1、2021/8/141材料科學概論材料科學概論2021/8/142神奇的生物材料膠原蛋白1引言2膠原蛋白的提取3膠原蛋白的化學性質4膠原蛋白的幾種應用5結語2021/8/1431 引言引言膠原纖維是構成皮的主要成分,膠原蛋白是形成膠原纖維的基本單位,由三條肽鏈相互纏繞成螺旋結構。膠原纖維具有微彈性和很高的抗張強度,并且還有許多獨特的性質如高耐磨性、絕熱性、吸音性和柔韌性等。 膠原蛋白除具有蛋白質的一般性質外,還有許多特有的性質。這是由其特殊的組成和結構所決定的。一般的蛋白質是由2條肽鏈形成雙螺旋結構,而膠原蛋白由3條肽鏈結合形成三螺旋結構。膠原蛋白特有的左旋 A鏈相互纏繞構成的膠原右手復合螺旋結

2、構中,其最大特點是膠原分子中含有大量甘氨酰、脯氨酰、和甘氨酰為甘-脯氨酰以外的其它任何氨基酸殘基,且呈周期性排列。其中甘氨酸占30%,脯氨酸和羥脯氨酸共占約25%。膠原肽鏈間存在離子鍵、氫鍵、范德華力及非極性基團產生的疏水鍵等作用力。同時,膠原分子內和分子間還存在醇醛縮合交聯 、醛氨縮合交聯和醛醇組氨酸種交聯。使得膠原的2條肽鏈、3條肽鏈牢固地連接起來,具有很高的抗張強度。膠原分子間按四分之一錯列方式超分子聚集形成穩定的韌性很強的原纖維,原纖維進一步聚集形成膠原纖維。2021/8/1442膠原蛋白的提取膠原蛋白的提取目前提取膠元蛋白主要從皮革廢棄物中,國內外已有不少研究。根據文獻,從鉻革屑中提

3、取膠方法很多,根據處理劑的不同其提取方法分為以下幾種。 2.1堿處理法 堿處理法的原理是堿液中的OH-離子進入絡合物內界,將膠原羧基從鉻絡合物中取代出來,使膠原脫鉻且同時發生降解,然后溶于水,Cr3+與OH-離子形成沉淀。經過壓濾或離心分離,可將膠原溶液與Cr(OH)3沉淀分離。陳武勇等對CaO提取鉻鞣革屑中的膠原蛋白的影響因素進行了研究,確定了氧化鈣提取膠原蛋白的最佳條件和方案。 2.2 酸處理法 酸處理法的原理是在酸性條件下,鉻配合物發生解離,隨著H+濃度增大,離解速度加快,配合物的分子變小,失去鞣制作用,達到脫鉻提取膠原蛋白的目的。利用酸水解法分離膠原纖維,H2SO4的濃度越大,水解時間

4、越短,但濃度大于4%,在70以下,鉻鞣革屑(削勻屑)水解完全所需的時間為2h左右;而且溫度的影響也很大,高于70時,水解對時間的依賴性減弱。但是酸處理法對膠原的水解程度大,只能得到小分子的膠原降解物,而且Cr3+在酸性條件下處于溶解狀態,很難與膠原蛋白徹底分開。 2021/8/1452膠原蛋白的提取膠原蛋白的提取2.3氧化法 氧化法的原理是在弱堿性條件下,利用氧化劑(通常H2 02)將鞣革廢渣中Cr3+氧化成Cr6+ (成為可溶性的鉻酸鹽),使Cr6+從蛋白質的肽鏈上脫落下來,從而實現鉻與膠原蛋白的分離。如在堿性介質中,根據雙氧水氧化三價鉻的原理,采用酸-堿-氧化交替的方法,也可獲得低含鉻量的

