吳志剛，梁堅(jiān)坤，張本剛，張 俊，雷 洪※，余麗萍，杜官本

（1. 貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2. 西南林業(yè)大學(xué)，云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224）

0 引 言

以大豆蛋白基膠黏劑為代表的蛋白基膠黏劑已在部分地區(qū)成功投入工業(yè)化生產(chǎn)[1-5]。但由于組成蛋白成分的復(fù)雜性，有關(guān)大豆蛋白膠黏劑的制備機(jī)理研究還相對(duì)較少。Huang等[6]提出順丁烯二酸酐和聚乙烯亞胺交聯(lián)改性大豆蛋白時(shí)可能發(fā)生的反應(yīng)方式。Liu等[7]受海洋貝類(lèi)物質(zhì)的啟發(fā)，提出3,4-二羥苯丙氨酸與大豆蛋白交聯(lián)的反應(yīng)機(jī)理。Rogers等[8]提出當(dāng)用環(huán)氧氯丙烷作為大豆蛋白質(zhì)的交聯(lián)劑時(shí)，它可以與蛋白質(zhì)分子鏈上的羥基、氨基反應(yīng)。以上僅僅是建立在現(xiàn)有化學(xué)理論基礎(chǔ)之上的推論，而缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，難以為大豆蛋白基膠黏劑工藝改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用提供進(jìn)一步的科學(xué)指導(dǎo)，也不利于大豆蛋白膠黏劑行業(yè)的發(fā)展。項(xiàng)目組以蛋白分子的基本組成單位氨基酸為突破口，采用的是模型化合物研究思想，這解決了常規(guī)方法解析蛋白膠黏劑機(jī)理難度大的問(wèn)題。研究的整體思路是改性劑與氨基酸、二肽、多肽之間的相互作用層層推進(jìn)，通過(guò)解析蛋白分子模型化合物與改性劑的反應(yīng)機(jī)理，來(lái)了解和揭示改性劑改性蛋白膠黏劑的機(jī)理[9-10]。

甲醛及甲醛系衍生物氨基樹(shù)脂、異氰酸酯和環(huán)氧樹(shù)脂是蛋白膠黏劑制備過(guò)程中常用且有效的改性劑[11-23]。但以上交聯(lián)劑都是以石油基為基礎(chǔ)，一方面以石化產(chǎn)品為基礎(chǔ)的交聯(lián)劑的大量引入違背了蛋白基膠黏劑的研發(fā)初衷，環(huán)保方面大打折扣，另一方面諸如甲醛、苯酚、異氰酸酯等有毒物質(zhì)的引入更大大降低了蛋白膠黏劑的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。為了保持蛋白基膠黏劑的綠色、環(huán)保，在考慮交聯(lián)改性后蛋白膠性能的同時(shí)，更多的還要關(guān)注交聯(lián)劑本身的環(huán)保性。

糠醇又叫呋喃甲醇，是一種來(lái)源于玉米、小麥的可再生生物質(zhì)材料，由糠醛催化加氫制得，具有很強(qiáng)的防腐性和耐水性，常被用于合成纖維、橡膠等材料[24]，也是木材、金屬和陶瓷等多孔材料的優(yōu)良粘結(jié)劑[25-27]。有關(guān)糠醇-單寧樹(shù)脂的研究報(bào)道較多，Pizzi等[28]研究表明糠醇改性的單寧膠黏劑具有較高的耐水性和耐腐性?？反挤肿又泻胸S富的羥甲基，能與單寧A環(huán)上的活潑氫發(fā)生取代反應(yīng)，強(qiáng)耐水性的糠醇結(jié)構(gòu)的引入使得糠醇-單寧樹(shù)脂具有很好的耐水性能[29]。甲醛系化合物之所以能夠作為大豆蛋白交聯(lián)劑，是因?yàn)樗鼈兒写罅康幕钚粤u甲基，能與大豆蛋白中的基團(tuán)如游離氨基（-NH2）、酰胺氨基（-CO-NH-或-CO-NH2）、羧基（-COOH）、羥基（-OH）、硫基（-SH）和芐羥基（-Ph-OH）等反應(yīng)[30]?？反己图兹┫祷衔镌诮Y(jié)構(gòu)上具有相似性，都含有豐富的羥甲基，理論上糠醇分子中的活潑羥甲基能與大豆蛋白殘基發(fā)生反應(yīng)。Kumar等[31-32]證實(shí)了糠醇在一定條件下能夠與大豆蛋白發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，但也僅僅停留在現(xiàn)有的化學(xué)基礎(chǔ)理論推導(dǎo)層面，缺乏真正的機(jī)理試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，選擇糠醇作為蛋白膠黏劑的改性劑，對(duì)實(shí)現(xiàn)蛋白膠黏劑真正意義的環(huán)保、提高蛋白膠黏劑的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和促進(jìn)蛋白膠黏劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

