毛角蛋白溶解及其浓溶液制备的研究

1、 TSl 02，3+11分类号!鱼塑!：! 单位代码10709互程斜丝学院蔼吻盈复顽t亏侄论吏 论文题目：羊毛角蛋白溶解及其浓溶液制备的研究 纺织工程学科专业： 学号：竺里里兰!研究生姓名L鋈塑 刘让同(教授)指导教师：答辩委员会主任委员：型垄堡!墼堡! 2005!031 9敛答蛰辩盘日口甘期日： 捅矍 近年来，羊毛角蛋白再生纤维化的研究成为纤维界研究的热点。从经济效益上来讲，将大量价格低廉的粗毛及废弃毛及其他动物的废弃角蛋白原料溶解后再生纺丝成新型蛋白丝，可以大大提高其价值：从科学技术上来讲，研制出再生角蛋白纤维，就是解决了纤维界的世界性难题，必然产生一些新兴技术，而且为研究者在对羊毛及其角

2、蛋白的研究与应用方面提供科学资料。 通过总结前人的经验和研究人员的摸索，确立了用还原剂变性荆表面活 剂混合溶剂体系溶解羊毛的方案，其中还原剂为Na。S，变性剂为尿素，表面活性剂为SDS。对Na2s用量、温度、时间、SDS用量、尿素用量及浴比等对溶解效果(溶解率、浓度及粘度)的单因素影响进行了分析，确定出各因素的大致范围，然后通过五因素五水平二次通用旋转组合设计(12实施)进行优化实验，通过SPSS回归分析得出溶解率、浓度、粘度的有效回归方程，通过对方程最优化求解并实验验证得到本方案的最优实验参数配置为：Na2S用量19、温度35、时间20hrs、SDS用量O8 和浴比22，尿素的用量定为7mo

3、lL。得到的溶解效果为：溶解率836，浓度4289dl，特性粘数435dlg。 通过电镜和红外光谱分析了本方案溶解羊毛的溶解机理，表现为溶剂先溶胀并溶解羊毛部分鳞片，由于羊毛弱节及鳞片轴向应力不匀，羊毛鳞片破裂和脱落，溶剂快速渗入皮质层，并较容易地进入结构较松散的非晶区，同时较艰难地溶胀结晶区。一段时间后，非晶区先溶解完全而导致羊毛纤维多处断裂，再过一段较长时间，结晶区也溶解了，最后剩下很难溶解的厚鳞片残余物。 对溶解得到的浓度为4289dl的角蛋白溶液进行了浓缩，主要是对直接吸收法和反透析法进行对比实验，得出直接法要优于反透析法，但直接法的浓缩也不能彻底，因为继续吸水导致角蛋白大量析出。采用

4、蒸发法继续进行浓缩实验，得出带搅拌的空气流动蒸发法效果最好，2小时后浓溶液达到最佳粘流状态，浓度为 1089 dl，粘度为158PaS，并用简易喷丝装置进行了纺丝实验，可获得性能较好 的丝条。 文章还对角蛋白溶液的特性进行了分析，通过姒DLITOFMs对溶液中角蛋白的分子量进行了测定，测得其分子量主要分布在35KDa70KDa之间，说明羊毛角蛋 白有一定程度地降解，但是仍符合纺丝要求：研究了角蛋白溶液的浓度与粘度之间 的关系，发现浓度超过一定值后，粘度开始大幅增加，这可说明角蛋白浓度并不高 (接近10)的情况下溶液粘度就很高了，浓度大到一定程度后，浓溶液就会成为冻胶 而失去粘流性。对角蛋白溶液

5、的流变性的研究表明，角蛋白高分子溶液是典型 的非牛顿流体，角蛋白分子量及其分布对溶液流变性影响很大。 研究表明：(1)本溶解方案采用价低量少的普通的还原剂变性剂表面活性剂(Na：S尿素SDS)三元体系实现了低成本溶解羊毛的目的，而且达到了很好的溶解效 果，羊毛溶解率高(80以上)，获得的角蛋白分子量也较高(平均分子量46KDa)， 符合纺丝要求：(2)确立的浓缩方案也很实用，操作方便，成本低，能制备出粘流性很好的纺丝液，达到了低成本浓缩的目的，但稳定性还需进一步提高。(3)羊毛 角蛋白是可以纯纺再生的。 结果证明我们的研究确实能大大降低成本，为工业化生产再生角蛋白纤维的研 究提供了一个新的平台

