CN110396208B - 一种丝素蛋白高吸水材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丝素蛋白高吸水材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将丝素蛋白溶液与核黄素和辣根过氧化物酶混合均匀后得到的反应液倒入透明模具中，并向所述反应液中通入氧气；用紫外光照射所述反应液形成丝素蛋白水凝胶，控制照射过程中所述反应液的温度为0～8℃；将所述丝素蛋白水凝胶进行干燥，获得丝素蛋白干凝胶；将所述丝素蛋白干凝胶粉碎后进行筛选，获得丝素蛋白高吸水材料。本发明的制备方法通过在低温环境下交联可有效降低反应温度，使形成的凝胶保持溶液中的无规卷曲结构，从而有效限制结晶结构的产生，大大提升材料的溶胀能力。制备得到的丝素蛋白高吸水材料吸水倍数高、保水率高。

Description

一种丝素蛋白高吸水材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高吸水材料技术领域，具体涉及一种丝素蛋白高吸水材料的制备方法以及采用该制备方法制备得到的丝素蛋白高吸水材料。

背景技术

高吸水材料是一种用高吸水性材料，指可吸收数十倍至数百倍于自身质量的水的物质。广泛应用与婴儿纸尿布、妇女卫生巾和宠物垫等领域。传统的高吸水材料一般分为以下两种，一种是天然及改性高分子类高吸水性树脂，其原料一般为淀粉或纤维素，通过将亲水功能性基团接枝到天然大分子上，从而达到高吸水改性的目的。另一种为人工合成类吸水性树脂，如聚乙烯酸盐、聚乙烯醇、聚氧乙烯等。但上述两类高吸水材料在生产加工过程中很容易出现有机单体残留的问题，这对使用者的安全和健康造成极大的威胁。

丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，含量约占蚕丝70％～80％，含有18种氨基酸。丝素本身具有良好的机械性能和理化性质，如良好生物相容性和可降解性、低免疫原性、缓释性等，而且经过不同处理可以得到不同的形态，如纤维、溶液、粉、膜以及凝胶。目前丝素蛋白用于高吸水材料凝胶的研究相对较少，具有广阔的应用前景。

在本发明专利之前，有如中国专利申请号CN201110202099.X，名称为“一种纤维素基吸水材料的制备方法”的发明专利中公开了一种吸水材料，该吸水材料运用了大量的丙烯酸、等化工原料，毒性大，且无法降解，污染环境。又如中国专利申请号CN201811370358.8，名称为“一种用于婴幼儿尿片的亲肤高吸水材料及其制备方法”的发明专利中公开的吸水材料制备过程繁杂，且吸水倍率低，有待进一步提高。还有中国专利申请号CN201811006464.8，名称为“一种光固化丝素蛋白水凝胶及其制备方法”，该专利在光固化交联过程中反应温度过高，导致了部分结晶结构的产生，大大限制了材料的再溶胀能力。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种丝素蛋白高吸水材料的制备方法，以及采用该制备方法制备得到的丝素蛋白高吸水材料。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种丝素蛋白高吸水材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将丝素蛋白溶液与核黄素和辣根过氧化物酶混合均匀后得到的反应液倒入透明模具中，并向所述反应液中通入氧气；

(2)用紫外光照射所述反应液形成丝素蛋白水凝胶，控制照射过程中所述反应液的温度为0～8℃，可以通过将反应液放置在冰浴条件下实现；

(3)将所述丝素蛋白水凝胶进行干燥，获得丝素蛋白干凝胶；

(4)将所述丝素蛋白干凝胶粉碎后进行筛选，获得丝素蛋白高吸水材料。

根据本发明的一些优选方面，步骤(1)所述反应液中核黄素的浓度为0.05mM～0.3mM，辣根过氧化物酶的浓度为5U/mL～40U/mL，丝素蛋白的浓度为15mg/mL～50mg/mL。mM为mmol/L，即毫摩尔每升；U为酶活力单位，用来表示酶活力大小的单位。

根据本发明的一些优选方面，所述步骤(1)透明模具中所述反应液的深度为1mm-5mm。

根据本发明的一些优选方面，所述步骤(2)中紫外光照射的参数为：紫外光照射的距离为10cm～20cm；紫外光照射的时间为25min～50min。紫外光照射的距离为紫外光光源与反应液之间的距离。

根据本发明的一些优选方面，所述步骤(2)中的紫外光为功率50W～500W、波长350～400nm的紫外灯发出的紫外光。

根据本发明的一些优选方面，所述步骤(3)中干燥的环境为温度20～30℃，相对湿度50～65％的恒温恒湿环境。

根据本发明的一些优选方面，步骤(4)中采用分样筛进行筛选，所述分样筛的目数为20目～60目，对应的丝素蛋白高吸水材料的粒径为0.25-0.85mm，粒径较小的粉体可增大材料比表面积，提升材料快速吸水能力。