本研究采用模型化合物的思想，以組成大豆蛋白分子的丙谷二肽為起點(diǎn)，以糠醇作為交聯(lián)劑，借助13C-NMR（C nuclear magnetic resonance）和ESI-MS（electrospray ionization mass spectrometer）,等技術(shù)研究糠醇交聯(lián)改性大豆蛋白基膠黏劑的機(jī)理，分析大豆蛋白基膠黏劑制備基礎(chǔ)理論與實(shí)際性能之間的關(guān)系，期望為糠醇-大豆蛋白基膠黏劑的制備及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

脫脂大豆粉（蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)53.4 %，200目），山東御馨豆業(yè)蛋白有限公司；L-丙氨酰-L-谷氨酰胺（丙谷二肽，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98 %），分析純，Amresco；糠醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.5%，AR），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他的化學(xué)試劑如甲酸均為分析純。楊木單板（Populus spp.，含水率 8%～10%），單板幅面 300 mm×220 mm，厚度1.5 mm，購(gòu)自江蘇。

1.2 試驗(yàn)儀器

1.2.1 電噴霧電離質(zhì)譜儀（electrospray ionization mass spectrometer, ESI-MS）

本研究所用儀器為Waters公司生產(chǎn)的 XEVO-TQS#WAA164型質(zhì)譜儀，相應(yīng)參數(shù)：離子源：ESI+；質(zhì)量分析器：低端分辨率/高端分辨率：2.9/14.3；離子能量：0.3 eV；進(jìn)樣速度：5 μg/s。

1.2.2 核磁共振碳譜（C nuclear magnetic resonance,13C-NMR）

Bruker-AVANCE 600超導(dǎo)核磁共振儀。共振頻率150 MHz，將 300 μL液體樣品與100 μL氘代二甲亞砜溶劑（DMSO-d6）混合均勻作為待測(cè)樣品。測(cè)定條件：弛豫延遲時(shí)間6 s；反轉(zhuǎn)門(mén)控去耦法；zgig脈沖程序；掃描累加次數(shù)為800～1 200次。

1.2.3 熱重（thermogravimetry, TG）分析

采用德國(guó)NETZSCH TG 209 F3型熱重分析儀；測(cè)試條件：N2保護(hù)，測(cè)試溫度范圍 30～650℃，升溫速率10 K/min，樣品質(zhì)量約5 mg。

1.3 模型化合物反應(yīng)

稱量一定量的丙谷二肽和糠醇（兩者摩爾比為 1∶3），加入到一定量的蒸餾水中，使得溶液中固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 30%，混合均勻后，用飽和對(duì)甲苯磺酸溶液和20%氫氧化鈉溶液分別調(diào)體系中pH值為1～3和11～13，組裝放入集熱式恒溫磁力攪拌器中。反應(yīng)溫度控制在75～80 ℃之間。在反應(yīng)過(guò)程中保持溶液的pH值不變，反應(yīng)1 h后分別取樣，得到不同pH值下的產(chǎn)物。

稱量一定量的糠醇，加入到一定量的蒸餾水中，使得溶液中固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 30%。混合均勻后分別用對(duì)甲苯磺酸和20%的氫氧化鈉溶液調(diào)體系中pH值為1～3和11～13。組裝放入集熱式恒溫磁力攪拌器中。反應(yīng)溫度控制在 75～80℃之間。在反應(yīng)過(guò)程中保持溶液的 pH值不變，反應(yīng)1 h后分別取樣，分別得到酸性溶液的糠醇和堿性溶液的糠醇。

