（分析化学专业论文）蚕丝蛋白及某些染料的电化学研究与应用.pdf

摘要 天然蛋白质材料蚕丝蛋白( 丝素、丝胶) 及丝素的水解产品丝素肽，以其优异的生物相 容性、良好的抗氧化性和富含氨基酸而在生物医学材料、食品、化状品、医药工业、纺 织工业等行业有广泛的应用。此外，印染工艺中所使用的染料除了染色纤维外，在电化 学等领域也有相当多的应用。本论文围绕蚕丝蛋白产品和某些功能染料，采用电化学方 法，测定了生丝液体样品中丝素蛋白含量、脱胶废水中丝胶蛋白浓度，构筑了蚕丝蛋白 产品生物相容性功能界面，探索了功能界面的应用性能；通过研究某些功能染料的电化 学行为，建立了测定染料染色纤维上染率的电化学方法。这些研究对开发生物相容性功 能界面，拓宽电化学技术应用范围，搭建电化学与纺织印染工业的联系具有重要的意义。 全文共分4 章，主要研究内容如下： 1 采用循环伏安法，以丝素肽( s p ) 磷酸缓冲液( p h 7 4 ) 为电聚合前体，在碳糊电极 ( c p e ) 表面制备了“聚丝素肽( “p s p ”) 。与采用自组装方法将s p 在c p e 表面上的自组装丝素肽( “s s p ”) 稀疏颗粒相比，“p s p 以大量粒子团簇形 式存在；在o 1m o l l 。1 硫酸q h1 1 ) 溶液中，p s p c p e 界面被质子化，显示 稳定的质子氧化还原反应电极过程，而s s p c p e 却无任何电化学响应。 2 采用循环伏安法，在0 1m o l l 。1 硫酸h1 1 ) 溶液中，研究p s p c p e 界面 与荷正电荷染料孔雀石绿m g 、荷负电表面活性剂十二烷基苯磺酸钠s d b s 组成的电化学开关。由于p s p c p e 界面质子化程度受到荷正电物质的减弱， 使界面的质子浓度下降，导致质子氧化还原峰电流逐渐变小，并在8 0m i n 后 氧化还原峰消失，即m g “关闭”p s p c p e 界面质子的氧化还原反应；随着 与m g 作用后的p s p c p e 浸在s d b s 溶液中时间增加，p s p c p e 界面质子 原有的一对氧化还原峰又逐步重新出现，即s d b s “开启”质子的氧化还原反 应。因此，m g 、p s p c p e 界面、s d b s 组成了简单的电化学开关系统。此 外，根据m g 与p s p c p e 界面作用时间与峰电流的下降值，计算出阳离子 物质孔雀石绿与p s p c p e 界面质子作用动力学方程呈现一级反应动力学方 程： 1 nc h + o c h + t = 1 1 9 + 9 6 7 1 0 t ，其中作用速率常数= 9 6 7 1 0 。2m i n - 1 ，半衰 期= 7 1 7m i n 。 3 采用循环伏安法，在o 1m o l l j 硫酸( p h l 1 ) 溶液中，研究卢环糊精对 p s p c p e 界面上“p s p 的包合识别。卢环糊精对“p s p ”的包合，导致 p 。s p c p e 界面质子浓度降低，氧化峰电流下降，峰电位负移。由包合反应时 间和p s p c p e 界面质子氧化峰电流降低值，计算出该包合反应的动力学方 程为一级反应速率方程：i nch + o ch + , t 一- - - 0 9 5 2 + 2 8 8 x 1 0 之t ，包合反应速率 常数为2 8 8 x 1 0 之m i n 1 ，半衰期= 2 4 1m i n 。根据“直线法”，计算出卢环糊精 包合“p s p ”的包合比为1 ：1 ，包合常数是2 9 1 0 5l m o l ，2 5 。c 时包合反应 吉布斯自由能g o l _ 3 1 1 3 6k j m o l 。 4 采用循环伏安法，以丝胶0 0 2m o l l 。1 磷酸缓冲液( p h7 0 ) 为电聚合前体，在纳 米 r i 0 2 掺杂碳糊电极表面( t c p e ) 带u 备了“聚”丝胶( “p s e ”) 。“p s e ”在t c p e 表面形成了网络结构。在p h1 8 1b r 缓冲液中，p s e t c p e 具有一对稳定 的氧化还原峰，阳离子表面活性剂对其有阻止作用，阴离子表面活性剂对其 有增敏作用。此外，在0 0 2m o l l - 1 磷酸缓冲液( p h7 0 ) 溶液中，p s e t c p e 可将亚铁氰化钾在t c p e 上的电极反应速率常数由0 0 3s j 提高到0 2 6s 一。 5 采用循环伏安、方波伏安法，研究了丝素蛋白在碳糊电极上的伏安行为。丝素 蛋白在o 0 1m o l l d 盐酸( p h2 0 ) 溶液中，丝素蛋白的循环伏安图中出现一个 不可逆氧化峰和一对峰型较差的氧化还原峰。根据丝素蛋白的不可逆氧化峰 电流与其浓度在5 8 1 0 一1 1 x 1 0 击m o l l 以范围内成正比，建立了电化学测定生 丝液体样品中丝素蛋白含量的方法，丝胶及其他无机离子、氨基酸等并不干 扰测定，加标平均回收率在9 7 0 1 0 3 0 。 6 采用电化学方法和光谱法，研究了胭脂红与丝胶蛋白的结合反应。在无丝胶的 p h1 8 1b r 缓冲液中，胭脂红有一对峰型好的氧化还原峰。