氨基酸鹽酸緩沖液對絲織品結構和性質的影響

李順

(長江大學生命科學學院，湖北 荊州434025)

魏彥飛

(湖北省荊州文物保護中心，湖北 荊州434020)

田志宏

(長江大學生命科學學院，湖北 荊州434025)

氨基酸鹽酸緩沖液對絲織品結構和性質的影響

李順

(長江大學生命科學學院，湖北 荊州434025)

魏彥飛

(湖北省荊州文物保護中心，湖北 荊州434020)

田志宏

(長江大學生命科學學院，湖北 荊州434025)

[摘要]對絲織物進行氨基酸水解老化后，利用近紅外光譜儀和Origin Pro 8數據處理軟件，使用Gausse擬合對紅外光譜進行擬合計算蛋白質二級結構含量的方法，分析絲織物在氨基酸鹽酸條件下的力學性質與結構變化。結果表明：隨著pH的升高和時間的增加，絲織品的最大荷重與延伸率下降，變得容易斷裂，體現出絲織品的脆弱特性。且隨著時間的增長，pH濃度升高，無規結構的含量增加，β-折疊結構的含量減少。

[關鍵詞]絲織品；氨基酸鹽酸緩沖液處理；力學性能；紅外光譜；蛋白質二級結構

絲織品在偉大的中華文明中具有非常特殊的歷史、文化和藝術價值，是一種體現中華文明的重要價值的實物。但是大量的絲織品都是在土壤中被發掘出來，由于在土壤中長時間的受到各種因素影響，使其絲質、色澤與纖維結構均發生變化，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，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。已有研究人員對絲織品的老化機制與其保護進行研究，重點是研究其蛋白質一級結構的變化，但是蛋白質二級結構的研究卻比較少[1]。

本研究通過氨基酸緩沖液(氨基酸鹽酸緩沖液)對絲織品進行老化處理，應用紅外光譜技術，對不同pH與時間老化的絲織品的二級結構進行表征，并測定絲織物的斷裂強度與延伸率，嘗試分析絲織物的力學性能與蛋白質二級結構的變化關系，探討其老化機制與機理，為以后絲織品的應用和開發提供基礎資料[2]。

1材料與方法

1.1材料與儀器

試驗材料為純蠶絲所織造的絲織品，由湖北省荊州市文物保護中心提供。

主要試驗儀器有培養瓶、纖維強力拉伸儀、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)進行處理，放入50℃的恒溫箱進行避光保存，處理時間分別為5、10、15、20、30d,然后在室溫進行避光保存24h。

1.2.2力學性能測試

將處理后的樣品在放在室溫條件下，使用強力拉伸儀對其進行拉伸性能測試，分為5個樣品，每個樣品分為1cm×3cm進行測試，拉伸的速度為3mm/min，測試指標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行掃描，波數掃描16次，測定范圍4000~400cm-1,分辨率16cm-1，再采用Origin Pro 8數據處理軟件，使用Gausse對紅外光譜進行擬合，確定不同子峰與不同的二級結構的對應關系，根據其積分面積計算各種二級結構的相對含量。

2結果與分析

2.1酸處理后的絲綢力學性能

表1　不同pH條件下處理的絲織物的最大荷重與延伸率

經過酸性溶液浸泡的絲織品發生糟朽、粉化等現象，會對絲織品的強度產生影響，還會出現色度方面的變化。但是本研究是以絲織物樣品的力學性能為指標考察絲織物的水解老化程度，所以不對其色度進行分析。由表1可知，經過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間延長，不同pH值的絲織物的最大荷重都出現降低，斷裂強力迅速下[3,4]。

由圖1可知，受到氨基酸鹽酸處理的絲綢，最大荷重整體呈現下降的趨勢。最大荷重的下降表示絲織品可承受的拉力降低。因為酸對于絲綢有腐蝕作用，而酸對于絲綢主要是使蛋白質分子間的氫鍵被破壞，降解作用變化小。在相同的條件下，推測絲蛋白分子間的氫鍵等次價鍵被氫離子破壞，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缺陷，從而導致斷裂強力下降,但對于絲織物斷裂強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酸處理后對蛋白質二級結構

絲織品在不同的pH濃度與時間下浸泡，其特征峰位置會發生不同程度的偏移，而且蛋白質的構象決定其功能的。由文獻[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，是因為水在酰胺Ⅰ帶有較強的吸收峰，所以對其影響會比較大。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對其酰胺Ⅲ帶做Gaussian曲線擬合，結果如圖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擬合結果

由圖3可以看出，經過不同pH的酸處理后，在同樣處理時間的擬合圖譜，β-折疊結構對應的積分面積有細微的差距。在酰胺Ⅲ帶中，隨著老化時間的增加，在β-折疊區峰，擬合后的吸收峰面積減小；無規構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構,使其變得松散。

表2　蛋白質二級結構的比例　%

由表2可知，隨著酸水解老化的時間的增長，當pH為2.0時，隨著時間的增加，β-折疊的含量下降，無規則結構的含量上升，β-折疊相對含量減小，可以理解為β-折疊轉化變為無規則結構，表明氫離子開始破壞結晶區。當為30d時，隨著pH由高到低的改變，β-折疊的含量下降，無規則結構的含量上升。β-折疊相對含量減小，可以理解為β-折疊轉化變為無規則結構，同時再次表明氫離子開始破壞結晶區[7,8]。

3小結

本研究對于絲織物受氨基酸鹽酸水解老化樣品的力學性能與蛋白質結構的表征分析可知，絲織物在不同的pH條件下水解，其力學性質發生變化，隨著pH的升高、時間增加，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，隨著時間的增長，無規結構的含量增加，β-折疊結構的含量減少。

[參考文獻]

[1]王芳芳,傅吉全.柞蠶絲纖維人工老化損傷研究[J].北京服裝學院學報(自然科學版),2008,28(3):32~36.

[2]張聚華,李順,李秀艷,等.濕熱處理對蠶絲纖維耳機機構的影響[J].北京服裝學院學報(自然科學版),2012,32(4):20~26.

[3]馬玲.不同老化環境對絲織品性能的影響研究[D].北京:北京服裝學院，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構變化[J].高分子材料科學與工程,2012,28(9):116~119.

[5]霍波,瞿勇,崔福齋.蠶絲中蛋白構象含量與其力學性質間的關系[J].高分子學報,2002,41(3):261~264.

[6]李順,張聚華,李秀艷,等.FT-IR自去卷積法對絲織物蛋白質酰胺Ⅲ帶二級結構研究初探[J].北京服裝學院學報(自然科學版),2011,31(2):68~72.

[7]吳瑾光.傅里葉變換光譜分析[M].北京:科學技術出版社,1993：193~210.

[8]張曉梅,原思訓.老化絲織品的紅外光譜分析研究[J].光譜學與光譜分析,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用研究進展[J].長江大學學報(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

[作者簡介]魏紅敏(1989-)，女，碩士生，研究方向為植物生物技術。通信作者：田志宏，zhtian@yangtzeu.edu.cn。

[基金項目]科技部農業科技成果轉化資金項目(2009GB2D100235)。

[收稿日期]2015-03-31

[文獻標識碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)15-0054-04

[中圖分類號]TS102.1