何明,窦瑶,陈智鹏,尹国强,陈循军,崔英德,3
(1西北工业大学材料学院,陕西 西安 710072;2仲恺农业工程学院化学化工学院,广东 广州 510225;3广州科技职业技术学院,广东 广州 510550)
角蛋白膜材料的制备及改性研究进展
何明1,窦瑶1,陈智鹏2,尹国强2,陈循军2,崔英德1,3
(1西北工业大学材料学院,陕西 西安 710072;2仲恺农业工程学院化学化工学院,广东 广州 510225;3广州科技职业技术学院,广东 广州 510550)
角蛋白是一类存在于毛发、指甲、羽毛中的可生物降解的可再生资源。本文介绍了浇铸成膜、热压成膜、静电纺丝 3种常见的角蛋白成膜方法,对比分析了各种方法的特点和优势。针对单一角蛋白膜材料性能较差的不足,详细综述了通过增塑改性、化学改性以及与其他天然/合成高分子共混改性等对角蛋白膜材料的改性研究进展,指出角蛋白良好的成膜性和反应活性,使得角蛋白及其改性膜材料具有广阔的应用前景。最后提出今后的研究方向为角蛋白的高效提取、角蛋白成膜机理的研究以及膜材料的高性能化研究。
角蛋白;蛋白膜;制备;交联;接枝;共混
近年来,合成高分子材料作为塑料、橡胶、纤维、薄膜、涂料等在各个领域取得了广泛的应用,但是随着人们环保意识的逐渐增强,合成高分子材料的非生物降解性对环境的污染问题在一定程度上限制了其进一步的发展,再加上石油资源的逐渐枯竭,研究可生物降解同时又是可再生资源的天然高分子及其改性材料受到了研究者的广泛关注。角蛋白是一类丰富的可再生蛋白质,但是其分子内特殊的二硫键交联结构,使得其开发利用的难度大于大豆分离蛋白、玉米醇溶蛋白等植物蛋白。其中,回收利用羽毛[1]、羊毛[2]、人发[3]中的角蛋白制备膜材料,应用于食品包装、药物缓释、重金属离子吸附以及生物膜等领域是目前角蛋白研究的一大热点。本文介绍了角蛋白膜的成膜方法及机理,综述了角蛋白膜材料的增塑改性、化学改性和共混改性途径及进展。
1.1 浇铸法
浇铸法指控制pH配制一定浓度的角蛋白溶液,加入增塑剂混合均匀后,倾倒在洁净平整的玻璃板上,通过溶剂的蒸发干燥成膜,膜的厚度可通过角蛋白溶液的浓度和体积加以控制。浇铸法的关键是选择合适的物理或化学方法,控制工艺条件,在破坏角蛋白中二硫键以及氢键、盐式键的同时,保留分子中的肽键,从而提取出分子量尽可能大的可溶性角蛋白。常用的提取方法有物理法、酸碱法、还原法、酶法等[4-5]。此外,还有课题组对复合法(醇盐预处理-还原提取法)提取角蛋白的工艺进行了研究,结果表明复合提取法在不降低分子量(20kDa)的基础上,提高了角蛋白提取率(90%)[6-7]。CHURCH等[8]利用拉曼光谱对比分析了羽毛角蛋白提取前、Na2S提取后以及浇铸成膜后这一连续过程中3种存在状态下角蛋白的结构变化,结果发现,羽毛角蛋白成膜后的谱图与 Na2S提取前羽毛中角蛋白的谱图很相似,蛋白仍然保持β-折叠结构,只是 S—S的含量有些许减少,而提取的可溶性角蛋白在成膜前大多数 S—S都是断裂的。由此可见,可溶性角蛋白在提取过程中打开了蛋白分子中大部分的二硫键,而在浇铸成膜过程中,随着溶剂的蒸发,这些断开的二硫键大部分又重新生成。
1.2 热压法
热压法指将角蛋白粉末与增塑剂混合均匀后,放在加热夹板之间,在一定的温度和压力下热压一段时间,冷却后得到均一无粉末的角蛋白膜[9]。KATOH等[10]发现水也可以作为增塑剂增加热压过程中角蛋白分子的可移动性,添加10%的水可以将角蛋白在玻璃化转变温度以上的温度下,热压成致密且无粉末状蛋白的透明膜。原料混合过程中,通过向角蛋白粉末中同时添加与水等质量的乙醇,克服 10%的水无法将角蛋白粉末充分分散均匀的不足。120℃下热压得到的角蛋白膜力学性能最好,抗拉强度和杨氏模量分别为27.8MPa和1218MPa,并且具有较好的耐水性能。热压法的优点是可以省去角蛋白提取这一步骤,而直接将原羽毛、羽毛纤维等热压成膜,工艺流程简单[1]。同时,为了进一步改善角蛋白的热塑性,将角蛋白化学改性后再进行热压是一种有效的途径[11-12]。
1.3 静电纺丝法
