CN111253760A - 一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，属于天然高分子基材料技术领域。本发明一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至一定pH值的缓冲液中，分别加入谷氨酰胺转胺酶和漆酶，在一定温度条件下反应一段时间，结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末；将蛋白粉体与一定比例甘油混合搅拌后置于模具中，在一定温度与压力下热压成型，制得改性蛋白塑料。

Description

一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法
技术领域
本发明涉及一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，属于天然高分子基材料技术领域。
背景技术
近年来，随着环境不断地恶化，石化等不可再生资源的枯竭，合成塑料污染问题日益受到人们的关注及担忧。一方面，人工合成塑料很难被自然生物降解，每年有大量合成塑料使用后被丢弃、集中填埋或焚烧；另一方面，作为塑料源材料的石油，其储量随人类使用正日益减少，资源匮乏也已成为人类迫在眉睫的问题。因此，人们开始不断寻求可生物降解塑料来替代化学塑料，并将目光重新集中于天然聚合物的研究与利用。
大豆蛋白作为一种可以通过人工大量种植获取的天然植物蛋白，具有可再生、全降解、无毒无害、质优价廉等优点，在绿色塑料的制造领域具有广阔的开发和应用前景。如Paetau等研究了pH值、含水量、工艺条件、交联试剂和填充剂对模压大豆蛋白塑料的机械特性、物理特性、形态学和生物降解特性的影响。多羟基醇(如甘油、丙二醇等)作为增塑剂对大豆蛋白塑料机械特性的影响亦有报道。
鱿鱼蛋白是来自鱿鱼体内的蛋白质提取物，具有很强的吸水性，吸水溶解后的鱿鱼蛋白具有很好的粘性。据国外最新研究报道称，鱿鱼蛋白质可用于制造纤维、涂料、塑料等产品，且这些产品可完全被生物降解，并能成为很好的塑料替代品。
但目前蛋白质塑料的机械性能、阻隔性能、吸水率及透光率等指标仍不能满足使用要求，在以上性能的改善方面仍有许多亟待解决的问题。人们尝试利用物理、化学、生物等方法对上述蛋白进行改性，从而有效提高蛋白塑料的应用价值。
近年来，世界上许多国家在大豆蛋白的改性修饰方面做了大量的工作，改性方法涵盖物理、化学和生物等手段。物理改性是利用电、热、磁、机械能等物理作用的形式来改变大豆蛋白的分子间聚集方式和高级结构，一般不涉及蛋白质一级结构的变化，常用方法有超声改性、超高压改性、热处理、微波改性等。化学改性是指以大豆蛋白中的反应性基团(如氨基、羟基、疏基、酚基、羧基等)为反应位点，改变蛋白质的化学结构，主要包括糖基化、酰化、脱酰胺化、磷酸化等方法。生物酶法改性是指在酶的作用下蛋白质降解或交联聚合成理化性质改善的功能性蛋白的过程，可改变蛋白质的初级结构。与物理和化学法改性相比，酶法改性反应过程温和、作用专一且易于控制，不会破坏蛋白质原有功能性质，最终产物可通过选择特定的酶和反应因素加以控制，因而逐渐成为蛋白质清洁加工与改性的研究热点和主导方向。该方法目前研究应用较多的是蛋白酶催化水解及谷氨酰胺转胺酶催化交联。
然而，上述方式仍存有缺陷，具体概括为以下三方面：
(1)经蛋白酶催化水解后蛋白质大分子的分子量降低，所成蛋白塑料的机械强度较低。
(2)经谷氨酰胺转胺酶催化交联后蛋白质的分子量大幅提高，蛋白塑料对机械力的破坏具有较强的抵抗能力，但受限于交联键合方式，所成塑料脆性大、柔韧性较差。
(3)蛋白质亲水性较强，使得蛋白塑料的耐湿性较差，遇水易引起材料溶胀变形甚至溶解。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，该方法可避免单一酶改性仅提高蛋白塑料个别性能指标而其他方面改善不佳甚至下降的弊端，结合多种生物酶的催化特性和改性效果，赋予蛋白塑料优良的应用机械特性和耐水性，是针对生物塑料用蛋白质类天然聚合物的一种催化效率高、作用条件温和、生态环保型的加工改性方法。
具体地，本发明是通过以下方案实现的：
一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至一定pH值的缓冲液中，分别加入谷氨酰胺转胺酶和漆酶，在一定温度条件下反应一段时间，结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末；将蛋白粉体与一定比例甘油混合搅拌后置于模具中，在一定温度与压力下热压成型，制得改性蛋白塑料。所述漆酶为中性漆酶或酸性漆酶中的一种。
