（制浆造纸工程专业论文）胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜性能的研究.pdf

胶原蛋白一羧甲基纤维素共混膜性能的研究 摘要 制革废弃物的大部分是皮边角余料，其中胶原蛋白占8 0 以上， 胶原蛋白不仅是丰富的蛋白质、氨基酸营养源，同时是优良的功能 性生物高分子材料，其特有的生物学特性在医药、食品、造纸、功 能性保健品、化妆品、农业等多个领域都具有广泛的应用前景，因 此，回收利用皮边角余料中的胶原蛋白资源具有重要意义。 本论文基于我国制革废弃物的应用研究现状及胶原蛋白的性能 优势与缺点，在减轻制革污染的同时，变废为宝，以高值转化为目 的，对从皮革废弃物中提取胶原蛋白进行深入研究，围绕胶原蛋白 的应用特性和与羧甲基纤维素共混制备的膜材料进行了研究。充分 利用i r 、s e m 、x r d 、d s c 等观察测试手段，通过大量正交试验及 单因素试验，对胶原蛋白与羧甲基纤维素质量配比、成膜温度、成 膜p h 值、储存时间、添加剂用量等进行了广泛的研究；并对共混膜 的形态结构、结晶结构和热性能进行了一定程度的分析。 m g o 酶法水解相结合的方法处理废革屑提取胶原蛋白的质量较 好，最佳的提取工艺为：水解温度6 0 ；液比为1 ：1 5 ；时间为8 h ； m g o 用量为7 ；胰酶用量为0 2 。另外，水洗可以大幅度降低铬 革屑的灰分含量。经过水洗后，水解产物的灰分和铬含量都有所下 降，且产物的色泽也有很大的改观。 胶原蛋白是一种十分典型的两性聚电解质，其黏度的变化随p h 值的变化比较复杂；同时，胶原蛋白溶液的黏度还受到环境的温度、 溶液的质量百分含量以及胶原蛋白溶液的储存时间影响。 胶原蛋白和羧甲基纤维素能成功制备共混膜。确定了流涎法制 备共混膜的最佳工艺条件。羧甲基纤维素与胶原蛋白质量比、成膜 温度、甘油质量百分含量及p h 值等对成膜性能均有较大的影响。最 佳制备条件为：羧甲基纤维素与胶原蛋白质量比为1 ：2 ；成膜温度 为5 0 ；甘油质量百分含量为2 5 ；p h 值为5 0 。 胶原蛋白的两性电解质性质，使得它与阴离子羧甲基纤维素共 混后，两者之间形成强烈的静电作用，加之氢键、范德华力等贯穿 ， 网络的相互作用，会形成一种性能稳定的聚合电解质络合物的，能 显著提高膜的力学性能。 少量的甘油对膜可以起到增塑的作用，能改善膜的韧性，提高 膜的力学性能；添加少量的戊二醛可以很好的改善共混膜的物理性 能。此外，用甘油水溶液处理共混膜也能改善膜的物理性能，而且 增大了膜的孔径，改善了膜的透水汽性能。 通过扫描电子显微镜的观察发现：采用流涎法制备的胶原蛋白 膜具有均质和较为致密的结构，甘油水溶液处理过的共混膜形成了 致密的多孔层。 利用红外光谱仪、广角x 射线衍射仪以及差式扫描量热仪对共 混膜进行分析发现：羧甲基纤维素与胶原蛋白在共混制膜时产生了 强烈的作用，它使胶原蛋白的分子排列和构象发生了明显的变化， 可能形成了新的聚集体，改善了膜的力学性能和热性能。 关键词：胶原蛋白，羧甲基纤维素，共混膜，物理性能，结构形貌 i i 盥q增漕qq罐0 h o np r o p e r t i e so fc o l l a g e n c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e b l e n d i n gf i l m a b s t r a c t h i d e o f f a l sa sam a j o rp a r to ft a n n e r yw a s t ec o n t a i n o v e r8 0 c o l l a g e n c o l l a g e ni sak i n do fe x c e l l e n tf u n c t i o n a lb i o m a t e r i a la sw e l l a sag o o ds o u r c eo fa m i n oa c i d s b e c a u s eo f s p e c i a lb i o l o g i c a l p r o p e r t i e s ，c o l l a g e nh a sg o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nm e d i c i n e ，f o o d ， p a p e r m a k i n g ，c o s m e t i ca n da g r i c u l t u r e b a s e do np r e s e n ta p p l i c a t i o ns t a t u so fw a s t ep r o d u c t si nc u r r i e r i e s i nc h i n a ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f c o l l a g e na n da n a l y s i sa n d 拿 c h a r a c t e r i z a t i o no fc o l l a g e ne x t r a c t e df r o mh i d e o f f a l s l u c u b r a t e do n c