CN113477177A - 一种生物表面活性剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物表面活性剂及其制备方法，属于表面活性剂制备技术领域；所述生物表面活性剂由包括以下组分的原料螯合反应得到：蛋白酶解产物、蛋白水分散液和多价金属离子水溶液。本发明通过酶水解蛋白后的多肽产物(蛋白酶解产物)与蛋白及多价金属离子复配，利用分子大小不同的两种或多种成分在界面处的协同效应，能够显著改善表面活性剂性能。基于对蛋白质水解度以及酶解产物、蛋白质与多价金属离子浓度的控制，能够实现表面活性剂性能的可控调节。因此本发明能够根据具体的应用要求，快速开发相应的表面活性剂配方。
Description
技术领域
本发明涉及表面活性剂制备技术领域，尤其涉及一种生物表面活性剂及其制备方法。
背景技术
表面活性剂是指能使溶液体系的表、界面状态发生明显变化的物质，通常是具有形成胶束能力的两亲分子，可作为乳化剂、分散剂和发泡剂。根据来源通常可将其分为合成表面活性剂和生物表面活性剂两大类。
合成表面活性剂主要包括线性烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、醇醚硫酸盐、醇硫酸盐等，广泛应用于工业、农业、食品、化妆品和制药领域。常见的合成表面活性剂通常有十个碳或更多的烷基链，导致其生物降解性差，具有生物累积性；生产原料主要源自石油，生产过程及副产物可能对环境产生危害，存在不可忽视的毒性及环境问题。
生物表面活性剂是生物来源的表面活性剂，通常被认为是环境友好的，相对无毒且可生物降解，近些年受到科学界及市场的广泛关注。相较于合成表面活性剂，生物表面活性剂通常具有生物降解性、生物相容性、低毒性、原材料易得和特异性的优势。目前，生物表面活性剂的制备方法较为多样，在生产中各具有不同的优缺点。
天然提取法是从生物或生物产品中分离提取表面活性剂，例如从蛋黄中提取卵磷脂、从羊毛中提取羊毛脂、从茶叶中提取茶皂素等，这样获得的表面活性剂安全性极高，且成本相对低廉，但产量受到原料品质、来源的制约，对大规模工业生产产生了一定的影响。
生物发酵法在一定程度上解决了大规模工业化生产的问题，在适宜的条件下培养高产工程菌，将发酵原料经过特定的代谢途径转化为表面活性剂，如CN107988122A提供了一种酯肽生物表面活性剂的制备方法：枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis LPB-3在温度35℃的条件下，经过三级发酵后得到浓度为2.56g/L的脂肽类生物表面活性剂，总生产周期约70h。通过生物发酵法生产表面活性剂，产物的终浓度很低，增加了浓缩和提纯的成本，且发酵条件较复杂，生产周期较长，生产成本十分高昂。
通过物理、化学手段，水解或糖基化以改变蛋白质的高级结构，从而制备蛋白基表面活性剂也具有很大的应用前景。如CN110698689A，使用菊粉糖基化卵白蛋白，在一定程度上提高了卵白蛋白的表面活性；CN108143641A中将胶原蛋白、月桂酸与具有一定毒性的二乙醇胺进行反应，制得的表面活性剂去污性能达到了市售肥皂的2倍。蛋白改性的方法虽然具有操作方法简单、生产成本低等诸多优点，但往往得到的表面活性剂性能不够优异，或者在改性过程中使用了具有生物毒性的有机化学品，违背了制造生物表面活性剂的初衷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物表面活性剂及其制备方法，本发明的生物表面活性剂的复配体系简单、起泡性能优良。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种生物表面活性剂，由包括以下组分的原料螯合反应得到：蛋白酶解产物、蛋白水分散液和多价金属离子水溶液。
优选的，所述蛋白酶解产物和所述蛋白水分散液的体积比为：(1～4)：(1～4)；所述多价金属离子水溶液的质量浓度为0.6～4.8g/L；所述蛋白水分散液中蛋白的质量和水的体积的比例为(0.05～500)g：100mL；所述蛋白酶解产物由酶解体系进行酶解反应得到，所述酶解体系包括待酶解蛋白、蛋白酶和水；所述待酶解蛋白、蛋白酶的质量比为100：(0.1～10)；所述待酶解蛋白的质量和水的体积的比例为(3～8)g：100mL。
优选的，所述多价金属离子水溶液包括CaCl2水溶液和/或ZnCl2水溶液。
优选的，所述蛋白水分散液中的蛋白选自大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、羊奶蛋白和酪蛋白中的一种或几种。
