可生物降解大豆蛋白材料的改性研究

李君喜

摘 要：為了解大豆蛋白材料發展狀況、推動大豆蛋白材料工業化發展，本文簡單介紹了一種可生物降解大豆蛋白材料的組成結構與性能，并詳細對大豆蛋白材料的改性進行論述，同時對其發展前景進行展望。

關鍵詞：生物降解;大豆蛋白材料;改性研究

Abstract：In order to better understand the development of soy protein material and promote the industrialization of soy protein material， the composition structure and performance application of a biodegradable soy protein material are briefly introduced， and the modification of soy protein material is discussed in detail，prospects for its development.

Key words：Biodegradation; Soybean protein material; Modification study

如今，各大合成纖維材料憑著優良的性能被廣泛應用，對人們的生活產生了巨大影響。但是這些合成纖維材料對環境并不友好，例如大部分工程塑料（PVC、PE等）在自然條件下降解速度非常慢或難以自然降解，降解過程中產生的物質對環境和人體健康有很大威脅。隨著經濟的增長，環境問題也日益突出，這些不易降解的材料造成了土地污染、海水污染等，給生態平衡帶來了嚴重威脅。盡管目前已經實現了可自然降解塑料的工業化生產，但是價格高，打擊了人們的使用熱情。因此，人們迫切需要找到一種價格低廉的環保型材料。大豆蛋白是一種對環境友好的可生物降解材料，原料豐富，可再生，功能多樣，因此人們對大豆蛋白進行了深入研究。可生物降解材料不需要經過人工處理，在自然界微生物的作用下可自動分解而消失。研究大豆蛋白材料對循環利用資源、保護自然環境有著非凡的意義。

1 可生物降解大豆蛋白的結構

大豆蛋白的原料是資源豐富的大豆，富含蛋白質，營養價值極高。大豆蛋白的分類多種多樣，按照蛋白質含量從低到高的順序為大豆蛋白粉（SF）、大豆濃縮蛋白（SPC）、大豆分離蛋白（SPI）3種。大豆蛋白的組成極為復雜，以氨基酸為基本單位以肽鍵連接而成：H2N-C（R1H）-C（O）-[-NH-C（RH）-C（O）-]n-NH-C（R2H）-C（O）–OH，含有-NH2、-COO-、CONH-等親水性基團。

2 可生物降解大豆蛋白的性能應用

大豆蛋白具有許多功能，大豆蛋白的界面性質、水化性質、蛋白質相互作用相關性質等對大豆蛋白的應用有著重要作用。界面性質包括乳化性和氣泡性等，大豆蛋白中含有大量親水性基團和親油性基團，能夠形成水油界面，有效阻隔氣泡的聚集和液滴的形成，根據大豆蛋白的乳化性，可以將其應用于糕點、漿料的加工。水化性質包括吸水性、黏度、溶脹、溶解性與分散性等，這與蛋白質分子鏈上的極性基團與水分子的作用相關，可以作為飲料的溶解劑、膠粘劑或涂料等。蛋白質相互作用相關性質包含沉淀、聚集和凝膠特性，可用于水體凈化或作為凝膠劑應用于食品行業。大豆蛋白材料除了在工業涂料、粘膠劑和食品行業得到廣泛應用外，由于其還具備較好的生物相容性和可加工性能，常用來生產生藥物載體、醫用敷料、組織構架等生物醫學材料。

3 可生物降解大豆蛋白的改性研究

3.1 物理改性

物理改性是通過加熱、磁、作用力等物理手段來改變大豆蛋白質分子間結構。該方法通常不會破壞蛋白質的初級結構，具有成本低、反應時間短、無害及不會對產品營養性能產生重大影響等優點[1]。陳遠翔[2]利用加熱技術及微波技術分別對SPC進行物理改性，加熱改性下，SPC的吸水吸油性、乳化性能等功能特性得到明顯提高;微波技術改性可使起泡性明顯提高，但是并不能使吸油性提高;采用超聲處理SPI時，SPI的溶解性明顯提高，在不同濃度的NaCl溶液中的溶解性相差較大;SPI的凝膠性隨著超聲功率的增加而提高，隨著時間的延長先降低后上升，由此可以發現，超聲處理條件不同，對大豆蛋白的功能特性影響也不同[3]。孫燕婷[4]等人采用超聲處理SPI，結果表明超聲處理可以顯著提高SPI的溶解性和乳化性，為拓寬其在食品工業的應用奠定了基礎。兩者均表明超聲改性可使大豆蛋白產品性能提高，利用該方法處理的大豆蛋白可以廣泛應用于食品加工領域。