随着丝胶蛋白的 加入，尽管无新峰出现，但胭脂红原有的这对氧化还原峰却有所变化：氧化 还原峰电流下降；氧化还原峰电位正移。这种现象是由于丝胶蛋白与胭脂红 结合造成胭脂红的电极反应速率常数和扩散系数的下降而形成的。丝胶蛋白 与胭脂红主要以静电引力方式结合。结合反应的结合常数为z 3 2 x10 6 l m o l 一，结合比为l ：1 。基于胭脂红氧化峰电流的降低值与丝胶蛋白浓度在 3 2 0 8 0 0 0 分m l o 范围内成正比，测定了脱胶废水中丝胶蛋白含量，加标平 均回收率在9 6 7 1 0 3 3 ，与经典考马斯亮蓝g 2 5 0 光谱测定法分析结果一 致。 7 采用循环伏安、方波伏安法研究了三芳甲烷染料孔雀石绿、酸性染料酸性大红 i i 3 r 、弱酸性染料弱酸性深蓝g r 、活性染料活性嫩黄k 4 g 在碳糊电极上的伏 安行为。根据染料的伏安峰电流与其浓度在一定范围内成正比，建立t n 定 孔雀石绿染色腈纶、酸性大红3 r 染色羊毛和丝绸、弱酸性深蓝g r 染色丝绸、 活性嫩黄k - 4 g 染色丝绸上染率的电化学方法，并与分光光度法测定方法比 较，结果一致。 关键词：电化学，蚕丝蛋白产品，碳糊电极，染料，上染率 i i i a b s t r a c t s i l kp r o t e i n ( s i l kf i b r o i n ，s e r i c i n ) a n ds i l kp e p t i d e ( t h eh y d r o l y s i sp r o d u c to fs i l k f i b r o i n ) a r ew i d e l yu s e di nb i o m e d i c a lm a t e r i a l ，f o o d ，c o s m e t i c ，p h a r m a c ya n dt e x t i l e i n d u s t r i e sb e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y , a n t i o x i d a t i o na n de n o u g ha m i n o a c i d sc o n t a i n s a l s o ，d y e su s e di nt e x t i l e sc a nb ea p p l i e di no t h e rd o m a i ns u c ha s e l e c t r o c h e m i s t r y i nt h i sp a p e r , s i l ka n ds o m ed y e sa r ei n v e s t i g a t e dw i t he l e c t r o c h e m i c a l m e t h o d s t w ok i n d so fb i o c o m p a t i b l ef u n c t i o n a li n t e r f a c ea r es e tu pa n dt h e i rp r o p e r t i e s a r ei n v e s t i g a t e d t h ed e t e r m i n a t i o no fs i l kf i b r o i ni nr a wl i q u i ds i l ks a m p l e sa n ds e r i c i n i n d e g u m m i n gw a s t ew a t e ra r ep e r f o r m e dw i t hs w vm e t h o d r e s p e c t i v e l y t h e d y e - u p t a k e so f4k i n d so fd y e sd y e i n gf i b e ra r ec a r r i e do u tu s i n gs w vr e s p e c t i v e l y t h e s es t u d i e sa r e s i g n i f i c a n t t o o p e n i n g t h e b i o c o m p a t i b l e f u n c t i o n a li n t e r f a c e ， b r o a d e n i n gt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fe l e c t r o c h e m i s t r ya n db u i l d i n gt h el i n kb e t w e e n e l e c t r o c h e m i s t r ya n dt e x t i l e s t h ep a p e rc o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s t h em a i nc o n t r i b u t i o n s a r es u m m a r i z e da n