一种大豆分离蛋白基有机凝胶及其制备方法

1.本发明属于天然生物高分子材料技术领域，具体涉及一种大豆分离蛋白基有机凝胶及其制备方法。


背景技术：

2.大豆分离蛋白基凝胶是以大豆分离蛋白为构筑模块制备的凝胶，因其原料具有良好的生物相容性、可降解性、低免疫原性、可吸收性等优点，而被广泛应用于生物医药、水处理、化妆品等领域。杨艳丽(杨艳丽.大豆分离蛋白基高分子水凝胶的制备及药释放性能[d]，西北师范大学，2015)将大豆分离蛋白与烯类衍生物单体共混后引发聚合，制备了具有离子强度响应的凝胶。徐知丽(徐知丽.大豆分离蛋白基水凝胶材料的制备与性能研究[d]，西北师范大学，2016)直接将大豆分离蛋白与聚合物(壳聚糖、聚乙烯醇)共混制备了大豆分离蛋白基凝胶。然而，他们所制备的大豆分离蛋白基凝胶只是简单地将大豆分离蛋白与聚合物进行物理共混，而其中的大豆分离蛋白分子间不存在化学交联，由此制备的凝胶力学强度较弱。
[0003]
为了改善大豆分离蛋白基凝胶的力学性能，一种大豆分离蛋白基天然高分子水凝胶及其制备方法公开了一种利用氧化葡聚糖交联大豆分离蛋白的方法制备了具有较高抗压缩强度的大豆分离蛋白基水凝胶，该水凝胶的抗压缩强度达到401kpa。但是，该水凝胶的网络结构较为单一，仅为氧化葡聚糖交联的大豆分离蛋白刚性网络，难以承受较大的拉伸应力。一种具有高伸长率的大豆蛋白复合水凝胶及其制备方法公开了一种利用盐离子诱导大豆分离蛋白聚集，并将其与聚合物复合的方法，制备了大豆分离蛋白基水凝胶，该凝胶具有较高伸长率，可达到3500％。但该水凝胶中蛋白质分子之间仅通过离子诱导的物理作用形成交联，没有使用化学交联来构建刚性网络，因此尽管该凝胶具有较好的柔韧性，但抗压缩强度和抗拉伸强度仍有待提高。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于针对目前所报道的大豆分离蛋白基水凝胶的机械强度较弱、不具有抗冻性和保湿性等问题，提供了一种大豆分离蛋白基有机凝胶及其制备方法。该大豆分离蛋白基有机凝胶具有出色的机械性能、抗冻性、保湿性，同时具有良好的可生物降解性，拓宽了大豆蛋白基水凝胶的应用领域。
[0005]
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
[0006]
本发明提供一种大豆分离蛋白基有机凝胶的制备方法，以质量份数计，将6～24份变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.1～10份表面活性剂、9～36份n-羟乙基丙烯酰胺、0.1～2份光引发剂、1.5～10份聚乙二醇二缩水甘油醚溶于50～200份水中，调节ph至碱性后依次经过紫外光引发、高温处理，然后置于200～2000份甘油中浸泡2～72小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶；所述紫外光引发的时间为1～12小时；所述高温处理是指在60～90℃烘箱中恒温0.5～5小时。
[0007]
为了进一步实现本发明的目的，优选地，所述变性处理的大豆分离蛋白粉末是将原始的大豆分离蛋白粉在表面活性剂水溶液中溶解完全后，经过90～105℃高温处理0.5～3h后再冻干处理获得，变性处理的大豆分离蛋白粉末的蛋白含量在90wt％以上。
[0008]
优选地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种以上。
[0009]
优选地，所述光引发剂为2-氧代戊二酸、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一种以上。
[0010]
优选地，所述聚乙二醇二缩水甘油醚的环氧值为0.50～0.90mol/100g。
[0011]
优选地，调节ph值为8.0～12.0。
[0012]
优选地，调节ph所用的试剂为0.05～1wt％氢氧化钠水溶液。
[0013]
优选地，所述紫外光引发的紫外光波长为325～385nm。
[0014]
本发明还提供所述制备方法制备得到的一种大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0015]
优选地，所述大豆分离蛋白基有机凝胶的双网络结构由聚n-羟乙基丙烯酰胺分子间、聚n-羟乙基丙烯酰胺与大豆分离蛋白分子间通过氢键交联形成的物理网络，以及大豆分离蛋白与聚乙二醇二缩水甘油醚之间的化学交联网络构成。
[0016]
本发明提供了一种由以上制备方法得到的大豆分离蛋白基有机凝胶。首先，混合溶液中的n-羟乙基丙烯酰胺在光引发下发生自由基溶液聚合形成聚n-羟乙基丙烯酰胺网络，其有大量的羟基可以形成物理交联网络。而在60～90℃恒温过程中，聚乙二醇二缩水甘油醚通过两端的环氧基团与变性的大豆分离蛋白分子链上的胺基发生开环反应而实现对蛋白分子链的交联，从而构建另一重网络。获得的大豆分离蛋白基水凝胶经过在甘油中浸泡处理，可以把水凝胶里面的绝大部分水置换出来，从而增强聚合物分子链之间的物理交联，获得机械性能优异的具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0017]
与现有技术相比,本发明具有如下优点和技术效果：
[0018]
(1)本发明所提供的大豆分离蛋白基有机凝胶具有可以消散外力的双网络结构：通过氢键作用形成的聚n-羟乙基丙烯酰胺分子间、聚n-羟乙基丙烯酰胺与大豆分离蛋白分子间的物理交联网络，以及大豆分离蛋白与聚乙二醇二缩水甘油醚之间的化学交联网络。
[0019]
(2)本发明所提供的大豆分离蛋白基有机凝胶由于网络中甘油的存在，使凝胶网络变得均匀，且增强了聚合物分子链之间的氢键作用。
[0020]
(3)本发明所提供的大豆分离蛋白基有机凝胶具有优异的机械性能，拉伸强度达到329.03kpa，断裂伸长率达到341.8％，在80％形变下的压缩强度达到1.217mpa。
[0021]
(4)本发明所提供的大豆分离蛋白基有机凝胶具有良好的抗冻性和保湿性。其在-50℃下放置12小时后拉伸强度仍有285.44kpa，保持率达86.75％；在37℃、相对湿度为27％的环境中放置8天后的重量保持在最初重量的90％以上。
[0022]