1.4 糠醇改性大豆蛋白基膠黏劑的制備

將100 g脫脂大豆粉和300 g水加入裝配有冷凝管、溫度計(jì)和機(jī)械攪拌棒的500 mL圓底三口燒瓶中，攪拌溶解均勻后，加入3.0 g NaHSO3，升溫至50 ℃，反應(yīng)40 min，冷卻放料，冷卻得到大豆蛋白預(yù)處理液S。在壓制膠合板前，調(diào)節(jié)大豆蛋白預(yù)處理液pH值，之后，加入15%的糠醇，共混攪拌均勻。

1.5 膠合板的制備與性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中制備3層楊木膠合板，幅面為300 mm×220 mm。制板工藝為：時(shí)間：8 min，溫度：160 ℃，壓力：1.5 MPa，雙面施膠量：380 g/m2。單板施膠流平后，閉口陳放15～20 min后進(jìn)行熱壓。膠合板膠合強(qiáng)度（溫水）參照國(guó)標(biāo)GB/T 17657-1999中4.15的Ⅱ類(lèi)膠合板的測(cè)試方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 ESI-MS結(jié)果討論與分析

本文研究了為糠醇與丙谷二肽在不同酸堿條件下，反應(yīng)產(chǎn)物ESI-MS測(cè)試（正離子檢測(cè)模式）。根據(jù)質(zhì)譜離子化原理，丙谷二肽中含有的氨基易結(jié)合氫離子而離子化，羰基氧也很容易與Na+絡(luò)合離子化，在ESI-MS中還可以結(jié)合 K+離子化，同時(shí)還可能出現(xiàn)多分子結(jié)構(gòu)與 Na+絡(luò)合離子峰，當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在p-π共軛時(shí)，甚至還可能出現(xiàn)碳正離子峰。

根據(jù)ESI-MS測(cè)試結(jié)果可知，酸性反應(yīng)體系中的峰密度要大于堿性，隨著反應(yīng)酸度的增加，反應(yīng)產(chǎn)物的密集度逐漸增強(qiáng)，在較強(qiáng)酸性條件下，酸催化反應(yīng)很明顯?？反寂c丙谷二肽在酸和堿條件下催化機(jī)理不一樣，酸性條件下是催化產(chǎn)生糠醇羥甲基碳正離子為反應(yīng)中間體，酸越強(qiáng)，產(chǎn)生碳正離子的濃度和活性越高，反應(yīng)越劇烈。堿性條件下，糠醇分子難以形成穩(wěn)定的反應(yīng)中間體，丙谷二肽中的酰胺存在 p-π共軛使得氨基氮上的未配位電子密度下降，從而使N-H極性增大，在強(qiáng)堿條件可能釋放出氫離子，產(chǎn)生酰胺負(fù)離子中間體，親核性增強(qiáng)。但由于這種酰胺負(fù)離子濃度極低，其反應(yīng)程度可能不高。

在較強(qiáng)酸性條件下，有少量218 Da的峰，其歸屬于丙谷二肽結(jié)構(gòu)，說(shuō)明體系中還有游離丙谷二肽。本試驗(yàn)酸性環(huán)境是由對(duì)甲苯磺酸調(diào)節(jié)，其分子量為172，在質(zhì)譜圖中可以與糠醇體系絡(luò)合出現(xiàn)，而糠醇在較強(qiáng)酸性條件可以發(fā)生自縮聚反應(yīng)，293、373和533 Da歸屬于對(duì)甲苯磺酸與糠醇及糠醇縮聚物的絡(luò)合峰，表明此條件下糠醇發(fā)生了一定的自縮聚反應(yīng)。同時(shí)圖譜中明顯出現(xiàn)了298 Da的峰值，且酸度越大此峰越明顯，當(dāng)pH值增加時(shí)，298 Da峰值明顯減少，直至徹底消失，而在堿性條件下幾乎沒(méi)有出現(xiàn)，這可能屬于H離子歸屬的糠醇與丙谷二肽共縮聚產(chǎn)物，同時(shí)出現(xiàn)的617 Da峰是Na離子歸屬的2分子縮聚物的絡(luò)合峰。252和310 Da的峰值可能歸屬于碳正離子峰，這個(gè)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是由于ESI-MS譜圖的測(cè)試原理產(chǎn)生的，由于糠醇結(jié)構(gòu)中存在p-π共軛體系，在質(zhì)譜霧化過(guò)程中會(huì)脫水形成較穩(wěn)定的碳正離子峰。

