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                  貯存條件對纖維素/大豆蛋白膜結構與性能的影響-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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                  貯存條件對纖維素/大豆蛋白膜結構與性能的影響

                  發布時間:2021年11月23日 點擊數:22

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                  纖維素 (cellulose) 是自然界中含量最豐富的可再生天然高分子之一, 具有良好的生物降解性和生物相容性, 在生物醫學材料領域具有很大的應用潛能[1].大豆分離蛋白 (soy protein isolate, SPI) 也是一種可再生和生物降解的天然高分子化合物, 具有來源充足、營養豐富、用途廣泛等特點, 近年來在生物醫學材料領域, 如作為藥物控制釋放材料及骨填充材料等方面的研究引起了廣泛關注[2,3,4].前期的研究表明[5,6], 以纖維素和大豆分離蛋白為原料制備的復合材料是一種環境友好型材料, 可應用于細胞培養、藥物控制釋放等生物醫學研究.

                  一般而言, 生物材料從制備到用于細胞培養或動物實驗之前有一段時間, 如何保存生物材料以保持其原有的結構特點及力學性能就十分重要.對于那些要求在濕態條件下保存的樣品, 若保存不當, 會引起其微觀結構和力學性能發生明顯的變化, 因此, 必須選擇適當的貯存條件.濕態的纖維素/大豆分離蛋白復合材料容易被外界環境中的細菌、真菌等微生物降解, 導致其結構與性能發生明顯變化.

                  本工作擬研究不同的貯存條件對纖維素/大豆分離蛋白復合膜材料結構與性能的影響, 期望找到一種適于纖維素/大豆分離蛋白復合膜材料的貯存方法.

                  1實驗部分

                  1.1原料和試劑

                  棉短絨 (湖北化纖集團) :粘均分子量 (Mη) 經粘度法在鎘乙二胺溶液中測得為1.01×105.大豆分離蛋白 (SPI) 由杜邦云夢公司提供.棉短絨和SPI均在60 ℃下經真空干燥24 h后使用.其他試劑均為分析純, 未經特殊處理直接使用.

                  1.2纖維素/大豆分離蛋白復合膜的制備

                  將纖維素和NaOH/尿素水溶液分別放入-20 ℃低溫冰箱中冷凍, 當NaOH/尿素溶劑體系的溫度降至約-12 ℃左右時, 將預冷的纖維素全部加入到混合溶液中, 并立即快速攪拌, 得到的澄清溶液于4 ℃下離心10 min, 離心力為7 500 g, 獲得的纖維素溶液質量分數為3.5%.同樣, 將SPI也溶解于NaOH/尿素水溶液中, SPI的質量分數為3.5%.將上述纖維素溶液同SPI溶液按照設定比例共混, 其中SPI固體含量的質量分數分別為10%和40%.共混物經過攪拌混勻、離心脫氣后, 在玻璃板上流延、刮膜, 膜的厚度控制為約0.2 mm, 然后將玻璃板及纖維素/大豆分離蛋白復合膜浸入濃度為5%的醋酸水溶液凝固體系中凝固成型, 5 min后取出復合膜, 經流水漂洗, 轉入蒸餾水中備用.這些復合膜統稱為原始膜, 編號為CSn-Om.其中, CS表示纖維素/大豆分離蛋白復合膜 (cellulose/soy protein isolate composite membrane) ;n表示CS復合膜中SPI的固體質量分數, 分別為10及40;O表示未加處理因素的原始膜 (Original membrane) ;m表示不同的貯存天數, 分別為5, 10, 20及30 d.當n=0時, 代表在相應條件下制備的純纖維素膜;m=0時, 代表在相應條件下未經過任何處理的原始膜.

                  1.3纖維素/大豆分離蛋白復合膜的后處理

                  取原始膜CS0-O0, CS10-O0, CS40-O0分別:① 置于蒸餾水中貯存5, 10, 20, 30 d, 根據SPI含量不同, 分別命名為CS0-Wm, CS10-Wm, CS40-Wm (W:水, m:貯存天數) ;② 置于10%醋酸水溶液中貯存5, 10, 20及30 d, 根據SPI含量不同, 分別命名為CS0-Am, CS10-Am, CS40-Am (A:醋酸) ;③ 置于5%醋酸和5%乙醇混合液中貯存5, 10, 20及30 d, 根據SPI含量不同, 分別命名為CS0-AEm, CS10-AEm, CS40-AEm (A:醋酸, E:乙醇) ;④ 置于75%乙醇中貯存5, 10, 20及30 d, 根據SPI含量不同, 分別命名為CS0-Em, CS10-Em, CS40-Em (E:乙醇) .

