石墨烯對(duì)改性大豆蛋白膠性能的影響

楊 光，王睿聰，楊 波，李 琴，袁少飛

（1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；

2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023）

大豆蛋白膠作為一種新型膠黏劑，原料來(lái)自大豆蛋白，加工過程中不加入任何甲醛成分，因而完全沒有甲醛隱患；但與傳統(tǒng)膠黏劑相比，大豆蛋白膠具有黏度高、流動(dòng)性差、機(jī)械強(qiáng)度差、耐水性不好等問題，故大豆蛋白膠的改性研究備受關(guān)注［1］。

石墨烯是一種由單層碳原子sp2雜化堆積成的具有二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料［2］，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、柔韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和光學(xué)特性［3］。由于石墨烯優(yōu)異的性能，因此廣泛用于生產(chǎn)高能效材料、印刷電子、透明導(dǎo)體、耐用飛機(jī)材料、納米復(fù)合材料以及催化劑等方面［4］。石墨烯和石墨烯基材料也廣泛用于獨(dú)特的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［5］。石墨烯具有高比表面積，可附著各種生物分子，這種性能有助于官能化和表面修飾的簡(jiǎn)易化，因此石墨烯成為現(xiàn)代藥物遞送系統(tǒng)的潛在候選者［6］。基本的生物分子相互作用（如核酸相互作用、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用、氧化反應(yīng)和生物降解等［7］）也可促進(jìn)石墨烯在藥物遞送中的利用。迄今為止，石墨烯及其衍生物在基因轉(zhuǎn)移、生物傳感、光療、抗菌應(yīng)用、細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程等領(lǐng)域有廣泛研究［7］。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯即使在經(jīng)歷外界劇烈的化學(xué)作用后仍然能保持較好的二維平整結(jié)構(gòu)，進(jìn)而延續(xù)其優(yōu)異的摩擦潤(rùn)滑特性，相關(guān)成果有助于推動(dòng)二維材料在微納摩擦與潤(rùn)滑領(lǐng)域的應(yīng)用［8］。

本工作在改性大豆蛋白膠中加入石墨烯，采用SEM，DSC，F(xiàn)TIR等表征手段研究了石墨烯的加入對(duì)改性大豆蛋白膠性能及結(jié)構(gòu)的影響，以期石墨烯的潤(rùn)滑及強(qiáng)韌特性可以對(duì)大豆蛋白膠進(jìn)行降黏的同時(shí)提升膠合強(qiáng)度，旨在為石墨烯的應(yīng)用提供一種新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

大豆蛋白粉：蛋白質(zhì)含量為90.54%（w），旺鑫生物科技有限公司；鹽酸胍：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；石墨烯：工業(yè)級(jí)，蘇州恒球石墨烯科技有限公司；楊木單板：250.0 mm×250.0 mm×1.2 mm，含水率為8.731%（w）。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2104型電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；JB-2型恒溫磁力攪拌器：上海雷磁儀器有限公司；DHG-9203A型鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；150T型全自動(dòng)熱壓機(jī)：蘇州新協(xié)力有限公司；MWD-W50型人造板萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南機(jī)械材料廠；Q2000型差示掃描量熱儀：德國(guó)Netzsgh公司；Quanta FEG 450型掃描電子顯微鏡：美國(guó)FEI公司；Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀、DYY-2C型電泳儀：Thermo Fisher公司；DYCZ-24DN型電泳槽：北京市六一儀器廠；LGJ-10D型冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠。

1.3 改性大豆蛋白膠的制備

稱取大豆蛋白粉10 g，加入1.5 mol/L的鹽酸胍100 mL，在40 ℃的條件下充分?jǐn)嚢? h，制得改性大豆蛋白膠。

1.4 測(cè)試與表征

大豆蛋白粉中蛋白質(zhì)含量用凱氏定氮法測(cè)定［9］。

重量法測(cè)單板含水率：將干燥前的單板稱重，在103 ℃左右烘至絕干后稱重，用兩次的質(zhì)量差，求出單板的含水率。

膠合強(qiáng)度的測(cè)定：將楊木單板在熱壓溫度130 ℃，熱壓時(shí)間10 min，雙面涂膠量400 g/m2的熱壓條件壓制膠合板。按GB/T 17657—2013 人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法鋸制試件測(cè)膠合強(qiáng)度［10］。

DSC分析：將凍干后的改性大豆蛋白膠與加入石墨烯的改性大豆蛋白膠研磨成粉末狀，取2～5 mg放入鋁皿中，氮?dú)鈿夥眨瑴囟?0～220 ℃，升溫速率10 ℃/min，分析試樣在升溫過程中的吸放熱情況。

