大豆分离蛋白纸张抗水表面施胶剂制备及性能.docx
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1、大豆分离蛋白纸张抗水表面施胶剂制备及性能马 静1,2,3,陈利维1,2,汪 恒1,张家勇1,向文静1,由耀辉1,2,3*(1.内江师范学院化学化工学院,四川内江641100 ; 2.内江师范学院果类废弃物资源化四川省高等学校重点实验室,四川 内江641100; 3.农业废弃物资源化院士工作站,四川 内江641100)摘要:以大豆分离蛋白(SPI)为原料、烯基琥珀酸酐(ASA)为疏水改性剂,控制ASA与SPI伯氨基的摩尔比 (ASA)加(SPI-NH2)合成了 4种不同酰化度的疏水大豆分离蛋白ASAx-SPI (x表示摩尔比,x=0.5,1,1.5和2)。通过伯氨基含量、FTIR、UV-Vis、
2、荧光光谱、疏水指数对ASAx-SPI的结构和性能进行了表征。结果表明: 长链疏水基团成功引入到SPI骨架上,ASAx-SPI的酰化度和疏水指数随着x的增加而增大,当x达到1.5后趋 于稳定。ASA1.5-SPI的施胶量为0.77 g/m2时,施胶纸的初始水接触角可达132,水滴保留时间可达53 min。XPS和SEM分析结果显示:ASA1.5-SPI在纸纤维表面形成一层粗糙的疏水薄膜。此外,纸张力学性能测试表 明:ASA1.5-SPI施胶纸的抗张强度由未施胶纸的0.6 kN/m提升至0.67 kN/m。关键词:大豆分离蛋白;烯基琥珀酸酐;施胶剂;抗水性;力学性能中图分类号:TS727+.2 文
3、献标识码: A文章编号:1003-5214 (2018) 02-0000-00Preparation and Properties of Soy Isolate Protein Based Wa-ter-resistant Surface Sizing Agents for PapermakingMA Jing1,2,3, CHEN Li-wei1,2, WANG Heng1, ZHANG Jia-yong1, XIANG Wen-jing1, YOU Yao-hui1,2,3*(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Neijiang
4、 Normal University, Neijiang 641100, Sichuan, China; 2.Key Labora-tory of Fruit Waste Treatment and Resource Recycling of Sichuan Provincial Higher Learning Institutes, Neijiang Normal University,Neijiang 641100, Sichuan, China; 3.Academician Workstation of Agricultural Waste Treatment and Resource
5、Recycling, Neijiang641100, Sichuan, China)Abstract: Using soy isolate protein (SPI) as raw material and alkenyl succinic anhydride (ASA) as hydrophobic modifier, four kinds of hydrophobic soy isolate protein (ASASPI, the subscript x represented the molar rate of ASA to primary amino group of SPI, x=
6、0.5, 1, 1.5 and 2) with different acylation degree were prepared through controlling the molar rate of ASA to primary amino group of SPI. The structures and properties of ASASPI were characterized by means of primary amino content, FTIR, UV-Vis, fluorescence spectrum and hydrophobic index. The resul
7、ts indicated that long hydrophobic chain was successfully introduced into the SPI molecular framework, the acylation degree and hydrophobic index of ASASPI increased with x and tended to be stable when x exceeded 1.5. Subsequently, ASA15-SPI was used in surface sizing of paper and the sizing amount
8、was 0.77 g/m 2. It was found that the initial water contact angle of ASA 5-SPI sized paper was 132, the retention time of water drop was 53 min. XPS and SEM analysis revealed that ASA 15-SPI formed a rough hydrophobic layer on paper fiber surface. In addition, mechanical property tests indicated tha
