大豆蛋白木材膠粘劑的研究進(jìn)展_朱勁

1、收稿日期：2013-01-25作者簡(jiǎn)介：朱勁 （1987-），男，碩士研究生在讀，主要研究方向：大豆蛋白膠粘劑。E-mail：zzwdzj。通訊作者：李琴，研究員。E-mail：qin860?；痦?xiàng)目：浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目（2011C12050）；浙江省與中國(guó)林科院省院合作林業(yè)科技項(xiàng)目（2010SY04）。大豆蛋白木材膠粘劑的研究進(jìn)展朱 勁1,2，李 琴1，李延軍2，袁少飛1，張 建1（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；2.浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300）摘要：近年來(lái)，在合成高分子膠粘劑受到環(huán)保與成本的雙重困擾日益顯著的背景下，開發(fā)

2、新一代環(huán)?？沙掷m(xù)的木材膠粘劑已刻不容緩。大豆蛋白膠粘劑作為最具應(yīng)用潛力的天然膠粘劑之一，已經(jīng)得到了廣泛的研究。綜述了幾種對(duì)大豆蛋白進(jìn)行改性的常用方法，并對(duì)大豆蛋白膠粘劑的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：大豆蛋白；木材工業(yè)；改性方法研究報(bào)告及專論綜述應(yīng)用技術(shù)譯文新專利中圖分類號(hào)：TQ432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2013）06-0059-04膠粘劑是發(fā)展林產(chǎn)工業(yè)的重要原料之一，在充分利造板在制造和使用過程中會(huì)不斷地釋放出甲醛，危害環(huán)用采伐剩余物、加工剩余物和低劣木材發(fā)展人造板和木境及人們的健康。在環(huán)保問題倍受關(guān)注的今天，美國(guó)和/竹材膠接制品中起著顯著的作用1。用于木/竹材工業(yè)

3、的日本先后出臺(tái)了限制甲醛釋放量的美國(guó)CARB超標(biāo)準(zhǔn)和日膠粘劑通?？煞譃樘烊桓叻肿雍秃铣筛叻肿?類。在石油本F四星標(biāo)準(zhǔn)，這是目前世界上關(guān)于限制甲醛釋放量的最工業(yè)快速發(fā)展之前，天然膠粘劑被廣泛應(yīng)用于膠合板的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)疑對(duì)我國(guó)人造板制品的出口帶來(lái)了嚴(yán)峻的制造，但耐水性差、固含量低、膠合強(qiáng)度低、易霉變，挑戰(zhàn)。在環(huán)保問題日益突出、合成樹脂成本不斷上漲、貯存期短等是其缺點(diǎn)，所以迅速被合成膠粘劑所取代。技術(shù)壁壘越加苛刻等多重壓力下，研究以可再生資源為有資料顯示2，在美國(guó)木材工業(yè)中，冷壓大豆蛋白膠粘劑原料的環(huán)保型天然膠粘劑已成為人造板行業(yè)的新出路。的市場(chǎng)占有率在20世紀(jì)50年代為28%，到了70年代已幾目前

4、，以大豆蛋白膠為主的天然膠粘劑的研究正在如火乎為零。目前我國(guó)木/竹材工業(yè)用的膠粘劑仍然以合成樹脂膠如荼地進(jìn)行中。粘劑為主。其中脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺甲醛樹脂所謂“三醛”膠，占整個(gè)木/竹材用膠的80%以上。在1 大豆蛋白的特性“三醛”膠中，脲醛樹脂的用量超過了90%，主要是由大 豆 蛋 白 約 占 全 球 植 物 蛋 白 蘊(yùn) 藏 和 消 費(fèi) 總 量 的于脲醛樹脂具有原料來(lái)源廣泛、廉價(jià)、使用方便、初粘60%，是大豆經(jīng)油脂加工后得到的副產(chǎn)品，包括大豆粉、性好、制造工藝簡(jiǎn)單、固化后膠層無(wú)色等一系列符合用濃縮大豆蛋白、分離大豆蛋白和組織大豆蛋白等4種1。以作木/竹材膠粘劑的優(yōu)點(diǎn)。往大豆蛋白主要用于

