一種再生蠶絲蛋白膜的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種再生蠶絲蛋白膜的制備方法。該方法是將泰蠶繭剪碎后放入碳酸氫鈉溶液中進(jìn)行脫膠處理，再將脫膠后的泰蠶絲進(jìn)行水洗、烘干；將脫膠干燥后的泰絲放入氯化鈣?甲酸溶液中，泰絲可以被快速溶解形成絲素蛋白溶液；將過(guò)濾后的絲素蛋白溶液進(jìn)行干燥處理，便可得到再生蠶絲蛋白膜。本發(fā)明方法可避免傳統(tǒng)方法制膜的繁瑣過(guò)程；降低生產(chǎn)后所形成有機(jī)廢水處理的難度，朝著環(huán)境友好型方向發(fā)展；通過(guò)調(diào)節(jié)氯化鈣的濃度，可制得光滑、難溶于水和熱穩(wěn)定性高的蠶絲膜。這種再生蠶絲蛋白膜不僅具有良好的生物相容性，還可以擁有不同透明度、光滑平整度和水溶性以及熱穩(wěn)定性，根據(jù)其產(chǎn)品所需的性能靈活調(diào)控，可以更好的應(yīng)用于化工、醫(yī)藥和食品行業(yè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種再生蠶絲蛋白膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于高分子領(lǐng)域，涉及一種再生蠶絲蛋白膜的加工處理方法，尤其是在蠶絲蛋白膜制作方法上，展示出了簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，同時(shí)該方法可以調(diào)控膜的結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性。本發(fā)明可為蠶絲蛋白在化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供了一定的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]蠶絲蛋白，又名絲素蛋白，是由蠶繭脫膠提取而得的纖維蛋白質(zhì)，它是由18種氨基酸組成，主要是甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和酪氨酸，這些都與人體皮膚的角質(zhì)蛋白中的氨基酸很接近。此外，這18種氨基酸中含有8種人體所必需的氨基酸。蠶絲蛋白具有良好的生物特性，如無(wú)毒、無(wú)刺激性，生物相容性，最小的炎性反應(yīng)，促進(jìn)傷口愈合的能力等。蠶絲蛋白這些獨(dú)特的生物特性，正不斷激發(fā)專(zhuān)家學(xué)者們的研究興趣。為此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蠶絲的研究熱度是在逐年攀升。
[0003]泰國(guó)家蠶絲，顧名思義，它也是家蠶絲的一種，產(chǎn)自于泰國(guó)Nakornratchasima皇后養(yǎng)蠶中心。其顏色呈黃色，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，有較好的韌性([J] Journal of ThermalAnalysis and Calorimetry.2015,122(3): 1069-1076)，現(xiàn)如今泰絲雖主要是用來(lái)做高檔服飾，但隨著對(duì)蠶絲生物特性研究熱度的攀升，近些年已有部分專(zhuān)家學(xué)者將泰絲與明膠共混制作骨支架，并將其應(yīng)用于臨床醫(yī)療上。本項(xiàng)發(fā)明我們選用泰絲做研究，期待可以為泰絲在該領(lǐng)域的研究提供一定的幫助。
[0004]蠶絲蛋白在稀溶液中主要以無(wú)規(guī)則線(xiàn)團(tuán)結(jié)構(gòu)為主，但在一定的外界條件下(溫度、濃度、PH值、金屬離子和溶劑等)可以使蠶絲蛋白的主要兩種結(jié)構(gòu)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，從而改變蠶絲的化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，其中絲蛋白的主要兩種結(jié)構(gòu)分別為:silkl結(jié)構(gòu)(無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)和α-螺旋結(jié)構(gòu))，si IkII結(jié)構(gòu)(β-折疊結(jié)構(gòu))。對(duì)于蠶絲蛋白溶液，我們可以制成薄膜、凝膠和海綿狀等各種形狀，作為傷口敷料、生物傳感器和藥物控釋載體等材料，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。
