脱蛋白工艺对脱蛋白天然橡胶性能的影响

吕明哲，李永振，杨子明，张 帆，方 蕾，李普旺

（中国热带农业科学院农产品加工研究所，广东 湛江 524001）

天然橡胶具有力学强度高、弹性大、伸长率大、蠕变小等特点，已广泛用于家用医用手套或各类导管的医疗用品、保育用品、避孕用具以及其他应用领域。而天然橡胶是生物合成的天然大分子，以聚顺式1，4-异戊二烯为主体，含有6%～8%非胶物质，其中以蛋白质为主。浓缩天然胶乳中含有1.5%～3.5%的蛋白质，历经浸渍、沥滤、硫化、水洗等工序后有相当数量的可溶性蛋白质仍残留于制品［1］。天然胶乳中蛋白质多达240多种，已证明57种具有过敏性，引起过敏的主要原因是胶乳制品中残留的水溶性蛋白质，降低水溶性蛋白质的总残留量是减少引发过敏反应发生的主要措施［2-4］。

低（脱）蛋白天然橡胶的脱蛋白可采用的方法有化学法、低温结晶法、湿凝胶和干凝胶沥滤法［5-6］、高速多次离心法［7-9］以及近年出现的辐射法［10-12］，这些方法或因成本较高、无法工业化生产，或蛋白质去除效果不明显、或因对产品质量有不良影响等原因，工业生产难以应用。酶处理法是研究最多、工艺较为成熟的方法，也是目前商品化脱蛋白天然橡胶的主要生产方法［13-18］，即在凝固工序之前以蛋白酶对蛋白质进行酶消化水解，达到大幅降低蛋白质含量的目的。

天然橡胶过敏原主要来自水溶性蛋白，适当的结合蛋白存在，能够促进橡胶硫化、提高橡胶的定伸应力、延缓橡胶老化，但某些非胶物质如黄色体、氧化酶、金属离子等的存在易使橡胶及其制品吸潮发霉、颜色发黄变黑，含量过多时会影响产品的质量。Janina等［19］采用碳酸钙作为吸附剂降低胶乳中的过敏原，取得良好效果。在我们开展的研究中，基于吸附沉淀法选择吸附能力更强的氢氧化铝将水溶性蛋白质、黄色体等物质附着在其表面形成结合物，通过高速离心法沉淀分离，得到低过敏性、高透明性的纯化天然橡胶（PNR），以达到降低过敏性与纯化橡胶的双重目的（图1）［1］。氢氧化铝是一种酸碱两性氢氧物质，能强烈吸附蛋白质、蛋白酶等形成沉淀，在食品工业上广泛应用于蛋白质的提取与提纯。利用氢氧化铝正溶胶中心粒子（Al2O3·nH2O）的高度分散性及其进一步脱水可成为极其微小的活性氧化铝颗粒，具有较高的表面能和化学活性，易与蛋白质生成新的氧化铝合成物。

本研究以不同脱蛋白方式得到的脱蛋白天然橡胶为研究对象，研究两种不同蛋白去除方式对天然橡胶的外观特性、门尼粘度、硫化特性、力学性能等影响，为吸附沉淀法在脱蛋白天然橡胶的工业化生产应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

甲酸、浓硫酸、氢氧化钠，分析纯AR，广州化学试剂厂；碱性蛋白酶2709，酶活力20万u/g，徐州江大生物科技有限公司产品；氢氧化铝分散液，浓度20%，广州吉必盛科技实业有限公司产品；硬脂酸SA、氧化锌ZnO、硫磺S、促进剂M等其他原料均为市售工业级原料。新鲜胶乳、浓缩天然胶乳均为广垦橡胶茂名分公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 生胶制备 （1）天然橡胶（NR）的制备方法：取经过离心浓缩的浓缩天然胶乳，少量直接在平板玻璃上铺膜，其余采用1%甲酸使其凝固，然后压薄压绉、清洗、造粒，110℃烤箱中干燥至无白色夹生胶粒。

（2）纯化天然橡胶（PNR）：采用胶态氢氧化铝吸附蛋白质及其他非胶物质，沉淀后通过高速离心法除去。将干胶含量为60%的浓缩天然胶乳稀释至5%～10%后，以1% NaOH溶液作为胶乳稳定剂。将20%氢氧化铝分散液稀释后与稀释后胶乳混合，使氢氧化铝占天然胶乳的6%（干物质比），在室温下持续搅拌（转速为250～300 r/min）处理12 h后，通过高速离心机离心浓缩。少量直接在平板玻璃上铺膜，余下用1%甲酸促使浓缩胶乳凝固，然后压薄压绉、清洗、造粒，在110℃鼓风烘箱中干燥至无白色夹生胶粒。

（3）脱蛋白天然橡胶（DPNR）的制备方法：采用碱性蛋白酶处理新鲜胶乳脱蛋白的生物化学方法处理。新鲜天然胶乳用0.2%十二烷基硫酸钠作稳定剂，加入0.04%蛋白水解酶2709处理，混合物在37℃放置12 h。加入1%甲酸促使胶乳凝固，然后压薄压绉、清洗、造粒，在110℃鼓风烘箱中干燥至无白色夹生胶粒。

