（纺织工程专业论文）羊毛角蛋白质溶液制备与应用.pdf

2 0 0 3 届博士毕业论文 摘要 废弃的羊毛及其它动物发毛是重要的角蛋白质资源，然而长期以来并未得 到充分应用。羊毛蛋白质能够再生应用的基础是首先制备出角蛋白质溶液，但是 羊毛纤维结构的特殊性，使其不熔、不溶，只能选择适当的溶剂，并适度降解方 可使其溶解。目前研究报道的羊毛纤维溶解方法都普遍存在有两个主要缺陷：其 一是对纤维的溶解效率低，只能获得低浓度、低粘度、较低分子量、低制成率的 羊毛角蛋白质溶液：其- n 是因浓度低而在多数专利中需要通过反渗透、透析方 法使溶液浓缩、提纯、固化成羊毛角蛋白质粉末，以方便后续加工使用。显然， 这些问题都妨碍了羊毛角蛋白质资源的有效利用。 本研究着重研究高制成率、高粘度、较高分子量、高浓度的羊毛角蛋白质 溶解方法。并依据溶解方法研究其相应的直接应用途径。具体涉及两项研究内容： 还原c 法制取羊毛角蛋白质溶液及其应用研究、金属盐法制取羊毛角蛋白质溶 液及其与p a n 共混纺制纤维的研究。本论文的创新性工作主要包括： ( 1 ) 首次将金属盐z n x 2 或l i x 与还原剂巯基乙酸复合作为羊毛角蛋白质 的溶剂。由此形成了独特的羊毛角蛋白质溶剂体系，该体系能够得到制成率达 1 0 0 、浓度高达2 5 ( w w ) 、粘度和分子量等重要指标都高于其它方法的羊毛 角蛋白质溶液，可用于对粘度和浓度有较高要求的应用领域。此方法的最佳溶剂 组成是l i x ：巯基乙酸：水= l ：1 ：1 。 ( 2 ) 首次将羊毛角蛋白质溶液与p a n 共聚物共混制成共混膜，探讨了两种高聚 物共混时的相行为，进而通过湿法纺丝获得羊毛角蛋白质与p a n 共混纤维。该 若混纤维具有一定的机械强度和染色性能。从而为羊毛角蛋白质资源的应用和新 型纤维的开发提供了一条新的途径。 ( 3 ) 首次成功地将还原c 法制得的羊毛角蛋白质溶液不经提纯直接应用于毛织 物定形整理加工中，收到了令人满意的效果。为角蛋白质溶液应用探索了条新 的途径。 关键词 羊毛、角蛋白质、还原c 法、定形、整理剂、锌盐、锂盐、氯化锌、共混纺丝、 巯基乙酸、相图、聚丙烯腈、共聚物。 a 逸 h 自、剖j p l a j l m i 霸鑫黼 2 0 0 3 届博士毕业论文 a b s t r a e t a p p l i c a t i o na n dp r e p a r a t i o n o f w o o l sk e r a t i ns o l u t i o n a sk n o wi nt h ea r t w a s t ew o o la n do t h e ra n i m a lh a i r sa r ei m p o r t a n ts o u r c eo f k e r a t i np r o t e i n ；h o w e v e r t h i sg r e a ts o u r c eh a sn o tb e e nf u l l yu t i l i z e df o ral o n g t i m e t h eb a s i so f r e g e n e r a t i n ga n da p p l y i n gw o o lp r o t e i ni st op r e p a r et h e k e r a t i ns o l u t i o n i na d v a n c e ；b u t w 0 0 1d o e sn o tm e l to rd i s s o l v e ，d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo f i t ss t r u c t u r e ， a n di t o n l yc a nb ed i s s o l v e du s i n ga p p r o p r i a t es o l v e n t s ，a f t e rp r o p e rd e g r a d a t i o n t h e r ea r e g e n e r a l l y t w om a i nd r a w b a c k si nt h ec u r r e n t l yr e p o r t e dm e t h o d so f d i s s o l v i n gw o o l ，o n eo f w h i c hi st h el o we f f i c i e n c yo f d i s s o l v i n gf i b e r s ；o n l yt h ew o o l k e r a t i ns o l u t i o n sw i t hl o wc o n c e n t r a t i o n 1 0 wv i s c o s i t y ，r e l a t i v e l y1 0 wm o l e c u l a r w e i g h ta n dl o w c o n v e r s i o nr a t eh a v e b e e no b t a i n e d ；t h eo t h e rd