蚕丝蛋白质酪氨酸残基化学修饰及其耐光稳定性能研究

摘要

蚕丝耐光稳定性差，为提升蚕丝的耐光稳定性能及其湿处理牢度，本学位论文基于化学修饰技术，将蚕丝蛋白质酪氨酸残基作为修饰位点，通过偶合、还原闭环等修饰工艺，实现基于合成苯并三唑结构的蚕丝蛋白质酪氨酸残基的化学修饰。论文主要研究工作在于揭示基于合成苯并三唑结构酪氨酸残基化学修饰的影响因素与调控规律，阐明化学修饰蚕丝蛋白质模拟物和蚕丝织物的光稳定与其它各项性能，同时，论文还将对修饰合成苯并三唑结构的溶剂效应、取代基效应进行初步研究，进一步阐明化学修饰提升蛋白质模拟物、蚕丝织物光稳定性能的作用机制与影响因素。论文完成的主要研究内容与结论如下：
　　1.蚕丝特征波段紫外线光照黄变性能的研究：紫外光波段是一个较为宽泛的波长范围，为确定一个较适合蚕丝光老化试验的工艺条件，同时为验证不同紫外光波段对蚕丝光黄变性能的影响，论文开展了蚕丝特征波段紫外线光照黄变性能的研究工作。结果表明不同波段的紫外线光照对蚕丝的光黄变性能存有巨大差异，其中UVB区间紫外线照射更易导致蚕丝发生光黄变，且光黄变程度随紫外线辐照度的增强、辐照时间的延长而加重。论文基于HPLC测试技术构建了L-酪氨酸的定量分析标准曲线，并用于光照黄变蚕丝织物酪氨酸成分的定量分析，结果表明酪氨酸系蚕丝蛋白质发生光化学反应的重要氨基酸成分，随着蚕丝光黄变程度的加剧，其酪氨酸含量逐渐降低。
　　2.基于合成苯并三唑结构的酪氨酸化学修饰的研究：论文首先以游离酪氨酸作为蚕丝蛋白质模拟物，开展基于合成苯并三唑结构的酪氨酸化学修饰反应与修饰目标产物的研究；化学修饰第一步工艺为制备邻硝基苯胺重氮盐，论文完成了重氮盐制备与稳定性能的研究；第二步工艺为邻硝基苯胺重氮盐与酪氨酸发生偶合反应生成偶氮中间体，第三步工艺为采用还原剂二氧化硫脲对偶氮中间体进行还原闭环反应制备修饰酪氨酸目标产物，实验分别通过柱分离与HPLC测试技术对偶氮中间体、修饰酪氨酸目标产物进行提纯，并基于紫外可见光谱、红外光谱、质谱、核磁谱图对其进行表征，证实了偶氮中间体与修饰酪氨酸目标产物的分子结构；阐明了论文基于合成苯并三唑结构酪氨酸化学修饰工艺的可行性，本章工作同时得到了修饰酪氨酸目标产物纯品，为下一步蚕丝蛋白质酪氨酸残基化学修饰与产物的分析奠定了基础。
　　3.基于合成苯并三唑结构的酪氨酸残基化学修饰的研究：本章实验首先完成了蚕丝酪氨酸残基化学修饰产物的表征，采用游离酪氨酸化学修饰工艺对脱胶蚕丝织物进行化学修饰，并对修饰蚕丝织物水解液成分进行HPLC、质谱、紫外光谱的测试与表征，证实水解液中含有修饰酪氨酸目标产物成分。为开展蚕丝蛋白质酪氨酸残基化学修饰的量化分析研究，论文基于HPLC测试技术构建了修饰酪氨酸目标产物的定量分析标准曲线，并用于蚕丝蛋白质中酪氨酸残基参与合成苯并三唑结构化学修饰的量化分析。
　　为探明基于合成苯并三唑结构酪氨酸残基化学修饰的影响因素与调控规律，实验对蚕丝蛋白质酪氨酸残基的化学修饰工艺进行了优化。实验以偶合修饰蚕丝织物的K/S值为衡量指标，优化了偶合修饰工艺参数，具体为：邻硝基苯胺重氮盐与蚕丝酪氨酸成分的物质的量比为2/3:1，偶合温度5-10℃，pH值6.8，偶合时间45min，偶合浴比1:45，该优化工艺下蚕丝蛋白质中50.89％的酪氨酸成分参与了该偶合化学修饰反应。在对偶合蚕丝的还原闭环修饰工艺中，以参与合成苯并三唑结构的酪氨酸残基的反应比例为衡量指标，优化了还原闭环修饰工艺，具体为：采用葡萄糖/二氧化硫脲一浴二步还原工艺，其中葡萄糖还原工艺为：葡萄糖、碳酸钠用量与蚕丝织物中酪氨酸成分物质的量比为3:5:1，还原温度60℃，还原时间60min，浴比1:40；第二步二氧化硫脲还原工艺参数为：二氧化硫脲、碳酸钠（含第一步葡萄糖还原工艺添加的碳酸钠用量）与蚕丝酪氨酸成分物质的量比为4:10.5:1，还原温度90℃，还原时间3.0h。该优化工艺下，参与合成苯并三唑结构反应的酪氨酸残基占蚕丝蛋白质酪氨酸成分的22.27%。同时论文从织物外观、紫外可见透过率谱图、断裂强力、微观形貌、聚集态结构、染色性能等方面综合分析了基于合成苯并三唑结构的酪氨酸残基化学修饰工艺对蚕丝织物的影响，测试表明修饰蚕丝织物能较好地保持织物外观，织物紫外线透过率显著下降，蚕丝白度与反射率也同时降低，化学修饰仅对蚕丝聚集态结构产生轻微影响，但碱、还原剂、湿热工艺因素可溶胀蚕丝纤维，对纤维形貌造成破坏，修饰蚕丝纤维出现轻微原纤化，织物断裂强力下降14.29%；除黄色调染料外，修饰蚕丝的染色工艺及颜色指标与常规蚕丝织物没有明显差异。
