溶解—研磨法制備羊毛角蛋白粉末

劉讓同，李 亮，李 銳

（中原工學(xué)院，鄭州，450007）

溶解—研磨法制備羊毛角蛋白粉末

劉讓同，李 亮，李 銳

（中原工學(xué)院，鄭州，450007）

探討溶解—研磨法制備羊毛角蛋白粉末的工藝流程及羊毛角蛋白粉末的特性.制得的平均粒徑為191.267 μm的羊毛角蛋白粉末中含有大量的酰胺鍵，屬于二硫鍵已經(jīng)破裂的多肽；當(dāng)使用溫度低于220℃時(shí)，羊毛角蛋白粉末具有熱穩(wěn)定性；羊毛角蛋白粉末形態(tài)不規(guī)則，顆粒大小不勻且表面不光滑，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重.

溶解—研磨法；角蛋白粉末；羊毛

羊毛角蛋白粉末可以用于很多人工材料的改性，如人造皮革、涂料、油墨、橡膠、塑料、合成纖維、合成樹(shù)脂、織物整理等，能改善這些材料的吸濕性和保濕性，而且羊毛角蛋白質(zhì)粉末富有滑潤(rùn)性，使其表面產(chǎn)生天然纖維的觸感，這個(gè)特性也使其可作為化妝品原料［1－3］；由于羊毛富含多種氨基酸，也可經(jīng)過(guò)特殊的粉末制備方法，得到各方面性能都很好的粉末，用于醫(yī)療、醫(yī)藥領(lǐng)域；另外，羊毛角蛋白中富含賴(lài)氨酸、蛋氨酸、組氨酸、色氨酸等13種氨基酸，羊毛角蛋白粉末可代替魚(yú)粉配制動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)等飼料，因此利用廢棄羊毛制備羊毛角蛋白粉末有比較好的應(yīng)用前景.用羊毛制備羊毛角蛋白粉末的研究始于日本，目前制備方法主要有3種：機(jī)械法、化學(xué)－機(jī)械聯(lián)合法及溶解－研磨法.對(duì)于純凈的羊毛集合體，用這3種方法均能制備出羊毛角蛋白粉末，但當(dāng)羊毛與其他材料混合在一起時(shí)，溶解－研磨法的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)了.本文主要探討溶解－研磨法制備羊毛角蛋白粉末的有關(guān)問(wèn)題.

1 羊毛角蛋白粉末的制備

要把羊毛角蛋白從其與其他材料的混合體中提取出來(lái)，溶解－研磨法是一種比較好的選擇.羊毛角蛋白粉末的制備流程如下：

羊毛→溶解→過(guò)濾→再過(guò)濾→透析→烘干→研磨→羊毛角蛋白粉末.

1.1 羊毛溶解

羊毛角蛋白大分子是由各種α氨基酸通過(guò)肽鍵構(gòu)成的多肽長(zhǎng)鏈，這些長(zhǎng)鏈又通過(guò)二硫鍵、氫鍵、鹽式鍵、酯鍵、范德華力等相互聯(lián)系，形成曲折交聯(lián)的α－螺旋三維結(jié)構(gòu)，并形成纖維的結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)，其結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜致密，因此羊毛角蛋白的溶解是很有難度的［4－5］.羊毛角蛋白粉末制備的關(guān)鍵之一在于角蛋白溶液的制取.

本文選用以硫化鈉（分析純，Na2S，分子質(zhì)量為70.04）為主，以尿素（分析純，（NH2）2CO，分子質(zhì)量為60.06）、十二烷基硫酸鈉 SDS（分析純，CH3（CH2）10OSO3Na，分子質(zhì)量為288.38）為輔的溶劑體系實(shí)施對(duì)羊毛的溶解.表面活性劑SDS能夠加速潤(rùn)濕羊毛，其與角蛋白也能夠形成膠束，制得較高分子量的蛋白質(zhì)溶液.實(shí)驗(yàn)中利用尿素可以破壞氫鍵、鹽式鍵、酯鍵等橫向聯(lián)系，造成蛋白質(zhì)變性，羊毛的空間螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使二硫鍵暴露出來(lái).硫化鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生硫氫化鈉，硫氫化鈉與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將羊毛中的二硫鍵打斷.由于羊毛鱗片層有較強(qiáng)的化學(xué)惰性和疏水性，即使溶劑直接接觸也不能完全破壞，溶劑只能通過(guò)破壞的部位和空隙等進(jìn)入其內(nèi)部，完全溶解需要一定的時(shí)間.羊毛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)則較鱗片層松散，溶劑會(huì)很快將其溶解，最終鱗片層會(huì)慢慢溶解.

