材料科學概論

材料科學概論第1頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月神奇的生物材料——膠原蛋白1引言2膠原蛋白的提取3膠原蛋白的化學性質4膠原蛋白的幾種應用5結語第2頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

1引言

膠原纖維是構成皮的主要成分,膠原蛋白是形成膠原纖維的基本單位,由三條肽鏈相互纏繞成螺旋結構。膠原纖維具有微彈性和很高的抗張強度,并且還有許多獨特的性質如高耐磨性、絕熱性、吸音性和柔韌性等。膠原蛋白除具有蛋白質的一般性質外,還有許多特有的性質。這是由其特殊的組成和結構所決定的。一般的蛋白質是由2條肽鏈形成雙螺旋結構,而膠原蛋白由3條肽鏈結合形成三螺旋結構。膠原蛋白特有的左旋A鏈相互纏繞構成的膠原右手復合螺旋結構中,其最大特點是膠原分子中含有大量甘氨酰、脯氨酰、和甘氨酰為甘-脯氨酰以外的其它任何氨基酸殘基,且呈周期性排列。其中甘氨酸占30%,脯氨酸和羥脯氨酸共占約25%。膠原肽鏈間存在離子鍵、氫鍵、范德華力及非極性基團產(chǎn)生的疏水鍵等作用力。同時,膠原分子內(nèi)和分子間還存在醇醛縮合交聯(lián)、醛氨縮合交聯(lián)和醛醇組氨酸種交聯(lián)。使得膠原的2條肽鏈、3條肽鏈牢固地連接起來,具有很高的抗張強度。膠原分子間按四分之一錯列方式超分子聚集形成穩(wěn)定的韌性很強的原纖維,原纖維進一步聚集形成膠原纖維。

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2膠原蛋白的提取

目前提取膠元蛋白主要從皮革廢棄物中,國內(nèi)外已有不少研究。根據(jù)文獻,從鉻革屑中提取膠方法很多,根據(jù)處理劑的不同其提取方法分為以下幾種。

2.1堿處理法堿處理法的原理是堿液中的OH-離子進入絡合物內(nèi)界,將膠原羧基從鉻絡合物中取代出來,使膠原脫鉻且同時發(fā)生降解,然后溶于水,Cr3+與OH-離子形成沉淀。經(jīng)過壓濾或離心分離,可將膠原溶液與Cr(OH)3沉淀分離。

2.2酸處理法酸處理法的原理是在酸性條件下,鉻配合物發(fā)生解離,隨著H+濃度增大,離解速度加快,配合物的分子變小,失去鞣制作用,達到脫鉻提取膠原蛋白的目的。利用酸水解法分離膠原纖維。第4頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

2膠原蛋白的提取

2.3氧化法氧化法的原理是在弱堿性條件下,利用氧化劑(通常H202)將鞣革廢渣中Cr3+氧化成Cr6+(成為可溶性的鉻酸鹽),使Cr6+從蛋白質的肽鏈上脫落下來,從而實現(xiàn)鉻與膠原蛋白的分離。如在堿性介質中,根據(jù)雙氧水氧化三價鉻的原理,采用酸-堿-氧化交替的方法,也可獲得低含鉻量的膠原,并保持了膠原分子的結構。

2.4酶處理法酶處理法的原理是用酶水解鉻革屑,使其中的鉻絡合物與蛋白質脫鞣,分離出鉻鹽和已部分水解的膠原。Cabeza改進了一步酶法,用兩步酶法(先用胃蛋白酶提取,再用堿性蛋白酶提取)提取2種不同的膠原水解產(chǎn)物。酶處理法條件溫和,對蛋白質的成分破壞小,所得膠原蛋白純度高,水溶性好,物理化學性質穩(wěn)定,但如果單獨使用,反應過程很慢。

目前在提取膠原蛋白時,常把幾種方法結合起來。如堿酶處理法,即在提取膠原蛋白時,先用堿對鉻革屑進行輕度處理,然后再用酶進行二次處理,這樣可以增加膠原的提取率和反應效率。

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膠原蛋白的化學性質

3.1與亞硝酸反應蛋白質或氨基酸的氨基與亞硝酸反應,側氨基或端氨基被分解,并且出放的氮氣,通過測定釋放的氮氣量可以計算蛋白質的斷蛋白質的水解程度和速度。

3.2與甲醛反應甲醛滴定法可用來測定氨基酸的含量,其原理是甲醛在氨基上發(fā)生加成反應生成N-羥甲基衍生物。用堿溶液滴定自由羧基的數(shù)量,可計算出蛋白質的含量。

3.3與茚三酮反應蛋白質或氨基酸的溶液滴加幾滴茚三酮溶液后加熱至沸,溶液即呈藍紫色,而脯氨酸和羥基脯氨酸因為是亞氨基。產(chǎn)生黃色。這個反應常用于氨基酸的比色定量分析。

