一种小麦面筋蛋白生物质泡沫及其制备方法与流程

1.本发明属于泡沫制备技术领域，具体涉及一种小麦面筋蛋白生物质泡沫及其制备方法。


背景技术：

2.大多数聚合物泡沫(聚氨酯(pur)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯(pe))是由化石原料制成的，由于其可根据具体需求(如柔软度、密度和强度)进行调整，生产成本低廉，使得合成聚合物泡沫用途广泛。然而，在庞大需求和火暴市场的背后，却是以牺牲环境和资源为代价，出于可持续发展的原因，人们强烈希望开发基于可再生资源的新型泡沫材料，这些可再生资源来自大规模的林业或农业原料，特别是天然的高分子多糖聚合物(例如纤维素、淀粉、藻酸盐、果胶、壳聚糖)和蛋白质(例如胶原、明胶、玉米、大豆、小麦面筋蛋白)，具体如下：
3.(1)合成聚合物或非生物泡沫制备：公开号为cn107337867a的发明专利公开了一种防火保温聚苯乙烯泡沫的制备方法，该方法通过制备聚苯乙烯泡沫珠粒，再将其预发泡和熟化，让阻燃剂包覆聚苯乙烯泡沫颗粒，进行蒸汽发泡得到防火聚苯乙烯泡沫；公开号为cn112063157a的发明专利公开了一种高阻燃聚氨酯泡沫保温材料的制备工艺，该工艺向制备的聚氨酯半成品中加入有机无机填料、多聚甲醛和氢氧化钠混合制备的保温树脂、发泡剂、稳定剂和交联剂高温混合冷却再发泡熟化，得到高阻燃聚氨酯泡沫；公开号为cn107383297a的发明专利公开了一种三聚氰胺泡沫的生产工艺，该工艺首先通过用三聚氰胺制备专用发泡树脂，再加入成核剂和发泡剂，进行远红外辐射高温加热和高温热压得到三聚氰胺泡沫塑料。
4.(2)生物泡沫制备：公开号为cn109135303a的发明专利公开了一种纳米纤维素增强大豆油基泡沫塑料的制备方法，该方法主要是通过水相和油相混合的微粒乳化法制备大豆油基泡沫塑料。公开号为cn111432853a的发明专利公开了一种交联的蛋白质泡沫及其使用多用途细胞支架的方法，该方法主要是用明胶等可交联蛋白质与转谷氨酰胺酶等交联剂在受损皮肤原位交联形成一种泡沫型组合物，并直接在缺损部位处附着至组织。公开号为cn110104628a的发明专利公开了一种高强度生物质基泡沫炭的制备方法。该方法主要以富含胱氨酸的猪毛为原料，通过酸、碱处理及混合酵母液、面粉以及金属盐溶液得到面粉糊，发泡后在一氧化碳氛围下炭化得到泡沫炭粗品，再将泡沫炭粗品进行氧化处理，最终得到高强度生物质基泡沫炭。公开号为cn112358659a的发明专利一种多糖纳米纤丝增强的阻燃淀粉复合泡沫的制备方法，该方法将多糖纳米纤丝悬浮液与糊化淀粉溶液进行混合后冷冻，再经过真空冷冻干燥得到增强淀粉复合泡沫。
5.(3)小麦面筋蛋白(或称为谷朊粉)：公开号为cn109529788a的中国专利文献公开了一种利用谷朊粉制备多孔谷朊粉高分子纳米材料的方法，该方法采用酸溶液作为固化剂使谷朊粉溶液凝固，然后通过冷冻干燥来制备多孔材料，该多孔材料主要是用于吸附，且固化成型涉及到盐酸/硫酸溶液的使用，其他关于小麦面筋蛋白泡沫/多孔材料的专利未见报
道。
6.基于上述合成聚合物泡沫材料存在以下缺点：合成聚合材料制备的泡沫不可降解，而且在生产过程中产生温室气体，并且其废弃物难以处理或回收，大部分通过焚烧、填埋等手段处理造成环境污染，对于寿命较长废物来说，使用垃圾填埋是一种不可持续的做法。
7.可再生资源生产的生物泡沫通常是可生物降解的和无毒的，相比于石油基泡沫更具有价格竞争力，特别是考虑到石油基泡沫的回收处理成本方面。现有的生物基泡沫原料主要有天然的高分子多糖聚合物(例如纤维素、淀粉、壳聚糖)和蛋白质聚合物(例如胶原、明胶、玉米、大豆、小麦面筋蛋白)，相比来讲，小麦面筋蛋白是一种小麦淀粉和乙醇工业的加工副产物，更廉价易得。而目前仅有用小麦面筋蛋白(谷朊粉)制备成多孔吸附材料，且制备方法采用酸固化，不环保，目前还没有用小麦面筋蛋白材料制备成泡沫的产品。


技术实现要素：

8.本发明旨在解决上述问题，提供了一种小麦面筋蛋白生物质泡沫及其制备方法，其原料易得，产品环保、可生物降解、成本低。
9.按照本发明的技术方案，所述小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，包括以下步骤，
10.s1：将小麦面筋蛋白粉分散到水中，得到小麦面筋蛋白分散液，调节ph至10
‑
12；
11.s2：向s1中调节ph后的小麦面筋蛋白分散液中加入增塑剂并混合均匀；
12.s3：将s2所得分散液加热发泡后冷却；
13.s4：向s3所得发泡后的分散液中加入交联剂，混合均匀，冷冻干燥制得所述小麦面筋蛋白生物质泡沫。
14.在酸或碱的分散作用下，小麦面筋蛋白的溶解程度会增加，小麦面筋蛋白的两种主要成分麦醇溶蛋白的等电点为ph 6.4
‑
7.1，麦谷蛋白的等电点为ph6
‑
