材料科学概材料科学概论整理课件神奇的生物材料胶原蛋白1引言2胶原蛋白的提取3胶原蛋白的化学性质4胶原蛋白的几种应用5结语整理课件1 引言引言胶原纤维是构成皮的主要成分,胶原蛋白是形成胶原纤维的基本单位,由三条肽链相互缠绕成螺旋结构。胶原纤维具有微弹性和很高的抗张强度,并且还有许多独特的性质如高耐磨性、绝热性、吸音性和柔韧性等。 胶原蛋白除具有蛋白质的一般性质外,还有许多特有的性质。这是由其特殊的组成和结构所决定的。一般的蛋白质是由2条肽链形成双螺旋结构,而胶原蛋白由3条肽链结合形成三螺旋结构。胶原蛋白特有的左旋 A链相互缠绕构成的胶原右手复合螺旋结构中,其最大特点是胶原分子中含有大量甘氨酰、脯氨酰、和甘氨酰为甘-脯氨酰以外的其它任何氨基酸残基,且呈周期性排列。其中甘氨酸占30%,脯氨酸和羟脯氨酸共占约25%。胶原肽链间存在离子键、氢键、范德华力及非极性基团产生的疏水键等作用力。同时,胶原分子内和分子间还存在醇醛缩合交联 、醛氨缩合交联和醛醇组氨酸种交联。使得胶原的2条肽链、3条肽链牢固地连接起来,具有很高的抗张强度。胶原分子间按四分之一错列方式超分子聚集形成稳定的韧性很强的原纤维,原纤维进一步聚集形成胶原纤维。整理课件2胶原蛋白的提取胶原蛋白的提取目前提取胶元蛋白主要从皮革废弃物中,国内外已有不少研究。根据文献,从铬革屑中提取胶方法很多,根据处理剂的不同其提取方法分为以下几种。 2.1碱处理法 碱处理法的原理是碱液中的OH-离子进入络合物内界,将胶原羧基从铬络合物中取代出来,使胶原脱铬且同时发生降解,然后溶于水,Cr3+与OH-离子形成沉淀。经过压滤或离心分离,可将胶原溶液与Cr(OH)3沉淀分离。陈武勇等对CaO提取铬鞣革屑中的胶原蛋白的影响因素进行了研究,确定了氧化钙提取胶原蛋白的最佳条件和方案。 2.2 酸处理法 酸处理法的原理是在酸性条件下,铬配合物发生解离,随着H+浓度增大,离解速度加快,配合物的分子变小,失去鞣制作用,达到脱铬提取胶原蛋白的目的。利用酸水解法分离胶原纤维,H2SO4的浓度越大,水解时间越短,但浓度大于4%,在70以下,铬鞣革屑(削匀屑)水解完全所需的时间为2h左右;而且温度的影响也很大,高于70时,水解对时间的依赖性减弱。但是酸处理法对胶原的水解程度大,只能得到小分子的胶原降解物,而且Cr3+在酸性条件下处于溶解状态,很难与胶原蛋白彻底分开。 整理课件2胶原蛋白的提取胶原蛋白的提取2.3氧化法 氧化法的原理是在弱碱性条件下,利用氧化剂(通常H2 02)将鞣革废渣中Cr3+氧化成Cr6+ (成为可溶性的铬酸盐),使Cr6+从蛋白质的肽链上脱落下来,从而实现铬与胶原蛋白的分离。如在碱性介质中,根据双氧水氧化三价铬的原理,采用酸-碱-氧化交替的方法,也可获得低含铬量的胶原,并保持了胶原分子的结构。王远亮等采用碱性脱铬剂和氧化剂配合使用的脱铬方法,脱铬效果显著,脱铬后胶原含铬量低。大量研究表明:用氧化法脱铬,速度快,对胶原的结构破坏程度小,获得的胶原产物分子量较大,色泽好,脱铬效果好,但在处理过程中会产生有毒的Cr6+。 2.4 酶处理法 酶处理法的原理是用酶水解铬革屑,使其中的铬络合物与蛋白质脱鞣,分离 出铬 盐和已部分水解的胶原。Cabeza改进了一步酶法,用两步酶法(先用胃蛋白酶提取,再用碱性蛋白酶提取)提取2种不同的胶原水解产物。