杨文鑫，程建军，薛艳芳，冯宪民

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

大豆分离蛋白基环保型胶水配方优化及特性研究

杨文鑫，程建军*，薛艳芳，冯宪民

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

以大豆分离蛋白为原料，采用响应面实验设计，以粘度为响应值，对大豆分离蛋白热聚合进行工艺条件优化。通过正交实验，以粘合强度为指标，优化大豆分离蛋白基环保型胶水配方。并与市售胶水的粘合强度、固形物含量、粘度、甲醛含量进行比较。结果表明：热聚合大豆分离蛋白浓度为10%、热聚合温度为85℃、热聚合时间为50min时，粘度可达7155mPa·s；大豆分离蛋白基环保型胶水最佳配方为大豆分离蛋白5%，聚乙烯醇溶液3.32%，糖6.64%，甘油4.98%，十二烷基磺酸钠0.67%，消泡剂3.33%，防腐剂0.07%，水75.99%，粘合强度达870kPa，大豆分离蛋白胶水的总固形物含量、粘度均大于市售胶水，而粘合强度略低于市售胶水。大豆分离蛋白胶水和市售胶水甲醛含量分别为0、0.036%。

大豆分离蛋白，环保胶水，粘合强度，热聚合

在19世纪以前，人类使用的胶粘剂大多数为生物胶，例如动物蛋白胶、植物蛋白胶、糖等[1]。进入20世纪以后，由于聚合物胶粘剂具有强粘合强度和低成本等优点，一经投入便迅速成为胶粘剂市场的主角，而我国最早对大豆蛋白胶的报道是1952年薛培元以豆粕为原料制成的蛋白溶胶[2]；袁超等利用尿素改性大豆分离蛋白并对白纸板进行粘接，所得蛋白胶有较强粘合强度[3]；Guorong Wang等研究了牛乳清蛋白与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）热聚合制备纸板用胶黏剂，结果表明乳清蛋白可与PVP形成良好的网络结构，具有较高的粘合强度[4]。目前，我国生产的大豆蛋白胶主要应用于木材，而应用于纸制品方面的比较少见[3]。市场上常见的纸制品胶粘剂主要应用于家庭、学校、机关，但这些胶粘剂大多数含游离甲醛，且材料多为不可再生资源[5]，但甲醛基胶粘剂的使用存在着严重的问题，首先，甲醛是强致癌物；其次，甲醛是石油化工产品属于不可再生资源[6-7]。而大豆分离蛋白胶粘剂则具有无毒无害无污染，原料可再生等优点，是新型绿色环保胶粘剂。大豆分离蛋白主要由球蛋白组成，球蛋白经热聚合后易形成网状结构，是

可用于制备胶粘剂的主要原因。为了充分利用球蛋白的特性及特殊的键合能力，则必须破坏蛋白原来的结构，以便建立一个更大的、具有柔韧性的、相互交织的聚合物链，使蛋白可以牢固地附着在固体表面[8]。本实验主要通过大豆分离蛋白的改性使其聚合，并且研究了大豆分离蛋白基环保胶水的配方，以用于纸板、纸盒、纸袋等纸制品的粘接。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白 A型，哈高科大豆食品公司；聚乙烯醇（聚合度1750±50）、无水亚硫酸钠 天津市天力化学试剂有限公司；十二烷基磺酸钠（SDS） Sigma L5750；白砂糖 市售；防腐剂（1，2-苯并异噻唑-3-酮） 玛雅高纯度化学品公司；甘油 天津市津东天正精细化学试剂厂；消泡剂 湖北新四海化工有限责任公司；双面灰纸板 厚度0.5mm，广东东莞勇翔纸业有限公司；盐酸 北京市化工厂；百里香酚酞