此外，糠醇羥甲基可能來(lái)源于糠醇自縮聚過(guò)程中產(chǎn)生的少量甲醛，在后面碳譜研究中也顯示出在強(qiáng)酸條件下糠醇自縮聚產(chǎn)生了少量的甲醛說(shuō)明了這一點(diǎn)，其機(jī)理如圖1。

圖1 酸性條件下糠醇自縮聚反應(yīng)Fig.1 Polycondensation reaction of furfuryl alcohol under acidic conditions

在堿性體系中，糠醇-丙谷二肽體系幾乎沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)。218、240、256 Da同屬于分別以H離子、鈉離子和鉀離子歸屬的丙谷二肽結(jié)構(gòu)，262結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是由于丙谷二肽中的羧基形成羧基鈉鹽導(dǎo)致（Na離子來(lái)源于質(zhì)譜儀或者體系本身）。435、457、479 Da屬于以H離子歸屬的丙谷二肽絡(luò)合結(jié)構(gòu)，相差22分子量來(lái)源于丙谷二肽中的羧基變成羧基鈉的分子量差。同理，501、718、740 Da峰屬于以Na離子歸屬的丙谷二肽絡(luò)合峰；299、315、318、397、413 Da峰值歸屬于糠醇絡(luò)合離子峰。堿性條件下糠醇與丙谷二肽的絡(luò)合離子峰不明顯，但由于質(zhì)譜分析中各個(gè)結(jié)構(gòu)之間電離問(wèn)題以及存在較多的同分異構(gòu)現(xiàn)象，對(duì)于反應(yīng)結(jié)構(gòu)的存在與否不能準(zhǔn)確下結(jié)論，需要借助其他分析手段進(jìn)一步研究。

2.2 13C-NMR結(jié)果討論與分析

ESI-MS圖譜中存在較多的同分異構(gòu)現(xiàn)象，無(wú)法定位反應(yīng)位點(diǎn)，無(wú)法判斷各基團(tuán)的反應(yīng)活性。核磁共振碳譜中不同化學(xué)位移定位不同的結(jié)構(gòu)基團(tuán)，分辨度高，從而可以推理出可能的反應(yīng)路徑，是一種有效的研究機(jī)理方法。

大豆蛋白含有多種氨基酸，糠醇分子上的羥甲基可能與蛋白質(zhì)氨基和羧基反應(yīng)。丙谷二肽分子中含有伯胺（RNH2）、酰胺（-(CO)NH-和NH2(CO)-）和羧基，是蛋白質(zhì)比較理想的模型化合物。圖2和圖3分別是丙谷二肽化學(xué)結(jié)構(gòu)圖和碳譜圖。丙谷二肽含有 8個(gè)碳，結(jié)合碳譜測(cè)試規(guī)律，各碳原子的化學(xué)位移分別對(duì)應(yīng)圖3中1～8位置，其中1、4和8號(hào)位羧基碳吸收峰分別在179.6、178.3和171.5 ppm處，碳譜圖中峰型均為單峰，說(shuō)明此物質(zhì)純度較高。

圖2 丙谷二肽的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chemical structure of N-(2)-L-alanyl-L-glutamine

圖3 丙谷二肽的碳譜圖Fig.3 13C-NMR （C nuclear magnetic resonance） spectra of N-(2)-L-alanyl-L-glutamine

