CN112062994A

CN112062994A - 一种蛋清生物塑料、制备方法及其应用

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Publication number: CN112062994A
Application number: CN202010943748.0A
Authority: CN
Inventors: 张雨青; 董璇; 王海燕; 张萌; 钟志豪; 卫正国; 赵书祥; 王恒达; 翁渝洁
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: CN112062994B

Abstract

本发明公开了一种蛋清生物塑料、制备方法及其应用。将蛋清液进行高速剪切和离心纯化处理后的均质蛋清液置于模具中，经热处理制成蛋清水凝胶，脱水干燥形成透明的蛋清凝胶玻璃，再经高温处理制成一种水不溶、半透明、柔软、弹性、机械性能良好的蛋清生物塑料，其湿态拉伸强度达到5.0MPa，断裂伸长率可达到93%，溶胀率可达到85%；在蛋清生物塑料上人L929细胞可着生和良好生长。本发明通过绿色的加工工艺将蛋清蛋白加工成一种新颖的蛋清生物材料，在可穿戴电子器件、医用3D组织工程材料如筋键、软组织、人工皮肤、体内植入物等，具有潜在的应用。

Description

一种蛋清生物塑料、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种蛋清生物塑料、制备方法及应用。

技术背景

蛋白质基生物材料由于蛋白多级结构的存在，往往具有柔韧性好、生物相容性较优等特性，但蛋白基生物材料也存在明显的不足，如机械强度较低、热封性能差等。所以，具有出色的机械强度和功能特性的蛋白质基生物材料的开发仍是生物材料科学的热点。目前受到广泛重视的是那些纤维蛋白，例如弹性蛋白、角蛋白、胶原蛋白、蚕丝和蜘蛛丝蛋白，被广泛用于制造材料，而水溶性球状蛋白则较少重视。

蛋清蛋白作为人类最常食用的一类富含营养的食品，是一种水溶性的球状蛋白的混合物，它主要由54%卵白蛋白、12%卵转铁蛋白、11%卵类粘蛋白、3.4%溶菌酶、3.5%卵粘蛋白等多种蛋白组成。蛋清蛋白因具有多种良好的性能如起泡、乳化、热定型、胶凝化等特性，在食品工业上应用很广泛。但是作为可食用包装膜、可穿戴电子产品、药物缓释载体、生物材料特别是医用组织工程材料等加以研究和开发利用还刚刚起步。

在本发明作出之前，中国发明专利CN110437626A公开了一种蛋清蛋白-卡拉胶复合膜及其制备方法和应用，其技术方案是将κ-卡拉胶水溶液边搅拌边与蛋清和甘油混合，于60℃水浴加热30 min就可制成一种蛋清-卡拉胶甘油复合膜，它的抗拉强度21.5 MPa，断裂延长率12%。这种蛋清复合膜可以替代普通塑料膜，大大地拓展了可食膜的应用范围。应用于食品包装能被人们广泛的接受，不仅可食用而且能够在自然条件下降解，还能提高可食膜包装的营养价值。

中国发明专利CN105296417B公开了一种新型改性蛋清细胞培养支架材料的制备方法及应用，以甲基丙烯酸缩水甘油酯和水性环氧树脂混合体作为接枝单体，进行蛋清接枝共聚的改性而制备一种木材胶黏剂，主要具有不含甲醛、良好耐水性、制备成本低廉等的优点。

中国发明专利CN108084466A公开了一种基于蛋清和甲基丙烯酸衍生化聚合物的复合膜及其在培养干细胞方面的应用，通过京尼平交联剂的改性制备的蛋清支架材料硬度可控，其所形成的皱褶和孔洞利于细胞的黏附生长。当30%～70%蛋清和甲基丙烯酸衍生化聚合物合成的一种复合膜可用于干细胞的培养。该复合膜的弹性模量为0.5～1000 MPa，断裂时压缩率为25%～90%，呈均匀的孔状结构，有着良好的力学性能和生物学性能，更为适宜干细胞的黏附生长与增殖。

中国发明专利CN106309383A公开了一种基于蛋清的药物微载体及其制备方法，通过微流控装置乳化含有药物的蛋清溶液获得蛋清液滴模板，再利用化学或物理方法将模板固化获得一种新的蛋清药物微载体。在体内这种载体可被蛋白酶降解，同时实现药物的缓释，所以，蛋清是制备药物微载体的理想材料。

