棉籽蛋白的提取及棉籽蛋白塑料的改性研究

荀 靜， 王長(zhǎng)松

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

蛋白質(zhì)是一類重要的有機(jī)化合物，普遍存在于生物體中［1］.1913年在法國和英國分別發(fā)表了大豆蛋白質(zhì)制備塑料材料的專利.20世紀(jì)40年代后，隨著石油化學(xué)工業(yè)的興起，合成塑料控制了市場(chǎng)，對(duì)蛋白質(zhì)的研究很少有報(bào)道.隨著石油資源日益趨于緊張和人們對(duì)環(huán)境問題越來越關(guān)注，塑料行業(yè)將材料研究的目光投向天然可再生資源.我國是世界上的產(chǎn)棉大國，棉花產(chǎn)量居世界第一，棉籽仁提油后的棉籽餅粕中蛋白質(zhì)含量高達(dá)60%［2］，是小麥粉蛋白質(zhì)含量的4～5倍、稻米的6～7倍，甚至高于大豆粕.

崔志芹對(duì)用堿液從雙液相棉粕中提取蛋白液的沉淀特性進(jìn)行了研究，得出結(jié)論:在pH5.0左右沉淀蛋白質(zhì)，既有利于富集蛋白，又可以最大限度脫除植酸，在棉籽蛋白的沉淀過程中，溫度越低沉淀率越高，絮凝時(shí)間延長(zhǎng)有利于棉籽蛋白的沉淀［3］.蛋白質(zhì)的改性方法有許多種，主要分為物理改性、化學(xué)改性和酶改性等.化學(xué)改性方法有:交聯(lián)改性、酸調(diào)改性、填充改性、磷酸化改性等.增塑改性和填充改性既有化學(xué)作用，又有物理作用［4］.增塑劑可以降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，提高熔體流動(dòng)性能，并減小最終產(chǎn)品的脆性［5］.Wang S等［6］報(bào)道了多羥基醇，如乙二醇、甘油、丙二醇，對(duì)蛋白質(zhì)塑料的塑化性能和機(jī)械性能的影響.本文以棉籽粕為原料，用陽離子交換樹脂代替鹽酸提取，得到棉籽分離蛋白.同時(shí)研究環(huán)氧氯丙烷及乙二醇對(duì)棉籽蛋白塑料力學(xué)性能和吸水率的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

棉籽粕:河南省南皮棉紡廠;陽離子交換樹脂、環(huán)氧氯丙烷、硫酸銨均為分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

低速離心機(jī);數(shù)字式pH計(jì);平板硫化機(jī);電子萬能試驗(yàn)機(jī).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用粉碎機(jī)將榨油后的棉籽餅粕粉碎，過篩，取200目的粉料為原料干燥(40℃，12 h)，待下一步使用.量取一定量蒸餾水，加入鹽，在水浴中加熱攪拌至所需溫度.稱量第一步制得的粉料，加入溶液中，反應(yīng)一定時(shí)間后進(jìn)行下一步.萃取完畢，離心分離，取上層清液待下一步使用.上清液加入陽離子交換樹脂調(diào)至所需的pH值，進(jìn)行離心分離，取沉淀，用去離子水洗滌3遍，放于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥(50℃，24 h)，得到棉籽分離蛋白.然后將棉籽分離蛋白粉與環(huán)氧氯丙烷混合，攪拌到蓬松無結(jié)塊后放置過夜.在一定溫度壓力(150℃，10 MPa)條件下，在平板硫化機(jī)上模壓成型，隔夜放置.

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 蛋白質(zhì)提取率的計(jì)算

蛋白質(zhì)提取率=(實(shí)際提取蛋白質(zhì)質(zhì)量/棉籽粕中蛋白質(zhì)質(zhì)量)×100%

1.4.2 蛋白質(zhì)純度測(cè)定

采用常量凱氏定氮法測(cè)定干燥蛋白含量(參照GB/T 5009.5－2003).

1.4.3 提取蛋白紅外光譜的分析

對(duì)提取的棉籽蛋白進(jìn)行紅外光譜分析，根據(jù)紅外譜圖中的吸收峰進(jìn)一步確定蛋白質(zhì)的官能團(tuán).

1.4.4 棉籽蛋白塑料的力學(xué)性能測(cè)試

將制得的試樣，在室溫、50 mm/min的拉伸速度下，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率.每組測(cè)5個(gè)樣，取平均值.

