生物源纤维第二章 201509080914课件

1、天然蛋白质纤维（如羊毛、蚕丝）蛋白质纤维再生蛋白质纤维再生动物蛋白纤维再生植物蛋白纤维所有蛋白质纤维都能被酸或碱溶液水解，水解后的最终产物是-氨基酸。第二章 蛋白质纤维蛋白质纤维指基本组成物质为蛋白质的一类纤维。主要知识点：2.1 蛋白质的基础知识2.2 蚕丝纤维2.3 羊毛纤维2.4 再生蛋白质纤维重点：蛋白质的结构、理化性质，蚕丝羊毛纤维的结构和理化性质。难点：蚕丝、羊毛、大豆等蛋白纤维的结构、性能和理化性质。2.1 蛋白质的基础知识一、蛋白质的化学组成及分子结构1、化学组成 蛋白质是分子量很高的有机含氮高分子物，结构较为复杂，但组成元素的种类并不很多，主要有碳、氢、氧、氮等。不同的蛋白质

2、其氨基酸构成比例及方式不同，故各种蛋白质其含氮量不同。一般蛋白质含氮量为16%，即100克蛋白质的含氮量平均为16克，数值(6.25)称为蛋白质系数。2.1 蛋白质的基础知识2、氨基酸组成羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。天然蛋白质中的氨基酸主要有20种左右，它们的共同特点是都属于-氨基酸。可用如下通式表示：2.1 蛋白质的基础知识甘氨酸赖氨酸谷氨酸 水解只生成-氨基酸的简单蛋白质，如卵清蛋白、乳清蛋白、角蛋白、丝素蛋白。水解后，除生成-氨基酸外，还生成非蛋白如糖类、核酸、含磷铁化合物等结合蛋白质。氨基酸是无色晶体，熔点较高，大多数氨基酸易溶于水，几乎不溶于非极性

3、溶剂。2.1 蛋白质的基础知识蛋白质简单蛋白质结合蛋白质血红蛋白（与血红素）核蛋白（与核酸）脂蛋白 （与脂肪）粘蛋白 （与糖）辅基卵白蛋白，丝蛋白，米精蛋白肽键平面示意图二、蛋白质分子的结构蛋白质的大分子可以看作是由-氨基酸彼此通过氨基与羧基之间的脱水缩合，以酰胺键（肽键）连结而成的大分子： 1. 蛋白质的一级结构一级结构或称化学结构。是指蛋白质中以共价键相连的氨基酸的排列顺序。2.1 蛋白质的基础知识-折叠结构由两条肽链或一条肽链内的各肽段之间的=C=O与NH形成氢键而成。两肽链可以是平行的(左图)，也可以是反平行的（右图）。多肽链除此两种局部折叠形式外，还有转角（-turn，或称-发夹结构

4、）和无规卷曲（random coil ）。3. 蛋白质的三级结构三级结构：多肽链在二级结构的基础上，由于相隔较远的氨基酸残基侧链的相互作用，发生范围广泛的盘旋和折叠，从而产生特定的三维空间结构。 2.1 蛋白质的基础知识4. 蛋白质的四级结构四级结构几个各具有特定的一、二、三级结构的多肽链在一起，或者有时还和辅基在一起，再以一定的关系相集合，构成蛋白质。2.1 蛋白质的基础知识二硫键(-S-S-)又称作二硫桥或硫硫键：是指两个硫原子之间形成的化学键。其键能很大，大约为30100Kcal/mol 因此是一种很强的化学键它可以把不同的肽链或同一肽链的不同部分连接起来对稳定蛋白质的构象起着重要的作用

5、。二硫键的形成：在细胞外大多数二硫键的形成是自发地， 而在细胞内它需要细胞膜上的酶系统来将二硫键引入蛋白质。因为现代的细胞是依靠很强的还原环境所维持的，例如5mM的还原谷胱甘肽和0.01mM 的氧化谷胱甘肽，在这样的条件下蛋白质中二硫键的形成就不是自发的了。二硫键在胞外蛋白中的功能：在胞外蛋白中二硫键决定了胞外蛋白的机械性质。例如：角蛋白蛇毒毒素蛋白和其它的毒素蛋白多肽激素消化酶免疫球蛋白溶菌酶以及牛奶蛋白等，在这些蛋白质中二硫键的作用对于结构的稳定Schematic models of an antibody molecule and a Fab fragment二、非共价相互作用 蛋白质的

6、空间结构主要是由非共价相互作用所维系的。弱的相互作用力使得非共价键易于断裂，使蛋白质分子具有柔性。 主要非共价相互作用力:范德华相互作用, 静电相互作用, 疏水相互作用, 氢键和盐键等+ + 蛋白质结构中的非共价相互作用 1、范得华相互作用:原子间以及被化学键所饱和的分子间存在着弱的相互吸引力 极性基团偶极矩之间的静电力； 诱导力； 色散力。 三种范得华相互作用中，色散力是占主要地位的相互作用力。 色散力:非极性分子中的原子和分子的原点振动引起的, 动态极化可使在某一瞬间电子云的重心偏离核正电荷的中心使得非极性分子产生瞬间偶极矩，此瞬间偶极矩将在邻近分子中诱导出偶极矩，这种瞬间偶极矩与诱导偶极

