基乙醇溶解羊毛角蛋白的影响因素

基乙醇溶解羊毛角蛋白的影响因素

用基乙醇溶解山羊的角蛋白，但其溶解过程受到许多因素的影响，如基乙醇的浓度、溶液的ph值、添加剂的比例、反应温度等。本文主要讨论温度对巯基乙醇溶解羊毛角蛋白的影响。羊毛角蛋白结构极其复杂,分子量大而且具有分散性,分子的形状有线型支化和交联,角蛋白高分子以结晶和非结晶2种方式聚集,因此羊毛角蛋白大分子的溶解要比一般高聚物的溶解复杂得多。由于羊毛角蛋白这种结构的复杂性和特殊性,其溶解路线就是以非晶区和结晶区的溶胀为主,进而打破大分子的有序排列和分子间的交联,使大分子链松动、滑移、分离,最后形成溶液。这样,对羊毛的理想溶解应该是打开羊毛角蛋白大分子间的横向联系并同时保持大分子主链的完整。蛋白质大分子之间的横向联系,都具有一定的结合能,具体见表1。要打开这些横向联系不仅需要有合适的溶剂,而且需要有一定的能量。角蛋白分子间的氢键、范德华力、盐式键、二硫键是可以通过化学试剂将其减弱或断裂的。其中氢键、范德华力、盐式键等横向联系,可以通过蛋白质变性剂使其破坏或减弱,比如高浓度的尿素溶液就可实现该目的。另外,选用十二烷基硫酸钠(SDS)作为抗氧剂,SDS不仅起到防止半胱氨酸氧化的作用,而且能起到与尿素类似的作用。二硫键是在2个半胱氨酸残基之间形成的化学键,它使多肽链能够紧密地靠拢,二硫键是维持角蛋白空间结构最为坚固的化学键,断裂二硫键而控制主链降解是溶解的难点。实验表明选用还原剂巯基乙醇作为主溶剂在一定温度及碱性条件下处理角蛋白,蛋白质分子中的二硫键能够还原成为巯基,同时角蛋白降解的程度相对较小。打开二硫键需要能量的支持,为提高反应效率,温度是最直接的方式。1实验1.1试剂采用2—巯基乙醇做还原剂,尿素做蛋白质变性剂,十二烷基硫酸钠(SDS)。1.2lc/msd-msd质谱仪-g/msd电子恒温水浴锅、电子天平(精确度0.01g),恒温烘箱,Agilenttechnologies公司的Agilent1000SeriesLC/MSD质谱仪。1.3二烷基硫酸钠sds加入量①将一定重量的羊毛纤维试样放入锥形瓶中。②加入反应试剂:2—巯基乙醇浓度为3%,尿素浓度为7mol/L,十二烷基硫酸钠(SDS)加入量为2%。③在规定的实验条件下反应:反应温度30～90℃,反应时间12h。④反应后用蒸馏水充分洗涤未溶纤维,并烘干、冷却、称重。1.4结果和实验数据不同反应温度下测得试验数据列于表2中,羊毛溶解变化曲线如图1。羊毛溶解率(%)=(1-反应后未溶物质量/反应前羊毛质量)×1002温度变化对羊毛溶解率的影响2.1反应温度对溶解率的影响从表2数据和图1曲线可以看出,羊毛角蛋白在反应浴中的溶解率是随反应温度升高而显著上升。在较低温度条件下,羊毛溶解率不高,在较高温度时羊毛溶解率增加得很快,90℃时溶解率达到了93%。2.2温度对羊毛角蛋白溶解的影响溶解过程是溶质分子和溶剂分子相互混合的过程,在恒温恒压下,这种过程能自发进行的必要条件是Gibbs自由能的变化小于零,即:ΔFM=ΔHM−TΔSM<0ΔFΜ=ΔΗΜ-ΤΔSΜ<0式中ΔFM是自由能,ΔHM是混合热,T是溶解时的温度,ΔSM是混合熵。溶解温度升高时可以进行如下讨论:①ΔSM是混合熵,即角蛋白和溶剂在混合时熵的变化。因为在溶解过程中分子的排列趋于混乱,熵的变化是增加的,即ΔSM>0。②对于极性的角蛋白高聚物在极性溶剂中,由于高分子与溶剂分子的强烈相互作用,溶解时是放热的,因此ΔHM<0。