天津市光复精细化工研究所；市售胶水 得力液体胶NO.7313。

NDJ-5S型数字式粘度仪 上海精密科学仪器有限公司；DK-98-1型电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司；JJ-1型增力电动搅拌器 江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂；AL204型分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；WDW-S型微机电子式万能实验机 济南试金集团有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大豆分离蛋白热聚合工艺条件的优化 通过大量的单因素实验发现，当热聚合蛋白浓度为8%、9%、10%或9%、9.5%、10%时，热聚合蛋白浓度对粘度影响显著，但是热聚合时间与温度对粘度的影响不显著，当热聚合蛋白浓度为9.8%、9.9%、10%时，热聚合蛋白浓度、热聚合时间与温度对粘度的影响显著，因此选取的热聚合蛋白浓度为9.8%、9.9%、10%。

采用Box Behnken模型，以浓度、温度和加热时间为主要考察因子，采用三因素三水平的三元二次响应面分析方法，以粘度为响应值，通过响应曲面分析（RSM）进行大豆分离蛋白热聚合工艺条件的优化。因子编码及水平如表1所示：

表1 因素水平编码表Table 1 Table of factors and levels

1.2.2 大豆分离蛋白基环保胶水的制备流程 将一定量的浓度为10%的大豆分离蛋白在85℃下水浴加热，加热搅拌到30min时，加入一定量的聚乙烯醇溶液、白砂糖、蛋白消泡剂、甘油、防腐剂、十二烷基磺酸钠（SDS），20min后停止加热搅拌，放入室温下冷却，整个加热过程搅拌速度为200r/m in。

1.2.3 大豆分离蛋白基胶水单因素实验 以大豆分离蛋白添加量、聚乙烯醇添加量、白砂糖添加量、甘油添加量为因素，以粘合强度为指标，在温度85℃，时间50min条件下进行单因素实验。固定各因素值分别取1g蛋白消泡剂、0.02g防腐剂、0.2g十二烷基磺酸钠（SDS），考察各因素对指标影响的单因素变化值分别为：10%的大豆分离蛋白添加量3、6、9、12、15、18g，聚乙烯醇（PVA）添加量1g，白砂糖添加量2g，甘油添加量1.5g；聚乙烯醇（PVA）添加量0.25、0.5、0.75、1、1.25g，10%的大豆分离蛋白添加量15g，白砂糖添加量2g，甘油添加量1.5g；白砂糖添加量0.5、1、1.5、2、2.5g，10%的大豆分离蛋白添加量15g，聚乙烯醇（PVA）添加量1g，甘油添加量1.5g；甘油添加量1、1.5、2、2.5、3g，10%的大豆分离蛋白添加量15g，聚乙烯醇（PVA）添加量1g，白砂糖添加量2g。利用万能实验机测定粘合强度，确定各单因素最佳添加范围。

1.2.4 大豆分离蛋白基环保型胶水配方的优化 在单因素的基础上，进行L1（837）正交实验，确定大豆分离蛋白基环保型胶水的配方。正交实验因素水平如表2所示。

表2 正交实验因素和水平设计Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments

1.2.5 总固形物含量的测定 根据GB/T 1961-2011，取样品（1±0.2）g，精确到0.001g，置于干燥的铝盒中，在温度（105±2）℃条件下经（180±2）m in后放入干燥器冷却至室温，称其重量，每个样品重复3次，结果保留有效数字三位[9]。计算公式如下：

式中：X-总固形物含量，%；m0-称量容器的质量，g；m1-加热前试样和称量容器的质量，g；m2-加热后试样和称量容器的质量，g。

1.2.6 粘度检测 采用NDJ-5S数字式粘度仪，将转筒挂钩悬挂于仪器上，在测试容器中倒进约100m L待测液体，转筒插入液体直到没过转子上方的液位标线，然后调节粘度计右侧的调速转钮，选择合适的范围。启动电机，数显为0时开始计时，每个样品重复3次。

图1 样品粘合尺寸Fig.1 Lap shear specimen dimensions

1.2.7 粘合强度检测 将灰纸板剪成T型，上部面积为3.5cm×4cm，下部面积为7cm×2cm，施胶面积2cm×

2cm，施胶量约0.1g，将胶涂抹均匀后，两张T型纸板重叠粘接，如图1所示。待粘接部分变干牢固后，用万能实验机进行拉伸实验，拉伸速度为10mm/m in，每个样品重复3次。

