基于Zein的粘合剂：可持续提取及其在生物粘合技术中的应用

《Advanced Engineering Materials》：Zein-Based Adhesives: Sustainable Extraction and Application in Bioadhesive Technologies

　　摘要

玉米蛋白 Zein 是一种疏水性蛋白质，作为可持续的生物粘合剂替代品，具有巨大的潜力，可以替代传统的石油基粘合剂。本研究探讨了一种从玉米麸质粉（CGM）中提取和纯化 Zein 的可持续方法，并对原始 Zein、纯化后的 Zein 以及市售 Zein 进行了比较分析。样品通过热分析（热重分析 [TGA] 和差示扫描量热法 [DSC]）、光谱分析（傅里叶变换红外光谱 [FTIR] 和紫外-可见光谱 [UV–Vis]）以及形态学分析（热台光学显微镜）进行了表征。原始 Zein 采用水性乙醇提取，并通过反溶剂渗析法去除杂质（包括类胡萝卜素）。在制备粘合剂时，将原始 Zein 与十二烷基硫酸钠 (SDS) 混合并制成薄膜，然后将其浸入 FeCl3 或 CaCl2 溶液中改性。所得的基于 Zein 的粘合剂（Zein/SDS/Fe 和 Zein/SDS/Ca）在多种基底（聚丙烯、玻璃、木材和纸板）上进行了剪切测试。这些粘合剂表现出良好的粘合性能，特别是在木材基底上，证实了其实际应用的潜力。此外，该材料还具有多种有助于提高可持续性和成本效益的特性，例如使用可再生的农业工业副产品作为原料、高提取率（约 90%）、简单的且可扩展的加工流程、乙醇的回收和再利用，以及相对温和的加工条件。

