（化学工程专业论文）人发角蛋白制备功能膜材料的研究.pdf

摘要角蛋白是蛋白质的一种，广泛存在于人和动物的表皮和毛发以及动物的蹄、壳、爪、角等中，具有很大的回收利用价值。然而这些资源并没有得到广泛有效的利用，造成了资源的严重浪费。为了回收资源和保护环境，本文利用人发开发了一种新型的生物医学材料和质子导电膜。文中研究了人发的定量还原试验的工艺条件，包括还原剂溶液的浓度，还原反应的时间和温度。通过正交实验发现，当还原剂溶液巯基乙醇浓度为0 1 m o l l ，4 5 下反应i o h 时所得角蛋白的还原率最高，达到6 1 。本文研究了人发热压所成的角蛋白膜的制备和膜的导电、透气和力学性能测试。以角蛋白膜的电导率、透气率、伸长率和最大强度为指标，考察了制膜过程中氧化时问、热压温度、热压压力和粉料质量等因素对角蛋白膜的导电性能、透气性能和力学性能的影响。本文还研究了氧化时间和氧化温度对人发角蛋白粉的收率和粒径分布的影响，以及研磨时间对角蛋白粉的粒径分布的影响。实验结果表明，氧化程度对角蛋白粉的化学构成无影响。本文考察了不同条件下制得的角蛋白膜添加戊二醛后角蛋白膜性能的改变情况。实验结果表明，添加戊二醛后，膜的交联程度提高，强度增强，但是伸长率降低。关键词：人发；角蛋白；电导率；膜；伸长率：最大强度a b s t r a c tk e r a t i n ，ak i n do fp r o t e i n ，e x i s t sw i d e l yi nh u m a na n da n i m a lo r g a n si n c l u d i n ge p i d e r m i s ，h a 记w o o l ，f e a t h e r , h o o fa n dh o r n t 1 1 en a t u r a lk e r a t i ni sf u l lo fv a l u ei fb e i n gr e c o v e r e d t h en a t u r a l k e r a t i ni so fg r e a tv a l u ei fb e i n gr e c o v e r e d h o w e v e r , t h ev a l u a b l em a t e r i a li sn o tb e i n gf u l l yu t i l i z e di nm a n yc a s e s ，r e s u l t i n gi nw a s t eo ft h en a t u r a lr e s o u r c ea n dp o l l u t i o no f t h ee n v i r o n m e n t t h ea i mo f t h et h e s i si st oe x p l o r ean o v e lb i o m e d i c a lm a t e r i a la n dp r o t o nc o n d u c t i v em e m b r a n el e a d i n gt oa ni m p r o v e du t i l i z a t i o no fk e r a t i nf r o mh a i r t h ep r o c e s so fm e a s u r i n gt h ed e g r e eo fh a i rr e d u c i n gq u a n t i t a t i v e l yw a ss t u d i e d t h ev a r i a b l e si n v e s t i g a t e di n c l u d et h ec o n c e n t r a t i o no fr e d u c i n ga g e n t ，r e a c t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r e t h er e s u l to fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tw h e nt h eh a i rw a sr e d u c e db y0 1 m o l lm e r c a p t o e t h a n o ls o l u t i o na t4 5 。cf o r1 0 h ，t h eh i g h e s tr e d u c i n gr a t i oo f d i s u l f i d eb o n d sw a sh i g ht o6 1 r e s e a r c h e so nh o wt op r e p a r ek e r a t i nm e m b r a n ef r o mt h eh a i rb yh o t - p r e s s i n ga n dc o n d u c t i v ea n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ew e r ec a r r i e do u t t h ec o n d u c t i v i t y ,e x t e n s i o nr a t i o ，h 2p e r m e a b i l i t