（化学工程专业论文）角蛋白提取和制膜的研究.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、瓜、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，本文中研究了用还原法从羊毛中提取角蛋白的工 艺条件，包括还原剂溶液的p h 值，还原反应的时间和温度。通过正交实验发现， 当羊毛用0 5 m o l l 的巯基乙酸钠溶液( p h = 1 0 ) 在4 5 下还原8 h 时，得到的角 蛋白的分子量最大，约为9 6 0 0 0 。 本文还研究了角蛋白膜的制备和膜的分离性能。通过实验发现还原法所制备 的角蛋白膜是致密膜。以角蛋白膜的甲醇透过系数、c 0 2 的透过速率和c 0 2 相对 于c i - 1 4 的分离系数为指标，考察了制膜液中角蛋白的浓度、溶剂氨水的浓度、 巯基乙酸、戊二醛和甘油的加入量对角蛋白膜的透过性能的影响。同时，本文通 过水煮和烘干这两种热处理方式研究了热处理对角蛋白膜性能的影响。实验结果 表明热处理后，膜的致密性提高，强度增强，但是其中的官能团基本没有改变。 蛋白纤维具有吸湿性强、触感柔和、穿着舒适等优点，而合成纤维具有廉价、 强度高和弹性好等优点。若能将两种材料的特点结合，则对提高生活品质和取得 经济效益均有意义。因此本论文初步尝试了在合成纤维上进行角蛋白涂层。我们 把角蛋白溶液涂于聚丙烯腈纤维上形成角蛋白涂层，希望此涂层纤维能具有蛋白 纤维的优良性质。通过测定纤维在涂层前后的质量变化、饱和湿度下吸湿量的变 化和强度变化，考察了角蛋白的分子量、角蛋白溶液的浓度和涂层次数对涂层纤 维的吸湿性能和强度的影响。结果表聪涂层纤维的吸湿性能比原聚丙烯腈纤维大 幅度提高，强度与原纤维基本持平。 关键词： 羊毛，角蛋白，提取，膜，纤维涂层 a b s t r a c t k 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 n a n da n i m a lo r g a n si n c l u d i n g e p i d e r m i s ，h a i r , w o o l ，f e a t h e r , h o o f a n dh o m t h en a t u r a lk e r a t i ni so fg r e a tv a l u ei f b 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 y c a s e s ，r e s u l t i n gi nw a s t eo f t h e n 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 e a i mo ft h et h e s i si st oe x p l o r en e w w a y sl e a d i n gt oai m p r o v e d u t i l i z a t i o no fk e r a t i n f r o mw 0 0 1 t h e p r o c e s sp fe x t r a c t i n g k e r a t i nb yr e d u c t i o no fw o o lw a ss t u d i e d t h e v a r i a b l e s i n v e s t i g a t e di n c l u d er e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r e ，p ha n dc o n c e n t r a t i o no f r e d u c t a n ts o l u t i o n t h er e s u l to f o 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 n t h ew o o l w a sr e d u c e db yo 5 m o y ls o d i u mt h i o g l y c o l a t es o l u t i o n ( p h = l o ) a t4 56 c f o r8 h ，t h e h i g h e s tm o l e c u l a rw e i g h t i s9 6 0 0 0a n dr e a s o n a b l er e c o v e r a yo f k e r a t i nr e s u l t e d 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 ee x t r a c t e dk e r a t i na n d t h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ea s - p r e p a r e dm e m b r a n ew e r ea l s oc a r r i e do u t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e m b r a n e sa r en o n ep o r o u s t h em e t h a n o l p e r m e a b i l i t y , c 0 2p e r m e a n c ea n dt h es e l e c t i v i t yo