9、t the tensile strength of ASA 15-SPI sized paper was increased from 0.6 kN/m to 0.67 kN/m compared with that of base paper.Key words: soy isolate protein; alkenyl succinic anhydride; sizing agent; water resistance; mechanical propertyFoundation items: National Natural Science Foundation of China (Gr
10、ant No. 21506103), Science and Technology Support Program of Science and Technology Department of Sichuan Province (Grant No.2015GZ0170), and Major Training Program of the Education Department of Sichuan Province (Grant No. 15CZ0026)OT12-C CH C CHNH2 + OC CH2OSPI由于纸张具有多孔结构及富含亲水基团的特 点,导致纸张抗水性能较差,同时纤维
11、之间的物理 交织和氢键作用也很难满足其强度要求1。表面施 胶是提高纸张强度、增加抗水性等的重要方法,具 有胶料留着率高,不造成白水负担等优点。当前常用的合成高分子类表面施胶剂主要包 括苯乙烯-马来酸酐聚合物(SMA)、苯乙烯-丙烯酸酯 聚合物胶乳(SAE)、苯乙烯-丙烯酸聚合物(SAA)及 水溶性聚氨酯(WPU)等2-4,其原料主要来源于石化 材料,存在成本高、不可再生、生物可降解性差等 问题。相比而言,天然高分子类表面施胶剂具有资 源量丰富、可再生、良好生物可降解性等优点,主 要包括淀粉、纤维素、瓜尔胶、壳聚糖、胶原蛋白 等5-12,但目前仅有淀粉类表面施胶剂获得规模化 应用。在造纸行业面临
12、资源与环境压力的当下,开 发新型、价廉、高效的天然高分子类表面施胶剂具 有重要的意义。大豆分离蛋白(SPI)是一种价廉且来源广的植 物蛋白,具有一定成膜性、胶粘性和油脂阻隔性13, 有望用于制备表面施胶剂。但是SPI自身抗水性能 较差,需要对其改性以提高使用性能。Rhimi4等分 别用甲醛和蒙脱土对SPI改性后,用于纸板表面施 胶,虽然能够提高纸板的抗水性,但会导致纸板抗 张强度变差。简超15用海藻酸钠对SPI复配改性, 用于瓦楞纸表面施胶,不仅能够提高瓦楞纸的抗油 性和水汽阻隔性,还有一定的增强作用。这些研究 虽然为开发SPI类表面施胶剂提供有益的借鉴,但 其采用改性工艺(交联或复配)难以有
13、效改善SPI疏 水性能。基于此,本文拟通过烯基琥珀酸酐(ASA)对大 豆分离蛋白(SPI)酰化改性,引入长链疏水基团提高 其疏水性能,并将其应用于纸张表面施胶,系统研 究施胶性能及作用机理,为开发新型天然高分子类 表面施胶剂进行有益的探索。1实验部分1.1试剂与仪器大豆分离蛋白(SPI),工业级,临沂山松生物制 品有限公司;烯基琥珀酸酐(ASA),工业级,山东 晨鸣纸业集团有限公司;8-苯胺-1萘磺酸(ANS), 生物试剂,上海金穗生物科技有限公司;茚三酮, 分析纯,成都市科隆化学品有限公司;纸样,(滤纸 原纸,1001 g/m2),山东华泰纸业股份有限公司; 其余常见化学试剂均为分析纯。UV
14、-2000紫外分光光度计,上海舜宇恒平科学 仪器有限公司;WQF-510A傅立叶变换红外光谱仪, 北京北分瑞利分析仪器公司;F-4600荧光分光光度 计,日本日立公司;JC2000C接触角测量仪,上海 中晨数字技术设备有限公司;VEGA3SBH扫描电 镜,捷克TESCAN公司;Escalab250XiX射线光电 子能谱,美国赛默飞世尔科技公司。1.2 ASA-SPI 的合成称取5 g SPI分散于100 mL蒸馏水中,用1 mol/L的NaOH溶液调pH=910,转移至装有温度 计和搅拌器的250 mL三口烧瓶中,于50 C下保温 10 min。控制 n(ASA)/n(SPI-NH2)分别为
15、0.5、1、1.5 和2 ,采用分批添加的方式以减少ASA的水解作用, 即先滴加一半的ASA ,在50 C条件下反应1 h后, 将剩余的ASA滴添加至体系中,再继续反应1 h , 整个反应过程中控制体系pH为910,反应结束将 体系pH调至近中性,获得一系列改性 SPI(简称 ASAx-SPI,其中x=0.5 , 1 , 1.5和2)。选用截留分 子量为1000的透析袋对改性SPI在蒸馏水中透析24 h以纯化产品,经冷冻干燥后备用。合成路线如 下所示: _O_RlR2pH=910 - SPI NH厂CH一CCH50 r|-o C CH?R1-R2=C6-C10一 般为 C8O1.3 ASA-S