y , a n dt h em a xs t r e n g t ho ft h em e m b r a n e sw e r em e a s u r e d ，n l em e m b r a n ep e r f o r m a n c ea saf u n c t i o no ft h ep r e p a r a t i o nc o n d u c t i o n ss u c ha st h eo x i d a t i o nt i m e ，p o w d e rm a s s ，t h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew a sa l s os t u d i e d a n o t h e rr e s e a r c ho nt h ee f f e c to fo x i d a t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r eo nt h ey i e l da n ds i z ed i s t r i b u t i o no ft h ek e r a t i np o w d e rw a sa l s oc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h e r ei sn oe f f e c to fo x i d a t i o nd e g r e eo nt h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fk e r a t i np o w d e r i na d d i t i o n ，a f t e rt h eg l u t a r a l d e h y d ew a sd r i p p e di n t ot h em e m b r a n e ，t h em a xs t r e n g t ho f i tw a si n c r e a s e d ，h o w e v e r , t h ee x t e n s i o nr a t i ow a sd e c r e a s e d k e y w o r d s ：h a i r ；k e r a t i n ；c o n d u c t i v i t y ：m e m b r a n e ；e x t e n s i o nr a t i ot h em a x i m a ls t r e n g t h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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料a 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名眷久鑫签字吼歹年，孑同学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名脊犬盔签字r 期：。加歹年7月f 8 日导师签名：守滔前言前言角蛋白广泛存在于自然界中，我国年产几十万顿，它以各种动物的毛发、羽毛、蹄等主要形式存在。含有q 螺旋的角蛋白称为q 角蛋白，分软q 角蛋白和硬q 角蛋白两种。软q 角蛋白主要见于人皮肤组织，而硬q 角蛋白是皮肤附属物，如毛发、指( 趾) 甲等的主要成分。角质层是表皮的最外层结构，含有大量的软a 角蛋白，是水和化学物质经皮吸收的屏障。指甲和毛发结构一般包括表皮、皮质、髓质和细胞膜复合物四部分，主要成分为硬q 角蛋白。角蛋白是一种抗性很强的硬性蛋白，角蛋白分子通过双硫键、氢键、盐键和其它交键作用形成高度交联的三维稳定结构，在一般条件下不溶解，只有当双硫键或肽键断裂以后，才会分解成短肽。自然界中角蛋白的大量存在提出了一个处理难题，造成局部环境的严重污染。因此，如果能建立合适可行的工艺，将这些蛋白废物转变成可利用的再生资源，从而，一方面保护环境，另一方面又可将其变废为宝，在取得经济效益的同时取得生态效益和环境效益。我国是羊毛的主要生产国，但是由于优良品种的羊只占总存栏羊数很小的比例，所以出产的羊毛中有相当一部分质量较低而不能生产高品质的织物。还有，我国以皮革和肉用为目的屠宰牛羊数较大，这些动物毛发和蹄壳中很大一部分因利用价值太低而被废弃，造成资源的浪费和环境污染。重新回收利用这部分低品质动物毛发和蹄壳一方面可以提高它们的利用率，起到回收资源的作用，又可以减少牲畜的存栏量，保护种植地，进而保护生态环境。天然角蛋白的加工利用已经有很长的历史。随着对角蛋白的理论研究和应用研究的开展，角蛋白粉已经广泛应用于饲料中，并且国内外有很多人正在研究利用角蛋白开发表面活性剂、絮凝剂、氨基酸产品和系列保健品等。近年来，可生物降解塑料和生物医学材料受到广泛的重视，如何从人发、羊毛和禽羽毛等资源中提取角蛋白来制备这些材料是一个重要课题。因为角蛋白膜具有生物相容性和可生物降解性，将角蛋白用于生物移植及缝合线、绷带、分离膜和包装材料等的制备将大有前途。受回归自然风气的影响，人们比较喜爱天然棉、毛、麻、丝的衣服，因为它们不仅穿着舒适，而且没有过敏等反应。