專利名稱：：一種接枝改性蛋白質的制備方法及其應用的制作方法
技術領域：
：一種接枝改性蛋白質的制備方法及其應用，本發明涉及一種蛋白質的接枝改性方法，尤其涉及將氨基封端的功能性聚合物長鏈接枝到蛋白質上，以改變各種功能性如水溶性，表面荷電性和生物相容性等。接枝親水性氨基封端聚合物的接枝改性蛋白質具有優良的水溶性和乳化性，適用于作為乳化劑。屬于接枝改性
技術領域：
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背景技術：
：作為一種新型的生物可降解高分子材料，近年來人們對蛋白質如大豆蛋白、小麥蛋白、玉米蛋白、明膠等的改性及材料化應用的研究日益增多。蛋白質在許多工業領域中也有著巨大的潛在用途，例如用于可再生利用的環境友好材料、增強復合材料、包裝材料、藥品膠囊、粘結劑、乳化劑及軍事材料等方面。但是，純蛋白質的力學性能難以滿足作為材料的需要，因此需用物理、化學、生物等方法對其進行改性。在蛋白質接枝改性這方面，國內外已有一些報道。將聚丙烯腈通過自由基共聚接枝到酪蛋白上，以提高它的溶解性和熱性能(JApplPolymSci2000，77，2543-2551)。利用氨基封端的聚乙二醇，接枝到蛋白質上，以提高蛋白質的水溶性和生物相容性(ACSSympSer1997，680，318-41)。在胰凝乳蛋白酶上，利用原子轉移自由基聚合，接枝丙烯酸甲酯，以改變胰凝乳蛋白酶的性質(Biomac匪olecules，2005，6，3380-3387)。利用巰基乙醇打開大豆分離蛋白的二硫鍵形成活性點，接枝親水鏈，從而提高溶解性(功能高分子學報，2005，18，285-289)。利用硝酸鈰銨和過硫酸鉀引發大豆分離蛋白接枝苯乙烯，從而提高大豆膜的性能(JApplPolymSci2005，98，1457-1461)。但這些報道大多集中在采用自由基共聚接枝的方法，自由基共聚接枝需要加熱，因而會使蛋白質變性，破壞其部分性能。采用l-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)催化縮聚接枝法的研究很少有報道，EDC催化縮聚接枝法具有高效，低溫，不影響蛋白質其它優良特性等優點，因此采用EDC催化縮聚法對蛋白質進行接枝改性研究具有重要的意義。
發明內容本發明的目的是提供了一種溫和蛋白質接枝改性的方法，通過對蛋白質的接枝改性，可以改善它的水溶性、荷電性和生物相容性，拓展了蛋白質這類相對廉價、可降解、可再生的綠色資源在各個領域中的應用范圍。本發明的技術方案一種接枝改性蛋白質的制備方法，工序為用引發劑、鏈轉移劑和功能性單體制備氨基封端的聚合物；用催化劑和助催化劑將氨基封端的聚合物接枝到蛋白質上；接枝反應24小時后再通過沉淀、離心、乙醇抽提或醇洗、及干燥，將接枝后的接枝改性蛋白質分離出來；(1)制備氨基封端的聚合物將單體溶于去離子水中攪拌，并在氮氣保護下加入鏈轉移劑和引發劑，單體、鏈轉移劑和引發劑的摩爾比為50:2-10:1，然后密封瓶口，轉入6(TC油浴反應8小時，反應結束后用丙酮沉淀，取杯底沉淀物在3(TC烘箱中干燥至恒重，得氨基封端的聚合物備用；(2)制備接枝改性蛋白質用pH-8.5的硼酸緩沖溶液分別溶解氨基封端的聚合物、溶解蛋白質，溶解催化劑l-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)、及溶解輔助催化劑N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，攪拌使其充分溶解，氨基封端的聚合物、蛋白質、EDC、NHS的質量比為250:250:1:3，將磷酸緩沖溶液溶解的上述四種溶液混合，在室溫下反應24小時；(3)接枝改性蛋白質的后處理用反應液10倍體積的丙酮對反應后溶液進行沉淀，離心8分鐘取管底沉淀物，然后用無水乙醇對沉淀物抽提24小時以除去未接枝上的氨基封端聚合物，或用反應液2倍體積的無水乙醇清洗3次以除去未接枝上的氨基封端聚合物，然后將所得接枝物在3(TC烘箱中干燥至恒重或冷凍干燥，或者噴霧干燥，得到接枝改性蛋白質。