值、碱浓度、尿素、温度及酒精浓度等因素的影响。 1 2 2 大豆蛋白质的结构 从结构上来看，蛋白质是由一系列氨基酸通过肽键结合而构成的生物大分子，具有 复杂、多层次的结构，一般可用一级结构、二级结构、三级结构和四级结构来描述蛋白 质分子的结构。一级结构是蛋白质的化学结构，二、三、四级结构则为蛋白质的空间结 构。大豆蛋白质是一种同时具有一、二、三、四级结构的蛋白质。表1 2 阐明了蛋白质 的基本结构以及蛋白质中的化学基团所占的比例1 7 j 。 2 第一章绪论 表1 2 蛋白质中各类化学基团所占比例 t a b l e1 2t h ep r o p o r t i o no fk i n d so f c h e m i c a lr a d i c a li np r o t e i n o 乓忡c h 如 基本的蛋白质结构： r 1 2 2 1 一级结构 所谓一级结构( 也称为化学结构) ，指的是组成蛋白质分子的氨基酸残基的排列次 序。一级结构的化学结构只有共价键，也就是肽键。肽键是指一个氨基酸的羧基与另一 个氨基酸的氨基之间缩水形成的酰胺键： + h ，o 9 甲j h n - - c h - - c o o h + h n - - c h - - c o o h ；= 兰兰h n c h ，ic ii 一肉0 c h c o o h z r l1 z r i2 一h 2 n v 2 r i1 二：r i2 - 此反应的产物为肽，肽是由氨基酸组成的链，两个氨基酸分子反应产生一个二肽。二肽 分子的两端又可以分别同其它氨基酸的氨基或羧基作用，形成三肽、四肽甚至高分子多 肽【引。 在大豆蛋白质中，其主要成分1 1 s 及7 s 的氨基酸含量中，最多的为谷氨酸和天门 冬氨酸，两者共为4 5 左右，并且以前者居多。其酸性氨基酸约一半为酰胺态。1 1 s 与 7 s 相比，人体必需氨基酸中的色氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸的含量，1 1 s 比7 s 多5 - 6 倍， 赖氨酸则7 s 较多，含硫氨基酸较少，因此7 s 为大豆蛋白质最具特征的代表，丫浓缩球 蛋白比p 浓缩球蛋白酸性氨基酸较少，另外2 8 s 球蛋白含酸性氨基酸量很少。半数的 江南人学硕上学位论文 胱氨酸含量与双硫键( s - s 结合) 的离解与结合相关，对物性影响很大。7 s 的含量相当 少，分子量为18 万时为4 个克分子，且不含s h 键，1 1 s 的分子量为3 5 万时含4 4 个克 分子，其中2 克分子为s h 键，它与硫基乙醇等还原剂对1 1 s 更为敏感的事实相一致【9 】。 1 2 2 2 二级结构 所n - - 级结构是指多肽链主链骨架中的若干肽段，各自沿着某个轴盘旋或者折迭， 并以氢键维系，从而形成有规则的构象，如0 【螺旋、p 折迭和p 转角等。二级结构并不 涉及氨基酸残基的侧链构象【1 0 】。决定二级结构的因子是肽链间氢键的形成情况，即附于 肽链n 上的氢与另一肽链羧基上的氧原子间的吸引力【1 1 1 。氢键的吸引力虽小，但是数 量很多，故总吸引力还是可观的，易为热酸碱等因素所影响。二级结构只涉及到蛋白质 分子主链的结构，而不涉及到氨基酸残基侧链的结构。大豆蛋白质多肽链构象有两种， 即q 螺旋结构和b 折叠结构。 1 2 2 3 三级结构 蛋白质的三级结构是指一条多肽链在二级结构的基础上，由于其顺序上相隔较远的 氨基酸残基侧链的相互作用，而进行范围广泛的盘旋和折迭，从而产生特定的很不规则 的球状构象。