1 引言

自然界提供了丰富的材料和生物体，人类已经学会分析和利用这些资源，其中包括粘合剂。经过数百万年的进化，生物体发展出了各种粘稠和粘性的物质，使植物和动物能够适应环境、繁殖和生存。如今，许多具有粘合性质的天然化合物被应用于化妆品、农业、生物医学等领域。许多粘合剂的灵感来源于不同的生物体，如章鱼、贻贝、壁虎和植物，其结构和成分都为粘合剂的开发提供了灵感。从化学角度来看，植物和动物来源的粘合剂主要由多肽、多糖、多酚和脂质组成 [1]。在蛋白质中，具有不同功能团的氨基酸链负责产生各种粘合性质，从而能够与不同的基底发生特定的相互作用。例如，蛋白质中的羧基和氨基团可以产生强烈的静电和共价作用。此外，大多数蛋白质还具有二级或三级空间结构，这些结构也对其在不同基底上的粘合性能至关重要。由于这些特性，基于蛋白质的粘合剂在多个行业中受到了关注，例如生物医学应用或胶合板制造 [2]。例如，有一种基于丝素蛋白的粘合剂被报道具有适用于皮肤科应用的多功能性质 [3]。Zein 是玉米中的主要蛋白质，由于其独特的性质和作为传统石油基材料可持续替代品的潜力，在食品包装和粘合剂开发领域受到了广泛关注。Zein 通过玉米加工过程中的湿法研磨从玉米胚乳中提取，是一种可溶于酒精的蛋白质，富含脯氨酸、亮氨酸、丙氨酸和谷氨酰胺等非极性氨基酸。这种组成赋予了 Zein 疏水性，使其特别适合需要防潮性能的应用。其在水中的低溶解度进一步增强了其疏水性，扩大了其在各种行业中的应用范围，包括用于潮湿环境中的生物粘合剂 [2]。由于其优异的生物相容性，Zein 在生物医学应用（如组织工程和药物输送）中得到了广泛研究 [4]。Zein 能够形成具有良好透明度、强度和低水蒸气透过性的薄膜，使其能够抵抗微生物的侵袭。它还可以通过相分离技术制备微球（例如用于药物输送）[5]。粘合剂通过与基底的紧密接触形成键合，这种接触由表面能驱动，高表面能的基底允许液体扩散并润湿表面，而低表面能的基底则阻碍液体流动并形成液滴。选择合适的粘合剂需要了解基底和粘合剂的表面能，同时确保足够的内聚强度以在应力下保持完整性，并在基底之间均匀传递应力，通常能够形成机械性能与传统接头相当但成本更低、重量更轻且局部应力集中的粘合剂 [6]。尽管关于粘合机制的普遍共识尚不存在，但四种传统机制被广泛接受：机械互锁、扩散、吸附和表面反应以及静电粘合。机械互锁通过渗透到基底孔隙中来增加表面接触；扩散涉及界面处缠结的聚合物链；吸附在粘合剂和基底功能团之间形成强分子键；静电粘合发生在表面带相反电荷的情况下，常见于胶带应用 [7]。Schmidt 等人 [8] 研究了由 Zein 和植物来源的酚类化合物（如儿茶酚、单宁酸、槲皮素和没食子酸）制成的粘合剂。这些结构存在于贻贝的生物启发型粘合剂中，它们通过 DOPA（3,4-二羟基苯丙氨酸）蛋白附着在表面上，这些蛋白也含有酚类化合物。他们发现 Zein–儿茶酚粘合剂的粘合性能与商业产品（如超级胶水）相当 [9]。Zein–单宁酸粘合剂在木材和铝基底上进行了测试，其粘合强度取决于基底、pH 值和粘合剂组成 [10]。Zein–单宁酸粘合剂在水下粘合测试中也表现良好，适用于铝、青铜、钢、塑料和石灰石 [11]。另一项研究通过用单宁酸改性来提高基于蛋白质的粘合剂的耐水性，研究了 Zein 和单宁酸之间的络合机制。Zein 在潮湿应用中表现出最佳性能 [12]。Zhang 等人 [13] 描述了通过脱脂和脱色玉米麸质粉（CGM）来提取 Zein 的过程，然后在含有亚硫酸氢钠和醋酸的乙醇溶液中进行超声处理以分离 Zein。随后通过用醋酸或乙醇塑化提取的 Zein 来制备粘合剂。研究结果表明，α-zein 与醋酸结合的粘合强度和耐水性优于其他组合，使其成为防水粘合剂的理想候选者。尽管 Zein 在水中不溶，但在十二烷基硫酸钠 (SDS) 等阴离子表面活性剂的存在下会变得可溶并带有负电荷。这种机制结合金属阳离子（在粘合剂开发中起重要作用）的存在，显著提高了材料与基底的粘合性。Wei 等人 [2] 开发了一种基于 Zein/SDS 与不同金属阳离子之间静电相互作用的粘合剂，得出结论 Fe3+ 离子是制备这些粘合剂的最佳候选者。这种行为可以归因于 Zein 与三价铁离子 (Fe3+) 之间形成的配位复合物的高稳定性，这种稳定性受到金属离子本身的性质（如电荷、离子半径和离子势）的控制。在这种情况下，Fe3+ 离子促进了与 Zein 的羧基和羟基的配位相互作用，作为多价离子交联点，增强了网络的凝聚力。相比之下，Ca2+ 离子主要通过静电相互作用起作用，包括离子桥接和电荷屏蔽，减少了聚合物链之间的静电排斥并促进了结构紧凑 [14]。基于这一机制，Ca2+ 离子被用于海藻酸基粘合剂中，海藻酸作为粘合剂的骨架。为了进一步研究基于 Zein 的潜在预处理改性的粘合性能，开发了一种包含 Zein、SDS、三价铁离子 (Fe3+) 和氯化钙 (CaCl2) 的配方。Swallen 和 Haute [15] 的专利详细描述了从 CGM 中提取 Zein 的第一个商业方法。后来的专利描述了一种使用 85% 的 2-丙醇在 60°C 下进行商业提取的改进方法。提取的 Zein 溶液冷却至 15°C 后过滤，然后在己烷中脱色 [16, 17]。该方法获得了 CGM 中 50% 的蛋白质含量的 Zein。这种方法的显著问题是使用了两种提取溶剂，必须分离和回收这些溶剂以维持盈利能力。这一过程成本较高，特别是分离用于脱色的己烷和 2-丙醇 [18]。最近的研究集中在改进现有提取程序以提高 Zein 的产量和纯度上。此外，还研究了绿色溶剂和可持续方法以减少环境影响和加工成本 [19]。溶剂与超滤和膜技术等技术的结合进一步优化了提取过程，提高了提取 Zein 的质量和可用性 [18]。尽管本研究的重点是從 CGM 中提取 Zein，但需要注意的是，其他副产品也可以用于 Zein 的提取。随着玉米加工行业的进步，干燥的酒糟（DDGS）已成为 Zein 的有吸引力的替代来源。DDGS 是玉米乙醇行业的副产品，富含 Zein，使其成为一种有前景的提取材料。从 DDGS 中提取 Zein 的过程涉及多种溶剂系统和技术，旨在最大化产量同时确保可持续性。像异丙醇和 1,4-二氧环己烷这样的绿色溶剂显示出高提取效率和较低的环境影响。此外，优化操作参数（如温度、pH 值和溶剂与水的比例）对于提高从 DDGS 中提取 Zein 的效率至关重要 [19, 20]。Sessa 等人 [21] 比较了各种脱色方法，包括溶剂分配、活性炭、柱色谱、超滤/渗滤、丙烷提取和超临界流体提取。他们发现，超临界流体提取和活性炭获得了最佳结果，其中活性炭比超临界流体提取更便宜且使用更方便 [22]。Du 等人 [22] 使用两种方法制备了白色 Zein：低温沉淀和活性炭脱色。他们发现沉淀器的温度、体积比和 Zein 溶液的 pH 值显著影响了低温沉淀法的脱色效率，其中温度的影响最大，低温沉淀法的性能优于活性炭脱色。尽管 Zein 的提取已有大量报道，但许多现有方法依赖于复杂的程序、较低的总体产量或有限的可扩展性。在这项工作中，我们提出了一种简单且可扩展的从 CGM 中提取 Zein 的方法，这是一种工业玉米副产品，重点在于高提取效率、溶剂回收和过程的可持续性。本研究旨在开发和优化一种环保的 Zein 提取和纯化方法，评估该过程的效率、纯化步骤的有效性以及所得生物聚合物的性质。此外，还研究了纯化 Zein 在生物粘合剂配方中的适用性，强调了其在实际和可持续应用中的潜力。

