水热辅助酸法的革屑脱铬研究

王邵腾，陈慧，单志华

（四川大学制革清洁技术国家工程室，四川 成都 610065）

1 引言

含铬革屑的组成及废弃问题已众所周知[1-2]。采用酸法、碱法、酶法、络合法和氧化法从铬革屑中回收蛋白资源都有报道[3]。酸法存在设备腐蚀严重的缺陷；碱法存在处理周期较长，处理剂用量较大导致产物中灰分含量较高的缺陷；酶法受铬盐影响活性，存在处理成本高且以水解蛋白为主，对胶原蛋白的结构破坏严重，只能得到相对分子质量较小的氨基酸、多肽明胶产物，限制了其应用范围。氧化法存在将Cr(Ⅲ)氧化为Cr(Ⅵ)的风险，存在着巨大的安全隐患，后续处理成本增加。然而，络合法作用温和，在脱铬的同时可以有效地维持胶原蛋白原有结构[4]，然后通过适当的处理方法处理脱铬革屑可以得到相对分子质量较大的胶原蛋白水解物。有研究表明若提取过程中肽键受损较小，则最终产物相对分子质量较高。

因此，革屑水解物的相对分子质量及分布与提取方法密切相关[5]。水热法是指在加热的条件下，使胶原蛋白在热能作用下使三股螺旋结构解旋，肽键断裂，最后胶原纤维转化为明胶的方法[6]。该方法是在中性条件下进行的，相对耗时，目前文献报道并不多。但有相关研究表明在高温加压下可以加速胶原蛋白的水解，提高原料的产胶率[7]。

本文采用有机酸盐脱铬法探究了固液比和脱铬时间对脱铬率及革屑残留率的影响，随后采用水热法制得革屑水解物。并用凝胶渗透色谱仪（GPC）、扫描电镜及能谱分析仪（SEM-EDS）和差示扫描量热仪（DSC）等测试手段表征了胶原蛋白水解物的黏度、相对分子质量、元素组成和热稳定性等物理化学性质，为铬革屑资源化回收革屑水解物提供新思路。

2 实验部分

2.1 实验材料与仪器

实验材料：铬革屑，由江苏粤海皮革集团公司提供，其物化特征分析结果如表1 所示；各种化学试剂为分析纯，来自成都科龙化工有限公司。

表1 铬革屑的物化特征Tab.1 Physicochemical characteristics of chromium leather scraps

实验仪器：NDJ-8SN 型旋转式数字黏度计，上海精密科学仪器有限公司；UV-3100PC 型紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；DSC209F3差示扫描量热仪，德国Netzsch；Nova SEM450 扫描电子显微镜，美国FEI 公司；JSM7500F 型冷场发射高分辨扫描电镜及能谱分析仪，日立电子（JEOL）；OMNISEC 型凝胶渗透色谱仪，英国Malvern PANalytical 公司；SpectrAA 220FS 原子吸收光谱仪，美国VARIAN 公司。

2.2 铬革屑脱铬及水热处理

实验中的脱铬方法在Wang 等人[8]的基础上做了相应改变。取干基铬革屑于500 mL 烧杯中，加入质量分数为2%草酸钠溶液，pH 为5.2，时间为12 h，温度为65 ℃，对脱铬所用的固液比进行探索。然后将脱铬革屑置于水热合成反应釜中，加入一定量的蒸馏水，使得w(干基脱铬革屑)为5%或10%，于110 ℃油浴锅中反应不同时间后离心处理便得到革屑水解物样品。制备流程示意图如图1 所示。

图1 胶原蛋白水解液的制备流程

2.3 脱铬率和革屑残留率的测定

取一定质量的绝干铬革屑或脱铬革屑于瓷坩埚中，并放到电炉上进行高温灰化，冷却后用氯酸钾粉末将其完全覆盖，随后置于600 ℃的马弗炉中加热，取出待冷却后洗涤过滤至容量瓶中定容，随后用紫外分光光度计测定铬含量，脱铬率按公式（1）计算。将铬革屑和脱铬革屑放在烘箱中于102℃下烘干至恒重并记录，然后按公式（2）计算革屑残留率。

