不同提取工藝羊毛角蛋白的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性研究

不同提取工藝羊毛角蛋白的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性研究

根據(jù)國際毛紡織協(xié)會發(fā)布的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，過去8年，世界毛紡織總額減少了126億公里的純羊毛，服裝毛紡織總額減少了18%。在2009—2010年,羊毛產(chǎn)量再次下降,這說明羊毛資源面臨短缺。羊毛是我國畜產(chǎn)品中進口量最大的產(chǎn)品之一,目前進口量已占國內(nèi)羊毛產(chǎn)量的2/3,成為世界上最大的羊毛進口國之一,而國產(chǎn)羊毛在質(zhì)量上與進口羊毛相比處于劣勢,羊毛短粗,在國際市場上沒有競爭力。這使得國內(nèi)羊毛的加工使用中,產(chǎn)生很多劣質(zhì)羊毛,如果將這些廢棄羊毛丟掉,無疑是一種資源浪費,也會對環(huán)境造成污染。如果能將這些廢棄資源再生利用,不僅可緩解羊毛資源短缺的現(xiàn)狀,而且也會給其他畜毛的再生利用提供參考。本文以羊毛為對象,采用3種不同的工藝提取角蛋白,并對溶解率、角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)、角蛋白溶液的穩(wěn)定性,以及工藝的合理、經(jīng)濟、可操作性等多方面進行了比較,選擇出一種較好的提取角蛋白的方法,為進一步研究角蛋白的利用奠定基礎(chǔ),達到廢棄羊毛再生利用的目的。1實驗1.1硫化鈉sds、含硫酸鈉sds、透析袋材料:脫脂羊毛、尿素(分析純)、焦亞硫酸鈉(分析純)、硫化鈉(分析純)、十二烷基硫酸鈉(SDS,分析純)、氫氧化鈉(分析純)、透析袋。儀器:電子天平(精度0.0001g)、恒溫水浴鍋、磁力攪拌器。1.2提取方法采用3種方法溶解羊毛,具體的提取工藝如下。1.2.1角蛋白溶液的配制該溶解方法的主溶劑是焦亞硫酸鈉和尿素。浴比1∶20,稱取5g剪短的羊毛放入含9.5g焦亞硫酸鈉,19.2g尿素,pH值為6.5的100mL溶液中,用5mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值,然后在65℃下振蕩2h,過濾,透析,制得一定濃度的角蛋白溶液。1.2.2角蛋白溶液的配制以焦亞硫酸鈉/尿素/SDS的混合體系為主溶劑。浴比1∶20,稱5g剪短的羊毛放入含4.75g焦亞硫酸鈉,2.83gSDS以及24g尿素的100mL混合溶液中,然后在100℃下溶解30min,過濾,透析,制得一定濃度的角蛋白溶液。1.2.3角蛋白溶液的配制以硫化納/尿素/SDS的混合體系為主溶劑。浴比1∶20,稱5g剪短的羊毛放入含1.9g硫化鈉,0.8gSDS以及42g尿素的100mL混合溶液中,然后在35℃下溶解14h,過濾,透析,制得一定濃度的角蛋白溶液。1.3性能試驗1.3.1注意沖洗水液先稱取溶解前羊毛的干重,記為G1,溶解后過濾溶液,將未溶羊毛于濾布中包好,在水中浸泡一段時間后,反復(fù)沖洗,使吸附在殘渣上的溶劑小分子徹底清除,沖洗過程中要格外小心,防止殘渣流失,造成計算不準。然后將殘渣烘干,稱量,記為G2,則溶解率S可根據(jù)式(1)計算。重復(fù)實驗10次,取平均值。1.3.2角蛋白的質(zhì)量測定采用稱重法測定角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)。