過(guò)熱水法降解廢棄角蛋白材料及其應(yīng)用研究.pdf

1、角蛋白是一類廣泛存在毛發(fā)、羊毛、羽毛、指甲以及動(dòng)物麟角等結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)。角蛋白不僅可以作為營(yíng)養(yǎng)源，并且可以作為一種具有良好的生物相容性、可降解性、以及獨(dú)特的生物學(xué)特性的天然材料，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、高分子材料、紡織及護(hù)膚化妝品等眾多領(lǐng)域。然而迄今為止，角蛋白的提取及廢棄角蛋白材料的回收再利用仍存在很多問(wèn)題。目前常用的各種提取工藝大多需要使用各類氧化劑、還原劑、助劑等化學(xué)試劑，不僅使得提取得到的角蛋白需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的提純分離工藝，并且也限制

2、了角蛋白在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，不利于高附加值的角蛋白基新材料的開(kāi)發(fā)。
　　過(guò)熱水是近年來(lái)新興的一種綠色溶劑，利用水在過(guò)熱條件下所具有的獨(dú)特性質(zhì)，一些研究學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于氫鍵聚合物的溶解過(guò)程中。有文獻(xiàn)報(bào)道稱，在不添加任何化學(xué)試劑和其他反應(yīng)物的情況下，可以使用過(guò)熱水將角蛋白完全溶解，并且溶解得到的寡肽分子具有自組裝性能。然而，關(guān)于具有自組裝性能的寡肽分子的結(jié)構(gòu)變化以及氨基酸相關(guān)信息仍無(wú)詳細(xì)研究。另一方面，由于使用過(guò)熱水法提取得到的

3、角蛋白溶液不含有任何化學(xué)試劑，因此可以作為一種結(jié)構(gòu)單元或生物材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等諸多領(lǐng)域。但是到目前為止，相關(guān)應(yīng)用研究較少，并沒(méi)有深入開(kāi)展。
　　本課題以廢棄角蛋白材料作為研究對(duì)象，使用過(guò)熱水法對(duì)其中的角蛋白進(jìn)行提取，并在對(duì)降解產(chǎn)物表征分析的基礎(chǔ)上將其應(yīng)用于納米材料制備、復(fù)合膜制備以及羊毛防氈縮整理中，為后續(xù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論支持。主要研究工作如下：
　　首先，本論文采用過(guò)熱水法對(duì)廢棄羽毛進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)

4、使用此種方法提取的寡肽水溶液具有自組裝能力。通過(guò)改變降解時(shí)間、降解溫度、濃度等條件得出最適宜寡肽自組裝行為的降解工藝條件：降解溫度為220℃、降解時(shí)間為60 min、羽毛固液比為20 mg/mL，在此條件下降解羽毛并使自組裝寡肽自然生長(zhǎng)15天。在此工藝下，羽毛的溶解率為77.40％，偏光顯微鏡照片顯示降解得到的寡肽通過(guò)自組裝行為不斷生長(zhǎng)、分叉、支化最終成為樹(shù)枝狀晶體。FTIR-ATR、固體1H核磁共振和固體13C核磁共振結(jié)果顯示：與羽毛

5、原樣相比，寡肽晶體的二級(jí)結(jié)構(gòu)中折疊所占的比重減少而螺旋的含量顯著增加，同時(shí)伴隨著無(wú)規(guī)卷曲的少量增加。與結(jié)構(gòu)變化相對(duì)應(yīng)，晶體中側(cè)鏈和主鏈的移動(dòng)性降低。通過(guò) MALDI-TOF-TOF測(cè)試發(fā)現(xiàn)具有自組裝性能的寡肽分子量多集中在1000-2000Da，其中含量最多的為1884Da。經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，此序列屬于KRFA_CHICK of Gallus gallus且來(lái)源于廣泛存在于角蛋白分子鏈急轉(zhuǎn)彎區(qū)域的core-box序列中。氨基酸分析發(fā)現(xiàn)寡肽晶

6、體保留了羽毛原樣中存在的幾乎全部氨基酸種類，但是其中疏水氨基酸所占的比例有了大幅增加。
　　其次，本論文采用第二章中使用過(guò)熱水法降解得到的角蛋白溶液作為還原劑和穩(wěn)定劑制備納米銀材料，并對(duì)納米粒子與角蛋白的相互作用、納米銀的穩(wěn)定性和抑菌性能進(jìn)行了探討。通過(guò)改變pH值、角蛋白降解物濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間獲得平均尺寸為3.24±0.55 nm的球形納米銀粒子。TEM和XRD分析認(rèn)為，角蛋白降解物制備得到的納米銀中有大量的納米銀粒子為單

