羽毛角蛋白可降解膜材料的制备和性能研究

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1、国内图书分类号：TQ321.4西北工业大学工学博士学位论文羽毛角蛋白可降解膜材料的制备和性能研究博士研究生：窦瑶导师：崔英德教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年11月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TQ321.4DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyStudyonthePreparationandProper

2、tiesofDegradableFilmsBasedfromFeatherKeratinPh.DCandidate：DOUYaoAdvisor：ProfessorCUIYingdeDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：November，2017UniversityConferringDegree：Northw

3、esternPolytechnicalUniversity摘要摘要日益减少的石油资源，以及处理合成高分子材料废弃物造成的环境污染，使得天然高分子材料的开发、利用及产业化，在世界范围内受到了广泛关注。角蛋白作为一种来源丰富、价廉易得的蛋白质资源，具有较好的生物降解性和生物相容性，广泛的应用于食品包装、医用材料领域。但是和合成高分子材料相比，纯的角蛋白膜材料易碎、不易成型，且耐水性和力学性能较差，这些制约了角蛋白资源的再利用。本论文从废弃鸡毛中提取羽毛角蛋白，为了改善羽毛角蛋白的可加工性、提高羽毛角蛋白膜的耐水性及力学

4、性能，主要采用了增塑、交联和共混方法对羽毛角蛋白进行了改性。通过傅里叶红外光谱分析（FTIR）、差示扫描量热分析（DSC）、X-射线衍射分析（XRD）、热失重分析（TGA）、扫描电镜技术(SEM)、拉伸性能测试、耐水性测试、透光率测试及水蒸气透过率测试等方法，分别对所得热压羽毛角蛋白膜和浇铸羽毛角蛋白膜的结构和性能进行了系统的研究，以开发羽毛角蛋白膜在农用材料、可食用包装材料及医药用生物材料等方面的应用。本论文的研究内容及结果如下：采用还原剂硫化钠，从鸡毛中提取羽毛角蛋白（FK）。固液比为1：15，水溶液中尿素、N

5、a2S、十二烷基硫酸钠（SDS）的浓度分别为6mol/L、3.2%、0.7%，在50℃下搅拌30min，然后滤液用3%盐酸溶液调节pH至4.7左右，沉淀在室温下静置30min，所得羽毛角蛋白的重量收率达60%。对羽毛角蛋白结构进行分析，蛋白质一级结构保持相对完整，羽毛角蛋白分子量主要分布在14KDa左右。羽毛角蛋白呈无定形态，其二级结构主要包含β-折叠和无规卷曲结构。以甘油作为增塑剂，通过热压成型法，制备出均匀半透明的热压羽毛角蛋白膜。研究热压羽毛角蛋白膜（FGL）的成型机理、化学结构、二级结构和晶态结构。甘油和水

6、作为协同增塑剂，与羽毛角蛋白分子中的极性基团形成氢键，削弱了蛋白质分子中的非共价键作用，使蛋白质分子内自由体积增大，肽链的移动性提高，从而降低了羽毛角蛋白的玻璃化转变温度Tg；高温高压改善了甘油和羽毛角蛋白分子间的相容性，强化了甘油对蛋白质的塑化作用，抑制了聚合物的结晶行为，改善了羽毛角蛋白的可加工性。FGL的二级结构中主要有β-折叠、β-转角和无规卷曲结构。随着甘油含量的增加，FGL中β-折叠的含量增多，而β-折叠微晶含量则减少，是一种典型的无定形材料。研究了FGL的微观结构、透光性能、拉伸性能、耐水性、水蒸气阻

7、隔性能和I西北工业大学工学博士学位论文微生物降解性能。发现当热压温度为130℃、时间为6min时，羽毛角蛋白充分熔融，FGL的微观结构致密，透光率最高，拉伸性能最好。热压时间和温度对FGL的耐水性及水蒸气透过率影响不大。随着甘油含量的增加，FGL的拉伸强度从10.5MPa降低到5.7MPa、断裂伸长率从40.5%增加到63.8%、水蒸气渗透系数从-10-1023.02×10增大到4.11×10gm/msPa。FGL的溶解度均小于20.9%、溶胀率均小于16.9%，在水中浸泡24h后仍保持完整。无碳源培养降解实验表明

8、，枯草芽孢杆菌对FGL的降解作用要强于黑曲霉菌。以双醛淀粉（DAS）为交联剂，甘油作为增塑剂，通过浇铸成型制备了FK/DAS膜。研究了FK/DAS膜的化学结构、热稳定性、微观结构、透光性能、耐水性、拉伸性能、吸湿性能和水蒸气阻隔性能。研究发现FK、DAS分子间发生了反应，形成交联结构，FK/DAS膜是一种无定形材料，其透光性优于一些合成膜。交联作用使膜材料的