7、矩的相互作用力称作色散力。2、静电相互作用:因为分子中不同类型的原子形成共价键时成键电子的分布是不对称的，因此分子中大多数的原子都带有部分电荷，另外蛋白质分子中极性氨基酸的侧链也带有部分电荷。 蛋白质的静电相互作用可分为蛋白质分子内部的静电相互作用和蛋白质分子外部与周围环境即溶剂的静电相互作用。 3、氢键:氢键是通过氢原子参与成键的特殊形式的化学键当一个电负性较强的原子与氢键合后，继续与另一个电负性较强的原子键合：XH.Y氢键是稳定蛋白质二级结构的主要因素。4、疏水相互作用 ： 疏水相互作用是由于非极性基团的存在，引起了水分子的结构重排，形成了水和水之间的氢键网络，使水的有序度增加而使熵降低。

8、 维持蛋白质三级结构最主要的因素是疏水相互作用。 非极性分子在水中倾向于聚集在一起以减少表面积，这也就是蛋白质分子中疏水内核形成的原因。疏水性的一个重要特点是它的可加和性，即一个大分子的疏水性可由组成它的基团的相对疏水性的加和得到。氨基酸侧链的相对疏水性和亲水性 5、盐键 当一个氨基酸的氨基和与它空间相邻的另一个氨基酸的羧基互相靠近时，形成盐键。-COO.H3N- 相邻的氨基和羧基的结合能大约为5.0 Kcal/mol 左右 在蛋白质工程研究中，人们拟从下面几个方面对蛋白质分子进行改造，以图提高蛋白质分子的稳定性： 1、疏水相互作用 2、静电相互作用 3、氢键 4、二硫键 疏水相互作用被认为是

9、蛋白质折叠的主要驱动力，蛋白质分子中的疏水基团暴露于溶剂中往往会引起不利于蛋白质折叠的自由能变化，将氨基酸从水中转移到有机溶剂中的转移自由能的大小可用来衡量疏水相互作用的大小。Methews等人对T4 溶菌酶中的Ile 做了11 种的不同氨基酸残基的替换，研究发现该蛋白质的稳定性和转移自由能之间存在着直接的比例关系，通过计算蛋白质折叠过程中溶剂可接触表面积的变化来评估疏水相互作用对蛋白质稳定性的影响。 疏水相互作用静电相互作用蛋白质分子的静电相互作用包括带电基团以及原子上的部分电荷之间的相互作用。定点突变的实验结果表明静电相互作用对稳定性的影响依赖于带电基团的位置，例如在a螺旋的N 端附近引入

10、酸性氨基酸或在C 端附近引入碱性氨基酸均可以提高蛋白质分子的稳定性。氢键氢键对蛋白质空间结构的稳定性极为重要，特别是对二级结构的形成起着关键的作用。Bryan 等人用随机突变的方法诱变枯草杆菌蛋白酶BPN的基因筛选到的一个耐热突变型蛋白酶序列测定表明是其218 位的一个Asn 变成了Ser。二硫键引入二硫键可以减少蛋白质去折叠的构型熵，因此可以提高蛋白质分子的稳定性。但是引入二硫键的前提是二硫键的引入不能同时增加结构张力。Bod and Huber 1992The Crystal Structure of the Double-headed Arrowhead Protease Inhibit

11、or A in Complex with Two TrypsinsBao et al. 1. 蛋白质的两性性质蛋白质分子中除末端的氨基与羧基外，侧基上还含有许多酸性、碱性基团，所以蛋白质兼具酸、碱性质，是典型的的两性高分子电解质。式中“P”表示多肽链。四、蛋白质的两性性质和等电点2.1 蛋白质的基础知识2.蛋白质的等电点：溶液的pH值调节到某一值，蛋白质正、负离子所带电荷数相等，此时中性的双极离子浓度达最大值，这个pH值叫做等电点。蛋白质分子上所带的正负电荷数相等时的pH值。氨基酸以偶极离子（内盐）形式存在：水溶液中有如下平衡：由上式可以明显地看出，这三种状态之间的关系，是由溶液的氢离子浓度决

12、定的。2.1 蛋白质的基础知识羊毛和蚕丝的等电点： 羊毛 4.24.8 蚕丝 3.55.2等电点时的性质：蛋白质在等电状态时，呈现一系列特殊的也是极为重要的性质，如：溶胀、溶解度、渗透压、电泳以及电导率都最低； 染整加工时尽可能在等电点附近，以使损伤最小。等电点以下： 蛋白质存在状态为 H3N+RCOOH H+外 H+内， pH外 pH内等电点以上： 蛋白质存在状态为 H2NRCOO- H+外 pH内高分子化合物分子量多为1万100万颗粒直径在1100nm其分子表面有许多极性基团，亲水性极强，易溶于水成为稳定的亲水胶体溶液 因此，可发生丁达尔现象、布郎运动，不能透过半透膜，具有吸附力等五、蛋白

13、质溶液的胶体性质丁达尔效应：指光被悬浮的胶体粒子（例如：乳剂、混悬剂）散射，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”的现象。城市中的丁达尔现象：清晨，在茂密的树林中，常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，类似于这种自然界现象，也是丁达尔现象。这是因为云、雾、烟尘也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶液粒子大小一般不超过1

14、nm，胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间，其大小在4090nm。小于可见光波长（400 nm750 nm），因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。而对于真溶液，虽然分子或离子更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，真溶液对光的散射作用很微弱。丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用物理方法。蛋白质胶体性质的应用由于胶体溶液中蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。透析法：以半透膜提纯蛋白质的方法叫透析法。半透膜：只允许溶剂小分子通过，而溶质大分子不 能通过，如羊皮纸、火棉胶、玻璃纸等。 蛋白质变性指蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的