优选的，所述待酶解蛋白选自大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、羊奶蛋白和酪蛋白中的一种或几种。
优选的，所述蛋白酶选自碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶中的一种或几种。
优选的，所述蛋白酶解产物的水解度为2％～10％。
优选的，所述蛋白酶解产物的制备方法包括以下步骤：将待酶解蛋白和水混合，得到待酶解物，在所述待酶解物中加入蛋白酶，进行酶解，灭酶，得到蛋白酶解产物。
优选的，当所述蛋白酶为碱性蛋白酶，所述待酶解蛋白为大豆蛋白时，所述酶解的温度为55～60℃；所述酶解的时间为0.01～1h；所述酶解过程中，保持待酶解物的pH值为7.8～8.0。
本发明还提供了上述方案所述生物表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
将蛋白酶解产物、蛋白水分散液进行混合，得到待螯合物；
将所述待螯合物和多价金属离子水溶液混合进行螯合反应，得到生物表面活性剂。
本发明通过酶水解蛋白后的多肽产物(蛋白酶解产物)与蛋白及多价金属离子复配，利用分子大小不同的两种或多种成分在界面处的协同效应，能够显著改善表明活性剂性能，如提高起泡性和泡沫稳定性，这是由于：(1)分子量不同的成分具有互补的表面性能，小分子的水解产物能够更快的在溶液相界面扩散，能使相界面变化进行的更加迅速，有利于乳化、起泡的形成，而大分子量的蛋白质则能增加相界面的能垒，使已形成的界面更加稳定，增强了乳化、气泡的稳定性。(2)小分子水解产物和大分子蛋白质间会形成复杂的相互作用，这主要包括静电作用和疏水作用，它们增强了蛋白质的吸附动力学，进而改善了蛋白的表面活性剂性能，如体现更好的起泡性和泡沫稳定性。(3)多价金属离子能够与水解产物和蛋白质发生螯合，进一步改变复配体系中分子量大小的分布，从而改变表面活性剂的性能。基于对蛋白质水解度以及酶解产物、蛋白质与多价金属离子浓度的控制，能够实现表面活性剂性能的可控调节。因此本发明能够根据具体的应用要求，快速开发相应的表面活性剂配方。
附图说明
图1为实施例2中大豆分离蛋白酶解产物SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳图(从左至右泳道分别为大豆分离蛋白溶液、marker、空白对照、2％、4％、6％、8％和10％水解度的酶解产物)；
图2为实施例3中起泡性能实验装置的结构示意图；
图3为实施例3中不同水解程度的大豆分离蛋白酶解产物起泡性能测试结果；
图4为实施例4中酶解产物与大豆分离蛋白不同比例混合起泡性能测试结果，图中比例为10％水解度的酶解产物与大豆分离蛋白溶液的体积比；
图5为实施例5中使用不同浓度的CaCl2螯合后起泡性能测试结果；
图6为超稳定酪蛋白基起泡剂和威露士洗手液起泡性能测试结果。
具体实施方式
本发明提供了一种生物表面活性剂，由包括以下组分的原料螯合反应得到：蛋白酶解产物、蛋白水分散液和多价金属离子水溶液。
在本发明中，所述蛋白酶解产物和所述蛋白水分散液的体积比优选为为：(1～4)：(1～4)，进一步优选为(2～3)：(2～3)；所述多价金属离子水溶液的质量浓度(终浓度)优选为0.6～4.8g/L，进一步优选为1.2～2.4g/L。
在本发明中，所述蛋白水分散液中的蛋白选自大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、羊奶蛋白和酪蛋白中的一种或几种；所述蛋白水分散液中蛋白的质量和水的体积的比例优选为(0.05～500)g：100mL，进一步优选为(1～100)g：100mL，更进一步优选为(5～20)g：100mL。
在本发明中，所述多价金属离子水溶液优选的包括二价金属离子水溶液；所述二价金属离子水溶液优选的包括CaCl2水溶液和/或ZnCl2水溶液。
在本发明中，所述蛋白酶解产物由酶解体系进行酶解反应得到，所述酶解体系优选的包括待酶解蛋白、蛋白酶和水；所述待酶解蛋白、蛋白酶的质量比优选为100：(0.1～10)，进一步优选为100：(0.5～5)，更进一步优选为100：1；所述待酶解蛋白的质量和水的体积的比例优选为(3～8)g：100mL，进一步优选为5g：100mL。在本发明中，所述待酶解蛋白优选的选自大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、羊奶蛋白和酪蛋白中的一种或几种；所述蛋白酶优选的选自碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶中的一种或几种。
