一种酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法
【专利摘要】本发明公开了一种酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，包括制备玉米醇溶蛋白溶液，制备酪蛋白溶液，制备谷朊粉悬浮液，制备玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉混合溶液，谷氨酰胺转氨酶交联处理玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉混合溶液以及将谷氨酰胺转氨酶交联处理后的混合溶液进行静电纺丝，得到新型复合蛋白纤维；本发明提供的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法采用了谷氨酰胺转氨酶催化玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉的交联反应，并通过静电纺制备新型复合纤维，制备得到的纤维平均直径达到了纳米级，为改善再生纤维材料提供了突破性的方法，使得天然蛋白纤维能够更好地得到应用。
【专利说明】一种酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，属于生物技术和静电纺的交叉结合领域。
【背景技术】
[0002]全球原材料价格的上涨、石油资源的紧缺及环境因素对材料工业的发展形成了较大制约。寻求新型的天然纤维原料和制备技术，已成为迫待解决的问题。特别的近些年来，随着对生物燃料及其它生物能源的需求不断增加，导致了玉米蛋白、大豆蛋白及谷朊蛋白等谷物副产品的大量产生，由于其价格低廉来源广泛，因此利用这些农副产品生产新型的再生蛋白纤维引起了科学家们的研究兴趣。
[0003]谷朊粉含有80%的蛋白质，最初作为小麦淀粉的副产物，是与纤维等一起作为饲料使用的，其中2010年中国的谷朊粉产量为30万吨。谷朊粉具有很强的吸水性、粘弹性、薄膜成型性、粘附热凝固性，和水混合可形成具胶粘性、内聚性和弹性的混合物，基于谷朊粉所具有的特殊性质，其很有可能成为制备再生蛋白纤维的另一个重要的原料来源，2007年利用谷朊粉提取蛋白制备再生蛋白纤维首次得到了报道。
[0004]然而所得到的再生蛋白纤维的物理化学性质仍旧略逊于天然的蛋白纤维及合成纤维。对纤维进行交联改性是改善再生纤维材料物理化学性能扩大其应用领域的最常用方法之一。采用戊二醛、多羧酸化合物等作为交联剂可显著提高了再生蛋白纤维的物理机械性能。但是化学试剂造成的毒副作用、环境污染、反应条件苛刻以及因化学反应引起纤维泛黄而导致纤维质量低下等问题很大程度限制了化学交联法的使用。谷氨酰胺转氨酶(TGase)可以催化蛋白质分子谷氨酰胺残基的Y -羧酰胺基和伯胺之间的酰胺基转移反应，形成分子内或分子间的异肽键，从而使蛋白分子发生交联，提高再生蛋白纤维的物理化学性质。目前已有报道利用谷氨酰胺转氨酶改性谷朊粉，提高小麦粉和面条品质；但是利用谷氨酰胺转氨酶催化谷朊粉与其他蛋白交联，并用静电纺制备新型复合纤维还未报道。同时目前采用常规方法得到的复合纤维，其中纤维的直径通常为微米级，很难达到更细的纳米级。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服以上现有技术的不足而提供一种利用谷氨酰胺转氨酶催化多种蛋白交联改性，并用静电纺制备新型复合纤维和薄膜的方法。具体为:
一种酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，包括以下步骤:
(1)制备玉米醇溶蛋白溶液:将玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下搅拌溶解，制得质量分数为10-50%的玉米醇溶蛋白溶液；
(2)制备酪蛋白溶液:将酪蛋白加入到NaOH溶液中，水浴加热溶解，加入pH为7.2的磷酸缓冲液，制得质量分数为1-30%的酪蛋白溶液； (3)制备谷朊粉溶液:将谷朊粉加入到水中，常温下搅拌溶解，制得质量分数为5%-25%的谷朊粉悬浮液；
(4)制备玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉混合溶液:将以上步骤制得的玉米醇溶蛋白溶液、酪蛋白溶液和谷朊粉溶液混合，常温下搅拌，得到混合溶液；
(5)交联处理:将谷氨酰胺转氨酶和无水硫酸钠分别加入到步骤(4)得到的混合溶液中，30-70°C恒温水浴反应I h，纺丝待用；
(6)纺丝:将谷氨酰胺转氨酶交联处理后的混合溶液进行静电纺丝，制得玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉的复合纳米纤维及薄膜。
[0007]所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，步骤(2)中NaOH溶液的浓度可以为0.1-lmol/L。
[0008]所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，步骤(2)中水浴加热的温度可以为90 °C。
[0009]所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，步骤(4)中玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液的混合体积比可以为1: 1:1-20:1:1。
[0010]所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，步骤(5)中谷氨酰胺转氨酶的用量可以为1-100 U/g原料。
[0011]所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，步骤(5)中无水硫酸钠的质量可以为混合溶液总质量的1-10%。
[0012]所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，步骤(6)中静电纺丝条件可以为滚筒转速200 r/min，纺丝电压16-24 KV，纺丝速度0.1-lmL/h，接收距离10-20 cm。
[0013]以上所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法制备得到的复合蛋白纤维在非织造材料领域的应用。
[0014]本发明提供的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法采用了谷氨酰胺转氨酶催化中玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉的交联反应，并通过静电纺制备新型复合纤维，制备得到的纤维平均直径达到了纳米级，为改善再生纤维材料提供了突破性的方法，使得天然蛋白纤维能够更好地得到应用。
[0015]【具体实施方式】:
下面利用具体实例对本发明作进一步描述。
[0016]以下实施例中纺丝采用日本MECC株式会社生产的SD系列电纺丝设备进行。
[0017]实施例1