5、食品加工，只注重大豆的油脂加工“三醛”膠有著一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即用其制得的人而忽視了蛋白質(zhì)部分的利用。059粘接雜志社 上海電話湖北電話兼?zhèn)髡鍱-mailzhanjzz 網(wǎng)址：學(xué)術(shù)論文ACADEMIC PAPER綜述大豆蛋白主要成分為大豆球蛋白和大豆乳清蛋白。其 中 ， 球 蛋 白 占90%，pH值 為4.54.8，主 要 由2S、 7S、11S、15S等4種球蛋白亞基組成。這些蛋白呈球形分散在水中，將其疏水基團(tuán)包裹起來(lái)，而暴露出親水基團(tuán)，同時(shí)蛋白質(zhì)的活性基團(tuán)也被包裹其中，使得蛋白質(zhì)的粘接強(qiáng)度和交聯(lián)度降低。如何將球狀蛋白的活性基團(tuán)暴露出來(lái)而

6、又不致過度水解降低粘接強(qiáng)度，是大豆蛋白膠的研究重點(diǎn)之一。2 研究現(xiàn)狀常用的對(duì)大豆蛋白改性方法有物理改性、化學(xué)改性和生物改性等。2.1 物理改性物理改性是通過濕熱、干熱、冷凍、機(jī)械作用、高壓、輻射和高頻電場(chǎng)等物理方法來(lái)改變蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和分子間的聚集狀態(tài)，一般不涉及到蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。物理改性中常用的方法是熱處理。熱處理時(shí)，大豆蛋白發(fā)生熱變性，主要是溶解度的變化。在加熱條件下，大豆蛋白質(zhì)分子原來(lái)的卷曲緊密結(jié)構(gòu)舒展開來(lái)，僅分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露在外部，分子外部的親水基團(tuán)相對(duì)減少，致使溶解度降低。此外，蛋白質(zhì)分子受熱后，可能發(fā)生締合作用，黏度增加。Kalapathy3等對(duì)比了不同干燥方法對(duì)Na2S

7、O3改性大豆蛋白膠粘劑的疏水性、溶解性、結(jié)合水能力和黏度的影響，結(jié)果表明噴霧干燥與冷凍干燥相比具有更高的疏水性、溶解性、結(jié)合水能力和黏度，但對(duì)蛋白膠的膠合強(qiáng)度沒有影響。張鐘4等采用離心噴霧干燥、真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥以及微波干燥對(duì)SPI進(jìn)行處理，研究不同干燥方法對(duì)SPI性質(zhì)的影響。研究表明，微波干燥處理的 SPI的黏度較大，但乳化性、吸水性、吸油性和水結(jié)合能力較??；熱風(fēng)干燥和噴霧干燥處理的SPI的性質(zhì)相似；真空冷凍干燥對(duì)SPI性質(zhì)影響較小。2.2 化學(xué)改性化學(xué)改性就是利用化學(xué)試劑改變蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象和理化性質(zhì)。包括酸堿改性、脲改性、?；男?、接枝改性等。2.2.1 酸改性在酸的誘導(dǎo)下，大豆

8、蛋白成分中的7S和11S球蛋白會(huì)解離成亞甲基或多肽鏈而舒展開。雖然酸改性的大豆蛋白結(jié)構(gòu)變化明顯，但功能性質(zhì)的改變卻有限。一般不單獨(dú)使用酸來(lái)改性大豆蛋白。研究報(bào)告及專論綜述應(yīng)用技術(shù)譯文新專利Hse5等在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿存在的條件下，用苯酚先對(duì)大豆蛋白進(jìn)行水解，然后把水解溶液與苯酚及甲醛共聚，制得改性大豆蛋白膠粘劑，用該膠粘劑制備的板材與商業(yè)酚醛樹脂板材的性能相當(dāng)。2.2.2 堿改性堿處理有助于大豆球蛋白的解聚，提高蛋白質(zhì)的溶解度，暴露出極性和非極性基團(tuán)，增強(qiáng)膠接強(qiáng)度和提高耐水性。但在堿性過強(qiáng)的環(huán)境下（pH值大于11），會(huì)造成多肽鏈的部分水解，使得粘接強(qiáng)度及膠液適用期降低。1923年，Johnson6等

