羽毛绒溶解工艺与羽毛蛋白的高值化应用技术研究

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羽毛绒是一种纤维化蛋白,其中角蛋白含量高达80%,角蛋白拥有稳定的空间网状结构,紧密的结晶区,排列规整的分子链,这是由于肽链中含有大量的-S-S-键交联作用和分子间氢键、离子键和酯键等化学键的作用,使羽毛绒角蛋白很难溶解,这给羽毛绒的溶解、提取、开发应用带来了难题。目前,全球羽毛绒来源丰富,价格低廉,少部分作为填充材料和装饰物品,大部分废弃,没有被合理使用,这样不仅极大的浪费了蛋白质资源,还会对环境造成巨大的污染,在环境问题日益严重、资源逐渐匮乏的现在,继续浪费羽毛绒蛋白显然不符合可持续发展的道路。因此对于废弃羽毛绒的开发迫在眉睫,强碱、生物酶等方法溶解羽毛绒获得的产物大多为低分子量蛋白,低产率,且溶剂成本高,对环境造成污染,这些限制了羽毛绒的开发利用。离子液体作为一种兴起的绿色溶剂,拥有不挥发、无毒性、易回收和强溶解性等特点受到关注。其中咪唑类离子液体在溶解蛋白质方面显现了巨大优势。本论文立足于生态纺织品及加工技术的发展前沿,以保护人类生态环境为前提,实现资源充分利用为目的,探索废弃羽毛绒绿色、高效的利用途径。本论文首先表述了羽毛绒的定义、形貌结构、微观分子结构和利用价值,罗列了关于羽毛绒角蛋白的提取方法及存在的主要问题,介绍了离子液体的发展历程、合成方法和对蛋白质的溶解研究,确立了本论文的研究目的和研究内容。第二,合成咪唑结构离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl),通过UV-Vis和FT-IR表征其结构。探究废弃羽毛绒在三元溶剂(CaCl2/H20/C2H5OH)、溴化锂和离子液体三种不同溶解体系中的溶解能力,结果表明,三元溶剂、溴化锂只能部分溶解羽毛绒,且存在溶解时间长、溶解后产物分子量低的问题,但羽毛绒可在较短的时间内完全溶解于离子液体,获得的产物具有较高的分子量,同时具有节能降耗的工艺优势。最终选择离子液体为溶剂用于溶解羽毛绒角蛋白,探究了离子液体对羽毛绒蛋白的最大溶解度,结果表明,在90℃条件下,羽毛绒粉体可完全溶于[Amim]Cl中,溶解度可达11%。探究了离子液体溶解体系中羽毛绒蛋白的光谱特性及再生后的结晶结构,结果表明,羽毛绒在溶解过程中二硫键被打断,不破坏蛋白质构象,具有蛋白质光谱吸收特性,再生蛋白质主要以无定形非晶态结构为主。第三,基于羽毛绒在312nm处表现紫外光谱特性,构建了蛋白质定量分析方法,具体为:建立了羽毛绒蛋白的标准曲线方程Y=0.2446X+0.9067,式中Y为吸光度,X为羽毛绒蛋白浓度,相关系数R=0.9883。对方程进行了精度验证,相对标准偏差RSD范围在0.68%-2.28%,表明采用该标准曲线方程分析溶液中目标产物的浓度具有较高的精度,同时对方程的稳定性进行了验证,相对标准偏差RSD范围在0.76%-3.37%,表明羽毛绒蛋白在离子液体具有较好稳定性,标准曲线方程具有较好重现性。最后,对再生羽毛绒蛋白(FP)和聚乙烯醇(PVA)复合成膜进行了研究。通过湿法成膜工艺,制备不同比例的复合膜,通过FT-IR和SEM表征复合膜结构,结果表明FP与PVA系物理融合,没有产生新的化学键,复合膜表面平整光滑,没有出现明显的空洞和裂纹等缺陷。系统的测试了复合膜的吸水性、动态和静态接触角、透光性、机械及光老化性能,结果表明复合膜中随着FP含量的增加,吸水性能有所下降,吸水率从471%下降至202%;复合膜的亲水性随FP含量增加而减小;复合膜的透光率随FP含量增加稍有下降,从100%下降至70%;机械性能随FP含量增加逐渐的降低,断裂强度和断裂伸长率最小达5.57MPa和52.7%,在紫外线光照条件下,复合膜的机械性能有所下降,光照后断强损失率达26.75%。
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