絲素蛋白的提取及絲素膜的制備、修飾與應(yīng)用研究.pdf

1、我國(guó)是蠶絲生產(chǎn)和加工的大國(guó)，生絲產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的65％，蠶絲的生產(chǎn)加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的下腳料，蠶絲下腳料的再利用是重要的研究方向。絲素蛋白是蠶絲的重要組成部分，是一種天然蛋白質(zhì)聚合物大分子，具有分子鏈柔順，生物相容性好，容易成膜，可加工性好，以及易于分子改性等特點(diǎn)，在生物材料、醫(yī)學(xué)、環(huán)境處理、納米材料、功能材料等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。絲素蛋白的提取及絲素生物膜材料的研究具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是，盡管絲素蛋白自身容易成

2、膜，但也存在純絲素膜在水中易溶脹溶解、耐堿性差、膜強(qiáng)度低以及制膜過程中膜結(jié)構(gòu)不易控制等問題。
　　本文以桑蠶絲為原料，研究了絲素蛋白的水解和提取分離技術(shù)，以絲素蛋白及其水解產(chǎn)物絲素肽為主要原料，以硅烷偶聯(lián)劑為交聯(lián)劑，并結(jié)合多壁碳納米管(MWCNTs)及聚乙烯醇等材料，制備了不同的絲素基生物膜材料。合成了具有反應(yīng)性基團(tuán)的席夫堿化合物及可交聯(lián)的含三嗪基團(tuán)的季銨鹽化合物，分別研究了席夫堿化合物和三嗪基團(tuán)的季銨鹽化合物對(duì)絲素基膜材料的修飾

3、改性，并對(duì)所得絲素基膜材料的結(jié)構(gòu)、性能以及對(duì)自由基的清除性能和對(duì)重金屬離子的吸附行為進(jìn)行了研究。
　　(1)以Alcalase堿性蛋白酶對(duì)絲素蛋白進(jìn)行水解以制備水溶性的絲素肽，通過單因素實(shí)驗(yàn)與正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的方法確定了酶水解絲素制備絲素肽的合適工藝為：絲素濃度4%（w/w），水解溫度55℃，酶與底物之比為2%，pH為8.0，反應(yīng)時(shí)間6 h。以茚三酮比色法，測(cè)定了最佳酶水解工藝條件下絲素水解產(chǎn)物的水解度為18.3%。十二烷基硫酸鈉-聚

4、丙烯酰胺凝膠電泳法（SDS-PAGE凝膠電泳）測(cè)定了Alcalase酶水解后制備的絲素肽的相對(duì)分子質(zhì)量分布，主要分布在5~6.5 KDa之間。此外，絲素肽對(duì)二苯基苦肼基自由基（DPPH自由基）的清除性能實(shí)驗(yàn)表明，絲素肽對(duì)自由基具有明顯的清除性能，絲素肽清除溶液中50%的DPPH自由基的用量(SC50)為1.85 mg/ml。
　　以絲素肽(SFP)，氨基硅烷偶聯(lián)劑(WD-50)和聚乙烯醇(PVA)為原料制備了SFP/PVA共混膜，

5、研究了共混膜的力學(xué)性能、紫外溶失率及其自由基清除性能。結(jié)果表明，當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑WD-50的用量為10%時(shí)，不同共混比例下SFP/PVA共混膜的拉伸應(yīng)力和斷裂延伸率較未加入偶聯(lián)劑之前得到不同程度的提升，與此同時(shí)共混膜的楊氏模量降低，表明偶聯(lián)劑的加入可以改善SFP/PVA共混膜的力學(xué)性能。SFP/PVA共混膜中SFP與PVA之間主要以氫鍵或范德華力發(fā)生相互作用。隨著共混膜中SFP比重的增大，共混膜的自由基清除率逐漸增大，當(dāng)SFP/PVA的共混

6、比例大于15/85時(shí)，SFP/PVA共混膜對(duì)DPPH自由基的清除率大于50%。
　　(2)以含有環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑KH560對(duì)絲素蛋白進(jìn)行修飾改性，制備了水不溶性的SF/KH560復(fù)合膜。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的溶失率隨著偶聯(lián)劑KH560用量的增加而呈現(xiàn)快速降低的趨勢(shì)，當(dāng)增大偶聯(lián)劑KH560用量為15%時(shí)，SF-KH560膜在水中的溶失率僅為2%，幾乎不溶于水。通過對(duì)絲素膜的紅外光譜圖進(jìn)行分峰擬合定量分析，計(jì)算了不同絲素膜中絲素蛋白各二