7、晶結(jié)構(gòu)且在（111）方向上有較高的取向性。FTIR-ATR分析發(fā)現(xiàn)角蛋白降解物與納米銀粒子表面結(jié)合時(shí)并沒(méi)有引起蛋白質(zhì)構(gòu)型的變化。制備得到的納米銀粒子具有良好的穩(wěn)定性：可以室溫放置6個(gè)月以上；當(dāng)體系中存在高濃度的NaCl時(shí)保持穩(wěn)定；當(dāng)體系pH值發(fā)生改變時(shí)可以發(fā)生可逆性團(tuán)聚-分散。同時(shí)，制備得到的納米銀粒子抑菌效果優(yōu)良，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均達(dá)到>99.99%。
　　再次，本論文系統(tǒng)研究了角蛋白/納米銀-殼聚糖復(fù)合膜的性

8、能。本文將制備得到的角蛋白/納米銀與殼聚糖通過(guò)溶液澆注法制得角蛋白/納米銀-殼聚糖復(fù)合膜，并對(duì)復(fù)合膜的光學(xué)性能、力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、抑菌性能等進(jìn)行分析。研究表明，隨著角蛋白/納米銀的加入，復(fù)合膜的表觀顏色逐漸由淺黃色變?yōu)樯钭厣?，并且隨著角蛋白/納米銀含量的增加，復(fù)合膜的透明度也逐步下降。掃描電鏡圖顯示，角蛋白/納米銀粒子與殼聚糖溶液具有較好的相容性；XRD測(cè)試結(jié)果顯示角蛋白/納米銀粒子的加入降低了殼聚糖膜的結(jié)晶度。接觸角測(cè)試表明，角蛋

9、白/納米銀的加入可以提高材料的疏水性，角蛋白/納米銀為原溶液濃度的50%時(shí)復(fù)合膜的接觸角最大；力學(xué)測(cè)試表明，隨著角蛋白/納米銀-殼聚糖復(fù)合膜中角蛋白/納米銀濃度的增大，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度由63.75MPa上升至112.38MPa；熱力學(xué)測(cè)試表明，復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性有所提高。抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，角蛋白/納米銀-殼聚糖復(fù)合膜的抑菌性明顯優(yōu)于殼聚糖膜，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均達(dá)到>99.99%。
　　最后，本論文將過(guò)熱水法提取得到

10、的羊毛角蛋白溶液直接應(yīng)用于羊毛防氈縮整理中，在對(duì)羊毛角蛋白自身性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上詳細(xì)研究了整理后織物的防氈縮性能。MALDI-TOF測(cè)試結(jié)果顯示，過(guò)熱水法降解得到的角蛋白分子量均小于1600Da，屬于多肽形式。FTIR-ATR、XRD和熱力學(xué)分析結(jié)果顯示，在過(guò)熱水溶解過(guò)程中原先存在于羊毛蛋白質(zhì)分子中相鄰肽鏈間的大量氫鍵鏈接被打斷，羊毛原有的規(guī)整結(jié)構(gòu)被破壞，提取得到的角蛋白粉末結(jié)晶度降低，熱穩(wěn)定性比羊毛本身有所下降。優(yōu)化還原劑預(yù)處理-角

11、蛋白防氈縮工藝條件為：a.預(yù)處理?xiàng)l件：亞硫酸鈉20%(o.w.f)，非離子表面活性劑10%(o.w.f)，浴比1:30，60℃，處理30min。b.角蛋白濃度70g/L，亞硫酸鈉5%(o.w.f)，浴比1:15，處理溫度65℃，處理時(shí)間90min，充分水洗，100℃烘干。處理后的羊毛織物氈縮率由19.84%降至4.03%，可達(dá)到國(guó)際羊毛防氈縮標(biāo)準(zhǔn)，織物強(qiáng)力保留率為91.2%，并且織物手感柔軟。羊毛織物的氨基酸分析結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后織

12、物的胱氨酸含量由原織物的8.42%下降至5.64%，而使用過(guò)熱水法和還原法提取得到的角蛋白進(jìn)行整理后織物的胱氨酸含量分別上升至6.02%和6.67%。由此說(shuō)明，在預(yù)處理階段還原劑可在一定程度上破壞二硫鍵，降低鱗片層的完整性；在角蛋白整理過(guò)程中，還原劑的存在可以使羊毛纖維和角蛋白分子生成反應(yīng)性巰基，并發(fā)生部分交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的二硫鍵，而未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)性巰基在隨后的烘干過(guò)程中會(huì)被空氣中的氧氣氧化，生成不同程度的氧化產(chǎn)物，失去反應(yīng)活性