超声辅助低浓度碱溶液溶解丝素的研究

2021-05-13

轻纺工业与技术 2021年4期

（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545006）

0 引言

蚕丝是一种天然纤维，具有良好的理化性能，主要由丝胶和丝素组成，其中丝素难溶于一般的化学试剂，可被强酸、强碱和高浓度的中性盐溶解。无机强酸或强碱可将丝素蛋白完全降解，但氨基酸破坏严重，水解程度不易控制；中性盐溶解丝素，需要在高浓度、高温等条件下进行，且有的中性盐毒性强，污染环境，后续除盐较难，成本高[1-2]。本研究探究低浓度碱溶液对丝素的溶解情况，并在超声辅助下，研究氢氧化钠浓度、溶解温度、溶解时间、浴比（丝素质量与溶液体积的比，质量单位为g，体积单位为mL）等因素对碱溶液溶解丝素的影响，用光学显微镜对丝素溶解过程进行观测，通过对溶解度的分析，优化出一种溶解丝素的最佳工艺。

1 实验部分

1.1 实验材料

桑蚕茧（广西鹿寨县贵盛茧丝工贸有限公司产），氢氧化钠、碳酸钠、盐酸（AR，天津市科密欧化学试剂有限公司产）。

1.2 实验仪器

YB71 型旦尼尔电子天平（常州市幸运电子设备有限公司产），Y（B）802N 型八篮恒温烘箱（温州大荣纺织仪器有限公司产），SHZ-D（Ⅲ）型循环水真空泵（邦西仪器科技有限公司产），LGJ-10D 型冷冻干燥机（上海诺顶仪器设备有限公司产），数显PHS-3C 型酸度计（上海仪电科学仪器股份有限公司产），OLYMPUS-BX43 型生物显微镜（北京瑞科中仪科技有限公司产），美国Nicolet5700 型红外光谱仪（美国热电尼高力仪器公司产）。

1.3 实验方法

碱溶液溶解蚕如图1 所示。

图1 碱溶液溶解蚕

1.3.1 蚕茧清洗去杂

将蚕茧表面肉眼可见的杂物清理掉，并取出蚕蛹，用去离子水清洗3～5 次，确保清洗干净，然后放进65℃烘箱中烘干至质量恒定，室温保存备用。

1.3.2 脱胶丝素制备

配制质量分数为0.5%的碳酸钠溶液，称取一定质量的生丝，在常温条件下放入碳酸钠溶液中，然后缓慢升温至100℃，并在100℃下脱胶30 min，浴比为1∶50；经上述工艺脱胶2 次后，用去离子水充分洗涤脱胶蚕丝，直至没有滑腻感，然后于65℃烘干至质量恒定，即制得脱胶丝素，避光保存[3]。

1.3.3 溶解过程

图1 所示为实验过程中，碱溶液溶解丝素过程及技术路线。溶液中氢氧化钠的质量分数分别设置为1%、2%、3%、4%和5%，加热温度分别设置为55℃、60℃、65℃、70℃和75℃，浴比分别设置为1∶100、1∶50、3∶100、1∶25 和1∶20，并进行单因素优选试验。

1.3.4 超声协同辅助溶解

在超声协同碱溶液溶解丝素时，超声功率为500W，频率为45KHz，恒温加热温度最高为80℃。

1.4 测试方法

1.4.1 溶解度测定

将溶解前的丝素质量记为M1，经纯化干燥后制得纯丝素蛋白纤维或粉体，质量记为M2，按下式进行溶解率计算[4]。

式中：M1为溶解前质量，单位g；M2为溶解后质量，单位g；η 为溶解率。

1.4.2 显微镜观测

用移液器取适量丝素蛋白混合液放在载玻片上，制备成临时装片，用光学显微镜对溶解后的丝素纤维进行观察，观察丝素纤维的溶解程度，测定溶解过程中丝素纤维的长度，并拍照记录。取适量干燥后的丝素蛋白，同样的方法，测定溶解纯化干燥后的丝素蛋白长度，并拍照记录。

