蚕丝素蛋白质酪氨酸残基化学修饰调控与光稳定化的构效关系研究

Silk fibroin (SF) is rapidly yellowed by exposure to the UV radiation present in sunlight, so it is crucial to improve its light stabilization performance, and the chemical modification of tyrosine (Tyr) residues using UV characteristic absorption structure is an effective way to improve SF light stabilization performance. Based on Mannich reaction mechanism, using benzotriazole type compounds containing aromatic amine group as amine component, this project bonded benzotriazole structure covalently with the side group of Tyr residues “p-hydroxyl benzenemethylene” in the o-position of hydroxyl. The project studied the factors and regulation rules of Mannich chemical modification participated in by Tyr residues and study the dynamics mechanism of the chemical modification by conducting quantitative analysis of modified residues. In order to optimize light stability property and clarify the substituent effect of modified fibroin different type, different quantity or different substituted position group were introduced to the aromatic amine. Systematic analysis of lightchemical and physicochemical properties reveals the light stabilization mechanism of benzotriazole modified SF under Mannich reaction mechanism. Because of the mild conditions of Mannich reaction and that it didn’t form complete conjugated system modified fibroin have a higher light stability property of wet fastness and have no dark color effect on fibroin color. The research results belongs to chemical modification and directed evolution of fibroin, which provides experimental and theoretical basis for developing light stabilization materials of SF.

丝素蛋白质（SF）易发生光致黄变与脆损，提升其光稳定化性能是关键，采用紫外线特征吸收结构化学修饰酪氨酸（Tyr）残基是提升SF光稳定性的有效途径。本项目基于Mannich反应机制，以含伯胺基苯并三唑结构化合物为胺组分，实现苯并三唑结构对Tyr残基“对羟基苯亚甲基”侧基中羟基的邻位共价修饰，研究Tyr残基参与Mannich修饰的影响因素与调控规律，对修饰残基定量分析并探明其化学修饰动力学机制；调控苯并三唑取代环上基团种类、位置和担载量以获得修饰SF的最佳光稳定化性能，并阐明其取代基效应；系统分析修饰Tyr、SF的光化学及其它性能，揭示Mannich反应机制下苯并三唑结构修饰的光稳定化作用机制。本项目修饰工艺温和，且与Tyr残基不形成完整共轭体系，可取得较高湿处理牢度的光稳定性能，亦对SF色泽无增深效应；研究成果为蛋白质侧基修饰和定向改造，特别为开发光稳定化的SF新材料提供实验依据和理论基础。

基于氧化闭环和还原闭环两种途径，分别合成了含伯氨基的苯并三唑结构目标产物，通过对目标产物结构及其光降解性能的研究，表明合成的目标产物具有良好的耐光稳定性能，其光稳定化源于苯并三唑环结构的分子内质子转移机理。.在此基础上，以游离酪氨酸作为丝素蛋白模拟物，基于三组分Mannich反应机制，采用合成的伯氨基苯并三唑化合物对其进行化学修饰，探讨了修饰工艺参数对修饰酪氨酸产物生成率的影响规律，优化修饰工艺，并对修饰酪氨酸的分子结构、光降解性能进行系统研究与分析，表明修饰后酪氨酸的光稳定性能显著提升。酪氨酸的修饰为接下来丝素蛋白的修饰奠定了实验基础。.为开展丝素蛋白酪氨酸残基的化学修饰，项目开展了脱胶对丝素蛋白分子量分布、结构以及再生性能的研究，结果表明尿素脱胶可制得低损伤丝素蛋白。通过对丝素蛋白酪氨酸残基偶合修饰的系统研究，结果表明该修饰反应具有较高的反应速率，且反应吸附等温线符合Langmuir 模型，研究还表明碱性修饰体系可促使酪氨酸残基中酚羟基电离，增加酚羟基邻位碳的电子云密度，同时可降低丝素蛋白的Zeta电位值，有助于促进酪氨酸残基的偶合修饰反应。.基于上述基础，采用合成的伯氨基苯并三唑结构化合物对丝素蛋白进行化学修饰，系统对比分析了修饰前后丝素蛋白纤维的耐光稳定性能及其它性能，结果表明修饰丝素蛋白的紫外透过率降低，光照后强力损失率显著下降，修饰赋予的光稳定性能具有较高的湿处理牢度。因Mannich化学修饰工艺条件温和，修饰蚕丝的微观形貌、蛋白结构均没有明显变化；采用荧光光谱表征了修饰丝素蛋白的光谱特征，揭示其光稳定化的作用机制源于苯并三唑结构对紫外光能量的转化。此外，采用修饰后丝素蛋白与其它组分混合再生制备复合膜材料，结果表明修饰丝素蛋白亦可提升复合膜的耐光稳定性能。.综上，本项目研究结果为丝素蛋白及其复合材料耐光稳定性能的提升奠定了理论与实验基础。