（皮革化学与工程专业论文）胶原蛋白水解及硅丙改性蛋白涂饰剂的制备研究.pdf

胶原蛋白水解及硅丙改性蛋白 涂饰剂的制备研究 摘要 我国制革工业每年约产生几百万吨皮革边角废弃物，造成了严重的资源 浪费和污染，如何回收利用这些废弃物已成为世界各国关注的焦点。本论文 研究了从制革废边角料水解胶原蛋白，并用丙烯酸和正硅酸乙酯对水解物改 性制备硅丙改性蛋白涂饰剂，保持了蛋白类涂饰剂优点，同时又赋予了新 的优异性能，实现了资源的最大化利用。 首先，本研究分别采用硫酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钙水解胶原蛋白， 主要考察了水解剂用量、水解温度、时间、水渣比对水解结果的影响，对每 种水解方法分别进行了单因素试验和正交试验，较系统地优化了各自水解方 案和产物结果，为制备硅丙改性蛋白涂饰剂进行了前期准备。以胶原水解 物的收获率为主要指标考察了各种水解方法及影响因素的水解结果，优化出 适合各种水解方法的较佳水解方案。 接着，用胶原蛋白水解产物制备出硅丙改性胶原蛋白复合涂饰剂。考 察了反应时间、。反应温度、胶原水解物用量、丙烯酸酯单体配比和用量、正 硅酸乙酯用量、乳化剂种类和用量、引发剂用量等几个因素对改性产物的影 响。通过探索试验、单因素试验、正交试验和优化扩大试验系统地研究了改 性方案和产物性能，最终得出了改性蛋白复合涂饰剂制各的最佳工艺条件。 通过检测乳液的固含量、粘度、溴值、耐热稳定性、冷冻稳定性、耐酸碱稳 定性、稀释稳定性、离心稳定性和成膜的抗张强度、撕裂强度、断裂伸长率、 透气性、透水汽性、吸水率和耐溶剂性能等指标，较全面的分析了改性产物 性能。 采用红外光谱( f t - i r ) 、凝胶渗透色谱( g p c ) 对水解产物和改性产物 分别进行了表征；采用多媒体纤维电镜、透射电镜( t e m ) 对涂饰剂乳液 进行了检测分析。f t - i r 检测了水解产物和改性产物的分子结构变化；g p c 检测了水解产物和改性产物的相对分子质量及其分布；t e m 研究了涂饰剂 乳液的微观结构。 胶原蛋白水解结果：硫酸水解胶原时，硫酸用量1 2 m l ，反应时间1 2 h ， 反应温度9 0 ，水渣比1 2 。收获率为5 0 0 9 ；盐酸水解胶原时，盐酸用量 1 2 m l ，反应时间1 2 h ，反应温度9 0 ，水渣比2 o 。收获率为4 8 8 7 ：n a o h 水解胶原时，n a o h 用量1 3 ，反应时间1 0 h ，反应温度9 0 ，水渣比1 2 。 收获率为4 4 8 5 ；c a ( o h ) 2 水解胶原时，c a ( o h ) 2 用量7 ，反应时间1 0 h ， 反应温度9 0 ，水渣比1 2 。收获率为3 8 2 9 。f t - i r 、g p c 分析表明，水 解促使胶原纤维打开，暴露出氨基和羧基等集团，生成胶原多肽和氨基酸； 酸、碱法水解产物相对分子质量均约为18 0 0 ，相对分子质量及其分布相差 不大。 硅丙改性蛋白涂饰剂配方结果：以用一定量的n a o h 在9 0 下水解1 0 h 的胶原水解物为原料，胶原水解物用量为4 0 ，引发剂用量为3 ，乳化剂 用量为2 ，反应过程p h 值为5 ，t e o s 用量为3 ，丙烯酸酯( a ) 和丙 烯酸酯( b ) 的配比为1 ：1 ，反应时间为3 o h ，反应温度为5 0 ，得到的乳 液外观为泛蓝光白色乳液，粘度适中，稳定性很好，成膜的透明度和各项物 理机械性能均比较高。 涂饰剂f t - i r 对比分析表明：在2 9 7 0 , - - 2 8 5 0 c m i 、17 3 2 c m l 、115 0 c m l 附近出现吸收峰，丙烯酸酯和胶原蛋白发生接枝共聚反应，达到了预期的胶 原蛋白改性目的。涂饰剂g p c 分析结果：涂饰剂平均分子量为1 3 4 0 6 2 ，相 对分子质量稍大，且分布范围宽，较适合应用于项层涂饰。用于项层涂饰时， 充分体现了本涂饰剂具有较强真皮感的最大优点。改性蛋白涂饰剂t e m 分 析结果：胶原多肽和丙烯酸酯发生接枝共聚反应，改性蛋白涂饰剂为互穿网 络结构，分子链较长，但分子粒径不超过1 0 0 n m ，没有出现团聚现象，说明 反应比较成功。 关键词：胶原蛋白，水解，涂饰剂，丙烯酸酯，皮革 s t u d y o nh y d r o l y z i n gc o l l a g e na n d p r e p a r a t i o no fs i l i c o n d i o x i d ea n d a c r y l i ce s t e r sm o d i f i e dc o l l a g e nc o a t i n g s a b s t r a c t a b o u ts e v e r a lm i l l i o nt o n sl e a t h e rw a s t e sw e r ep r o d u c e de v e r yy e a rb y l e a t h e ri n d u s t r yi no u rc o u n t r y , w h i c hl e a d e dt os e r i o u sr e s o