1、第第五五章章 大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料環境友好高分子環境友好高分子2目的和要求了解蛋白質的組成與結構了解蛋白質的組成與結構熟悉大豆蛋白質的來源、性質與用途等熟悉大豆蛋白質的來源、性質與用途等重點掌握大豆蛋白質材料的制備、性能與應用重點掌握大豆蛋白質材料的制備、性能與應用主要內容蛋白質簡介蛋白質簡介小分子增塑的大豆蛋白質材料小分子增塑的大豆蛋白質材料合成大分子增塑的大豆蛋白質材料合成大分子增塑的大豆蛋白質材料天然高分子天然高分子- -大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料無機物增強增韌的大豆蛋白質材料無機物增強增韌的大豆蛋白質材料大豆蛋白質衍生物材料大豆蛋白質衍生物材料本章主要內容本章主要內容生命是蛋

2、白質的存在方式，生命是蛋白質的存在方式，這種存在方式本質上就在于這種存在方式本質上就在于蛋白質化學成分的不斷自我蛋白質化學成分的不斷自我更新。更新。 恩格斯恩格斯由此可見，蛋白質對于生命來說是非常重要。由此可見，蛋白質對于生命來說是非常重要。1.蛋白質簡介蛋白質簡介中國工程院院士、中國工程院院士、廣州醫學院呼吸疾病研究所所長廣州醫學院呼吸疾病研究所所長抗抗“非典非典”最前沿領軍人物最前沿領軍人物鐘鐘南南山山4SARS病毒的電子圖片 SARSSARS病的兇手病的兇手冠狀病毒，冠狀病毒， 有自己的核酸和蛋白質有自己的核酸和蛋白質。它進入人體后，借助人體內的原料合成病毒。當人體。它進入人體后，借助人

3、體內的原料合成病毒。當人體發病時，就是它的蛋白質對我們起了作用。發病時，就是它的蛋白質對我們起了作用。 56CH4甲烷甲烷CHHHHCOOHCOOHNH2甘氨酸甘氨酸 羧基羧基氨基氨基氨基酸的結構氨基酸的結構CHNH2HCOOH甘氨酸甘氨酸CHNH2CHCOOHCH3CH3纈氨酸纈氨酸CHNH2COOHCH3CHNH2CHCOOHCH3CH3CH2亮氨酸亮氨酸丙氨酸丙氨酸1它們在結構上有何相同點和不同點？它們在結構上有何相同點和不同點？觀察與觀察與思考思考試一試推導出氨基酸的結構通式RCHNH2COOHCH31 1、每種氨基酸、每種氨基酸至少至少有一個氨基有一個氨基(-NH2)(-NH2)和一

4、個羧和一個羧基基(-COOH)(-COOH)，且氨基和羧基連在同一個碳原子上。，且氨基和羧基連在同一個碳原子上。2 2、這個碳原子還連接一個氫原子和一個側鏈基團（、這個碳原子還連接一個氫原子和一個側鏈基團（R R表示表示）3 3、氨基酸之間的區別在于、氨基酸之間的區別在于R R基不同基不同（R R基不同，氨基酸就不基不同，氨基酸就不同）。同）。問題：它們是組成蛋白質的氨基酸?CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHCHNH2HCH2COOH脫水縮合反應脫水縮合反應脫水縮合：脫水縮合：一個氨基酸分子的氨基和另一個氨基酸分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

5、時失去一分子水的過程。子的羧基相連形成肽鍵，同時失去一分子水的過程。二肽二肽脫水縮合反應脫水縮合反應H2OH2OH NH2- C-COOH-R1-H HNH- C-COOH-R2-HHNH-C-COOH-R3-H NH- C-CO-R2-H NH2- C-CO-R1-H NH- C-COOH-R3-肽鍵肽鍵三肽三肽 蛋白質由蛋白質由 C、 H、O、N、S等元素組成，特種蛋白質還含有銅、等元素組成，特種蛋白質還含有銅、鐵、磷、鉑、鋅、碘等元素。鐵、磷、鉑、鋅、碘等元素。 組成蛋白質的單體為氨基酸，蛋白質水解得到各種組成蛋白質的單體為氨基酸，蛋白質水解得到各種-氨基酸的氨基酸的混合物。混合物。 僅