r a w b a c ki s ，a s m e n t i o n e di nm a n yp a t e n t s t h ew 0 0 1k e r a t i ns o l u t i o nn e e d e dt ob ec o n c e n t r a t e d ， p u r i f i e d ，a n dc o a g u l a t e di n t ow o o l k e r a t i np o w d e r , t h r o u g hb a c k - p e r m e a t i o n ，d i a l y s i s t e e h n i q u e s i no r d e rt o f a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o ni nt h es u b s e q u e n tp r o c e s s e s i ti s o b v i o u st h a tt h e s ep r o b l e m sh a v ea l r e a d yi m p e d e dt h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no ft h e s o u r c eo fw 0 0 1p r o t e i n t h i sr e s e a r c hw a sf o c u s e do nt h es t u d i e so fw o o lk e r a t i ns o l u t i o nw i lh i 2 h c o n v e r s i o n r a t e ，h i - 曲v i s e o s i t y , r e l a t i v e l yh i g h m o l e c u l a r w e i 疹t a n d h i g h c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o no f t h ed i r e c ta p p l i c a t i o n sb a s e do nt h ed i s s o l v i n g m e t h o d s t h i sr e s e a r c hi sr e l a t e d t ot w oi t e m so f s t u d y i n gc o n t e n t s ：( 1 、t h e p r e p a r a t i o n o fw 0 0 1k e r a t i ns o l u t i o n u s i n g r e d u c t i o n cm e t h o da n dt h e i n v e s t i g a t i o no ni t sa p p l i c a t i o n ；( 2 ) t h ep r e p a r a t i o no fw o o lk e r a t i ns o l u t i o nu s i n g m e t a l l i cs a l ta n dt h ei n v e s t i g a t i o no f i t sc o s p i n n i n gw i t l lp a n t h ec r e a t i v ea s p e c t si n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e db e l o w ： 1 t h em e t a l l i cs a l tz n x 2o rl i xa n dt h er e d u c t i v ea g e n t ，m e r c a p t o a c e t i ca c i d ，w e r e c o m p o s e da sas o l v e n to f w o o lk e r a t i np r o t e i nf o rt h ef i r s tt i m e a n dh e n c et h e u n i q u es o l v e n ts y s t e r nf o rw 0 0 1p r o t e i nw a sf o r m e d ，w h i c hm i g h tr e s u l ti nt h e w o o lp r o t e i ns o l u t i o nh a v i n g1 0 0 c o n v e r s i o nr a t e t h ec o n c e n t r a t i o na sh i g ha s 2 5 b yw e i g h t ，t h ev i s c o s i t ya n dm o l e c u l a rw e i g h th i g h e rt h a nt h ew o o lp r o t e i n s o l u t i o n sp r o d u c e db yo t h e rm e t h o d s ，a n