换一句话说就是指一条多肽链中所有原子的空间排布。三级结构不涉及一 条多肽链上的原子与另一条多肽链的关系1 0 】。决定多肽链折叠方式的最重要因数之一是 极性和非极性侧链基团分布。因此三级结构由下列各种交互反应所促成：疏水性基团； 双硫键；极性支链上的氢键；离子键。在大豆蛋白质的三级结构中，非极性基团 转向分子内部，极性基团或者转向分子内部或者转向分子表面。非极性基团转向分子内 部，形成疏水键；极性基团转向分子内部，形成氢键；转向分子表面，与极性水分子作 用【1 2 l 。 1 2 2 4 四级结构 蛋白质的四级结构是指多条多肽链在三级结构的基础上以非共价键缔合在一起的 构象。蛋白质四级结构中具有三级结构的多肽链单元称为亚基。维系四级结构的力主要 是疏水键和范德华力【l 。 1 3 大豆蛋白质的理化性质 蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质一部分与氨基酸相似，如两性 电离、等电点、呈色反应、成盐反应等，也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶 体性、变性等。 1 3 1 蛋白质的胶体性质 蛋白质分子量颇大，介于一万到百万之间，故其分子的大小已达到胶粒1 1 0 0 n m 范围之内。球状蛋白质的表面多亲水基团，具有强烈地吸引水分子作用，使蛋白质分子 表面常为多层水分子所包围，称水化膜，从而阻止蛋白质颗粒的相互聚集。 与低分子物质比较，蛋白质分子扩散速度慢，不易透过半透膜，粘度大，在分离提 4 兰二童堕笙 纯蛋白质过程中，我们可利用蛋白质的这一性质，将混有小分子杂质的蛋白质溶液放于 半透膜制成的囊内，置于流动水或适宜的缓冲液中，小分子杂质皆易从囊中透出，保留 了比较纯化的囊内蛋白质，这种方法称为透析( d i a l y s i s ) 。 蛋白质大分子溶液在一定溶剂中超速离心时可发生沉降。沉降速度与向心加速度之 比值即为蛋白质的沉降系数s 。校正溶剂为水，温度2 0 c 时的沉降系数$ 2 0 w 可按下 式计算：式中x 为沉降界面至转轴中心的距离，w 为转子角速度，w 2 x 为向心加速度， d x d t 为沉降速度。单位用s ，即s v e d b e r g 单位，为1 1 0 1 3 秒，分子愈大，沉降系数 愈高，故可根据沉降系数来分离和检定蛋白质。 1 3 2 蛋白质的两性电离和等电点 蛋白质是由氨基酸组成的，其分子中除两端的游离氨基和羧基外，侧链中尚有一些 解离基，如谷氨酸、天门冬氨酸残基中的y 和1 3 羧基，赖氨酸残基中的一氨基，精氨 酸残基的胍基和组氨酸的咪唑基。作为带电颗粒它可以在电场中移动，移动方向取决于 蛋白质分子所带的电荷。蛋白质颗粒在溶液中所带的电荷，既取决于其分子组成中碱性 和酸性氨基酸的含量，又受所处溶液的p h 影响。当蛋白质溶液处于某一p h 时，蛋白 质游离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子( z w i t t e r i o n ，净电荷为0 ) ，此时溶液的 p h 值称为蛋白质的等电点( i s o e l e c t r i cp o i n t ，简写p i ) 。处于等电点的蛋白质颗粒，在电场 中并不移动。蛋白质溶液的p h 大于等电点，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。 