本发明涉及一种多酶协同处理制备增强增韧蛋白基生物塑料的方法，属于天然高分子基材料
技术领域：
。
背景技术：
：近年来，随着环境不断地恶化，石化等不可再生资源的枯竭，合成塑料污染问题日益受到人们的关注及担忧。一方面，人工合成塑料很难被自然生物降解，每年有大量合成塑料使用后被丢弃、集中填埋或焚烧；另一方面，作为塑料源材料的石油，其储量随人类使用正日益减少，资源匮乏也已成为人类迫在眉睫的问题。因此，人们开始不断寻求可生物降解塑料来替代化学塑料，并将目光重新集中于天然聚合物的研究与利用。大豆蛋白作为一种可以通过人工大量种植获取的天然植物蛋白，具有可再生、全降解、无毒无害、质优价廉等优点，在绿色塑料的制造领域具有广阔的开发和应用前景。如paetau等研究了ph值、含水量、工艺条件、交联试剂和填充剂对模压大豆蛋白塑料的机械特性、物理特性、形态学和生物降解特性的影响。多羟基醇(如甘油、丙二醇等)作为增塑剂对大豆蛋白塑料机械特性的影响亦有报道。鱿鱼蛋白是来自鱿鱼体内的蛋白质提取物，具有很强的吸水性，吸水溶解后的鱿鱼蛋白具有很好的粘性。据国外最新研究报道称，鱿鱼蛋白质可用于制造纤维、涂料、塑料等产品，且这些产品可完全被生物降解，并能成为很好的塑料替代品。但目前蛋白基生物塑料的机械性能、阻隔性能、吸水率及透光率等指标仍不能满足使用要求，在以上性能的改善方面仍有许多亟待解决的问题。其一，增塑剂(甘油等)易溢出，当蛋白塑料中的增塑剂逐渐失去时会引起增塑作用的下降，导致塑料的柔韧性大幅降低；其二，由于蛋白质的亲水性很强，使得蛋白塑料的耐湿性较差，遇水易引起材料溶胀变形甚至溶解，这些缺陷严重限制了该类生物塑料的实际应用。对蛋白质进行接枝共聚改性，在蛋白大分子上引入疏水性柔性长链，这样不仅可弱化蛋白基塑料的吸湿行为，维持其尺寸稳定性，还可提高材料的机械韧性。传统的乙烯基单体接枝共聚的引发方法主要有物理法和化学法。物理法通过机械摩擦、低温等离子体处理、高能射线辐射等在物质上产生自由基，并进一步引发单体的接枝聚合。化学法则采用化学引发剂或氧化-还原引发体系等实现活泼可聚合单体对高分子的接枝共聚改性。但是，这些方法均不同程度存在工艺要求较高、损伤大、化学有害物质易残留、工业化实施难、改性效果不佳等弊端。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供一种多酶协同处理制备增强增韧蛋白基生物塑料的方法，该方法结合谷氨酰胺转胺酶和辣根过氧化物酶/双氧水/乙酰丙酮/乙烯基单体体系对蛋白质类物质的催化特性和改性效果，赋予蛋白塑料优良的应用机械特性和耐水性，同时克服传统物理/化学法改性损伤大、化学有害物质易残留等弊端，是一种催化效率高、作用条件温和、生态环保型的生物塑料用蛋白质类天然聚合物的加工改性方法。具体地，本发明是通过以下方案实现的：一种多酶协同处理制备增强增韧蛋白基生物塑料的方法，包括如下步骤：将蛋白均匀分散至一定ph值的缓冲液中，分别加入谷氨酰胺转胺酶和辣根过氧化物酶/双氧水/乙酰丙酮/乙烯基单体体系，持续通入氮气，在一定温度条件下反应一段时间，结束后冷冻干燥、丙酮抽提得到改性蛋白粉末；将蛋白粉体与一定比例甘油混合搅拌后置于模具中，在一定温度与压力下热压成型，制得改性蛋白塑料。