1.2.2 生胶指标测试 红外光谱测定：取3种胶乳做成透明薄膜放置于样品架上，在GX-1型红外光谱仪（美国Perkin Elmer） 上测试，波数范围4 000～600 cm-1（分辨率为 4 cm-1），扫描次数16次。

生胶氮含量：按照GB/T8088-2008标准，剪碎的胶样用四氢呋喃浸泡，在Kjeltec 8400 型自动凯氏定氮仪上进行测试；

生胶灰分含量测定：利用热重分析法，将样品剪碎，样品量10 mg左右，以氮气为载气（吹扫气），流量为50 mL/min，在STA449C（德国耐驰公司产品）上以20℃/min从室温升至550℃，将吹扫气转换为氧气，继续恒温5 min，然后以仪器自带软件计算残余物的质量分数，即为灰分含量。

生胶门尼粘度：参照标准GB/T1232.1-2000在UM-2050型门尼粘度仪（中国台湾优肯公司产品）测试试样的门尼粘度，温度为100℃。

生胶颜色指数测定：根据GB/T14796-2008，将生胶试样通过混炼机双辊压成厚度为1.6～1.8 mm的胶片，对折、裁片得到没有气泡、厚度为3.2～3.6 mm的圆形胶片，用模具压成1.6 mm的圆形胶片，通过罗维朋比色器根据橡胶颜色与标准玻璃色标盘进行目测匹配测定。

1.2.3 硫化胶制备 基本配方：NR100 g，氧化锌6 g，硬脂酸0.5 g，硫黄2.5 g，促进剂M 0.7 g。

在开放式炼胶机XK-160中，按常规混炼法将脱蛋白天然橡胶混炼，待混炼均匀后出片。采用硫化仪测得工艺正硫化时间t90，将混炼胶置于平板硫化机中，以143℃×t90的硫化条件制备硫化胶。

1.2.4 物理机械性能测试 试样邵尔A 硬度：参照标准GB/T531.1- 2008，由TH200橡胶硬度计（北京时代检测公司产品）测量，叠放厚度为6.0 mm左右的试样放在测试平台上，取5次平均值作为试样的硬度值。

硫化特性：参照GB/T16584-1996标准，在MDR-2000型无转子流变仪（美国ALPHA公司生产）测定试样的硫化特性，测试条件：143℃×30 min。

硫化胶试样的力学性能：按照GB/T 528-2009标准，在UT-2080万能电子拉力机（台湾育肯仪器有限公司产品）进行测量。用裁刀在硫化试片上冲切A型试样。采用50 N测力计，拉伸速度为500 mm/min。每次至少测试5个试样。测试100%定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率等拉伸性能。撕裂强度性能测试：按照GB/T 529-2008标准，用裁刀在硫化试片上冲切直角试样。老化性能测试：热空气老化是将拉伸试样在UA-401A型老化试验箱（台湾育肯仪器有限公司产品）进行，老化条件：100℃×24 h，分别测定其老化前后拉伸强度和拉断伸长率。

2 结果与分析

2.1 生胶的基本性质比较

由于C=C双键在脱蛋白处理前后的含量不变，C=C双键处的吸光度值乘以某一系数使三者在该处的吸光度相同，以便在相同条件下进行比较。图2为NR、PNR、DPNR3种样品的红外光谱。蛋白质的特征峰之一酰胺键（3282 cm-1，NOH stretching）处的吸光度值，三者大小顺序为NR〉PNR〉DPNR，证实了胶乳中部分蛋白质被消除。显而易见，采用吸附沉淀法脱蛋白而导致总蛋白质的含量降低幅度比酶法脱蛋白要小，可由总蛋白质含量测定的结果证实。这是两种处理方法的原理不同所致，吸附沉淀法作用对象是水溶性蛋白质，酶法作用对象是结合蛋白和水溶性蛋白，而水溶性蛋白含量所占比例较小。

图2 不同制备工艺的脱蛋白天然橡胶和天然橡胶的红外光谱

经氢氧化铝吸附沉淀法处理前后的天然橡胶胶膜以及自然放置6个月后的变化见图3。相比于天然橡胶膜（NR），纯化天然橡胶（PNR）的透明程度增加、颜色变淡。室温下自然放置6个月后，在NR表面覆盖了许多白色霉斑，这是水溶性蛋白质潮湿环境中易于变质从而在天然橡胶膜表面长出白色斑点，而PNR的表面则几乎没有斑点产生。这是一些非胶物质如水溶性蛋白、黄色体、氧化酶等分散于水中的小分子物质被氢氧化铝吸附形成氧化铝化合物，而后通过离心除去，得到洁净度高的胶乳所致。

