原文
,卷:16(3)DOI: 10.21767/0972-768X.1000281废弃鸡毛角蛋白绿色生物膜的制备、表征及应用
- *通信:
- Tamrat Tesfaye,南非夸祖鲁-纳塔尔大学化学工程学科,电话:+27(0)31 260 2083,电子邮件: (电子邮件保护)
摘要
由于合成塑料的不可生物降解性,填埋处理对环境构成了最大的威胁之一。这一问题可以通过生产和使用可生物降解材料来解决聚合物代替。羽毛是一种可再生的、廉价的、可生物降解的、容易获得的禽业副产品。它们一直被认为是固体浪费这造成了严重的环境和经济问题。牛油果籽是有机食品浪费这些垃圾也会被填埋。本研究的目的是通过绿色开发,使这两种有机废物受益生物膜由淀粉和角蛋白提取而成浪费牛油果籽和浪费分别是鸡毛。研究了薄膜的形态结构、细部结构、结晶行为、官能团含量、含水率、溶解度、拉伸性能、回潮率和溶解特性。角蛋白/淀粉混合薄膜的溶解度、吸水性、溶解度、含水量、机械性能和形态结构的数据表明,该薄膜可以用于食品包装工业(作为一种成本效益高、环境友好的替代原料,可用于包装材料中常用的石油基材料;作为生产卫生用品的原料,例如尿布产品的高吸水材料;并作为制造人造等生物医药产品的原料来源皮肤产品;在制药行业(例如,在药物输送系统)。
关键字
鸡的羽毛;鳄梨种子;角蛋白;淀粉;生物膜;选矿
简介
塑料包装是许多商业和工业活动的理想材料,特别是在食品包装中,它们被用来帮助保持食品新鲜和免受污染。这是由于其重量轻、柔韧性强、稳定性好、强度大、不透水等特点[1].合成纤维的消耗聚合物由于人口增长和对包装材料的需求增加,预计到2100年塑料产量将增长四倍(占石油产量的25%)[2].消费后积累浪费由于塑料的不可生物降解性是一个严重的环境问题,使用塑料包装不能通过填埋解决[3.].塑料浪费能被焚化吗能源回收,但这对环境有负面影响,因为塑料燃烧过程中会排放温室气体[4,5].
以减少合成对环境的影响聚合物部分生物降解聚合物由合成和天然聚合物的混合物制备而成。近年来,人们越来越关注用生态友好型生物基可生物降解包装薄膜取代合成聚合物基薄膜在食品包装中的应用。药物输送系统,组织工程[6-9].用生物可降解塑料代替合成塑料包装聚合物来自可再生生物质显着减少了体积浪费生成(10,11].尽管生物基塑料在机械性能方面存在一些局限性,但其耐热性和水屏障功能特性提供了非常理想的特性[12-14].
最近有报道称,100%可生物降解的包装材料可由可再生资源如淀粉制成[2,6,14]、蛋白质、纤维素和橡胶[15-20.]和脂质[21-23].角蛋白具有良好的环境稳定性、生物降解性和生物相容性,是一种理想的蛋白质。角蛋白中丰富的半胱氨酸氨基酸被氧化形成分子间和分子内的二硫化物键,形成三维交联网络,具有较高的机械强度、疏水性和良好的热稳定性[24-29].因此,这些特性可能会导致生物可降解材料的发展,如薄膜,海绵,自组装结构,水凝胶对于可堆肥包装产品,组织工程,成纤维细胞生长,伤口愈合创伤而且药物输送系统(30.-36].角蛋白是一种可再生来源浪费半胱氨酸含量约为8.5%的鸡毛[12].角蛋白薄膜具有很高的延展性低灵活性(14].淀粉是一种完全可生物降解的半结晶聚合物,是大多数植物的补充材料。浪费牛油果种子可以作为一种可行的、相对便宜的、容易获得的可再生淀粉来源[32].虽然有一些关于角蛋白淀粉薄膜生产的报道,但据我们所知,还没有关于牛油果籽淀粉交联角蛋白材料生产的报道。这项工作突出了生物可降解材料的利用聚合物来自可再生资源(淀粉来自浪费牛油果种子和角蛋白浪费鸡毛)用于角蛋白/淀粉混合膜的生产。
材料与方法
材料