各种蛋白质分子由于所含的碱性氨基酸和酸性氨基酸的数目不同，因而有各自的等电 点。 凡碱性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏碱性，如组蛋白、精蛋白等。反之， 凡酸性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏酸性，人体体液中许多蛋白质的等电点在 p h 5 0 左右，所以在体液中以负离子形式存在。 1 3 3 蛋白质的变性 天然蛋白质的严密结构在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏， 从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，如酶失去催化活力，激素丧失活性称之为 蛋白质的变性作用( d e n a t u r a t i o n ) 。变性蛋白质只有空间构象的破坏，一般认为蛋白质变 性本质是次级键，二硫键的破坏，并不涉及一级结构的变化。 变性蛋白质和天然蛋白质最明显的区别是溶解度降低，同时蛋白质的粘度增加，结 晶性破坏，生物学活性丧失，易被蛋白酶分解。 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( s d s ) 等。在临床医学上，变性因素常被应用于消毒及灭菌。 反之，注意防止蛋白质变性就能有效地保存蛋白质制剂。 变性并非是不可逆的变化，当变性程度较轻时，如去除变性因素，有的蛋白质仍能 恢复或部分恢复其原来的构象及功能，变性的可逆变化称为复性。例如，前述的核糖核 酸酶中四对二硫键及其氢键。在b 巯基乙醇和8 m 尿素作用下，发生变性，失去生物学 江南人学硕：l ：学位论文 活性，变性后如经过透析去除尿素，b 巯基乙醇，并设法使疏基氧化成二硫键，酶蛋 白又可恢复其原来的构象，生物学活性也几乎全部恢复，此称变性核糖核酸酶的复性。 许多蛋白质变性时被破坏严重，不能恢复，称为不可逆性变性。 1 3 4 蛋白质的沉淀 蛋白质分子凝聚从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀( p r e c i p i t a t i o n ) ，变性蛋白质一 般易于沉淀，但也可不变性而使蛋白质沉淀，在一定条件下，变性的蛋白质也可不发生 沉淀。 蛋白质所形成的亲水胶体颗粒具有两种稳定因素，即颗粒表面的水化层和电荷。若 无外加条件，不致互相凝集。然而除掉这两个稳定因素( 如调节溶液p h 至等电点和加入 脱水剂) 蛋白质便容易凝集析出。如将蛋白质溶液p h 调节到等电点，蛋白质分子呈等电 状态，虽然分子间同性电荷相互排斥作用消失了。但是还有水化膜起保护作用，一般不 致于发生凝聚作用，如果这时再加入某种脱水剂，除去蛋白质分子的水化膜，则蛋白质 分子就会互相凝聚而析出沉淀；反之，若先使蛋白质脱水，然后再调节p h 到等电点， 也同样可使蛋白质沉淀析出。 引起蛋白质沉淀的主要方法有下述几种： ( 一) 盐析( s a l t i n go u t ) 在蛋白质溶液中加入大量的中性盐以破坏蛋白质的胶体稳定性而使其析出，这种方 法称为盐析。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。各种蛋白质盐析时所需的盐 浓度及p h 不同，故可用于对混和蛋白质组分的分离。例如用半饱和的硫酸铵来沉淀出 血清中的球蛋白，饱和硫酸铵可以使血清中的白蛋白、球蛋白都沉淀出来，盐析沉淀的 蛋白质，经透析除盐，仍保证蛋白质的活性。