一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至pH值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2％-10％(质量分数)，同时加入0.4-2g/L的谷氨酰胺转胺酶和1-10U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-8h，结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末。所述漆酶为中性漆酶中的一种。(即一浴一步法，该方法处理简单、但可能存在两种酶催化作用互相影响的情况)
一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至pH值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2％-10％(质量分数)，首先加入1-10U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-7h，而后再加入0.4-2g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-7h；或者，首先加入0.4-2g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-7h，而后再加入1-10U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-7h；反应结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末。所述漆酶为中性漆酶中的一种。(即一浴二步法，该方法操作步骤较为简单，能够降低两种酶作用互相影响的风险)
一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至pH值为3.5-5.5的醋酸盐缓冲液中，浓度为2％-10％(质量分数)，加入1-4U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-8h，用磷酸盐缓冲液将pH值调至6-8，而后加入0.2-1g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-8h；或者，将蛋白均匀分散至pH值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2％-10％，加入0.2-1g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-8h，用醋酸盐缓冲液将pH值调至3.5-5.5，而后加入1-4U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-8h；反应结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末。所述漆酶为酸性漆酶中的一种。(即二浴二步法，该方法操作较为复杂，但可完全避免两种酶催化作用互相影响的情况)
所述蛋白基生物塑料的制备步骤为：将所得改性蛋白粉体与5％-40％的甘油混合搅拌后置于模具中，在100-140℃温度、5-20MPa压力下热压2-10min，制得改性蛋白塑料。
所述蛋白质为大豆蛋白或鱿鱼蛋白中的任意一种。
所述大豆蛋白为大豆粉、大豆浓缩蛋白或大豆分离蛋白中的任意一种。
其中，谷氨酰胺转胺酶(简称TG酶)能催化蛋白质大分子中谷氨酰胺剩基上的γ-羧酰胺基和赖氨酸剩基上的ε-氨基发生酰基转移反应，形成大分子间ε-(γ-谷胺酰)赖氨酸异肽键共价交联，在食品、医药、化妆品、纺织等领域具有重要的潜在应用价值，被誉为“21世纪超级粘合剂”，它几乎可以催化所有蛋白质发生交联反应，以改善其理化性质，增加其使用价值。TG酶对大豆分离蛋白和鱿鱼蛋白亦表现出较强的催化聚合能力，改性后的蛋白质塑料的机械强度显著提高，同时蛋白质大分子上亲水性的游离酰胺基与氨基基团被交联反应消耗因而含量降低，使得成型蛋白塑料的耐水性亦有所提升。
漆酶是一种含铜的多酚氧化酶，作用底物主要有酚类、芳香胺和脂肪胺类及其衍生物等，可催化氧化底物形成自由基中间体，进而发生偶联、聚合及化学键断裂、高分子解聚等反应。大豆蛋白和鱿鱼蛋白中的酪氨酸含有酚羟基基团，赖氨酸和色氨酸含有氨基基团，因而是漆酶的合适底物，经漆酶催化亦可实现上述蛋白的分子内或分子间交联。因交联成键方式与谷氨酰胺转胺酶催化(形成肽键)不同，为芳香环与氨基之间的键合，故而所成蛋白塑料的弹性高、柔韧性较强。同时蛋白质大分子上亲水性的酚羟基与氨基基团被交联反应消耗因而含量降低，使得成型蛋白塑料的耐水性亦有所提升。
发明人对蛋白基生物塑料制备的具体工艺过程进行实验，结果表明：将所得改性蛋白粉体与5％-40％的甘油混合搅拌后置于模具中，在100-140℃温度、5-20MPa压力下热压2-10min，制得改性蛋白塑料。