15、空间构象被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，这种现象称为蛋白质变性。一般认为蛋白质的二级结构和三级结构有了改变或遭到破坏，都是变性的结果。可逆变性：蛋白质变性之后经过适当处理，蛋白质性质可发生恢复的变性。不可逆变性：去除变性因素或经过处理不能使蛋白质恢复原有性质的变性。1. 物理性质：溶解度下降，粘度增大，失去结晶能力等。2. 化学性质：更易发生化学反应，水解速度加快。3. 生物活性：酶失去催化活性，激素失去生理调节作用。引起蛋白质变性的因素： 使蛋白质变性的化学方法有加强酸、强碱、重金属盐、尿素、丙酮等；能使蛋白质变性的物理方法有加热(高温)、紫外线及X射线照射、超声波、剧烈振

16、荡或搅拌等。六、蛋白质的变性2.1 蛋白质的基础知识七、蛋白质的水解1. 酸水解酸性水解通常用6mol/L的盐酸或3mol/L的硫酸。2. 碱水解肽键对碱比对酸敏感，用0.25mol/L的NaOH就能进行水解。3. 酶水解不同的酶对蛋白质进行水解可得到不同的中间产物。 蛋白质在碱的作用下，水解后氨基酸会消旋，但色氨酸稳定。酸法水解由于后续的酸液对环境污染，水解产物会有异味；碱法水解则会使L型氨基酸变成D型，且两种水解方法都不存在专一性，因此酶法水解成为趋势。2.1 蛋白质的基础知识2.2 蚕丝纤维 蚕丝是熟蚕结茧时所分泌丝液凝固而成的连续长纤维，也称天然丝，是一种天然纤维。人类利用最早的动物纤

17、维之一。2.2.1 蚕丝的种类 （1）家蚕丝：即桑蚕所产之丝。是最早在我国利用的天然纤维，被织成绫罗绸缎等许多织物，久负盛名，是高级纺织原料，纤维细柔平滑，富有弹性，光泽、吸湿好。 （2）野蚕丝：种类很多，常见有柞蚕丝，蓖麻蚕丝，天蚕丝，樟蚕丝，柳蚕丝等。其中以柞蚕丝为主要产品，也是最早在中国利用的蚕丝。它的强伸度要比桑蚕丝好，耐腐蚀性，耐光性，吸湿性等方面也比桑蚕丝好，但它的细度差异大，长度短，丝上常有天然色，缫丝比较难，杂质也多，适合作中厚丝织物。 蚕丝是天然蛋白质类纤维，是自然界可供纺织用的天然长丝。分为家蚕丝与野蚕丝两大类(1)蚕丝的形成2.2.2 蚕丝的形成与形态特征在丝素中，所含主

18、要氨基酸侧基小，因而使蚕丝分子结构较为简单，长链大分子规整排列，呈-折叠构象，有较高的结晶性。(2) 蚕丝的化学组成水溶性球蛋白纤维状蛋白桑蚕的绢丝腺柞zuo蚕丝截面形态桑蚕丝的截面形态鳞片层(3) 蚕丝的形态结构横截面呈近三角形；纵向表面光滑，粗细均匀，少数地方有粗细变化，光泽强而不刺眼。蚕丝的层次结构 (1)形态尺寸(2)强伸度强力：麻丝毛棉；强度：麻丝棉毛；伸长：毛丝棉麻(3)吸湿性毛麻丝棉(4) 蚕丝的物理机械性质生丝的抱合性是指丝胶把若干根茧丝粘在一起而不脱散的性能。(4)抱合性据考古发现，约在4700年前中国已利用蚕丝制做丝线、编织丝带和简单的丝织品。商周时期用蚕丝织制罗、绫、纨、

19、纱、绉、绮、锦、绣等丝织品。蚕有桑蚕、柞蚕、蓖麻蚕、木薯蚕、柳蚕和天蚕等。蚕丝质轻而细长，织物光泽好，穿着舒适，手感滑爽丰满，导热差，吸湿透气，用于织制各种绸缎和针织品，并用于工业、国防和医药等领域。中国、日本、印度、前苏联和朝鲜是主要产丝国，总产量占世界产量的90%以上。2.2.3 蚕丝的应用历史由单个蚕茧抽得的丝条称茧丝。它由两根单纤维借丝胶粘合包覆而成。缫丝时，把几个蚕茧的茧丝抽出，借丝胶粘合成丝条，统称蚕丝。除去丝胶的蚕丝，称精练丝。蚕丝中用量最大的是桑蚕丝，其次是柞蚕丝。缫丝 将蚕茧抽出蚕丝的工艺概称缫丝。原始的缫丝方法，是将蚕茧浸在热盆汤中，用手抽丝，卷绕于丝筐上。盆、筐就是原始的