将27 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL，制得质量分数为27%的玉米醇溶蛋白溶液；将I g酪蛋白加入到20 ml浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL，制得质量分数为1%的酪蛋白溶液；将5 g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL，制得质量分数为5%的谷朊粉悬浮液；将制得的玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液以进行混合，常温下低速搅拌I h，得到玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉质量比为3:1:1混合溶液；将谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中，其中酶用量为5 U/g原料(该原料指该混合溶液)，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之一。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中50°C反应I h制得混合纺丝液,纺丝条件:滚筒转速200 r/min,纺丝电压24 KV,纺丝速度0.5 mL/h,接收距离20 cm,得到谷朊粉、玉米醇溶蛋白和酪蛋白的复合纳米纤维及薄膜(薄膜由复合纳米纤维组成)，其中纤维平均直径是210 nm。
[0018]实施例2
将50 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL，制得质量分数为50%的玉米醇溶蛋白溶液；将12g酪蛋白加入到20 ml浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL，制得质量分数为12%的酪蛋白溶液；将20g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL,制得质量分数为20%的谷朊粉悬浮液；将制得的玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，得到玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉质量比为1:1:1混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中,其中酶用量为40U/g原料,而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之一。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中50°C反应I h制得混合纺丝液,纺丝条件:滚筒转速200 r/min,纺丝电压24 KV,纺丝速度0.1 mL/h，接收距离10 cm，得到谷朊粉、玉米醇溶蛋白和酪蛋白的复合纳米纤维及薄膜，其中纤维平均直径是370 nm。
[0019]实施例3
将10 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌Ih并定容至100 mL，制得质量分数为10%的玉米醇溶蛋白溶液；将25 g酪蛋白加入到20 ml浓度为0.8 mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL，制得质量分数为25%的酪蛋白溶液；将25 g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL,制得质量分数为25%的谷朊粉悬浮液；将制得的玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，分别得到玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉质量比为19:1:1的混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中，其中酶用量为I U/g原料，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之一。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中50°C反应I h制得混合纺丝液，纺丝条件:滚筒转速200 r/min，纺丝电压24 KV，纺丝速度0.5 mL/h，接收距离20 cm，得到谷朊粉、玉米醇溶蛋白和酪蛋白的复合纳米纤维及薄膜，其中纤维平均直径是650 nm。
[0020]实施例4
将27 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌Ih并定容至100 mL，制得质量分数为27%的玉米醇溶蛋白溶液；将30 g酪蛋白加入到20 ml浓度为0.1 mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL，制得质量分数为30%的酪蛋白溶液；将5 g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL,制得质量分数为5%的谷朊粉悬浮液；将制得的玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，分别得到玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉质量比为20:1:1的混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中，其中酶用量为100 U/g原料，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之十。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中30°C反应I h制得混合纺丝液，纺丝条件:滚筒转速200 r/min，纺丝电压16 KV，纺丝速度I mL/h，接收距离15 cm，得到谷朊粉、玉米醇溶蛋白和酪蛋白的复合纳米纤维及薄膜，其中纤维平均直径是450 nm。
[0021]实施例5 将27 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌Ih并定容至100 mL，制得质量分数为27%的玉米醇溶蛋白溶液；将I g酪蛋白加入到20 ml浓度为I mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL，制得质量分数为1%的酪蛋白溶液；将5 g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL，制得质量分数为5%的谷朊粉悬浮液；将制得的玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，分别得到玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉质量比为7:1:1的混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中，其中酶用量为20 U/g原料，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之五。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中70°C反应I h制得混合纺丝液，纺丝条件:滚筒转速200 r/min，纺丝电压16 KV,纺丝速度0.5 mL/h，接收距离20 cm，得到谷朊粉、玉米醇溶蛋白和酪蛋白的复合纳米纤维及薄膜，其中纤维平均直径是150 nm。
