基乙醇溶解羊毛角蛋白的影響因素

基乙醇溶解羊毛角蛋白的影響因素

用基乙醇溶解山羊的角蛋白，但其溶解過程受到許多因素的影響，如基乙醇的濃度、溶液的ph值、添加劑的比例、反應(yīng)溫度等。本文主要討論溫度對(duì)巰基乙醇溶解羊毛角蛋白的影響。羊毛角蛋白結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,分子量大而且具有分散性,分子的形狀有線型支化和交聯(lián),角蛋白高分子以結(jié)晶和非結(jié)晶2種方式聚集,因此羊毛角蛋白大分子的溶解要比一般高聚物的溶解復(fù)雜得多。由于羊毛角蛋白這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性,其溶解路線就是以非晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)的溶脹為主,進(jìn)而打破大分子的有序排列和分子間的交聯(lián),使大分子鏈松動(dòng)、滑移、分離,最后形成溶液。這樣,對(duì)羊毛的理想溶解應(yīng)該是打開羊毛角蛋白大分子間的橫向聯(lián)系并同時(shí)保持大分子主鏈的完整。蛋白質(zhì)大分子之間的橫向聯(lián)系,都具有一定的結(jié)合能,具體見表1。要打開這些橫向聯(lián)系不僅需要有合適的溶劑,而且需要有一定的能量。角蛋白分子間的氫鍵、范德華力、鹽式鍵、二硫鍵是可以通過化學(xué)試劑將其減弱或斷裂的。其中氫鍵、范德華力、鹽式鍵等橫向聯(lián)系,可以通過蛋白質(zhì)變性劑使其破壞或減弱,比如高濃度的尿素溶液就可實(shí)現(xiàn)該目的。另外,選用十二烷基硫酸鈉(SDS)作為抗氧劑,SDS不僅起到防止半胱氨酸氧化的作用,而且能起到與尿素類似的作用。二硫鍵是在2個(gè)半胱氨酸殘基之間形成的化學(xué)鍵,它使多肽鏈能夠緊密地靠攏,二硫鍵是維持角蛋白空間結(jié)構(gòu)最為堅(jiān)固的化學(xué)鍵,斷裂二硫鍵而控制主鏈降解是溶解的難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明選用還原劑巰基乙醇作為主溶劑在一定溫度及堿性條件下處理角蛋白,蛋白質(zhì)分子中的二硫鍵能夠還原成為巰基,同時(shí)角蛋白降解的程度相對(duì)較小。打開二硫鍵需要能量的支持,為提高反應(yīng)效率,溫度是最直接的方式。1實(shí)驗(yàn)1.1試劑采用2—巰基乙醇做還原劑,尿素做蛋白質(zhì)變性劑,十二烷基硫酸鈉(SDS)。1.2lc/msd-msd質(zhì)譜儀-g/msd電子恒溫水浴鍋、電子天平(精確度0.01g),恒溫烘箱,Agilenttechnologies公司的Agilent1000SeriesLC/MSD質(zhì)譜儀。1.3二烷基硫酸鈉sds加入量①將一定重量的羊毛纖維試樣放入錐形瓶中。②加入反應(yīng)試劑:2—巰基乙醇濃度為3%,尿素濃度為7mol/L,十二烷基硫酸鈉(SDS)加入量為2%。③在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下反應(yīng):反應(yīng)溫度30～90℃,反應(yīng)時(shí)間12h。④反應(yīng)后用蒸餾水充分洗滌未溶纖維,并烘干、冷卻、稱重。1.4結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同反應(yīng)溫度下測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2中,羊毛溶解變化曲線如圖1。羊毛溶解率(%)=(1-反應(yīng)后未溶物質(zhì)量/反應(yīng)前羊毛質(zhì)量)×1002溫度變化對(duì)羊毛溶解率的影響2.1反應(yīng)溫度對(duì)溶解率的影響從表2數(shù)據(jù)和圖1曲線可以看出,羊毛角蛋白在反應(yīng)浴中的溶解率是隨反應(yīng)溫度升高而顯著上升。在較低溫度條件下,羊毛溶解率不高,在較高溫度時(shí)羊毛溶解率增加得很快,90℃時(shí)溶解率達(dá)到了93%。2.2溫度對(duì)羊毛角蛋白溶解的影響溶解過程是溶質(zhì)分子和溶劑分子相互混合的過程,在恒溫恒壓下,這種過程能自發(fā)進(jìn)行的必要條件是Gibbs自由能的變化小于零,即:ΔFM=ΔHM?TΔSM<0ΔFΜ=ΔΗΜ-ΤΔSΜ<0式中ΔFM是自由能,ΔHM是混合熱,T是溶解時(shí)的溫度,ΔSM是混合熵。溶解溫度升高時(shí)可以進(jìn)行如下討論:①ΔSM是混合熵,即角蛋白和溶劑在混合時(shí)熵的變化。因?yàn)樵谌芙膺^程中分子的排列趨于混亂,熵的變化是增加的,即ΔSM>0。②對(duì)于極性的角蛋白高聚物在極性溶劑中,由于高分子與溶劑分子的強(qiáng)烈相互作用,溶解時(shí)是放熱的,因此ΔHM<0。