20、缫丝器具。缫丝工艺过程包括煮熟茧的索绪、理绪、茧丝的集绪、拈鞘、缫解、部分茧子的茧丝缫完或中途断头时的添绪和接绪、生丝的卷绕和干燥。2.2.3 蚕丝的生产工艺索绪将无绪茧放入盛有90左右高温汤的索绪锅内，使索绪帚与茧层表面相互摩擦，索得丝绪。柞蚕茧用手索绪，但不能在封口部位索绪。索得绪丝的茧子称为有绪茧。理绪除去有绪茧茧层表面杂乱的绪丝，理出正绪。理得正绪的茧称为正绪茧。集绪将若干粒正绪茧的绪丝合并，经接绪装置轴孔引出，穿过集绪器（又称磁眼），集绪器有减少丝条水分、减少颣节和固定丝鞘位置等作用。拈鞘丝条通过集绪器、上鼓轮、下鼓轮后，利用本身前后两段相互拈绞成丝鞘。缫解把正绪茧放入温度40左右的

21、缫丝汤中，以减少茧丝间的胶着力，使茧丝顺序离解。如离解中的茧丝强力小于其间的胶着力，就会产生断头，这个现象称为落绪。茧子缫至蛹衬而落绪的称为自然落绪；缫至中途而落绪的称为中途落绪。添绪和接绪当茧子缫完或中途落绪时，为保持生丝的纤度规格和连续缫丝，须将备置的正绪茧的绪丝添上，称为添绪。立缫用人工添绪,自动缫由机械添绪,由接绪器完成接绪。由于一粒茧的茧丝纤度粗细不一，为保证生丝质量，立缫添绪时除保证定粒外，还必须进行配茧，即每绪保持一定的厚皮茧和薄皮茧的数量比例。卷绕和干燥由丝鞘引出的丝，必须有条不紊地卷绕成一定的形式。丝条通过络交器卷绕在筒子上的称为筒装生丝。但是无论何种卷绕形式，在卷绕时都要进

22、行干燥。缫丝工程混茧剥茧 选茧煮茧缫丝复摇整理检验 煮茧：利用水和热的作用，有时也添加化学助剂，把茧丝外围的丝胶适当膨润、软和，使茧丝间的胶着力小于茧丝的湿润强力，以便在缫丝时茧丝能连续不断地依次离解。 生丝的性能1、触感柔软。桑蚕丝手感干滑凉爽，柞蚕丝干爽温暖。2、吸湿性较强（WK=11%）。染色性能好，色彩鲜艳。3、具有较好的强度，延伸性和弹性。4、耐酸不耐碱。不耐盐水侵蚀。5、耐光性较差（天然纤维中最差）6、熨烫温度160180 。（蒸气，垫布）7、易被虫蛀，也易生霉。2.2 蚕丝纤维1. 丝素的相对分子质量和化学结构 分子链：嵌段连结结晶区：侧基小的氨基酸剩基，排列整齐而紧密。无定形区

23、：侧基大、结构复杂的氨基酸剩基。空间构象结晶部分为伸直状态，属-构象键长、键角丝素的分子链在纤维的晶区呈-构象，结晶度约为50%。缨状原纤结构模型。丝素的无定形区对丝素的性质起主导作用。2. 丝素的结晶结构2.2.4 丝素的结构三、丝素的物理性能1. 力学性质断裂强力 羊毛断裂伸长羊毛吸湿量增加，断裂强力下降，断裂延伸度有所增加2.2 蚕丝纤维2. 水的作用丝素在常温水中的吸水膨胀有一定的限度有限膨润。吸湿率仅次于羊毛和粘胶纤维，标准回潮率10%。吸湿同时发生溶胀，条件激烈，肽键水解，纤维失重，机械性能变化。可溶解在某些酸、碱或盐的水溶液中。3. 盐类的作用与负离子的水化能力有关，负离子水化能

24、力越大，与丝素争夺水分子的能力愈强，丝素不易发生水化。盐类在水中溶解生成的离子，会促使水分子的极性增加，有利于丝素的膨润溶解。4. 热性能2.2 蚕丝纤维四、丝素的化学性能1. 酸和碱的作用酸的作用：条件不同，发生不同程度水解。弱无机酸和有机酸，常温不损伤蚕丝，还可增进光泽、手感，并赋予“丝鸣”的特性。单宁酸可做增重剂和媒染剂（易吸收，不改变蚕丝性质，难以洗去）。碱的作用：敏感，催化肽键水解。影响因素碱的种类和浓度作用温度和时间电解质总浓度强碱高温损伤大，弱碱相对稳定。2.2 蚕丝纤维2. 氧化剂和还原剂的作用氧化剂：比较敏感氧化侧基、端基、肽链等含氯氧化剂最严重，不能用氯漂和亚漂氧漂较为缓和

25、，但PH不能过高还原剂：稳定，常用Na2SO3、NaHSO3、Na2S2O4（脱胶时用）3. 光氧化作用在天然纤维中耐光性最差。紫外线使蛋白质分子链降解，泛黄；硫脲处理，对阻止和消除紫外线的影响效果较为显著；硫氰酸铵、单宁等具有还原性的物质能延缓光氧化的进行。铜、铁、锡、铅等盐对光氧化有催化作用。 4. 染料的作用5. 丝素的增重6. 酶和微生物的作用2.2 蚕丝纤维2.2.5 丝胶的结构和性质1. 丝胶的组成和结构C、H、O、N、S基本组成：氨基酸最外层丝胶的分子排列基本是无定形状态，向内结晶度逐层提高，且取向增加。桑蚕丝含丝胶2030%。柞蚕丝含丝胶12%。2.2 蚕丝纤维丝胶的性质吸湿性

