材料科學(xué)概論精品課件

1、材料科學(xué)概論第1頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四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(xué)性質(zhì)4膠原蛋白的幾種應(yīng)用5結(jié)語第2頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四1 引言膠原纖維是構(gòu)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(jié)構(gòu)。膠原纖維具有微彈性和很高的抗張強(qiáng)度,并且還有許多獨(dú)特的性質(zhì)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(zhì)的一般性質(zhì)外,還有許多特有的性質(zhì)。這是由其特殊的組成和結(jié)構(gòu)所決定的。一般的蛋白質(zhì)是由2條肽鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu),而膠原蛋白由3條肽鏈結(jié)合形成三螺旋結(jié)構(gòu)。膠原蛋白特有

2、的左旋 A鏈相互纏繞構(gòu)成的膠原右手復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)中,其最大特點(diǎn)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(tuán)產(chǎn)生的疏水鍵等作用力。同時(shí),膠原分子內(nèi)和分子間還存在醇醛縮合交聯(lián) 、醛氨縮合交聯(lián)和醛醇組氨酸種交聯(lián)。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(qiáng)度。膠原分子間按四分之一錯(cuò)列方式超分子聚集形成穩(wěn)定的韌性很強(qiáng)的原纖維,原纖維進(jìn)一步聚集形成膠原纖維。第3頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四2膠原蛋白的提取目前提取

3、膠元蛋白主要從皮革廢棄物中,國內(nèi)外已有不少研究。根據(jù)文獻(xiàn),從鉻革屑中提取膠方法很多,根據(jù)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(jìn)入絡(luò)合物內(nèi)界,將膠原羧基從鉻絡(luò)合物中取代出來,使膠原脫鉻且同時(shí)發(fā)生降解,然后溶于水,Cr3+與OH-離子形成沉淀。經(jīng)過壓濾或離心分離,可將膠原溶液與Cr(OH)3沉淀分離。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(fā)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(dá)到脫鉻提取膠原蛋白的目的。利用酸水解法分離膠原纖維。 第4頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四2膠

4、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(zhì)的肽鏈上脫落下來,從而實(shí)現(xiàn)鉻與膠原蛋白的分離。如在堿性介質(zhì)中,根據(jù)雙氧水氧化三價(jià)鉻的原理,采用酸-堿-氧化交替的方法,也可獲得低含鉻量的膠原,并保持了膠原分子的結(jié)構(gòu)。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(luò)合物與蛋白質(zhì)脫鞣,分離 出鉻 鹽和已部分水解的膠原。Cabeza改進(jìn)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(chǎn)物。酶處理法條件溫和,對(duì)蛋白質(zhì)的成分破壞小,所得膠原蛋白

5、純度高,水溶性好,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,但如果單獨(dú)使用,反應(yīng)過程很慢。 目前在提取膠原蛋白時(shí),常把幾種方法結(jié)合起來。如堿酶處理法,即在提取膠原蛋白時(shí),先用堿對(duì)鉻革屑進(jìn)行輕度處理,然后再用酶進(jìn)行二次處理,這樣可以增加膠原的提取率和反應(yīng)效率。 第5頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四3 膠原蛋白的化學(xué)性質(zhì)3.1 與亞硝酸反應(yīng) 蛋白質(zhì)或氨基酸的氨基與亞硝酸反應(yīng),側(cè)氨基或端氨基被分解,并且出放的氮?dú)?通過測(cè)定釋放的氮?dú)饬靠梢杂?jì)算蛋白質(zhì)的斷蛋白質(zhì)的水解程度和速度 。 3.2 與甲醛反應(yīng) 甲醛滴定法可用來測(cè)定氨基酸的含量,其原理是甲醛在氨基上發(fā)生加成反應(yīng)生成N-羥甲基衍生物。用堿溶液滴定自

6、由羧基的數(shù)量,可計(jì)算出蛋白質(zhì)的含量。 3.3與茚三酮反應(yīng) 蛋白質(zhì)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(lán)紫色,而脯氨酸和羥基脯氨酸因?yàn)槭莵啺被?。產(chǎn)生黃色。這個(gè)反應(yīng)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(cè)鏈均含有氨基和羧基,即存在許多堿性基團(tuán)和酸性基團(tuán),它們?cè)谌芤褐心芘c酸和堿結(jié)合。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,從而吸水膨脹。第6頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四 4膠原蛋白的應(yīng)用 4.1造紙方面 4.1.1作為造紙?jiān)鰪?qiáng)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(tuán)和活性部位,皮革固體廢棄物

