（纺织化学与染整工程专业论文）丝胶蛋白的回收新方法及其在纺织品中的应用.pdf

丝胶蛋白的回收新方法及其在纺织品中的应用 摘要 蚕丝是一种比较高档的纤维，素有“纤维皇后 之称，在我国的 产量也比较大。2 0 0 5 年我国桑蚕丝产量为8 7 8 万吨，2 0 0 6 年为9 3 万吨。蚕丝要经过精练加工后才能成为可服用的织物，精练的主要目 的是脱除蚕丝中的丝胶组分。丝胶在蚕丝中的含量为2 0 - 3 0 ，它的 存在会影响蚕丝织物的手感和光泽，也会对蚕丝的染色、整理等后续 加工产生影响，因此必须要对蚕丝进行脱胶处理。按脱胶率2 0 来算， 2 0 0 5 年有1 7 5 6 万吨，2 0 0 6 年1 8 6 万吨丝胶被脱下来。这些丝胶往 往被当作废料随废水一起排放，这样不仅污染环境，而且也是对有价 值资源的一种浪费。因为丝胶作为一种天然蛋白质，可应用于纺织、 医药、食品、化妆品等很多领域，故对丝胶进行回收是非常有意义的。 目前正在研究的回收方法有：酸析法、混凝法、有机溶剂法、离心法、 超滤膜分离法、冰冻法等，但是这些方法都无法实现工业化生产，为 此本文设计了一种新的丝胶回收方法。 本文丝胶蛋白回收的原理是：蚕丝脱胶是在碱性条件下进行的， 此时丝胶蛋白带有负电荷，利用带有正电荷的阳离子纤维( 即阴离子 交换纤维) 借助静电吸引作用力来吸附溶液中的丝胶蛋白。然后再用 酸对吸附后的阳离子纤维进行浸泡或淋洗，此时在酸的作用下丝胶蛋 白由负电性转变为中性或正电性。随着酸用量的增加，丝胶蛋白的正 电性逐渐增强与纤维上的正电荷产生静电排斥作用，从而从纤维上解 吸下来，得到较高浓度的丝胶蛋白溶液，以此达到富集丝胶蛋白的目 的。 为了准确表述丝胶蛋白在吸附、解吸过程中，溶液中丝胶蛋白含 量的变化，本文首先从丝胶蛋白的检测方法开始。选择四种分光光度 法来进行丝胶蛋白的含量分析，比较了考马斯亮蓝g 2 5 0 显色法，亮 绿s f ( 淡黄) 显色法，刚果红显色法以及紫外分光光度法这四种方 法在丝胶蛋白含量测定中的优缺点。最后确定使用紫外分光光度法为 本实验中测定丝胶蛋白含量的方法。 本文选择粘胶纤维作为制备阴离子交换纤维的基础材料，对阴离 子交换纤维的阳离子化改性工艺条件和阴离子交换纤维的交换容量 进行了研究。实验得阳离子化改性的最佳工艺条件为：反应温度9 0 ， 反应时间4 0 m i n ，催化剂用量5 ( o w f ) 。并且阳离子化改性程度随 反应体系中电解质用量的增大而增大。 在阴离子交换纤维用于丝胶蛋白回收的过程中，研究发现不同吸 附温度条件下，丝胶蛋白对阴离子交换纤维的吸附模型不同。2 5 ， 5 0 条件下，符合费莱因德利胥多分子层吸附，而7 5 。c 条件下，符 合朗格缪尔单分子层吸附。在低丝胶蛋白浓度范围内，随着温度的提 高，丝胶蛋白在纤维上的吸附量逐渐增大。在丝胶蛋白解吸过程中， 研究发现解吸的最佳条件是：解吸酸度6 8 9 t , ，解吸温度7 5 。c ，解吸 时间1 2 0 m i n ，解吸浴比1 ：4 0 。 将丝胶蛋白用于棉织物的后整理，可以在织物表面形成一层蛋白 质层，提高织物的皮肤保健功能，同时使洗涤后的织物产生较为明显 的凉感特性。 关键词：丝胶回收，离子交换法，阴离子交换纤维，舒适性，功能整 理 t h en e wm e t h o dt or e c y c l es e r i c i na n dt h e a p p l i c a t i o no fs e r i c i ni nt e x t i l e a b s t r a c t s i l k ，o f t e nn a m e d “q u e e n - f i b e r ”，i sat o pg r a d ef i b e ri no u rc o u n t r yt h em o u n to fs i l k f i b e ri sv e r yl a r g e t h ey i e l do fs i l kw a s8 7 8t h o u s a n dt o n si nt h ey e a ro f2 0 0 5 ，9 3t h o u s a n dt o n s i nt h ey e a ro f2 0 0 6 w i t h o u ts c o u r i n g , t h ep u r p o s eo fw h i c hi sd e g u m m i n g ，s i l kf i b e rc a n tb eu s e d i ng a r m e n t sd i r e c t l y a b o u t2 0 - 3 0 m a s so fs i l ki ss e r i c i n ，w h i c hn o to n l yh a v ee f f e c to nh a n d l e a n dl u s t e ro fs i l k ，b u ta l s oh a v ee f f e c to nd y e i n ga n df i n i s h i n ga f t e r w a r d s ，s oi ti sn e c e s s a r yt ob e d e g u m m