                  1.4結構與性能表征

                  未經干燥的纖維素/大豆分離蛋白復合膜由CMT6503型萬能電子試驗機 (深圳新三思試驗設備公司) 根據ISO 527-3:1993標準測量濕態下的拉伸強度 (σb, wet) 和斷裂伸長率 (εb, wet) , 拉伸速率為10 mm\5min-1, 每個樣品平行測試3次以上, 取平均值.未經干燥的復合膜試樣經液氮冷凍斷裂, 真空干燥并在其表面和斷面噴鍍金膜, 由S-570型掃描電鏡 (SEM, Hitachi公司, 日本) 于20 kV加速電壓下觀察其形貌結構.干燥的膜試樣用lambda 25型紫外分光光度計 (PE公司, 美國) 進行紫外光譜測定, 測定波長為280 nm, 每個樣品平行測試3次以上, 取平均值.

                  2結果與討論

                  2.1不同貯存條件對力學性能的影響

                  圖1, 2及3分別示出不同貯存條件下純纖維素膜、SPI含量為10%和40%的纖維素/大豆分離蛋白復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率與貯存時間之間的關系.結果表明, 在10%醋酸溶液中貯存的纖維素/大豆分離蛋白復合膜材料, 在各個時間段的σb, wetεb, wet值均比在其他貯存條件下的值高, 且第5 d的σb, wetεb, wet值為最大;隨著貯存時間的延長, σb, wetε b, wet值均有所下降, 但是下降趨勢比較平穩, 且在貯存30 d后的σb, wet值仍比原始值高.在5%醋酸/5%乙醇混合溶液中貯存的復合膜材料, 第5 d的σb, wetε b, wet值也有所增加, 但隨著貯存時間的延長, σb, wetεb, wet值逐漸下降, 且下降幅度較在10%醋酸溶液體系中大;到第30 d時, σb, wet值較原始值低.而在75%乙醇溶液體系及蒸餾水體系中貯存的纖維素/大豆分離蛋白復合膜材料, 各個時間段的σb, wetεb, wet值均比原始值低, 且隨著貯存時間的延長, σb, wetεb, wet值逐漸下降, 在蒸餾水體系中下降尤為明顯.SPI含量為40%的復合膜在蒸餾水中貯存30 d后, σb, wet值及εb, wet值降至最低值, 分別為6.49 MPa和6.71%, 只有原始值 (16.48 MPa和31.05%) 的39%和21%, 說明纖維素/大豆分離蛋白復合膜材料在蒸餾水中貯存時, 降解速度最快.因此, 本實驗選擇SPI含量為40%的復合膜進行研究.

                  不同的貯存體系對復合膜的力學性能表現出不同的效果, 是因為醋酸水溶液對細菌及真菌均有一定抑制作用[7,8], 減少了各種微生物對復合膜的降解作用, 對維持其力學性能具有較好的作用.5%醋酸/5%乙醇混合溶液和75%乙醇溶液雖然也具有一定抑菌作用, 但因為乙醇分子具有脫水作用, 可能會引起纖維素和SPI不同程度的收縮、微相分離, 從而降低其力學性能.不同的貯存時間對纖維素/大豆分離蛋白復合膜力學性能的影響還可能與貯存溶液中的酸性強弱和離子濃度有關[9], 更深入的機理有待進一步的研究.