酶处理法条件温和,对蛋白质的成分破坏小,所得胶原蛋白纯度高,水溶性好,物理化学性质稳定,但如果单独使用,反应过程很慢。 由于以上几种方法各有其优缺点,因此目前在提取胶原蛋白时,常把几种方法结合起来。如碱酶处理法,即在提取胶原蛋白时,先用碱对铬革屑进行轻度处理,然后再用酶进行二次处理,这样可以增加胶原的提取率和反应效率。 整理课件3 胶原蛋白的化学性胶原蛋白的化学性质3.1 与亚硝酸反应 蛋白质或氨基酸的氨基与亚硝酸反应,侧氨基或端氨基被分解,并且出放的氮气,通过测定释放的氮气量可以计算蛋白质的断蛋白质的水解程度和速度 。 3.2 与甲醛反应 甲醛滴定法可用来测定氨基酸的含量,其原理是甲醛在氨基上发生加成反应生成N-羟甲基衍生物。继续反应,产生N-二羟甲基衍生物,从而将自由氨基封闭,保护氨基。用碱溶液滴定自由羧基的数量,可计算出蛋白质的含量。 3.3与茚三酮反应 蛋白质或氨基酸的溶液滴加几滴茚三酮溶液后加热至沸,溶液即呈蓝紫色,而脯氨酸和羟基脯氨酸因为是亚氨基。产生黄色。这个反应常用于氨基酸的比色定量分析。 3.4 与酸、碱的作用 胶原肽链的端基和侧链均含有氨基和羧基,即存在许多碱性基团和酸性基团,它们在溶液中能与酸和碱结合。结合后,胶原分子间及肽链间的离子交联键和氢键将被打开。随着时间延长,各种交联键和次级键逐渐被破坏。胶原发生酸溶或碱溶,甚至有可能发生主链降解。当加热至沸腾,胶原逐步由大肽水解成小肽,直至成氨基酸。 3.5 与盐基的作用 在盐溶液中胶原肽链间的离子键被盐打开,从而吸水膨胀。各种离子对胶原膨胀能力的大小影响如下。阳离子:Ca2+Li+Na+K+Rb2+Cs2+;阴离子:CNS-I-NO-Cl-CHCOO-SO32-酒石酸根柠檬酸根。中性盐会造成胶原的膨胀,有的造成脱水。整理课件4胶原蛋白的胶原蛋白的应用用4.1造造纸方面方面 4.1.1作为造纸增强剂 胶原纤维和植物纤维这两种天然高分子都含有许多活性基团和活性部位,皮革固体废弃物在经处理变成胶原纤维的过程中比木材制浆过程中活性基团暴露得更多,更易反应,为两种纤维结合提供了良好的条件。胶原蛋白是由许多-氨基酸通过肽键构成的多肽链,胶原分子的侧链上含有许多极性基团,纤维素分子中含有大量的羟基和少量羧基等基团。调节不同的介质可以使胶原纤维与纤维素大分子以氢键、离子键以及共价键的形式结合,这些键的形成使得纸纤维间的结合力增大,键能升高,从而使纸张的物理机械强度得以提高,使纸的吸水性、透气性、紧度等物理指标有所改善。4.1.2胶粘剂 胶原蛋白作为胶粘剂,可以作为造纸的施胶剂,但是其耐水性能较差。通常 在胶原蛋白粘合剂中加多聚甲醛作硬化交联剂,可得到类似脲醛树脂的效果,并增加抗水能力,使得胶原分子链间形成交联键,使黏度提高,加强了凝固的结构,提高了胶原蛋白的机械性能。 胶原蛋白作为胶粘剂,可用于纱布、砂纸的制造,此外也可用于生产胶带纸。4.1.3 表面活性剂 表面活性剂的分于由性质完全相反的2部分组成,即亲水性和憎水性基团,2种基团的比例(HLB值)决定了表面活性剂的亲水性和憎水性的强弱。HLB值愈大,则亲水性愈强,憎水性愈弱。胶原蛋白分子结构中既有氨基,又有羧基,在不同的介质中呈现出双亲性;各种氨基酸的氨基各不相同。