[0022]在评价以上得到的纤维及薄膜时，纤维平均直径越小效果越好，因此通过以上实施例可以看出，采用本发明提供的方法均能制备得到的纤维及薄膜其中的纤维直径均达到了纳米级别，其中以实施例5制备得到的纤维直径最小，为最优实施例。
[0023]对比例I
按照实施例5的方法制备复合纤维，其中没有加入酪蛋白，具体如下:
将27 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌Ih并定容至100 mL，制得质量分数为27%的玉米醇溶蛋白溶液；将5 g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL，制得质量分数为5%的谷朊粉悬浮液；取制得的玉米醇溶蛋白和谷朊粉溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，分别得到玉米醇溶蛋白/谷朊粉质量比为7:1的混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中,其中酶用量为20 U/g原料，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之五。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中70°C反应I h制得混合纺丝液，纺丝条件:滚筒转速200 r/min，纺丝电压16 KV，纺丝速度0.5 mL/h,接收距离20 cm,无纳米纤维及薄膜形成。
[0024]对比例2
按照实施例5的方法制备复合纤维，其中没有加入玉米醇蛋白溶液，过程如下:
将I g酪蛋白加入到20 ml浓度为I mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL,制得质量分数为1%的酪蛋白溶液；将5 g谷朊粉加入到水中，常温下溶解搅拌I h并定容至100 mL，制得质量分数为5%的谷朊粉悬浮液；取制得的酪蛋白溶液和谷朊粉溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，分别得到酪蛋白/谷朊粉质量比为1:1的混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中，其中酶用量为20 U/g原料，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之五。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中70°C反应I h制得混合纺丝液，纺丝条件:滚筒转速200 r/min,纺丝电压16 KV,纺丝速度0.5 mL/h,接收距离20 cm,无纳米纤维及薄膜形成。
[0025]对比例3
按照实施例5的方法制备复合纤维，其中没有加入谷朊粉溶液，过程如下:
将27 g玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下溶解搅拌Ih并定容至100 mL，制得质量分数为27%的玉米醇溶蛋白溶液；将I g酪蛋白加入到20 ml浓度为I mol/L的NaOH溶液中，水浴90°C加热溶解，然后加入pH为7.2的磷酸缓冲液并定容至100 mL，制得质量分数为1%的酪蛋白溶液；取制得的玉米醇溶蛋白溶液和酪蛋白溶液进行混合，常温下低速搅拌I h，分别得到玉米醇溶蛋白/酪蛋白质量比为7:1的混合溶液；将一定质量的谷氨酰胺转氨酶(TGase)和无水硫酸钠分别加入到混合溶液中,其中酶用量为20 U/g原料，而无水亚硫酸钠的质量占溶液总质量的百分之五。最后将混合溶液移入恒温水浴锅中70°C反应I h制得混合纺丝液，纺丝条件:滚筒转速200 r/min,纺丝电压16 KV,纺丝速度0.5 mL/h,接收距离20 cm，无纳米纤维及薄膜形成。
[0026]通过以上三个对比例可以看出，将原料玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液任意去掉一种后，按照实施例5的方法制备得到的产品均无纳米纤维及薄膜形成，由此说明，原料中的三种组分是缺一不可的。
[0027]以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)制备玉米醇溶蛋白溶液:将玉米醇溶蛋白加入到冰乙酸中，常温下搅拌溶解，制得质量分数为10-50%的玉米醇溶蛋白溶液； (2)制备酪蛋白溶液:将酪蛋白加入到NaOH溶液中，水浴加热溶解，加入pH为7.2的磷酸缓冲液，制得质量分数为1-30%的酪蛋白溶液； (3)制备谷朊粉溶液:将谷朊粉加入到水中，常温下搅拌溶解，制得质量分数为5%-25%的谷朊粉悬浮液； (4)制备玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉混合溶液:将以上步骤制得的玉米醇溶蛋白溶液、酪蛋白溶液和谷朊粉溶液混合，常温下搅拌，得到混合溶液； (5)交联处理:将谷氨酰胺转氨酶和无水硫酸钠分别加入到步骤(4)得到的混合溶液中，30-70°C恒温水浴反应I h，纺丝待用； (6)纺丝:将谷氨酰胺转氨酶交联处理后的混合溶液进行静电纺丝，制得玉米醇溶蛋白/酪蛋白/谷朊粉的复合纳米纤维及薄膜。
2.根据权利要求1所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于，步骤(2)中NaOH溶液的 浓度为0.1-lmol/L。
3.根据权利要求1所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于，步骤(2)中水浴加热的温度为90°C。
4.根据权利要求1所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于，步骤(4)中玉米醇溶蛋白、酪蛋白和谷朊粉溶液的混合体积比为1:1:1-20:1:1。
5.根据权利要求1所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于，步骤(5)中谷氨酰胺转氨酶的用量为1-100 U/g原料。
6.根据权利要求1所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于,步骤(5)中无水硫酸钠的质量为混合溶液总质量的1-10%。
7.根据权利要求1所述的酶处理结合静电纺制备新型复合蛋白纤维的方法，其特征在于，步骤(6)中静电纺丝条件为滚筒转速200 r/min,纺丝电压16-24 KV,纺丝速度0.1-1mL/h，接收距离10-20 cm。
【文档编号】D01F8/02GK104018244SQ201410236994
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】魏取福, 李国辉, 王清清, 黄锋林, 邱玉宇 申请人:江南大学