離子液體中通過ATRP法制備大豆蛋白膠黏劑?

張澤宇 王 堡 林玥彤 劉笑航 龐久寅

（北華大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點實驗室，吉林省吉林市 132013）

近年來可再生資源的應(yīng)用備受關(guān)注[1]。大豆蛋白作為一種天然高分子可再生材料，在自然界中含量豐富，具有環(huán)境友好、生物相容性好等優(yōu)點，未來可代替化石原料[2-3]。隨著大豆分離蛋白纖維、膜及膠黏劑等以大豆分離蛋白為基質(zhì)的新產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用，大豆分離蛋白在材料行業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛[4-6]。然而，大豆蛋白分子內(nèi)及分子間肽鍵、二硫鍵、氫鍵、疏水作用力等價鍵的緊密連接，使相鄰的多肽鏈和自身多肽鏈相交形成緊密的球狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大豆蛋白的溶解性較低，活性基團被包埋，制約了大豆蛋白的改性及應(yīng)用研究[7]。

隨著人們對無污染清潔技術(shù)的日益關(guān)注，傳統(tǒng)有機試劑被視為具有危害的化學(xué)物質(zhì)。而離子液體作為一種不揮發(fā)、不可燃的新型綠色溶劑，對無機、有機化合物以及高分子材料具有良好的溶解性，可將植物蛋白、動物蛋白、纖維素等天然高分子材料溶解、再生以及利用其衍生化反應(yīng)[8-9]，并且離子液體具有強烈的氫鍵破壞能力，可破壞大豆蛋白復(fù)雜的球狀結(jié)構(gòu)[10]。

在離子液體中溶解和接枝改性大豆蛋白[11]，引入特定的功能基團，賦予大豆蛋白特定的功能特性，在新材料領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景[12-13]。接枝聚合是在大豆蛋白的表面引入各種功能性高分子，從而改善大豆蛋白的物理及化學(xué)性質(zhì)的有效手段[14-16]。目前聚合方法主要有離子型活性聚合[17]、基團轉(zhuǎn)移聚合[18]、等離子體聚合[19]、點擊化學(xué)[20]及自由基活性可控聚合[21-23]等。原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）通過利用活性種與休眠種之間的動態(tài)平衡，實現(xiàn)對聚合反應(yīng)的控制[24-27]，將甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）接枝到大豆蛋白分子表面。本研究以（2-溴異丁基）功能化大豆蛋白的大分子引發(fā)劑為ATRP的起始位點，以CuBr/PMDETA為催化劑體系，應(yīng)用ATRP技術(shù)制備大豆蛋白-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物（SPI-g-PGMA）。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆分離蛋白（SPI），蘇州美億辰生物科技有限公司；2-溴代異丁酰溴（純度98%）、N,N,N'，N″,N″-五甲基-二乙烯三胺（PMDETA，純度99%）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）、1-丁基-2,3-二甲基咪唑氯鹽、亞硫酸氫鈉（NaHSO3），阿拉丁工業(yè)公司；甲醇、4-二甲氨基吡啶（DMAP，純度99%）、四氫呋喃（THF），南京試劑化工有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、溴化亞銅（CuBr），上海麥克林生化科技有限公司；中性Al2O3柱，寧波鴻譜儀器科技有限公司。

1.2 設(shè)備

智能油浴鍋（DF-101S），力辰科技儀器有限公司；磁力攪拌器（JJ-1A），金壇市富華儀器有限公司；熱壓機（DQ），上海人造板機器廠；精密推臺踞（RT-SB 250 U），新馬木工機械設(shè)備有限公司；傅里葉紅外光譜儀（WQF-510A FT-IR），德國布魯克公司。

1.3 大豆蛋白預(yù)處理

首先將大豆分離蛋白分散于去離子水（1∶100，w/v）中，在溫度30 ℃下用磁力攪拌器攪拌30 min。然后將1 mg/mL的離子液體/4 %（質(zhì)量分數(shù)）的NaHSO3或兩者的混合物加入到懸浮液中，30 ℃攪拌2 h，最后將SPI懸浮液在轉(zhuǎn)速 3 000 r/min的條件下離心10 min，收集上清液冷凍干燥備用。在相同的條件下，以不含離子液體與亞硫酸氫鈉的磁性攪拌裝置處理為對照。