dc a nb eu s e di nt h ea p p l i c a t i o nf i e l d w h e r et h e r ea r eh i g h e rr e q u i r e m e n t si nv i s c o s i t ya n dc o n c e n t r a t i o n t h eo p t i m a l s o l v e n t c o m p o s i t i o n i nt h i sm e t h o di sl i x ：m e r c a p t o a e e t i ca c i d ：w a t e r = 1 ：1 ：1 2 i nt h i sr e s e a r c hi th a sb e e nt h ef i r s tt i m et ob l e n dt h ew 0 0 1p r o t e i ns o l u t i o nw i t h 洲a n dm a k et h e mi n t ob l e n d i n gf i l m a n dh e n c et h eb l e n d i n gf i b e ro fw o o l k e r a t i na n dp a nw a so b t a i n e dt h r o u g l lw e t s p i n n i n gm e t h o d t h i sb l e n d i n gf i b e r h a se n o u g hm e c h a n i c a l s t r e n g t h a n dd y e i n gp r o p e r t y ；t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c h r e s u l t sp r o v i d e dan e wa v e n u et ot h ea p p l i c a t i o no fw 0 0 1k e r a t i ns o u r c ea n dt h e d e v e l o p m e n to f n e w t y p e so ff i b e r s 3 t h ew o o l p r o t e i ns o l u t i o n ，o b t a i n e dw i t ht h er e d u c t i o n cm e t h o d ，h a sb e e n d i r e c t l ya p p l i e di nt h es e t t i n gf i n i s hp r o c e s sf o rt h ef i r s tt i m e ，w i t h o u tp u r i f i c a t i o n i i 2 0 0 3 届博： 毕业论文 p r o c e s s ，a n dt h e e f f e c t sw e r es a t i s f a c t o r y ；a c c o r d i n g l y , an e ww a yh a sb e e n e x p l o r e df o rt h ea p p l i c a t i o no f p r o t e i ns o l u t i o n k e vw o r d s w o o l ，k e r a t i np r o t e i n ，r e d u c t i o n cm e t h o d ，s e t t i n g ，f i n i s h i n ga g e n t ，z i n cs a l t ，l i t h i u m s a l t ，z i n c c h l o r i d e ，b l e n d i n g s p i n n i n g ，m e r c a p t o a e e t i ca c i d ，p h a s e d i a g r a m ， p o l y a c r y l o n i t r i l e ，c o - p o l y m e r i h 独创性声明 x 6 2 7 3 4 8 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，也不包含为获得悉婆王些太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 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权云挂至些太堂可以将学位论文的全都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： 导师签名： 砸聋钯 签字日期：川年，月日签字日期：洳，年，月。日 2 0 0 3 届博士毕业论文 第一章绪 论 1 引言 1 1 资源状况 羊毛角蛋白质纤维作为人类利用的第一种纤维材料，在人类文明史的发展长 河中扮演了重要的角色，它是纺织工业发展以来的重要原料。随着合成纤维工业 的发展，其在纺织原料中所占的比重逐渐降低。