氨基酸鹽酸緩沖液對(duì)絲織品結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響

李順

(長(zhǎng)江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434025)

魏彥飛

(湖北省荊州文物保護(hù)中心，湖北 荊州434020)

田志宏

(長(zhǎng)江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434025)

氨基酸鹽酸緩沖液對(duì)絲織品結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響

李順

(長(zhǎng)江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434025)

魏彥飛

(湖北省荊州文物保護(hù)中心，湖北 荊州434020)

田志宏

(長(zhǎng)江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434025)

[摘要]對(duì)絲織物進(jìn)行氨基酸水解老化后，利用近紅外光譜儀和Origin Pro 8數(shù)據(jù)處理軟件，使用Gausse擬合對(duì)紅外光譜進(jìn)行擬合計(jì)算蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)含量的方法，分析絲織物在氨基酸鹽酸條件下的力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明：隨著pH的升高和時(shí)間的增加，絲織品的最大荷重與延伸率下降，變得容易斷裂，體現(xiàn)出絲織品的脆弱特性。且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，pH濃度升高，無規(guī)結(jié)構(gòu)的含量增加，β-折疊結(jié)構(gòu)的含量減少。

[關(guān)鍵詞]絲織品；氨基酸鹽酸緩沖液處理；力學(xué)性能；紅外光譜；蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)

絲織品在偉大的中華文明中具有非常特殊的歷史、文化和藝術(shù)價(jià)值，是一種體現(xiàn)中華文明的重要價(jià)值的實(shí)物。但是大量的絲織品都是在土壤中被發(fā)掘出來，由于在土壤中長(zhǎng)時(shí)間的受到各種因素影響，使其絲質(zhì)、色澤與纖維結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，出土后很難保存。并且絲織品還是一種高分子聚合材料，具有高分子聚合材料的物理性質(zhì)，同高分子聚合物的老化是極其相似的，且老化的因素是多元化的。已有研究人員對(duì)絲織品的老化機(jī)制與其保護(hù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)是研究其蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，但是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的研究卻比較少[1]。

本研究通過氨基酸緩沖液(氨基酸鹽酸緩沖液)對(duì)絲織品進(jìn)行老化處理，應(yīng)用紅外光譜技術(shù)，對(duì)不同pH與時(shí)間老化的絲織品的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并測(cè)定絲織物的斷裂強(qiáng)度與延伸率，嘗試分析絲織物的力學(xué)性能與蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系，探討其老化機(jī)制與機(jī)理，為以后絲織品的應(yīng)用和開發(fā)提供基礎(chǔ)資料[2]。

1材料與方法

1.1材料與儀器

試驗(yàn)材料為純蠶絲所織造的絲織品，由湖北省荊州市文物保護(hù)中心提供。

主要試驗(yàn)儀器有培養(yǎng)瓶、纖維強(qiáng)力拉伸儀、傅立葉紅外光譜儀Nicolet iZ10TM、烘箱等。

1.2樣品制備與測(cè)試分析1.2.1氨基酸鹽酸處理

裁取4份大小為3cm×5cm的絲綢，分別使用甘氨酸-鹽酸(pH=2.0、2.5、3.0、3.5)進(jìn)行處理，放入50℃的恒溫箱進(jìn)行避光保存，處理時(shí)間分別為5、10、15、20、30d,然后在室溫進(jìn)行避光保存24h。

1.2.2力學(xué)性能測(cè)試

將處理后的樣品在放在室溫條件下，使用強(qiáng)力拉伸儀對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，分為5個(gè)樣品，每個(gè)樣品分為1cm×3cm進(jìn)行測(cè)試，拉伸的速度為3mm/min，測(cè)試指標(biāo)主要是最大荷重與延伸率。

1.3紅外圖譜分析

將拉伸后的絲織品使用智能型傅里葉變換近紅外光譜儀進(jìn)行掃描，波數(shù)掃描16次，測(cè)定范圍4000~400cm-1,分辨率16cm-1，再采用Origin Pro 8數(shù)據(jù)處理軟件，使用Gausse對(duì)紅外光譜進(jìn)行擬合，確定不同子峰與不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)其積分面積計(jì)算各種二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量。