6、。 关键词：羊毛角蛋白再生纤维 角蛋白溶液流变性Il ABSTRACT In recent yearsit has being become hotter and hotter in the field oftextile tllat makes regenerated protein fiber from wool keratinsIn terms of economy,it will increase the worthiness of aamount of COarSewool，greatlvlargeand other keratins resource of animalsdisus

7、ed WOOlthem andby dissolvingregenerating them intoa new kind offiberAs for science and proteintechnology,it shallthecosmopolitan problemof textile if it comes developedand theresolvetrueSome new technologies relevant to it are to berelevant scientific data and information on the research and ofappli

8、cationWOOl and its keratins willbe providedof others andBy summarizing the experiencesexploring by myself,theDroject of dissolving wool keratins with the mixed solvent whichsystemcontains reducer,denature and surfactants which respectively are Na2S，Ureaand SDSThe individual efrectof Na2S，temperature

9、，time，SDS。Ureaandthe ratio of solution to wool on theresults(dissolutionratio，concentrationof the effectors are determinedviscosity)iS analyzedThe rangesandwethethe ValidexperimentsWeapproximatelyThenoptimizedgotregression equations of dissolution ratio，concentration and viscosity bythemethodthenreg

10、ression analysis using SPSS softwareAndout thefiguredand used the results to do the checktheexperimentsUltimatelyequatorsresults of the effectors are35，timeoptimizedNa2S 19，temperatHre20hrs，SDS 08，ratio 22，and Urea 7molLTheresults are dissolution ratio836concen仃ation 4289dl and viscosity 435dlg。the

11、mechanism of theproject dissolving WOOlAnalyzedkeratins byusingSEM and FTIR as follows： The solutions swell woolthen dissolve theofsquama 1ayersandpartsthemBecause of the we如links of wool fiber and the uneven stressalongfiber,WOOl squamasbreak and come Ofr from the fiberThenthe axis of thethe soluti

12、ons penetrate into the cortex and come lightly into the uncrystallinearea of it while swelling the crystalline area roughlyAfter a while，the fiberbecause of accomplishment of dissolving the uncrystallinebreaks into piecescrystalline areadissolvedFinally the residual is alsoofafter,theareaLongthick s

13、quama layers lefttheTDokdirectmethod and the antidialysis solution，of methodadsorption asto condense the wool keratins which the comparative concentration of keratins iS 4289d1W色foundthatformer excelled to thelatterBut the directadsorption methodcannot meet theend of condensationamount of keratins w

14、ouldbecausedeposit out of the solution if thea largeIII water has been being adsorbed by SAP(super absorbant polymer)WentonmethodIt carl be Goneluded the solution with nle evaporationcondensingt11at the evaporation method with magnetic force stir iS the best one by whichstatus aRer 2 hoursAscondensa

15、tiongets to the optimaltheresulLaiSconcentration of the solution iS 158 PaSIn the 1069d1the viscosityexperimentwe tested spinning wim a simple spinapparatus usingend ofthethe condensed solutionThe performance，can be obtained In the end of the paper，thehavefilatures，which regeneratedgoodcharacteristi

16、cs of the keratins solution are of the keratinsfrom 35KDa to molecularanalyzedTheweightsrangeMALDITOF-MSIt indicates that W001 70KDawhich determinedbyextendbut them are still suitable for spinningkeratinsdecompose to someTheandare studiedIt indicates relations between concentrationviscositythat visc

17、osity rise up rapidly along with the rise ofconcentration，whichmusta resultof this，viscosity Can be up to much higha critical valueAssurpassever if concentration isnt1 O1If concentration SUrpasses thehigh(near towithout fluidityThecertaindense solution will become a colloidvaluetheof the keratins so

18、lution indicates thatinvestigation of rheological behaviorfluidThe molecularthe WOOl keratins solution iSNon-Newtonialla typicaland their distribution affect on thebehavior of their weightsrheological solution greatly The conclusion oftIle research Can be drawn as follows：thatapply the tri-systemsol

19、vent(1)111e projecton dissolutionconsistingof Na2S，Urea and SDS，which arecommon and used little，to dissolve WOOlkeratins carl meet the end with lOW costThe rate of dissolutioniS high(morethan 801Themolecular weights are also high(Mean value 46KDa)，whichfit forspinningproject oncondensation，which is

20、very practicable，can (2)The establisheddeal with and has a lowcost，Canbe used toforbeprepareropyeasilyfor spinningBut the stability of thekeratins solution which suitableshould be improved further solutionfiberwith hi【gh purity(3)The woolofkeratins keratins carl beregenerated to proteingreatly and p