在本发明中，所述蛋白酶解产物的水解度为2％～10％。在本发明中，所述蛋白酶解产物的制备方法优选的包括以下步骤：将待酶解蛋白和水混合，得到待酶解物，在所述待酶解物中加入蛋白酶，进行酶解，灭酶，得到蛋白酶解产物。
在本发明中，在所述待酶解物中加入蛋白酶前，优选的还包括对所述待酶解物进行预热，预热至酶解的温度。
在本发明中，当所述蛋白酶为碱性蛋白酶，所述待酶解蛋白为大豆蛋白时，所述酶解的温度优选为55～60℃；所述酶解的时间优选为0.01～1h；所述酶解的过程优选的在水浴条件下进行；所述酶解过程中，保持待酶解物的pH值优选为7.8～8.0，用于调节所述待酶解物的pH值的试剂优选为浓度为1M NaOH水溶液。
在本发明中，所述灭酶的方法优选为高温灭酶，所述灭酶的温度优选为90～95℃；所述灭酶的时间优选为10～15min。
在本发明具体实施过程中，所述蛋白酶解产物的水解度利用NaOH水溶液的添加量测定：根据pH-state法(参见【AdlerNissen,J.Enzymic hydrolysis of food proteins.[J].Canadian Medical Association Journal,1986,172(8):1783-1785.】)，水解度DH与滴加碱液量有如式I关系式所示：
式I中：B-水解过程中加入碱液的体积，mL；Nb-碱液的浓度，mol/L；a-氨基的平均解离常数，对于pH＝8.0时的大豆分离蛋白a＝0.89；Mp-底物中蛋白质的总质量，g；htot-单位质量底物蛋白质的肽键总量，mmol/g，对于大豆分离蛋白htot＝7.8mmol/g。
本发明还提供了上述方案所述生物表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
将蛋白酶解产物、蛋白水分散液进行混合，得到待螯合物；
将所述待螯合物和多价金属离子水溶液混合进行螯合反应，得到生物表面活性剂。
在本发明中，所述混合的温度优选为20～30℃，进一步优选为25℃；所述混合的方式优选为涡旋振荡混合；本发明对所述混合的时间没有特殊限制，以混合均匀为准。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中使用的大豆分离蛋白、酪蛋白购自索莱宝，蛋白水解酶购自安琪，注射泵购自上海蓝德，层析管购自天科玻璃仪器加工部，其他均为常规试剂级试剂。
实施例1大豆分离蛋白酶解产物的制备
准确称取5g大豆分离蛋白，用水定容至100mL，在55℃水浴中，预热10min，调节pH至8.0，加入0.05g碱性蛋白酶酶解。在酶解过程中，滴加1M NaOH水溶液维持pH在8.0，记录碱液滴加量以确定水解度。按照预定的水解度，滴加对应量的碱液后，立即在95℃水浴15min灭活酶以终止酶解反应，冷水浴降温后得到酶解产物。水解度DH与滴加碱液量有如上述方案中式I关系式所示。
本实施例中，制备的大豆分离蛋白酶解产物的水解度、碱液滴加量与酶解时间的关系如表1所示：
表1大豆分离蛋白酶解产物水解度、1M NaOH水溶液添加量与酶解时间的关系
| 酶解产物水解度 | 0％ | 2％ | 4％ | 6％ | 8％ | 10％ |
| 碱液添加量 | 0μL | 694μL | 1388μL | 2083μL | 2777μL | 3471μL |
| 酶解时间 | 0s | 1m40s | 4m20s | 10m10s | 20m40s | 45min |
实施例2 SDS聚丙烯凝胶电泳检测大豆分离蛋白酶解产物
将实施例1中的酶解产物进行SDS聚丙烯凝胶电泳，结果如图1，图1中从左至右泳道分别为大豆分离蛋白溶液、marker、空白对照、2％、4％、6％、8％和10％水解度的酶解产物。由图1可见，大豆分离蛋白被酶解后粒径明显变小，在凝胶中有更快的迁移速率。
实施例3不同水解程度的大豆分离蛋白酶解产物起泡性能测试
取实施例1中不同水解度的大豆分离蛋白酶解产物，稀释5倍后，分别取1ml加入层析管中，使用注射泵按照1200ml/h流速均匀注入20ml空气，测定起泡性能的差异，起泡性能实验装置(参见【Malcolm,A.S.,Dexter,A.F.,Middelberg,A.P.J.,2006.Foamingproperties of a peptide designed to form stimuli-responsive interfacialfilms.Soft Matter 2,1057.】)见图2，实验结果见图3。由图3可以看出，2％～6％水解度的大豆分离蛋白酶解产物在10min内能够维持较高的泡沫，具有较好的稳定性，而水解度8％以上时，泡沫会很快破灭，可应用于需要瞬时稳定的场景；酶解能够显著的改变大豆分离蛋白的起泡性能。