o l l a g e n e x t r a c t e df r o m h i d e o f f a l s s t u d i e do nt h e a p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fc o l l a g e na n db i o l o g i cf i l mb l e n d i n gw i t hc m c i tw a s i n v e s t i g a t e dt h a tt h em a s sp r o p o r t i o no fc o l l a g e na n dc m c ，t e m p e r a t u r e o fc a s t i n g f i l m ，p hv a l u eo fc a s t i n gf i l m ，d e p o s i t e dt i m ea n dt h e a d d i t i v e d o s a g et h r o u g h e x t e n s i v e e x p e r i m e n t s a n d t a k i n g f u l l a d v a n t a g eo fi r ，s e m ，x r d ，d s ca n ds oo n a n di tw a sa n a l y z e dt h a t t h em o d a l i t ys t r u c t u r e ，c r y s t a ls t r u c t u r ea n dc a l o r i cc a p a b i l i t yt os o m e e x t e n t i ti sb e t t e rt h a t e x t r a c t i n gc o l l a g e n f r o mh i d e o f f a l s b yt h e h y d r o l y z i n g m e t h o do fc o m b i n i n gm g ow i t he n z y m e t h e o p t i m a l e x t r a c t i n gc o n d i t i o n s ：h y d r o l y z i n gt e m p e r a t u r e i s 6 0 ，l i q u i d p r o p o r t i o ni s 1 ：15 ，t i m ei s8 h ，t h em g od o s a g ei s 7 ，t h ee n z y m e d o s a g ei s0 2 i na d d i t i o n ，i ts h o u l dr e d u c et h ea s hc o n t e n to fc h r o m e w a s t et h r o u g hw a s h i n g a f t e rw a s h i n g ，t h ea s ha n dc h r o m ec o n t e n to f h y d r o l y s a t eh a v eal i t t l ed r o p ，a n di t sc o l o u ra n dl u s t e rh a sm a n yc h a n g e a p p e a r a n c e s c o l l a g e n i sa t y p i c a l k i n d o fa m p h o l y t e t h e c h a n g eo fi t s v i s c o s i t ya l o n gw i t hp hv a l u ei sv e r yc o m p l e x a tt h es a m et i m e ，t h e i l l 凌 h嚆罗 v i s c o s i t y i sa f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，m a s sc o n t e n to f s o l u t i o na n dt h ed e p o s i t e dt i m e i tc a nc a s tf i l ms u c c e s s f u l l yb l e n d i n g c o l l a g e n a n dc m c t h e p r o c e s sp a r a m e t e r s o fc a s t i n gm e t h o dw e r e o p t i m i z e d t h e f i l m c a p a b i l i t i e sa r ea f f e c t e db yt h em a s sp r o p o r t i o no fc o l l a g e na n dc m c ， t e m p e r a t u r eo fc a s t i n gf i l m ，g l y c e r i np r o p o r t i o na n dp hv a l u eo fc a s t i n g f i l m t h eo p t i m a lm a k i n gc o n