（材料学专业论文）蛋白、多糖复合体系的研究.pdf

摘要 摘要 大豆分离蛋白 明胶蛋白 透明质酸都属于可再生天然大分子 可用于制备环境友 好型的可降解材料 本文关注大豆分离蛋白一明胶蛋白复合膜和透明质酸一银复合纳米 颗粒的研究 本文第一部分分别以溶液成膜法和熔融成膜法研究了大豆分离蛋白一明胶蛋白复 合膜的制备 并对复合膜性能进行了表征 溶液成膜法制备的大豆分离蛋白一明胶蛋白 复合膜结合了两种蛋白的优点 性能优良 在研究大豆分离蛋白和明胶蛋白复合膜成膜 液的基础上 进一步研究了明胶含量对大豆分离蛋白一明胶蛋白复合膜性能的影响 包 括表观性能 厚度 透光性 干重 力学性能 阻隔性能 阻水 阻氧 表面亲疏水 性能及微观结构 实验表明 当明胶含量为3 0 质量分数 左右 两种蛋白的相容性 最佳 复合膜的各项性能达到较佳值 拉伸强度达到3 1 5 9 m p a 断裂伸长率达到6 5 9 6 而且对氧气和水都有良好的阻隔性 表面呈现出一定的疏水性 通过熔融法制备的 大豆分离蛋白一明胶蛋白复合膜 同样也结合了两种蛋白的优点 性能优异 也研究了 明胶含量对大豆分离蛋白一明胶蛋白复合膜性能影响 实验表明 当明胶含量为1 0 质 量分数 左右 复合膜的拉伸强度达到4 1 9 7m p a 断裂伸长率达到1 8 2 2 而当明胶 含量为3 0 质量分数 左右 两种蛋白的相容性较佳 制备的复合膜综合性能较佳 通过对溶液成膜法和熔融成膜法制备的复合膜进行性能比较 得出以下结论 溶液成膜 法制备的复合膜表现出更为优异的阻隔性能 熔融成膜法制备的复合膜具有较好的力学 性能 熔融成膜法制备的复合膜表面亲水性更强 本文第二部分研究了一种制备透明质酸一银复合纳米颗粒 h y a l u r o n i ca c i d s i l v e r n a n o p a r t i c l ec o m p o s i t e h a a g 的方法 既简单又绿色环保 在常温下通过对a g 与透 明质酸 h y a l u r o n i ca c i d h a 水溶液进行紫外光照得到透明质酸一银复合纳米颗粒 制备 过程中不需要添加其他还原剂和保护剂 所得产物具有较好的稳定性 而且银纳米颗粒 能够均匀地负载在透明质酸分子上 采用透射电子显微镜 t e m 紫外一可见光分光光 度计 u v v i s 用于产物的表征 透明质酸一银复合纳米颗粒在4 4 0n n l 左右 紫外吸收谱 图 有吸收 证明得到银纳米粒子 采用傅立叶红外分光光度计 f t i r z e t a 电位仪和 粘度表征 对紫外光照法制备透明质酸一银复合纳米颗粒的机理进行了初步讨论 结果 表明紫外光照起重要的作用 光化学和还原反应是得到银纳米粒子的原因 同时对透明 质酸一银复合纳米颗粒的抑菌性做了研究 所选细菌为具有代表性的细菌一金黄色葡萄 球菌 实验证明透明质酸一银复合纳米颗粒具有良好的抑菌性 关键词 大豆分离蛋白 明胶蛋白 复合膜 透明质酸 纳米复合颗粒 a b s t r a c t a b s t r a c t s o yp r o t e i ni s o l a t e s p i a n dg e l a t i n g e l a n dh y a l u r o n i ca c i d h a a r en a t u r a l m a c r o m o l e c u l e a n dt h e i rb a s e dm a t e r i a l sa r ee x p e c t e d t ob ee n v i r o n m e n t f i i e n d l y b i o d e g r a d a b l ea n dr e p r o d u c i b l ep r o d u c t s w ef o c u s e do np r e p a r ec o m p o s i t ef i l m sb a s e do n s p ia n dg e l a t i n a n dn o v e ls t r a t e g i e st oc r e a t eh y a l u r o n i ca c i d s i l v e rn a n o p a r t i c l ec o m p o s i t e i nt h ef i r s tp a r t t h ea u t h o rr e s e a r c h e dt h ep r e p a r a t i o no fc o m p o s i t ef i l m ss p i a n dg e l a t i n b ys o l u t i o nf i l m f o r m i n g m e t h o da n dm e l t i n g f i l m f o r m i n gm e t h o d t h ep r o p e r t i e s o f f i l m f o r m i n gs o l u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h er a t i oo fs p i g e l w w o nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a p p a r e n tp r o p e r t i e s g a sb a r r i e rp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f s p i g e l w w c o m p o s i t ef i l m sw a ss t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h er a t i oo fs p i g e l w w w a sa b o u t7 3 t h e i rc o m p a t i b i l i t yw a sb e s t a n dt e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tb r e a k o ft h ec o m p o s i t ef i l mw e r e31 5 9 m p aa n d6 5 9 6 i na d d i t i o n t h ec o m p o s i t ef i l mh a db e t t e r a p p a r e n tf i l mp r o p e r t i e s g a sb a r r i e rp r o p e r t i e s a n dt h es u r f a c eo fc o m p o s i t ef i l mp r e s e n t s c e r t a i nh y d r o p h o b i c m e a n w h i l e t h ea u t h o rr e s e a r c h e dt h ec o m p o s i t ef i l m ss p ia n dg e l a t i n b ym e l t i n gf i l m f o r m i n gm e t h e dw h i c h h a sa d v a n t a g e sb o ls p ia n dg e l a t i n r e s u l t ss h o w e d t h a tw h e nt h er a t i oo fs p i g e l w w w a sa b o u t9 1 t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tb r e a ko f t h ec o m p o s i t ef i l mw e r e41 9 7 m p aa n d18 2 2 w h e nt h er a t i oo fs p v g e l w w w a sa b o u t 7 3 t h e i rc o m p a t i b i l i t yw a sb e s t b yc o m p a r i n g 谢 lt h et w om e t h o d s t h ec o m p o s i t ef i l m w h i c hw a sp r e p a r a e db ys o l u t i o nf i l m f o r m i n gm e t h o dh a dm u c hb e t t e rg a sb a r r i e rp r o p e r t i e s a n dt h ec o m p o s i t ef i l mp r e p a r a e db ym e l t i n gf i l m f o r m i n gm e t h e dh a dm u c hb e t t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ec o m p o s i t ef i l mp r e p a r a e db ym e l t i n gf i l m f o r m i n gm e t h e dh a d s t r o n gw a t e ra f f i n i t y i ns c o n dp a r t as i m p l er o u t ef o rt h es y n t h e s i so fh y a l u r o n i ca c i d s i l v e rn a n o p a r t i c l e c o m p o s i t eu s i n gh ah a sb e e np r o p o s e di n t h i sw o r k h y a l u r o n i ca c i d s i l v e rn a n o p a r t i c l e c o m p o s i t ew a so b t a i n e db yt h em e t h o do fu vi r r a d i a t i o no fa l la q u e o u ss o l u t i o nc o n t a i n i n g s i l v e rn i t r a t e a g n 0 3 a n dh ai