16、PI 的表征酰化度的测定:采用茚三酮比色法测定伯氨基 含量 16, 以磷酸缓冲液(0.5 mol/L ,pH=6.0)为溶剂, 配制茚三酮溶液(5 g/L)月100 mL棕色容量瓶储存 备用,取2 mL已知浓度的蛋白质溶液和1 mL茚三 酮溶液加入干燥的10 mL比色管,混合摇匀,沸水 浴15 min后冷却至常温,加入体积分数40%乙醇溶 液定容到10 mL,以茚三酮作空白参比溶液,于 上570 nm下测定吸光值,利用甘氨酸标准曲线计算出样品中伯氨基含量。酰化度计算公式如下:酰化度=(M0-Mx)/ M0(1)式中:M。和M分别为SPI和ASAx-SPI中伯氨 基含量,mmol/g。FTIR分
17、析:将样品的冻干粉与KBr混合压片, 在4004000 cm -1下测定其红外光谱。荧光光谱分析:以磷酸盐缓冲液(0.01 mol/L, pH=6.8)为溶剂,配制0.5 g/L的样品溶液,以激发 波长人x=280 nm,采样间隔1 nm,狭缝宽度为5 nm , 发射波长Aem范围295 400nm,测定并记录数据。UV-Vis分析:与荧光光谱分析相似,配制0.5 g/L的样品溶液,波长扫描范围为200 320nm。疏水指数的测定:采用8-苯胺-1萘磺酸(ANS) 荧光探针法测定样品疏水指数 17-18 o 用pH=6.8的 0.01 mol/L磷酸缓冲溶液配制成一系列质量浓度为 0.05、0
18、.1、0.3、0.5、1.0 g/L 的样品溶液。分别取 4 mL样品液和40成 浓度为8 mmol/L ANS溶液于比 色管中,充分混匀静置 3 min后,在激发波长Xex=390 nm,发射波长人em=470 nm,狭缝宽度为5 nm的条 件下,测定荧光光度值。以荧光强度对样品质量浓 度作曲线,曲线斜率即为样品的表面疏水指数。1.4纸张表面施胶及性能表面施胶方法:用蒸馏水配制1g/L的施胶液, 采用浸涂法对纸张表面施胶。将滤纸原纸剪成100mmx100 mm尺寸大小,浸渍在施胶液中,20 s后 取出,在其正反两面各覆盖两张吸水纸,用相同尺 寸大小的铁板挤压出多余施胶液,于90 C烘箱中 干
19、燥1.5 h。对施胶前后的纸张称重,计算施胶量约 为 0.77 g/m2。施胶纸接触角测试:将待测纸张剪裁至适当尺 寸,平整的固定在载玻片上,放置于接触角测量仪 样品台,水滴体积5卜L条件下进行接触角测定并记 录相关数据。施胶纸XPS分析:在电压15 kV,电流10 mA 条件下,采用Al Ka (1486.6 eV)作为射线源,测试 环境真空度为2x10-7 Pa,测试样品表面的C、N、O 元素含量及键合状态。施胶纸SEM分析:将样品剪裁成小块,然后 喷金处理,在20 kV扫描电镜下观察样品的形貌。施胶纸力学性能测试:纸张抗张强度测试按照 GB/T 12914-2008的方法测定,纸张表面强
20、度按照 GB/T 22365-2008的方法测定。2结果与讨论2.1酰化度ASA对SPI进行酰化改性,主要是SPI的伯氨 基(NH2)与ASA发生反应,因此,可从ASAx-SPI 的伯氨基含量变化判断改性反应是否有效地进行。 经测定未改性大豆分离蛋白的伯氨基含量为 0.227mmol/g,ASA用量对SPI酰化度的影响如图1 所示。n(ASA)/n(SPI-NHj图1 ASA用量对酰化度的影响Fig.1 Effect of ASA dosage on acylation degree如图 1 所示,当 n(ASA)/n(SPI-NH2)为 0.5、1、 1.5和2时,对应的酰化度分别为0.34
21、、0.40、0.44、 0.45,这表明酰化改性已成功进行,随着 n(ASA)/ n(SPI-NH2)增加,SPI酰化度增大,当 n(ASA)/n(SPI-NH2)超过1.5时,酰化度趋于稳定。 这是因为n(ASA)/n(SPI-NH2)的增加,ASA与SPI 的伯氨基接触机率增大,有利于酰化反应的进行。当n(ASA)/n(SPI-NH2)超过1.5时,已接枝到SPI骨 架上的 ASA残基具有较大的分子尺寸将产生明显 位阻效应,阻碍ASA与SPI的伯氨基进一步接触, 另一方面 ASA残基具有较强的疏水性,将导致 ASA-SPI分子链在水中蜷缩,剩余的伯氨基难以有 效暴露,故而酰化度提升不明显。
22、2.2 FTIR 分析SPI和ASAn-SPI的红外图谱如图2所示。4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Vcm-1图 2 SPI(a)、ASA0.5-SPI(b)、ASA1-SPI(c)、ASA1.5-SPI(d) 和 ASA2-SPI(e)的 FTIR 谱图Fig.2 FTIR spectra of SPI(a), ASA 05-SPI(b), ASA 1-SPI(c),ASA1.5-SPI(d) and ASA 2-SPI(e)如图2所示,在1654 cm-1处是酰胺I带(C=O 的伸缩振动峰)的吸收峰,1535 cm-1处是酰胺II带 (CN伸缩
23、振动峰和NH弯曲振动峰的组合)的吸 收峰;在2925、2854、1452 cm-1处也有吸收峰出现, 分别对应的是亚甲基(CH2)的不对称伸缩振动 峰、对称伸缩振动峰和弯曲振动峰 19-20 o 随着 n(ASA)/n(SPI-NH2)的增加,上述吸收峰的强度显著 增强,这一现象进一步证实了酰化反应成功进行, 在SPI骨架上生成新的酰胺键(NHCO),并且 引入大量的烷基链。2.3荧光光谱分析SPI存在色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸残基,它 们含有苯环结构或共轭双键,所以SPI具有内源荧 光特性,其中又以色氨酸的荧光强度最显著21 o SPI 和ASAx-SPI的荧光图谱如图3所示。如图3所示,随着
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