第五章大豆蛋白質(zhì)材料

第五章大豆蛋白質(zhì)材料

環(huán)境友好高分子當(dāng)前第1頁\共有59頁\編于星期三\10點目的和要求了解蛋白質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)熟悉大豆蛋白質(zhì)的來源、性質(zhì)與用途等重點掌握大豆蛋白質(zhì)材料的制備、性能與應(yīng)用主要內(nèi)容蛋白質(zhì)簡介小分子增塑的大豆蛋白質(zhì)材料合成大分子增塑的大豆蛋白質(zhì)材料天然高分子-大豆蛋白質(zhì)材料無機(jī)物增強(qiáng)增韌的大豆蛋白質(zhì)材料大豆蛋白質(zhì)衍生物材料本章主要內(nèi)容2當(dāng)前第2頁\共有59頁\編于星期三\10點生命是蛋白質(zhì)的存在方式，這種存在方式本質(zhì)上就在于蛋白質(zhì)化學(xué)成分的不斷自我更新。－－恩格斯由此可見，蛋白質(zhì)對于生命來說是非常重要。1.蛋白質(zhì)簡介當(dāng)前第3頁\共有59頁\編于星期三\10點中國工程院院士、廣州醫(yī)學(xué)院呼吸疾病研究所所長抗“非典”最前沿領(lǐng)軍人物鐘南山4當(dāng)前第4頁\共有59頁\編于星期三\10點SARS病毒的電子圖片

SARS病的兇手——冠狀病毒，有自己的核酸和蛋白質(zhì)。它進(jìn)入人體后，借助人體內(nèi)的原料合成病毒。當(dāng)人體發(fā)病時，就是它的蛋白質(zhì)對我們起了作用。5當(dāng)前第5頁\共有59頁\編于星期三\10點6當(dāng)前第6頁\共有59頁\編于星期三\10點CH4甲烷CHHHHCOOHCOOHNH2甘氨酸

羧基氨基氨基酸的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第7頁\共有59頁\編于星期三\10點CHNH2HCOOH甘氨酸CHNH2CHCOOHCH3CH3纈氨酸CHNH2COOHCH3CHNH2CHCOOHCH3CH3CH2亮氨酸丙氨酸1它們在結(jié)構(gòu)上有何相同點和不同點？觀察與思考當(dāng)前第8頁\共有59頁\編于星期三\10點試一試推導(dǎo)出氨基酸的結(jié)構(gòu)通式RCHNH2COOHCH31、每種氨基酸至少有一個氨基(-NH2)和一個羧基(-COOH)，且氨基和羧基連在同一個碳原子上。2、這個碳原子還連接一個氫原子和一個側(cè)鏈基團(tuán)（R表示）3、氨基酸之間的區(qū)別在于R基不同（R基不同，氨基酸就不同）。當(dāng)前第9頁\共有59頁\編于星期三\10點問題：它們是組成蛋白質(zhì)的氨基酸?CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHCHNH2HCH2COOH√××當(dāng)前第10頁\共有59頁\編于星期三\10點CR1CHH2NOHOCR2CHNOHOHHH2O肽鍵-OHH-脫水縮合反應(yīng)脫水縮合：一個氨基酸分子的氨基和另一個氨基酸分子的羧基相連形成肽鍵，同時失去一分子水的過程。二肽當(dāng)前第11頁\共有59頁\編于星期三\10點脫水縮合反應(yīng)H2OH2OH

