一种丝素蛋白的溶解方法、丝素蛋白溶解物及其应用与流程

1.本发明属于天然高分子技术领域，具体涉及一种丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶解物及其应用。


背景技术：

2.进入二十一世纪，可再生能源和资源的原材料以及环境友好材料和可持续发展技术成为科技研发的重要方向。丝绸凭借其优异的性能成为一种经久不衰的纺织原料，大规模家蚕养殖的实现则大幅降低了其来源成本。除以原生形式应用于纺织业以外，蚕丝还可以通过溶解的方式加工成薄膜、纳米纤维和水凝胶等材料，并应用于生物医学、药学、光学以及电子产品领域。大多数应用中，生丝需经过脱胶处理得到丝素蛋白。丝素蛋白作为一种功能性纤维蛋白质，具有可自组装、无毒、生物相容以及可生物降解的特性。为了便于加工成生物材料，往往需要将丝素蛋白进行溶解，然而，丝素蛋白具有大量的氢键以及由β折叠形成的疏水性微晶结构，这使得丝素蛋白几乎不溶于常规溶剂体系。
3.现有的丝素蛋白溶剂可分为以下几种：1.钙盐的醇溶液、水溶液或醇水三元溶液，该体系工艺较为成熟，例如硝酸钙/甲醇溶液和氯化钙/水/乙醇溶液，但前者对丝素蛋白的溶解度不高，后者的丝素蛋白溶液经过透析后仅能稳定保存一周，且丝素蛋白在该体系中加热溶解会发生较为严重的降解；研究者们发现，将该体系中的钙盐替换为锂盐，如氯化锂、硫氰酸锂，则能得到更强的溶解效果，然而锂盐普遍较为昂贵，硫氰酸锂尤其会带来环境隐患。2.n
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甲基吗啉
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氧化物(nmmo)、二甲亚砜(dmso)和离子液体体系，这类溶剂对于多种难溶性高分子普遍具有溶解能力，但dmso沸点较高(189℃)，后续加工中难以通过温和方法去除，nmmo和离子液体则在使用时需严格控制其含水量，否则难以发挥效能。3.氢氧化钠/尿素体系，该体系受启发于纤维素的低温碱/尿素水溶剂体系，但进行了调整，如将溶解条件从低温变为加热，氢氧化钠与尿素的比例也进行了调整，但丝素蛋白在溶解过程中发生了严重的水解。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的种种问题，尽可能达到并兼顾“高溶解度”、“强热稳定性”、“绿色无污染溶剂”、“丝素蛋白水解轻微”、“溶解条件温和”以及“溶剂用量少”等理想溶剂所应有的性能，本发明提供了一种利用季铵碱溶解丝素蛋白的方法，该方法能简单快速地溶解丝素蛋白，且条件易于控制，溶液稳定性好，对环境无污染，且容易回收和循环利用。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种丝素蛋白的溶解方法，包括直接将丝素蛋白分散于季铵碱水溶液中，在65℃温度下加热120分钟，经脱泡处理后，即得到均一透明的丝素蛋白溶液；其中，所述季铵碱水溶液的浓度为0.5～4.0m，所述季铵碱水溶液中季铵碱选自：四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵中的一种或多种。
7.作为一种优选的技术方案，采用离心进行脱泡处理。
8.作为一种优选的技术方案，加热的同时进行搅拌，搅拌的转速为220～280rpm。
9.作为一种优选的技术方案，采用水浴维持加热温度为65℃。
10.本发明同时提供一种丝素蛋白溶解物，包括丝素蛋白和季铵碱水溶液，所述季铵碱水溶液的浓度为0.5～4.0m，所述季铵碱水溶液中季铵碱选自：四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵中的一种或多种。
11.作为一种优选的技术方案，所述季铵碱水溶液的浓度为2.0～4.0m。
12.作为一种优选的技术方案，季铵碱为四甲基氢氧化铵。
13.作为一种优选的技术方案，所述丝素蛋白取自家蚕蚕丝中提取的丝素蛋白。
14.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
15.本发明直接将丝素蛋白投入季铵碱水溶液中进行温和热水浴搅拌即可完全溶解，操作简便，对丝素蛋白的溶解能力强，制备的最终溶液中季铵碱的浓度范围为0.5～4.0m，最优的可溶解丝素蛋白含量为23.56wt％，同样溶剂用量下对丝素蛋白的溶解度更高，且丝素蛋白溶液的稳定性强。
附图说明
16.图1
