CN113896917B

CN113896917B - 一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法及其产品和应用

Info

Publication number: CN113896917B
Application number: CN202111156971.1A
Authority: CN
Inventors: 米翔; 宋佳薇; 沈景行; 洪雨婷; 李威; 郑贺榕; 钟建雄
Original assignee: Minjiang University
Current assignee: Minjiang University
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-12-01
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: CN113896917A

Abstract

本发明公开了一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法及其产品和应用，制备方法包括，将废弃羽毛加入第一溶解液中，溶解后离心，得到角蛋白溶液，盐析得到再生角蛋白；将再生角蛋白冷冻后置于冷冻干燥机中干燥；磨碎为60～200目的角蛋白粉末；将角蛋白粉末均匀分散于第二溶解液中，得到角蛋白溶液；将角蛋白溶液采用浇铸法制备角蛋白生物薄膜；将角蛋白生物薄膜放入变性液中变性处理，干燥平衡，得到角蛋白生物塑料。本发明制得的角蛋白生物塑料不仅具有柔韧性好、湿强度高、易生物降解、成本低等优点，而且生产过程绿色环保。

Description

一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法及其产品和应用

技术领域

本发明属于生物塑料技术领域，具体涉及到一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法及其产品和应用。

背景技术

近年来，由石油基合成塑料带来的环境污染和可持续发展等问题越来越受到人们的关注。以天然高分子为原料开发可再生、易降解的生物塑料逐渐引起研究人员的兴趣。羽毛、粗羊毛等废弃角蛋白材料是来源丰富、安全环保、成本低廉并且易于获取的天然高分子材料。据估计，全球每年新产生的羽毛、粗羊毛、毛纺下脚料、废旧毛织物等废弃角蛋白材料总量超过千万吨。其中仅羽毛角蛋白的产量超过680万吨。但是，这些角蛋白资源的利用情况并不乐观，只有较少部分的废弃角蛋白经水解后作为动物饲料添加剂，大部分被焚烧或者填埋处理。利用这些废弃角蛋白开发生物塑料，资源有效利用，不仅可以节约资源，减小环境污染，而且可以有效提高废弃角蛋白的附加价值。

利用废弃羽毛等角蛋白材料开发生物塑料薄膜已经有不少报道，但是普遍存在机械性能差的问题。在角蛋白薄膜制备过程中，如果不添加甘油等小分子增塑剂，薄膜质地脆、韧性差，不具备应用性能；如果添加甘油等小分子增塑剂，薄膜的韧性可以得到明显改善，但是强度急剧下降，特别是在湿态条件下。另外，与PVA等高分子混合也可以改善角蛋白薄膜的机械性能，但是会降低其降解性；而且薄膜的机械性能往往随角蛋白比例的增加而降低。

角蛋白生物塑料薄膜的机械性能不足，主要归咎于较低程度的二硫键交联以及二级结构。羽毛等天然角蛋白材料优异的机械性能主要得益于纳米尺度上的高度交联的原纤-基体结构。原纤是指通过α-螺旋或β-折叠两种方式组装起来的有序结构，相当于高分材料中的结晶部分或复合材料的增强体部分；基体是由无规卷曲构象的多肽链组成的无定形区域；纳米级的有序原纤包埋在无定形基体中，并通过大量二硫键连接起来，形成角蛋白材料高度交联的原纤-基体结构。然而，在将角蛋白材料溶解、再生、制备生物塑料的过程中，角蛋白中的二级结构和二硫键交联却很难恢复，从而导致角蛋白生物塑料较差的机械性能。因此，如何提高高分子结构中的二级结构和二硫键交联程度，是获得高柔韧性和高湿态强度的角蛋白生物塑料的关键。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的不足，本发明的其中一个目的是提供一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法，采用半胱氨酸还原法从废弃羽毛中提取高分子量的再生角蛋白，然后采用弱碱还原法溶解再生角蛋白得到高浓度的角蛋白溶液，获得高分子量的再生角蛋白以及高浓度的角蛋白溶液，是重构二级结构和二硫键交联、进而提高角蛋白生物塑料机械性能的重要前提，最后将高浓度的角蛋白溶液通过溶液浇铸法铺膜得到柔韧性好、湿强度高、透明的角蛋白生物塑料。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法，包括，