式中Y 为脱铬率，%；W0和W1分别为铬革屑和脱铬革屑中的铬含量，mg/kg；w 为革屑残留率，%；m0和m1分别为铬革屑和脱铬革屑烘干后的质量，g。

2.4 脱铬革屑的SEM 分析

用铬革屑和脱铬革屑的微观表面形貌及结构形态。将样品固定在样品板上并喷金处理，在加速电压为5.0 kV 条件下拍摄不同放大倍数的照片。

2.5 脱铬革屑的TG-DTG 分析

用热重分析仪对铬革屑和脱铬革屑的热稳定性进行了分析。用天平准确称取5～10 mg 的烘干样品于坩埚中，随后在N2气氛下，加热速率为10 ℃/min，从50 ℃升温至800 ℃，测定样品的质量损失。

2.6 胶原纤维的水解率测定

将脱铬革屑放于鼓风烘箱中烘干至恒量并记录质量，随后置于水热反应釜中水解一定时间，取出后在10 kg 力下离心15 min，将得到的残渣放在鼓风烘箱中烘干至恒重并记录质量，按公式（3）计算胶原纤维水解率。式中W 为胶原纤维的水解率，%；M0和M1分别为脱铬革屑的质量和残渣的质量，g。

2.7 革屑水解物的黏度测定

将胶原水解液样品分别置于烧杯中，并稀释至质量分数5%，且将溶液温度维持在25 ℃，随后用黏度计的2 号转子于60 r/min 下测定不同样品的黏度。

2.8 革屑水解物的各项理化性质测定

2.8.1 革屑水解物的相对分子质量

用GPC 法测定胶原蛋白水解物的相对分子质量及其分布，TSK-gel GMPWXL 凝胶柱，窄相对分子质量范围的聚乙烯醇（PEO）校准并经系统软件分析后得到各个样品的相对分子质量分布和大小。

2.8.2 革屑水解物中的铬含量

按国家标准GB/713088-2006 规定的方法对革屑水解物中的铬含量进行测定。

2.8.3 革屑水解物中的灰分、电导率、氮含量和pH 值

称取一定质量的干基革屑水解物样品于坩埚中，并于600 ℃条件下在马弗炉中煅烧6.5 h，得灰分含量；制备质量分数为5%的胶原水解液，然后将电导率计电极浸入该溶液并用DDS-307 电导率仪测定其电导率；按国家标准GB/T 5009.5-2003 规定的方法，用凯氏定氮法测定氮含量；将pH 计的电极浸入质量分数为5%的胶原水解液中，并于25 ℃条件下测得溶液pH。

2.8.4 革屑水解物的SEM-EDS 分析

用扫描电镜及能谱分析仪对革屑水解物中的元素种类及含量进行了分析。将样品粉碎后固定在样品板上并喷金处理，放大一定倍数拍照，然后用能谱分析仪分析元素种类及含量。

2.8.5 革屑水解物的DSC 分析

用差示扫描量热仪评价了自制革屑水解物样品与商品明胶的热稳定性，测定了软化温度。在N2环境下，控制气体流速为60 L/min，升温速率为10℃/min，在20～200 ℃范围内对样品的热稳定性进行测定。

3 结果与讨论

3.1 脱铬时间和固液比对脱铬率和革屑残留率的影响

图2（A）为铬革屑经过草酸钠溶液静置浸泡，其脱铬率和革屑残留率随时间的变化趋势。图2（B）为固液比对脱铬率和革屑残留率的影响。可以看出随着草酸钠溶液用量的增加，其脱铬率也相应提高，由固液比为1∶30 时的89.93%增加至固液比为1∶40 的93.88%，固液比为1∶50 时铬的浸出率为94.02%，相对于1∶40 来说铬的浸出率只有略微增加；同时可以看出当草酸钠溶液用量增加时，革屑的残余率会相应减少。实验选取脱铬时间为12 h，固液比为1∶40 对铬革屑进行脱铬处理，并将得到的脱铬革屑用于后续的水热处理。

