CN103044636A - 一种酶解丝胶蛋白复合吸水材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及丝胶蛋白的加工利用领域，特别涉及一种基于酶解丝胶蛋白的复合高吸水材料的制备方法。本发明包括如下步骤，酶解丝胶蛋白溶液的制备，再得到丙烯酸/丙烯酰胺单体的混合溶液，然后两者混合，加入引发剂和交联剂在恒温磁力搅拌器上在一定温度下进行反应，反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡，然后用丙酮浸泡处理以除去均聚物，最后将产品于鼓风干燥箱中干燥，得到酶解丝胶蛋白与丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。本发明采用酶解丝胶蛋白为原料，在无氮气保护的条件下制备吸水树脂，具有反应设备简单，反应条件温和等特点；与在无氮气保护下制备的未经酶解丝胶蛋白吸水树脂相比，具有更好的吸水性能。
Description
技术领域
本发明涉及丝胶蛋白的加工利用领域，特别涉及一种基于酶解丝胶蛋白的复合高吸水材料的制备方法。
背景技术
丙烯酸类聚合高分子是目前应用较为广泛的高吸水材料，它具有较高的吸水倍率，但却不易被微生物降解，而造成环境污染；同时，随着石油工业的迅速发展，石油资源日益短缺，丙烯酸类单体的价格随之提升，使得该类吸水材料的成本价格变得更加昂贵。通过将天然高分子与丙烯酸类高吸水材料复合，可有效提高吸水材料的生物降解性和降低生产成本，是目前研制生物降解型高吸水材料的常规方法。
丝胶蛋白是一种由18种氨基酸组成的天然高分子，含有大量亲水基团（如-OH、-COOH、-NH2、-CONH-等），对水有很强的亲和力；同时，丝胶蛋白还具有来源丰富、价格低廉、生物降解性等特点。因此，丝胶蛋白是一种具有潜在用途的吸水材料原料。胡晓斌等以过硫酸钾-亚硫酸钠氧化还原体系为引发剂，在氮气保护条件下，制备了丝胶/丙烯酸/丙烯酰胺接枝共聚型吸水树脂（胡晓斌等，丝胶-丙烯酸-丙烯酰胺高吸水性树脂的制备[J]，精细石油化工，2010，27（4）：61-64；Xiaobin Hu，Synthesis and properties of silk sericin–g –poly (acrylic acid-co-acrylamide) superabsorbent hydrogel[J]，Polymer Bulletin, 2010，66（4）：447-462），该吸水树脂在蒸馏水中的最高吸水量为2150g/g. 由于氮气保护需要密闭条件，增加了对仪器设备的要求和生产成本。因此，寻求无需氮气保护以降低成本的制备方法，显得至关重要。
针对上述问题，我们在不通氮气的条件下，以沸水提取茧层丝胶蛋白为原料，通过接枝共聚的方法制备了丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料（邓连霞等，丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料的制备与吸水性能[J]，高分子材料科学与工程，2011，27（12）：127-130）,该吸水材料的最高吸水量为313g/g左右。该方法虽然不需氮气保护，有利于简化加工设备和降低生产成本，但聚合物吸水性能仍显不足。目前，尚未有在不需氮气保护条件下，获得具有更高吸水性能的丝胶复合高分子材料的制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种不需氮气保护，基于酶解丝胶蛋白的复合吸水材料的制备方法。
本发明的具体技术方案如下：
本发明是一种酶解丝胶蛋白复合吸水材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）酶解丝胶蛋白溶液的制备：取茧层或废蚕茧丝，以1:30的浴比加入水浴中进行沸水浴脱胶30min，将制得的脱胶液浓缩，获得浓度为0.08g/ml的丝胶溶液；取一定体积丝胶浓缩溶液，加入一定量2709碱性蛋白酶并搅拌溶解，再滴加1mol/L NaOH溶液调节pH为9，然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h，反应温度48℃，转速为55r/min，反应完毕后，将溶液放入微波炉中处理使酶灭活，离心过滤以除去沉淀物，并调整溶液浓度，获得酶解丝胶蛋白溶液；
（2）将密度为1.06g/ml丙烯酸溶液加入到烧杯中，在室温条件下滴加氢氧化钠溶液，使丙烯酸摩尔中和度达到70%；再加入丙烯酰胺粉末，搅拌后得到丙烯酸/丙烯酰胺单体的混合溶液；
（3）将步骤（1）制得的一定体积的酶解丝胶蛋白溶液和步骤（2）制备的丙烯酸/丙烯酰胺单体混合溶液，再依次加入单体质量2%的引发剂过硫酸铵（APS）和单体质量0.3%的交联剂N,N’-二甲基双丙烯酰胺（MBA），置于恒温磁力搅拌器上在一定温度下进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，取出置于恒温水浴锅中进一步处理2h；