而蛋白纤维具有最好的亲和性和舒适性以及强的吸湿性和良好的弹性，可以和天然的棉、毛、麻、丝等相媲美，用角蛋白制造蛋白纤维将大有前途。第一章文献综述1 1 角蛋白的结构第一章文献综述羊毛等毛发的加工和利用已经有很长的历史，因此人们对毛发的组织和形态结构的研究也很细致和充分。1 。1 。1人发的形态结构头发的组织是由毛干和毛根两部分构成( 图1 1 ，1 2 ) 【l ，2 】。毛干由内向外由髓质、皮质和毛表皮组成( 图1 3 ) 。髓质位于中心位置，是由几行含有密集的角蛋白丝的立方形髓质细胞构成，具有一定的硬度。皮质是由包埋在富有二硫键的致密基质中的角蛋白丝束的梭形角化细胞构成。毛表皮位于表面，由一层薄而透明的高度角化的细胞构成【3 】。毛根包绕在上皮性和结蒂组织性组成的毛囊内。毛根和毛囊的下端合为一体，成为膨大的毛球，球底面向内凹陷，容纳毛乳头。毛球为头发的生长点。从头发的分子结构上来看，毛球是一种化学性质均一的惰性物质【4 ，2 】。当蛋白质纤维、a 角蛋白固定于基质或其他蛋白质上时会形成一种非晶念结构，这种结构相当的稳定，而且含有较多的含硫氨基酸1 5 3 j 。图1 1 人发的结构图【6 1f i g 1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh u m a nh a i r第一章文献综述度质绸舾毛髓质图1 - 2 人发的纵面图【6 】f i g 1 2 s c h e m a t i cs e c t i o nd i a g r a mo f t h eh u m a nh a i r图1 - 3 头皮组织 e 6 jf i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es c a l p1 1 2 角蛋白的物理结构角蛋白来源于外胚层细胞，包括皮肤以及皮肤的衍生物：发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、啄丝等。角蛋白是外胚层细胞的结构蛋白质。角蛋白可分为两类，一类是旷角蛋白，另一类是b 角蛋白1 。a 角蛋白的伸缩性能很好，一根毛发可以拉长到原有长度的二倍，这时q 螺旋被撑开，各圈间的氢键被破坏，转变为1 3 构象。当张力除去后，单靠氢键不能使纤维恢复到原来的状态。螺旋是由被包埋在基质中的半胱氨酸残基间的二硫键交联起来的，一般认为每四个螺旋就有一个交联键。这种交联键既可以抵抗张力，又可以作为外力除去后使纤维复原的恢复力。结构的稳定性主要是由这些二硫健第一章文献综述保证的。二硫键的数目越大，纤维的刚性越强。根据含硫量大小，q 角蛋白可分成硬角蛋白和软角蛋白两种类型。蹄、爪、角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，质地硬、难拉伸。皮肤中的角蛋白是低硫软角蛋白，它的伸缩性比硬角蛋白好。天然蛋白质分子中存在的q 螺旋主要是右手螺旋h 3 。在毛发纤维中，每个a螺旋之间以双硫键键合，三个螺旋互相拧在一起，象一股绳子，组成超级盘绕的三螺旋。三螺旋中使每个成员之间互相紧紧结合的是双硫键，而且三个螺旋保持同样的旋转方向。l l 条这样的三股绳结合在一起构成毛发的微原纤维，其中两条在角心，九条在外圆( 见图卜5 ) 。当纤维被拉伸后，会得到完全不同的x 射线衍射模型，称之为b 型。x 射线研究发现1 3 折叠是一种较伸展的构象，但并不完全伸展，是若干条肽链或一条肽链的若干肽段平行排列而成。q 螺旋和1 3 折叠是蛋白质中主要的二级结构，见图卜4 【1 0 1 。图中n 端是氨基末端的简称，指多肽链的一端有游离的q 一氨基。c 端是羧基末端的简称，指多肽链的另一端是游离的a 一羧基。相邻主链骨架之间靠氢键维持，在主链骨架之间形成最多的氢键，避免了相邻侧链间的空间障碍，从而形成一个折叠的片层结构。因而其多肽链不是盘绕成螺旋结构而是形成锯齿状1 8 , 9 。图1 4 角蛋白中的二级结构( a ) a 螺旋( b ) b 折叠1 0 3f i gl 一4 t h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo fk e r a t i n ( a ) ( i - h e l i xc o ) 1 3 - r e p l i c a t e第一章文献综述1 。1 3 角蛋白的化学结构角蛋白大分子是由以2 0 多种。【一氨基酸( 氨基在羧基的0 【位) 通过酰胺键( 又称肽键) 相互连接起来的多缩氨酸链组成。羊毛中角蛋白的含量大约为9 9 ，剩余的1 是脂肪等非蛋白质物质。分析研究表明羊毛的平均重量组成是5 0 的碳、7 的氢、2 2 - 2 5 的氧、1 6 - 1 7 的氮和3 - 4 的硫l 】。角蛋白中氨基酸的通式为h 2 n c h r c o o h ，其中r 是具有不同性质的侧链，由这些氨基酸缩聚而形成的多肽链的结构为：n h f , l - i 星k 0 一、 &r 1一】r3其中侧链r l ，r 2 ，r 3 的种类和性质决定了角蛋白整体的物理和化学性质。也就是说角蛋白的物理性质和化学性质并不决定于它的蛋白质主链，而是决定于侧链的种类以及侧链在纤维中的交联情况。角蛋白大分子主链间能形成盐式键、双硫键( 胱氨酸键) 和氢键等空间联键【1 2 】，见图卜5 。盐式键c i - 1 2 。