大量研究表明糠醇在強(qiáng)酸性條件下易發(fā)生自縮聚反應(yīng)[33]。參照文獻(xiàn)[34]，在強(qiáng)酸性條件下，化學(xué)位移28～30 ppm為糠醇自縮聚橋鍵基團(tuán)，62～64 ppm對(duì)應(yīng)糠醇自縮聚醚鍵基團(tuán)，且橋鍵含量明顯多于醚鍵，說(shuō)明糠醇在強(qiáng)酸性條件下發(fā)生了明顯的自縮聚反應(yīng)，且主要以亞甲基橋鍵形式連接。同時(shí)，文獻(xiàn)報(bào)道化學(xué)位移82.83 ppm屬于甲二醇（甲醛的水化物），表明糠醇在強(qiáng)酸性條件下發(fā)生了脫羥甲基反應(yīng)，這是以前文獻(xiàn)當(dāng)中未曾提到的，這也是強(qiáng)酸性條件下是的糠醇圖譜上出現(xiàn)甲醛的衍生物峰（46.59、71.48和92.66 ppm）的原因所在。

糠醇與丙谷二肽體系中存在糠醇與丙谷二肽共縮聚和糠醇自縮聚 2個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，糠醇在強(qiáng)酸性條件下易發(fā)生自縮聚反應(yīng)。本試驗(yàn)重點(diǎn)考察糠醇與丙谷二肽共縮聚的條件，因此試驗(yàn)做了酸堿介質(zhì)下的反應(yīng)情況，探索其中共縮聚存在的條件。圖 4是糠醇與丙谷二肽在酸性環(huán)境下的產(chǎn)物碳譜圖。

圖4 糠醇與丙谷二肽在酸性條件下產(chǎn)物的碳譜圖Fig.4 13C-NMR spectra of furfuryl alcohol and N-(2)-L-alanyl-L-glutamine reacted at acid conditions

由圖 4可知，在強(qiáng)酸條件下，化學(xué)位移 35.58和35.56 ppm處出現(xiàn)明顯的新峰，對(duì)于此峰值的歸屬未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

圖5是糠醇與丙谷二肽反應(yīng)產(chǎn)物化學(xué)位移預(yù)測(cè)圖。根據(jù)糠醇與丙谷二肽體系可能的反應(yīng)，并結(jié)合圖 5的mestrenove碳譜軟件預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，端酰胺與糠醇形成的Furan-C H2-NH(CO)-R結(jié)構(gòu)的化學(xué)位移在36～37 ppm，脂肪族伯胺與糠醇形成的 R-NH-C H2-Furan的化學(xué)位移在43～44 ppm左右，肽鍵仲酰胺與糠醇形成的Furan-CH2-NR’(CO)-R化學(xué)位移在40～41 ppm之間。

圖5 糠醇與丙谷二肽產(chǎn)物化學(xué)位移預(yù)測(cè)圖Fig.5 13C-NMR prediction spectra of reaction products of furfuryl alcohol and N-(2)-L-alanyl-L-glutamine

理論化學(xué)表明脂肪族伯胺的誘導(dǎo)性大于端酰胺，使得脂肪族伯胺與糠醇形成的橋鍵峰與酰胺與糠醇共縮聚橋鍵峰相比更趨向于低場(chǎng)；而相比較端酰胺，肽鍵仲酰胺由于連有誘導(dǎo)性較大的支鏈結(jié)構(gòu)使得其與糠醇共縮聚峰向低場(chǎng)移動(dòng)，這與預(yù)測(cè)的結(jié)果吻合。因此，化學(xué)位移35.58和35.56 ppm的新峰歸屬于FA-NH(CO)-R橋鍵更為合理?？赡艿臋C(jī)理如圖6。

