王瑞瑞

(青海師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016 )

大豆是世界上利用最為廣泛的豆類作物之一，具有營養(yǎng)價值高、價格低廉、來源豐富等特點。大豆分離蛋白(SPI)是一種來源于豆粕且具有較高商業(yè)價值的大豆蛋白產(chǎn)品。由于來源于植物體，消除了傳播疾病的風險，SPI是一種公認的安全化合物(GRAS)。隨著能源危機和環(huán)境污染的日益加劇，充分利用SPI來源豐富、生物相容、可再生、可生物降解等特點，開發(fā)性能優(yōu)良、附加值高的蛋白質(zhì)基生物醫(yī)用材料能夠有效減少石油衍生聚合物的使用，從而減輕環(huán)境污染。SPI基生物醫(yī)用材料的開發(fā)解決了傳統(tǒng)合成類高分子材料的使用安全問題，利于豆類作物的高值轉(zhuǎn)化，已成為研究熱點。

1 大豆分離蛋白的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

SPI由球蛋白(11S)和β-伴球蛋白(7S)組成。7S由三個亞基α、α′和β構(gòu)成。11S是六聚體，見圖1。

圖1 球蛋白分子的結(jié)構(gòu)示意圖[1]Fig.1 Schematic diagram of glycinin molecule(11S) [1]

酸性亞基A和堿性亞基B通過靜電和氫鍵連接成兩個六角形環(huán)，形成一個空心圓柱體。11S在一定的pH或受熱條件下可以分解成7S[1]。SPI中含有8種人體必需氨基酸(異亮氨酸、賴氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、組氨酸)，能夠有效平衡機體內(nèi)氨基酸的組成，膽固醇含量低，可有效降低高血壓、心腦血管疾病的患病風險[2]。與其他天然蛋白相比，SPI具有優(yōu)良的膠凝、發(fā)泡、抗氧化能力和優(yōu)異的生物相容性，被廣泛用于各種功能食品和包裝材料的制備[3]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)SPI富含的精氨酸和谷氨酸能夠強健和修復(fù)受損基因，促進機體新陳代謝和受損細胞新生，具有較強的傷口愈合能力。同時，SPI良好的表面疏水性和優(yōu)異的乳化特性[4]，可以對生物活性組分(維生素D、輔酶Q10、葉酸等)進行高效負載從而用作藥物載體材料[5]。SPI無需額外添加昂貴的生長因子就能夠促進組織細胞再生，良好的生物相容性和低免疫原性使SPI基生物功能材料的研發(fā)及在組織再生、基因傳遞等生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用具有更強的吸引力。

但是，SPI分子結(jié)構(gòu)中存在大量的氨基、羧基、羥基等基團，分子結(jié)構(gòu)中以無規(guī)線團和α螺旋結(jié)構(gòu)為主，因此，SPI基生物材料普遍存在耐濕性差、易脆裂和力學(xué)性能差等缺點[6]。這些缺陷極大地限制了SPI在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，為了改善SPI基生物材料的應(yīng)用性能，通常采用交聯(lián)改性、共混改性等方法對SPI基生物材料進行改性處理，這些方法一定程度上改善了SPI基薄膜的使用性能，拓寬了SPI基生物材料在疏水性藥物載體和創(chuàng)面敷料薄膜等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 大豆分離蛋白基生物醫(yī)用材料制備方法

1940年，人們就開始研究大豆蛋白基功能材料，但是，SPI耐水性和穩(wěn)定性較差，材料硬脆，流變阻力大[7]。而且，SPI極強的吸水性易導(dǎo)致微生物滋生等問題，限制了其作為生物醫(yī)用材料的開發(fā)應(yīng)用。為了克服SPI固有的缺點，拓寬SPI基生物功能材料在醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，通常需要對SPI進行改性處理。

