角蛋白水解条件对可生物降解薄膜理化性质的影响

《Results in Materials》：Effect of Keratin Hydrolysis Conditions on the Physicochemical Properties of Biodegradable Films

　　

采用不同水解方法从鸡羽毛中制备了可生物降解的角蛋白水解物/聚乙烯醇（PVA）/甘油薄膜。水解方法影响了薄膜的形态和理化性质。对角蛋白薄膜中酰胺I–III带的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实，蛋白质一级结构得以保留。薄膜表现出良好的热稳定性，且在90天内质量损失为67.5–92.4%，证实了其可生物降解性。不同薄膜的机械性能存在差异，这反映在杨氏模量值的差异上。

论文解读

一、研究背景与意义

家禽羽毛是家禽产业的重要副产物。在乌兹别克斯坦共和国，家禽存栏量达1.066亿只，其中5700万只（54.0%）在工业化家禽养殖场饲养。据计算，工业化养殖条件下每年平均可获得约4600吨羽毛。在家禽产业中，大部分羽毛被用于制备家禽饲料、鱼饲料及家禽相关产品，也用于枕头生产。然而，该加工过程消耗大量天然气，因为需要对羽毛进行高压蒸汽处理。由于冬季天然气供应压力下降，部分羽毛被作为废弃物焚烧。这一现状造成了资源浪费和环境污染问题。为解决该问题，本研究提出通过化学水解获得角蛋白水解物，并以此为原料合成可生物降解材料，同时对所得薄膜的理化性能进行表征。

已有研究表明，由角蛋白水解物溶液制备的薄膜脆性大，无法形成连续层。添加1,4-丁二醇二缩水甘油醚可提高强度，但只有同时添加甘油作为增塑剂时才能获得稳定且可剥离的薄膜。角蛋白本身机械性能较差，限制了其作为独立材料用于组织再生的应用。因此，研究人员常将角蛋白与聚乙烯醇（PVA）、聚己内酯、聚乳酸、聚环氧乙烷等合成聚合物复合。聚乙烯醇分子链主要呈平面锯齿构象，含有大量羟基（–OH）基团，这使其与水有强烈相互作用并具有优异的成膜能力。本研究旨在利用不同水解方法获得的角蛋白水解物与PVA和甘油复合制备可生物降解薄膜，系统研究水解条件对薄膜各项理化性质的影响。该论文发表在《Results in Materials》。

二、主要技术方法

研究人员采用了多种表征手段对薄膜样品进行分析。采用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）观察薄膜的断面和表面形貌并分析元素组成。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）在400–4000 cm^-1波数范围内分析薄膜的官能团结构。采用热重分析（TGA）和差热分析（DTA）在30–600°C温度范围内评估薄膜的热稳定性和热分解行为。采用岛津Autograph（AG-X）系列万能试验机按照GOST 14236-81标准测定薄膜的拉伸强度、变形量和杨氏模量。采用原子力显微镜（AFM）在Mode III（MAC III）动态扫描模式下研究薄膜表面的纳米级形貌和粗糙度参数。此外，通过将薄膜样品埋入土壤中测定质量损失来评估其生物降解性。

三、研究结果

3.1 薄膜样品的筛选

研究人员从不同PVA与角蛋白水解物配比中筛选出最佳样品进行理化研究。以PVA 10%+甘油10%的薄膜作为标准样品（样品1）。含角蛋白水解物的样品分别为：样品2为NaOH水解获得的角蛋白水解物15%+PVA 10%+甘油10%；样品3为NaOH和NaHSO₃水解获得的角蛋白水解物15%+PVA 10%+甘油10%；样品4为HCl水解获得的角蛋白水解物5%+PVA 15%+甘油10%。所有薄膜样品在蒸馏水中至少保持2小时的化学稳定性，在氢氧化钠、丙酮、乙腈和二甲基甲酰胺中同样稳定，仅在pH 1的强酸性HCl介质中观察到所有样品发生薄膜溶解。

3.2 SEM和EDS分析

SEM和EDS分析表明，所有样品主要由碳（约47–53质量%）和氧（约42–52质量%）组成，证实了其C–O基有机本质。样品1含有极少量硅、氯和钙（<0.1质量%），是最纯净的C–O基样品。样品2的碳含量最高，表明聚合物更大程度地保留了碳骨架。样品3因Na和S含量较高而存在盐残留。样品4含有少量无机元素。样品2、3和4中存在的硫来源于角蛋白水解物中半胱氨酸残基的二硫键（–S–S–）。形貌方面，样品1表面相对光滑但多孔且有裂纹；样品2表面粗糙、纤维状且有裂纹，表明其更脆，但EDS分析显示其额外元素含量极低，说明角蛋白水解物纯化良好且与PVA基体同相分散；样品3结构均匀、分离少、纤维分散良好；样品4形貌最光滑均匀，孔隙率最小。