然后將所得接枝物在30°C烘箱中干燥至恒重，得到接枝改性蛋白質。用本發明方法制備的接枝改性蛋白質的應用，帝U備的接枝改性蛋白質的表面電荷改變為等電點消失，溶解性和表面疏水性增加，乳化性能改善受pH值影響較小，拓展了接枝改性蛋白材料在生物醫用材料，包裝膜，化妝品，工業添加劑領域的應用。按照本發明，功能性單體依據被改性蛋白質所需改善的功能來選擇。如果需改善親水性，可選擇親水性單體如丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯腈，馬來酸酐，2—丙稀酰胺基一2—甲基丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)，N-異丙基丙烯酰胺等等。如果需改善光敏性，可選擇光敏性單體:丙烯酸改性的肉桂酰氯，偶氮類光敏單體等等。按照本發明，試驗中所用pH-8.5的硼酸緩沖溶液配制方法如下預先用水溶液分別配制0.1mol/L的NaOH溶液、0.4mol/L的硼酸溶液和0.4mol/L的KC1溶液，再分別移取10.1mL的NaOH溶液、12.5mL的硼酸溶液和12.5mL的KCl溶液于100mL的容量瓶中，用水定容。按照本發明，作為乳化劑應用，乳化性測定方法取3mg/mL的接枝改性蛋白質溶液3mL，加入3mL油相甲苯，在5000r/min下均質攪拌2min;靜置，取5pL均質后的溶液加40^超純水稀釋后，做光學顯微鏡測試。并測定乳化層高度。結果顯示，接枝改性蛋白質產物在較寬的pH值范圍內具有優良的乳化性，尤其可用于需要酸性pH條件的生物醫用材料，包裝膜，化妝品，工業添加劑等相關領域。表面電荷的測定方法用蒸餾水將待測樣品溶解配成C=2xl(T4g/mL的水溶液，攪拌24h后，用一定濃度的HCl或NaOH調節溶液的pH值(212)，然后再攪拌2h后用Zeta-電位儀測定溶液的Zeta電位。所有實驗在室溫25'C下進行。本發明的有益效果本發明的接枝反應是在室溫下進行，具有無需加熱，節約能量的優點。催化劑EDC具有水溶液中催化，高效，低溫催化等優點。助催化劑NHS具有提高EDC催化效率，減少反應時間等優點。本發明將接枝單體合成為聚合物鏈后再引入蛋白質上，就可以避免直接添加單體對蛋白質結構的破壞，有利于保護蛋白質的優良特性如乳化性及起泡性等。通過改變所用的接枝單體就可以得到具有不同功能的聚合物鏈，從而將不同的功能性引入蛋白質上。可以將接枝前后的溶解性，表面電荷，表面疏水性，乳化性，起泡性等各項性能進行對比，用于指導選擇特殊功能的接枝聚合物來賦予接枝改性蛋白產物特殊的功能性。由于蛋白接枝產物具有優良的功能性，可以用于作生物醫用材料，包裝膜，化妝品，工業添加劑等領域。圖1不同濃度的大豆分離蛋白(左)和接枝物SPI-g-NH-PAMPS(右)溶液的乳化實效圖0^25。C,接枝物的接枝率GP%=74.45°/。)。圖2不同濃度的大豆分離蛋白溶液的乳化效果影響(溶液濃度從左到右分另U為llmg/mL，9mg/mL，7mg/mL，5mg/mL，3mg/mL,lmg/mL)。圖3不同濃度的接枝物SPI-g-NH-PAMPS的乳化效果影響(溶液濃度從左到右分別為11mg/mL，9mg/mL,7mg/mL，5mg/mL，3mg/mL，lmg/mL)(T=25°C,GP%=74.45%)0具體實施方案實施例1:氨基封端聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸接枝改性大豆分離蛋白(SPI-g-NH-PAMPS)氨基封端聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(H2N-PAMPS)的合成取50mmoL的單體2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于10mL去離子水中攪拌并通氮氣，15分鐘后加入3mmoL的鏈轉移劑巰基乙胺和lmmoL的引發劑過硫酸銨，再通氮氣15分鐘，然后密封瓶口，轉入6(TC油浴中，反應8小時后取出用80mL丙酮沉淀，取杯底物，然后用5mL去離子水溶解，再用80mL丙酮沉淀，然后再取杯底物，最后在30'C烘箱中干燥至恒重。