c 0 0 ，+ h 弭铲一天奄氨敲图1 5 角蛋白大分子结构图【1 3 1f i g 1 - 5 t h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo fk e r a t i n犍一髓氢一甄眦、c麟一嗽一一裢似譬式驴镳-? 型胱一一一葭吣2 鄹，渤h 绩叫c 龋啊一譬一般of _ 鲁黔净舰净一净净第一章文献综述在角蛋白中一条多肽键的不同部位或两条多肽键之间，主链骨架的羰基上带负电性强的氧原子与亚氨基上带正电性强的氢原子彼此相互吸引，形成氢键。此键对维持蛋白质的二级结构的稳定性起着重要作用。在蛋白质的某些侧链或侧链与主链之间，羟基上带正电性强的氢原子与酸性氨基酸的羰基上带负电性强的氧原子或羰基氧原予也可彼此间形成氢键。盐式键( 离子键) 是由于正、负离子之间的静电吸引而形成的化学键。在蛋白质分子中带正电荷的基团( 如n 端的c l - - n h 3 + 等) 与带负电荷的基团( 如c 端的c i - - c 0 0 。等) 彼此接近可以形成盐式键。盐式键可以受微环境、溶剂、盐浓度等影响。高浓度的盐、过高或过低的p h 值等可以破坏蛋白质构象中的盐式键。角蛋白中存在的双硫键可以把不同肽链或同一条肽链的不同部分连接起来，这是天然角蛋白在各种溶剂中不溶的原因。但双硫键可以被还原成两个巯基( - s h ) ，或者被氧化成两个磺基丙氨酸基团( h s 0 3 c h 2 c h ( n h 2 ) c o o h ) 。当毛发纤维中9 0 的双硫键被打开时，毛发就可以溶解了【1 1 1 。此外，维持蛋白质分子构象的化学键还有配位键、疏水键。配位键是指两个原子之间。由于单方面提供共用电子对所形成的键，如蛋白质分子中含有的金属离子与蛋白质的连接往往是配位键。疏水键则指非极性基团为了避开水而相互聚集在一起的作用力。1 2 角蛋白的性质1 2 1 角蛋白的吸湿性角蛋白纤维有着很高的吸湿能力【l 引，它的吸湿量可以达到自身重量的3 5 。而棉花的吸湿量约为自身重量的2 0 ，尼龙和聚酯的吸湿量约为自身重量的1 0 。并且，动物毛发以同时具有亲水和疏水的性质而著称，它有着疏水的表面，却有着吸湿的内部。因此动物毛发在吸收很多水分后，表面仍然感觉不到潮湿2 | 。用电子显微镜对毛发表皮细胞进行观察可以看出在纤维外层有一层极薄的原生质薄膜，厚度约5 0 1 0 0 埃。这层膜具有较强的化学稳定性，不易被化学试剂所降解。毛发能吸收很多水分而感觉不到潮湿主要就是因为有这一层薄膜。微第一章文献综述原纤和基体之间的化学物质很适合形成氢桥，是毛发吸湿的重要原因【l l 】。1 2 2 角蛋白的两性性质角蛋白分子结构中含有大量的碱性侧基和酸性侧基，并且每个肽链的两端有q 一氨基和a 一羧基，因此动物毛发纤维具有两性性质，既能与酸作用，又能与碱作用【1 4 】。无机酸可使角蛋白分子的盐式键断开，变成游离氨基。在稀酸溶液中长期煮沸，角蛋白会完全水解成各种氨基酸。但是，仅仅经过2 - 3 小时的煮沸，角蛋白的水解可以被忽略。而有机酸对羊毛纤维几乎没有作用【l0 1 。碱可使盐式键断开，多缩氨酸键缩短以及胱氨酸发生水解。随着碱浓度的增加、反应温度的提高和处理时间的延长，毛发受到明显的损坏。角蛋白和氨基酸一样也是两性电解质，在水溶液中能解离，解离程度和生成的离子情况是由各种蛋白质分子中可解离的基团数和溶液的p h 值决定的。人发角蛋白的等电点为4 4 5 。1 3 角蛋白的加工与提取天然角蛋白的加工利用已经有很长的历史。最早的塑料制品就是以角蛋白为原料制成的。文献中报道的角蛋白的加工和提取方法主要有机械法和化学法两类。1 3 1机械法加工角蛋白机械法加工角蛋白一般都是应用加热( 1 0 0 - 2 0 0 ) 、加压( o 3 1 a ) 的方法使角蛋白内部的双硫键和肽链断裂水解，从而使它变为可溶的、易消化的多肽混合物，以用于饲料。文献中报道的主要的机械方法归纳于表1 1 。水解法是采用高温高压持续蒸煮羽毛，使胱氨酸中的二硫键被破坏，其蒸汽压力需要在0 ，1 3 5 m p a 以上。水解法的特点是把羽毛充分水解，然后真空干燥，排污，即得成品。此工艺破坏了羽毛角蛋白的稳定空间结构，从而使它变成畜禽可消化吸收的可溶性蛋白，蛋白质含量不低于7 5 。第一章文献综述表1 1提取角蛋白的机械方法t a b l el 一1m e c h a n i c a lm e t h o d sf o re x t r a c t i n gk e r a t i n膨化法制备羽毛粉工艺简单、操作方便、使用安全、所需设备少、投资少、成本低、生产过程中无环境污染。正是因为膨化法处理废弃羽毛时具有这些优点，使得它成为目前处理废弃羽毛的简单高效、先进合理的方法。制得角蛋白粉的消化率可达8 0 左右【1 8 】。因此，国内对膨化法制备羽毛粉的研究较多1 6 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】。膨化法的原理是利用高温高压和强剪切作用，即原料减压膨化以破坏角质蛋白的牢固空间结构，使双硫键断裂。挤压法的原理同膨化法基本相同，也是在高温、高压、强剪切的环境下使角蛋白中的双硫键断裂，粗产物呈膨松状，轻压即得角蛋白粉。研究表明，角蛋白双硫键经挤压作用后发生降解，降解幅度达5 0 6 0 【1 7 】。挤压作用使角蛋白无论在化学结构上还是在物理形态上均发生变化，是其角蛋白消化率提高的根本动力。