图2 脱铬结果与脱铬时间(A)及液比(B)关系

3.2 铬浸出前后SEM 分析

从图3（A）中可以看出铬革屑中的胶原纤维显示出分散均匀，可以观察到表面微纤维结构[9]。随着Cr(Ⅲ)的浸出逐渐增加，从而使得胶原纤维结构形态逐渐致密化。从图3（B）可以看出脱铬5 h 后部分区域还有微纤维结构的存在，但脱铬时间延长至12 h 时，从图3（D）中可以看到其表面发生胶化并粘结成光滑平面，已经不能观察到微纤维结构，这是由于铬浸出后破坏了铬革屑的纤维结构[10]。SEM 分析结果表明Cr(Ⅲ)浸出后得到的脱铬革屑和铬革屑的形态结构存在较大差异[11]。

图3 脱铬革屑的SEM 图（A）铬革屑，（B）5 h，（C）9 h，（D）12 h

3.3 铬浸出前后的TG-DTG 分析

铬革屑和脱铬革屑的热稳定性测试结果如图4所示，从TG 曲线中可以看出该生物质材料的热分解主要包括三个阶段。第一个热重变化阶段为150℃之前出现的较小质量损失，这是由胶原纤维表面吸附的水分挥发引起的。第二个热重变化阶段发生在150～550 ℃之间，该过程主要是由胶原分子链的氧化降解及进一步热分解所引起的[12]。并在650 ℃之后质量损失逐渐减缓直至碳、Cr2O3和其他的氧化物等残留。从图4（A）中可以看出铬革屑的初始分解温度为303.76 ℃，而从图4（B）可以看出脱铬革屑的初始分解温度降为了285.98 ℃，热稳定性降低了6.2%左右，同时从两者的DTG 曲线中可以看出，铬革屑的最大失重速率温度为349.08 ℃，而脱铬革屑的最大失重速率温度为333.17 ℃。这是因为铬革屑Cr(Ⅲ)被脱除后，其热稳定性相应降低[13]。

图4 脱铬革屑的TG-DTG 图（A）铬革屑，（B）脱铬12 h

3.4 脱铬革屑的水解及革屑水解物的黏度分析

不同w(干基脱铬革屑)条件下水热处理不同时间得到的脱铬革屑溶解率和革屑水解物的黏度测定结果如图5 所示。从图5（A）可以看到当脱铬革屑固含量为5%，水热作用4 h，5 h 和6 h 所产生的溶解率分别为58.85%，78.82%和85.87%，相比于图5（B）中脱铬革屑固含量为10%，水热作用4 h，5 h和6 h 所产生的溶解率分别为52.81%，70.02%和80.75%，其溶解率有一定的提升。这是因为增加蒸馏水的加入量增加有利于纤维水解[14]。另外两种脱铬革屑固含量下得到的胶原水解液的黏度都呈现先增加后减小的趋势，即在高温下水解时间越长，水解率增加的同时黏度降低，与Trindade 等人的研究结果一致[15]。但在水热作用时间相同的前提下，脱铬革屑固含量较低时得到的胶原水解液相对分子质量较低，黏度也较低。

图5 5%(A)与10%(B)脱铬革屑水热作用后溶解率及溶液黏度

3.5 革屑水解物的GPC 分析

在w（干基脱铬革屑）=10%的条件下水热作用不同时间得到几种胶原水解液，随后用GPC 法测试了几种样品的相对分子质量，并与商品明胶进行对比，其相对分子质量的分布如图6 所示。商品明胶是由碱法制得，相对分子质量主要分布在1.5×104～6.0×104之间，占比可达49.54%，相对分子质量＜1.5×104的部分占比为12.19%，有相关文献[16]提到胶原蛋白中α 链的相对分子质量约为1.0×105，因此以上两部分低相对分子质量组分主要由胶原蛋白大分子水解形成的小分子多肽链组成；而相对分子质量居于6.0×104～1.5×105之间的是由部分未断裂的α 链和大分子多肽链组成；同时可以看到相对分子质量＞1.5×105的组分只占到了8.78%，说明大部分的β 链和γ 链都发生了水解断裂。

图6 10%脱铬革屑的水热时间与革屑水解物的相对分子质量

表2 归纳了不同水热时间得到的革屑水解物的重均相对分子质量（Mw）、数均相对分子质量（Mn）和多分散系数（Mw/Mn），从中可以看出实验中通过水热法得到的革屑水解物的Mw和Mw/Mn均明显大于商品明胶，这是因为高温条件下釜内体积增大造成压力增强，降解与聚合同时存在，使得Mw/Mn与Mw也随之增大[7]。同时可以看出通过GPC 方法确定的Mw和黏度不存在正相关关系，表明不能仅通过Mw的大小衡量其黏度大小，其黏度大小与多种因素相关[17]。