根据本发明的一些优选方面，所述丝素蛋白溶液的制备包括如下步骤：选取当年产新鲜家蚕茧，去除蚕蛹等杂物，获得新鲜的家蚕茧壳，取用0.01M pH＝9.3～9.8的碳酸氢钠/碳酸钠缓冲溶液脱去茧壳中的丝胶(保持100℃微沸30min，反复三次)，然后用溴化锂溶解、透析获得丝素蛋白溶液。新鲜的家蚕茧壳相对于陈旧的家蚕茧壳的杂质含量更少，最终的效果更加优异。

一种采用如上所述的制备方法制备得到的丝素蛋白高吸水材料，该所述丝素蛋白高吸水材料为无规卷曲结构，其吸水倍数为50倍～100倍，保水率为90～95％。吸水倍数为：单位质量(1克)的丝素蛋白材料饱和吸水后增加的质量与原质量之比；保水率为：丝素蛋白材料饱和吸水后，在自然条件下放置半小时后再次测量质量，与原饱和吸水质量之比。

本发明的原理是：传统丝素水凝胶中的交联点多为物理交联点，在干燥过程中容易沿分子链滑移产生大量结晶结构，从而大大限制其吸水能力。核黄素在紫外光的照射下，产生的活性氧自由基可与丝素蛋白分子链上的酪氨酸发生反应，诱导丝素蛋白大分子中的氨基产生化学交联，获得以无规卷曲结构为主的光固化水凝胶。但反应液在光固化的同时也会吸收紫外光放出的大量热能，溶液温度过高会促使分子构象发生转变，产生部分β-折叠结构。提高照射距离，且在冰浴的低温环境下交联可有效降低反应温度，使形成的凝胶保持溶液中的无规卷曲结构，从而有效限制结晶结构的产生，大大提升材料的溶胀能力。降低溶液深度可使交联点分布更均匀，限制结晶结构的产生。此外，粉碎后制成粒径较小的粉体可增大材料比表面积，提升材料快速吸水能力。

由于采用了以上的技术方案，本发明的丝素蛋白高吸水材料的制备方法与现有技术相比具有如下的有益之处：本发明的制备方法通过在低温环境下交联可有效降低反应温度，使形成的凝胶保持溶液中的无规卷曲结构，从而有效限制结晶结构的产生，大大提升材料的溶胀能力。通过本发明的制备方法制备得到的丝素蛋白高吸水材料吸水倍数高、保水率高，在制备过程中所引入的材料均对身体无任何毒副作用，亲肤性良好，不会引起皮肤瘙痒等症状，生物相容性良好，可自然快速降解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例2和对比例1中制备的丝素蛋白水凝胶的X-衍射曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1丝素蛋白溶液的制备

选取当年产新鲜的蚕茧，去除蚕蛹及其杂物，获得家蚕茧壳。用精密天平称取80 g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01M，pH＝9.5的碳酸氢钠/碳酸钠水溶液4000mL，用电磁炉加热至沸腾后加入茧壳，调节电磁炉功率保持水溶液继续微沸30min，取出茧丝并用去离子水清洗干净。

重复以上试验三次以脱去丝胶，然后取出茧丝置于60℃的烘箱中烘干得到纯丝素蛋白纤维。将纯丝素蛋白纤维按浴比20:150溶解于浓度为9.3mol/L的溴化锂溶液中，在恒温磁力搅拌器中以60±2℃溶解约1h。冷却后取出装入透析袋中密封，置于去离子水中透析3-4d，用脱脂棉过滤得到纯丝素蛋白溶液，通过干燥称重计算得到纯丝素蛋白溶液的质量分数，放置于4℃冰箱中备用。

实施例2丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为30mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.3mM，辣根过氧化物酶浓度为20 U/mL。

传统丝素水凝胶中的交联点多为物理交联点，在干燥过程中容易沿分子链滑移产生大量结晶结构，从而大大限制其吸水能力。核黄素在紫外光的照射下，产生的活性氧自由基可与丝素蛋白分子链上的酪氨酸发生反应，诱导丝素蛋白大分子中的氨基产生化学交联，获得以无规卷曲结构为主的光固化水凝胶。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为2mm，并向反应液中通入氧气10min。

降低反应液的深度可使交联点分布更均匀，限制结晶结构的产生。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为4℃，在紫外光照射下处理30min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率300W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为10cm。