圖6 酸性條件下酰胺反應(yīng)機(jī)理Fig.6 Reaction mechanism of amide under acid conditions

在酸性條件下時(shí)，丙谷二肽中與糠醇發(fā)生反應(yīng)的位點(diǎn)最有可能在具有親核性的氨基和羧基羥基氧上，氨基由于存在未配位的電子對(duì)使得其親核性要遠(yuǎn)大于羧基羥基氧，在反應(yīng)的選擇性上主要是氨基參與親核取代反應(yīng)。丙谷二肽分子含有 3個(gè)氨基，反應(yīng)活性如何需要進(jìn)行進(jìn)一步分析比較。在糠醇-丙谷二肽體系中，酸催化的反應(yīng)中間體只有糠醇羥甲基碳正離子，其可能與具有親核性的各類(lèi)氨基和本身 5號(hào)位碳以及糠醇羥甲基中羥基進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。化學(xué)位移35.60和43.15 ppm出現(xiàn)明顯的吸收峰，且峰值面積前者大于后者，并未出現(xiàn)41 ppm處的新峰。這是因?yàn)?，?qiáng)酸性條件下糠醇分子在水溶液中容易形成較穩(wěn)定的呋喃環(huán)甲基碳正離子，可以與具有親核性的氨基反應(yīng)；同時(shí)體系當(dāng)中存在與碳正離子同性的氫離子。而在反應(yīng)性上，由于酰胺存在p-π共軛電子離域現(xiàn)象，導(dǎo)致脂肪族伯胺的親核性大于酰胺，那么在酸性條件下伯胺優(yōu)先與氫離子結(jié)合，發(fā)生質(zhì)子化，鈍化了伯胺的親核性[33-34]。在反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)性上，由于酰胺的電子離域現(xiàn)象使其不容易質(zhì)子化，而親核性增強(qiáng)，在與糠醇碳正離子反應(yīng)時(shí)具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。肽鍵的酰胺存在較大的空間位阻，不易與糠醇發(fā)生有效碰撞，這與碳譜表現(xiàn)出的現(xiàn)象吻合。

糠醇-丙谷二肽在酸性體系中糠醇自縮聚和糠醇-丙谷二肽共縮聚存在明顯的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。糠醇（pH值≤2）在強(qiáng)酸性條件下會(huì)發(fā)生劇烈縮聚[35-36]，并且劇烈放熱，這是由于糠醇碳正離子與本身5號(hào)位碳反應(yīng)活化能較高，需要強(qiáng)酸環(huán)境催化，反應(yīng)放熱劇烈說(shuō)明反應(yīng)之后的縮聚產(chǎn)物能量較低，在熱力學(xué)上占優(yōu)勢(shì)。而丙谷二肽與糠醇的縮聚反應(yīng)產(chǎn)物在熱力學(xué)上劣勢(shì)于糠醇自縮聚產(chǎn)物；同時(shí)強(qiáng)酸性條件下，相比于糠醇，氨基存在更大程度的質(zhì)子化趨勢(shì)，反應(yīng)活性進(jìn)一步下降，使得在強(qiáng)酸環(huán)境中共縮聚結(jié)構(gòu)不占優(yōu)勢(shì)。而糠醇與二肽的共縮聚反應(yīng)程度又正比于糠醇碳正離子的濃度，酸性越大正離子濃度越高，反應(yīng)活性越大，但酸性pH值一旦低于糠醇大量自縮聚的可能平衡點(diǎn)，共縮聚又會(huì)體現(xiàn)出劣勢(shì)。因此，在本試驗(yàn)中體系處在適當(dāng)pH值時(shí)，自縮聚和共縮聚處在一個(gè)相對(duì)平衡的位置，兩種反應(yīng)表現(xiàn)出較大的競(jìng)爭(zhēng)性。但對(duì)于有利于最大共縮聚的精細(xì)反應(yīng)條件還需要進(jìn)一步研究。

圖 7是糠醇與丙谷二肽在堿性環(huán)境下的反應(yīng)產(chǎn)物碳譜圖。

圖7 糠醇與丙谷二肽在堿性條件下產(chǎn)物的碳譜圖Fig.7 13C-NMR spectra of furfuryl alcohol and N-(2)-L-alanyl-L-glutamine reacted at alkaline conditions

由圖 7可知，堿性條件下并未發(fā)現(xiàn)伯胺和肽鍵酰胺與糠醇共縮聚峰。這是因?yàn)榭反荚趬A性條件下很穩(wěn)定，很難形成穩(wěn)定的反應(yīng)中間體，所以在譜圖中并未發(fā)現(xiàn)糠醇自縮聚峰?？反荚谌鯄A性條件下形成酰胺負(fù)離子較難，即使產(chǎn)生其濃度和活性不足以與糠醇羥甲基碳反應(yīng)，但堿性足夠強(qiáng)時(shí)，酰胺可以形成濃度和活性更大的酰胺負(fù)離子，而伯胺在堿性條件下很難形成具有反應(yīng)活性的中間體。相比而言，酰胺負(fù)離子是具有更強(qiáng)親核性的反應(yīng)位點(diǎn)，而肽鍵酰胺由于存在較大的空間位阻幾乎不反應(yīng)，這與脲醛樹(shù)脂堿性條件下反應(yīng)機(jī)理類(lèi)似。因此，只有在強(qiáng)堿條件下才有一定的縮聚峰?？赡艿臋C(jī)理如圖8。