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理6~12h，然后用丙酮浸泡处理以除去均聚物，最后将产品于鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛200目后，得到酶解丝胶蛋白与丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（1）中碱性蛋白酶的含量为2.5~7.5mg酶量每10ml丝胶溶液。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（1）中酶解丝胶蛋白溶液浓度为0.1g/ml。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（1）中酶灭活条件为微波炉中火0.5~1min。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（2）中丙烯酸和丙烯酰胺的质量分数比为2：1。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（3）中丝胶蛋白与丙烯酸/丙烯酰胺混合单体的质量分数比为1：2。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（3）中反应温度为50℃。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（3）中水浴处理温度为50℃。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（4）中丙酮处理时间为6~12h。
作为进一步的改进，本发明所述步骤（4）中干燥温度为50~60℃。
本发明具有如下优点：本发明采用酶解丝胶蛋白为原料，在无氮气保护的条件下制备吸水树脂，具有反应设备简单，反应条件温和等特点；与在无氮气保护下制备的未经酶解丝胶蛋白吸水树脂相比，具有更好的吸水性能。
具体实施方式
以下通过实施例进一步对本发明进行描述：
实施例1
（1）称取25g茧层或废蚕茧丝，加入至750ml去离子沸水中继续煮沸30min进行脱胶，将脱胶液用浓缩蒸发仪浓缩至浓度为0.080g/ml。取丝胶溶液于烧杯中， 滴加1mol/L的NaOH溶液调节至pH为9左右。然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h，反应温度48℃，转速55r/min。反应完毕后，将溶液放入微波炉中火处理0.5min，然后离心过滤除去沉淀物，调整丝胶溶液浓度为0.1g/ml，体积为10ml。此组未加酶溶液处理，为对照组。
（2）称量1.32gAA溶液加入烧杯中，在室温条件下滴加0.5g 10%（w/w)NaOH溶液，使AA的中和度达到70%，然后加入0.66gAM，搅拌后得到单体（AA/AM）的混合溶液。
（3）将步骤（1）制得的丝胶蛋白溶液与步骤（2）制得AA/AM混合溶液混合，再依次加入0.04g引发剂APS和0.006g交联剂MBA，置于 50℃磁力搅拌器上进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，置于50℃恒温水浴锅中进一步处理2h。
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理6h，然后用丙酮浸泡12h以除去均聚物。最后，将产品于50℃鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛（200目，0.074mm）后，得到酶解丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
（5）取0.1g吸水材料放入400ml去离子水中，静置吸水12h，取出吸水膨胀凝胶材料经15min搁挂无滴水止。然后称计重量41.5g。
（6）按以下公式计算吸水量：
吸水量 = （吸水后重量 - 吸水前干重）/ 吸水前干重；
复合吸水材料吸水量 =（41.5 - 0.1）/ 0.1 = 414 g/g；
该实施例所研制的复合吸水材料的吸水量为414g/g。
实施例2
（1）称取25g茧层或废蚕茧丝，加入至750ml去离子沸水中继续煮沸30min进行脱胶，将脱胶液用浓缩蒸发仪浓缩至浓度为0.080g/ml。取丝胶溶液于烧杯中，加入2.5g碱性蛋白酶并搅拌溶解，滴加1mol/L的NaOH溶液调节至pH为9左右。然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h，反应温度48℃，转速55r/min。反应完毕后，将溶液放入微波炉中火处理0.5min使酶灭活，然后离心过滤除去沉淀物，调整丝胶溶液浓度为0.1g/ml，体积为10ml。
（2）称量1.32gAA溶液加入烧杯中，在室温条件下滴加0.5g 10%（w/w)NaOH溶液，使AA的中和度达到70%，然后加入0.66gAM，搅拌后得到单体（AA/AM）的混合溶液。
（3）将步骤（1）制得的丝胶蛋白溶液与步骤（2）制得AA/AM混合溶液混合，再依次加入0.04g引发剂APS和0.006g交联剂MBA，置于 50℃磁力搅拌器上进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，置于50℃恒温水浴锅中进一步处理2h。