先準備好若干表面皿,洗凈,烘干,然后稱重,記錄它們的質(zhì)量W0。用滴管移取1mL透析后的角蛋白溶液至稱重后的表面皿上,記錄表面皿和1mL角蛋白溶液的總質(zhì)量W1。將上述滴有溶液的表面皿放入烘箱中干燥至恒重后取出,稱量,記錄質(zhì)量W2。則角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)W可根據(jù)式(2)計算。重復(fù)實驗10次,取平均值。式中:(W2-W0)為1mL角蛋白干重;(W1-W0)為1mL角蛋白溶液的質(zhì)量。1.3.3紅外光譜測定將羊毛纖維和3種不同方法制得的角蛋白膜分別剪成粉末狀,在Nicolet公司的Nicolet5700紅外光譜儀上用溴化鉀壓片法進行紅外光譜測定,測定范圍4000~400cm-1,根據(jù)吸收光譜分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1.3.4角蛋白溶液的穩(wěn)定觀察將3種不同方法制得的角蛋白溶液透析后,密封存放于4℃的冰箱中,1周后觀察現(xiàn)象。2結(jié)果與分析2.1不同工藝條件對羊毛角蛋白溶解率的影響采用3種不同工藝制得的角蛋白溶液的溶解率及質(zhì)量分數(shù)如表1所示。由表1可以看出,采用尿素/焦亞硫酸鈉工藝得到的溶解率和角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)都很低,與另外2種工藝相比,最大的區(qū)別就是沒有使用SDS。SDS有2大作用:一是作為抗氧劑,其巨大膠團的保護作用能與角蛋白形成巨大的膠束,在一定程度上隔絕了空氣中氧對半胱氨酸的氧化作用,使角蛋白具有一定的穩(wěn)定性;二是它的分散作用也可增大蛋白質(zhì)分子的溶解度,使蛋白質(zhì)分子量和溶解度增加。由于溶解過程中沒有使用SDS,溶液的穩(wěn)定性較其他2種差,所以質(zhì)量分數(shù)低,沒有SDS的分散作用,所以溶解率很低。另外2種工藝都是采用還原C法溶解羊毛,并且還原劑、尿素和SDS的用量差別不大,但所需溶解溫度和溶解時間卻有很大差異。在角蛋白的提取過程中,反應(yīng)時間、溫度是2個很重要的因素。時間太短,羊毛溶解不充分,浪費試劑;時間過長,過分溶解,不僅影響實驗結(jié)果,而且也會浪費水電。同樣,溫度的高低也很重要,溫度的升高加快溶劑分子的無規(guī)則運動,增加溶劑與纖維內(nèi)部橫向聯(lián)系接觸的機會,從而加快角蛋白降解,提高提取率。另外,隨著反應(yīng)溫度的上升,溶液中的尿素分解成氨氣和二氧化碳,氨氣和水結(jié)合成氨水,使得溶液的堿性增強,羊毛角蛋白肽鍵在堿性條件下發(fā)生了一定程度的水解,使羊毛溶解率顯著增加,溫度越高,水解程度越大。本文實驗采用的尿素/焦亞硫酸鈉/SDS工藝中的反應(yīng)溫度是100℃,由于溫度較高而使得角蛋白發(fā)生一定程度的降解,所以該工藝比尿素/硫化鈉/SDS工藝提取出的角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)低,而且過高的溫度也會使分子量較低,使用性能較差。而尿素/硫化鈉/SDS工藝只需在35℃下溶解,基本屬常溫溶解,卻能使羊毛達到較高的溶解率。由以上分析可知,采用尿素/硫化鈉/SDS工藝溶解羊毛是一種工藝簡單、合理、經(jīng)濟、可操作性強的提取羊毛角蛋白的方法。