静电纺丝法指角蛋白溶液在电场中产生的带电射流向接受装置高速运动的过程中,溶剂不断挥发,蛋白高分子链段逐渐缠结,并在接受装置上沉积、固化,从而形成纤维网状的薄膜。静电纺丝纳米纤维膜由于其纤维尺寸可控、比表面积大、孔隙率高等独特的结构特点,在生物支架、药物缓释、组织工程等生物医学领域具有广阔的应用前景[13]。目前,为了克服纯蛋白力学性能差的不足,角蛋白静电纺丝纳米纤维膜的研究大多集中在用聚氧化乙烯[14-15]、聚己内酯[16]、聚乳酸[17]等高聚物改性制备复合纳米纤维膜。
2.1 增塑改性
与其他蛋白质一样,角蛋白如果直接成膜,脆性大,力学性能差,可用性不高。因此,在角蛋白的制膜过程中,需要在体系中加入一些小分子增塑剂,这些小分子增塑剂能渗透到角蛋白高分子的三维空间网络中,削弱分子链之间的氢键等作用力,从而提高膜材料的韧性,改善其力学性能。
甘油、山梨醇等小分子多元醇是蛋白膜中普遍采用的一类增塑剂。MOORE等[18]研究了甘油对羽毛角蛋白膜物理性能的影响,结果表明,当甘油添加量从 0增加到 9%时,角蛋白膜的抗拉强度从16.6MPa降至 2MPa,断裂伸长率从 1.7%增加至31.9%,同时水蒸气透过率增加了近 20倍。MARTELLI等[19]以山梨醇作增塑剂制备羽毛角蛋白膜,随着山梨醇用量的增加,蛋白膜的抗拉强度也增加,断裂伸长率先增大后减小(抗塑化作用,antiplasticizing),在添加量为2%时达到最大值,而当山梨醇用量为30%时,水蒸气透过率达到不加增塑剂时的84倍。甘油、山梨醇增塑的不足,一是其大量的羟基会在很大程度上增加膜材料的亲水性,二是小分子增塑剂容易在使用过程中迁移至膜材料表面,失去其增塑作用。对此,MARTELLI等[20]研究了不同分子量聚乙二醇(PEG)对羽毛角蛋白膜的增塑效果,结果发现,PEG400的增塑效果最好,在减少膜脆性的同时,并没有增加膜的水溶性和水蒸气透过率。
2.2 化学改性
2.2.1 官能团改性
角蛋白分子链上的巯基、羟基等基团通过部分官能团改性,可以使蛋白质网络中的官能团更加多样化,从而赋予蛋白膜材料更好的性能。FUJII等[21]研究了双氧水和漂白水对人发角蛋白膜的氧化作用,结果显示:角蛋白膜能经受得住氧化处理而保持整体质量几乎不变,氧化后半胱氨酸含量减少,磺基丙氨酸含量增加,即一部分—SH 转化为—SO3H,膜的透明性更好,并且在蛋白变性剂尿素存在的溶液中,蛋白溶出率减少,耐水性得到提高。
SCHROOYEN等[22]利用碘乙酸与半胱氨酸中的—SH反应,使角蛋白羧甲基化,当控制反应条件使羧甲基化的比例为50%时,角蛋白膜的力学性能达到最佳,如图1所示。这是因为羧甲基化反应虽然使得由半胱氨酸氧化生成的二硫键减少,即化学交联密度降低,但是它同时也使得角蛋白成膜过程中β-折叠结构更容易形成,即物理交联密度增加。而且随着羧甲基化程度的提高,角蛋白膜的结晶度也增加。上述因素的综合效果使得羧甲基化进行到一定程度(50%)时,角蛋白膜的弹性模量、抗拉强度和断裂伸长率呈现最大值。
REDDY等[12]用丙烯晴处理羽毛,在羽毛中角蛋白的—OH位置醚化,引入氰乙基,结果发现氰乙基化的羽毛展现出未氰乙基化羽毛所不具备的良好的热塑性,熔融温度为 167℃,通过热压法制备的热塑性膜抗拉强度为 1.6~4.2MPa,断裂伸长率为5.8%~14%。值得注意的是,氰乙基化羽毛的熔融温度167℃,大大低于淀粉乙酸酯(270~315℃)、纤维素乙酸酯(230~300℃)等其他天然高分子改性产物,这样可以避免高温热压成膜对蛋白质结构的破坏以及膜产品性能的不利影响。
2.2.2 接枝聚合改性
接枝聚合法可以在蛋白质多肽链上引入合成高分子链,在保持蛋白质原有特性的基础上,丰富、强化材料的综合性能。MARTINEZ-HERNANDEZ等[23]报道了以高锰酸钾/苹果酸为氧化还原引发剂,制备甲基丙烯酸甲酯接枝聚合羽毛角蛋白纤维的方法,优化了较佳反应条件,通过红外、扫描电镜证实了接枝聚合反应的可行性,提出了反应机理,同时分析了接枝的可能反应部位,如图2、图3所示。JIN 等[24]制备了羽毛和丙烯酸甲酯的接枝聚合产物,最优条件下单体转化率为97%,接枝率为35%,接枝效率为78%,接枝聚合后经热压而成的改性蛋白膜,即使在高甘油含量的情况下,抗拉强度都要高于大豆分离蛋白膜和乙酸淀粉膜等天然高分子膜。直接将乙烯基单体接枝到原羽毛上,减少了提取角蛋白的成本,同时还保持了羽毛特有的结构。而关于接枝聚合引入的合成高分子链难降解的问题,有研究指出当接枝率不高时,天然高分子(淀粉)可以促进微生物分解丙烯酸甲酯,使接枝聚合物保持较好的生物降解性能[25]。