虽然人们在合成纤维的分子设计 上作了大量的研究与开发工作，但是若想完全替代羊毛这一重要的原料资源还存 在相当的距离。羊毛纤维具有众多的其它纤维无法比拟优良性能【“，如弹性好、 吸湿性强、保暖性好、不易沾污、缩绒性能、光泽柔和且具有凉爽的特征，这些 性能使得羊毛纺织品具有各种独特风格。既可以织制弹性好、手感滑爽( 糯) 、 身骨丰厚、光泽自然的薄型、中厚型春秋夏季面料，也可以织制质地丰厚、手感 丰满、保暖性优良的冬季面料，更可以织制产业用昵绒、衬料等【2 1 。同时，较短 的纤维还可以用于制毡业。可以说，在纺织工业技术成熟发展的今天，羊毛纤维 资源已经得到了较充分和高效的利用，在今天新台纤大量生产的冲击下，迫使研 究人员通过不断驯化、改良、培育优良羊种，使羊毛的生产更能够适应人们对纺 织原料的新要求。例如，随着人们对轻薄型产品的青睐，人们除了改良培育出能 够生产 1 9um 的超细美利奴羊毛之外，还通过各种工业技术手段o p t i m f i n e 加工出更细更长的羊毛纤维，工业技术的介入进一步促进了羊毛资源的利 用。 但是，羊毛纤维品质与羊种及生长环境有关。上述能够得到充分利用的羊毛 主要是指品质优良的同质毛或者细的异质毛。那些品质差的羊毛，如超短羊毛、 纺织利用价值不高的山羊毛、驼毛、牦牛毛、粗兔毛、土种五级毛等等，它们都 因品质问题而不能用于纺织产品的加工。在我国五大牧区中饲养有大量的绵羊与 山羊，青海和西藏更是牦牛的主要生产基地。这些地区的细毛羊尽管经历了改良， 品质已经得到了大幅度的提高，但是综合性能仍然比进口细羊毛如美利奴羊毛 差，这也是造成我国既是羊毛生产大国又是羊毛进口大国的主要原因之一。同时， 近二十年来随着羊绒加工业加工技术进步，经济利益刺激牧民开始大量饲养山 羊，由此在我国形成了巨大的山羊毛生产能力。据不完全统计，我国山羊毛的年 2 0 0 3 届博士毕业论文 产量已超过3 万吨。山羊毛又可分为剪下( 梢) 毛和分梳下脚毛，两者在长度和 细度上存在较大的差别。 可见，如何开发利用这些潜在的、巨大的资源，已引起各行各业研究者的关 注。 1 2 羊毛及发毛的组织学结构( 形态结构) 3 1 人们最早注意到羊毛等动物发毛纤维的形态结构与棉、麻等植物纤维不同， 如图1 1 所示。羊毛纤维是由许多细胞聚积而成。按其性质分为三个组织层次， 即包覆在纤维外部的鳞片层、羊毛的主干皮质层和处于纤维中心因富含空气 而使羊毛纤维不透明的髓质层。其中，髓质层只存在于较粗的羊毛中，有的呈连 续状，有的呈断续状，细羊毛则无髓质层。 图1 一l 蛔苹毛结构 雹i 2 羊毛鳞片形态镭枸 ( 一) 、鳞片层结构 鳞片层是由角质化的扁平状细胞并通过细胞间质c m c 粘连而成。这些薄片 状细胞似鱼鳞重叠交盖，自由端均指向毛尖方向并包覆在羊毛纤维的外部。各种 羊毛的鳞片大小基本相似，平均宽度约2 8 微米、长度约3 6 微米、厚度约有0 5 1 微米。鳞片在羊毛上的覆盖密度却因羊种及羊毛粗细而有很大的差异。在粗羊毛 中鳞片暴露少、可见度小，鳞片呈瓦状或龟裂状，而细羊毛的鳞片多为环状、且 可见度大( 鳞片暴露多) 。进一步研究发现，羊毛的鳞片细胞由三部分组成：鳞 片表层e p i 、鳞片外层e x o 和鳞片内层e n d ，如图1 2 、表1 1 。 2 0 0 3 届博士毕业论文 表1 1羊毛结构中各部分成分( 细羊毛) 组织成分纤维中的含量胱氨酸交联蛋白类型 备注 ( 重量)度( 摩尔) 鳞 鳞片表层 0 16 o 角蛋白质 疏水性 片 鳞片外层 6 4 1 0 角蛋白质 层 鳞片内层 3 61 6 非角蛋白质亲水性 皮原纤 7 4 7 角蛋白质 质 细胞核残 层 留物和原 1 2 61 6 非角蛋白质亲水性 纤间物质 细胞脂质 o 8 非蛋白质醇溶性 膜复 可溶性蛋 1 01 1 非角蛋白质亲水性 合体 白质 惰性膜 1 55 0 角蛋白质还原酶 法不溶 ( 1 ) 鳞片表层- e p i 层 e p i 层又称为表皮细胞薄膜层。实际上它是细胞表面的原生质细胞膜转化而 成的一层薄膜，具有良好的化学惰性，但研究表明它不具备双脂层结构特征，处 于暴露状态的鳞片部位( 可见部分) 的鳞片表层呈单层脂类结构，非极性基团外 露，因此具有极强的疏水性。e p i 层厚度约3 纳米，重量约占羊毛的0 1 。它的 组成比较复杂，一般认为e p i 主要由角蛋白质、类脂物以及c 、h 化合物所构成。 ( 2 ) 鳞片外层- e x o 层 它位于e p i 内侧，是层较厚的蛋白质，但是在整个羊毛鳞片中厚度分布并 不均匀。e 伽层主要由角质化蛋白质构成，在细羊毛中重量约占羊毛总重的6 4 ， 结构坚硬难以被膨化，是羊毛鳞片的主要组织部分。它又可细分为e x o a 、e x o b 两层。a 层位于羊毛鳞片的外侧，具有很高的含硫量，胱氨酸残基的含量很高 约占3 5 ( 摩尔比) ，即每三个氨基酸残基中就会有一个胱氨酸残基，难被膨 化，它同时也是羊毛结构中含硫量最高的部位。b 层位于鳞片内侧，其含硫量稍 低，但是仍有较高的含硫量，。 e x o 层内的蛋白质分子肽链主要是以无定型形式存在，这是由于胱氨酸含 量过多，难以有效形成有序排列所致。 ( 3 ) 鳞片内层一e n d 层 它位于鳞片层的最内层，由含硫量很低的非角质化蛋白质构成，其厚度在整 个鳞片中的分布也不均匀，在细羊毛中重量约占3 6 ( 重量比) ，由于e n d 中 2 0 0 3 届博士毕业论文 只含约3 ( 摩尔比) 的胱氨酸残基，且极性氨基酸的含量相当丰富，所以其化 学性质活泼，易于被化学试剂、水等膨润，可被蛋白酶消化。 ( 二) 、皮质层结构 ( 1 ) 皮质细胞 皮质层是由皮质细胞通过细胞间质粘连而成，在粗毛中其含量随髓质层的发 达程度而变化。它是羊毛纤维的主要组成部分，决定了羊毛的主要物理、化学性 质，皮质细胞形似纺锤，这是由于羊毛从毛囊伸出皮肤的过程中受到抽长拉细作 用而形成的特殊结构，其长约0 5 毫米、粗约2 5 微米。羊毛纤维的皮质细胞主 要有正皮质细胞( o r t h o ) 和偏皮质细胞( p a r a ) ，个别纤维中有时还含有介于 两者之间的间( 仲) 皮质细胞，但较为少见。对不同种的羊毛纤维其正、偏皮质 细胞所占的比例以及分布差异极大，如美利奴细羊毛的正、偏皮质细胞均匀分布 在毛干的两侧，呈“双侧”结构。安哥拉山羊毛( 马海毛) 的皮质层基本上全部 由正皮质细胞组成，有时四周夹杂有个别的偏皮质细胞。黑面种绵羊毛全部由偏 皮质细胞构成。林肯种绵羊毛则与马海毛相反，基本上由偏皮质细胞组成，只是 在四周夹杂有少量的正皮质细胞。 正皮质细胞尺寸较偏皮质细胞稍大，它是由横向尺寸0 2 0 4 纳米的巨原纤 组成，原纤之间有1 0 纳米的缝隙，而巨原纤间存在有1 0 0 纳米左右的缝隙和孔 洞。它的结晶区较小，吸湿能力高，化学性质活泼，对阳离子( 盐基) 类染料易 于着色，耐酸能力强。在具有双侧结构的羊毛纤维中它处于纤维卷曲的外侧。 偏皮质细胞则直接由原纤比较均匀地堆砌而成，其中有1 0 纳米左右的缝隙 和孔洞，结晶区大，结构紧密，吸湿性较小，吸湿膨率较低，化学性质较稳定， 对酸性染料易于着色，抗酸能力较弱。在具有双侧结构的羊毛纤维中处于卷曲内 侧。上述现象与羊毛纤维成长中的细胞成熟过程有关。 ( 2 ) 细胞膜复合体c m c 【4 “】 皮质细胞间通过细胞间质粘接而构成羊毛的皮质层，鳞片层与皮质层间同样 也是通过细胞间质粘接从而构成羊毛整体。所以细胞间质的性质必将影响到羊毛 物理、化学性质。细胞膜复合体( c m c ) 是指两相邻细胞的细胞膜原生质和细 胞间充填物所组成的整体。它的含量尽管很少，仅占羊毛重的3 - 6 ，但是由于 它是羊毛内部唯一连续的组织，因此对羊毛的物理化学性能具有不可低估的贡 献。此外，在研究细胞膜复合体时，有的研究者将其进一步扩大到细胞表面的化 4 2 0 0 3 届博士毕业论文 学惰性层。c m c 的结构如图l 3 所示。 图1 3c m c 的结构模型 u 鳞片细胞 x 一皮质细胞 苦u u 6 u 细胞间充填物( 6 一层) ：它主要由非角质化蛋白质构成。在构成蛋白质的 氨基酸残基中胱氨酸残基含量极低，而甘氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等带有疏水性 侧基的氨基酸残基含量最高。此外，尚含有极微量的其他成分如糖原、戊糖、苯 酚、尿素、脲酸以及氨等物质。细胞间充填物的含量依测试方法的不同而异，约 占羊毛重的卜3 。甲酸对细胞间充填物具有较强的溶解能力，但只能溶解那些 分子量小、交联密度低的蛋白质。某些有机溶剂对其也具有溶解能力。细胞间充 填物的性质柔软、易于膨化，是c m c 中较薄弱的部分，其厚约1 5 纳米，但各 处不一，细胞间的空隙均为其充填，它能被锇( o s ) 金属染着，在透射电镜上 成像为深色。 脂质物质( b 层) ：c m c 实质是由细胞的原生质派生而成，因此它保留 了原生质膜的某些特征，如具有双分子层脂膜的结构特征，它不能被锇金属着色， 在透射电镜照片中不显像。对b 一层的分析表明，脂质层中所含的物质与羊毛 蜡、细胞膜原生质具有极大的不同，脂质层中主要含有脂肪酸、胆缁醇、甘油脂、 蜡脂蛋白质等，原生质中含量较多的膦脂却在c i v i c 中含量极少。研究认为这是 由于在细胞角质化过程中膦脂有自细胞问区消失的倾向。脂质物质的含量也随测 试方法的不同、溶剂的不同而有出入，其含量约占羊毛重量的1 5 ，他们可以 部分地溶解于甲酸和有机溶剂。 惰性膜层；羊毛纤维经酸、氧化剂、碱、还原剂、蛋白酶以及他们的复合作 用下可被溶解，但最终会留下不能被溶解的成分，这些不溶解物实际上是鳞片细 胞、皮质细胞的纤维状外壳( g h o s t ) 。惰性膜层是角质化蛋白质，它在整根羊 毛中具有相近的胱氨酸残基含量，并含有较多的赖氨酸残基和谷氨酸残基，具有 较好的化学稳定性。这种惰性产生的机理目前尚不十分清楚，但一般认为它与一 2 0 0 3 届博士毕业论文 s s 一的独特的立体结构、所处的位置以及与其相邻的脂质层间的独特作用方 式有关。皮质层中的惰性膜层约占羊毛重的1 5 ，鳞片层中的含量稍高，如表 1 1 所示。前文中所述的鳞片表层e p i 就是脂质层与惰性层所形成的复合结构， 即鳞片的惰性层与皮质细胞的惰性层在组织结构、化学构成等方面存在较大的区 别。 ( 三) 髓质层 髓质层是由多角形重叠的薄壁细胞组成，细胞间的相互联系十分的脆弱， 因此含发达髓质层的纤维表现十分脆。