在结构上有不对称性,故在一定程度上也有表面活性。 整理课件4胶原蛋白的胶原蛋白的应用用4.2食品方面食品方面胶原蛋白作为功能保健食品使用，研究表明，胶原蛋白可以降低血甘油三酯和胆固醇，并可增高体内某些缺乏的必需微量元素，从而使其维持在一个相对正常的范围之内，是一种理想的减肥降血脂食品。此外，胶原蛋白在协助机体排出铝质，减少铝质在体内聚集方面也有独特之处。铝对人体有害，研究表明，日前逐渐增多的老年痴呆症与铝的摄入量有关，同时胶原蛋白有加速血红蛋白和红细胞生成的功效，它具有改善循环、对冠心病、缺血性脑病有利。胶原蛋白的特征氨基酸羟基脯氨酸是血浆中运输钙到骨细胞的运载工具，骨细胞中的骨胶原是羟基磷灰石的黏合剂，它与羟摹磷灰石共同构成了骨骼的主体。因此，只要摄入足够的胶原蛋白，就能保证正常机体钙质的摄入量，胶原蛋白可成制成补钙的保健食品。同时起还能用于食品包装材料，胶原蛋白可以用作果脯蜜饯等内包装膜，辅加以甘油、caCl2等添加剂，提高膜的机械性能，成为既美观又有良好的机械性能，同时也是一种营养载体。可食性的胶原蛋白包装膜，一般具有良好的抗张强度、热封性和较高的阻气、阻油、阻湿性等。可以广泛用于各类食品的保鲜。涂层材料明胶作为涂层材料在食品表面具有诸多优点：避免食品氧化，抑制氨基酸和糖类之间的美拉德反应防止粉末状、颗粒状的糖类食品吸潮结块僵硬现象；使食品表面有光泽；作为稳定剂，防止产品干缩变形；具有保鲜作用。加入一定量的明胶溶液，以使果蔬表面形成保护膜可以保证食品的天然风味和新鲜度；防止食品腐败。提高挥发性食品成分的保存性；调整溶解度，等等。整理课件4.胶原蛋白的胶原蛋白的应用用4.3医学方面医学方面目前许多医学研究单位，正尝试将胶原蛋白做成各种不同用途的临床实验，如用处理过含用丰富胶原蛋白的生猪皮，覆盖在烧、烫伤病患的伤口上;利用提炼出来的胶原蛋白，促进移入表皮细胞与生长能力，大幅缩短伤口愈合的时间，提高烧烫伤病患的存活能力。由于胶原蛋白具有保护、支持人体组织与骨骼张力强度以及具有粘性、弹性等特性，所以可作为生医材料，用在骨科、整形外科、皮肤科、心脏血管外科、神经外科、牙科及眼科等，在临床应用的前景看好整理课件4.胶原蛋白胶原蛋白发展前景展前景胶原蛋白作为一种新的材料已经渗透入大众的生活中，但是我们应该看到，依然有很多新的产品能够被开发出来你，作为一种新的生物材料，我们坚信，其一定能够在未来中的市场中占据一席之地，作为一种能够运用在生产生活，工业化工的新的生物材料，只有从风发掘出其间接价值，才能够从分得利用现有的资源来替人类造福，胶原蛋白的研究只是现在才起步而已，未来还会有巨大的空间，这直接给我们一个机遇，一个挑战，未来能否占据生物材料的高地，胶原蛋白的研究是一个重要方面，技术的成熟只是一个时间的问题。胶原蛋白是一种生物性高分子物质，在动物细胞中扮演结合组织的角色。为生物科技产业最具 关键性的原材料之一，也是需求量十分庞大的最佳生医材料。其应用领域包括生医材料、化妆 品、食品工业、研究用途等。研究空间广阔。 整理课件5结语 随着人们的生活水平的提高，相信在未来的几年里，胶原蛋白一定能够得到更好地运用，作为生物科技产业的最关键的原料之一，相信其在生医材料，化妆品，食品业上将 会能够得到良好的发展。整理课件谢谢观赏！整理课件