e d t o o kt h er a t i oo fd e g u m m i n ga s2 0 t oc o u n t ，a b o u t17 5t h o u s a n dt o n si n2 0 0 5 ，18 6 t h o u s a n dt o n si n2 0 0 6o fs e r i c i nw e r ed e g u m m e df r o ms i l kf i b e r a l lo ft h es e r i c i nw a sd i s c h a r g e d w i t hw a s t ew a t e r ；i ti sn o to n l yap o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t ，b u ta l s oab i gw a s t eo fn a t u r ep r o t e i n b e i n gan a t u r ep r o t e i n ，s e r i c i nc a nb eu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha st e x t i l e ，m e d i c i n e ，a n df o o d s t u f f , c o s m e t i ca n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sv e r ym e a n i n g f u lt os t u d yt h er e c y c l i n go fs e r i c i n ，a n dt h e r e h a v eb e e nm a n ym e t h o d so fr e c y c l i n gs e r i c i n ，s u c ha sa c i d i f i c a t i o nm e t h o d ，f l o c c u l a t i o n ，o r g a n i c s o l v e n tm e t h o d ，c e n t r i f u g i n gm e t h o d ，m e m b r a n ef i l t r a t i o nm e t h o d ，a n df r e e z em e t h o da n ds oo n h o w e v e r a l lo ft h e s em e t h o d sc a n tb eu s e di ni n d u s t r i a l s o ，i ti sn e c e s s a r yt ol o o kf o ran e w r e c y c l i n gm e t h o d t h ep r i n c i p l eo fr e c y c l i n gs e r i c i ni nt h i sp a p e ri s ：d e g u m m i n go fs i l kf i b e ri si na l k a l i n e c o n d i t i o n ，s ot h es e r i c i ni su n d e ri t sp 1w i t hn e g a t i v ec h a r g ea f t e rd e g u m m i n g b e c a u s ea n i o n e x c h a n g ef i b e rw i t hp o s i t i v ec h a r g eh a se l e c t r o s t a t i cp u l lt os e r i c i n ，i tc a na d s o r bs e r i c i nf r o m s o l u t i o n t h e nm a r i n a t i n go re l u t i n gt h ea n i o ne x c h a n g ef i b e rw i t ha c e t i ca c i d ，t h en e g a t i v ec h a r g e o fa d s o r b e ds e r i c i ni sn e u t r a l i z e do rt u r n si n t op o s i t i v ec h a r g ea n dt h ei n t e r a c t i o nf o r c eb e t w e e n a n i o ne x c h a n g ef i b e ra n ds e r i c i nt u r n si n t oe l e c t r o s t a t i cr e p u l s i o n s ot h es e r i c i na d s o r b e db yt h e a n i o ne x c h a n g ef i b e rd e s o r b si n t os o l u t i o n a na s s e m b l i n gs e r i c i