羊毛角蛋白的提取及其防毡缩的应用研究

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我国是产毛和用毛大国,每年毛纺行业都会产生大量不可纺的下脚料如短纤维、粗纤维;同时随着人民生活水平的提高,废弃羊毛纺织品的数量也剧增。这既浪费资源又造成环境压力。随着人们环保意识的不断增强,纺织品的回收再利用越发得到人们的重视。从废弃羊毛中提取角蛋白对于变废为宝,满足人类对绿色环保、可持续发展的需求具有深远意义。羊毛角蛋白作为一种天然环保生物材料倍受关注,开发高效、经济、环境友好的羊毛角蛋白提取技术已成为重要课题。本文首先采用过热水、蛋白酶、还原法三种方法对羊毛角蛋白进行提取,通过现代分析测试手段,比较了三种方法提取的角蛋白的结构和性能。然后采用还原法制备的角蛋白粗溶液直接对羊毛织物进行防毡缩整理,并对工艺进行优化,确定了最佳防毡缩整理工艺;同时借助氨基酸分析,测试织物二硫键(胱氨酸)含量的变化,并结合羊毛织物表面形态的变化(SEM),探讨角蛋白防毡缩机理。过热水是近年来新兴的一种绿色溶剂,利用水在过热条件下所具有的独特性质,在不添加任何化学试剂和其他反应物的情况下,可以使角蛋白溶解在过热水中,使原来难溶难降解的角蛋白达到了降解的目的。本文以废弃羊毛作为研究对象,分别使用过热水法、蛋白酶法和还原法提取角蛋白。借助SDS-聚丙烯凝胶电泳(SDS-PAGE)、MALDI-TOF-MS、傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)、广角X射线衍射(WAXD)、热重分析(TG)和氨基酸测试对三种方法提取的角蛋白进行结构和性能表征。研究结果表明,采用过热水法的羊毛溶解率和角蛋白产率分别高达89.15%和81.46%,角蛋白分子结构中二硫键部分断裂,其分子量<1.6kD,呈多肽形式;而蛋白酶法提取的角蛋白分子量为10kD左右,还原法提取得到大分子量角蛋白,分子量分布在40-55kD。并蛋白酶法和还原法产品的热稳定性较过热水法角蛋白好。由于还原法提取的角蛋白分子量大并且其粗溶液(不经透析)可直接用于羊毛织物整理,经济实用,便于产业化,所以本文对还原法提取的角蛋白粗溶液直接用于羊毛织物的防毡缩整理进行了探讨。对比不同角蛋白整理工艺对织物防毡缩效果的影响,并对工艺进行优化,确定最佳防毡缩整理工艺。结果显示,还原预处理能促进角蛋白对织物的防缩性;优化工艺条件整理后羊毛织物的毡缩率由16.84%降至1.82%,达到国际羊毛局机可洗标准,且织物强力损失小。在最佳整理工艺下,通过对羊毛织物的SEM照片观察以及羊毛织物水解物中氨基酸含量的测试,分析还原预处理后织物、角蛋白整理后织物二硫键含量的变化,探究角蛋白防毡缩机理。SEM照片显示,角蛋白在羊毛纤维表面有明显积聚,这会减少羊毛鳞片层的定向摩擦效应,达到防毡缩效果。氨基酸含量分析的结果显示,经过还原预处理后织物的胱氨酸含量由原织物的4.19%下降至2.78%,而再经还原法提取的角蛋白整理后织物的胱氨酸含量上升至3.28%。这说明还原剂的加入一定程度上破坏羊毛织物中纤维上的二硫键,生成具有反应活性的巯基;在角蛋白溶液整理过程中,角蛋白分子上的部分反应性巯基与羊毛中的二硫键发生交换反应,生成稳定的Keratin-S-S-Wool化学键,从而获得耐久的防毡缩整理效果。
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