2.1 交聯(lián)改性法

交聯(lián)改性法是豆類蛋白結(jié)構(gòu)的主要修飾策略，也是開發(fā)新型SPI基生物醫(yī)用材料的主要手段[7]。同膠原蛋白一樣，物理、化學(xué)和酶促交聯(lián)改性均可以賦予SPI基蛋白材料致密的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高SPI基蛋白醫(yī)用材料的機械強度。SPI可以通過熱交聯(lián)、輻照交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和酶促交聯(lián)，使SPI分子結(jié)構(gòu)中的—NH2、—OH、—SH等活性基團發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。最有效的SPI交聯(lián)劑為甲醛和戊二醛，但是這兩種交聯(lián)劑改性的SPI基生物功能材料具有潛在的生理毒性，在實際應(yīng)用中受到了限制。Peles等[8]研究了以乙二醛和ι-半胱氨酸為交聯(lián)劑制備SPI改性蛋白膜。結(jié)果表明,乙二醛和ι-半胱氨酸交聯(lián)改性SPI膜具有優(yōu)異的機械性能和藥物緩釋性能，可以有效預(yù)防細菌感染，促進傷口愈合。這種獨特的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以用作燒傷和潰瘍創(chuàng)面敷料，在傷口愈合領(lǐng)域具有大的應(yīng)用潛力。SPI還可以與金屬離子(如Ca2+)產(chǎn)生配位交聯(lián)，實現(xiàn)SPI材料的改性。Vaz等[9]研究在SPI中添加三聚磷酸鈣形成熱塑性材料，這種材料無毒，能夠促進組織細胞增殖，可以用作生物活性骨填充劑和傷口敷料[10]。交聯(lián)改性方法試圖建立交聯(lián)致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而賦予SPI基蛋白材料優(yōu)異的力學(xué)強度，但是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)往往伴隨著材料延伸率的大幅度下降，導(dǎo)致材料的可塑性下降。此外，交聯(lián)改性過程中，交聯(lián)劑的使用所產(chǎn)生的細胞毒性問題一直備受爭議，也極大地限制了交聯(lián)改性SPI材料在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2 共混改性法

采用一些具有獨特性能的材料對SPI進行共混改性，可以賦予SPI基蛋白材料優(yōu)異的功能特性。Tansaz等[11]將納米級生物活性玻璃和SPI進行共混制備了SPI生物降解膜，研究發(fā)現(xiàn)制備的復(fù)合材料對血液和滲出液具有高吸附性，為細胞增殖提供了一個理想的環(huán)境，可作為新型創(chuàng)面止血材料。Han等[12]研究了甘草提取物(LCR)對SPI膜的改性作用。LCR的酚羥基和SPI的活性基團之間可以形成氫鍵，提高了薄膜的機械性能、阻隔(阻水、阻氧、阻光)性能和抗氧化性能。Wu等[13]在SPI成膜液中加入植物源肉桂醛和合成的氧化鋅納米片，增強了SPI膜的力學(xué)性能、屏障性能和抗真菌性能。

將天然產(chǎn)物的活性基團和SPI分子之間通過氫鍵等非共價鍵作用產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高SPI基蛋白膜材料的機械強度，同時賦予材料抗氧、殺菌等功能特性，是目前的一個主要發(fā)展方向。Li等[14]研究用自愈型聚合物對SPI進行共混改性，以解決SPI基材料的不可逆損傷問題，可賦予材料智能特性。自愈性聚合物改性可以延長SPI基蛋白材料的使用壽命、提高生物安全性和降低維護成本，被廣泛應(yīng)用在組織工程領(lǐng)域。他們研究將SPI與聚乙烯亞胺(PEI)和金屬離子Cu(II)或Zn(II)相結(jié)合，制備了具有優(yōu)異自愈性和抗菌性能的高機械強度SPI基蛋白材料。PEI的鏈遷移率高，與SPI的非共價鍵結(jié)合賦予SPI基復(fù)合材料動態(tài)可逆性，即使在室溫下，這些復(fù)合材料也表現(xiàn)出良好的自愈能力。還可以通過改變金屬離子的含量和種類賦予SPI基復(fù)合材料可調(diào)性。此外，PEI和金屬離子具有一定的抗菌能力，克服了SPI易受微生物侵襲污染的缺點。為研制可回收和耐用性的SPI基功能材料提供了新思路。此外，光熱療法(PTT)由于其安全性和高效性，近年來已成為一種很有前途的腫瘤手術(shù)、放療、化療和生物治療的治療方法。PTT法通常使用氧化石墨烯(GO)、碳納米管、納米金粒子、近紅外(NIR)有機染料作為光吸收劑，可產(chǎn)生用于燒蝕腫瘤的局部高溫。在臨床應(yīng)用中可以利用近紅外光輻照燒蝕目標病灶的同時，有效避免了破壞病灶附近組織。Jiang等[15]以SPI和氧化石墨烯為原料，制備了SPI/GO納米復(fù)合材料。氧化石墨烯被SPI原位還原并穩(wěn)定下來，合成的SPI/rGO納米復(fù)合材料在水中具有良好的分散性和生物相容性。可以作為一種光熱劑用于癌癥治療，在抗癌藥物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，共混改性法由于填料沉積速度不同極易造成分布不均等問題，此外，共混改性法生產(chǎn)效率偏低，制備過程容易造成材料污染，目前，這種方法僅限于實驗室研究，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)方面仍然存在一定的局限性。

