不同体系下羽毛绒的溶解性能及光谱特性

李长龙， 汤立洋， 王宗乾， 汪小翠

(安徽工程大学 安徽省纺织面料实验室， 安徽 芜湖 241000)

不同体系下羽毛绒的溶解性能及光谱特性

李长龙， 汤立洋， 王宗乾， 汪小翠

(安徽工程大学 安徽省纺织面料实验室， 安徽 芜湖 241000)

为开发利用羽毛绒蛋白资源，研究了其溶解性能，采用三元溶剂、溴化锂和离子液体([Amim]Cl)3种不同的溶解体系，测试不同溶解工艺参数下羽毛绒的溶解度，并通过纤维图像自动采集和识别系统监控羽毛绒在溶解过程中的形貌变化。结果表明：三元溶剂和溴化锂溶解羽毛绒时溶解度低，而[Amim]Cl能将羽毛绒全部溶解。采用紫外-可见分光光度计和傅里叶红外光谱仪对离子液体溶解体系进行测试，结果表明，羽毛绒溶于离子液体在312 nm处有特征吸收。基于特征吸收建立了羽毛绒蛋白的定量分析曲线，该曲线具有较高的测试精度；[Amim]Cl可打断羽毛绒蛋白二硫键，且不破坏蛋白质构象。

羽毛绒； 离子液体； 溶解； 光谱特性

天然蛋白质是纺织工业的重要原料，其中羊毛和蚕丝是最早加以利用的纺织材料。天然蛋白质材料因其优良的性能，深受广大消费者的青睐[1]，但这些蛋白质年产量有限，不能完全满足需求，并且还有废弃蛋白质没有被利用。在环境问题日益严重、资源逐渐匮乏的现在，显然不符合可持续发展的要求；因此，再生蛋白质和再生蛋白质材料已成为研究者关注的热点。目前，学者对桑蚕丝和羊毛角蛋白在不同溶解体系中的溶解及再生性能做了大量研究，且研究表明强碱、生物酶等溶剂将使蛋白质肽键断裂，破坏蛋白质大分子的完整性[2-5]。羽毛绒作为再生蛋白质的提取原料，资源丰富，价格低廉，且具有较强的环保效益，但目前关于羽毛绒蛋白资源的研究报道较少，主要关键技术在于羽毛绒的溶解。

本文通过实验对羽毛绒溶解性能进行研究，采用三元溶剂(CaCl2/H2O/C2H5OH)、溴化锂和[Amim]Cl这3种不同的溶解体系对羽毛绒进行溶解并测试溶解度，通过纤维图像自动采集和识别系统监控羽毛绒在溶解过程中的形貌变化，同时采用紫外-可见光分光光度计和红外光谱仪对溶解体系进行光谱测试，探究羽毛绒溶解机制。

1 实验部分

1.1 实验材料

水洗白鸭羽毛绒(古麒羽绒股份公司，含绒量为95%)。

[Amim]Cl(实验室自制，纯度99%)，溴化锂(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，乙醇(无锡市亚盛化工有限公司)，氯化钙(无锡市亚盛化工有限公司)，丝氨酸、脯氨酸、胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸和亮氨酸(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，以上药剂均为分析纯。

1.2 实验仪器

100目不锈钢标准筛(市售)，D2004W型电动搅拌器(上海梅颖浦仪器)，DF-II型数显集热式磁力搅拌器(金坛市杰瑞尔电器)，纤维图像自动采集和识别系统(东华大学)，SHB-III型循环水式多用真空泵(郑州长城仪器)，真空干燥箱(上海一恒科技)，SHA-B型恒温水浴振荡器(金坛市精达仪器)，FA2104型分析天平(上海精科天美)，UV2600型紫外-可见光分光光度计(上海天美)，傅里叶变换红外光谱仪(美国ThermoNicolet Corporation)。

1.3 实验方法

1.3.1 羽毛绒粉体的制备

将水洗羽毛绒放入50 ℃鼓风干燥箱中烘干6 h，采用机械方法制备羽毛绒粉体，经筛网处理后，得到直径小于0.15 mm的粉体，充分干燥后用密封袋保存。

1.3.2 羽毛绒粉体的溶解

考察了三元溶剂、溴化锂和[Amim]Cl对羽毛绒的溶解。具体方法和操作如下：

1)羽毛绒/三元溶剂溶液的制备。配制三元溶剂(CaCl2/H2O/C2H5OH的量比为1∶8∶2)，在恒温振荡水浴锅中，考察不同温度下三元溶剂对羽毛绒粉体的溶解状态，计算羽毛绒溶解度。