d i t i o n s ：t h em a s sp r o p o r t i o no fc o l l a g e n a n dc m ci s1 ：2 ，m a k i n gt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ；g l y c e r i np r o p o r t i o ni s 2 5 p hv a l u ei s5 0 t h ec a p a b i l i t yo fa m p h o l y t em a k e sc o l l a g e nb l e n d i n gw i t hc m c i t f o r m ss t r o n gs t a t i ca c t i o nb e t w e e nc o l l a g e na n dc m cd u et oc o l l a g e n s a m p h o l y t e ，w h i c hc o m ei n t ob e i n gp o l y e c e c t r 0 1 y t ec o m p l e x e st o g e t h e r w i t hh y d r o g e nb o n d ，m o l e c u l a rb o n da n ds oo n t h e ni tc a ni m p r o v et h e m e c h a n i c a lc a p a b i l i t ye v i d e n t l y as m a l lq u a n t i t yo fg l y c e r i nc a nm e l i o r a t et h et e n a c i t yo ff i l ma n d i m p r o v et h e m e c h a n i c sc a p a b i l i t y i n a d d i t i o n ，g i u t a r a l d e h y d e c a n i m p r o v et h ep h y s i c ，c a p a b i l i t yo ff i l mt o o f u r t h e r m o r e ，i tc a nm e l i o r a t e i t s p h y s i cc a p a b i l i t y ，a u g m e n t i t s a p e r t u r ea n dv a p o rp e r m e a b i l i t y t r e a t i n gw i t hg l y c e r i ns o l u t i o n b yu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，b l e n d i n gf i l m s h o w ss y m m e t r i c a la n dc o m p a c tm o r p h o l o g y ，a n db l e n d i n gf i l mw o r k e d w i t hg l y c e r i ns o l u t i o ns h o w sc o m p a c tp o r em o r p h o l o g y i tc a nb ef o u n dt h r o u g hi r ，x - r da n dd s ct h a ts t r o n gr e c i p r o c i t y b e t w e e nc m ca n dc o l l a g e nf o r m s ，w h i c hm a k et h ec h a n g eo fm o l e c u l a r a r r a n g e a n dc o n f o r m a t i o n ，t h e nf o r mn e w c o n g e r i e s ，c o n s e q u e n t l y m e l i o r a t et h em e c h a n i cc a p a b i l i t ya n dc a l o r i cc a p a b i l i t yo ff i l m k e yw o r d s ：c o l l a g e n ，c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e ，b l e n d i n gf i l m ， p h y s i c sc a p a b i l i t y ，m o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r e 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜性能的研究 1 文献综述 1 1 胶原蛋白概述 1 1 1 胶原蛋白的结构特征 胶原是生皮中最重要的纤维蛋白，是组成细胞外间质( e x t r ac e l l u l a r m a t r i x ， e c m ) 的最重要的功能蛋白，几乎存在于动物机体的一切组织中，主要富含于 皮、骨、肌腱、韧带、血管及其它结缔组织。