CN112899803A - 一种面筋蛋白纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种面筋蛋白纤维的制备方法，属于植物蛋白纤维制备技术领域。本发明利用转谷氨酰胺酶和羧甲基壳聚糖对湿面筋进行糖基化改性处理，然后加入半胱氨酸和尿素将糖基化改性后的面筋溶解，得到面筋蛋白溶液；对得到的面筋蛋白溶液进行离心处理，经纺丝拉伸后所得纤维，再利用戊二醛溶液对所得面筋蛋白纤维进行交联处理，得到高强度且具有良好染色性能的面筋蛋白纤维。本发明制备的面筋蛋白纤维力学性能良好，其干态断裂强度为1.0‑1.4cN/dtex，干态断裂伸长率达37％‑53％。20℃、65％R.H时的回潮率为10％‑12％，同时通过该法制得的面筋蛋白纤维具有良好的染色性能。

Description

一种面筋蛋白纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种面筋蛋白纤维的制备方法，具体涉及一种酶法糖基化制备小麦面筋蛋白纤维的方法，属于植物蛋白纤维制备技术领域。
背景技术
合成纤维因其具备高强度的特性而被广泛应用在纺织领域。然而合成纤维的原料来自于石油资源，长期发展容易造成资源紧缺，而且大多数废弃的合成纤维在短期内难以降解。因此，利用资源丰富、价格低廉、可循环再生的农业副产物制备可替代的蛋白纤维是非常具有发展前景的。
面筋是以小麦粉为原料，经水洗去淀粉和其他可溶性物质后剩下的软胶体，具有优良的延伸性、粘弹性和成膜性，是制备植物蛋白纤维的良好潜在原料。小麦面筋是小麦淀粉生产过程中的副产物，具有制备蛋白纤维良好的性能，能与石化来源的材料相竞争。但是植物蛋白纤维普遍的弱点是机械性能较差，这限制了蛋白纤维的应用。据统计，2018年我国小麦产量达13143万吨。随着小麦深加工行业迅速发展，面筋蛋白的产量在不断上升，因此有必要研究开发面筋蛋白的新用途。
专利CN 106948027 A所制备的纤维是以麦醇溶蛋白和麦谷蛋白为原料制备的，需要对谷朊粉中的蛋白进行分离纯化，分离过程繁琐会产生大量废水，同时增加了生产成本。因此，本发明直接利用湿面筋为原料制备蛋白纤维，提高了面筋蛋白纤维的力学性能，同时也改善了纤维的染色性能。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种面筋蛋白纤维的制备方法，提高面筋蛋白纤维力学性能，同时改善蛋白纤维的染色性能，拓宽了面筋蛋白的应用领域。
本发明的技术方案，一种面筋蛋白纤维的制备方法，利用转谷氨酰胺酶和羧甲基壳聚糖对湿面筋进行糖基化改性处理，然后加入半胱氨酸和尿素将糖基化改性后的面筋溶解，得到面筋蛋白溶液；对得到的面筋蛋白溶液进行离心处理，经纺丝拉伸后所得纤维，再利用戊二醛溶液对所得纤维进行交联处理，得到高强度且具有良好染色性能的面筋蛋白纤维。
进一步地，步骤为：
(1)面筋的制备与溶解：取小麦粉与水按照比例揉成光滑的面团，用水冲洗得到面筋；将洗净的面筋与水混合，调节溶液pH，搅拌使面筋全部溶解，并调节面筋浓度；
(2)面筋的改性：在步骤(1)所得面筋溶液中加入羧甲基壳聚糖，搅拌溶解并调节溶液pH；继续加入转谷氨酰胺酶并不断搅拌，随后进行灭酶；冷却后离心得到沉淀，清洗后获得糖基化改性后的面筋；
(3)纺丝原液的制备：将糖基化改性后的面筋用半胱氨酸和尿素溶解，得到面筋蛋白溶液；将面筋蛋白溶液离心得到纺丝原液；
(4)糖基化改性面筋蛋白纤维丝束的制备：将纺丝原液挤丝进入含有硫酸铵和硫酸凝固浴中凝固，随后洗涤晾干，在热水中软化拉伸；热处理后得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束；
(5)交联处理：取步骤(4)所得糖基化改性面筋蛋白纤维丝束放入戊二醛溶液中进行交联，取出后用水洗涤晾干；在热水中软化拉伸，进行热处理后得到性能改善的面筋蛋白纤维。