fc 0 2 t oc h 4o ft h em e m b r a n e s w e r em e a s u r e d t h em e m b r a n e p e r f o r m a n c e 醐af i m c t i o n o ft h e p r e p a r a t i o n c o n d u c t i o n ss u c ha st h ec o n c e n t r a t i o no fk e r a t i na n da m m o n i a ，t h ea m o u n to f g l u t a r a l d e h y d e ，g l y c e r i na n dt h i o g l y c o l i ca c i dw a sa l s os t u d i e d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t o ft h e r m a l t r e a t m e n t ，b o i l i n g i nw a t e ra n dh e a t i n gi n a t m o s p h e r e ，o nt h ek e r a t i n m e m b r a n e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e n s i t ya n dt h es t r e n g t ho ft h e m e m b r a n ei n c r e a s ew h i l et h ef u n c t i o n a lg r o u p sa l m o s tr e m a i nu n c h a n g e da l t e rt h e t h e r m a lt r e a t m e r i t n a t u r a lp r o t e i nf i b e r sa r ec h a r a c t e r i s t i co f g o o dw e ta b s o r b i n g ，v e r yf l e x i b l ei n t e x t u r ea n dc o m f o r t a b l eo n t o u c h i n g ，w h i l em o s ts y n t h e t i cf i b e r sh a v et h ea d v a n t a g e s o fl o wc o s t ，h i g h s t r e n g t ha n dd e s i r a b l ee l a s t i c i t y i ft h e s ep r o p e r t i e so ft h et w o m a t e r i a l sa r ei n t e g r a t e d ，i tw i l ll e a dt oh i g hq u a l i t y p r o d u c t sf o rp e o p l ea n db eo f g r e a t e c o n o m i cv a l u e t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t yo f m a k i n gc o m p o s i t ef i b e rw a se x p l o r e db y c o a t i n gk e r a t i no n t op o l y a c r y l o n i t r i l ef i b e r s t h ew e ta b s o r p t i o na n ds t r e n g t ho ft h e c o a t e df i b e r sw e r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h a to ft h e o r i g i n a lf i b e r t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so b s e r v e d i n c l u d et h em o l e c u l a r w e i g h t o f k e r a t i n ，t h e c o n c e n t r a t i o no f k e r a t i ns o l u t i o na n dc o a t i n gt i m e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea b i l i t y o fw e ta b s o r p t i o no ft h ec o a t e df i b e r sw a sc o n s i d e r a b l yi n c r e a s e d ，w h i l et h e r e m e c h a n i c a ls t r e n g t hr e m a i n u n c h a n g e d k e y w o r d s ：w o o l ，k e r a t i n ，e x t r a c t i o n ，m e m b r a n e ，f i b e rc o a t i n g 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，也不包含为获得墨生盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：际差 签字日期：j 一。