棉籽蛋白的提取及棉籽蛋白塑料的改性研究

荀 静， 王长松

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110142)

蛋白质是一类重要的有机化合物，普遍存在于生物体中［1］.1913年在法国和英国分别发表了大豆蛋白质制备塑料材料的专利.20世纪40年代后，随着石油化学工业的兴起，合成塑料控制了市场，对蛋白质的研究很少有报道.随着石油资源日益趋于紧张和人们对环境问题越来越关注，塑料行业将材料研究的目光投向天然可再生资源.我国是世界上的产棉大国，棉花产量居世界第一，棉籽仁提油后的棉籽饼粕中蛋白质含量高达60%［2］，是小麦粉蛋白质含量的4～5倍、稻米的6～7倍，甚至高于大豆粕.

崔志芹对用碱液从双液相棉粕中提取蛋白液的沉淀特性进行了研究，得出结论:在pH5.0左右沉淀蛋白质，既有利于富集蛋白，又可以最大限度脱除植酸，在棉籽蛋白的沉淀过程中，温度越低沉淀率越高，絮凝时间延长有利于棉籽蛋白的沉淀［3］.蛋白质的改性方法有许多种，主要分为物理改性、化学改性和酶改性等.化学改性方法有:交联改性、酸调改性、填充改性、磷酸化改性等.增塑改性和填充改性既有化学作用，又有物理作用［4］.增塑剂可以降低玻璃化转变温度，提高熔体流动性能，并减小最终产品的脆性［5］.Wang S等［6］报道了多羟基醇，如乙二醇、甘油、丙二醇，对蛋白质塑料的塑化性能和机械性能的影响.本文以棉籽粕为原料，用阳离子交换树脂代替盐酸提取，得到棉籽分离蛋白.同时研究环氧氯丙烷及乙二醇对棉籽蛋白塑料力学性能和吸水率的影响.

1 实验部分

1.1 实验药品

棉籽粕:河南省南皮棉纺厂;阳离子交换树脂、环氧氯丙烷、硫酸铵均为分析纯.

1.2 实验仪器

低速离心机;数字式pH计;平板硫化机;电子万能试验机.

1.3 实验方法

用粉碎机将榨油后的棉籽饼粕粉碎，过筛，取200目的粉料为原料干燥(40℃，12 h)，待下一步使用.量取一定量蒸馏水，加入盐，在水浴中加热搅拌至所需温度.称量第一步制得的粉料，加入溶液中，反应一定时间后进行下一步.萃取完毕，离心分离，取上层清液待下一步使用.上清液加入阳离子交换树脂调至所需的pH值，进行离心分离，取沉淀，用去离子水洗涤3遍，放于鼓风干燥箱内进行干燥(50℃，24 h)，得到棉籽分离蛋白.然后将棉籽分离蛋白粉与环氧氯丙烷混合，搅拌到蓬松无结块后放置过夜.在一定温度压力(150℃，10 MPa)条件下，在平板硫化机上模压成型，隔夜放置.

1.4 测试方法

1.4.1 蛋白质提取率的计算

蛋白质提取率=(实际提取蛋白质质量/棉籽粕中蛋白质质量)×100%

1.4.2 蛋白质纯度测定

采用常量凯氏定氮法测定干燥蛋白含量(参照GB/T 5009.5－2003).

1.4.3 提取蛋白红外光谱的分析

对提取的棉籽蛋白进行红外光谱分析，根据红外谱图中的吸收峰进一步确定蛋白质的官能团.

1.4.4 棉籽蛋白塑料的力学性能测试

将制得的试样，在室温、50 mm/min的拉伸速度下，在电子万能试验机上测定其拉伸强度和断裂伸长率.每组测5个样，取平均值.

1.4.5 棉籽蛋白塑料的吸水率测试

棉籽蛋白试样的吸水率测试按GB/T 1034－1998标准进行.计算试样的吸水率公式如下:

其中:W为吸水率;m1为干样质量;m2为湿样质量.

2 结果与讨论

2.1 3种盐提取蛋白质工艺

3种盐采用正交实验，所得最佳结果见表1.由表1实验结果可以看出:硫酸铵、六偏磷酸钠、亚硫酸钠3种盐中亚硫酸钠的提取率最高，为36.3%.这是由于亚硫酸钠为强碱弱酸盐，在提取过程中显弱碱性，使得亚硫酸钠的提取率高于硫酸铵和六偏磷酸钠［7］.

表1 不同盐提取蛋白质的提取率Table 1 Extraction rate of protein with different salts extraction

由表2实验结果可以看出:3种盐提取中用硫酸铵提取的蛋白质纯度最高，达到100%.这是由于硫酸铵的溶解度较大，其溶液中具有较多的离子电荷和较大的离子浓度，在等电点处蛋白质沉淀比较完全［8－10］.

表2 不同盐提取的蛋白质纯度Table 2 Pury of protein with different salts extraction

2.2 红外光谱分析

如图1所示，在3 301 cm－1处为酰胺键中N—H键的伸缩振动峰，在2 962 cm－1处为羧基中O—H的缔合振动和甲基中的C—H伸缩振动峰.1 647 cm－1处为酰胺基团C==O伸缩振动峰，1 538 cm－1处为N—H键的变形振动，1 451 cm－1为饱和烷烃中C—H变形振动峰，1 398 cm－1为羧酸中C—H伸缩振动峰与O—H的变形振动峰，1 236 cm－1为氨基酸C==O伸缩振动峰，1 073 cm－1处为酰胺基团中C—N伸缩振动峰.以上结构特征证明了棉籽蛋白的提取方法是可靠的［11］.