上述处理过程中，所述蛋白质为大豆蛋白或鱿鱼蛋白中的任一种；所述大豆蛋白为大豆粉、大豆浓缩蛋白或大豆分离蛋白中的任一种；所述漆酶为中性漆酶或酸性漆酶中的任一种。
本申请的工作原理和有益效果分析如下：
本申请结合谷氨酰胺转胺酶与漆酶对蛋白质类物质的催化特性和改性效果，使蛋白分子内和分子间发生交联，提高分子量，且拥有多种交联键合方式，同时亲水性基团因反应被部分消耗，从而赋予蛋白塑料优良的应用机械特性和一定的耐水性。
(1)本申请采用生物酶催化的方法实现蛋白物质的共价交联，既提高了蛋白基生物塑料的各项应用性能，又具有底物选择性强、催化效率高、作用条件温和、加工过程环境友好、无化学有害残留等传统物理法和化学法改性不可比拟的优点，对于全降解、无添加生物高分子材料具有重要的实用意义。
(2)本申请采用的多酶协同催化改性方法可避免单一酶催化改性仅提高蛋白基塑料个别性能指标而其他方面改善不佳甚至下降的弊端，如仅经谷氨酰胺转胺酶催化交联，蛋白塑料的机械强度明显提高，但柔韧性变差；仅经漆酶催化交联，蛋白塑料的弹性与柔韧性大幅增强，机械强度变化不大。
具体实施方式
以下分别以大豆分离蛋白、鱿鱼蛋白为代表，采用一浴一步法或二浴二步法对本方案进行具体诠释。
实施例1：大豆分离蛋白
采用一浴一步法进行反应，将大豆蛋白均匀分散至pH值为7的磷酸盐缓冲液中，浓度为5％(质量分数)，同时加入1g/L的谷氨酰胺转胺酶和10U/mL的漆酶，在37℃温度条件下反应8h，结束后冷冻干燥得到改性大豆蛋白粉末。
将所得改性大豆蛋白粉体与30％的甘油混合搅拌后置于模具中，在130℃温度、20MPa压力下热压10min，制得改性大豆蛋白基生物塑料。
经过上述改性处理后制得的大豆蛋白基生物塑料，拉伸强力提升82.8％，断裂伸长率提升近两倍，吸水溶胀率降幅为30.2％，与未改性大豆蛋白基生物塑料相比，具有更为优异的应用机械性能(尤其是强度方面)和一定的耐水性。
表1改性前后大豆蛋白基生物塑料的拉伸性能与耐水性
大豆蛋白基生物塑料 拉伸强力(N) 断裂伸长率(％) 吸水后溶胀率(％)
多酶协同催化改性 180.6±8.4 7.6±0.8 49.1±0.3
未改性 98.8±2.4 2.6±0.3 70.3±0.6
实施例2：大豆分离蛋白
采用二浴二步法进行反应，将大豆蛋白均匀分散至pH值为7的磷酸盐缓冲液中，浓度为5％(质量分数)，加入1g/L的谷氨酰胺转胺酶，在37℃温度条件下反应1h，用醋酸盐缓冲液将pH值调至4.5，而后加入1U/L的漆酶，在50℃温度条件下反应4h；反应结束后冷冻干燥得到改性大豆蛋白粉末。
将所得改性大豆蛋白粉体与30％的甘油混合搅拌后置于模具中，在130℃温度、20MPa压力下热压10min，制得改性大豆蛋白基生物塑料。
经过上述改性处理后制得的大豆蛋白基生物塑料，拉伸强力提升46.1％，断裂伸长率提升近11倍，吸水溶胀率降幅为26.9％，与未改性大豆蛋白基生物塑料相比，具有更为优异的应用机械性能(尤其是韧性方面)和一定的耐水性。
表2改性前后大豆蛋白基生物塑料的拉伸性能与耐水性
大豆蛋白基生物塑料 拉伸强力(N) 断裂伸长率(％) 吸水后溶胀率(％)
多酶协同催化改性 144.3±8.3 31.4±0.4 51.4±0.7
未改性 98.8±2.4 2.6±0.3 70.3±0.6
实施例3：鱿鱼蛋白
采用一浴一步法进行反应，将鱿鱼蛋白均匀分散至pH值为7的磷酸盐缓冲液中，浓度为10％(质量分数)，同时加入0.4g/L的谷氨酰胺转胺酶和6U/mL的漆酶，在37℃温度条件下反应8h，结束后冷冻干燥得到改性鱿鱼蛋白粉末。
将所得改性鱿鱼蛋白粉体与5％的甘油混合搅拌后置于模具中，在105℃温度、13.5MPa压力下热压5min，制得改性鱿鱼蛋白基生物塑料。
经过上述改性处理后制得的鱿鱼蛋白基生物塑料，拉伸强力提升92.8％，断裂伸长率提升1倍多，吸水溶胀率降幅为31.7％，与未改性鱿鱼蛋白基生物塑料相比，具有更为优异的应用机械性能(尤其是强度方面)和一定的耐水性。
表3改性前后鱿鱼蛋白基生物塑料的拉伸性能与耐水性
鱿鱼蛋白基生物塑料 拉伸强力(N) 断裂伸长率(％) 吸水后溶胀率(％)
多酶协同催化改性 88.1±6.1 7.9±0.3 61.3±0.6
未改性 45.7±3.5 3.8±0.4 89.7±0.2
实施例4：鱿鱼蛋白
采用二浴二步法进行反应，将鱿鱼蛋白均匀分散至pH值为7的磷酸盐缓冲液中，浓度为10％(质量分数)，加入0.3g/L的谷氨酰胺转胺酶，在37℃温度条件下反应4h，用醋酸盐缓冲液将pH值调至4.5，而后加入2U/L的漆酶，在50℃温度条件下反应4h；反应结束后冷冻干燥得到改性鱿鱼蛋白粉末。
将所得改性鱿鱼蛋白粉体与5％的甘油混合搅拌后置于模具中，在105℃温度、13.5MPa压力下热压5min，制得改性鱿鱼蛋白基生物塑料。
经过上述改性处理后制得的鱿鱼蛋白基生物塑料，拉伸强力提升58％，断裂伸长率提升近2倍，吸水溶胀率降幅为30.9％，与未改性鱿鱼蛋白基生物塑料相比，具有更为优异的应用机械性能(尤其是韧性方面)和一定的耐水性。