具体步骤为：将蛋白均匀分散至ph值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2％-10％(质量分数)，首先加入0.2-1g/l谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-4h，而后再加入0.02-0.1g/l辣根过氧化物酶、0.04-0.2％双氧水、0.2-0.8％乙酰丙酮和10-40g/l乙烯基单体，持续通入氮气，在30-50℃温度条件下反应2-4h，反应结束后冷冻干燥、丙酮抽提得到改性蛋白粉末；将所得改性蛋白粉体与5％-40％的甘油混合搅拌后置于模具中，在100-140℃温度、5-20mpa压力下热压2-10min，制得改性蛋白塑料。所述蛋白质为大豆蛋白或鱿鱼蛋白中的任意一种。所述大豆蛋白为大豆粉、大豆浓缩蛋白或大豆分离蛋白中的任意一种。所述乙烯基单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、苯乙烯或其同系物中的任意一种，或多种的复合物。其中，谷氨酰胺转胺酶(简称tg酶)能催化蛋白质大分子中谷氨酰胺剩基上的γ-羧酰胺基和赖氨酸剩基上的ε-氨基发生酰基转移反应，形成大分子间ε-(γ-谷胺酰)赖氨酸异肽键共价交联，在食品、医药、化妆品、纺织等领域具有重要的潜在应用价值，被誉为“21世纪超级粘合剂”，它几乎可以催化所有蛋白质发生交联反应，以改善其理化性质，增加其使用价值。tg酶对大豆分离蛋白和鱿鱼蛋白亦表现出较强的催化聚合能力，分子量大幅增加，改性后的蛋白质塑料的机械强度显著提高，同时蛋白质大分子上亲水性的游离酰胺基与氨基基团被交联反应消耗因而含量降低，使得成型蛋白塑料的耐水性亦有所提升。辣根过氧化物酶/双氧水/乙酰丙酮体系引发烯类单体发生自由基聚合反应生成聚合物活性链，同时催化氧化蛋白质酪氨酸中的酚羟基形成酚氧自由基，活性链与蛋白质自由基进行耦合淬灭，从而使聚合物链接枝到蛋白质分子上。疏水性柔性长链在蛋白大分子上的引入，不但弱化了蛋白塑料的吸湿行为，增强其耐水性，还大大提高了材料的弹性与柔韧性。近年来，利用氧化还原酶的催化氧化特性引发乙烯类单体进行自由基链式聚合和接枝共聚反应，以其高选择性、高效性、作用条件温和性以及加工过程环境友好的特点，迅速成为该领域的研究热点。辣根过氧化物酶(hrp)是来源于辣根植物块茎的一种氧化还原酶制剂，高铁原卟啉环和两个钙原子为hrp的催化活性中心，高铁原卟啉环决定了hrp的催化效能，而钙原子则影响着酶结构的稳定性，钙原子的缺失会降低hrp的活性和热稳定性。hrp具有很强的催化氧化活性，hrp/h2o2体系可以催化酚类、苯胺类单体的自由基聚合，在还原性底物β-二酮(如乙酰丙酮)的存在下，可引发乙烯基单体的聚合反应。hrp/h2o2/乙酰丙酮体系还能催化功能性乙烯基单体与多种高分子材料发生自由基接枝共聚反应，从而提高淀粉的可塑性、合成纤维的亲水性、蚕丝织物的抗皱性、麻纤维等木质纤维的表面疏水性及其增强树脂基复合材料的界面相容性等。发明人对具体工艺过程进行实验，结果表明：将蛋白均匀分散至ph值为6-8的磷酸盐缓冲液中，浓度为2％-10％(质量分数)，首先加入0.2-1g/l谷氨酰胺转胺酶，在30-50℃温度条件下反应1-4h，而后再加入0.02-0.1g/l辣根过氧化物酶、0.04-0.2％双氧水、0.2-0.8％乙酰丙酮、10-40g/l乙烯基单体，持续通入氮气，在30-50℃温度条件下反应2-4h，反应结束后冷冻干燥、丙酮抽提得到改性蛋白粉末；将所得改性蛋白粉体与5％-40％的甘油混合搅拌后置于模具中，在100-140℃温度、5-20mpa压力下热压2-10min，制得改性蛋白塑料。