CN111961349B - 一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法，包括如下组分：大豆分离蛋白、甘油、环氧大豆油Pickering乳液、氧化石墨烯量子点和分散介质水，相比于现有的大部分可再生复合材料，本发明的材料选用大豆蛋白为基质，具有原料来源广、可再生性强、绿色环保、价格低廉等特点，同时具有可调控的光致发光特性。

Description

一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域。具体地说是一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法。
背景技术
以石油化工产品为原料的聚合物材料已广泛应用于生活的各个方面。面对日益枯竭的石油资源，迫切需要开发自然资源来替代化石资源生产合成材料。大豆蛋白因其成本低、工艺简单、可生物降解、来源可持续等优点，被开发成可替代石化资源的功能材料，已广泛应用于组织工程、木材胶粘剂和包装材料等。大豆蛋白中含有芳香族氨基酸，是制备环保发光材料的天然资源。然而，大豆蛋白分子间的弱相互作用导致机械强度较差，严重限制了其实际应用。研究人员已经采用多种方法来改善蛋白质基复合材料的力学性能。然而，大多数方法都以降低材料的应变为代价。目前，制备高韧性、高断裂伸长率和高强度的蛋白质基复合材料仍然是一个挑战。
蜘蛛丝作为一种典型的生物材料，具有优异的高强度和高韧性，是自然界中最坚韧的材料之一。蜘蛛丝优异的力学性能主要是由于其蛋白质的二级结构由α-螺旋、无规则卷曲和β-片状晶体组成的链段共聚物构成，α-螺旋和无规卷曲提供了良好的弹性蛋白基体，由氢键结合的三维尺寸小于10nm的β-片状晶体是蜘蛛丝实现优良强度和韧性的关键。鉴于上述特点，将自然界的创造力运用到复合材料设计中，有望通过构建类似蜘蛛丝结构的特征组合来实现高拉伸强度、高断裂应变和高韧性的蛋白质基复合材料。
尺寸小于10nm的氧化石墨烯量子点是零维纳米材料，有望成为替代天然蜘蛛丝β-片状晶体的良好填料，提高聚合物的力学性能。此外，无规则长链结构能显著抑制聚合物的迁移率，促进聚合物网络的能量耗散，从而增强和硬化聚合物材料。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法，该方法工艺简单，原料易得，易于实施；所制备的大豆蛋白膜不仅具有可调控的光致发光特性，还可以作为超强韧蛋白质基复合材料使用。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，包括如下组分：大豆分离蛋白、甘油、环氧大豆油Pickering乳液、氧化石墨烯量子点和分散介质水。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，环氧大豆油Pickering乳液的制备方法为：首先，超声处理制备80毫升的羧基化纳米纤维素悬浮液，所述羧基化纳米纤维素悬浮液的质量分数为0.5wt％；随后，将20克环氧大豆油加入，并调整混合溶液的pH为7；最后，进行均质化处理，制备出环氧大豆油Pickering乳液。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，所述氧化石墨烯量子点的制备方法为：首先将2克柠檬酸放入坩埚中并加热至200℃，加热时间为5分钟，直到溶液变为橙色，然后使用质量分数为10wt％的NaOH溶液调节pH至7；最后通过10kDa分子量膜透析获得氧化石墨烯量子点。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，大豆分离蛋白为5重量份、甘油为0.75-1.25重量份、环氧大豆油Pickering乳液为1.25-3.75重量份、氧化石墨烯量子点为0.003-0.009重量份、分散介质水为95重量份。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，大豆分离蛋白为5重量份、甘油为1重量份、环氧大豆油Pickering乳液为2.5重量份、氧化石墨烯量子点为0.006重量份、分散介质水为95重量份。
一种高强度、光致发光大豆蛋白膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将大豆分离蛋白、甘油、环氧大豆油Pickering乳液、氧化石墨烯量子点和水按配比混合，搅拌10min；
(2)用浓度为0.1mol/L的NaOH溶液调节步骤(1)所得的混合液的pH至9.0，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制得的混合液在85℃下水浴加热30分钟，然后超声20分钟；
(4)将超声后的混合液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入65℃的真空干燥箱中干燥12小时后取出揭膜；
