可生物降解大豆蛋白材料的改性研究

李君喜

摘 要：為了解大豆蛋白材料發(fā)展?fàn)顩r、推動(dòng)大豆蛋白材料工業(yè)化發(fā)展，本文簡(jiǎn)單介紹了一種可生物降解大豆蛋白材料的組成結(jié)構(gòu)與性能，并詳細(xì)對(duì)大豆蛋白材料的改性進(jìn)行論述，同時(shí)對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：生物降解;大豆蛋白材料;改性研究

Abstract：In order to better understand the development of soy protein material and promote the industrialization of soy protein material， the composition structure and performance application of a biodegradable soy protein material are briefly introduced， and the modification of soy protein material is discussed in detail，prospects for its development.

Key words：Biodegradation; Soybean protein material; Modification study

如今，各大合成纖維材料憑著優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了巨大影響。但是這些合成纖維材料對(duì)環(huán)境并不友好，例如大部分工程塑料（PVC、PE等）在自然條件下降解速度非常慢或難以自然降解，降解過程中產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康有很大威脅。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，環(huán)境問題也日益突出，這些不易降解的材料造成了土地污染、海水污染等，給生態(tài)平衡帶來了嚴(yán)重威脅。盡管目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可自然降解塑料的工業(yè)化生產(chǎn)，但是價(jià)格高，打擊了人們的使用熱情。因此，人們迫切需要找到一種價(jià)格低廉的環(huán)保型材料。大豆蛋白是一種對(duì)環(huán)境友好的可生物降解材料，原料豐富，可再生，功能多樣，因此人們對(duì)大豆蛋白進(jìn)行了深入研究。可生物降解材料不需要經(jīng)過人工處理，在自然界微生物的作用下可自動(dòng)分解而消失。研究大豆蛋白材料對(duì)循環(huán)利用資源、保護(hù)自然環(huán)境有著非凡的意義。

1 可生物降解大豆蛋白的結(jié)構(gòu)

大豆蛋白的原料是資源豐富的大豆，富含蛋白質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高。大豆蛋白的分類多種多樣，按照蛋白質(zhì)含量從低到高的順序?yàn)榇蠖沟鞍追郏⊿F）、大豆?jié)饪s蛋白（SPC）、大豆分離蛋白（SPI）3種。大豆蛋白的組成極為復(fù)雜，以氨基酸為基本單位以肽鍵連接而成：H2N-C（R1H）-C（O）-[-NH-C（RH）-C（O）-]n-NH-C（R2H）-C（O）–OH，含有-NH2、-COO-、CONH-等親水性基團(tuán)。

2 可生物降解大豆蛋白的性能應(yīng)用

大豆蛋白具有許多功能，大豆蛋白的界面性質(zhì)、水化性質(zhì)、蛋白質(zhì)相互作用相關(guān)性質(zhì)等對(duì)大豆蛋白的應(yīng)用有著重要作用。界面性質(zhì)包括乳化性和氣泡性等，大豆蛋白中含有大量親水性基團(tuán)和親油性基團(tuán)，能夠形成水油界面，有效阻隔氣泡的聚集和液滴的形成，根據(jù)大豆蛋白的乳化性，可以將其應(yīng)用于糕點(diǎn)、漿料的加工。水化性質(zhì)包括吸水性、黏度、溶脹、溶解性與分散性等，這與蛋白質(zhì)分子鏈上的極性基團(tuán)與水分子的作用相關(guān)，可以作為飲料的溶解劑、膠粘劑或涂料等。蛋白質(zhì)相互作用相關(guān)性質(zhì)包含沉淀、聚集和凝膠特性，可用于水體凈化或作為凝膠劑應(yīng)用于食品行業(yè)。大豆蛋白材料除了在工業(yè)涂料、粘膠劑和食品行業(yè)得到廣泛應(yīng)用外，由于其還具備較好的生物相容性和可加工性能，常用來生產(chǎn)生藥物載體、醫(yī)用敷料、組織構(gòu)架等生物醫(yī)學(xué)材料。