SPI和多糖共混可以有效保持生物活性分子的活性，為開發(fā)功能醫(yī)用保健品提供了新方向。Xing等[16]研究了SPI改性殼聚糖基薄膜的功能特性。SPI通過與活性基團(如—NH2)反應(yīng)來改變SPI的分子形態(tài)，有效提高了殼聚糖基薄膜的延展性，克服了殼聚糖膜易脆和價格昂貴的缺點，成膜具有優(yōu)異的抗菌性能。Han等[17]研究了由SPI、羧甲基纖維素(CMC)和兒茶素(CT)組成的復(fù)合膜材料，與純SPI膜相比，復(fù)合膜具有更好的水溶性和抗張強度，但是復(fù)合膜的透光性、水蒸氣透過率和伸長率有所下降。此外，復(fù)合膜具有一定清除自由基的能力。Deng等[18]利用熱處理工藝制備了玉米纖維膠(CFG)-大豆分離蛋白(SPI)互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，CFG-SPI互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有規(guī)則、致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和光滑的表面。與SPI水凝膠相比，CFG-SPI互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有更大的硬度和更好延展性。Zheng等[19]采用雙醛羧甲基纖維素(DCMC)改性SPI蛋白膜，顯著提高了薄膜的抗張強度，有效改善了SPI蛋白膜的耐水性，提高了SPI蛋白膜的熱穩(wěn)定性。Pan等[20]采用熱重分析法研究了SPI-海藻酸鈉復(fù)合成膜液的相分離程度與形貌、熱力學(xué)性質(zhì)、膜性能之間的相關(guān)性，為設(shè)計功能性SPI基蛋白材料提供了理論依據(jù)。目前，利用多糖共混改性制備的SPI蛋白膜材料多用于開發(fā)功能型可食包裝材料，由于無法有效地解決SPI蛋白膜材料的耐水性問題，限制了其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

將兩種蛋白質(zhì)共混可以有效改善SPI膠束的流變性，是目前的研究熱點。Beliciu等[21]研究了熱處理的酪蛋白-大豆蛋白復(fù)合膠束的相容性和流變性。熱處理可能引起兩種蛋白之間的相互作用，這種相互作用的強度取決于單個蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)象。結(jié)果表明，經(jīng)熱處理的酪蛋白-大豆蛋白膠束具有復(fù)雜的流變學(xué)行為。當大豆蛋白濃度超過臨界膠凝濃度時，由于溫度超過大豆蛋白的變性溫度，酪蛋白-大豆蛋白復(fù)合膠束通過二硫鍵誘導(dǎo)聚集和膠凝；當大豆蛋白濃度小于臨界膠凝濃度，可以得到粘度較低、儲存穩(wěn)定性好的牛頓液體。熱處理的酪蛋白-大豆蛋白膠束為設(shè)計具有一定質(zhì)感和口感的功能保健材料提供了技術(shù)依據(jù)。但是，利用蛋白質(zhì)共混改法在SPI基生物材料制備過程由于異源蛋白質(zhì)相容性差極，易產(chǎn)生微相分離，導(dǎo)致材料耐水性、機械強度、透光性等應(yīng)用性能無法得到有效改善，極大地限制了SPI基蛋白材料在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3 復(fù)凝聚法

SPI和離子型多糖之間不僅可以產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，還能產(chǎn)生強的靜電吸引相互作用，這為大豆分離蛋白基生物醫(yī)用材料的設(shè)計和開發(fā)提供了新思路。淀粉、纖維素、葡聚糖、殼聚糖和阿拉伯木聚糖等多糖均可以與SPI組裝改性，提高乳化性能和穩(wěn)定性[4]。許多研究者研究了蛋白質(zhì)和離子型多糖之間形成的凝聚物。Yuan等[22]研究用SPI和殼聚糖(CS)在pH 3.0的體系中，121 ℃加熱15 min制備了可溶性的SPI-CS凝聚物，這種凝聚物形成的主要驅(qū)動力為靜電相互吸引作用力，殼聚糖的存在有效提高了SPI在酸性體系的溶解度，賦予了材料優(yōu)異的抗菌性能。Jin等[23]通過光催化制備了SPI-果膠納米粒子(SPP)，SPI和果膠在光催化下自組裝成球形納米粒子。結(jié)果表明,SPP可以作為新型的皮克林乳化劑，經(jīng)SPP穩(wěn)定的乳狀液具有較高的熱穩(wěn)定性、良好的耐鹽性和良好的凍融穩(wěn)定性。Hu等[24]選用黃原膠和角叉菜膠兩種負電荷多糖與SPI在加熱條件下自組裝制備了生物聚合物。自組裝主要的驅(qū)動力來自靜電相互吸引作用力。制備的生物聚合物可以延長其在胃液中的消化時間，可用于減肥等功能飲品的開發(fā)。復(fù)凝聚法簡單易行，是開發(fā)SPI基自組裝生物醫(yī)用材料的一種有效方法。