(5)将膜置于恒温恒湿干燥器中平衡24小时，最终获得高强度、光致发光大豆蛋白膜，温度为25℃，湿度为50％。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法，环氧大豆油Pickering乳液的制备方法为：首先，超声处理制备80毫升的羧基化纳米纤维素悬浮液，所述羧基化纳米纤维素悬浮液中的羧基化纳米纤维素质量分数为0.5wt％；随后，将20克环氧大豆油加入，并调整混合溶液的pH为7；最后，进行均质化处理，制备出环氧大豆油Pickering乳液。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法，氧化石墨烯量子点的制备方法为：首先将2克柠檬酸放入坩埚中并加热至200℃，加热时间为5分钟，直到溶液变为橙色，然后使用质量分数为10wt％的NaOH溶液调节pH至7；最后通过10kDa分子量膜透析获得氧化石墨烯量子点。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法，大豆分离蛋白为5重量份、甘油为0.75-1.25重量份、环氧大豆油Pickering乳液为1.25-3.75重量份、氧化石墨烯量子点为0.003-0.009重量份、分散介质水为95重量份。
上述一种高强度、光致发光大豆蛋白膜及其制备方法，大豆分离蛋白为5重量份、甘油为1重量份、环氧大豆油Pickering乳液为2.5重量份、氧化石墨烯量子点为0.006重量份、分散介质水为95重量份。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明为制备超强韧蛋白质基复合材料提供了一种简单有效的仿生方法，有助于拓宽大豆蛋白膜的应用领域，可用于制备固态荧光材料。
1、本发明的制备工艺简单，原料易得，易于实施。
2、相比于现有的大部分可再生复合材料，本发明的材料选用大豆蛋白为基质，具有原料来源广、可再生性强、绿色环保、价格低廉等特点，同时具有可调控的光致发光特性。
3、相比于现有的大部分大豆蛋白膜，本发明的大豆蛋白膜具有优异的力学性能。
4、本发明显著提高大豆蛋白膜的力学性能和使用寿命，极大拓宽大豆蛋白膜的应用范围，同时为固态荧光材料提供一个新的选择。
5、环氧大豆油Pickering乳液：为克服水相与油相不相容的问题，采用Pickering乳液模板。
环氧大豆油Pickering乳液中的羧基化纳米纤维素的目的是形成共价键/氢键网络结构。
氧化石墨烯量子点：三维尺寸小于10nm，受蜘蛛丝二级结构启发，成为替代β-片状晶体的良好填料，提高聚合物的力学性能。
附图说明
图1本发明实例1制备的高强度、光致发光大豆蛋白膜的红外光谱图；
图2本发明实例1制备的高强度、光致发光大豆蛋白膜的应力-应变曲线；
图3实例1制备的高强度、光致发光大豆蛋白膜在365nm紫外下产生具有荧光强度的照片。
具体实施方式
实施例1
(1)将5g大豆分离蛋白(购于山东香驰粮油有限公司)、1g甘油、2.5g环氧大豆油Pickering乳液、0.006g氧化石墨烯量子点和95g水混合，搅拌10min；
(2)用浓度为0.1mol/L的NaOH溶液将步骤(1)所得的混合液的pH调节至9.0，搅拌至均匀；
(3)将步骤(2)制得的溶液在85℃下水浴加热30分钟，然后超声20分钟；
(4)将超声后的混合液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入65℃的真空干燥箱中干燥12小时后取出揭膜；
(5)将膜置于恒温恒湿干燥器中平衡24小时，最终获得高强度、光致发光大豆蛋白膜，温度为25℃，湿度为50％。
其中：
环氧大豆油Pickering乳液的制备方法为：首先，超声处理制备80毫升的羧基化纳米纤维素悬浮液，所述羧基化纳米纤维素悬浮液的质量分数为0.5wt％；随后，将20克环氧大豆油加入，并调整混合溶液的pH为7；最后，进行均质化处理，制备出环氧大豆油Pickering乳液。其中羧基化纳米纤维素和环氧大豆油购于上海麦克林生化科技有限公司。
氧化石墨烯量子点的制备方法为：以柠檬酸为原料，采用热裂解方法制备。首先将2克柠檬酸放入坩埚中并加热至200℃，加热时间为5分钟，直到溶液变为橙色，然后使用质量分数为10wt％的NaOH溶液调节pH至7；最后通过10kDa分子量膜透析获得氧化石墨烯量子点。
实施例2
(1)将5g大豆分离蛋白、1g甘油、2.5g环氧大豆油Pickering乳液、0.003g氧化石墨烯量子点和95g水混合，搅拌10min；
(2)用0.1mol/L的NaOH溶液将步骤(1)所得的分散液的pH调节至9.0，搅拌至均匀；
(3)将步骤(2)制得的溶液在85℃下水浴加热30分钟，然后超声20分钟；
(4)将超声后的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入65℃的真空干燥箱中干燥12小时后取出揭膜；
(5)将膜置于恒温恒湿干燥器中平衡24小时，最终获得高强度、光致发光大豆蛋白膜，温度为25℃，湿度为50％。
环氧大豆油Pickering乳液的制备方法和氧化石墨烯量子点的制备方法与实施例1相同。
实施例3
(1)将5g大豆分离蛋白、1g甘油、2.5g环氧大豆油Pickering乳液、0.009g氧化石墨烯量子点和95g水混合，搅拌10min；
(2)用0.1mol/L的NaOH溶液将步骤(1)所得的分散液的pH调节至9.0，搅拌至均匀；
(3)将步骤(2)制得的溶液在85℃下水浴加热30分钟，然后超声20分钟；
(4)将超声后的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入65℃的真空干燥箱中干燥12小时后取出揭膜；