调节蛋白质溶液的p h 至等电点后，再用 盐析法则蛋白质沉淀的效果更好。 ( 二) 重金属盐沉淀蛋白质 蛋白质可以与重金属离子如汞、铅、铜、银等结合成盐沉淀，沉淀的条件以p h 稍 大于等电点为宜。因为此时蛋白质分子有较多的负离子易与重金属离子结合成盐。重金 属沉淀的蛋白质常是变性的，但若在低温条件下，并控制重金属离子浓度，也可用于分 离制各不变性的蛋白质。 临床上利用蛋白质能与重金属盐结合的这种性质，抢救误服重金属盐中毒的病人， 给病人口服大量蛋白质，然后用催吐剂将结合的重金属盐呕吐出来解毒。 ( 三) 生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质 蛋白质又可与生物碱试剂( 如苦味酸、钨酸、鞣酸) 以及某些酸( 女n - - 氯醋酸、过氯 酸、硝酸) 结合成不溶性的盐沉淀，沉淀的条件应当是p h 小于等电点，这样蛋白质带正 电荷易于与酸根负离子结合成盐。临床血液化学分析时常利用此原理除去血液中的蛋白 质，此类沉淀反应也可用于检验尿中蛋白质。 ( g t ) 有机溶剂沉淀蛋白质 可与水混合的有机溶剂，如酒精、甲醇、丙酮等，对水的亲和力很大，能破坏蛋 白质颗粒的水化膜，在等电点时使蛋白质沉淀。在常温下，有机溶剂沉淀蛋白质往往引 6 第一章绪论 起变性。例如酒精消毒灭菌就是如此，但若在低温条件下，则变性进行较缓慢，可用于 分离制备各种血浆蛋白质。 ( 五) 加热凝固 将接近于等电点附近的蛋白质溶液加热，可使蛋白质发生凝固( c o a g u l a t i o n ) 而沉 淀。加热首先是加热使蛋白质变性，有规则的肽链结构被打开呈松散状不规则的结构， 分子的不对称性增加，疏水基团暴露，进而凝聚成凝胶状的蛋白块。如煮熟的鸡蛋，蛋 黄和蛋清都凝固。 蛋白质的变性、沉淀，凝固相互之间有很密切的关系。但蛋白质变性后并不一定 沉淀，变性蛋白质只在等电点附近才沉淀，沉淀的变性蛋白质也不一定凝固。例如，蛋 白质被强酸、强碱变性后由于蛋白质颗粒带着大量电荷，故仍溶于强酸或强减之中。但 若将强碱和强酸溶液的p h 调节到等电点，则变性蛋白质凝集成絮状沉淀物，若将此絮 状物加热，则分子间相互盘缠而变成较为坚固的凝块。 1 3 5 蛋白质的呈色反应 ( 一) 茚三酮反应( n i n h y d r i nr e a c t i o n ) a 一氨基酸与水化茚三酮( 苯丙环三酮戊烃) 作用时，产生蓝色反应，由于蛋白质是 由许多q 一氨基酸组成的，所以也呈此颜色反应。 ( - - ) 双缩脲反应( b i u r e tr e a c t i o n ) 蛋白质在碱性溶液中与硫酸铜作用呈现紫红色，称双缩脲反应。凡分子中含有两个 以上一c o n h 一键的化合物都呈此反应，蛋白质分子中氨基酸是以肽键相连，因此， 所有蛋白质都能与双缩脲试剂发生反应。 ( 三) 米伦反应( m i l l o nr e a c t i o n ) 蛋白质溶液中加入米伦试剂( 亚硝酸汞、硝酸汞及硝酸的混和液) ，蛋白质首先沉淀， 加热则变为红色沉淀，此为酪氨酸的酚核所特有的反应，因此含有酪氨酸的蛋白质均呈 米伦反应。 此外，蛋白质溶液还可与酚试剂、乙醛酸试剂、浓硝酸等发生颜色反应。 1 4 大豆蛋白的改性 大豆蛋白的功能性与其理化性质紧密相关。蛋白质理化性质包括分子量、氨基酸组 成及顺序、结构、表面静电荷与有效疏水性等。