2)羽毛绒/溴化锂溶液的制备。配制9.8 mol/L溴化锂溶液，在恒温振荡水浴锅中，考察不同温度下溴化锂溶剂对羽毛绒粉体的溶解状态，计算羽毛绒溶解度。

3)羽毛绒/[Amim]Cl溶液的制备。将[Amim]Cl倒入三口烧瓶中，升温至90 ℃[6]，电动搅拌过程中，分批加入羽毛绒粉体，通过纤维图像自动采集和识别系统监控羽毛绒粉体的溶解状态，计算羽毛绒溶解度。

1.3.3 氨基酸体系的溶解

为考察溶解后的羽毛绒在[Amim]Cl中的状态，对氨基酸进行溶解，通过测试进行对比，具体操作步骤为：选取羽毛绒中含量最高的6种氨基酸，分别为丝氨酸、脯氨酸、胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸和亮氨酸[7]，按照在羽毛绒中质量比进行复配，溶于[Amim]Cl中，溶解液密封保存。

1.4 测试方法

1.4.1 溶解度计算

将未溶解的羽毛绒用滤纸进行过滤，将沉淀物用蒸馏水清洗，干燥，称量，得到沉淀物的干态质量，并由此计算羽毛绒的溶解度[8]。计算公式为

式中：S为羽毛绒的溶解度；W0为实验中初始羽毛绒的干态质量，g；W1为未溶物烘干后的总干态质量，g。

1.4.2 羽毛绒溶解状态的表征

采用纤维图像自动采集和识别系统，将待测羽毛绒放在载玻片中，放置于显微镜载物台上，测试羽毛绒的微观形貌并拍摄图像。

1.4.3 体系的紫外-可见吸收光谱测试

以[Amim]Cl为溶剂，将待测羽毛绒溶解液和氨基酸溶解液倒入比色皿中，分别进行测试，扫描范围为200～700 nm。

1.4.4 红外光谱测试

采用KBr压片法制备试样，对羽毛绒、空白[Amim]Cl和羽毛绒/[Amim]Cl溶解液进行红外光谱测试，测试参数为：分辨率4 cm-1；扫描次数32。

2 结果与讨论

2.1 不同溶解体系下羽毛绒溶解度对比

三元溶剂和溴化锂在不同溶解温度下溶解羽毛绒，[Amim]Cl在90 ℃条件下溶解羽毛绒，3种不同溶解体系下羽毛绒的溶解度见表1。

表1 不同溶剂中羽毛绒的溶解度Tab.1 Solubility of feather and down at different dissolution systems

注：三元溶剂和溴化锂体系在溶解时间达到20 h后，溶解度增加不明显。

由表1可知，三元溶剂和溴化锂在溶解羽毛绒时，随溶解温度的升高，溶解度有所增加但不明显，且溶解时间较长。相反，[Amim]Cl可在较短时间内将羽毛绒全部溶解。三元溶剂和溴化锂溶解体系对羽毛绒的溶解并没有得到理想的效果，原因在于羽毛角蛋白多肽链之间存有二硫键，分子间作用力增强，使羽毛绒角蛋白的分子结构特别稳定[9]，因此给羽毛绒的溶解工作带来了诸多不便。研究表明：溶剂中形成氢键作用的阴离子越多，极性越强，对蛋白质的溶解能力越好[6]；离子液体[Amim]Cl的体积和黏度相对较小，易与羽毛绒蛋白相互接触作用，其中Cl-极性强，易与羽毛绒蛋白形成氢键和破坏羽毛绒蛋白中的二硫键，将分子链拆开[10]，使羽毛绒蛋白溶解。

同时，三元溶剂和溴化锂体系可溶解部分羽毛绒，但是溶解效果不理想，溶解时间长，造成了资源和能量的浪费，而羽毛绒可在较短的时间内完全溶解到[Amim]Cl中，具有省时省力的工艺优势。

2.2 溶解羽毛绒的图像采集与表征

按照1.3.2所述实验方法，采用[Amim]Cl对羽毛绒进行溶解，通过纤维图像自动采集和识别系统对溶解过程进行跟踪观察，监控[Amim]Cl中羽毛绒的状态，采集图像如图1所示。

图1 羽毛绒在[Amim]Cl中的溶解过程(×200)Fig.1 Dissolution process of feather and down in [Amim]Cl

由图1可知：采用[Amim]Cl溶解羽毛绒，搅拌溶解360 min后，羽毛绒即可完全溶解；在搅拌溶解过程中，[Amim]Cl逐步进入羽毛绒间隙中，破坏分子间的范德华力和氢键等结合力，把分子链拆开，形成孤立的大分子[11]，最终全部溶解。

2.3 溶解羽毛绒的红外光谱分析

为表明羽毛绒溶解前后的光谱特征，分别对羽毛绒、空白[Amim]Cl以及羽毛绒蛋白的[Amim]Cl溶解体系的红外光谱进行了测试，结果如图2所示。溶解有羽毛绒蛋白的离子液体黏度变大，且颜色增深，红外光谱透射率低，为此，本文实验将该红外谱图1 700～1 100 cm-1波段信号进行局部放大处理。

