离子液体研磨法骨骼的溶解工艺研究

2017-04-21阮孝慈王鹏飞杨富帮邓宇

杭州化工 2017年1期

关键词：磷灰石固液胶原

阮孝慈，王鹏飞，杨富帮，邓宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津300457）

离子液体研磨法骨骼的溶解工艺研究

阮孝慈，王鹏飞，杨富帮，邓宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津300457）

氯化胆碱-尿素离子液体对骨骼中的胶原具有一定的溶解能力，采用研磨的方式，以鸡骨为原料，选择氯化胆碱-尿素离子液体进行溶解，分析实验中固液比（鸡骨与离子液体质量比）、溶解温度、溶解时间对鸡骨溶解量的影响，设计了单因素实验和正交实验。结果表明，鸡骨溶解量随溶解温度的升高而增加，但在不同溶解时间及固液比下溶解率在某一范围波动；离子液体溶解鸡骨的最佳工艺参数为：溶解时间4h，溶解时固液比1∶25，溶解温度140℃。采用FT-IR红外光谱仪对骨骼的溶解产物及溶解前后鸡骨进行分析，初步判定鸡骨在离子液体中的溶解属于直接溶解，溶解产物为鸡骨羟基磷灰石，并确定离子液体可回收利用。

氯化胆碱/尿素；研磨；鸡骨；溶解

近年来，离子液体作为一种可设计性的新型绿色溶剂受到了广泛的关注，其具有低熔点、高稳定性、低蒸气压、溶解性能可调节等优点，在有机合成、电化学、萃取分离、工业催化、材料科学和生物科学等领域有着广阔的应用前景[1-6]。其中，离子液体中天然高分子物质的溶解实验是当前离子液体研究的热点领域之一，离子液体的出现也为生物材料的制备与应用提供了广阔的发展空间[7]。

研究发现，天然骨是由24%的有机成分和75%的无机成分组成的，其中，有机成分中胶原占95%，无机成分则主要是羟基磷灰石（HAP）和极少的氟磷灰石、碳酸磷灰石等[8]。天然动物骨因其含有丰富的骨胶原蛋白、脂肪酸、维生素和无机矿物元素等[9]，在食品、工业、医学等行业得到广泛应用，如提取骨胶原蛋白、加工骨粉以及制备天然羟基磷灰石等。

动物骨骼中羟基磷灰石的提取可采用生物分离法，主要是通过有机溶剂或离子液体将支撑HAP的有机胶原纤维溶解从而释放出HAP。实验以动物骨骼为原料，采用氯化胆碱-尿素离子液体为溶剂对骨骼进行溶解，确定骨骼在离子液体中溶解的最佳工艺条件，从而分离制备羟基磷灰石。离子液体对羟基磷灰石没有破坏作用，不会对其结构性能产生影响，使得通过溶解动物骨中的骨胶原释放HAP具有可行性，克服了化学合成制备的HAP需要经过修饰才可以应用的缺点。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1.1.1 主要仪器

DH-101电热恒温鼓风干燥箱，天津市中环实验电炉有限公司；DK-98-1电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；SHB-III循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；FA2204B电子天平，上海精密科学仪器有限公司；RE-52A旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；KDM调温电热套，山东省鄄城威瑞科教仪器有限公司；WQF-510傅里叶红外光谱仪，北京第二光学仪器厂。

1.1.2 主要试剂

氯化胆碱-尿素离子液体，实验室制备；甲醇，天津市北方天医化学试剂厂；鸡骨（40～60目），实验室提供。

1.2 实验方法

1.2.1 原料鸡骨处理

新鲜鸡骨用清水清洗，除去残肉、脂肪和结缔组织等，放入恒温水浴锅中，控制水温在60℃约3～4 h以除去骨油。鸡骨晾干后段成长约3cm、宽约1cm的小块除去骨髓，再用高速多功能粉碎机粉碎约5 min，取60目≤粒度≤40目的骨粉备用。