1.2.8 大豆分离蛋白基环保胶水性质的研究 对大豆分离蛋白基环保胶水进行基本性质的研究，包括固形物含量的检测、粘度检测、粘合强度检测，并与市售胶水进行比较，每个样品重复3次。

1.2.9 游离甲醛含量测定 根据GB/T 14074.16-93，取20m L 15%Na2SO3溶液与锥形瓶中，加入2滴草酚酞指示剂，滴入NaOH恰使溶液呈微蓝色；称取试样5g（精确至0.001g以上）放入另一锥形瓶中，加入50m L蒸馏水，加入2滴草酚酞指示剂，滴入NaOH恰使试样呈微蓝色。用移液管加入10.00m L 0.5mol/L的HCL溶液；在试样锥形瓶中滴加草酚酞指示剂15～20滴，并且迅速加入上述中和了的15%Na2SO3溶液，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至溶液刚出现蓝色时为止。50m L蒸馏水代替试样进行空白实验。操作重复分析3次[10]。计算公式如下：

式中：F—游离甲醛含量，%；V1—空白滴定消耗的氢氧化钠溶液的毫升数，m L；V2—滴定试样消耗的氢氧化钠溶液的毫升数，m L；N—氢氧化钠标准溶液的浓度，mol/L；0.03003—氢氧化钠相当于甲醛的重量，g；G—试样重，g。

1.3 统计分析方法

实验数据采用Design Expert 7.0软件、正交设计助手V3.1软件、Origin 7.5软件、SPSS 11.5软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 大豆分离蛋白热聚合工艺条件的优化

2.1.1 模型显著性检验 本研究通过Box Behnken模型进行三因素三水平实验设计，实验结果见表3。利用Design Expert 7.0软件对实验数据进行多元回归拟合，得到了热聚合大豆分离蛋白粘度为响应值Z对热聚合大豆分离蛋白浓度A、热聚合温度B、热聚合时间C的二次多项回归模型方程为：Z=3614451.51-834650.25A+8737.52B+5251.23C-305AB+492.5AC-2.76BC+44873.75A2-32.82B2+0.48C2。

表3 Box Behnken模型设计和响应值Table 3 Box Behnken design and response values

方差分析结果见表4。模型的拟合度可通过决定系数来衡量，本研究所得模型的决定系数为R2=

0.9851＞0.80[11]，证明拟合度良好，表明大豆分离蛋白热聚合粘度的变化有98.51%来源于所选变量（浓度、温度、时间）。模型的校正决定系数R2Adj=0.9660，说明该模型能解释96.6%的响应值变化。失拟项p= 0.5802＞0.05，表明残差均由随机误差引起，该方程可靠，可以用该模型对热聚合大豆分离蛋白粘度进行分析和预测。各因素之间的关系由表4可知，本研究所得回归模型极显著（p＜0.0001），此模型能充分地表明热聚合大豆分离蛋白粘度的变化。

表4 Box Behnken模型设计方差分析表Table 4 Analysis of variance of the regression parameters for Box Behnken designmodel

2.1.2 大豆分离蛋白热聚合工艺条件对粘度的影响

回归方程的回归系数影响热聚合大豆蛋白溶液的粘度。由表4可知，A、C、AC、A2、B2项对热聚合大豆蛋白粘度有显著影响，其他因素影响不显著。对回归方程进行中心标准化处理，可以直接从回归系数绝对值的大小来分析各个因素的改变对热聚合大豆蛋白溶液粘度影响的大小，回归系数的正负反映各个因素影响的方向。回归方程一次项的回归系数绝对值大小依次为A、B、C，表明反应所需热聚合蛋白浓度对热聚合大豆蛋白粘度的影响最大，其次为热聚合温度和热聚合时间。

为了形象地描述各个因素对响应值的影响，利用Design Expert 7.0绘制了各因素对粘度的响应面图，见图2～图4，它直观地反映了各因素对热聚合蛋白溶液粘度的影响。