大豆分離蛋白與氨基封端聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸SPI-g-NH-PAMPS)的縮合接枝反應如下用5mL，30mL的pH-8.5的硼酸緩沖溶液分別溶解0.5g氨基封端聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、0.5g大豆分離蛋白，再用3mL，2mL的pH^8.5的硼酸緩沖溶液分別溶解0.002gEDC、0.006gNHS，攪拌使其充分溶解，然后將各溶液先后加入100mL單口瓶中，攪拌，室溫下反應24小時。反應產物用400mL丙酮沉淀，然后用乙醇抽提24小時以除去未接枝上的氨基封端聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，取出在3(TC烘箱中干燥至恒重。用如下公式分別計算接枝率(GP%)和接枝效率(GE%):『_『G尸(％)=^~~^x100(1)『oG五(％)=^~~^x100(2)『2式中，『ft『7和『2分別代表SPI、SPI-g-NH-PAMPS和H2N-PAMPS的質量。實施例2:氨基封端聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨接枝改性大豆分離蛋白(SPI畫g腸NH國PDMC)氨基封端聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(H2N-PDMC)的合成取50mmoL的單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨溶于10mL去離子水中攪拌并通氮氣，15分鐘后加入3mmoL巰基乙胺和lmmoL過硫酸銨，再通氮氣15分鐘，然后密封瓶口，轉入6(TC油浴中，反應8小時后取出用80mL丙酮沉淀，取杯底物，然后用5mL去離子水溶解，再用80mL丙酮沉淀，然后再取杯底物，最后在3(TC烘箱中干燥至恒重。大豆分離蛋白與氨基封端聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的縮合接枝反應(SPI-g-NH-PDMC)如下分別用5mL，30mL的pH^8.5的硼酸緩沖溶液溶解0.5g氨基封端聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、0.5g大豆分離蛋白，再分別用3mL，2mL的pH"8.5的硼酸緩沖溶液溶解0.002gEDC、0.006gNHS，攪拌使其充分溶解，然后將各溶液先后加入100mL單口瓶中，攪拌，室溫下反應24小時。反應產物用400mL丙酮沉淀，然后用乙醇抽提24小時以除去未接枝上的氨基封端聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，取出在30。C烘箱中干燥至表l:不同實施例間接枝率和接枝效率的比較。