步骤(1)中，首先取小麦粉与水以1.5-2:1的质量比进行混合，揉成光滑的面团，静置15-25min后用流动的水冲洗面团，得到面筋；将所得面筋与水按照质量比1:1-3进行混合，采用pH调节剂调节溶液pH至11-12，搅拌2-4h使面筋完全溶解，加入水调节面筋浓度为4％-22％。
步骤(2)中，加入面筋质量3％-6％的羧甲基壳聚糖，采用pH调节剂调节溶液pH至9，在35-50℃下加入面筋质量0.1％-0.4％的转谷氨酰胺酶并不断搅拌，反应20-40min后放入85℃水浴锅中灭酶处理5min；冷却至室温后采用pH调节剂调节pH至7，在2500-3500r/min下离心10-25min，得到沉淀；将沉淀用水清洗后，即获得糖基化改性后的面筋。
步骤(3)中，称取3g糖基化改性面筋加入15-30mg半胱氨酸，再用浓度为8M的尿素溶液配制成面筋浓度为50％-54％的溶液，即为面筋蛋白溶液；将面筋蛋白溶液以2500-3500r/min的转速离心处理5-15min，制备得到纺丝原液。
步骤(4)中，将纺丝原液挤丝进入含有质量浓度为5％-15％硫酸铵和5％-15％硫酸的凝固浴中凝固10-30min；得到的丝束用水洗涤，并晾干；取丝束在40-60℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍；对丝束进行热处理，得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束。
步骤(5)中，将步骤(4)所得的糖基化改性面筋蛋白纤维丝束放入质量浓度为0.5％-4％的戊二醛溶液中，在35-40℃下交联处理3-5h，取出用水洗涤，晾干；将得到的纤维在40-60℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍，随后进行热处理，得到性能改善的面筋蛋白纤维。
所述pH调节剂具体为NaOH、Na2HPO4、KH2PO4或HCl。
步骤(4)和(5)中，所述热处理过程均为首先在80-90℃烘箱中加热处理1-2h，随后在120-130℃烘箱中加热处理1-2h。
面筋蛋白纤维的应用，采用以纤维重量计2％-5％的活性染料对面筋蛋白纤维进行染色；染浴pH为4-5，浴比为1:400-500，得到染色后的面筋蛋白纤维。
本发明的有益效果：本发明采用转谷氨酰胺酶和羧甲基壳聚糖对湿面筋进行糖基化改性处理，提高面筋蛋白纤维的断裂强度和断裂伸长率；再利用戊二醛溶液对面筋蛋白纤维进行交联处理，进一步提高了纤维的断裂强度和断裂伸长率，其干态断裂强度为1.0-1.4cN/dtex，干态断裂伸长率为37％-53％，在20℃、65％R.H时的回潮率为10％-12％。同时通过该法制得的面筋蛋白纤维具有良好的染色性能。与未改性面筋蛋白纤维相比，其上染百分率增大了68.2％。可以减少废水中残留的染料，减少对环境的污染。
附图说明
图1是聚丙烯酰胺凝胶电泳图。
图2是红外光谱图。
图3是纤维表面的SEM图像。
图4是纤维横截面的SEM图像。
图5是TGA热重分析图谱。
图6是上染百分率结果示意图。
1、未改性面筋蛋白纤维；2、实施例1中步骤(4)制备所得改性后的面筋蛋白纤维。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中的小麦粉购于益海嘉里食品工业有限公司；羧甲基壳聚糖购自成都欧恩瑞思化学试剂有限公司；转谷氨酰胺酶购于江苏一鸣生物股份有限公司，酶活为100U/g。CI Reactive Red 195购自盛化贸易公司。蛋白marker分子量范围为14.4-97.4kDa，购于北京索莱宝科技有限公司。其他试剂均为分析纯。
实施例1