3.2 化學改性

化學改性是通過加入化學試劑使蛋白質的結構、基團等發生變化，從而改變大豆蛋白的性能特點。化學改性的優點是反應效率快、應用廣泛、效果明顯與過程簡單;缺點是反應過于劇烈，反應副產物多，會殘留化學試劑，造成設備損壞。化學改性的方法很多，有酸堿法、烷基化、酯化與磷酸化等，化學改性主要是對蛋白質分子的側鏈進行改造或者對蛋白質分子的主鏈結構進行改造。這些化學手段都可以使大豆蛋白的功能性和專一性增強，改善大豆蛋白的綜合性能。加入適當的強堿能夠有效加強蛋白質分子的相互作用，有利于形成致密的網絡結構。大豆蛋白分子羧基和疏水性基團等的暴露，可改進大豆蛋白材料耐水性差的缺點，用其生產的產品強度大、阻隔性較好。針對大豆蛋白塑料材料加工困難、力學性能較差的問題，楊振興[5]采用化學改性和填充改性的方法制備SPI、FF和RF復合材料，改性后的SPI復合材料較自然的SPI硬度、拉伸強度以及吸收性有了很大提高。馬力[6]采用3種不同的改性方法對大豆蛋白中的氨基和羧基進行了化學改性，成功制備出3種具有不同力學性能的大豆蛋白膜材料，其力學性能性比未改性的大豆蛋白膜顯著提高。以上大豆蛋白改性化學方法能夠有效改善大豆蛋白的限制，拓寬大豆蛋白材料的應用領域。

3.3 酶改性

酶法改性是利用蛋白酶的催化作用，將蛋白質大分子水解成肽等小分子，從而提高蛋白質的功能性質，其凝膠性、乳化性、熱穩定性等得到明顯改善。酶改性在比較溫和的條件下進行，但是由于酶制劑價格高昂，給酶改性的應用帶來了限制。天然的SPI黏度低、凝膠性差，不能滿足特定加工需求，必須對其進行酶改性處理。酶處理后的大豆分離蛋白發生聚集，疏水性增加，從而形成凝膠，可以作為凝固劑應用于食品加工中[7]。大豆分離蛋白可用于制備可食膜，大豆分離蛋白可食用膜營養價值高且易被人體消化。但是大豆分離蛋白分子結構復雜、對環境敏感、容易滋生細菌與霉菌以及保質期短等缺點抑制了其的廣泛應用。2011年杜會云[8]利用酶改性大豆分離蛋白和添加天然抑菌劑，優化工藝條件，克服了大豆分離蛋白可食膜的安全隱患，最終獲得機械性能優良和抗菌性能好的大豆蛋白可食膜，進一步促進了大豆分離蛋白可食膜的研究和抗菌膜的工藝化生產。

3.4 共混改性

大豆蛋白的共混改性是指在大豆蛋白材料中加入填充料和其他聚合物。智軍麗[9]采用共混方法得到的PAS改性大豆蛋白可降解膜材料的透光性、機械性能及阻水性較好;添加了25% PAS的膜材料，在掩埋33 d后，降解度可達78.44%。研究證實了共混兩者制備的新型大豆蛋白材料具有用作可降解包裝材料的潛能，可以有效解決目前嚴重的白色污染問題。針對現在市場上膠黏劑耐水性差、生產成本高的問題，張冰寒[10]使用適量無機填料對脫脂豆粉膠黏劑進行增量改性，提高了膠黏劑的綜合性能，降低了膠黏劑的生產成本;研究中還發現，無機填料的種類和用量對脫脂豆粉膠黏劑的膠合性能、工藝性能和成本有著重要影響，其中以蒙脫土制備的無機填料WSP最佳，改善膠接耐水性的同時，降低膠黏劑的成本。

4 展望

大豆蛋白雖然是一種可自然降解、對環境友好的材料，其廣泛應用可以減少石油化工塑料帶來的污染問題，但是與技術成熟的石油基聚合物相比，存在生產成本高、材料的加工流動性、強度及疏水性較差以及工藝不完善等缺點，很大程度上抑制了大豆蛋白材料的發展。大豆蛋白材料來源廣泛、原料廉價、可再生，具有很大的發展潛力。隨著人們環保意識的提高，對可生物降解材料研究的不斷深入，必將克服目前大豆蛋白材料的問題，可生物降解聚合物取代傳統石油化工聚合物是未來的發展方向。

參考文獻：

[1]姜 鵬.大豆分離蛋白接枝改性研究[D].無錫：江南大學，2008.

[2]陳遠翔.醇提濃縮大豆蛋白的物理改性[D].南京：南京農業大學，2010.

[3]孫英杰.超聲波處理對大豆分離蛋白結構和功能性質影響研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2014.

[4]孫燕婷，黃國清，肖軍霞，等.超聲處理對大豆分離蛋白溶解性和乳化活性的影響[J].中國糧油學報，2011，26（7）：22-26.

[5]楊振興.大豆蛋白的化學改性及其復合材料的研究[D].天津：天津科技大學，2011.

[6]馬 力.大豆分離蛋白的化學改性[D].上海：復旦大學，2014.

[7]臧學麗，劉 娟.大豆分離蛋白改性技術的研究進展[J].長春：吉林農業，2018（1）：62.

[8]杜會云.酶改性大豆分離蛋白抑菌膜的制備及性能研究[D].長春：吉林大學，2011.

[9]智軍麗.聚酰胺酸鹽共混改性大豆分離蛋白膜材料的制備與研究[D].鄭州：河南農業大學，2014.

[10]張冰寒.大豆膠用脫脂豆粉的改性、應用與作用機制[D].哈爾濱：東北林業大學，2019.