离子液体溶解胶原蛋白的研究进展

2017-03-08吕爱会朱孟府

杭州化工 2017年3期

关键词：咪唑胶原蛋白甲基

吕爱会，邓橙，朱孟府，邓宇

（1.天津科技大学，天津 300457;2.军事医学科学院，天津 300161）

离子液体溶解胶原蛋白的研究进展

吕爱会1，2，邓橙2，朱孟府2，邓宇1

（1.天津科技大学，天津 300457;2.军事医学科学院，天津 300161）

胶原蛋白是自然界中含量最丰富的结构蛋白，而且也是人体的重要组成部分。胶原蛋白被广泛应用在食品、医药、生物等领域，因此找到一种绿色溶剂——离子液体，溶解、再生胶原蛋白尤为重要。该文主要介绍了离子液体的概念和种类，以及在溶解胶原蛋白方面的研究进展，并对离子液体溶解胶原蛋白的特性及应用前景进行了分析和展望。

离子液体；胶原蛋白；溶解；再生

胶原又被人们称为胶原蛋白，具有优异的机械性能，是自然界中最丰富的结构蛋白。胶原蛋白只存在于动物身上，特别是哺乳动物的肉和生物组织中，包括骨骼、肌腱、牙齿、皮肤、韧带和软骨，约占全身蛋白质的25%～35%，而细胞骨架的重要组成成分也是胶原蛋白。因此，胶原蛋白以不同的形式不同程度地存在于动物的各种器官中。胶原蛋白因其独特性质能够形成高强度的不溶性纤维。胶原蛋白不仅在成熟的组织结构中起着重要作用，而且对于发育中的组织有定向的作用[1-2]。目前，胶原蛋白被确认存在的有27种[3]，最常见的有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型胶原蛋白，其中Ⅰ型胶原蛋白所占的比例最大，主要存在于皮肤、骨头和肌腱中，是一种十分宝贵的生物质资源。由于胶原蛋白具有良好的生物相容性和生物降解性，已经在医药、化妆品、食品、商业、生物工程等众多领域得到了研究与应用[4-7]。然而，由于胶原蛋白结构中存在分子间氢键、离子键、范德瓦尔斯力和疏水性键，这使胶原蛋白很难溶解，因此极大地限制了胶原蛋白在许多领域的应用。所以找到一种溶解胶原蛋白的绿色溶剂成了学者的研究重点。

离子液体是近年来新兴起的一类具有应用前景的绿色溶剂，以其强极性、不挥发性和稳定性以及对高分子材料良好的溶解性，广泛应用于化工分离和有机合成等领域，用于替代易挥发的有机溶剂。近年来不断有学者对离子液体在溶解胶原蛋白方面进行了研究。

本文主要介绍了离子液体的概念、种类和合成方法，以及在溶解胶原蛋白方面的研究进展，并对离子液体溶解胶原蛋白的特性及应用前景进行了分析和展望。

1 离子液体的概念、分类及合成方法

1.1 离子液体的概念

离子液体是一种熔点低于100℃，通常含有一个杂环氮原子、有机阳离子和无机阴离子的盐类，被认为是理想的绿色溶剂[8-10]。离子液体具有许多吸引人的特性，如在室温或室温附近呈现液态，可忽略的蒸气压，且可以提高反应速率，提高选择性和产率，并且可以在反应后回收，已经被开发为许多天然聚合物的新溶剂。随着绿色化学的发展及其对环境保护的重视，离子液体因其具有良好的溶解性和可设计性等独特的性能，成为人们关注的焦点。

1.2 离子液体的分类

离子液体种类有很多，仅仅通过改变结构中的阳离子和阴离子，就可以设计合成出不同种类的离子液体，通过改变离子的种类进行改性，可以调节离子液体的物理化学性质。目前，研究学者主要依据离子液体阴阳离子的不同而进行划分。常见的阳离子类型的离子液体有咪唑鎓、季铵盐和杂环芳香族化合物等。阴离子类型的离子液体中常见的阴离子有卤素离子、[BF4]-、[PF6]-、[CH3COO]-和[AlCl4]-等，这些离子的组合使离子液体的种类非常多。还有一种对称的含双阳离子的离子液体，它具有优于传统离子液体的热稳定性和波动性物理性能，但是其还没有在溶解胶原蛋白方面得到应用。