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5为丝素蛋白与季铵碱水溶液混合后差示扫描量热分析(dsc)曲线，该系列曲线经空白组对照，表明丝素蛋白在季铵碱水溶液中的加热溶解温度在65℃左右，温度条件较为温和。
17.图6为丝素蛋白溶于不同季铵碱水溶液所形成的极稀溶液(0.01wt％)的粒径分布曲线，表明丝素蛋白在季铵碱水溶液中呈现单分散溶解，溶剂对溶质分子的分散性能良好。
18.图7
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9代表23.56wt％的丝素蛋白溶于浓度为4m的四甲基氢氧化铵水溶液中，于偏光显微镜暗场下放大100倍的照片。本发明所提及所有溶解度数据皆通过将溶液取样置于一定大小的偏光显微镜暗场下，对发亮微粒进行计数，从而确定丝素蛋白完全溶解于否，详情见实施例7。
19.图10代表12wt％的丝素蛋白溶于浓度为4m的四乙基氢氧化铵水溶液中，放置180天前后溶液外观照片(右为放置180天后)，表明该系列丝素蛋白溶液储存稳定性优良。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实验例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
21.实施例1
22.取丝素蛋白1.2克，投入到20克0.5m四甲基氢氧化铵水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白的含量为6.01wt％，四甲基氢氧化铵浓度约为0.5m，其余为水。
23.实施例2
24.取丝素蛋白4.5克，投入到20克4.0m四甲基氢氧化铵水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白的含量为23.56wt％，四甲基氢氧化铵浓度约为4.0m，其余为水。
25.实施例3
26.取丝素蛋白1.02克，投入到20克0.5m四乙基氢氧化铵水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白的含量为5.13wt％，四乙基氢氧化铵浓度约为0.5m，其余为水。
27.实施例4
28.取丝素蛋白4.2克，投入到20克4.0m四乙基氢氧化铵水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白的含量为20.97wt％，四乙基氢氧化铵浓度约为4.0m，其余为水。
29.实施例5
30.取丝素蛋白0.06克，投入到20克0.5m苄基三甲基氢氧化铵水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白的含量为3.01wt％，苄基三甲基氢氧化铵浓度约为0.5m，其余为水。
31.实施例6
32.取丝素蛋白4.25克，投入到20克4.0m苄基三甲基氢氧化铵水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白的含量为21.23wt％，苄基三甲基氢氧化铵浓度约为4.0m，其余为水。
33.本发明中溶解判定方法：
34.将该丝素蛋白溶液取样置于偏光型偏光显微镜暗场下进行溶解判定，其中显微镜放大倍数为100，视野为圆形，大小为100cm2。该判定法参考了文献phys.chem.chem.phys.,2018,20,14223
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14233，具体而言，利用溶质高分子在偏光显微镜暗场下偏振发光的现象，对未溶颗粒进行计数，颗粒数超过100个时判定为未完全溶解，否则为已完全溶解，此方法适用于粘度较大的高分子浓溶液溶解度测量。
35.以上实施例中丝素蛋白含量的计算方法：
36.丝素蛋白固含量％＝w1\w2，w1为溶解于溶液中的丝素蛋白的质量，w2为溶液的质量)
37.实施例7
38.不同浓度及不同种类烷基氢氧化铵溶液对纤维素棉短绒溶解度的影响
39.分别配制浓度分别为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m的四甲基氢氧化铵水溶液、四乙基氢氧化铵水溶液、苄基三甲基氢氧化铵水溶液；取丝素蛋白投入到上述水溶液中，在热水浴中(65℃)以260rpm速率机械搅拌120min后离心脱泡即可得到透明的丝素蛋白溶液。制得的丝素蛋白溶液中丝素蛋白溶解度结果列于表1。
40.表1不同浓度及不同种类季铵碱水溶液中丝素蛋白溶解度(wt％)
[0041][0042]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。