2.4 自組裝法

蛋白質(zhì)具有高度自組裝特性，因此，通過研究SPI的自組裝行為，利用自組裝方法制備性能優(yōu)異的SPI基自組裝生物醫(yī)用材料是一種安全、高效、可行的策略。Nishinari等[25]為了揭示大豆球蛋白在加熱過程中展開多肽鏈的自組裝過程，研究了β球蛋白和球蛋白在pH 7.0的熱聚集動力學(xué)，闡明了可溶性和不溶性聚集體之間的相態(tài)差異。見圖2，β球蛋白和球蛋白組裝體的粒徑均隨加熱溫度的升高而增大，β球蛋白/球蛋白組裝體的粒徑隨β球蛋白含量的增加而減小，與β球蛋白可溶性聚集體不同，球蛋白不溶性聚集體具有密度較大的核和密度較小的殼，聚集體粒徑較小。結(jié)果表明,β球蛋白終止了球蛋白不溶性團聚體的生長，這是由于β球蛋白與球蛋白中可溶性的堿性多肽相互作用，從而提高了球蛋白的溶解度。何秀婷等[26]研究了在11S和7S在不同條件下的自組裝過程，結(jié)果表明,在低pH值、低離子強度的自組裝條件下，隨著組裝體濃度的增大，大豆蛋白更易發(fā)生纖維化聚集，7S比11S更易形成纖維化聚集體。在酸性環(huán)境下，11S纖維化聚集程度越高，越有利于熱致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。相同條件下，11S自組裝凝膠的結(jié)構(gòu)有序性和凝膠強度均大于7S自組裝凝膠。通過對大豆分離蛋白自組裝動力學(xué)、影響因素的研究，將加深對不同條件下大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)的認知，為大豆分離蛋白基生物醫(yī)用材料的開發(fā)提供依據(jù)。

圖2 β球蛋白/球蛋白熱聚集示意圖[25]Fig.2 Schematic diagram of the thermal aggregation of β-globulin/globulin[25]

Pan等[27]采用靜電層層自組裝法將帶正電的N-(2-羥基-3-氯化三甲銨基)丙基殼聚糖(HTCC)和帶負電的SPI交替組裝在醋酸纖維素(CA)電紡纖維氈上。通過自組裝法制備的HTCC/SPI雙層納米纖維具有更加規(guī)整的三維結(jié)構(gòu)，可作為生物醫(yī)用敷料和功能食品包裝材料使用。Norouzi等[28]采用SPI水凝膠對聚對苯二甲酸乙二醇酯織物(PET)進行表面改性，將丙烯酸(AA)接枝聚合在PET織物表面，用碳二亞胺(EDAC)活化丙烯酸酯結(jié)構(gòu)中的羧基，在PET織物表面涂覆SPI。PET織物作為基材對SPI水凝膠起支撐保護作用，有效改善了SPI水凝膠的機械強度?？捎糜谥苽湫滦蛣?chuàng)面敷料，還可以負載加巴噴丁用于糖尿病潰瘍的治療。

