利用醇类溶剂制备含天然纤维素的玉米醇溶蛋白混合物的方法

摘要

本发明公开了利用醇类溶剂制备含天然纤维素的玉米醇溶蛋白混合物的方法。该方法先室温下，将Zein加入醇类水溶液中，搅拌溶解，制得Zein质量百分比为（2～15）wt%的均一溶液A；然后将Cellulose置于‐12℃～‐13℃的含（6～8）%NaOH和(10～14)wt%Urea的水溶液中，溶解，制得Cellulose质量百分比为(0.2～8)wt%的均一溶液B；将均一溶液A加入溶液B中，控制Zein与Cellulose干重比为10:1～2:1，Zein和Cellulose占混合溶液质量的（1.5～5）%，混溶，即得均一、稳定的混合溶液或凝胶。该混合溶液或凝胶制成膜可用于制药、食品等行业。

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然纤维素和玉米醇溶蛋白混合物，特别是涉及一种利用醇类溶剂制 备含天然纤维素的玉米醇溶蛋白混合物的方法。

背景技术

玉米醇溶蛋白（Zein）属于蛋白质的一种，是玉米加工产业中的一个副产物。Zein的分 子量一般在25000～45000之间，它含有丰富的谷氨酸（21～26％），亮氨酸（20％），脯氨酸 （10％），丙胺酸（10％），缺乏一些碱性和酸性氨基酸，如赖氨酸、天冬氨酸和色氨酸， 作为食物供给时不能保证氮平衡，高比例的非极性氨基酸存在及碱性和酸性氨基酸的缺乏 对它的溶解性质也有影响。同时，Zein还含有较多的含硫氨基酸，故Zein需要在一定的pH 值中才能溶于含水的醇溶液中，且Zein在低浓度的盐溶液中就会沉淀。Zein不溶于无水醇 类，但可溶于60%～95%的醇类水溶液中，还可以溶于强碱(pH值>11.5)、十二烷基硫酸钠 (SDS)高浓度尿素及丙二醇和醋酸等有机溶剂。

玉米醇溶蛋白具有良好的成膜特性，所成膜具有一定韧性，而且光滑、耐水、耐油、 防腐等特性，在特种食品、医药和生物降解塑料领域有着良好的潜在应用前景，具有重大 的商业价值。因此，近年Zein成为科学研究的一个焦点，对于Zein的各种改性层出不穷。

纤维素（Cellulose）是由葡萄糖分子通过β‐1,4‐糖苷键连接而形成的葡聚糖。通常含数 千个葡萄糖单位，是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一 种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来 源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。

纤维素的特性主要包括三方面：（1）溶解性：常温下，纤维素既不溶于水，又不溶于 一般的有机溶剂，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。它也不溶于稀碱溶液中。因此，在常温下， 它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键作用；（2）纤维素水解：在一定条件 下，纤维素与水发生反应。反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短 链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖；（3）纤维素氧化：纤维素与氧化剂发生化学反 应，生成一系列与原来纤维素结构不同的物质，这样的反应过程，称为纤维素氧化。

由以上纤维素的三个特性可看出，纤维素很难溶解于一般溶剂，但是可溶于以下溶液 体系：（1）NaOH/CS₂溶剂体系：这种传统方法生产黏胶需要使用CS₂，会对环境造成较严 重的污染，而且黏胶的生产工艺经过化学变化，纤维中含有有害物质，用这种方法生产再 生纤维素在发达国家已经被淘汰；（2）铜氨（氢氧化铜的氨水溶液）溶液：铜氨溶剂的缺 点是不稳定，对氧和空气非常敏感。溶解过程中倘若有氧的存在，会使纤维素发生剧烈的 氧化降解，损害产品的质量；（3）胺氧化合物系列：以N‐甲基吗啉‐N‐氧化物(NMMO)为例， NMMO极易被氧化，甚至会发生爆炸，在储存和生产中存在一定的危险性。另外，NMMO 价格昂贵，必须使其回收率高于99.5％以上方具有经济价值，所得到的纤维价格居高不下； （4）NaOH/Urea水溶液体系：NaOH/Urea水溶液对纤维素的溶解只能在低温下进行，因 为温度越低，碱液对纤维素的溶胀作用越大，不但在结晶区之间，而且在结晶区内部也发 生溶胀。纤维素和氢氧化钠进行反应，反应式如下：