6、有大約僅有大約20種氨基酸是維持生命存在所必不可少的。在這種氨基酸是維持生命存在所必不可少的。在這20種種氨基酸中，有氨基酸中，有11種可以在人體中合成，其余種可以在人體中合成，其余9種從食物中獲得。種從食物中獲得。 不同的組合方式使蛋白質具有眾多不同的種類，從而也具有不不同的組合方式使蛋白質具有眾多不同的種類，從而也具有不同的性能。同的性能。CRCOOHHNH2CRCOOHHCRHNH2CONH1.蛋白質簡介蛋白質簡介蛋白質的結構蛋白質的結構一級結構蛋白質的蛋白質的一級結構一級結構是指蛋白質多肽鏈中是指蛋白質多肽鏈中氨基酸的排列順氨基酸的排列順序序，包括，包括二硫鍵的位置二硫鍵的位置。其中最

7、重要的是多肽鏈的氨基。其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序。酸順序。一級結構是蛋白質分子結構的基礎，它包含了決定蛋白一級結構是蛋白質分子結構的基礎，它包含了決定蛋白質分子所有結構層次構象的全部信息。蛋白質一級結構質分子所有結構層次構象的全部信息。蛋白質一級結構研究的內容包括蛋白質的氨基酸組成、氨基酸排列順序研究的內容包括蛋白質的氨基酸組成、氨基酸排列順序和二硫鍵的位置、肽鏈數目、末端氨基酸的種類等。和二硫鍵的位置、肽鏈數目、末端氨基酸的種類等。蛋白質的結構蛋白質的結構二級結構二級結構描述其構象或形狀，主要有兩種形式： - 螺旋結構：蛋白質分子的肽鏈不是伸直展開的，而是盤繞曲折成為螺旋形。 - 片層

8、結構：也稱折疊結構，由相鄰兩條肽鏈或一條肽鏈內兩個氨基酸殘基間的碳基和亞氨基形成氫鍵所構成的結構。對于螺旋結構，氫鍵存在于單個分子鏈中，而對于折疊結構氫鍵存在于相鄰的鏈間。蛋白質的結構蛋白質的結構三級結構三級結構主要針對球狀蛋白質而言，是指多肽鏈在二級結構、超二級結構主要針對球狀蛋白質而言，是指多肽鏈在二級結構、超二級結構以及結構域的基礎上進一步卷曲折疊形成的復雜球狀分子結構。以及結構域的基礎上進一步卷曲折疊形成的復雜球狀分子結構。穩定蛋白質三維結構的作用力主要是一些所謂弱的相互作用或稱穩定蛋白質三維結構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

9、（離非共價鍵或次級鍵，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。子鍵），也包括共價二硫鍵。 穩定蛋白質三維結構的各種作用力穩定蛋白質三維結構的各種作用力鹽鍵；氫鍵；疏水作用；鹽鍵；氫鍵；疏水作用；范德華力；二硫鍵范德華力；二硫鍵蛋白質的結構蛋白質的結構四級結構四級結構是指在亞基和亞基之間通過疏水作四級結構是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等次級鍵結合成為有序排列的特定的空間用等次級鍵結合成為有序排列的特定的空間結構。結構。 四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白質稱為四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白質稱為亞亞基基，亞基通常由一條多肽鏈組成，有時含兩，亞基通常由一條多肽鏈組成，有時含兩

10、條以上的多肽鏈，單獨存在時一般沒有生物條以上的多肽鏈，單獨存在時一般沒有生物活性。活性。 穩定四級結構的作用力與穩定三級結構的沒穩定四級結構的作用力與穩定三級結構的沒有本質區別。有本質區別。 血紅蛋白四級結構示意圖血紅蛋白四級結構示意圖 蛋白質的結構蛋白質的結構蛋白質在材料領域的應用 紡織物 羊毛、絲綢、羽絨服 蠶絲是天然蛋白質類纖維，是自然界唯一可供紡織用的天然長絲。蛋白質在材料領域的應用蛋白質在材料領域的應用（1 1）來源與組成）來源與組成大豆蛋白質是大豆的主要組分，是資源豐富、品質優良、加大豆蛋白質是大豆的主要組分，是資源豐富、品質優良、加工易得并且價格低廉的植物性蛋白質，約占全球植物蛋

11、白的工易得并且價格低廉的植物性蛋白質，約占全球植物蛋白的60%60%，被譽為，被譽為“生長著的黃金生長著的黃金”。大豆最主要的組分是大豆最主要的組分是蛋白質蛋白質、油脂油脂、碳水化合物碳水化合物、粗纖維粗纖維和和水分水分。其中，蛋白質含量約為。其中，蛋白質含量約為36%36%，油脂，油脂19%19%，碳水化合物，碳水化合物22.5%22.5%，纖維，纖維5%5%，水分，水分12%12%，灰分，灰分5.5%5.5%。大豆蛋白主要成分為大豆蛋白主要成分為大豆球蛋白大豆球蛋白和和大豆乳清蛋白大豆乳清蛋白，其中，大，其中，大豆球蛋白占豆球蛋白占90%90%。大豆蛋白概述大豆蛋白概述（2）大豆蛋白的提取