2.1.2.1 热聚合温度和热聚合大豆分离蛋白浓度对热聚合大豆分离蛋白粘度的影响 当时间取中心水平时，浓度与温度对大豆蛋白粘度的交互作用，如图2所示。当时间一定时，大豆蛋白粘度随着蛋白浓度提高呈现不断增加的趋势，随着反应温度的提高呈现先上升后下降的趋势，大豆蛋白粘度分别在蛋白浓度10%、反应温度85℃附近时达到最大，但是温度对粘度的影响不显著（p＞0.05），而浓度对粘度的影响极显著（p＜0.01），两者交互作用不显著（p＞0.05）。

图2 温度和大豆分离蛋白浓度对粘度影响的响应面图Fig.2 Response surface graph of temperature and concentration of soybean protein isolated on viscosity

这是因为较高蛋白浓度的溶液其蛋白分子的分布较密集，蛋白与蛋白之间的相互作用占主导，且更多的水分子被固定[12]，在热处理时极易形成大分子聚合物，故而粘度不断提升。在高温热处理初期（80～85℃）使蛋白内部的结构发生改变，但并没有使大豆蛋白的溶解度减弱，相反，还能获得更高的溶解度[13]，进而使大豆蛋白的粘度提高，同时，蛋白分子发生热变性，致使多肽链展开，使蛋白有效体积和流体力学体积增大[12]，进而导致粘度增大。当温度增大时（＞85℃），破坏了高分子间内部结构，粘度有所下降。

2.1.2.2 热聚合时间和热聚合大豆分离蛋白浓度对热聚合大豆分离蛋白粘度的影响 温度取中心水平时，浓度与时间对大豆蛋白粘度的交互作用，如图3所示。两者交互显著（p＜0.05），时间影响极显著，大豆蛋白粘度分别在蛋白浓度10%、反应时间50m in附近时达到最大。虽然时间与浓度对粘度的影响都极显著（p＜0.01），但浓度的影响程度更高，从回归方程中一次项系数可得出此结论。当温度一定时，大豆蛋白粘度随着蛋白浓度、反应时间提高呈现不断增长的趋势。这是因为随着加热时间的增长，溶液内部蛋白分子热聚合的越完全，聚合的颗粒会越来越大，导致粘度也不断增大。

图3 时间和大豆分离蛋白浓度对粘度影响的响应面图Fig.3 Response surface graph of time and concentration of soybean protein isolated on viscosity

2.1.2.3 热聚合温度和热聚合时间对热聚合大豆分离蛋白粘度的影响 浓度取中心水平时，温度与时间对大豆蛋白粘度的交互作用，如图4所示。从三维图像来看，浓度一定时，大豆蛋白粘度随着时间增加呈现不断增加的趋势，随着反应温度的提高呈现先上升后下降的趋势，大豆蛋白粘度分别在加热时间50m in、反应温度85℃附近时达到最大，但是温度对粘度的影响不显著（p＞0.05），而时间对粘度的影响显著（p＜0.01），两者交互作用不显著（p＞0.05）。

图4 温度和时间对粘度影响的响应面图Fig.4 Response surface graph of temperature and time on viscosity

2.1.3 最佳条件的确定与验证 通过Design Expert 7.0软件分析得出大豆蛋白粘度最佳条件为：热聚合蛋白浓度10.00%，热聚合时间50.00m in，热聚合温度84.53℃，考虑到实验条件的可操作性，将最佳条件修正为：热聚合蛋白浓度10%，热聚合时间50m in，热聚合温度85℃，进行验证实验，热聚合蛋白粘度为7155mPa·s。实验中热聚合蛋白粘度理论计算值与实测值的相对误差为小于5%，验证了所建模型的正确性。