u r c ew a s t ea n d i n v i r o n m e n tp o l l u t i o n s h o wt or e c y c l eu s et h e s ew a s t e sb e c a m eaf o c u sa l lo v e r t h ew o r l d t h i sp a p e rs t u d i e do i lh y d r o l y z i n gc o l l a g e nf r o ml e a t h e rw a s t e s ，a n d m o d i f m gt h e m t op r e p a r ef o rc o l l a g e nc o m p o s i t ec o a t i n ga g e n t s ，w h i c hn o to n l y h a sp r o t e i nc o a t i n g sg o o dc h a r a c t e r s ，b u ta l s oh a so t h e rn e w p r o p e r t i e s f i r s t l y , h y d r o l y z i n gc o l l a g e nb ys u l p h a t ea c i d ，h y d r o c h l o r i ca c i d ，s o d i u m h y d r o x i d ea n dp o t a s s i u mh y d r o x i d ew e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b yt h e e x p e r i m e n t s ，t h ec o n t e n to fh y d r o l y z ea g e n t s ，t h et e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o nt i m e ， t h ew a t e rd o s a g ew e r ec o n s i d e r e d t h e s i n g l e f a c t o r i a la n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t sw e r eu s e di ne a c hh y d r o l y z em e t h o df o ro p t i m i z i n gt h ep r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s t h eb e s th y d r o l y z i n gm e t h o do f e a c hm a t e r i a lw a s o p t i m i z e dt h r o u g h t h eh a r v e s t i n gr a t e s e c o n d l y , t h es i l i c o nd i o x i d ea n da c r y l i ce s t e r sm o d i f i e dc o l l a g e nc o a t i n g s w e r ep r e p a r e dw i t hc o l l a g e nh y d r o l y s a t e t h er e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， c o l l a g e nh y d r o l y s a t ed o s a g e ，t h ec o n t e n t a n dp r o p o r t i o no fa c r y l i c r e s i n ， t e t r a e t h o x ys i l a n e ( t e o s ) d o s a g e ，t h et y p ea n dr a t i oo fe m u l s i f i e r s ，i n i t i a t o r s d o s a g e w e r ec o n s i d e r e d t h e e x p l o r i n g ，s i n g l ef a c t o r i a l ，o r t h o g o n a la n d o p t i m i z e de x p e r i m e n t sw e r eu s e df o ro p t i m i z i n gt h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so f m o d i f i e dc o l l a g e nc o a t i n ga g e n t s a l lt h ef a c t o r sw e r eo p t i m i z e dr e s p e c t i v e l yb y t e s t i n g h es o l i