可生物降解大豆蛋白材料的改性研究

李君喜

摘 要：为了解大豆蛋白材料发展状况、推动大豆蛋白材料工业化发展，本文简单介绍了一种可生物降解大豆蛋白材料的组成结构与性能，并详细对大豆蛋白材料的改性进行论述，同时对其发展前景进行展望。

关键词：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，各大合成纤维材料凭着优良的性能被广泛应用，对人们的生活产生了巨大影响。但是这些合成纤维材料对环境并不友好，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难以自然降解，降解过程中产生的物质对环境和人体健康有很大威胁。随着经济的增长，环境问题也日益突出，这些不易降解的材料造成了土地污染、海水污染等，给生态平衡带来了严重威胁。尽管目前已经实现了可自然降解塑料的工业化生产，但是价格高，打击了人们的使用热情。因此，人们迫切需要找到一种价格低廉的环保型材料。大豆蛋白是一种对环境友好的可生物降解材料，原料丰富，可再生，功能多样，因此人们对大豆蛋白进行了深入研究。可生物降解材料不需要经过人工处理，在自然界微生物的作用下可自动分解而消失。研究大豆蛋白材料对循环利用资源、保护自然环境有着非凡的意义。

1 可生物降解大豆蛋白的结构

大豆蛋白的原料是资源丰富的大豆，富含蛋白质，营养价值极高。大豆蛋白的分类多种多样，按照蛋白质含量从低到高的顺序为大豆蛋白粉（SF）、大豆浓缩蛋白（SPC）、大豆分离蛋白（SPI）3种。大豆蛋白的组成极为复杂，以氨基酸为基本单位以肽键连接而成：H2N-C（R1H）-C（O）-[-NH-C（RH）-C（O）-]n-NH-C（R2H）-C（O）–OH，含有-NH2、-COO-、CONH-等亲水性基团。

2 可生物降解大豆蛋白的性能应用

大豆蛋白具有许多功能，大豆蛋白的界面性质、水化性质、蛋白质相互作用相关性质等对大豆蛋白的应用有着重要作用。界面性质包括乳化性和气泡性等，大豆蛋白中含有大量亲水性基团和亲油性基团，能够形成水油界面，有效阻隔气泡的聚集和液滴的形成，根据大豆蛋白的乳化性，可以将其应用于糕点、浆料的加工。水化性质包括吸水性、黏度、溶胀、溶解性与分散性等，这与蛋白质分子链上的极性基团与水分子的作用相关，可以作为饮料的溶解剂、胶粘剂或涂料等。蛋白质相互作用相关性质包含沉淀、聚集和凝胶特性，可用于水体净化或作为凝胶剂应用于食品行业。大豆蛋白材料除了在工业涂料、粘胶剂和食品行业得到广泛应用外，由于其还具备较好的生物相容性和可加工性能，常用来生产生药物载体、医用敷料、组织构架等生物医学材料。

3 可生物降解大豆蛋白的改性研究

3.1 物理改性

物理改性是通过加热、磁、作用力等物理手段来改变大豆蛋白质分子间结构。该方法通常不会破坏蛋白质的初级结构，具有成本低、反应时间短、无害及不会对产品营养性能产生重大影响等优点[1]。陈远翔[2]利用加热技术及微波技术分别对SPC进行物理改性，加热改性下，SPC的吸水吸油性、乳化性能等功能特性得到明显提高;微波技术改性可使起泡性明显提高，但是并不能使吸油性提高;采用超声处理SPI时，SPI的溶解性明显提高，在不同浓度的NaCl溶液中的溶解性相差较大;SPI的凝胶性随着超声功率的增加而提高，随着时间的延长先降低后上升，由此可以发现，超声处理条件不同，对大豆蛋白的功能特性影响也不同[3]。孙燕婷[4]等人采用超声处理SPI，结果表明超声处理可以显著提高SPI的溶解性和乳化性，为拓宽其在食品工业的应用奠定了基础。两者均表明超声改性可使大豆蛋白产品性能提高，利用该方法处理的大豆蛋白可以广泛应用于食品加工领域。

