羊毛角蛋白晶須分離及其應(yīng)用研究.pdf

1、羊毛是紡織業(yè)中重要的天然蛋白質(zhì)纖維材料，用后廢棄、污染浪費(fèi)，而其作為角蛋白資源極其寶貴。由于角蛋白物質(zhì)大分子的構(gòu)象特征，角蛋白溶液極難再生成纖，故多為膜材料和填充料。通過(guò)對(duì)羊毛實(shí)施部分分離，提取納米晶須，以回避完全溶解對(duì)分子的損傷和蜷縮大分子伸直排列的困難，是實(shí)現(xiàn)再生蛋白質(zhì)纖維的捷徑。此外，由于羊毛結(jié)構(gòu)分離產(chǎn)物尺度為微米級(jí)到納米級(jí)，并具有各向異性的結(jié)構(gòu)特征，且部分分離的方法保留了角蛋白大分子的天然結(jié)構(gòu)及天然蛋白質(zhì)纖維的優(yōu)良性能，可作為良

2、好的合成纖維改性材料和天然高分子復(fù)合材料填充物。因此，羊毛部分分離為廢棄羊毛的再生利用開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。
　　 本文首次對(duì)羊毛的分形學(xué)特征進(jìn)行了理論研究，研究結(jié)果表明基于7+2模型的羊毛分形結(jié)構(gòu)模型更為合理。羊毛副皮質(zhì)的分形維數(shù)略小于羊毛層皮質(zhì)的分形維數(shù)，因此，副皮質(zhì)中原纖的排列密度小，分離所需的能量較低，更易于分離。此外，羊毛副皮質(zhì)第二級(jí)結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)與第三級(jí)結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)差異大于正皮質(zhì)中第二級(jí)結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)與第三級(jí)結(jié)構(gòu)的分

3、形維數(shù)差異，這亦表明羊毛副皮質(zhì)較正皮質(zhì)更容易找到靶向性分離能量點(diǎn)，從而獲得微原纖分離體。
　　 羊毛的溶脹特征以纖維直徑的增大百分率表示，簡(jiǎn)稱直徑溶脹率。研究表明，羊毛在98％甲酸和10％過(guò)氧乙酸溶液中的直徑溶脹率分別為81.7％和84.4％，且高度溶脹的羊毛在剪切力作用下能夠有效地破碎解體為具有完整形態(tài)的細(xì)胞和巨原纖結(jié)構(gòu)體，為實(shí)現(xiàn)羊毛微細(xì)結(jié)構(gòu)體的分離提供了良好的預(yù)處理?xiàng)l件。而亞硫酸鈉-尿素還原體系雖然溶脹羊毛的直徑溶脹率為17

4、0％，卻對(duì)原纖的損傷過(guò)大。
　　 羊毛在甲酸中超聲輻照破碎是實(shí)現(xiàn)皮質(zhì)細(xì)胞和巨原纖結(jié)構(gòu)體分離的有效方法。超聲作用條件的研究表明：超聲波輸出功率較高，固液混合物處理溫度較高，超聲波在一個(gè)工作周期內(nèi)工作和間歇時(shí)間較短，變幅桿端部距容器底部較近，采用圓底容器，固液比為1g/50ml時(shí)，羊毛的破碎率較高。特別指出，去鱗羊毛的破碎率是同等條件下未去鱗毛的4倍。羊毛破碎得到的具有不同密度和不同尺度的結(jié)構(gòu)體，可通過(guò)篩分、差速離心和密度梯度離心相

5、結(jié)合的方法進(jìn)行逐級(jí)提取。
　　 羊毛溶脹后易于破碎分解的機(jī)理研究表明，隨羊毛直徑溶脹率增加，羊毛原纖間基質(zhì)的模量快速下降，這是溶脹羊毛能夠快速解體的根本原因，此外，羊毛溶脹破碎分解的動(dòng)力學(xué)研究表明，羊毛分解的速率與超聲輻照時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，分解的速率受到超聲波輸出功率的影響較大，溫度影響次之。
　　 對(duì)羊毛鱗片、皮質(zhì)細(xì)胞、巨原纖和微原纖結(jié)構(gòu)體的分離及提取的系統(tǒng)研究表明，甲酸中煮沸預(yù)處理與超聲輻照相結(jié)合的方法可使羊毛鱗片的去

6、除率達(dá)到98％；采用1.6％過(guò)氧乙酸氧化預(yù)處理與甲酸中超聲輻照破碎相結(jié)合的復(fù)合分離方法分離皮質(zhì)細(xì)胞(直徑3-4.5μm，長(zhǎng)度80-100μm)的產(chǎn)率為30。4％；將分離所得的正皮質(zhì)細(xì)胞經(jīng)1.6％過(guò)氧乙酸氧化預(yù)處理后在甲酸中進(jìn)一步超聲輻照破碎，獲得巨原纖(直徑0.32-0。48μm，長(zhǎng)度10-25μm的產(chǎn)率為25.1％；通過(guò)將羊毛的正、副皮質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行氧化處理、胰/糜蛋白酶水處理和水中超聲輻照破碎，觀察到了納米級(jí)(直徑約100nm)的微原纖

7、集束體從副皮質(zhì)細(xì)胞的巨原纖結(jié)構(gòu)體上分離的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)本試驗(yàn)方法能較穩(wěn)定地分離出亞微米尺度的晶須(直徑0.32-0.48μm，長(zhǎng)度10-25μm)，且產(chǎn)率較高；能分離獲得納米尺度的微原纖集束體(直徑約100nm)，雖在產(chǎn)率上無(wú)法實(shí)用，但分離方法可行。
　　 為了明晰細(xì)胞結(jié)構(gòu)體分離過(guò)程中化學(xué)處理對(duì)羊毛分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，本文對(duì)化學(xué)處理后的羊毛進(jìn)行了傅立葉變化紅外光譜和X光衍射圖譜表征，分析結(jié)果表明，低濃度過(guò)氧乙酸短時(shí)間

8、氧化預(yù)處理對(duì)羊毛基質(zhì)中的二硫鍵具有一定的選擇性和靶向性開(kāi)鍵作用，從而降低了羊毛微觀結(jié)構(gòu)體之間的化學(xué)作用力，利于加速羊毛纖維的溶脹和解體。另外，對(duì)羊毛微原纖結(jié)構(gòu)體分離過(guò)程中化學(xué)處理對(duì)皮質(zhì)細(xì)胞二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)試，分析結(jié)果表明，皮質(zhì)細(xì)胞經(jīng)酶水解處理和氧化處理后，其二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了從α螺旋結(jié)構(gòu)向β折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，二硫鍵的構(gòu)象由g-g構(gòu)象向g-t構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此，氧化與蛋白酶水解的復(fù)合作用能夠?qū)Χ蜴I實(shí)施選擇性破壞，利于羊毛微原纖結(jié)