dp r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 “p - s p i so b t a i n e db ye l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o no fs i l kp e p t i d eo nc a r b o np a s t e e l e c t r o d es u r f a c ei n 0 0 4m o l l p h o s p h a t eb u f f e r ( p h 7 4 ) c o m p a r e dw i t ht h ef e w p a r t i c l e so ft h es e l f - a s s e m b l e ds po nt h es u r f a c eo fc a r b o np a s t ee l e c t r o d e ( s - s p - c p e ) ， “p - s p ”i sf o r m e dw i t hal a r g en u m b e ro fp a r t i c l ec l u s t e r s t h ep - s p c p ei s c h a r a c t e r i z e db yc y c l i cv o l t a m m e t r ya n ds h o w sap a i ro fw e l l d e f i n e dr e d o xp e a k si n 0 1m o l l 1h 2 s 0 4s o l u t i o n ( p h1 1 ) ，w h i c hi sa s c r i b e dt ot h er e d o xr e a c t i o no fp r o t o n c o m b i n e dw i t h “p - s p ”w h i l es - s p - c p eh a sn ov o l t a m m e t r i cr e s p o n s e 2 e l e c t r o c h e m i c a ls w i t c hf o r m e db yp o s i t i v e c h a r g e dd y em a l a c h i t eg r e e n ( m g ) a n d n e g a t i v e c h a r g e da n i o n i cs u r f a c t a n ts o d i u md o d e c y lb e n z e n es u l f o n a t e ( s d b s ) o nt h e i n t e r f a c eo f “p s p ”i ss t u d i e di n0 1m o l l h 2 s 0 4s o l u t i o n ( p h i 1 、u s i n gc y c l i c v o l t a m m e t r y t h ep r o t o n a t e dd e g r e eo f “p s p ”i sr e d u c e db yt h ei n t e r a c t i o no fm g w h i c hi n d u c et h ec o n c e n t r a t i o no fp r o t o nd e c r e a s ea n dt h e nt h ep e a kc u r r e n to fp r o t o n r e d o xp e a k sb e c o m el o w a f t e r8 0m i n ，n or e s p o n s ei sn e a r l yo b s e r v e d ，s u g g e s t e dt h a t “m g ”s h u t so f ft h er e d o xo fp r o t o no np s pi n t e r f a c e t h i si n t e r f a c ei sn a m e d p s p m g - c p e t h er e d o x r e s p o n s eo fp r o t o ni sf o u n da g a i nw i t ht h ei n t e r a c t i n gt i m e i v i n c r e a s eo fp - s p - m g c p ew i t hs d b ss o l u t i o n i n d i c a t i n gt h a t “s d b s o p e n st h e r e d o xo fp r o t o n t h e r e f o r e ，m gs d b sa n dp s pf o r mas i m p l e “e l e c t r o c h e m i c a l s w i t c h ”i na d d i t i o n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm ga n dp s po b e y st h e1s to r d e rr a t e e q u a t i o n ：i nch + ，o ch + ，t = 1 1 9 + 9 6 7 x 1 0 。