第五章-大豆蛋白质介绍

R1 R2 R3 NH2- C -COOH HNHHNH-C -COOH C -COOH H H H H2O H2O R1 R2 R3 NH2- C -CO —— NH- C -CO —— NH- C -COOH H H H
- -
- -
- -
- -
肽键
- -
三肽
- -
1.蛋白质简介
• 蛋白质由 C、 H、O、N、S等元素组成，特种蛋白质还含有铜、


2、小分子增塑的大豆蛋白质材料
• 大豆蛋白质材料的主要性能缺陷： 1. 不能直接直接热塑成型加工； 2. 大豆蛋白质材料缺乏韧性，表现为硬而脆的性质。 • 解决途径：
1. 加入增塑剂
2. 与柔性热塑性高分子材料共混
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2、小分子增塑的大豆蛋白质材料
1. 什么是增塑剂？
2. 增塑剂增塑的原理？
环境友好高分子
第五章 大豆蛋白质材料
本章主要内容
目的和要求


了解蛋白质的组成与结构 熟悉大豆蛋白质的来源、性质与用途等 重点掌握大豆蛋白质材料的制备、性能与应用
蛋白质简介 小分子增塑的大豆蛋白质材料 合成大分子增塑的大豆蛋白质材料 天然高分子-大豆蛋白质材料
主要内容

无机物增强增韧的大豆蛋白质材料
大豆蛋白概述

大豆浓缩蛋白是指从高质、干净、完整和脱皮大豆中除 去大豆油和水溶性非蛋白部分后，含有不少于70%的大 豆蛋白质。 大豆分离蛋白是指从高质、干净、完整和脱皮大豆中除 去大豆油和水溶性非蛋白部分后，含有不少于90%的大 豆蛋白质。 大豆渣是大豆经榨油（或抽提）、并且分离出大豆浓缩 蛋白或大豆分离蛋白后剩余的残渣。
•对于螺旋结构，氢键存在于单个分子链中，
而对于折叠结构氢键存在于相邻的链间。
蛋白质的结构
三级结构

主要针对球状蛋白质而言，是指多肽链在二级结构、超二级结构 以及结构域的基础上进一步卷曲折叠形成的复杂球状分子结构。

稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用或称 非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键（离
H SH
H
C
CH2 NH2
COOH
NH2
C
CH2 SH
COOH
×
H
C H
√
NH2
×
CH2 COOH
脱水缩合反应
R1
H2N C H
O C OH H
H
R2 C
H
O
N
C
OH
肽键
-OH HH2O
二肽
脱水缩合：一个氨基酸分子的氨基和另一个氨基酸分 子的羧基相连形成肽键，同时失去一分子水的过程。
脱水缩合反应
血红蛋白四级结构示意图

稳定四级结构的作用力与稳定三级结构的没
有本质区别。
蛋白质在材料领域的应用
• 纺织物
– 羊毛、丝绸、羽绒服
蛋白质在材料领域的应用
• 蚕丝是天然蛋白质类纤维，是自然界唯一可供纺织用的天然长丝。
蛋白质在材料领域的应用
大豆蛋白概述
（1）来源与组成

大豆蛋白质是大豆的主要组分，是资源丰富、品质优良、加


大豆蛋白概述
（3）大豆蛋白的性质

溶解特性：溶液的pH值为9以上时，大部分SPI能溶解 于水中；当pH值为4.64（大豆蛋白的等电点）时，其 溶解度最小。
变性：当大豆蛋白质受到外界各种因素的作用时，维 持其高级结构的氢键或次级键遭到破坏，其分子原有 的特殊构象发生转变，从而导致蛋白质的物理、化学 及生物学特性发生变化，即大豆蛋白质的变性。蛋白 质变性后最显著的特征是溶解度降低，因而测定其溶 解度即可以衡量蛋白质的变性程度。
工易得并且价格低廉的植物性蛋白质，约占全球植物蛋白的
60%，被誉为“生长着的黄金”。