2 材料与方法

CGM（CGM60）是玉米淀粉提取的副产品，由 Ingredion Incorporated 提供。商业 Zein 由 Sigma–Aldrich 提供。乙醇（99.5% v/v）从 êxodo Científica 购买。十二烷基硫酸钠 (SDS)、三价铁离子 (FeCl3) 和氯化钙 (CaCl2) 也从 êxodo Científica 获得。使用聚丙烯、玻璃、纸板和木材基底来评估制备的基于 Zein 的粘合剂的粘合性能。

2.1 Zein 提取

首先，使用 500 克 CGM（CGM60）来获取原始 Zein。在一个带盖的玻璃容器中加入 CGM60，并与乙醇溶液（75% v/v）混合。固体与液体的比例为 1:10 g/mL。在室温下不断搅拌提取 24 小时。之后，Zein 溶解（液相），而不溶于乙醇的化合物（碳水化合物、其他蛋白质）沉淀在容器底部。然后过滤上清液以分离液相中的分散颗粒，接着使用旋转蒸发器在低压下（Edwards 真空泵）进行蒸馏，速度为 55 rpm，并在 40°C 的水浴中加热。将浓缩后的溶液加入 80°C 的蒸馏水中以分离不溶于乙醇的化合物。由此过程产生的沉淀物（原始 Zein）放在塑料薄膜上，在 40°C 的烤箱中干燥 24 小时，然后研磨成粉末形式。

2.2 Zein 纯化

使用 Rodríguez-Félix 等人 [23] 提出的反溶剂渗析方法来纯化原始 Zein 以分离类胡萝卜素。渗析使用分子量截止值（MWCO）为 12 kDa 的半透膜进行。渗析膜在 90°C 的蒸馏水中活化，然后将 80% v/v 乙醇中的原始 Zein 样品放入膜中，并置于含有蒸馏水作为反溶剂的渗析器中。系统在 25°C 下保持恒定磁力搅拌 72 小时。外部介质每8小时更换一次，以确保溶剂的有效交换以及类胡萝卜素颗粒和其他低分子量杂质的去除。透析后，纯化的玉米醇溶蛋白被回收并在40°C的烤箱中干燥24小时，然后研磨成细粉。