化学成分:尿素、氢氧化钙、十二烷基硫酸钠(SDS)和盐酸购自南非Sigma Aldric。
羽毛:鸡毛来自南非德班夸祖鲁-纳塔尔省的一家屠宰场Rainbow Chickens Limited。
鳄梨种子:牛油果的种子采集自南非德班。
方法
淀粉提取浪费鳄梨种子:图1是提取淀粉的工艺流程图的示意图吗浪费鳄梨种子。浪费牛油果种子用自来水清洗,研磨成细粉,然后在室温下浸泡在亚硫酸钠溶液中,用重型搅拌机混合。用20 μm尼龙网筛分,去离子水清洗。让混合物沉淀,丢弃上清液,用自来水反复冲洗粗提取的淀粉,直到冲洗水清澈。滤饼在50°C下干燥24 h,并在室温下保存。
图1所示。淀粉提取工艺流程图浪费鳄梨种子。
鸡毛预处理:图2描述了去污和预处理的工艺流程图浪费鸡的羽毛。新鲜拔下的未经处理的湿鸡毛,用鸡毛重量的1% SDS清洗,以去除油脂和其他废物,杀死潜在的有害病原体。未经处理的浪费将鸡毛(10克)样品放在烧杯中,以液固比40:1加入SDS溶液。
样品在50°C的热板上用磁力搅拌器和烧杯以500 rpm的速度搅拌30分钟。处理过的羽毛在蒸馏水中漂洗10分钟,进一步纯化,然后铺在铝箔上,在100°C的空气干燥器中干燥至恒定质量。然后将样品放入密封的塑料袋中,然后保存在受控的实验室环境中(20°C,相对湿度65%)。去除污染和处理后的羽毛,在使用前用重型铣床将其粉碎至350 μm大小,以增加表面积。
从鸡毛中提取角蛋白:中从羽毛中提取角蛋白的原理图图3.总而言之:
•准备0.5 M Ca(OH) 2,8 M尿素和10%重量的羽毛SDS的水溶液
•在250毫升溶液中加入10克鸡毛粉
•通过在70°C加热混合物30分钟并不断搅拌来提取角蛋白
•用50 μm尼龙网过滤
使用1mol /L的盐酸溶液调节pH值至中性
•用透析与透析纤维素管(MWCO 6000- 8000da)浸泡在蒸馏水中(每天更换3次),室温下浸泡三天
•冷冻干燥样品以获得干燥的角蛋白
•储存角蛋白粉在4°C,直到准备使用。
淀粉-角蛋白混合膜的制备:角蛋白/淀粉共混膜的制备工艺流程图描述在图4.将5克淀粉粉加入100克去离子水(5% v/w),用磁铁在70°C下持续搅拌30分钟,制备淀粉水溶液。将7克角蛋白粉样品加入100毫升0.1 M NaOH中,然后在70°C下用磁棒持续搅拌15分钟。然后,将不同比例的角蛋白/淀粉溶液和甘油混合,如图所示表1在下面。甘油是生物塑料薄膜制备中常用的增塑剂。混合物在70°C下加热10分钟,连续磁搅拌,制备角蛋白/淀粉混合物分散体。
角蛋白/淀粉溶液的比例 | 甘油(固体百分比,w/w) |
---|---|
10:90 | 40 |
30:70 | 40 |
50:50 | 40 |
70:30 | 40 |
90:10 | 40 |
表1。淀粉和角蛋白的比例。
将分散液超声5分钟以去除气泡,形成均匀的分散液,将分散液倒入玻璃培养皿(直径15厘米)中,在60℃的真空烤箱中干燥24小时。干燥后,将薄膜从培养皿中剥离,在相对湿度65±2%和温度20±2℃条件下调节24小时,然后分析。
红外光谱:在衰减反射模式下(Frontier Universal, PerkinElmer)使用FTIR记录角蛋白/淀粉共混膜的官能团,并以4厘米的分辨率记录-1波数范围为600 ~ 4000厘米-1每个光谱平均包含4次扫描。
形态和细部分析:利用卡尔蔡司仪器(Oberkochen, Germany)在20 kV加速电压下扫描电子显微镜(SEM)研究了角蛋白/淀粉共混膜的形态结构。采用带有SMENA头的Solver P47H底座的原子力显微镜(NT-MDT)对薄膜的精细结构和粗糙度进行了表征。