26、比丝素好。在水中强烈吸湿会发生膨化。两性性质，酸性略大于碱性，等电点PH=3.94.3。不溶于酒精、丙酮、苯等有机溶剂，但酒精、丙酮、单宁等会使丝胶液凝固。桑蚕丝含丝胶量柞蚕丝。2. 丝胶的变性3. 丝胶的澎润和溶解（溶剂、温度、pH、电解质）4. 丝胶的吸附2.2 蚕丝纤维 在自然界中，蜘蛛生产着最细的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代。科学家们开始注意到蜘蛛丝非同一般的性能。2.3 蜘蛛丝纤维蜘蛛丝的结构和性能 蜘蛛丝属于蛋白质纤维，一般蜘蛛丝包含捕捉丝（捕获猎物），径向丝（辐条状）及圆周网丝三种类型的丝（有的蜘蛛能产生八种类型的丝）。捕捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体

27、中合成，而径向丝和圆周丝蛋白则在蜘蛛的壶腹腺中合成。蜘蛛的腺体液离开蜘蛛身体后立即固化成蛋白质纤维，固化后的蜘蛛丝不溶于水并具有优良的性质。蜘蛛丝有一些被称为原纤的纤维束组成。圃蜘园蛛圃蜘园蛛蜘蛛丝的应用历史蜘蛛丝被用于纺织品可上溯至18世纪，最具代表性的是当时由巴黎科学院展出的织成于1710年的蜘蛛丝长统袜和手套，这是人类历史上有记载的第一双用蜘蛛丝织成的长统袜和手套；1864年美国制作了另外一双薄蛛丝长统袜，所用的蛛丝是从500个蜘蛛的喷丝头中抽取出来的；1900年的巴黎世界博览会上展示了一块由2.5万只蜘蛛生产的9.14万0米丝织成的16.46长0.46宽的布.蜘蛛丝是由一些被称为原纤的

28、纤维索组成，而原纤又是几个厚度为120nm的微原纤的集昝体，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物，蠕蛛丝蛋白则是由各种氨基酸组成的多肽链按一定方式组合而成。分析表明，蜘蛛丝蛋白的氨基酸组成以智氨酸和丙氨酸为主，二者之和约占70%，还有丝氨酸、谷氨酸、亮氨酸、精氨酸和络氨酸等。 蜘蛛丝具有很高的强度。有人发现，有的蜘蛛丝其强度比芳纶和超高分子量聚乙烯纤维的强度还大，是钢的510倍。蜘蛛丝的弹性和柔韧性都很好，耐冲击性强。耐低温性能好，在-40的条件下仍能保持其弹性，在需要低温使用的场合，其优点特别显著。蜘蛛丝是由蛋白质组成，因而是生物可降解的，不会对环境造成污染。a 蜘蛛丝的组成b 蜘蛛丝的

29、微观结构从电子显微镜下观察蜘蛛丝，可发现，蜘蛛丝有点类似悬吊桥梁的大钢索，中间有一根主要的钢索，而周围又以其他较小的钢索缠绕着电子显微镜下蜘蛛丝的结构外观上又细又柔软的，蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于：1.不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性；2.规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。1 蜘蛛丝的结构经扫描电镜观测，蜘蛛丝内部结构透明、无孔隙 。2，蜘蛛丝横截面接近圆形 。蜘蛛丝的纵向形态是丝中央有一道凹形痕迹，平均直径为6.9 m，蜘蛛丝在水中会发生截面膨胀，径向收缩。 防渗水性良：蜘蛛丝产生于蜘蛛的旋转腺，是一种无规则的卷曲蛋白质，在精确的酸性、含水量和化学浓度下形

30、成，最终通过导管释放出来。这些纤维体具有防渗水性，部分透明，部分卷曲。此外，蜘蛛丝还可用作绷带，具有很好的抗菌性。强度大：同等粗细下蜘蛛丝的强度是钢铁的5倍，美国南部有种“黑寡妇” 蜘蛛，它的强度比钢丝大10倍。如果用于制造盔甲，强度是凯夫拉防弹衣3倍。耐低温：蜘蛛丝在-40摄氏度时仍能保持其弹性，只有在更低的温度下才变硬，在低温下使用，这种纤维特别明显。蜘蛛丝纤维是具有优良强度、模量、伸长度、断裂能。质量轻盈、耐紫外线，可降解无污染：蜘蛛丝是由蛋白质组成的，具有生物相容性、生物可降解性和可回收性。蜘蛛丝的性能黑寡妇仿蜘蛛丝纤维的应用纺织制品：特种面料的衣服军事及民用防护方面：防弹衣，坦克和飞

31、机的装甲航空航天方面：宇航服，复合材料建筑方面：用于制造桥梁、高层建筑和民用建筑等的结构材料和复合材料。 农业和食品方面：用做捕捞网具，代替造成白色污染的包装塑料等 医疗和保健方面：人工筋腱、人工韧带、人工器官，用于人体组织修复、伤口处理和手术缝合线等。蜘蛛丝弹性好、柔软，穿着舒适，是很好的纺织纤维。利用基因技术将绿色荧光蛋白质与丝蛋白质分子相融合生产出荧光丝，与普通丝交织制成织物如服装、围巾、帽子，在紫色、蓝色灯光下发出荧光图案，将会成为全球时装展示会上最时尚的纺织面料。纺织制品防弹背心防割手套防割不燃手套及臂套 防刺服军事及民用防护领域由于蜘蛛丝不仅具备强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能