[C₆H₇O₂(OH)₃·NaOH]N→[C₆H₇O₂(OH)₂ONa]N+H₂O

生成的[C₆H₇O₂(OH)₃·NaOH]N和[C₆H₇O₂(OH)₂ONa]N之间可以互相转化。温度越低，纤 维素钠[C₆H₇O₂(OH)₂ONa]N越易电离，所以纤维素在低温下容易溶解。此外，碱液还可以破 坏纤维素分子间氢键，尿素在碱液中可以破坏分子内氢键，所以尿素的加入有利于促进纤 维素的溶解。

由上述可知，Zein具有较强的疏水性，可以溶于一定浓度的乙醇水溶液，而Cellulose 亲水性较强，可溶于一定浓度体系的NaOH/Urea水溶液体系，所以将两者均匀混合到一起 难度较大。有相关文献将微晶纤维素分散到Zein溶液里，从而形成共混物，两者并没有形 成溶液。因此，如何将Zein和Cellulose溶于一个体系成为均一、稳定的溶液，成为将二者 充分利用的前提条件。

公开号为CN101168602A中国发明专利申请利用NaOH/Urea水溶液体系制备出含有少 量玉米蛋白的混合溶液，该申请所用的玉米蛋白和纤维素的重量比是5:5～0.5:9.5，是用少 量的玉米蛋白来制备纤维素复合膜。且该技术认为，玉米蛋白和纤维素的重量比高于5:5 时很难形成膜，即使在玉米蛋白和纤维素的重量比为5:5时已经很难成膜；CN101168602A 制备出的膜具有良好的热稳定性、机械性能，以及生物相容性，两种混合物之间存在比较 稳定的氢键作用，但是由于其纤维素含量较多，其降解性能较差，难以在医药领域中应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术Zein和Cellulose的质量比高于1:1时很难成膜以及Zein 含量相对较高时Zein和Cellulose难以形成混合物的难题，提供一种比较容易形成均一、稳 定的溶液或凝胶，可以用于医药领域的含天然纤维素的玉米醇溶蛋白混合物的方法。

本发明所用玉米蛋白和纤维素的重量比是10:1～2:1，是用纤维素制备玉米蛋白混合物； 本发明利用醇类水溶液制备玉米蛋白和纤维素的混合溶液或凝胶，当醇类水溶液加入量较 少时，混合体系形成凝胶，随着醇类水溶液加入量的增加，混合体系形成均匀的混合溶液， 且粘度不断降低；Zein的疏水性能较好，Cellulose疏水性能较差，本发明的Zein含量较高， Cellulose只是用来改性Zein，制成的Zein膜可用于医药、食品等领域。

本发明目的通过如下技术方案实现：

利用醇类溶剂制备含天然纤维素的玉米醇溶蛋白混合物的方法，包括如下步骤：

（1）Zein的醇类溶液的制备：室温下，将Zein加入醇类水溶液中，搅拌溶解，制得 Zein质量百分比为（2～15）wt%的均一溶液A；所述醇类水溶液的醇的体积百分比含量为 65～90%，所述醇类水溶液的醇为可溶解Zein醇类；

（2）Cellulose溶液的制备：将Cellulose置于‐12℃～‐13℃的含（6～8）%NaOH和(10～14)wt %Urea的水溶液中，在（400～800）r/min搅拌的条件下溶解，制得Cellulose质量百分比为 (0.2～8)wt%的均一溶液B；

（3）混合溶液或凝胶的制备：将均一溶液A加入溶液B中，控制Zein与Cellulose干 重比为10:1～2:1，Zein和Cellulose占混合溶液质量的（1.5～5）%，在（400～800）r/min搅 拌条件下混溶，即得均一、稳定的混合溶液或凝胶。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述醇类溶剂的醇为乙醇、异丙醇或丙二醇。步 骤（1）中均一溶液A中Zein的质量百分比为（5～10）wt%。步骤（1）所述搅拌的速度为 （400～800）r/min。步骤（3）混合溶液或凝胶中，按干重比Zein:Cellulose为10:1～5:1，Zein 和Cellulose占混合溶液质量的3～5%。步骤（3）所述将溶液A加入溶液B中的速度是 10～50ml/min。