图3 吸附沉淀法处理得到的脱蛋白天然橡胶胶膜及其贮存变化

不同脱蛋白方式的未硫化脱蛋白天然橡胶的氮含量、灰分含量、罗维朋颜色指数和门尼粘度等基本性质见表1。NR（即浓缩天然胶乳凝固、烘干得到）的氮含量为0.23%，通过氢氧化铝吸附沉淀纯化处理后氮含量降低到0.18%，而经碱性蛋白酶处理后的DPNR其氮含量由新鲜胶乳的0.40%以上降至0.13%。单从氮含量下降幅度看，吸附沉淀法蛋白质去除效果并不明显，远低于酶法脱蛋白，但酶法脱蛋白是蛋白酶对所有蛋白去除的结果，而吸附沉淀法主要针对水溶性蛋白的去除，从而最大程度保留结合蛋白，而水溶性蛋白在全部胶乳蛋白质的占比较低。氢氧化铝胶体的粒径范围通常在1～100 nm，而胶乳粒子的粒径在1 μm以上，二者质量与粒径相差较大，氢氧化铝与水中的金属离子、水溶性蛋白、黄色体、小分子等物质更容易吸附在一起形成结合体。灰分含量是橡胶中矿物或无机物的量，结果表明，DPNR生产过程中使用碱性蛋白酶并进行清洗降低了灰分含量，而PNR生产过程中由于纳米级的氢氧化铝的残留导致其灰分含量上升。

橡胶工业中门尼粘度是衡量橡胶加工性能的重要参数，直接反映生胶或混炼胶的流动性。门尼粘度越大，可塑度就越小，胶料流动性越小，加工越困难，不易混炼均匀及挤出加工。门尼粘度大则分子量高、分布宽。表1表明，酶法脱蛋白后的DPNR门尼粘度有一定程度的下降，这可能是由于碱性蛋白酶使得胶乳粒子结构的分解导致分子量降低所致；而PNR则由于氢氧化铝的吸附使得胶乳中的小分子物质被去除，胶乳的成分更加单一纯净，分子量增加［19］，门尼粘度值略有增加。

表1 不同制备工艺的脱蛋白天然橡胶试样的特性参数

表1列出了由罗维朋比色器测定的生胶试样的颜色，较低的颜色指数值代表橡胶的颜色越淡。NR为浅黄色，PNR的颜色指数在4.5，而DPNR则显示出轻微黄褐色，颜色指数值升高达到6.5。已有研究表明，天然橡胶中多酚类、类胡萝卜素、多酚氧化酶、脂类物质是导致变色的原因［20］。在PNR生产过程中，在NR中加入高吸附能力的氢氧化铝使NR中的黄色体、脂类物质、重金属离子被吸附，形成沉淀后通过离心出去，得到洁净度较高的PNR；同时金属离子含量的减少，避免了在烘干过程中天然橡胶老化加剧，得到颜色较浅的干胶。在DPNR生产中碱性蛋白酶促进胶乳蛋白质尤其是结合蛋白的水解，天然橡胶缺少了蛋白质的保护，其热氧稳定性下降，在烘干过程老化加速，故导致胶样颜色较PNR要深，因此一般需要添加焦亚硫酸钠来抑制酶和非酶变色反应。

2.2 硫化胶性能比较

两种脱蛋白工艺的天然橡胶硫化胶的硫化特性比较结果（表2）显示，其中硫化速率指数（Cure Rate Index，CRI）的数值越大，硫化速度越快，反之越慢。结果显示，随着蛋白质含量的降低，天然橡胶的焦烧时间（t10）、正硫化时间（t90）不断延长，样品的最大扭矩（MH）则随之减小，硫化速率指数减小。由于3种试样主要差异在于蛋白质含量不同，证实了胶乳蛋白质对硫化有促进作用［21-23］，蛋白质的存在利于硫化交联反应的进行，焦烧时间和正硫化时间较短，硫化速度加快，同时最大扭矩增加，预示其力学性能较优。

表2 不同制备工艺的脱蛋白天然橡胶的硫化特性参数

从表3可以看出，硫化试样的硬度、定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度以及老化性能与橡胶中蛋白质含量正相关。相对于吸附沉淀法，由酶解法得到的脱蛋白天然橡胶其各项性能下降幅度较大，尤其是老化后拉伸强度与拉断伸长率下降幅度最大。吸附沉淀法有效去除水溶性蛋白从而保留结合蛋白，同时氢氧化铝吸附金属离子形成沉淀而出去，金属离子对橡胶老化有加速作用；且有少量氢氧化铝残留于橡胶，氢氧化铝本身可作为阻燃剂，提高了PNR的抗老化性能。

表3 不同脱蛋白方式的脱蛋白天然橡胶硫化胶试样的物理性能

3 结语

酶解法水解脱蛋白工艺能有效降低蛋白质含量，但不加选择地去除了水溶性蛋白和结合蛋白。失去了蛋白质这一天然保护剂，天然橡胶的门尼粘度、硫化特性（焦烧时间、正硫化时间、最大扭矩、硫化速率指数）、力学性能均较大程度的下降；

吸附沉淀法脱蛋白工艺能有效去除水溶性蛋白质，减少橡胶处于潮湿环境中吸潮发霉的发生；同时能兼顾某些非胶物质如黄色体、金属离子等的去除，得到颜色较浅的橡胶。该法最大程度保留了对橡胶保护有益的结合蛋白，有利于促进硫化、提高橡胶力学性能、延缓橡胶老化。

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