骨胶原蛋白壳聚糖共混膜中分子间作用红外光谱(2)

1.5 胶原蛋白-壳聚糖共混膜红外光谱

胶原蛋白-壳聚糖共混膜覆盖在红外光谱晶胞上，压紧，25 ℃下采用全反射傅里叶变换红外光谱（Total reflectance fourier transform infrared spectroscopic，ATRFTIR）法进行测定胶原蛋白-壳聚糖共混膜在波数 600~4000 cm–1范围内的红外光谱，扫描分辨率为0.5 cm–1，以空气为空白。

1.6 胶原蛋白-壳聚糖共混膜分峰拟合

参考倪娜[17]、Barth[18]、Shudong H.[19]等的研究，使用 Peaktit 4.12软件对胶原蛋白-壳聚糖共混膜在800~1700 cm–1波长范围内的图谱进行分峰拟合。根据酰胺I区域各子吸收峰的峰位归属情况，计算胶原蛋白各个二级结构（α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲）的相对百分含量。

1.7 胶原蛋白-壳聚糖共混膜二维红外相关分析

采用2D Shige软件（KwanseiGakuin）绘制以等高线表征的二维相关图谱。根据二维相关分析读谱规则[15]，确定各基团响应顺序。

2 结果与分析

2.1 骨胶原蛋白-壳聚糖共混膜红外光谱

如图 1所示为胶原蛋白-壳聚糖共混膜在 600~4000 cm–1波数范围内的红外光谱图。通常，酰胺A区域最大吸收峰位于波数3400~3440 cm–1之间，主要涉及N-H和O-H伸缩振动。当N-H与氢键缔合后，吸收峰向短波位移[20]。纯骨胶原蛋白膜酰胺 A最大吸收峰位于波数3292 cm–1，表明纯骨胶原蛋白膜分子中含有大量氢键。当壳聚糖添加量为60%时，酰胺A最大吸收峰向短波迁移至波数 3290 cm–1处，峰形由强的尖锐峰变成弱的宽钝峰，可能是添加壳聚糖后，O-H键振动峰与N-H键振动峰重叠，并增强了成膜组分间的氢键作用。添加壳聚糖后，共混膜在波数 3080 cm–1处的肩峰向长波方向迁移4 cm–1。酰胺B区域涉及2927 cm–1处的CH2不对称伸缩振动和2875 cm–1处的CH2对称伸缩振动[10]。随着壳聚糖添加量增大，羊骨胶原蛋白-壳聚糖共混膜在2927 cm–1处吸收峰强度逐渐增大，基团振动强度增大，可能与壳聚糖分子中CH2基团振动有关。

图1 羊骨胶原蛋白-壳聚糖共混膜红外光谱Fig.1 Infrared spectra of bones collagen-chitosan blend films注：BC为骨胶原蛋白，CS为壳聚糖，数字为两者混合体积比例。下同。Note：BC means Bone collagen，CS means chitosan and numbers indicated the volume ratio of blend. The same below.

机械特性结果显示添加壳聚糖能够显著提高骨胶原蛋白膜的拉伸强度，且随着壳聚糖添加量增大，骨胶原蛋白-壳聚糖共混膜的拉伸强度先升高后略微降低。当骨胶原蛋白与壳聚糖添加比例为 3∶2时，羊骨胶原蛋白-壳聚糖膜的拉伸强度最大，推测此时两者的相互作用力最强。壳聚糖分子排列在胶原蛋白分子间，并且与胶原蛋白分子间通过氢键结合，可替代胶原蛋白的三螺旋结构的作用，提高了膜的拉伸强度[9]。当壳聚糖含量进一步增加时，少量存在的胶原蛋白削弱了壳聚糖分子间相互作用力，损害了壳聚糖膜的完整结构，导致共混膜的拉伸强度降低。整体来看，随着壳聚糖含量增加，骨胶原蛋白-壳聚糖膜的断裂延伸率逐渐降低。少量壳聚糖的加入（小于50%）对胶原蛋白膜的断裂延伸率无显著影响。而壳聚糖含量较高时，壳聚糖分子间形成网络结构，以及与胶原蛋白之间形成的相互作用降低了成膜分子的流动性，导致混合膜的断裂延伸率降低。Gómez-Estaca等[7]研究发现添加壳聚糖后，金枪鱼皮明胶-壳聚糖共混膜的拉伸强度从8~10 MPa升高到18 MPa，断裂延伸率降低了11%~14%。Jeya Shakila等[8]也报道，添加壳聚糖后，明胶膜的拉伸强度增大，但断裂延伸率下降。同时，他们也发现不同来源的胶原蛋白膜拉伸强度不同，哺乳动物源胶原蛋白膜拉伸强度大于鱼源胶原蛋白。

红外光谱图中波数1600~1700 cm–1波数范围内的吸收峰为酰胺I区域，涉及多肽链骨架上的C=O伸缩振动[21]和壳聚糖乙酰基上的C=O伸缩振动。壳聚糖脱乙酰化反应后，分子侧链中-NH2基团取代了-NHCOCH3基团，因此壳聚糖脱乙酰化程度越高，壳聚糖酰胺I吸收峰强度越小[22]。本研究中，纯壳聚糖膜酰胺I区域仅在波数1640 cm–1附近存在一个较小的肩峰，表明本研究中壳聚糖的脱乙酰化程度较高，分子侧链主要为 NH2基团。纯骨胶原蛋白膜酰胺I最大吸收峰位于波数1633 cm–1处，当壳聚糖添加量大于50%时，酰胺I区域的最大吸收峰向长波方向迁移至波数1635 cm–1处，推测可能是壳聚糖与胶原蛋白形成了分子间相互作用，改变了胶原蛋白的二级结构。由于蛋白质酰胺 I区域的吸收峰特征极少受到蛋白质侧链构象的影响，因此其主要用于分析蛋白质的二级结构[18]。蛋白质各二级结构在酰胺I区域出现的顺序为：α-螺旋1645~1659 cm–1、β-折叠或伸展结构 1620~1640 cm–1、β-转角 1660~1700 cm–1、无规则卷曲 1640~1644 cm–1[23]。对酰胺 I区域进行分峰拟合分析，结合吸收峰归属情况证实，共混膜中骨胶原蛋白的二级结构主要为 β-折叠。天然胶原蛋白为三螺旋结构，二级结构主要是 α-螺旋，受热易发生变性，三螺旋结构域解旋，分子伸展[3,24]。共混膜中胶原蛋白二级结构变化可能是成膜工艺导致的，如成膜组分的共混温度和干燥温度。如图 2所示，加入壳聚糖后，胶原蛋白的α-螺旋含量减少，β-转角和折叠含量增加，表明加入壳聚糖后，胶原蛋白的分子结构更加舒展，有利于分子间相互作用的形成，分子相容性较好，易混合。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0322/713.html