1.4.5 棉籽蛋白塑料的吸水率測(cè)試

棉籽蛋白試樣的吸水率測(cè)試按GB/T 1034－1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.計(jì)算試樣的吸水率公式如下:

其中:W為吸水率;m1為干樣質(zhì)量;m2為濕樣質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 3種鹽提取蛋白質(zhì)工藝

3種鹽采用正交實(shí)驗(yàn)，所得最佳結(jié)果見表1.由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:硫酸銨、六偏磷酸鈉、亞硫酸鈉3種鹽中亞硫酸鈉的提取率最高，為36.3%.這是由于亞硫酸鈉為強(qiáng)堿弱酸鹽，在提取過程中顯弱堿性，使得亞硫酸鈉的提取率高于硫酸銨和六偏磷酸鈉［7］.

表1 不同鹽提取蛋白質(zhì)的提取率Table 1 Extraction rate of protein with different salts extraction

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:3種鹽提取中用硫酸銨提取的蛋白質(zhì)純度最高，達(dá)到100%.這是由于硫酸銨的溶解度較大，其溶液中具有較多的離子電荷和較大的離子濃度，在等電點(diǎn)處蛋白質(zhì)沉淀比較完全［8－10］.

表2 不同鹽提取的蛋白質(zhì)純度Table 2 Pury of protein with different salts extraction

2.2 紅外光譜分析

如圖1所示，在3 301 cm－1處為酰胺鍵中N—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，在2 962 cm－1處為羧基中O—H的締合振動(dòng)和甲基中的C—H伸縮振動(dòng)峰.1 647 cm－1處為酰胺基團(tuán)C==O伸縮振動(dòng)峰，1 538 cm－1處為N—H鍵的變形振動(dòng)，1 451 cm－1為飽和烷烴中C—H變形振動(dòng)峰，1 398 cm－1為羧酸中C—H伸縮振動(dòng)峰與O—H的變形振動(dòng)峰，1 236 cm－1為氨基酸C==O伸縮振動(dòng)峰，1 073 cm－1處為酰胺基團(tuán)中C—N伸縮振動(dòng)峰.以上結(jié)構(gòu)特征證明了棉籽蛋白的提取方法是可靠的［11］.

圖1 棉籽分離蛋白紅外譜圖Fig.1 Cottonseed protein isolated infrared spectra

2.3 環(huán)氧氯丙烷對(duì)棉籽蛋白質(zhì)塑料性能的影響

由圖2可以看出:拉伸強(qiáng)度隨著環(huán)氧氯丙烷份數(shù)的增加而增大，并且總體強(qiáng)度較高.這可能與環(huán)氧氯丙烷的強(qiáng)極性有關(guān)，氯原子與蛋白質(zhì)形成了更強(qiáng)的氫鍵，加大了分子間作用力，隨著環(huán)氧氯丙烷份數(shù)的增加，形成的氫鍵就越多，則強(qiáng)度就越高，拉伸強(qiáng)度越大［12］.

圖2 環(huán)氧氯丙烷用量對(duì)棉籽蛋白塑料抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of epoxy of propane cottonseed protein plastic tensile strength

由圖3可以看出:隨著環(huán)氧氯丙烷份數(shù)的增加，樣品斷裂伸長(zhǎng)率先降低，然后又升高，在30～35份之間，伸長(zhǎng)率沒有變化.隨著環(huán)氧氯丙烷添加量的加大，形成的氫鍵就越多，分子間作用力的加大阻礙了鏈段運(yùn)動(dòng)，所以伸長(zhǎng)率較小，且呈下降趨勢(shì)，但35份以后又逐漸增大，可能是因?yàn)檫_(dá)到35份，環(huán)氧氯丙烷與蛋白質(zhì)分子形成氫鍵基本完全，繼續(xù)加入主要起了增塑的作用，使伸長(zhǎng)率迅速提高.

圖3 環(huán)氧氯丙烷用量對(duì)棉籽蛋白塑料斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 Influence of poxy of propane cottonseed protein content on the elongation of plastic

由圖4可知:隨著環(huán)氧氯丙烷份數(shù)的增加，試樣吸水率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，環(huán)氧氯丙烷40份時(shí)吸水率最小，但加入40份時(shí)加工會(huì)被擠出.由于環(huán)氧氯丙烷的Cl原子極性很強(qiáng)，能破壞蛋白質(zhì)之間的氫鍵，從而自己與蛋白質(zhì)形成新的氫鍵，減少了親水基團(tuán)的數(shù)目，并且環(huán)氧氯丙烷還可能與—COOH反應(yīng)，所以，具有較低的吸水率，且呈下降趨勢(shì).