3.3 IR光谱分析

红外光谱分析显示，所有样品在3300–4000 cm^-1范围内均存在聚合物分子和醇类特征性的–OH峰，但强度不同。样品1、2和3在2800–3000 cm^-1范围内–CH键有两个峰，而样品4仅观察到一个峰，表明其烃链结构存在差异且–CH振动强度较低。含角蛋白水解物的样品2、3和4在2400–2200 cm^-1范围内出现由–NH₂基团转化为–NH₃⁺盐形成的胺盐峰。样品1和2在1700–1730 cm^-1区域存在羰基–C=O振动，而样品3和4中该峰消失，转化为羧酸根（–COO^-）。所有样品均存在酰胺I、酰胺II和酰胺III带以及羧酸根阴离子，证实角蛋白的蛋白质一级结构得以保留。样品4在2800–3000 cm^-1区域仅有一个峰，表明CH₂和CH₃基团数量减少，角蛋白结构经历了更深度水解，脂肪族烃片段被分解，主结构中主要保留短残基。不同水解条件显著改变了薄膜组成。

3.4 TGA和DTA分析

TGA分析显示，所有样品在30–600°C范围内几乎完全质量损失（约96%），表明其为含可热分解有机组分的材料。TGA曲线中观察到三个主要分解温度区间：第一阶段为水分损失（水合物或物理吸附水），第二阶段为有机组分或结合水的热分解，第三阶段为残留有机化合物或复杂组分的最终分解。样品1（PVA-甘油组成）的质量损失为95.85%，样品2和3（含15%角蛋白水解物）分别为89.88%和84.39%，样品4（含5%角蛋白水解物）为91.33%。结果表明，在薄膜组成中加入角蛋白水解物降低了质量损失，从而提高了薄膜样品的热稳定性。DTA分析中，样品1和4呈现两个吸热峰，代表薄膜的熔融或结晶温度；样品2和3呈现放热状态，表明这些复合材料中伴随放热的化学分解过程更为活跃，放热峰可能与薄膜的热降解有关。

3.5 机械强度测试

机械性能测试表明，样品1（标准样品）表现出最高的力（29.1014 N）和最大断裂长度（约165 mm），在6.36587 MPa压力下变形约330%。样品2表现出最低的力（8.95500 N），断裂距离约90 mm，在4.23465 MPa压力下变形约180%，为所有样品中最低。样品3在14.1287 N力下断裂长度约100 mm，在4.69254 MPa压力下变形约205%。样品4在含角蛋白水解物的薄膜样品中具有最高的拉伸强度和伸长率，在25.5760 N力下断裂长度约175 mm，在10.8539 MPa压力下变形约355%，是最强且最柔韧的样品。杨氏模量计算结果显示，样品4最高（3.06 MPa），表明其刚度高、弹性低；样品1最低（1.93 MPa），表明其为弹性较好的较软材料。样品2和3表现出中等弹性，伸长率和强度值相近。样品2性能相对较低可归因于NaOH水解过程中角蛋白链的部分降解和分子间相互作用的破坏。样品3中NaHSO₃可更温和地断裂蛋白质中的二硫键，减少氧化过程，有利于蛋白质分子的更好保留和更强网络结构的形成。样品4的优异性能还与其较低的角蛋白含量（5%）和较高的PVA含量（15%）有关，这种组成差异改善了薄膜的连续性、分子间相互作用和应力在聚合物基体中的均匀分布。

3.6 生物降解性分析

将薄膜样品埋入土壤中进行生物降解测试。结果表明，40天内样品平均损失53–70%的质量，90天结束时这一数字增至67–92%。样品2（92.4%）和样品3（90.5%）的分解速率最高，表明其组成中角蛋白、PVA和甘油的比例为微生物创造了有利环境。样品1（67.5%）的结果最低，表明其组分平衡对生物降解较不利。总体而言，含角蛋白水解物的样品2、3和4均表现出良好的生物降解性能，所有开发的薄膜样品均可生物降解，有望用作环境友好的生态生物聚合物产品。

3.7 AFM分析

根据SEM-EDS分析结论，样品2被选为最优化组成进行AFM纳米级表面形貌研究。AFM分析显示，第一个测量点的表面高度从0到383 nm变化，最大高度差Pt约370 nm，长度49.6 μm，表明薄膜具有相对粗糙的浮雕结构。第二个测量点的表面高度从0到526 nm变化，表明薄膜具有中等粗糙表面。两个测量点的3D形貌图均显示表面具有不规则结构，存在尖锐交替的高点和低点。直方图分析表明高度分布范围分别为38–383 nm和0–526 nm，累积分布显示大部分表面位于中等高度，证实表面以随机、不规则微结构形成。

四、讨论与结论

研究表明，角蛋白水解物的水解条件显著影响所得可生物降解薄膜的形态和理化性质。FTIR分析证实薄膜中角蛋白的蛋白质一级结构得以保留。TGA分析表明添加角蛋白水解物可提高薄膜的热稳定性。机械性能测试显示不同水解条件导致薄膜力学性能差异，其中HCl水解获得的角蛋白水解物制备的薄膜（样品4）表现出最高的杨氏模量和拉伸强度。生物降解性测试证实所有薄膜样品均具有良好生物降解性，90天内质量损失达67.5–92.4%，其中含角蛋白水解物的样品降解率高于纯PVA-甘油薄膜。AFM分析揭示了薄膜表面的纳米级粗糙结构，这对生物材料的应用具有重要意义。该研究为家禽羽毛废弃物的资源化利用提供了新途径，所制备的可生物降解薄膜在环保包装材料、生物医学等领域具有广阔的应用前景。