CN103214858A

CN103214858A - 一种大豆蛋白质纳米复合材料试片及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN103214858A
Application number: CN2013101312877A
Authority: CN
Inventors: 田华峰; 刘大刚; 罗军
Original assignee: HUIZHOU NUOYAWEI NANO ENVIRONMENTAL PROTECTION MATERIAL CO Ltd
Current assignee: HUIZHOU NUOYAWEI NANO ENVIRONMENTAL PROTECTION MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种大豆蛋白质纳米复合材料试片及其制备方法和用途。该大豆蛋白质纳米复合材料试片包括大豆蛋白质、Mg(OH)₂纳米粒子和增塑剂；Mg(OH)₂纳米粒子占Mg(OH)₂纳米粒子和大豆蛋白质总重量的5%-30%；增塑剂的重量为大豆蛋白质重量的30%-50%。本发明制备的豆蛋白质纳米复合材料试片性能优越，制备工艺简单，且绿色环保。

Description

一种大豆蛋白质纳米复合材料试片及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种大豆蛋白质纳米复合材料试片，具体涉及一种大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料试片。

背景技术

大豆蛋白质是豆油工业的副产品，其来源广泛且产量丰富，价格低廉，并且具有良好的生物活性和生物可降解性，目前主要应用于食品包装材料、可降解塑料制品、环保黏合剂以及食品工业等领域（Kumar R, Liu D, Zhang L, J. Biobased Mater. Bioenergy 2008, 2, 1-24.）。纯蛋白质不能塑化，通常需要加入小分子增塑剂来改善蛋白质的流动性和韧性。然而，加入增塑剂后，材料的力学强度降低（Liu D, Zhang L, Macromol. Mater. Eng. 2006, 291, 820-828）。因此增塑剂在改善材料韧性的同时降低了强度和耐水性。纳米复合可改善大豆蛋白质材料的力学性能。因此，制备大豆蛋白质纳米复合材料已成为大豆蛋白质应用开发的重要方面之一。陈谱发现了大豆蛋白质/氢氧化铝纳米复合材料（陈谱，大豆蛋白质塑料的结构和性能研究，武汉大学博士学位论文），将蛋白质分散于氯化铝水溶液中，缓慢滴加氨水可形成絮凝状复合物。然而，蛋白质与氢氧化铝形成絮凝状复合物后，氨水在氯化铝水溶液中难以分散均匀，阻碍纳米氢氧化铝均匀分散。且氨水可与氢氧化铝反应，生成复杂的氧化铝水合物而非简单的氢氧化铝。因此，大豆蛋白质/氢氧化铝纳米复合塑料中氧化铝水合物的准确成分难以确定，因此对整体复合材料的结构难以从Al的加入量中进行控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种结构明确、且力学性能更佳的大豆蛋白质纳米复合材料试片。

为了达到上述目的，本发明提供了一种大豆蛋白质纳米复合材料试片，包括大豆蛋白质、Mg(OH)₂纳米粒子和增塑剂；Mg(OH)₂纳米粒子占Mg(OH)₂纳米粒子和大豆蛋白质总重量的5%-30%（优选比例为15%-20%）；增塑剂的重量为大豆蛋白质重量的30%-50%。

其中，大豆蛋白质为大豆分离蛋白质或大豆浓缩蛋白质。增塑剂为甘油、甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、二乙醇胺、三乙醇胺、山梨醇、丙二醇，乙二醇或丙二醇。

本发明还提供了上述大豆蛋白质纳米复合材料试片的制备方法，包括以下步骤：

（1）将大豆蛋白质分散于氯化镁、硫酸镁或硝酸镁溶液中，剧烈搅拌，搅拌速度为100-800r/min，然后缓慢滴加氨水或NaOH溶液至pH=10，反应时间0.1-4h，得到含有絮凝物的溶液；

（2）向步骤（1）中得到的含有絮凝物的溶液中加入丙酮后，离心分离得到大豆蛋白质纳米复合材料；

（3）向步骤（2）制备的大豆蛋白质纳米复合材料中添加增塑剂，通过单螺杆或双螺杆挤出机挤出混合，螺杆转速在20~100rpm之间，螺杆挤出机从进料口到挤出模口的温度分别设置为60~90、80~120、100~160^oC；最后在90~150^oC、5~25Mpa下热压3~15min后得到所述大豆蛋白质纳米复合材料试片。

其中，氯化镁、硫酸镁或硝酸镁溶液的质量百分浓度为0.4%-3.5%。

本发明还提供了上述大豆蛋白质纳米复合材料试片在制备生物降解塑料、包装材料方面的应用。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1. 本发明中使用的材料均绿色环保可降解材料，同时制备过程在水体系下进行，无有机溶剂，无毒副作用，终端产品可以大量在食品包装、生物降解塑料制品等方面使用；

2. 本发明利用蛋白质上-OH，NH₂、-NH-CO-，-COOH等极性基团和Mg(OH)₂上OH之间的高亲和性和强氢键相互作用，首次在大豆蛋白质中原位生成纳米Mg(OH)₂，制备出这种高强度的生物降解材料，同时具有较高的耐水性和热稳定性；