7、級(jí)結(jié)構(gòu)組分的相對(duì)百分含量。研究發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑的加入會(huì)促使絲素蛋白的構(gòu)象，由α-螺旋和無規(guī)卷曲/延伸鏈構(gòu)象向β-折疊構(gòu)象和側(cè)鏈/聚集鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。X-射線衍射分析表明，偶聯(lián)劑的加入促使絲素蛋白的結(jié)晶形態(tài)由SilkⅠ型向SilkⅡ型轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步驗(yàn)證了ATR-FTIR的分析結(jié)果。研究了SF/KH560復(fù)合膜對(duì)金屬離子Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附性能，研究發(fā)現(xiàn)SF/KH560復(fù)合膜對(duì)Cd(Ⅱ)

8、和Pb(Ⅱ)兩種金屬離子的吸附量較大，分別為11.8 mg/g和14.7 mg/g。以Cd(Ⅱ)為研究對(duì)象，研究了SF/KH560復(fù)合膜對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明，SF/KH560復(fù)合膜對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，說明SF/KH560復(fù)合膜對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附方式為化學(xué)吸附。
　　(3)以3,5-二氨基苯甲酸為原料，合成并表征了一種新型含有偶氮共軛系統(tǒng)和交聯(lián)反應(yīng)性基團(tuán)的配體，3,5-二[(2-羥基-4'-乙基磺酰

9、硫酸鈉)偶氮苯-次甲亞胺基]苯甲酸(配體Z1)，及其與Mn2+、Cu2+、Co2+的金屬配合物。研究發(fā)現(xiàn)，合成的化合物配體Z1及其與Mn2+、Cu2+、Co2+的金屬配合物在水中具有良好的溶解性。采用紫外可見分光光度儀研究了各化合物在水中的光譜吸收性能，結(jié)果顯示配體Z1的最大吸收峰為402 nm，而配合物Co2Z1、Mn2Z1、Cu2Z1的最大吸收峰則分別為380 nm、382 nm和378 nm。通過配體Z1及其金屬配合物對(duì)H2O2的

10、催化分解研究發(fā)現(xiàn)，Z1對(duì)H2O2的分解無催化作用，而其金屬配合物Mn2Z1、Co2Z1和Cu2Z1對(duì)H2O2的分解速率有很強(qiáng)的催化能力。其中金屬配合物Mn2Z1催化分解 H2O2的能力最強(qiáng)。當(dāng)金屬配合物Mn2Z1的用量為5 mg/l，H2O2在40℃的條件下40 min內(nèi)基本上全部分解；金屬配合物Co2Z1對(duì)H2O2的催化分解能力次之，其對(duì)H2O2的最終分解率可達(dá)到80%；金屬配合物Cu2Z1催化分解H2O2的能力最小。
　　以反

11、應(yīng)性化合物Z1對(duì)水不溶性絲素膜進(jìn)行了改性，通過掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS）、紅外光譜、紫外可見吸收光譜（UV-Vis）研究表征了改性前后絲素膜表面的形貌及結(jié)構(gòu)變化。通過 EDS能譜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由化合物Z1改性后的膜M-SF/KH560表面有硫元素出現(xiàn)，其含量為0.33%，且改性后絲素膜表面氧元素和硅元素的含量降低。UV-Vis測(cè)試結(jié)果表明，SF/KH560膜在440-800 nm的透過率都在65%以上；對(duì)于改性后的M-SF/KH

12、560膜，其在440-800 nm范圍內(nèi)其透過率始終低于SF/KH560膜，且當(dāng)照射波長(zhǎng)低于500 nm時(shí)M-SF/KH560膜的透過率急劇降低。
　　(4)以SF和MWCNTs為原料制備了水不溶性的SF/MWCNTs雜化膜材料，研究了三嗪季銨鹽改性前后SF/MWCNTs雜化膜的性能。通過對(duì)雜化膜紅外光譜圖的分峰擬合和定量分析計(jì)算以及雜化膜的X-衍射分析發(fā)現(xiàn)，與純絲素膜比較，SF/MWCNTs雜化膜中的絲素蛋白構(gòu)象由α-螺旋、無規(guī)