j 年f 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨望盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢生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：际莲导师签名 签字日期：9 9 年月p 日 签字日期：d 专年1 月fd 日 前言 羊毛绒具有许多优良的特性，如弹性好、吸湿性强、保暖性好、不易沾污、 光泽柔和等，这些性能使羊毛织物成为人们最喜爱的织物品种之一。羊毛还可以 制造工业用呢绒、呢毡、毛毯、衬垫材料等。正是以上这些使羊毛成为纺织工业 的重要原料和用量最大的纺织用毛类纤维。现在世界上每年的羊毛产量约为3 0 0 万吨。我国存栏羊数在世界上占前位，也是羊毛的主要生产国。但是，我国优良 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羊数较大。这些 羊毛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。另外， 许多地方因养羊过多而侵害了草场，对生态环境造成破坏。重新回收利用这部分 低品质羊毛和废弃羊毛不但可以提高羊毛的利用率，起到回收资源的作用，又可 以减少羊的存栏量，保护种植地，进而保护生态环境，在取得经济效益的同时取 得生态效益和环境效益。 羊毛中含有9 9 1 1 的角蛋白，回收利用羊毛的重点在于从中提取出角蛋白。 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，如何从羊毛、禽羽毛等资源中提取角蛋 白来制备这些材料是个重要课题。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，人们更加喜爱天然棉、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。将角蛋白溶液涂于合成纤维上形成涂层，所得到的 改性纤维将会因为其表面的那一层角蛋白涂层而具有一些蛋白纤维的优良性质。 因此，探索用角蛋白溶液对合成纤维进行涂层改性也很有意义。 第一章文献综述 1 1 角蛋白的结构 第一章文献综述 羊毛是最大的角蛋白源，它的加工和利用已经有很长的历史，因此人们对羊 毛的组织和形态结构的研究也很细致和充分，下面以羊毛的结构为代表说明角蛋 白的结构。 1 1 ，1 角蛋白的形态结构 羊毛是由许多细胞聚集构成，可分为三个组织部分f 2 】：包覆在毛干外部的鳞 片层( c u t i c l e ) 、组成羊毛实体的皮质层( c o r t e x ) 和由毛干中心的毛髓组成的髓 质层( m e u l l a ) 。髓质层是由结构松散且充满空气的角原细胞组成，只存在于较 粗的纤维中，细毛无髓质层。细羊毛的结构见图1 - 1 3 1 。 l t m 。嬲隧一 | 1 1 1 墨神娜- 图1 - 1 细羊毛纤维的形态组分图 f i g l 1 s c h e m a t i cd i a g r a m o f t h e m o r p h o l o g i c a lc o m p o n e n t s o f af i n ew o o lf i b e r 鳞片层可以分为鳞片外表皮层( o p i c u t i c l e ) 、内表皮层( e x o c u t i c l e ) 和内皮 层( e n d o c u t i c l e ) 三个部分，都由片状角原细胞组成。鳞片层的主要作用是保护 羊毛不受外界条件的影响而引起性质的变化。鳞片排列的疏密和附着程度，对羊 2 第一章文献综述 毛的光泽和表面性质有很大的影响。羊毛上鳞片愈稀愈易紧贴于毛干上，使纤维 表面光滑，反光强，光泽亮。而对于细羊毛，纤维细，鳞片紧密，对光线反射小， 因而光泽柔和，近似银光。此外，鳞片层的存在，使羊毛具有毡化的特性。 皮质层在鳞片层的里面，是羊毛的主要组成部分，也是决定羊毛物理化学性 质的基本物质。皮质层细胞占羊毛重量的5 0 【4 】。它和鳞片层之间以细胞间质 紧密联结在一起。皮质层是由许多稍扁的、略呈转益的纺锤形细胞组成。这些纺 锤形细胞间以细胞间质紧密联结在一起，其间可能存在着空隙。细胞间质为非角 原物质，含有少量胱氨酸，约占羊毛重量的1 ，厚1 5 0 埃，充满细胞的所有缝 隙，易被酶解和被酸、碱、氧化剂和还原剂降解。组成皮质层细胞的巨原纤 ( m a c r o f i b r i l s ) 是由微原纤( m i e r o f i b r i l so ri n t e r m e d i a t ef i l a m e n t ) 构成的1 5 。 微原纤的中间细丝是a 一角蛋白，以螺旋形态存在【“。微原纤的组成见图1 2 。 中蔺龌签肆o t i f i l - 哦擞舅嘲：d t f i h i l l 图1 - 2 微原纤组成图 f i g l 一2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h em i c m f i b r i l s 在毛发纤维中，每个n 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。1 1 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2 ) 。 