3.本发明提供了一套利用简单的工艺、环保的过程和低廉的成本生产可生物降解的高强度大豆蛋白质材料的方法，在食品包装、可降解塑料产品等方面具有广阔的应用前景，可以有效地节约石油资源，减弱环境污染。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明大豆蛋白质纳米复合材料试片进行详细说明。

实施例1

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于0.43 wt %氯化镁溶液中200 ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL（丙酮的加入量可选氯化镁溶液、硫酸镁或硝酸镁溶液体积的0.5-1.5倍）后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例2

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于0.91wt%氯化镁溶液中200ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例3

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于1.44wt%氯化镁溶液中200ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例4

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于2.04wt%氯化镁溶液中200ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例5

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于2.72wt%氯化镁溶液中200ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例6

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于3.50wt%氯化镁溶液中200ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例7

将10g大豆浓缩蛋白质（SPC）分散于1.16 wt %硝酸镁溶液中200 ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料，Mg(OH)₂含量为5%。加入5g甲酰胺增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

实施例8

将10g大豆浓缩蛋白质（SPC）分散于0.54 wt %硫酸镁溶液中200 ml剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮100mL后，经过8000rpm离心和70^oC干燥，可得到大豆蛋白质/Mg(OH)₂纳米复合材料，Mg(OH)₂含量为5%。加入3g三乙醇胺增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

比较例1

未加纳米粒子的蛋白质塑料。

将10g大豆分离蛋白质（SPI）分散于200ml水中剧烈搅拌，缓慢滴加0.2 wt%氨水至pH=10。加入丙酮后，经过8000rpm离心和70^oC干燥。加入5g甘油增塑剂，通过单螺杆挤出机混合，螺杆转速在100rpm之间，单螺杆挤出机从进料口到挤出模口的三段温度分别设置为90、110、130^oC。最后在140^oC、20MPa热压5min后得到大豆蛋白质纳米复合材料试片。

比较例2

通过武汉大学博士学位论文“大豆蛋白质塑料的结构和性能研究”制备的8wt%AlCl₃加入量的大豆蛋白质/氧化铝水合物纳米复合材料试片。

由拉力试验机测得实施例1-8和比较例1和2制备的复合材料试片在RH=43%相对湿度下的拉伸强度(σ _b)、断裂伸长率(ε _b)和杨氏模量（E），如下表1所示。

表1 各实施例制备的复合材料试片的力学性能对比

Figure 2013101312877100002DEST_PATH_IMAGE002

从上表可以看出，本发明制备的大豆蛋白质纳米复合材料试片具有良好的强度和韧性，明显高于未复合的大豆蛋白质塑料，且优于大豆蛋白质/氧化铝水合物纳米复合材料试片。同时在Mg(OH)₂低含量量（5wt%）时，制备得到的复合材料试片的力学性能也高于三氯化铝最佳加入量（8wt%）时的力学性能。随着Mg(OH)₂含量的升高，拉伸强度(σ _b)和杨氏模量（E）不断提高，断裂伸长率(ε _b)随之降低；当Mg(OH)₂含量升高至20%后，拉伸强度(σ _b)随Mg(OH)₂含量的增高呈下降趋势；当Mg(OH)₂含量升高至30%后，杨氏模量（E）随Mg(OH)₂含量的增高呈下降趋势。由此可通过控制Mg(OH)₂含量，控制制备的大豆蛋白质纳米复合材料的力学性能，以满足实际使用的需求。

Claims

1.一种大豆蛋白质纳米复合材料试片，其特征在于：所述复合材料包括大豆蛋白质、Mg(OH)₂纳米粒子和增塑剂；所述Mg(OH)₂纳米粒子占Mg(OH)₂纳米粒子和大豆蛋白质总重量的5%-30%；所述增塑剂的重量为所述大豆蛋白质重量的30%-50%。

2.根据权利要求1所述的大豆蛋白质纳米复合材料试片，其特征在于：所述Mg(OH)₂纳米粒子占Mg(OH)₂纳米粒子和大豆蛋白质总重量的15%-20%。

3.根据权利要求1或2所述的大豆蛋白质纳米复合材料试片，其特征在于：所述大豆蛋白质为大豆分离蛋白质或大豆浓缩蛋白质。

4.根据权利要求1或2所述的大豆蛋白质纳米复合材料试片，其特征在于：所述增塑剂为甘油、甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、二乙醇胺、三乙醇胺、山梨醇、丙二醇，乙二醇或丙二醇。

5.一种如权利要求1或2所述的大豆蛋白质纳米复合材料试片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将大豆蛋白质分散于氯化镁、硫酸镁或硝酸镁溶液中，剧烈搅拌，搅拌速度为100-800r/min；然后缓慢滴加氨水或NaOH溶液至pH=10，反应时间0.1-4h，得到含有絮凝物的溶液；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述氯化镁、硫酸镁或硝酸镁溶液的质量百分浓度为0.4%-3.5%。

7.权利要求1或2所述大豆蛋白质纳米复合材料试片在制备生物降解塑料、包装材料方面的应用。