21、rovide111elower the costresult indicates that our project cana new platfoI-in for industrially produce the regenerated keratin fiberWang Tao(Textile Engineerin曲Directed byLiu Rangtongrofessor)WOOl keratinfiberkeratin solutionKeywords：regeneratedbehaviortheological I绪论1坌蓍：诊10历史背景 羊毛纤维作为四大天然纤维之一，长期以来，

22、以其独特的性能，在纤维产业中占 有很重要的地位。但是，近年来由于人们追求毛纺产品的精品化、高档化、轻薄化， 羊绒毛资源紧缺，而大量的粗级应过剩。这使得世界羊毛产量中，细羊毛产量逐 年增加，而粗羊毛则被迫减产或者用于低附加值产业或者废弃。据统计【啦l，全世界羊 毛用量从1990年的334万吨逐年减少到2003年的124万吨，可见羊毛产业的困境， 尤其是羊毛品质差的国家和地区。以我国为例，我国是世界上第二大羊毛生产国，平 均年产羊毛量在25万吨左右，折合洗净毛124万吨，约占世界羊毛总产量的8，其 中细羊毛占484，半细毛占173，粗毛占到了343。然而我国却是第一大羊毛进口国，每年以昂贵的价格从

23、澳大利亚、新西兰等国进口大量的羊毛，尤其是20um以下 的细羊毛。据估计，今后几年，我国每年细羊毛市场需求大约在40万吨，国产羊毛仅 能满足市场需求的l3，也就是说我国每年要进口25万吨左右的细羊毛。如果把这些 粗毛按折算成同等重量的细羊毛，则可大大弥补国内市场的需求。 不仅仅因为废弃羊毛增多的原因，羊毛纤维固有的一些特征性质也阻碍了它的广泛利用，使之不能满足人们日新月异的要求。例如，羊毛纤维上有鳞片而有穿着刺痒感，使得羊毛不适用于做；羊毛的缩绒性使得毛织品有缩水性，水洗易缩水变形：羊毛有很好的保暖性，但随着全球气候变暖和其他保暖型细旦纤维的出现，羊毛的这种特性已没有优势可言。传统羊毛的市场正

24、被新型化纤日益蚕食。因而，羊毛纤维研究人员研究出各种技术方法来改变和改善羊毛纤维的表面结构或者深层次结构来获得符合时代要求的“新”纤维。例如，为了解决羊毛的穿着刺痒感，研究出了剥鳞片技 术；为了解决羊毛缩绒的问题，更是做了大量的研究】，从早期的氯化法到树脂整理 法再到近几年的电离辐射法、低温等离子体法网、臭氧法r日等一些新的防缩方法；为了获得细羊毛，通过传统的杂交方法或者转基因技术对羊种进行改良f8l，以及通过物理化学手段把羊毛减量卿、拉细【1叫“，等等。这些方法在一方面有它们的进步性，但在另一 些方面又有它们的局限性。归结起来，或多或少有五个方面的局限：一是污染环境， 二是损伤纤维。三是成本

25、较高，四是效果不显著。五是不能充分利用毛纤维资源。 而且， 自从第一种再生纤维粘胶出现后， 对羊毛等天然蛋白质纤维进行再生也就成了理所当然的想法。早在1950年就有人进行了这方面的研究，他们用铜铵溶液、碳 酰二胺、苛性碱溶解羊毛抬进行了纺丝实验，但是没有成功。然后的几十年，一直没有这方面的研究报道出现，这似乎说明结论就是羊毛不可再生。再到后来，随着高分子理论和科学技术的发展，多种人造蛋白纤维的出现以及人们对羊毛产品的要求的提 商，使得研究人员又开始重新认识羊毛再生这个问题。到了上世纪90年代，对羊毛的 1绪论改性出现了一系列重要技术，特别是羊毛拉伸细化技术，从分子层面对羊毛进行了改 性【12j

26、，但这也是有限的。那么，要从更深层次上改变羊毛，获得更细更好的“羊毛”， 只能是使其溶解再生。 而对于中国，这具有更为重要的意义。针对我国羊毛的品质特点，如何改善和提高国毛的品质，拉动我国羊毛的市场需求，一直是摆在我国羊毛纤维研究人员面前的课题。那么，把那些粗毛、废毛及下脚料等10万吨以上的劣质废原料溶解后再生纺丝， 制成品质优良的细“羊毛”，则是解决这个问题的最好方式。所以，我们不得不提到另 一种更激进、更有潜力、也更困难的方法，那就是“溶解再生法”。其实这也不是新近 才提出的方法，只是这几年它又成为了纤维界研究的热点。 11羊毛溶解及其应用的研究进展与现状 羊毛纤维作为一种蛋白质非常丰富的