nc a nb eg o t i no r d e rt od e t e c tt h ec o n c e n t r a t i o no fs e r i c i ns o l u t i o nt r u l y , f o u rs p e c t r o p h o t o m e t r i e s ( c o o m a s s i e b r e i l i a n tb l u eg 2 5 0v i s i b l e s p e t r o p h o t o m e t r y , l i g h t g r e e ns f o , e l l o w i s h ) v i s i b l e s p e t r o p h o t o m e t r y , c o n g or e dv i s i b l es p e t r o p h o t o m e t r y , u vs p e t r o p h o t o m e t r y ) w e r es t u d i e d a n d t h ev i r t u e & d e f e c to ft h e s es p e t r o p h o t o m e t r yw e r ea l s oc o m p a r e d f i n a l l y , u vs p e t r o p h o t o m e t r y w a ss e l e c t e di nt h i sp a p e rb e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c e v i s c o s ef i b e rw a ss e l e c t e d 雒t h es u b s t r a t ei nt h i sp a p e rt op r e p a r ea n i o ne x c h a n g ef i b e r t h ec a t i o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n de x c h a n g ec a p a c i t yo fa n i o ne x c h a n g ef i b e rw e r es t u d i e d t h e o p t i m u m c o n d i t i o nf o rc a t i o n i z a t i o n g o tv i ae x p e r i m e n t ：t e m p e r a t u r e9 0 c ，t i m e4 0 m i n ， c o n c e n t r a t i o no fa c t i v a t o r5 ( o w o a n dt h ed e g r e eo fc a t i o n i z a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fe l e c t r o l y t ec o n c e n t r a t i o no fr e a c t i o ns y s t e m d u r i n gt h er e s e a r c ho fr e c y c l i n gs e r i e i nu s e da n i o ne x c h a n g ef i b e r t h ed i f f e r e n t a d s o r b e n tm o d e l so fs e r i c i nt oa n i o ne x c h a n g ef i b e ra td i f f e r e n ta d s o r b e n tt e m p e r a t u r ew e r ef o u n d a tt h ea d s o r b e n tt e m p e r a t u r eo f2 5 ca n d5 0 c ，t h e ym a t c h e df r e u n d l i c hm u t i m o l e c u l e a d s o r p t i o nm o d e l s ，w h i l ea tt h ea d s o r b e n tt e m p e r a t u r eo f7 5 c ，i tm a t c h e dl a n g m u i ru n i - m o l e c u l e a d s o r p t i o nm o d e l a n da tl o wc o n c e n t r a t i o no fs e r i c i n ，t h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yi n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fa d s o r b e n tt e m p e r a t u r e d u r i n gt h ed e s o r p t i