nt h ea b s e n c eo fa n yr e d u c i n ga g e n t sa n dp r o t e c t i n ga g e n t s t h eh y a l u r o n i ca c i d s i l v e rn a n o p a r t i c l ec o m p o s i t eh a sh i 曲s t a b i l i t ya n dt h en a n o m e t e rs i l v e r l o a do nh a t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y t e m i m a g e sa n du v 二v i ss p e c t r u m a n a l y s i so fh y a l u r o n i ca c i d s i l v e rn a n o p a r t i c l ec o m p o s i t ec o n f i r m e dt h ef o r m a t i o no fm e t a l l i c s i l v e r t h eu v v i ss p e c t r u ms h o w e dt h a tt h ep u r i f i e ds o l u t i o ny i e l d e dt h em a x i m u m a b s o r b a n c ea ta b o u t4 4 0n i nd u et os u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c eo ft h es i l v e rn a n o p a r t i c l e s i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y z e t ae l e c t r i cp o t e n t i a la n dv i s c o s i t yc o n f i r m e dt h a tt h ef o r m a t i o no f s i l v e rn a n o p a r t i c l e sm i g 1 tb er e l a t e dw i t ht h er e d u c t i o na n dp h o t o c h e m i s t r yb e t w e e nh aa n d u vl i g h t h y a l u r o n i ca c i d s i l v e rn a n o p a r t i c l ec o m p o s i t es h o w e de x c e l l e n ta n t i b a c t e r i a l a c t i v i t ya g a i n s ts t a p h y l o c o c c u sa u r e u s k e y w o r d s s o yp r o t e i ni s o l a t e s p i g e l a t i n c o m p o s i t ef i l m s h y a l u r o n i ca c i d h a n a n o p a r t i c l e c o m p o s i t e u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留 使用学位论文的规定 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允 许论文被查阅和借阅 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名 导师签名 日 期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 由于地球上现存的矿物质 石油和天然气等资源的储量有限 面临未来可能被耗尽 的困境 同时人类意识到了以石油和天然气等为原料的塑料等材料 将会对大自然造成 白色污染 的危害性和严重性 因此 材料无公害化方向发展是大势所趋 1 1 为了解决 原料短缺和环境问题 人们逐渐把目光转移到可再生资源开发上 随着科技的进步与发 展 将可再生资源应用到生产上的技术也随之成熟 利用可再生资源开发各种高分子材 料制品也日益受人关注 这主要基于可再生资源制备高分子材料具有以下几方面的特 性 1 可再生性 可再生资源高分子来自于太阳能所产生的生物 因此取之不尽 用 之不竭 2 多样性 生物的多样性导致了可再生资源高分子的多样性 3 环境相容 性 可再生天然高分子材料及其制品废弃后在土壤或潮湿环境中可被多种微生物降解 因此是环境友好材料 同时其降解产物回归大自然后形成自然界的良性循环 有利于环 境保护 4 多功能性 可再生资源高分子具有独特的结构及可修饰性 可制备不同功 能的材料 5 可加工性 可将其加工成膜状 纤维状 板材 棒材及疏散结构状 6 价廉性 大豆分离蛋白 明胶蛋白 透明质酸都具备上述特性 随着天然纤维 天然塑料的 开发 