十二烷基硫酸鈉聚丙酰胺凝膠電泳實(shí)驗(yàn)（SDS-PAGE）：取改性大豆蛋白膠及加入石墨烯的改性大豆蛋白膠進(jìn)行電泳分析，并以大豆蛋白的水溶液作對(duì)照，分析改性過程中蛋白質(zhì)的變化及石墨烯對(duì)改性大豆蛋白膠的影響。

取適量大豆蛋白粉與凍干后的兩種大豆蛋白膠，進(jìn)行鍍金處理，采用SEM在10 kV的加速電壓下觀察試樣形貌。將大豆蛋白粉與凍干后的兩種大豆蛋白膠分別制成粉末，進(jìn)行FTIR分析。KBr壓片，波數(shù)400～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯加入量的確定

石墨烯加入量對(duì)大豆蛋白膠初黏度的影響見圖1。由圖1可見，隨石墨烯加入量的增多，大豆蛋白膠的初黏度逐漸降低。這是因?yàn)槭┑乃蝗苄院蛨F(tuán)聚效應(yīng)［11］及相應(yīng)的潤(rùn)滑性所致。石墨烯的加入量越多，包裹在大豆蛋白膠顆粒外的石墨烯顆粒越多，致使溶液的初黏度逐漸下降；且石墨烯的加入量越多，大豆蛋白膠的顏色越深，由黃褐色逐漸變?yōu)楹谏?/p>

圖1 石墨烯加入量對(duì)大豆蛋白膠初黏度的影響Fig.1 Effects of graphene addition amount on initial viscosity of soy protein adhesive.

石墨烯加入量對(duì)大豆蛋白膠膠合強(qiáng)度的影響見圖2。由圖2可見，隨石墨烯加入量的增多，大豆蛋白膠的膠合強(qiáng)度逐漸增高后持平。這是因?yàn)椋尤胧┖螅男源蠖沟鞍啄z的黏度下降，在黏結(jié)膠合板的過程中更利于施膠的均勻性。同時(shí)石墨烯是一種新型納米材料，具有非常高的韌性［12］，將它加入到大豆蛋白膠中，在膠合板的熱壓過程中隨著膠黏劑逐漸分散到楊木單板，致使大豆蛋白膠的膠合強(qiáng)度有所提高。而當(dāng)石墨烯的加入量超過0.04 mg/mL后，大豆蛋白膠的黏度過低，包裹在膠黏劑顆粒外的石墨烯顆粒也會(huì)發(fā)生相互排斥作用，致使膠合強(qiáng)度持平后還略有降低。綜上，石墨烯的最佳加入量為0.04 mg/mL，此時(shí)改性大豆蛋白膠的干狀剪切強(qiáng)度為1.577 MPa，濕狀剪切強(qiáng)度為0.746 MPa。

圖2 石墨烯加入量對(duì)大豆蛋白膠膠合強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of graphene addition amount on bonding strength of soy protein adhesive.

2.2 SEM分析結(jié)果

大豆蛋白粉水溶液凍干后的SEM照片見圖3。

圖3 大豆蛋白粉水溶液凍干后的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of soybean protein powder aqueous solution after freeze-drying.

由圖3可見，大豆蛋白粉表面比較粗糙，結(jié)構(gòu)比較緊實(shí)，這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)用的大豆蛋白粉中大豆蛋白的含量為90.54%（w），蛋白質(zhì)中的氨基酸由肽鏈折疊彎曲成各種空間結(jié)構(gòu)，分子中還有維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的氫鍵、離子鍵、范德華力及共價(jià)鍵，其他如二硫鍵等也對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有一定的維持作用，未經(jīng)過改性處理，各種構(gòu)成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的價(jià)鍵未遭到破壞，構(gòu)成功能結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)未遭暴露，故蛋白粉顆粒的結(jié)構(gòu)粗糙且緊實(shí)，這種結(jié)構(gòu)不利于在黏結(jié)膠合板時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

改性大豆蛋白膠凍干后的SEM照片見圖4。由圖4可見，與大豆蛋白粉相比，未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠表面比較光滑，有很多空隙，結(jié)構(gòu)相對(duì)較松散。這說(shuō)明大豆蛋白經(jīng)過鹽酸胍改性后，部分氫鍵斷裂，蛋白質(zhì)分子中發(fā)揮膠黏作用的官能團(tuán)暴露。由鹽酸胍改性蛋白質(zhì)的機(jī)制可知，蛋白質(zhì)分子中某些非共價(jià)鍵斷裂，與鹽酸胍形成復(fù)合物致使空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，相對(duì)應(yīng)的理化性質(zhì)發(fā)生改變，微結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。改性大豆蛋白膠中松散的結(jié)構(gòu)與縫隙的存在有利于交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，在黏結(jié)膠合板的過程中可以增大與被黏物的接觸面積。

圖4 未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠凍干后的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of modified soybean protein adhesive without graphene after freeze-drying.