2.3 热重分析（TGA）
对原始（RZ）、纯化（PZ）和商业玉米醇溶蛋白（CZ）样品进行了热重分析，以评估这些材料的热稳定性和成分。分析使用的是PerkinElmer公司的Pyris 1 TGA仪器，数据分析也由该公司的Pyris软件完成。测试条件如下：温度范围从25°C到650°C，氮气流量为20 mL/min，加热速率为20°C/min。

2.4 差示扫描量热法（DSC）
使用TA Instruments公司的DSC Q10量热模块和TA Universal Analysis 2000 Thermal Advantage for Q Series软件，对原始（RZ）、纯化（PZ）和商业玉米醇溶蛋白（CZ）样品的热行为进行了分析。该模块配备了制冷冷却系统（RCS）附件。分析在惰性气氛中进行，氮气流量为20 mL/min，加热速率为10°C/min。测试过程包括：（i）从25°C加热到150°C，（ii）从150°C冷却到25°C，以及（iii）再次从25°C加热到240°C。

2.5 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
为了识别官能团并比较三种样品的光谱，使用PerkinElmer公司的Spectrum 100仪器和Spectrum软件版本10.4.3，对原始（RZ）、纯化（PZ）和商业玉米醇溶蛋白（CZ）进行了傅里叶变换红外光谱分析。扫描范围为4000至550 cm?1，每次分析进行16次扫描。

2.6 紫外-可见光（UV–Vis）光谱
在石英比色皿中，对原始（RZ）、纯化（PZ）和商业玉米醇溶蛋白（CZ）样品进行了紫外-可见光光谱测量。测量使用的是紫外-可见光分光光度计，波长范围为240–320 nm，目的是定性识别和比较在此范围内吸收辐射的化合物（特别是氨基酸）。

2.7 热台光学显微镜
热台光学显微镜用于观察玉米醇溶蛋白样品（RZ、PZ和CZ）在加热过程中的热行为、相变和热转变。该技术可以实时显示特定温度范围内的形态变化和分解过程。图像和记录使用Mettler Toledo HS82热台和Olympus BX51显微镜获取。第一次加热从30°C开始，加热速率为10°C/min；第二次加热从250°C开始，加热速率为4°C/min。

2.8 原始玉米醇溶蛋白和十二烷基硫酸钠（SDS）基粘合剂的制备
首先，将5克原始玉米醇溶蛋白溶解在95克浓度为200 mmol/L的SDS水溶液中，并搅拌3小时直至完全溶解。所得的玉米醇溶蛋白/SDS溶液（8克）倒入PTFE模具中，在70°C的烤箱中干燥以形成薄膜。然后，将这些薄膜浸入5 wt%的FeCl3或CaCl2溶液中15分钟，以制备最终的基于玉米醇溶蛋白的粘合剂。分别用FeCl3和CaCl2制备的粘合剂被称为Fe基粘合剂（Zein/SDS/Fe）和Ca基粘合剂（Zein/SDS/Ca）。为了更好地保存和后续沉积在测试基材上，粘合剂被储存在3毫升的注射器中。这种制备方法最初由Wei等人[2]使用商业玉米醇溶蛋白引入，并在本研究中适应于从CGM提取的原始玉米醇溶蛋白。

2.9 剪切测试
根据ASTM 3163-23标准，使用剪切测试评估了基于玉米醇溶蛋白的粘合剂在聚丙烯、玻璃、纸板和木材基材上的粘附性能。测试在Instron 5969万能试验机上进行，数据分析使用Bluehill软件，十字头移动速度为5 mm/min。测试前，粘合剂在基材之间均匀涂抹，形成大约300–500 μm的粘合层厚度。组装好的样品在室温条件（约25°C和30%–60%相对湿度）下固化48小时。这些固化条件与之前关于基于玉米醇溶蛋白的粘合剂的研究一致[2]，其中溶剂蒸发和分子间相互作用有助于形成负责粘附的蛋白质网络。每个样品至少测试五个样品。使用单因素方差分析（ANOVA）进行统计分析，以评估样品间的剪切强度差异。分析分别针对两组进行：（i）PP、玻璃和松木基材；（ii）纸板基材——白色-白色（WW）、棕色-棕色（BB）和白色-棕色（WB）面。所有测量结果以平均值±标准差表示，每个条件重复五次（n=5）。当检测到显著差异时，应用Tukey的事后检验进行组间多重比较。统计显著性水平为95%（p<0.05）。不同的字母用于表示样品间的统计显著差异。