采用普通國(guó)產(chǎn)羊毛作為研究對(duì)象，與含有一定量的尿素、硫化鈉、SDS的溶液體系以1∶20的浴比進(jìn)行混合，溫度控制在50℃，反應(yīng)時(shí)間為6h，實(shí)現(xiàn)溶解.溶解過(guò)程的相關(guān)反應(yīng)如下：

1.2 羊毛角蛋白粉末制備

通過(guò)對(duì)反應(yīng)體系反復(fù)過(guò)濾，去除體系中的未溶物，再將該溶液進(jìn)行透析，去除反應(yīng)體系中的各種溶劑，得到羊毛角蛋白溶液.

然后將羊毛角蛋白溶液置于50℃的烘箱中進(jìn)行烘干，經(jīng)研磨得到羊毛角蛋白粉末.制備羊毛角蛋白粉末時(shí)烘干溫度以50℃為佳，溫度過(guò)高，羊毛角蛋白溶液易變性，過(guò)低，效率較慢.一般羊毛角蛋白溶液在50℃時(shí)烘干8h，得到結(jié)晶的羊毛角蛋白.研磨時(shí)間與羊毛角蛋白粉末的粒徑相關(guān)，本文采用的研磨時(shí)間為4h.

2 羊毛角蛋白粉末觀(guān)察與性能測(cè)試

2.1 紅外光譜測(cè)試

把羊毛制成羊毛角蛋白粉末是利用其吸濕性和保濕性好、富有滑潤(rùn)性等優(yōu)點(diǎn).為了了解羊毛角蛋白粉末是否還具有角蛋白的特性，需要通過(guò)紅外光譜來(lái)分析.本文采用Nicolate公司的670型FT－IR紅外光譜儀對(duì)羊毛和羊毛角蛋白粉末進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示.

圖1 羊毛角蛋白粉末紅外光譜圖

圖2 羊毛紅外光譜圖

2.2 熱重分析

熱重分析是在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，可以用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分.本文采用NETZSCH公司的STA－409PC／PG型熱分析儀對(duì)羊毛角蛋白粉末的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果如圖3所示.

圖3 羊毛角蛋白粉末熱重分析曲線(xiàn)

2.3 羊毛角蛋白粉末的特性

羊毛角蛋白粉末是否能夠推廣應(yīng)用與粉末的粒度和形狀關(guān)系很大，因此有必要了解溶解－研磨方法所制角蛋白粉末的這些特性.本文采用MS2000激光粒度分析儀來(lái)測(cè)定粉末的粒度情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和圖4；采用SEM－6360LV掃描電鏡觀(guān)察顆粒的形狀，結(jié)果如圖5所示.

圖4 羊毛角蛋白粉末粒度分布圖

表1 羊毛角蛋白粉末粒度分析報(bào)表

圖5 羊毛角蛋白粉末的微觀(guān)形態(tài)

3 結(jié)果與分析

3.1 羊毛角蛋白粉末紅外光譜及構(gòu)象

一般蛋白質(zhì)的IR光譜的譜帶主要有三大類(lèi)［6－8］：①氫鍵化的各類(lèi)特征吸收帶；②由組成蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)基性質(zhì)所決定的各類(lèi)吸收；③各酰胺帶中，酰胺I譜帶一般在1690～1 600cm－1處，是由酰胺的羰基C＝O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的，它會(huì)因測(cè)定條件不同而不同；酰胺Ⅱ譜帶在帶主有～1 480cm－1處，是由于N－H彎曲振動(dòng)和C－N伸縮振動(dòng)的組合吸收，以N－H彎曲振動(dòng)為主；酰胺Ⅲ譜帶一般在般在1～1 229cm－1處，也是由于N－H彎曲振動(dòng)和C－N伸縮振動(dòng)的組合吸收，以C－N伸縮振動(dòng)為主；酰胺V譜帶位于800～640cm－1處，歸 屬 于 N－H 彎曲振 動(dòng)，在3 000cm－1處左右有C－H 的伸縮振動(dòng)譜帶，在3 300cm－1和3 100cm－1二處都有NH伸縮與酰胺II的共振吸收.