32、，而且有目前的材料所不及的透气性，另外蜘蛛丝的超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效地减速，使它用于防弹衣，会起到极好的消力作用，对破碎作用是一种很大的障碍；因此非常适合防弹衣的制造；也可以用于制造坦克和飞机的装甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等。航天航空领域蜘蛛丝的强度高，韧性大和一定的热稳定性，在极高温度下才会分解，可用于做降落伞布降落伞索、降落伞绸，这种降落伞重量轻、防缠绕、展开力强大、抗风性能佳，坚牢耐用。蜘蛛丝还可用于织造太空服等高强度材料。医学尤其是组织工程领域蜘蛛丝的优越性还在于它是天然的蛋白质纤维，与人体有良好的相容性，因而可通过转基因技术制成伤口封闭材

33、料和生理组织工程材料，如人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱、组织修复、神经外科及眼科等手术中的超细伤口缝线等产品，具有韧性好、可降解等特性。a）人造皮肤蜘蛛丝纤维的通透性与天然皮肤非常接近，又具有比较发达的伸展性，非常适合未来的人造皮肤的要求。b）人工肌腱当将磷酸等嵌入丝后，丝纤维可以吸附到骨骼的晶体外层，而蜘蛛丝的高强度，韧性以及良好的柔性和可塑性，使其成为适宜替代肌腱的前景材料。人皮制造c）缝合线蜘蛛丝用作材料则可使手术更精细，修复更完整，术后通过一定的方法使其降解，就可吸收，无须再进行一次痛苦的手术。d）人体角膜蜘蛛丝蛋白透明，可湿，具有通透性，有可能利用它对人体角膜进行更换，以及

34、利用其强弹性来恢复对眼睛的润节，从而缓解或彻底解决近视对人类的困扰。生物领域1）酶等生物大分子的固定材料丝类蛋白纺织系统特殊分子结构赋予它比例适中的亲水性和疏水性，同时水溶性的丝类蛋白可以加工成各种形态及形状的材料以便不同用途。2）生物传感器固定了特异抗原的丝类纤维膜可以用作检测相关病疾的生物传感器，被固定的抗原物质与体内产生特异抗体相作用形成固定在纤维上的抗原抗体复合物，这种特异的结合反应可以通过电讯号的形成被检测到。建筑领域可用做结构材料和复合材料，应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，以减轻其重量。农业和食品领域可做捕捞网具，可用以替代会造成白色污染的包装材料等。电子领域 其半晶体结构可以发

35、展生物半导体技术，其稳定的室间构象和在一定条件下可逆的自装配行为可作为生物计算机的优良材料。蜘蛛的产丝量小， 提取工艺复杂，且蜘蛛不能像养蚕那样能够进行商业养殖，其地域性和进攻性使其不能进行广泛的养殖；并且蜘蛛吐出的丝并不是象蚕那样形成茧丝，而是蜘蛛网丝，也就是所谓的拖丝或网络丝。随着科学技术的发展，开发生产蜘蛛丝已成为可能。人们在获取蜘蛛丝蛋白基因后，利用已清楚的氨基酸重复序列信息，人工合成其类似DNA片段， 通过微生物、动物、植物等途径表达蜘蛛丝蛋白后进行溶液纺丝，以获取蜘蛛丝纤维。蜘蛛丝的开发生产基因合成发酵法：将这种蛋白的产丝基因转移到细菌中，用细菌大量繁殖生产这种蜘蛛丝蛋白。 转基因

36、法：将蜘蛛基因植入哺乳动物乳腺细胞内，使蜘蛛丝蛋白再进行重组。第一是利用动物如奶牛或奶羊来生产这种蜘蛛丝蛋白；第二是利用微生物来生产；第三是利用植物来生产。加拿大Nexia生物技术公司宣布已经获得成功，办法是将能复制蜘蛛丝蛋白的合成基因移植到山羊，山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，据报导这种羊奶中含有经基因重组的蛋白质2-15g/1，用这种蛋白质生产的纤维取名生物钢(Biosteel)，其强度比芳纶大3.5倍。该公司正研究如何将羊奶中的蛋白质进行纺丝的问题。据加拿大Nexia 生物公司总裁Turner 博士 估计,用转基因山羊方法加工得到的蛛丝纤维Biosteel 的价格将为50

37、 美元/kg 左右,成本与芳香族聚酰胺纤维(防弹纤维Kevlar) 相当甚至低于后者,但蜘蛛丝 的断裂功是Kevlar 的3.5 倍,所以较少的原料就能达到同样的机械性能要求。利用微生物来生产蜘蛛丝蛋白，这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋白的基因移植给微生物，使该种微生物在繁殖过程中大量生产类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。例如美国杜邦公司已经发现一种名叫Escherichia coli的细菌和一种名叫Pichia pastoris的酵母菌通过基因移植技术能合成出高分子量的类似于蜘蛛拉索丝蛋白的蛋白质。并发现用E.coli细菌可有效地生产出高分子量的蜘蛛丝蛋白，其分子长度可达1000个氨基酸，但高分子量蜘蛛丝