3.2 化学改性

化学改性是通过加入化学试剂使蛋白质的结构、基团等发生变化，从而改变大豆蛋白的性能特点。化学改性的优点是反应效率快、应用广泛、效果明显与过程简单;缺点是反应过于剧烈，反应副产物多，会残留化学试剂，造成设备损坏。化学改性的方法很多，有酸碱法、烷基化、酯化与磷酸化等，化学改性主要是对蛋白质分子的侧链进行改造或者对蛋白质分子的主链结构进行改造。这些化学手段都可以使大豆蛋白的功能性和专一性增强，改善大豆蛋白的综合性能。加入适当的强碱能够有效加强蛋白质分子的相互作用，有利于形成致密的网络结构。大豆蛋白分子羧基和疏水性基团等的暴露，可改进大豆蛋白材料耐水性差的缺点，用其生产的产品强度大、阻隔性较好。针对大豆蛋白塑料材料加工困难、力学性能较差的问题，杨振兴[5]采用化学改性和填充改性的方法制备SPI、FF和RF复合材料，改性后的SPI复合材料较自然的SPI硬度、拉伸强度以及吸收性有了很大提高。马力[6]采用3种不同的改性方法对大豆蛋白中的氨基和羧基进行了化学改性，成功制备出3种具有不同力学性能的大豆蛋白膜材料，其力学性能性比未改性的大豆蛋白膜显著提高。以上大豆蛋白改性化学方法能够有效改善大豆蛋白的限制，拓宽大豆蛋白材料的应用领域。

3.3 酶改性

酶法改性是利用蛋白酶的催化作用，将蛋白质大分子水解成肽等小分子，从而提高蛋白质的功能性质，其凝胶性、乳化性、热稳定性等得到明显改善。酶改性在比较温和的条件下进行，但是由于酶制剂价格高昂，给酶改性的应用带来了限制。天然的SPI黏度低、凝胶性差，不能满足特定加工需求，必须对其进行酶改性处理。酶处理后的大豆分离蛋白发生聚集，疏水性增加，从而形成凝胶，可以作为凝固剂应用于食品加工中[7]。大豆分离蛋白可用于制备可食膜，大豆分离蛋白可食用膜营养价值高且易被人体消化。但是大豆分离蛋白分子结构复杂、对环境敏感、容易滋生细菌与霉菌以及保质期短等缺点抑制了其的广泛应用。2011年杜会云[8]利用酶改性大豆分离蛋白和添加天然抑菌剂，优化工艺条件，克服了大豆分离蛋白可食膜的安全隐患，最终获得机械性能优良和抗菌性能好的大豆蛋白可食膜，进一步促进了大豆分离蛋白可食膜的研究和抗菌膜的工艺化生产。

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。智军丽[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、机械性能及阻水性较好;添加了25% PAS的膜材料，在掩埋33 d后，降解度可达78.44%。研究证实了共混两者制备的新型大豆蛋白材料具有用作可降解包装材料的潜能，可以有效解决目前严重的白色污染问题。针对现在市场上胶黏剂耐水性差、生产成本高的问题，张冰寒[10]使用适量无机填料对脱脂豆粉胶黏剂进行增量改性，提高了胶黏剂的综合性能，降低了胶黏剂的生产成本;研究中还发现，无机填料的种类和用量对脱脂豆粉胶黏剂的胶合性能、工艺性能和成本有着重要影响，其中以蒙脱土制备的无机填料WSP最佳，改善胶接耐水性的同时，降低胶黏剂的成本。

4 展望

大豆蛋白虽然是一种可自然降解、对环境友好的材料，其广泛应用可以减少石油化工塑料带来的污染问题，但是与技术成熟的石油基聚合物相比，存在生产成本高、材料的加工流动性、强度及疏水性较差以及工艺不完善等缺点，很大程度上抑制了大豆蛋白材料的发展。大豆蛋白材料来源广泛、原料廉价、可再生，具有很大的发展潜力。随着人们环保意识的提高，对可生物降解材料研究的不断深入，必將克服目前大豆蛋白材料的问题，可生物降解聚合物取代传统石油化工聚合物是未来的发展方向。

参考文献：

[1]姜 鹏.大豆分离蛋白接枝改性研究[D].无锡：江南大学，2008.

[2]陈远翔.醇提浓缩大豆蛋白的物理改性[D].南京：南京农业大学，2010.

[3]孙英杰.超声波处理对大豆分离蛋白结构和功能性质影响研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2014.

[4]孙燕婷，黄国清，肖军霞，等.超声处理对大豆分离蛋白溶解性和乳化活性的影响[J].中国粮油学报，2011，26（7）：22-26.

[5]杨振兴.大豆蛋白的化学改性及其复合材料的研究[D].天津：天津科技大学，2011.

[6]马 力.大豆分离蛋白的化学改性[D].上海：复旦大学，2014.

[7]臧学丽，刘 娟.大豆分离蛋白改性技术的研究进展[J].长春：吉林农业，2018（1）：62.

[8]杜会云.酶改性大豆分离蛋白抑菌膜的制备及性能研究[D].长春：吉林大学，2011.

[9]智军丽.聚酰胺酸盐共混改性大豆分离蛋白膜材料的制备与研究[D].郑州：河南农业大学，2014.

[10]张冰寒.大豆胶用脱脂豆粉的改性、应用与作用机制[D].哈尔滨：东北林业大学，2019.