堿熱活化改性高溫豆粕制備大豆蛋白膠黏劑

高振華, 李 錦, 張冰寒, 白玉梅

(1.東北林業大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.菏澤學院 化學與化工學院，山東 菏澤 274015)

豆粕是大豆油加工后的生物質剩余物，富含大豆蛋白。為了提升制油效率和降低制油成本，我國企業生產大豆油普遍采用溶劑浸提和105 ℃以上脫溶的高溫浸出法制油，得到約占豆粕總產量95%的高溫豆粕；少數企業采用80 ℃以下的低溫閃蒸脫溶，獲得低溫豆粕[1]。低溫豆粕由于蛋白質變性程度低、氮溶解指數和反應活性高，適于制備大豆膠黏劑和食品加工，但因其工藝條件苛刻及制油效率較低，低溫豆粕生產成本較高，當前售價約6 500元/噸；而高溫豆粕因高溫脫溶導致蛋白質發生嚴重熱變性，反應活性低，無法用于大豆蛋白膠黏劑的制備及食品加工，主要用作動物飼料，其售價約4 000元/噸[2-3]。大豆蛋白膠黏劑是以脫脂豆粉為主要原料制備的一種生物基高分子膠黏劑，具有無甲醛釋放、原料可再生等優勢，備受人們青睞，近年來已成為我國木材膠黏劑領域的一個研究熱點[4-6]。大豆蛋白膠黏劑的制備需使用高反應活性的低溫脫脂豆粉來確保優良的膠合性能，這是因為低溫脫脂豆粉的大豆蛋白能夠被交聯劑充分交聯[3]，但低溫豆粕的產量少、價格高，造成大豆蛋白膠黏劑的生產成本高。而用高溫豆粕來制備大豆蛋白膠黏劑，必須先對高溫豆粕進行活化改性，提高其交聯反應活性以滿足木材膠黏劑的耐水性能要求。升高溫度、改變pH值、添加堿液和表面活性劑等化學試劑，均能夠使球形蛋白結構展開，釋放被包埋的活性基團[7-10]，例如：對大豆蛋白分別進行加熱處理[8-9]和常溫堿液變性處理[10]，都能夠使部分大豆蛋白展開和分子重排，釋放部分活性基團從而提高交聯活性。然而關于堿和熱協同作用下的高溫豆粕活化改性及其膠黏劑應用的研究報道甚少。因此，本研究提出高溫豆粕在氫氧化鈉存在下的堿熱活化改性方案，以期有效提高高溫豆粕中變性失活大豆蛋白的交聯活性，從而將產量巨大、成本低的高溫豆粕用來制備木材加工用大豆蛋白膠黏劑。

1 實 驗

1.1 材料與試劑

高溫豆粕(HTSM)，含蛋白質49.6%(質量分數，下同)，粒徑74～96 μm，山東萊河榨油廠。低溫豆粕粉(LTSM)，含蛋白質53.2%、粒徑74～96 μm，哈爾濱市哈高科大豆食品有限責任公司。乙醛(質量分數40%)、鹽酸羥胺(質量分數99.0%)、氫氧化鈉(質量分數99.0%)等化學試劑均為分析純。交聯改性劑環氧氯丙烷改性聚酰胺(EMPA)溶液，質量分數13.4%、黏度48.4 mPa·s(25 ℃)、pH值2.8，浙江衢州博藍裝飾材料有限公司；樺木單板(350 mm×350 mm×1.6 mm)，含水率5%～7%，黑龍江省葦河富林木業有限公司。

1.2 高溫豆粕的堿熱活化改性

將一定質量(1、 1.5、 2、 2.5和3 g)的NaOH分別溶解于32.5 g的蒸餾水中，制成改性劑溶液。在放有100 g高溫豆粕粉(HTSM)的攪拌機中，邊攪拌邊加入改性劑溶液，HTSM和改性劑質量比為100 ∶32.5，使改性劑與豆粕粉混合均勻形成半固態混合產物；將產物平鋪在聚四氟乙烯膜上，置于(100±2)℃烘箱內保持70 min，然后再于(60±2)℃下干燥至質量恒定；冷卻至室溫，并粉碎通過粒徑96 μm的篩網，得到NaOH添加量(以豆粕粉質量計)分別為1%、 1.5%、 2%、 2.5%和3%條件下堿熱活化改性的高溫豆粕粉。