2結(jié)果與分析

2.1酸處理后的絲綢力學(xué)性能

表1　不同pH條件下處理的絲織物的最大荷重與延伸率

經(jīng)過酸性溶液浸泡的絲織品發(fā)生糟朽、粉化等現(xiàn)象，會(huì)對(duì)絲織品的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，還會(huì)出現(xiàn)色度方面的變化。但是本研究是以絲織物樣品的力學(xué)性能為指標(biāo)考察絲織物的水解老化程度，所以不對(duì)其色度進(jìn)行分析。由表1可知，經(jīng)過30d的氨基酸鹽酸水解條件老化處理的絲織物，在pH為2.0的條件下相對(duì)于pH為3.5的條件，樣品的最大荷重降低1.174N。并且由表1可見，隨氨基酸鹽酸水解老化處理時(shí)間延長(zhǎng)，不同pH值的絲織物的最大荷重都出現(xiàn)降低，斷裂強(qiáng)力迅速下[3,4]。

由圖1可知，受到氨基酸鹽酸處理的絲綢，最大荷重整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。最大荷重的下降表示絲織品可承受的拉力降低。因?yàn)樗釋?duì)于絲綢有腐蝕作用，而酸對(duì)于絲綢主要是使蛋白質(zhì)分子間的氫鍵被破壞，降解作用變化小。在相同的條件下，推測(cè)絲蛋白分子間的氫鍵等次價(jià)鍵被氫離子破壞，絲纖維表面遭到剝蝕，形成的坑穴成為蠶絲織物樣品的力學(xué)缺陷，從而導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力下降,但對(duì)于絲織物斷裂強(qiáng)力變化的原因還不得而知[5]。

圖1　不同pH條件下處理的絲織物的最大荷重與延伸率

2.2酸處理后對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)

絲織品在不同的pH濃度與時(shí)間下浸泡，其特征峰位置會(huì)發(fā)生不同程度的偏移，而且蛋白質(zhì)的構(gòu)象決定其功能的。由文獻(xiàn)[6]可知，其酰胺Ⅰ帶為(1700~1600cm-1)，其酰胺Ⅲ帶為(1220~1330cm-1)。如圖2所示，在酰胺Ⅰ帶雜峰比較多，是因?yàn)樗邗０发駧в休^強(qiáng)的吸收峰，所以對(duì)其影響會(huì)比較大。而水分子在酰胺Ⅲ帶中是沒有吸收峰的，故本研究采用酰胺Ⅲ帶來分析其結(jié)果。

A.pH=2.0,5d; B.pH=3.5,5d; C.pH=2.0,30d; D.pH=3.5,30d圖2　氨基酸鹽酸水解老化的紅外圖譜

將由氨基酸鹽酸水解老化過的絲織品紅外圖譜，使用Origin Pro 8對(duì)其酰胺Ⅲ帶做Gaussian曲線擬合，結(jié)果如圖3所示。

A.pH=2.0,5d; B.pH=3.5,5d; C.pH=2.0,30d; D.pH=3.5,30d圖3　絲織物受氨基酸鹽酸水解老化的蛋白酰胺Ⅲ帶Gaussian擬合結(jié)果

由圖3可以看出，經(jīng)過不同pH的酸處理后，在同樣處理時(shí)間的擬合圖譜，β-折疊結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的積分面積有細(xì)微的差距。在酰胺Ⅲ帶中，隨著老化時(shí)間的增加，在β-折疊區(qū)峰，擬合后的吸收峰面積減??；無規(guī)構(gòu)象峰的擬合后的吸收峰面積變大，其他波峰沒有明顯變化，由此可見，甘氨酸鹽酸緩沖液處理使其絲蛋白大分子肽鏈被水解，分子間氫鍵被游離的氫離子破壞而斷開,打破了絲蛋白原有的緊密排列的空間結(jié)構(gòu),使其變得松散。