                  圖1 不同貯存條件下純纖維素膜的σb, wet-t和εb, wet-t關系圖

                  圖1 不同貯存條件下純纖維素膜的σb, wet-tεb, wet-t關系圖  下載原圖


                  圖2 不同貯存條件下SPI含量為10%的復合膜的σb, wet-t和εb, wet-t關系圖

                  圖2 不同貯存條件下SPI含量為10%的復合膜的σb, wet-tεb, wet-t關系圖  下載原圖


                  圖3 不同貯存條件下SPI含量為40%的復合膜的σb, wet-t和εb, wet-t關系圖

                  圖3 不同貯存條件下SPI含量為40%的復合膜的σb, wet-tεb, wet-t關系圖  下載原圖


                  2.2SEM分析

                  高分子材料的生物降解速率除了與環境條件及微生物的分布有關外, 還與高分子的聚集態及微觀結構等有關[10].纖維素主要由結晶區域和無定形區域構成, 在結晶區域里, 纖維素分子的羥基或在分子內部或與分子外部的羥基相互結合形成氫鍵, 幾乎沒有游離的羥基存在, 所以酶分子及水分子難以進入其中, 因此單純纖維素的總體降解速度比較慢[11].大豆分離蛋白是一種親水性比較高的植物蛋白質, 與纖維素共混后, 主要與纖維素的無定形組分及結晶區的表面發生相互作用[6], 從而可能增加纖維素的體外降解速度.因此, 在掃描電鏡觀察過程中主要選擇大豆分離蛋白含量最高及貯存時間最長的一組復合膜來進行研究貯存條件對其微觀結構的影響作用.圖4為未經處理的SPI含量為40%的復合膜斷面和表面的SEM圖片.圖5和圖6分別為不同貯存條件下貯存30 d的SPI含量為40%的復合膜斷面和表面的SEM圖片.比較可知, 復合膜在10%醋酸水溶液貯存體系中貯存30 d后的斷面及表面微觀結構幾乎沒有變化;在5%醋酸/5%乙醇混合液中貯存30 d后的復合膜斷面結構變化不大, 表面變得致密;在乙醇貯存體系中復合膜的孔徑縮小, 孔壁增厚;而在蒸餾水中貯存的復合膜降解比較嚴重, 表面有很多微絲狀結構形成, 從斷面看其孔徑變大, 孔壁變薄且孔壁上有孔.造成上述現象的原因, 可能與不同濃度的乙醇溶液都具有一定的脫水作用[12], 從而導致復合膜的結構變得致密有關;而復合膜在蒸餾水中貯存的形貌變化最為明顯和特別, 其斷面孔徑顯著增加, 表面出現纖維絲狀結構, 可能與其在水中快速降解有關[10].

                  圖4 未經處理的CS40-O0復合膜斷面 (a) 和表面 (b) 的SEM圖片

                  圖4 未經處理的CS40-O0復合膜斷面 (a) 和表面 (b) 的SEM圖片  下載原圖


                  圖7為在10%醋酸水溶液體系中貯存不同時間的SPI含量為40%復合膜斷面的SEM圖片.結果顯示, 隨著貯存時間的延長, 復合膜微觀結構的改變并不明顯, 說明該貯存體系能夠保持纖維素/大豆分離蛋白復合膜的微觀結構, 是一種比較理想的貯存體系.

                  圖5 不同貯存溶液下貯存30d的各復合膜斷面的SEM圖片

                  圖5 不同貯存溶液下貯存30d的各復合膜斷面的SEM圖片  下載原圖


                  (a) CS40-A30; (b) CS40-AE30; (c) CS40-E30; (d) CS40-W30

                  圖6 不同貯存溶液下貯存30d的各復合膜表面的SEM圖片

                  圖6 不同貯存溶液下貯存30d的各復合膜表面的SEM圖片  下載原圖


                  (a) CS40-A30; (b) CS40-AE30; (c) CS40-E30; (d) CS40-W30

                  圖7 在10%醋酸水溶液中貯存不同時間的復合膜斷面SEM圖片

                  圖7 在10%醋酸水溶液中貯存不同時間的復合膜斷面SEM圖片  下載原圖


                  (a) CS40-A5; (b) CS40-A10; (c) CS40-A30

                  2.3紫外光譜分析

                  由力學性能測試和掃描電鏡觀察結果可知, 纖維素/大豆分離蛋白復合膜在10%醋酸水溶液中能夠維持較好的力學性能及微觀結構.因此, 選擇在10%醋酸水溶液體系下的纖維素/大豆分離蛋白復合膜進行透光度 (T) 測定 (測定波長為蛋白質的特征吸收波長280 nm) .結果顯示, 純纖維素膜的T值在各個時間段均明顯高于含有SPI的纖維素/大豆分離蛋白復合膜, 且隨著SPI固體含量的增加, T值降低.不同的SPI固體含量對復合膜的透光度顯示出不同的影響作用是因為280 nm處為蛋白質共軛雙鍵的吸收峰[12], SPI為一種植物蛋白質, SPI越多, 蛋白質對紫外光的吸收越強, 透光度T值越低.因此, 含有SPI復合膜的T值比純纖維素膜的T值低且隨著SPI固體含量的增加而降低.當SPI固體含量相同時, 隨著貯存時間的延長, 純纖維素膜及復合膜材料的T值均略有降低, 但降低程度并不明顯, 說明10%醋酸水溶液并未引起膜組分的改變, 也未引起蛋白質的流失.因此, 驗證了10%醋酸水溶液為纖維素/大豆分離蛋白復合膜材料較適合的貯存體系, 同力學性能測試及掃描電鏡觀察結果一致.

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                  本文主要研究了不同貯存條件對纖維素/大豆分離蛋白復合膜結構與性能的影響.由力學性能測試結果可知, 該復合膜在10%醋酸水溶液貯存體系中的拉伸強度及斷裂伸長率均較高, 且其σb, wet值在各個貯存時間段均比原始值高.掃描電鏡觀察及紫外光譜檢測結果也表明, 復合膜在10%醋酸水溶液貯存體系中能夠較好地維持其微觀結構及組成成分基本不變.因此, 10%醋酸水溶液可以作為纖維素/大豆分離蛋白復合膜適合的貯存體系.

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