2.2 大豆分离蛋白基环保胶水配方的研究

2.2.1 热聚合大豆分离蛋白对大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的影响 由图5可知，随着10%的SPI溶液添加量的增加，胶水的粘合强度也在不断增加；添加量15g与添加量3、6、9g差异显著，而添加量15g与添加量12、18g差异不显著，但添加量15g粘合强度高于添加量12g。这是因为高温使SPI发生变性，内部的结构被完全破坏，并且发生了热聚合，使SPI内部形成了聚合物链[14]，使蛋白可以牢固地与固体表面粘接在一起，导致粘合强度不断增大。但随着SPI含量的继续增加，当SPI溶液增加到18g时，胶水的涂抹变的不均匀，热聚合蛋白部分呈现块状，不利于施胶。因此SPI溶液添加量在15g为宜。

图5 10%SPI溶液添加量对胶水粘合强度的影响Fig.5 Effectof 10%SPIon bond strength

2.2.2 PVA添加量对大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的影响 由图6可知，随着PVA添加量越高，胶水的粘合强度越强；各添加量间差异显著。这是由于PVA分子中含有大量的羟基，且分子间又没有空间位阻，因此PVA分子间的羟基有很强的氢键作用，使高浓度的PVA溶液具有很强的粘合强度。随着放置时间的延长或温度的降低，PVA分子链相互缠绕而使乳液凝胶化[15]，使粘合强度的增长趋势逐渐变小，当PVA添加量达到1.25g时，胶水粘合强度最大，但胶水涂抹很困难，不利于施胶。因此PVA添加量在1g为宜。

图6 PVA添加量对胶水粘合强度的影响Fig.6 Effectof PVA on bond strength

2.2.3 白砂糖添加量对大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的影响 由图7可知，随着白砂糖添加量的增加，胶水粘合强度也在不断地增加，0.5～2g时，胶水粘合强度大幅度增长，添加量大于2g后，胶水粘合强度有降低的趋势；添加量2g与添加量0.5、1、1.5g差异显著，添加量2g与添加量2.5g差异不显著，当添加量2g时粘合强度最大。这是由于白砂糖具有大量的羟基，具有很强的键合力，可以很牢固的和固体表面粘结在一起，因此粘合强度不断增强。白砂糖在胶水中作为辅助粘合剂，对胶水粘合强度呈正相关性。因此白砂糖添加量在2g为宜。

图7 白砂糖添加量对胶水粘合强度的影响Fig.7 Effectof sugar on bond strength

2.2.4 甘油添加量对大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的影响 由图8可知，随着甘油添加量的增加，胶水粘合强度呈先升高后降低的趋势，甘油添加量2.5g的粘合强度大于添加量1g的粘合强度；甘油添加量1.5g时与添加量1g，添加量2.5g与3g的粘合强度具有显著性差异，添加量1.5g时与添加量2g差异不显著，当甘油添加量达到1.5g时，粘合强度最大。甘油在胶水中具有保湿的作用，如不加保湿剂，在存放时水分会蒸发，使胶水干涸，不具有粘合能力。但甘油添加量若是过多，会使胶水粘合强度降低。因此甘油添

加量在1.5g为宜。

图8 甘油添加量对胶水粘合强度的影响Fig.8 Effectof glycerin on bond strength

2.2.5 大豆分离蛋白基环保胶水配方的正交优化实验 如表5、表6所示，极差R表明，影响大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的主次顺序是D＞E＞F＞H，即PVA＞10%SPI＞白砂糖＞甘油，本实验最优的配方组合为D3E3F2H1，即PVA添加量1g、10%的SPI溶液添加量15g、白砂糖添加量2g、甘油添加量1.5g。方差分析表明：四个因素中PVA添加量、SPI溶液添加量及白砂糖添加量对大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的影响显著。

表5 正交实验结果Table 5 Results of orthogonal experiments

表6 正交实验方差分析表Table 6 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 大豆分离蛋白基环保胶水性质的研究

如表7所示，大豆分离蛋白基环保胶水的粘合强度略低于市售胶水的粘合强度。实验中所选取的市售胶水含有甲醛，甲醛含量约0.036%，长时间使用会对人体产生危害，而大豆分离蛋白基环保胶水中未检出甲醛含量，不仅无毒无害，而且在粘合强度方面可以替代市售胶水。