27、资源，不同研究方向的研究者则会从不同的角度来理解、研究和利用羊毛【l1。在生物医药领域，研究者可能看中的是它的氨基酸单元将羊毛溶解成各组成氨基酸单元，从中提取有用的氨基酸；在食品领域，研究者可能更倾向于获得多肽，用于制造多肽功能性食品；在农业领域，研究者也是将它溶解成氨基酸单元来制造氨基酸复合肥料：在化妆品领域，研究者则希望得到水解角蛋白，用于制造面膜、洗面奶；在医用材料领域，研究者则希望得到蛋白质膜及纤维，用于制造绷带和缝合线等可生物降解医用材料。由于应用目的不同，则羊毛溶解 的方法、降解程度以及困难程度会有很大的差异。 五十年前，人们就用铜铵溶液、碳酰二铵、苛性碱把羊毛溶解了，这说明溶解羊

28、毛并不是什么难事，关键是溶解后的产物是否能满足要求。当时，他们的目的就是为了做出再生蛋白纤维，然而此法得到的溶液的角蛋白分子量很低且浓度也很低，完全达不到纺丝液的要求。接下来，他们混入其他一些高分子物质来进行复合纺丝，最后还是因达不到应用要求而以失败告终。后来，有人就改变了应用方向，用废羊毛提取 氨基酸【l。这对溶解的要求就很低了，免除了前者对分子量和浓度等的要求，t大大降低了溶解难度，因为羊毛是氨基酸残基通过酰胺键连接而成的天然高分子物质，强酸强碱都可以很容易使羊毛完全水解为其组成单元氨基酸。人们用盐酸法工艺溶解羊毛， 再用其他一些分离提纯方法从中提取几种主要的氨基酸，如胱氨酸、精氨酸、亮氨

29、酸、 谷氨酸等，只是提取高纯度的氨基酸对分离和提纯有很高的要求，而且产生的废液中仍然还有很多的氨基酸没有被利用。而氨基酸可以直接被植物作为养分吸收，因此羊 毛完全水解后又可以用来做氨基酸肥料，这对溶解的要求就更低了，连分离纯化都没 有多大要求了，于是有人也对用各种废毛制造复合氨基酸肥料及其对植物生长的影响 进行了研究，但是研究的很少。笔者认为还是附加值太低，没有太大的应用价值。近 来，人们又开始把对羊毛溶解的研究转向高附加值领域，如化妆品、医药、再生蛋白 I绪论纤维等方面。上世纪90年始，由于对羊毛纤维改性研究热潮的出现，使研究者们又重新开始羊毛角蛋白再生纤维的研究。国外，澳大利亚、美国等国正

30、在进行这项研究。特别是日本，在这方面的研究上已经取得了大量的成果。1995年他们研究了从羊毛中提取角蛋白，1996年他们又研究了角蛋白溶液的膜化技术，1997年确立了角蛋白再生纤维化的研究课题，2000年他们对角蛋白复合纺丝的研究进行了报道【19】。但是，直到现在，他们也没有突破性的进展，也没了这方面的报道，至少目前为止他们还没有向世界宣 布他们研制出了可工业化生产的角蛋白再生纤维。 我国纤维研究者也不甘为人后，于90年代末，投入到了这场研究热潮当中。几年 来，他们也取得了很多很重要的基础性成果。绍兴文理学院的奚伯君采用氧化碱溶法 制得分子量在30(K),-4000Da的多肽溶液，再进行复合纺

31、丝制成再生纤维并对纤维进行了性能测试与分析20-221。确切地说，那已不是蛋白纤维，离真正意义上的再生蛋白 纤维相去甚远。天津工业大学的姚金波则采用还原c法田矧制得了平均分子量大了一 个数量级在3a70KDa的角蛋白溶液，但是还只是对溶解方案进行了对比优化， 也没有更深入的进展。而中国华源集团似乎走在了前面，2002年他们公布说成功研制 出了角蛋白再生纤维，其性能指标可以达到羊绒标准，并用该纤维织成了针织衫。他 们说该项目在工艺上还需作进一步优化，以降低成本，便于工程化和产业化瞄】。但是， 至今，两年过去了，仍未见他们有实质性的进展及相关报道。 我们研究组在90年代中期就开始了这个课题的设想和