1.4.3 傅立叶红外光谱（FTIR）测试分析

分别取适量脱胶后的丝素和实验制得的丝素蛋白制成粉末，将样品与溴化钾粉末混合后分别制成溴化钾压片，采用红外光谱仪进行测试。

2 结果与分析

2.1 氢氧化钠质量分数对溶解的影响

在超声协同辅助下，加热温度为60℃，浴比为1∶50，溶解时间为2h 的条件下，研究氢氧化钠质量分数对丝素溶解的影响。由图2 可知，随着氢氧化钠的质量分数的增加，丝素的溶解率也增加。如图3 所示，质量分数为1%的氢氧化钠溶液在2h 内无法将丝素完全溶解为短纤维；而当氢氧化钠质量分数大于2%时，丝素均被完全溶解为短纤维或微纤维。对比图4 中各图片可发现，质量分数为3%的氢氧化钠溶液中的丝素纤维尺寸最均匀，且尺寸最短；而质量分数为5%的氢氧化钠溶液中的丝素纤维尺寸最长，其对应的溶解率最高。根据溶液颜色、成本等因素综合考虑，后续实验选择质量分数为3%的氢氧化钠溶液进行。

图2 蚕丝溶解率随氢氧化钠质量分数变化曲线图

图3 丝素溶解实拍图

图4 显微镜观测实拍图

2.2 加热温度对溶解的影响

在超声协同辅助下，氢氧化钠质量分数为3%，浴比为1∶50，溶解时间为2h 的条件下，探究加热温度对丝素溶解的影响。由图5 可知，随着加热温度的增加，丝素的溶解率也随之增加，这说明提高溶解温度可加速氢氧化钠溶液对丝素的溶解，温度的增加为氢键的断裂提供更多的键能，且从图中可以看出，在溶解温度从55℃升至65℃时，丝素的溶解率的增加幅度显著大于温度从65℃升至75℃时溶解率的增加幅度。综合考虑，后续实验选择的溶解温度为65℃。

图5 蚕丝溶解率随溶解温度变化曲线图

2.3 浴比对溶解的影响

在超声协同辅助下，氢氧化钠质量分数为3%，溶解温度为65℃，溶解时间为2h 的条件下，探究加热温度对丝素溶解的影响。由图6 可知，随着浴比度的增大，丝素的溶解率随之减小，这说明浴比的大小可直接影响到氢氧化钠溶液对丝素的溶解率，浴比越小碱溶液对丝素溶解就越充分，需根据溶解丝素的目的来选择浴比。在后续实验选择的浴比为1∶50。

图6 蚕丝溶解率随浴比变化曲线图

2.4 时间对溶解的影响

在超声协同辅助下，氢氧化钠质量分数为3%，溶解温度为65℃，浴比为1:50 的条件下，探究溶解时间对丝素溶解的影响。由图7 可知，随着溶解时间的增长，丝素的溶解率随之增加，但在9h 内，丝素并不能被完全溶解，用显微镜观察时可看到有丝素短纤维存在。丝素在被溶解5h 后，溶解率增加较平缓，因此若以此溶解条件对丝素蛋白溶液进行工业生产，溶解时间应在4～5h 之间。

图7 蚕丝溶解率随溶解时间变化曲线图

2.5 红外光谱分析

图8 为在超声协同辅助下，氢氧化钠质量分数为3%，溶解温度为65℃，浴比为1∶50 的条件下，分别溶解2h 和9h 制得的丝素和溶解前的丝素的红外光谱图。从图中可以看到在540～550cm-1（归属于C-O 面外弯曲振动，酰胺Ⅵ）、610～635cm-1（归属于C=O 弯曲振动）、691～695cm-1（归属于酰胺Ⅴ）、1005～1030cm-1（归属于甘-甘残基特征吸收峰）、1160～1168cm-1（归属于C-O 反对称伸缩振动）、1229～1236cm-1（归属于肽键中C-N 伸缩振动，酰胺Ⅲβ 折叠结构）、1330～1480cm-1（归属于C-H 键的面内弯曲振动）、1514～1527cm-1（归属于酰胺Ⅱ，β 折叠结构）、1630～1660cm-1（归属于酰胺Ⅰ，β 折叠结构）、2920～2934cm-1（归属于亚甲基的伸缩振动）、2800～3000cm-1（归属于O-H 伸缩振动带）、3066～3086cm-1（归属于蛋白质分子中酰胺键的特征吸收峰）、3282～3298cm-1（归属于蛋白质分子的N-H伸缩振动）之间有吸收峰[5-7]。被溶解的丝素纤维蛋白红外光谱图与溶解前的丝素纤维蛋白红外光谱图基本保持不变，即基本结构没被破坏。