挤压法因其简便易行、易于连续化和投资少等优点已在食品工业、饲料行业得到广泛应用。挤出法【1 8 】是将粉碎的固体原料( 例如猪皮) 分散于介质( 水) 和还原性附加剂( 主要为n a 2 s ) 所形成的液相中，于高温高压下在挤出装罱中加热熔化后挤出成型，主要用于制备热塑性材料，可将原料加工成为任意形状的食品饲料。1 3 2 化学法加工角蛋白利用化学方法能够制备可溶性的角蛋白。方法主要包括酸碱处理法、还原法和氧化法。第一章文献综述1 3 2 1 酸碱处理法酸碱法是比较传统的提取角蛋白的方法。一般做法是先用酸预处理来溶胀纤维，然后在一定的温度下用一定浓度的碱溶解，过滤后收集滤液，用等电点法提纯角蛋白。文献中报道的有关方法归纳于表1 - 2 。表1 2 提取角蛋白的酸碱处理法及其比较t a b l el - 2t h ec o m p a r i s o no fm e t h o d sf o re x t r a c t i n gk e r a t i nw i t ha c i do ra l k a l i在一般的酸碱处理过程中，蛋白质的收率和分子量不能同时令人满意。在酸溶胀工序的后面，胡新华【2 5 j 增加了n a h s 0 3 处理的工序，在一定程度上解决了同时提高蛋白质收率和分子量之间的矛盾。因为n a h s 0 3 可以预先破坏部分双硫键而不影响蛋白质肽键，使后续的碱溶解过程的条件趋于温和。在丁雅明【2 3 】的发明专利中，经次溶解制得的大分子可溶性角蛋白，具有稳定性和分散性好的特性，可在乳胶、造纸等领域替代干酪素用，从而节省大量的食用奶酪。经二次水解( 酶解) 后，打开角蛋白的肽键，制得较小分子的水溶性角蛋白，可用来配制天然蛋白头发固定剂。在酸碱法的生产过程中有大量的碱性废水和废酸的蒸汽产生，对人体有害，对周围环境污染严重。因此，近年来人们开始研究如何用还原法和氧化法来提取9第一章文献综述可溶性角蛋白。1 。3 2 。2 还原法该方法是用还原剂的碱性溶液将双硫键( s s ) 还原成巯基( - s h ) ，从而制备可溶性角蛋白。常用的打开双硫键的还原剂是巯基乙醇溶液，它只打开双硫键而不导致肽链的断裂，其反应式如下：笋一嘶一旺i l t - c o n h h s - c h 2 一c l t r - c o n h s - c 即1 1 2 傩+ 2 h s c h 2 c h 2 0 h _+ is c 目睦一c o n h -i - i s - c 墨i i c 0 一小腿一s c l l 2 c 丑【2 0 h这种方法的一般步骤是先用加入一定量的尿素的巯基乙酸钠碱性溶液( 用n a o h 溶液调节p h = 8 1 2 ) 来预处理固体原料，溶胀纤维。在一定的温度下溶解一段时间，滤去未溶解的羊毛，所得的滤液用渗析袋( 截留分子量一般为1 0 0 0 0 )进行渗析，再离心分离得到角蛋白溶液。或者是先离心分离滤液，再用盐析法从离心分离所得的上层清液中析出角蛋白，然后将此角蛋白溶于氨水、水或水和醇的混合液中，重新形成角蛋白溶液。文献中报道的相关方法归纳于表1 3 。在还原过程中，如果用氨水代替氢氧化钠溶液来调节还原剂溶液的p h 值，则不用加入尿素，因为在这个过程中，氨水已经对羊毛有了溶胀作用。根据文献报道，巯基化合物是比较常用的有机还原剂，金属硫化物( n a 2 s 或k 2 s ) 的碱性水溶液是比较好的无机还原剂。在g i j s b e r t 等【1 7 】提出的挤出法中也用n a ：s 作为还原性的添加剂。在还原法中，还原剂只打开双硫键而没有基本多肽链的断裂，这使得到的角蛋白具有较高的分子量，从而兼顾了产物蛋白质的高收率和高分子量。根据文献报道，打开双硫键的还原剂除了n a ，s 1 2 2 , 3 3 , 2 4 】、巯基乙酸# be 2 5 - 3 2 , 2 6 1 ，还有巯基乙醇【2 7 , 2 8 】、亚硫酸盐( 如n a h s 0 3 ) 2 9 】、硼氢化钠( n a b h 4 ) 、三丁基磷化氢( t b p ) 、二硫赤藓糖醇( d t e ) 和二硫苏糖醇( d t t ) 3 0 , 3 1 , 3 2 1 和n n 一二甲基n n 二巯基乙酰基肼( d m h ) 3 3 】。在p h = 7 时，d m h 还原双硫键的速度比d t t 快七倍。但是，d m h 的合成费用比较昂贵。w h i t e s i d e s 等人合成了一种新的还原剂m e s o d t a l 3 4 】，可以用己二酸经过五步合成制得，它在中性溶液中还原双硫键的速度比d t t 的速度快8 倍。1 0第一章文献综述表1 - 3 提取角蛋白的还原法及其比较t a b l e1 3t h ec o m p a r i s o no fr e d u c t i o nm e t h o d sf o re x t r a c t i n g k e r a t i n1 3 2 3 氧化法t i m m o n s 等【3 7 4 0 】用氧化剂( 如过氧乙酸、卤素、双氧水等) 将角蛋白中的双硫键部分氧化成磺酸基团，以增加产物的亲水性。被氧化剂部分氧化后的羊毛经过干燥，可被研磨成粉。此角蛋白粉可以直接用浓硫酸或甲酸酸化至p h a t ；( 2 ) 随着还原剂溶液浓度的增加和反应时间的延长，人发中双硫键还原率先增大后减小。