32、筹划，在99年正式提出了这个课题，并于2000年开始实施。在前几年的工作中主要研究了用巯基乙醇作为主要溶剂溶解羊毛角蛋白的方法，得到了平均分子量42KDa的角蛋白大分子溶液，并对该 溶液的特性及成纤性进行了研究，取得了阶段性成果26,271。 从研究进展来看，研究者们用不同的方法，有的可以获得较高的分子量，但浓度不高； 有的可以获得较高的浓度， 但分子量很低。天津工业大学的研究者用还原C法制得了分子量在30KDa以上的角蛋白大分子溶液，但是他们表示溶液粘度不高，除非进一步浓缩溶液， 这实质上是溶液浓度不高的缘故。日本的板津称获得的角蛋白溶液浓度达到15 ， 但是其溶液粘度仅3 泊， 达不到纺丝

33、要求。文章上报道其角蛋白是在高温下还原溶解而得，显然使角蛋白分子严重降解，因而粘度不高，不适于作纺丝液【181。 日本的柴山干生用氧化法制得分子量仅为3500Da的角蛋白粉末，再用乙醇，水混比为 25广75的溴化锂，乙醇冰三元混合溶剂加热溶解制得混合溶液，再与PVA混合制得浓溶 液，只有在PVA比例很高的情况下(75呦才能得到弹性好的丝条，未能制得纯的角蛋白再生纤维。中国华源集团是否制得纯的角蛋白再生纤维以及是否能推向工业化至今也令人疑虑。 1绪论从研究现状来看，目前这段时期处于一个低谷，国内外一时间没了这方面的研究报道，也没有谁宣称开始工业化生产角蛋白再生纤维。这说明从羊毛溶解到能纺丝还 有

34、很多问题没有解决。但是，结合研究进展来看，这项研究已经进入了一段很关键的 时期，国内外的研究者1门正在解决这其中的关键性问题。一旦有所突破，就可能推向 工业化生产。 12羊毛溶解与应用中存在的问题 从研究情况来看，目前仍存在以下中的某些问题：a溶解率和产率不高就目前来看，不管是哪种方法，以得到具有较高分子量的符合纯纺要求的蛋白原液为原则，则羊毛不能达到完全溶解，高分子量蛋白的产率也很低。徐博用巯基乙醇脲SDS溶剂体系优化得到的溶解率不超过6096，姚金波用亚硫酸氢钠脲SDS溶剂体系优化得到的溶解率不超过80。日本的柴山干生等人把羊毛先 制成角蛋白粉末再用重金属卤盐将其溶解，但未见有关溶解率和产

35、率的报道。 b难以制备合适粘度的浓溶液将羊毛溶解成具有较高分子量和一定粘度的稀溶液已经不再是问题，但是要得到满足纯纺要求的高粘度的浓溶液仍有困难，主要是溶液浓缩和稳定性控制的问题。据姚金波报道，他们得到的3996的角蛋白溶液粘度为40s。据日本的板津等人报道，他们得到的浓度为15的角蛋白溶液的粘度仅为3泊，而柴山干生得到角蛋白溶液的粘度对其浓度和溶剂体系中乙醇的含量有依赖性，通过改变这 两个因素可以得到符合湿法纺丝要求的粘度。 c角蛋白原液纯纺难度大国内未见有纯角蛋白液纺丝方面的报道。日本人柴山干生对角蛋白原液进行了纯纺和复合纺丝研究，得出把16的角蛋白溶液挤出到凝固浴中，结果溶液在凝固浴底部

36、成膜，得不到丝状凝固物；而角蛋白PvA混合体系以某些不同比例混合凝固能得到丝状凝固物，但是只有当角蛋白含量很低时才能得到弹性优 良的丝状物，然而这已不符合纯纺的要求。这说明角蛋白原液要纯纺难度很大。 d成本过高徐博所用的巯基乙醇价格昂贵。柴山于生用的溴化锂是重金属盐， 价格较贵，还会污染水环境。中国华源集团则明确表示他们制得性能优良的再生蛋白 纤维的成本过高，还有待进一步优化方案以降低成本，便于产业化。 以上这些问题，或多或少都是研究中的难题，都阻碍了角蛋白纤维的产业化应用。溶解率和产率不高虽然不是目前主要考虑的问题，但是它对浓溶液的制备有一定的影响。由于得到的蛋白原液浓度稀，使得溶液的粘度很

37、低。为了制得高浓度的角蛋白溶液，必须用某一方法把溶液浓缩，但是这其中又有很多问题，比如说稳定性控制问题，目前还没有一个if2_有效的办法。这两者在一定程度上阻碍了蛋白原液纯纺。而成本过高与污染环境则是生产应用之大忌。这些问题的存在说明还要对溶解方案进行改善， 包括对新的溶解方法及浓缩方法的探索。 4 l绪论13本课题研究的目的、意义及主要内容针对溶解中存在的那些问题，本课题开始对新的溶解方法进行探索，目的就是要以较低的成本就能达到较好的溶解目标，再找到一定的方法将得到的蛋白原液制备成 具有较高粘度的浓溶液，最终能使之纯纺成丝。 本课题着重放眼在对行之有效的低成本的面向工业化的溶解方法的探索上，