3 结果与讨论
3.1 热分析
图1显示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品的TG和DTG结果。TG曲线中首次质量损失（在25°C到约100°C之间）约为8%，主要对应于挥发性化合物的蒸发，尤其是水。所有三条曲线在100°C之后都显示出轻微的质量损失，这可以归因于结合水的蒸发。最终且最显著的质量损失与玉米醇溶蛋白的降解有关，起始温度分别约为250°C，最大降解温度分别为333°C、330°C和330°C。

图2a–c展示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品在第一次加热（25°C–150°C）、冷却（150°C–25°C）和第二次加热（25°C–240°C）过程中的DSC曲线。所有第一次加热曲线在60°C–100°C区域都显示出吸热峰。Neo等人[24]将这些峰与挥发性成分的丢失联系起来，而Guinesi和Cavalheiro[25]、Müller等人[26]以及Sun等人[27]则认为可能是链松弛所致。蛋白质的三维结构有几个方面，如变性过程，可以通过热分析来评估[26]。Mothé等人[28]将蛋白质热图中的吸热峰归因于其物理相互作用（如氢键、静电相互作用和偶极-偶极相互作用）的不稳定和断裂，导致蛋白质三维结构的丧失。所有玉米醇溶蛋白样品在DSC测试前都在70°C的真空烤箱中干燥了12小时。因此，这个吸热峰很可能是由于变性过程造成的。

图2展示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品在（a）第一次加热、（b）冷却和（c）第二次加热循环期间的差示扫描量热（DSC）曲线。在150°C–180°C区域也可以观察到DSC曲线线性轮廓的变化（图2c）。这种变化可能与玉米醇溶蛋白的玻璃化转变温度（Tg）有关，表明在这个温度范围内，蛋白质链变得柔软。Do?an等人[29]、Müller等人[26]以及Santosa和Padua[30]也确定玉米醇溶蛋白的Tg在160°C–180°C范围内。第一次冷却和第二次加热循环中没有出现吸热和放热事件，证实了变性的不可逆性。这种行为很可能是因为在第一次加热循环中发生的变性过程是不可逆的。一旦蛋白质变性，特别是在100°C以上，氢键和静电力等相互作用被破坏，导致的结构变化在冷却后不会恢复。因此，在后续循环中未检测到通常与天然蛋白质结构相关的热转变。

3.2 FTIR光谱分析
图3显示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品的FTIR光谱。三条曲线的吸收峰在宽度和波长上具有相当大的相似性。由于这种相似性，可以推断原始和纯化玉米醇溶蛋白样品与商业玉米醇溶蛋白在结构上的相似性。

图3展示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。蛋白质的特征FTIR光谱通常显示九个吸收带：酰胺A、酰胺B和酰胺I–VII，其中酰胺A、I和II是最显著的带[19]。在3000–3500 cm?1的吸收范围内观察到的3290 cm?1峰是N–H伸缩的特征[19, 24]。在2925和2855 cm?1观察到的峰是脂肪族氨基酸组中的C–H伸缩的特征[24, 31]。1640 cm?1的峰是酰胺I吸收带中的C=O伸缩[24]和C–C伸缩[31]的特征，而1530 cm?1的峰与酰胺II吸收带中的N–H弯曲和C–N伸缩有关[24, 32]。纯化后，酰胺I带从1634 cm?1移动到1640 cm?1，表明氢键和蛋白质二级结构发生了变化。I1640/I1530的强度比从1.2增加到1.4，表明分子有序性增强[24]。观察到的位移和强度变化表明去除了疏水性杂质（如类胡萝卜素），可能使得蛋白质环境更加均匀。