中国发明专利CN109395080A公开了一种多功能蛋清蛋白凝胶及其制备方法，利用磁力搅拌使盐酸多巴胺粉末完全溶解于蛋清溶液中，直至发生自聚合而变黑生成一种新的光热材料聚多巴胺，然后将化疗药物分散于这种混合溶液中，加热凝固，得到负载有光热材料和化疗药物的蛋清凝胶。这种多功能蛋清凝胶具有优越的光热转化能力、计算机断层扫描成像和光声成像能力，能有效地控制化疗药物的释放。

中国发明专利CN103979530A公开了一种以鸡蛋蛋清为原料制备电化学电容器用多孔炭的方法，通过加入中性盐或有机溶剂而析出蛋清蛋白，经高温预炭化可以得到炭前驱体，再通过碱金属氢氧化物的活化，最终得到可用制造高性能超级电容器的多孔炭材料。这种多孔炭材料具有丰富的微/介孔多级孔结构、高比表面积及优良的电化学电容性能，在电化学、电容器领域将具有广泛的应用前景。

中国发明专利CN109860389A公开了一种光电双控的柔性蛋清忆阻器可以在数据存算一体化中应用。这种忆阻器可以满足数据处理和存储同时进行，这为下一代新电子器件提供了新的技术储备。

中国发明专利CN106371289B公开了鸡蛋清稀薄蛋白作为光刻胶的应用，蛋清稀液通过旋涂覆盖在基材上作为一种绿色环保的生物光刻胶。经曝光之后仅需用水就能显影，通过紫外光或电子束强度和辐射时间的调节，就可以制造阳性或阴性的蛋清光刻胶微图案。

现有技术还报道了在蛋清溶液中通过添加一种类似聚乙二醇结构的离子型表面活性剂，制备一种高强度机械性能的蛋清凝胶材料（参见文献：Nojima T, Iyoda T. Eggwhite-based strong hydrogel via ordered protein condensation. NPG Asia Mater.2018;10(1): e460-6.）。这种蛋清水凝胶的最大抗压断裂强度为34.5 MPa，比通过煮沸制备的蛋清凝胶高150倍，几乎与化学合成的强力水凝胶的抗压强度相当。

上述蛋清材料的研究和开发，存在着与其它材料混合，或者加入添加剂、交联剂等进行反应而制成蛋清复合材料，有关仅以蛋清为原料开发具有柔软性和弹性、良好机械性能的生物材料特别是医用3D组织工程材料的研究和开发还显不足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种绿色加工、具有较强拉伸性能、可生物降解的蛋清生物塑料、制备方法和应用。

实现本发明目的的技术方案是提供一种蛋清生物塑料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将原料蛋的蛋清与蛋黄分离，取蛋清液在转速为500～5000 rpm的条件下经高速剪切处理后，再在转速为5000～15000 rpm 的条件下进行离心处理，取上清液，得到蛋清均质液；

（2）将蛋清均质液置于平底容器或模具中进行蒸煮处理5～30 min，制成白色的蛋清凝胶；

（3）将蛋清凝胶置于温度为5℃～65℃，相对湿度为10%～95% RH的条件下风干或鼓风干燥，得到透明的蛋清凝胶玻璃；

（4）在温度为50℃～150℃的条件下对蛋清凝胶玻璃进行热处理，得到一种柔软的、湿态为半透明状的、不溶于水的蛋清生物塑料。

本发明所述的原料蛋为鸡蛋、鸵鸟蛋、鸭蛋、鹅蛋、鹌鹑蛋或鸽蛋。

本发明技术方案中，对蛋清凝胶玻璃进行热处理包括如下工艺中的一种：

（1）用锡铂纸包封热烘处理5 min～120 min；

（2）水煮或隔水煮处理10 min～120 min；

（3）蒸或密闭蒸处理10 min～120 min。

本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的一种蛋清生物塑料，及蛋清生物塑料的应用，将其应用于生物材料、医用组织工程材料、可穿戴电子器件领域。

本发明利用蛋清原有的热胶凝、热塑性以及粘合等特性，将日常生活中最常用的鸡蛋清经过均质处理后，制备得到一种蛋清生物塑料，应用热分析、红外光谱、X-射线衍射仪对制备的蛋清生物塑料的结构性能进行分析研究，并通过温度和介质的变化对本发明提供的蛋清生物塑料的机械性能的影响进行了研究，其湿态拉伸强度可达到5.0 MPa，断裂伸长率可达到93%，溶胀率可达到85 %；并经L929人纤细胞培养试验，结果表明，所提供的蛋清生物塑料不仅具有较强的拉伸性能，而且L929细胞能良好着生与增殖，是一种可生物降解的新颖生物塑料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明制备的蛋清生物塑料具有较强拉伸性能，可生物降解，是一种绿色加工、适用于可穿戴电子设备、生物材料、医用生物组织工程材料等领域的新颖、环保材料。

