高振華, 李 錦, 張冰寒, 白玉梅

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

豆粕是大豆油加工后的生物質(zhì)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(yè)生產(chǎn)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(chǎn)量95%的高溫豆粕；少數(shù)企業(yè)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(zhì)變性程度低、氮溶解指數(shù)和反應(yīng)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(chǎn)成本較高，當(dāng)前售價約6 500元/噸；而高溫豆粕因高溫脫溶導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重?zé)嶙冃裕磻?yīng)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(yōu)勢，備受人們青睞，近年來已成為我國木材膠黏劑領(lǐng)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(yīng)活性的低溫脫脂豆粉來確保優(yōu)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(lián)劑充分交聯(lián)[3]，但低溫豆粕的產(chǎn)量少、價格高，造成大豆蛋白膠黏劑的生產(chǎn)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(jìn)行活化改性，提高其交聯(lián)反應(yīng)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(xué)試劑，均能夠使球形蛋白結(jié)構(gòu)展開，釋放被包埋的活性基團(tuán)[7-10]，例如：對大豆蛋白分別進(jìn)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(tuán)從而提高交聯(lián)活性。然而關(guān)于堿和熱協(xié)同作用下的高溫豆粕活化改性及其膠黏劑應(yīng)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(lián)活性，從而將產(chǎn)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(zhì)49.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，粒徑74～96 μm，山東萊河榨油廠。低溫豆粕粉(LTSM)，含蛋白質(zhì)53.2%、粒徑74～96 μm，哈爾濱市哈高科大豆食品有限責(zé)任公司。乙醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%)、鹽酸羥胺(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.0%)、氫氧化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.0%)等化學(xué)試劑均為分析純。交聯(lián)改性劑環(huán)氧氯丙烷改性聚酰胺(EMPA)溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.4%、黏度48.4 mPa·s(25 ℃)、pH值2.8，浙江衢州博藍(lán)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(yè)有限公司。

1.2 高溫豆粕的堿熱活化改性

將一定質(zhì)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(zhì)量比為100 ∶32.5，使改性劑與豆粕粉混合均勻形成半固態(tài)混合產(chǎn)物；將產(chǎn)物平鋪在聚四氟乙烯膜上，置于(100±2)℃烘箱內(nèi)保持70 min，然后再于(60±2)℃下干燥至質(zhì)量恒定；冷卻至室溫，并粉碎通過粒徑96 μm的篩網(wǎng)，得到NaOH添加量(以豆粕粉質(zhì)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(diào)制與固化

分別稱取40 g堿熱活化改性的高溫豆粕粉、未經(jīng)堿熱活化改性的高溫豆粕粉和低溫豆粕粉，與100 g交聯(lián)改性劑EMPA溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)在室溫下攪拌均勻，形成含固量為35.5%均勻細(xì)膩的膠黏劑。取40 g調(diào)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(xù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—2013測試其“熱水浸泡”濕態(tài)膠合強度和“煮-干-煮”濕態(tài)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(shù)32次；各FT-IR曲線均以2941 cm-1處化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的C—H峰為內(nèi)標(biāo)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析，并按照文獻(xiàn)[2]方法計算樣品的結(jié)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(lián)密度測試 采用文獻(xiàn)[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(zhì)量分?jǐn)?shù)，即通過沸水不溶率評價其交聯(lián)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(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的乙醛溶液，用NaOH溶液調(diào)整體系pH值為8.5～8.7之間, 再于(50±2)℃反應(yīng)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(yīng)體系剩余乙醛量；同時進(jìn)行空白試驗，測定反應(yīng)體系的乙醛量空白值。兩者之差的絕對值除以豆粕粉質(zhì)量為每克豆粕粉消耗乙醛的毫克數(shù)(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(yīng)的活性功能基數(shù)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(zhuǎn)黏度計測試膠液在20 ℃時的黏度。

2 結(jié)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(dāng)于對豆粕進(jìn)行熱處理，大豆蛋白之間以及大豆蛋白與多糖之間會發(fā)生交聯(lián)、美拉德等化學(xué)反應(yīng)[3,11]，從而使大豆蛋白發(fā)生變性，并消耗胺基、羧基等活性基團(tuán)。NaOH作為強極性和強堿性物質(zhì)，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(jié)構(gòu)所包埋的活性基團(tuán)，在升溫條件下又能夠使蛋白質(zhì)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(lián)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(tuán)含量的影響見表1。由表1可知，未經(jīng)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(lián)活性明顯降低，無法與交聯(lián)改性劑EMPA充分反應(yīng)形成良好的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這是導(dǎo)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(shù)值已和低溫豆粕的4.76 mg/g相當(dāng)，這表明堿熱活化改性的高溫豆粕已具有與低溫豆粕相當(dāng)?shù)慕宦?lián)活性基團(tuán)(胺基)，增加的活性基團(tuán)將有利于高溫豆粕粉與交聯(lián)劑之間的交聯(lián)化反應(yīng)，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(fā)生脫氨甚至降解反應(yīng)，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(xù)將選擇部分代表性樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析

