羽绒在乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂中的溶解行为及其机制

卜 凡, 应丽丽, 李长龙, 王宗乾

(安徽工程大学 纺织服装学院, 安徽 芜湖 241000)

羽绒系天然异形纤维,由绒核和绒丝组成,具有立体球状结构,可储存大量静止空气,是性能优异的保暖纤维[1]。我国羽绒资源丰富,原料绒的产能位居世界首位[2],与此同时,在羽绒水洗、制品加工流通以及回收利用等环节产生数量巨大的废弃羽绒。自然状态下羽绒难以在短时间内生物降解[3],大量废弃羽绒将造成环境污染。基于化学、物理等方法提取羽绒角蛋白,进而加工制备蛋白基材料,用于替代传统石油基材料,可实现变废为宝,符合“双碳”目标要求。

羽绒中有大量二硫键和致密角质层结构,较难溶解。目前可用于羽绒角蛋白提取的方法主要包括碱溶水解法、氧化水解法、还原水解法[4],以及不同方法的联合使用,但尚存在溶解体系稳定性差[5]或羽绒的一次性溶解率不高等问题,同时提取的羽绒角蛋白的分子质量分布区间大、均匀性及稳定性差[6],角蛋白聚集态结构受到损伤,制备的再生角蛋白材料的力学性能较差,且不稳定。课题组曾采用离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐[AMim]Cl-溶解工艺成功制取了高性能羽毛角蛋白[7],但离子液体的使用成本高、制备难、易吸水、工艺调控难度大,尚无法规模化应用。

低共熔溶剂是一种新型绿色溶剂,具有熔点低、可生物降解、易合成、结构可设计性强、溶解性好等[8]独特的物理化学性质,可用于高分子材料的溶解和表面改性,还具有低碳、高效等工艺优势。盐酸胍/尿素[9]低共熔溶剂在90 ℃下剥离蚕丝,可高效提取具有微纳米尺度的丝素蛋白原纤;采用低共熔溶剂对聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料预处理[10],可明显加速其醇解反应进程,提高溶解回收效率;Okoro等[11]采用乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂溶解废弃羊毛,在105 ℃下羊毛的一次性溶解率达到93.77%,但其尚未对羊毛的溶解历程及溶解机制进行详细阐述。

综上,本文将乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂用于羽绒的溶解,采用超景深显微系统、紫外-可见分光光度计监测了羽绒在该溶剂中的溶解行为,借助高效液相色谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪表征了羽绒角蛋白的分子质量分布、化学及聚集态结构,并分析了羽绒的溶解机制,以期为低共熔溶剂对羽绒的溶解,以及提取羽绒角蛋白的再生利用提供实验和理论参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料:选用含绒量为95%的水洗白鸭绒,由安徽古麒绒材股份有限公司提供;L-乳酸、L-半胱氨酸,均为分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;MD34透析袋(截留分子质量为3 500 u),北京瑞达恒辉科技有限公司;实验用水均为去离子水。

仪器:VHX-970F型超景深显微系统(日本基恩士公司);Lambda 950型紫外-可见分光光度计(美国PerkinElmer公司);Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo Nicolet公司);Prominence GPC型高效液相色谱(HPLC)系统(美国Agilent Technologies公司);D8系列X射线衍射仪(德国布鲁克公司);SS-1022型多功能粉碎机(永康市铂欧五金制品有限公司)。

1.2 低共熔溶剂制备

前期实验研究发现,当低共熔溶剂中L-乳酸、L-半胱氨酸的质量分别为24.0、1.6 g时,对羽绒的溶解性能较好[1]。为此,精确称量24.0 g L-乳酸和1.6 g L-半胱氨酸,依次加入锥形瓶中密闭,在 90 ℃ 下磁力搅拌溶解2 h,制得澄清透明的黏稠状溶液。

1.3 低共熔溶剂溶解羽绒及角蛋白提取

溶解前将羽绒水洗去除表面浮尘,然后烘干至质量恒定。精确称量水洗烘干羽绒0.2 g,采用多功能粉碎机研磨成5 ～ 15 mm的短纤维;然后放入乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂中,在105 ℃下磁力搅拌溶解,取样溶解不同时间的体系用于测试分析。待羽绒充分溶解后,将溶解液倒入透析袋在室温下进行透析处理,间隔5 h更换去离子水,共透析72 h,检测透析水的电导率小于1.2 μS/cm后,将透析后的角蛋白冷冻干燥制得羽绒角蛋白。

1.4 测试与表征

1.4.1 溶解羽绒的宏观及微观形貌观察

采用光学图像法表征溶解羽绒的宏观形貌。提取不同时间点的羽绒溶解体系倒入试剂瓶中,在相同环境下溶解并观测溶剂的颜色、透明度等特征,并记录光学图像。采用超景深显微系统测试溶解不同时间后溶剂中羽绒的形貌特征。具体操作如下:用移液枪量取1 mL溶解液,置于载玻片上,调整物距,采用同轴照明方式记录形貌特征。