据统计，自然界从低等的无脊椎 动物到高等的哺乳动物，总共大约有5 0 0 亿吨以上的胶原m 。迄今为止，己发 现1 9 种不同类型的胶原，其中最常见的是i 型、i i 型、型胶原。 i 型胶原遍布于肌体的各部分，其所占比例最大，主要在皮肤、肌健及韧 带中，具有很强的抗张能力。有关i 型胶原的研究及开发利用深受化学家的关 注。i i 型胶原主要存在于软骨和玻璃体中，具有较强的抗压能力。型胶原广 泛分布于伸展性大的组织中，如疏松结缔组织等，具有伸展性及应变性。各型 胶原的结构差异主要因多肽链的初级结构，即氨基酸的组成和顺序不同所致， 进而导致大分子形态和生物学性能的差异“1 ，。 i 型胶原是生皮中最丰富的胶原，其单体为原胶原，原胶原分子呈细棒状， 长2 8 0 n m ，直径1 5 n m ，相对分子质量约3 0 万。每一分子由三条肽链组成，两 条a ( i ) 链，一条0 【( i i ) 链，0 【( i ) 链和a ( i i ) 链只是在氨基酸连接顺 序上存在微小差异，两条a 链形成的二聚体叫b 一肽链，三条肽链叫y 一肽链n ，。 胶原与其它蛋白质一样，具有一、二、三、四级结构，结构图见图l 一1 。 胶原的一级结构是指其a 链特定的氨基酸顺序，胶原t , 链最大特征是氨基酸呈现 g l y x y 周期性排列，a 链由1 0 5 2 个氨基酸残基构成，g l y p r o y 三肽占g l y x y 三肽总和的1 3 。g l y p r o y 三肽的存在使得0 【链形成胶原特有的、紧密的左手 螺旋，从而构成胶原的二级结构。甘氨酸的存在又使得胶原特有的三条左旋a 链相互缠绕形成一股紧密右手复合螺旋结构，形成胶原的三级结构，这一区段 称为螺旋区段，螺旋区的末端由两条短肽组成，分别叫c 端肽和n 端肽n w 。 四级结构一般是指原胶原分子按“四分之一错列”方式超分子聚集形成很稳定 的韧性很强的原纤维，原纤维进一步聚集形成胶原纤维，胶原分子间聚集依靠 氢键、离子键和疏水作用而形成，除这些作用外，分子内及分子间的共价交 联赋予胶原高度的物理化学稳定性。此类共价交联一般认为随着年龄增长而增 加，致使皮肤、血管等变得缺乏弹性。 陕西科技大学硕士学位论文 h 围卜1 胶原的结构 ( a 、首级氨基酸序列：b 、四分之一错位结构；c 、次级左手螺旋和第三右手螺旋) f i g ，i 一1t h es 订u c t u r eo f c o l l a g e n ( a p r e m i e ra m i n o p h e n o ls e r i a l ；b q u a r t e rs t a g g e rs t r u c t u r e ； c s u bl e f t - h a n dh e l i xa n dt h i r dr i g h t h a n dh e l i x ) 1 1 2 胶原蛋白的性质与功能 胶原蛋白的性质与功能主要表现在”。”： ( 1 ) 可生物降解性。由于天然胶原紧密的螺旋结构，大多数蛋白酶只能 打断胶原侧链，削弱胶原分子的交联，只有特定的蛋白酶才能使胶原蛋白肽键 断裂。在胶原酶的作用下，胶原的肽键将被水解而逐渐打断，胶原肽链的断裂 随即造成螺旋结构的破坏，致使胶原被蛋白酶彻底水解，这就是胶原的可生物 ：眇o o p 小叫肾。 p瞅 眇o o 一 足 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜性能的研究 降解性。胶原蛋白之所以能作为器官移植材料被利用，正是基于此特性。由于 人体内存在胶原酶，胶原蛋白在体内将被胶原酶逐渐分解而代谢。 ( 2 ) 低抗原性。与其它具有免疫原性的蛋白质相比，胶原蛋白的免疫原 性非常低，尤其是不含端肽的胶原蛋白免疫原性非常低。 ( 3 ) 生物相容性。指胶原蛋白与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。 因胶原蛋白本身就是构成细胞外基质的骨架，胶原在细胞外基质中不仅含量 高，而且胶原分子特有的三股螺旋结构及其交联形成的纤维或网络构成细胞重 要组成成分，故胶原材料无论是在被吸收前作为形成新组织的骨架，还是被吸 收同化进入宿主，成为宿主组织的一部分，都与细胞周围的基质有着良好的相 互作用，表现出相互影响的协调性，并成为细胞与组织正常生理功能整体的一 部分。 ( 4 ) 细胞适应性和细胞增殖作用。胶原分子可与细胞相互作用并能影响 细胞形态，各种细胞可在体内及体外直接或间接与不同类型的胶原作用，并通 过这种作用控制细胞的形态、运动、骨架组装及细胞增殖与分化。胶原有利于 细胞的存活和生长，不仅能促进细胞的增殖分化，而且对改善细胞的分裂机能 也有效果。 警 ( 5 ) 促凝血作用。胶原蛋白一旦与血液接触，流动血液中的血小板立刻 就会与胶原吸附在一起，发生凝聚反应，生成纤维蛋白，并形成血栓，进而血 浆结块阻止血流，达到促凝血作用。 ( 6 ) 良好的力学性能。天然胶原紧密的螺旋结构对高强度的力学性能起 重要作用，在生物体中，胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白组分，因而可 在很大范围内满足肌体对机械强度的要求。 ( 7 ) 可食用性。胶原蛋白不仅具有良好的皮膜形成能力和亲水性，而且 由于紧密的螺旋结构和存在的结晶区还赋予其一定的热稳定性，在食品材料中 的应用主要有以下几方面：作香肠、火腿肠肠衣和冻肉等包装膜。