2.2.2XPS 分析 高溫豆粕堿熱活化改性前后的XPS分析結(jié)果見圖3和表2。由結(jié)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(xié)同作用下，高溫豆粕中大豆蛋白的球形結(jié)構(gòu)打開，釋放被包裹的活性基團(tuán)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(shù)據(jù)

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(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)打開，部分有序排列被破壞。結(jié)晶度降低使得交聯(lián)改性劑EMPA能夠更為有效進(jìn)入經(jīng)活化改性的高溫豆粕內(nèi)部，與所釋放的豆粕活性基團(tuán)反應(yīng)。

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(lián)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(diào)制膠黏劑的交聯(lián)，影響了膠接耐水耐熱性能。在相同配方和調(diào)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(jié)構(gòu)打開，更多蛋白分子鏈?zhǔn)嬲梗黾恿朔肿娱g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(dǎo)致各種堿熱活化高溫豆粕調(diào)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(jìn)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(diào)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(jié)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(yán)重變性，大豆蛋白的可交聯(lián)活性基團(tuán)顯著降低，難以與交聯(lián)劑充分交聯(lián)形成足夠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，耐水性能降低明顯。對高溫豆粕進(jìn)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(tuán)以及肽鍵水解，使其可交聯(lián)活性基團(tuán)含量增加而促進(jìn)交聯(lián)劑與大豆蛋白之間的交聯(lián)，使得所制備膠黏劑的耐水性提升。適當(dāng)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(fā)生降解，其膠接耐水性能反而降低。

2.3.3固化和交聯(lián)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(chǎn)物的FT-IR譜圖(a)及其交聯(lián)反應(yīng)(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(chǎn)生的羧基負(fù)離子吸收峰的紅外吸收強度，都比相應(yīng)高溫豆粕的吸收峰(圖2)有所降低，尤其是羧基負(fù)離子吸收峰基本消失，進(jìn)一步說明堿熱活化釋放的胺基和羧基負(fù)離子都與交聯(lián)改性劑EMPA的活性基團(tuán)——氮雜環(huán)丁基發(fā)生了如圖5(b)所示的交聯(lián)反應(yīng)[2,13]，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致膠黏劑的交聯(lián)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(jié)果(圖6)進(jìn)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(zhì)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(yīng)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(jìn)行70 min的改性處理，能夠有效實現(xiàn)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(lián)活性基團(tuán)(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(zhì)量殘留率(40.87%)、最高的最大分解速率溫度(306.1 ℃)、最大的交聯(lián)密度(沸水不溶率79.73%)，該條件活化的高溫豆粕的反應(yīng)活性與低溫豆粕相當(dāng)，并且其膠合性能略優(yōu)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(jié) 論

3.1堿熱活化改性處理提高了高溫豆粕的交聯(lián)反應(yīng)活性，使其能與交聯(lián)劑發(fā)生有效交聯(lián)并形成良好的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。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(dāng)?shù)哪z接耐水性能，解決了產(chǎn)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(jié)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(chǎn)生可交聯(lián)的胺基和羧基離子，同時結(jié)晶度降低，有利于交聯(lián)劑進(jìn)入豆粕內(nèi)部，與胺基和羧基產(chǎn)生更為有效的交聯(lián)反應(yīng)。

3.3NaOH的用量對活化高溫豆粕及其制備的膠黏劑的結(jié)構(gòu)與性能有著重要影響，適當(dāng)提高NaOH用量能夠增加高溫豆粕的反應(yīng)活性，提高以其為原料制備的膠黏劑的交聯(lián)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(fā)生脫氨反應(yīng)及降解反應(yīng)，堿熱活化改性高溫豆粕的最適宜的NaOH用量為高溫豆粕質(zhì)量的2%。此時改性高溫豆粕的乙醛值為4.28 mg/g，相應(yīng)膠黏劑的黏度59.8 Pa·s、“熱水浸泡”濕態(tài)膠合強度1.48 MPa、“煮-干-煮”濕態(tài)膠合強度0.96 MPa，相應(yīng)膠黏劑固化產(chǎn)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 ℃。