图1 碘乙酸改性羽毛角蛋白膜的改性程度对弹性模量、抗拉强度以及断裂伸长率的影响[22]
2.2.3 交联改性
交联改性可以利用交联剂的反应活性在角蛋白多肽链之间形成三维网络交联结构,增加链与链之间的结合力,从而改善膜的性能[26]。醛类交联剂,如甲醛、乙醛、戊二醛是蛋白膜中最常使用的交联剂,交联改性后可提高膜材料的力学性能、阻水性能、热稳定性,同时降低水溶性[27-29]。但是,膜里残留醛的毒性限制了其在生物和食品领域的应用[30]。窦瑶等[31]考察了双醛淀粉(DAS)对羽毛角蛋白膜的交联效果,相比于低分子醛类,以天然高分子淀粉为原料制备的双醛淀粉毒性大大减弱,DAS交联后的膜结构更致密,透明性更好。REDDY等[32]的研究发现,柠檬酸交联能增强角蛋白膜的耐湿性能。由于空气中水蒸气能对羽毛蛋白起溶胀作用,未交联的羽毛蛋白膜在相对湿度90%的抗拉强度,与在相对湿度65%的抗拉强度相比下降了82%。而用浓度为 2%的柠檬酸交联后,角蛋白膜在相对湿度90%的抗拉强度与未交联相比,提高了157%。
图2 苹果酸/KMnO4引发甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝角蛋白主链的反应机理[23]
图3 角蛋白可能的接枝部位示意图[23]
TANABE 等[33]用乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)、丙三醇二缩水甘油醚(GDE)两种二环氧类交联剂交联角蛋白,交联后的角蛋白膜力学性能提高到与之前制备的角蛋白/壳聚糖复合膜[34]相当,并且具有更好的抗水性能,在中性和酸性介质中均不溶胀,即使在碱性介质中的溶胀程度也比未交联的角蛋白膜和角蛋白/壳聚糖复合膜低。此外,有研究者还发现有些酶也能对角蛋白起到交联作用,可用于提高角蛋白的分子量、抗拉强度以及在磷酸缓冲液和人工胃液中的稳定性[35]。
2.3 与其他天然/合成高分子共混改性
角蛋白中含有丰富的羟基、氨基等基团,可以与其他天然/合成高分子间形成分子间氢键,制备分子间结合紧密、性能优越的共混膜。与其他蛋白材料不同,角蛋白在提取过程中,需要用还原、碱处理等方法破坏分子间的二硫键,这使得角蛋白成膜后力学强度一般都不高。TANABE等[34]制备了角蛋白/壳聚糖复合膜,壳聚糖的添加改善了角蛋白膜的脆性,起到增塑作用的同时,还提高了膜材料的强度和韧性。复合膜即使在各种酸碱度(pH=4、6.3、8.9)的溶液中浸泡溶胀至平衡,仍然能保持较高的力学性能。此外,明胶[36]、CMC[37-38]都被证明与角蛋白有着较好的相容性,与其共混后膜材料的均匀性好,不会出现相分离现象,且力学性能均得到较大的提高。在合成高分子共混方面,GOU等[39]发现,当角蛋白与聚乙烯醇配比为4:6时,共混膜有着较好的力学性能,既引入了聚乙烯醇的韧性,又保持了角蛋白的刚性。TONIN等[40]研究了角蛋白/聚氧化乙烯(PEO)共混膜中两个组分之间的相互影响关系,一方面,角蛋白能减少PEO中的结晶区,使其熔点降低,当共混膜中角蛋白含量增加至80%时,PEO中的结晶区完全消失;另一方面,PEO能影响角蛋白的二级结构,当PEO含量为20%、40%、60%时,角蛋白呈热稳定性更好的β-折叠结构,蛋白变性温度升高,当PEO含量增加至80%时,角蛋白向α-螺旋转变,变性温度降低。共混改性过程中,考虑共混各组分中基团的反应特征,也通过加入交联剂在共混组分间形成交联结构,提高分子链间的结合力,从而进一步优化膜材料的性能[41-42]。
角蛋白广泛存在于动物羽毛和羊毛中,如能对角蛋白进行回收综合利用,不仅能减少羽毛、羊毛的随意丢弃对环境造成的污染,而且还能变废为宝,制备环境友好型功能高分子材料,产生极大的经济效益和社会效益。角蛋白本身具有良好的成膜性,同时分子结构中的巯基、羟基等官能团,为其提供了较好的反应活性。因此,角蛋白及其改性膜材料具有广阔的发展前景和应用空间。今后的研究方向主要集中在以下几方面。
(1)角蛋白的高效提取 丰富提取手段,优化工艺条件,提高角蛋白的收率,同时保持其高分子量及分子活性。