③存在ΔHM-TΔSM<0,即ΔFM<0。綜上所述,隨著溫度的升高,體系的自由能將降低(ΔFM<0),滿足Gibbs定律,溶解過程能自發(fā)進(jìn)行,所以溫度升高有利于羊毛角蛋白溶解的進(jìn)行。事實(shí)上,高分子與溶劑分子的尺寸相差懸殊,兩者的分子運(yùn)動(dòng)速度也差別很大,溶劑分子能比較快地滲透進(jìn)入高聚物,而高分子向溶劑的擴(kuò)散卻很慢。這樣,角蛋白高聚物的溶解過程要經(jīng)過2個(gè)階段,首先是溶劑分子滲入角蛋白高分子的內(nèi)部,使其體積膨脹,然后才是高分子均勻分散到溶劑中,形成完全溶解的分子分散的均相體系。溫度的升高加快了溶劑分子的運(yùn)動(dòng),賦予了溶劑分子足夠能量,使溶劑分子能夠克服角蛋白結(jié)晶區(qū)的固體壁壘和蛋白質(zhì)大分子的排斥力,增加了溶劑與纖維內(nèi)部橫向聯(lián)系接觸的機(jī)會(huì),從而使纖維解體而實(shí)現(xiàn)溶解,最終使溶解率增加。在羊毛角蛋白降解的過程中,交聯(lián)鍵的解除和角蛋白高分子的溶脹是同時(shí)進(jìn)行的,交聯(lián)鍵解除得越充分,角蛋白就越容易降解;角蛋白溶脹得越充分,交聯(lián)鍵的解除就越容易,它們的關(guān)系是相互促進(jìn),共同推動(dòng)著羊毛角蛋白的溶解。3溫度變化對(duì)晶體的影響3.1溫度和溫度對(duì)蛋白質(zhì)分子量的影響從表2數(shù)據(jù)可以看出,反應(yīng)溫度對(duì)羊毛角蛋白降解起著很明顯的作用,隨著溫度的升高,溶解后的蛋白質(zhì)大分子的分子量有下降的趨勢(shì)。在較低溫度條件下,溶解后的蛋白質(zhì)大分子分子量比較高,而在較高溫度時(shí)分子量下降,90℃時(shí)分子量就很低了。由此看來,溫度升高使角蛋白的降解加劇。3.2溫度對(duì)羊毛溶解的影響從前面的分析可以知道,溫度升高后,羊毛角蛋白的溶解率是提高了,但是這種提高是以分子量的下降為代價(jià)的。溫度升高后會(huì)產(chǎn)生以下3個(gè)方面的結(jié)果。①加速反應(yīng)進(jìn)程,但有一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。溫度升高會(huì)加快溶劑分子與纖維內(nèi)各種橫向聯(lián)系的接觸,從而加快溶解的進(jìn)程;但對(duì)同一纖維,通過同一溶劑溶解的量應(yīng)該是基本穩(wěn)定的,過分依賴溫度只能是增加互換反應(yīng),原來斷裂的二硫鍵又重新連接起來,最后達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。增加的溶解量實(shí)際是下面2種作用的結(jié)果。②溫度升高使尿素分解,溶液堿性提高,使難溶的角蛋白以降解的形式進(jìn)行溶解。尿素的特點(diǎn)是溫度越高越容易分解,分解成為氨氣和二氧化碳,氨氣與水結(jié)合為氨水,使得溶液的堿性增強(qiáng)。具體反應(yīng)式如下:尿素的分解產(chǎn)物使溶液的堿性增加,這一點(diǎn)可以從表2中看出,溶液的pH值是隨溫度上升而提高的,在角蛋白空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已遭到破壞的情況下,未溶解的纖維在堿性情況下可以發(fā)生降解,致使羊毛溶解率上升,同時(shí)溶液中的角蛋白大分子也會(huì)發(fā)生進(jìn)一步降解。③水解增加。溫度升高,也使蛋白質(zhì)大分子中肽鍵的水解增加,使大分子降解,分子量下降;在堿性條件下羊毛角蛋白肽鍵(>CO—NH—)水解進(jìn)一步加劇,使羊毛溶解率顯著增加。水解反應(yīng)式如下:由此看來,用巰基乙醇方法溶解羊毛角蛋白時(shí),不能單純地為提高羊毛的溶解率而一味地提高溶解溫度,而應(yīng)綜合考慮溶解率的提高和分子量的降低2個(gè)因素。4羊毛角蛋白纖維人們?cè)絹碓街匾晫?duì)廢舊材料的回收再利用,一方面可以將廢舊的材料回收利用,變廢為寶,另一方面也能減少環(huán)境污染,保持生態(tài)環(huán)境。廢羊毛回收利用方式有纖維形態(tài)不發(fā)生改變的方式,如毛紡廠的廢毛經(jīng)過開松、粗梳、紡紗,然后在織機(jī)上織造斜紋織物。但這些僅僅是物理機(jī)械手段的加工回收利用,其附加值并不高,不能充分利用廢舊羊毛資源;也有纖維形態(tài)發(fā)生改變的方式,例如可以提煉羊毛中的各種氨基酸,用來制造各種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的食品、飼料以及附加值較高的醫(yī)用產(chǎn)品等等。對(duì)羊毛角蛋白纖維進(jìn)行溶解,分析其