反应温度对还原率基本无影响；( 3 ) 巯基乙醇溶液a = 0 1 5 m o l 1 ，4 0 下反应1 5 h 时还原率最高。从表2 3 和2 4 的分析结果可以得出如下结论：( 1 ) 对于还原后人发的最大强度和伸长率的影响t a t ；( 2 ) 随着还原剂溶液浓度的增加和反应时间的延长，人发最大强度不断减小，伸长率不断增大；( 3 ) 反应温度对此两项指标基本无影响。2 6 3 毛发还原程度定量测定的单因素实验从上述条件试验的结果看到人发双硫健的还原率、最大强度和伸长率都分别随着反应时间、反应温度和还原剂的用量的改变呈现出一些规律性变化。为了验证以上结论，我们设计了单因素试验来进行考证。2 6 3 1 反应时间和双硫键还原率的关系在整个试验过程中巯基乙醇是过量的，在反应初期，主反应为大量游离的巯基乙醇小分子还原人发中的双硫键，还原率逐渐升高，反应式如下：2 3第二章毛发还原程度的定量测定s 。一c h 2 一c h r - c o n h h s c h 2 一c h r - c o n i j 【-爷一c h 2 c h 2 0 hi+ 2 h s c h 2 c h 2 0 h _+sch2-conhhsch2一conh-s c h 2 c h z o h反应一定时间后，由于巯基乙醇被消耗了一部分，浓度降低，还原反应速率也随之慢了下来，人发的最大强度与伸长率也都随着人发的还原程度的变化而变化。反应时间越长，各大分子之间起到相互交联作用的双硫键也就越少，从而最大强度减小，伸长率随之变大。反应时间对还原率的关系曲线如图2 5 所示。从图中可以看出，还原率随反应时间的增加而增加。反应初期还原率增加的幅度较小，可能是因为毛表皮对毛发起到一定的保护作用，延缓了还原剂对角蛋白的还原作用造成的。反应后期增加的趋势越来越小，主要由于反应随着反应时间的增大而趋于平衡的结果。反应时间为2 0 小时的时候，还原率达到6 0 。从图2 - 6 和2 7 中可以看出，人发的最大强度随反应时间的增加而不断减少，而伸长率则不断增大，从而可以从另一方面证明还原程度随反应时间的增加而增长。51 01 sr e a c t i o nt i m e ( h )图2 5 反应时间对双硫键还原率的影响f i g 2 - 5 t h ee f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nt h er e d u c t i o nr a t i oo fd i s u l f i d eb o n d s2 4们加。一文一co丘odijj一d_vo：daj第二章毛发还原程度的定量测定言山芝、_ ，暑a c翌苗再eo暑51 01 5r e a c t i o nt i m e ( h )图2 - 6 反应时间对人发最大强度的影响f i g2 - 6 t h ee f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nt h em a xs t r e n g t ho fh u m a nh a i r51 01 5r e a c t i o nt i m e ( h )图2 7 反应时间对人发伸长率的影响f i g2 - 7 t h ee f f e c to f r e a c t i o nt i m eo nt h ee x t e n s i o nr a t i oo f h u m a nh a i r2 6 3 2 反应温度和双硫键还原率的关系从反应动力学的角度来讲，巯基乙醇还原双硫键的反应在3 0 * c 到5 0 。c 的温度范围内，反应速率应变化很小。所以一定时间内还原率随反应温度的提高略有增加。还原率越高，最大强度也就越小，伸长率则越大。两为弱惦柏一零一o；ejcoiscg第二章毛发还原程度的定量测定反应温度与还原率、最大强度和伸长率关系分别如图2 8 、2 - 9 和2 1 0 所示。双硫键的还原率在此温度范围内比较稳定，在5 0 * c 时还原率达到最高，膜的最大强度与伸长率也基本不随反应温度的变化而变化。从正交试验的分析结果我们也可以得到相同的结论，温度对反应的影响很小。6 03 03 54 04 5s or e a c t i o nt e m p e r a t u r e ( )图2 - 8 反应温度对双硫键还原率的影响f i g2 8 t h ee f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h er e d u c t i o nr a t i oo fd i s u l f i d eb o n d s3 5 03 4 0零c茜3 3 0c巴墨3 2 0eo3 1 03 0 03 03 54 04 5r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ( )图2 - 9 反应温度对人发最大强度的影响f i g2 - 9 t h ee f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h em a x i m a ls t r e n g t ho fh u m a nh a i r2 6的柏一零一口codm竖3一d口mwo：d9j第二章毛发还原程度的定量测定3 54 04 55 0r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ( )图2 1 0 反应温度对人发伸长率的影响f i g2 10 t h ee f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ee x t e n s i o nr a t i oo fh u m a nh a i r2 6 3 3 巯基乙醇浓度和双硫键还原率的关系在此还原反应中，还原剂主要用来还原双硫键。