(1)面筋的制备与溶解：首先取小麦粉与水以1.5:1的质量比进行混合，揉成光滑的面团，静置20min后用流动水冲洗面团，得到面筋；湿面筋和水按1:2混合，采用NaOH溶液调节pH为12，磁力搅拌3h使面筋溶解完全，加入水调节面筋质量浓度为10％；
(2)面筋的改性：加入面筋质量4％的羧甲基壳聚糖，搅拌溶解并采用HCl溶液调节pH为9。在40℃下加入面筋质量0.2％的转谷氨酰胺酶，不断搅拌，反应40min后放入85℃水浴锅中灭酶处理5min。冷却至室温后调节pH为7，在3000r/min下离心15min，得到的沉淀用水洗3次，即获得糖基化改性后的面筋蛋白；
(3)纺丝原液的制备：称取3g糖基化改性面筋，加入30mg半胱氨酸，再加入8M尿素溶液配制面筋浓度为52％的溶液。将蛋白溶液在3000r/min离心处理10min得到纺丝原液；
(4)糖基化改性面筋蛋白纤维丝束的制备：将纺丝原液挤丝进入含有10％硫酸铵和10％的硫酸凝固浴中凝固20min。得到的丝束用水洗涤3次，晾干；取丝束在50℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍；对丝束进行热处理，得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束；
(5)交联处理：将所得丝束放入质量浓度为1％戊二醛溶液中，35℃下交联处理4h，取出用水洗涤三次，晾干。在55℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍，在85℃及125℃下依次加热1h后得到成品面筋蛋白纤维。
对所得面筋蛋白纤维进行力学性能测定，测试结果如表1所示。
实施例2
(1)面筋的制备与溶解：首先取小麦粉与水以1.8:1的质量比进行混合，揉成光滑的面团，静置25min后用流动的水冲洗面团，得到面筋；湿面筋和水按1:3混合，采用NaOH溶液调节pH为12，磁力搅拌3h使面筋溶解完全。加入水调节面筋浓度为6％。
(2)面筋的改性：加入面筋质量3％的羧甲基壳聚糖，搅拌溶解并调节溶液pH为9。在45℃下加入面筋质量0.3％的转谷氨酰胺酶，不断搅拌，反应30min后放入85℃水浴锅中灭酶处理5min。冷却至室温后采用HCl溶液调节pH为7，在3000r/min下离心10min，得到的沉淀用水洗3次即获得改性后的面筋蛋白；
(3)纺丝原液的制备：称取3g改性面筋，加入24mg半胱氨酸，再加入8M尿素溶液配制面筋浓度为54％的溶液。将蛋白溶液在3000r/min离心处理10min得到纺丝原液。
(4)糖基化改性面筋蛋白纤维丝束的制备：将纺丝原液挤丝进入含有8％硫酸铵和12％的硫酸凝固浴中凝固25min。得到的丝束用水洗涤3次，晾干；取丝束在40℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍；对丝束进行热处理，得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束；
(5)交联处理：将所得丝束放入质量浓度为2％戊二醛溶液中，35℃下交联处理3h，取出用水洗涤三次，晾干。在60℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍，在85℃及125℃下依次加热1h后得到成品面筋蛋白纤维。
对所得面筋蛋白纤维进行力学性能测定，测试结果如表1所示。
实施例3
(1)面筋的制备与溶解：首先取小麦粉与水以2:1的质量比进行混合，揉成光滑的面团，静置15min后用流动的水冲洗面团，得到面筋；湿面筋和水按质量比1:1混合，采用NaOH溶液调节溶液pH为12，磁力搅拌3h使面筋溶解完全。加入水调节面筋浓度为16％。
(2)面筋的改性：加入面筋质量6％的羧甲基壳聚糖，搅拌溶解并调节溶液pH为9。在50℃下加入面筋质量0.1％的转谷氨酰胺酶，不断搅拌，反应20min后放入85℃水浴锅中灭酶处理5min。冷却至室温后采用HCl溶液调节pH为7，在3000r/min下离心10min，得到的沉淀用水洗3次即获得改性后的面筋蛋白；
