甲壳素 /丝素蛋白复合薄膜结晶特性变化研究

互推小编 2024-01-16

前言

天然丝素蛋白是一种不溶于水的物质，通常需要将它从丝胶中分离出来并进行溶解再生，在这个溶解再生过程中，多肽链的构象和晶态结构的变化是决定其应用性能的关键因素。

处理不当的话，丝素蛋白在干燥后容易变得脆弱，从而难以进行后续加工和利用。

为了解决这个问题，通常采取控制结晶速度、与其他高分子共混，或添加诱导剂等方法。

利用简单易行的流延法制备甲壳素/丝素蛋白复合薄膜，在不同甲壳素/丝素蛋白配比以及常规鼓风干燥和真空干燥条件下，复合薄膜的结晶特性及其相关性能变化。

甲壳素/丝素蛋白( CT/SF) 复合膜的制备

将质量分数为0.5%的Na2CO3溶液加入三口烧瓶中，然后通过油浴加热至沸腾。随后将蚕丝加入其中，按照浴比1:60的比例与煮沸30分钟。

接着使用60°C的去离子水对脱胶的蚕丝进行冲洗，随后将其干燥。利用CaCl2 / CH3CH2OH / H2O三元溶液，在75°C条件下将丝素蛋白溶解2小时。

然后进行72小时的透析处理，接着以6000 r/min的速度离心10分钟，以去除不溶的丝素蛋白和杂质。上清液被提取并在4°C环境下保存备用。

采用质量比为11:4的NaOH / CH4N2O溶剂体系，在超低温冰箱中溶解8小时，得到质量分数为3.5%的甲壳素溶液。

将以上制备好的溶液，按照质量比1:4、1:2、1:1、2:1、4:1以及纯CT和纯SF的对照组，充分搅拌混合。然后在培养皿中延流成膜，分别放置在鼓风干燥箱（35°C、常压、风速1.6～2.3 m/s）和真空干燥箱（35°C、真空度-0.05 MPa、相对湿度（20±5)%）中干燥5小时。

干燥后取出薄膜均匀涂抹甘油在其表面，然后自然干燥至恒重。为制备非晶态的复合薄膜，从真空干燥箱中取出复合膜，直接放置于室温下自然干燥。最终获得不同配比的CT/SF复合薄膜。

CT/SF 复合薄膜表观形貌分析

图1和图2展示了在常规鼓风干燥和真空干燥条件下制备的不同比例甲壳素（CT）和丝素蛋白（SF）复合薄膜的结果。这些复合膜在视觉上呈现出明显的形貌差异。两种干燥条件下制备的SF膜均具有光滑透明的特点，尤其在常规干燥条件下，透明性更加出色。

而纯CT膜在两种干燥条件下都出现了不同程度的结晶现象。在常规干燥条件下，随着CT和SF质量比从1:4变化到1:2、1:1、2:1、4:1，CT/SF复合薄膜的表面晶体形貌经历了显著的变化。从松散的“点线辐射状”逐渐过渡到均匀致密的“丝网状”结构（见图1）。

图1

在真空干燥条件下，CT/SF复合薄膜的表面晶体形貌主要呈现出“点线状”结构。在相同的CT和SF质量比范围内，从“雪花状”过渡到“蠕虫状”，然后再到“点线状”结构（见图2）。

这种形貌差异可能是由于不同比例和干燥处理条件导致的干燥速度和膜表面气压差异，从而影响甲壳素的结晶速率、丝素蛋白的构象变化以及甲壳素与丝素蛋白之间的结合性能。

图2

CT/SF 复合薄膜 SEM 分析

为了更详细地了解在不同条件下制备的甲壳素/丝素蛋白复合膜的结晶特性，我们对显示出显著变化的复合薄膜组进行了扫描电子显微镜（SEM）观察。

如图3所示在常规干燥和真空干燥条件下，纯甲壳素（CT）形成的晶体微观形貌存在差异。晶体主要呈现“柱状”结构，而真空干燥下容易发生团聚，形成多个“簇状”聚集体。

图3

对于相同比例但不同干燥条件下的复合膜，当甲壳素与丝素蛋白的质量比为4∶1时，干燥条件对晶体微观形貌的影响最为显著。

在常规干燥条件下，形成了宽约2至4微米的“叠层鳞片状”结构，而真空干燥条件下则呈现出“仙人球状”晶体形态。在使用真空干燥制备的甲壳素/丝素蛋白质量比为4∶1的复合膜中，可以观察到微观尺寸约为60纳米的“蠕虫状”微晶。

当甲壳素与丝素蛋白质量比为1∶1时，两种干燥条件对复合膜的晶体结构影响较小，均呈现出“珊瑚状”晶体形态。

而当质量比为1∶4时，复合薄膜的晶体形状类似于纯甲壳素的结晶形态。在加入较多丝素蛋白后，复合膜的晶体尺寸减小，这是因为丝素蛋白分子链的存在对甲壳素分子链的排列和结晶产生一定的抑制效应。

CT/SF 复合薄膜 UV-Vis 分析

根据图4所示，可在可见光波长范围内观察到在不同配比和干燥条件下制备的复合膜的透过率存在显著差异。与纯CT膜相比，纯SF膜的透过率较高。

此外纯CT膜在常规干燥条件下的透过率高于真空干燥条件下的透过率。当CT与SF混合制备复合膜时，当m(CT)∶m(SF)为1∶4或4∶1时，在常规干燥条件下制备的复合膜透过率均高于真空干燥条件下的复合膜透过率。