特别是随着商业化应用的推进 人类对蛋白 多糖的改性及材料化应用研究增多 世界各国投入了大量的人力和财力致力于天然大分子改性的基础和应用研究 包括环境 友好的生物可降解材料 增强复合材料 包装材料 粘结剂 乳化剂等方面 2 训 1 2 大豆蛋白的组成和结构 1 2 1 大豆蛋白的组成 按照蛋白质溶解性进行分类 大豆蛋白可分为两大类 即清蛋白和球蛋白 二者在 大豆中因品种及栽培条件不同其比例有所差异 清蛋白一般占大豆蛋白质的5 以粗 蛋白计 左右 球蛋白约占9 0 左右 主要为7 s 和1 1 s 球蛋白 分子量分别为l 2 万 和3 5 6 万 由于大豆球蛋白是椭圆球形 故此命名 球蛋白溶于水或碱溶液 加酸调 p h 值至4 5 则沉淀析出 故又称为酸沉蛋白 而清蛋白没有这种特性 因而又称其为 非酸沉蛋白 从表1 1 5 中可以看出 大豆蛋白质的主成分为球蛋白 1 1 s 和p 浓缩球蛋白 7 s 两者合在一起约占球蛋白总量的7 0 而两者的比例也随品种而异 7 s 蛋白质的次单 元结构较复杂 受离子强度及p h 值的影响非常显著 如单指7 s 时往往就是指b 浓缩 球蛋白 1 l s 是由球蛋白组成的 可被离析出来 是大豆蛋白的主要成分 其构型易受 p h 值 温度及酒精浓度等因素的影响 江南大学硕十学位论文 a b l ilh e m a l ns o yb c a np r o l e i 1c o r n p o n e m s r 茂灯6 总蚩白 蛳次要成分分子量 胰蛋白酶抑止剂8 0 0 0 2 1 5 0 0 一 细胞色素c 1 2 0 0 0 血球凝集素11 0 0 0 0 脂肪氧化酶1 0 2 0 0 0 1 一 阻淀粉酶 6 1 7 0 0 7 s 球蛋白 1 8 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 1 1s3 01 1 s 球蛋白 3 5 0 0 0 0 1 5 si i有待测定6 0 0 0 0 0 注 表中s 表示沉降系数 l s 1 0 1 3 秒 1 s v c d b e r g 单位 12 2 大豆蛋白的结构 大豆蛋白的分于结构分为四级 具有层次性 6 j 1 一级结构 蛋白质的一级结构通常是指蛋白质肽链的氨基酸残基的排列顺序 也称为残基或氨 基酸的序列 蛋白质的一级结构包括肤链的数目 端基的组成 氨基酸的排列顺序和二 硫键的位置等 维系蛋白质一级结构的化学键只有共价键 即肚键 肽键是指一个氨基 酸的麓基与另一个氨基酸的鲺基之问缩水形成的酰胺键 i h 2 0i ov 心卜l 一 帆卜芝一一面叫一嚣垫磐筻一 r 1 r 2 r 1r 2 此反应的产物为肽 肽是由氨基酸组成的链 两个氨基酸分子反应产生一个二肽 二肽分子的曲端卫可以分别同其它氨基酸的氢基或羧基作用 形成三肽 四肽甚至高分 子多肚 2 二级结构 二级结构是指多肽链主链骨架中的若干肽段 各自沿着某个轴盘旋或者折叠 并以 氢键维系 从而形成有规则的构象 如 螺旋 d 折叠和p 转角等 二级结构并不涉及 氨基酸残基的侧链构象 决定二级结构的因子是肽链间氢键的形成情况 即附于肽链n 上的氢与另 肽链羧基上的氧原子间的吸引力 氢键的吸引力虽小 但是数量很多 故 总吸引力还是可观的 易受热酸碱等因素所影响 在蛋白质结构中 常常发现两个或几 个二级结构单元被连接多肽连接起来 进 步组合成有特殊的几何排列的局域空间结 构 这些局域空 白j 结构称为超二级结构 s u p e r s e c o n d a r ys n u c t u r e 3 三级结构 蛋白质的三级结构是指一条多肚链在二级结构的基础t 由于其顺序上相隔较远的 氮基酸残基侧链的相瓦作用 而进行范围广泛的盘旋和折叠 从而产生特定的很不规则 第一章绪论 的球状构象 换一句话说就是指一条多肽链中所有原子的空间排布 三级结构不涉及一 条多肽链上的原子与另一条多肽链的关系 决定多肽链折叠方式的最重要因数之一是极 性和非极性侧链基团分布 因此三级结构由下列各种交互反应所促成 疏水性基团 双硫键 极性支链上的氢键 离子键 在大豆蛋白质的三级结构中 非极性基团 转向分子内部 极性基团或者转向分子内部或者转向分子表面 非极性基团转向分子内 部 形成疏水键 极性基团转向分子内部 形成氢键 转向分子表面 与极性水分子作 用 绝大多数的蛋白质折叠成为近乎球状的结构 球状蛋白质一旦具有三级结构后 蛋 白质内部变得更为紧密 内部的空间约有7 5 被原子所充满 4 四级结构 蛋白质的四级结构可以定义为多条多肽链在三级结构的基础上以非共价键缔合在 一起的构象 蛋白质四级结构中具有三级结构的多肽链单元称为亚基 维系四级结构的 力主要是疏水键和范德华力 1 3 明胶的结构及性能 1 4 1 3 1 明胶的结构及分类 明胶是胶原在酸 碱 酶或高温作用下部分水解而得到的一类天然蛋白质 由于明 胶具有良好的生物亲和性和可降解而广泛应用于医学领域 有1 8 种氨基酸组成 无生 物活性 不同规格的明胶分子量 般为1 5 2 5 万 工业上生产的明胶的平均相对分子 量为5 7 万 水解时 三股螺旋互相拆开 其肽链有不同程度的分离和断裂 这种分 离和断裂方式有4 种 1 3 条肽链松开后仍有氢键相互联结 2 1 条肽链分离 另 两条肽链松开后仍有氢键联结 