表2　蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的比例　%

由表2可知，隨著酸水解老化的時(shí)間的增長(zhǎng)，當(dāng)pH為2.0時(shí)，隨著時(shí)間的增加，β-折疊的含量下降，無規(guī)則結(jié)構(gòu)的含量上升，β-折疊相對(duì)含量減小，可以理解為β-折疊轉(zhuǎn)化變?yōu)闊o規(guī)則結(jié)構(gòu)，表明氫離子開始破壞結(jié)晶區(qū)。當(dāng)為30d時(shí)，隨著pH由高到低的改變，β-折疊的含量下降，無規(guī)則結(jié)構(gòu)的含量上升。β-折疊相對(duì)含量減小，可以理解為β-折疊轉(zhuǎn)化變?yōu)闊o規(guī)則結(jié)構(gòu)，同時(shí)再次表明氫離子開始破壞結(jié)晶區(qū)[7,8]。

3小結(jié)

本研究對(duì)于絲織物受氨基酸鹽酸水解老化樣品的力學(xué)性能與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的表征分析可知，絲織物在不同的pH條件下水解，其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，隨著pH的升高、時(shí)間增加，絲織品的最大荷重與延伸率下降，變得容易斷裂，體現(xiàn)出絲織品的脆弱特性。

使用氨基酸鹽酸水解老化的樣品在不同的pH條件下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，無規(guī)結(jié)構(gòu)的含量增加，β-折疊結(jié)構(gòu)的含量減少。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]馬玲.不同老化環(huán)境對(duì)絲織品性能的影響研究[D].北京:北京服裝學(xué)院，2010.

[4]張瑞靜,邵春光,李倩,等.原位顯微紅外和X射線研究升溫過程中桑蠶絲微觀結(jié)構(gòu)變化[J].高分子材料科學(xué)與工程,2012,28(9):116~119.

[5]霍波,瞿勇,崔福齋.蠶絲中蛋白構(gòu)象含量與其力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系[J].高分子學(xué)報(bào),2002,41(3):261~264.

[6]李順,張聚華,李秀艷,等.FT-IR自去卷積法對(duì)絲織物蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ帶二級(jí)結(jié)構(gòu)研究初探[J].北京服裝學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,31(2):68~72.

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[8]張曉梅,原思訓(xùn).老化絲織品的紅外光譜分析研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2004,(12):1528~1532.

[引著格式]魏紅敏，田志宏.氧化石墨烯的制備方法及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ，2015，12(15)：58～62.

54Effect of Amino Acid Hydrochloride Treatment on the Structure and Properties of Yamamai Silk

LI Shun(CollegeofLifeScience,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434025,China)

WEI Yan-fei(JingzhouCulturalRelicsProtectionCentre,Jingzhou,Hubei434020,China)

TIAN Zhi-hong(CollegeofLifeScience,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434025,China)

Abstract：The amino acid hydrolysis aging of silk fabrics,using fourier transformation infrared spectrometry and Origin Pro 8 data processing software,use Gausse curve fitting were combined to study the relative contents of secondary structure,the confirmation changes for yamamai silk were amino acid hydrochloride.It was shown that with the increase of pH,the time increases,the maximum load and elongation decreased and silk became easily broken,reflecting the fragile characteristics of silk.And the growth over time,pH concentration,increasing the content of a random structure reduce the amount of β-sheet structure.

Key words：yamamai silk;amino acid hydrochloride;mechanical properties;fourier transformation infrared spectrometry;protein secondary structure

[作者簡(jiǎn)介]魏紅敏(1989-)，女，碩士生，研究方向?yàn)橹参锷锛夹g(shù)。通信作者：田志宏，zhtian@yangtzeu.edu.cn。

[基金項(xiàng)目]科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2009GB2D100235)。

[收稿日期]2015-03-31

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)15-0054-04

[中圖分類號(hào)]TS102.1