2t ；i n t e r a c t i o nr a t ec o n s t a n t = 9 6 7 x 1 0 。2 m i n - 1 ，t l 2 = 7 1 7m i n 3 t h ei n c l u s i o na n dr e c o g n i t i o no fp - c dw i t h p - s p ”i si n v e s t i g a t e di n0 1m o l l 1 h 2 s 0 4s o l u t i o n ( p h1 1 ) w i t hc y c l i cv o l t a m m e t r y t h eo x i d a t i v ep e a kc u r r e n t sd e c r e a s e w i t ht h ep e a kp o t e n t i a ls h i f t i n gn e g a t i v e l ya sar e s u l to ff l - c di n c l u s i o n “p s p ”t h e i n c l u s i o nr e a c t i o no b e y st h e1s to r d e rr a t er a t ee q u a t i o n ：i nc 毗o c h + ，t = 0 9 5 2 + 2 8 8 x 1 0 t ，i n c l u s i o nr a t ec o n s t a n t = 2 8 8 x 1 0 2m i n 1 ，t l 2 = 2 4 1m i n b a s e do nt h e “l i n e a rm e t h o d ，t h ei n c l u s i o nc o n s t a n ta n dr a t i oa r ec a l c u l a t e da s2 9 10 5l m o l ， 1 ：1 ，r e s p e c t i v e l y t h ea g 0 1o fi n c l u s i o nr e a c t i o ni s 31 13 6k j m o l 4 “p s e ”i sp r e p a r e db ye l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o no fs e r i c i ni n0 0 2m o l l - 1 p h o s p h a t eb u f f e r ( p h7 0 ) o nn a n o m e t e rt i 0 2m o d i f i e dc a r b o np a s t ee l e c t r o d es u r f a c e t h en e ts t r u c t u r ei sf o r m e do nt h i si n t e r f a c e ap a i ro fs t a b l er e d o xp e a k sh a sb e e n f o u n di np h1 81b - rb u f f e rf o rp - s e t c p e t h i sr e d o xr e a c t i o nc a i lb eh i n d e r e db y c a t i o n i cs u r f a c t a n t sw h i l ee n h a n c e db ya n i o n i cs u r f a c t a n t s a l s o ，t h ee l e c t r o d er e a c t i o n r a t ec o n s t a n to fp o t a s s i u mf e r r o c y a n i d ei no 0 2m o l l 以p b s0 h 7 0 ) o np - s e t c p e i s0 2 6s w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a to f0 0 3 s o nt c p e 5 t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fp r o t e i nm a t e r i a ls i l kf i b r o i ni ss t u d i e di np h2 0o f h y d r o c h l o r i ca c i ds o l u t i o nw i t hc y c l i cv o l t a m m e t r ya n ds q u a r ew a v ev o l t a m m e t r ya ta c p e s i l kf i b r o i nh a sac l e a r l yi r r e v e r s i b l eo x i d a t i o np e a k ( p a 1 ) a n dap a i ro f w e a k - d e f n e dr e v e r s i b l e p e a k ( p a 2 a n dp c ) t h ep e a kc u r r e n t so fp e a kp a 1a r e p r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fs i l kf i b r o i ni nt h er a n g eo f5 8 1 0 。