角蛋白在自然状态下有着特定的x 射线衍射模型，称之为n 型。螺旋是蛋 白质分子中最常见且很稳定的一种构象，可以分成左手螺旋和右手螺旋，后者较 前者稳定。天然蛋白质分子中存在的n 螺旋主要是右手螺旋 。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b 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。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 第一章文献综述 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【8 。9 1 。a 螺旋和b 折叠是蛋白质中主要的二级结构， 见图卜3 9 1 。图中n 端是氨基末端的简称，指多肽链的一端有游离的c 【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一羧基。 1 1 2 角蛋白大分子是由以2 0 多种a 一氨基酸( 氨基在羧基的d 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 一1 7 的氮和3 4 的硫i l 】。 角蛋白中氨基酸的通式为h 。n c h r c 0 0 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 i 星n h 蕃g n h i 星 r 。h 西 毛 4 第一章文献综述 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，见图1 - 4 1 0 1 。 图卜4 角蛋白大分子结构图 h g l 一4 n e m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f k e r a t i n 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 原子或羰基氧原子，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a n h 3 + 等) 与带负电荷的基团( 如c 端 的a - - 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，如高浓度的盐、过高或过低的p h 值，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 羊毛纤维中9 0 的双硫键被打开时，羊毛就可以溶解了n l 。 第一章文献综述 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 离子与蛋自质的连接往往是配位键。疏水键是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 1 】，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 ，尼龙和聚醑的吸湿量约为自身重量的 1 0 。并且，羊毛以同时具有亲水和疏水的性质( w e t t a b i l i t yp a r a d o x ) 而著称， 它有着疏水的表面，却有着吸湿的内部。羊毛能在吸收很多水分后，表面仍然感 觉不到潮湿【2 j ，这主要是因为羊毛表面有一层阻挡层。用电子显微镜对羊毛表皮 细胞进行观察是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，具有较强的化学稳定性，不易被化学试剂所降解。羊毛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。微原纤和基体( m a t r i x ) 之阃的化学物 质很适合形成氢桥，是羊毛吸湿的重要原因 1 1 。 1 2 2 角蛋白的两性性质 在羊毛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a 一氨基和a 一羧基，因此羊毛纤维具有两性性质，既能与酸作用，又能与 碱作用j 。无机酸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。丽有机酸对羊毛纤维几乎没有作用【“。碱使盐式键断开， 多缩氨酸键缩短，胱氨酸发生水解。髓着碱浓度的增加、反应温度的提高和处理 时间的延长，羊毛受到明显的损坏。 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。对某 一蛋白质来说，在某p h 值介质溶液中，它所带的正电荷与负电荷数恰好相等， 即净电荷为零，这时溶液的p h 值就称为蛋白质的等电点【1 2 】。两性物质在等电点 时溶解度最低，易沉淀析出；在偏离等电点时容易溶解，偏离越远，溶解度越大。 6 第一章文献综述 等电点沉淀法就是调节两性物质溶液的p h 值，以达到某一物质的等电点，使其 从溶液中沉淀出来。 每种蛋白质都具有特定的等电点，这和它所含的氨基酸种类和数量有关，也 就是和蛋白质所含的酸性和碱性氨基酸的比例有关。含碱性氨基酸残基较多的蛋 白质，其等电点偏碱性；含酸性氨基酸残基较多的蛋白质，其等电点偏酸性，而 酸性和碱性氨基酸的数目相近的蛋白质，其等电点大多近乎中性。羊毛角蛋白的 等电点为4 - 4 5 。但是各种蛋白质等电点并非常数。