7、在經(jīng)處理變成膠原纖維的過程中比木材制漿過程中活性基團(tuán)暴露得更多,更易反應(yīng),為兩種纖維結(jié)合提供了良好的條件。膠原蛋白使紙張的物理機(jī)械強(qiáng)度得以提高,使紙的吸水性、透氣性、緊度等物理指標(biāo)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。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(chǎn)膠帶紙。 4.1.3 表面活性劑 表面活性劑的分于由性質(zhì)完全相反的2部分組成,即親水性和憎水性基團(tuán),2種基團(tuán)的比例(HLB值)決定了表面活性劑的親水性和憎水性的強(qiáng)弱。HLB值愈大,則親水性愈強(qiáng),憎水性愈弱。膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)中既有氨基,又有羧基,在不同的介質(zhì)中呈現(xiàn)出雙親

8、性;氨基各不相同。在結(jié)構(gòu)上有不對(duì)稱性,故在一定程度上也有表面活性。第7頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四4膠原蛋白的應(yīng)用4.2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(nèi)某些缺乏的必需微量元素，從而使其維持在一個(gè)相對(duì)正常的范圍之內(nèi)，是一種理想的減肥降血脂食品。此外，膠原蛋白在協(xié)助機(jī)體排出鋁質(zhì)，減少鋁質(zhì)在體內(nèi)聚集方面也有獨(dú)特之處。鋁對(duì)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(guān)，同時(shí)膠原蛋白有加速血紅蛋白和紅細(xì)胞生成的功效，它具有改善循環(huán)、對(duì)冠心病、缺血性腦病有利。涂層材料明膠作為涂層材料在食品表面具有諸多

9、優(yōu)點(diǎn)：避免食品氧化，抑制氨基酸和糖類之間的美拉德反應(yīng)防止粉末狀、顆粒狀的糖類食品吸潮結(jié)塊僵硬現(xiàn)象；使食品表面有光澤；作為穩(wěn)定劑，防止產(chǎn)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(hù)膜可以保證食品的天然風(fēng)味和新鮮度；防止食品腐敗。提高揮發(fā)性食品成分的保存性；調(diào)整溶解度，等等。第8頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四4.膠原蛋白的應(yīng)用4.3醫(yī)學(xué)方面目前許多醫(yī)學(xué)研究單位，正嘗試將膠原蛋白做成各種不同用途的臨床實(shí)驗(yàn)，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;利用提煉出來的膠原蛋白，促進(jìn)移入表皮細(xì)胞與生長能力，大幅縮短傷口愈合的時(shí)間，提高燒

10、燙傷病患的存活能力。由于膠原蛋白具有保護(hù)、支持人體組織與骨骼張力強(qiáng)度以及具有粘性、彈性等特性，所以可作為生醫(yī)材料，用在骨科、整形外科、皮膚科、心臟血管外科、神經(jīng)外科、牙科及眼科等，在臨床應(yīng)用的前景看好第9頁，共12頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)33分，星期四4.膠原蛋白發(fā)展前景膠原蛋白作為一種新的材料已經(jīng)滲透入大眾的生活中，但是我們應(yīng)該看到，依然有很多新的產(chǎn)品能夠被開發(fā)出來你，作為一種新的生物材料，我們堅(jiān)信，其一定能夠在未來中的市場(chǎng)中占據(jù)一席之地，作為一種能夠運(yùn)用在生產(chǎn)生活，工業(yè)化工的新的生物材料，只有從風(fēng)發(fā)掘出其間接價(jià)值，才能夠從分得利用現(xiàn)有的資源來替人類造福，膠原蛋白的研究只是現(xiàn)在才起步而已，未來還會(huì)有巨大的空間，這直接給我們一個(gè)機(jī)遇，一個(gè)挑戰(zhàn)，未來能否占據(jù)生物材料的高地，膠原蛋白的研究是一個(gè)重要方面，技術(shù)的成熟只是一個(gè)時(shí)間的問題。膠原蛋白是一種生物性高分子物質(zhì)，在動(dòng)物細(xì)胞中扮演結(jié)合組織的角色。為生物科技產(chǎn)業(yè)最具 關(guān)鍵性的原材料之一，也是需求量十分龐大的最佳生醫(yī)材料。其應(yīng)用領(lǐng)域包括生醫(yī)材料、化妝 品、食品工業(yè)、研究用途等。研究空間廣闊。 第10頁，共12頁，2022年，5月20日