8t o1 1 x l o 巧 m o l l s e r i c i n , a m i n oa c i d sa n di n o r g a n i ci o n sd on o ti n t e r f e r ew i t hs i l kf i b r o i n d e t e r m i n a t i o n t h i sm e t h o di s a p p l i e dt o t h ed e t e r m i n a t i o no fs fi nr a ws i l k l i q u i d s a m p l e sw i t h o u ta n yp r e s e p a r a t i o na n dp r e - p u r i f i c a t i o n t h ea v e r a g er e c o v e r i e s a r e 9 7 o 1 0 3 0 6 t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc a r m i n ea n ds e r i c i ni si n v e s t i g a t e dw i t he l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d s a n dt h eu v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t r y i nt h ea b s e n c eo fs e r i c i n ，c a r m i n eh a sap a i ro f v w e l l d e f i n e dr e d o xp e a k si nap h1 81b rb u f f e rs o l u t i o n a l t h o u g hn on e wr e d o xp e a k s a p p e a ru p o nt h ea d d i t i o no fs e r i c i ni n t oac a r m i n es o l u t i o n ，t h ep e a kc u r r e n t so ft h eo l d p e a k sr e d u c ew h i l et h ep e a kp o t e n t i a l ss h i f tp o s i t i v e l y t h i so b s e r v a t i o n i sa t t r i b u t e dt ot h e d e c r e a s ei nt h ed i f f u s i o nc o e 伍c i e n ta n de l e c t r o d er e a c t i o nr a t ec o n s t a n to fc a r m i n ei nt h e p r e s e n c eo fs e r i c i n t h em a i nb i n d i n gm o d eb e t w e e nc a r m i n ea n ds e r i c i ni se l e c t r o s t a t i c a t t r a c t i o n t h eb i n d i n gc o n s t a n ta n db i n d i n gr a t i oa r ec a l c u l a t e da s2 3 2 x10 6l m o l 1a n d 1 ：1 ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h ed e c r e a s ei nt h ep e a kc u r r e n t si sf o u n dp r o p o r t i o n a lt o t h es e r i c i nc o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f3 2 0 - 8 0 0 0i t g m l t h em e t h o di sf u r t h e r a p p l i e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no fs e r i c i ni nad e g u m m i n gw a s t e w a t e rw i t hs a t i s f i e da v e r a g e r e c o v e r i e sf r o m9 6 。