該工藝得到的溶解率很高,可達到48.48%,角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)為1.59%。2.2特定構(gòu)象蛋白質(zhì)分子的紅外光譜特征檢測羊毛纖維及3種工藝制得的角蛋白的紅外光譜圖如圖1所示。根據(jù)紅外光譜圖和前人研究的結(jié)果,可以定性分析大分子鏈的特征基團和分子構(gòu)象。由圖1可以看出,羊毛纖維在1623.77cm-1處附近有吸收峰,即酰胺Ⅰ帶的強特征吸收,在1523.49cm-1處是酰胺Ⅱ的強特征吸收峰,在1232.29cm-1處是β-折疊構(gòu)象的酰胺Ⅲ譜帶的強特征吸收峰,此外,在701.96cm-1處有較弱吸收峰。已有研究人員測定了特定構(gòu)象蛋白質(zhì)分子的紅外光譜特征值,如表2所示。表2可知,圖1中1623.77cm-1處附近的強吸收峰說明了羊毛纖維中存在α-螺旋構(gòu)象,1523.49和1232.29cm-1處的吸收峰說明了β-折疊構(gòu)象的存在。據(jù)文獻報道,酰胺Ⅰ帶的譜峰指認目前較成熟的是:1700~1660cm-1為β轉(zhuǎn)角;1658~1650cm-1為α螺旋;1650~1640cm-1為無規(guī)卷曲;1640~1610cm-1為β折疊,圖1中1623.77cm-1處的強吸收峰也說明羊毛纖維中存在β折疊構(gòu)象。綜上分析可知,羊毛纖維中存在α-螺旋構(gòu)象和β-折疊構(gòu)象。由圖1可知,3種工藝提取出的角蛋白的特征吸收峰的位置基本相同。角蛋白膜的酰胺Ⅰ帶吸收峰在1654.62cm-1處,在1536.99、1230.36cm-1處附近是酰胺Ⅱ譜帶和酰胺Ⅲ譜帶的強特征吸收峰,634.47cm-1處的弱吸收峰是酰胺Ⅳ譜帶的特征峰。結(jié)合表2可知,1536.99、634.47cm-1處的特征峰說明角蛋白中存在α-螺旋構(gòu)象,1230.36cm-1處的特征峰說明存在β-折疊構(gòu)象,而1654.62cm-1處的弱吸收峰說明了存在無規(guī)卷曲構(gòu)象。綜上分析可知,與羊毛纖維相比,所提取的羊毛角蛋白中不僅存在α-螺旋和β-折疊構(gòu)象,而且存在無規(guī)卷曲構(gòu)象。2.3角蛋白中沉淀的情況將3種工藝制得的角蛋白溶液透析后放置于4℃的冰箱中7天后,角蛋白溶液顏色由原來的淡黃色變成乳白色,散發(fā)出不同程度淡淡的臭味。錐形瓶中有不等量的角蛋白沉淀產(chǎn)生,用尿素/焦亞硫酸鈉/SDS工藝制得的角蛋白溶液中出現(xiàn)片狀白色絮狀物,且其絮狀物的量最多;而用另外2種工藝制得的角蛋白溶液中有粉末狀白色絮狀物,尿素/硫化鈉/SDS工藝制得的角蛋白溶液中沉淀量最少。這說明在純角蛋白溶液中,分子之間相互作用力的增加,使得部分無規(guī)卷曲的角蛋白分子互相靠攏,聚集成團簇,從溶液中析出。由此可知,角蛋白溶液的穩(wěn)定性較差,不宜長時間放置,但尿素/硫化鈉/SDS工藝制得的角蛋白溶液比另外2種工藝制得的角蛋白溶液穩(wěn)定。3不同工藝制得角蛋白的紅外光譜分析通過對3種提取工藝進行各方面的比較,發(fā)現(xiàn)以尿素/硫化鈉/SDS混合體系提取角蛋白時,羊毛的溶解率高達48.48%,角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)較大,可達到1.59%,該工藝溶解羊毛所需的溫度較低,但耗時較長;尿素/焦亞硫酸鈉/SDS工藝的溶解率較前者低,角蛋白溶液的質(zhì)量分數(shù)比前者略低,該工藝可以在很短時間溶解羊毛,但所需的溫度較高,可能會使角蛋白