1.3 大豆蛋白膠黏劑的調制與固化

分別稱取40 g堿熱活化改性的高溫豆粕粉、未經堿熱活化改性的高溫豆粕粉和低溫豆粕粉，與100 g交聯改性劑EMPA溶液(質量分數10%)在室溫下攪拌均勻，形成含固量為35.5%均勻細膩的膠黏劑。取40 g調制好的膠黏劑放置于聚四氟乙烯膜上，于(120±2)℃熱固化4 h，冷卻至室溫后，粉碎機粉碎過篩使其粒徑<96 μm，用于后續表征分析。

1.4 分析測試

1.4.1膠合性能測試 在芯層樺木單板的上下表面，分別輥涂(23.3±0.1)g的大豆蛋白膠黏劑，再附上未涂膠的表層單板進行三層膠合板組胚(單板間的木材紋理保持垂直)；板胚先在1.2 MPa和室溫下冷壓30 min，再于1.4 MPa、 120 ℃下熱壓4.5 min得到膠合板。按照國家標準GB/T 17657—2013測試其“熱水浸泡”濕態膠合強度和“煮-干-煮”濕態膠合強度，表征膠黏劑的耐水耐熱性能。

1.4.2FT-IR分析 采用溴化鉀壓片法和美國Nicolet公司的Spectrum One 紅外光譜儀測定樣品FT-IR光譜圖，掃描范圍4000～800 cm-1、分辨率4 cm-1、掃描次數32次；各FT-IR曲線均以2941 cm-1處化學性質穩定的C—H峰為內標進行濃度校正。

1.4.3XPS分析 使用美國Thermo Fisher Scientific公司的Escalab250 XPS分析儀測定豆粕粉的光電子能譜圖，采用Casa XPS軟件對C1s和N1s峰進行擬合分析。

1.4.4XRD分析 采用日本Rigaku International Corporation公司的D/max-2200衍射儀對豆粕粉或固化的大豆蛋白膠黏劑粉末進行分析，并按照文獻[2]方法計算樣品的結晶度。測試條件為電壓40 kV，電流30 mA，掃描范圍5～35°，掃描步長0.02°。

1.4.5熱重分析 采用德國Netzsch公司的209 F3熱重分析儀測定固化后大豆蛋白膠黏劑在N2氣氛下的熱重曲線，升溫速率10 ℃/min，溫度范圍30～600 ℃。

1.4.6交聯密度測試 采用文獻[3]所述的凝膠溶膠法，測定粒徑小于96 μm的固化大豆蛋白膠黏劑樣品在沸水中攪拌4 h后不溶組分質量分數，即通過沸水不溶率評價其交聯密度。

1.4.7乙醛值測試 在裝有攪拌和回流裝置的100 mL三口瓶中加入1.5 g(精確到0.000 1 g)豆粕粉、 50.0 g水和5.00 mL質量分數40%的乙醛溶液，用NaOH溶液調整體系pH值為8.5～8.7之間, 再于(50±2)℃反應2 h后，冷卻到室溫并用蒸餾水定容到1 000 mL。按GB/T 14074—2006中的鹽酸羥胺法, 測定反應體系剩余乙醛量；同時進行空白試驗，測定反應體系的乙醛量空白值。兩者之差的絕對值除以豆粕粉質量為每克豆粕粉消耗乙醛的毫克數(mg/g)，即豆粕粉的乙醛值，反映豆粕粉中蛋白胺基等能與乙醛反應的活性功能基數量。

1.4.8黏度測試 將大豆蛋白膠黏劑在恒溫水浴中保持1 h后，采用Brookfield DVS旋轉黏度計測試膠液在20 ℃時的黏度。

2 結果與討論

2.1 堿用量對豆粕堿熱活化機制的影響

大豆浸出制油過程中105 ℃以上高溫脫溶工藝相當于對豆粕進行熱處理，大豆蛋白之間以及大豆蛋白與多糖之間會發生交聯、美拉德等化學反應[3,11]，從而使大豆蛋白發生變性，并消耗胺基、羧基等活性基團。NaOH作為強極性和強堿性物質，既能夠有效破壞大豆蛋白中的氫鍵、疏水鍵等次級鍵，釋放被大豆蛋白球型結構所包埋的活性基團，在升溫條件下又能夠使蛋白質的肽鍵水解成胺基和羧基，從而使變性的大豆蛋白再次獲得交聯活性，如圖1所示。

圖1 改性高溫豆粕粉在堿熱活化中的次級鍵斷裂(a)和肽鍵水解(b)

表1 堿用量對豆粕乙醛值的影響

NaOH用量對豆粕中活性基團含量的影響見表1。由表1可知，未經改性的高溫豆粕(HTSM)的乙醛值僅為低溫豆粕(LTSM，4.76 mg/g)的42.4%，交聯活性明顯降低，無法與交聯改性劑EMPA充分反應形成良好的交聯網絡結構，這是導致直接使用HTSM制備大豆膠黏劑的膠合性能低于用LTSM制備大豆蛋白膠黏劑的主要原因。