x射线衍射(XRD):角蛋白/淀粉共混膜的x射线衍射/XRD分析使用多功能x射线衍射仪(Bruker D8 Discover模型衍射仪Bruker South Africa, Johannesburg),配备了一个衍射光束单色仪和一个铜靶x射线管,工作电压为40kv和30ma。薄膜结晶度由经验方程计算:
(1)
薄膜溶解度:从每个角蛋白/淀粉混合物膜中取出3个圆形膜(直径2厘米),在105°C下干燥24小时,并确定每个膜的初始干质量(W1)冷却10分钟后,将薄膜浸泡在50毫升去离子水中,在室温下周期性搅拌24小时,然后取出薄膜的未溶解部分,在105°C下干燥24小时,称重(W2).角蛋白/淀粉共混膜的溶解度由式2计算:
(2)
薄膜含水率:通过在烘箱中105°C干燥24小时来确定薄膜含水率。薄膜含水率和回潮率分别由公式3和公式4计算:
(3)
(4)
其中W1是薄膜的初始质量,W2是薄膜干燥后的恒定质量。
薄膜表面密度:5 × 5厘米2制备角蛋白/淀粉混合膜,并将其称量至0.001 g。薄膜的表面密度由式5计算:
(5)
薄膜的拉伸性能:角蛋白/淀粉共混膜的机械性能是根据ASTM标准D882使用万能拉力试验机(型号3345)测量的。
解散影片:角蛋白/淀粉膜的溶解百分比在0.1 mM磷酸盐缓冲盐溶液(pH 7.4)中进行,在37°C下持续7天。每24小时更换一次缓冲液,在50°C干燥24小时后,用公式6计算溶解程度。
(6)
结果与讨论
从所有角蛋白/淀粉混合膜中得到薄、透明、均匀、柔性薄膜。它们的颜色从白色到黄色不等。膜中角蛋白含量的增加导致膜的黄度增加。初步观察发现,不加塑化剂的角蛋白/淀粉共混膜脆性大低湿度和软在高湿度。薄膜的力学性能得到了提高。为了改善角蛋白/淀粉共混膜的脆性,在共混溶液中加入了甘油。观察到,甘油的加入通过减少聚合物链之间的内部氢键来增加薄膜的柔韧性、均匀性和透明度。它们的表面看起来很光滑,没有明显的裂缝或洞。由于淀粉的吸湿特性,随着淀粉含量的增加,薄膜从板上剥离时,弹性更高,颜色更白,表面外观均匀,粘性更强。
红外光谱光谱学的电影
角蛋白/淀粉共混膜的红外光谱描述图5:很明显,角蛋白分子的氨基酸官能团与淀粉分子中的羟基相互作用导致光谱发生了移位。吸收峰在900-1000厘米左右-1代表角蛋白中的二硫化物键,其强度随着膜中角蛋白含量的增加而增加。主要吸收峰显示在表2.
吸收峰,cm-1 | 官能团 |
---|---|
800 | 酰胺四世 |
900 - 1000 | 角蛋白中的二硫键 |
1200 | 酰胺三世 |
1250 | 切断拉伸 |
1550 | 酰胺II (NH弯曲) |
1680 | 酰胺I (C=O拉伸) |
1700 | 羰基 |
2900 | 碳氢键拉伸 |
3100 - 3600 | 碳碳 |
3000 - 3500 | 3000-3500 OH和/或NH拉伸 |
表2。在角蛋白/淀粉膜中发现的主要官能团。
10/90角蛋白/淀粉膜在900-1000 cm处有吸收峰-1, 1250厘米-1, 1550厘米-1, 1660厘米-1和3100-3600厘米-1对应于糖、C-O拉伸、N-H、C-C O-H或/和N-H拉伸官能团。角蛋白/淀粉膜在约800 cm处有吸收峰-1, 1200厘米-1, 1550厘米-11680厘米-1分别代表酰胺IV, III, II (NH弯曲)和I (C=O拉伸)。带状存在约1700厘米-1角蛋白/淀粉中提示羰基。由于淀粉分子中的羟基(-OH)与角蛋白的氨基(-NH2)或羰基(C=O)相互作用,角蛋白/淀粉共混膜在2900-3250 cm左右出现吸收峰-1.峰顶近2900厘米-1表明C-H拉伸的存在。存在宽频带约3000-3500厘米-1是OH和/或nhh拉伸的指标。