5、膠原,并保持了膠原分子的結構。王遠亮等采用堿性脫鉻劑和氧化劑配合使用的脫鉻方法,脫鉻效果顯著,脫鉻后膠原含鉻量低。大量研究表明:用氧化法脫鉻,速度快,對膠原的結構破壞程度小,獲得的膠原產物分子量較大,色澤好,脫鉻效果好,但在處理過程中會產生有毒的Cr6+。 2.4 酶處理法 酶處理法的原理是用酶水解鉻革屑,使其中的鉻絡合物與蛋白質脫鞣,分離 出鉻 鹽和已部分水解的膠原。Cabeza改進了一步酶法,用兩步酶法(先用胃蛋白酶提取,再用堿性蛋白酶提取)提取2種不同的膠原水解產物。酶處理法條件溫和,對蛋白質的成分破壞小,所得膠原蛋白純度高,水溶性好,物理化學性質穩定,但如果單獨使用,反應過程很慢。 由

6、于以上幾種方法各有其優缺點,因此目前在提取膠原蛋白時,常把幾種方法結合起來。如堿酶處理法,即在提取膠原蛋白時,先用堿對鉻革屑進行輕度處理,然后再用酶進行二次處理,這樣可以增加膠原的提取率和反應效率。 2021/8/1463 膠原蛋白的化學性質膠原蛋白的化學性質3.1 與亞硝酸反應 蛋白質或氨基酸的氨基與亞硝酸反應,側氨基或端氨基被分解,并且出放的氮氣,通過測定釋放的氮氣量可以計算蛋白質的斷蛋白質的水解程度和速度 。 3.2 與甲醛反應 甲醛滴定法可用來測定氨基酸的含量,其原理是甲醛在氨基上發生加成反應生成N-羥甲基衍生物。繼續反應,產生N-二羥甲基衍生物,從而將自由氨基封閉,保護氨基。用堿溶液

7、滴定自由羧基的數量,可計算出蛋白質的含量。 3.3與茚三酮反應 蛋白質或氨基酸的溶液滴加幾滴茚三酮溶液后加熱至沸,溶液即呈藍紫色,而脯氨酸和羥基脯氨酸因為是亞氨基。產生黃色。這個反應常用于氨基酸的比色定量分析。 3.4 與酸、堿的作用 膠原肽鏈的端基和側鏈均含有氨基和羧基,即存在許多堿性基團和酸性基團,它們在溶液中能與酸和堿結合。結合后,膠原分子間及肽鏈間的離子交聯鍵和氫鍵將被打開。隨著時間延長,各種交聯鍵和次級鍵逐漸被破壞。膠原發生酸溶或堿溶,甚至有可能發生主鏈降解。當加熱至沸騰,膠原逐步由大肽水解成小肽,直至成氨基酸。 3.5 與鹽基的作用 在鹽溶液中膠原肽鏈間的離子鍵被鹽打開,從而吸水膨

8、脹。各種離子對膠原膨脹能力的大小影響如下。陽離子:Ca2+Li+Na+K+Rb2+Cs2+;陰離子:CNS-I-NO-Cl-CHCOO-SO32-酒石酸根檸檬酸根。中性鹽會造成膠原的膨脹,有的造成脫水。2021/8/1474膠原蛋白的應用膠原蛋白的應用4.1造紙方面造紙方面 4.1.1作為造紙增強劑 膠原纖維和植物纖維這兩種天然高分子都含有許多活性基團和活性部位,皮革固體廢棄物在經處理變成膠原纖維的過程中比木材制漿過程中活性基團暴露得更多,更易反應,為兩種纖維結合提供了良好的條件。膠原蛋白是由許多-氨基酸通過肽鍵構成的多肽鏈,膠原分子的側鏈上含有許多極性基團,纖維素分子中含有大量的羥基和少量羧

9、基等基團。調節不同的介質可以使膠原纖維與纖維素大分子以氫鍵、離子鍵以及共價鍵的形式結合,這些鍵的形成使得紙纖維間的結合力增大,鍵能升高,從而使紙張的物理機械強度得以提高,使紙的吸水性、透氣性、緊度等物理指標有所改善。4.1.2膠粘劑 膠原蛋白作為膠粘劑,可以作為造紙的施膠劑,但是其耐水性能較差。通常 在膠原蛋白粘合劑中加多聚甲醛作硬化交聯劑,可得到類似脲醛樹脂的效果,并增加抗水能力,使得膠原分子鏈間形成交聯鍵,使黏度提高,加強了凝固的結構,提高了膠原蛋白的機械性能。 膠原蛋白作為膠粘劑,可用于紗布、砂紙的制造,此外也可用于生產膠帶紙。4.1.3 表面活性劑 表面活性劑的分于由性質完全相反的2部