(5)本发明所提供的大豆分离蛋白基有机凝胶具有良好的可生物降解性。其在含1000u/ml胰蛋白酶的磷酸缓冲溶液(ph＝7.4)中降解24h后能够完全降解。
[0023]
(6)本发明所提供的大豆分离蛋白基有机凝胶在获得较高机械强度、抗冻性和保湿性的同时，还保留了大豆分离蛋白基凝胶本身固有的可生物降解性，可充当传感器的基质材料并应用于极性气候环境。
[0024]
(7)本发明中具有双网络的大豆分离蛋白基有机凝胶表现出良好的机械性能、抗
冻性、保湿性和可生物降解性。本发明通过构建双网络结构和溶剂置换相结合的策略，显著地提高了大豆分离蛋白基凝胶的力学性能。一方面，通过大量可逆氢键交联形成的聚n-羟乙基丙烯酰胺网络可以消散外力并迅速恢复，与此同时，大豆分离蛋白与聚乙二醇二缩水甘油醚通过化学交联形成的网络进一步加强了凝胶结构的稳定性；另一方面，通过溶剂置换策略，凝胶网络变得均匀，且分子链间的氢键密度大大提高。该方法操作简单、可行，可以为制备具有高强度的大豆分离蛋白基凝胶提供新思路。
附图说明
[0025]
图1为实施例1制备的一种大豆分离蛋白基有机凝胶的拉伸过程应力-应变曲线图。
[0026]
图2为实施例1制备的一种大豆分离蛋白基有机凝胶的压缩过程应力-应变曲线图。
[0027]
图3为实施例1制备的一种大豆分离蛋白基有机凝胶在-50℃处理12小时前后的拉伸过程应力-应变曲线图。
[0028]
图4为实施例1制备的一种大豆分离蛋白基有机凝胶在温度为37℃、相对湿度为27％环境中干燥测试过程的质量变化曲线图。
[0029]
图5为实施例1制备的一种大豆分离蛋白基有机凝胶在含1000u/ml胰蛋白酶的磷酸缓冲溶液(ph＝7.4)中降解过程的质量剩余率随时间变化曲线图。
具体实施方式
[0030]
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围，还包括各具体实施方式间的任意组合。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件，实施例中的聚乙二醇二缩水甘油醚的环氧值都是0.50～0.90mol/100g，实施例中原始的大豆分离蛋白粉为上海源叶生物科技有限公司提供的大豆分离蛋白。
[0031]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032]
实施例1
[0033]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在90℃下处理3小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0034]
(2)将1.2g(12份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.2g(2份)十二烷基硫酸钠、3g(30份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.06g(0.6份)2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、0.36g(3.6份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于10g(100份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0035]
(3)用0.1wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至9.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为365nm的紫外光引发聚合6小时后，再于80℃烘箱中恒温3小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于100g(1000份)甘油中浸泡24小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0036]
实施例2
[0037]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在105℃下处理0.5小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0038]
(2)将0.6g(6份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.01g(0.1份)十二烷基磺酸钠、0.9g(9份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.01g(0.1份)2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、0.15g(1.5份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于5g(50份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0039]
(3)用0.05wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至12.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为325nm的紫外光引发聚合1小时后，再于90℃烘箱中恒温0.5小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于20g(200份)甘油中浸泡2小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0040]
实施例3
[0041]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在95℃下处理2小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0042]
