家蚕丝蛋白和蛹蛋白表面活性剂的特性及其生物安全性评价

摘要

蚕丝是由家蚕生产的外层被覆丝胶蛋白的高分子丝素蛋白纤维，目前主要用作缫丝工业和丝绵被加工业的原料，在缫丝工业和丝绵被加工业中存在两种不容忽视的副产物—丝胶和蚕蛹。在加工过程中，产生的蚕蛹仅作为低附加值的禽畜饲料添加剂加以利用，而许多丝胶蛋白随着大量缫丝汤浴和丝绵片加工的碱性废液直接废弃，这不仅导致了严重的环境污染，还造成了蛋白质资源的大量浪费。所以，有关丝胶蛋白的回收与蚕蛹的高附加值利用一直是业内关注的焦点。
　　表面活性剂是人类生活中需求量极大的日常用品，近年来各种类型的表面活性剂纷纷面市，其也是国内外的一大研究热点，氨基酸型阴离子表面活性剂是其中的一大热门。
　　本文结合上述蚕丝加工工业中的需求和存在的问题，利用丝素蛋白、丝胶蛋白以及蛹蛋白为原料，经过回收或分离、纯化和降解等方法制备丝素氨基酸、丝胶氨基酸和蛹蛋白氨基酸，采用经典的肖顿-鲍曼缩合法分别合成了具有实用价值的三种月桂酰基丝蛋白氨基酸钠盐的表面活性剂，这三种阴离子表面活性剂分别简称为丝素表面活性剂（SFA），丝胶表面活性剂（SSA）和蛹基表面活性剂（SPA），并分别对其进行了表面特性等方面的分析与测试。为了充分了解作为日常洗涤用品对人体的安全性，本文分别将这三种氨基酸基表面活性剂与小鼠饲料按比例混合，进行了为期八周的小鼠生物安全性评估试验，以分析其对小鼠的生长与发育及代谢方面的影响。
　　本文主要做了如下几方面工作：
　　（1）丝素氨基酸、丝胶氨基酸和蛹氨基酸的制备。
　　本文利用自制的机拉生丝绵片机模拟工业上机拉生丝绵片的制作流程，以100 kg家蚕双宫茧为原料，分别加工得到了生丝绵片（丝素纤维）36 kg（烘干后）、碱性丝胶废水约100 L、蚕蛹20 kg（干重）以及一些由茧衣或蛹衬形成的废丝。?将这种收集到废丝用0.2％碳酸钠水溶液煮沸30 min，换液后重复煮沸1次，取出脱胶的丝素纤维清洗、烘干；然后，这些丝素纤维置于121 oC（0.235 MPa）高压灭菌锅中水解30 min，得到了淡黄色的丝素蛋白水解液，调pH至4.0，过滤、纯化后，喷雾干燥制成粉末后续备用。?丝胶蛋白废液首先分别利用 PP棉（聚丙烯短纤维）和活性炭进行粗过滤，然后利用超滤膜对其进行超滤分离，共获得20 L含大分子量丝胶蛋白多肽的超滤膜保留液和1 L的小分子量的超滤膜滤出液，将获得的保留液和滤出液分别进行喷雾干燥，最终获得纯度较高的大分子量丝胶蛋白粉末和小分子丝胶蛋白粉末备用。?将20 kg烘干后的蚕蛹先后经过榨油机和正己烷脱脂后获得约4 L的蚕蛹油和约16 kg的脱脂蛹粉（蚕蛹蛋白粉），在125 oC（0.235 MPa）高压灭菌锅中水解30 min，得到蛹蛋白水解液若干，然后将蛹蛋白水解液通过 PP棉和活性炭进行过滤，接着进行脱酸处理。最后获得橘红色的蛹蛋白水解液，喷雾干燥制成的粉末用于后续表面活性剂的合成。
　　（2）表面活性剂的合成及特性分析。
　　将上述获得的三种丝素氨基酸、丝胶氨基酸和蛹氨基酸均分别配置为20%的氨基酸溶液，pH值调至8.0-9.0。将配好后的三种氨基酸溶液分别置于配备有程序控温仪和搅拌装置的反应釜中，加入适量丙酮，并将反应体系温度控制在5 oC以内，随后缓慢滴加月桂酰氯，同时滴加2.0 mol/L的氢氧化钠溶液使反应体系pH值控制在9.0-10.0。滴加完毕后，使整个反应温度升至20 oC反应4 h。待反应结束后，将反应混合液pH值调至1.0-2.0，呈现乳白色和棕红色沉淀，即为粗产品。最后，将获得的沉淀依次利用热水与石油醚洗涤多次，将产物溶解于无水乙醇中，同时在55 oC下滴加氢氧化钠的乙醇溶液使反应溶液的pH调至7.0-8.0左右，继续在室温下反应30 min。在整个反应中所用的有机溶剂均用旋转蒸发仪进行浓缩回收。随后将合成好的三种阴离子型氨基酸钠盐表面活性剂进行红外光谱分析以对其结构进行表征。所合成的三种月桂酰基氨基酸钠表面活性剂的产率大约为78%、75%和70%。综合三种表面活性剂的产率、临界胶束浓度、最低表面张力、发泡性能和乳化能力等指标，SFA为三种表面活性剂中最优。
　　（3）表面活性剂的生物安全性评价。
　　将以上合成的三种表面活性剂分别以不同的比例混入小鼠的正常饲料中饲喂八周，以探究表面活性剂添食对小鼠生长发育和代谢方面的影响。实验结果表明，食用了不同比例的添食饲料组的小鼠与正常组相比有增重的现象；各实验组小鼠的肝系数、肾系数与正常组相比无显著差异，各实验组小鼠的腹腔脂肪的质量与正常组相比显著增大；各实验组小鼠的血液指标与正常组相比无明显差异；检测到各实验组小鼠的肝组织氧化酶类GSH-PX、T-AOC、T-SOD和MDA的活性与正常组相比无显著差异；各实验组小鼠的肝脏、肾脏的病理切片无异常，通过对小鼠脂质代谢关键酶 mRNA表达水平的检测，RT-PCR分析结果显示，三种表面活性剂分别以2.5%和5.0%添食不会刺激小鼠脂质代谢关键酶基因的表达上调，可推断表面活性剂添食不会对小鼠的消化吸收和正常代谢造成不良影响。
　　综上所述，本文以机拉生丝绵片加工过程中的废丝、废液中回收的丝胶蛋白以及蚕蛹为原料，合成了三种阴离子型的氨基酸钠盐表面活性剂。小鼠口服添食试验的结果充分证实这三种氨基酸型表面活性剂对小鼠的生长和发育没有产生不良影响。这也充分说明这三种氨基酸型表面活性剂是生物安全的，可应用于人们日常使用的日化洗涤用品。

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前言

第一章 文献综述

1表面活性剂概述

2氨基酸型表面活性剂的合成方法

3 氨基酸型表面活性剂的研究现状

4氨基酸型表面活性剂的表面活性与表面特性

5 丝素蛋白、丝胶蛋白和蛹蛋白的氨基酸组成

6丝蛋白与蛹蛋白的表面活性与表面特性

7丝蛋白表面活性剂的应用

8展望

第二章 家蚕丝蛋白和蛹蛋白表面活性剂的制备及特性

1 实验材料、试剂与仪器

2 实验设计与方法

3实验结果与分析

4 小结与讨论

第三章 家蚕丝蛋白和蛹蛋白表面活性剂的生物安全性评价

1 实验材料、试剂与仪器

2实验设计和方法

3结果与分析

4小结与讨论

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

基金资助

致谢