大豆蛋白功能材料的设计、制备及应用

Soy protein is an environmental friendly and renewable natural polymer that has abundant resource. However, the applications of soy protein in the material field are far more less than other natural polymers like cellulose, chitin/chitosan, silk fibroin, and collagan because of its poor mechanical properties and high water sensitivity.The basic idea of this project is to improve the mechanical properties and reduce the water sensitivity of soy protein materials by controllable chemical modification on the specific amino acid residues in the soy protein chains，destroying the tertiary structures as the global protein and extending their polypeptide chains. Such chemical modifications will be conducted on the basis of the full characterizations of soy protein structures and will keep the fundermental properties of soy protein itself. Based on the successful modification of soy protein, three kinds of soy protein functional material will be prepared, including 1) membrane chromatography matrix materials on the separation of protein or other biomolecules; b) pH sensitive and electroactive hydrogels; c) macroporous scaffolds on the nerve and tissue repairing.In conclusion, the highlight of this project is to design several soy protein materials with specific functionality and expand the application area of soy protein in the material field by purposive chemical modification on soy protein to change its secondary and tertiary structures.

大豆蛋白是一种来源丰富、绿色环保并且可再生的天然高分子资源，但是由于其力学性能较差且对水有较强的敏感性，因此在材料领域中的应用远没有纤维素、甲壳素/壳聚糖等多糖类以及丝蛋白、胶原蛋白等蛋白质类天然高分子来得广泛。本项目拟从大豆蛋白分子链构象和聚集态结构出发，在对大豆蛋白进行充分表征的基础上，通过对其多肽链上特定氨基酸残基进行适当化学改性，在不改变大豆蛋白基本性质的前提下，破坏其原有的球蛋白结构，使其多肽链呈现较为伸展的状态，从根本上提高大豆蛋白材料的力学性能并改善其在水环境下的稳定性。在此基础上，制备三种大豆蛋白功能材料：(1)用于分离蛋白质或其他生物分子的膜色谱材料；(2)具有pH和电场敏感性的智能水凝胶；(3)用于神经或组织修复的多孔支架。本项目的特点在于期望从蛋白质的二级和三级结构入手，有的放矢地开展化学改性工作，设计几种具有明确功能的大豆蛋白材料，拓展大豆蛋白在材料领域的应用范围。

本项目的主要研究目标是采用简单的可控化学合成方法对大豆分离蛋白多肽链上的极性氨基酸残基进行修饰，改变其三级结构，提高其力学性能并降低水敏感性。我们首先选择将二乙氧磷酰基接枝到大豆分离蛋白多肽链中的赖氨酸和精氨酸残基上。改性后，无论是在干态还是在湿态下,大豆分离蛋白膜都表现出良好的力学性能，其干态下的断裂强度可以达到35 MPa，断裂伸长率为2.5%；而在湿态下，相应数值为3.8 MPa 和125%。但是这种改性方式在干态时的断裂伸长率仍然较低，尚不能满足在加工处理过程中对于韧性的要求。于是我们选择了四羟甲基氯化磷（THPC）与多肽链中精氨酸及赖氨酸残基发生反应。改性后的膜在干态下的断裂强度和伸长率可以达到10 MPa和25%；湿态下为5 MPa和200%，这说明经THPC改性的大豆分离蛋白膜在韧性和可加工性方面比前一种改性具有更好的表现。. 由于前两种改性方法都是对大豆分离蛋白中的碱性氨基酸残基进行改性，我们也尝试对其中的酸性氨基酸残基进行改性。用氨基葡萄糖对大豆分离蛋白进行改性后，膜在干态下的断裂强度和伸长率为18 MPa和24%，湿态下为1.8 MPa和350%。同时我们发现，这种方法改性后的膜材料仍保持了很好的生物相容性。. 在对大豆分离蛋白进行成功化学改性的同时，我们还以大豆分离蛋白为原料，制备了一系列功能材料。首先我们采用大豆分离蛋白诱导合成了金纳米材料，并将其与经氨基葡萄糖改性的大豆分离蛋白制备成具有良好湿敏性能的杂化膜，其在干态下电导率较高，而湿态下电导率很低。接着我们分别制备了大豆分离蛋白-纳米银复合抗菌膜、大豆分离蛋白-氧化葡聚糖水凝胶和可用于光热治疗的大豆分离蛋白-石墨烯复合材料，拓展了大豆分离蛋白在生物医药领域的应用。同时，我们还利用了大豆分离蛋白良好的凝胶化性能制备了对铜离子具有高选择性吸附大豆蛋白/聚乙烯亚胺复合凝胶，开拓了其在废水处理和重金属循环利用方面的应用. 最后，我们还将研究拓展到了与大豆分离蛋白同属非生理活性蛋白质的丝蛋白和胶原蛋白方面。