圖8 堿性條件下丙谷二肽與糠醇反應(yīng)路徑Fig.8 Reaction pathway of furfuryl alcohol and N-(2)-L-alanyl-L-glutamine reacted at alkaline conditions

綜上所述，堿性條件下，反應(yīng)中間體酰胺負(fù)離子的反應(yīng)活性相對(duì)于酸性碳正離子很弱，反應(yīng)速率較慢，實(shí)現(xiàn)糠醇與丙谷二肽共縮聚的時(shí)間太長(zhǎng)；酸性條件下，體系在適當(dāng)pH值時(shí)，自縮聚和共縮聚處在一個(gè)相對(duì)平衡的位置，兩種反應(yīng)表現(xiàn)出較大的競(jìng)爭(zhēng)性。通過(guò)課題組的進(jìn)一步研究表明，pH值為3是實(shí)現(xiàn)糠醇與丙谷二肽最佳共縮聚的條件。

2.3 糠醇改性大豆蛋白膠膠合板性能

不同pH值下，糠醇改性的大豆蛋白膠膠合板耐水強(qiáng)度如表1所示。由表1可知，不添加糠醇改性的大豆蛋白不具有耐水性能，添加糠醇改性的大豆蛋白膠黏劑耐水性能均得到顯著提高。其中，pH值為1和pH值為3時(shí)耐水強(qiáng)度分別為0.65和0.76 MPa，明顯高于其他pH值下大豆蛋白膠黏劑耐水強(qiáng)度。

表1 糠醇改性的大豆蛋白基膠黏劑膠合板性能Table 1 Performance of soy protein-based adhesive crosslinked by furfuryl alcohol

表 1膠合板測(cè)試結(jié)果與前面的理論分析結(jié)果相互印證，由此可以推斷，在樹(shù)脂化階段，糠醇與大豆蛋白的交聯(lián)反應(yīng)和糠醇的自縮聚反應(yīng)兩者具有競(jìng)爭(zhēng)性，并且都需要較強(qiáng)的酸性來(lái)催化，主要發(fā)生在pH值為1和pH值為3。pH值為1時(shí)，糠醇的自縮聚反應(yīng)為主導(dǎo)，pH值為3時(shí)，糠醇與大豆蛋白的交聯(lián)反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。總之，這2個(gè)階段糠醇的羥甲基與大豆蛋白分子之間發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，增加了大豆蛋白分子的內(nèi)聚強(qiáng)度及分子之間的交聯(lián)密度，所以耐水性能有著顯著提高。在其他pH值階段，理論上這兩者反應(yīng)發(fā)生的程度并不高，但此時(shí)大蛋白膠黏劑耐水強(qiáng)度仍能達(dá)到0.4～0.5 MPa，這是因?yàn)樵跓釅褐苽淠z合板的過(guò)程中（固化階段），隨著溫度的升高和水分的揮發(fā)，糠醇與大豆的交聯(lián)反應(yīng)和糠醇的自縮聚反應(yīng)仍有一定程度的發(fā)生。

2.4 糠醇改性大豆蛋白膠黏劑 TG(Thermogravimetric Analysis)分析

不同pH值下，糠醇改性的大豆蛋白膠黏劑TG曲線如圖9所示。由圖9可知，在溫度650℃，pH值為3和pH值為 13時(shí)，改性的大豆蛋白膠黏劑殘?zhí)柯驶痉€(wěn)定[37-38]，顯著高于其他pH值下大豆蛋白膠黏劑，殘?zhí)柯史謩e為61.97%和23.01%。

圖9 糠醇改性的大豆蛋白膠黏劑熱重曲線Fig.9 TG（thermogravimetric analysis） curves of soy protein-based adhesive crosslinked by furfuryl alcohol