NH2-C-COOH-R1-H

HNH-C-COOH-R2-HHNH-C-COOH-R3-HNH-C-CO-R2-HNH2-C-CO-R1-HNH-C-COOH-R3-————肽鍵三肽當(dāng)前第12頁\共有59頁\編于星期三\10點蛋白質(zhì)由C、H、O、N、S等元素組成，特種蛋白質(zhì)還含有銅、鐵、磷、鉑、鋅、碘等元素。組成蛋白質(zhì)的單體為氨基酸，蛋白質(zhì)水解得到各種α-氨基酸的混合物。僅有大約20種氨基酸是維持生命存在所必不可少的。在這20種氨基酸中，有11種可以在人體中合成，其余9種從食物中獲得。不同的組合方式使蛋白質(zhì)具有眾多不同的種類，從而也具有不同的性能。1.蛋白質(zhì)簡介當(dāng)前第13頁\共有59頁\編于星期三\10點蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第14頁\共有59頁\編于星期三\10點一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序，包括二硫鍵的位置。其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它包含了決定蛋白質(zhì)分子所有結(jié)構(gòu)層次構(gòu)象的全部信息。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容包括蛋白質(zhì)的氨基酸組成、氨基酸排列順序和二硫鍵的位置、肽鏈數(shù)目、末端氨基酸的種類等。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第15頁\共有59頁\編于星期三\10點二級結(jié)構(gòu)描述其構(gòu)象或形狀，主要有兩種形式：α-螺旋結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子的肽鏈不是伸直展開的，而是盤繞曲折成為螺旋形。β-片層結(jié)構(gòu)：也稱折疊結(jié)構(gòu)，由相鄰兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)兩個氨基酸殘基間的碳基和亞氨基形成氫鍵所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。對于螺旋結(jié)構(gòu)，氫鍵存在于單個分子鏈中，而對于折疊結(jié)構(gòu)氫鍵存在于相鄰的鏈間。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第16頁\共有59頁\編于星期三\10點三級結(jié)構(gòu)主要針對球狀蛋白質(zhì)而言，是指多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上進(jìn)一步卷曲折疊形成的復(fù)雜球狀分子結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力主要是一些所謂弱的相互作用或稱非共價鍵或次級鍵，包括氫鍵、范德華力、疏水作用和鹽鍵（離子鍵），也包括共價二硫鍵。穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的各種作用力①鹽鍵；②氫鍵；③疏水作用；④范德華力；⑤二硫鍵蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第17頁\共有59頁\編于星期三\10點四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等次級鍵結(jié)合成為有序排列的特定的空間結(jié)構(gòu)。四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中每個球狀蛋白質(zhì)稱為亞基，亞基通常由一條多肽鏈組成，有時含兩條以上的多肽鏈，單獨存在時一般沒有生物活性。穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)的作用力與穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的沒有本質(zhì)區(qū)別。血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)示意圖

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第18頁\共有59頁\編于星期三\10點蛋白質(zhì)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用紡織物羊毛、絲綢、羽絨服當(dāng)前第19頁\共有59頁\編于星期三\10點蠶絲是天然蛋白質(zhì)類纖維，是自然界唯一可供紡織用的天然長絲。蛋白質(zhì)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)前第20頁\共有59頁\編于星期三\10點蛋白質(zhì)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)前第21頁\共有59頁\編于星期三\10點（1）來源與組成大豆蛋白質(zhì)是大豆的主要組分，是資源豐富、品質(zhì)優(yōu)良、加工易得并且價格低廉的植物性蛋白質(zhì)，約占全球植物蛋白的60%，被譽(yù)為“生長著的黃金”。大豆最主要的組分是蛋白質(zhì)、油脂、碳水化合物、粗纖維和水分。其中，蛋白質(zhì)含量約為36%，油脂19%，碳水化合物22.5%，纖維5%，水分12%，灰分5.5%。大豆蛋白主要成分為大豆球蛋白和大豆乳清蛋白，其中，大豆球蛋白占90%。大豆蛋白概述當(dāng)前第22頁\共有59頁\編于星期三\10點（2）大豆蛋白的提取根據(jù)加工過程和蛋白質(zhì)組分含量的不同，大豆的加工可分為大豆粉（SF）、大豆?jié)饪s蛋白（SPC）、大豆分離蛋白（SPI）和大豆渣（SD），前三者是大豆蛋白質(zhì)的主要產(chǎn)物，而大豆渣是副產(chǎn)物。大豆粉分為全脂大豆粉和脫脂大豆粉，用作工業(yè)原料的主要是后者。脫脂大豆粉又分為烘烤的脫脂大豆粉和低變性脫脂大豆粉，它是大豆經(jīng)過清洗、干燥、榨油（或抽提）、脫皮、脫除溶劑、粉碎、過篩等加工工序后所得的粉末，其中大豆蛋白含量~50%。大豆蛋白概述當(dāng)前第23頁\共有59頁\編于星期三\10點大豆?jié)饪s蛋白是指從高質(zhì)、干凈、完整和脫皮大豆中除去大豆油和水溶性非蛋白部分后，含有不少于70%的大豆蛋白質(zhì)。大豆分離蛋白是指從高質(zhì)、干凈、完整和脫皮大豆中除去大豆油和水溶性非蛋白部分后，含有不少于90%的大豆蛋白質(zhì)。大豆渣是大豆經(jīng)榨油（或抽提）、并且分離出大豆?jié)饪s蛋白或大豆分離蛋白后剩余的殘渣。大豆蛋白概述當(dāng)前第24頁\共有59頁\編于星期三\10點（3）大豆蛋白的性質(zhì)溶解特性：溶液的pH值為9以上時，大部分SPI能溶解于水中；當(dāng)pH值為4.64（大豆蛋白的等電點）時，其溶解度最小。變性：當(dāng)大豆蛋白質(zhì)受到外界各種因素的作用時，維持其高級結(jié)構(gòu)的氫鍵或次級鍵遭到破壞，其分子原有的特殊構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性發(fā)生變化，即大豆蛋白質(zhì)的變性。蛋白質(zhì)變性后最顯著的特征是溶解度降低，因而測定其溶解度即可以衡量蛋白質(zhì)的變性程度。大豆蛋白概述當(dāng)前第25頁\共有59頁\編于星期三\10點親水性：大豆蛋白質(zhì)分子上含有大量的氨基、肽鍵、羥基等親水基團(tuán)，吸水性強(qiáng)，對環(huán)境濕度敏感。凝膠性：凝膠性是指蛋白質(zhì)形成膠體狀結(jié)構(gòu)的好壞程度。凝膠的形成伴隨著蛋白質(zhì)的變性。蛋白質(zhì)凝膠形成的先決條件是蛋白質(zhì)分子、分子束或者聚集體之間以及蛋白質(zhì)和水分子之間的相互作用使體系形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