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例12-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)74.4574.45實施例2甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)75.2275.22實施例3:氨基封端聚丙烯酸接枝改性大豆分離蛋白(SPI-g-NH-PAA)氨基封端聚丙烯酸(H2N-PAA)的合成取50mmoL的單體丙烯酸溶于10mL去離子水中攪拌并通氮氣，15分鐘后加入3mmoL的鏈轉移劑巰基乙胺和lmmoL的引發劑過硫酸銨，再通氮氣15分鐘，然后密封瓶口，轉入60'C油浴中，反應8小時后取出用80mL丙酮沉淀，取杯底物，然后用5mL去離子水溶解，再用80raL丙酮沉淀，然后再取杯底物，最后在3(TC烘箱中干燥至恒重。大豆分離蛋白與氨基封端聚丙烯酸(SPI-g-NH-PAA)的縮合接枝反應如下..用5mL,30mL的pH-8.5的硼酸緩沖溶液分別溶解0.5g氨基封端聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、0.5g大豆分離蛋白，再用3mL，2mL的pH-8.5的硼酸緩沖溶液分別溶解0.002gEDC、0.006gNHS，攪拌使其充分溶解，然后將各溶液先后加入100mL單口瓶中，攪拌，室溫下反應24小時。反應產物用400mL丙酮沉淀，然后用80mL無水乙醇清洗沉淀物3次以除去未接枝上的氨基封端聚合物，然后將所得接枝物冷凍干燥或者噴霧干燥，得到接枝改性蛋白質。實施例4:取上述實施例1中的接枝產物SPI-g-NH-PAMPS，大豆分離蛋白，用蒸餾水溶解配成C=2xl(T4g/mL的水溶液，攪拌24h后，用一定濃度的HC1或NaOH調節溶液的pH值(212)，然后再攪拌2h后用Zeta-電位儀測定溶液的Zeta電位。所有實驗在室溫25'C下進行。如表2所示為不同pH值下大豆分離蛋白及其接枝產物的Zeta電位變化。當Zeta電位值為0時的pH值即為大豆分離蛋白的等電點，從表2中可以看到，此時大豆分離蛋白溶液的等電點約在pH值4.5左右。而對于接枝產物來說，已沒有等電點。再與接枝產物的曲線對比，首先，接枝產物的Zeta電位值明顯比未接枝前要低。同樣這是因為接枝了H2N-PAMPS分子鏈，所以接枝產物有更多的SOr陰離子，使Zeta電位變得更負，因而Zeta電位絕對值增加。這也就解釋了為什么接枝物在低pH值附近，仍有很好的溶解性。表2:不同pH值下的大豆蛋白及其接枝產物SPI-g-NH-PAMPS水溶液的Zeta電位比較(T-25。C,C=2.0xl(T4g/mL，GP%=74.45%)。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例5:取上述實施例1中的接枝產物SPI-g-NH-PAMPS，大豆分離蛋白，用蒸餾水溶解配成濃度為lmg/mL(W/V)的樣品溶液，用一定濃度的HC1或NaOH調節溶液的pH值(212)，振蕩40min(振蕩過程中取樣測定并保持pH)后，5000r/min下離心15min。上清液中蛋白質濃度以280nm波長下的吸光值來表示(A28())。蛋白質的溶解性表示為上清液蛋白質濃度占相對應的總蛋白質濃度的百分比(A28o/At。tXlOOn/。)。所有實驗在室溫25"C下進行。SPI的溶解度在pH值處于等電點時最低，容易發生聚集，而偏離等電點不論趨酸性或堿性溶解度都有上升。提高大豆分離蛋白等電點附近大豆分離蛋白的溶解性對擴展其應用相當重要。如表3所示，與SPI相比，SPI-g-NH-PAMPS在較寬的pH條件下具有更好的溶解性，尤其在大豆蛋白的等電點附近溶解性提高約40%以上。由于在SPI上引入了親水H2N-PAMPS鏈，含磺酸基的親水基團使得SPI-g-NH-PAMPS的溶解性能提高。磺酸基團在水中電離顯示很強的電負性，使得接枝物溶解度最低點向酸性偏移。表3pH值對大豆分離蛋白SPI和接枝產物SPI-g-NH-PAMPS在水中的溶解性的影響(T-25。