9、研制出了以脫脂大豆粉為基料的大豆蛋白膠粘劑，他發(fā)現(xiàn)往脫脂大豆粉里加入消石灰以及鈉鹽而制成的膠粘劑可以用作木材膠粘劑。 Hettiarachchy7等用堿改性和胰蛋白酶改性大豆蛋白，使大豆蛋白膠粘劑的粘接強(qiáng)度和抗水性有了明顯提高，尤其是堿改性蛋白膠粘劑。張亞慧8把用堿改性后的大豆組織蛋白與甲醛和苯酚發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，制成的改性大豆蛋白膠粘劑在優(yōu)化后的工藝條件下進(jìn)行了楊木膠合板的中試生產(chǎn)，產(chǎn)品滿足膠合板國(guó)標(biāo)中關(guān)于類膠合板的規(guī)定，符合E0級(jí)膠合板的要求，可直接用于室內(nèi)。2.2.3 脲改性脲具有氧原子和氫原子，能夠與蛋白質(zhì)的羥基作用，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)氫鍵斷裂，從而蛋白質(zhì)聚合體展開。Sun和Bian9等把用脲

10、改性的大豆蛋白膠粘劑和用堿改性的大豆蛋白膠粘劑進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)脲對(duì)大豆蛋白的粘接強(qiáng)度的影響與堿的作用相當(dāng)，但耐水性要遠(yuǎn)好于堿。Huang和Sun10通過用不同濃度的脲和鹽酸胍對(duì)大豆蛋白改性制作木材膠粘劑，結(jié)果表明脲和鹽酸胍的濃度對(duì)蛋白的結(jié)構(gòu)展開有明顯的影響，蛋白質(zhì)分子的部分展開與維持部分分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)有利于膠粘劑粘接性。隋寧11等研究了超聲波輔助尿素改性大豆蛋白膠粘接單面涂布白紙板的最佳工藝，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)改性大豆蛋白膠的粘接強(qiáng)度影響最大，其次是尿素濃度、蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間。最佳工藝條件為：加熱起始溫度60 、尿素濃度5 mol/L、蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%、處理時(shí)間3 h、超聲處理時(shí)間20 m

11、in，其粘接強(qiáng)度為0.785 MPa。張忠慧 12等研究了7S和11S球蛋白經(jīng)脲改性后，在松木、櫻桃木，胡桃木上的膠接強(qiáng)度和潤(rùn)濕能力，發(fā)現(xiàn)7S大豆蛋白脲改性后在硬木上有較好的潤(rùn)濕性。2.2.4 ?；男怎；男允峭ㄟ^蛋白質(zhì)分子中的親核基團(tuán)（氨基，羥基）與?；噭┲械挠H電基團(tuán)（羰基）相互反應(yīng)而進(jìn)行的，目前對(duì)大豆蛋白進(jìn)行的?；男灾饕且阴；顽牾；?。SUM13等研究了大豆蛋白乙?；?、琥珀?；土姿幔?60粘接雜志社 上海電話湖北電話兼?zhèn)髡鍱-mailzhanjzz 網(wǎng)址：化。研究發(fā)現(xiàn)，乙?；蠖沟鞍椎哪z接強(qiáng)度要比未改性基因工程改性是應(yīng)用植

12、物育種和分子技術(shù)改變大豆的高55%，其黏度降低；經(jīng)琥珀酰化改性后的大豆蛋白蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其功能和性質(zhì)的方法。廣的膠接強(qiáng)度和黏度都有所減??；磷酸化的大豆蛋白的膠義的基因工程包括基因重組、基因突變和染色體變異，接強(qiáng)度增大了75%85%。蘭輝14等分別用?；噭┖酮M義的基因工程則是基因的定點(diǎn)修飾21。交聯(lián)試劑對(duì)脫脂大豆粉進(jìn)行改性。結(jié)果表明，?；噭┠壳埃瑢?duì)大豆蛋白進(jìn)行基因工程改性的研究?jī)H限于和交聯(lián)試劑的改性都能明顯提高大豆蛋白膠粘劑的粘接食品行業(yè)，而用此方法改性得到的大豆蛋白其功能性質(zhì)強(qiáng)度和耐水性能。?；男缘膬?yōu)化條件為：6%脫脂大豆粉，10%?；噭瑴囟葹?5 ，反應(yīng)時(shí)間60 min