反应液在光固化的同时也会吸收紫外光放出的大量热能，反应液温度过高会促使分子构象发生转变，产生部分β-折叠结构。本实施例通过提高照射距离，且在冰浴的低温环境下进行交联可有效降低反应温度，使形成的凝胶保持反应液中的无规卷曲结构，从而有效限制结晶结构的产生，大大提升材料的溶胀能力。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度25℃，相对湿度60％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经50目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

将丝素蛋白干凝胶粉碎后制成粒径较小的粉体可增大材料比表面积，提升材料快速吸水能力。

本实施例的制备方法通过对丝素蛋白进行光固化交联，干燥后得到干凝胶吸水倍数高、保水率高；在制备过程中通过控制光固化时反应液的深度，使得反应液的交联反应更加均匀；制备时所引入的材料均对身体无任何毒副作用，亲肤性良好，不会引起皮肤瘙痒等症状；制备得到的丝素蛋白制备的高吸水材料，生物相容性良好，可自然快速降解，是一种安全、绿色的丝素蛋白高吸水材料，能够解决现有的高吸水材料毒性大、降解性差、吸水倍率低的等问题。

实施例3丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为20mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.1mM，辣根过氧化物酶浓度为10 U/mL。

传统丝素水凝胶中的交联点多为物理交联点，在干燥过程中容易沿分子链滑移产生大量结晶结构，从而大大限制其吸水能力。核黄素在紫外光的照射下，产生的活性氧自由基可与丝素蛋白分子链上的酪氨酸发生反应，诱导丝素蛋白大分子中的氨基产生化学交联，获得以无规卷曲结构为主的光固化水凝胶。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为1mm，并向反应液中通入氧气15min。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为5℃，在紫外光照射下处理30min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率200W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为12cm。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度24℃，相对湿度61％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经60目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

实施例4丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为50mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.05mM，辣根过氧化物酶浓度为30 U/mL。

传统丝素水凝胶中的交联点多为物理交联点，在干燥过程中容易沿分子链滑移产生大量结晶结构，从而大大限制其吸水能力。核黄素在紫外光的照射下，产生的活性氧自由基可与丝素蛋白分子链上的酪氨酸发生反应，诱导丝素蛋白大分子中的氨基产生化学交联，获得以无规卷曲结构为主的光固化水凝胶。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为3mm，并向反应液中通入氧气18min。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为6℃，在紫外光照射下处理40min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率150W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为15cm。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度23℃，相对湿度55％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经40目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

实施例5丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为20mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.25mM，辣根过氧化物酶浓度为40U/mL。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为2mm，并向反应液中通入氧气9min。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为3℃，在紫外光照射下处理25min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率500W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为10cm。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度22℃，相对湿度53％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经40目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

实施例6丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为40mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.2mM，辣根过氧化物酶浓度为10U/mL。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为3mm，并向反应液中通入氧气12min。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为7℃，在紫外光照射下处理30min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率400W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为15cm。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度25℃，相对湿度55％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经30目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

实施例7丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为20mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.2mM，辣根过氧化物酶浓度为15U/mL。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为5mm，并向反应液中通入氧气18min。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为2℃，在紫外光照射下处理35min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率350W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为18cm。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度25℃，相对湿度50％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经30目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

实施例8丝素蛋白高吸水材料的制备

(1)用去离子水调节实施例1中的纯丝素蛋白溶液的浓度为50mg/mL，得到丝素蛋白水溶液。

(2)向丝素蛋白水溶液中加入核黄素与辣根过氧化物酶溶液，获得反应液。反应液中的核黄素浓度为0.15mM，辣根过氧化物酶浓度为40U/mL。

(3)将反应液倒入透明模具中，控制透明模具中的所述反应液的深度为4mm，并向反应液中通入氧气14min。

(4)将模具放入冰浴中并控制温度为4℃，在紫外光照射下处理50min，形成丝素蛋白水凝胶。紫外光采用光源功率50W、波长350～400nm的紫外灯；紫外光照射的距离为20cm。