8，在等电点处，蛋白质分子正负电荷达到平衡，净电荷数量为零，无静电斥力作用，蛋白质分子发生沉淀，所以要让小麦面筋蛋白溶解，那么溶液的ph就应该偏离其等电点处的ph。在碱性条件下，蛋白质的亚基发生解离，分子变性，处于分子内部的疏水基团、巯基暴露出来，蛋白质分子通过疏水键、二硫键的结合，形成立体网络结构，通过调节溶液ph到10
‑
12，从而让小麦面筋在溶液中可以溶解分散开来。
15.进一步的，所述步骤s1中，小麦面筋蛋白分散液的质量百分比浓度为12
‑
16％。低浓度制备的泡沫过于脆弱或者都不能成型，而高浓度会产生密度过大的材料，形成的泡沫过于致密，硬度过大孔隙率低。
16.进一步的，ph调节通过加入氢氧化钠溶液实现，氢氧化钠溶液的浓度为1
‑
1.5mol/l，具体的，可以通过室温(22
‑
28℃，下同)下用去离子水溶解氢氧化钠固体配制。
17.具体的，步骤s1的具体操作如下：在室温下将小麦面筋蛋白粉加入到水中搅拌，得到小麦面筋蛋白分散液；加入浓度为1
‑
1.5mol/l的氢氧化钠溶液调节小麦面筋蛋白分散液的ph至10
‑
12，磁力搅拌10
‑
15min后，再加入去离子水使得小麦面筋蛋白粉的质量百分比浓度为12
‑
16％。
18.进一步的，所述增塑剂为甘油、乙二醇、丙二醇和聚乙二醇200中的一种或多种。
19.进一步的，所述增塑剂的质量为小麦面筋蛋白粉质量的10
‑
20％。增塑剂浓度过低达不到增塑效果，泡沫仍然具有较大的刚性和脆性，而过高浓度的增塑剂严重降低蛋白质大分子之间的相互作用，软化泡沫的刚性结构，造成大分子间更加容易滑脱，泡沫的骨架结构变得柔软回缩，造成强度的降低。
20.进一步的，所述交联剂为京尼平、戊二醛和乙二醛中的一种或多种。
21.进一步的，所述交联剂的质量为小麦面筋蛋白粉质量的1
‑
5％。交联剂与蛋白质反应交联聚合，从而改善泡沫的机械性能和调整泡沫的在水中的机械完整性与稳定性。交联剂过低起不到应有的交联效果，泡沫的机械性能得不到有效改善，浓度过高交联过度，分散液表观黏稠度增加，会形成过于致密的泡沫，孔隙率低。
22.进一步的，所述步骤s3中加热的温度为60
‑
90℃。
23.具体的，步骤s3的具体操作如下：将步骤s2所得分散液的烧杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至60
‑
90℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以9000
‑
11000rpm的速度将分散液均质化并发泡；达到设置温度(60
‑
90℃)后，将烧杯从油浴锅中取出放入冷水浴中冷却后。
24.进一步的，所述步骤s4中冷冻干燥前先进行预冷冻。
25.进一步的，所述步骤s4中的冷冻干燥在真空中进行。
26.具体的，步骤s4的具体操作如下：向s3所得分散液中加入交联剂(京尼平、戊二醛和乙二醛中的一种或多种)，使用高速匀浆机以9000
‑
11000rpm的速度均化/混合8
‑
10min，搅拌后将分散液置于模具中，在
‑
25℃至
‑
60℃的温度下预冷冻8
‑
12h，真空冷冻干燥48
‑
72h得到所述小麦面筋蛋白生物质泡沫。
27.本发明的另一方面提供了上述任一制备方法制得的小麦面筋蛋白生物质泡沫。
28.本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
29.1、小麦面筋蛋白是生产淀粉和乙醇得到的加工副产物，廉价易得，产量丰富，本发明根据小麦面筋蛋白的结构特点，提出了制备小麦面筋蛋白生物质泡沫的新技术，为充分利用小麦面筋蛋白，提高其附加值，开辟了新的方向，具有广阔的应用前景；
30.2、制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫是绿色可再生资源，可生物降解、无毒、生物相容性好，有应用在生物支架、伤口敷料的潜力；
31.3、小麦面筋蛋白生物质泡沫中的开孔结构导致了其对极性液体的快速和较高的吸收，在水中，泡沫可以像海绵一样，将水反复挤出和吸收，适合作为海绵/吸收材料。
附图说明
32.图1为实施例1制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图。
33.图2为实施例2制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图。
34.图3为实施例3制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图。
35.图4为实施例4制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图。