dc o n t e n t ，b rv a l u e ，h e a ts t a b i l i t y , r e f r i g e r a t i o ns t a b i l i t y , a c i da n d a l k a l is t a b i l i t y , d i l u t i o ns t a b i l i t y , c e n t r i f u g a ls t a b i l i t yo ft h ee m u l s i o na sw e l la s t h et e n s i l es t r e n g t 札t e a r i n g s t r e n g t h ，e l o n g a t i o na tb r e a k ，w a t e rr e s i s t a n c e ， o r g a n i cs o l v e n tr e s i s t a n c e ，t h ea i rp e r m e a b i l i t y , t h ew a t e ra n dv a p o rp e r m e a b i l i t y i i i o f t h ef i l m t h e n ，i r , g p ca n dt e mw e r ei n t r o d u c e dt oc h a r a c t e r i z et h em o d i f i e d p r o d u c t s i rw a se m p l o y e dt oc h a r a c t e r i z et h es 仃u c t u r ec h a n g eo fc o l l a g e n h y d r o l y s a t ea n da f t e rm o d i f i c a t i o n ，g p ct oc h a r a c t e r i z et h em o l e c u l e s 、w e i g h t a n di t sd i s t r i b u t i o nb e f o r ea n da f t e rm o d if i c a t i o n ，t e mt oc h a r a c t e r i z et h e p a r t i c l em i c r o c o s m i cs t r u c t l l r e t h er e s u l t so fc o l l a g e nh y d r o l y z e db ys u l p h a t ea c i dw e r eh 2 s 0 4 d o s a g e12 m l ， r e a c t i o nt i m e12 h ，t e m p e r a t u r e9 0 ，w a t e rt os o l i dr a t i o1 2 ，h a r v e s t i n gr a t i o 5 0 0 9 ；w h i l eh y d r o l y z e db yh y d r o c h l o r i ca c i dw e r eh c ld o s a g e12 m l ， r e a c t i o nt i m e12 h ，t e m p e r a t u r e9 0 ，w a t e rt os o l i dr a t i o2 0 ，h a r v e s t i n gr a t i o 4 8 8 7 ；w h i l eb ys o d i u mh y d r o x i d ew e r en a o hd o s a g e13 ，r e a c t i o nt i m e10 h ， t e m p e r a t u r e9 0 ，w a t e rt os o l i dr a t i o1 2 ，h a r v e s t i n gr a t i o4 4 8 5 ；a n db y p o t a s s i u mh y d r o x i d ew e r ec a ( o h ) 2d o s a g e7 ，r e a c t i o nt i m e8 h ，t e m p e r a t u r e 8 0 。c ，w a t e rt os o l i dr a t i o1 2 ，h a r v e s t i n gr a t i o3 8 2 9 t h er e s u l t so ff t - i r , g p ct e s t e dw e r et h ec o l l a g e nh y d r o l y z e dt oa m i n oa c i da n dc o l l a g e np e p t i d e s ， t h em o l e c u l e rw e i g h to fa c i do ra l k a l ih y d r o l y s a t ew a sa b o u t18 0 0 n er e s u l t so fc o l l a g e nc o m p o s i t ec o a t