3 螺旋完全松开 成为3 条互不联结的 不规则盘旋 的a 肽链 4 3 条分离的a 链部分断裂 胶原蛋白分子的棒状三螺旋结构按上述4 种 方式分离和断裂后就形成了明胶分子的结构 商业明胶常分为两类 即a 型明胶和b 型明胶 a 型明胶主要是以动物的皮为原 料 用酸水解方法制得 其等电点为p h 7 9 可塑性和弹性良好 b 型明胶主要以动物 皮 骨 腱为原料 用碱水解方法制得 其等电点为p h 4 乒5 2 强度较高 1 3 2 明胶的性能 干燥的明胶很易吸水 明胶不溶于冷水 在冷水中只会吸水并溶胀 只有加热到 6 0 才能溶于热水中 明胶的水溶液冷却后 成为凝胶 凝胶具有网状结构 加热则 液化 降到3 0 2 以下又会凝胶 明胶也能成膜 但明胶膜较脆 明胶无生物活性 但可 被蛋白酶利用 其理化性质主要有 一 凝胶化 当组成胶团的各种蛋白质链借助于侧链互相缔合时 将形成一个不溶性的固体点 阵 这就是凝胶 明胶溶液可形成具有一定硬度 不能流动的凝胶 当明胶凝胶受到环 境刺激时会随之响应 即当溶液的组成 p h 值 离子强度发生变化和温度 光强度 江南大学硕士学位论文 电场等刺激信号发生变化时 或受到特异的化学物质刺激时 凝胶就会发生突变 呈现 出相转变行为 这种响应预示了凝胶的智能性的存在 根据明胶凝胶化所具有的智能性 可以利用明胶制作仿生智能材料 例如郭晓明 1 8 等采用明胶成膜和溶胶 凝胶成膜相结 合的技术 制得了性能良好得生物传感器 虽然目前在国内对这种材料报道很少 但是 智能天然高分子材料的研究已经成为仿生材料领域中的重要发展方向之一 二 胶体和乳化性质 明胶是一种有效的保护胶体 可以阻止晶体或离子的聚集 用以稳定非均相悬浮液 在水包油的分散体药剂中作为乳化剂 两性电解质 明胶分子与其他蛋白质一样 在不同p h 溶液中 可形成正离子 负离子或两性离 子 加入与明胶分子所带电荷相反的聚合物能使明胶从溶液中析出 利用这种共聚凝作 用 可以制备微胶囊或微球 所以明胶在制备药物缓释材料和药物载体材料中具有广泛 的应用前景 1 4 透明质酸的结构及性质 1 5 在2 0 世纪3 0 年代至4 0 年代 m a y e r 等除在动物的眼玻璃体提取得到透明质酸 h a 外 又从脐带 皮肤 关节滑液及雄鸡冠等许多软结缔组织中提取得到 k e n d a l l 等在 链球菌等菌株中提取到h a 人们开始关注并对h a 进行研究 1 4 1 透明质酸的结构 一 一级结构 r a p p o r t 等 1 6 i 于2 0 世纪5 0 年代对h a 的结构测定做了大量研究 提出h a 是由等 摩尔的葡糖醛酸和乙酰氨基葡糖组成 通过对该双糖的结构研究后认为h a 是有葡糖苷 键相连接的 确认h a 为一链状聚合物 由 1 p 4 d 葡糖醛酸 1 b 3 n 乙酰基 d 氨基葡糖的双糖单元重复连接组成 结构如图1 1 所示 图l l 透明质酸的结构 f i g 1 1c h e m i c a ls t r u c t u r eo fh y a l u r o n i ea c i d 采用各种相对分子质量 r e l a t i v em o l e c u l a rm a s s m r 测定技术如光散射 沉降和扩 散以及粘度法等对不同来源的h a 进行m r 测定 结果表明即使同一来源的h a m r 也 有很大的分散性 自结缔组织所得的h a 平均m r 可达1 0 6 1 0 7 分子中可含2 0 0 1 00 0 0 个双糖 电子显微镜下观察证实h a 为一线性单链 在水溶液中扩展成随机的线圈状 线圈的直径约5 0 0 n m h a 分子中每一双糖单元均含有一个羧基 在生理条件下均可解 离成负离子 等空间距离负离子的相互排斥 使其分子在水溶液中处于松展状 占据了 4 第一章绪论 大量空间 可结合多于本身1 0 0 0 倍的水 当浓度达到o 1 时 h a 分子相互缠绕 形 成网状结构 赋予h a 溶液特异的流变学性质 该特性是h a 具有粘弹性和发挥生理功 能的基础 二 二级结构 螺旋结构 随着对h a 生物活性研究的不断深入 发现除了其粘弹性在关节腔内所起到的润 滑 缓冲垫作用及在结缔组织中充当填料的生物学功能之外 h a 还通过作用于细胞及 细胞间质的h a 受体 调节细胞功能 在组织生成和修复 肿瘤侵袭等过程中发挥重要 作用 h a 的这种活性是人们认定h a 有二级结构甚至三级结构的存在 对h a 稀溶液进行的光散射研究发现 h a 分子在水溶液中呈单螺旋状态 分子内 的氢键使其形成螺旋结构 h a 分子在水溶液中以数中对称体存在 如二折体 即分子 链中每一扭含有2 个双键 三折体或四折体等 二折体在酸性溶液中较常见 当溶液 中的反离子为钙离子时则多以三折体形式存在 对h a 手性光学检查和核磁共振研究 结果表明 水溶液中的h a 分子在很大程度 上以有序状态存在 对h a 溶液进行碱性处理后 尽管m r 不变 溶液的粘度明显降低 螺旋的半径减少 表明在碱性条件下 分子的柔韧性增加 当溶液由中性向碱性过渡时 分子的拓展度降低 分子由有序状态向无序状态转变 h a 溶液在酸性条件下 除分子内氢键还有分子间氢键 当p h 为2 5 时 溶液的粘 弹性远远高于中性溶液 是由于h a 