在粗毛纤维尤其是山羊毛、驼毛、牦牛毛、 兔毛、土种粗绵羊毛中都含有厚度不等的髓质层。通常又依据髓质层的发达程度 分为：死毛、刚毛和两型毛。上述薄壁细胞同样也是由角蛋白质构成。 1 3a 一角蛋白质结构与通性 ( 1 ) 结构7 众所周知，羊毛、山羊毛、驼毛、牦牛毛等纤维均为角蛋白质。o 一角蛋白 质是角蛋白中的优势形式，所以羊毛等发毛的结构主要表现为这一结构特征。而 n 一角蛋白质是动物表皮层的基本蛋白质，依靠它构成了动物表皮、毛发、趾甲、 羽毛、角等等，结构中的突出特征是含有较多的胱氨酸残基。a 一角蛋白质又分 为硬蛋白和软蛋白两类，前者又称为真角蛋白如毛发、羽毛、角、趾甲等，含硫 量最多，结构不仅稳定，而且组织结构致密；而后者的含硫量较低约3 以下， 含有较多的脂类物质，实质上它是复合蛋白质，它的耐热性低，组织结构疏松而 柔软，羊毛的髓质层就属于软角蛋白质。 d 一角蛋白质不溶于水，在热水中仅能稍微膨化，由于其结构中有二硫键相 连，所以具有较强的耐酸、碱及酶的能力，但是当一s s 一受到破坏后，便能在 稀碱液中很快膨胀而溶解。硬角蛋白质是由4 0 0 6 0 0 个氨基酸残基组成，其中 胱氨酸残基的含量约占1 0 ，它对角蛋白特性起到决定性作用。此外，硬角蛋 白中还含有约1 8 的羟基氨基酸残基和2 5 o h ：右的极性氨基酸残基。在整个分 子链上大约每隔7 个氨基酸残基就会有性质相近的氨基酸残基出现，极富有规律 性。 在超分子结构方面，根据x 一光衍射图谱分析认为，角蛋白质中存在有三种 规整的结构( 结晶) 即a 一螺旋、1 3 一折叠链和b 一转角结构。在x 一光衍射图 上有两对1 5 a 和5 1 a 的衍射弧，掘此可以推测为。一螺旋或8 一折叠链结构。 2 0 0 3 届博士毕业论文 事实上，角蛋白质大分子的结构相当复杂，一根大分子可能具有多种构型，二硫 键所处的位置对结构影响十分显著，其分子结构模型如图1 4 所示。 c o o i - i ，。1， i j氰基酸 5 ，1 43 31 1 44 6 i 争( 嚣) 岔量f 1 ：52o3 52 0 i 岢 角蛋白质大分子模型图 图1 4n 一角蛋白质大分子结构模型图 ( 2 ) 化学性质 酸。低温下弱酸或低浓度的强酸对角蛋白质无显著的影响，但是高温高浓度 的强酸对角蛋白质有明显的破坏作用。当p h 4 时，主要体现为盐式键拆开和 肽链的水解。不同的酸对蛋白质的作用程度也不同。 碱。碱对角蛋白具有强烈的破坏作用，它不仅能使一s s 一键、盐式键断裂， 而且能使肽链产生碱性水解。破坏程度依碱的浓度、温度的增加而加剧。 氧化剂。角蛋白质中的一s s 一键易与氧化剂反应，甚至空气中的氧气、日 照等也会使一s s 一键产生较显著的变化，氧化水解后的产物具有较好的水溶 性。 还原剂。还原剂与蛋白质的反应几乎主要发生在与一s s 一键部位。以羊毛 为例，在p h = 4 5 和p h = 1 1 时，还原剂对羊毛具有显著的破坏，但是这种还原 产物在氧化剂的作用下仍能够部分恢复，一s s 一键重建率约在6 0 左右。 尿素。尿素能够拆开氢键，因此在高浓度尿素溶液中角蛋白质被明显地膨化 ( 胀) 。 金属盐。因分子间的强烈化学交联，使其并不能象丝素蛋白那样在金属盐中 表现出剧烈变化。低浓度的金属盐只能使硬角蛋白质如羊毛产生部分溶胀，溶胀 程度和金属盐与角蛋白质分子间氢键作用有关，对分子间氢键有明显影响的金属 盐，如锂盐、锌盐等都会使羊毛纤维产生较大程度的溶胀。但是，过高的金属盐 通常也会抑制硬角蛋白质的溶胀。 2 0 0 3 届博士毕业论文 2 羊毛角蛋白质溶液制备方法的研究进展 角蛋白质物质因其独特的网状结构，使其不溶、不熔，只能通过选择适当的 溶剂并控制适度的降解才能制成溶液。制取高聚物溶液的关键是通过溶剂系统使 高聚物大分子之间的作用力降低而出现无限溶胀。角蛋白质的大分子之间主要通 过s s 一键建立起稳定的结合，从而构成不溶性的蛋白质。可见，若制取角蛋 白质溶液，使其溶解的关键是使分子链间的主要交联一s s 一键断裂。幸好一s s 一键可与许多试剂反应，因此可以利用这些化学反应并选择合适的溶剂，获 得角蛋白质溶液。同时，也不能忽视蛋白质分子间的高密度氢键、盐式键等作用。 显然，溶解角蛋白质物质的溶剂系统往往由多个不同功能的试剂共同组成，目前 较为有效的羊毛角蛋白质溶液制备方法主要有以下途径。 ( 一) 氧化法【3 s j 氧化剂法的理论依据是： p s s p + o 一一p s 0 3 h 生成含有水溶性基团的角蛋白质。以水作为溶剂，则可获得一定浓度的水溶液。 由于羊毛纤维结构的复杂性，致使纤维不能全部溶解，不溶的部分称为b 一角蛋 白质。溶解物中既含有a 一角蛋白质，也含有高硫蛋白质，高硫蛋白质与氧化剂 反应的产物称为y 一角蛋白质，它因与q 一角蛋白质所含的- - c o o h 、- - s o ，h 基的数目不同而具有不同的等电点( p i ) ，所以如果有进一步分离的要求，则可 以通过调节p h 值的方法加以分离。 一般地，氧化剂可选择过醋酸、过甲酸、过氧化氢等过氧化物。在氧化过程 中，不可避免地会出现肽链氧化降解现象，因此本方法所获得的角蛋白质溶液的 平均分子量不高，约3 0 0 0 左右。