硬脂酸钙对大豆分离蛋白塑料结构和性能的影响

白晓娇，张丽叶

（北京化工大学生命科学与技术学院，北京100029）

硬脂酸钙对大豆分离蛋白塑料结构和性能的影响

白晓娇，张丽叶＊

（北京化工大学生命科学与技术学院，北京100029）

将硬脂酸钙（CaSt2）与大豆分离蛋白（SPI）以不同比例混合，丙三醇作为增塑剂，经过涂膜的方式制备了改性SPI薄膜。通过衰减全反射－傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、热分析、力学性能测试和水蒸气透过率系数等表征手段，研究了CaSt2改性SPI薄膜的结构和性能。结果表明，CaSt2在SPI中以两种结构形式存在，其中离子形式为主。与纯SPI薄膜相比，改性SPI薄膜的结晶度提高了70.4%，内部结构更加致密。热分析表明，改性SPI薄膜的热稳定性增强。随着CaSt2含量的增加，改性SPI薄膜的水蒸气透过系数下降，当其含量为12%时，水蒸气阻透能力提高了40%；同时，断裂伸长率提高了67.63%。

大豆分离蛋白；硬脂酸钙；薄膜；改性

0 前言

利用农业源性生物聚合物（蛋白、多糖）合成塑料应用于某些特定领域中，特别是短期应用，例如食品包装，有很好的研究前景［1］。大豆蛋白因具有低成本、易得到和完全生物降解的特点，已被广泛研究，特别是大豆分离蛋白（SPI）。与其他大豆产品相比，SPI具有高蛋白含量和较好的成膜性能［2］。根据大量的研究报道，SPI塑料具有良好的生物降解能力，在低相对湿度的环境下具有良好的阻隔氧气和油的能力［3－4］。但是，纯SPI塑料的力学性能、热稳定性能和阻透性能较低，应用受限［5］。将纯 SPI采用物理［6］、化学［7］、生物［8］等方式进行改性，可以提高其力学性能和阻透性能。工业上，主要采用添加热稳定剂的办法提高SPI塑料的热稳定性能。由于环保问题，热稳定剂首选金属皂类化合物。硬脂酸钙（CaSt2）既是一种金属皂类热稳定剂，同时也是一种内润滑剂，能够改善塑料的加工性能和热稳定性能［9］，减少聚合物分子的内摩擦力，降低熔体黏度并改善塑化效果。本文利用涂膜的方式得到CaSt2改性SPI薄膜，并对其力学性能和热性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

SPI，粉末，蛋白（干基）≥90%，灰分≤6.0%，水分≤7.0%，pH（浓度10%）＝7.0～7.8，山东万德福实业集团有限公司；

CaSt2，化学纯，天津市光复精细化工研究所；

丙三醇，分析纯，北京化工厂；

无水乙醇，分析纯，北京化工厂。

1.2 主要设备及仪器

集热式恒温加热磁力搅拌器，DF－101S，河南省予华仪器有限公司；

电热鼓风干燥箱，101－2A，天津市泰斯特仪器有限公司；

超声波清洗器，KQ3200B，昆山市超声仪器有限公司；

万能材料试验机，Instron－1185，英国Instron公司；

X射线衍射仪（XRD），D/max2500VB2，日本理学公司；

动态热机械分析仪（DMA），DMTA－V，美国流变科学公司；

差示扫描量热仪，Q20，美国TA公司；

扫描电子显微镜，S－4700，日本日立公司；

衰减全反射－傅里叶变换红外光谱（ATR－FTIR），Varian 3100，Excalibur Series公司。

1.3 样品制备

将CaSt2溶于无水乙醇中备用；SPI与去离子水混合均匀后添加增塑剂丙三醇，在80℃恒温水浴中匀速搅拌，调节pH为9，形成膜液；将CaSt2与无水乙醇的混合液加入到膜液中，反应片刻后再次调节膜液的pH值为9；此后80℃下恒温磁力搅拌30min，超声分散10min；将制备好的膜液过滤后涂到自制的聚四氟乙烯模具上，置于干燥箱中干燥；干燥成膜后将SPI膜脱离模具，在恒温恒湿的环境中保存48h后，进行性能测试。