7t o1 0 3 3 。t h er e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h o s eo b t a i n e db y t h ec o n v e n t i o n a lc o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u eg 2 5 0s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d 7 t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fm a l a c h i t eg r e e n ( m g ) ，b r i l l i a n ta c i ds c a r l e tr e d3 r ，c i a c i d b l u e12 0 ( w a g r ) a n dr e a c t i v ey e l l o wk - 4 ga r es t u d i e dw i t hc y c l i cv o l t a m m e t r ya n d s q u a r ew a v ev o l t a m m e t r ya tac p e b a s e do nt h el i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e np e a kc u r r e n t s a n dd y ec o n c e n t r a t i o n s s w vm e t h o d sa r es e tu pt ot h ed e t e r m i n a t i o no fd y e - u p t a k e so f t h e s ef o u rd y e sd y e i n gd i f f e r e n tf i b e r s ( m gd y e i n ga c r y l i cf i b e r , b r i l l i a n ta c i ds c a r l e tr e d 3 rd y e i n gs i l ka n dw o o l ，c i a c i dbl u e12 0d y e i n gs i l ka n dr e a c t i v ey e l l o wk 4 g d y e i n gs i l k ) t h er e s u l t sa r ei na c c o r d a n c ew i t ht h et r a d i t i o n a ls p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d k e yw o r d s ：e l e c t r o c h e m i s t r y , s i l kp r o t e i np r o d u c t s ，c a r b o np a s t ee l e c t r o d e ，d y e ， d y e - u p t a k e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：皇堡二兰指导教师签名： 。7 年乡月j 7 日 。夕年多月j 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：亡己 思o p s 目 西北大学博十学位论文 第一章绪论弟一早瑁下匕 本章主要综述了蚕丝蛋白( 丝素、丝胶) 和丝素的水解产品的丝素肽的研究应用进 展、染料在电分析化学中的应用、碳糊电极表面修饰材料的应用进展，在此基础上提出 了本论文的研究内容。 1 1 蚕丝蛋白的研究应用进展 蚕的品种较多，有桑蚕、柞蚕、木薯蚕、蓖麻蚕及樗蚕、樟蚕、柳蚕等，其中以 饲养桑蚕和柞蚕居多。蚕吐出来的茧丝交叉重叠组装成蚕茧。蚕茧最外层是茧衣( 茧棉) ， 里层是蛹衬。通常所说的蚕丝是一种天然蛋白质纤维，没有细胞结构，是将蚕茧缫制而 得的 1 1 。蚕丝主要由丝素、丝胶组成，其他成分如碳水化合物等比较低，如表1 1 所列， 丝素占蚕丝成分的7 0 8 0 ，碳水化合物仅占蚕丝成分的1 2 1 6 。 表1 1蚕丝的组成 另外，蚕丝各成分的含量随品种、饲料、地区、季节等条件的不同而有所不同。 表1 - 2 1 1 罗列了同一蚕茧中茧的层次不同，成分相应的变化。由表可以看出，即使是同一 蚕茧，蚕丝成分也会因茧的层次不同而有差异。 表1 2 同一蚕茧中不同层次茧丝的成分 蚕丝的结构比较特殊。每一根蚕丝是由两根单丝平行地由丝胶粘合而成。每根单 丝的中间为丝素，外部为丝胶。