表4改性前后鱿鱼蛋白基生物塑料的拉伸性能与耐水性
鱿鱼蛋白基生物塑料 拉伸强力(N) 断裂伸长率(％) 吸水后溶胀率(％)
多酶协同催化改性 72.2±4.8 11.5±0.4 62.0±0.3
未改性 45.7±3.5 3.8±0.4 89.7±0.2
以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至一定pH值的缓冲液中，分别加入谷氨酰胺转胺酶和漆酶，在一定温度条件下反应一段时间，结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末；将蛋白粉体与一定比例甘油混合搅拌后置于模具中，在一定温度与压力下热压成型，制得改性蛋白塑料。
2.如权利要求1所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至pH值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2%-10%，同时加入0.4-2 g/L的谷氨酰胺转胺酶和1-10 U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-8 h，结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末。
3.如权利要求1所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于，其处理步骤为：将蛋白均匀分散至pH值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2%-10%，首先加入1-10 U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-7 h，而后再加入0.4-2 g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-7 h；或者，首先加入0.4-2 g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-7 h，而后再加入1-10 U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-7 h；反应结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末。
4.如权利要求1所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于，其处理步骤为：将蛋白均匀分散至pH值为3.5-5.5的醋酸盐缓冲液中，浓度为2%-10%，加入1-4 U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-8 h，用磷酸盐缓冲液将pH值调至6-8，而后加入0.2-1 g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-8 h；或者，将蛋白均匀分散至pH值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2%-10%，加入0.2-1 g/L的谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-8 h，用醋酸盐缓冲液将pH值调至3.5-5.5，而后加入1-4 U/L的漆酶，在30-50℃温度条件下反应1-8 h；反应结束后冷冻干燥得到改性蛋白粉末。
5.如权利要求1所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于，所述蛋白基生物塑料的制备步骤为：将所得改性蛋白粉体与5%-40%的甘油混合搅拌后置于模具中，在100-140℃温度、5-20 MPa压力下热压2-10 min，制得改性蛋白塑料。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于：所述蛋白质为大豆蛋白或鱿鱼蛋白中的任意一种。
7.如权利要求6所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于：所述大豆蛋白为大豆粉、大豆浓缩蛋白或大豆分离蛋白中的任意一种。
8.如权利要求1-3中任意一项所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于：所述漆酶为中性漆酶中的一种。
9.如权利要求1或4中任意一项所述的一种多酶协同处理制备交联蛋白基生物塑料的方法，其特征在于：所述漆酶为酸性漆酶中的一种。
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