从反应动力学角度来讲，随着还原剂巯基乙醇的浓度的增大，增加了此还原反应向正反应方向进行的动力。因此还原率应随反应物的浓度增加而显著增大。反应初期还原率增加的幅度较小，主要是因为高度角化的毛表皮较难被还原造成的。巯基乙醇浓度和还原率、最大强度和伸长率的关系分别如图2 1 1 、2 1 2 和2 1 3 所示。从图中可以看出，随着还原剂浓度的增大，双硫键还原率显著增大，最大强度减小，伸长率增大。从实验结果可以看出巯基乙醇浓度对此反应的影响很大，这与正交实验分析结果一致。砖加弱一紧一o；icoisc姜第二章毛发还原程度的定量测定7 06 02 01 00 0 50 1 00 1 50 。2 0c o n c e n t r a t i o no fm e r c a p t o e t h a n o l ( t o o l 1 )图2 - 1 1 巯基乙醇浓度对双硫键还原率的影响f i g2 11 t h ee f f e c to fm e r c a p t o e t h a n o lc o n c e n t r a t i o no nt h er e d u c t i o nr a t i oo fd i s u l f i d eb o n d s4 5 0邑4 0 0ca f -磐3 5 0委3 0 0墨2 5 02 0 00 0 50 1 00 1 50 2 0c o n c e n t r a t i o no fm e r c a p t o e t h a n o l ( m o l i )图2 - 1 2 巯基乙醇浓度对最大强度的影响f i g2 _ 12 t h ee f f e c to fm e r c a p t o e t h a n o lc o n c e n t r a t i o no nt h em a x i m a ls t r e n g t ho fh u m a nh a i r2 8一零一们勺co口勺ijj一口刁03口-i第二章毛发还原程度的定量测定00 50 1 00 1 50 2 0c o n c e n t r a t i o no fm e r c a p t o e t h a n o l ( m o l i )图2 1 3 巯基乙醇浓度对伸长率的影响f i g2 - 13 t h ee f f e c to fm e r c a p t o e t h a n o lc o n c e n t r a t i o no nt h ee x t e n s i o nr a t i oo fh u m a n2 6 3 4 空气中氧气对还原后人发中巯基的影晌结果与分析我们利用2 5 方法进行实验，所得实验结果示于图2 1 4 。246t i m e ( h )图2 1 4 氧气对巯基乙醇溶液浓度的影响f i g2 14 t h ee f f e c to fo x y g e no nt h e c o n c e n t r a t i o no fm e r c a p t o e t h a n o ls o l u t i o n阳一紧一。茹ejc ol sc m 艾一io)dnoj竺jp董：芎lu9luoo第二章毛发还原程度的定量测定从图中可以看出，随着放置时间的增加，毛发的巯基含量极缓慢的降低。这说明在室温下空气中的氧气对还原后毛发中的巯基的影响很小，氧化速率很慢。1 0 小时后被氧化的巯基的量占游离巯基总量约1 7 。因此，在室温条件下，毛发定量还原检测实验中由氧气氧化巯基造成的实验误差可以忽略不计。3 0第三章毛发热压成膜实验3 1 基本原理第三章毛发热压成膜实验人发被过氧乙酸氧化后，部分双硫键被氧化为磺酸基团。氧化后的人发干燥后可以研磨成粉。粉料经过巯基乙醇蒸汽还原一定时间后，部分双硫键被还原为游离的巯基基团，烘干后，可以在一定的压力和温度下热压成膜。巯基基团在热压的过程中重新结合，形成新的双硫键，将膜中各个大分子交联起来，形成角蛋白膜。3 2 仪器与试剂巯基乙醇，分析纯，天津市远航化学品有限公司。过氧乙酸，分析纯，天津市化学试剂一厂。戊二醛，分析纯，天津天泰精细化学品有限公司。索氏提取器，天津市玻璃仪器厂。h z s - h 恒温水浴振荡器，哈尔滨东联电子技术开发有限公司。d y - 6 0 台式电动压片机，天津市科器高新技术公司。k q 2 5 0 h 型医用超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司。a b 2 0 4 电子天平，称量范围1 0 m g 一- 2 1 0 9 ，灵敏度l m g ，瑞典。试样压制模具，高6 0 e m ，内径2 9 2 4 m m ，实验室设计，见图3 1 。游标卡尺，量程1 5 0 m m ，精度0 0 2 m m 。