大豆最主要的组分是蛋白质、油脂、碳水化合物、粗纤维和 水分。其中，蛋白质含量约为36%，油脂19%，碳水化合物 22.5%，纤维5%，水分12%，灰分5.5%。

大豆蛋白主要成分为大豆球蛋白和大豆乳清蛋白，其中，大
和二硫键的位置、肽链数目、末端氨基酸的种类等。
蛋白质的结构
二级结构描述其构象或形状，主要有两种形 式： •α - 螺旋结构：蛋白质分子的肽链不是伸直 展开的，而是盘绕曲折成为螺旋形。 •β - 片层结构：也称折叠结构，由相邻两条
肽链或一条肽链内两个氨基酸残基间的碳基 和亚氨基形成氢键所构成的结构。
铁、磷、铂、锌、碘等元素。
• 组成蛋白质的单体为氨基酸，蛋白质水解得到各种α-氨基酸的 混合物。 • 仅有大约20种氨基酸是维持生命存在所必不可少的。在这20种 氨基酸中，有11种可以在人体中合成，其余9种从食物中获得。 • 不同的组合方式使蛋白质具有众多不同的种类，从而也具有不 同的性能。
R H2N C H COOH
49
4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
甲壳素晶须增强大豆蛋白复合材料
甲壳素晶须增强聚合物纳米复合材料
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
甲壳素晶须增强大豆蛋白复合材料
甲壳素晶须的加入能形成三维网络结构以及很强的分子间相互作用， 大幅提升大豆蛋白塑料的强度、模量与耐水性等。
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5. 无机物增强增韧大豆蛋白质材料
层状硅酸盐增强大豆蛋白复合材料
层状硅酸盐的结构及其复合材料
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5. 无机物增强增韧大豆蛋白质材料
层状硅酸盐增强大豆蛋白复合材料
53
5. 无机物增强增韧大豆蛋白质材料
层状硅酸盐增强大豆蛋白复合材料 • 纳米二氧化硅俗称白炭黑，具有许多独特的性质，如 具有抗紫外性，能提高其他材料抗老化、强度和耐化 学性能。 • 纳米级二氧化硅为无定形白色粉末，无毒、无味、无 污染，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构， 分子式和结构式为SiO2，不溶于水。 • 可添加到聚合物基材中制备高性能纳米复合材料。
5
6
氨基酸的结构
CH4
甲烷
H
H
氨基
O COOH H OH C
羧基
C H
甘氨酸
NH2
观察与 思考
它们在结构上有何相同点和不同点？
H
O
H OH NH2 C
O
C OH
NH2
C
C
甘氨酸 H
H O
CH
CH31 CH3 缬氨酸
NH2
C
C
OH
CH2 亮氨酸 CH
H
NH2 C
O C
OH
CH3 CH3
CH3 丙氨酸
3. 大豆蛋白质应该采用什么结构的化合物作为增塑剂？
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甘油增塑大豆蛋白质材料
大豆分离蛋白（SPI）与25%甘油混合，使SPI的玻璃化 转变温度从150°C降低到-50°C，可获得热塑性SPI。
甘油
甘油增塑SPI
缺陷：甘油的亲水性导致制品对湿度敏感
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甘油/己内酯增塑大豆蛋白质材料
己内酯在高温下能与大豆蛋白分子侧链上的氨基、羧基等
聚乙烯醇
聚乙烯醇/大豆蛋白质溶液纺丝纤维制品
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溶液共混制备的大豆蛋白质材料
静电纺丝
聚乙烯醇/大豆蛋白质纳米纤维膜
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溶液共混制备的大豆蛋白质材料
2. 天然橡胶/大豆蛋白质共混材料
天然橡胶
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溶液共混制备的大豆蛋白质材料
3. 水性聚氨酯/大豆蛋白质共混材料
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熔融共混制备的大豆蛋白质材料
生物降解热塑性高分子/大豆蛋白质共混材料
豆球蛋白占90%。
大豆蛋白概述
（2）大豆蛋白的提取
根据加工过程和蛋白质组分含量的不同，大豆的加工可分为
大豆粉（SF）、大豆浓缩蛋白（SPC）、大豆分离蛋白（SPI） 和大豆渣（SD），前三者是大豆蛋白质的主要产物，而大豆渣 是副产物。
大豆粉分为全脂大豆粉和脱脂大豆粉，用作工业原料的主要
是后者。脱脂大豆粉又分为烘烤的脱脂大豆粉和低变性脱脂大 豆粉，它是大豆经过清洗、干燥、榨油（或抽提）、脱皮、脱 除溶剂、粉碎、过筛等加工工序后所得的粉末，其中大豆蛋白 含量~50%。
大豆蛋白质衍生物材料
2
1.蛋白质简介
生命是蛋白质的存在方式 ， 这种存在方式本质上就在于 蛋白质化学成分的不断自我 更新。 －－恩格斯
由此可见，蛋白质对于生命来说是非常重要。
抗“非典”最前沿领军人物
钟 南 山
中国工程院院士、 广州医学院呼吸疾病研究所所长
4
SARS病毒的电子图片
SARS病的凶手——冠状病毒， 有自己的核酸和蛋白质 。它进入人体后，借助人体内的原料合成病毒。当人体 发病时，就是它的蛋白质对我们起了作用。
二乙醇胺
硫二甘醇
三乙醇胺
32
3、合成大分子/大豆蛋白质共混材料
溶液共混：
将合成大分子与大豆蛋白溶解或分散于溶剂中，混合后
将溶剂去除，即得共混材料。
熔融共混：
将合成的热塑性聚合物与粉末状或增塑大豆蛋白，在聚 合物共混设备中，混炼获得相应材料。
33
溶液共混制备的大豆蛋白质材料
1. 聚乙烯醇/大豆蛋白质共混材料
R H2N H
O C
R NH C H COOH
蛋白质的结构
蛋白质的结构
一级结构

蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺
序，包括二硫键的位置。其中最重要的是多肽链的氨基
酸顺序。

一级结构是蛋白质分子结构的基础，它包含了决定蛋白 质分子所有结构层次构象的全部信息。蛋白质一级结构 研究的内容包括蛋白质的氨基酸组成、氨基酸排列顺序
海藻酸的性能：
可再生性：来源于海洋生物； 生物降解性：多糖结构； 生物相容性：无毒、无排异、可吸收； 水溶性：含有羧基的多糖； 凝胶性：与高价金属离子交联形成凝胶；
pH敏感性：含有羧基，性质随环境pH值变化；
40
4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
海藻酸钠/大豆蛋白复合微球
海藻酸钠 / 大豆蛋白质由于分子间氢键作用，相容性好。复合微球 中海藻酸钠具有pH敏感性，可实现靶向治疗，而大豆蛋白质具有生 物活性，可降低药物对身体组织的刺激性。
子键），也包括共价二硫键。
稳定蛋白质三维结构的各种作用力
①盐键；②氢键；③疏水作用；
④范德华力；⑤二硫键
蛋白质的结构
四级结构

四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏水作 用等次级键结合成为有序排列的特定的空间 结构。

四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚
基，亚基通常由一条多肽链组成，有时含两 条以上的多肽链，单独存在时一般没有生物 活性。
44
4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
羧甲基纤维素/大豆蛋白复合材料
羧甲基纤维素加入提升了薄材料的力学强度。
可食用薄膜
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
纤维素晶须增强大豆蛋白复合材料
酸解
超声
高强度（最高达17.8GPa） 高模量（128GPa vs. 76GPa(玻璃纤维)）
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
发生开环聚合反应，也可与甘油的羟基反应，从而提升热 塑性大豆蛋白塑料的疏水性与耐水性。
己内酯
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酰胺增塑大豆蛋白质材料
酰胺类小分子化合物与大豆蛋白的重复单元具有相同的酰胺 键，可以用作良好的增塑剂。
乙酰胺
乙酰胺与大豆蛋白分子间存在氢键作用，使得其增塑的大豆蛋白塑料 柔韧而富有弹性。
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其它小分子增塑剂
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
纤维素/大豆蛋白复合材料
纤维素的性能特点：
高强度
可再生 可降解 无毒性 可纺性
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
纤维素/大豆蛋白微孔膜
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
纤维素/大豆蛋白复合海绵：
大豆蛋白为细胞生长提供养分；
大豆蛋白优异的生物降解性提升了复合海绵的降解速率。

大豆蛋白概述

亲水性：大豆蛋白质分子上含有大量的氨基、肽键、 羟基等亲水基团，吸水性强，对环境湿度敏感。 凝胶性：凝胶性是指蛋白质形成胶体状结构的好坏程 度。凝胶的形成伴随着蛋白质的变性。蛋白质凝胶形 成的先决条件是蛋白质分子、分子束或者聚集体之间 以及蛋白质和水分子之间的相互作用使体系形成三维 网络结构。 生物降解性：大豆蛋白质具有优异的生物降解性，且 降解产物安全环保。
干态力学性能
湿态力学性能
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
木质素/大豆蛋白复合材料
木质素（英语：Lignin）是一
种广泛存在于植物体中的无定
形的、分子结构中含有氧代苯
丙醇或其衍生物结构单元的芳
香性高聚物。
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
木质素纳米粒子羟烷基化后，再与大豆蛋白共混复合，可获
得高性能的互穿结构的SPI/木质素复合材料。
试一试推导出氨基酸的结构通式
H NH2 C CH R 3
O
C OH
1、每种氨基酸至少有一个氨基(-NH2)和一个羧 基(-COOH)，且氨基和羧基连在同一个碳原子上。 2、这个碳原子还连接一个氢原子和一个侧链基团（R表示 ） 3、氨基酸之间的区别在于R基不同（R基不同，氨基酸就不 同）。
问题：它们是组成蛋白质的氨基酸?
聚己内酯（PCL）
聚丁二酸丁二醇酯（PBS）
芳香-脂肪共聚酯（PBAT）
聚乳酸（PLA）
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料
海藻酸/大豆蛋白质材料
海藻酸 海藻酸是存在于褐藻细胞壁中的一种天然多糖，为白色至棕黄色纤
维、颗粒或粉末。海藻酸易与阳离子形成凝胶，如海藻酸钠等。
海藻酸钠
海藻酸
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4. 天然大分子/大豆蛋白质材料