圖1和圖2所示分別為羊毛角蛋白粉末與羊毛的紅外光譜，都屬于典型的蛋白質(zhì)類(lèi)紅外光譜圖，即都具有明顯的氫鍵、酰胺I、酰胺Ⅱ、酰胺III譜帶的特征.圖1中1654.83cm－1處的強(qiáng)吸收峰和圖2中1654.62cm－1處的強(qiáng)吸收峰是酰胺I譜帶的強(qiáng)特征吸收，說(shuō)明羊毛角蛋白粉末和羊毛二者分子基團(tuán)及振動(dòng)種類(lèi)沒(méi)有什么變化.在酰胺Ⅱ帶上羊毛和羊毛角蛋白粉末有細(xì)小差別，即由C—N伸縮、N—H彎曲形成的酰胺II譜帶吸收峰產(chǎn)生了一定的偏移，羊毛角蛋白粉末在1532.20cm－1、1450.05cm－1處產(chǎn)生強(qiáng)吸收，而羊毛在1535.41cm－1、1450.32cm－1處產(chǎn)生強(qiáng)吸收.一方面酰胺Ⅱ譜帶說(shuō)明在羊毛溶解時(shí)，由于較好的溫度控制，羊毛大分子鏈間的化學(xué)鍵保持完整，N—H鍵振動(dòng)變化不明顯；另一方面，由于溶解的形成致使羊毛角蛋白大分子的空間結(jié)構(gòu)變化和二硫鍵斷裂，使C—N伸縮、N—H彎曲自由度更大，波數(shù)下移.羊毛酰胺III譜帶吸收峰在1236.87cm－1處，羊毛角蛋白粉末吸收峰在1238.28cm－1處，酰胺III譜帶吸收峰也是由 C—N 伸縮、N—H 彎曲形成.在3 330cm－1處附近伯酰胺伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，羊毛角蛋白粉末和羊毛在此處均有吸收峰，說(shuō)明羊毛角蛋白粉末與羊毛一樣具有伯酰胺基團(tuán).

羊毛在2876.04cm－1、2958.99cm－1處附近由烷烴伸縮振動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)吸收，羊毛角蛋白粉末則在2 853cm－1、近烷烴伸.25cm－1處產(chǎn)生，主要是二硫鍵在溶解過(guò)程發(fā)生斷裂，烷烴伸縮振動(dòng)譜帶發(fā)生低波偏移，說(shuō)明該方法制得的羊毛角蛋白粉末二硫鍵已經(jīng)破裂.

根據(jù)紅外光譜圖和前人研究的結(jié)果，可以定性地分析大分子鏈的特征基團(tuán)和分子構(gòu)象.以酰胺I特征譜帶來(lái)表征蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)多肽的紅外研究結(jié)果［6－8］，酰胺I譜帶的1660～1 650cm－1吸收歸屬于α－螺旋結(jié)構(gòu)，構(gòu)以性～1 630cm－1吸收歸屬于β－折疊結(jié)構(gòu).酰胺I譜帶的譜峰目前較成熟的有：有：1～1 650cm－1為α－螺旋；旋；1～1 640cm－1為無(wú)規(guī)卷曲；曲；1～1 610cm－1為β－折疊.結(jié)合以上分析可看出，羊毛在1 653cm－1處有強(qiáng)吸收峰，即酰胺I譜帶的強(qiáng)特征吸收，在1 532cm－1、1 520cm－1、1 237cm－1三處有較強(qiáng)吸收峰，說(shuō)明羊毛中以α－螺旋型構(gòu)象為主，并同時(shí)存在β－折疊構(gòu)象；由圖1可見(jiàn)，我們所制備的羊毛角蛋白粉末在1 654cm－1、1 535cm－1（分別為α－螺旋型構(gòu)象的酰胺I譜帶和酰胺II譜帶的強(qiáng)特征吸收）二處出現(xiàn)了強(qiáng)吸收峰，說(shuō)明羊毛角蛋白粉末中含有大量的α－螺旋型構(gòu)象.

由此可見(jiàn)，本文所制得羊毛角蛋白粉末中含有酰胺鍵，雖二硫鍵已經(jīng)破裂，但具有多肽特征，應(yīng)屬蛋白質(zhì)，并且是以α－螺旋型構(gòu)象為主的蛋白質(zhì).