12、）大豆蛋白的提取 根據加工過程和蛋白質組分含量的不同，大豆的加工可分為根據加工過程和蛋白質組分含量的不同，大豆的加工可分為大豆粉（大豆粉（SFSF）、大豆濃縮蛋白（）、大豆濃縮蛋白（SPCSPC）、大豆分離蛋白（）、大豆分離蛋白（SPISPI）和大豆渣（和大豆渣（SDSD），前三者是大豆蛋白質的主要產物，而大豆渣），前三者是大豆蛋白質的主要產物，而大豆渣是副產物。是副產物。大豆粉大豆粉分為全脂大豆粉和脫脂大豆粉，用作工業原料的主要分為全脂大豆粉和脫脂大豆粉，用作工業原料的主要是后者。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

13、豆經過清洗、干燥、榨油（或抽提）、脫皮、脫豆粉，它是大豆經過清洗、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，其中大豆蛋白含量含量50%50%。大豆蛋白概述大豆蛋白概述大豆濃縮蛋白大豆濃縮蛋白是指從高質、干凈、完整和脫皮大豆中除是指從高質、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，含有不少于去大豆油和水溶性非蛋白部分后，含有不少于70%70%的大的大豆蛋白質。豆蛋白質。 大豆分離蛋白大豆分離蛋白是指從高質、干凈、完整和脫皮大豆中除是指從高質、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

14、少于去大豆油和水溶性非蛋白部分后，含有不少于90%90%的大的大豆蛋白質。豆蛋白質。大豆渣大豆渣是大豆經榨油（或抽提）、并且分離出大豆濃縮是大豆經榨油（或抽提）、并且分離出大豆濃縮蛋白或大豆分離蛋白后剩余的殘渣。蛋白或大豆分離蛋白后剩余的殘渣。 大豆蛋白概述大豆蛋白概述（3 3）大豆蛋白的性質）大豆蛋白的性質溶解特性：溶解特性：溶液的溶液的pHpH值為值為9 9以上時，大部分以上時，大部分SPISPI能溶解能溶解于水中；當于水中；當pHpH值為值為4.644.64（大豆蛋白的等電點）時，其（大豆蛋白的等電點）時，其溶解度最小。溶解度最小。變性：變性：當大豆蛋白質受到外界各種因素的作用時，維當大

15、豆蛋白質受到外界各種因素的作用時，維持其高級結構的氫鍵或次級鍵遭到破壞，其分子原有持其高級結構的氫鍵或次級鍵遭到破壞，其分子原有的特殊構象發生轉變，從而導致蛋白質的物理、化學的特殊構象發生轉變，從而導致蛋白質的物理、化學及生物學特性發生變化，即大豆蛋白質的變性。蛋白及生物學特性發生變化，即大豆蛋白質的變性。蛋白質變性后最顯著的特征是質變性后最顯著的特征是溶解度降低溶解度降低，因而測定其溶，因而測定其溶解度即可以衡量蛋白質的變性程度。解度即可以衡量蛋白質的變性程度。 大豆蛋白概述大豆蛋白概述親水性：親水性：大豆蛋白質分子上含有大量的氨基、肽鍵、大豆蛋白質分子上含有大量的氨基、肽鍵、羥基等親水基團

16、，吸水性強，對環境濕度敏感。羥基等親水基團，吸水性強，對環境濕度敏感。凝膠性：凝膠性：凝膠性是指蛋白質形成膠體狀結構的好壞程凝膠性是指蛋白質形成膠體狀結構的好壞程度。度。凝膠的形成伴隨著蛋白質的變性凝膠的形成伴隨著蛋白質的變性。蛋白質凝膠形。蛋白質凝膠形成的先決條件是蛋白質分子、分子束或者聚集體之間成的先決條件是蛋白質分子、分子束或者聚集體之間以及蛋白質和水分子之間的相互作用使體系形成三維以及蛋白質和水分子之間的相互作用使體系形成三維網絡結構。網絡結構。 生物降解性：生物降解性：大豆蛋白質具有優異的生物降解性，且大豆蛋白質具有優異的生物降解性，且降解產物安全環保。降解產物安全環保。 大豆蛋白概