1.2.2 鸡骨在离子液体中的溶解

称取1g鸡骨（40～60目）置于盛有一定质量离子液体的研钵中，在加热套中加热研磨搅拌。在一定温度下溶解，达到反应时间后趁热迅速用铜网过滤，去除未反应的较大颗粒的鸡骨，将滤渣洗净后干燥称重，计算鸡骨在离子液体中的溶解量；待离子液体温度降至室温时加入甲醇进行稀释，充分混合后迅速进行真空抽滤，得到羟基磷灰石，蒸馏水少量多次洗涤，干燥后进行表征，滤液用旋转蒸发仪旋蒸回收再利用。

1.2.3 溶解工艺单因素实验

（1）固液比对鸡骨溶解量的影响：称取5g鸡骨粉，平均分成5份，每份1g。分别按固液比为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40和1∶50称取离子液体，在温度120℃下溶解4h，根据溶骨量确定最佳固液比。

（2）溶解时间对鸡骨溶解量的影响：称取5g鸡骨粉，平均分成5份，每份1g。按固液比1∶30称取离子液体，在温度120℃下分别溶解2、3、4、5和6 h，根据溶骨量确定最佳溶解时间。

（3）溶解温度对鸡骨溶解量的影响：称取5g鸡骨粉，平均分成5份，每份1g。按固液比1∶30称取离子液体，分别在温度为80、100、120、140和160℃下溶解4h，根据溶骨量确定最佳溶解温度。

1.2.4 溶解工艺正交实验

为进一步优化工艺条件，以鸡骨溶解量为主要评价指标，在单因素实验结果基础上采用L9（34）正交表进行实验，由正交实验结果确定氯化胆碱-尿素离子液体溶解鸡骨的最佳工艺条件。

1.3 溶解产物的FT-IR分析

按质量比1∶100取干燥后样品与KBr置于玛瑙研钵中研成粉末，控制压力在8～10MPa进行压片，制得透明薄片，在波数400～4000cm-1扫描范围内进行红外光谱测试，采集样品谱图。

1.4 离子液体的回收

将离子液体用旋转蒸发仪蒸发回收，计算离子液体的回收率。

式中：W是离子液体的回收率，%；m是回收的离子液体质量，g；m0是加入的离子液体质量，g。

2 结果与讨论

2.1 固液比对离子液体中鸡骨溶解量的影响

实验条件：改变鸡骨与离子液体的固液比（质量比，下同），在120℃溶解温度下溶解4h，探究不同固液比对鸡骨在离子液体中溶解效果的影响，结果见图1。

图1 不同固液比对离子液体中鸡骨溶解量的影响

如图1，鸡骨在离子液体中的溶解量随着固液比的变化呈现先增加后降低的趋势，当固液比为1∶30时，溶骨量最大为0.34g，而后下降。考虑到离子液体用量较少时会影响固液接触面积，使骨粉溶解不充分，导致溶骨量较低；随着离子液体用量的增加，增大了溶解过程中鸡骨与离子液体的接触面积，从而提高了溶解效率，促进了鸡骨溶解；离子液体过多时，反应体系的体积增大，单位体积内骨粉量降低，影响传热传质速率，造成骨骼溶解率降低。因此，选择1∶30为鸡骨溶解的最佳固液比。

2.2 溶解时间对离子液体中鸡骨溶解量的影响

实验条件：固定鸡骨和离子液体的固液比为1∶30，在120℃的溶解温度下，改变鸡骨在离子液体中的溶解时间，探究不同溶解时间对鸡骨在离子液体中溶解效果的影响，结果见图2。

