離子液體溶解膠原蛋白的研究進(jìn)展

呂愛(ài)會(huì) ，鄧 橙 ，朱孟府 ，鄧 宇

（1.天津科技大學(xué)，天津 300457;2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，天津 300161）

離子液體溶解膠原蛋白的研究進(jìn)展

呂愛(ài)會(huì)1，2，鄧 橙2，朱孟府2，鄧 宇1

（1.天津科技大學(xué)，天津 300457;2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，天津 300161）

膠原蛋白是自然界中含量最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白，而且也是人體的重要組成部分。膠原蛋白被廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域，因此找到一種綠色溶劑——離子液體，溶解、再生膠原蛋白尤為重要。該文主要介紹了離子液體的概念和種類(lèi)，以及在溶解膠原蛋白方面的研究進(jìn)展，并對(duì)離子液體溶解膠原蛋白的特性及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

離子液體；膠原蛋白；溶解；再生

膠原又被人們稱(chēng)為膠原蛋白，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，是自然界中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白。膠原蛋白只存在于動(dòng)物身上，特別是哺乳動(dòng)物的肉和生物組織中，包括骨骼、肌腱、牙齒、皮膚、韌帶和軟骨，約占全身蛋白質(zhì)的25%～35%，而細(xì)胞骨架的重要組成成分也是膠原蛋白。因此，膠原蛋白以不同的形式不同程度地存在于動(dòng)物的各種器官中。膠原蛋白因其獨(dú)特性質(zhì)能夠形成高強(qiáng)度的不溶性纖維。膠原蛋白不僅在成熟的組織結(jié)構(gòu)中起著重要作用，而且對(duì)于發(fā)育中的組織有定向的作用[1-2]。目前，膠原蛋白被確認(rèn)存在的有27種[3]，最常見(jiàn)的有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型膠原蛋白，其中Ⅰ型膠原蛋白所占的比例最大，主要存在于皮膚、骨頭和肌腱中，是一種十分寶貴的生物質(zhì)資源。由于膠原蛋白具有良好的生物相容性和生物降解性，已經(jīng)在醫(yī)藥、化妝品、食品、商業(yè)、生物工程等眾多領(lǐng)域得到了研究與應(yīng)用[4-7]。然而，由于膠原蛋白結(jié)構(gòu)中存在分子間氫鍵、離子鍵、范德瓦爾斯力和疏水性鍵，這使膠原蛋白很難溶解，因此極大地限制了膠原蛋白在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。所以找到一種溶解膠原蛋白的綠色溶劑成了學(xué)者的研究重點(diǎn)。

離子液體是近年來(lái)新興起的一類(lèi)具有應(yīng)用前景的綠色溶劑，以其強(qiáng)極性、不揮發(fā)性和穩(wěn)定性以及對(duì)高分子材料良好的溶解性，廣泛應(yīng)用于化工分離和有機(jī)合成等領(lǐng)域，用于替代易揮發(fā)的有機(jī)溶劑。近年來(lái)不斷有學(xué)者對(duì)離子液體在溶解膠原蛋白方面進(jìn)行了研究。

本文主要介紹了離子液體的概念、種類(lèi)和合成方法，以及在溶解膠原蛋白方面的研究進(jìn)展，并對(duì)離子液體溶解膠原蛋白的特性及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

1 離子液體的概念、分類(lèi)及合成方法

1.1 離子液體的概念

離子液體是一種熔點(diǎn)低于100℃，通常含有一個(gè)雜環(huán)氮原子、有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)陰離子的鹽類(lèi)，被認(rèn)為是理想的綠色溶劑[8-10]。離子液體具有許多吸引人的特性，如在室溫或室溫附近呈現(xiàn)液態(tài)，可忽略的蒸氣壓，且可以提高反應(yīng)速率，提高選擇性和產(chǎn)率，并且可以在反應(yīng)后回收，已經(jīng)被開(kāi)發(fā)為許多天然聚合物的新溶劑。隨著綠色化學(xué)的發(fā)展及其對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，離子液體因其具有良好的溶解性和可設(shè)計(jì)性等獨(dú)特的性能，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.2 離子液體的分類(lèi)

