过热水法降解废弃角蛋白材料及其应用研究

摘要

角蛋白是一类广泛存在毛发、羊毛、羽毛、指甲以及动物麟角等结构中的蛋白质。角蛋白不仅可以作为营养源，并且可以作为一种具有良好的生物相容性、可降解性、以及独特的生物学特性的天然材料，广泛应用于生物医药、高分子材料、纺织及护肤化妆品等众多领域。然而迄今为止，角蛋白的提取及废弃角蛋白材料的回收再利用仍存在很多问题。目前常用的各种提取工艺大多需要使用各类氧化剂、还原剂、助剂等化学试剂，不仅使得提取得到的角蛋白需要经过复杂的提纯分离工艺，并且也限制了角蛋白在生物医药等领域的应用，不利于高附加值的角蛋白基新材料的开发。
　　过热水是近年来新兴的一种绿色溶剂，利用水在过热条件下所具有的独特性质，一些研究学者尝试将其应用于氢键聚合物的溶解过程中。有文献报道称，在不添加任何化学试剂和其他反应物的情况下，可以使用过热水将角蛋白完全溶解，并且溶解得到的寡肽分子具有自组装性能。然而，关于具有自组装性能的寡肽分子的结构变化以及氨基酸相关信息仍无详细研究。另一方面，由于使用过热水法提取得到的角蛋白溶液不含有任何化学试剂，因此可以作为一种结构单元或生物材料应用于生物医学、材料学、化学等诸多领域。但是到目前为止，相关应用研究较少，并没有深入开展。
　　本课题以废弃角蛋白材料作为研究对象，使用过热水法对其中的角蛋白进行提取，并在对降解产物表征分析的基础上将其应用于纳米材料制备、复合膜制备以及羊毛防毡缩整理中，为后续的工业化应用提供理论支持。主要研究工作如下：
　　首先，本论文采用过热水法对废弃羽毛进行降解实验，并发现使用此种方法提取的寡肽水溶液具有自组装能力。通过改变降解时间、降解温度、浓度等条件得出最适宜寡肽自组装行为的降解工艺条件：降解温度为220℃、降解时间为60 min、羽毛固液比为20 mg/mL，在此条件下降解羽毛并使自组装寡肽自然生长15天。在此工艺下，羽毛的溶解率为77.40％，偏光显微镜照片显示降解得到的寡肽通过自组装行为不断生长、分叉、支化最终成为树枝状晶体。FTIR-ATR、固体1H核磁共振和固体13C核磁共振结果显示：与羽毛原样相比，寡肽晶体的二级结构中折叠所占的比重减少而螺旋的含量显著增加，同时伴随着无规卷曲的少量增加。与结构变化相对应，晶体中侧链和主链的移动性降低。通过 MALDI-TOF-TOF测试发现具有自组装性能的寡肽分子量多集中在1000-2000Da，其中含量最多的为1884Da。经过比对发现，此序列属于KRFA_CHICK of Gallus gallus且来源于广泛存在于角蛋白分子链急转弯区域的core-box序列中。氨基酸分析发现寡肽晶体保留了羽毛原样中存在的几乎全部氨基酸种类，但是其中疏水氨基酸所占的比例有了大幅增加。
　　其次，本论文采用第二章中使用过热水法降解得到的角蛋白溶液作为还原剂和稳定剂制备纳米银材料，并对纳米粒子与角蛋白的相互作用、纳米银的稳定性和抑菌性能进行了探讨。通过改变pH值、角蛋白降解物浓度、反应温度和反应时间获得平均尺寸为3.24±0.55 nm的球形纳米银粒子。TEM和XRD分析认为，角蛋白降解物制备得到的纳米银中有大量的纳米银粒子为单晶结构且在（111）方向上有较高的取向性。FTIR-ATR分析发现角蛋白降解物与纳米银粒子表面结合时并没有引起蛋白质构型的变化。制备得到的纳米银粒子具有良好的稳定性：可以室温放置6个月以上；当体系中存在高浓度的NaCl时保持稳定；当体系pH值发生改变时可以发生可逆性团聚-分散。同时，制备得到的纳米银粒子抑菌效果优良，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达到>99.99%。