38、蛋白的产量和均匀性则受到限制，可能由于在末端合成中某些端基出现了错误。而用P.pastoris酵母菌生产的高分子量蜘蛛丝蛋白则没有不均匀的问题，这种酵母菌可分泌出与蜘蛛拉索丝相似的蜘蛛丝蛋白。俄罗斯科学家则将蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给一种学名叫Saccharomyces.cerevisiae的酵母菌，繁殖后酵母菌体蛋白质的不溶组份中80%以上为与蜘蛛丝蛋白相似的蛋白质，且产量可观，还进行了蛋白质的分离和纯化等，以便以后进行纺丝。下一步工作就是研究如何利用工业发酵的方法大量生产这种细菌或酵母菌，然后把这种类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质分离出来做为纺丝的原料。利用植物来生产蜘蛛丝蛋白。这种方法是将能生产

39、蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给植物，如花生、烟草和土豆等作物，使这些植物能大量生产类似与蜘蛛丝蛋白的蛋白质，然后将蛋白质提取出来作为生产仿蜘蛛丝的原料。如德国植物遗传与栽培研究所将能复制Nephila clavipes蜘蛛拉索丝的蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给烟草和土豆，所培植出的转基因烟草和土豆含有可观数量的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，90%以上的蛋白质含有420-3600个碱基对，其基因编码与蜘蛛丝蛋白相似，这种经基因重组的蜘蛛丝蛋白含于烟草和土豆的叶子中，也含于土豆的块茎中。由于这种经基因重组的蛋白质有极好的耐热性，使其提纯与精制手续简单而有效。仿蜘蛛丝 的关键技术 12蜘蛛丝蛋白的制备纺丝过程的

40、仿生利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中， 生成蜘蛛丝蛋白质，并进行提纯蜘蛛所用的“纺丝液”是水作溶剂 美国一支科学家小组曾试着基因改良山羊，在羊奶中产生蜘蛛丝蛋白质。现在使用合成基因诱导细菌产生丝蛋白来形成一种人造蜘蛛丝，细菌产生的丝蛋白是蜘蛛丝中的一种结构蛋白质。他们还与一家 汽车零配件制造商合作建立一个工厂，每个月可制造99.8公斤的合成蜘蛛丝。Spider公司希望2015年能够实现一年生产10吨合成蜘蛛丝。公司总裁Kazuhide Sekiyama说：“这种合成蜘蛛丝具有多种行业用途，例如：汽车制造领域和医学领域等。”目前生产蜘蛛丝纤维的呼声

41、很高，特别是如果能用转基因的方法从羊奶、牛奶中大量获得蜘蛛丝蛋白，则这种转基因仿蜘蛛丝在价格上完全可以和对位芳纶竞争，据说生产这种仿蜘蛛丝的费用可降低到每公斤50美元以下，而目前蚕丝的平均生产费用也要每公斤26-33美元。2.3 羊毛纤维螺旋卷曲状角朊多肽长链分子 基原纤 螺旋盘绕 微原纤、原纤、巨原纤 集束一、羊毛纤维的组成与结构羊毛纤维的层次结构鳞片层皮质层髓质层正皮质偏皮质拒水，防沾污，缩绒性双边结构，天然卷曲毛髓影响纤维品质 一、羊毛纤维的组成与结构2.3 羊毛纤维组成：C、N、O、N、S副键：氢键、盐键和二硫键含硫量直径大，含硫量少鳞片皮质层髓质层P皮质细胞O皮质细胞结构：由大量-氨

42、基酸以一定顺序首尾连结而形成的多肽。低硫蛋白质的多肽链具有-螺旋构。高硫蛋白质的多肽链是无规卷曲的。一、羊毛纤维的组成与结构2.3 羊毛纤维鳞片层外壳组成：片状角质细胞根部附着于毛干，梢部则伸出毛干表面。细羊毛鳞片可见高度低于粗羊毛。细羊毛鳞片层厚度大于粗羊毛。一、羊毛纤维的组成与结构鳞片层皮质层主体决定性质组成：纺锤型皮质细胞，分为O皮质细胞和P皮质细胞两种。O皮质细胞：含S低，易于染色，位于羊毛卷曲波形的外侧。P皮质细胞：位于羊毛卷曲波形的内侧。双侧结构：O、P细胞的双侧异构分布。一、羊毛纤维的组成与结构皮质层髓质层组成：薄膜细胞结构疏松、内部充有空气。细胞之间联系很弱。髓质多，则弹性和强

43、度较低。一、羊毛纤维的组成与结构髓质层羊毛的层次结构羊毛纤维的主要物理性能卷曲强伸性缩绒性吸湿性正皮质疏松，偏皮质紧密的双边结构，形成天然卷曲。拉伸强度低，但伸长能力好，断裂伸长率25%35%，并具有优良的弹性回复能力。逆鳞片摩擦系数比顺鳞片摩擦系数要大，经机械外力反复挤压，纤维集合体收缩紧密，并相互穿插纠缠，交编毡化。回潮率天然纤维中第一，达16%；分子中含有大量的极性基团，疏松的纤维结构。2.3 羊毛纤维二、羊毛纤维的物理性质羊毛纤维的缩绒性概念：指羊毛在湿热条件下经外力的反复作用，纤维之间互相穿插纠缠，纤维集合体逐渐收缩变得紧密。毛纤维表面有鳞片结构，顺鳞片方向和逆鳞片方向的摩擦系数不同