分子相互作用形成具有一定刚性的大分子网状结构 所致 对h a 纤维进行的x 衍射研究表明 这些基团紧密排列在一起 基团之间可形成氢 键 x 衍射显示h a 呈螺旋型丝带状 每个双糖单位还有4 个氢键 同螺旋轴相平行 该构型使h a 链具有刚性 使h a 在溶液中呈松展 高溶剂化的螺旋状 三 三级结构 网状结构 在h a 二级结构的研究中 发现当h a 达到一定浓度时 h a 分子间具有相互作用 形成双螺旋结构 浓度更高时 形成网状结构 s c o t t 采用旋转阴影电子显微镜观察到 h a 分子聚集成长的细线 这些细线可以分枝形成不规则的蜂巢状 人们推测除了分子 间氢键外 可能还有其他作用力存在 s c o t t 依据其在旋转阴影电子显微镜下所见 采用计算机模拟等手段 提出了h a 的 三级结构 即h a 分子中每个三糖单元均有一块疏水区域 该区域由8 个c h 相当于 一个正辛烷 组成 无数个这样的疏水区域有规律地交替分布在h a 大分子的对应面上 在高浓度时 h a 分子间的疏水区域相互作用可构成双螺旋结构 此为h a 分子相互聚 集的基础 在水溶液中 h a 分子中的氢受体和供体均被水分子阻断 不能稳定地生成分子间氢 键 分子间仅靠疏水区域发生相互作用 溶液的粘度较低 在无水二甲基亚砜溶液中 h a 分子中仅氢供体被溶剂分子阻断 仍可形成氢键 再加之疏水区域的相互作用 可 得到高的粘度 当癸烷基或其他的脂肪链将h a 分子的疏水区阻断后 分子间的作用力 明显减弱 粘度也明显降低 江南大学硕士学位论文 h a 分子聚集形成网状结构的能力受其m r 的影响 低m rh a 在低浓度时仅生成碎 片状网状结构 而高m rh a 却能生成整体的网状结构 r e e s 等发现在高m rh a 溶液中 加入低m rh a 混合后 会极大地改变高m rh a 溶液的流变性质 r e e s 称这一作用为聚 集一断裂效应 a g g r e g a t i o n b r e a k i n ge f f e c t h a 形成网状结构的能力具有插依赖性 据此可成功地解释高m rh a 与低m rh a 在相同浓度下保护细胞免受自由基破坏时 后 者效果差的原因 h a 形成网状结构的特性赋予其广泛的生物学功能及应用开发前景 1 4 2 透明质酸的性质 水溶液中的h a 分子可产生分子内和分子间的相互作用 具有特殊的理化性质 一 流变学性质 l a 珊e m 很早就以 随机的 松展的 具有一定刚性的线圈 来形容h a 在水中的状态 w l k l i 7 1 报道 腑为4 x 1 0 6 的h a 浓度不到0 1 时 h a 分子所形成的随机线圈即可占 据整个溶液空间 浓度达o 3 或更高 浓度1 时 h a 分子所形成的线圈相互缠绕 形成连续 柔性的网状结构 赋予其溶液特异的流变学性质 1 零切变粘度 粘度是衡量液体流动阻力的一种参数 h a 溶液的浓度或m r 越大 h a 分子的缠绕 程度则越高 粘度越大 通常以稳定状态下测定得的h a 溶液的零切变粘度来表示其本体粘度 b u l k v i s c o s i t y 此外 溶液处于极低的流速状态 可认为h a 分子处于静止状态 即h a 分 子呈球形 由实验表明 在低浓度或者低m r 时 溶液的粘度随m r 或浓度的增加变化 较小 对此现象可解释为h a 分子在此情况下为一独立的单体 分子间不发生缠绕 当 m r 或者浓度增加使粘度达到一定值后 此时h a 分子发生缠绕 粘度随m r 或者浓度的 提高而明显提高 2 假塑性 p s e u d o p l a s t i c i t y 若提高h a 溶液的流速 线圈状的h a 分子在流线中变形和拉长 占据较小的空间 溶液流动的阻力减少 因此 随着切变速率的增加 溶液的粘度降低 在高切变速率下 可以认为h a 分子被充分拉长 溶液的粘度可以理解为h a 线状分子之间的摩擦 此时 粘度的大小不再取决于m r 的大小 而是取决于分子间的空间大小 即浓度 3 粘弹性 弹性是凝胶所具有的特性 凝胶内的分子间存在永久性的交联键 赋予凝胶典型的 弹性特征 h a 溶液由于含有分子网状结构 可同时具有凝胶的弹性和溶液粘性这一双 重特性 因此 b l a z a s 将h a 的这一特性称为粘弹性 使h a 溶液受到不同速度的撞击或使其作振荡运动 可观察其粘弹性 当受到较慢 的撞击或振荡时 由于分子有时间解开彼此间的缠绕 溶液则主要显粘性特性 若受到 较快的撞击和振荡时 分子没有足够的时间解开彼此间的缠绕 溶液则主要呈弹性特性 二 依数性 6 第一章绪论 h a 溶液的依数性与h a 分子内和分子间氢键及疏水作用有关 试验中发现 溶液 中的无机离子可影响h a 分子的这种自身作用 三 降解性能 h a 大分子容易发生降解 研究表明降解主要由水解和羟基上的活性氧引起的 t o k i t a 等 i s 对h a 在不同p h 条件下的水解降解进行了研究 并对机理进行了探讨 结果表明 在酸性条件下 水解发生在糖醛酸残基上的c 1 c 4 和羰基c 所连的c 等部 位 在c l 和c 4 部分的水解导致链的断裂 保留半缩醛环 在碱性溶液中 断裂则多 发生在c 1 环中的o 及乙酰氨基上的n 原子上 水解反应如图所1 2 和图1 