o no fs e r i c i nw h i c hh a da d s o r b e dt oa n i o n e x c h a n g ef i b e r ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rd e s o r p t i o nw a sf o u n d ：a c i d i t y6 8 9 l ，t e m p e r a t u r e7 5 c ， t i m e12 0 m i n ，l i q u o rr a t i o1 ：4 0 a tl a s tt h es e r i c i nw a su s e di nf u n c t i o n a lf i n i s h i n go fc o t t o nf a b r i c f o u n dt h a ti tc o u l d f o r mal a y e ro fp r o t e i no nt h es u r f a c eo fv i s c o s ef i b e r w h i c hh a dt h ef u n c t i o no fh e a l t hc a r e a t t h es a m et i m e ，t h ef a b r i ch a dc o o l n e s sa f t e rw a s h i n g j i n g y a nf u ( t e x t i l ec h e m i s t r ya n dd y e i n g & f i n i s h i n ge n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f m i 驻i 曼_ k e yw o r d s ：s e r i c i n ，a n i o n e x c h a n g ef i b e r i o n e x c h a n g em e t h o d ，c o m f o r tp r o p e r t i e s ， t e x t i l e ，f u n c t i o n a lf i n i s h i n g v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：庸静参 日期：歹哆年0 月粥e l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校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，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密瓯 学位论文作者签名：府南乡燕 日期：力哕年p 月彩日 指导教师签名- i - 日期：砷r 2 月蜥 丝胶蛋白的同收新方法及其在纺织品中的应用 1 绪论 1 1 我国丝绸行业的发展现状以及丝胶蛋白的应用 蚕丝是一中比较高档的纤维，素有“纤维皇后”之称。我国的丝绸发展较早， 公元前5 世纪，就已经传播到海外，而随着汉朝张骞开辟了著名的“丝绸之路”， 我国的丝绸更是为世界所赞叹【lj 。可是到了近代，长期的战争使丝绸生产一落千 丈。1 9 4 9 年全国蚕茧产量只有3 万吨，处于消失的边缘。 新中国的诞生为丝绸业的发展带来了生机，1 9 7 7 年中国生丝产量恢复到1 8 万吨，超过日本，重新跃居世界首位。随后2 0 多年来，中国一直是世界最大的 蚕丝生产国与供应国。但近十年来中国生丝产量波动较大，1 9 9 5 年达7 8 万吨， 随后几年产量陆续下降，2 0 0 0 年为5 1 万吨，2 0 0 2 年又回升到6 0 万吨。如以 1 9 5 2 年产量45 2 6 吨为基础，5 0 年来中国生丝产量增长1 3 3 倍。目前中国生丝 产量占世界总量的7 0 以上，出口量占世界贸易额的8 0 以上【2 j 。 丝绸行业的回升也可以从桑蚕丝的生产看出，曾经出现的大面积砍伐桑树的 现象消失，桑蚕茧的产量增加，蚕茧价格也开始回升，这些可以从2 0 0 6 年和2 0 0 7 年商务部和农业部办公厅下达的关于全国桑蚕种桑蚕茧桑蚕丝生产指导性计划 的通知( 简称通知) 中得到证实。2 0 0 6 通知称：2 0 0 5 年桑蚕丝产量8 7 8 万吨， 同比增长9 2 。2 0 0 7 通知称：2 0 0 6 年桑蚕丝产量9 3 万吨，同比增长5 7 ；2 0 0 7 年计划桑蚕丝产量9 5 万吨。 从以上数据来看，桑蚕丝的产量是逐年上升的，随之而来的丝绸产量也逐年 上升。然而在蚕茧成为可以服用的织物前，需对蚕茧进行一系列的加工处理。一 般是煮茧、缫丝、纺织、精练( 脱胶) 、染色、后整理。染整行业加工处理一般 是从精练开始的。 蚕丝织物之所以要精练，是因为生丝及其织物中含有大量的杂质，主要有丝 胶、油蜡、灰分、色素等。其中丝胶所占比例最高，并且其他杂质大部分也都包 含在丝胶里，一般丝胶脱除以后，其他杂质也除去了，故丝绸的精练，也称作脱 胶。 