生物降解性：大豆蛋白質(zhì)具有優(yōu)異的生物降解性，且降解產(chǎn)物安全環(huán)保。大豆蛋白概述當(dāng)前第26頁\共有59頁\編于星期三\10點大豆蛋白質(zhì)材料的主要性能缺陷：不能直接直接熱塑成型加工；大豆蛋白質(zhì)材料缺乏韌性，表現(xiàn)為硬而脆的性質(zhì)。解決途徑：加入增塑劑與柔性熱塑性高分子材料共混2、小分子增塑的大豆蛋白質(zhì)材料27當(dāng)前第27頁\共有59頁\編于星期三\10點什么是增塑劑？增塑劑增塑的原理？大豆蛋白質(zhì)應(yīng)該采用什么結(jié)構(gòu)的化合物作為增塑劑？2、小分子增塑的大豆蛋白質(zhì)材料28當(dāng)前第28頁\共有59頁\編于星期三\10點甘油增塑大豆蛋白質(zhì)材料甘油大豆分離蛋白（SPI）與25%甘油混合，使SPI的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從150°C降低到-50°C，可獲得熱塑性SPI。甘油增塑SPI缺陷：甘油的親水性導(dǎo)致制品對濕度敏感29當(dāng)前第29頁\共有59頁\編于星期三\10點甘油/己內(nèi)酯增塑大豆蛋白質(zhì)材料己內(nèi)酯己內(nèi)酯在高溫下能與大豆蛋白分子側(cè)鏈上的氨基、羧基等發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，也可與甘油的羥基反應(yīng)，從而提升熱塑性大豆蛋白塑料的疏水性與耐水性。30當(dāng)前第30頁\共有59頁\編于星期三\10點酰胺類小分子化合物與大豆蛋白的重復(fù)單元具有相同的酰胺鍵，可以用作良好的增塑劑。酰胺增塑大豆蛋白質(zhì)材料乙酰胺乙酰胺與大豆蛋白分子間存在氫鍵作用，使得其增塑的大豆蛋白塑料柔韌而富有彈性。31當(dāng)前第31頁\共有59頁\編于星期三\10點其它小分子增塑劑二乙醇胺三乙醇胺硫二甘醇32當(dāng)前第32頁\共有59頁\編于星期三\10點3、合成大分子/大豆蛋白質(zhì)共混材料溶液共混：將合成大分子與大豆蛋白溶解或分散于溶劑中，混合后將溶劑去除，即得共混材料。熔融共混：將合成的熱塑性聚合物與粉末狀或增塑大豆蛋白，在聚合物共混設(shè)備中，混煉獲得相應(yīng)材料。33當(dāng)前第33頁\共有59頁\編于星期三\10點1.聚乙烯醇/大豆蛋白質(zhì)共混材料溶液共混制備的大豆蛋白質(zhì)材料聚乙烯醇聚乙烯醇/大豆蛋白質(zhì)溶液紡絲纖維制品34當(dāng)前第34頁\共有59頁\編于星期三\10點溶液共混制備的大豆蛋白質(zhì)材料聚乙烯醇/大豆蛋白質(zhì)納米纖維膜靜電紡絲35當(dāng)前第35頁\共有59頁\編于星期三\10點2.天然橡膠/大豆蛋白質(zhì)共混材料溶液共混制備的大豆蛋白質(zhì)材料天然橡膠36當(dāng)前第36頁\共有59頁\編于星期三\10點溶液共混制備的大豆蛋白質(zhì)材料3.水性聚氨酯/大豆蛋白質(zhì)共混材料37當(dāng)前第37頁\共有59頁\編于星期三\10點熔融共混制備的大豆蛋白質(zhì)材料聚己內(nèi)酯（PCL）聚丁二酸丁二醇酯（PBS）芳香-脂肪共聚酯（PBAT）聚乳酸（PLA）生物降解熱塑性高分子/大豆蛋白質(zhì)共混材料38當(dāng)前第38頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料海藻酸/大豆蛋白質(zhì)材料海藻酸海藻酸是存在于褐藻細(xì)胞壁中的一種天然多糖，為白色至棕黃色纖維、顆?；蚍勰?。海藻酸易與陽離子形成凝膠，如海藻酸鈉等。海藻酸鈉海藻酸39當(dāng)前第39頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料海藻酸的性能：可再生性：來源于海洋生物；生物降解性：多糖結(jié)構(gòu)；生物相容性：無毒、無排異、可吸收；水溶性：含有羧基的多糖；凝膠性：與高價金屬離子交聯(lián)形成凝膠；pH敏感性：含有羧基，性質(zhì)隨環(huán)境pH值變化；40當(dāng)前第40頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料海藻酸鈉/大豆蛋白復(fù)合微球海藻酸鈉/大豆蛋白質(zhì)由于分子間氫鍵作用，相容性好。