单一的氧化法有时并不足以使角蛋白质溶解， 常与能明显破坏分子间作用的助剂如尿素、硫脲、金属盐、表面活性剂等共混使 用。 羊毛在2 5 - 3 5 h 2 0 2 、氨水调节p h = 8 0 条件下，沸煮6 0 9 0 m i n ，则可以完 全溶解。该体系获得的角蛋白质溶液可以用于接枝共聚。若同时添加z n ( a c ) 2 ， 不仅可以促使蛋白质分子恻形成网络化凝胶化，而且可以获得含z n ”的抗 菌材料4 9 1 。 羊毛在0 3 5 1 4 h 2 0 2 、氨水调节p h = 8 0 条件下，室温处理3 0 m i n ；而后 再在密闭的容器中于1 3 0 2 0 0 c 下，处理3 0 6 0 m i n ，可使羊毛角蛋白质完全溶 2 0 0 3 届博士毕业论文 解【1 0 i l l 。 羊毛在7 0 h a c 、3 0 h 2 0 2 、浴比1 ：3 0 、温度不高于s o o c g 卅, t ，氧化处理 2 4 h ：再经0 0 5 mn a 2 c 0 3 浴比l ：1 0 0 、温度不高于5 0 。c 碱处理2 4 h ，也可使羊毛 大部分溶解y 2 - t 4 1 。 ( 二) 还原法a 法吲1 8 1 本方法采用还原剂拆开分子间的一s s 一键，以增加其溶解的能力，反应式 为： p s s p + h 一一p s h 由于产物半胱氨酸残基的水溶性远小于氧化法的产物，所以为提高大分子的溶解 能力，常加入尿素以拆散分子间的氢键，减小分子问的作用力，提高溶解度。生 成的半胱氨酸残基极不稳定，易被空气氧化重新生成胱氨酸残基。为防止一s h 的进一步氧化，通常需要将一s h 封闭如进行羧甲基化、甲基化等处理。 ( 三) 还原法b 法 3 】 8 1 在a 法中为阻止半胱氨酸残基的氧化再交联，采取封闭一s h 的手段，但是 观察发现当使用亚硫酸盐作为还原剂时，它与一s s 一反应生成的一s s 0 3 n a 基 兼有封闭一s h 的作用，而且还能够提高水溶性。 p s s p 7 + n a i - i s 0 3 一一p s s 0 3 n a + p s h 但是从上述反应可以看到，仍会生成等摩尔的半胱氨酸残基，所以该溶液的 稳定性仍然较差，如果加入醋酸铅等能够与一s h 基发生特殊反应的试剂，则可 使含有较多一s h 基的蛋白质沉淀下来，则可以获得稳定的蛋白质溶液。很显然， 这种方法的制成率较低，并不实用。 ( 四) 还原法c 法 上述a 、b 两种方法的要点在于为防止半胱氨酸残基的再聚合必须封闭一 s h ，而c 法采用与a 、b 法不同的措施。 ，它利用表面活性剂胶束的保护作用 来阻止氧化现象和沉淀发生，并维持了溶液的还原性状态。 表面活性剂如阴离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠，可与角蛋白质形成巨大 胶束( 尺寸可达2 2 0 微米) 。因为胶团的保护作用阻止了还原性蛋白的进一步氧 化，所以此方法能够制得分子量高达4 8 0 0 0 6 1 0 0 0 左右、较高浓度的蛋白质溶 液。它的制各过程比较简便，只需将洗净后的羊毛等角蛋白质原料与尿素、还原 剂、表面活性剂等混合，在隔绝空气、室温一1 0 0 c 下不断搅拌或用超声波振荡， 2 0 0 3 届博士毕业论文 便可得到角蛋白质的胶体溶液，而后再通过透析去除可溶性的低分子量试剂，则 可获得透明的角蛋白质水溶液。还原c 法的制成率最高达5 0 以上。 本方法是研究最多的处理方法，使用的还原剂多为含硫无机化合物和有机化 合物，如亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、保险粉：巯基乙酸、巯基乙醇、巯基乙酸铵等。 按羊毛：8 m 尿素：巯基乙醇：十二烷基磺酸钠= 1 0 ：1 8 0 ：6 ：1 7 配制溶液， 6 0 。c 条件下处理8 h ，在搅拌的同时采用输出功率为8 0 w 的超声波以加速反应进 程。最后经透析可获得透明的胶体溶液。蛋白质的收率不低于6 0 ，该溶液的角 蛋白浓度3 左右、分子量1 5 7 0 k d ：i s 。2 q 按羊毛：8 m 尿素：巯基乙醇= 1 0 ：3 0 0 0 ：5 配制溶液，以氢氧化钠调p h = 1 0 5 ， 在密闭环境室温条件下处理3 h ，过滤后添加1 十二烷基磺酸钠，再经透析可获 得透明的角蛋白质胶体溶液。蛋白质的收率不低于6 5 ，该溶液的角蛋白浓度3 左右、分子量4 0 7 0 k d 10 1 2 2 2 3 。 羊毛：尿素：( n a 2 s 0 3 + n a 2 s 4 0 6 ) ：o 1 mt r i s = l o ：5 0 ：( 3 + 3 ) ：1 0 0 配制溶 液，调节p h = 9 在2 5 c 条件下处理2 4 h 。最后经过滤、透析可获得透明的、浓度 为1 3 1 8 左右的角蛋白溶液f 2 4 “ ，显然制成率并不高。 ( 五) 碱性法 羊毛能够溶解在强碱性液中，如：氢氧化钠、硫化钠等。因为溶解过程主要 是通过蛋白大分子肽键水解以及羊毛结构中一s s 一的碱性分解来实现的，所以 这种方法只能得到分子量很低的多肽。同时，为提高溶解效率，通常需要与还原 剂配合使用。