36.图5为实施例1制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫吸水及按压后复吸水的结果图：(a)泡沫吸水前，(b)泡沫在水中浸泡10分钟后，(c)按压泡沫将水挤出，(d)泡沫按压后，(e)按压后的泡沫浸入水中10秒后取出的状态。
37.图6为实施例2制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫吸水及按压后复吸水的结果图：
(a)泡沫吸水前，(b)泡沫在水中浸泡10分钟后，(c)按压泡沫将水挤出，(d)泡沫按压后，(e)按压后的泡沫浸入水中10秒后取出的状态。
38.图7为实施例3制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫吸水及按压后复吸水的结果图：(a)泡沫吸水前，(b)泡沫在水中浸泡10分钟后，(c)按压泡沫将水挤出，(d)泡沫按压后，(e)按压后的泡沫浸入水中10秒后取出的状态。
39.图8为实施例4制备的小麦面筋蛋白生物质泡沫吸水及按压后复吸水的结果图：(a)泡沫吸水前，(b)泡沫在水中浸泡10分钟后，(c)按压泡沫将水挤出，(d)泡沫按压后，(e)按压后的泡沫浸入水中10秒后取出的状态。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
41.实施例1
42.一种小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，具体步骤如下：
43.1、将10g小麦面筋蛋白粉加入50ml去离子水中，磁力搅拌下用1mol/l的氢氧化钠溶液调节分散液的ph为11，继续搅拌约10min后，再加入一定量的去离子水来调节小麦面筋蛋白粉的质量百分比浓度，根据氢氧化钠溶液的加入量，使两次加入的去离子水体积和加入的氢氧化钠溶液的体积之和为60ml；
44.2、将2.5g甘油加入到小麦面筋蛋白分散液中，混合均匀后，将混合分散液的烧杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至62℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以9500rpm的速度将分散液均质化并发泡到最大后取出放入冷水浴中冷却至室温；
45.3、然后将质量为小麦面筋蛋白粉5％的戊二醛加入到发泡后的分散液中，使用高速匀浆机均再搅拌10min；
46.4、然后将分散液倒入模具中，在
‑
60℃的温度下预冷冻10h，真空冷冻干燥56h得到小麦面筋蛋白生物质泡沫。
47.所得小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图如图1所示，吸水及按压后复吸水的结果如图5所示，可以看出其可以像海绵一样，将水反复挤出和吸收。
48.实施例2
49.一种小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，具体步骤如下：
50.1、将10g小麦面筋蛋白粉加入50ml去离子水中，磁力搅拌下用1mol/l的氢氧化钠溶液调节分散液的ph为11，继续搅拌约10min后，再加入一定量的去离子水来调节小麦面筋蛋白粉的质量百分比浓度，根据氢氧化钠溶液的加入量，使两次加入的去离子水体积和加入的氢氧化钠溶液的体积之和为60ml；
51.2、将2.5g甘油加入到小麦面筋蛋白分散液中，混合均匀后，将混合分散液的烧杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至85℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以10000rpm的速度将分散液均质化并发泡，达到设置温度后取出放入冷水浴中冷却至室温；
52.3、然后将质量为小麦面筋蛋白粉1％的戊二醛加入到发泡后的分散液中，使用高速匀浆机均再搅拌8min；
53.4、然后将分散液倒入模具中，在
‑
25℃的温度下预冷冻12h，真空冷冻干燥48h得到
小麦面筋蛋白生物质泡沫。
54.所得小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图如图2所示，吸水及按压后复吸水的结果如图6所示，可以看出其可以像海绵一样，将水反复挤出和吸收。
55.实施例3
56.一种小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，具体步骤如下：
57.1、将10g小麦面筋蛋白粉加入50ml去离子水中，磁力搅拌下用1mol/l的氢氧化钠溶液调节分散液的ph为11，继续搅拌约10min后，再加入一定量的去离子水来调节小麦面筋蛋白粉的质量百分比浓度，根据氢氧化钠溶液的加入量，使两次加入的去离子水体积和加入的氢氧化钠溶液的体积之和为60ml；