1.4.2 羽绒溶解液的角蛋白含量测试

采用紫外-可见分光光度计测试溶解不同时间后羽绒液体的光谱曲线。精确量取溶解体系的上清液,用去离子水稀释100倍,测试波长为260 ～ 500 nm, 测试参比为去离子水。

1.4.3 羽绒角蛋白的分子质量测试

将制备的羽绒角蛋白经0.22 μm滤膜过滤后,采用高效液相色谱系统测定角蛋白水解液的分子质量分布。色谱条件为TSK-gel 2000SWXL柱(尺寸为300 mm×7.8 mm,粒径为5 μm),流动相A为纯水(含0.05%三氟乙酸),流动相B为乙腈溶液(含0.05%三氟乙酸),洗脱方式采用等度洗脱;柱温为30 ℃,流速为0.5 mL/min,检测波长为220 nm,检测时间为0 ～ 25 min。

1.4.4 羽绒角蛋白的化学和聚集态结构测试

采用溴化钾压片法,利用傅里叶变换红外光谱仪测试羽绒角蛋白及乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂的红外光谱图。波数范围为4 000 ～ 400 cm-1,扫描次数为32,分辨率为4 cm-1;同时测试羽绒粉末的红外光谱图用于对比分析。

采用X射线衍射仪测试羽绒角蛋白及纤维的聚集态结构。测试参数为:CuKα靶(波长λ为0.154 nm), 电压40 kV,电流30 mA,扫描范围 5° ～ 50°,扫描步长0.02 (°)/s,扫描速度2 (°)/min。

2 结果与讨论

2.1 乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂化学结构分析

图1 乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂的红外光谱图Fig.1 FT-IR spectra of lactic acid/cysteine deep eutectic solvents

2.2 羽绒的溶解历程分析

将磨碎的羽绒短纤维浸入乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂中,在加热搅拌条件下溶解,观察低共熔溶剂的颜色和透明度变化,结果如图2所示。可以看出:未溶解羽绒的低共熔溶剂(DES)是澄清透明状液体,随着羽绒溶解时间的延长,低共熔溶剂颜色发生黄变,颜色深度逐渐加深;同时,低共熔溶剂中分散有大量羽绒短纤维,造成溶液的透明度下降;但随着溶解时间进一步延长至5 h及以上,低共熔溶剂中分散的短纤维数量逐渐减少,溶液的透明度稍有提高,溶解7 h后的低共熔溶剂呈现红褐色半透明状。

图2 低共熔溶剂溶解羽绒的光学图像Fig.2 Optical images of down dissolving in deep eutectic solvents

采用超景深显微系统观察不同溶解时间下低共熔溶剂中羽绒短纤维的微观形貌,结果如图3所示。可以看出:溶解1 h后,羽绒的绒丝和菱节形貌完整,纤维边界清晰,绒丝的直径d在5.5 μm左右,与未溶解羽绒绒丝的直径相当(见图3(a));溶解 3 h 后纤维发生了明显溶胀、形貌模糊、边界糊化,依据边界测试纤维的直径约为9.5 μm,发生原纤剥离、纤维断裂,此时已无法观察到羽绒独特的菱节等形貌特征(见图3(b));溶解5 h后几乎无法捕捉到羽绒聚集体形貌,仅有零散超短纤维以及超细纤维存在,表明溶解5 h后羽绒已几乎被完全溶解(见图3(c));溶解7 h后低共熔溶剂中已无羽绒痕迹,表明此时羽绒已完全溶解,羽绒的一次溶解率达到100%(见图3(d))。

图3 羽绒在低共熔溶剂中溶解的微观形貌变化Fig.3 Micromorphology changes of down dissolving in deep eutectic solvents

溶解不同时间后低共熔溶剂溶液的紫外-可见光谱图如图4所示。与乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂原样相比,溶解羽绒角蛋白的低共熔溶剂在 371 nm 处出现特征吸收峰,为羽绒角蛋白的特征吸收峰;且其强度随溶解羽绒时间的延长逐渐增强,表明低共熔溶剂中角蛋白组分的浓度随溶解时间的延长逐渐增大,这与羽绒溶解的光学图像分析结果是一致的。

图4 羽绒溶解液的紫外-可见光谱图Fig.4 UV-Vis spectra of down solution

2.3 羽绒角蛋白分子质量及结构分析

将乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂溶解羽绒7 h后的溶液倒入透析袋透析,并按1.3节所述工艺提取羽绒角蛋白粉末,采用高效液相色谱仪测试其分子质量分布,结果如图5所示。可以看出:分子质量为11 309 u的角蛋白最先在12.25 min处出峰,该峰面积仅为0.38%,表明羽绒在105 ℃条件下,经乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂溶解提取的角蛋白分子质量最大值为11 309 u,且占比非常小;随后分子质量为6 522、 3 838、2 474、1 470 u的角蛋白依次在13.54、14.49、14.61、15.24 min处出峰,依据峰面积计算得到4种角蛋白组分的质量占比合计为57.93%;此外还有分子质量为750、301和111 u的小分子质量角蛋白和寡肽组分,依次在16.52 ～ 20.85 min之间出峰,质量占比合计达到41.69%。综上表明,乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂溶解提取的角蛋白分子质量小于现有文献[15-17]报道的其它方法。小分子角蛋白及寡肽组分将丰富分子自组装路径,为角蛋白基新材料的研制提供更多可能性。