　　再次，本论文系统研究了角蛋白/纳米银-壳聚糖复合膜的性能。本文将制备得到的角蛋白/纳米银与壳聚糖通过溶液浇注法制得角蛋白/纳米银-壳聚糖复合膜，并对复合膜的光学性能、力学性能、热力学性能、抑菌性能等进行分析。研究表明，随着角蛋白/纳米银的加入，复合膜的表观颜色逐渐由浅黄色变为深棕色，并且随着角蛋白/纳米银含量的增加，复合膜的透明度也逐步下降。扫描电镜图显示，角蛋白/纳米银粒子与壳聚糖溶液具有较好的相容性；XRD测试结果显示角蛋白/纳米银粒子的加入降低了壳聚糖膜的结晶度。接触角测试表明，角蛋白/纳米银的加入可以提高材料的疏水性，角蛋白/纳米银为原溶液浓度的50%时复合膜的接触角最大；力学测试表明，随着角蛋白/纳米银-壳聚糖复合膜中角蛋白/纳米银浓度的增大，复合膜的拉伸强度由63.75MPa上升至112.38MPa；热力学测试表明，复合膜的热稳定性有所提高。抑菌实验结果表明，角蛋白/纳米银-壳聚糖复合膜的抑菌性明显优于壳聚糖膜，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达到>99.99%。
　　最后，本论文将过热水法提取得到的羊毛角蛋白溶液直接应用于羊毛防毡缩整理中，在对羊毛角蛋白自身性能进行分析的基础上详细研究了整理后织物的防毡缩性能。MALDI-TOF测试结果显示，过热水法降解得到的角蛋白分子量均小于1600Da，属于多肽形式。FTIR-ATR、XRD和热力学分析结果显示，在过热水溶解过程中原先存在于羊毛蛋白质分子中相邻肽链间的大量氢键链接被打断，羊毛原有的规整结构被破坏，提取得到的角蛋白粉末结晶度降低，热稳定性比羊毛本身有所下降。优化还原剂预处理-角蛋白防毡缩工艺条件为：a.预处理条件：亚硫酸钠20%(o.w.f)，非离子表面活性剂10%(o.w.f)，浴比1:30，60℃，处理30min。b.角蛋白浓度70g/L，亚硫酸钠5%(o.w.f)，浴比1:15，处理温度65℃，处理时间90min，充分水洗，100℃烘干。处理后的羊毛织物毡缩率由19.84%降至4.03%，可达到国际羊毛防毡缩标准，织物强力保留率为91.2%，并且织物手感柔软。羊毛织物的氨基酸分析结果显示，经过预处理后织物的胱氨酸含量由原织物的8.42%下降至5.64%，而使用过热水法和还原法提取得到的角蛋白进行整理后织物的胱氨酸含量分别上升至6.02%和6.67%。由此说明，在预处理阶段还原剂可在一定程度上破坏二硫键，降低鳞片层的完整性；在角蛋白整理过程中，还原剂的存在可以使羊毛纤维和角蛋白分子生成反应性巯基，并发生部分交联反应，形成稳定的二硫键，而未发生交联反应的反应性巯基在随后的烘干过程中会被空气中的氧气氧化，生成不同程度的氧化产物，失去反应活性，从而获得具有耐洗性的防毡缩整理效果。

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第一章 绪论

1.1 角蛋白的结构与性质

1.2 过热水的性质及应用现状

1.3 角蛋白的应用研究进展

1.4 论文的研究意义和研究内容

参考文献

第二章 过热水法降解废弃角蛋白材料及其降解产物结构的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

参考文献

第三章 角蛋白降解物还原制备纳米银材料及其相互作用的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章 角蛋白/纳米银-壳聚糖复合膜的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 角蛋白降解物在羊毛防毡缩整理中的应用研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