C,O2.0xl(T3g/mL,GP%=74.45%)。pH233.544,556789101112SPI水溶液的溶解79.5678.7863.949.0111.3215.0770.3975.3475.6484.9887.9592.2298.11性/%SPI-g-NH-PAMPS78.6838.434.7638,5249.3362.9687.5490.4691.3893.7697.8498.599.6的溶解性/%大豆分離蛋白質在溶解狀態下能呈現多種功能特性，即使在濃度很大的溶液中，其溶解部分的性質也決定其相關的物理性質，一般說來溶解性愈大，其膠體形成、乳化性、起泡性等愈高。通過接枝，提高了SPI的水溶解性，改善了其功能性質，拓展了SPI的應用領域。實施例6:取上述實施例1中的不同接枝率的接枝產物SPI-g-NH-PAMPS，大豆分離蛋白，用O.01mol/L，pH=8.0的磷酸緩沖液稀釋至蛋白質濃度為0.05-0.5mg/mL。取不同接枝率的樣品溶液4mL，加入100pL的l-苯氨基萘-8-磺酸(ANS)溶液(采用0.01mol/L，pH=8.0的磷酸緩沖液配制成8mmol/L的ANS溶液)。在390nm的激發波長和488nm的發射波長下測定樣品的熒光強度，以488nm發射波長的熒光強度對蛋白質濃度作曲線，曲線初始階段的斜率即為蛋白質分子表面疏水性指數Sq。所有實驗在室溫25"C下進行。表4為接枝物SPI-g-NH-PAMPS的表面疏水性隨其接枝率的變化趨勢。從表4中可以看出，隨著接枝率的增加，SPI-g-NH-PAMPS的表面疏水性指數S。急劇降低。接枝率增加，球蛋白表面主要是親水性的PAMPS分子鏈，此鏈變長，因而接枝物的表面疏水性指數s。降低。表4不同接枝率對接枝產物SPI-g-NH-PAMPS水溶液的表面疏水性的影響_(T=25。C,C:2.5xl(TVmL》_SPI-g-NH-PAMPS的接枝率08.6418.835.656.265.574.45102.3表面疏水性指數So893.64589.43450.70374.05123.080.5370.3955.34實施例7:制備不同濃度的大豆分離蛋白溶液以及接枝物溶液，靜置后取上清液備用，然后取3mL樣品溶液，加入3mL甲苯，在5000r/min下均質攪拌2min，靜置，取40UL均質后的溶液做光學顯微鏡測試以研究大豆分離蛋白溶液以及接枝物溶液的乳化性能。所有實驗在室溫25'C下進行。由圖2可見隨著大豆分離蛋白溶液的濃度降低，甲苯球的粒徑逐漸增加，說明大豆分離蛋白溶液的濃度越高，對甲苯球的乳化效果越好。由圖3可見隨著接枝物SPI-g-NH-PAMPS溶液的濃度降低，甲苯球的粒徑逐漸增加，說明接枝物SPI-g-NH-PAMPS溶液的濃度越高，對甲苯球的乳化效果越好。而且從圖2和圖3對比可看出接枝物SPI-g-NH-PAMPS乳化的甲苯球粒徑比SPI的大。表5不同濃度的SPI，接枝物SPI-g-NH-PAMPS(GP%=74.45%)，SPI-g-NH-PDMC(GP。/^75.22。/。)的乳化穩定性比較_溶液濃度(mg/mL)1357911SPI水溶液的乳化穩定性/cm181918.517.517.518.5SPI-g-NH-PAMPS水溶液的乳化穩定性/cm18.520.520202019SPI-g-NH-PDMC水溶液的乳化穩定性/cm1920.520.5202019.5由表5可見接枝物SPI-g-NH-PAMPS，SPI-g-NH-PDMC的乳化穩定性都優于大豆分離蛋白的乳化穩定性。實施例8:取上述實施例1中的接枝產物SPI-g-NH-PAMPS，實施例2中的接枝產物SPI-g-NH-PDMC，以及大豆分離蛋白SPI，用蒸餾水配成濃度為3mg/mL(W/V)的樣品溶液，用一定濃度的HCl或NaOH調節溶液的pH值(212)，靜置后取上清液備用，然后取3mL樣品溶液，加入3mL甲苯，在5000r/min下均質攪拌2min，靜置，取4(^L均質后的溶液做光學顯微鏡測試以研究不同pH值下的接枝產物的乳化性能。