大豆分离蛋白基环保胶水的粘度在5125mPa·s左右，而市售胶水的粘度在2350mPa·s左右，如表7所示，大豆分离蛋白基环保胶水粘度远大于市售胶水的粘度，同时也能说明大豆分离蛋白基环保胶水的流动性弱于市售胶水，但通过观察大豆分离蛋白基环保胶水也具有良好的流动性，并且完全符合办公用胶水GB/T 1961-2011中对粘度的要求（粘度≥1200mPa·s）[9]。

根据国标中干物质含量的测定方法得出，大豆分离蛋白基环保胶水总固形物含量为23.30%±0.26%，市售胶水总固形物含量为9.71%±0.33%，如表7所示。从两者比较可看出大豆分离蛋白基环保胶水总固形物含量较高。固形物含量的高低直接影响胶水的流动性，同时也可能影响粘度。因此，大豆分离蛋白基环保胶水固形物含量高于市售胶水，这也可能是大豆分离蛋白基环保胶水粘度比市售胶水粘度高的原因之一。

3 结论

3.1 将响应面分析法（RSM）应用于热聚合大豆分离蛋白粘度工艺条件的优化，结果表明，模型拟合程度高，实验误差小。优化得到的最佳反应条件为热聚合大豆分离蛋白浓度10%，热聚合时间50m in，热聚合温度85℃，粘度可达7155mPa·s。

3.2 本实验采用了单因素和正交实验设计对大豆分离蛋白基环保胶水配方进行优化研究。结果表明：影响大豆分离蛋白基环保胶水粘合强度的主次顺序是PVA＞10%SPI＞白砂糖＞甘油，最佳配方为大豆分离蛋白5%，聚乙烯醇3.32%，糖6.64%，甘油4.98%，十二烷基磺酸钠0.67%，消泡剂3.33%，防腐剂0.07%，水75.99%，以最优条件实验，所得粘合强度为870kPa。

3.3 本实验通过对大豆分离蛋白基环保胶水和市售胶水进行总固形物含量、粘合强度、粘度、甲醛含量的分析测定，结果表明：大豆分离蛋白基环保胶水

表7 大豆分离蛋白基环保胶水与市售胶水粘合强度、固形物含量、粘度、甲醛含量的比较Table 7 Bonding strength，total solids content，viscosity and formaldehyde contentof soy protein isolate-based environment-friendly glue comparison with commercial glue

的总固形物含量、粘度大于市售胶水，而粘合强度略低于市售胶水，大豆分离蛋白基环保胶水无甲醛。

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Investigation on the formulation optimization and characterization ofsoy protein isolate-based environment-friendly glue

YANG W en-xin，CHENG Jian-jun*，XUE Yan-fang，FENG Xian-m in
（Departmentof Food，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Soy protein isolated was used as the raw material，and response surface methodology was used tooptimize the thermal polymerization process conditions of soy protein isolated. The viscosity of soybean proteinwas determined and analyzed in various conditions. And soy protein isolate-based environment-friendly glueformulations were obtained by orthogonal experiment with the bonding strength index and compared withcommercial glue in the total solids content，bonding strength，viscosity，formaldehyde content. The resultsshowed that the optimum parameters of soybean viscosity were concentration of soybean protein 10%，at 85℃for 50min，the viscosity of soy protein was 7155mPa·s. Glue formulation was SPI 5% ，PVA3.32% ，sucrose6.64%，glycerin 4.98%，sodium dodecyl sulfate 0.67%，defoamer 3.33%，preservative 0.07% and water 75.99%.Under the condition，glue bonding strength was 870kPa. The total solids content and viscosity of soy proteinisolate glue was greater than the commercial glue but the bonding strength was slightly lower than thecommercial glue. The formaldehyde content of soy protein isolated glue and commercial glue were 0 and0.036%，respectively.

soybean protein isolated；glue；bonding strength；thermal polymerization

TS201.1

：A

：1002-0306（2014）16-0086-07

10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.010

2013－11－25 *通讯联系人

杨文鑫（1987-），男，硕士研究生，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白。