丝素和丝胶均为蛋白质，氨基酸组成见表1 - 3 2 1 。 第一章绪论 表1 3 家蚕蚕丝中丝素和丝胶的氨基酸组成( ) 1 1 1 丝素 1 丝素的结构与物理性能 丝素是一种纤维状蛋白，含有1 8 种氨基酸，其中有8 种是人体所必需的氨基酸。除了 碳、氢和氮元素外，丝素蛋白还含有多种其他元素如钾、钙、硅、锶、磷、铁、制3 ，4 】 等，这些元素与丝素蛋白的性能及蚕吐丝的机理等有直接关系。 通常，家蚕蚕丝丝素纤维直径大约在1 0 2 5g m ，截面形状近似三角形，截面积平均 为8 0 平方微米，愈是茧的内层，截面愈细而呈扁平状。它由三个蛋白单元组成【5 ，6 1 ： ( 1 ) 重链( h ) ：平均分子量约为3 9 0 k d a ，其大部分构成主要由乙氨酸、丙氨酸残基组 2 西北大学博士学位论文 成的结晶区。由于残基侧链小，不具备活泼基团，因此该区域彼此排列较整齐、紧密。 ( 2 ) 轻链( l ) ：平均分子量约为2 6k d a ，氨基酸排列无重复性。轻链上的“c y s - 1 7 2 与重 链上“c y s c 2 0 通过一个双硫键以l ：1 连接。( 3 ) p 2 5 ：平均分子量为2 5k d a ，以非共价键 将轻链和重链连接。 丝素结构包括里层的结晶区和表层的无定形区。结晶区有两种结晶形态：s i l ki 型 和s i l k i i 型。s i l ki 晶体立体构象呈曲柄形，包括无规则线团和a 螺旋；s i l k i i 晶体呈反平 行俨一折叠层结构，属单斜晶系。在s i l k i i 中，相邻链段之间以氢键和分子间引力结合。 无定形区主要由乙氨酸、丙氨酸以外氨基酸残基组成，其残基较大，而且侧链中还含有 活泼基团，阻碍了肽链形成整齐密集的排列，因此相邻链段结合较弱。丝素的物理性能 见表1 4 1 1 。 表1 4 丝素蛋白的物理指标 2 丝素的主要性质 丝素是蚕丝的主体。生丝或丝织物经精练除去大部分丝胶后，剩余部分主要是丝素。 因而丝素的性质与丝织物的性能有重大关系。丝素的化学反应由其结构中无定形区中的 酪氨酸的苯酚基、二氨基酸的氨基、二羧基酸的羧基等极性基团决定，其中碱性基团能 吸引酸或酸性染料。丝素结晶区存在短而不活泼的基团。它的横向是被范德华力或两相 邻的羰基、亚胺基之间产生的氢键结合，因此丝素分子链之间结合相当紧密，化学试剂 第一章绪论 分子是不能进入结晶区的，只能在结晶区边缘或非结晶区与丝素氨基酸残基作用。 ( 1 ) 与水作用 丝素不溶于水，但与水接触可吸入一定量的水，使其重量增加3 0 3 5 ，而且体积膨 胀增大3 0 4 0 ，因此具有一定吸湿性。 ( 2 ) 力学性质 丝素的结晶区中肽链排列整齐，链与链之间结合紧密，抵抗外力能力强，因此蚕丝 的断裂强度大。但在非结晶区，肽链排列有弯曲和缠结现象，在外力拉伸下可以变直； 除去外力后，又可恢复原状，因此可使蚕丝具有良好的伸度和弹性。 ( 3 ) 与盐作用 丝素在氯化钠、硫酸钠等盐类稀溶液中的膨化程度与在水中类似，但在钙、锶、钡、 锂的氯化盐、溴化盐、碘化盐、硝酸盐、硫氰酸盐、氯化锌及硝酸镁等浓溶液中会无休 止的膨化成粘稠溶液。 ( 4 ) 与热或光的作用 丝素蛋白在1 0 0 。c 时脱水，从1 7 5 。c 开始逐步失重，颜色由白变黄，至2 8 0 。c 完全变黑， 3 0 5 。c 时分解。丝素蛋白分子中因含酚羟基及其他结构，易吸收紫外光而变性。随着照 射时间的增加，丝素蛋白泛黄程度也增加，特别是在有水的环境下，泛黄程度加剧。还 原性物质( 如硫脲、硫氰酸铵、单宁酸等) 能抑制光对丝素的氧化脆化作用，对丝纤维起 保护作用。 3 丝素的应用进展 丝素蛋白自身或其水解物在以下几个方面有广泛的应用： ( 1 ) 纺织工业 丝素除了继续用作纺织原材料生产丝绸外，还可制备成丝素整理剂用于整理棉【7 1 、丝 8 1 、涤纶【9 1 、羊毛等织物，以增强织物的相关性能，增加纺织品的附加值，提高产品 竞争力。 ( 2 ) 食品、化妆品和医药工业 丝素具有良好的吸湿性和保湿性，自身可制成护肤面膜、面霜1 u 等。 丝素在食品、化妆品和医药工业有比较广泛应用的产品是丝素肽。丝素肽是丝素水 解的中间产品，氨基酸组成与蚕丝中丝素组成基本相同，乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸、酪 氨酸含量占氨基酸总量的8 8 4 ，比动物胶( 骨胶、明胶) 中这四种氨基酸总和只占氨基酸 4 西北大学博士学位论文 总量4 0 高2 倍，因此，高纯度丝素肽产品质量检验项目中要将氨基酸的组成特征作为 质量检验指标，以有别于其他蛋白质的水解产品【1 2 】。 丝素经酸( 或中性盐) 处理，再经酶水解，使长链蛋白质短裂，生成水溶性多肽。 丝素肽分子构象以无规卷曲结构为主，外观为淡黄色透明液体，分子量在3 0 0 2 0 0 0 0 。 由于富含多种氨基酸，可作为食品添加剂应用在饮料、果冻、蛋糕等食品或保健品、营 养品等；分子量小于1 0 0 0 的丝素肽，口感略带甜味，可直接食用，也可制成片剂或胶囊 服用。另外，一些丝素肽产品还可作为药物应用在糖尿病的治疗、高血压降低、痴呆症 预防等方面【1 3 】。 