丝织物精练的主要依据是丝胶蛋白和丝素蛋白( 蚕丝的主要成分) 水溶性不 同，丝素蛋白在水中不能溶解，丝胶蛋白则能在水中，尤其能在近沸点温度的水 中膨化、溶解，这是由组成丝胶蛋白和丝素蛋白的氨基酸种类、含量不同引起的。 丝胶蛋白中所含的羟基氨基酸( 丝氨酸、苏氨酸) ，酸性氨基酸( 天门冬氨酸、 东华大学硕十学位论文 谷氨酸) 及碱性氨基酸( 软氨酸、精氨酸) 的数量远比丝素蛋白中多，这些氨基 酸都带有极性较强的亲水性基团，使丝胶蛋白分子排列紊乱松散，呈球状粒子。 而丝素蛋白则明显纤维化，分子链间相互接近，形成结晶性的整列区域【3 】。所以 一般是在碱性条件下加热到近沸点温度对蚕丝进行脱胶。 桑蚕丝中丝胶蛋白的含量约为2 0 3 0 【4 1 ，通常其脱胶率在2 0 左右，那么 2 0 0 5 年丝绸行业就产生了1 7 5 6 万吨丝胶蛋白，而2 0 0 6 年则产生1 8 6 万吨丝胶 蛋白。这些丝胶蛋白往往就被当作废物与废水一起被排放，不仅污染环境，而且 是对丝胶蛋白这一天然蛋白质资源的一种极大浪费。丝胶蛋白作为一种天然蛋白 质，可以应用于很多领域，像纺织、医药、食品、化妆品等。 丝胶蛋白在纺织上的应用主要有：利用丝胶蛋白比较好的亲水性对合成纤维 进行改性，提高合成纤维的吸湿性【5 1 ；用丝胶蛋白对纤维素纤维进行表面改性， 即把丝胶蛋白添加到常用的棉防皱整理剂( 2 d 树脂) 中对棉纤维进行改性，改 性后棉纤维试样的染深性好，游离甲醛的含量迅速下降，4 0 m l l2 d 树脂和5 0 9 l 丝胶整理的试样，其甲醛含量仅为4 0 p , g g 引，并且整理后棉织物的抗皱性能提高 较大1 7 1 ；利用丝胶蛋白的成膜性，与甲壳素一起整理到织物上，可以得到舒适的 抗菌织物博j 。 由于丝胶蛋白分子的构象主要为无规卷曲，所以丝胶蛋白空间结构松散、无 序，丝胶蛋白链上有许多侧链较长的氨基酸以及许多极性亲水基团处于多肽链表 面，这些亲水性基团可使体内水份传递至皮肤角质层而结合，使皮肤保持一定水 份，从而使皮肤柔软而光滑，这与人体皮肤角质层中含有一定量的天然调湿因子 作用相似。此外，丝胶蛋白还具有抑制酪氨酸酶活性和抗氧化作用1 9 j 。所以丝胶 蛋白可以作为化妆品的添加剂，达到保湿和美白的效果【l 0 1 。 丝胶蛋白含有的1 8 种氨基酸中9 0 以上能被人体吸收，同时由于它的保水 性和抗氧化性，能抗多种酶的分解，添加到食品中，可以起到抗氧化剂的作用， 将有助于改善肠道的生理功能，促进身体对锌、铁、镁、钙等元素的吸收，增强 人体的健康。因此将部分降解的丝胶蛋白添加到食品中，可以补充氨基酸，是一 种很好的营养保健食品【1 1 1 。 丝胶蛋白中的丝氨酸、甘氨酸、天门冬氨酸等含量丰富，药用价值较高。丝 氨酸不仅可以防治高血压、合成治疗结核病和抗肿瘤药物，而且可以作为复方氨 基酸的原料之一，参与体内多种生理代谢；对由人体大量出血而引起的蛋白质消 耗过多的病症，也具有特殊的治疗作用。甘氨酸能降低血液中的胆固醇、血糖的 含量，对于防治高血压和糖尿病有很好的作用；另外还可以用于治疗血凝、血栓 以及呼吸道疾病等。天门冬氨酸对肝和心肌都有保护作用，可以治疗心绞痛、心 肌梗塞等疾病i i 。 2 丝胶蛋白的回收新方法及其在纺织品中的虑用 1 2 丝胶蛋白的性质1 2 1 1 2 1 丝胶蛋白两性性质和等电点 丝胶蛋白含有自由的羧基和氨基，可相互作用而形成双极离子，具有两性性 质。在p h 值较小的溶液里，丝胶蛋白以正离子形式存在；在p h 值较大的溶液 里，丝胶蛋白以负离子形式存在。丝胶蛋白的等电点是：3 8 4 5 。 1 2 2 丝胶蛋白胶体性质 丝胶蛋白是一种高分子化合物，它的分子量较大，颗粒直径在1 1 0 0 n m ，由 于颗粒大小在胶体粒子的范围内，因而显示出溶胶特有的透析、凝聚、胶凝和胶 溶性质。 1 2 3 丝胶蛋白变性 丝胶蛋白分子在受到外界的一些物理因素或化学因素影响时，性质常会改 变，但是这些变化都不涉及一级结构的变化，肽链的共价键并未断裂，只是发生 了分子构象的改变，从而引起性质的改变。其主要表现为物理性质、化学性质的 改变和生物活性的丧失，最突出的表现为溶解性下降，这将大大降低它的使用价 值。引起丝胶蛋白变性的因素主要有：温度、p h 值和有机溶剂。 1 2 4 丝胶蛋白膨润和溶解 丝胶蛋白是一种高分子，它和适当的液体接触时会自动地吸收液体而膨胀变 软，经无限膨润后就能溶解于液体。一般情况下，丝素蛋白在水中只能膨润而不 溶解，但丝胶蛋白却能在热水中溶解。这是丝胶蛋白最重要的性质，也是人们能 用水来制丝、精练脱胶的根据。 1 3 丝胶蛋白的回收现状 近年来随着人们环保意识的增强，同时也认识到了丝胶蛋白的价值，开始对 丝胶蛋白的回收方法进行研究，目前最好的回收方法超滤法，其回收率可高 达9 7 ”】，但是它的设备成本比较高。 目前已有的回收方法主要有以下几种： 酸析法：在丝胶蛋白废水中，加入h c i 或稀h 2 s 0 4 使p h 值为3 8 4 5 ，在 等电点条件下使丝胶蛋白沉淀分离【1 4 1 。它主要是利用蛋白具有两性性质，在p h 东华大学硕士学位论文 值较小的溶液里，蛋白质以正离子形式存在；在p h 值较大的溶液罩，蛋白质以 负离子形式存在。如果把溶液的p h 值调节到上述两种情况中间的某一个值，蛋 白质所带的电荷数相等，中性的双极离子浓度达到最大值，此时溶液的p h 值称 为蛋白质的等电点。