将废弃羽毛加入第一溶解液中，溶解后离心，得到角蛋白溶液，盐析得到再生角蛋白；

将再生角蛋白冷冻后置于冷冻干燥机中干燥；

磨碎为60～200目的角蛋白粉末；

将角蛋白粉末均匀分散于第二溶解液中，得到角蛋白溶液；

将角蛋白溶液采用浇铸法制备角蛋白生物薄膜；

将角蛋白生物薄膜放入变性液中变性处理，干燥平衡，得到角蛋白生物塑料。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述第一溶解液为含有半胱氨酸的6～9M尿素溶液，pH值为8～10；

其中，所述半胱氨酸的添加量为羽毛质量的5～15％。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述将废弃羽毛加入第一溶解液中，羽毛与第一溶解液的质量比为1:8～15。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述盐析得到再生角蛋白，向角蛋白溶液中加入中性电解质，中性电解质的添加量为角蛋白溶液质量的15～25％；

其中，所述中性电解质包括硫酸钠和硫酸铵中的一种。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述磨碎，采用高速旋转粉碎机进行粉碎，筒体转速为8000～10000转/分，研磨5～15min。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述第二溶解液为还原剂溶液，pH值为8～11，还原剂为L-半胱氨酸，还原剂用量为角蛋白粉末质量的2.5～12.5％。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述变性液为含有10vol％乙酸的70vol％甲醇水溶液。

作为本发明高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法的一种优选方案，其中：所述干燥平衡，在20～25℃、50～70RH％条件下放置12～36h。

本发明的另一个目的是提供根据上述任一项所述的高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法得到的角蛋白生物塑料。

本发明的另一个目的是提供所述的角蛋白生物塑料在建筑、室内装饰、农业地膜、包装材料或生物医用敷料中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明方法能够让角蛋白分子中的二硫键和二级结构较好的恢复。因此，角蛋白生物塑料的力学性能，特别是柔韧性和湿态强度，得到较好的提高；另外，该生物塑料生产过程中不产生二次污染。

本发明制得的角蛋白生物塑料不仅具有柔韧性好、湿强度高、易生物降解、成本低等优点，而且生产过程绿色环保，主要化学试剂或来自于可再生资源、或能够重复利用；可应用于农业地膜、食品包装材料等多个领域。同时，由于角蛋白生物塑料具有优异的生物相容性，在生物医学领域也有潜在的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例1得到的角蛋白生物塑料的照片。

图2为本发明实施例1得到的角蛋白生物塑料在干态(a)和湿态(b)下的应力应变曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

以下实施例均采用如下性能测试方法。

(1)力学性能测试

选用Instron万能材料试验机测试角蛋白生物塑料的拉伸性能。试样规格95×10mm，夹持距离50mm，拉伸速度为50mm/min。

选用电子数显外径千分尺(二键)测试样品的厚度，每个样品测试3个数据，求得平均厚度值。Instron万能材料试验机的工作原理是由传感器能将某种机械量变成电量输出，进入试验界面后，电脑会不断采集和分析各样试验数据，实时画出试验曲线，自动求出各试验参数及输出报表。

操作步骤：开机后进入主菜单，设置参数如下：拉伸速度50mm/min，测试隔距50mm。夹装样品开始测试，样品断裂后记录强度和伸长率值。

(2)结晶度测试

利用广角X射线衍射仪分析角蛋白生物塑料的结晶度。将生物塑料放入X射线衍射仪的样品台上进行测试，样品用样品夹固定在测试台上。辐射源为Cu靶，辐射管电压为40kV，2θ测量范围为5°至60°，扫描速度为0.05°/秒。使用软件Jade 6分析结晶度。样品的结晶度根据下列公式进行计算。

其中，S_c和S_a分别是晶区和非晶区域的衍射峰面积。

(3)拉曼光谱

生物塑料的拉曼光谱数据通过配有785nm氦激光线的拉曼光谱仪记录。每个样品测试3个平行样。样品的二硫键含量(R_SS)根据下式进行计算：

其中，S₅₀₀是S–S谱带的峰面积(463～562cm_– ¹)；S₁₄₅₀是C–H谱带的峰面积(1430～1485cm^–1)。

样品中R_SS相对于天然羽毛的保留率根据下式进行计算：

其中，C′₁是天然羽毛中的R_SS；C′₂是生物塑料中的R_SS。

实施例1

(1)将废弃白鸭毛放入清水中加入洗涤剂反复清洗数次，去除羽毛表面的油脂；洗净的羽毛放入80℃的烘箱中，干燥3h后将废弃白鸭毛放入溶解液中，再密封放置于60℃的烘箱中12h后进行离心，得到上清液，加入20％硫酸钠使角蛋白析出，水洗三次，得到纯净的再生角蛋白；