图4

在可见光波长大于500 nm时，对于m(CT)∶m(SF)为1∶4的复合膜，常规干燥和真空干燥条件下的平均透过率分别为97.3%和94.6%；而对于m(CT)∶m(SF)为4∶1的复合膜，常规干燥和真空干燥条件下的平均透过率分别为89.3%和87.4%。

这表明增加CT含量会一定程度上降低复合膜的透过率。根据晶形分析，"点线状"晶形对复合薄膜的透光率影响更大，相较于"丝网状"晶形。

此外当m(CT)∶m(SF)为4∶1时，使用真空干燥制备的未结晶复合膜具有最低的透明性，平均透过率为85.8%。

基于扫描电子显微镜（SEM）分析，推测可能是因为在这种条件下制备的复合薄膜产生了许多纳米点状颗粒，从而影响了薄膜对可见光的透过率。

CT/SF 复合薄膜的 FTIＲ分析

图5展示了在不同条件下CT/SF复合膜的FTIR图谱。在波数范围3355～3235 cm^-1，出现的吸收峰代表甲壳素和丝素蛋白中的O-H伸缩振动以及N-H伸缩振动。

在1664 cm^-1和1628 cm^-1处，出现的峰分别对应丝素蛋白和甲壳素中酰胺Ⅰ（C=O）的伸缩振动。1553 cm^-1、1240 cm^-1和684 cm^-1处的峰分别表示丝素蛋白中酰胺Ⅱ（N-H）的弯曲振动、酰胺Ⅲ（N-H的弯曲振动和C-H伸缩振动）以及酰胺Ⅴ（N-H面外弯曲振动）。

图5

1406 cm^-1、1102 cm^-1、1068 cm^-1、1028 cm^-1和861 cm^-1处的峰分别对应甲壳素中的非对称面内环伸缩振动、C-H弯曲振动、C-O伸缩振动和环伸缩振动。

从这些特征峰的分析可以得知，甲壳素以β-甲壳素为主，而丝素蛋白主要采用螺旋构象。当CT与SF的质量比为4:1时，在常规干燥和真空干燥条件下，FTIR曲线差异较小。

唯一的差异是在真空干燥条件下，在1402 cm^-1处多出一个小峰，这可能是丝素蛋白中C-H弯曲振动引起的。然而在相同比例下的非晶态复合薄膜中，C-O伸缩振动峰（1031 cm^-1）的强度较高，并且发生了向高波数的平移。

这表明在非晶态条件下，复合膜的相容性优于晶态条件。当CT与SF的质量比为1:1时，复合膜的峰在1406 cm^-1，1157 cm^-1和864 cm^-1处与真空干燥条件下的峰强度存在差异。

在常规干燥条件下，1553 cm^-1处的酰胺Ⅱ（N-H）弯曲振动消失，而波数为684 cm^-1的峰向高波数偏移。

这是由于增加的SF含量增强了其特征峰，导致丝素蛋白的构象从螺旋向β-转折过渡。当CT与SF的质量比为1:4时，在常规干燥和真空干燥条件下，丝素蛋白的构象变化不明显，仍然以螺旋构象为主。

CT/SF 复合薄膜 TG 分析

图6展示了不同条件下CT/SF复合膜的热重（TG）和微分热重（DTG）图谱。在纯SF膜中，存在两个主要的质量损失阶段。

在150 ℃以下质量损失归因于样品中的残余水分以及脱丝胶过程中微量小分子物质的挥发。随后在200～450 ℃范围内，主要的热失重发生。

图6

在这个阶段，丝素蛋白的质量随着温度升高急剧下降，这与丝素蛋白中氨基酸残基侧链基团的断裂以及肽键的断裂有关。对于纯CT膜，在温度超过60 ℃时，首先发生第一阶段的热降解，这与采用的甲壳素/氢氧化钠/尿素溶解体系有关。

在这个体系中氢氧根离子（OH^-）以[OH(H2O)n]^-的形式存在，钠离子（Na^+）以[Na(H2O)m]^+的形式存在。随着温度升高，结合水分解导致CT膜快速失重。

其次在温度达到135 ℃时，发生第二阶段的热降解，膜的质量缓慢降低，这可能是由于尿素在溶解体系中的热降解。在280～420 ℃范围内，第三阶段的热降解与甲壳素的分解有关，导致复合膜持续失重。

在CT/SF质量比为1:4的情况下，常规干燥条件下复合膜的热稳定性优于真空干燥，第二阶段最大降解温度（Tmax）从173 ℃升高到188 ℃。

然而在CT/SF质量比为4:1时，干燥条件对复合膜的热稳定性影响不明显。同样比例下的非结晶复合膜在130～280 ℃范围内快速降解，第二阶段的最大热降解温度为211 ℃。

这可能是因为在这种条件下甲壳素产生了许多均匀分散的纳米微晶，有效提高了复合薄膜的热稳定性能。

结语

在不同的制备条件下，制备的CT/SF复合膜表现出显著的结晶特性差异。当CT与SF的质量比从1:4变化到4:1时，复合膜的晶体结构在不同的干燥条件下发生明显变化。

在通常的干燥条件下，复合膜的晶体形态由松散的“点线辐射状”转变为“丝网状”。而在真空干燥条件下，复合膜的晶体结构从“雪花状”变化为“蠕虫状”和“点线状”。

参考文献

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