1.4 性能测试与结构表征

将试样在室温下干燥24h，然后进行ATR－FTIR分析，扫描范围为4000～400cm－1；

采用XRD分析试样的结晶性能及相容性，CuKα，λ＝0.154nm，2θ的扫描范围为5°～40°，扫描速度为3（°）/min；

称取10mg试样，采用氮气保护，进行DSC分析，测试温度范围为0～200℃，升温速率为5℃/min；

称取50mg试样，采用氮气保护，进行TG分析，参比物为Al2O3，升温速率为10℃/min，升温范围为0～600℃；

将试样裁成3mm×50mm的矩形，进行DMA分析，采用拉伸振动模式，振动频率为1Hz，温度扫描范围为－50～250℃，升温速度为5℃/min；

按照GB/T 1037—1988测试薄膜的水蒸气透过率，结果取3次平均值，如式（1）所示：

式中 PWVP——水蒸气透过系数，g/cm·s·Pa

ΔP——试样两侧的水蒸气压差，Pa

d——试样厚度，cm

t——质量增量稳定后的两次间隔时间，s

A——试样透水蒸气的面积，cm2

将试样裁成2cm×2cm的正方形，放在50mL的烧杯中干燥至恒重，称重；在烧杯中倒入30mL的去离子水，在室温下放置，在此期间应不时用玻璃棒搅拌，24h后将烧杯中的水倒掉；剩余的膜和烧杯一同干燥至恒重，称重；根据质量变化计算水溶性，如式（2）所示：

式中 SWS——水溶性系数，%

m0——初始膜的质量，g

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用逻辑推理的方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力[1]。在实验中，学生根据学习或生活实践提出问题，收集文献，提出合理的假设，设计严谨的实验步骤，实验后对实验数据进行分析，得出实验结论，并进一步讨论、分析，提出新的问题。这是培养科学思维的有效途径。

m——24h后膜剩余的质量，g

将试样在室温及相对湿度50%的干燥器中放置48h后，按照GB/T 13022—1991进行拉伸性能测试，Ⅰ型哑铃形试样，标距为40mm，中间平行部分宽度为10mm，拉伸速度为50mm/min。

2 结果与讨论

2.1 红外分析

当CH3与羰基相连时，其不对称和对称变角振动频率向低波数位移，这作用与其反对称和对称伸缩振动频率向高波数位移方向正好相反。从图1可以看出，CaSt2在2960、2916、1420cm－1处都有强吸收峰，2849cm－1处为 CH2—对称伸缩峰，1471cm－1处为CH2—变角峰，1258cm－1处为羧酸C—OH伸缩峰。1573、1541cm－1处为RCOO—非对称伸缩振动特征峰，同时也是金属皂的特征峰，分别对应的是CaSt2的络合结构和离子结构［10］，如式（3）和（4）所示。

图1 CaSt2粉末的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectrum for pure CaSt2powder

由图2可知，加入8%（以SPI质量计，下同）CaSt2改性的SPI膜和只加入增塑剂的SPI膜的FTIR谱图出峰处几乎一致，不同的是加入CaSt2后峰的强度有所增加。3300cm－1的峰明显变大并且尖锐，为羧基吸收峰。其中，峰强度增大最明显的是在2945～2846cm－1之间的2个峰，为CH2长链烷基有序排列时，反对称和对称吸收峰，这表明CaSt2的长链烷基已经溶于SPI中。1608～1554cm－1处的峰强度也有明显增加，这是因为CaSt2中的RCOO—部分重叠的原因，其中金属皂的特征峰1573、1541cm－1双峰消失变为1554cm－1处的一个强峰，代表CaSt2在膜溶液中主要以离子状态存在，少部分以络合结构存在，而峰值的偏移表示CaSt2与SPI发生化学反应并生成了某些新的化学键。峰强度的增加还有可能是因为加入CaSt2后会有离子形式的St－产生，而St－会与含有OH－的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸反应，还会与含有NH3＋的赖氨酸和精氨酸反应，还会与含有亚氨基基团的精氨酸、组氨酸、色氨酸和脯氨酸反应，生成酯或氨基化合物。然而新生成的结合键并没有出现在光谱中，原因是由于大量氨基结合已经存在SPI的骨架中了，所以呈现在图谱中的现象是特征峰的强度增加，这一现象与Preeti［11］等研究的一致。

图2 SPI薄膜和改性SPI薄膜的FTIR谱图Fig.2 FTIR spectra for SPI film and modified SPI film

2.2 XRD分析

从图3可以看出，纯SPI粉末的XRD曲线18°～20°之间有1个特征峰，这一结果与Su等［12］研究的一致。加入增塑剂丙三醇后，SPI薄膜的XRD曲线在19°左右有1个明显的特征峰，但是特征峰的强度明显降低很多，这是由于小分子丙三醇可以渗透到SPI的结晶结构中，从而减弱微晶区的规整结构，导致其结晶结构的破坏。由图3还可以看出，CaSt2粉末的XRD曲线在5°、7°、9°、20°、31°处均有明显的特征峰。