加入石墨烯的改性大豆蛋白膠凍干后的SEM照片見圖5。由圖5可見，與未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠相比，加入石墨烯的改性大豆蛋白膠結(jié)構(gòu)更松散，縫隙較多，呈現(xiàn)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。石墨烯是一種新型納米材料，不溶于水且有獨(dú)特的強(qiáng)韌性及良好的潤(rùn)滑性能［13］，還有一定的團(tuán)簇效應(yīng)，在大豆蛋白膠的改性過程中加入石墨烯，蛋白質(zhì)分子的各種價(jià)鍵及空間結(jié)構(gòu)被鹽酸胍破壞，而石墨烯附著在這些被破壞的分子表面形成團(tuán)簇，致使加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的表面較為粗糙且縫隙較多，更利于在黏結(jié)膠合板過程中與單板發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，這可能也是加入石墨烯使大豆蛋白膠黏度降低的原因。

圖5 加入石墨烯的改性大豆蛋白膠凍干后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM image of modified soybean protein adhesive with graphene after freeze-drying.

2.3 DSC分析結(jié)果

2.3.1 未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的DSC分析結(jié)果

大豆蛋白經(jīng)改性制得大豆蛋白膠，在改性過程中，大豆蛋白的結(jié)構(gòu)官能團(tuán)及肽鏈都會(huì)發(fā)生一定的變化。未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的DSC曲線見圖6。

圖6 未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的DSC曲線Fig.6 DSC curve of modified soy protein adhesive without grapheme.

由圖6可見，未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠出現(xiàn)兩個(gè)吸熱峰，第一個(gè)吸熱峰從50.00 ℃開始，在溫度升高到73.06 ℃時(shí)達(dá)到頂峰，到100.00 ℃時(shí)第一個(gè)峰趨于平緩，通過面積積分可知第一個(gè)吸熱峰吸收的熱量是46.76 J/g，通過溫度區(qū)間可以判斷這個(gè)吸熱峰是水分的吸熱峰。第二個(gè)吸熱峰在164.67 ℃時(shí)出現(xiàn)，在175.57 ℃時(shí)達(dá)到頂峰，到180.00 ℃結(jié)束，該吸熱峰吸收的熱量是37.62 J/g，由吸熱峰的溫度范圍可以判定第二個(gè)吸熱峰是未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的吸熱峰。從圖6還可以看出，凍干后的未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的固化溫度在175.57 ℃左右。

2.3.2 加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的DSC分析結(jié)果

加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的DSC曲線見圖7。由圖7可見，加入石墨烯的改性大豆蛋白膠也有兩個(gè)吸熱峰，第一個(gè)熱吸熱峰出現(xiàn)在45.94 ℃，在71.91 ℃時(shí)達(dá)到頂峰，到100.00 ℃左右時(shí)該曲線趨于平緩，該吸熱峰吸收的熱量為53.16 J/g，為大豆蛋白膠中水分的吸熱峰，與圖6相比，水分吸熱峰峰值溫度略微降低，吸熱量從46.76 J/g增加到53.16 J/g，增加了12.04%，這可能與樣品凍干后的含水率有關(guān)。第二個(gè)吸熱峰峰值溫度為130.00～180.00 ℃，從169.29 ℃開始吸熱，在174.68 ℃時(shí)達(dá)到頂峰，到180.00 ℃結(jié)束，該吸收峰吸收的熱量是38.77 J/g。加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的固化溫度也在175.00 ℃左右，與未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的固化溫度差別不大，說(shuō)明加入石墨烯對(duì)改性大豆蛋白膠的固化溫度無(wú)影響。在改性過程中石墨烯顆粒包裹在大豆蛋白膠顆粒外，降低了改性大豆蛋白膠的黏度，除了石墨烯的強(qiáng)韌性之外，一定情況下，大豆蛋白膠黏度的降低更有利于與木板纖維發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

圖7 加入石墨烯的改性大豆蛋白膠的DSC曲線Fig.7 DSC curve of modified soy protein adhesive with grapheme.