图4显示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品的UV–Vis吸收光谱。图5展示了本实验中使用的相应玉米醇溶蛋白溶液——原始（RZ）、纯化（PZ）和商业（CZ）——的颜色差异，这些差异是由于类胡萝卜素含量造成的。三条光谱在相似的区域显示出吸收峰，表明样品在氨基酸组成上的相似性[4]。所有三条曲线都在约280 nm处显示出UV吸收峰，这通常归因于色氨酸（285 nm）和酪氨酸（277 nm）的振动[27]。纯化玉米醇溶蛋白样品与商业和原始玉米醇溶蛋白的峰强度差异可以归因于类胡萝卜素分离过程中可能达到的纯度，这从其比商业玉米醇溶蛋白更白的颜色可以看出[5]。

图4展示了原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品的UV–Vis吸收光谱。应当注意的是，本研究中主要使用UV–Vis光谱来确认溶液中是否存在蛋白质，这是通过大约280 nm处的特征吸收带来证明的。尽管类胡萝卜素通常在250–500 nm范围内有吸收，但本研究的范围不包括类胡萝卜素去除的定量评估。因此，光谱分析没有扩展到这个区域，也没有关于类胡萝卜素去除的定量数据。这是本研究的局限性，应在未来的研究中加以解决。

3.4 热台光学显微镜
热台光学显微镜用于观察原始、纯化和商业玉米醇溶蛋白样品的热行为。纯化和商业玉米醇溶蛋白在加热过程中都经历了明显的熔化过程，表明这些材料具有典型的相变[图6b,c]。相比之下，原始玉米醇溶蛋白没有表现出熔化行为，而是直接进入了降解阶段[图6a]。这表明原始玉米醇溶蛋白中的杂质和残留成分（如类胡萝卜素）显著影响了其热稳定性，阻止了熔化相的发生并导致了分解。这些观察结果突显了纯化对玉米醇溶蛋白热性能的影响，纯化和商业样品显示出比原材料更可预测的热转变。

3.5 玉米醇溶蛋白提取：产率分析和放大潜力
Ingredion公司的CGM60平均含有60%的总蛋白质。其中估计约有50%是玉米醇溶蛋白。因此，CGM60的组成中大约有30%是玉米醇溶蛋白。CGM60的平均含水量为15%，因此在500克CGM60中包含425克干物质。通过热重分析（TGA）得到125克含有8%水分的醇溶蛋白，相当于115克干物质。这一结果表明，提取率达到了预期醇溶蛋白含量的90%，这一估计基于文献中对CGM中醇溶蛋白含量的30%的估算。

3.6 基于醇溶蛋白的粘合剂的粘附性能

对聚丙烯、玻璃、木材和纸板基材进行了剪切测试，以评估这些材料的粘合性能。每种基材上都涂覆了相同量的粘合剂，并对每种基材至少进行了五个样品的剪切测试。测试后，通过视觉分析确定了失效模式，将其分类为粘合失效、内聚失效或混合失效。图7a展示了涂有基于醇溶蛋白的粘合剂（Zein/SDS/Fe和Zein/SDS/Ca）的样品，以及它们的剪切测试结果（图7b）和测试后的断裂表面（图7c,d）。Zein/SDS/Fe粘合剂主要表现出内聚失效或混合失效，表明粘合剂基体具有有效的界面粘附力和内部凝聚力。而Zein/SDS/Ca粘合剂则表现出更脆性的行为，主要以粘合失效为主。

图7：
(a) 涂有基于醇溶蛋白的粘合剂（Zein/SDS/Fe和Zein/SDS/Ca）的不同基材的剪切测试样品；
(b) 剪切测试过程中的情况；
(c) Zein/SDS/Fe的粘合失效；
(d) Zein/SDS/Ca的更脆性行为。