3 1 羰基c 所连的c o 键断裂 2 c i 处糖苷键断裂 3 c 4 处糖苷键断裂 图1 2h a 在酸性条件下水解 f i g 1 2h y d r o l i s i so fh au n d e ra c i d i cc o n d i t i o n a c 1 c 2 键断裂 h 2 0 分别进攻环上的氧 1 与糖苷键上的氧 2 的两种水 解途径 b 乙酰氨基上的羰基c 与n 原子之间的键发生断裂 7 江南大学硕士学位论文 图1 3h a 在碱性条件下的水解 f i g 1 3h y d r o l i s i so fh au n d e ra l k a l i n i t yc o n d i t i o n 紫外线 超声波 c 0 6 0 射线 某些金属离子等因素均可使h a 发生降解 h a 降解 使溶液的粘度降低 1 5 蛋白膜的特性及研究进展 1 5 1 蛋白膜的性质 蛋白质膜的性质主要包括机械特性 抗拉强度 穿刺强度和断裂伸长率 阻隔特 性 水蒸气透过性 透油性和透氧性 溶解特性 在水溶液中的总可溶性物质量及在2 一巯基乙醇 脲 十二烷基磺酸钠和盐酸胍溶液中的溶解性 表面疏水性 水分吸附 特性 光学性质 透光率 亨特l 值 a b 值 热学特性 玻璃态相转变温度t g 及体外消化率等等 1 5 2 蛋白质膜的特点 1 蛋白膜可生物降解 从而降低环境污染 它不仅可以作为保护膜维持食品的 质量 而且还可提高食品的感观和营养特性 2 蛋白质膜在适中的相对湿度下对于油脂 氧气及风味气体有很好的阻隔特性 如大豆分离蛋白膜对0 2 的透性比低密度p e 膜 甲基纤维素膜 淀粉和果胶膜分别低 5 0 0 2 6 0 5 4 0 和6 7 0 倍 3 蛋白质分子之间的交联作用较为强烈 膜的机械特性优于多糖和脂肪膜 但是由于它们自身固有的亲水特性和在成膜溶液中加入的增塑剂的影响 蛋白质膜 对水分的阻隔性较差 蛋白质膜的机械特性也不如有机合成膜 1 5 3 蛋白膜的研究进展 目前对蛋白复合膜的研究主要集中在发展 评价和改善膜的物理 化学和阻隔性能 一种方法是采用物理 化学 酶等处理来制备所需性能的膜 另一种方法是通过共混来 提高膜的性能 一 大豆蛋白复合膜的研究进展 近年来 对大豆蛋白复合膜的研究主要集中在改善材料的力学性能和水蒸气阻隔性 能 用物理 化学 酶法处理和共混都能对大豆蛋白复合膜的性能有所改善 物理方法包括紫外辐射 微波 超声波 压力等 研究表明 超声处理对大豆分离 蛋白膜性能和微观结构会产生影响 8 大豆分离蛋白膜液经超声功率2 0w 1 0r a i n 处理 后 可显著地增大膜的抗拉强度及其阻湿性能 超声处理可以改变膜的空间结构 使膜 表面平滑 均匀 高压处理 9 使膜液的稳定性提高 膜的抗张强度增大 断裂伸长率 透氧率减小 膜表面更加平滑 致密 透明 微波处理 1 0 对膜的微结构有明显的改善作 用 可使膜表面更光滑平整 使膜的横截面更均匀 规则 致密 目前化学方法在国内外常见的主要有添加增塑剂 交联剂 还原剂来改善蛋白膜的 8 第一章绪论 性能 添加增塑剂是制备优质膜的必要条件 增塑剂是低挥发性的小分子 添加后可改 变聚合物原料的三维结构 降低分子间的吸引力 增加自由空间和蛋白质肽链的灵活性 增塑剂改变膜的功能特性 提高了延展性 膨胀性和韧性 降低了粘合性 弹性机械特 性和硬度 i l 常用的增塑剂是甘油和山梨醇 h o l l e y 和w e l l e r t l 2 1 甘油为增塑剂 在室 温下干燥制备大豆蛋白膜 交联剂可提高膜的阻水性 粘合性 硬度 机械强度和阻隔特性 最常用的交联剂 有戊二醛 甘油醛 甲醛 棉子酚 单宁酸和乳酸 l 引 加入化学交联剂能更有效地提高 大豆蛋白膜的性能 如利用戊二醛 环氧氯丙烷等交联剂对蛋白质进行交联使多肽链粘 合更加紧密 可以明显地提高蛋白质膜的抗张强度和水蒸汽阻隔性 降低断裂伸长率 2 2 2 5 r h i m 报道使用甲醛蒸汽处理大豆分离蛋白可以使膜不溶于各种溶剂 如水 0 0 1 nn a o h 4 m 脲等 g h o r p a d e 等 6 1j 研究醋酸酐 琥珀酸酐 钙阳离子和甲醛对膜的 水溶性 拉伸强度 刺穿强度 水蒸汽透过率和透氧性的影响 醋酸酰和琥珀酸酐能够 提高膜的水溶性 其它特性无变化 钙阳离子可将抗拉强度和刺穿强度分别提高9 6 和 4 3 甲醛可降低水溶性和水蒸汽透过率 同时提高抗拉强度和刺穿强度各两倍 但是 化学交联会引入对人体有害的小分子 用酶法对大豆蛋白进行交联可以避免 由化学交联带来的化学试剂的污染 在谷氨酰胺转移酶的交联作用下 膜的力学性能提 高 阻隔性能也明显的得到改掣2 6 加热大豆分离蛋白溶液可形成表面膜 沉淀和干燥大豆蛋白成膜溶液也能制备大豆 蛋白膜 热处理温度和时间的不同会影响到大豆蛋白膜的溶解性能和膜中分子间的相互 作用力 1 9 1 热处理同样可以使大豆蛋白变性 暴露出巯基和疏水基团 巯基再形成二硫 键而使蛋白质膜形成三维网状结构 这样可以使蛋白质膜的拉伸强度和水蒸气阻隔性提 高 而断裂伸长率降低 慨删 在成膜溶液中加入还原剂 可打断分子中的二硫键 s s 增加巯基 s h 量 在 随后的膜液干燥中形成新的分子间二硫键 还原剂处理还可以使很多肽链分子量降低 有利于暴露内部疏水基团 