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理12h，然后用丙酮浸泡12h以除去均聚物。最后，将产品于60℃鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛（200目，0.074mm）后，得到酶解丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
（5）取0.1g吸水材料放入400ml去离子水中，静置吸水12h，取出吸水膨胀凝胶材料经15min搁挂无滴水止，然后称计重量50.5g。
（6）按以下公式计算吸水量：
吸水量 = （吸水后重量 - 吸水前干重）/ 吸水前干重；
复合吸水材料吸水量 =（50.5 - 0.1）/ 0.1 = 504 g/g；
该实施例所研制的复合吸水材料的吸水量为504g/g。
实施例3
（1）称取25g茧层或废蚕茧丝，加入至750ml去离子沸水中继续煮沸30min进行脱胶，将脱胶液用浓缩蒸发仪浓缩至浓度为0.080g/ml。取丝胶溶液于烧杯中，加入5mg碱性蛋白酶并搅拌溶解，滴加1mol/L的NaOH溶液调节至pH为9左右。然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h（温度48℃，转速55r/min）。反应完毕后，将溶液放入微波炉（中火）处理1min使酶灭活，然后离心过滤除去沉淀物，调整丝胶溶液浓度为0.1g/ml, 体积为10ml。
（2）称量1.32gAA溶液加入烧杯中，在室温条件下滴加0.5g 10%（w/w)NaOH溶液，使AA的中和度达到70%，然后加入0.66gAM，搅拌后得到单体（AA/AM）的混合溶液。
（3）将步骤（1）制得的丝胶蛋白溶液与步骤（2）制得AA/AM混合溶液混合，再依次加入0.04g引发剂APS和0.006g交联剂MBA，置于 50℃磁力搅拌器上进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，置于50℃恒温水浴锅中进一步处理2h。
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理12h，然后用丙酮浸泡12h以除去均聚物。最后，将产品于60℃鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛（200目，0.074mm）后，得到酶解丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
（5）取0.1g吸水材料放入400ml去离子水中，静置吸水12h，取出吸水膨胀凝胶材料经15min搁挂无滴水止。然后称计重量56.9g。
（6）按以下公式计算吸水量：
吸水量 = （吸水后重量 - 吸水前干重）/ 吸水前干重；
复合吸水材料吸水量 =（56.9 - 0.1）/ 0.1 = 568 g/g；
该实施例所研制的复合吸水材料的吸水量为568g/g。
实施例4
（1）称取25g茧层或废蚕茧丝，加入至750ml去离子沸水中继续煮沸30min进行脱胶，将脱胶液用浓缩蒸发仪浓缩至浓度为0.080g/ml。取丝胶溶液于烧杯中，加入7.5mg碱性蛋白酶并搅拌溶解，滴加1mol/L的NaOH溶液调节至pH为9左右。然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h，反应温度48℃，转速55r/min。反应完毕后，将溶液放入微波炉中火处理1min使酶灭活，然后离心过滤除去沉淀物，调整丝胶溶液浓度为0.1g/ml，体积为10ml。
（2）称量1.32gAA溶液加入烧杯中，在室温条件下滴加0.5g 10%（w/w)NaOH溶液，使AA的中和度达到70%，然后加入0.66gAM，搅拌后得到单体（AA/AM）的混合溶液。
（3）将步骤（1）制得的丝胶蛋白溶液与步骤（2）制得AA/AM混合溶液混合，再依次加入0.04g引发剂APS和0.006g交联剂MBA，置于 50℃磁力搅拌器上进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，置于50℃恒温水浴锅中进一步处理2h。
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理12h，然后用丙酮浸泡12h以除去均聚物。最后，将产品于60℃鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛（200目，0.074mm）后，得到酶解丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
（5）取0.1g吸水材料放入400ml去离子水中，静置吸水12h，取出吸水膨胀凝胶材料经15min搁挂无滴水止，然后称计重量46.2g。
（6）按以下公式计算吸水量：
吸水量 = （吸水后重量 - 吸水前干重）/ 吸水前干重；
复合吸水材料吸水量 =（46.2 - 0.1）/ 0.1 = 461 g/g；
该实施例所研制的复合吸水材料的吸水量为461/g。
实施例5