i n g s ：w i t ht h eh y d r o l y s a t eb yc o n t e n t o fn a o ha t9 0 i n10 ha sr a wm a t e r i a l s ，t h eh y d r o l y s a t ed o s a g e4 0 ，i n i t i a t o r s d o s a g e3 ，e m u l s i f i e r sd o s a g e2 ，p h5 ，t e o sd o s a g e3 ，t h ep r o p o r t i o no f a c r y l i cr e s i n ( a ) a n da c r y l i cr e s i n ( b ) w a s1 ：1 ，r e a c t i o nt i m e3 o h ，t h et e m p e r a t u r e 5 0 w e r et h eb e s tc o n d i t i o n s t h el a t e xw a sc l e a r , a n do t h e rp r o p e r t i e sw e r e a l s og o o d t h ea b s o r p t i o nb a n do ff t - i rs p e c t r u ma p p e a r sa t2 9 7 0 2 8 5 0 c m 1 ，17 3 2 c r n l ， l15 0 c m 1 ，i ti n d i c a t e dt h a ta c r y l i ce s t e r sw e r e s u c c e s s f u l l yg r a f t e do nt h e c o l l a g e n m a c r o m o l e c u l e s t h eg p ca n a l y s w a sr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e m o l e c u l e sw e i g h tw a sa b o u t13 4 0 0 0 ，t h em o d i f i e dc o a t i n g sw a sa d a p t i v et ou s e o nt h et o pf i n i s h i n g t h et e ma n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ep a r t i c l ed i a m e t e r w a sl e s st h a n10 0 n m , m o l e c u l ec h a i nw a sl o n g ，a n dt h er e a c t i o nw a sv i a b l et o m o d i f i e dl e a t h e rc o a t i n ga g e n t s k e y w o r d s ：c o l l a g e n ，h y d r o l y z i n g ，c o a t i n g ，a c r y l i cr e s i n ，l e a t h e r i v 符号说明 aa 丙烯酸醮( a ) b a 丙烯酸酯( b ) c 卜褥烯酸酯( c ) t e o s 一正硅酸乙酯 s d s 十二烷基硫酸钠 s p 觚8 0 一失水山梨醇单油酸酯 e e l l 8 卜聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯 g p 卜凝胶渗透色谱 f t - 珉傅立叶红外光谱 疆m 唷射电镜 m i 一毫升 矿一冤 h _ 一小时 m i n - 一分钟 r 秒 y 胶原蛋白水解及硅一丙改性蛋白涂饰剂的制备研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：至丝塑垄 日 期：2 q q 墨生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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 和借阅；本人授权陕西科技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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到( 中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者始拗隆师蟊垫耽皿生妞 胶原蛋皂水解及醚一霭改性蛋白涂饰裁的制各研究 1 绪论 近几年来，伴随我囡制革工业的飞速发展，原料皮资源日趋紧张，环境污染日益严 重，我国制革工业面临严重的资源利用和环境治理闯题，充分利用可褥生天然生物质资 源，回收处理制革固体废弃物l i l 。如何将制革废弃物加以处理后循环利用，研制绿色可 降解皮革化学品，已成为实现我国制革工业持续发展的重要课题之一。 