(3)纺丝原液的制备：称取3g改性面筋，加入18mg半胱氨酸，再加入8M尿素溶液配制面筋浓度为50％的溶液。将蛋白溶液在3000r/min离心处理10min得到纺丝原液。
(4)糖基化改性面筋蛋白纤维丝束的制备：将纺丝原液挤丝进入含有12％硫酸铵和12％的硫酸凝固浴中凝固15min。得到的丝束用水洗涤3次，晾干；取丝束在60℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍；对丝束进行热处理，得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束；
(5)交联处理：将所得丝束放入质量浓度为1％戊二醛溶液中，40℃下交联处理3h，取出用水洗涤三次，晾干。在50℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍，在85℃下加热2h，125℃下加热2h后得到成品面筋蛋白纤维。
对所得面筋蛋白纤维进行力学性能测定，测试结果如表1所示。
表1
实施例1 实施例2 实施例3
断裂强度(cN/dtex) 1.43 1.01 1.23
断裂伸长率(％) 48.23 37.58 53.34
回潮率(％) 11.53 11.29 12.11
应用实施例1聚丙烯酰胺凝胶电泳分析
取未改性面筋蛋白纤维作为对照样，与实施例1中步骤(4)制备所得糖基化改性面筋蛋白纤维进行聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分析。将纤维样品剪碎并研磨成粉末，称取3mg粉末溶解在1mL 2×SDS-PAGE Loading Buffer中，置于沸水浴中煮沸5min，然后在10000r/min下离心5min后上样。使用5％浓缩胶和12％分离胶进行电泳实验。电泳结束后，将凝胶用去离子水冲洗，并分别用考马斯亮蓝R-250和高碘酸希夫试剂(PAS)染色。最后，用Bio-rad Gel Doz EZ成像仪对凝胶进行拍照。
图1(A)和(B)分别是考马斯亮蓝和高碘酸希夫试剂染色后的凝胶图像。泳道M，1、2和3代表标准蛋白、未改性面筋蛋白纤维、糖基化改性面筋蛋白纤维和辣根过氧化物酶。图1(A)中，未改性纤维和改性纤维具有相同的条带，但在分离胶顶部改性纤维的条带颜色更深。此外，在低分子量(14.4kDa)，改性纤维的条带颜色比未改性纤维条带的颜色浅，这意味着改性纤维在改性过程中形成了更高分子量的化合物。在图1(B)中，辣根过氧化物酶用作阳性对照，是一种糖蛋白。糖蛋白经PAS试剂染色后会产生粉色条带。从图1(B)可以看出泳道2染色后具有特异性条带，而泳道1没有，说明改性纤维中含有糖蛋白成分，这是因为在改性过程中转谷氨酰胺酶诱导了羧甲基壳聚糖和小麦面筋蛋白发生共价连接。
应用实施例2傅立叶变换红外光谱分析
取未改性面筋蛋白纤维作为对照样，与实施例1中步骤(4)制备所得糖基化改性面筋蛋白纤维分别进行傅立叶变换红外光谱(FT-IR)分析。将样品(1.0mg)剪碎磨细，与KBr粉末(100.0mg)混合，然后用压片机压制成薄片。使用Nicolet IS10傅立叶变换红外光谱仪记录4000-400cm-1范围内的红外吸收数据，分辨率为4cm-1，扫描次数32次。
未改性面筋蛋白纤维和糖基化改性面筋蛋白纤维的红外光谱如图2所示。从图中可以看出，改性和未改性面筋蛋白纤维的红外光谱图形状大致相似，但是吸收峰的强度不同。3600-3300cm-1范围的吸收峰是由于N-H和O-H的伸缩振动引起的，而在1150-1050cm-1范围内的吸收峰是C-O伸缩和-OH变形振动引起的。与未改性面筋蛋白纤维相比，改性面筋蛋白纤维在3600-3300cm-1范围内的吸收峰变宽、强度有所增强，在1150-1050cm-1区域中的吸收峰强度也增大。这意味着改性面筋蛋白纤维中含有更多的-OH和-NH 2。这也证明了在改性过程中羧甲基壳聚糖与小麦面筋蛋白发生了共价连接。