隨著NaOH用量增加，改性高溫豆粕中代表胺基含量的乙醛值從2.02 mg/g逐漸增加到4.51 mg/g，其數值已和低溫豆粕的4.76 mg/g相當，這表明堿熱活化改性的高溫豆粕已具有與低溫豆粕相當的交聯活性基團(胺基)，增加的活性基團將有利于高溫豆粕粉與交聯劑之間的交聯化反應，從而提高高溫豆粕粉膠黏劑的膠合性能。但是，使用過多NaOH(用量大于2%)，強堿性會使大豆蛋白發生脫氨甚至降解反應，從而使活化改性高溫豆粕的乙醛值不再明顯增量。為揭示堿熱活化改性對大豆基膠黏劑的作用機制，后續將選擇部分代表性樣品進行結構分析。

圖2 高溫豆粕粉的FT-IR譜圖Fig.2 FT-IR spectra of reactivated HTSM

2.2 堿熱活化改性高溫豆粕的結構分析

2.2.2XPS 分析 高溫豆粕堿熱活化改性前后的XPS分析結果見圖3和表2。由結果可知，隨著堿熱活化改性中NaOH用量增加，高溫豆粕表面的N元素含量逐漸增加而碳元素含量逐漸降低，說明在NaOH和加熱的協同作用下，高溫豆粕中大豆蛋白的球形結構打開，釋放被包裹的活性基團并遷移到改性高溫豆粉表面。

表2 不同NaOH用量下堿熱活化高溫豆粕的XPS的分峰數據

圖4 高溫豆粕改性前后的XRD譜圖 Fig.4 XRD spectra of HTSM before and after thermo-alkali activation

2.2.3XRD分析 高溫豆粕堿熱活化前后的XRD分析見圖4。由圖可知：隨著NaOH用量增加，2θ=19.8°處代表大豆蛋白β折疊的特征吸收峰[14]明顯降低，其結晶度從18.68%(HTSM)降為18.45%(HTSM-1)，直至16.25%(HTSM-2)和16.34%(HTSM-3)，2θ從19.8°位移到20.4°，進一步說明高溫豆粕的堿熱活化改性使得大豆蛋白的球形結構打開，部分有序排列被破壞。結晶度降低使得交聯改性劑EMPA能夠更為有效進入經活化改性的高溫豆粕內部，與所釋放的豆粕活性基團反應。

2.3 堿熱活化改性對大豆蛋白膠黏劑的性能的影響

2.3.1沸水不溶率和黏度 NaOH對膠黏劑交聯密度的沸水不溶率的影響見表3。由表可知，沸水不溶率在NaOH用量高于2%后開始下降，證實過高的NaOH用量不利于所調制膠黏劑的交聯，影響了膠接耐水耐熱性能。在相同配方和調制工藝下獲得的HTSM大豆蛋白膠黏劑，其黏度隨堿熱改性的NaOH用量增加而逐漸增加，歸因于增加NaOH用量使高溫豆粕中更多大豆蛋白球型結構打開，更多蛋白分子鏈舒展，增加了分子間的氫鍵作用和鏈段糾纏；但由于變性大豆蛋白未完全活化，其舒展程度以及分子鏈間糾纏作用不及低溫豆粕，導致各種堿熱活化高溫豆粕調制膠黏劑的黏度都低于低溫豆粕制備的大豆蛋白膠黏劑。

2.3.2膠合性能 以不同NaOH用量對高溫豆粕進行堿熱活化改性，然后制備大豆蛋白膠黏劑。NaOH用量對膠黏劑膠合性能的影響見表3。

表3 大豆蛋白膠黏劑的沸水不溶率、黏度和膠合性能

由表3可知，未改性的高溫豆粕(NaOH用量0%)所調制大豆蛋白膠黏劑的膠接耐水性能明顯低于低溫豆粕制備的膠黏劑，其II類耐水性能(“熱水浸泡”濕強度)和I類耐水性能(“煮-干-煮”濕強度)分別為低溫豆粕制的膠黏劑的72.7%和58.9%。結合表1的豆粕的乙醛值充分說明：高溫制油工藝使得大豆蛋白嚴重變性，大豆蛋白的可交聯活性基團顯著降低，難以與交聯劑充分交聯形成足夠的網絡結構，耐水性能降低明顯。對高溫豆粕進行堿熱活化，在NaOH和熱的共同作用下通過球型大豆蛋白的展開釋放被包裹的活性基團以及肽鍵水解，使其可交聯活性基團含量增加而促進交聯劑與大豆蛋白之間的交聯，使得所制備膠黏劑的耐水性提升。適當增加NaOH用量(約2%)能使改性大豆蛋白的耐水性能提升，但是過高的NaOH用量(大于2%)會使高溫豆粕脫去胺基和發生降解，其膠接耐水性能反而降低。