　　4.修饰酪氨酸与修饰蚕丝织物的耐光稳定性能研究：论文基于HPLC、光黄变历程、光降解率等测试与表征技术，对修饰酪氨酸目标产物、修饰蚕丝织物的光稳定性能开展了系统研究。结果表明溶液状态下酪氨酸、色氨酸光稳定性能较差，紫外线光照易发生光降解反应，同时产生光黄变，其中色氨酸的光稳定性能最差；与酪氨酸相比，修饰酪氨酸目标产物具有较好的光稳定性能，光降解速率明显减缓，同时修饰酪氨酸目标产物可提升同溶解体系中色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸的光稳定性能，降低各氨基酸的光降解率，同时对酸性染料红182的光稳定性能具有提升作用；与蚕丝织物原样相比，修饰蚕丝织物的光稳定性能得到提升，具体表现为紫外线光照过程中，修饰蚕丝的光黄变、光脆损、酪氨酸成分光降解速率均下降，同时修饰蚕丝织物的光稳定性能具有较高的湿处理牢度，化学修饰减弱了紫外线光照对蚕丝纤维微观形貌、聚集态的破坏作用，化学修饰还对上染蚕丝织物染料的光色牢度具有提升作用。
　　5.化学修饰合成苯并三唑结构提升光稳定性能的溶剂效应与构效关系：为探究化学修饰合成苯并三唑结构形成光互变异构体的影响因素，实验研究了修饰酪氨酸目标产物的溶剂效应，结果表明酸性与弱极性溶剂体系有利于修饰酪氨酸目标产物受紫外线光照激发形成光互变异构体，同时荧光谱图表明修饰酪氨酸目标产物受紫外线光照激发将发出可见光波段光子能量，实现对紫外线能量的转化；研究同时表明弱极性溶剂溶解将增强修饰酪氨酸目标产物的荧光性能，且荧光性能与其光稳定性能之间呈正相关关系。构效关系研究结果表明不同取代基结构的重氮组分对修饰酪氨酸产物的紫外可见光谱、摩尔吸光系数均有影响，其中带有吸电子效应取代基的重氮组分可增加修饰酪氨酸产物的摩尔吸光系数；修饰蚕丝织物的荧光谱图表明，辐照到蚕丝上的高能紫外线光子能量可通过修饰合成的苯并三唑结构进行能量转化，并以可见光形式释放，实验结果还表明不同取代基重氮组分对修饰蚕丝的荧光谱图与颜色指标有不同影响。有关更详尽的取代基效应还需进一步研究明确。
　　综上，本论文研究将蛋白质酪氨酸残基的化学修饰与苯并三唑结构合成相结合，拓展了蛋白质化学修饰与耐光稳定性能研究的技术途径，为解决蚕丝耐光稳定性能差的老问题提供了新的研究思路；研究结果表明基于合成苯并三唑结构的蛋白质酪氨酸残基的化学修饰，提升了修饰蚕丝织物的光稳定性能及其湿处理牢度；论文研究过程中依次构建了酪氨酸成分的量化分析方法、蚕丝酪氨酸残基化学修饰的量化分析方法，揭示了黄变蚕丝酪氨酸成分的变化规律，阐明了影响蚕丝蛋白质酪氨酸残基化学修饰的工艺因素，并以此优化了蚕丝酪氨酸残基化学修饰的工艺参数；论文通过溶剂效应、取代基效应进一步阐明了化学修饰合成苯并三唑结构提升蛋白质光稳定性能的作用机制。本论文的研究也将为蛋白质化学修饰与定向改造，特别为开发光稳定化的丝素蛋白质材料提供实验依据和理论基础。

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第1章 前言

1.1 本论文的研究背景与研究意义

1.2 蛋白质纤维及其光致反应性能

1.3 蚕丝素蛋白质特征氨基酸的光化学反应

1.4 蛋白质的化学修饰

1.5 紫外线吸收剂及其作用机理

1.6 纺织品的防紫外线辐射技术

1.7 本论文的研究目标、研究内容与创新点

1.8参考文献

第2章 蚕丝特征波段紫外线光照黄变性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

2.5参考文献

第3章 基于合成苯并三唑结构的酪氨酸化学修饰的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

3.5 参考文献

第4章 基于合成苯并三唑结构的酪氨酸残基化学修饰的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

4.5 参考文献

第5章 修饰酪氨酸与修饰蚕丝织物的耐光稳定性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章结论

5.5 参文献

第6章 化学修饰合成苯并三唑结构提升光稳定性能的溶剂效应与构效关系

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章结论

6.5 参考文献

第7章 结论

附录 攻读博士学位期间发表的学术成果

致谢