[0005]關(guān)于金屬離子(鈣離子)對(duì)絲素結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)文獻(xiàn)([J]光譜法研究鈣離子對(duì)絲素蛋白溶解過(guò)程中結(jié)構(gòu)的影響.2014,33(12):1410-1415和[J]氯化鈣對(duì)尼龍6無(wú)定型轉(zhuǎn)變過(guò)程的在位紅外研究.2004.24(3): 295-298)總結(jié)得出:氯化鈣在蠶絲蛋白溶液中，一方面鈣離子與絲素蛋白分子鏈上的酪氨酸和絲氨酸的側(cè)鏈羥基發(fā)生配位螯合作用，破壞了絲素蛋白分子鏈上的氫鍵;另一方面鈣離子對(duì)羰基具有強(qiáng)的誘導(dǎo)作用，有利于共振式的碳氮雙鍵結(jié)構(gòu)的形成。因此改變了絲素蛋白的構(gòu)象，進(jìn)而可能改變其熱穩(wěn)定性。依據(jù)此原理，我們可以制備出結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性可控的蠶絲膜。
[0006]在傳統(tǒng)的制備蠶絲膜過(guò)程中:絲素需要在沸騰的氯化鈣溶液中才能快速溶解形成再生絲素蛋白溶液([J]蠶絲不同溶解方法的研究.2011，52( 11): 665-668.)，而且這種方法會(huì)使絲素蛋白的活性幾乎全部喪失；用氯化鈣\乙醇\水三元溶液或者溴化鋰溶液來(lái)溶解絲素(CN 104448844A)，發(fā)現(xiàn)其溶解過(guò)程是很緩慢的；另外，絲素蛋白溶液的透析不但是一個(gè)緩慢的過(guò)程，而且還是一個(gè)浪費(fèi)水資源的過(guò)程。例如:中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“絲素蛋白水凝膠的制備方法”(CN 104045841A)中濾液需經(jīng)過(guò)自來(lái)水透析8-10小時(shí)，再用蒸餾水透析8-10小時(shí)；中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“一種難溶于水的柔韌絲素膜的制備方法” (CN 104448844A)需要將絲素蛋白溶液透析3天，期間每隔2小時(shí)換一次去離子水。
[0007]以上制備膜或水凝膠的方法不僅耗時(shí)還浪費(fèi)資源，還不適合工業(yè)化生產(chǎn)。因此，需尋找一種簡(jiǎn)單高效，環(huán)境友好的方法來(lái)解決膜制作過(guò)程中的繁瑣及浪費(fèi)資源問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)目前已有的絲素蛋白膜制備方法中需經(jīng)過(guò)二次處理才制得難溶于水或者其他特性的絲素膜，以及操作步驟多，使用有機(jī)溶劑多，部分生物特性會(huì)被破壞，環(huán)境不友好等缺陷，做了簡(jiǎn)化和改進(jìn)處理。本申請(qǐng)將提供一種再生蠶絲蛋白膜及其制備方法。該方法簡(jiǎn)單高效，方便靈活;根據(jù)氯化鈣濃度的高低，可以靈活地調(diào)控絲素膜的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和絲素膜水溶性、熱穩(wěn)定性。
[0009]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所用的材料為泰蠶絲。泰蠶絲是家蠶絲的一種，屬于天然的高分子材料，具有良好的生物相容性、生物降解性?，F(xiàn)逐漸為人們所關(guān)注，大多是源于蠶絲所含的氨基酸與人體內(nèi)的相同及獨(dú)特的晶型結(jié)構(gòu)，有著良好的理化性能?，F(xiàn)在蠶絲的應(yīng)用領(lǐng)域正積極向食品、化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域延伸，如用蠶絲蛋白來(lái)制造藥物緩釋劑、生物傳感器、角膜及傷口敷料等。本發(fā)明可為天然高分子材料在食品、化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供新方法和途徑，為泰國(guó)蠶絲產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0011 ] —種再生蠶絲蛋白膜的制備方法，包括以下步驟:
[0012](I)將剪碎的泰蠶繭放置在濃度為0.21wt%的碳酸氫鈉沸水溶液中進(jìn)行30-60min的脫膠處理，再用去離子水洗滌2-3次;最后將洗好的脫膠泰蠶絲自然風(fēng)干；
[0013](2)將步驟(I)中風(fēng)干好的脫膠泰蠶絲放入氯化鈣-甲酸溶液，在室溫下即可被快速溶解，形成蠶絲蛋白溶液；
