羊绒纤维的还原法降解回收*

2021-04-02麻文效朱芳斌米慧琼

广州化工 2021年6期

田英，麻文效，朱芳斌，刘璐，米慧琼

(内蒙古工业大学轻工与纺织学院，内蒙古呼和浩特 010080)

羊绒是一种珍贵的动物纤维，但其纺织品废旧后利用率很低，大多作为垃圾处理，属于生态资源的极大浪费。调查发现，动物纤维含有大量角蛋白[1-3]，而角蛋白在纺织、生物医药、化妆品、饲料及高分子材料等领域有良好的应用前景[4]，所以开发利用羊绒角蛋白质资源值得研究。

毛羽纤维的化学降解是提取角蛋白的常见手段，包含有酸法[5]，碱法[6]，氧化法[7]，还原法[8]，酶法[9]等。酸碱法、氧化法得到角蛋白的相对分子量小，不利于应用；酶法尚不成熟；还原法提取角蛋白的相对分子质量较大，可用于纺丝加工。

二氧化硫脲(TDO)具有强的还原能力，在羊绒剥鳞片处理中有突出效果[10]，本研究将采用其作为降解体系的还原剂。配合降解的有效性，十二烷基硫酸钠(SDS)作为巯基阻聚剂和尿素作为角蛋白伸展剂也将被加入该体系。最终探索TDO/尿素/SDS混合液对羊绒角蛋白提取的适宜工艺，具体流程如图1所示。

图1 羊绒角蛋白提取工艺流程图Fig.1 Process flow chart of cashmere keratin extraction

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

材料：羊绒(直径16-30 μm，长度>38 mm)，内蒙古北平纺织有限公司；透析袋(MWCO：8000～14000 Da)，上海源叶技术有限公司。

试剂：TDO(AR)，上海贤鼎生物科技有限公司；尿素(AR)，天津市科密欧化学试剂有限公司；SDS(AR)，上海博彩生物科技有限公司；盐酸、氢氧化钠、去离子水。

仪器：KQ-300B型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州科泰实验设备有限公司；TG16G台式高速离心机,金坛市高科仪器厂；微型凝胶电泳装置,Bio-Rad公司Mini Protean Ⅱ型电泳仪。

1.2 实验方法

1.2.1 羊绒纤维的预处理

称取未经处理过的羊绒，经无水乙醇溶液中超声洗涤10 min，然后用清水洗净，去除残留的乙醇，洗涤完成后将羊绒放入70 ℃烘箱中烘干。

1.2.2 羊绒纤维的降解

将烘干后的羊绒，放入到含有适量TDO、尿素、SDS的混合溶液中，浴比1:50，一定温度下降解4 h。

1.2.3 提取角蛋白

将角蛋白溶液倒入透析袋，在去离子水中透析两天，每8 h换一次，透析48 h。透析结束后，倒出透析袋内溶液于烧杯中，过滤去除透析袋内固液混合物，滴加盐酸至等电点4.5～5，离心处理，得到乳白色沉淀物，50 ℃烘干后研磨，得到白色粉末状物质。

1.3 检测方法

1.3.1 羊绒溶解率(CDR) 测定

将质量为M0的羊绒溶解，溶解4 h后，溶液过滤，充分洗涤不溶物，以洗去未反应的药剂，注意洗涤过程中应避免不溶物的流失。将不溶物放入烘箱中烘至恒重M1，滤纸质量为M2，计算公式见式1。

(1)

1.3.2 角蛋白提取率(KER)测定

角蛋白溶液经透析后，调节pH 值至等电点4.5～5，离心烘干，研磨后得到角蛋白粉末，质量为M3，计算公式见式2。

(2)

1.3.3 分子量测定

采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法(SDS-PAGE)测定角蛋白粉末的分子量。浓缩胶电压为90 V，分离胶电压为130 V，蛋白Marker(10～170 kDa)，用考马斯亮蓝G250染色，观察电泳后凝胶上的蛋白质条带。

2 结果与讨论

2.1 提取角蛋白初步工艺优化

探讨反应温度、TDO浓度、尿素浓度、SDS浓度、pH的单因素实验，以溶解率、提取率为评价指标对还原法提取角蛋白工艺进行研究。

2.1.1 反应温度优化

溶解过程中保持反应时间4 h、浴比1:50、50 g/L尿素、50 g/L SDS、pH=8，探讨反应温度对羊绒溶解率、提取率的影响，实验结果如图2所示。

图2 反应温度对溶解率、提取率的影响Fig.2 Effect of reaction temperature on dissolution rate andextraction rate

由图2可以看出，溶解率随温度的升高而增大，提取率随温度的升高，先升高后降低。当反应温度超过90 ℃后，角蛋白提取率下降，原因是角蛋白分子链断裂，形成小分子的多肽和氨基酸[11]，因此提取角蛋白最适宜温度为90 ℃。

2.1.2 TDO浓度优化

溶解过程中保持反应温度90 ℃、反应时间4 h、浴比1:50、50 g/L尿素、50 g/L SDS、pH=8，探讨TDO浓度对羊绒溶解率、提取率的影响，实验结果如图3所示。