图3 CaSt2粉末、纯SPI粉末及SPI薄膜的XRD曲线Fig.3 XRD patterns for CaSt2powder，pure SPI powder and SPI film

从图4可以看出，改性SPI薄膜在5°～7°之间有2个特征峰，这与CaSt2粉末的XRD曲线相对应，但是衍射峰的强度明显降低，这表明当加入CaSt2后，SPI的晶型发生了改变，这也说明CaSt2与SPI共混可以破坏各自的晶型结构。改性SPI薄膜在18°～20°之间有1个宽峰，这与纯SPI粉末的特征峰相对应，只是衍射峰的强度有所增加，这也验证了上面得到的结论，表明两种物质相容。采用MDI JADA软件对XRD数据进行分析处理，得到纯SPI粉末的结晶度为13.20%，加入增塑剂丙三醇后SPI薄膜的结晶度为11.01%，8%CaSt2改性的SPI薄膜的结晶度为18.76%，结晶强度提高了70.4%。由以上数据可知，结晶度的提高也是薄膜阻水性能提高的原因。结晶度的提高使得薄膜内部的结构更加致密，水分子通过时受到的阻力更大。

图4 SPI薄膜和改性SPI薄膜的XRD曲线Fig.4 XRD patterns for SPI film and modified SPI film

2.3 DSC分析

从图5可以看出，DSC曲线中很难看到明显的玻璃化转变温度（Tg），这一现象与 Wang等［13］的研究一致。纯SPI粉末的熔融流动温度（Tm）约为114.83℃，当温度达到184℃左右会发生氧化放热。加入增塑剂后SPI薄膜的Tm和氧化温度降低，Tm为113.33℃，氧化温度为165℃。改性SPI薄膜的Tm约为104℃。

图5 纯SPI粉末、SPI薄膜及改性SPI薄膜的DSC曲线Fig.5 DSC curves for pure SPI powder，SPI film and modified SPI film

小分子液体丙三醇起到了一种稀释剂的作用，使SPI的分子链比未加入增塑剂前较易活动，使其Tm有一定程度的降低。同时，丙三醇加入到SPI溶液中，使SPI分子链之间的距离有所增加，作用力减弱，链段之间相互运动所产生的摩擦力减弱，使SPI本体中无法相互运动的链能够运动起来，导致Tm降低。由于CaSt2在成膜过程中既有内润滑的作用，又有增塑的作用，使得SPI分子之间的相互作用进一步减弱，致使改性SPI薄膜的Tm进一步降低了10℃，即在SPI塑料加工过程中温度可降低10℃。

2.4 TG分析

由图6（a）可以观察到，从室温到110℃，SPI薄膜的质量损失了5%左右，这是膜中残留水分蒸发导致的质量下降。DTG曲线中出现了几处小峰，但是在TG曲线中并没有明显地显示出来。根据DTG曲线，将SPI薄膜的热失重过程分为4个阶段：第一阶段是从室温到120℃，此阶段是薄膜中残留水分蒸发的过程；第二阶段是从120～220℃，这一阶段是小分子增塑剂丙三醇的挥发；第三阶段是220～304℃，220℃时蛋白质开始热降解，此阶段是蛋白质中氨基酸肽共价键断裂25%；第四阶段是大于304℃，此阶段是蛋白质分子间的S—S、O—N、O—O键的断裂。这一现象和Sun等［14］的研究相似。

图6 SPI薄膜及改性SPI薄膜的TG和DTG曲线Fig.6 TG and DTG curves for SPI film and modified SPI film

从图6（b）可以看出，从室温到140℃，改性SPI薄膜的质量有所降低，这是因为样品中残留的水分所导致的；140～286℃这一阶段是因为丙三醇的挥发所导致；286～380℃这一阶段为部分蛋白质的热降解；高于380℃以后是部分蛋白质和CaSt2的热降解。丙三醇挥发开始温度提高了20℃，蛋白质热降解温度（Td）提高了66℃，表明CaSt2具有一定的热稳定性。