38、所以本研究更有现实意义。目前，国内外从事这项研究的团体很多，各自研究的方法、工艺等大都不一样。谁能以低成本投入得到好的成果，谁就占有领先优势，就有可能率先实现角蛋白再生纤维的产业化生产。角蛋白再生纤维一旦研制成功，其不仅可以使我国10万吨以上的粗羊毛、废毛和下脚料等巨大的角蛋白资源得以充分利用，大大提高了其附加值，可产生巨大的经济效益：两且攻克了世界性的难关，创造出一种更新更优良的“羊毛”，开发出我国又一个具有自主知识产权的新型纤维。其经济价值和社会价值都是不可估量的。 本课题研究的主要内容如下： 乱用低成本的还原剂废性剂表面活性剂组成的混合溶剂体系对羊毛进行溶解，对 溶解过程进行描述，对各溶

39、解参数对溶解的影响进行单因素分析，找出一定的规律， 再通过回归旋转设计进行优化实验，得到最优溶解方案。 b对本方案溶解羊毛的机理进行表征。通过多种先进的测试手段对溶解过程各阶 段的羊毛结构进行表征，通过表征结果分析溶解机理。 c探索浓溶液的制备。对各种浓缩方法进行综合评价分析，确定出最适合的浓缩 方法，找出最佳的浓缩状态。 d对角蛋白溶液的特性进行分析，通过生物质谱测量本溶解方案得到的角蛋白溶 液中角蛋白的分子量，研究其对溶液性质的影响，对溶液的流变性和稳定性进行研究， 探讨它们对溶液可纺性和可应用性的影响。 2羊毛及其溶解方法 2羊毛及其溶解方法 21羊毛纤维的结构羊毛纤维是天然的多细胞蛋白

40、质纤维，具有极其复杂的内部结构和物质组成。就其宏观结构，人们把其结构层次划分为鳞片层、皮质层及髓质层。每一层又有不同的划分。鳞片层是由角质化的扁平状细胞通过细胞间质CMC粘结而成的，又划分为鳞片表层、鳞片外层和鳞片内层。皮质层是皮质细胞通过细胞间质粘接而成，分为正皮质和偏皮质。髓质层一般存在于较粗的毛中，是由结构松散和充满空气的角蛋白细胞组 成的。羊毛结构中各部分成分见下表2-l2S。 表2一l羊毛结构中各部分成分 鳞片表层是一般的动物细胞表面的原生质细胞膜转化的一层薄膜，是由脂质层和惰性膜层形成的复合结构，具有良好的化学惰性，其非极性基团外露，因而具有极强的疏水性。鳞片外层是一层较厚的角蛋白

41、质，是羊毛鳞片的主要组织部分。此部分胱氨酸残基的含量很高，造成其结构紧密坚实而难以被膨化。鳞片内层则是由含硫量很低的非角质化蛋白质构成，其中含有少量的(约3摩尔分数)的胱氨酸残基，且极性氨基酸的含量丰富，易于与化学试剂反应。整个鳞片层是羊毛纤维的一个保护层，极 大地阻碍了溶解反应的进行。 皮质层是羊毛纤维的主要组成部分，占到了纤维重量的85以上，其中角蛋白原纤的含量在85以上，其他是起粘结作用的细胞间质。正皮质细胞是由横向尺寸020411111的巨原纤组成，原纤间有lOnm的缝隙，而巨原纤间又存在有lOOnm的缝隙和孔洞，结晶区较小，所以结构较为松散，易与化学试剂反应。偏皮质细胞则直接由原纤均

42、匀 堆砌而成，其中有lOnm左右的缝隙和孔洞，结晶区较大，结构紧密，化学性质较稳定。 6 2羊毛及其溶解方法原纤结构模型见图2-1嗍。不管是鳞片层，还是皮质层，都是各自细胞通过细胞间质粘结而成的。细胞间质 是由非蛋白脂质和可溶性杂蛋白及不溶性角蛋白惰性膜组成的。它的含量虽然很少， 但是它填充在细胞空隙和孔洞间，不仅保护了纤维中的细胞，而且使纤维结构更加紧 实坚固，因而增大了对纤维溶解的难度。 图2-1原纤结构及模型22羊毛角蛋白组成与结构 羊毛角蛋白是由各种a一氨基酸残基通过肽键连接而成。羊毛纤维中含有多种角蛋白，根据溶解能力的不同，可分为、13、Y三种角蛋白质，这三种角蛋白质的分子量和含硫量