離子液體種類(lèi)有很多，僅僅通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)離子和陰離子，就可以設(shè)計(jì)合成出不同種類(lèi)的離子液體，通過(guò)改變離子的種類(lèi)進(jìn)行改性，可以調(diào)節(jié)離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)。目前，研究學(xué)者主要依據(jù)離子液體陰陽(yáng)離子的不同而進(jìn)行劃分。常見(jiàn)的陽(yáng)離子類(lèi)型的離子液體有咪唑鎓、季銨鹽和雜環(huán)芳香族化合物等。陰離子類(lèi)型的離子液體中常見(jiàn)的陰離子有鹵素離子、[BF4]-、[PF6]-、[CH3COO]-和[AlCl4]-等，這些離子的組合使離子液體的種類(lèi)非常多。還有一種對(duì)稱(chēng)的含雙陽(yáng)離子的離子液體，它具有優(yōu)于傳統(tǒng)離子液體的熱穩(wěn)定性和波動(dòng)性物理性能，但是其還沒(méi)有在溶解膠原蛋白方面得到應(yīng)用。

1.3 離子液體的合成方法

離子液體的合成方法有3種，包括常規(guī)合成法、微反應(yīng)器法和外場(chǎng)強(qiáng)化法。其中常規(guī)合成法主要包括一步合成法和兩步合成法，這2種方法是比較普遍的方法，通常需要在加熱的條件下完成合成，且所需時(shí)間較長(zhǎng)。微反應(yīng)器法是指合成反應(yīng)在一個(gè)小型微反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)器的內(nèi)部尺寸范圍從幾微米到幾百微米不等。微反應(yīng)器具有很多優(yōu)點(diǎn)，如所需空間小、能量和質(zhì)量消耗少以及所需要的反應(yīng)時(shí)間短等，所以微型反應(yīng)器能夠提高產(chǎn)物的產(chǎn)率以及傳質(zhì)傳熱效率。外場(chǎng)強(qiáng)化法主要包括微波法和超聲波法，該合成方法主要應(yīng)用在烷基咪唑類(lèi)和烷基吡啶類(lèi)離子液體的合成。Vaima等最先使用微波爐合成離子液體的方法，并用此方法合成了不同種類(lèi)的離子液體。由于離子液體生成的過(guò)程中吸收的能量逐漸增多，很容易造成反應(yīng)體系過(guò)熱或失控，從而造成鹵代烴的分解。為了解決此問(wèn)題，Vaima等改進(jìn)了微波法，采用微波間歇輻射的方法，從而取得了很好的效果[11]。

2 膠原蛋白在離子液體中的溶解與再生

膠原蛋白是三螺旋結(jié)構(gòu)，由3條α多肽鏈組成，每條膠原蛋白鏈都是左手螺旋構(gòu)型，它們彼此交叉相互纏繞形成右手螺旋結(jié)構(gòu)，即超螺旋結(jié)構(gòu)。膠原蛋白因其獨(dú)特的三重螺旋結(jié)構(gòu)，使其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，并且膠原蛋白免疫原性較低，生物相容性良好。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，膠原蛋白因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)具有多樣性，所以在許多領(lǐng)域都有非常重要的地位。

提取膠原蛋白的方法主要有4種，包括熱提取法、堿提取法、酸提取法和酶提取法。熱提取法操作簡(jiǎn)便，而且對(duì)生產(chǎn)要求較低，但膠原蛋白分子對(duì)熱較為敏感，加熱會(huì)使其發(fā)生變性，從而失去使用價(jià)值。酸提取法處理快速，但產(chǎn)品得率降低，設(shè)備會(huì)受到嚴(yán)重腐蝕。用堿法提取膠原蛋白非常迅速，而且提取徹底，但含有巰基和羥基的氨基酸容易被破壞，也會(huì)產(chǎn)生消旋作用。單獨(dú)使用酶法提取膠原蛋白時(shí)，反應(yīng)過(guò)程很慢。此外，這些方法都有很多缺點(diǎn)，如處理步驟多、造成環(huán)境嚴(yán)重污染且易造成纖維降解等。為了尋找一種高效、簡(jiǎn)潔、清潔化的提取方法，對(duì)膠原蛋白進(jìn)行分離、再生，以實(shí)現(xiàn)廢舊資源的再利用，研究學(xué)者們采用各種離子液體對(duì)膠原蛋白進(jìn)行溶解與再生。

鄭學(xué)晶等研究了膠原蛋白在1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體（[BMIM]Cl）中溶解，觀察到當(dāng)溫度上升至100℃時(shí)，膠原蛋白的部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，當(dāng)溫度升到120℃以上時(shí)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被完全破壞，用甲醇再生得到的膠原蛋白，分子結(jié)構(gòu)受到較大程度的破壞[12]。湯堯旭等比較了水浴加熱、微波輻射水浴加熱和微波直接輻射加熱3種加熱方式對(duì)膠原蛋白的溶解能力的影響，并將溶解的膠原蛋白再生進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，最終得出豬皮膠原蛋白的溶解度與加熱方式、溫度、時(shí)間等參數(shù)密切相關(guān)，在溫度處于室溫至70℃范圍內(nèi)時(shí)，微波加熱法的溶解程度優(yōu)于水浴加熱。溶解度隨著溫度的升高而增大，時(shí)間越長(zhǎng)，溶解效果越好，溶解度最大可達(dá)到 10%[13]。