TG的測(cè)試結(jié)果同樣與前面的理論分析結(jié)果相互印證：糠醇與大豆蛋白的交聯(lián)反應(yīng)主要發(fā)生在酸性階段，并且所需要的酸性較強(qiáng)，主要集中在pH值為1和pH值為3。pH值為1時(shí)，酸性較強(qiáng)，糠醇自縮聚反應(yīng)程度較大，進(jìn)而影響糠醇與大豆蛋白的交聯(lián)反應(yīng)程度。這是因?yàn)榭反寂c大豆蛋白的共縮聚反應(yīng)和糠醇的自縮聚反應(yīng)兩者為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，均需要較強(qiáng)的酸性催化，且前者低于后者，酸性太強(qiáng)(pH值為1)時(shí)糠醇自縮聚占主導(dǎo)，酸性太弱(pH值為5)時(shí)產(chǎn)生的糠醇碳正離子濃度和反應(yīng)活性較弱，不利于自縮聚和共縮聚；在pH值為3時(shí)，共縮聚表現(xiàn)出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。此外，只有在強(qiáng)堿性條件下，即pH值為13時(shí)，改性的大豆蛋白膠黏劑具有較高的穩(wěn)定性。這是因?yàn)橐话銐A性條件下糠醇極其穩(wěn)定，糠醇與大豆蛋白的共縮聚反應(yīng)和糠醇的自縮聚都不明顯，只有在強(qiáng)堿性條件下糠醇可能產(chǎn)生活性稍大的酰胺負(fù)離子與大豆蛋白發(fā)生一定的交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)程度相對(duì)有限，但自縮聚反應(yīng)依然不明顯?？反寂c大豆蛋白的交聯(lián)反應(yīng)程度，影響縮聚產(chǎn)物的內(nèi)聚強(qiáng)度尤其是體系的交聯(lián)密度，最終影響產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性。因此，pH值為3時(shí)，糠醇改性的大豆蛋白膠具有較高的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文采用模型化合物思想研究大豆蛋白基膠黏劑的交聯(lián)改性基礎(chǔ)理論，以組成蛋白質(zhì)分子的二肽為起點(diǎn)，以糠醇作為交聯(lián)劑，采用13C-NMR和ESI-MS分析糠醇交聯(lián)改性大豆蛋白基膠黏劑的機(jī)理。同時(shí)通過(guò)檢測(cè)大豆蛋白膠膠合板性能，分析大豆蛋白基膠黏劑制備基礎(chǔ)理論與實(shí)際性能之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：

1）糠醇與丙谷二肽的共縮聚反應(yīng)和糠醇的自縮聚反應(yīng)，兩者是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

2）一般堿性條件下糠醇極其穩(wěn)定，兩者都不明顯，只有在強(qiáng)堿性條件下糠醇可能產(chǎn)生活性稍大的酰胺負(fù)離子與丙谷二肽發(fā)生一定的共縮聚，反應(yīng)速率較慢，實(shí)現(xiàn)共縮聚的時(shí)間太長(zhǎng)，但自縮聚反應(yīng)依然不明顯。

3）糠醇與丙谷二肽的共縮聚反應(yīng)和糠醇的自縮聚反應(yīng)都需要較強(qiáng)的酸性，且前者低于后者，酸性太強(qiáng)時(shí)糠醇自縮聚占主導(dǎo)，酸性太弱時(shí)產(chǎn)生的糠醇碳正離子濃度和反應(yīng)活性較弱，不利于自縮聚和共縮聚；在pH值為3時(shí)，共縮聚表現(xiàn)出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。

4）糠醇與丙谷二肽共縮聚反應(yīng)和糠醇自縮聚反應(yīng)主要發(fā)生在酸性條件下，糠醇與丙谷二肽發(fā)生共縮聚反應(yīng)位點(diǎn)首先是端酰胺基團(tuán)，其次是伯胺，而肽鍵氨基由于存在較大的空間位阻導(dǎo)致幾乎不參與反應(yīng)。

5）糠醇與大豆蛋白模型化合物反應(yīng)機(jī)理與大豆蛋白基膠黏劑實(shí)際性能具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性，即在pH值為3時(shí)，糠醇與大豆蛋白基膠黏劑反應(yīng)程度較高，表現(xiàn)為較強(qiáng)的耐水性和熱穩(wěn)定性。

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