(2)将2.4g(24份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、1g(10份)十二烷基苯磺酸钠、3.6g(36份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.2g(2份)2-氧代戊二酸、1g(10份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于20g(200份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0043]
(3)用0.1wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至8.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为385nm的紫外光引发聚合12小时后，再于60℃烘箱中恒温5小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于200g(2000份)甘油中浸泡72小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0044]
实施例4
[0045]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在100℃下处理1小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0046]
(2)将1g(10份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.1g(1份)由0.02g十二烷基苯磺酸钠与0.08g十二烷基硫酸钠组合的表面活性剂、2.5g(25份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.03g(0.3份)2-氧代戊二酸、0.3g(3份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于12g(120份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0047]
(3)用1wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至10.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为385nm的紫外光引发聚合8小时后，再于80℃烘箱中恒温3小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于100g(1000份)甘油中浸泡48小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0048]
实施例5
[0049]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液
中，在100℃下处理2小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0050]
(2)将1.5g(15份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.2g(2份)十二烷基硫酸钠、3g(30份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.05g(0.5份)2-氧代戊二酸、0.45g(4.5份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于10g(100份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0051]
(3)用0.1wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至9.5，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为365nm的紫外光引发聚合5小时后，再于80℃烘箱中恒温3小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于150g(1500份)甘油中浸泡48小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0052]
实施例6
[0053]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在100℃下处理1.5小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0054]
(2)将1.2g(12份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.2g(2份)十二烷基苯磺酸钠、3g(30份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.06g(0.6份)由0.02g 2-氧代戊二酸与0.04g 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮组合的光引发剂、0.36g(3.6份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于12g(120份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0055]
(3)用0.5wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至10.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为365nm的紫外光引发聚合6小时后，再于80℃烘箱中恒温2小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于100g(1000份)甘油中浸泡36小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0056]