具有阻氧、 阻油、阻水、可携带抗氧剂和抗菌载体、保香等功能，热处理过程中，随着水 分和油脂的蒸发和熔化，几乎与肉食的收缩率一致。胶原的成膜性使得胶原还 可以作固定化酶的膜材料和肉食品标签，后者己经在欧洲得到实际应用。另一 方面，食用级胶原不仅口感柔和、味道清淡、易消化、有强亲水性能，它的一 些独特的品质使得它在许多食品中用作功能物质和营养成分，具有其它替代材 料不可比拟的优越性。因此胶原蛋白还是优良的食品添加剂，可添加于香肠和 饮料等。现国内也已经有含胶原蛋白的饮品上市了。 ( 8 ) 美容作用。胶原蛋白是一种蛋白质，从亲缘的角度来看，以其作为 陕西科技大学硕士学位论文 化妆品活性物质十分自然。胶原蛋白的化学组成、结构决定了它在化妆品中有 保湿、滋润营养、修复防皱、减缓皮肤松弛等作用。 胶原分子外侧亲水基团羧基与羟基等的大量存在，使胶原分子极易与水形 成氢键，形成网状结构，锁住水分，可防止皮肤角质层失水、防止皮肤干燥， 并被皮肤吸收使皮肤丰满，皱纹舒展，赋予肌肤弹性。此外，水解胶原蛋白还 可用于治疗皮肤病，作洗发水的营养助剂，在化妆品中可起到滋润调理作用。 研究表明，胶原蛋白和胶原肽具有明显的护肤及延缓皮肤衰老作用，它们能在 皮肤表面形成一层极薄的膜，以保护皮肤抵御紫外线、酸碱及其它毒害物质的 损伤。而小分子胶原肽易被皮肤吸收，在促进皮肤细胞增生与更新，减缓皮肤 的老化进程方面作用更加显著，且可减少皮肤色素沉着、祛斑及防治皮肤过敏 性粉刺等。因此，胶原蛋白可作为防晒、防冻、防裂、防皱类化妆品的活性成 份。 对于破损皮肤，胶原蛋白及胶原肽更容易通透，它们可明显促进受损皮肤 裂口与创面的愈合，除可作为冻、烫伤治疗霜主要成份外，尤其适用于妇女、 儿童和老人脸面与手足破裂的修复。 1 1 3 国内外胶原蛋白的应用研究概况 动物皮是i 型胶原最丰富的资源，胶原分子的天然独特骨架，使得动物皮 被大量用于制革，而制革工业中只有2 2 3 0 的胶原变成革，其余的都在制 革过程中作为片、屑、沫和修边屑等固体废弃物被扔掉。据资料“”，每年印 度排出的制革废弃物约有1 5 万吨，美国有6 万吨，而我国是制革大国，年加 工投产1 7 亿张皮，有1 4 0 万吨废弃物产生，若丢弃数量如此巨大的废弃物， 不仅造成严重环境污染，而且是资源的极大浪费。对制革废弃物的处理和回收 利用在1 9 2 8 年就有意大利人报道过，几十年来国内外学者对此进行了广泛深 入的研究，己在食品、饲料、化妆品、肥料和鞣剂等领域得到一定程度的应用。 近2 0 年来，以美、日为首的国外研究者对制革废弃物中胶原蛋白的利用 进行了较多研究，这些研究涉及在食品、饲料、化妆品、肥料和生物医学领域 的应用，其中利用制革皮边角余料制造食品包装材料和食用胶原的报道最多+ 一w 。且日本早已将胶原蛋白食品作为“健康食品”推向市场了n ”。在美国，牛 皮产量的1 0 ( 二层灰皮或皮屑) 用于生产食用级胶原，牛皮灰皮碎料己成为 食用级胶原的主要来源。目前美国东部农业中心又在进行从含铬废弃物中提取 工业用胶原的研究“。 我国由制革废弃物回收胶原蛋白的研究于八十年代后期开始，近十余年 内，相继有多篇利用废革屑提取蛋白质及其利用的研究报告及文献综述。“ 4 胶原蛋白一羧甲基纤维素共混膜性能的研究 2 22 6 ，但所提取的胶原蛋白氨基酸含量都不高，且这些报道主要集中于废弃物 的低级利用，绝大多数是用于饲料，少量用于肥料、明胶、皮化材料等，附加 值低。前几年四川大学张铭让等m - 等发明了利用生物技术生产出食用级胶原 蛋白的技术。 由于胶原蛋白具有保护、支持人体组织及骨骼张力强度及粘稠性等特性， 使得胶原在生物医学材料领域有广阔的应用前景m 一。国外研究者对胶原基生 物材料的研究已有一段历史了。2 0 世纪8 0 年代后期d a v i s o n 申请了胶原蛋白 生物材料的专利，进入2 0 世纪9 0 年代，随着人们对胶原增殖细胞为首的生物 功能的认识，国内外有关胶原基生物材料的研究报道日益增多，报道表明胶原 蛋白在骨科、外科、皮肤科、心脏血管外科、神经外科、牙科及眼科等领域临 床应用前景较好，这些报道所用的胶原蛋白多来自动物肌腱、心脏和软骨等， 资源少，价格贵。利用制革皮边角余料制备胶原基医药品和生物材料的报道迄 今仅偶见国外的少数几例，其中较有代表性的是日本学者冈村浩等的研究，该- 课题组探讨了利用制革灰皮边角余料中提取的胶原蛋白制备手术线、人工皮肤 和高档化妆品的方法“”。近年美国的c a b e z a 等又研究了从含铬废弃物中分离 出明胶制各微胶囊的方法”，国内潘志娟等初步探讨了铬革屑提取的胶原蛋白i 作创伤敷料的应用n “。 国内外对铬革屑的利用大致可以分为两个阶段。初期对铬革屑的利用主要 着眼于铬革屑的独特的宏观物理性能，即它的纤维性能。胶原纤维除具有一般 纤维相同的机械强度外，还有独特的摩擦性、耐热性、吸音性、吸水性和对其 它物质的吸着性能“。因此在这个时期，铬革屑主要被用来机械解纤后单独与“ 棉、麻、丝等纤维混合生产再生革、无纺布、人造革基底材料、混纺纤维等， 或通过物化处理与草浆、木浆等一起用于造纸m ，。随着对胶原蛋白的研究的深 入，为胶原含量高达8 0 的铬革屑的利用开辟了新的局面。近年来对铬革屑的+ 利用研究逐渐着眼于其内在性能，即其所含胶原的生物功能上，如：促进细胞 生长、止血、生物相容性、生物降解性、低抗原性和营养性等。