2.3.3固化和交聯性能 各種固化大豆蛋白膠黏劑的FT-IR譜圖見圖5。

圖5 大豆蛋白膠黏劑固化產物的FT-IR譜圖(a)及其交聯反應(b)

由圖可知，其在3300 cm-1附近代表大豆蛋白胺基的吸收峰以及在1400 cm-1附近代表活化產生的羧基負離子吸收峰的紅外吸收強度，都比相應高溫豆粕的吸收峰(圖2)有所降低，尤其是羧基負離子吸收峰基本消失，進一步說明堿熱活化釋放的胺基和羧基負離子都與交聯改性劑EMPA的活性基團——氮雜環丁基發生了如圖5(b)所示的交聯反應[2,13]，形成三維網絡結構，從而導致膠黏劑的交聯密度(見表3中的沸水不溶率)增加、膠接耐水性能提升。

2.3.4TG分析 活化改性高溫豆粕制備的膠黏劑的TG分析結果(圖6)進一步證實這一點，即熱重曲線中堿熱活化改性大豆蛋白膠黏劑的熱分解質量殘留率及DTG曲線的最大分解速率溫度都高于未改性高溫豆粕(NaOH用量為0%)制備的大豆蛋白膠黏劑。NaOH用量為0、 1%、 2%、 3%時，相應的大豆蛋白膠黏劑的熱分解殘留率分別為31.83%、 32.30%、 40.87%和34.91%。

圖6 NaOH用量對大豆蛋白膠黏劑TG(a)和DTG(b)曲線的影響

綜上可見，使用2%NaOH溶液在(100±2) ℃對高溫豆粕進行70 min的改性處理，能夠有效實現高溫豆粕粉的活化，得到的活化高溫豆粕粉具有高含量可交聯活性基團(乙醛值4.28 mg/g)。以堿性活化改性后的高溫豆粕制備的大豆蛋白膠黏劑具有最好的膠接耐水性能(“熱水浸泡”濕強度1.48 MPa、“煮-干-煮”濕強度0.96 MPa)、最大的熱重質量殘留率(40.87%)、最高的最大分解速率溫度(306.1 ℃)、最大的交聯密度(沸水不溶率79.73%)，該條件活化的高溫豆粕的反應活性與低溫豆粕相當，并且其膠合性能略優于低溫豆粕制備的膠黏劑。因此，NaOH用量為2%時堿熱活化改性的高溫豆粕能夠滿足木材加工用大豆蛋白膠黏劑的制備。

3 結 論

3.1堿熱活化改性處理提高了高溫豆粕的交聯反應活性，使其能與交聯劑發生有效交聯并形成良好的交聯網絡結構。由活化高溫豆粕所制備的大豆蛋白膠黏劑具有與低溫豆粕膠黏劑相當的膠接耐水性能，解決了產量巨大的低成本高溫豆粕制備大豆蛋白膠黏劑膠合性能不佳的問題。

3.2通過FT-IR、XPS、XRD分析堿熱活化改性處理的高溫豆粕，結果表明：堿和熱的共同作用使高溫豆粕中的大豆蛋白肽鍵水解產生可交聯的胺基和羧基離子，同時結晶度降低，有利于交聯劑進入豆粕內部，與胺基和羧基產生更為有效的交聯反應。

3.3NaOH的用量對活化高溫豆粕及其制備的膠黏劑的結構與性能有著重要影響，適當提高NaOH用量能夠增加高溫豆粕的反應活性，提高以其為原料制備的膠黏劑的交聯密度與膠接耐水耐熱性能，但NaOH用量過多會使活化高溫豆粕發生脫氨反應及降解反應，堿熱活化改性高溫豆粕的最適宜的NaOH用量為高溫豆粕質量的2%。此時改性高溫豆粕的乙醛值為4.28 mg/g，相應膠黏劑的黏度59.8 Pa·s、“熱水浸泡”濕態膠合強度1.48 MPa、“煮-干-煮”濕態膠合強度0.96 MPa，相應膠黏劑固化產物的沸水不溶率79.73%、熱分解殘留率40.87%，最大分解速率溫度306.1 ℃。