Feather characterization and processing

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-10-03
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
69+7
Series
Abstract
The aim of this thesis was to revise the existing knowledge of the complex hierarchical structure of the feathers and validate the selected analytical methods for the native and processed feather characterization. The rachis in which the barbs are attached were separated from each other, and these structural parts of the native feathers were characterized separately. The processed feathers were obtained by steam explosion and deep eutectic solvent (DES) fractionation. All the feather samples were characterized using various techniques, and the focus was especially on the characterization of the secondary structures. The applied methods were: optical microscopy, elemental analysis, amino acid analysis, attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), Raman spectroscopy, X-ray diffraction crystallography (XRD), and solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). In the characterization process, it was observed the feathers consist almost entirely of keratin. Moreover, the rachis and barbs consist of the fibre like outer layer and the inner honeycomb structure. In the outer layers, the polypeptide chains are axially oriented while in the inner honeycomb structure, they have a larger range of conformations and orientations. It was also observed that the rachis contains more secondary structure beta-sheet and has a higher degree of crystallinity compared to the barbs. In turn, the content of fat is higher in the barbs. It is suggested that in the feather structure, rachis provides the structural support while barbs form the protective outer layer. After processing, both, the chemical composition and structure of the feathers were changed, and the different method had a different effect. This means that by varying the processing method and conditions, different macro properties for the end product can be obtained. Based on the valuable information provided by the different characterization methods, Raman spectroscopy showed a great potential in the characterization of the native feathers while optical microscopy, ATR-FTIR, and XRD were beneficial and informative in the characterization of both, native and processed feathers.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tarkistaa ja päivittää nykyinen tietämys höyhenen monimutkaisesta ja hierarkkisesta rakenteesta sekä validoida menetelmät alkuperäisen ja prosessoidun höyhenen karakterisointiin. Ruoto ja siinä kiinni olevat höytyliistakkeet erotettiin toisistaan ja nämä rakenteelliset osat karakterisointiin erikseen. Höyheniä prosessoitiin höyryräjäytyksellä sekä liuottamalla höyhenet eutektiseen liuottimeen. Kaikki höyhennäytteet karakterisoitiin eri tekniikoilla, keskittyen erityisesti sekundäärirakenteen karakterisointiin. Tässä työssä käytetyt menetelmät olivat: optinen mikroskopia, alkuaineanalyysi, aminohappoanalyysi, heikentynyt kokonaisheijastus Fouriermuunnosinfrapunaspektroskopia (ATR-FTIR), Raman-spektroskopia, röntgenkristallografia (XRD) sekä kiinteäntilan ydinmagneettinen resonanssispektroskopia (NMR). Karakterisointiprosessi osoitti, että höyhenet koostuvat melkein kokonaan keratiinista. Lisäksi huomattiin, että ruoto ja höytyliistakkeet koostuvat kuitumaisesta ulkokuoresta sekä hunajakennomaisesta sisärakenteesta. Ulkokuoren polypeptidiketjut huomattiin olevan aksiaalisesti suuntautuneita, kun taas hunajakennorakenteessa niillä ei huomattu olevan selkeää suuntautumista. Alkuperäisen höyhenen karakterisoinnissa havaittiin myös, että ruoto-osassa on enemmän beetta-laskosta ja korkeampi kiteisyysaste kuin höytyliistakkeissa. Toisaalta, höytyliistakkeissa huomattiin olevan enemmän rasvaa. Tulosten perusteella voidaan olettaa, että höyhenessä ruoto-osan tehtävä on antaa rakenteellista tukea, kun taas höytyliistakkeiden tehtävä on muodostaa suojaava ulkokerros. Prosessoinnin jälkeen höyhenkeratiinin kemiallinen koostumus sekä rakenne olivat muuttuneet. Huomattiin myös, että eri prosessointimenetelmällä oli erilainen vaikutus. Tämä tarkoittaa, että vaihtelemalla prosessointimenetelmää sekä -olosuhteita, lopputuotteelle voidaan optimoida erilaiset makro-ominaisuudet. Perustuen eri karakterisointimenetelmien antamaan tietoon voidaan todeta, että Ramanspektroskopia oli hyvä karakterisointimenetelmä alkuperäiselle höyhenelle, kun taas optinen mikroskopia, ATR-FTIR sekä XRD olivat hyödyllisiä niin alkuperäisen kuin prosessoidunkin höyhenen karakterisoinnissa.
Description
Supervisor
Vuorinen, Tapani
Thesis advisor
Jääskeläinen, Anna-Stiina
Keywords
feather, keratin, characterization, processing, secondary structure
Other note
Citation