附图说明

图1是本发明实施例制备的蛋清水凝胶、蛋清凝胶玻璃和蛋清生物塑料的光学照片图。

图2是本发明实施例将蛋清凝胶玻璃采用不同工艺获得的蛋清生物塑料的应力与应变的曲线对比图。

图3是本发明实施例2提供的蛋清水凝胶、蛋清凝胶玻璃（EWHG）和蛋清生物塑料（EWHB）的热分析（DTG）图谱；以相同蛋清冻干粉（EW-L）作为实验对照。

图4是本发明实施例2提供的蛋清水凝胶、蛋清凝胶玻璃（EWHG）和蛋清生物塑料（EWHB）的全反射红外光谱分析（FTIR）图谱；以相同蛋清冻干粉（EW-L）作为实验对照。

图5是本发明实施例2提供的蛋清水凝胶、蛋清凝胶玻璃（EWHG）和蛋清生物塑料（EWHB）的的X-射线衍射光谱（XRD）图谱；以相同蛋清冻干粉（EW-L）作为实验对照。

图6是本发明提供的蛋清塑料膜上鼠L929细胞的着生与增殖结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

将新鲜鸡蛋的蛋清与蛋黄分离，蛋清浓液与稀液难以充分混合均匀，因此，将蛋清液采用高速粉碎机在500～5000 rpm的条件下进行高速剪切或搅拌处理，然后将起泡的蛋清匀浆液进行5000～15000 rpm离心分离，获得的上清液即为蛋清均质液。

将蛋清均质液直接加入到水平放置的平底容器或模具中，置于蒸汽中处理5 min～30 min，制成白色的蛋清水凝胶（记作EWH）。

将蛋清水凝胶转移到温度为5℃～65℃、相对湿度为10%～95%RH的条件下自然风干或鼓风脱水处理1 h～48 h，得到透明的蛋清凝胶玻璃（记作EWHG）。

将蛋清凝胶玻璃直接转移至烘箱中或者用锡铂纸包裹后转移至烘箱中，用50℃～150℃温度处理10 min～120 min；最好用130℃烘干处理10min～60 min；也可将蛋清凝胶玻璃直接水煮或者装入聚丙烯封口袋后隔水水煮10 min～120 min，最好隔水水煮30～60min，制得湿态为半透明的、柔软的、具有弹性和良好机械性能的蛋清生物塑料（记作EWHB）。

参见附图1，它是本发明制备的蛋清水凝胶(A)、蛋清凝胶玻璃(B)和最终获得的蛋清生物塑料(C)的光学照片。

对本实施例制备的蛋清凝胶玻璃分别采用隔水煮60 min和130 ℃烘60 min的工艺得到二种蛋清凝胶塑料，它们的应力与应变的关系曲线参见附图2。

实施例2

将实施例1制备的蛋清均质液加入到水平放置的平底容器或模具中，通过隔水煮5～30min制成蛋清水凝胶，在温度为5℃～65℃、相对湿度魏10%～95%RH的条件下自然风干，得到透明的蛋清凝胶玻璃（记作EWHG），再经水煮60 min，得到蛋清生物塑料（记作EWHB）。

参见附图3，它是采用本实施例工艺制备的蛋清凝胶玻璃（EWHG）、蛋清生物塑料（EWHB）的热分析（DTG）图谱；以相同蛋清冻干粉（EW-L）作为实验对照。

参见附图4，它是采用本实施例工艺制备的蛋清凝胶玻璃（EWHG）、蛋清生物塑料（EWHB）的全反射红外光谱分析（FTIR）图谱；以相同蛋清冻干粉（EW-L）作为实验对照。

参见附图5，它是采用本实施例工艺制备的蛋清凝胶玻璃（EWHG）、蛋清生物塑料（EWHB）的X-射线衍射光谱（XRD）图谱；以相同蛋清冻干粉（EW-L）作为实验对照。

实施例3

将按实施例1技术方案制备的蛋清凝胶玻璃用锡铂纸包裹后分别采用100℃、110℃、130℃和140 ℃热烘处理10 min～120 min，得到蛋清生物塑料。

本实施例制备的蛋清凝胶塑料，其湿态拉伸强度可达到5.0 MPa，断裂伸长率可达到93%，溶胀率可达到85%。

实施例4

按实施例2技术方案制备蛋清凝胶玻璃，将蛋清凝胶玻璃采用不同的热处理方式制备蛋清生物塑料，进行机械性能测定。制备的蛋清生物塑料在机械性能测定前浸入25 ℃水中膨润24 h。在55% RH和25 ℃环境条件下在拉伸仪上测定拉伸强度（N）与断裂伸长率（%）等指标，测定前先将蛋清生物塑料切割成6´25´0.7 mm长条，每个样品重复测定10条，计算平均值与标准差。