应用实施例3SEM扫描
取未改性面筋蛋白纤维作为对照样和实施例1中步骤(4)所得糖基化改性面筋蛋白纤维分别进行SEM扫描。为了观察纤维的微观形态特征，在未改性面筋蛋白纤维和糖基化改性面筋蛋白纤维表面喷金，利用Quanta 200扫描电子显微镜进行观察。
未改性面筋蛋白纤维和改性面筋蛋白纤维纵向外观如图2所示，横截面的SEM照片如图3所示。与未改性面筋蛋白纤维相比，改性面筋蛋白纤维的显微结构发生了显著变化。未改性面筋蛋白纤维的表面很粗糙，而改性面筋蛋白纤维表面变得光滑。此外，与改性面筋蛋白纤维相比，未改性面筋蛋白纤维的横截面具有更多的孔，这可能是改性纤维具有更好的机械性能的原因。
应用实施例4热重分析
取未改性面筋蛋白纤维作为对照样和实施例1中步骤(4)所得糖基化改性面筋蛋白纤维分别进行热重分析，以分析纤维的热稳定性。
用玛瑙研钵将纤维样品研磨成粉末，采用热重分析仪进行分析。称取2-3mg纤维粉末放入坩埚中进行实验，将氮气流速设置为50mL/min，升温速度为10℃/min，扫描范围为25-550℃。未改性面筋蛋白纤维和改性面筋蛋白纤维的热重分析曲线如图4所示。
第一阶段的质量损失主要是水分的去除，发生在30-160℃之间，在250℃后，质量损失主要归因于蛋白质部分的热分解。从曲线可知，未改性面筋蛋白纤维和改性面筋蛋白纤维的最大失重温度分别为318.7℃和324.3℃。此外，未改性面筋蛋白纤维和改性面筋蛋白纤维在550℃的残留量分别为17.18％和24.57％。这意味着改性面筋蛋白纤维的热稳定性高于未改性面筋蛋白纤维。
应用实施例5染色性能
取未改性面筋蛋白纤维作为对照样和实施例1制备所得面筋蛋白纤维进行染色性能实验。
利用2.5％(以纤维重量计)活性红染料对实施例1制备所得的面筋蛋白纤维(实验样)和未改性面筋蛋白纤维(对照样)在室温下染色，染浴pH为4.5，浴比为1:500，计算染色不同时间后纤维的上染百分率，以此评价试样的染色性能，图5绘制了未改性面筋蛋白纤维(对照样)和实施例1所得面筋蛋白纤维(实验样)在不同染色时间下的上染百分率。
实验样纤维在染色60min时的上染百分率为67.1％，对照样纤维的上染百分率为39.7％，与对照样纤维相比，其上染百分率增加了68.2％。
用所述方法制备的高强度面筋蛋白纤维其干态断裂强度为1.0-1.4cN/dtex，干态断裂伸长率达到37％-53％，20℃、65％R.H时的回潮率为10％-12％，同时通过该法所得的面筋蛋白纤维具有良好染色性能，与未改性面筋蛋白纤维相比，其上染百分率增大了68.2％。

Claims (10)

1.一种面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于：利用转谷氨酰胺酶和羧甲基壳聚糖对湿面筋进行糖基化改性处理，然后加入半胱氨酸和尿素将糖基化改性后的面筋溶解，得到面筋蛋白溶液；对得到的面筋蛋白溶液进行离心处理，经纺丝拉伸后所得纤维，再利用戊二醛溶液对所得纤维进行交联处理，得到高强度且具有良好染色性能的面筋蛋白纤维。
2.根据权利要求1所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于步骤为：
(1)面筋的制备与溶解：取小麦粉与水按照比例揉成光滑的面团，用水冲洗得到面筋；将洗净的面筋与水混合，调节溶液pH，搅拌使面筋全部溶解，并调节面筋浓度；
(2)面筋的改性：在步骤(1)所得面筋溶液中加入羧甲基壳聚糖，搅拌溶解并调节溶液pH；继续加入转谷氨酰胺酶并不断搅拌，随后进行灭酶；冷却后离心得到沉淀，清洗后获得糖基化改性后的面筋；