圖4 環(huán)氧氯丙烷用量對(duì)棉籽蛋白塑料吸水率的影響Fig.4 Influence of poxy of propane cottonseed protein content on the plastic bibulous rate

綜上所述，加入環(huán)氧氯丙烷能顯著降低棉籽蛋白可降解材料的吸水率和提高可降解材料的拉伸強(qiáng)度.

2.4 乙二醇對(duì)棉籽蛋白質(zhì)塑料性能的影響

由圖5可以看出:隨乙二醇含量的增加，拉伸強(qiáng)度下降，其抗拉強(qiáng)度由10.12 MPa減小到6.77 MPa.這是因?yàn)橐叶甲鳛樵鏊軇﹨⑴c成鍵作用，隨著使用量的增加，蛋白質(zhì)分子鏈間小分子數(shù)增多，使得蛋白質(zhì)分子間或分子內(nèi)本身的相互作用大為減弱，軟化了蛋白質(zhì)塑料的剛性結(jié)構(gòu)，增加了聚合物分子鏈間的滑動(dòng)性，降低了分子間的作用力，導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度降低.

圖5 乙二醇用量對(duì)棉籽蛋白塑料抗拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of diethylene glycol cottonseed protein plastic tensile strength

由圖6可以看出:隨著乙二醇份數(shù)的增加，樣品斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，從35份增加到40份，樣品的斷裂伸長(zhǎng)率從11.51%增加到22.28%.這是因?yàn)樵鏊軇┯昧康脑黾犹岣吡司酆衔锓肿渔滈g的滑動(dòng)性，鏈段易于運(yùn)動(dòng)，使樣品得以有效地延展，賦予其柔韌性，表現(xiàn)為斷裂伸長(zhǎng)率增加，達(dá)到了改善其機(jī)械性能的目的.

圖6 乙二醇用量對(duì)棉籽蛋白塑料斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.6 Influence of diethylene glycol cottonseed protein content on the elongation of plastic

由圖7可以看出:乙二醇在30份時(shí)吸水率出現(xiàn)最小值54.34%，之后隨著乙二醇份數(shù)增加吸水率增大.這是因?yàn)橐叶嫉募尤霛B透到蛋白質(zhì)分子內(nèi)起到增塑的作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子間的排列和相互作用更加緊密，因此，開始階段表現(xiàn)為吸水率下降，但乙二醇中的羥基是親水基團(tuán)，吸水率會(huì)隨其用量的增加而增大.當(dāng)繼續(xù)增加乙二醇量時(shí)，樣片內(nèi)的部分乙二醇會(huì)溶出［13］.

圖7 乙二醇用量對(duì)棉籽蛋白塑料吸水率的影響Fig.7 Influence of diethylene glycol cottonseed protein content on the plastic bibulous rate

綜上所述，隨著乙二醇份數(shù)的增加，棉籽蛋白塑料的抗拉強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，最大值為22.28%，吸水率在30份時(shí)最低，為54.34%.

3 結(jié)論

(1)用硫酸銨提取的蛋白質(zhì)純度很高，可以達(dá)到100%.由正交實(shí)驗(yàn)得出硫酸銨提取的最佳條件:溫度50℃、質(zhì)量濃度為20 g/L、液粕體積比12∶1、提取時(shí)間100 min，此時(shí)蛋白質(zhì)提取率為17.80%，蛋白質(zhì)純度100%.

(2)隨著環(huán)氧氯丙烷份數(shù)的增加，棉籽蛋白塑料的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，最大值為41.5 MPa;斷裂伸長(zhǎng)率先降低，然后又升高，在30～35份之間，伸長(zhǎng)率沒有變化;吸水率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，環(huán)氧氯丙烷40份時(shí)吸水率最小，最小值為30%.綜合上述，加入環(huán)氧氯丙烷能顯著降低棉籽蛋白可降解材料的吸水率和提高可降解材料的拉伸強(qiáng)度.

(3)隨著乙二醇份數(shù)的增加，棉籽蛋白塑料的抗拉強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，最大值為22.28%，吸水率在30份時(shí)最低，為54.34%.棉籽蛋白塑料的最佳配比為棉籽蛋白100份，乙二醇30份.

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