其中，溶解液的配制方法为：先配制7mol/L的尿素溶液，加入相对于羽毛质量10％的半胱氨酸，待半胱氨酸完全溶解，用浓度5％NaOH溶液调节pH值为8，将羽毛与溶解液按照质量比1:12混合。

(2)放入-86℃的超低温冰箱中，让再生角蛋白迅速冷冻，然后放置于冷冻干燥机中干燥72h。

(3)采用高速旋转粉碎机进行粉碎，筒体转速为8000～10000转/分，研磨10min，得到粒度60目的角蛋白粉末。

(4)将角蛋白粉末分散于还原性溶液中，并在70℃下密封搅拌30min，得到角蛋白溶液；

其中，还原性溶液为含有L-半胱氨酸(L-半胱氨酸用量为角蛋白粉末质量的8％)的水溶液，用浓度5％NaOH溶液调节pH值为9，还原剂选用L-半胱氨酸，L-半胱氨酸用量为角蛋白粉末质量的8％，角蛋白粉末与还原剂溶液的质量比为1:12。

(5)将角蛋白溶液倾倒于涂有聚四氟乙烯薄膜的平底方盘中，室温放置24h，待水分挥发后成膜，并用变性液(含有10vol％乙酸的70％甲醇溶液)对其进行变性处理90min，后用蒸馏水进行数次清洗。

(6)将变性处理后的膜放入在温度为21℃、湿度为65％的恒温恒湿箱中平衡24h，得到角蛋白生物塑料。

按本实施例方法得到的角蛋白生物塑料，该角蛋白生物塑料的实物照片如图1所示，该塑料的二硫键交联和结晶度分别达到天然羽毛的91％和72％。

按本实施例方法得到的角蛋白生物塑料在干态(a)和湿态(b)下的应力应变曲线图如图2所示。在干态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为72.8MPa、22.6％和1653MPa；在湿态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为12.3MPa、86.7％和35.4MPa。

实施例2

(1)将废弃白鸭毛放入清水中加入洗涤剂反复清洗数次，去除羽毛表面的油脂；洗净的羽毛放入85℃的烘箱中，干燥3h后将废弃白鸭毛放入溶解液中，再密封放置于80℃的烘箱中10h；后进行离心，得到上清液，加入20％NaCl使角蛋白析出，水洗三次，得到纯净的再生角蛋白；

其中，溶解液的配制方法为：先配制8mol/L的尿素溶液，加入相对于羽毛质量12％的半胱氨酸，待半胱氨酸完全溶解，用浓度5％NaOH溶液调节pH值为10，将羽毛与溶解液按照质量比1:15混合。

(2)放入超低温冰箱中，让角蛋白迅速冷冻，然后放置于冷冻干燥机中干燥72h。

(3)采用高速旋转粉碎机进行粉碎，筒体转速为8000～10000转/分，研磨15min，得到粒度200目的角蛋白粉末。

(4)将角蛋白粉末分散于还原性溶液中，并在70℃下密封搅拌20min，得到角蛋白溶液；

其中，还原性溶液为含有L-半胱氨酸(L-半胱氨酸用量为角蛋白粉末质量的10％)的水溶液，用浓度5％NaOH溶液调节pH值为9，角蛋白粉末与溶液液的质量比为1:10。

(5)将角蛋白溶液倾倒于涂有聚四氟乙烯薄膜的平底方盘中，室温放置24h，待水分挥发后成膜，并用变性液(含有10vol％乙酸的70％甲醇溶液)对其进行变性处理60min，后用蒸馏水进行数次清洗。

(6)将变性处理后的膜放入在温度为21℃、湿度为65％的恒温恒湿箱中平衡24h。

按本实施例方法得到的角蛋白生物塑料，该塑料的二硫键交联和结晶度分别达到天然羽毛的88％和71％。在干态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为67.3MPa、23.5％和1729MPa；在湿态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为11.8MPa、81.6％和36.8MPa。