1.4 大豆蛋白大分子引發(fā)劑合成

取1.00 g 預(yù)處理后的大豆蛋白粉末和0.578 7 g DMAP溶解在20 mL無水DMF中并放置于冰水浴中，然后緩慢加入2-溴代異丁酰溴0.585 mL，在室溫下攪拌反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后將該反應(yīng)液滴入大量蒸餾水中，并用蒸餾水重復(fù)洗滌3～5 次，冷凍干燥得到大豆蛋白大分子引發(fā)劑（SPI-Br）。

1.5 大豆蛋白接枝共聚物合成

在100 mL的Schlenk瓶中加入 SPI-Br 32.8 mg、9 mL THF和1 mL DMF，在室溫下攪拌0.5 h，再加入配體PMDETA 10.8 mg、GMA 8.45 mL，經(jīng)過一段時間的充氮過程后，加入CuBr，再經(jīng)過一段時間的充氮后將其放入80 ℃的油浴中。反應(yīng)一段時間后反應(yīng)液通過中性Al2O3柱，再利用冷甲醇作為沉淀劑多次沉淀，冷凍干燥后得到接枝共聚物（SPI-g-PGMA）。

1.6 膠合板制備

三層膠合板：尺寸為 300 mm×300 mm，單板含水率為6%～8%，平均厚度為1.2 mm；手工涂膠，涂膠量為300～320 g /m2。室溫下陳化20 min，在單位壓力1.5 MPa、溫度為120 ℃、固化時間900 s下進行熱壓。室溫下放置3 d進行檢測。

1.7 膠合強度檢測

用游標卡尺檢查試件是否合格，按 GB/T 9846—2015《普通膠合板》中規(guī)定的Ⅱ類膠合板檢測方法測試膠合強度。

1.8 正交試驗設(shè)計

選擇L9(34)正交試驗方案設(shè)計正交試驗，以甲基丙烯酸縮水甘油酯質(zhì)量、溴化亞銅質(zhì)量、油浴時間為試驗因素，每個因素取3 個水平，如表1 所示。

表1 正交試驗因素和水平Tab.1 Factor and level of orthogonal experiment

1.9 傅里葉紅外光譜分析

將大豆蛋白、大豆蛋白大分子引發(fā)劑、大豆蛋白接枝共聚物干燥后用溴化鉀壓片法制備樣品，利用傅里葉紅外光譜儀進行光譜分析，波數(shù)為400～4 000 cm-1，掃描 32 次，分辨率4 cm-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理后大豆蛋白的結(jié)構(gòu)分析

大豆蛋白具有緊密球狀結(jié)構(gòu)，分子之間互相纏繞包裏，屏蔽了活性位點，加大空間位阻，不利于接枝反應(yīng)的進行。因此在大豆蛋白接枝改性前，先對其進行預(yù)處理，強化反應(yīng)活性。

圖1為未改性的大豆蛋白與經(jīng)過預(yù)處理的大豆蛋白的紅外光譜對比圖。對比可知，1 550 cm-1處連接氫鍵的N—H（O…H—NH）的彎曲振動吸收峰有所增加，這是由于1-丁基-2，3-二甲基咪唑氯鹽中N—H的存在會與大豆蛋白分子間形成部分氫鍵，而導(dǎo)致峰強增強。NaHSO3改性后的大豆蛋白在此處峰強度降低，說明存在氫鍵斷裂，為亞硫酸氫根的弱酸性起作用所致；1 710 cm-1處為大豆蛋白羧基（—COOH）中的羰基（—C==O）形成的氫鍵伸縮振動吸收峰，吸收峰的消失表明改性大豆蛋白成功。在3 400 cm-1處依舊由較為尖銳的特征峰形變化為較為平滑的吸收峰，表明硫酸氫鈉處理破壞了大豆蛋白原有分子內(nèi)的氫鍵結(jié)構(gòu)。比較未改性大豆蛋白，改性后的大豆蛋白，在2 360 cm-1處的吸收峰明顯顯現(xiàn)，這是由于大豆蛋白高級結(jié)構(gòu)展開程度加大，暴露了脯氨酸、組氨酸等，生成—NH+與—NH2+。并且亞硫酸氫鈉和離子液體共同處理對大豆蛋白的破壞程度更大，振動吸收峰更加明顯， 2 960 cm-1處端甲基的伸縮振動吸收峰更為顯著，說明大豆蛋白緊密的高級結(jié)構(gòu)展開，端甲基更為明顯。二硫鍵是影響大豆蛋白彎曲性、展開性和溶解度的主要分子作用力之一。NaHSO3是一種還原劑，可以加速展開并溶解球狀蛋白，有效地裂解二硫化物之間和內(nèi)部的鍵。在7S球蛋白的三級結(jié)構(gòu)中，半胱氨酸殘基側(cè)鏈兩兩結(jié)合，形成二硫鍵（—S—S—），11S球蛋白中半胱氨酸殘基側(cè)鏈一部分以二硫鍵形式存在，一部分以—SH形式存在，505～540 cm-1處特征峰的變化表示二硫鍵的斷裂情況，峰強度降低說明在NaHSO3作用下大豆蛋白的二硫鍵含量明顯降低。505 cm-1處二硫鍵（S—S）的振動吸收峰減弱，說明離子液體也可以幫助二硫鍵斷裂。破壞原本水分子間的全氫鍵水結(jié)構(gòu)，部分氫鍵結(jié)構(gòu)增多，原本水中較穩(wěn)定的四面體氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被打破。圖2 為未改性大豆蛋白（SPI）與預(yù)處理大豆蛋白（SPI）的接觸角。由圖可知，經(jīng)離子液體預(yù)處理的SPI（b）被破壞程度加大，親水性增強。SPI經(jīng)NaHSO3處理后（c），由于HSO3-呈酸性，溶液的pH降低，其α-螺旋結(jié)構(gòu)向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，α-螺旋結(jié)構(gòu)減少，表面暴露的疏水位點增多，疏水性增強，接觸角增大。混合處理的SPI(d)的接觸角在前述兩者之間，接觸角的變化也證明了大豆蛋白高級結(jié)構(gòu)被破壞。