10、分組成,即親水性和憎水性基團,2種基團的比例(HLB值)決定了表面活性劑的親水性和憎水性的強弱。HLB值愈大,則親水性愈強,憎水性愈弱。膠原蛋白分子結構中既有氨基,又有羧基,在不同的介質中呈現出雙親性;各種氨基酸的氨基各不相同。在結構上有不對稱性,故在一定程度上也有表面活性。 2021/8/1484膠原蛋白的應用膠原蛋白的應用4.2食品方面食品方面膠原蛋白作為功能保健食品使用，研究表明，膠原蛋白可以降低血甘油三酯和膽固醇，并可增高體內某些缺乏的必需微量元素，從而使其維持在一個相對正常的范圍之內，是一種理想的減肥降血脂食品。此外，膠原蛋白在協助機體排出鋁質，減少鋁質在體內聚集方面也有獨特之處。鋁

11、對人體有害，研究表明，日前逐漸增多的老年癡呆癥與鋁的攝入量有關，同時膠原蛋白有加速血紅蛋白和紅細胞生成的功效，它具有改善循環、對冠心病、缺血性腦病有利。膠原蛋白的特征氨基酸羥基脯氨酸是血漿中運輸鈣到骨細胞的運載工具，骨細胞中的骨膠原是羥基磷灰石的黏合劑，它與羥摹磷灰石共同構成了骨骼的主體。因此，只要攝入足夠的膠原蛋白，就能保證正常機體鈣質的攝入量，膠原蛋白可成制成補鈣的保健食品。同時起還能用于食品包裝材料，膠原蛋白可以用作果脯蜜餞等內包裝膜，輔加以甘油、caCl2等添加劑，提高膜的機械性能，成為既美觀又有良好的機械性能，同時也是一種營養載體。可食性的膠原蛋白包裝膜，一般具有良好的抗張強度、熱封

12、性和較高的阻氣、阻油、阻濕性等。可以廣泛用于各類食品的保鮮。涂層材料明膠作為涂層材料在食品表面具有諸多優點：避免食品氧化，抑制氨基酸和糖類之間的美拉德反應防止粉末狀、顆粒狀的糖類食品吸潮結塊僵硬現象；使食品表面有光澤；作為穩定劑，防止產品干縮變形；具有保鮮作用。加入一定量的明膠溶液，以使果蔬表面形成保護膜可以保證食品的天然風味和新鮮度；防止食品腐敗。提高揮發性食品成分的保存性；調整溶解度，等等。2021/8/1494.膠原蛋白的應用膠原蛋白的應用4.3醫學方面醫學方面目前許多醫學研究單位，正嘗試將膠原蛋白做成各種不同用途的臨床實驗，如用處理過含用豐富膠原蛋白的生豬皮，覆蓋在燒、燙傷病患的傷口上

13、;利用提煉出來的膠原蛋白，促進移入表皮細胞與生長能力，大幅縮短傷口愈合的時間，提高燒燙傷病患的存活能力。由于膠原蛋白具有保護、支持人體組織與骨骼張力強度以及具有粘性、彈性等特性，所以可作為生醫材料，用在骨科、整形外科、皮膚科、心臟血管外科、神經外科、牙科及眼科等，在臨床應用的前景看好2021/8/14104.膠原蛋白發展前景膠原蛋白發展前景膠原蛋白作為一種新的材料已經滲透入大眾的生活中，但是我們應該看到，依然有很多新的產品能夠被開發出來你，作為一種新的生物材料，我們堅信，其一定能夠在未來中的市場中占據一席之地，作為一種能夠運用在生產生活，工業化工的新的生物材料，只有從風發掘出其間接價值，才能夠從分得利用現有的資源來替人類造福，膠原蛋白的研究只是現在才起步而已，未來還會有巨大的空間，這直接給我們一個機遇，一個挑戰，未來能否占據生物材料的高地，膠原蛋白的研究是一個重要方面，技術的成熟只是一個時間的問題。膠原蛋白是一種生物性高分子物質，在動物細胞中扮演結合組織的角色。為生物科技產