国内外研究者利用这种方法制得多肽后再通过接枝获得接枝高聚 物。 使用3 5 ( w w ) n a o h 溶液2 9 1 ，按浴比1 ：3 1 ：5 、温度8 0 8 5 。c 、 时间6 0 9 0 m i n 、溶解度控制在9 0 的工艺条件则可以获得粘度较低的透明角蛋 白质溶液。若经交联剂如环氧氯丙烷、甲醛等适度交联，可进一步提高分子量 26 1 。 也可采用先经还原剂预处理，再经n a 0 h 水解制备角蛋白质溶液。如使用5 n a 2 s 0 3 溶液，按浴比1 ：4 0 加入羊毛，近沸腾条件下预处理5 m i n ；经脱水水洗 一次后，再将处理后的羊毛投入按浴比l ：2 0 配制的p h = 1 2 的n a 0 h 稀溶液中， 4 0 m i n 升温至沸腾，处理5 m i n ，再经过滤、醋酸中和可获得透明蛋白质溶液”。”。 ( 六) 铜氨溶液法1 4 6 】 铜氨溶液、铜乙二股溶液等除具有很强的碱性之外，还对分子恻的氢键具有 o 2 0 0 3 届博士毕业论文 很好的分解能力，所以对蛋白质有明显的溶解作用。为进一步提高羊毛角质蛋白 的溶液能力，还需要添加一定浓度的还原剂，否则只能得到低浓度的溶液，而且 获得的角蛋臼分子量也较低。然而，这种方法最令人感兴趣的是铜氨溶液同时也 是纤维素的良溶剂，所以可以直接用于羊毛与纤维素纤维混纺材料资源的再生利 用。 溶剂体系组成为1 0 氨水：n a 2 s 0 3 ：氢氧化铜：羊毛- - - 2 0 ：1 ：1 ：1 。 ( 七) 酸性法 1 0 】 3 3 1 】 使用盐酸、三氯乙酸、三氟乙酸等强酸，并同时加入巯基乙酸等含巯基化合 物，在低温条件下处理较长的时间，则可以得到低分子量的多肽溶液，其分子量 约为3 0 0 5 0 0 0 。使用羊毛：3 0 盐酸：巯基乙酸= 1 0 ：1 5 ：1 ，在3 0 搅拌反应 7 2 h ，最后用n a o h 中和：或在6 n 盐酸在密闭容器中，1 1 06 c 反应2 0 7 0 h 。 ( 八) 金属盐法 溶剂选用具有拆开氢键能力的金属盐如氯化锌、溴化锂、氯化锂等l ”3 ，通常 这种方法用于其它制得的羊毛角蛋白质粉末的再溶解或接枝共聚物的溶解。 羊毛或其它蛋白质经丙烯腈接枝后可以选用z n c l 2 作为溶剂f 2 3 】【m 36 1 。如6 0 ( w w ) z n c h 溶液按浴比l ：5 加入羊毛接枝共聚物，6 0 8 0 c 下可以获得透明 粘稠溶液。或者使用l i c l ：甲酸：( 5 1 5 ) ：( 8 5 9 5 ) 的复合溶液作为溶剂口7 1 ， 但这种方法只能用于已经通过其它方法降解的羊毛或其他多肽物质。 ( 九) 电化学氧化还原法【3 8 】 这是一种比较新颖的角蛋白质溶解方法。溶解时利用还原反应有效地拆开一 s s 一键，通过电化学氧化还原反应加快还原反应的进程、防止反应产物一s h 基团再度被氧化。还原过程发生在阴极槽。 阴极槽组成：含巯基化合物的还原反应体系 阳极槽组成：电解质溶液，如3 硫酸 隔栅：离子交换树脂膜 典型的阴极组成为：8 m 尿素2 0 0 0 m l 5 0 巯基乙酸铵5 0 9 n a o h 调p h = 9 羊毛 i o o g i u 解电流l a 、电解时间7 2 h 。 2 0 0 3 届博士毕业论文 而后，在经过反渗透、0 1 n 甲酸溶液透析，可获得透明角蛋白质溶液。但是， 这一过程不仅操作复杂，而且在电极槽中的电化学产物也十分复杂。 ( 十) 其它方法 为提高硬角蛋白质的溶解度，研究者也探索了更多的溶解途径，有专利报 道使用：羊毛中引入亲水性基团增大溶解度法【9 1 、蛋白酶法【1 0 j 【1 3 1 、闪爆预处理 法”1 等等，但是它们都存在有溶解效率低、角蛋白质分子量降低幅度大或不易控 制等缺陷。 3 角蛋白质溶液的应用研究进展 人类的皮肤表皮层同属于角蛋白质，因此角蛋白质制品与人体具有良好的亲 和性：角蛋白质作为丰富的自然资源能够被生物降解，不会对环境造成压力。显 然，开发、利角蛋白质资源显得更有意义。提纯后的硬角蛋白质可以用于动物饲 料的添加剂、纺织品亲水性和舒适性整理剂、羊毛定型整理剂、皮革功能性添加 剂、皮革饰面剂、护肤护发日化添加剂、再生蛋白质纤维的制作、重金属离子捕 捉剂等等。通常依掘应用领域的不同而选择不同的溶液制备方法，其应用主要包 括： ( ) 制取角蛋白质固体粉末 3 】【1 2 州】 2 ”9 】p t 制取羊毛角蛋白质粉末是进一步开发其下游产品的基础，因此在这一领域 集中有较多的专利文献，与其相关的还有其它角蛋白质资源的粉末化技术。传统 盼粉末化技术有机械法、化学机械法，但是所获得的羊毛粉末颗粒尺寸都较大， 限制了羊毛粉末的应用。随着羊毛等角蛋白质溶解方法的不断研究，人们通过化 学溶解一固化析出法获得的角蛋白质粉末具有颗粒尺寸小且均匀等特征，该粉末 属无定形粉末。 通常取角蛋白质溶液在水、酒精、 性溶剂中固化、沉淀、析出。经干燥后 质粉末。 金属盐溶液或饱和溶液等角蛋白质的惰 再通过机械粉碎获得不同粒度的角蛋白 羊毛角蛋白质粉末具有各种特殊的性能，如水分的保持能力、吸湿放湿性、 吸油性能、除臭吸附性能、对重金属离子的吸收性能等等。因此可