实施例4小分子酶解产物与大分子大豆分离蛋白混合
取实施例1中10％水解度的大豆分离蛋白酶解产物与大豆分离蛋白溶液(浓度为5g/100mL)，按照1：4、2：3、3：2、4：1的体积比分别混合，稀释5倍后，按照实施例3的方法测定起泡性能差异，结果见图4，泡沫中起泡的大小和维持时间都有所差异，可见小分子酶解产物与大分子蛋白质的不同比例混合物有着不同的起泡性能，这体现了它们具有不同的表面活性性质。
实施例5
取实施例1中10％水解度的大豆分离蛋白酶解产物与大豆分离蛋白溶液(浓度为5g/100mL)，配置质量浓度为6g/L的CaCl2水溶液，按照表2配置成工作液，根据实施例3的方法测定起泡性能差异，结果见图5，在CaCl2终浓度1.2g/L以上时，泡沫在30min内高度基本没有发生变化，没有观察到明显的泡沫破裂现象，与实施例4中酶解产物与蛋白溶液体积比1：4的混合物比较，可见金属离子螯合后起泡稳定性有十分显著的提高。
表2工作液配置比例表
实施例6超稳定酪蛋白基起泡剂的制备
使用酪蛋白按照实施例1的方法制备酶解产物，酪蛋白htot＝8.2mmol/g，其他和大豆蛋白相同，将6％水解度的酪蛋白酶解产物4mL、浓度为5g/100mL的酪蛋白水溶液16mL、12g/L CaCl2溶液10mL充分混合，制得起泡剂。根据实施例3的方法定容至100mL测定起泡性能，与体积分数2％的威露士洗手液水溶液对比，结果如图6。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种生物表面活性剂，由包括以下组分的原料螯合反应得到：蛋白酶解产物、蛋白水分散液和多价金属离子水溶液。
2.根据权利要求1所述的生物表面活性剂，其特征在于，所述蛋白酶解产物和所述蛋白水分散液的体积比为：(1～4)：(1～4)；所述多价金属离子水溶液的质量浓度为0.6～4.8g/L；
所述蛋白水分散液中蛋白的质量和水的体积的比例为(0.05～500)g：100mL；
所述蛋白酶解产物由酶解体系进行酶解反应得到，所述酶解体系包括待酶解蛋白、蛋白酶和水；所述待酶解蛋白、蛋白酶的质量比为100：(0.1～10)；所述待酶解蛋白的质量和水的体积的比例为(3～8)g：100mL。
3.根据权利要求1或2所述的生物表面活性剂，其特征在于，所述多价金属离子水溶液包括CaCl2水溶液和/或ZnCl2水溶液。
4.根据权利要求1或2所述的生物表面活性剂，其特征在于，所述蛋白水分散液中的蛋白选自大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、羊奶蛋白和酪蛋白中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的生物表面活性剂，其特征在于，所述待酶解蛋白选自大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、羊奶蛋白和酪蛋白中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的生物表面活性剂，其特征在于，所述蛋白酶选自碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶中的一种或几种。
7.根据权利要求1或2所述的生物表面活性剂，其特征在于，所述蛋白酶解产物的水解度为2％～10％。
8.根据权利要求1或2所述生物表面活性剂，其特征在于，所述蛋白酶解产物的制备方法包括以下步骤：将待酶解蛋白和水混合，得到待酶解物，在所述待酶解物中加入蛋白酶，进行酶解，灭酶，得到蛋白酶解产物。
9.根据权利要求8所述的生物表面活性剂，其特征在于，当所述蛋白酶为碱性蛋白酶，所述待酶解蛋白为大豆蛋白时，所述酶解的温度为55～60℃；所述酶解的时间为0.01～1h；所述酶解过程中，保持待酶解物的pH值为7.8～8.0。
10.权利要求1～9任意一项所述生物表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
将蛋白酶解产物、蛋白水分散液进行混合，得到待螯合物；
将所述待螯合物和多价金属离子水溶液混合进行螯合反应，得到生物表面活性剂。
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