胶原蛋白涂饰剂不但拥有蛋自类涂饰剂的所有性能，如：楣容性和卫生性能好、糕 合力强、能保持革的天然粒纹和手感，操作安全、无污染和使用方便等，而且由于原料 来自皮革本身，所以与皮革的相容性要好于一般蛋自类涂饰剂。除此之外，胶原蛋囱涂 饰剂所得的涂层光泽好，耐高温熨烫，耐有机溶剂，比较适合于打光涂饰。 本研究基于胶原蛋囱的性能特点，以皮革废边角料为原料，采用酸、碱法水解胶原 蛋自，经预处理艟，以硅酸酯类的水解缩合物和丙烯酸酯类单体为主要改性材料，反应 体系经乳化处理后，进行接枝共聚反应，制备硅丙改性胶原蛋白复合涂饰剂，提高蛋白 类涂饰荆成膜性髓，解决穗水性能差、不耐漫擦的缺点掰。在使制革边焦废料资源褥到 合理有效利用的同时，为胶原蛋白的高附加值加工利用提供试验依据，具有重要的理论 研究意义和实际应用价值。 l 。l 胶原蛋白概述 胶原是组成外细胞阃质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、血管及其他结缔组织。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1 3 1 。 迄今为止，已发现二十多种不同类型胶原，目前已证实的脊椎动物胶原达1 3 种， 彼此间从遗传学到分子结构均不相同，最常见的是l 型、挂型和m 型胶原，其中以l 型 胶原所占比例最大，它遍布于肌体的备部分，主要在皮肤、肌腱及韧带中，具有很强的 抗张强度h 。 l 。王。l 胶原蛋自的性质 a 收缩温度 在水溶液中弓l 起胶原湿热收缩交性的温度称为收缩温度。一般来讲，陆生动物的收 缩温度要高一些，在6 5 左右，如e c e o r g i o u 等人 s l 测定的牛腱胶原的热变特性为6 4 左右。而j h m u y o n g a 等人f 6 1 测定的鲈鱼皮胶原的热变性温度只有3 6 。这可能与胶 原中羟脯氨酸含量有关系，羟脯氨酸含量越高，收缩温度越高。收缩温度是指示胶原蛋 白热变性的临界温度，在提取皮胶原过程必须控制操作温度不高于收缩温度，以免引起 陕西科技大学硕士学位论文 胶原变性。 b 盐析与盐溶 作为蛋白质的一类，胶原也具有盐溶、盐析等一般性质，如在中性溶液中氯化钠浓 度小于1 0 m o l l 时有利于i 型胶原的溶解，而当氯化钠浓度大于1 0 m o l l 时则有利于l 型胶原的沉淀。依据不同类型胶原溶解度与氯佬钠浓度的关系，可以对不同类型的胶原 进行分离川。 e 酸碱承解 胶原是天然的极性强白质，如i 型胶原含有4 4 天冬氨酸( a s p ) 残基，7 2 谷氮 酸( g i u ) 残基，2 。8 赖氨酸( l y s ) 残基，所以酸、碱对胶原均有作用。低离子浓度酸 可以破坏分子间盐键和s c l l i f r 碱，而引起胶原纤维膨胀、溶解，因此，可以采用o 5 m o l l 的乙酸、柠檬酸或盐酸控制在p h 2 3 来提取胶原i s ! ，此条件不至引起胶原的全部水解；要 想得到完全游离的氨基酸，必须使胶原在1 0 5 、6 m o f lh c i 中彻底水解1 9 。碱容易造成 胶原肽键水解，含羟基、巯基的氨基酸全部被破坏。如果水解严重，则会产生d 、l 型 氨基酸消旋混合物，若d 型氨基酸的量嵩过。型氮基酸，则会抑制l 型氨基酸的吸收， 有些d 型氨基酸有毒，有的甚至有致癌、致畸和致突变的作用【i o l ，因此，要提取完整胶 原时应禁用。 d 酶解 对胶原作用的酶大致分为三类：动物胶原酶、作用于胶原非螺旋区的蛋白酶、细蘸 胶原酶。胶原酶是一种能在中性p h 环境下特异分解天然胶原的酶( i i 】。动物胶原酶的作 用位点在7 7 5 和7 7 6 位氨基酸之间，因为此处缺少亚氨基，三股螺旋结构较松散旧。旺 链被切成两段后就很容易被其它蛋白酶继续水解，因此，在提取用予生物医用材料的胶 原时不能使用胶原酶。作用于胶原非螺旋区段的蛋白酶包括胃蛋白酶( p e p s i n ) 、木瓜蛋 自酶( p a p a i n ) 、胰蛋自酶( t r y s i n ) 等，这些酶只俸耀于非蠓旋区肽链，对螺旋区一般没 有作用。免疫印记法测得胃蛋白酶在n 端3 4 处将i 型胶原切短n 习。这类酶保留了胶原 的三股螺旋区段，使胶原仍然具有生物活性，因此在胶原提取中应用较多。细菌胶原酶 可以从肽链的两端逐步把胶原水解至g i 弘x - y 的三肽。细菌胶原酶的活性可以不受金属 蛋白酶组织抑制剂的影响呻l 。 1 1 2 胶原蛋白的结构 胶原蛋白的类型多、结构复杂，一般可分为纤维胶原、基膜胶原、微纤维胶原、锚 定胶原、六边褥状胶原、非纤维胶原、跨膜胶原、基膜胶原及其他具有特殊作用的胶原 蛋白，多达1 5 种，可分为i 型、型、m 型等 z s - i ， 。 尽管各种胶骧蛋白的结构差异很大，但链们具有共同的特征：都是由三条程肽链以 右手螺旋方式形成蛋白质，这样的三股螺旋区域被称为胶原区域。每一个a 肽链在分子 2 胶原缀白水解及硅一丙改性蛋白涂饰剂的制备研究 结构上都是由重复出现的g l y - x y 肽段构成左手螺旋，三条链在氨基酸残基的相互作用 下，以同轴为中心，以右手螺旋方式形成稳定的三股螺旋结构【t 删。 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 万渊。