43、不同。其中，a一角蛋白的分子量最高，含硫量最低，在羊毛中的量约为60，主要存在于纤维的基原纤中，而且按分子量大小又分成较高分子量成分n。(含量为45)及较低分子量成分n z(含量为15)。13一角蛋白在羊毛中的含量为1096左右，主要存在于纤维的鳞片中，用过乙酸溶液氧化羊毛，过滤后就能得到不溶性的13一角蛋白胨。Y一角蛋白的分子量很低，但是含硫量很高，在羊毛中占30，主要存在于纤维的 细胞间质中。表22列出了美利奴羊毛中各角蛋白与组成氨基酸的含量关系。羊毛角 蛋白中d一氨基酸含量见表2-3。 表2-2美利奴羊毛氨基酸中a、B、Y角蛋白含量(p molg) 过乙酸氧化过甲酸氧化氨基酸a一角B一角

44、Y一角蛋a一角13一角Y一角整羊毛蛋白蛋白 白 蛋白 蛋白 蛋白 丙氨酸601606301564576317417氨 887127510781288919815740精氨酸602647554554656824609 2羊毛及其溶解方法天门冬氨酸778594209696541272603半胱氨酸5514631690673846160l943谷氨酸1356103791668411637181020甘氨酸642817659579851592688组氨酸511381lO61637058异亮氨酸310357249257260250234亮氨酸908772297822687362583赖氨酸2865145

45、440260287193苯丙氨酸24l294134291490208176脯氨酸 33557211483665851089633丝氨酸834928109011317951134860 苏氨酸429870387425820547551酪氨酸304282164403153169353缬氮酸495552484429308444423蛋氨酸37表2-3羊毛角蛋白中氨基酸含量含量。一氨基酸化学简称含量a一氨基酸化学简称甘氨酸 色氦酸 064180Gly310650 Trp丙氨酸丝氨酸Ala329570 Ser290一960 缬氨酸苏氨酸ValThr280680 500-702 亮氨酸酪氨酸Leu7439

46、75 224_676 Tyr异亮氨酸羟脯氨酸lie335374 Pro苯丙氨酸Phe天冬氨酸326586 594-920 Asp脯氨酸谷氨酸 ProGlu340-720 1230=1600赖氨酸胱氨酸280-570 1084一1228 Lys精氨酸半胱氦酸Arg7901210Cys144一177 组氨酸蛋氨酸His062205 Met049-O71 原纤中a一角蛋白分子呈螺旋形线型结构。Wilson给出a一角蛋白分子构型示意图。模型表示基原纤有三个双螺旋分子链，由非螺旋结构区分成等长度的区段，螺旋结构区段和非螺旋结构区段的长度之和为66nm。非螺旋结构区段的分子链上具有等间隔配置的胱氨酸残基。

47、这些胱氨酸形成了主要的分子间交联，要使角蛋白分予溶解下来， 就必须打断这种交联作用，这是羊毛角蛋白溶解最关键的一点。 2羊毛及其溶解方法23角蛋白分子内及分子间的作用力 角蛋白分子中含有大量的酰胺键，还有大量的极性及非极性侧基，分子间还有二硫键(-_S_S)共价键连接，它们在分子内和分子间形成了多种作用力，赋予了角蛋 白稳定的结构和化学性质。蛋白质分子内及分子间的连接和相互作用见表2-4。 表2-4蛋白质分子内及分子间的主要连接和相互作用231肽键(主键) 肽键是所有蛋白质分子的主键，它是一个特殊的键。它有部分单键的性质，但不 能像单键那样自由旋转，但肽键两侧的c-c，N_c的两根单键可以自由

48、旋转，蛋白质的 空间构象就由它们旋转而成各异的构象。角蛋白分子中氨基酸残基数在400个以上， 就表示一个角蛋白分子中至少有400个肽键，从而连成了角蛋白大分子螺旋骨架。232二硫键(s-s_) 二硫键是两个半胱氨酸的巯基被氧化形成的共价键，键能很大，大约126420kJmol，二硫键主要是键，自由转动的可能性很小，因而可以起到稳定蛋白质结构的功能。二硫键越多，蛋白质越稳定，角蛋白就属于这类蛋白。正是由于二硫键比 其他非共价键的作用强得多，极易破坏折叠过程的协同性，所以只在一些短链蛋白质 9 2羊毛及其溶解方法中含有较多的二硫键。这就是羊毛角蛋白中分子量最低的Y一角蛋白反而比分子量最高 的a一角