当将Zein溶于醇类溶剂时，所形成的溶液不是透明溶液，即溶液中的Zein有相当的量 是以胶体的形式存在。（1）当Zein溶液中所用的醇类溶剂较少时，Zein的胶体浓度基本达 到饱和状态，但是还没有Zein晶体析出，当向Cellulose溶液中加入Zein溶液时，相当于 Zein溶液中的醇类被稀释，浓度降低，溶质Zein以晶体的形式大量析出，并且Zein分子之 间相互联接或者与纤维素大分子联接，将纤维素，水分，尿素，乙醇等物质包裹起来，形 成凝胶。其中Cellulose在混合溶液中的溶解度也会因Zein溶液的加入而降低，从而使体系 粘度进一步加大；（2）当Zein溶液中所用的醇类溶剂较多时，Zein的胶体浓度远未达到饱 和状态，当向Cellulose溶液中加入Zein溶液时，Zein的溶解度会降低，Zein分子在混合溶 液中会形成更多的胶体，同时部分已经形成的胶体会部分析出，这样体系的粘度变大，但 是还不至于有晶体析出或晶体析出较少，即达不到形成凝胶的程度。其中Cellulose在混合 溶液中的溶解度也会因Zein溶液的加入而降低，从而使体系粘度进一步加大；（3）当Zein 溶液中所用的醇类溶液进一步增多时，Zein在混合溶液中的溶解度降低有限，而Cellulose 的用量较少，且Cellulose溶液量较大，所以虽然Cellulose的溶解度降低可能较大，但是不 至于使混合溶液里的Zein和Cellulose以晶体的形式析出，从而使混合溶液的粘度较（2） 比起来进一步降低。

现有技术（公开号为CN101168602A中国发明专利申请）的玉米蛋白和纤维素的重量 比是5:5～0.5:9.5成膜，是由于纤维素的成膜性能较好，韧性和机械强度较大，少量玉米蛋 白的加入可以增强纤维素膜的疏水性能、热稳定性和生物相容性。当玉米蛋白的含量高于 5:5时，就很难成膜，是由于Zein的脆性较高，形成的膜很容易断裂。特别是CN101168602A 为代表的现有技术认为：玉米蛋白和纤维素的重量比高于5:5时很难形成膜，即使在玉米 蛋白和纤维素的重量比为5:5时已经很难成膜。本发明利用反溶剂法（如乙醇），使Zein析 出晶体或者形成更多胶体，增强Cellulose和Zein的联结性，从而形成均一、稳定的溶液或 凝胶，为进一步扩大Zein的应用打下基础。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)本发明利用反溶剂法（如乙醇），使Zein析出晶体或者形成更多胶体，增强Cellulose 和Zein的联结性，从而形成均一、稳定的溶液或凝胶，为进一步扩大Zein的应用打下基础。 从所用溶剂来看，醇类是比较环保且易得的物质，以乙醇为例，对人体基本无伤害，且在 后续处理中蒸发较快，能够从溶液中较快除去，使其无残留。

(2)从制备过程来看，分为三步，且每一步操作简单、易行。

(3)从化学过程来看，可以实现利用Cellulose来改性Zein，增强其机械性能、亲水性 能等，进一步拓宽蛋白质的应用领域。

(4)从应用前景来看，制备出含有Cellulose的Zein的混合溶液，可直接或通过进一步 改性，将Zein的混合物用于医药和食品行业。在医药行业，Zein可用于药物的缓控释，明 显提高药物在人体中的药效期；可用作基因靶向药物，增强药物的治疗效果；用作于制作 温度响应、pH响应的药物载体，使药物在不同的酸碱部位有选择性的释放，具有较强的针 对性治疗效果。在食品行业，可用作食品包装，通过化学或者物理改性，提高Zein膜的阻 氧阻水蒸气性能、机械性能等，从而延长食物的有效期；可用作食品的添加剂，提高食品 的鲜艳度等。