大豆蛋白的改性就是通过改变蛋白质的 一个或几个理化性能达到加强或改善蛋白质功能性的目的，抑制酶的活性或除去有害物 质达到除去异味和提高营养利用率的目的。大豆蛋白的改性方法有物理改性、化学改性、 酶改性以及生物工程改性1 1 3 , 1 4 j 。 1 4 1 大豆蛋白的物理改性 所谓物理改性是指利用热、电、磁、机械能等物理作用形式对大豆蛋白的功能特性 加以改善的方法，它具有费用低，无毒副作用，作用时间短以及对产品营养性能影响较 小等优点，物理改性方要用于大豆蛋白的增溶和凝胶【l5 1 。最常用的是加热改性法。适当 7 江南人学硕士学位论文 的热烘处理能提高大豆蛋白的表面活性和乳化性，这是由于大豆蛋白部分被展开，而导 致氨基酸的暴露，使其能在水油界面很好的定位，因此，热处理有利于凝胶作用i l6 。添 加增稠剂也能改善大豆蛋白的功能性。此外，大豆蛋白的物理改性方法还有超滤、低剂 量辐射及添加小分子双亲物质【l 4 。 1 4 2 大豆蛋白的化学改性 化学改性有广义与狭义之分，前者泛指利用所有的化学手段，例如p h 值、外加盐、 表面活性剂等，对蛋白质进行结构修饰；后者专指蛋白质化学衍生化，也就是利用特定 的化学试剂与蛋白质分子上特定基团进行反应【1 7 j 。大豆蛋白的化学改性的一个途径是通 过引入带负电荷的基团来改变蛋白质的等电点，增强改性后蛋白质的抗凝聚力，使蛋白 质在食品加工过程中适应性提高，在中性或微酸性介质中仍具有良好的溶解性，充分发 挥其功能特性。大豆分离蛋白的化学改性的另一个途径是大豆蛋白中引入一些含硫醇基 或二硫基的基团，提高大豆分离蛋白的强韧性、粘弹性和组织感。化学改性可以改善大 豆蛋白的功能和营养特性，其实质是通过改变蛋白质的结构、静电荷和疏水基，除去抗 营养因子，从而改善大豆蛋白的性质。图1 1 列举了一些化学改性的改性方法及反应基 团或方式【1 引。常见的化学改性还包括酸、碱、盐的对大豆蛋白的作用【19 1 、烷基化【2 0 1 、 氨基酸共价连接13 1 、酰基化、硫醇化【19 1 、磷酸化2 2 1 、胍基化【14 1 、糖基化【2 3 1 、等等。 一c 。- - o c h 3 o 烷基 卜 一c o o h - - p 0 2 2 一 图1 1 蛋白质常用的化学修饰方法 f i g u r e1 1t h ec o i t l m o nm e t h o do f c h e m i c a lm o d i f i c a t i o nt op r o t e i n 1 4 3 大豆蛋白的酶法改性 h 大豆蛋白的酶法改性是指通过蛋白酶的作用使大豆蛋白部分地降解，增加蛋白质分 子内或分子间的交联或连接特殊功能基团，从而使其功能特性发生相应的改变16 1 。根据 酶的来源不同，可以分为动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶。这些蛋白酶的来源 8 第一苹绪论 不同，底物专一性亦不相同，由于微生物蛋白酶来源丰富、产量较大且价格低廉，逐渐 成为其重要的工业用蛋白酶品种。 1 4 4 大豆蛋白的生物工程改性 基因工程改性是指应用植物育种和分子技术，改变蛋白质分子的结构，进而影响其 功能的方法。广义的基因工程改性包括基因重组、基因突变和染色体变异；狭义的基因 工程改性则是指基因的定点修饰【1 7 1 。 大豆蛋白质经改性后，其功能特性得到了显著地提高，一方面拓宽了大豆蛋白质的 应用领域，另一方面可以作为一些昂贵原材料的替代品，因此不论在食品工业还是在其 它的工业领域中，都具有十分广阔的应用前景。 