与此相适应， 如何从铬革屑中最大限度地提取出高品质的胶原蛋白产品便被放在首位。 1 1 4 回收皮革废弃物胶原蛋白资源的前景 从制革业分析，随着世界皮革重心转移到我国，我国己发展成为皮革制造 和出口大国，现在我国每年将有1 4 0 多万吨制革废弃物，数量巨大。目前，我 、t 国对其利用还主要局限在投资小，工艺简单的应用，如用于制造饲料、熬胶及 生产再生革等低值转化领域m ”m 。相当数量的废皮边角余料被填埋或在环境 中自然降解，不仅造成严重的环境污染，也是资源的极大浪费。因此充分利用 了高附加值产品，符合绿色化学的“原子经济性”一即1 0 0 的选择性和“零 排放”的思想n ”。 从社会需求情况看，随着人民生活质量的普遍提高，我国的饮食结构逐步 由温饱型向营养和保健型转变，社会越来越需求有营养、保健功能的食品。胶 原蛋白不仅是丰富的蛋白质、氨基酸营养源，它同时具有系列保健、美容功能。 胶原多肽由于具有优越的加工特性和生理功能，可用于开发多种保健制品。特 别是它具有美容、改善关节炎以及骨质疏松症效果，可开发出系列美容饮料和 预防骨质疏松症的保健食品u “。 在生物材料等领域，由于胶原蛋白的独特功能和性质，它有广泛的应用潜 能和可喜的发展前景，但利用制革废弃物制各胶原蛋白生物医用材料的研究报 道甚少。 综上所述，回收并高值利用制革皮边角余料胶原蛋白不仅是皮革工业可持 续发展和二次创业的必需，也是社会和市场对胶原蛋白日益增长的需求。 1 1 5 胶原蛋白应用研究中存在的问题 胶原蛋白的应用研究中主要存在以下两个问题： ( 1 ) 所得的胶原蛋白的含铬量过高：据所见资料报道，碱法提取所得胶 原蛋白中含铬量一般在3 5 5 0 m g k g ，有的甚至高达l o o m g k g ，这就限制了它 们的高值利用。因为作为食品添加剂，要求铬含量小于2 m g k g ，即使作为饲 料，含铬量也要小于2 5 m g k g ： ( 2 ) 所得胶原蛋白产品灰分过高：一般提胶方法所得胶原蛋白产品灰分 在1 0 左右。而作为食品添加剂j 要求灰分含量低于2 ，因此灰分含量大大 超标。采用某些技术处理可在一定程度上使灰分降低，但效果不佳。这也在很 大程度上限制了胶原蛋白的高值利用； ( 3 ) 产品得率过低：产品的得率直接影响企业的经济效益。用一般的提 胶方法，要想得到质量较好的胶原蛋白产品，产品得率就很低。而提高产品的 得率，则其质量又会受到影响。 ( 4 ) 国外有不少研究者从事着有关胶原蛋白作化妆品、食品、医药、造 纸等材料的应用研究工作，但尚缺系统的成熟的科学理论，国内在此方面的研 究更少，加强此方面研究工作不仅能为胶原蛋白的利用提供更充分的理论依 6 胶原蛋白一羧甲基纤维素共混膜性能的研究 据，而且也是胶原蛋白材料深层次加工的必需条件。 ( 5 ) 胶原蛋白可制成不同形式的材料，如纸、膜、海绵、带、薄片等， 但单一胶原蛋白制备的材料力学性能低、抗水性能差，潮湿环境中易受细菌侵 蚀而变质，有关解决这些不足的研究报道并不多见。 1 2 羧甲基纤维素概述 羧甲基纤维素( c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ，简称c m c ) 是天然纤维素经化 学改性得到的一种具有醚结构的衍生物，由于酸式的水溶性较差，因而产品普 遍制成钠盐，其正确的名称为羧甲基纤维素钠( n a c m c ) ，属于水溶性阴离子 型表面活性剂n “。 羧甲基纤维素为白色或浅黄色纤维状粉末，无毒、无臭、无昧，有吸湿性， 不溶于酸和甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿及苯等有机溶剂，易溶于水并具有 一定黏度”“。c m c 的醚化度( 即取代度d e g r e eo fs u b s t i t u t i o n ，简称d s ) 是 指纤维素分子上羟基被羟基乙酸取代的数目，它的高低决定c m c 的溶解度和 稳定性。d s 在0 8 以上时其耐酸性和耐盐性较好。聚合度是c m c 的另一重要 指标，用来表示纤维链的长度，常用黏度来表示。c m c 的聚合度为2 0 0 ”5 0 0 ， 分子量为2 1 0 0 05 0 0 0 0 。c m c 虽不易受微生物作用，但其水溶液受细菌影响时 可能引起生物降能“”。 1 2 1 羧甲基纤维素的制备 羧甲基纤维素由碱纤维素通过与醚化剂氯乙酸( 或氯乙酸钠) 作用生成n ”， 主要化学反应有碱纤维素制备和醚化反应( 纤维素化学式用其链节葡萄糖残基 分子式表示) ： 纤维素与氢氧化钠水溶液反应生成碱纤维素， c 6 h 7 0 2 ( o h ) 3 n + n n a o h _ c 6 h 7 0 2 ( o h ) 2 0 n a n + n h 2 0 碱纤维素与氯乙酸( 或氯乙酸钠) 进行醚化反应。 【c 6 h 7 0 2 ( o h ) 2 0 n a 】。+ n c i c h 2 c o o n a 一 c 6 h t 0 2 ( o h ) 2 0 c h 2 c o o n a 。+ n n a c l 生成的c m c 单链结构式为： c o c 住c o o c h 2 0 c 毛c o o n a j，li，qdl女q暑jq、01。，-。， ?