薄膜的形态和细节结构
扫描电镜(SEM):所获得的角蛋白/淀粉膜表面的形态结构在扫描电镜图像中呈现图6.很明显,角蛋白/淀粉膜的形态结构受膜的化学成分的影响。角蛋白/淀粉共混膜的表面形貌和质地取决于角蛋白和淀粉的配比。观察到角蛋白/淀粉共混膜的表面粗糙度随着淀粉含量的增加而增加,膜的结构呈海绵状多孔结构。而随着角蛋白含量的增加,表面变得光滑,纹理不均匀,颗粒嵌入并融合,这可能是由于角蛋白的分子量分布范围大。
除90/10角蛋白/淀粉共混膜外,所有角蛋白/淀粉共混膜均含有较高的淀粉含量,主要是与角蛋白相似的单体,但分子量相差较大,膜表面粗糙,质地均匀。在30/70角蛋白/淀粉膜和50/50角蛋白/淀粉膜之间不可能观察到任何显著的形态结构差异,并显示出多一个海绵横断结构,这可能是由于膜的功能基团相似。海绵状的结构可能是由于水分子蒸发与淀粉中的各种羟基反应造成的。所有角蛋白/淀粉共混膜都具有海绵质地,这可能是由于淀粉中存在羟基,该羟基在膜干燥过程中可以通过氢键与水相互作用。
精细细节结构:为了进一步阐明角蛋白/淀粉薄膜的表面粗糙度,利用原子力显微镜(AFM)对薄膜的精细结构进行了研究。角蛋白/淀粉混合膜的AFM图像显示在图7.100%角蛋白膜表现出不均匀、致密的结构,可能是由于角蛋白的团聚而在表面嵌有聚集物。由于角蛋白与淀粉分子的分子间和分子内交联,在共混物中添加越来越多的淀粉可产生具有均匀和致密微观结构的薄膜。混合膜的粗糙度可能是由于角蛋白和淀粉分子的分子量分布不同造成的。
薄膜的x射线衍射(XRD):为了进一步阐明角蛋白/淀粉的加入对薄膜性能的影响,采用XRD分析方法。采用XRD分析研究了薄膜的结晶度。角蛋白/淀粉共混膜的XRD衍射峰如图所示图8.它们在2θ ~ 9°和20°处显示出宽的衍射峰,这是部分结晶材料的典型图案。淀粉含量高的薄膜的衍射图样强度和峰宽比其他样品强,表明结晶度增加。从结晶峰出发,根据公式1计算结晶度指数,结果表明所有角蛋白/淀粉膜均为完全无定形结构,结晶度指数小于20%。
薄膜的溶解度测试:角蛋白/淀粉混合膜的溶解度分布如图所示图9.膜的溶解度随膜中淀粉含量的增加而增加。这可能是由于淀粉聚合物中羟基的亲水性——淀粉含量越高,薄膜在水中的溶解度就越高。这似乎意味着,在共混物中较高的淀粉含量导致角蛋白和淀粉分子之间的交联反应减少,从而促进聚合物薄膜的增溶。
薄膜含水率和回收率:机械性能,水蒸气阻隔性能,溶解性和药物输送聚合物基材料的性能受到所生产材料的含水率和回潮率的显著影响[15,18-20.].角蛋白/淀粉混合膜的含水率受淀粉含量的影响显著,在10-16%之间。
结果显示于图9表明淀粉含量的增加增加了薄膜的水分含量:这可能是由于角蛋白分子的疏水性质和角蛋白与淀粉分子之间形成的交联网络结构阻碍了角蛋白亲水性基团暴露于水分子。相比之下,淀粉与水的结合能力较好。但在所有情况下,薄膜的含水率都在允许的含水率范围内。这表明角蛋白/淀粉膜可以在室温下长期储存,而不需要担心真菌还有微生物的生长。
角蛋白/淀粉共混膜的回潮数据显示在图9.薄膜的回潮率是薄膜的一项重要性能,可用于测定材料的水敏性、水活度和亲水性。它还可用于评估材料在潮湿条件下储存时的相对物理稳定性。此外,薄膜的回水特性可以被认为是伤口愈合等应用的优势,药物输送系统和卫生。
本研究中薄膜的回潮值为12-20%。从…中可以看出图9,薄膜中淀粉含量的增加导致薄膜回潮率增加,这可能是由于氢键相互作用和淀粉的亲水性。众所周知,材料中亲水性基团的数量越多,材料的含水率就越高。吸附在角蛋白/淀粉共混膜上的水起到增塑剂的作用,增加淀粉的链流动性,减弱链间氢键,使淀粉链发生滑移,从而减少内层压力从而增加薄膜伸长率。本研究中使用的淀粉可能需要进行化学改性,以降低其高水分特性,并使生产出具有良好防水性能的生物塑料。