当溶液中有中性盐存在时， 蛋白质分子的解离基团除了与h + 发生作用外，还能分别与阳离子或阴离子结合 而发生带电性质的变化，使等电点偏移。因此，等电点并不是一个恒定值，它会 因为受到溶液中盐的种类和离子强度的影响而有所不同。 1 3 角蛋白的提取 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。近年来，可生物降解塑料和生物医学材料受到广泛的重视，尤其是 如何从羊毛、禽羽毛等中提取角蛋白来制备这些材料。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 机械法提取角蛋白 机械法提取角蛋白一般都是应用加热( 1 0 0 2 0 04 c ) 、加压( o 3 1 m p a ) 的方 法使角蛋白内部的双硫键断裂水解，从而使它变为可溶的、易消化的多肽混合物。 文献中报道的主要的机械方法归纳于表1 1 。 表1 - 1提取角蛋白的机械方法 ! ! ! ! ! ! ：! 塑! 型型些塑堡! 塑! 苎堡型选堡! 型堡 方法主要设备 主要的操作条件和操作方法 第一章文献综述 从表中可以看出高压膨化法所需的压力、温度都比水解法低，时间也较短。 另外，水解法得到的产物呈凝胶状，需要经过干燥、粉碎才能得到角蛋白粉，而 膨化所得物呈疏松卷状，不需要干燥过程就可以直接轻压成角蛋白粉，消化率可 达8 0 左右【l ”。因此，膨化法比水解法简单。利用膨化法制备羽毛粉有着很多 的优点，比如：膨化法工艺简单，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，因此，国内对膨化 法制各羽毛粉的研究较多【1 4 t ”1 8 1 1 9 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自的牢固空间结构，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 ”l 。而挤出法【1 6 1 是将粉碎的固体原料分散 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 在挤出装置中加热熔化后挤出成型，主要用于制各热塑性材料。 1 3 2 化学法提取角蛋白 为了提取可溶性的角蛋白，首先要设法把角蛋白中的双硫键打开。文献中报 道的利用化学方法制备可溶性角蛋白的方法主要包括酸碱处理法、还原法和氧化 法。 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，然后在定的温度和液比下用碱溶解，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 。 8 第一章文献综述 表1 - 2 提取角蛋白的酸碱处理法及其比较 t a b l e l 2t h e c o m p a r i s o n o f m 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 0 l 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。在丁雅明障i 】的发 明专利中，经一次溶解制得的大分子可溶性角蛋白，具有联结力强、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 可溶性角蛋白。 1 3 2 2 还原法 该方法主要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酸溶液，它只打开双 硫键而不导致肽链的断裂，其反应式如下； 第一章文献综述 s - c h 2 - c h r c o - n h h s c h 2 - c h r - c o - n h -s - c h 2 c o o h l + 2 h s c h 2 c o o h + l s - c h 2 - c o n h h s c h 2 - c o n h s - c h 2 c o o h 这种方法的一般做法是用巯基乙酸钠的碱性溶液( 用n a o h 溶液调节 p h = 8 - 1 2 ) 预处理固体原料来溶胀纤维，然后向溶液中加入一定量的尿素，在 定的温度下溶解一段时间，滤去末溶解的羊毛。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， 再用盐析法从离，t l , 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 。 表1 - 3 提取角蛋白的还原法及其比较 l o 第一章文献综述 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 5 】提出的挤出法中也 用n a 。s 作为还原性的添加剂。在上述方法中，还原剂只打开双硫键而没有基本 多肽链的断裂，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，满足了应用要求。 常用的打开双硫键的还原剂除了n a 2 s 2 8 2 9 1 、巯基乙酸外【2 2 孔3 0 1 ，还有巯 基乙醇、亚硫酸盐( 如n a h s 0 3 ) 3 2 】、硫代硫酸盐【3 孤、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 4 - 3 6 1 和n n 二甲基- n n 二巯基乙酰基胼( d m h ) 阳。