(3)纺丝原液的制备：将糖基化改性后的面筋用半胱氨酸和尿素溶解，得到面筋蛋白溶液；将面筋蛋白溶液离心得到纺丝原液；
(4)糖基化改性面筋蛋白纤维丝束的制备：将纺丝原液挤丝进入含有硫酸铵和硫酸凝固浴中凝固，随后洗涤晾干，在热水中软化拉伸；热处理后得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束；
(5)交联处理：取步骤(4)所得糖基化改性面筋蛋白纤维丝束放入戊二醛溶液中进行交联，取出后用水洗涤晾干；在热水中软化拉伸，进行热处理后得到性能改善的面筋蛋白纤维。
3.根据权利要求2所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于步骤(1)中，首先取小麦粉与水以1.5-2:1的质量比进行混合，揉成光滑的面团，静置15-25min后用流动的水冲洗面团，得到面筋；将所得面筋与水按照质量比1:1-3进行混合，采用pH调节剂调节溶液pH至11-12，搅拌2-4h使面筋完全溶解，加入水调节面筋质量浓度为4％-22％。
4.根据权利要求2所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于步骤(2)中，加入面筋质量3％-6％的羧甲基壳聚糖，采用pH调节剂调节溶液pH至9，在35-50℃下加入面筋质量0.1％-0.4％的转谷氨酰胺酶并不断搅拌，反应20-40min后放入85℃水浴锅中灭酶处理5min；冷却至室温后采用pH调节剂调节pH至7，在2500-3500r/min下离心10-25min，得到沉淀；将沉淀用水清洗后，即获得糖基化改性后的面筋。
5.根据权利要求2所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于步骤(3)中，称取3g糖基化改性面筋加入15-30mg半胱氨酸，再用浓度为8M的尿素溶液配制成面筋浓度为50％-54％的溶液，即为面筋蛋白溶液；将面筋蛋白溶液以2500-3500r/min的转速离心处理5-15min，制备得到纺丝原液。
6.根据权利要求2所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于步骤(4)中，将纺丝原液挤丝进入含有质量浓度为5％-15％硫酸铵和5％-15％硫酸的凝固浴中凝固10-30min；得到的丝束用水洗涤，并晾干；取丝束在40-60℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍；对丝束进行热处理，得到糖基化改性面筋蛋白纤维丝束。
7.根据权利要求2所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于步骤(5)中，将步骤(4)所得的糖基化改性面筋蛋白纤维丝束放入质量浓度为0.5％-4％的戊二醛溶液中，在35-40℃下交联处理3-5h后，取出用水洗涤，晾干；将得到的纤维在40-60℃热水中软化，拉伸至原长度的1-2倍，随后进行热处理，得到性能改善的面筋蛋白纤维。
8.根据权利要求3或4所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于：所述pH调节剂具体为NaOH、Na2HPO4、KH2PO4或HCl。
9.根据权利要求6或7所述面筋蛋白纤维的制备方法，其特征在于：所述热处理过程均为首先在80-90℃烘箱中加热处理1-2h，随后在120-130℃烘箱中加热处理1-2h。
10.面筋蛋白纤维的应用，其特征在于：采用以纤维重量计2％-5％的活性染料对面筋蛋白纤维进行染色；染浴pH为4-5，浴比为1:400-500，得到染色后的面筋蛋白纤维。
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