(2)角蛋白的成膜机理 研究各种成膜过程中角蛋白分子构型、表面及内部形态的变化规律,为角蛋白的改性研究提供理论支持。
(3)膜材料的高性能化 寻求新型的改性方法,探究膜材料各项性能之间的内在关系和影响因素,提高膜材料的综合性能,使其适应不同环境,满足特殊要求,进一步扩大其应用领域。
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Research progress in preparation and modification of keratin films
HE Ming1,DOU Yao1,CHEN Zhipeng2,YIN Guoqiang2,CHEN Xunjun2,CUI Yingde1,3
(1School of Material Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi,China;2College of Chemistry and Chemical Engineering,Zhongkai University of Agricultural and Engineering,Guangzhou 510225,Guangdong,China;3Guangzhou Vocational College of Science and Technology,Guangzhou 510550,Guangdong,China)
Keratin is a class of biodegradable and renewable resource that can be found in hair,nails and feathers.The methods of preparing keratin films including casting method,hot-press method and electrospinning method were introduced.Characteristics and advantages of each method were analyzed.Pure keratin films possess poor performance,thus current status and progress of keratin film modifications,such as plasticizer modification,chemical modification,and blending with other natural/synthetic polymers were summarized.With favorable film forming property and reaction activity,modified keratin films have wide potential applications in the future.Finally,the future research trends were presented as efficient extraction of keratin,mechanism of keratin films formation,and high-performance keratin films preparation.
keratin;protein films;preparation;crosslinking;graft;blend
O 636.9;TB 324
A
1000-6613(2016)09-2839-06
10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.027
2015-11-25;修改稿日期:2016-01-28。
国家自然科学基金(21176269)、广东省科技计划(2013B010403029)及广东省高等学校科技创新项目(2013KJCX0102)。
何明(1984—),男,博士研究生。E-mail heming1026@163.com。联系人:尹国强,教授。E-mail yingq007@163.com。