丝素肽氨基酸组成中所含的丝氨酸、赖氨酸、精氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸都是皮 肤所需要的营养要素，被皮肤吸收后，能增强皮肤的细胞活力和弹性，促进细胞新陈代 谢( 加快伤口愈合等) ，抑制黑色素生成，在化妆品工业中可制作乳液、护发素、沐浴 液等。 ( 3 ) 生物医学 丝素纤维在蚕茧形成过程中可获得明显的机械性能；虽然丝素表面易被化学共价修 饰而黏附和亲合细胞因子，但在生物体内可降解为无毒物质15 1 ，具有良好的生物相容性 和生物可降解性，因此再生丝素溶液可制备成丝素膜【1 6 】、丝素凝胶【1 7 】、丝素多孔海绵 1 8 】 以及非纺丝用的丝素网【1 9 1 等材料形式应用在生物医学各分支，其中丝素多孔海绵在人工 组织工程支撑材料【2 0 1 方面应用较广。 1 1 2 丝胶 1 丝胶的结构与物理性能 丝胶是球状蛋白质，以鳞片状裹附在丝素外围形成半透明胶体保护膜，性状与动物 胶相似，因此称为丝胶；其含量约占茧层质量的2 5 ，能溶于水、酸和碱的水溶液。另 外，丝胶对丝素有保护和胶粘作用，能粘合细纤维成单丝，粘合单丝成茧丝，粘合茧丝 成茧层，并且抱合茧丝成生丝。 丝胶是几种性质相似、组成结构不完全一致的蛋白质混合物，因此丝胶具有复合性， 相对分子质量约为1 4 1 3 1 4 k d a l 2 1 1 ，由丝氨酸、天门冬氨酸、甘氨酸等1 8 种氨基酸组成， 其中极性侧链氨基酸士i 7 4 6 1 ，非极性侧链氨基酸占2 5 6 8 i z z l ，等电p h 在3 8 4 5 t 2 3 1 。 从丝胶对热水或碱液的溶解性出发，般认为丝胶分子有四种形式【1 】：丝胶i 、丝胶 i i 、丝胶i i i 、丝胶，质量比例为4 1 ：3 8 6 ：1 7 6 ：3 1 。丝胶i 的分子排列结晶性差，以无 第一章绪论 规则卷曲为主要存在形态。按照丝胶i 到丝胶的次序，丝胶的肽链有逐渐变直的趋 势，肽链间的排列逐渐趋于规则与整齐；尤其是丝胶i v ，分子形态主要是伸直的肽链， 结晶度高。 获取丝胶蛋白通常有两种途径【2 2 】： ( 1 ) 以下茧、废丝为原料：一种方式是除去杂质后，高温水浴脱胶；另一种方式是先用温 热的纯碱溶液浸润，然后高温脱胶、提纯。 ( 2 ) 从煮茧和精练的废液中提取：丝或丝织物经脱胶产生的废液中含有大量丝胶，采用 一定废水处理方法回收。 2 丝胶的应用 ( 1 ) 纺织工业 丝胶在纺织工业中主要采用涂覆浸渍和填充的工艺制备以下功能的纤维改性剂和纺 织品整理剂【2 4 】，达到提高织物性能的目的。 a 护肤保健功效 丝胶含有大量亲水性氨基酸，特别是具有皮肤天然保湿功能的丝氨酸含量高，因此 丝胶吸放湿功能良好，对皮肤亲合力强，抗氧化性好。丝胶在纤维表面形成丝胶蛋白膜 例后，不仅能预防过敏性皮炎，而且能防止皮肤干燥，因此可用于开发护肤保健衣料、 床上用品【2 6 】及卫生材料等。 b 其他服用性能改善 经丝胶处理过的生丝纤维、棉纤维、涤纶等，其自身比较差的性能如抗静电性、机 械强度等都得到提爿2 4 1 。 ( 2 ) 食品、化妆品和医药工业 丝胶含有1 8 种氨基酸，其中9 0 以上的氨基酸能被人体吸收，且能促进钙镁锌铁等 元素的吸收【2 7 1 ，因此可作为食品添加剂添加在食品中。另外，丝胶能显著抑制引起食物 发生褐变反应的多酚氧化酶活性，因此可作为抗氧化剂应用在食品加工业中。 丝胶添加在化妆品中能起到天然保湿因子的功效；除保湿效果外，丝胶还能抑制酪氨 酸酶活性，从而抑制黑色素生成，保持皮肤白皙；而且丝胶中的酪氨酸、色氨酸和苯丙 氨酸能有效吸收紫外线，抵御日光、微波等对肌肤的侵蚀，防止皮肤起皱老化。 丝胶及其水解物能抑制大肠杆菌的生长，有助改善肠道生理功能2 9 】；丝胶除对结肠癌 有一定抑制作用外3 0 1 ，还可作为降低血糖药物的组成成分 3 h 。丝胶磺酸化后具有抗血液 凝固性 3 2 】，有望替代成本较高的抗凝剂肝素。 6 西北大学博士学位论文 ( 3 ) 材料工业 丝胶表面富含活性基团( o h 、c o o h 和- n h 2 ) ，与具有治疗作用的蛋白质、酶和多糖 等可以通过共价键生成生物偶联物3 3 铷】，使这类生物药物的半衰期和稳定性迅速提高 1 3 6 。丝胶表面还可嫁接共聚其他物质如甲基丙烯酸酯【3 7 】、苯乙烯例等以达到改性丝胶 的目的。 丝胶作为基质材料的形式有膜( 2 维) 、凝胶4 伽和多孔材料【4 1 4 2 1 ( 3 维) 三种。它们不仅 具有优异的透氧性、良好的机械性能和生物相容性，而且含有1 8 种氨基酸，对细胞有亲 合和增生作用【4 3 】，因此在组织工程材料中有较广泛应用。 1 2 染料在电分析化学中的应用研究进展 染料按分子结构主要分为偶氮、葸醌、芳甲烷、酞菁、靛族等；按染色用途又可分 为活性染料、酸性染料、弱酸性染料、碱性染料、中性染料、直接染料、阳离子染料、 分散染料和酸性金属络合染料等。其中分子结构中含有n = n 的染料均称为偶氮染料， 根据- n = n 的个数可分为单偶氮i 双偶氮、三偶氮和多偶氮。偶氮染料占世界总染料的 3 5 以上【4 钔，其在纺织印染、颜料、色素等工业领