图3 TDO浓度对溶解率、提取率的影响Fig.3 Effect of concentration of TDO on dissolution rateand extraction rate

由图3可以看出，随着TDO浓度的增加，羊绒的溶解率、提取率均先增加后减小。还原剂TDO释放的还原氢使二硫键还原形成巯基，从而羊绒溶解。但当其浓度增加大于55 g/L，溶液中巯基与二硫键互换，氧化形成分子内或分子间二硫键，达动态平衡。当TDO浓度为55 g/L时，溶解率、提取率均达到最值，分别为78 g/L、58 g/L，因此提取角蛋白最佳TDO浓度为55 g/L。

2.1.3 尿素浓度优化

溶解过程中保持反应温度90 ℃、反应时间4 h、浴比1:50、55 g/L TDO、50 g/L SDS、pH=8，探讨尿素浓度对羊绒溶解率、提取率的影响，实验结果如图4所示。

图4 尿素浓度对溶解率、提取率的影响Fig.4 Effect of urea concentration on dissolution rate andextraction rate

由图4可以看出，尿素浓度对羊绒溶解率、提取率影响较大。尿素作为角蛋白伸展剂，浓度较高时，主要破坏疏水基团的疏水作用，去多肽链折叠使其伸展。随着尿素浓度的增加羊绒溶解率不断增加，由50 g/L时的45%增加到250 g/L时的85%，是因为尿素破坏分子间氢键和盐式键，使得羊绒溶胀，TDO更易进入纤维内部，破坏二硫键。另尿素在碱性条件加热分解产生的氨气溶于水，能使碱性增强，溶解率增加，但浓度高于100 g/L后，提取率下降，是由于分子链发生断裂导致。综合考虑溶解率和提取率两个因素，因此提取角蛋白最佳尿素浓度为150 g/L。

2.1.4 SDS浓度优化

溶解过程中保持反应温度90 ℃、反应时间4 h、浴比1:50、55 g/L TDO、150 g/L尿素、pH=8，探讨SDS浓度对羊绒溶解率、提取率的影响，实验结果如图5所示。

图5 SDS浓度对溶解率、提取率的影响Fig.5 Effect of SDS concentration on dissolution rate andextraction rate

由图5可以看出，SDS浓度对羊绒溶解率、提取率影响较小。SDS作为巯基阻聚剂，使角蛋白分子聚集成胶束以保护巯基，防止巯基被空气氧化重新生成二硫键，溶解率升高。因SDS与角蛋白形成胶束，可提高蛋白质分子量，提取率增大。当SDS浓度高于120 g/L时，溶解率、提取率分别稳定在65 g/L、45 g/L附近，因为此时已经达到SDS的临界胶束浓度(CMC)[12]，溶解率不再增加。若SDS浓度过大，反应中易产生大量泡沫，不利于反应进行。当SDS浓度为120 g/L时，溶解率与提取率均达到最大。因此，提取角蛋白最佳SDS浓度为120 g/L。

2.1.5 pH优化

溶解过程中保持反应温度90 ℃、反应时间4 h、浴比 1:50、55 g/L TDO、150 g/L尿素、120 g/L SDS，探讨pH对羊绒溶解率、提取率的影响，实验结果如图6所示。

图6 pH对溶解率、提取率的影响Fig.6 Effect of pH on dissolution rate and extraction rate

由图6可以看出，溶解率随pH的增大而增大，说明碱性增强，可使羊绒充分溶解。当pH大于10时，提取率下降，是因为pH过高会促进肽链的破坏，断裂生成多肽等小分子化合物。当pH为10时，提取率达到最高为64 g/L。因此，提取角蛋白最佳pH为10。

2.2 正交优化

由单因素实验可知，提取角蛋白工艺中，最适合的反应温度为90 ℃、反应时间4 h、55 g/L TDO、150 g/L尿素、120 g/L SDS、pH=10、浴比1:50。为进一步找出主次因素及最佳提取工艺，设计了四因素三水平正交实验，按照正交表进行提取角蛋白实验，每个因素在最佳值附近取三个水平，实验设计如表1所示。

表1 提取角蛋白因素水平设计Table 1 Factor level design of keratin extraction

采用直观分析法分析正交实验，极差R越大表明该因素的影响程度越大。正交实验数据分析可以得到TDO浓度、尿素浓度、SDS浓度、pH，对应溶解率的极差分别是6.73、7.20、6.06、13.33，对应提取率的极差分别是10.47、7.80、1.07、36.33(见表2)，所以影响羊绒溶解率各因素的主次顺序：pH>尿素浓度>TDO浓度>SDS浓度；影响角蛋白提取率各因素的主次顺序：pH>TDO浓度>尿素浓度>SDS浓度。可知，pH对羊绒溶解率、角蛋白提取率影响均较大。综合考虑溶解率、提取率，则提取角蛋白的最优工艺：反应温度90 ℃、反应时间4 h、62 g/L TDO、175 g/L尿素、140 g/L SDS、浴比1:50、pH=9、溶解率达92%，提取率达78%。