图8显示了每种基材和每种粘合剂的最大应力值（单位：kPa）。对于纸板，粘合剂可以涂在两面白色（WW）、两面棕色（BB）或一面白色一面棕色（WB）上。纸板的白色表面经过涂层处理，较为光滑，而棕色表面未经涂层，表面更粗糙。比较两种粘合剂，Zein/SDS/Fe在聚丙烯和木材上的剪切强度高于Zein/SDS/Ca（图8a）。对于玻璃和纸板基材，在所有测试面上，Zein/SDS/Ca粘合剂的剪切强度都高于Zein/SDS/Fe（图8a,b）。对两种粘合剂断裂表面的视觉分析（图7c,d）也表明Zein/SDS/Fe的内聚性更好，而Zein/SDS/Ca则更多表现为粘合失效。在松木上，Zein/SDS/Fe的粘合强度最高（1090 ± 280 kPa），其次是玻璃（160 ± 30 kPa）和聚丙烯（120 ± 20 kPa）。对于Zein/SDS/Ca，玻璃的粘合强度最高（240 ± 40 kPa），其次是木材（120 ± 120 kPa）和聚丙烯（40 ± 25 kPa）（图8a）。图8b显示，在纸板基材上，含Ca2+的粘合剂在大多数界面（WW、BB和WB）上的剪切强度高于含Fe3+的粘合剂。这些结果与图8a中的结果一起，强调了粘合性能受基材影响的特性。粘合剂的性能不仅受离子相互作用的影响，还受表面能、润湿行为和固化过程中的缺陷形成的影响。因此，不同基材之间的差异是预期之中的，并且与基于蛋白质的粘合系统所涉及的复杂机制一致。这些结果表明，这些粘合剂可以有效地应用于多种基材上。

4 结论

本研究全面探讨了从丰富的农业工业副产品——玉米淀粉渣（CGM）中可持续提取和应用醇溶蛋白的方法。提取和纯化过程获得了高质量的醇溶蛋白，这一点通过热分析、光谱分析和形态学表征得到了验证。对原始醇溶蛋白、纯化醇溶蛋白和商业醇溶蛋白的比较研究揭示了纯化过程对材料性能的影响。约90%的醇溶蛋白提取率证明了所提出过程的高效率。该过程的简单性加上高产率，表明其具有很强的可扩展性和工业应用潜力。此外，提取过程中使用的乙醇通过旋转蒸发成功回收并可以重复使用，从而提高了过程的可持续性。重要的是，使用农业工业副产品作为原料材料，突显了这种提取方法的经济和环境优势。基于醇溶蛋白的粘合剂的开发和测试表明，含有氯化铁的配方（Zein/SDS/Fe）在木材基材上表现出更好的机械性能，而含有钙的配方（Zein/SDS/Ca）在纸板基材上表现更佳。这些结果强调了从CGM中提取的醇溶蛋白作为商业粘合剂的成本效益高且环保的替代品的潜力。然而，本研究尚未对可持续性和成本效益进行详细评估，应在未来的工作中加以解决。此外，还需要进一步研究以改善粘合剂在潮湿条件下的强度，并评估其长期稳定性。

作者贡献：

Paula Bertolino Sanvezzo：概念构思（平等参与）、数据管理（平等参与）、形式分析（平等参与）、研究工作（平等参与）、方法论设计（平等参与）、验证（主导）、可视化展示（主导）、初稿撰写（主导）。
Daniela Winsley Valereto Friozi：概念构思（平等参与）、数据管理（平等参与）、形式分析（平等参与）、研究支持（参与）、方法论设计（参与）、验证（平等参与）、初稿撰写（平等参与）。
Vinícius de Oliveira：概念构思（平等参与）、研究支持（参与）、方法论设计（参与）、初稿撰写（平等参与）。
Marcia Cristina Branciforti：概念构思（主导）、资金获取（主导）、项目管理（主导）、资源协调（主导）、监督工作（主导）、验证（参与）、审稿与编辑（主导）。

致谢：

作者感谢巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES，财务代码001，项目编号88887.887751/2023-00和88887.833343/2023-00）和圣保罗研究基金会（FAPESP，项目编号2022/16745-4）提供的财务支持，以及S.A. Yoshioka教授提供的醇溶蛋白提取实验设施。本文的发表费用由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）资助（ROR标识符：00x0ma614）。

本研究得到了巴西高等教育人员培训协调委员会（项目编号88887.887751/2023-00、88887.833343/2023-00、001）和圣保罗州研究基金会（项目编号2022/16745-4）的支持。

利益冲突：

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明：

支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。