1 5 大豆蛋白的工业应用 由于大豆蛋白具有一些优良性能和生物可降解性、用于合成高分子的设备上的可加 工性( 例如挤出和注塑的模具设备) 、所用材料同等的优良性能，尤其是在力学性能阻 隔性能和对水的敏感性方面及经济效益切实可行等优点，用于工业上的具有一定的优 势。 由于蛋白质的特殊功能性，使它比其他生物高分子更适合于一些精选的技术应用领 域。例如，由于蛋白质具有高度“湿黏性和稳定性，因此更适合制成胶粘剂，酪蛋白 等能在涂料中应用是基于其具有稳定乳液的能力，在涂料和薄膜开发过程中也大量利用 了蛋白质的成膜性能。 应用的例子：涂料、胶粘剂、表面活性剂、油漆和塑料添加剂。 造纸工业：蛋白质用作上浆剂、胶剂、胶粘剂( 酪蛋白，大豆蛋白) 。 照相产品：胶粘剂( 明胶) 。 汽车外壳：大豆蛋白塑料。 纤维：酪蛋白，大豆蛋白( 湿法纺丝) 。 化妆品：角蛋白、明胶、小麦谷蛋白的水解产物 香波：表面活性剂 大豆蛋白工业产品性能与结构的关联关系在表1 2 中做出了较详尽的说明2 4 1 。 9 江南人学硕上学位论文 表1 3 大豆蛋白工业产品的结构要求 t a b l e1 3t h es t r u c t u r er e q u i r e m e n to fs o yp r o t e i ni n d u s t r yp r o d u c t 1 6 蛋白质胶粘剂 蛋白质胶粘剂是以蛋白质作为主要原料的一种胶粘剂。按蛋白质原料的来源不同， 可分为动物性蛋白质胶粘剂( 如血胶，干酪素胶，皮骨胶等) 和植物性蛋白质胶粘剂( 如豆 粉胶，豆蛋白胶等) 两类1 2 5 1 。 蛋白质胶粘剂的性质，因所用的蛋白质原料的种类及蛋白质的含量而异。但总的来 说，这类胶粘剂的优点是：原料是可再生资源，对环境没有污染，调胶设备简单，调制和 使用方便，干状胶胶合强度较好，能满足一般室内使用的人造板及胶合制品的要求【2 酗。 这类胶的最大缺点是：大部分不耐水，不耐菌虫腐蚀【1 引。 作为木材胶粘剂，最基本的一点是对木材应有一定的胶合力，要达到这个目的，胶 粘剂应具备一些基本条件。 ( 1 ) 胶粘剂应具有极性 木材是极性物质，它的内部异性基团互相吸引，正负电荷抵消而呈饱和状态，它的 表面有部分极性基团未发挥作用。当有极性的胶粘剂与木材接触时，表面的极性基团进 行定向排列而互相吸引，使胶粘剂与木材有了牢固的结合条件【2 7 1 。 ( 2 ) 胶粘剂应具有适当的润湿性 液体在固体表面粘附的现象称为润湿。胶粘剂在完成胶合作用时，其分子必须对被 胶合物体的表面有一定的润湿、扩散能力，扩大胶合接触面，使胶液形成薄而均匀的胶 层，胶粘剂分子与被胶合物体表面的分子互相吸引，为达到良好胶合而创造必要的条件 1 2 8 o 胶粘剂的润湿性与胶粘剂的粘度有密切关系。胶粘剂的粘度体现了胶粘剂的内聚力 扩散能力。当粘度增加时，内聚力增大，减小了胶粘剂对物体表面润湿，因此，胶粘剂 的粘度增大润湿性减小。 l o 第一苹绪论 胶粘剂的润湿性影响胶层质量、胶液消耗量及胶合强度等。在胶合板胶合过程中， 胶的润湿性过大时，胶液的渗透力过强，会有过多的胶液渗到木材内部以致造成胶层缺 点及耗胶量过大等缺点。因此，在木材胶合过程中应根据胶合的对象及要求，选择具有 适当润湿性的胶粘剂，对保证木材的胶合质量有着重要的作用1 2 。 ( 3 ) 胶粘剂应具有适当的酸碱度( p h 值) 胶粘剂的酸碱度对胶合强度有很大影响。强酸性和强碱性的胶粘剂，都会降低木材 的力学性能，二者尤以强酸最甚。酸对木材有水解作用，严重地降低木材的机械强度。 