图2 不同溶解时间对离子液体中鸡骨溶解量的影响

如图2，随着溶解时间的延长，鸡骨溶解量呈现先增加后降低的趋势，溶解时间为4h时，溶解量达到最大。考虑到天然骨主要是由有机成分胶原和无机成分羟基磷灰石组成，鸡骨在溶解过程中其组分胶原主要经历2个历程：由非结晶区到结晶区的溶胀过程和溶解过程。溶解时间较短时，胶原仅发生溶胀，或少量的开始溶解，此时溶解量较低；随着时间的增长，胶原充分溶胀，减弱了离子液体与胶原分子间的相互作用力，同时增大了鸡骨与离子液体的接触面积，促进了鸡骨胶原在离子液体中的溶解，使溶骨量增加；但时间过长时，胶原成分开始发生降解，所以鸡骨的溶解量又降低。故选择4h为最佳溶解时间。

2.3 溶解温度对离子液体中鸡骨溶解量的影响

实验条件：固定鸡骨和离子液体的固液比为1∶30，溶解时间为4h，改变鸡骨在离子液体中的溶解温度，探究不同溶解温度对鸡骨在离子液体中溶解效果的影响，结果见图3。

图3 不同溶解温度对离子液体中鸡骨溶解量的影响

如图3，随着溶解温度的升高，鸡骨溶解量呈现增大的趋势，但溶解速率逐渐减慢，在温度为100℃和120℃时溶解量显著增加。考虑到温度低于100℃时，离子液体的黏度较大、流动性较差，影响传质传热速率，对鸡骨中附着的胶原主要产生溶胀作用，鸡骨溶解量较低；随着溶解温度的升高，离子液体中分子间运动速率加快，在温度100℃至120℃时离子液体对骨胶原与羟基磷灰石之间的氢键产生作用，促进了鸡骨中胶原分子的溶解，使得溶骨量提高；温度继续升高时，离子液体除了产生氢键作用以外，还会影响鸡骨胶原三股螺旋结构之间的化学键和肽链之间的肽键，使鸡骨溶解量继续增加，但溶解速率变缓，逐渐趋于平衡；高温时，鸡骨胶原将发生不可逆的变性作用。综合考虑，选择温度140℃为最佳溶解温度。

2.4 离子液体溶解鸡骨正交实验

依据离子液体溶解鸡骨单因素实验结果，确定正交实验因素和水平（表1），实验结果见表2。

由表2可知，影响鸡骨溶解量的最主要因素为溶解温度，其次为固液比，最后为溶解时间。在设定的正交实验条件下根据鸡骨溶解量的K值综合考虑实际情况，最终确定离子液体溶解鸡骨的最优方案：溶解时间为4h，溶解温度为140℃，溶解时固液比为1∶25。

表3为在最优工艺条件下进行的3组重复性实验及实验结果。

表1 正交实验因素及水平表

表2 正交实验设计及结果

表3 重复性实验及结果

由表3可知，3组重复性实验中溶骨量的平均值为0.38g，鸡骨溶解量较为稳定，说明此条件下实验再现性较好。

2.5 溶解前后鸡骨的FT-IR分析

实验条件：鸡骨在温度140℃下按固液比1∶25溶解4h后迅速抽滤，取滤液加入去离子水作为再生剂，静置一段时间后再过滤得再生鸡骨，干燥后，进行红外光谱测试分析最佳溶解条件下骨骼化学结构的变化情况，结果如图4所示（其中，A为溶解前鸡骨的红外光谱图，B为再生鸡骨的红外光谱图）。

图4 溶解前后鸡骨的FT-IR谱图

由图4可知，鸡骨溶解前后的FT-IR谱图基本保持一致，说明鸡骨在溶解前后的基团基本相同，保持原来的化学结构。A谱图中3414cm-1处的伸缩振动峰代表骨骼分子链间的氢键，N—H的伸缩振动吸收峰为酰胺A带，2926cm-1是—CH2的伸缩振动吸收峰，属酰胺B带特征吸收峰；1663cm-1处对应酰胺Ⅰ带的伸缩振动吸收峰；1567 cm-1处对应酰胺Ⅱ带N—H的弯曲振动峰；1456 cm-1处对应酰胺Ⅲ带C—N伸缩和N—H变形振动峰；871cm-1对应酰胺Ⅳ带、Ⅴ带变形振动；1030cm-1为PO43-的对称伸缩振动，561cm-1为鸡骨羟基磷灰石中PO43-的弯曲振动。以上吸收峰表明鸡骨主要由胶原和羟基磷灰石组成。