嗣： 陕西科技大学硕士学位论文 伴随醚化反应进行，醚化剂水解这一副反应不可避免有一定程度发生： c i c h 2 c o o h + 2 n a o h h o c h 2 c o o n a + n a c i + h 2 0 c 1 c h 2 c o o n a + n a 0 h h o c h o o n a + n a c l c i c h 2 c o o n a + h 2 0 一h o c h 2 c o o h + n a c i 1 2 2 羧甲基纤维素的性质“” 羧甲基纤维素一般在冷水和热水中均可溶解，也可溶于含水6 0 以上的乙 醇或丙酮溶液，但不溶于纯有机溶剂。溶液黏度随黏度迅速增大，并且溶液具 有假塑性流动特性。d s 较低类型( 0 4 0 7 ) 的溶液常有触变性，对溶液施加 或除去剪切作用，表观黏度发生变化。然而，低浓度或低黏度型溶液，在低剪 切速率时非常接近牛顿流动。 加热c m c 溶液，黏度随温度升高而降低，只要温度不超过5 0 。c ，这种效 应是可逆的。因为长时间处于较高温度下，溶液中的碱性物质会引起c m c 的 降解。 溶液黏度在广泛p h 值保持正常，但稳定范围在p h = 7 9 之间。随p h 值减 小溶液酸化，c m c 由盐型逐渐变为不溶于水的酸型从溶液中析出，p h 值在4 以下大部分盐型转变为酸性并形成三维网状结构沉淀出来。酸化所需p h 值与 c m c 取代度有关，取代度低( d s = 0 5 以下) 时，p h 值在3 以下就可使盐型完 全转变成酸型，高取代度( d s = 0 9 以上) 这种转变p h 值必须在1 以下。 c m c 具有所有水溶性纤维素醚共有的增稠、分散、成膜、粘结和保护胶 体等特性，而且有不同黏度、取代度和纯度规格的商品，价格也较低。在水溶 性纤维素醚类中生产规模和产量都居首位。 1 2 3 羧甲基纤维素的应用”“” 市场上销售的c m c ，按纯度一般可分为三个等级：高纯级( 含量9 9 5 以上) 。工业纯级( 含量9 6 以上) 和粗品( 含量6 5 以上) ，取代度通常有 0 4 、o 7 、0 9 、1 2 四种类型，黏度( 分子量) 由高黏度型( 1 溶液黏度5 p a - s 以上) 中黏度型( 2 溶液s p a s 黏度以下) 及低黏度型( 2 溶液黏度0 0 5 5 p a - s 以上) 三种。因此，c m c 有许多品种适合于各种用途的要求。经精制纯化的 c m c 被认为是一般安全产品，纯度9 9 5 以上，d s 0 9 5 ，2 水溶液2 5 c 时黏 度o 0 2 5 p a s ( 最小值) 这种规格的c m c 可添加于食品，如奶及奶油产品、调 味品、果酱、皮冻、罐头、餐用糖浆和饮料。纯度9 0 以上的c m c 不能直接 添加于食品，但可在与食品接触方面允许使用在药物方面c m c 作为辅料用于 片剂、乳剂和各种软膏。 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜性能的研究 现在c m c 世界消费主要在石油钻井、食品、合成洗涤剂，造纸和日用化 学品方面，不同国家的消费结构有所不同，如美国以石油钻井、食品、制药、 纺织及合成洗涤剂为主，而日本则集中在纺织、建筑、合成洗涤剂、陶瓷、制 药及日用化学品方面。在我国c m c 是唯一有较大规模生产的水溶性纤维素醚， 目前主要领域在牙膏、合成洗涤剂，石油、建筑方面、制药食品方面也有少量 应用。 1 3 移膜 皮革经干燥、整理后，有些产品可以作为成品革直接销售，但大多数产品 基本上都需要进行涂饰，才能成为成品革加以销售。皮革的涂饰，是指在干燥 和整理后的皮革表面施涂一层有色的或无色的天然或合成的高分子薄膜的操 作过程。移膜是众多涂饰方法中的一种。它是先将涂饰剂涂于离型纸或硅质材 料模上形成薄膜，然后将薄膜转移到皮革表面上的一种涂饰方法。涂饰时，先 在离型纸或硅质材料模上依次涂上顶层、中层、底层。干燥后，用粘合剂将离 型纸上的涂层与坯革粘合在一起，形成一个由坯革、涂层及离型纸构成的整体。 经过干燥和熨压，使其完全固化。冷却后，将离型纸剥离去，便可在革面上留 下均匀的涂层i s l 。 移膜革与修面革相比，具有优异的物理化学性能，且生产工艺相对稳定，生 产工序较易控制。产品具有丰富鲜艳的颜色、齐全的花纹、良好的耐磨性、各 种风格的表面效应等独特优点。故二层移膜革产品的应用范围超过了头层皮革 而且二层皮( 革) 的利用率及其成革的等级率较高，成本较低，只是头层革的一 半，真是物美价廉m ，。如果能将胶原蛋白与其他高分子材料制成移膜将是对环 境十分友好的一项技术，为解决皮革废弃物也找到了很好的一条出路。 图卜1 移膜外貌图 f i g 1 - 1m o r p h o l o g i c a io ft r a n s f e r c o a t i n g 9 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要研究内容 针对以上影响铬革屑高值利用的问题，本论文拟对铬革屑提取胶原蛋白技 术进行深入研究，力求大幅度降低所提胶原蛋白中的铬含量和灰分含量，同时 提高产品的得率，使该技术具有较大的实际应用价值。另一方面，在此基础上， 将羧甲基纤维素钠水溶液与胶原蛋白水溶液充分混合，通过流涎法制得均匀的 共混膜。