实施例7
[0057]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在100℃下处理1.5小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0058]
(2)将1.2g(12份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.2g(2份)十二烷基苯磺酸钠、2.8g(28份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.05g(0.5份)由0.01g 2-氧代戊二酸与0.04g 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮组合的光引发剂、0.24g(2.4份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于10g(100份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0059]
(3)用0.1wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至9.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为345nm的紫外光引发聚合6小时后，再于80℃烘箱中恒温3.5小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于100g(1000份)甘油中浸泡48小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0060]
实施例8
[0061]
(1)将15g原始的大豆分离蛋白粉溶解在100ml 2wt％的十二烷基硫酸钠水溶液中，在95℃下处理3小时后，再将溶液在-50～-20℃下冻干24h，获得蛋白含量在90wt％以上
的变性处理的大豆分离蛋白粉末。
[0062]
(2)将1.2g(12份)变性处理的大豆分离蛋白粉末、0.2g(2份)由0.1g十二烷基苯磺酸钠与0.1g十二烷基硫酸钠组合的表面活性剂、2g(20份)n-羟乙基丙烯酰胺、0.03g(0.3份)由0.01g 2-氧代戊二酸与0.02g 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮组合的光引发剂、0.3g(3份)聚乙二醇二缩水甘油醚溶于12g(120份)水中，于室温下搅拌得到均匀的混合溶液。
[0063]
(3)用0.1wt％氢氧化钠水溶液调节混合溶液的ph至9.0，装进中间带有硅胶垫片的玻璃模具中，经过波长为345nm的紫外光引发聚合6小时后，再于80℃烘箱中恒温3小时，得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶。最后，把所得具有双网络结构的大豆分离蛋白基水凝胶置于100g(1000份)甘油中浸泡48小时得到具有双网络结构的大豆分离蛋白基有机凝胶。
[0064]
以实施例1制得的一种大豆分离蛋白基有机凝胶为例，把制备的凝胶裁成长方体(50mm
×
4mm
×
3mm)，利用万能拉伸试验机(kj1065a)对凝胶样品进行拉伸测试，拉伸速率为50mm/min，得到凝胶的拉伸过程应力-应变图如图1所示。由图1可知，该有机凝胶的拉伸强度达到329.03kpa，断裂伸长率达到341.8％，具有良好的拉伸性能。
[0065]
以实施例1制得的一种大豆分离蛋白基有机凝胶为例，把制备的凝胶做成圆柱体(直径为10mm，高为15mm)，利用万能拉伸试验机(kj1065a)对凝胶样品进行形变为80％的压缩测试，压缩速率为5mm/min，得到凝胶压缩过程中应力-应变图如图2所示。由图2可知，该有机凝胶在80％形变下的压缩强度达到1.217mpa，具有良好的抗压缩性能。
[0066]
以实施例1制得的一种大豆分离蛋白基有机凝胶为例，把制备的凝胶裁成长方体(50mm
×
4mm
×
3mm)后，在-50℃温度下放置12小时。取出来后立刻做拉伸测试，拉伸速率为50mm/min，得到冷冻处理后凝胶的拉伸过程应力-应变图如图3所示。由图3可知，冷冻处理后的水凝胶，拉伸强度仍有285.44kpa，保持率达86.75％。
[0067]
以实施例1制得的一种大豆分离蛋白基有机凝胶为例，把有机凝胶裁成圆柱体(直径为10mm，高为15mm)，称好初始质量后(记为w0)，置于温度为37℃、相对湿度为27％的烘箱中。在预定的时间点(15min、30min、1h、2h、3h、5h、8h、12h、1天、1.5天、2天、2.5天、3天、4天、5天、6天、7天、8天)取出，迅速称完质量(记为w
t
)后放回烘箱中，持续记录凝胶的质量变化，平行样本数为3个，质量剩余率＝(w
t
/w0)
×
100％，得到凝胶的质量剩余率随时间变化曲线如图4所示。由图4可知，该有机凝胶在干燥8天后质量仍保持在90％以上。
[0068]
以实施例1制得的一种大豆分离蛋白基有机凝胶为例，先把凝胶裁成圆柱体(直径为10mm，高为15mm)，然后置于去离子水中透析3天，直至把甘油几乎除尽。将凝胶冻干后称好质量(m0)，然后浸入含1000u/ml胰蛋白酶的磷酸缓冲溶液(ph＝7.4)中，置于37℃恒温培养箱培养。在预定的时间点(2h、4h、6h、9h、12h、17h、23h)取出凝胶，用蒸馏水充分冲洗后冻干处理，称取凝胶的质量(m
t
)，平行样本数为3个，质量剩余率＝(m
t
/m0)
×
100％，凝胶降解过程的质量剩余率变化曲线如图5所示。由图5可以看出，该凝胶在23小时后已经完全降解，具有良好的可生物降解性。
[0069]
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修
改，都应涵盖在本发明的范围内。