溶解后再生鸡骨与原鸡骨的红外谱图基本吻合（见图4中谱线B和A），说明鸡骨在该离子液体中的溶解过程没有发生衍生化反应，属于直接溶解。由图4中的谱线B发现，溶解后代表骨骼中分子间氢键的吸收峰向低波数方向移动，吸收谱带变宽，说明在溶解过程中骨骼分子链间的氢键逐渐发生了变化。

2.6 鸡骨中羟基磷灰石的FT-IR分析

鸡骨中羟基磷灰石的FT-IR谱图如图5所示。

由图5可得，3600～3200cm-1之间存在较宽的吸收峰，是由氢键缔合的—OH伸缩振动峰和提取所得羟基磷灰石表面吸附水的吸收峰引起的。吸附水的吸收峰位于3500cm-1和1630cm-1附近，图中1619cm-1处存在较弱的吸收峰说明提取的羟基磷灰石表面存在吸附水，并且3600cm-1附近的吸收峰几乎完全消失，说明吸附水含量很低。一般情况下，羟基磷灰石中—OH产生的伸缩振动波峰是3400cm-1附近一个较强的宽峰，本文所提取的羟基磷灰石中—OH的伸缩振动出现在3412cm-1。1035cm-1处的强吸收峰为PO43-基团的伸缩振动吸收峰，604cm-1和565 cm-1处的强吸收峰对应PO43-基团的弯曲振动吸收峰。1444cm-1处的吸收峰表明CO32-进入羟基磷灰石结构，并取代了部分PO43-。碳酸盐或自由基CO32-的吸收峰在1400～1500cm-1处为单峰，当CO32-进入羟基磷灰石晶格取代晶格中的PO43-基团时，该吸收峰出现分裂。相关研究表明人骨中羟基磷灰石晶体是含有CO32-的碳酸根磷灰石，说明提取的羟基磷灰石与人骨的组分相似。

2.7 离子液体的回收

2.7.1 离子液体的回收率

将真空抽滤后的滤液用旋转蒸发仪旋蒸回收，离子液体的回收率见表4。

图5 鸡骨中羟基磷灰石的FT-IR谱图

表4 离子液体的回收率

2.7.2 离子液体的FT-IR表征

将待回收的离子液体于温度70℃下在旋转蒸发仪上旋蒸浓缩，蒸净水后在干燥箱中干燥。将回收得到的离子液体进行红外光谱表征，考察回收前后离子液体在结构上是否发生变化，结果如图6所示（其中，a为离子液体，b为第3次回收离子液体）。

由图6可知，离子液体回收前后的红外谱图基本一致，这说明回收后的离子液体仍然保持其原有的结构，可以循环使用。

3 结论

利用氯化胆碱-尿素离子液体对鸡骨进行溶解，设计单因素实验和正交实验分析固液比、溶解温度以及溶解时间对鸡骨溶解量的影响，发现其影响的主次顺序为溶解温度＞固液比＞溶解时间，得到最佳工艺参数为：溶解温度140℃，溶解时固液比1∶25，溶解时间为4h。利用红外光谱对溶解前后的鸡骨、溶解产物及回收前后的离子液体进行表征分析，可得鸡骨在离子液体中的溶解属于直接溶解，溶解产物羟基磷灰石组分与人骨组分相似，回收前后离子液体结构保持一致，可重复利用，初步判定采用氯化胆碱-尿素离子液体溶解骨骼具有可行性。