3 可生物降解大豆蛋白的改性研究

3.1 物理改性

物理改性是通過加熱、磁、作用力等物理手段來改變大豆蛋白質(zhì)分子間結(jié)構(gòu)。該方法通常不會(huì)破壞蛋白質(zhì)的初級(jí)結(jié)構(gòu)，具有成本低、反應(yīng)時(shí)間短、無害及不會(huì)對(duì)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)性能產(chǎn)生重大影響等優(yōu)點(diǎn)[1]。陳遠(yuǎn)翔[2]利用加熱技術(shù)及微波技術(shù)分別對(duì)SPC進(jìn)行物理改性，加熱改性下，SPC的吸水吸油性、乳化性能等功能特性得到明顯提高;微波技術(shù)改性可使起泡性明顯提高，但是并不能使吸油性提高;采用超聲處理SPI時(shí)，SPI的溶解性明顯提高，在不同濃度的NaCl溶液中的溶解性相差較大;SPI的凝膠性隨著超聲功率的增加而提高，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先降低后上升，由此可以發(fā)現(xiàn)，超聲處理?xiàng)l件不同，對(duì)大豆蛋白的功能特性影響也不同[3]。孫燕婷[4]等人采用超聲處理SPI，結(jié)果表明超聲處理可以顯著提高SPI的溶解性和乳化性，為拓寬其在食品工業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。兩者均表明超聲改性可使大豆蛋白產(chǎn)品性能提高，利用該方法處理的大豆蛋白可以廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域。

3.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是通過加入化學(xué)試劑使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、基團(tuán)等發(fā)生變化，從而改變大豆蛋白的性能特點(diǎn)。化學(xué)改性的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)效率快、應(yīng)用廣泛、效果明顯與過程簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是反應(yīng)過于劇烈，反應(yīng)副產(chǎn)物多，會(huì)殘留化學(xué)試劑，造成設(shè)備損壞?；瘜W(xué)改性的方法很多，有酸堿法、烷基化、酯化與磷酸化等，化學(xué)改性主要是對(duì)蛋白質(zhì)分子的側(cè)鏈進(jìn)行改造或者對(duì)蛋白質(zhì)分子的主鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。這些化學(xué)手段都可以使大豆蛋白的功能性和專一性增強(qiáng)，改善大豆蛋白的綜合性能。加入適當(dāng)?shù)膹?qiáng)堿能夠有效加強(qiáng)蛋白質(zhì)分子的相互作用，有利于形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。大豆蛋白分子羧基和疏水性基團(tuán)等的暴露，可改進(jìn)大豆蛋白材料耐水性差的缺點(diǎn)，用其生產(chǎn)的產(chǎn)品強(qiáng)度大、阻隔性較好。針對(duì)大豆蛋白塑料材料加工困難、力學(xué)性能較差的問題，楊振興[5]采用化學(xué)改性和填充改性的方法制備SPI、FF和RF復(fù)合材料，改性后的SPI復(fù)合材料較自然的SPI硬度、拉伸強(qiáng)度以及吸收性有了很大提高。馬力[6]采用3種不同的改性方法對(duì)大豆蛋白中的氨基和羧基進(jìn)行了化學(xué)改性，成功制備出3種具有不同力學(xué)性能的大豆蛋白膜材料，其力學(xué)性能性比未改性的大豆蛋白膜顯著提高。以上大豆蛋白改性化學(xué)方法能夠有效改善大豆蛋白的限制，拓寬大豆蛋白材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.3 酶改性