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 m ，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 3 2 3 氧化法 为了增加产物的亲水性，t i m m o n s 等口5 2 8 1 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。如果用过氧乙酸作为氧化剂， 它在加温氧化过程中可分解为水和醋酸，这些物质都是无毒的，不产生污染，有 人专门利用过氧乙酸水解羽毛以得到氨基酬3 9 1 。被氧化剂部分氧化后的羊毛经 过干燥，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 ( 1 ，制得角 蛋白溶液：或先用巯基乙酸铵溶液还原上述角蛋白粉，离心分离，得到的不溶物 中含有8 0 以上的b 一角蛋白，将此不溶物用浓硫酸或甲酸酸化至p h t t ： ( 2 ) 羊毛溶解率随着还原剂溶液p h 值的增加、溶解温度f r ) 的提高、反应时间( t ) 的延长而增大。 从表3 3 的分析结果可以得出如下结论：( 1 ) 对于分子量的影响t t p h ， t 和p h 对分子量的影响相差不大，而t 对分子量的影响大于前两者；( 2 ) 随着 还原剂溶液p h 值的增加、反应温度的提高、反应时间的延长，角蛋白的分子量 先增大后减小。( 3 ) 还原剂溶液p h = 1 0 ，4 5 下反应1 2 h 时分子量最高。 在这个还原反应中，还原剂主要还原双硫键，但是它对肽链也存在一定的破 坏作用。在反应初期，角蛋白的分子置随着反应的进行而增大，其原因目前还不 甚清楚。当反应时间过长时，还原剂溶液对肽链的破坏严重，导致角蛋白肽链断 裂，使得溶液中角蛋白的分子量降低。升高反应温度和增大溶液的p h 值虽然有 利于促进还原剂打开双硫键的反应，但是也可能更有利于碱性溶液对肽键的降解 反应，从而使所得角蛋白的分子量随温度的升高和p h 值的增加而先增大后减小。 羊毛溶解率是一个重要的经济指标，所以将其引为实验评价指标。当羊毛的 溶解率足够高时，回收才有意义。从正交实验的分析中知道反应时间对羊毛溶解 率的影响不大，但上述正交实验中的反应时间都大子8 h ，为了更全面的研究反 应时间对羊毛溶解率的影响，我们分别在不同的反应条件下测定了不同反应时间 下的羊毛溶解率，实验结果见图3 - 1 。 第三章还原法的实验结果与讨论 821 82 0 t ( h ) ( a ) 8 21 62 0 t ( h ) ( b ) 图3 1 羊毛溶解率随反应时间的变化 f i 9 3 1 s o h b l i z a t i o no f w o o l a saf u n c t i o no f r e a c t i o nt i m e 比较图3 - 1 ( a ) 、( b ) 可发现，在反应后期，羊毛溶解率的增加速度都随着反应 时间的延长而趋于缓慢，这主要是因为后期还原剂和羊毛不断减少，反应变慢引 起的。但在反应初期，变化趋势却有明显的区别。在反应温度和溶液的p h 值均 较低( 4 56 c ，p h = 8 ) 时，反应初期羊毛溶解率的增长速度比较缓慢，当反应进行一 段时间后。羊毛溶解率才迅速提高，这说明反应在低温和低p h 值下可能存在着 一定的诱导期。而当反应温度和溶液p h 值都比较高时，反应初期羊毛溶解率增 长速度最快，之后随着反应时间的延长而逐渐变慢。根据上述分析，为了使羊毛 溶解率足够大，反应时间大于8 h 是合理的。 阳 蚰 柏 ； 加 伸 一爨)0口e扫鲁皿口一os 一 一 一 一 一 一 蛐 伯 蚰 ?p)0葚茸fionios 第三章还原法的实验结果与讨论 32 膜的形态和性能表征 3 2 1 膜的表观形态 用1 0 的氨水溶解角蛋白，配制成3 0 m l 浓度为0 0 4 9 m l 的角蛋白溶液， 再向其中加入6 4w t 的巯基乙酸( 叭是以溶液中所含的角蛋白的质量为基准 下同) ，将所得的制膜液倒在玻璃板上( 1 2 c m 1 2 c m ，下同) ，室温下自然干燥， 所得的角蛋白膜在5 0 c 下烘干后做电镜扫描，结果见图3 2 。 ( b ) 图3 - 2 还原法膜的s e m 照片( a ) 表面( b ) 断面 f i 9 3 2 s e m p i c t u r e so f t h em e m b r a n e ( a ) s u r f a c e ( b ) c r o s s s e c t i o n 从膜的表观形貌来看还原法所制得的膜属致密膜，表面比较均匀。断面上 第三章还原法的实验结果与讨论 不规则的孔可能是制膜液未进行脱气处理而导致的气孔。通过下面所做的膜的气 体分离性能的测试实验也可以证明膜是致密膜。 3 2 2 膜性能的影响因素 k i k k a w a 2 5 8 】等虽然提出了以羊毛为原料制备角蛋白膜的一般过程，但并没 有详细探讨制膜过程中的各个因素对膜性能的影响。为此，本文在成功的制备出 角蛋白膜的工作基础上，首次详细探讨了制膜液中角蛋白的浓度、溶解角蛋白的 氨水的浓度、巯基乙酸的加入量、戊二醛和甘油的加入量等因素对膜性能的影响。 3 2 2 1 角蛋白浓度对膜的透过性能的影响 用1 0 的氨水溶液溶解角蛋白，配置成不同浓度的角蛋白溶液3 0 m l ，再向 其中加入6 4w t 的巯基乙酸和8 1 讯的戊二醛，将历得的制膜液倒在玻璃板 上，室温下自然干燥成膜，测量所得膜的厚度和甲醇透过系数，并根据所测得的 数据计算出角蛋白膜的密度，结果见表3 - 4 。 