13、。改的變化尚不明確，有待進(jìn)一步研究。性后的大豆膠粘劑膠接木材浸水24 h后的最大膠接強(qiáng)度可達(dá)2.63 MPa。3 展望2.2.5 接枝改性單一的改性方法并不能克服大豆蛋白膠粘劑所有的Liu15等人使用順丁烯二酐對(duì)SPI進(jìn)行接枝改性。研缺點(diǎn)，將幾種方法配合使用的復(fù)合改性是研究大豆蛋白究發(fā)現(xiàn)，順丁烯二酐是通過氨鍵和酯鍵與SPI進(jìn)行接枝反膠的主要方法。大豆蛋白膠粘劑作為生物類膠粘劑的一應(yīng)的，但作為木材膠粘劑效果不理想；當(dāng)其與聚乙烯胺種，雖然在環(huán)保和原料來(lái)源上具有合成膠粘劑所無(wú)法比混合改性SPI并用于刨花板時(shí)，與未改性的大豆膠相比刨擬的優(yōu)勢(shì)，但其膠接性能、耐水性、耐腐性以及貯存期花板的膠合強(qiáng)度和耐水性

14、有明顯提高。Wang16等用乙醇仍無(wú)法與合成膠粘劑相提并論。目前，我國(guó)對(duì)大豆蛋白接枝改性SPI，提高其耐水性，討論了酯化時(shí)間、催化劑膠粘劑的研究取得了一定的突破，并有些成果已在山（HCl）濃度對(duì)溶解特性、構(gòu)象變化、貯存穩(wěn)定性以及粘東、浙江等地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)接強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，HCl濃度和酯化時(shí)間對(duì)溶解性大豆蛋白研究的不斷深入，大豆蛋白膠粘劑的性能會(huì)逐有很大的影響，酯化后膠接性能、特別是耐水性大大提高。賀宏彬17等人用尿素和亞硫酸鈉共同改性大豆蛋白，并與醋酸乙烯酯等復(fù)合單體在過硫酸銨引發(fā)下進(jìn)行步改善并在木材工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。接枝共聚，制得的醋酸乙烯酯-大豆蛋白接枝共

15、聚乳液膠參考文獻(xiàn)粘劑，其綜合性能較好，原料成本也有所降低。Liu18等1葉楚平,李陵嵐,王念貴.天然膠粘劑M.北京:化學(xué)工業(yè)人以貽貝蛋白中的二羥基苯丙氨酸接枝改性SPI。結(jié)果表出版社,2004.明，二羥基苯丙氨酸可以成功的通過酰胺鍵接枝到大豆2張軍濤,楊曉泉,黃立新.改性大豆蛋白膠粘劑的研究進(jìn)蛋白上，在其用量為8.95%時(shí)，粘接強(qiáng)度和耐水性都有展J.粘接,2004,25(4):31-34.大幅度的提高。3Kalapathy U,Hettiarachchy N S.Effect of drying 2.3 生物改性methods on molecular properties and funct

16、ionalities of 2.3.1 酶改性disulfide bond-cleaved soy proteinsJ.Am.Oil 酶改性是通過蛋白酶有限度地水解肽鍵或（和）酰Chem.Soc,1997,74(3):195-199.胺鍵使大豆蛋白部分降解，增加其分子內(nèi)或分子間交聯(lián)4張鐘,王華.不同干燥方法對(duì)大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影從而改變蛋白質(zhì)功能和性質(zhì)的方法。響J.食品與機(jī)械,2003(2):11-13.Schmitz Jr19利用酶先對(duì)大豆蛋白進(jìn)行水解，然后5Chung Yun Hse,Liangzhen Lin.Hydrolyzates of 與酚醛樹脂混合制成膠粘劑。結(jié)果表明，隨著大