水银温度计，量程3 0 0 ；精度0 2 。3 3 实验方法称取1 0 9 脱脂后的人发，用剪刀剪碎至1 2 c m ，放入2 5 0 m 1 锥形瓶中，加入9 0 m l 过氧乙酸，在6 0 条件下反应，氧化时间h 为0 5 1 5 h 。用研钵将氧化后的人发研磨成粉，把粉料放入索氏提取器中，用巯基乙醇蒸汽还原l 9 h ( 如无特别说明，实验均按照5 h 进行) 。将毛发颗粒用去离子水清洗后，用纱布包覆，对其进行一定程度地挤压，除去部分水分后烘干至粉料的含水率为2 0 w t 左右。称取粉料质量m0 5 2 5 9 置于模具中，然后，将模具放入油压机的两个压板之间，随油压机两个压板升温至1 2 5 1 7 5 并在此温度t 下保温0 5 h 后，将油压机加压至4 4 - - 一2 2 0 m p a 并在此压力p 下持续1 0 m i n 。将模具从油压机中取出后，冷却至室温后退模。3 4 膜的性能测试第三章毛发热压成膜实验1 下凸模2 聚四氟乙烯片3 上凸模4 凹模5 人发粉料试样6 测温孔图3 1 试样压制模具f i g 3 - lt h ep r e s s i n gs e t3 4 1 膜形态结构的扫描电镜( s e m ) 分析扫描电镜是目前对膜形态结构进行观测分析的最直接最常用的方法。被测的膜在4 0 c 下烘干后固定在样品台上，经离子溅射仪( e i k oi b 一3i o nc o a t e r ) 镀金后，用扫描电镜( p h i l i p sx l 3 0e s e m ) 观察其表面及断面。3 4 2 膜拉伸性能的测试参照国标g b l 0 3 9 7 9 和g b l 0 4 0 - 7 9 ，我们利用电子式万能试验机( 长春第二实验机有限责任公司，w d 1 0 d ) 测试了不同膜的拉伸强度。首先将膜裁成图3 2 所示的形状，然后于2 5 _ + 2 c 、相对湿度为6 5 5 的条件下，在万能拉力机上对被测膜施加静态拉伸负荷，以测定样品的最大强度嘶和伸长率，。p吼2 丽3 2( 3 1 )第三章毛发热压成膜实验占：g - g o 1 0 0t21 刈( 3 2 )其中p 为最大负荷( k g ) 、b 为试样宽度( e r a ) 、d 为试样厚度( c m ) 、g o 为试样原始标线距离( c m ) 、g 为试样断裂时标线间距离( c m ) 。l 一总长2 9 2 m m 、c 一平行部分长度5 ，0 + 0 5 m m 、b 一平行部分宽度8 0 0 2 m m 、w 一端部宽度1 2 0 0 2 m m 、r = 7 0 m m 、d 一厚度( 即被测膜的厚度) 、h 一夹具间距离1 5 0 m m 、g o 一标距( 或有效部分) 5 0 0 5 m m图3 膜试样的形状f i g 3 2s h a p eo fm e m b r a n es a m p l e sf o rs t r e n g t hm e a s u r e m e n t s3 4 3 角蛋白膜的离子交换容量测试角蛋白膜的e g g 值或离子交换容量1 e c 采用酸碱滴定的方法来测定。将待测角蛋白膜研磨成粉，准确称取1 2 9 ，研碎后放入3 0 r o l l o m o l 1 的n a o h 水溶液中浸泡1 天，然后以酚酞为指示剂，用1 o m o l 1 的h c i 水溶液进行反滴，计算出e w 或i e c 。计算公式如下：e w ：竺渊c n a ( ) 抒一f c 删1j e c ：二e ( 3 3 )( 3 4 )其中m 为粉料质量( g ) ，v n a o h 为所用n a o h 溶液体积( m 1 ) ，c n a o | 【，为n a o h溶液浓度( m o 们) ，v n c t 为所用h c i 溶液体积( m 1 ) ，c h c t 为h c l 溶液浓度( m o l d ) 。3 。4 4 热重分析( t g a )热重法是在程序控制温度下借助热天平以获得物质的质量与温度关系的一种技术，在目前聚合物热稳定性研究中较常采用。j第三章毛发热压成膜实验本实验中采用的是北京光学仅器厂生产盯e c t - 2 差热天平。将被测样品事先在1 0 0 下干燥5 小时以去除水分，然后准确称取1 5 2 0 r a g 己干燥的样品，放入二氧化硅容器中进行测试。测试气氛为n 2 ，测试温度为3 0 8 0 0 。c ，升温速率为1 0 。c m i n 。测试在天津大学化学系热重分析室进行。3 4 5 电导率的测量3 ，4 5 1 电导率测量方法的选择角蛋白膜的离子导电能力依赖于膜内反离子以及渗入膜内的离子。电导率的测量按施加电源的种类可分直流测量和交流测量。测量电极可分阻塞型电极和非阻塞型电极。本研究中使用的测试用电极均为阻塞型电极，即电荷不能穿过电极e g 解质界面。直流测量是最简单直接的方法，但直流电会使电解质中的正、负离子分别向外加电场的负、正两极迁移，不久便与外加电场平衡，产生浓差极化现象。而电阻的计算是基于欧姆定律，所以严格地讲，只有在外加电压的一瞬间，得到的电阻值才是正确的。因此，直流法难以准确测量出聚合物的电导率。如果使用交变电流，就可避免直流测量带来的浓度极化问题。目前普遍采用的都是交流阻抗测量技术p 引。( a ) 两电极法( b ) 四电极法图3 - 3 水平向阻抗测量的两电极法和四电极法f i