图1 棉籽分离蛋白红外谱图Fig.1 Cottonseed protein isolated infrared spectra

2.3 环氧氯丙烷对棉籽蛋白质塑料性能的影响

由图2可以看出:拉伸强度随着环氧氯丙烷份数的增加而增大，并且总体强度较高.这可能与环氧氯丙烷的强极性有关，氯原子与蛋白质形成了更强的氢键，加大了分子间作用力，随着环氧氯丙烷份数的增加，形成的氢键就越多，则强度就越高，拉伸强度越大［12］.

图2 环氧氯丙烷用量对棉籽蛋白塑料抗拉强度的影响Fig.2 Influence of epoxy of propane cottonseed protein plastic tensile strength

由图3可以看出:随着环氧氯丙烷份数的增加，样品断裂伸长率先降低，然后又升高，在30～35份之间，伸长率没有变化.随着环氧氯丙烷添加量的加大，形成的氢键就越多，分子间作用力的加大阻碍了链段运动，所以伸长率较小，且呈下降趋势，但35份以后又逐渐增大，可能是因为达到35份，环氧氯丙烷与蛋白质分子形成氢键基本完全，继续加入主要起了增塑的作用，使伸长率迅速提高.

图3 环氧氯丙烷用量对棉籽蛋白塑料断裂伸长率的影响Fig.3 Influence of poxy of propane cottonseed protein content on the elongation of plastic

由图4可知:随着环氧氯丙烷份数的增加，试样吸水率呈现下降趋势，环氧氯丙烷40份时吸水率最小，但加入40份时加工会被挤出.由于环氧氯丙烷的Cl原子极性很强，能破坏蛋白质之间的氢键，从而自己与蛋白质形成新的氢键，减少了亲水基团的数目，并且环氧氯丙烷还可能与—COOH反应，所以，具有较低的吸水率，且呈下降趋势.

图4 环氧氯丙烷用量对棉籽蛋白塑料吸水率的影响Fig.4 Influence of poxy of propane cottonseed protein content on the plastic bibulous rate

综上所述，加入环氧氯丙烷能显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强度.

2.4 乙二醇对棉籽蛋白质塑料性能的影响

由图5可以看出:随乙二醇含量的增加，拉伸强度下降，其抗拉强度由10.12 MPa减小到6.77 MPa.这是因为乙二醇作为增塑剂参与成键作用，随着使用量的增加，蛋白质分子链间小分子数增多，使得蛋白质分子间或分子内本身的相互作用大为减弱，软化了蛋白质塑料的刚性结构，增加了聚合物分子链间的滑动性，降低了分子间的作用力，导致材料的抗拉强度降低.

图5 乙二醇用量对棉籽蛋白塑料抗拉强度的影响Fig.5 Influence of diethylene glycol cottonseed protein plastic tensile strength

由图6可以看出:随着乙二醇份数的增加，样品断裂伸长率逐渐增大，从35份增加到40份，样品的断裂伸长率从11.51%增加到22.28%.这是因为增塑剂用量的增加提高了聚合物分子链间的滑动性，链段易于运动，使样品得以有效地延展，赋予其柔韧性，表现为断裂伸长率增加，达到了改善其机械性能的目的.

图6 乙二醇用量对棉籽蛋白塑料断裂伸长率的影响Fig.6 Influence of diethylene glycol cottonseed protein content on the elongation of plastic

由图7可以看出:乙二醇在30份时吸水率出现最小值54.34%，之后随着乙二醇份数增加吸水率增大.这是因为乙二醇的加入渗透到蛋白质分子内起到增塑的作用，导致蛋白质分子间的排列和相互作用更加紧密，因此，开始阶段表现为吸水率下降，但乙二醇中的羟基是亲水基团，吸水率会随其用量的增加而增大.当继续增加乙二醇量时，样片内的部分乙二醇会溶出［13］.

图7 乙二醇用量对棉籽蛋白塑料吸水率的影响Fig.7 Influence of diethylene glycol cottonseed protein content on the plastic bibulous rate

综上所述，随着乙二醇份数的增加，棉籽蛋白塑料的抗拉强度降低，断裂伸长率逐渐增大，最大值为22.28%，吸水率在30份时最低，为54.34%.

3 结论

(1)用硫酸铵提取的蛋白质纯度很高，可以达到100%.由正交实验得出硫酸铵提取的最佳条件:温度50℃、质量浓度为20 g/L、液粕体积比12∶1、提取时间100 min，此时蛋白质提取率为17.80%，蛋白质纯度100%.

(2)随着环氧氯丙烷份数的增加，棉籽蛋白塑料的抗拉强度逐渐增大，最大值为41.5 MPa;断裂伸长率先降低，然后又升高，在30～35份之间，伸长率没有变化;吸水率呈现下降趋势，环氧氯丙烷40份时吸水率最小，最小值为30%.综合上述，加入环氧氯丙烷能显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强度.

(3)随着乙二醇份数的增加，棉籽蛋白塑料的抗拉强度降低，断裂伸长率逐渐增大，最大值为22.28%，吸水率在30份时最低，为54.34%.棉籽蛋白塑料的最佳配比为棉籽蛋白100份，乙二醇30份.

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