所有實驗在室溫25'C下進行。表6不同pH值下的大豆分離蛋白及其接枝產物SPI-g-NH-PAMPS(GP%=74.45°/。)，SPI-g-NH-PDMC(GP。/。-75.22。/。)的乳化性能比較(濃度03mg/mL,A:良好，一般，很差，D:無)0pH值234689101112SPI水溶液ACDDCBBAAAASPI-g-NH-PAMPS水溶液ABBAAAAAAAASPI-g-NH-PDMC水溶液ABBAAAAAAAA由表6可見不同pH值下的接枝產物SPI-g-NH-PAMPS和SPI-g-NH-PDMC水溶液的乳化性能都比未接枝的大豆分離蛋白的乳化性能好，且受pH值影響較小，尤其是酸性pH值區域，說明這種溫和的接枝方法有利于提高大豆分離蛋白的乳化性能，拓展了大豆蛋白的使用范圍。如上所述，用本發明制備的蛋白接枝產物的表面電荷改變，溶解性和表面疏水性增加，乳化性能等受pH值影響較小等等優點，拓展了蛋白質材料在生物醫用材料，包裝膜，化妝品，工業添加劑等領域的應用。權利要求1.一種接枝改性蛋白質的制備方法，其特征在于工序為用引發劑、鏈轉移劑和功能性單體制備氨基封端的聚合物；用催化劑和助催化劑將氨基封端的聚合物接枝到蛋白質上；接枝反應24小時后再通過沉淀、離心、乙醇抽提或醇洗、及干燥，將接枝后的接枝改性蛋白質分離出來；(1)制備氨基封端的聚合物將單體溶于去離子水中攪拌，并在氮氣保護下加入鏈轉移劑和引發劑，單體、鏈轉移劑和引發劑的摩爾比為50∶2-10∶1，然后密封瓶口，轉入60℃油浴反應8小時，反應結束后用丙酮沉淀，沉淀用去離子水溶解，再用丙酮沉淀，取杯底沉淀物在30℃烘箱中干燥至恒重，得氨基封端的聚合物備用；(2)制備接枝改性蛋白質用pH≈8.5的硼酸緩沖溶液分別溶解氨基封端的聚合物、溶解蛋白質，溶解催化劑1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽EDC、及溶解輔助催化劑N-羥基琥珀酰亞胺NHS，攪拌使其充分溶解，氨基封端的聚合物、蛋白質、EDC、NHS的質量比為250∶250∶1∶3，將磷酸緩沖溶液溶解的上述四種溶液混合，在室溫下反應24小時；(3)接枝改性蛋白質的后處理用反應液10倍體積的丙酮對反應后溶液進行沉淀，離心8分鐘取管底沉淀物，然后用無水乙醇對沉淀物抽提24小時以除去未接枝上的氨基封端聚合物或用反應液2倍體積的無水乙醇清洗3次以除去未接枝上的氨基封端聚合物，然后將所得接枝物在30℃烘箱中干燥至恒重或冷凍干燥，或者噴霧干燥，得到接枝改性蛋白質。2.按照權利要求1所述方法制備的接枝改性蛋白質的應用，其特征在于，制備的接枝改性蛋白質的表面電荷改變為等電點消失，溶解性和表面疏水性增加，乳化性能改善受pH值影響較小，拓展了接枝改性蛋白材料在生物醫用材料，包裝膜，化妝品，工業添加劑領域的應用。全文摘要一種接枝改性蛋白質的制備方法及其應用，屬于接枝改性
技術領域：
。本發明介紹了一種蛋白質的接枝改性方法先用引發劑、鏈轉移劑和功能性單體制備一端帶有活性官能團的聚合物鏈，然后再用催化劑將氨基封端的聚合物接枝到蛋白質上，反應結束后再通過沉淀、離心、乙醇抽提或醇洗、及干燥，將接枝后的改性蛋白分離出來。接枝改性蛋白質兼有蛋白質和氨基封端聚合物的優良性質，為其進一步的應用拓展了空間與蛋白質相比，接枝了親水性聚合物的接枝改性蛋白質具有優良的溶解性，表面疏水性，乳化性及起泡性等優良性能，因此可將其作為乳化劑來應用。文檔編號C08H1/00GK101302295SQ20081012342公開日2008年11月12日申請日期2008年6月4日優先權日2008年6月4日發明者劉曉亞,華周,鵬姜,葉朱,成楊,江金強,白繪宇申請人:江南大學