酶法改性是利用蛋白酶的催化作用，將蛋白質(zhì)大分子水解成肽等小分子，從而提高蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)，其凝膠性、乳化性、熱穩(wěn)定性等得到明顯改善。酶改性在比較溫和的條件下進(jìn)行，但是由于酶制劑價(jià)格高昂，給酶改性的應(yīng)用帶來了限制。天然的SPI黏度低、凝膠性差，不能滿足特定加工需求，必須對(duì)其進(jìn)行酶改性處理。酶處理后的大豆分離蛋白發(fā)生聚集，疏水性增加，從而形成凝膠，可以作為凝固劑應(yīng)用于食品加工中[7]。大豆分離蛋白可用于制備可食膜，大豆分離蛋白可食用膜營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且易被人體消化。但是大豆分離蛋白分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)環(huán)境敏感、容易滋生細(xì)菌與霉菌以及保質(zhì)期短等缺點(diǎn)抑制了其的廣泛應(yīng)用。2011年杜會(huì)云[8]利用酶改性大豆分離蛋白和添加天然抑菌劑，優(yōu)化工藝條件，克服了大豆分離蛋白可食膜的安全隱患，最終獲得機(jī)械性能優(yōu)良和抗菌性能好的大豆蛋白可食膜，進(jìn)一步促進(jìn)了大豆分離蛋白可食膜的研究和抗菌膜的工藝化生產(chǎn)。

3.4 共混改性

大豆蛋白的共混改性是指在大豆蛋白材料中加入填充料和其他聚合物。智軍麗[9]采用共混方法得到的PAS改性大豆蛋白可降解膜材料的透光性、機(jī)械性能及阻水性較好;添加了25% PAS的膜材料，在掩埋33 d后，降解度可達(dá)78.44%。研究證實(shí)了共混兩者制備的新型大豆蛋白材料具有用作可降解包裝材料的潛能，可以有效解決目前嚴(yán)重的白色污染問題。針對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上膠黏劑耐水性差、生產(chǎn)成本高的問題，張冰寒[10]使用適量無機(jī)填料對(duì)脫脂豆粉膠黏劑進(jìn)行增量改性，提高了膠黏劑的綜合性能，降低了膠黏劑的生產(chǎn)成本;研究中還發(fā)現(xiàn)，無機(jī)填料的種類和用量對(duì)脫脂豆粉膠黏劑的膠合性能、工藝性能和成本有著重要影響，其中以蒙脫土制備的無機(jī)填料WSP最佳，改善膠接耐水性的同時(shí)，降低膠黏劑的成本。

4 展望

大豆蛋白雖然是一種可自然降解、對(duì)環(huán)境友好的材料，其廣泛應(yīng)用可以減少石油化工塑料帶來的污染問題，但是與技術(shù)成熟的石油基聚合物相比，存在生產(chǎn)成本高、材料的加工流動(dòng)性、強(qiáng)度及疏水性較差以及工藝不完善等缺點(diǎn)，很大程度上抑制了大豆蛋白材料的發(fā)展。大豆蛋白材料來源廣泛、原料廉價(jià)、可再生，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著人們環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)可生物降解材料研究的不斷深入，必將克服目前大豆蛋白材料的問題，可生物降解聚合物取代傳統(tǒng)石油化工聚合物是未來的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜 鵬.大豆分離蛋白接枝改性研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[2]陳遠(yuǎn)翔.醇提濃縮大豆蛋白的物理改性[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[3]孫英杰.超聲波處理對(duì)大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)影響研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[4]孫燕婷，黃國(guó)清，肖軍霞，等.超聲處理對(duì)大豆分離蛋白溶解性和乳化活性的影響[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2011，26（7）：22-26.

[5]楊振興.大豆蛋白的化學(xué)改性及其復(fù)合材料的研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2011.

[6]馬 力.大豆分離蛋白的化學(xué)改性[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.

[7]臧學(xué)麗，劉 娟.大豆分離蛋白改性技術(shù)的研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)，2018（1）：62.

[8]杜會(huì)云.酶改性大豆分離蛋白抑菌膜的制備及性能研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[9]智軍麗.聚酰胺酸鹽共混改性大豆分離蛋白膜材料的制備與研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[10]張冰寒.大豆膠用脫脂豆粉的改性、應(yīng)用與作用機(jī)制[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2019.