3.2 羊毛角蛋白粉末熱重分析

羊毛角蛋白粉末熱重分析曲線(xiàn)如圖3所示.羊毛角蛋白粉末在氮?dú)庵屑訜?，試樣重?.06mg，升溫速度與范圍30℃／20（K／min）／300℃.羊毛角蛋白粉末中水分隨溫度升高而蒸發(fā)，粉末的重量逐漸減少，蒸發(fā)速率在97.13℃處達(dá)到最大，這一階段出現(xiàn)的饅頭峰主要是纖維中的水分在升溫過(guò)程中不斷吸熱而逐漸蒸發(fā)所形成的吸收峰，然后，重量變化速率逐步減小，熱重曲線(xiàn)在182.13℃處出現(xiàn)拐點(diǎn)，到190℃左右，粉末重量基本不變化，水分蒸發(fā)過(guò)程結(jié)束.在此變化過(guò)程中，粉末重量損失9.96%，所以該粉末的含水率為9.96%.然后，從220℃左右開(kāi)始，材料的重量又減少，粉末的熱裂解從242.2℃開(kāi)始，重量急劇下降，熱裂解在287.2℃時(shí)達(dá)到高峰，此后，材料繼續(xù)裂解，重量緩慢減少，到300℃時(shí)，整個(gè)裂解過(guò)程的重量變化率達(dá)到－24.75%.由此可知，當(dāng)使用溫度低于220℃時(shí)，羊毛角蛋白粉末是穩(wěn)定的.

3.3 羊毛角蛋白粉末粒度分析

粒度就是顆粒的大小，常見(jiàn)的測(cè)試方法有激光法、篩分法、圖像法、電阻法、顯微圖像法、刮板法、透氣法、超聲波法和動(dòng)態(tài)光散射法等.本文采用MS2000激光粒度分析儀（干法）對(duì)羊毛角蛋白粉末進(jìn)行檢測(cè).由表1可知，羊毛角蛋白粉末的平均粒徑為191.267μm，比表面積為0.010435 7m2／g，粒度相對(duì)比較大，粒徑分布也不是很均勻，主要是研磨時(shí)間較短，只有4h；若延長(zhǎng)研磨時(shí)間并對(duì)粉末進(jìn)行過(guò)濾，可以制得粒徑小于10μm的顆粒.

3.4 羊毛角蛋白粉末微觀(guān)形態(tài)

將羊毛角蛋白粉末置于掃描電鏡下觀(guān)察，其微觀(guān)形態(tài)如圖5所示.由圖5可知，采用的溶解－研磨法得到的羊毛角蛋白粉末，其細(xì)度可以達(dá)到微米數(shù)量級(jí)，其形態(tài)為不規(guī)則的無(wú)定形粉末，顆粒大小不勻且表面不光滑，由于粉末較強(qiáng)的表面能，大部分粉末都湊合在一起，呈團(tuán)聚狀態(tài).這主要是由于研磨時(shí)間不夠，研磨不均勻造成，且拍電鏡照片時(shí)未做適當(dāng)分散處理.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選用以硫化鈉為主，以尿素、十二烷基硫酸鈉SDS為輔的溶劑體系實(shí)施對(duì)羊毛的溶解，然后通過(guò)過(guò)濾、透析、干燥和研磨等工序，可以制得平均粒徑為191.267μm的羊毛角蛋白粉末.該粉末具有以下特點(diǎn)：

（1）羊毛角蛋白粉末含有大量的酰胺鍵，二硫鍵已經(jīng)破裂，具有多肽特征，屬于以α螺旋為主的蛋白質(zhì)；

（2）當(dāng)使用溫度低于220℃時(shí)，羊毛角蛋白粉末具有熱穩(wěn)定性；

（3）粉末形態(tài)不規(guī)則，顆粒大小不勻且表面不光滑，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重.

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Preparation of Wool Keratin Powder by Dissolution－grinding

LIU Rang－tong，LI Liang，LI Rui
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

The process of dissolution－grinding for preparing wool keratin powder is discussed，and the characteristics of the powder is examined in this paper.The mean diameter of wool keratin powder obtained from the dissolution－grinding process is 191.267μm.It is found that the keratin powder consist of many peptides with a large number of amido linkage and disulfide broken，the keratin powder keep stable when the working temperature is below 220℃；and the powder have characteristics of irregular shape，uneven particle size，unsmooth surface and the serious phenomenon of reunion.

dissolution－grinding；keratin powder；wool

TS102.1

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.011

1671－6906（2010）05－0042－04

2010－09－26

劉讓同（1966－），男，湖南新化人，教授，博士.