由于羧甲基纤维素钠含有大量的羟基和羧甲基，故可以和胶原蛋白中 的氨基、羧基及羟基等形成分子间的氢键和共价键等相互作用，拟通过此法阻 止胶原蛋白分子内氢键的形成，以起到部分改变胶原蛋白结构的作用，达到使 用要求。另外，对该共混膜的应用进行初步的简单分析研究。 1 4 1 胶原蛋白提取条件以及溶液特性的研究 采用碱酶法提取胶原蛋白，得出最佳的提取条件：并用黏度计对所提取的 胶原蛋白溶液黏度进行研究，探讨溶液黏度的影响因素。 1 4 2 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜制备工艺的研究 采用流涎法制备共混膜，研究了胶原蛋白与羧甲基纤维素质量配比、成膜 温度、成膜p h 值、储存时间、添加剂用量等参数对共混膜结构及物理性能的 影响，在此基础上，找出最佳的流涎成膜工艺。 1 4 。3 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜结构与性能分析 采用红外光谱仪( i r ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、x 一射线衍射仪( x r d ) 和差式扫描量热仪( d s c ) 等手段对制备的胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜的形 态结构、结晶结构和热性能进行分析检测；并探讨共混膜的结构与性能之间的 相互关系。 1 4 4 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜的应用分析 本课题初期旨在以此共混膜代替皮革行业中的聚脂( p u ) 膜用作移膜革， 因此还考察了膜的力学性能、抗水性能、透水汽性能等一些基本性能；并对共 混膜在医学上的应用也作了初步的分析。 1 5 本论文研究的目的意义及指导思想 1 5 1 本课题研究的目的和意义 制革工业是以原材料的高投入、高消耗、低产出为特征的传统工业m 。制 革用原料皮仅有2 2 3 0 变成皮革n ”，而其余主要在制革过程作为固体废物弃 l o 胶原蛋白羧甲基纤维素共混膜性能的研究 之，我国年产1 4 0 万吨制革废弃物，数量巨大。制草皮边角余料占废弃物的大 部分，其主要成分为胶原蛋白( 8 0 以上) ，胶原蛋白富含18 种氨基酸( 含有 人体必需氨基酸8 种中的7 中) ，不仅是丰富的蛋白质、氨基酸资源，同时是 优良的功能性生物高分子材料，因其特有的生物学特性，其应用领域涉及多个 分支，在医药、食品、功能性保健品、化妆品、农业、造纸等领域都具有很好 的应用前景n ，；因此，有效利用皮边角余料中胶原蛋白资源具有重要意义。 进入9 0 年代以来，随着资源和环境等全球性生态问题的日益突出，特别是9 0 世纪末“绿色化学”的提出，近年绿色科技应运而生，“可持续发展战略”己 成为基本国策；传统的制革工业面临着“绿色化学”和“可持续发展”的严峻 挑战，制革废弃物资源化己成为国内外关注的重要课题，充分利用胶原这个天 然生物质资源，采用环境友好技术回收制革废弃物胶原蛋白，并开发高附加值 的环境友好产品的意义就显得更为重大t 4 04 2 1 。 本课题正是在这种背景下，按照“绿色化学”的原则，基于我国制革废弃 物的应用研究现状与胶原蛋白的性能优势与缺点，基于充分利用资源、减少浪 费、消除污染，在减轻制革污染的同时，变废为宝，以高值转化为目的，利用 生物技术从制革皮边角余料中提取胶原蛋白：在研究由制革废弃物提取的胶原 蛋白应用特性的基础上，重点选择天然高分子材料与胶原蛋白共混，研制有应 用前景的胶原蛋白基新型生物材料，并对材料的物理性能及结构、形貌进行表 征。并初步设想将此胶原蛋白基材料作为移膜覆盖于二层皮上，达到皮革生产 中移膜的涂饰效果。其研究结果不仅可丰富胶原蛋白的应用基础理论，为胶原 蛋白的利用提供理论依据；而且可使制革皮边角余料这一宝贵的资源得到合理 有效的利用，为制革皮边角余料的深度开发利用和胶原蛋白改性制备胶原蛋白 基材料提供研究思路和方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 5 2 本课题研究的指导思想 ( 1 ) 基于“绿色化学”的环境友好思想，利用生物技术从制革皮边角余 料中提取胶原蛋白，通过研究胶原蛋白的应用特性，为胶原蛋白的高级利用提 供理论基础依据； ( 2 ) 基于胶原蛋白作生物材料的优势与缺点，通过选择具有生物活性的 天然高分子材料与胶原蛋白共混，以改善胶原蛋白材料的物理性能、弥补其的 不足。研制胶原蛋白基新型复合材料， 考察了共混材料的分子间结合、结构、 同时研究共混物的相互作用及相容性， 形貌以及材料的热性能等。 陕西科技大学硕士学位论文 2 胶原蛋白的提取 2 1 引言 制革工艺的特点决定了生产过程中必然产生大量富含胶原的固体废弃物， 这些胶原蛋白废弃物大致可以分为不含铬和含铬两大类，其中含铬废弃物占了 7 0 1 27 , 4 1 ，。不含铬的胶原蛋白废弃物由于成分简单，没有经过铬的交联，容易 提取高纯度、高质量的胶原蛋白产品，目前其利用技术己较为完善n ”。而含铬 废弃物中由于铬与胶原以共价键牢固结合并在胶原肽链间形成交联，很难将其 分离和提取高纯度的胶原蛋白，即使有少量的应用也仅限于生产质量较低的动 物饲料蛋白产品和一些低附加值的化工产品n ，。要使含铬废弃物能够真正实 现高值利用，还需对其提取