2.5 DMA分析

从图7（a）可以看出，SPI薄膜的热变形温度为86.58℃，模量为6.35×107Pa。其在200℃以后发生了降解，这一结论也与前面得到的结论相一致。从图7（b）可以看出，改性SPI薄膜的tanδ－T曲线中有2个峰，其中较低温度的Tg，1为33.99℃，较高温度的Tg，2为77.94℃。这2个峰的出现表示改性SPI薄膜中存在微相分离的现象。出现微相分离的原因是CaSt2有部分以络合结构存在，在成膜的过程中很难进入到SPI分子网络结构中，因此聚集在一起。富CaSt2区由于其分子较SPI小，而且起到增塑和内润滑的作用，使得此微区SPI链段的运动比富蛋白区更强，所以对应较低的Tg，1，而富蛋白微区对应较高的Tg，2。

图7 SPI薄膜及改性SPI薄膜的DMA曲线Fig.7 DMA curves for SPI film and modified SPI film

2.6 水蒸气透过率和水溶性分析

从图8和图9可以看出，随着CaSt2含量的增加，水蒸气透过系数和水溶性均呈下降趋势，当CaSt2含量为12%时，水蒸气透过系数下降了40%，水溶性下降了14%，表明添加CaSt2能够增强SPI薄膜对水蒸气的阻透性能。这是因为：（1）CaSt2本身含有18碳链，具有疏水性；（2）部分CaSt2可以与SPI的氨基酸残基发生反应，没有发生反应的部分以络合物形式存在，以结晶形态存在SPI聚合物中，从而增加SPI的扭曲并限制了其流动性，进而增加改性SPI薄膜的致密性，增强了改性SPI薄膜的阻水能力；（3）CaSt2以离子形式存在，St－可以和SPI链不同区域中的羟基、亚胺、不同氨基酸中的氨基酸侧链发生反应，增大了相对分子质量，增加了大分子之间相互交联的几率。同时Ca2＋很容易与SPI大分子发生相互作用，与其中的—SH、—COOH、—OH形成稳定的复合物，即难溶于水的蛋白质－盐复合物。

图8 CaSt2含量对改性SPI薄膜水蒸气透过系数的影响Fig.8 Effect of CaSt2content on water vapor permeability of modified SPI film

图9 CaSt2含量对改性SPI薄膜水溶性的影响Fig.9 Effect of CaSt2content on water solubility of modified SPI film

2.7 拉伸强度和断裂伸长率

从图10可以看出，随着CaSt2含量的增加，改性SPI薄膜的拉伸强度先升高后降低；当其含量为4%时，拉伸强度提高了22%；当其含量超过4%时，拉伸强度开始下降。断裂伸长率的变化趋势与拉伸强度相反，当CaSt2含量为12%时，断裂伸长率提高了67.63%。这主要是因为CaSt2在膜液中主要以离子结构存在，St－可以与不同基团反应，例如SPI的氨基酸残基、亚氨基，故而CaSt2可以起到内增塑剂的作用。同时，Ca2＋能够螯合氨基酸支链中带有负电或部分负电的官能团形成离子键，降低了SPI分子间氢键的束缚力，所以当CaSt2含量增加到一定值时，拉伸强度会出现下降的趋势。未参加反应的CaSt2分子可以与非结晶性的蛋白质混合均匀，起到外在增塑剂及润滑剂的作用。CaSt2也是一种内润滑剂，具有减少聚合物分子内摩擦力的作用。

图10 CaSt2含量对改性SPI薄膜拉伸性能的影响Fig.10 Effect of CaSt2content on tensile property of modified SPI film

综合水蒸气透过系数、水溶性、拉伸强度及断裂伸长率的性能测试结果，当CaSt2含量为8%时，改性SPI薄膜的性能最佳，其对水蒸气的阻透性能提高了33%，断裂伸长率提高了34%。

3 结论

（1）在改性SPI薄膜的成膜过程中，CaSt2以离子形式和络合结构两种形式存在，其中离子形式为主体，St－与SPI大分子中氨基酸支链中的官能团发生化学反应，这说明CaSt2改性SPI主要是以化学改性为主；

（2）CaSt2含量为8%时，改性SPI薄膜的结晶度从11.01%提高到18.76%，结晶强度提高了70.4%；Tm降低了10℃，Td提高了66℃，热稳定性增强；CaSt2改性SPI薄膜中出现2个微区，分别是富CaSt2微区和富蛋白质微区；

（3）当CaSt2含量为12%时，改性SPI薄膜的水蒸气阻透能力提高了40%；随着CaSt2含量的增加，改性SPI薄膜的拉伸强度呈现先增加后降低的趋势，而断裂伸长率的变化趋势与之相反；

（4）综合性能测试的结果，CaSt2含量为SPI粉末质量的8%时较适宜。

［1］ Denavi G，Tapia－Blácido D R，Anón M C，et al.Effects of Drying Conditions on Some Physical Properties of Soy Protein Films［J］.Journal of Food Engineering，2009，90：341－349.