表2 不同水热时间得到的革屑水解物的相对分子质量Tab.2 Molecular weights of collagen hydrolysates with different hydrothermal times

3.6 革屑水解物中铬含量分析

用原子吸收光谱仪（AAS）测定了经不同水热时间得到的革屑水解物样品中的总铬含量，其结果如图7 所示。从图中可以看出随着时间的延长，革屑水解物中的总铬含量整体呈现逐渐增大的趋势。从4 h 至8h，革屑水解物中的总铬含量从554.99 mg/kg至1033.38 mg/kg，几乎增加1 倍，而图5 也表明溶解率也接近1 倍。表示铬盐不影响胶原的溶出及降解。出于考虑对铬革屑的有效利用及经济投入，并结合以上水解率、黏度、相对分子质量等测试分析，后续实验选择在w（干基脱铬革屑）=10%条件下，于110 ℃条件下水热作用7 h 制备革屑水解物。

图7 10%革屑的水热时间与水解液的总铬含量

3.7 革屑水解物的元素扫描分析

对水热7 h 得到的革屑水解物进行了元素扫描分析，其SEM-EDS 光谱图如图8（A）所示，从元素含量占比中可以看出C、N 和O 元素的质量百分数分别为54.66%、19.14%和25.92%，总占比高达99%以上，而Cr、Na 和Cl 元素质量百分数分别为0.15%、0.09%和0.05%，可知革屑水解物的主要组分为蛋白质。表3 为水热7 h 得到的革屑水解物的各项理化指标。从中可以看出其重均相对分子质量Mw为285 972，远大于用碱法制备的商品明胶，因为中性条件相对缓和，减小了酸碱对胶原蛋白的水解程度，所以可制得较高相对分子质量的革屑水解物。再者可以发现该革屑水解物中的灰分含量远低于碱法制备的革屑水解物[18]，且从图8（A）中可以看到金属元素只有少量的Cr 和Na，所以灰分中的主要成分为Cr 和Na 的氧化物和碳化物。铬含量为944.22 mg/kg，可见若想得到高附加值的产品，则需要通过后续处理来降低铬含量。质量分数为5%的胶原水解液的电导率（EC）为361 μS/cm，主要是由溶液中存在的金属离子及其化合物所带电荷和革屑水解物的羧基、氨基等活性基团所带电荷引起的。

表3 5%革屑水解物的理化指标Tab.3 Physicochemical index of 5% leather scraps hydrolysate

3.8 革屑水解物的热性能分析

商品明胶和水热7 h 得到的革屑水解物的DSC曲线如图8（B）所示。宽峰和吸热峰的存在表明两者的热转变行为都是非瞬时的吸热过程，同时可以观察到商品明胶和实验中通过水热法制备的革屑水解物的吸热峰值分别为73.7 ℃和85.8 ℃。这是因为自制的胶原蛋白水解液中有Cr(Ⅲ)的存在，Cr(Ⅲ)与胶原蛋白水解物中的羧基结合使得其软化温度较大，热稳定性较好[19]。

图8 革屑水解物的SEM-EDS(A)及DSC(B)

4 结论

本文采用草酸钠脱铬和水热法联用的方式从铬革屑中提取革屑水解物，结果表明在草酸钠溶液质量分数为2%，pH 为5.2，固液比为1∶40，温度为65 ℃，时间为12 h 的条件下，铬的浸出率为93.88%，且铬革屑的残余率可达87.8%；TG-DTG 和SEM 分析结果表明Cr(Ⅲ)的浸出会使铬革屑的热稳定性降低，表面形貌更加致密；在w（干基脱铬革屑）=10%条件下，于110 ℃下水热作用7 h 后脱铬革屑的溶解率可达88.66%，此时得到的革屑水解物黏度为9.47 mPa·s，重均相对分子质量Mw为285 972，灰分含量为0.53%，铬含量为944.22 mg/kg。可见以水热法可制得黏度较高、相对分子质量较大且灰分含量较低的革屑水解物；但铬含量相对较高，还需通过进一步纯化处理才能用于生产高附加值产品。