2.4 羽毛绒/[Amim]Cl体系的紫外光谱

为探究羽毛绒溶于[Amim]Cl中的紫外-可见光谱特性，按照1.3.2和1.3.3实验方法，将羽毛绒和复配氨基酸分别溶于[Amim]Cl中，2种溶解液用紫外-可见光分光光度计进行测试，结果如图3所示。

图3 羽毛绒和复配氨基酸在离子液体中的紫外-可见光谱Fig.3 UV-Vis spectra of feather and down complex amino acid in ionic liquid

由图3可知，羽毛绒蛋白与复配氨基酸的[Amim]Cl溶解体系具有一致的紫外-可见光谱特性，二者在312 nm波长下有特征吸收峰，由此可进一步推断羽毛绒溶于[Amim]Cl中，将以复合氨基酸或多肽等形式存在。二者不同之处在于在380～600 nm波长区间内，羽毛绒蛋白吸光度要高于复合氨基酸，原因可能在于[Amim]Cl中羽毛绒蛋白以分子质量较大的多肽或复合氨基酸形式存在，成分也较复配氨基酸复杂，共轭体系增加，在可见光区间存有吸收，同时不排除羽毛绒天然色素对可见光吸收产生的影响。

2.5 羽毛绒蛋白的定量分析

精确称取0.11 g羽毛绒粉体，加入50 mL的容量瓶中，再加入10 mL[Amim]Cl，在显微镜纤维图像自动采集和识别系统观察下，确定羽毛绒完全溶解，配成质量浓度为11 g/L的溶解液。用移液管量取适量的[Amim]Cl，将11 g/L溶解液分别稀释成质量浓度为8.5、6.0、3.5、1 g/L的溶解液。将不同质量浓度溶解液滴加到比色皿，放入紫外-可见分光光度计中在312 nm处进行波长检测。采用ORIGIN8分析软件建立数学模型，得到羽毛绒蛋白吸光度与其质量浓度的标准曲线，结果如图4所示。

图4 羽毛绒蛋白标准曲线Fig.4 Standard curve of feather and down protein

图4中定量分析标准曲线方程为Y=0.244 6X+0.906 7。式中Y为吸光度，X为羽毛绒蛋白质量浓度。相关系数R2=0.98，线性范围为1.0～11 g/L，通过测试溶解液的吸光度来定量分析[Amim]Cl中羽毛绒蛋白的质量浓度[14]。

本文实验同时对5组[Amim]Cl溶解羽毛绒的样品进行测试分析，计算定量分析相对标准偏差为2.82%，表明采用该溶解体系吸光度定量分析羽毛绒蛋白质量浓度的方法是可行的，且本文得出的定量分析曲线具有较高的测试精度。

3 结 论

三元溶剂和溴化锂体系仅能够溶解部分羽毛绒，而[Amim]Cl离子液体可实现对羽毛绒的全部溶解。红外光谱分析表明，[Amim]Cl可打断羽毛绒蛋白二硫键，且不破坏蛋白质构象；羽毛绒与复配氨基酸的[Amim]Cl溶解体系具有一致的紫外光谱特性，基于光谱特性，建立了羽毛绒蛋白的定量分析曲线，该曲线用于分析羽毛绒蛋白质量浓度具有较高的分析精度。

FZXB

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Solubility and spectral characteristic of feather and down in different dissolution systems

LI Changlong, TANG Liyang, WANG Zongqian, WANG Xiaocui

(Anhui Key Laboratory of Textile Materials, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China)

In order to develop and utilize feather and down protein resources, the solubility of feather and down was studied firstly in different dissolution systems including ternary solvent, lithium bromide and ionic liquid ([Amim]Cl), and the solubility under different process parameters was tested, and the morphological changes of feather in the process of dissolution were monitored by automatic image acquisition and recognition system. The results show that feather and down have low solubility while being dissolved with ternary solvents and lithium bromide, but could be dissolved completely in the [Amim]Cl ionic liquid; at the same time, the [Amim]Cl dissolution system of feather and down has been analyzed by UV-Vis and FT-IR. The UV-Vis results show that a characteristic absorption exist at a wavelength of 312 nm and the quantitative analysis curve of protein is given; and FT-IR results show that disulfide bond of feather and down protein can be destroyed, without destroying the protein conformation when being dissolved in the ionic liquid of [Amim]Cl.

feather and down; ionic liquid; dissolution; spectrum characteristic

10.13475/j.fzxb.20160407305

2016-04-26

2016-11-07

国家自然科学基金项目(51503002)；安徽省自然科学基金项目(1608085QB43)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A796)；安徽省重大科技专项项目(16030701088)

李长龙(1968—)，男，副教授，硕士。主要研究方向为蛋白质复合材料。王宗乾，通信作者，E-mail: wzqian@ahpu.edu.cn。

TS 109

A