[0014](3)將步驟(2)中的蠶絲蛋白溶液用微孔濾膜過(guò)濾，再將濾液澆鑄在聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具上，烘干，從而制得泰蠶絲蛋白膜。
[0015]所述步驟(2)中脫膠泰蠶絲與氯化鈣-甲酸溶液中的溶解比例范圍是1.0Og:100.0Og-1.00g:6.00g。
[0016]所述步驟(2)中氯化鈣最高濃度可達(dá)到35wt%。當(dāng)氯化鈣溶液濃度小于2.0wt%時(shí)，再生蠶絲蛋白膜中蠶絲蛋白分子的構(gòu)象主要是Silkn結(jié)構(gòu)(β-折疊結(jié)構(gòu))，其宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)為膜難溶于水；當(dāng)氯化鈣濃度大于等于2.0?〖％時(shí)，蠶絲蛋白的構(gòu)象主要是SilkI結(jié)構(gòu)(無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)和螺旋結(jié)構(gòu))，膜表現(xiàn)出易溶于水的特性。同時(shí)還發(fā)現(xiàn):隨著氯化鈣濃度的增大，再生絲素蛋白膜表面變的更加平整光滑，膜的熱穩(wěn)定性也在逐漸增大。
[0017]所述步驟(3)中微孔濾膜為孔徑0.45-2.ΟΟμπι。
[0018]所述步驟(3)中干燥溫度控制在35-70°C范圍內(nèi)，干燥時(shí)間為3-24小時(shí)。
[0019]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(I)中脫膠處理的工藝條件:碳酸氫鈉的濃度為
0.21wt%，蠶苗與碳酸氫鈉的浴比1.0Og:400ml，脫膠30min。
[0020]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(2)中將脫膠后的泰蠶絲素按0.17g泰蠶絲素:1.90g氯化鈣溶液的比例加入到氯化鈣溶液中溶解，得到8.2wt %的泰絲蛋白溶液。
[0021]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中泰蠶絲蛋白溶液用孔徑0.45μπι的聚四氟乙烯(PTFE)濾膜過(guò)濾，將濾液澆鑄在PDMS上，再將其放置在45 V烘箱內(nèi)干燥5小時(shí)。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:本發(fā)明通過(guò)高純度的甲酸為溶劑(88 %的分析純度、98 %的色譜純度、85 %、90 %或95 %工業(yè)級(jí)純度)，以氯化鈣(96 %的分析純度)為溶質(zhì)配置成氯化鈣-甲酸溶液。在常溫下使用該溶液便可快速溶解泰絲素，其操作過(guò)程簡(jiǎn)單方便，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短；降低了生產(chǎn)后所形成的有機(jī)廢水處理的難度，朝著環(huán)境友好方向發(fā)展。此外，還可以通過(guò)氯化鈣的含量來(lái)調(diào)控再生蠶絲膜的形貌、結(jié)構(gòu)、水溶性和熱穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿男枨蟆?br>[0023]本發(fā)明制備的膜可作為面膜、傷口敷料、眼角膜、支架材料和食品包裝等材料分別應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等不同領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1不同氯化鈣濃度下制備的泰蠶絲蛋白膜的電鏡圖(圖中Α、Β和C分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3中的制備的蠶絲蛋白膜)。
[0025]圖2不同氯化鈣濃度下制備的泰蠶絲蛋白膜的紅外吸收光譜(圖中Α、Β和C分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3中的制備的蠶絲蛋白膜)。
[0026]圖3不同氯化鈣濃度下制備的泰蠶絲蛋白膜的熱重分析圖譜(圖中Α、Β和C分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3中的制備的蠶絲蛋白膜)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1:
[0028]稱(chēng)取5.0Og剪碎的泰蠶絲繭殼，放入到2000ml濃度為0.21wt%的碳酸氫鈉沸水溶液中進(jìn)行30min的脫膠處理。再用去離子水反復(fù)洗滌2-3次后，移至通風(fēng)處自然風(fēng)干，便可得到脫膠泰蠶絲。