1.3 离子液体的合成方法

离子液体的合成方法有3种，包括常规合成法、微反应器法和外场强化法。其中常规合成法主要包括一步合成法和两步合成法，这2种方法是比较普遍的方法，通常需要在加热的条件下完成合成，且所需时间较长。微反应器法是指合成反应在一个小型微反应器内进行，反应器的内部尺寸范围从几微米到几百微米不等。微反应器具有很多优点，如所需空间小、能量和质量消耗少以及所需要的反应时间短等，所以微型反应器能够提高产物的产率以及传质传热效率。外场强化法主要包括微波法和超声波法，该合成方法主要应用在烷基咪唑类和烷基吡啶类离子液体的合成。Vaima等最先使用微波炉合成离子液体的方法，并用此方法合成了不同种类的离子液体。由于离子液体生成的过程中吸收的能量逐渐增多，很容易造成反应体系过热或失控，从而造成卤代烃的分解。为了解决此问题，Vaima等改进了微波法，采用微波间歇辐射的方法，从而取得了很好的效果[11]。

2 胶原蛋白在离子液体中的溶解与再生

胶原蛋白是三螺旋结构，由3条α多肽链组成，每条胶原蛋白链都是左手螺旋构型，它们彼此交叉相互缠绕形成右手螺旋结构，即超螺旋结构。胶原蛋白因其独特的三重螺旋结构，使其分子结构非常稳定，并且胶原蛋白免疫原性较低，生物相容性良好。结构决定性质，性质决定用途，胶原蛋白因为其结构具有多样性，所以在许多领域都有非常重要的地位。

提取胶原蛋白的方法主要有4种，包括热提取法、碱提取法、酸提取法和酶提取法。热提取法操作简便，而且对生产要求较低，但胶原蛋白分子对热较为敏感，加热会使其发生变性，从而失去使用价值。酸提取法处理快速，但产品得率降低，设备会受到严重腐蚀。用碱法提取胶原蛋白非常迅速，而且提取彻底，但含有巯基和羟基的氨基酸容易被破坏，也会产生消旋作用。单独使用酶法提取胶原蛋白时，反应过程很慢。此外，这些方法都有很多缺点，如处理步骤多、造成环境严重污染且易造成纤维降解等。为了寻找一种高效、简洁、清洁化的提取方法，对胶原蛋白进行分离、再生，以实现废旧资源的再利用，研究学者们采用各种离子液体对胶原蛋白进行溶解与再生。

郑学晶等研究了胶原蛋白在1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体（[BMIM]Cl）中溶解，观察到当温度上升至100℃时，胶原蛋白的部分结晶结构被破坏，当温度升到120℃以上时，结晶结构被完全破坏，用甲醇再生得到的胶原蛋白，分子结构受到较大程度的破坏[12]。汤尧旭等比较了水浴加热、微波辐射水浴加热和微波直接辐射加热3种加热方式对胶原蛋白的溶解能力的影响，并将溶解的胶原蛋白再生进行结构分析，最终得出猪皮胶原蛋白的溶解度与加热方式、温度、时间等参数密切相关，在温度处于室温至70℃范围内时，微波加热法的溶解程度优于水浴加热。溶解度随着温度的升高而增大，时间越长，溶解效果越好，溶解度最大可达到 10%[13]。

牛凤英等发现胶原蛋白在氯代-1-烯丙基-3-甲基咪唑离子液体（[AMIM]Cl）中具有良好的可溶性，当温度达到140℃时，胶原蛋白的溶解度最大。探讨比较了以水、丙酮和乙醇为再生剂时胶原蛋白的再生情况，且对乙醇为再生剂的再生胶原蛋白进行了结构分析，分析得出再生胶原蛋白的性质和再生前没有发生明显变化，并保持了胶原蛋白的基本特征[14]。此后，牛凤英课题组采用[AMIM]Cl离子液体提取猪皮粉中的胶原蛋白，并将提取的胶原蛋白与聚丙腈进行共混改性。在溶解过程中发现，离子液体只是破坏了胶原蛋白分子链间的氢键将其溶解，并没有破坏其主链结构。在温度高于300℃以后，胶原蛋白在热的作用下肽键发生断裂，胶原蛋白逐渐被降解为多肽和氨基酸，最终氨基酸残基被破坏，发生脱氨、脱水。将提取的胶原蛋白用乙醇再生，用于改性聚丙烯腈，使改性后的纤维回潮率由原来的0.57%提高到了3.45%，改善了纤维的穿着舒适度[15]。