2.4 SDS-PAGE實(shí)驗(yàn)

大豆蛋白主要是球蛋白，約占85%（w）；根據(jù)沉降系數(shù)的不同，主要有7S，11S兩種［14］。大豆蛋白粉、未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠及加入石墨烯的改性大豆蛋白膠分子中的蛋白質(zhì)分布見圖8。由圖8可見，3種試樣的蛋白質(zhì)都是分布在15～75 kDa的大分子蛋白。3種試樣的蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量分布基本相同，說(shuō)明鹽酸胍在改性大豆蛋白粉制備大豆蛋白膠的過程中，鹽酸胍與蛋白質(zhì)的反應(yīng)并未引起蛋白質(zhì)中的氨基酸肽鏈的斷裂，改性機(jī)理是鹽酸胍附著在蛋白質(zhì)分子表面形成復(fù)合物從而使蛋白質(zhì)改性，所以相對(duì)分子質(zhì)量分布沒有發(fā)生變化。加入石墨烯后，譜線的條帶也沒發(fā)生顯著變化，說(shuō)明石墨烯沒有直接參與到改性反應(yīng)中，其存在方式可能是黏附在蛋白膠顆粒表面，而吸附在表面的石墨烯顆粒之間的相互潤(rùn)滑作用引起了改性大豆蛋白膠黏度的降低。

圖8 3種試樣的SDS-PAGE實(shí)驗(yàn)Fig.8 SDS-PAGE analysis of three samples.

2.5 FTIR分析結(jié)果

蛋白質(zhì)的譜線一般分為幾組特征吸收譜帶。酰胺Ⅰ，酰胺Ⅱ，酰胺Ⅲ的波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)1 600～1 700，1 530～1 550，1 200～1 300 cm-1［15］。大豆蛋白粉與兩種改性大豆蛋白膠的FTIR譜圖見圖9。由圖9可見，3種試樣中都含有蛋白質(zhì)的典型酰胺吸收光譜帶，2 700～3 500 cm-1處是H化學(xué)鍵的伸縮振動(dòng)峰。其中，3 100～3 500 cm-1處是O—H和N—H 的伸縮振動(dòng)吸收峰，2 940～2 980 cm-1處是甲基中C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 644 cm-1處是酰胺鍵中C==O 的吸收峰；1 535 cm-1處是酰胺鍵中C==C的吸收峰；1 240 cm-1處為酰胺Ⅲ中CN的伸縮振動(dòng)和NH的面內(nèi)變形振動(dòng)峰，1 100 cm-1處是伯醇中C—O伸縮振動(dòng)吸收峰。兩種改性大豆蛋白膠在3 400～3 500 cm-1處有伸縮振動(dòng)吸收峰，且兩種蛋白膠的吸收峰寬度相比于大豆蛋白粉右移且變寬，表明大豆蛋白的羥基與羥基、氨基與氨基、羥基與氨基之間極有可能存在分子間氫鍵，而經(jīng)過改性后大豆蛋白中的這些氫鍵被暴露出來(lái)，可能存在交聯(lián)反應(yīng)。與大豆蛋白粉相比，兩種改性大豆蛋白膠的膠酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的吸收譜帶稍微減弱，這表明在鹽酸胍改性大豆蛋白的過程中可能存在C==C打開與鹽酸胍形成復(fù)合物，而—NH2相對(duì)減少。這些官能團(tuán)的變化是大豆蛋白膠黏結(jié)性形成的化學(xué)基礎(chǔ)［16］。兩種改性大豆蛋白膠曲線走向基本相似，說(shuō)明石墨烯的加入沒有影響蛋白膠的改性過程，與SDS-PAGE結(jié)果相一致，也進(jìn)一步說(shuō)明石墨烯引起改性大豆蛋白膠的降黏效果是物理作用。

圖9 大豆蛋白粉與兩種改性大豆蛋白膠的FTIR譜圖Fig.9 FTIR spectra of soy protein and two modified soy protein adhesives.

3 結(jié)論

1）石墨烯的最佳加入量為0.04 mg/mL。石墨烯的加入對(duì)大豆蛋白膠有一定的降黏作用，使改性大豆蛋白膠在黏結(jié)膠合板時(shí)膠合強(qiáng)度有一定的提升，是由于降黏作用還是石墨烯的強(qiáng)韌性，有待進(jìn)一步探索研究。

2）大豆蛋白粉結(jié)構(gòu)緊實(shí)，表面粗糙，這種結(jié)構(gòu)不利于發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；未加入石墨烯的改性大豆蛋白膠表面出現(xiàn)空隙，這種結(jié)構(gòu)更有利于發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；加入石墨烯的改性大豆蛋白膠結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)疏松多孔狀，空隙更加密集。

3）石墨烯對(duì)大豆蛋白膠的固化溫度，蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布及官能團(tuán)的變化沒有影響，說(shuō)明石墨烯的加入沒有影響大豆蛋白膠的改性過程，對(duì)改性大豆蛋白膠的降黏是物理作用。