17、述大豆蛋白概述 大豆蛋白質材料的主要性能缺陷：大豆蛋白質材料的主要性能缺陷： 不能直接直接熱塑成型加工； 大豆蛋白質材料缺乏韌性，表現為硬而脆的性質。 解決途徑：解決途徑： 加入增塑劑1.與柔性熱塑性高分子材料共混272、小分子增塑的大豆蛋白質材料、小分子增塑的大豆蛋白質材料什么是增塑劑？什么是增塑劑？增塑劑增塑的原理？增塑劑增塑的原理？大豆蛋白質應該采用什么結構的化合物作為增塑劑？大豆蛋白質應該采用什么結構的化合物作為增塑劑？282、小分子增塑的大豆蛋白質材料、小分子增塑的大豆蛋白質材料29甘油增塑大豆蛋白質材料甘油增塑大豆蛋白質材料甘油甘油大豆分離蛋白（大豆分離蛋白（SPI）與）與25%甘

18、油混合，使甘油混合，使SPI的玻璃化的玻璃化轉變溫度從轉變溫度從150C降低到降低到-50C，可獲得熱塑性，可獲得熱塑性SPI。甘油增塑甘油增塑SPI缺陷：甘油的親水性導致制品對濕度敏感缺陷：甘油的親水性導致制品對濕度敏感30甘油甘油/己內酯增塑大豆蛋白質材料己內酯增塑大豆蛋白質材料己內酯己內酯己內酯在高溫下能與大豆蛋白分子側鏈上的氨基、羧基等己內酯在高溫下能與大豆蛋白分子側鏈上的氨基、羧基等發生開環聚合反應，也可與甘油的羥基反應，從而提升熱發生開環聚合反應，也可與甘油的羥基反應，從而提升熱塑性大豆蛋白塑料的疏水性與耐水性。塑性大豆蛋白塑料的疏水性與耐水性。酰胺類小分子化合物與大豆蛋白的重復單

19、元具有相同的酰胺鍵，可以用作良好的增塑劑。31酰胺增塑大豆蛋白質材料酰胺增塑大豆蛋白質材料乙酰胺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。柔韌而富有彈性。32其它小分子增塑劑其它小分子增塑劑二乙醇胺二乙醇胺三乙醇胺三乙醇胺硫二甘醇硫二甘醇333、合成大分子、合成大分子/大豆蛋白質共混材料大豆蛋白質共混材料溶液共混：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：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，在聚合物共混設備中，混煉獲得相應材料

20、。1. 1. 聚乙烯醇聚乙烯醇/ /大豆蛋白質共混材料大豆蛋白質共混材料34溶液共混制備的大豆蛋白質材料溶液共混制備的大豆蛋白質材料聚乙烯醇聚乙烯醇聚乙烯醇聚乙烯醇/大豆蛋白質溶液紡絲纖維制品大豆蛋白質溶液紡絲纖維制品35溶液共混制備的大豆蛋白質材料溶液共混制備的大豆蛋白質材料聚乙烯醇聚乙烯醇/ /大豆蛋白質納米纖維膜大豆蛋白質納米纖維膜靜電紡絲靜電紡絲2. 天然橡膠天然橡膠/大豆蛋白質共混材料大豆蛋白質共混材料36溶液共混制備的大豆蛋白質材料溶液共混制備的大豆蛋白質材料天然橡膠天然橡膠37溶液共混制備的大豆蛋白質材料溶液共混制備的大豆蛋白質材料3. 水性聚氨酯水性聚氨酯/大豆蛋白質共混材料大

21、豆蛋白質共混材料38熔融共混制備的大豆蛋白質材料熔融共混制備的大豆蛋白質材料聚己內酯（聚己內酯（PCL）聚丁二酸丁二醇酯（聚丁二酸丁二醇酯（PBS）芳香芳香-脂肪共聚酯（脂肪共聚酯（PBAT）聚乳酸（聚乳酸（PLA）生物降解熱塑性高分子生物降解熱塑性高分子/大豆蛋白質共混材料大豆蛋白質共混材料394. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料海藻酸海藻酸/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料海藻酸海藻酸海藻酸是存在于褐藻細胞壁中的一種天然多糖，為白色至棕黃色纖維、顆粒或粉末。海藻酸易與陽離子形成凝膠，如海藻酸鈉等。海藻酸鈉海藻酸鈉海藻酸海藻酸404. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆

22、蛋白質材料海藻酸的性能：海藻酸的性能：l 可再生性：來源于海洋生物；可再生性：來源于海洋生物；l 生物降解性：多糖結構；生物降解性：多糖結構；l 生物相容性：無毒、無排異、可吸收；生物相容性：無毒、無排異、可吸收；l 水溶性：含有羧基的多糖；水溶性：含有羧基的多糖；l 凝膠性：與高價金屬離子交聯形成凝膠；凝膠性：與高價金屬離子交聯形成凝膠；l pHpH敏感性：含有羧基，性質隨環境敏感性：含有羧基，性質隨環境pHpH值變化；值變化；414. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料海藻酸鈉海藻酸鈉/大豆蛋白復合微球大豆蛋白復合微球海藻酸鈉海藻酸鈉/ /大豆蛋白質由于分子間氫鍵作用，相容

23、性好。復合微球大豆蛋白質由于分子間氫鍵作用，相容性好。復合微球中海藻酸鈉具有中海藻酸鈉具有pHpH敏感性，可實現靶向治療，而大豆蛋白質具有生敏感性，可實現靶向治療，而大豆蛋白質具有生物活性，可降低藥物對身體組織的刺激性。物活性，可降低藥物對身體組織的刺激性。424. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料纖維素纖維素/大豆蛋白復合材料大豆蛋白復合材料纖維素的性能特點：纖維素的性能特點： 高強度高強度 可再生可再生 可降解可降解 無毒性無毒性 可紡性可紡性434. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料纖維素纖維素/ /大豆蛋白微孔膜大豆蛋白微孔膜44纖維素纖維素/ /大

24、豆蛋白復合海綿：大豆蛋白復合海綿：4. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料l 大豆蛋白為細胞生長提供養分；大豆蛋白為細胞生長提供養分；l 大豆蛋白優異的生物降解性提升了復合海綿的降解速率大豆蛋白優異的生物降解性提升了復合海綿的降解速率。454. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料羧甲基纖維素羧甲基纖維素/ /大豆蛋白復合材料大豆蛋白復合材料可食用薄膜可食用薄膜羧甲基纖維素加入提升了薄材料的力學強度。羧甲基纖維素加入提升了薄材料的力學強度。464. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料纖維素晶須纖維素晶須增強大豆蛋白復合材料增強大豆蛋白復合材料酸解酸

25、解超聲超聲l 高強度（最高達高強度（最高達17.8GPa）l 高模量（高模量（128GPa vs. 76GPa(玻璃纖維玻璃纖維)）474. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料干態力學性能干態力學性能濕態力學性能濕態力學性能484. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料木質素木質素/ /大豆蛋白復合材料大豆蛋白復合材料木質素木質素（英語：（英語：LigninLignin）是一）是一種廣泛存在于植物體中的無定種廣泛存在于植物體中的無定形的、分子結構中含有氧代苯形的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物。香性高聚物。494

26、. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料木質素納米粒子羥烷基化后，再與大豆蛋白共混復合，可獲木質素納米粒子羥烷基化后，再與大豆蛋白共混復合，可獲得高性能的互穿結構的得高性能的互穿結構的SPI/SPI/木質素復合材料。木質素復合材料。504. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料甲殼素晶須甲殼素晶須增強大豆蛋白復合材料增強大豆蛋白復合材料甲殼素晶須增強聚合物納米復合材料甲殼素晶須增強聚合物納米復合材料514. 天然大分子天然大分子/大豆蛋白質材料大豆蛋白質材料甲殼素晶須甲殼素晶須增強大豆蛋白復合材料增強大豆蛋白復合材料甲殼素晶須的加入能形成三維網絡結構以及很強的分子間相互作用，甲殼素晶須的加入能形成三維網絡結構以及很強的分子間相互作用，大幅提升大豆蛋白塑料的強度、模量與耐水性等。大幅提升大豆蛋白塑料的強度、模量與耐水性等。525. 無機物增強增韌大豆蛋白質材料無機物增強增韌大豆蛋白質材料層狀硅酸鹽層狀硅酸鹽增強大豆蛋白復合材料增強大豆蛋白復合材料層狀硅酸鹽的結構及其復合材料層狀硅酸鹽的結構及其復合材料535. 無機物增強增韌大豆蛋白質材料無機物增強增韌大豆蛋白質材料層狀硅酸鹽層狀硅酸鹽增強大豆蛋白復合材料增強大豆蛋白復合材料 納米二氧化硅俗稱白炭黑，具有許多獨特的性質，如具有抗紫外性，能提高其他材料抗老化