高强度、高韧性水凝胶通常含有合成高分子材料,许多基于蛋白质的水凝胶在力学性能上很柔软脆弱。明胶作为一类蛋白质,具有高温溶解低温成胶的性能,其自身所形成的水凝胶表现出非常弱的力学性能,而近几年来以明胶为主的水凝胶研究,在力学性能方面仍未取得较大突破。

课题二参加单位福州大学生物科学与工程学院汪少芸教授团队,基于典型加工条件下“蛋白质多尺度结构变化影响品质功能” 的研究思路:展现了一个简便、快捷、有效的制备高强度明胶水凝胶的方法,利用霍夫梅斯特序列(Hofmeister series)上不同盐离子对蛋白质盐析、盐溶的影响,将明胶水凝胶直接浸泡在硫酸铵或其他"硬离子"(kosmotropic)盐溶液中,就可以赋予明胶水凝胶超强的机械性能。明胶水凝胶的压缩与拉伸断裂压强从处理前的数十千帕提升到处理后的十几兆帕,同时断裂形变也从原先的~70%(压缩)和90%(拉伸)提升到超过99%(压缩)和500%(拉伸)。

▲ 明胶水凝胶(b,d)及硫酸铵浸泡处理后的明胶水凝胶(c, e)在拉伸、压缩下的表现

同时,处理后的水凝胶还具有较好的形变恢复能力,能量消散能力,抗疲劳能力等。进一步研究发现,可能是霍夫梅斯特(Hofmeister)效应导致的链缠结,疏水作用以及水凝胶网络中的微相分离区域引起了水凝胶机械强度的大幅提升。而当使用离液盐(chaotropic)溶液处理水凝胶时,水凝胶发生了变软甚至溶解的情况。因此,霍夫梅斯特(Hofmeister)效应可以被用来有效的调节水凝胶的机械性能。

▲ 明胶-硫酸铵水凝胶的增韧机制

而当使用离液盐(chaotropic)溶液处理水凝胶时,水凝胶发生了变软甚至溶解的情况。因此,霍夫梅斯特(Hofmeister)效应可以被用来有效的调节水凝胶的机械性能。


目前有关霍夫梅斯特(Hofmeister )效应对蛋白质分子的影响的研究很多,但是关于该效应对水凝胶体系的研究还较为欠缺。因此该工作在盐对蛋白质水凝胶的影响方面提供了十分有价值的信息。同时,这种方法不需要对原料进行修饰及添加任何化学交联剂,提供了一个简单的调控、尤其是大幅增强水凝胶机械性能的方法。此外,该研究还有望被推广应用到其他的水凝胶体系中,但其确切的机理仍需进一步的研究与探索。

该成果发表在《Adv. Funct. Mater.》,IF:12.123。

链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201705069/full


项目出版我国首部花生加工特性与品质评价英文专著

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项目在高强度明胶水凝胶力学性能研究方面取得重大突破

发表日期:

2018-01-04

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