(5)将丝素蛋白水凝胶置于恒温恒湿环境中(温度24℃，相对湿度58％)鼓风干燥，获得丝素蛋白干凝胶。

(6)将丝素蛋白干凝胶粉碎后经30目分样筛筛选，得到丝素蛋白高吸水材料。

对比例1

本对比例与实施例2中的制备过程基本一致，区别点在于本对比例中的紫外光照射时反应液置于室温环境下，即在紫外光照射时对反应液不进行降温处理。

对比例2

本对比例与实施例2中的制备过程基本一致，区别点在于本对比例中的紫外光照射时控制紫外光与反应液之间的距离在5cm以内。

对比例3

本对比例与实施例2中的制备过程基本一致，区别点在于本对比例中在进行紫外光照射时透明模具内反应液的深度为20mm。

实施例9测试与分析

(一)X射线衍射分析

从图1中的曲线可以看出，实施例2制备的丝素蛋白水凝胶的聚集态结构基本为非结晶无规卷曲结构，而对比例1中制备得到丝素蛋白水凝胶为结晶结构。

(二)吸水倍数和保水率的测试

对实施例2-8和对比例1-3制备得到的丝素蛋白高吸水材料测试吸水倍数和保水率。其中，吸水倍数的测试方法为单位质量(1克)的丝素蛋白材料饱和吸水后增加的质量与原质量之比；保水率的测试方法为丝素蛋白材料饱和吸水后，在自然条件下放置半小时后再次测量质量，与原饱和吸水质量之比。结果见表1。

表1实验结果

样品	吸水倍数	保水率(％)
			实施例2	79	94
实施例3	98	91
			实施例4	76	91
实施例5	53	95
			实施例6	68	90
实施例7	86	93
			实施例8	81	94
对比例1	13	95
			对比例2	21	94
对比例3	无法凝胶	×

从表1可以看出实施例2-8制备得到的丝素蛋白高吸水材料与对比例1-3的丝素蛋白高吸水材料相比，实施例2-8中由于在紫外线照射时将反应液置于冰浴的低温环境下，且拉长了紫外光照射的距离、减薄了反应液的深度，使得得到的丝素蛋白高吸水材料有效限制结晶结构的产生，为无规卷曲结构，具有很好的吸水倍数和保水率。其中实施例5中由于核黄素浓度提高，且HRP(辣根过氧化物酶)用量也是最大有效用量，造成交联度过大限制了溶胀，导致其吸水倍数只有53，但是仍然远远大于对比例1和2中丝素蛋白材料的吸水倍数。

通过本发明的制备方法制备得到的丝素蛋白高吸水材料以无规卷曲结构为主，遇水后可快速溶胀成凝胶状态，吸水倍数最高可达自重的100倍，半小时内保水率可达90％以上。此外，该高吸水材料具有良好的力学性能和可降解性，不含化工原料，无毒无污染，与皮肤接触不会引起过敏反应，可用于婴儿纸尿布、妇女卫生巾和宠物垫等领域。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种丝素蛋白高吸水材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将丝素蛋白溶液与核黄素和辣根过氧化物酶混合均匀后得到的反应液倒入透明模具中，并向所述反应液中通入氧气；

（2）用紫外光照射所述反应液形成丝素蛋白水凝胶，控制照射过程中所述反应液的温度为0~8℃；

（3）将所述丝素蛋白水凝胶进行干燥，获得丝素蛋白干凝胶；

（4）将所述丝素蛋白干凝胶粉碎后进行筛选，获得丝素蛋白高吸水材料；

步骤（2）中紫外光照射的参数为：紫外光照射的距离为10cm～20cm；紫外光照射的时间为25min~50min；步骤（2）中的紫外光为功率50W～500W、波长350～400nm的紫外灯发出的紫外光。

2.根据权利要求1所述的丝素蛋白高吸水材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述反应液中核黄素的浓度为0.05mM~0.3mM，辣根过氧化物酶的浓度为5U/mL~40U/mL，丝素蛋白的浓度为15mg/mL~50mg/mL。

3.根据权利要求1所述的丝素蛋白高吸水材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）透明模具中所述反应液的深度为1mm~5mm。

4.根据权利要求1所述的丝素蛋白高吸水材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中干燥的环境为温度20~30℃、相对湿度50~65%的恒温恒湿环境。

5.根据权利要求1所述的丝素蛋白高吸水材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中采用分样筛进行筛选，所述分样筛的目数为20目～60目。

6.根据权利要求1所述的丝素蛋白高吸水材料的制备方法，其特征在于，所述丝素蛋白溶液的制备包括如下步骤：选取新鲜的家蚕茧，去除杂物，获得家蚕茧壳，取用pH＝9.3~9.8的碳酸氢钠/碳酸钠缓冲溶液脱去茧壳中的丝胶，然后用溴化锂溶解并透析获得丝素蛋白水溶液。

7.一种采用如权利要求1-6任意一项所述的制备方法制备得到的丝素蛋白高吸水材料。

8.根据权利要求7所述的丝素蛋白高吸水材料，其特征在于，所述丝素蛋白高吸水材料的吸水倍数为50倍~100倍，保水率为90~95%。

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