张敏等使用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）溶解胶原蛋白与纤维素，经过溶解、再生2步处理制备出新型胶原蛋白/纤维素复合材料。复合膜具有典型的胶原蛋白热变曲线，且其热变温度与天然胶原蛋白的热变温度相符，说明胶原蛋白溶解再生后没有发生明显变性。将胶原蛋白应用于复合材料中，从而提高了复合材料的热稳定性[16]。由此看来，胶原蛋白在制作复合材料方面有一定的应用前景，有待人们的发现和研究。

王兆梅等研究了胶原蛋白在氯化胆碱·2ZnCl2离子液体中的溶解性。当温度为120℃时，在氯化胆碱·2ZnCl2离子液体中胶原蛋白的溶解度可达到13%左右，在溶解过程中破坏了分子间氢键，也破坏了结晶区域。用乙腈作为再生剂，再生出的胶原蛋白具有完整的三股螺旋结构，但热稳定性和结晶度要低于原胶原蛋白样品[17]。徐彬等为加快胶原蛋白在离子液体中的溶解，在溶剂体系中加入了一系列的钠盐。在温度45℃时胶原蛋白在[EMIM]Ac/Na2HPO4离子液体中的溶解度可达到11%左右。然而，该温度下再生得到的胶原蛋白的结构可能已经被破坏。实验中添加了盐类，便可使胶原蛋白在较低温度下溶解，可以减少胶原蛋白结构的破坏。从实验可以得出：溶解温度和钠盐会影响胶原蛋白的溶解度[18]。而其他研究者得出的最佳溶解温度都高于100℃，此时胶原蛋白的结构也已经被破坏[19-20]。因此可以借鉴加盐类加快溶解的方法，不仅节约了能量，而且也使胶原蛋白结构受到的破坏尽可能的小，有利于胶原蛋白的再利用。

郭佳荣等用3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯盐和3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑溴盐2种离子液体溶解胶原蛋白，从而分析2种离子液体溶解能力大小。分别配置固体质量分数为2%、4%、6%和8%的离子液体与胶原蛋白的混合溶液，加入试管搅拌均匀，分别在80、100、120和140℃4种不同的温度下溶解。通过比较得出3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯盐的溶解效果优于3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑溴盐。在温度140℃时，3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯盐溶解固体质量分数为8%的胶原蛋白仅需15 min，同时胶原蛋白再生前后结构并未发生变化[21]。刘洁等研究了胶原蛋白纤维在[BMIM]Cl和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[BMIM]Ac）2种离子液体中的溶解行为及再生前后的结构与热稳定性变化。结果表明，CH3COO-和Cl-型离子液体都能溶解胶原蛋白纤维，但溶解特性不同。相对[BMIM]Cl的溶解性能而言，[BMIM]Ac能够在较低的温度下获得高浓度和良好流动性的胶原蛋白溶液，再生胶原蛋白的三股螺旋结构保留度更高[22]。

研究者们运用了不同的离子液体对胶原蛋白进行了溶解，都得到了很好的效果。由此可见，离子液体在胶原蛋白的溶解方面具有很大的发展空间。

3 结论

离子液体以“零”蒸气压、可回收等特点受到人们的青睐。在溶解胶原蛋白方面实现了绿色化，将来会慢慢取代酸碱等提取蛋白的方法。经离子液体溶解得到的胶原蛋白可以用于制作复合材料，从而提高了复合材料的各种性能。随着科技的发展，胶原蛋白将会应用到更多的领域，发挥更大的作用。

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