丝胶蛋白的等电点是一个范围即p h = 3 8 4 5 。如果把精练废 水的p h 值调节至该范围内某一合适的值，使蛋白质正负离子所带的电荷数相 等，此时丝胶蛋白溶解度降至最低，就会从溶液中析出i l5 1 。 混凝法：该法是在丝胶蛋白废水中加入絮凝剂如铝盐、铁盐等，破坏蛋白质 胶体溶液的稳定，从而使蛋白质沉淀得以分离【i 引。蛋白质分子在溶液中与水相结 合，形成水化层，使得蛋白质分子之间不易直接碰撞。为了使蛋白质溶液发生凝 聚，必须破坏水化层，通常使用大量高浓度的或饱和的盐类溶液来实现。因为这 些强电解质在水中全部电离成离子可以夺取与蛋白质相结合的水分子，从而破坏 蛋白质周围的水化层，并且由于分子本身的无规则热运动而使蛋白质互相碰撞， 发生凝聚作用，形成沉淀，从而实现对丝胶蛋白的回收【l5 1 。 有机溶剂法：用酒精或丙酮沉淀蛋白质，利用它们的吸水性来破坏蛋白质胶 粒的水化层而使蛋白质沉淀。此法适用于浓缩后的丝胶蛋白溶液【l 4 。 离心法：由于丝胶蛋白溶液属于胶体溶液，根据废水中各成分比重不同，经 高速离心机作用后，把胶体层与水层分开以达到分离的目的【l 引。此法适用于已经 沉淀下来的丝胶蛋白与水的分离【l 引。 膜分离法( 超滤法) ：蛋白质由于分子大，几乎不能穿过半透膜，而小分子和 离子，则能穿过半透膜。因此实验室中常利用这一特性来提纯蛋白质【l 训。膜分离 是一种新兴的发展迅速的纯物理的分离方法，整个过程在常温下进行，无相变、 无污染，分离效率高、节能环保，在废水处理和有机物的回收利用中得到广泛应 用，根据所截留颗粒的大小划分为微滤( 0 1 1 0 1 t i n ) ，超滤( 0 0 1 0 1 i t m ) ，纳 滤( 0 0 0 1 0 0 1 “m ，介于反渗透和超滤之间) ，反渗透( o 0 0 1 岬) 。近年来， 国内外专业人士己经开始研究使用膜分离技术对丝绸工业废水中的丝胶蛋白进 行回收利用，根据丝胶蛋白分子量的大小，一般使用超滤膜对其进行分离。回收 后的丝胶蛋白纯度比较高，丝胶蛋白不易变性，提高了丝胶蛋白的可利用价值， 处理后的水还可以回用。但是目前超滤膜分离法在丝绸工业中还没有得到工业化 推广【l6 。，主要是因为这种方法的设备成本高，并且要定期的进行膜清洗和更换超 滤膜，故后期追加投资也比较大【1 7 j 。 冰冻法( 凝胶法) ：蛋白质溶液在温度下降时会凝结成冻胶状态产生凝胶。 凝胶过程的发生如下：在亲水基团分布不均匀的蛋白质颗粒周围，水分子所构成 的水化层也是不均匀的，有的部分水化作用弱些，这样蛋白质颗粒就会在这些部 位发生结合，水分子中原来分散自由的蛋白质颗粒开始彼此连接起来，形成复杂 的网状结构。在网眼中，水被包围在里面，此时水是分散的，而蛋白质是连续的。 4 丝胶蛋白的回收新方法及其在纺织品中的应用 而在蛋白质溶液中，蛋白质是分散的，水是连续的。凝胶和溶液相互转化如下式 所示【1 5 】： 蛋白质溶液( 蛋白质亲水溶胶) ：兰兰型竺! 蛋白质凝胶 加热，胶溶 由于温度降低，减少了水分子热运动的能量，增加了蛋白质分子间的结合， 形成了絮凝状的沉淀。利用这一现象把丝胶蛋白颗粒从胶体溶液中分离出来，称 之为冰冻法【1 5 】。此法工艺流程简单，设备投资少，且回收率比较高。但是此方法 对丝胶蛋白溶液的浓度要求足够大，胶凝浓度与温度等条件不易掌握，回收丝胶 蛋白的分子量分布范围较大，纯度不耐1 6 j ，并且能量消耗比较大。 从现有的几种回收方法来看，要应用于工业化生产都有一定的局限性，酸析 法虽然简单，但是对设备的耐酸碱性要求过高；混凝法回收的丝胶蛋白中含有很 多无机盐，丝胶蛋白纯度不高，不能应用于医药等对丝胶蛋白纯度要求高的领域； 有机溶剂法和离心法都需要必要的前处理，有机溶剂需要浓缩，离心需要先沉淀， 不适合直接对丝胶废液进行处理；膜分离的设备投资比较高而冰冻法的能量问题- 也是它不能在工业上推广的瓶颈。所以需要寻找一种既简单又投资小的新方法来 回收丝胶废液中的丝胶蛋白。 1 4 本课题回收方法的理论及现实依据 从蛋白质的两性性质我们知道，在等电点以上，蛋白质是带负电荷的，而等。 电点以下则带正电荷，蚕丝精练是在碱性条件下进行的，所以脱胶废水中的丝胶 蛋白一般是带负电荷的，根据正负电荷相互吸引原理，带有阳离子的物质，借助 静电作用力可以吸附丝胶蛋白。离子交换树脂是最常使用的阴阳离子交换材料， 可以用于丝胶蛋白的回收中，但是离子交换树脂是球形的，外比表面积不够大， 并且丝胶蛋白是大分子物质，不容易渗透到树脂的内部，使得丝胶蛋白只能在离 子交换树脂上形成表面吸附。为了提高吸附剂的外比表面积，考虑使用高外比表 面的离子交换纤维素，以提高对丝胶蛋白的吸附性能。 离子交换纤维素是以天然纤维素分子为母体，借酯化、醚化或氧化等化学反 应，引入具有酸碱离子基团而仍然保有纤维素结构的半合成离子交换剂。 离子交换纤维素对蛋白质类高分子的吸附作用是通过蛋白质分子与纤维素 之间的静电引力而实现的。在p h 低于蛋白质等电点时，带正电荷的蛋白质与阳 离子交换纤维素相互吸引；在p h 高于蛋白质的等电点时，阴离子交换纤维素则 可吸引带负电荷的蛋白质。