(5)将膜置于恒温恒湿干燥器中平衡24小时，最终获得高强度、光致发光大豆蛋白膜，温度为25℃，湿度为50％。
环氧大豆油Pickering乳液的制备方法和氧化石墨烯量子点的制备方法与实施例1相同。
结果与讨论
图1，实施例1制备的大豆蛋白膜的红外光谱图，其中出现了大豆分离蛋白和环氧大豆油的特征峰，此外出现了蓝移现象。表明环氧大豆油和氧化石墨烯量子点与大豆分离蛋白之间产生了作用。
图2，实施例1制备的大豆蛋白膜的应力-应变曲线，从图中可看出其具有高的拉伸强度和高断裂应变。
图3，实施例1制备的大豆蛋白膜在365nm紫外下产生具有荧光强度的照片。
同时设置对比例用于实施例1-实施例3中的力学性能和荧光性能。
对比例1：使用氧化石墨烯替代实施例1中氧化石墨烯量子点；
对比例2：使用纳米纤维替代实施例1中的环氧大豆油Pickering乳液中的羧基化纳米纤维素；
对比例3：使用甲壳素替代实施例1中的环氧大豆油Pickering乳液中的羧基化纳米纤维素；
试件 拉伸强度(MPa) 断裂伸长率％ 光致发光
实施例1 13.22 187 有
实施例2 12.02 247 有
实施例3 9.52 151 有
对比例1(氧化石墨烯) 5.89 110 无
对比例2(纳米纤维) 8 20 无
对比例3(甲壳素) 11.52 6.12 无
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，其特征在于，包括如下组分：大豆分离蛋白、甘油、环氧大豆油Pickering乳液、氧化石墨烯量子点和分散介质水；
环氧大豆油Pickering乳液的制备方法为：首先，超声处理制备80毫升的羧基化纳米纤维素悬浮液，所述羧基化纳米纤维素悬浮液中的羧基化纳米纤维素质量分数为0.5wt％；随后，将20克环氧大豆油加入，并调整混合溶液的pH为7；最后，进行均质化处理，制备出环氧大豆油Pickering乳液；
所述氧化石墨烯量子点的制备方法为：首先将2克柠檬酸放入坩埚中并加热至200℃，加热时间为5分钟，直到溶液变为橙色，然后使用质量分数为10wt％的NaOH溶液调节pH至7；最后通过10kDa分子量膜透析获得氧化石墨烯量子点；
大豆分离蛋白为5重量份、甘油为0.75-1.25重量份、环氧大豆油Pickering乳液为1.25-3.75重量份、氧化石墨烯量子点为0.003-0.009重量份、分散介质水为95重量份。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、光致发光大豆蛋白膜，其特征在于，大豆分离蛋白为5重量份、甘油为1重量份、环氧大豆油Pickering乳液为2.5重量份、氧化石墨烯量子点为0.006重量份、分散介质水为95重量份。
3.一种高强度、光致发光大豆蛋白膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将大豆分离蛋白、甘油、环氧大豆油Pickering乳液、氧化石墨烯量子点和水按配比混合，搅拌10min；
环氧大豆油Pickering乳液的制备方法为：首先，超声处理制备80毫升的羧基化纳米纤维素悬浮液，所述羧基化纳米纤维素悬浮液的质量分数为0.5wt％；随后，将20克环氧大豆油加入，并调整混合溶液的pH为7；最后，进行均质化处理，制备出环氧大豆油Pickering乳液；
氧化石墨烯量子点的制备方法为：首先将2克柠檬酸放入坩埚中并加热至200℃，加热时间为5分钟，直到溶液变为橙色，然后使用质量分数为10wt％的NaOH溶液调节pH至7；最后通过10kDa分子量膜透析获得氧化石墨烯量子点；
大豆分离蛋白为5重量份、甘油为0.75-1.25重量份、环氧大豆油Pickering乳液为1.25-3.75重量份、氧化石墨烯量子点为0.003-0.009重量份、分散介质水为95重量份；
(2)用浓度为0.1mol/L的NaOH溶液调节步骤(1)所得的混合液的pH至9.0，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制得的混合液在85℃下水浴加热30分钟，然后超声20分钟；
(4)将超声后的混合液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入65℃的真空干燥箱中干燥12小时后取出揭膜；
(5)将膜置于恒温恒湿干燥器中平衡24小时，最终获得高强度、光致发光大豆蛋白膜，其中恒温恒湿干燥器中，温度为25℃，湿度为50％。
4.根据权利要求3所述的一种高强度、光致发光大豆蛋白膜的制备方法，其特征在于，大豆分离蛋白为5重量份、甘油为1重量份、环氧大豆油Pickering乳液为2.5重量份、氧化石墨烯量子点为0.006重量份、分散介质水为95重量份。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Spider Silk Inspired Robust and Photoluminescent Soybean-Protein-Based Materials";Ying Zhou et al.;《Macromol. Mater. Eng.》;20210514;第306卷;第1-8页 *

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