Chen等[29]研究了體系溫度、pH值、蛋白質(zhì)濃度對SPI自組裝過程的影響。見圖3，在室溫下，SPI分子自組裝形成的粒子尺寸隨著pH值的降低而增加。隨著溫度的升高，SPI自聚體發(fā)生部分分解。當溫度進一步升高，SPI分子發(fā)生變性，從而形成更大的聚集體，進而形成凝膠。Chen等[30]還研究了NaCl濃度對大豆蛋白分子自聚的影響。結(jié)果表明,在一定溫度下，凝膠速率隨離子強度、蛋白質(zhì)濃度和聚集體粒徑的增加而顯著提高。凝膠硬度不受聚集體大小和離子強度的影響，但隨著蛋白質(zhì)濃度的增加而顯著增加。與熱誘導(dǎo)的天然大豆蛋白凝膠相比，NaCl誘導(dǎo)SPI自聚體的凝膠速度更快，并且可以在較低的蛋白濃度和溫度下發(fā)生。天然大豆蛋白熱凝膠和鹽誘導(dǎo)凝膠的硬度無明顯差異，但是，后者的活化能更小，結(jié)構(gòu)更均勻。張娜等[31]研究了不同pH值條件下制備了大豆蛋白肽-酪蛋白非磷酸肽自組裝產(chǎn)物。利用熒光光譜對自組裝產(chǎn)物的抗氧化性能進行了分析。結(jié)果表明,隨著體系pH值的變化，處于極性環(huán)境中的色氨酸殘基逐漸向大豆蛋白肽-酪蛋白非磷酸肽組裝產(chǎn)物分子內(nèi)部的非極性環(huán)境中轉(zhuǎn)移，伴隨著熒光強度的變化，自組裝產(chǎn)物的抗氧化能力較高，在pH 6.0時達到最大。Zhang等[32]首次通過超聲誘導(dǎo)的分子自組裝成功制備了雙功能大豆肽納米顆粒(SPN)，該顆粒來源于水解過程中形成了大的不溶性肽聚集物。SPN呈球形，粒徑小、分布均勻。SPN能夠有效覆蓋在油水界面，使乳液具有良好的抗聚結(jié)穩(wěn)定性。SPN對脂質(zhì)氧化具有較好的抑制作用，可以作為一種新型的雙功能乳化劑。Li等[33]以過硫酸銨為引發(fā)劑、巰基乙酸作為蛋白質(zhì)變性劑合成熱響應(yīng)性接枝共聚物[SPI-g-poly(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPA)]，研究了其在水溶液中的自組裝行為。SPI-g-PNIPA接枝共聚物的形態(tài)與體系濃度、溫度、pH值、離子強度有關(guān)，表現(xiàn)出簡單的球形結(jié)構(gòu)、球形核殼結(jié)構(gòu)和隨機的線圈結(jié)構(gòu)。近年來，球狀蛋白(大豆蛋白、乳清蛋白、牛血清蛋白和卵清蛋白等)的自組裝研究在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和功能食品領(lǐng)域已成為研究熱點[34]。

2.5 熔融鑄造法

目前，熔融鑄造法是SPI基蛋白材料工業(yè)化生產(chǎn)的主要方法。該方法包括擠壓、熱壓和注塑三個階段。在高溫、高壓和化學(xué)剪切力的作用下，SPI發(fā)生變性，溶解度降低，轉(zhuǎn)化為連續(xù)的塑性熔體，然后通過模具塑化形成連續(xù)的型材。熔融鑄造法可以獲得強度較大的SPI基材料，但是通常需要加入大量小分子的增塑劑(多元醇、酰胺、羥胺等)提高SPI的可塑性[35]。由于大量小分子增塑劑的使用會導(dǎo)致SPI基蛋白材料的耐水性和透光性變差，而且熔融鑄造法需要的設(shè)備投資成本大、能耗高，經(jīng)濟收益低。

3 大豆分離蛋白基生物醫(yī)用材料的發(fā)展前景

大豆分離蛋白(SPI)價廉易得、來源廣泛，具有優(yōu)異的生物相容性和良好的生物降解性等特點，是集富集、緩釋和靶向于一體的理想載體，開發(fā)以SPI為基材的天然高分子多功能納米載藥體系能夠有效提高疏水性藥物的溶解度，控制藥物釋放率和提高藥物的生物利用率，在藥物輸送和制藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，SPI基醫(yī)用敷料具有較強的保水性、一定的結(jié)構(gòu)靈活性和合適的機械性能、透氣性能和抗感染性能，并且具有優(yōu)異的生物相容性，能夠保持創(chuàng)面的濕潤環(huán)境、防止繼發(fā)性損傷、為細胞遷移和感染清除提供微環(huán)境，是制備創(chuàng)面敷料的理想材料。今后的研究應(yīng)致力于研發(fā)操作簡便、成本較低并且對環(huán)境無毒無害的SPI基生物醫(yī)用材料制備方法，在賦予其優(yōu)異性能的同時有效改善SPI基生物醫(yī)用材料的耐水性、可塑性和穩(wěn)定性。