显然，改变p h 或离子强度也能够使蛋白质或离子交 换纤维素改变或失去电荷，从而使蛋白质从交换剂上解吸下来l l 引。 0 东华大学硕士学位论文 离子交换纤维素与粒状离子交换树脂相比，有更快的吸附或者脱附速度，其 吸附速度可以高出后者几倍，甚至几十倍。这和离子交换纤维素具有相对较高的 外比表面积和较短的传质距离有密切的关系1 1 9 1 。 综合离子交换纤维素和丝胶蛋白大分子的特点可知，用离子交换纤维素来回 收丝胶蛋白在理论上是可行的。本文从纤维素纤维的阳离子化改性研究开始，得 到纤维素纤维阳离子化改性的最佳工艺，制备出符合实验要求的阴离子交换纤 维；然后使用该阴离子交换纤维素对丝胶蛋白进行吸附研究；吸附丝胶蛋白后阴 离子交换纤维素用酸进行解吸，得到浓缩丝胶蛋白溶液，从而达到回收丝胶的目 的。 为了准确的表征离子交换纤维素对丝胶蛋白的吸附解吸性能，溶液中丝胶蛋 白含量的测定方法也是本文所需解决的问题。丝胶蛋白作为一种蛋白质，可以使 用常用蛋白质含量测定方法，目前常用的蛋白质检测方法有微量凯氏定氮法、双 缩脲法、f o l i n 酚试剂法( l o w r y 基本法) 、紫外( u v ) 吸收法、考马斯亮蓝 g 2 5 0 显色法、亮绿s f ( 淡黄) 法、刚果红法l z o - 2 s 】。 由于凯氏定氮法比较繁琐不适合本实验要求，紫外吸收法、考马斯亮蓝g 2 5 0 显色法、亮绿s f ( 淡黄) 法、刚果红法方法都比较最简单，所以本文选择这四 种方法作为测量丝胶蛋白含量的方法，并比较了这四种方法的优缺点，从中选择 一种适合本文的又比较准确的测量方法。 1 5 本课题主要研究内容 1 丝胶蛋白溶液含量测试方法研究，主要比较紫外分光光度法，考马斯亮蓝 g 2 5 0 显色法，亮绿s f ( 淡黄) 显色法，刚果红显色法测定丝胶蛋白含量的准确 性。 2 阴离子交换纤维的制备方法，主要研究温度，时间，催化剂浓度对阴离子 交换纤维交换容量的影响以及提高交换容量的方法。 3 阴离子交换纤维对丝胶蛋白的吸附性能，主要研究温度，时间对吸附的影 响。 4 丝胶蛋白从阴离子交换纤维上的解吸性能，主要研究酸浓度，温度，时间， 浴比对解吸的影响。 5 丝胶蛋白整理到棉织物上后对其舒适性能的影响，主要考察对接触冷暖感 的影响。 6 丝胶蛋白的同收新方法及其在纺织品中的应用 2 丝胶蛋白含量测定方法研究 2 1 几种蛋白质检测方法的原理 2 1 1 紫外( u 、，) 吸收法1 2 1 2 2 i 蛋白质分子中所含的酪氨酸和色氨酸残基的苯环含有共轭双键，使蛋白质在 2 8 0 n m 波长处有最大吸收值。而各种蛋白质都含有酪氨酸，因此2 8 0 n m 处的光 吸收是蛋白质的一种普遍性质。在一定程度上，蛋白质溶液在2 8 0 n m 处的吸光 值与其浓度成正比，故可以作定量测定。 紫外吸收法测定蛋白质含量的优点是迅速，简便，不消耗样品。低浓度盐类 不会干扰测定结果。因此，该法广泛应用在柱层析分离中蛋白质洗脱情况的检测。 2 1 2 考马斯亮蓝g 2 5 0 显色法1 2 2 , 2 3 j 考马斯亮蓝g 2 5 0 测定蛋白质浓度，是利用蛋白质一染料结合原理，定量地 测定微量蛋白浓度的快速而灵敏的方法。在酸性溶液中，染料与蛋白质结合，使 染料的最大吸收峰( k 戤) 的位置由4 6 5 n m 变为5 9 5 n m 。通过测定5 9 5 n m 处光 吸收的增加量可知其与蛋白质的结合量。研究发现，染料与蛋白质的结合主要是 染料分子与碱性氨基酸和芳香族氨基酸残基结合。 考马斯亮蓝g 2 5 0 染色法的优点是灵敏度高，最低蛋白质检测量可达l l _ t g ： 测定快速、简便，只需加入一种试剂；完成一个样品的测定只需要1 5 m i n ，并且 干扰物质少。 2 1 3 亮绿s f ( 淡黄) 显色法1 2 4 i 亮绿s f ( 淡黄) 是一种带有磺酸基团的酸性染料，它在酸性条件下能与蛋 白质结合生成复合物，并产生新的吸收峰，据此建立的测定蛋白质光度分析方法， 不仅具有较高的灵敏度和较好的选择性，并且对多种蛋白质的响应基本一致，可 用于溶液中总蛋白的测定。 2 1 4 刚果红显色法 刚果红( c g r ) 属于偶氮类有机小分子，在p h 值为4 1 的b r i t t o n - - r o b i n s o 缓冲溶液中可以与蛋白质结合生成红色复合物，使得最大吸收波长发生紫移， 7 东华大学硕士学位论文 由此引起的波长变化可用于蛋白质的定量分析【2 6 1 。该方法具有简便灵敏，稳定性 好，线性范围较宽等优点【2 7 | 。 综上所述，考马斯亮蓝g 2 5 0 法，亮绿s f ( 淡黄) 法和刚果红法的基本原理 是一样的，都是利用蛋白质与显色剂之间的结合，使得显色剂的颜色发生一定的 变化，即最大吸收波长发生移动，从而来定量测定蛋白质的含量。虽然文献中已 经比较过各种方法的优缺点，但是考虑到丝胶蛋白与基准牛血清蛋白的差异，对 于本实验的主要考查对象丝胶蛋白，有必要进行仔细研究，从而保证实验结果的 准确性。 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器及原料 表2 - 1 实验材料与仪器 2 2 2 获得纯丝胶蛋白的方法 1 ) 水洗预处理 称取1 0 9 左右桑蚕丝，用6 0 c w = 水在p h = 7 ，浴比l ：4 0 的条件下，处理蚕 丝3 0 m i n ，以除去桑蚕丝上的水溶性杂质。 