[0029]配置濃度為1.5wt%的氯化鈣-甲酸溶液并稱(chēng)取該溶液1.90g，將其放置在規(guī)格2ml離心管中，再將0.17g脫膠泰蠶絲放置溶液中進(jìn)行溶解，發(fā)現(xiàn)泰蠶絲2分鐘就可以被溶解完全，便可得到泰蠶絲蛋白溶液。
[0030]用孔徑為0.45μπι的PTFE微孔濾膜過(guò)濾泰絲蛋白溶液，將濾液澆鑄在PDMS上，再將其放置在45°C烘箱內(nèi)干燥5小時(shí)便可制得泰蠶絲蛋白膜。
[0031]實(shí)施例2:
[0032]稱(chēng)取5.0Og剪碎的泰蠶絲繭殼，放入到2000ml濃度為0.21wt%的碳酸氫鈉沸水溶液中進(jìn)行30min的脫膠。再用去離子水反復(fù)洗滌2-3次后，移至通風(fēng)處自然風(fēng)干，便可得到脫膠泰蠶絲。
[0033]配置濃度為2.0wt%的氯化鈣-甲酸溶液并稱(chēng)取1.90g，將其放在規(guī)格2ml離心管中，再將0.17g脫膠后的泰蠶絲放置溶液中進(jìn)行溶解，發(fā)現(xiàn)泰蠶絲Imin就可以被溶解完全，便可得到泰蠶絲蛋白溶液。
[0034]用孔徑為0.45μπι的PTFE微孔濾膜過(guò)濾泰蠶絲蛋白溶液，將濾液澆鑄在PDMS上，再將放置在45°C烘箱內(nèi)干燥5小時(shí)便可制得泰蠶絲蛋白膜。
[0035]實(shí)施例3:
[0036]稱(chēng)取5.0Og剪碎的泰蠶絲繭殼，放入到濃度為0.21wt %的碳酸氫鈉沸水溶液中進(jìn)行30min的脫膠。再用去離子水反復(fù)洗滌2-3次后，移至通風(fēng)處自然風(fēng)干，便可得到脫膠泰蠶絲。
[0037]配置濃度為6.0wt %的氯化鈣-甲酸溶液并稱(chēng)取該溶液1.90g，將其放置在規(guī)格2ml離心管中，再將0.17g脫膠后的泰蠶絲放置溶液中進(jìn)行溶解，發(fā)現(xiàn)泰蠶絲30s就可以被溶解完全，便可得到泰蠶絲蛋白溶液。
[0038]用孔徑為0.45μπι的PTFE微孔濾膜過(guò)濾泰絲蛋白溶液，將濾液澆鑄在PDMS上，再將其放置在45°C烘箱內(nèi)干燥5小時(shí)便可制得泰蠶絲蛋白膜。
[0039](I)蠶絲蛋白膜表面形貌結(jié)構(gòu)的比較
[0040]圖1為上述實(shí)施例中泰蠶絲蛋白膜的電鏡圖，圖1A是在1.5wt%的氯化鈣濃度下制得的泰蠶絲蛋白膜，可以看到有絲素纖維結(jié)構(gòu)；當(dāng)氯化鈣濃度達(dá)到2.0wt% (圖1B)時(shí)，膜表面纖維結(jié)構(gòu)膨潤(rùn)到一定程度后出現(xiàn)了溶解現(xiàn)象；圖1C是6.0wt%濃度下制得的蠶絲蛋白膜表面纖維溶解更完全。由此推出:隨著溶液中氯化鈣含量的增加，蠶絲蛋白膜表面的纖維結(jié)構(gòu)逐漸逐漸膨潤(rùn)，膜表面逐漸變得均勻和平整。
[0041](2)蠶絲蛋白膜的分子結(jié)構(gòu)的比較
[0042]圖2是1800cm—?ΗδΟαιΓ1范圍內(nèi)泰蠶絲蛋白膜的傅里葉變換紅外曲線(xiàn)。圖2中曲線(xiàn)A是氯化I丐濃度為1.5*1:%制作的蠶絲蛋白膜的紅外特征峰分別出現(xiàn)在1623cm—1和1516cm一、表明蠶絲蛋白結(jié)構(gòu)在此波數(shù)下主要是silkn結(jié)構(gòu)(β-折疊結(jié)構(gòu))，在水中表現(xiàn)出難溶于水的性質(zhì)；當(dāng)溶液中氯化鈣濃度達(dá)到2.0wt% (圖2中的曲線(xiàn)B)時(shí)，酰胺I區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)弱吸收峰，分別在1623cm—1和1645cm—S酰胺Π區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰，分別在1516cm—1和1535cm—S然而在1645cm—1和1535cm—1是si IkI結(jié)構(gòu)(無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)和α-螺旋結(jié)構(gòu))為主;可以看出2.0wt %濃度下制備的蠶絲蛋白膜的分子結(jié)構(gòu)是同時(shí)含有β-折疊結(jié)構(gòu)、α-螺旋結(jié)構(gòu)和無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)結(jié)構(gòu)。說(shuō)明2.0wt%氯化I丐是蠶絲蛋白的結(jié)構(gòu)由silkn向silkl轉(zhuǎn)變的過(guò)渡濃度。當(dāng)溶液的濃度達(dá)到