圖1 大豆蛋白素材與預(yù)處理大豆蛋白的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of SPI and pre-modified SPI

圖2 大豆蛋白素材與預(yù)處理大豆蛋白的接觸角Fig.2 Contact angle between SPI and premodified SPI

2.2 SPI-g-PGMA膠合強度

由表2可知，反應(yīng)過程中，影響膠合強度的主要因素排序為油浴時間＞溴化亞銅＞甲基丙烯酸縮水甘油酯。在其他條件相同的情況下，因素的最佳組合為A2B2C3。確定優(yōu)化工藝參數(shù)為GMA 140 mL，CuBr 147.2 mg，油浴時間為3 h，此時膠的質(zhì)量較好，壓板效果較佳，膠合強度達到1.44 MPa，符合國家標準GB/T 9846—2015 Ⅱ類膠合板要求。

表2 正交試驗設(shè)計及膠合強度檢測結(jié)果Tab.2 Experimental design and test results of bonding strength

利用SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見表3。由表3可知，在95%置信區(qū)間內(nèi)，溴化亞銅的質(zhì)量和油浴時間的顯著性小于0.05，差異顯著，而甲基丙烯酸縮水甘油酯質(zhì)量的顯著性大于0.05，差異不顯著。比較而言，油浴時間對膠合強度的影響最大，其次是溴化亞銅的質(zhì)量。

表3 膠合強度檢測結(jié)果顯著性分析Tab. 3 Significance analysis of the test results of adhesive strength

2.3 紅外光譜分析

圖3為大豆分離蛋白（SPI）、大豆蛋白大分子引發(fā)劑（SPI-Br）及大豆蛋白甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物（SPI-g-PGMA）的紅外光譜對比圖。圖中a為SPI素材，b為SPI-Br，c為SPI-g-PGMA，624 cm-1處為C—Br的反式構(gòu)象伸縮振動吸收峰，939 cm-1和847 cm-1處為環(huán)氧基團的特征振動峰；1 159 cm-1和1 242 cm-1處為酯鍵的特征伸縮振動帶[—(C==O)O—]；1 740 cm-1有明顯的酯羰基伸縮振動峰（—C==O），GMA特征基團吸收峰的出現(xiàn)證明了SPI-g-PGMA的成功合成。

圖3 大豆蛋白素材、大豆蛋白大分子引發(fā)劑與大豆蛋白甲基丙烯酸縮水甘油酯的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of SPI、SPI-Br and SPI-g-PGMA

3 結(jié)論

本研究采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法，以CuBr/PMDETA作為催化劑體系，制備大豆蛋白-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物（SPI-g-PGMA），并檢測所得大豆蛋白膠黏劑的膠合強度。研究表明：離子液體預(yù)處理打開了大豆蛋白的高級結(jié)構(gòu)，增大了大豆蛋白的溶解性。大豆蛋白大分子引發(fā)劑及大豆蛋白甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物成功制備，并且在GMA 為140 mL，CuBr為147.2 mg，油浴時間為3 h時，用其壓制的膠合板性能較優(yōu)，膠合強度可達1.44 MPa，符合國家標準 GB/T 9846—2015 Ⅱ類膠合板要求。