本发明的工作原理和有益效果分析如下：本发明通过谷氨酰胺转胺酶催化蛋白交联，发生交联反应的蛋白通常具有较高的分子量，对机械力的破坏具有较强的抵抗能力，该反应同时消耗掉部分亲水性基团，使成型蛋白塑料的耐水性亦有所提升；辣根过氧化物酶/双氧水/乙酰丙酮体系催化乙烯基单体聚合、蛋白质酪氨酸中酚羟基氧化形成酚氧自由基两个反应，形成的疏水性聚合物活性链通过与蛋白质自由基偶合接枝到蛋白质分子上，进一步赋予蛋白塑料优良的机械韧性与耐水性。(1)本发明采用生物酶催化的方法实现蛋白物质的改性，既提高了蛋白基生物塑料的各项应用性能，又具有底物选择性强、催化效率高、作用条件温和、加工过程环境友好等优点，避免了传统物理法和化学法改性易造成损伤、化学有害物质如引发剂等残留、污染环境等种种弊端。(2)本发明采用的多酶协同催化改性方法可避免单一酶催化改性仅提高蛋白基塑料个别性能指标而其他方面改善不佳甚至下降的弊端，如仅经谷氨酰胺转胺酶催化交联，蛋白塑料的机械强度明显提高，但柔韧性变差；仅经辣根过氧化物酶/双氧水/乙酰丙酮体系催化接枝共聚，蛋白塑料的弹性、柔韧性与耐水性大幅增强，但机械强度变化不大。具体实施方式以下分别以大豆分离蛋白、鱿鱼蛋白为代表，对本方案进行具体诠释。实施例1：大豆分离蛋白将大豆蛋白均匀分散至ph值为7的磷酸盐缓冲液中，浓度为5％(质量分数)，首先加入1g/l谷氨酰胺转胺酶，在37℃温度条件下反应1h，而后再加入0.04g/l辣根过氧化物酶、0.08％双氧水、0.4％乙酰丙酮、20g/l甲基丙烯酸甲酯，持续通入氮气，在37℃温度条件下反应4h，反应结束后冷冻干燥、丙酮抽提得到改性大豆蛋白粉末；将所得改性大豆蛋白粉体与30％的甘油混合搅拌后置于模具中，在130℃温度、20mpa压力下热压10min，制得改性大豆蛋白塑料。经过上述改性处理后制得的大豆蛋白基生物塑料，拉伸强力提升78％，断裂伸长率提升38.5％，吸水溶胀率降幅为51.2％，与未改性大豆蛋白基生物塑料相比，具有更为优异的应用机械性能和耐水性。由于谷氨酰胺转胺酶催化蛋白交联和高强度聚甲基丙烯酸甲酯链的引入，该生物塑料在强度提升方面较柔韧性和耐水性更为显著。表1改性前后大豆蛋白基生物塑料的拉伸性能与耐水性大豆蛋白基生物塑料拉伸强力(n)断裂伸长率(％)吸水后溶胀率(％)多酶协同催化改性175.9±6.33.6±0.234.3±0.5未改性98.8±2.42.6±0.370.3±0.6实施例2：鱿鱼蛋白将鱿鱼蛋白均匀分散至ph值为7的磷酸盐缓冲液中，浓度为10％(质量分数)，首先加入0.2g/l谷氨酰胺转胺酶，在37℃温度条件下反应4h，而后再加入0.1g/l辣根过氧化物酶、0.16％双氧水、0.8％乙酰丙酮、10g/l丙烯酸丁酯，持续通入氮气，在37℃温度条件下反应4h，反应结束后冷冻干燥、丙酮抽提得到改性鱿鱼蛋白粉末；将所得改性鱿鱼蛋白粉体与5％的甘油混合搅拌后置于模具中，在105℃温度、13.5mpa压力下热压5min，制得改性鱿鱼蛋白塑料。经过上述改性处理后制得的鱿鱼蛋白基生物塑料，拉伸强力提升30％，断裂伸长率提升71％，吸水溶胀率降幅为76.1％，与未改性鱿鱼蛋白基生物塑料相比，具有更为优异的应用机械性能(尤其是强度方面)和一定的耐水性。由于兼具柔性与疏水性聚丙烯酸丁酯长链的引入，该生物塑料在柔韧性和耐水性提升方面较强度更为显著。表2改性前后鱿鱼蛋白基生物塑料的拉伸性能与耐水性鱿鱼蛋白基生物塑料拉伸强力(n)断裂伸长率(％)吸水后溶胀率(％)多酶协同催化改性59.4±4.46.5±0.521.4±0.3未改性45.7±3.53.8±0.489.7±0.2以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。当前第1页12