2 ) 有机溶剂预处理 用环己烷在索氏提取器中处理经过水洗预处理的桑蚕丝，以除去桑蚕丝上的 丝胶蛋白的回收新方法及其在纺织晶中的应用 丝蜡。环己烷挥发后，将已除去丝蜡的桑蚕丝放入质量为w 的扁形称量瓶中， 置于烘箱内，在1 0 5 1 i o c 条件下干燥，直至恒重w o 。 3 ) 蚕丝脱胶( 精练) 表2 - 2 蚕丝精练处方 碳酸钠 p h 值 时间( m i n ) 浴比 温度( ) 4 ) 水洗及后处理 脱胶后桑蚕丝依次用2 0 0 m l9 5 热水洗，2 0 0 m l6 0 热水洗，最后用1 0 0 m l 冷水洗，晾干( 或烘干) ，放入质量为w 的扇形称量瓶中，置于烘箱内，在 1 0 5 1 1 0 条件下干燥，直至恒重w l 。将水洗液和脱胶液混合后用蒸馏水定容至 1 l 得到纯丝胶蛋白溶液。 5 ) 纯丝胶溶液浓度计算 纯丝胶溶液浓度c o = ( w o - w 1 ) ( 2 1 ) w o 一脱胶前桑蚕丝的重量； w l 一脱胶后桑蚕丝的重量； v 一纯丝胶蛋白溶液的体积，l l 。 经计算本实验部分纯丝胶蛋白溶液的浓度为：1 7 6 5 2 9 l 。 2 2 3 实验所需试剂的配制 1 ) b r i t t o n r o b i n s o 缓冲溶液的制备 0 0 4 m o l l 磷酸，0 0 4 m o v l 的硼酸及0 0 4 m o l l 的醋酸的混合酸，用o 1 m o l l 的盐酸或氢氧化钠调节制备不同p h 值缓冲溶液。 2 ) 考马斯亮蓝试剂制备 考马斯亮蓝g 2 5 01 0 0 m g 溶于5 0 m l9 5 乙醇中，加入1 0 0 m l 8 5 磷酸，用 蒸馏水定容至10 0 0 m l 。 3 ) 亮绿s f ( 淡黄) 试剂制备 称取亮绿s f ( 淡黄) 7 9 2 8 8 m g 溶于蒸馏水中，定容到1 0 0 0 m l 。 4 ) 刚果红试剂制备 称取刚果红3 4 8 3 3 m g 溶于蒸馏水中，定容到1 0 0 0 m l 。 9 5o叽 m 5 吡 o 4 5 o ， 6 1 9 东华人学硕士学位论文 2 2 4 不同分光光度法的浓度一吸光度线性关系 2 2 4 1 紫外吸收光度法 取1 7 6 5 2 9 l 的丝胶蛋白原液1 0 m l ，5 m l ，2 m l ，l m l ，0 5 m l ，0 2 m l ， o 1 m l 分别放入编号为1 拌，2 拌，3 j 6 ，4 存，5 j | ，6 撑，7 撑的5 0 m l 容量瓶中，用蒸馏 水稀释至刻度。取4 溶液以蒸馏水为参比，用l c m 石英比色皿，在紫外分光光 度计上进行紫外区全波长扫描，得到丝胶蛋白在紫外区的最大吸收波长为 2 7 5 5 n m ，然后用紫外分光光度计在波长2 7 5 5 n m 处测定全部7 个不同浓度溶液 的吸光度。最后以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作浓度吸光度曲线，考查其 吸光系数和线性范围。 2 2 4 2 考马斯亮蓝g 2 5 0 显色法 取1 7 6 5 2 9 l 的丝胶蛋白原液1 0 m l ，5 m l ，2 m l ，l m l ，0 5 m l ，0 2 m l ， 0 1 m l 分别放入编号为l 撑，2 撑，3 撑，4 撑，5 撑，6 撑，7 撑的5 0 m l 容量瓶中，加入 1 0 m l 考马斯亮蓝g 2 5 0 试剂，再加蒸馏水稀释至刻度。显色稳定后，取4 撑溶液 以空白溶液为参比，用l c m 石英比色皿，在紫外分光光度计上进行可见光区域 的全波长扫描，得到丝胶蛋白考马斯亮蓝g 2 5 0 络合物的最大吸收波长为 5 7 3 n m ，然后用紫外分光光度计在波长5 7 3 n m 处测定全部7 个不同浓度溶液的吸 光度。最后以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作浓度吸光度曲线，考查其吸光 系数和线性范围。 2 2 4 3 刚果红显色法 取1 7 6 5 2 9 l 的丝胶蛋白原液1 0 m l ，5 m l ，2 m l ，l m l ，0 5 m l ，0 2 m l ， o 1 m l 分别放入编号为l 群，2 撑，3 撑，4 拌，5 捍，6 拌，7 捍的5 0 m l 容量瓶中，加入 5 m l 刚果红试剂，1 0 m l p h = 4 1 的b r 缓冲溶液，然后用蒸馏水稀释至刻度。显 色稳定后，取4 撑溶液以空白溶液为参比，用l c m 石英比色皿，在紫外分光光度 计上进行可见光区域的全波长扫描，得到丝胶蛋白刚果红络合物的最大吸收波 长为4 7 4 n m ，然后用紫外分光光度计在波长4 7 4 n m 处测定全部7 个不同浓度溶 液的吸光度。最后以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作浓度吸光度曲线，考查 其吸光系数和线性范围。 2 2 4 4 亮绿s f ( 淡黄) 显色法 取1 7 6 5 2 9