实施例3

(1)将废弃白鸭毛放入清水中加入洗涤剂反复清洗数次，去除羽毛表面的油脂；洗净的羽毛放入80℃的烘箱中，干燥3h后将废弃白鸭毛放入溶解液中，再密封放置于70℃的烘箱中12h；后进行离心，得到上清液，加入20％硫酸铵使角蛋白析出，水洗三次，得到纯净的再生角蛋白；

溶解液的配制方法为：先配制8mol/L的尿素溶液，加入相对于羽毛质量10％的半胱氨酸，待半胱氨酸完全溶解，用浓度5％NaOH溶液调节pH值为9，将羽毛与溶解液按照质量比1:12混合。

(4)将角蛋白粉末分散于还原性溶液中，并在80℃下密封搅拌20min。还原性溶液为含有L-半胱氨酸(L-半胱氨酸用量为角蛋白粉末质量的5％)的水溶液，用浓度5％NaOH溶液调节pH值为9，角蛋白粉末与溶液的质量比为1:12。

(5)将角蛋白溶液倾倒于涂有聚四氟乙烯薄膜的平底方盘中，室温放置24h，待水分挥发后成膜。并用变性液(含有10vol％乙酸的80％甲醇溶液)对其进行变性处理60min，后用蒸馏水进行数次清洗。

按本实施例方法得到的角蛋白生物塑料，该塑料的二硫键交联和结晶度分别达到天然羽毛的93％和74％。在干态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为76.9MPa、24.8％和1836MPa；在湿态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为13.5MPa、87％和39.3MPa。

实施例4

本实施例4与实施例3基本相同，区别在于步骤(1)中的溶解液不同，具体如表1所示。

表1

由表1中数据可以看出，在其他条件相同的情况下，随着羽毛与溶解液的质量比逐渐增加，角蛋白生物塑料无论在干态下还是在湿态下，其断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量均呈先增加后降低的趋势；在羽毛与溶解液的质量比为1:12时，综合性能最佳。

在其他条件相同的情况下，随着半胱氨酸添加量的逐渐增加，角蛋白生物塑料在干态下，其断裂强度呈先增加后降低的趋势，断裂伸长率和杨氏模量先增加后降低；角蛋白生物塑料在湿态下，其断裂伸长率和杨氏模量均呈先降低后增加的趋势，断裂强度则无明显趋势；在半胱氨酸添加量为羽毛质量的10％时，综合性能最佳。

实施例5

本实施例5与实施例3基本相同，区别在于步骤(1)中的电解质不同，具体如表2所示。

表2

由表2中数据可以看出，在其他条件相同的情况下，选用硫酸钠作为电解质，获得的角蛋白生物塑料无论在干态下还是在湿态下，其断裂强度、断裂伸长率、杨氏模量均高于选用硫酸铵、氯化铵、氯化钠作为电解质的情况。

在选用硫酸钠作为电解质时，硫酸钠的添加量为20％时，获得的角蛋白生物塑料在干态和湿态下的综合性能最佳。

实施例6

本实施例6与实施例3基本相同，区别在于步骤(4)中的还原剂溶液不同，具体如表3所示。

表3

由表3中数据可以看出，选用硫化钠或亚硫酸钠作为还原剂时，获得的角蛋白生物塑料无论在干态下还是在湿态下，其断裂强度、断裂伸长率、杨氏模量均较低，不能符合使用需求；选用巯基乙醇作为还原剂时，获得的角蛋白生物塑料的断裂伸长率则明显低于选用L-半胱氨酸作为还原剂。

在选用L-半胱氨酸作为还原剂时，L-半胱氨酸的添加量为角蛋白粉末质量的10％时，获得的角蛋白生物塑料的综合性能最佳。

对照例1

首先采用半胱氨酸还原法从废弃羽毛中提取高分子量的再生角蛋白，然后乙酸溶解法溶解再生角蛋白得到角蛋白溶液，作为对照，具体方法是：

将通过用实施例1中的步骤(1)～(3)得到的3g角蛋白固体，溶解在47g体积比为8/2的乙酸/水溶液中，添加0.15g甘油作增塑剂，室温搅拌溶解制成6％的角蛋白溶液，超声分散5min，静置脱泡后将溶液倒入聚四氟乙烯板上，在通风橱中将溶剂挥发制膜。薄膜没有经过变性处理，因为变性处理容易使薄膜失去甘油增塑剂，使薄膜变脆。在干态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为3.2MPa、15％和28MPa；在湿态下，薄膜吸水溶胀而解体，难以测试其机械性能。