当胶液的p h 在3 5 以下时，木材的胶合强度开始下降。因此，木材胶粘剂的p h 值不应低 于3 5 【2 7 1 。 蛋白质胶粘剂除了皮、骨胶可以不加成胶剂直接使用外，其它蛋白质胶粘剂均需在 蛋白质原料中加入成胶剂，经调制后才能使用。为了改善各种性能，还可以根据使用要 求，加入合适的助剂。 1 7 国内外植物蛋白作为胶粘剂的研究状况 目前，国内外用植物蛋白作为胶粘剂使用的报道比较少，主要集中在大豆蛋白上。 二十世纪二、三十年代，西方国家便开始了关于大豆蛋白作为胶合板胶粘剂的研究 【2 9 。在过去，胶合板胶粘剂是大豆产品的主要用途之一。o j o h n s o n 和i l a u c k s g d a v i d s o n 为d o u g l a s 杉木胶合板制造业提出大豆粕和大豆蛋白在胶粘剂方面的理论基础，这在2 0 世纪2 0 年代后期是经济可行的1 3 0 l 。l a u c k s 和他的公司雇用j o h n s o n ，购买了他的1 9 2 3 年 的专利并逐渐形成了另外的改善措施1 3 。l a u c k s 的胶，首次用从中国东北进口的大豆 压榨的豆饼制得的大豆粉配方而成的。1 9 7 6 年k a yl f r a n z e 和j o h ne k i n s e l l a 对大豆蛋白 质进行了琥珀酰化和乙酰化改性【3 引。1 9 9 5 年h e t t i a r a c h c h y 等人用碱改性和胰蛋白酶改性 大豆蛋白，发现用这两种改性方法，大豆蛋白胶粘剂的粘接强度和耐水性比未改性的蛋 白作胶粘剂都有了明显的提高，尤其是碱改性蛋白胶粘剂【3 3 】。1 9 9 9 年s u n 和b i a n 发现用 尿素对大豆蛋白改性制作胶粘剂比用碱改性的胶粘剂具有更强的耐水性【3 引。2 0 0 0 年 h u a n g 和s u n 用不同浓度的尿素和盐酸胍对大豆蛋白改性制作木材胶粘剂，结果表明尿素 和盐酸胍的浓度对蛋白质分子结构的展开有着明显的影响，这影响到胶粘剂的性质和功 能，h u a n g 和s u n 因而提出了蛋白质分子的部分展开与维持部分分子的二级结构有利于提 高其胶粘作用的理论假设【35 | 。2 0 0 0 年，h u a n g $ 1 s u n 还通过用不同浓度的十二烷基硫酸 钠( s d s ) 和十二烷基苯磺酸钠( s d b s ) 对s p i 改性用于制作木材胶粘剂【3 引。 除美国以外其它的国家也有这方面的研究。二十世纪七、八十年代日本也在这方面 做过研究。其中有1 9 7 5 年的淀粉、单宁、福尔马林聚合物和水溶蛋白制成的胶粘剂，具 有良好的抗水性 3 7 1 ，1 9 8 0 年的丙酮改性后的脲树脂、高温去脂大豆粕、氢氧化钙等形成 的防水胶粘剂，但其中蛋白质只是作为辅料，而合成树脂等仍为基料。1 9 7 9 年有关于大 豆粉作为基料的胶粘剂的报导【3 引。但是，酚醛类产品具有毒性较大的特点，对人体及环 境都有害，应尽量减少其使用【3 9 1 。对酪蛋白改性，加入防腐剂能提高免受潮气、真菌和 虫害的攻击，而c s 2 、z n o 等物质能提高其抗水性。硅酸钠能提高持水能力和粘度而延 江南人学硕1 ：学位论文 长胶的寿命；蛋白质变性剂、交联剂提高抗水性，控制粘度，防止蛋白质水解，保持其 性状稳定；而加入防腐剂能保护胶粘剂免受霉菌的攻击【3 9 1 。 国内关于这方面的研究比较少，北京农业大学薛培元( 1 9 5 2 ) 禾1 j 用豆粕作原料，用氢 氧化钠使部分蛋白质变性制成蛋白质溶胶，再配合消散剂有很好的有粘合木材的效用 1 3 5 , 4 0 】。