表3 - 4 蛋白浓度和对膜厚度、甲酵透过系数的影响 t 抽l e3 - 4t 1 l ee f f e c to f k e m t i nc o n c e n t r a t i o no nt h et h i c k n e s sa n dm e t h a n o l p e r m e a b i l i t yo f t h e m e m b r a n e s 糍2 嚣伽z s o o 。s a s s o o ，- 膜厚 5 31 0 61 5 02 0 82 8 4 膜的密3 度 1 0 20 7 1o 6 40 6 10 5 2 墨篓銎! ：!竺竺竺竺 由表3 - 4 可见，随着制膜液中角蛋白浓度的增加，膜的厚度和甲醇透过系数 增加而密度下降。这可能是因为角蛋白浓度的增加使得制膜液粘度增加，在室温 下干燥成膜的过程中，溶剂( 主要是水) 的挥发难度提高。越是浓度商、厚度大 的溶液越在先于干燥前形成凝胶。这种物理交联形成后，蛋白大分子之间的距离 随溶剂的挥发而进行的调整受到阻碍。这导致膜的密度降低，使甲醇透过系数增 第三章还原法的实验结果与讨论 3 2 2 2 巯基乙酸的加入量对膜的透过性能的影响 用1 0 的氨水溶液溶解角蛋白配制成角蛋白浓度为0 0 4 5g m l 的溶液，再 向其中加入8 1 研的戊二醛和不同量的巯基乙酸，将所得3 0 m l 的制膜液倒于 玻璃板上，室温下自然干燥成膜，测量所得的膜的甲醇透过系数和气体分离性能， 结果见图3 - 3 和图3 - 4 。 从图3 3 和图3 - 4 中可以看出c 0 2 透过速率和甲醇透过系数都随着巯基乙酸 加入量的提高而先减小后增大，c 0 2 对c h 4 的分离系数随着巯基乙酸加入量的提 高而先增大后减小。 鸯 哦 “吕 3 分 30 x 1 0 4 24 x l0 4 18 x 1 0 4 1 2 x 1 0 4 g 6 0 x 1 0 4 芒 山 48 t h i o g l y c o l i ca c i dc o n c e n t r a t i o nw t 第三章还原法的实验结果与讨论 卜多：- i 篾愁： 卜。， 图3 3 巯基乙酸加入量对( a ) c 0 2 透过速率和( b ) 分离系数的影响 f i 9 3 3 t h ee f f e c to f t h i o g l y c o l i ca c i dc o n c e n t r a t i o no n ( a ) t h ec 0 2p e r m e a n c e a n d ( b ) s e l e c t i v i t yo f t h e m e m b r a n e s 481 21 e2 02 4 t h i o g l y e o t i ca c i dc o n c e n t r a t i o nw t 图3 - 4 巯基乙酸加入量对甲醇透过系数的影响 f i 9 3 4 t h ee f f e c to f t h i o g l y c o l i ca c i dc o n c e n t r a t i o n o i lt h em e t h a n o l p e r m e a b i l i t yo f t h e m e m b r a n e s 王望ou扫至芑奄 一羊目旦西鲁嘎。旦10磊鲁苫 第三章还原法的实验结果与讨论 在还原羊毛的反应中，当角蛋白中的双硫键( s s 一) 被还原剂还原成巯基基 团( s h ) 时，由于s h 不稳定，它将继续与溶液中还n n 上n 巯基基团作用， 生成新的s s ( 下面称之为二次形成的双硫键) ，其反应原理可以用下面的两个 反应式表示。 s - c h 2 c h r - c o - n h - h s c h 2 - c h r - c o n h - s - c h z c o o n a i + 2 h s c i l 2 c o o n a + l s c h 2 一c o n i t - h s c h 2 c o - n h s c h 2 c o o n a h s c h 2 一c h r - c o - n h h o o c - h 2 c s - s - c h r c h r - c o - n h 一 + m s c a t c o o m o i - - - - + h z 0 h s - c h 丑0 c o - n h h 0 0 c - h 2 c s - s c i - 1 2 - c o n h 一 制膜液中加入巯基乙酸是为了打开还原反应中二次形成的双硫键，重新生成 活泼的巯基基团( s h ) ，进而使巯基基团( s h ) 在氧气的氧化下重新交联成稳 定的双硫键( s s ) 结构，形成角蛋白膜。巯基乙酸的加入量比较少时，加入的 巯基乙酸全部用来还原二次形成的双硫键，因而生成的活泼巯基基团随着巯基乙 酸加入量的增加而增多，导致形成的膜的交联程度提高，使得膜的致密性增加， 导致c 0 2 透过速率和甲醇透过系数降低及c 0 2 相对于c i - h 的分离系数提高。但 是，当巯基乙酸的加入量过多时，将二次生成的双硫键全部还原后剩余的巯基乙 酸将会和刚生成的活泼巯基基团再次发生反应，使得真正可用于交联的活泼巯基 基团减少，反而使膜的交联程度降低，致密性降低。导致透过速率增大和分离系 数减小。 3 2 2 3 氨水浓度对膜的透过性能的影响 用不同质量浓度的氨水溶解角蛋白，配制成角蛋白浓度为0 0 5 6g m l 的溶 液3 0 m l ，再向其中加入1 2 7 砒的巯基乙酸和8 1 埘的戊二醛，将所得制膜 液倒于玻璃板上，室温下自然干燥