每一条由三条肽链组成，两条a ( i ) 链，一条a ( 毯) 链，氆( 至) 链和8 ( 嚣) 链只是在氨基酸连接顺序上存在微小差异，两条伐链形成 的二聚体叫b 肽链，三条肽链叫丫- 肽链1 2 ，- 1 。 原胶原分子的3 条肽链以左手大螺的形式，形成细长的棒状结构，分子径为1 5 r i m ， 长3 0 0 n m 左右阿。 除了三螺旋结构以外，胶原蛋白还含有非三螺旋结构的结构域，这些非三螺旋的结 构域可成为细胞外基质构建的模块( b u i l d i n gb l o c k ) 湖。 1 1 3 胶原蛋白的应用 这些结构特征决定了胶原蛋自具有独特的纤维状结构及良好的生物相容性、可降解 性和低抗原性等生物活性，在食品、化妆品、医药、化工工业、农业等领域应用广泛跚町。 将其进行精细改性处理后，应用于美容化妆菇中，可有效地与皮肤细胞发生作用，产生 显著的美容护肤功效；其低免疫抗原性和生物相容性等性能，使其可用于制作各种生物 医学材料；还可用作胶原类功能性食晶、保健晶等的添加剂，或作为食品的涂层包装材 料等；利用蛋自质的填充性、遮盖性、成膜性等性能，经过改性处理还可用作皮革复鞣 填充剂、涂饰剂、造纸助剂等化工材料。 1 2 胶原蛋白的水解方法 重。2 。1 胶原蛋自水解的意义 我国还是一个制革工业大国，固体废弃物的治理是一项重大课题。制革过程的废边 角料，除部分用作明胶和再生革的原料外，大部分未得到利用，日晒雨淋，严重地污染 环境。敌开源节流、变废为宝，开发新型的动物性蛋白资源，具有重要的社会意义。 近年来，一方面由于人们对废弃物污染问题的重视，另一方面由于胶原作为一种天 然高分子化合物，具有无可比拟的特性，从制革固体废弃物中回收利用胶原一直是制革 界人士关注的热点。用胶原水解产物经过改性可用做制作皮革涂饰剂，提高成革的物理 机械性麓，增强成革的真皮感。该课题利用皮革固体废弃物进行高附加值加工，达到资 源最大化利用，减少污染目的，具有重要的经济社会意义。 l 。2 。2 胶原蛋自的水解方法 从制革固体废弃物中提取胶原在国外已经有很长的历史，而国内同类研究起步比较 晚，但在最近2 0 年来，相关的报道大量出现 3 9 。根据水解胶原蛋白采用的手段不同，大 致可分为以下几类： 3 陕西科技大学硕士学位论文 a 酸法水解 使用盐酸、硫酸等强酸作用皮块，水解作用强烈，迅速而彻底，相对分子质量分布 广，而且胶原提取率高于碱法与酶法。根据酸浓度、水解温度、水解时间等条件的不同， 可以得到平均分子量不等的胶原水解物，甚至彻底水解得混合氨基酸，但是在水解过程 中色氨酸全部被破坏，丝氨酸和酪氨酸部分破坏，氨基酸得率较低，设备腐蚀严重，并 产生二次污染。而且当水解含铬的废皮屑，使用酸法c r 2 0 3 不易脱除完全，并对胶原的 损伤严重，难以获得高震量的产品，所以一般不采用。 传统的酸水解方法测定羟脯氨酸含量是在1 1 0 下使用6 m o l l 以h c l 水解2 4 h ，水解 可以在氮气保护下在开放的圆流系统中进行，水解也可以在抽真空的密闭试管中进行， 水解也可以在充氮的具有螺帽试管中进行。随着水解时间的不同，其胶原水解片段( 肽 链) 的长度不同其羟脯氨酸的测定值有变化嗍。同时h c i 浓度和水解温度对羟脯氨酸测 定值也具有很大的影响。 路亮，张学俊【4 l j 对温州地区制革下脚料酸法水解提取混合氨基酸工艺进行了探索， 用浓度为8 m o 娩的h c i ( 原料重：酸用量一l ：1 2 w v ) ，在1 0 5 1 1 0 4 c 下水解l l h ，经脱 酸、脱色、中和、浓缩、结晶得到氨基酸总量3 5 5 4 、人体必需氨基酸1 1 5 8 的混合 氨基酸。 b 碱法水解 碱法处理泼皮屑会使胶原的三股螺旋结构遭到破坏，最终产物般是明胶。胶原上 的天门冬氨酸和谷氨酸在碱的作用下发生了脱氨反应，从而导致了整体酸度增高，因此 产物的等电点偏酸性，约在4 8 5 3 。由于碱对胶原的作用点没有选择性，胶原分子链的 断裂是随机的，所以产物的分子量呈连续分布阍。有报道称，目前国内8 0 以上明胶都 采用碱法生产，世界各国也普遍采用碱法生产明胶。 焉石灰处理铬革屑提取胶原鬣自是研究最早、也最有实际应用价值的一种方法瞪l 。 蒋挺大等人用c a o 、m g o 、n a o h 等处理，认为c a o 更好，成本低。 s 。t a h i t i 和m a z z i 铁皮革废物中提取胶原蛋自，他们采用成本低、毒性少的 2 0 c a ( o h ) 2 ，1 0 倍水，加热1 5 m i n ，其得率可达6 0 1 4 习。 碱法制明胶的突出的缺点是周期长、污染严重、石灰耗量惊人，为湿原料皮质量的 1 5 1 8 ，浸灰废液中含有砷、铅等有害元素，对水资源、土壤及空气都造成了严重污 染，且耗水量大，生产n 明胶至少需要7 0 0 t 水，生产1 t 高级明胶则需要1 0 0 0 t 左右的 水。与酸法一样，碱法处理得到的水解胶原分子量也呈连续分布，这使永解胶原蛋自的 高附加值转化受到了限制l 删。 美陲m m t a y l o r 等湖曾经用碱和碱性蛋自酶联合处理铬鞣牛革屑，取褥了较好的 效果。 