(5)从降解过程来看，Zein和Cellulose都是可生物降解，对环境无任何污染。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步介绍，但需要说明的是，本发 明所要求的保护的范围并不局限于下面实施例所表述的范围。

实施例1

第一步：用量筒量取8ml的无水乙醇，倒入100ml烧杯中，再量取2ml高纯水倒入该 烧杯中，搅拌均匀。称取0.8g Zein倒入该烧杯中，以400r/min的搅拌速度使其在室温条件 下溶解，制得均一溶液A。

第二步：用天平量取4.5gNaOH，再称取6g尿素，二者加入同一烧杯中，然后量取39.5ml 的高纯水倒入该烧杯中，搅拌溶解至澄清溶液，无物体颗粒存在。然后将该烧杯放入冰箱 中，降温至‐13℃，取出。称取0.8gCellulose，倒入该烧杯中，以400r/min的速度搅拌溶解， 直至得到澄清均一溶液B。

第三步：在400r/min的搅拌速度下，将均一溶液A按10ml/min的滴加速度倒入均一 溶液B中，得到均一、热稳定性好的凝胶体系。

将该凝胶用涂膜器均匀铺在透明玻璃板上，可以观察到该凝胶在各个点处的透明度基 本一致，均一性较好；将该凝胶置于烧杯中加热到60℃时，凝胶的外观和粘度无显著变化， 热稳定性好。

实施例2

第一步：用量筒量取22.5ml的无水乙醇，倒入100ml烧杯中，再量取2.5ml高纯水倒 入该烧杯中，搅拌均匀。称取1.0g Zein倒入该烧杯中，以600r/min的搅拌速度使其在室温 条件下溶解，制得均一溶液A。

第二步：用天平量取3.5gNaOH，再称取6g尿素，二者加入同一烧杯中，然后量取40.5ml 的高纯水倒入该烧杯中，搅拌溶解至澄清溶液，无物体颗粒存在。然后将该烧杯放入冰箱 中，降温至‐12℃，取出。称取0.6gCellulose，倒入该烧杯中，以600r/min的速度搅拌溶解， 直至得到较为澄清的均一溶液B。

第三步：在600r/min的搅拌速度下，将均一溶液A按25ml/min倒入均一溶液B中， 会得到均一、稳定、粘度较大的溶液体系。

将该溶液置于1cm比色皿中，观察到整个溶液的颜色深浅程度一致，比较均一；将该 比色皿在室温条件下放置28天，溶液中无明显沉淀或者分层的现象产生，整个体系的稳定 度很好；在15℃的条件下，用1835型乌氏粘度计测定该溶液粘度，在直径为0.5mm的毛 细管中的通过时间为3650秒，体系粘度很大。

实施例3

第一步：用量筒量取24.5ml的无水乙醇，倒入100ml烧杯中，再量取10.5ml高纯水倒 入该烧杯中，搅拌均匀。称取1.0g Zein倒入该烧杯中，以800r/min的搅拌速度使其在室温 条件下溶解，制得均一溶液A。

第二步：用天平量取4.5gNaOH，再称取6g尿素，二者加入同一烧杯中，然后量取39.5ml 的高纯水倒入该烧杯中，搅拌溶解至澄清溶液，无物体颗粒存在。然后将该烧杯放入冰箱 中，降温至‐13℃，取出。称取0.4gCellulose，倒入该烧杯中，以800r/min的速度搅拌溶解， 直至得到较为澄清的，均一溶液B。

第三步：在800r/min的搅拌速度下，将均一溶液A按35ml/min倒入均一溶液B中， 会得到均一、比较稳定、粘度较实施例2小的溶液体系。

将该溶液置于1cm比色皿中，观察到整个溶液的颜色深浅程度一致，比较均一；将该 比色皿在室温条件下放置18个小时，溶液中无明显沉淀或者分层的现象产生，超过18个 小时，体系有分层现象产生；在15℃的条件下，用1835型乌氏粘度计测定该溶液粘度， 在直径为0.5mm的毛细管中的通过时间为2040秒，体系粘度较大。

在本实施例中，在其制备过程中，有较多的小气泡生成，固应先离心去泡或者静置去 泡。并且由于其粘度相对较低，固可考虑先将其改性。