对照例2

首先采用碱水解从废弃羽毛中提取再生角蛋白，然后采用弱碱还原法溶解再生角蛋白得到高浓度的角蛋白溶液，作为对照，具体方法是：

将10g羽毛分散于10g浓度为10g/L的硫化钠溶液，在30℃搅拌1h。离心得到上清液，加入20％硫酸钠，使蛋白质析出，水洗3次得到纯净的再生角蛋白，冻干、粉碎得到角蛋白粉末。将磨碎的角蛋白粉末分散于还原剂溶液中，并在80℃下密封搅拌20min。溶解液pH值为9，半胱氨酸用量为角蛋白质量的5％，角蛋白粉末与溶液液的质量比为1:15。将角蛋白溶液倾倒于涂有聚四氟乙烯薄膜的平底方盘中，室温放置24h，待水分挥发后成膜。并用变性液(含有10vol％乙酸的80％甲醇溶液)对其进行变性处理60min，后用蒸馏水进行数次清洗。在干态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为42MPa、6.3％和1026MPa；在湿态下，断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为2.6MPa、19.7％和21.4MPa。

本发明首先采用半胱氨酸还原法从废弃羽毛中提取高分子量的再生角蛋白，然后采用弱碱还原法溶解再生角蛋白得到高浓度的角蛋白溶液，获得高分子量的再生角蛋白以及高浓度的角蛋白溶液，是重构二级结构和二硫键交联、进而提高角蛋白生物塑料机械性能的重要前提，最后将高浓度的角蛋白溶液通过溶液浇铸法铺膜得到柔韧性好、湿强度高、透明的角蛋白生物塑料。

本发明方法能够让角蛋白分子中的二硫键和二级结构较好的恢复。因此，角蛋白生物塑料的力学性能，特别是柔韧性和湿态强度，得到较好的提高；另外，该生物塑料生产过程中不产生二次污染，使用的主要化学品要么来自于可再生资源，要么可以循环利用。

本发明得到的角蛋白生物塑料不仅具有良好的力学性能，而且可以生物降解。同时，角蛋白生物塑料具有优异的生物相容性，具有生物医用的潜力。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法，其特征在于：包括，

将废弃羽毛加入第一溶解液中，溶解后离心，得到角蛋白溶液，盐析得到再生角蛋白；所述第一溶解液为含有半胱氨酸的6～9 M尿素溶液，pH值为8～10；其中，所述半胱氨酸的添加量为羽毛质量的5～15%；废弃羽毛与第一溶解液的质量比为1:8～15；所述盐析得到再生角蛋白，向角蛋白溶液中加入中性电解质，中性电解质的添加量为角蛋白溶液质量的15～25%；其中，所述中性电解质包括硫酸钠和硫酸铵中的一种；

将再生角蛋白冷冻后置于冷冻干燥机中干燥；

磨碎为60～200目的角蛋白粉末；

将角蛋白粉末均匀分散于第二溶解液中，得到角蛋白溶液；所述第二溶解液为还原剂溶液，pH值为8～11，还原剂为L-半胱氨酸，还原剂用量为角蛋白粉末质量的2.5～12.5%；

将角蛋白溶液采用浇铸法制备角蛋白生物薄膜；

将角蛋白生物薄膜放入变性液中变性处理，干燥平衡，得到角蛋白生物塑料；所述变性液为含有10 vol%乙酸的70 vol%甲醇水溶液。

2. 如权利要求1所述的高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法，其特征在于：所述磨碎，采用高速旋转粉碎机进行粉碎，筒体转速为8000~10000转/分，研磨5~15 min。

3. 如权利要求1、2中任一项所述的高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法，其特征在于：所述干燥平衡，在20～25℃、50～70 RH%条件下放置12～36 h。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的高韧性高湿强的角蛋白生物塑料的制备方法得到的角蛋白生物塑料。

5.权利要求4所述的角蛋白生物塑料在建筑、室内装饰、农业地膜、包装材料或生物医用敷料中的应用。