6.0wt % (圖2中曲線(xiàn)C)時(shí)，蠶絲蛋白膜的分子構(gòu)象以si Ikl結(jié)構(gòu)(α-螺旋結(jié)構(gòu)和無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)結(jié)構(gòu))為主，宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)為膜會(huì)極易溶于水的特性。
[0043 ] (3)蠶絲蛋白膜的熱穩(wěn)定性的比較
[0044]圖3中曲線(xiàn)Α、Β和C分別對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例1，實(shí)施例2和實(shí)施例3的泰蠶絲蛋白膜的熱重分析譜圖，從圖3看出由曲線(xiàn)A的起始分解溫度Tcinset為272°C ;曲線(xiàn)B的T_et達(dá)到283°C ；對(duì)于曲線(xiàn)C可達(dá)297°C，通過(guò)比較得出蠶絲蛋白膜的起始分解溫度隨著溶液中氯化鈣濃度的增大而增大，且殘余量也是在增加的，進(jìn)一步說(shuō)明蠶絲膜的熱穩(wěn)定是隨著氯化鈣的濃度增大而增大的。
[0045]由此可見(jiàn)，本發(fā)明是可以獲得結(jié)構(gòu)與性能可控的蠶絲膜，且制做過(guò)程簡(jiǎn)單方便，無(wú)毒，環(huán)境友好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種再生蠶絲蛋白膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將剪碎的泰蠶繭放置在濃度為0.21wt%的碳酸氫鈉沸水溶液中進(jìn)行30-60min的脫膠處理，再用去離子水洗滌2-3次;最后將洗好的脫膠泰蠶絲自然風(fēng)干； (2)將步驟(I)中風(fēng)干好的脫膠泰蠶絲放入氯化鈣-甲酸溶液，在室溫下即可被快速溶解，形成蠶絲蛋白溶液； (3)將步驟(2)中的蠶絲蛋白溶液用微孔濾膜過(guò)濾，再將濾液澆鑄在聚二甲基硅氧烷模具上，烘干。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(I)中的脫膠處理，泰蠶繭與碳酸氫鈉沸水溶液浴比為1.0Og: 400ml。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中的氯化鈣-甲酸溶液，以氯化鈣為溶質(zhì)，甲酸為溶劑，所配置的氯化鈣-甲酸溶液濃度不超過(guò)35wt%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氯化鈣的純度為96%，甲酸的純度是:88%的分析純、98 %的色譜純、85 %、90 %或95 %工業(yè)級(jí)純度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(3)中的微孔濾膜的孔徑0.45-2.00μmD6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中將脫膠后的泰蠶絲素，按0.17g泰蠶絲素:1.90g氯化鈣溶液的比例加入到氯化鈣溶液中進(jìn)行溶解，得到8.2wt%的泰絲蛋白溶液;步驟(3)中泰蠶絲蛋白溶液用孔徑0.45μπι的聚四氟乙烯濾膜過(guò)濾，將濾液澆鑄在聚二甲基硅氧烷模具上，再將其放置在45 °C烘箱內(nèi)干燥5小時(shí)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種再生蠶絲蛋白膜的制備方法，其特征在于:利用氯化鈣濃度來(lái)調(diào)節(jié)膜中絲素蛋白的結(jié)構(gòu)，以及膜表面的形貌和熱穩(wěn)定性。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種再生蠶絲蛋白膜的制備方法，其特征在于:當(dāng)氯化鈣溶液濃度小于2.0wt %時(shí)，再生蠶絲蛋白膜中蠶絲蛋白分子的構(gòu)象主要是SiIk Π結(jié)構(gòu)，其宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)為膜難溶于水；當(dāng)氯化鈣濃度大于等于2.0?〖％時(shí)，蠶絲蛋白的構(gòu)象主要是SilkI結(jié)構(gòu)，膜表現(xiàn)為易溶于水的特性。
【文檔編號(hào)】C08J5/18GK105885070SQ201610289639
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】王昉, 于海洋, 顧正桂
【申請(qǐng)人】南京師范大學(xué)