增强膜的强度和阻隔性能 常用的还原剂有半胱氨酸 抗坏 血酸 亚硫酸钠等 r h i m 2 2 报道在成膜溶液中 j n k 十二烷基磺酸钠 s d s 可以大幅度改 变大豆分离蛋白膜的特性 增加膜水溶性和抗拉强度 降低膜水蒸气透过率 另外 p h 值和离子强度等条件都影响蛋白质分子在溶液中的形态 聚集和物理交联 并最终影响其成膜的性能 p h 值为6 1 1 时制备的大豆蛋白膜的抗张强度和断裂伸长率 以及水蒸汽阻隔性均高于在p h 值为1 3 条件下制备的膜的这些性制引j 除此之外 用共混的方法更能有效的提高膜的性能 如用聚乳酸 2 7 刎 淀粉 2 9 羧 甲基葡甘聚糖 3 0 l 等与大豆蛋白共混来提高其力学性能 二 明胶复合膜的研究进展 明胶膜具有良好的生物相容性和可降解性 并且其物化性质能被调节 因而应用比 较广泛 明胶无抗原性 易于吸收 但因其存在膜质脆 不耐水 潮湿环境中易受细菌 侵蚀而变质 力学性能差等缺点而限制了其使用 国内外采用不同的方法对明胶膜进行 性能改善 不同添加剂和制备条件对明胶膜的机械性能 阻隔性能 生物可降解性等的 9 江南大学硕士学位论文 影响 通常增塑剂可以改善明胶膜的脆性 减小其机械强度和热稳定性 交联能有效提 高明胶膜的机械性能和热稳定性 减缓明胶的降解速率 交联包括化学交联 生物相容 性交联和物理交联 将明胶与高聚物共混 共聚改性 可以改善明胶膜的性能以满足不 同领域的应用 亲水性的增塑剂能和蛋白质形成链间氢键 减少蛋白质的分子间力 因而可以减小 膜的抗拉强度 t s 和弹性模量 e m 增加断裂伸长率 e b 通常增塑剂具有双 重的增塑效果 其一是增塑剂本身增塑 其二是增塑剂具有强烈的吸湿性把一些水分吸 到明胶的矩阵结构中 a r v a n i t o y a n n i s 等 6 2 j 研究了明胶分别与可溶淀粉和羟丙基淀粉复 合 用多元醇增塑可食膜 结果表明增加水 甘油或山梨醇的存在降低膜的t s 和e m 增加膜的e b s o b r a l 等 6 3 1 用山梨醇增塑明胶膜 随着山梨醇的浓度增加 膜的穿刺强度 下降 穿刺变形和水蒸汽渗透系数增加 并且玻璃转化温度变宽 出现相分离的现象 l i m 等m 研究了甘油对用转谷氨酰胺酶交联的明胶膜性能影响 增加甘油的量时膜 湿含量增加 t s 减小 e b 增加 氧气的透过量也增加 t h o m a z i n e 等 6 5 l 研究了不同配比 的甘油和山梨醇增塑的明胶膜的机械性能 阻水性等 结果表明 甘油和山梨醇组合增 塑可以消除甘油和山梨醇单独增塑时增塑剂容易从膜中析出或结晶出来的现象 b a r r e t o 等 6 6 1 发现增塑剂山梨醇明显降低了酪蛋白钠 乳清蛋白和明胶可食膜的降解活化 能 降低了热降解的起始温度和最高温度 热稳定性的降低明显与山梨醇对蛋白质分子 内和分子间氢键的影响有关 g o s w a m i 等 67 研究发现明胶和三甲基苯酚复合 其热稳定 性提高 并且聚乙二醇4 0 0 作增塑剂时 复合物的热稳定性进一步提高 但是当增塑剂 用量超过7 1 7 时 热稳定性又降低 这是由于聚乙二醇4 0 0 是通过化学健合作用结合到 复合物的 所以对其热稳定性的影响比较复杂 交联在明胶膜制备过程中非常重要 交联能有效提高明胶膜的机械性能和热稳定 性 交联包括化学交联 生物相容性交联和物理交联 化学交联是添加化学交联剂使得 明胶分子中的氨基 羧基与交联剂的某些基团结合 常用的化学交联剂有甲醛 戊二醛 二异氰酸酯 碳二亚胺 聚环氧化合物和酰基叠氮化物等 化学交联剂中 醛类能快速与蛋白质反应 因而被广泛用于交联明胶 b i g i 掣6 8 发 现戊二醛的浓度从0 1 增加到l 质量分数 时 交联度从6 0 增加到接近1 0 0 同 时明胶膜的变形减小 断裂应力增加 交联能阻止明胶在缓冲液中的释放 减小其溶胀 性 并且提高膜的热稳定性 王映红掣叫发现甲醛作为小分子交联剂 对明胶膜的交联 优于戊二醛 且蒸汽交联比溶液交联完全 c k e l l i n j 等叩报道戊二醛 g 1 a 的浓度从l o o 增到2 1 5 质量分数 时 交联的明胶膜的e m 减小 e b 明显增加 而t s 变化不大 这 种现象解释为明胶溶液冷凝时 同时发生了化学交联和物理交联 恢复为胶原的三螺旋结 构 增 j i i g t a 阻碍明胶的物理交联 m a t s u d a 掣7 1j 发现随着明胶膜中g t a 浓度的增加 交联膜与生物组织的粘附强度增加 c a r v a l h o 掣7 2 j 比较了甲醛 乙二醛化学交联和转谷 氨酰胺酶 t g a s e 交联对明胶膜性能的影响 发现酶交联膜的水蒸气渗透性降低较明显 甲醛交联显著提高膜的机械性能 化学交联膜的热稳定性提高较多 l i m i 李 叫指出t g 弱e 催化酰基转移反应 在蛋白质分子间和分子内形成赖氨酸的交联 而通常使用的化学交 1 0 第一章绪论 联剂醛类 是通过醛基与蛋白质中的氨基形成希夫碱而产生交联网络结构的 共混是提高高分子膜材料性能的有效方法 而且发现引入天然高分子材料与明胶共 混 共混材料的生物相容性 可控降解性都得到了明显改善 如壳聚糖 3 1 1 藻酸盐 3 2 和透明质酸 3 3 与明胶共混制备膜 这些材