③存在ΔHM-TΔSM<0,即ΔFM<0。综上所述,随着温度的升高,体系的自由能将降低(ΔFM<0),满足Gibbs定律,溶解过程能自发进行,所以温度升高有利于羊毛角蛋白溶解的进行。事实上,高分子与溶剂分子的尺寸相差悬殊,两者的分子运动速度也差别很大,溶剂分子能比较快地渗透进入高聚物,而高分子向溶剂的扩散却很慢。这样,角蛋白高聚物的溶解过程要经过2个阶段,首先是溶剂分子渗入角蛋白高分子的内部,使其体积膨胀,然后才是高分子均匀分散到溶剂中,形成完全溶解的分子分散的均相体系。温度的升高加快了溶剂分子的运动,赋予了溶剂分子足够能量,使溶剂分子能够克服角蛋白结晶区的固体壁垒和蛋白质大分子的排斥力,增加了溶剂与纤维内部横向联系接触的机会,从而使纤维解体而实现溶解,最终使溶解率增加。在羊毛角蛋白降解的过程中,交联键的解除和角蛋白高分子的溶胀是同时进行的,交联键解除得越充分,角蛋白就越容易降解;角蛋白溶胀得越充分,交联键的解除就越容易,它们的关系是相互促进,共同推动着羊毛角蛋白的溶解。3温度变化对晶体的影响3.1温度和温度对蛋白质分子量的影响从表2数据可以看出,反应温度对羊毛角蛋白降解起着很明显的作用,随着温度的升高,溶解后的蛋白质大分子的分子量有下降的趋势。在较低温度条件下,溶解后的蛋白质大分子分子量比较高,而在较高温度时分子量下降,90℃时分子量就很低了。由此看来,温度升高使角蛋白的降解加剧。3.2温度对羊毛溶解的影响从前面的分析可以知道,温度升高后,羊毛角蛋白的溶解率是提高了,但是这种提高是以分子量的下降为代价的。温度升高后会产生以下3个方面的结果。①加速反应进程,但有一个动态平衡。温度升高会加快溶剂分子与纤维内各种横向联系的接触,从而加快溶解的进程;但对同一纤维,通过同一溶剂溶解的量应该是基本稳定的,过分依赖温度只能是增加互换反应,原来断裂的二硫键又重新连接起来,最后达到一种动态平衡。增加的溶解量实际是下面2种作用的结果。②温度升高使尿素分解,溶液碱性提高,使难溶的角蛋白以降解的形式进行溶解。尿素的特点是温度越高越容易分解,分解成为氨气和二氧化碳,氨气与水结合为氨水,使得溶液的碱性增强。具体反应式如下:尿素的分解产物使溶液的碱性增加,这一点可以从表2中看出,溶液的pH值是随温度上升而提高的,在角蛋白空间网状结构已遭到破坏的情况下,未溶解的纤维在碱性情况下可以发生降解,致使羊毛溶解率上升,同时溶液中的角蛋白大分子也会发生进一步降解。③水解增加。温度升高,也使蛋白质大分子中肽键的水解增加,使大分子降解,分子量下降;在碱性条件下羊毛角蛋白肽键(>CO—NH—)水解进一步加剧,使羊毛溶解率显著增加。水解反应式如下:由此看来,用巯基乙醇方法溶解羊毛角蛋白时,不能单纯地为提高羊毛的溶解率而一味地提高溶解温度,而应综合考虑溶解率的提高和分子量的降低2个因素。4羊毛角蛋白纤维人们越来越重视对废旧材料的回收再利用,一方面可以将废旧的材料回收利用,变废为宝,另一方面也能减少环境污染,保持生态环境。废羊毛回收利用方式有纤维形态不发生改变的方式,如毛纺厂的废毛经过开松、粗梳、纺纱,然后在织机上织造斜纹织物。但这些仅仅是物理机械手段的加工回收利用,其附加值并不高,不能充分利用废旧羊毛资源;也有纤维形态发生改变的方式,例如可以提炼羊毛中的各种氨基酸,用来制造各种营养价值很高的食品、饲料以及附加值较高的医用产品等等。对羊毛角蛋白纤维进行溶解,分析其