还有用抗坏血酸、海藻酸钠对大豆蛋白改性，提高其粘度的报导【4 1 4 3 1 。 大豆胶粘剂独特之处在于它可以用热压也可以用冷压工艺。这种特性使得大豆胶粘 剂在二十世纪六十年代初期仍具有竞争力。以前许多木材胶合板的粘接都采用冷压工 艺，在粘合过程中需要大量的劳力。 目前世界上木材用胶粘剂占胶粘剂总量的2 3 ，而木材所用的胶粘剂主要有动物胶粘 剂、植物胶粘剂、无机胶粘剂和合成胶粘剂。制造胶合板使用的胶粘剂大部分是脲醛树 脂胶、酚醛树脂胶和豆蛋白胶。而脲醛树脂胶、酚醛树脂胶等合成胶的原料大都有毒性， 且大都来自不可再生资源石油，所以，大豆蛋白以其可再生和无毒无害的优点，自然 成为热门的研究对象 2 , 4 4 - 4 6 。 尽管d o u g l a s 杉木胶合板公司的大豆粉胶粘剂使用相对较成功，但仍有几种因素限 制其广泛使用和限制其今天的竞争力。用来分散蛋白的溶液是强碱性的，能使木材变色， 因此从未用在装饰木材方面，比如硬木家具，对于木材变色尤其需要考虑【47 1 。另一个可 见的局限性在于对微生物降解的敏感性。大豆胶易于发霉，尤其是在潮湿的环境中1 4 引。 目前原因还不太清楚，大豆粉制成的胶的粘接特性有很大的差异。为了减少不良的 影响，通常将几种不同途径得到的大豆粉相混合。理论上说，比大豆粉蛋白含量( 4 4 - - - 5 2 ) 高的产品，如浓缩蛋1 兰t ( 7 7 蛋白含量) 或分离蛋白( 9 0 蛋白含量) 能产生更好的粘 接性能r 4 9 , 5 0 。同酪蛋白相比较，大豆胶的优势在于其较低的价格和充足的供给；相对较 强的抗水性性能；缺乏粘稠性使胶表面和原料易于控制而提高工作效率；可在热、冷的 条件下抹丌或喷射；它粘合的薄木块能适应高水分含量而没有表面劈裂【5 1 1 。 以大豆粉为主和其它胶如酪蛋白、血、脲醛、酚醛胶按一定比例混合制成胶，大 豆粉降低了胶的成本，并表现出独特的性质。同血混合的胶表现出极好的粘接性，能改 善成型时间，同酪蛋白混合能提高水分的挥发速度【5 2 。 蛋白质胶的耐水性与其疏水性有一定的关系。一般来说，疏水性越高，胶的耐水性 越好【33 。疏水作用是一种配位体间非共价键相互作用，在天然蛋白质中，疏水键是疏水 侧链为了避开水相而群集在一起的一种相互作用1 35 1 。疏水作用对蛋白质的稳定性、构象 和蛋白质功能都具有重大意义。由于蛋白质是大分子结构，表面疏水性比整体疏水性对 蛋白质的功能影响更大 3 6 j 。表面疏水性影响分子间的相互作用，如蛋白质与蛋白质、蛋 白质与脂类等小配位体间的缔合作用或其它大分子间的相互作用。 为了产生较强的胶接能力，胶与木材之间应该是化学键结合，为了达到这个目的， 胶粘剂的分子结构必须是高度极性地与极性木材纤维相结合【2 5 1 。同样胶形成聚合体而降 低水溶解性和提高强度也是很重要的。尽管3 5 含量的碳水化合物可能对粘接起一定的 作用，通常还是认为在大豆粉中同木材相结合的主要成分是蛋白质1 5 3 1 。 1 2 第一章绪论 1 8 立题依据及研究内容 1 8 1 立题依据 大豆蛋白系天然蛋白质高分子，是一种可生物降解的有机材料。大豆蛋白胶粘剂具 有悠久的历史，1 9 2 3 年出现了第一篇关于大豆蛋白胶粘剂的专利，从此开始了现代大豆 蛋白胶粘剂的研究。近十几年来，由于全球石油资源的有限性以及合成树脂胶粘剂存在 大量有毒挥发性成分甲醛危害人类健康，大豆蛋白胶粘剂再次成为研究热点。纯