58.2、将2.5g甘油加入到小麦面筋蛋白分散液中，混合均匀后，将混合分散液的烧杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至85℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以10000rpm的速度将分散液均质化并发泡，达到设置温度后取出放入冷水浴中冷却至室温；
59.3、然后将质量为小麦面筋蛋白粉3％的戊二醛加入到发泡后的分散液中，使用高速匀浆机均再搅拌9min；
60.4、然后将分散液倒入模具中，在
‑
59℃的温度下预冷冻12h，真空冷冻干燥48h得到小麦面筋蛋白生物质泡沫。
61.所得小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图如图3所示，吸水及按压后复吸水的结果如图7所示，可以看出其可以像海绵一样，将水反复挤出和吸收。
62.实施例4
63.一种小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，具体步骤如下：
64.1、将10g小麦面筋蛋白粉加入50ml去离子水中，磁力搅拌下用1mol/l的氢氧化钠溶液调节分散液的ph为11，继续搅拌约15min后，再加入一定量的去离子水来调节小麦面筋蛋白粉的质量百分比浓度，根据氢氧化钠溶液的加入量，使两次加入的去离子水体积和加入的氢氧化钠溶液的体积之和为60ml；
65.2、将2.5g甘油加入到小麦面筋蛋白分散液中，混合均匀后，将混合分散液的烧杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至90℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以9500rpm的速度将分散液均质化并发泡，达到设置温度后取出放入冷水浴中冷却至室温；
66.3、然后将质量为小麦面筋蛋白粉粉3％的戊二醛加入到发泡后的分散液中，使用高速匀浆机均再搅拌10min；
67.4、然后将分散液倒入模具中，在
‑
56℃的温度下预冷冻10h，真空冷冻干燥56h得到小麦面筋蛋白生物质泡沫。
68.所得小麦面筋蛋白生物质泡沫的扫描电镜图如图4所示，吸水及按压后复吸水的结果如图8所示，可以看出其可以像海绵一样，将水反复挤出和吸收。
69.实施例5
70.一种小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，具体步骤如下：
71.1、将10g小麦面筋蛋白粉加入50ml去离子水中，磁力搅拌下用1.2mol/l的氢氧化钠溶液调节分散液的ph为10，继续搅拌约15min后，再加入去离子水使得小麦面筋蛋白粉分散液的质量百分比浓度为12％；
72.2、将1.8g乙二醇加入到小麦面筋蛋白分散液中，混合均匀后，将混合分散液的烧
杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至75℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以11000rpm的速度将分散液均质化并发泡，达到设置温度后取出放入冷水浴中冷却至室温；
73.3、然后将质量为小麦面筋蛋白粉3％的戊二醛加入到发泡后的分散液中，使用高速匀浆机均再搅拌10min；
74.4、然后将分散液倒入模具中，在
‑
25℃的温度下预冷冻12h，真空冷冻干燥72h得到小麦面筋蛋白生物质泡沫。
75.实施例6
76.一种小麦面筋蛋白生物质泡沫的制备方法，具体步骤如下：
77.1、将10g小麦面筋蛋白粉加入50ml去离子水中，磁力搅拌下用1.5mol/l的氢氧化钠溶液调节分散液的ph为10，继续搅拌约15min后，再加入去离子水使得小麦面筋蛋白粉分散液的质量百分比浓度为16％；
78.2、将1.2g乙二醇加入到小麦面筋蛋白分散液中，混合均匀后，将混合分散液的烧杯浸入硅油浴中，油浴加热分散液温度至60℃，在此加热过程中，使用高速匀浆机以11000rpm的速度将分散液均质化并发泡，达到设置温度后取出放入冷水浴中冷却至室温；
79.3、然后将质量为小麦面筋蛋白粉3％的戊二醛加入到发泡后的分散液中，使用高速匀浆机均再搅拌10min；
80.4、然后将分散液倒入模具中，在
‑
45℃的温度下预冷冻8h，真空冷冻干燥48h得到小麦面筋蛋白生物质泡沫。
81.实施例7
‑
10
82.在实施例1的基础上，将甘油分别替换为乙二醇、丙二醇、聚乙二醇200以及甘油和乙二醇的混合物。
83.实施例11
‑
13
84.在实施例1的基础上，将戊二醛分别替换为京尼平、乙二醛以及乙二醛与戊二醛的混合物。
85.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。