49、蛋白含硫量高的缘故。 角蛋白分子中，二硫键以两种形式存在。一种是在同一肽链内形成的，使肽链局部结构呈环状卷曲，如果打开该连接，可使肽链伸展而分子量保持不变。另一种是不同肽链之间形成的，有较强的张力，这种连接在细胞间质中穿插，使角蛋白分子间呈不规则的紧密的网状联系，从而使角蛋白大分子难以整体拆卸下来。然而，要溶解羊 毛，最重要的就是要断开角蛋白分子间二硫键的连接。 233氢键 由于角蛋白肽链上有很多Nl，C=O和0等基团，彼此之间作用均有形成氢键的可能。大量的肽键可以形成大量的氢键。在同一条长肽链上沿轴向形成大量氢键作用使角蛋白呈现线型a一螺旋折叠构象，大多成为n一角蛋白；不同的肽链间及同一肽链

50、上沿横向形成大量的氢键使角蛋白呈现13片层折叠构象，多数成为13一角蛋白。氢键与 角蛋白构象的关系见图卜3。 k彳、。k彳 。、彳 k彳、=0一璀日c=0、c：o、 c=o、c=_o0一-一一HH H 、HHiH、HiHH 78787R7R x 7 。=fV77、。V77(a)a一螺旋(b)B反平行与平行折叠 图2-2 氢键与蛋白构象 氢键属弱的静电吸引力，比共价键的肽键要弱得多，较易断裂，但是大量的氢键形成 了立体结构合力对稳定蛋白构象起到了极其重要的作用。从图22中，我们可以看出 要稍微改变蛋白质分子的空间构象，至少要打破连续的三个氢键。 234盐键 盐键即离子键，主要是角蛋白分子侧链上的

51、带负电的羧基与带正电的氮基因静电吸引而成键。它在羊毛纤维这种密堆积的结构里是稳定的，如果与水接触则强烈水解。由于蛋白质分子中带电荷基团大多数分布在分子表面，故盐键大多数分布在分子表面，具有较强的亲水性，利于角蛋白溶于水中。 10 2羊毛及其溶解方法23。5范德华力 范德华力普遍大量存在于任何物质中，其在一定的距离变化内可在引力和斥力之 间转化，因而使分子或基团之问保持一定的距离，所以它对物质结构的稳定性起到了 一定作用。角蛋白大分子中以及分子之间存在着大量的范德华力，这对羊毛纤维的紧 密结构有重要贡献。但是，只要增大了角蛋白分子间的距离，这种作用力就可以很大削弱。 236疏水键 羊毛角蛋白分子

52、中的疏水氨基酸残基上的非极性基团趋于避开水相而聚集在一起，这些基团密堆积在蛋白体内部，从而形成疏水键密集区即疏水内核。其形成认为是范德华力和熵驱动两者综合的结果。角蛋白分子中约有3050的疏水氨基酸残基，a一角蛋自主要是在分子间形成疏水密集区而成柱状，Y一角蛋白则主要在分子内形成疏水内核而成团状。当角蛋白变性时，大量的疏水基团外露，结果使角蛋白分子的水 溶性大大降低。所以，在溶解角蛋白时一般要加入表面活性剂，如SDS。 24羊毛角蛋自溶解方法简介 241氧化法 角蛋白分子中暴露的SS是很容易被氧化的，其反应表达式为s_喝一+0 一S03。这种反应不仅打开了角蛋白分子间的交联作用，而且生成了强亲

53、水性基团，有利于角蛋白分子在含水溶剂中的溶解。氧化剂一般选择过乙酸、过甲酸和双氧水等。柴山干生等人用氧化法溶解得到的产物的分子量在3500Da左右，角蛋白降解已经很严 重了。 242还原法 由于SS容易被还原，所以还原剂也是常用的羊毛溶解试剂，其反应表达式 为S S一+H一SH。这种反应的特点是，断开交联后至少要生成一份巯基( SIi)，而巯基是极不稳定的基团，容易被空气氧化重新生成胱氨酸交联，所以此法制得 的溶液不可长时间放置，否则会产生蛋白质沉淀。常用的还原剂是巯基化合物、亚硫酸盐、金属硫化物等。此法制得的产物的分子量较高，徐博用巯基乙醇尿素SDS溶剂 体系制得的角蛋白的主体分子量在20kDa60kga。 2，4，3机械法 机械法主要是指利用物理机械作用使二硫键断裂达到溶解目