1. 蛋清凝胶玻璃采用水煮和隔水煮（置于密闭袋中）工艺，其处理时间对蛋清生物塑料机械性能的影响参见表1。每个蛋清凝胶玻璃样品重复切成6´30´0.7 mm 10条，按表1所示的水煮和隔水煮时间进行处理，获得的蛋清塑料干态存放备用。机械性能测定前浸入25℃水中膨潤24 h。在55%RH和25℃环境条件下在拉伸仪上测定拉伸强度（N）与断裂伸长率（%）。

表1

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2. 蛋清凝胶玻璃采用密封蒸和100℃热烘工艺，其处理时间对蛋清生物塑料机械性能的影响参见表2。每个蛋清凝胶玻璃样品重复切成6´30´0.7 mm 尺寸10条，按表2所示的密封蒸和100℃热烘时间进行处理，获得的蛋清塑料干态存放备用。机械性能测定前浸入25℃水中膨润24 h。在55%RH和25℃环境条件下在拉伸仪上测定拉伸强度（N）与断裂伸长率（%）。

表2

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3. 蛋清凝胶玻璃采用热烘（锡箔纸包裹）工艺，其温度对蛋清生物塑料机械性能的影响参见表3。每个蛋清凝胶玻璃样品重复切成6´30´0.7 mm 尺寸10条，按表3所示热烘（锡箔纸包裹）温度进行处理，获得的蛋清塑料干态存放备用。机械性能测定前浸入25℃水中膨潤24 h。在55%RH和25℃环境条件下在拉伸仪上测定拉伸强度（N）与断裂伸长率（%）。

表3

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4. 蛋清凝胶玻璃采用130℃锡箔纸包裹烘和裸烘工艺，其时间对蛋清生物塑料拉伸性能的影响参见表4。每个蛋清凝胶玻璃样品重复切成6´30´0.7 mm 5～10条，按表4所示的密闭热烘和130℃热烘时间进行处理，获得的蛋清塑料干态存放备用。机械性能测定前浸入25℃水中膨潤24 h。在55%RH和25℃环境条件下在拉伸仪上测定拉伸强度（N）与断裂伸长率（%）。

表4

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实施例5

按实施例2技术方案制备蛋清凝胶玻璃，将蛋清凝胶玻璃分别采用100℃和130℃锡箔纸包裹烘的工艺，其处理时间对蛋清生物塑料溶胀率的影响参见表5。每个蛋清凝胶玻璃样品重复切成6´30´0.7 mm 10条，按表5所示的密闭热烘和130℃热烘时间进行处理，获得的蛋清生物塑料浸入25℃水中膨润24 h。取出用吸水纸吸干称重，计算吸水膨润后与吸水之前的重量比即溶胀率。

表5

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实施例6

将实施例2制备的蛋清生物塑料用于小鼠L929细胞培养。

实验选用小鼠成纤维细胞L929，培养基为含有10%胎牛血清、1%青链霉素的DMEM高糖培养基。细胞培养过程中的所有操作均在超净工作台中进行。细胞培养箱的环境设置为恒温37℃，二氧化碳浓度为5%。用直径为10 mm冲模制备直径为10 mm的蛋清生物塑料膜，用70%酒精消毒2 h后，无菌条件下转移到48孔培养板，接种L929细胞后进行1～5 d细胞培养，观察细胞生长情况，实验结果参见附图6，它为在本发明提供的蛋清生物塑料上第4天培养的L929细胞。

Claims

1.一种蛋清生物塑料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种蛋清塑料的制备方法，其特征在于：所述的原料蛋为鸡蛋、鸵鸟蛋、鸭蛋、鹅蛋、鹌鹑蛋或鸽蛋。

3.根据权利要求1所述的一种蛋清生物塑料的制备方法，其特征在于：对蛋清凝胶玻璃进行热处理包括如下工艺中的一种：

（1）用锡铂纸包封热烘处理5 min～120 min；

（2）水煮或隔水煮处理10 min～120 min；

（3）蒸或密闭蒸处理10 min～120 min。

4.按权利要求1制备方法得到的一种蛋清生物塑料。

5.权利要求4所述的一种蛋清生物塑料的应用，其特征在于：应用于生物材料、医用组织工程材料、可穿戴电子器件领域。