4 胶原蛋白水解及硅一丙改性蛋白涂饰剂的制备研究 a g o u s t e r o v a 等人f 4 8 1 以绵羊皮和羊毛为原料，分别用酶和碱法水解，研究了一种快 速低廉的水解废弃角蛋白的方法。他们提出，酶法适合水解小分子量的多肽和氨基酸， 而碱法有利于水解大分子的多肽。 c 酶法 不同的酶在不圊的条件下对胶原蛋自的作用方式和结果都不同。对于天然胶原来 说，纯的胶原酶会定点作用在分子链的某个肽键处，故酶解产物的分子量分布是不连续 的，这有利予开发嵩附加值的产品。酶解产物的等电点相对完整，胶原分子的等电点不 会发生变化，一般在7 8 。但是在实际操作过程中很难保证胶原酶的纯度，此弊端大大 限制了该方法的应用。 蛋自酶水解胶原作用条件温和、所需设备简单，但反应速率很快，同时还可以大大 减少环境污染。提取的水解胶原蛋白纯度高、水溶性好、理化性质稳定。另外，蛋白酶 对胶原的作用一般其有选择性，产晶分子量不是连续分布，因此选择适当酶及工艺条件， 理论上可以得到预期分子量的水解胶原。 l a n g m a i e r 等湖入用m g o 预处理革属，然后用碱性蛋皇酶提取胶原的水解产物。 c a b e z a l et 等 s 0 1 人改用两步酶法( 先用胃蛋白酶提取，褥用碱性蛋白酶提取) 提 取两种不同的胶原水解产物。 m m t a y l a r 等 s q 较高的水解产物，其a c e 抑制活性也较高，对制革过程中产生的 禽铬的胶原蛋白废弃物用多种酶处理水解得到胶原多肽，大大提高了制革厂的利润。 施辉阳等人阁在4 c 的低温条件下，用胃蛋白酶作用于生猪皮，酶与底物质量比是 1 ：5 0 。所得胶原的产率( 以干重计) 是1 6 ，纯度达。9 6 3 ，而且最大程度地保持了其 天然结构。 四川大学的胡胜【5 3 】采用一步法、不抑活两步法、抑活两步法3 种不同的工艺，对提 取猪皮胶原的生物酶法进行了研究，发现猪皮的酶水解产物分子量呈不连续分布，集中 在某些分予量处，与碱法工艺明胶分子量的分布明显不同，而且酶处理条件不同，水解 得率与产物分子量的分布也不同。 北京大学赵胜年 5 4 1 用国产胰酶水解新鲜猪皮，提取水解胶原蛋自，总蛋自质提取率 8 0 ，工艺条件：反应温度5 0 - - 5 2 ，起始p h = 9 ，反应时间2 , - - 3 h ，原料：水= l ：2 ，酶用 量约为5 蝴：l l ：l 。 d 微波辐射水解法 剩用微波辐射能量对蛋自进行水解是近尼年发展起来的一种快速水解的方法。这秘 方法需要一套特殊的耐压装置。他的作用原理是通过分子极化传递能量而不是分子相互 碰撞，极化效率的大小取决予分子的极性。微波水解中，使用盐酸可以在液态或是气态 两种方式下进行，而甲磺酸不挥发只能以液态的方式进行。连续不断的增加能量将水解 5 陕西科技大学硕士学位论文 时间缩短到几十分钟，极大的提高了水解效率5 习。 j o e r g e n s e n 等人f 蚓应用微波辐射方法对含有碳水化合物、脂肪、核酸和矿物质的蛋 自在盐酸介质中1 5 0 水解l o - - 3 0 m i n ，所得到结果与传统方法一致。水解过程中加入苯 酚和巯基乙酸等保护剂，可以提高一些氨基酸的回收率。苯酚对使用过甲酸水解的样品 中老氨酸、苯褥氨酸和组氨酸具有保护作用。巯基乙酸可以对蛋氨酸和部分色氨酸起捌 稳定作用。w e i s s 等【川比较了盐酸和甲酸为水解剂，分别在传统方式和微波消解方式下进 行水解，发现在微波消解中除了苏氨酸和丝氨酸的圆收率较低井，其他氨基酸的两种方 法的回收率相差不大。 1 3 胶原蛋白的改性 1 3 1 胶原蛋白的基团改性 由于胶原基材料易降解，力学性能不高等缺点。为了改善胶原生物材料的生物相容 性、低抗原性、生物稳定性、促生长因子、合理的机械特性和易于操作等方面的性能， 往往要通过交联剂在胶原材料上嫁接一些生物活性物质( 逶常为聚糖类物质) 来形成复 合材料。目前胶原的改性方法主要有物理交联、化学交联及通过与其它高分子材料共混 改性泌黪l 。 胶原蛋白的基团改性主要有以下几种：羧基的改性、氨基的改性、巯基的改性、羟 基的改性、硫醚基的改性、昧唑环的改性、胍基的改性、亚氨基的改性等嗍。 a 羧基的改性 羧基改性产物一般是酯类和酰胺类。在某些情况下，它可与赖氨酸的氨基通过酰 胺键相连刚。 日本的铃木启仁删用碳化二娅胺对羧基进行改性，并研究了化学改性对明胶分子物 理抑制性的影响，结果表明物理抑制性随着酰胺化孳| 起羧基封闭率豹升高丽升高，随着 酰化等羧基残基数的增加而降低。 美国的w e a t h e r i l l t + 3 j 改性的明胶在保持原有感光性的同时吸永性降低，旦不需要额外 的生产步骤就可以改善明胶的抗静电性和疏水性。 k r a s o v s l d i ，a 。n 【甜l 认为：明胶中的活性基团( 羧基、氨基、胍基等 与乙烯基缩水 甘油基乙二醇醚或者表氯醇的反应活性取决子明胶中水的含量，且当水含量低于 3 5 4 0 时，反应活性急剧的下降，改性方法可以分为两种： ( 1 ) 在含肖1 0 的乙烯基缩水甘油萋乙二醇醚的骧胶水溶液中对明胶改性； ( 2 ) 在2 5 下，将4 的明胶水溶液配制成低粘度的惰胶薄膜( 厚度1 1 5 岬) ， 然后在氨水蒸汽和表氯醇的水溶液中进行处理。 