薄膜表面密度:目前包装材料的一个要求是轻便。角蛋白和淀粉薄膜的表面密度值描述在图10.随着膜中角蛋白含量的增加,该值逐渐降低。这可能是因为与角蛋白相比,淀粉的密度更高。
薄膜的拉伸性能:研究了淀粉含量对角蛋白/淀粉共混膜拉伸强度和延伸率的影响图11.随着淀粉含量的增加,薄膜的拉伸强度和延伸性能均有显著差异:淀粉含量较低的样品比淀粉含量较高的样品具有较高的拉伸强度和较低的延伸性能。图11结果表明,含10%淀粉和90%角蛋白的薄膜具有较高的抗拉强度(15.91 MPa)和较低的断裂伸长率(9.10%)。而含90%淀粉和10%角蛋白的薄膜断裂伸长率较高(26.20%),抗拉强度较低(7.34 MPa)。牛油果种子淀粉含量的增加导致拉伸强度的降低,低蛋白质基质的延展性和薄膜延伸性能的增加。增强的拉伸性能是由于角蛋白骨架中的NH4+与淀粉基质中的OH -基团之间形成了分子间氢键。
解散影片:所述角蛋白/淀粉混合物薄膜的溶解概况图12.膜中角蛋白含量越高,溶出度越低。如图所示,淀粉含量越高,膜的溶出率越高,这可能与角蛋白与淀粉的相互作用力有关。此外,淀粉和角蛋白分子大小和分子量的广泛分布应该会影响两组分之间的结合形成,并反映在共混膜的降解模式上。
薄膜的溶解性能可作为判断材料是否可作为药物释放材料的指标。溶解度随角蛋白含量的增加而减少可能是由于角蛋白中半胱氨酸的高硫含量。鸡毛角蛋白含有疏水和亲水区域,其疏水性质对其溶解有负面影响。硫-硫键(- s -s -)也影响薄膜的溶解性能。淀粉基质中含有羟基,它们应该能很好地相互作用并影响薄膜的释放模式。随着膜中淀粉含量的增加,角蛋白/淀粉共混膜的质地发生相分离:因此,水稳定性和机械性能将受到影响。
角蛋白/淀粉膜的可能应用领域
用可再生资源生产的薄膜浪费鸡毛和鸡毛浪费牛油果种子有潜在的应用和使用在许多应用中,如图所示图13.角蛋白/淀粉混合膜的溶解度、吸水率、溶解度、含水量、力学性能和形态结构的结果表明,它们可以用于各种应用,如:
•在食品包装行业(作为一种具有成本效益和环保的原材料替代常用的包装材料,使用和抛盖和可食用食品包装);
•不同卫生产品的原料,例如,纸尿裤产品、农业工业和消防的高吸水材料;
•用于组织工程(例如,人工心脏、髋关节、心脏瓣膜和手指关节);
•伤口敷料;
•时尚产业(如人工晶状体和隆胸)
•人工皮肤更换;
结论
从植物中提取淀粉和角蛋白,成功制备生物膜浪费牛油果籽和浪费鸡的羽毛。随着淀粉含量的增加,薄膜的柔韧性、溶解度、溶解度、回潮率和含水率增加,而拉伸强度降低。薄膜的溶解性、吸水性、溶解度、含水量、机械性能和形态结构的结果表明,它们可以用于食品包装工业(作为一种具有成本效益和环保的原材料来源,以替代常用的包装材料;用作各种卫生用品的原料,如纸尿裤产品的高吸水材料;伤口敷料;在时尚界(如人工晶状体和隆胸);在生物医学应用中,如人工皮肤更换;在制药行业(如药物输送和皮肤药物输送系统)。未来的研究将需要了解淀粉和角蛋白的化学改性、不同的增塑剂以及挤压/铸造条件对薄膜物理化学和机械性能的影响。还将分析该薄膜用于药物释放和其他医疗应用的可能性。
确认
作者非常感谢从以下方面获得的财政和技术支持:夸祖鲁-纳塔尔大学化学工程学科热力学研究单位;埃塞俄比亚巴赫达尔大学纺织与时装设计技术学院;科学技术部,浪费研究发展和创新路线图和生物炼制工业发展设施,自然资源和环境,科学和工业研究理事会(CSIR)。
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