3.4與酸、堿的作用膠原肽鏈的端基和側鏈均含有氨基和羧基,即存在許多堿性基團和酸性基團,它們在溶液中能與酸和堿結合。

3.5與鹽基的作用在鹽溶液中膠原肽鏈間的離子鍵被鹽打開,從而吸水膨脹。第6頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月4膠原蛋白的應用

4.1造紙方面

4.1.1作為造紙增強劑膠原纖維和植物纖維這兩種天然高分子都含有許多活性基團和活性部位,皮革固體廢棄物在經(jīng)處理變成膠原纖維的過程中比木材制漿過程中活性基團暴露得更多,更易反應,為兩種纖維結合提供了良好的條件。膠原蛋白使紙張的物理機械強度得以提高,使紙的吸水性、透氣性、緊度等物理指標有所改善。

4.1.2膠粘劑膠原蛋白作為膠粘劑,可以作為造紙的施膠劑,但是其耐水性能較差。膠原蛋白作為膠粘劑,可用于紗布、砂紙的制造,此外也可用于生產(chǎn)膠帶紙。

4.1.3表面活性劑表面活性劑的分于由性質完全相反的2部分組成,即親水性和憎水性基團,2種基團的比例(HLB值)決定了表面活性劑的親水性和憎水性的強弱。HLB值愈大,則親水性愈強,憎水性愈弱。膠原蛋白分子結構中既有氨基,又有羧基,在不同的介質中呈現(xiàn)出雙親性;氨基各不相同。在結構上有不對稱性,故在一定程度上也有表面活性。第7頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月4膠原蛋白的應用

4.2食品方面

膠原蛋白作為功能保健食品使用，研究表明，膠原蛋白可以降低血甘油三酯和膽固醇，并可增高體內(nèi)某些缺乏的必需微量元素，從而使其維持在一個相對正常的范圍之內(nèi)，是一種理想的減肥降血脂食品。此外，膠原蛋白在協(xié)助機體排出鋁質，減少鋁質在體內(nèi)聚集方面也有獨特之處。鋁對人體有害，研究表明，日前逐漸增多的老年癡呆癥與鋁的攝入量有關，同時膠原蛋白有加速血紅蛋白和紅細胞生成的功效，它具有改善循環(huán)、對冠心病、缺血性腦病有利。

涂層材料明膠作為涂層材料在食品表面具有諸多優(yōu)點：

①避免食品氧化，抑制氨基酸和糖類之間的美拉德反應②防止粉末狀、顆粒狀的糖類食品吸潮結塊僵硬現(xiàn)象；③使食品表面有光澤；④作為穩(wěn)定劑，防止產(chǎn)品干縮變形；⑤具有保鮮作用。加入一定量的明膠溶液，以使果蔬表面形成保護膜．可以保證食品的天然風味和新鮮度；⑥防止食品腐敗。⑦提高揮發(fā)性食品成分的保存性；⑧調整溶解度，等等。第8頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.膠原蛋白的應用

4.3醫(yī)學方面

目前許多醫(yī)學研究單位，正嘗試將膠原蛋白做成各種不同用途的臨床實驗，如用處理過含用豐富膠原蛋白的生豬皮，覆蓋在燒、燙傷病患的傷口上;利用提煉出來的膠原蛋白，促進移入表皮細胞與生長能力，大幅縮短傷口愈合的時間，提高燒燙傷病患的存活能力。由于膠原蛋白具有保護、支持人體組織與骨骼張力強度以及具有粘性、彈性等特性，所以可作為生醫(yī)材料，用在骨科、整形外科、皮膚科、心臟血管外科、神經(jīng)外科、牙科及眼科等，在臨床應用的前景看好第9頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.膠原蛋白發(fā)展前景

膠原蛋白作為一種新的材料已經(jīng)滲透入大眾的生活中，但是我們應該看到，依然有很多新的產(chǎn)品能夠被開發(fā)出來你，作為一種新的生物材料，我們堅信，其一定能夠在未來中的市場中占據(jù)一席之地，作為一種能夠運用在生產(chǎn)生活，工業(yè)化工的新的生物材料，只有從風發(fā)掘出其間接價值，才能夠從分得利用現(xiàn)有的資源來替人類造福，膠原蛋白的研究只是現(xiàn)在才起步而已，未來還會有巨大的空間，這直接給我們一個機遇，一個挑戰(zhàn)，未來能否占據(jù)生物材料的高地，膠原蛋白的研究是一個重要方面，技術的成熟只是一個時間的問題。膠原蛋白是一種生物性高分子物質，在動物細胞中扮演結合組織的角色。為生物科技產(chǎn)業(yè)最具關鍵性的原材料之一，也是需求量十分龐大的最佳生醫(yī)材料。其應用領域包括生醫(yī)材料、化妝品、食品工業(yè)、研究用途等。研究空間廣闊。

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