表氯醇的化学结构简式： 6 胶原蛋白水解及硅一丙改性蛋白涂饰剂的制备研究 c 洲托弋 乙烯基缩水甘油基乙二醇醚的化学结构简式： ch2 - - - ch c2 h2 0 一ch2 一o - - ch2 一ch2 0h 此外，鉴于胶原蛋叁的特别用处，胶原蛋鲁的化学交联也是一种重要的纯学修饰反 应，使其中游离的羧基与无机盐如铬盐、铁盐、锆盐、钛盐、铝盐等发生交联。 b 氨基的改性 胶原蛋白中的氨基可用来修饰的氨基酸残基有4 种。其中非质子化的赖氨酸的- 氨 基是骧胶分子中亲核反应活性很高的基团。很多化合物都可以修饰赖氨酸的残基，三硝 基苯磺酸( n 国s ) 就是其中非常有效的一种，化学方程式如下： g o i n h 2 + h 0 30 2 型翌g e 卜 - i - h s 0 3 。+ h + 0 2 n0 2 n 化学交联试剂中有一种在交联后可以形成稳定的化学交联桥，在一般的情况下不会 颧裂，这样的试剂有甲醛、戊二醛等。日本的铃木启仁通过苯氨基甲醛化、邻羧基苯酰 化、邻对三羧基苯酰化的方法对氨基进行改性。结果表明：随着苯氨基甲酰化引起的氨 基的封闭率的上升，物理抑制性略微提高。 o f e r ，t l o e d a n o 利用各种脂肪酸( c 1 毒- - c 1 6 ) 的k 羟基琥珀亚胺酯与赖氨酸残基上 的氨基发生共价交联，在明胶分子上引入疏水基团，形成表面活性增大的改性明胶i s 蚓。 c 硫醚基的改性 明胶大分子中的蛋氨酸是明胶分子的天然组分中主要的还原性来源。通过对蛋氨酸 进行氧化改性，并研究蛋氨酸及其氧化产物中砜与亚砜的含量，来确定改性的深度即8 】。 化学反应式如下： o ，。 g e l d s c h 3 + h 2 0 2 盥坚3g e l 一一c h 3 - t - h 2 0 g e 旧一c h 3 + 2 h 星。h 骂g e 卜辜一c h 3 - i - 2 h 苎o 一。h 0 h d 咪唑基的改性 日本的h o s o y a ，y o i c h i 对组氨酸残基末端的咪唑基进行改性，并将改性后的明胶用 于乳剂的制备嗍。含有组氨酸的明胶分子的结构简式表示如下： 7 陕西科技大学硕士学位论文 g c _ 2 净一 n 心, n h 咪唑环上亚氨基上的氢原子具有很高的反应活性，可以与改性剂发生反应，从而实 现对咪唑环的改性。 1 3 2 胶原蛋白的改性研究现状 胶原蛋自凌于与生物组织有良好的相容性、无抗原作用，且具有活诧巨噬细胞和止 血的作用，常被用来制造伤口包扎材料、止血材料和人工皮肤等。由于其质脆，用交联 的方法对明胶膜改性以提高其机械性能 7 0 l 。常用的生物高分子材料有壳聚糖雕、海藻酸 嘲、甲壳素f 7 3 】、羧甲基壳聚糖【7 4 】等。 m a s k a s k y 用改性明胶肽链制备出离氯( 1 0 0 ) 扇平颗粒乳剂用作感光材料 7 5 1 。 在另一篇专利报道中，m a s k a s k y 用一种蛋氨酸含量低于3 0 舛n o l g 的明胶肽链作为 分散介质制备氯化物的扁平颗粒乳剂用作感光材料1 7 0 1 。 圈本专利报导了明胶与十二烷基酚氯在醇溶液中制成肽胄桂酸钠盐，在硬水中有很 好的溶解性和起泡性的表面活性剂【功。不溶于水的n - 酰化明胶可以用来包裹化妆品中的 颜料，簏够有效的阻止颜料与皮肤的接触，又起傈湿功能渊。人们羯琥珀酸酐酰化骥胶 制成了琥珀酰明胶在生理医学上用作血浆代用品1 7 9 - s 2 1 。 r o c h e 。s 等【1 3 l 研究了用二苯基磷酸盐对胶原进行交联改性：将0 8 9 胶原浸泡在蒸馏 水中，再浸泡在含有2 5 f i d p p a 的二甲基甲酰胺溶液中，室温静置2 4 h 后加压消毒。此 法交联的胶原做成的组织工程中所用的支架具有很好的生物相容性、机械稳定性和抗降 解能力。 t h o m a sj k o o b 等 8 4 1 利用n d g a 交联胶原取得了成功，并且和戊二醛或碳化二亚胺 交联的胶原进行了比较。他们发现用n d g a 交联的胶原比溺戊二醛交联的胶原的张力和 弹性系数都有明显的提高。 o l d e d a m i n k 等 8 5 1 和n a i m a r kw a 等湖报道：薹，岳己二异氰酸酯( 珏d 至 能对胶原进 行有效的交联，且h d i 能被有效的萃取，不形成能缓慢释放的聚合体化合物。因此，在 胶原中没有残余的h d i 。与用戊二醛处理的材料相比h i ) i 交联的材料为细胞的向内生 长提供了一个更好的环境，并且可降低锊化的程度。 r a y m o n dz e e m a n 等人t s t - u 】1 1 i j f 究了不同p h 值下的b d d g e 交联的羊皮胶原，并且讨 论了不犀因素( 浓度、p h 值、温度等) 对交联反应的影响。 a s i o n k o w s k ac h 【剜等人对胶原蛋白与壳聚糖兆混的分子间作用进行了研究，通过广 费x 射线衍射，粘度测定，傅立时变换红外光谱( f 孓双) 对共混体系进行了表征，发 现胶原蛋白和壳聚糖之间产生氢键改变了胶原蛋白的三股螺旋结构，促使两者在分子水 8 胶原蛋白水解及硅一丙改性蛋白涂饰剂的制备研究 平上互溶，并预言了其将在生物医学领域的广泛应用。 张美云等人【叫通过碱法一酶法从废皮屑中提