图5 羽绒角蛋白组分的出峰时间及占比分布图Fig.5 Retention time and distribution of different components of down keratin

图6示出羽绒及羽绒角蛋白的X射线衍射曲线。可知,羽绒角蛋白分别在10.8°和20.4°处出现衍射信号,为角蛋白的α螺旋和β折叠结构[18-19]的特征衍射信号;但与羽绒相比,羽绒角蛋白的β折叠衍射峰强度显著增强,α螺旋结构衍射峰强度有所显降低。表明羽绒在乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂的溶解过程中,低共熔溶剂组分渗透到角蛋白纤维大分子内部无定形区,基于溶胀、原纤剥离、断键等途径破坏角蛋白大分子的链内及链间作用力,造成羽绒角蛋白质聚集态结构发生显著变化,β折叠结构占比显著增强。

图6 羽绒及羽绒角蛋白的X射线衍射曲线Fig.6 X-ray diffraction curves of down and down keratin

对羽绒及羽绒角蛋白进行红外光谱测试,结果如图7所示。与羽绒相比,提取的羽绒角蛋白在酰胺Ⅰ带(1 651 cm-1)、Ⅱ带(1 534 cm-1)、Ⅲ带(1 233 cm-1)均有特征吸收峰[20-22];但2个样品最大的不同在于羽绒具有二硫键特征吸收峰(550 cm-1), 而羽绒角蛋白没有。表明羽绒的二硫键在乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂的作用下发生断键,破坏了羽绒角蛋白原有的分子链内及链间作用力[23],形成小分子角蛋白,这与羽绒角蛋白的分子质量测试结果是一致的。

图7 羽绒及羽绒角蛋白的红外光谱图Fig.7 FT-IR spectra of down and down keratin

2.4 羽绒的溶解机制分析

结合乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂的红外光谱图、羽绒溶解历程、羽绒角蛋白分子质量及化学结构的综合分析,绘制了羽绒在该低共熔溶剂中的溶解历程示意图,如图8所示。采用的乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂具有中强酸性(pH值为3.5),在加热条件下其直接作用于羽绒表面,产生侵蚀和表面刻蚀,角蛋白大分子链的稳定性变差。低共熔溶剂中的乳酸组分对角质层具有优异的软化、膨胀和渗透作用,与羽绒接触可破坏表面致密的角质层[24],促使低共熔溶剂向纤维内部渗透,纤维产生剧烈溶胀,直径几乎膨胀至原来的1.73倍(纤维的直径在乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂中由5.5 μm膨胀到9.5 μm)。乳酸和半胱氨酸分别作为氢键供体和氢键受体,表现出强极性,可破坏角蛋白分子链间的氢键作用力;半胱氨酸肽键中的氧与乳酸中羟基的氢形成氢键,但氧的电负性更强,造成乳酸分子氢的丢失,使乳酸中氧的亲核性更强,直接攻击羽绒角蛋白大分子肽键中的碳,致使角蛋白大分子肽键的断裂,生成小分子角蛋白,表现出羽绒的原纤化,纤维被剥离分割成数根尺寸纤细的原纤。进一步地,在加热条件下低共熔溶剂溶胀羽绒,也将导致角蛋白从致密晶体结构向无定形转变,纤维内部的二硫键裸露于角蛋白表面,在半胱氨酸的还原作用下二硫键被破坏,进一步加速了羽绒的溶解。

图8 羽绒溶解机制与历程分析Fig.8 Analysis of down dissolution mechanism and course.(a) Chemical reaction formula; (b) Schematic diagram of dissolution process

综上,乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂是一种绿色溶剂,该低共熔溶剂可破坏羽绒角蛋白大分子的分子间氢键、肽键以及二硫键;羽绒溶解历程主要由纤维膨化、原纤剥离、纤维断裂溶解3个阶段构成。

3 结 论

1) 乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂是澄清黏稠状液体,黏度稳定;105 ℃下,羽绒在该低共熔溶剂中溶解,随着溶解时间的延长,低共熔溶剂发生黄变,溶解液在371 nm处出现特征吸收峰,羽绒发生膨化、断裂,7 h后被完全溶解。

2)由透析和冷冻干燥制得的羽绒角蛋白其分子质量较小,其中:分子质量最高仅为11 309 u,质量占比仅为0.38%;分子质量分布在1 470～6 522 u的角蛋白占比为57.93%;分子质量小于750 u的占比达到了41.69%。与羽绒相比,羽绒角蛋白未出现二硫键的特征红外吸收峰,且β折叠衍射峰强度增强,α螺旋结构衍射峰强度降低。

3)乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂中乳酸组分对角质层具有优异的软化、膨胀和渗透作用,促进羽绒的膨胀,低共熔溶剂的强极性破坏了角蛋白分子链间的氢键,在半胱氨酸还原作用下二硫键被破坏;羽绒的溶解主要包括纤维膨化、原纤剥离和纤维断裂溶解3个阶段。