［2］ Su Junfeng，Huang Zhen，Yuan Xiaoyan，et al.Structure and Properties of Carboxymethyl Cellulose/Soy Protein Isolate Blend Edible Films Crosslinked by Maillard Reactions［J］.Carbohydrate Polymers，2010，79：145－153.

［3］ Cao N，Fu Y H，He J H.Preparation and Physical Properties of Soy Protein Isolate and Gelatin Composite Films［J］.Food Hydrocolloids，2007，21（7）：1153－1162.

［4］ Mauri A N，Anon M C.Effect of Solution pH on Solubility and Some Structural Properties of Soybean Protein Isolate Films［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2006，86（7）：1064－1072.

［5］ Rhim J W.Increase in Water Vapor Barrier Property of Biopolymer－based Edible Films and Coatings by Compositing with Lipid Materials［J］.Food Science and Biotechnology，2004，13（6）：528－535.

［6］ Anet Rezek Jambrak，Vesna Lelas，Timothy J Mason，et al.Physical Properties of Ultrasound Treated Soy Proteins［J］.Journal of Food Engineering，2009，93：386－393.

［7］ Jong W Rhim，Aristippos Gennadios，Curtis L Weller，et al.Sodium Dodecyl Sulfate Treatment Improves Properties of Cast Films from Soy Protein Isolate［J］.Industrial Crops and Products，2002，15：199－205.

［8］ Chambi H，Grosso C.Edible Films Produced with Gelatin and Casein Cross－linked with Transglutaminase［J］.Food Research International，2006，39：458－466.

［9］ Luis J Gonzalez－Ortiz，Mart Arellano，Carlos F，et al.Thermal Stability of Plasticized Poly（vinyl chloride）Compounds Stabilized with Pre－heated Mixtures of Calcium and/or Zinc Stearates［J］.Polymer Degradation and Stability，2005，90：154－161.

［10］ Benavides R，Edge M，Allen N S.The Mode of Action of Metal Stearate Stabillisers in Poly（vinyl chloride）1：Influence of Preheating on Melt Complexation［J］.Polymer Degradation and Stability，1994，24：375－376.

［11］ Preeti Lodha，Anil N Netravali.Thermal and Mechanical Properties of Environment－friendly Green Plastics from Stearic Acid Modified Soy Protein Isolate［J］.Industrial Crops and Products，2005，21：49－64.

［12］ Su Junfeng，Huang Zhen，Zhao Yinghui，et al.Moisture Sorption and Water Vapor Permeability of Soy Protein Isolate/Poly（vinyl alcohol）/Glycerol Blend Films［J］.Industrial Crops and Products，2010，31：266－276.

［13］ Wang S，Sue H J，Jane J.Effect of Polyhydric Alcohols on the Mechanical Properties of Soy Protein Plastics［J］.Micromol Sci Pure Appl Chem A，1996，33：557－569.

［14］ Sun Shaomin，Song Yihu，Zheng Qiang.Morphologies and Properties of Thermo－molded Biodegradable Plastics Based on Glycerol－plasticized Wheat Gluten［J］.Food Hydrocolloids，2007，21：1005－1013.

Effect of Calcium Stearate on Structure and Properties of Soy Protein Isolate Plastics

BAI Xiaojiao，ZHANG Liye＊
（College of Life Science and Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Film was cast from a mixture of soy protein isolate（SPI）and calcium stearate（CaSt2）containing glycerol as a plasticizer.The structure and properties of the film were investigated using attenuated total reflectance－Fourier transform infrared，X－ray diffraction，thermal properties，tensile testing，and water vapor permeability.The crystallinity of modified SPI film increased by 70.4%，and thus tighter compacted.The thermal analysis indicated that thermal stability of modified SPI film was enhanced.As the concentration of CaSt2was increased，the values of water vapor permeability decreased.When the content of CaSt2was 12%，the water vapor barrier ability increased by 40%；the elongation at break increased by 67.63%.

soy protein isolate；calcium stearate；film；modification

TQ321.4

B

1001－9278（2012）05－0028－07

2011－12－23

＊联系人，liyezhang＠mail.buct.edu.cn

（本文编辑：李 莹）