復(fù)合微球中海藻酸鈉具有pH敏感性，可實現(xiàn)靶向治療，而大豆蛋白質(zhì)具有生物活性，可降低藥物對身體組織的刺激性。41當(dāng)前第41頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料纖維素/大豆蛋白復(fù)合材料纖維素的性能特點：高強(qiáng)度可再生可降解無毒性可紡性42當(dāng)前第42頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料纖維素/大豆蛋白微孔膜43當(dāng)前第43頁\共有59頁\編于星期三\10點纖維素/大豆蛋白復(fù)合海綿：4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料大豆蛋白為細(xì)胞生長提供養(yǎng)分；大豆蛋白優(yōu)異的生物降解性提升了復(fù)合海綿的降解速率。44當(dāng)前第44頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料羧甲基纖維素/大豆蛋白復(fù)合材料可食用薄膜羧甲基纖維素加入提升了薄材料的力學(xué)強(qiáng)度。45當(dāng)前第45頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料纖維素晶須增強(qiáng)大豆蛋白復(fù)合材料酸解超聲高強(qiáng)度（最高達(dá)17.8GPa）高模量（128GPavs.76GPa(玻璃纖維)）46當(dāng)前第46頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料干態(tài)力學(xué)性能濕態(tài)力學(xué)性能47當(dāng)前第47頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料木質(zhì)素/大豆蛋白復(fù)合材料木質(zhì)素（英語：Lignin）是一種廣泛存在于植物體中的無定形的、分子結(jié)構(gòu)中含有氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元的芳香性高聚物。48當(dāng)前第48頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料木質(zhì)素納米粒子羥烷基化后，再與大豆蛋白共混復(fù)合，可獲得高性能的互穿結(jié)構(gòu)的SPI/木質(zhì)素復(fù)合材料。49當(dāng)前第49頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料甲殼素晶須增強(qiáng)大豆蛋白復(fù)合材料甲殼素晶須增強(qiáng)聚合物納米復(fù)合材料50當(dāng)前第50頁\共有59頁\編于星期三\10點4.天然大分子/大豆蛋白質(zhì)材料甲殼素晶須增強(qiáng)大豆蛋白復(fù)合材料甲殼素晶須的加入能形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及很強(qiáng)的分子間相互作用，大幅提升大豆蛋白塑料的強(qiáng)度、模量與耐水性等。51當(dāng)前第51頁\共有59頁\編于星期三\10點5.無機(jī)物增強(qiáng)增韌大豆蛋白質(zhì)材料層狀硅酸鹽增強(qiáng)大豆蛋白復(fù)合材料層狀硅酸鹽的結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料52當(dāng)前第52頁\共有59頁\編于星