（1）称取25g茧层或废蚕茧丝，加入至750ml去离子沸水中继续煮沸30min进行脱胶，将脱胶液用浓缩蒸发仪浓缩至浓度为0.080g/ml。取丝胶溶液于烧杯中，加入10mg碱性蛋白酶并搅拌溶解，滴加1mol/L的NaOH溶液调节至pH为9左右。然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h，反应温度48℃，转速55r/min。反应完毕后，将溶液放入微波炉中火处理1min使酶灭活，然后离心过滤除去沉淀物，调整丝胶溶液浓度为0.1g/ml，体积为10ml。
（2）称量1.32gAA溶液加入烧杯中，在室温条件下滴加0.5g 10%（w/w)NaOH溶液，使AA的中和度达到70%，然后加入0.66gAM，搅拌后得到单体（AA/AM）的混合溶液。
（3）将步骤（1）制得的丝胶蛋白溶液与步骤（2）制得AA/AM混合溶液混合，再依次加入0.04g引发剂APS和0.006g交联剂MBA，置于 50℃磁力搅拌器上进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，置于50℃恒温水浴锅中进一步处理2h。
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理6h，然后用丙酮浸泡6h以除去均聚物。最后，将产品于50℃鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛（200目，0.074mm）后，得到酶解丝胶蛋白/丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
（5）取0.1g吸水材料放入400ml去离子水中，静置吸水12h，取出吸水膨胀凝胶材料经15min搁挂无滴水止。然后称计重量40.4g。
（6）按以下公式计算吸水量：
吸水量 = （吸水后重量 - 吸水前干重）/ 吸水前干重；
复合吸水材料吸水量 =（40.4 - 0.1）/ 0.1 = 403 g/g；
该实施例所研制的复合吸水材料的吸水量为403g/g。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种酶解丝胶蛋白复合吸水材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）酶解丝胶蛋白溶液的制备：取茧层或废蚕茧丝，以1:30的浴比加入水浴中进行沸水浴脱胶30min，将制得的脱胶液浓缩，获得浓度为0.08g/ml的丝胶溶液；取一定体积丝胶浓缩溶液，加入一定量碱性蛋白酶并搅拌溶解，再滴加1mol/L NaOH溶液调节pH为9，然后，将溶液放入恒温振荡器中振荡反应2h，反应温度48℃，转速为55r/min，反应完毕后，将溶液放入微波炉中处理使酶灭活，离心过滤以除去沉淀物，并调整溶液浓度，获得酶解丝胶蛋白溶液；
（2）将密度为1.06g/ml丙烯酸溶液加入到烧杯中，在室温条件下滴加氢氧化钠溶液，使丙烯酸摩尔中和度达到70%；再加入丙烯酰胺粉末，搅拌后得到丙烯酸/丙烯酰胺单体的混合溶液；
（3）将步骤（1）制得的一定体积的酶解丝胶蛋白溶液和步骤（2）制备的丙烯酸/丙烯酰胺单体混合溶液，再依次加入单体质量2%的引发剂过硫酸铵（APS）和单体质量0.3%的交联剂N,N’-二甲基双丙烯酰胺（MBA），置于恒温磁力搅拌器上在一定温度下进行反应，反应过程中不断搅拌，当反应物变得粘稠至搅拌困难时停止搅拌，取出置于恒温水浴锅中进一步处理2h；
（4）反应结束后，将凝胶取出，先用去离子水清洗并切成小块状，再用无水乙醇浸泡2h后换新乙醇溶液再次处理6~12h，然后用丙酮浸泡处理以除去均聚物，最后将产品于鼓风干燥箱中干燥，粉碎过筛200目后，得到酶解丝胶蛋白与丙烯酸/丙烯酰胺复合吸水材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中碱性蛋白酶的含量为2.5~7.5mg酶量每10ml丝胶溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中酶解丝胶蛋白溶液浓度为0.1g/ml。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中酶灭活条件为微波炉中火0.5~1min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中丙烯酸和丙烯酰胺的质量分数比为2：1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中丝胶蛋白与丙烯酸/丙烯酰胺混合单体的质量分数比为1：2。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中反应温度为50℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中水浴处理温度为50℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中丙酮处理时间为6~12h。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中干燥温度为50~60℃。
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