17、豆蛋白soybeans or other soy products as components of thermosetting resinsP.US:2005/0272892 A1,2005.水解產(chǎn)物的增加，混合膠粘劑的性能逐漸降低，用不同6郭夢(mèng)麟.蛋白質(zhì)木材膠粘劑J.林產(chǎn)工業(yè),2005,32(5):3-7.酶處理的大豆蛋白與酚醛樹脂混合后的性能不同。7Kalapathy U,Hettiarachchy N S,Myers D.Modification N.S.Hettiarachchy20等人用胰蛋白酶改性大豆蛋白，并of soy proteins and their adhesive p

18、roperties on 通過冷壓和熱壓2種固化方法對(duì)該改性的大豆蛋白膠粘劑woodsJ.JAOCS,1995,72(5):507-510.在木材上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冷壓固化情8張亞慧.改性大豆蛋白膠粘劑的合成與應(yīng)用技術(shù)研究況下酶改性的大豆蛋白膠粘接強(qiáng)度要比未改性的高出1D.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2010.倍。但與堿改性的大豆蛋白膠對(duì)比，酶改性的粘接強(qiáng)度9Sun X Z,Bian K.Shear strength and water resistance of 和耐水性都相對(duì)較低。modified soy protein adhesiveJ.JAOCS,1999,76(8):977-

19、9 基因工程改性10Huang W,Sun X.Adhesive properties of soy proteins 061研究報(bào)告及專論綜述應(yīng)用技術(shù)譯文新專利粘接雜志社 上海電話湖北電話兼?zhèn)髡鍱-mailzhanjzz 網(wǎng)址：學(xué)術(shù)論文ACADEMIC PAPER綜述modified by urea and guanidine hydrochlorideJ.J Am Oil on soy protein adhesive performanceJ.ASABE Annual Chem Soc,2000,77:101-104

20、.International Meeting,2005,49(3):713-719.11隋寧,楊光,楊波.超聲波對(duì)紙板用大豆蛋白膠粘劑性能17賀宏彬,王曉光,宋陽(yáng),等.醋酸乙烯醋-大豆蛋白接枝共的 影 響 J . 北 京 化 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 自 然 科 學(xué)聚乳液膠粘劑的研制J.化學(xué)與粘合,2007,29(2):146-150.版),2010,37(5):115-118.18Liu Y,Li K.Modification of soy protein for wood adhesives 12張忠慧,華欲飛.大豆7S與11S球蛋白尿素變性后的粘接using mussel protein

21、as a model:the influence of a mercapto 性質(zhì)研究J.中國(guó)膠粘劑,2007,16(1):26-28.groupJ.Macromol Rapid Commun,2004,25:1835-1838.13EN SUM.Improvement of the bond strength of soy proteinbased adhesives through chemical modificationR.IEF Annual 19John F Schmitz Jr. Comparison of soy-flour meeting,1995,FSTA,27:10A6.

22、hydrolysates for wood adhesive systems D.Iowa:Iowa 14蘭 輝 ,卞 科 .化 學(xué) 改 性 對(duì) 脫 脂 大 豆 粉 性 質(zhì) 的 影 響State University,2006.()J.鄭州工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,25(3):1-5.20Kalapathy U,Hettiarachehy N S,Myers D.Modification 15Liu Y,K C Li.Development and characterization of of soy proteins and their adhesive properties on adhes

23、ives from soy protein for bonding woodJ.International woodsJ.JAOCS,1995,72:507-510.Journal of Adhesion&Adhesives,2007(27):59-67.21黃友如,華欲飛.大豆分離蛋白的改性及其對(duì)功能性質(zhì)16Wang Y,Wang D H,Sun X Z.Effect of esterification 的影響J.糧食與油脂,2003,(4):17-19.Research progress on soybean protein adhesives for wood bondingZHU Jin1,2,LI Qin1,LI Yan-jun2,YUAN Shao-fei1,ZHANG Jian1(1.Key Laboratory of Bamboo Resea