44、。当毛纤维在湿热条件下受到挤压或揉搓等外力作用时, 纤维倾向于向阻力较小的方向移动,而形成不可恢复的缠结，这就是羊毛毡缩性。应用：缩绒或缩呢 毛织物整理时常利用这种特性，使织物表面缩成紧密的绒面称为缩绒。原因：顺鳞片方向和逆鳞片方向的摩擦系数不同。羊毛卷曲形状1、平波2、衡波3、浅波4、常波5、深波6、密波7、折线波羊毛强伸性拉伸与回复性能断裂强力不高，断裂延伸率高，断裂功较大。温湿度对拉伸性能的影响相对湿度，初始模量、屈服应力、断裂强力，断裂延伸度温度，初始模量、屈服应力、断裂强力，断裂延伸度回复性能与聚集态结构有关卷曲，螺旋构象：可由-构象转为-构象。二硫键：阻止分子链间相对滑移。二、羊毛

45、纤维的物理性质1. 机械性能2. 热性能3. 耐光性能日光的照射对羊毛有破坏作用绵羊背部的毛尖发黄，手感粗糙，弹性下降。紫外线作用下，二硫键发生氧化和水解。在天然纤维中，羊毛还是最耐晒的纤维。4. 可塑性弹性好，吸湿性强，保暖性好，不易沾污，光泽柔和，染色优良，有独特的缩绒性。品质支数：羊毛的平均直径在某一范围内的羊毛细度。品质支数60以上为支数毛，品质支数低于60属于级数毛。2.3 羊毛纤维羊毛可塑性概念：指羊毛在湿热条件下，可使其内应力迅速衰减，并按外力作用改变现有形态，再经冷却或烘干使形态保持下来。效果：过缩、暂定、永定应用：毛织物的定形（煮呢、蒸呢、电压和定幅烘燥等）。1. 水对羊毛的

46、作用良好的吸湿性：相对湿度6080%，回潮率可达1418%异性溶胀羊毛在有水分存在时拉伸，伸长率超过20%以上时，羊毛蛋白分子的-螺旋开始向-折叠转变，当伸长率达到70%时，全转变为-折叠结构。去除外力后，可回复到-螺旋构象。也就是卷发的生化基础。条件激烈，肽键水解，纤维失重，机械性能恶化。三、羊毛纤维的化学性质2. 酸的作用羊毛对酸的作用比较稳定，属于耐酸性较好的纤维；可以用强酸性染料，在pH值24的染浴中沸染。还可以用硫酸进行炭化，以去除原毛中的草籽、草屑筹植物性杂质。 3. 碱的作用具有较大的破坏作用；拆散盐键，催化水解；促进二硫键的分解和新交联键的建立，提高羊毛形态的稳定性。羊毛对碱的

47、稳定性差，羊毛经碱作用后受到严重损伤、变黄、含硫量降低（对胱氨酸键的破坏）、溶解性增加。影响因素：碱的种类和浓度：烧碱最强烈。作用温度和时间电解质的总浓度 pH值8 破坏渐趋加重 pH值11 破坏剧烈 羊毛在3%的NaOH溶液中煮沸可完全溶解。2.3 羊毛纤维4. 盐的作用5. 氧化剂的作用羊毛加工常使用氧化剂，主要是用作漂白。 毛纤维对氧化剂比较敏感，特别是含氯氧化剂，在高温下作用更为强烈。 过氧化氢对羊毛的作用比较缓和，常用于漂白，但条件控制不当，仍会造成损伤，pH值是最大的影响因素。pH7时，双氧水除能使二硫键发生氧化外，也能与多缩氨酸键发生反应，使羊毛角质退化。纤维损伤的程度与双氧水的

48、浓度，温度及处理时间有关，铜、镍等金属离子也能起催化作用。利用卤素的氧化作用，可以对羊毛进行防缩处理，通常用的是氯化法，其作用机理是经过氯化处理后，羊毛鳞片部分被溶解，使其边缘变钝，端部平滑，使羊毛纤维方向性摩擦效应减弱，降低其缩绒性。2.3 羊毛纤维6. 还原剂的作用用到还原剂的场合：羊毛的漂白和卤素防缩整理加工中的脱氯。羊毛定形及用高锰酸钾处理后去除纤维上的二氧化锰把过量的氧化剂脱去。破坏二硫键，碱性介质尤为严重。2.3 羊毛纤维 还原剂主要与羊毛纤维中的二硫键起反应，也能破坏盐式键。在碱性介质中，破坏作用更为强烈。硫化钠对胱氨酸的破坏反应如下：亚硫酸氢钠与羊毛胱氨酸键反应如下：四、其他毛

49、类纤维1. 山羊绒（cashmere）山羊绒，是紧贴山羊表皮生长的浓密细软 的绒毛。平均细度1416um，长50mm，强度，伸长度 弹性都大于同细度的其他动物毛。纤维纤细，柔软有弹性，光泽柔和，集轻，暖，软，滑于一身，是毛纺原料中十分名贵的品种。同细羊毛一样由鳞片层、皮质层组成，有时出现点状髓质层。物理性能：细度、长度、强度、色泽、缩绒性、静电现象、弹性、可塑性、吸湿性能。化学性能：水、酸、碱的作用。2. 马海毛（Mohair) ：是安哥拉山羊毛。纤维较粗长，卷曲少, 强度大， 弹性足，光泽强。马海毛制品不易沾染杂质 洗涤后不易毡缩，耐磨损性能好。马海毛初剪毛和幼羊毛质量优。表面鳞片少，光滑平直，具有蚕丝的光泽，强度高，富有弹性，耐磨性比羊毛差，静