牛鳳英等發(fā)現(xiàn)膠原蛋白在氯代-1-烯丙基-3-甲基咪唑離子液體（[AMIM]Cl）中具有良好的可溶性，當(dāng)溫度達(dá)到140℃時(shí)，膠原蛋白的溶解度最大。探討比較了以水、丙酮和乙醇為再生劑時(shí)膠原蛋白的再生情況，且對(duì)乙醇為再生劑的再生膠原蛋白進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，分析得出再生膠原蛋白的性質(zhì)和再生前沒(méi)有發(fā)生明顯變化，并保持了膠原蛋白的基本特征[14]。此后，牛鳳英課題組采用[AMIM]Cl離子液體提取豬皮粉中的膠原蛋白，并將提取的膠原蛋白與聚丙腈進(jìn)行共混改性。在溶解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，離子液體只是破壞了膠原蛋白分子鏈間的氫鍵將其溶解，并沒(méi)有破壞其主鏈結(jié)構(gòu)。在溫度高于300℃以后，膠原蛋白在熱的作用下肽鍵發(fā)生斷裂，膠原蛋白逐漸被降解為多肽和氨基酸，最終氨基酸殘基被破壞，發(fā)生脫氨、脫水。將提取的膠原蛋白用乙醇再生，用于改性聚丙烯腈，使改性后的纖維回潮率由原來(lái)的0.57%提高到了3.45%，改善了纖維的穿著舒適度[15]。

張敏等使用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽（[EMIM]Ac）溶解膠原蛋白與纖維素，經(jīng)過(guò)溶解、再生2步處理制備出新型膠原蛋白/纖維素復(fù)合材料。復(fù)合膜具有典型的膠原蛋白熱變曲線，且其熱變溫度與天然膠原蛋白的熱變溫度相符，說(shuō)明膠原蛋白溶解再生后沒(méi)有發(fā)生明顯變性。將膠原蛋白應(yīng)用于復(fù)合材料中，從而提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性[16]。由此看來(lái)，膠原蛋白在制作復(fù)合材料方面有一定的應(yīng)用前景，有待人們的發(fā)現(xiàn)和研究。

王兆梅等研究了膠原蛋白在氯化膽堿·2ZnCl2離子液體中的溶解性。當(dāng)溫度為120℃時(shí)，在氯化膽堿·2ZnCl2離子液體中膠原蛋白的溶解度可達(dá)到13%左右，在溶解過(guò)程中破壞了分子間氫鍵，也破壞了結(jié)晶區(qū)域。用乙腈作為再生劑，再生出的膠原蛋白具有完整的三股螺旋結(jié)構(gòu)，但熱穩(wěn)定性和結(jié)晶度要低于原膠原蛋白樣品[17]。徐彬等為加快膠原蛋白在離子液體中的溶解，在溶劑體系中加入了一系列的鈉鹽。在溫度45℃時(shí)膠原蛋白在[EMIM]Ac/Na2HPO4離子液體中的溶解度可達(dá)到11%左右。然而，該溫度下再生得到的膠原蛋白的結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)被破壞。實(shí)驗(yàn)中添加了鹽類(lèi)，便可使膠原蛋白在較低溫度下溶解，可以減少膠原蛋白結(jié)構(gòu)的破壞。從實(shí)驗(yàn)可以得出：溶解溫度和鈉鹽會(huì)影響膠原蛋白的溶解度[18]。而其他研究者得出的最佳溶解溫度都高于100℃，此時(shí)膠原蛋白的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被破壞[19-20]。因此可以借鑒加鹽類(lèi)加快溶解的方法，不僅節(jié)約了能量，而且也使膠原蛋白結(jié)構(gòu)受到的破壞盡可能的小，有利于膠原蛋白的再利用。

郭佳榮等用3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯鹽和3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑溴鹽2種離子液體溶解膠原蛋白，從而分析2種離子液體溶解能力大小。分別配置固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%和8%的離子液體與膠原蛋白的混合溶液，加入試管攪拌均勻，分別在80、100、120和140℃4種不同的溫度下溶解。通過(guò)比較得出3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯鹽的溶解效果優(yōu)于3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑溴鹽。在溫度140℃時(shí)，3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯鹽溶解固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的膠原蛋白僅需15 min，同時(shí)膠原蛋白再生前后結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化[21]。劉潔等研究了膠原蛋白纖維在[BMIM]Cl和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽（[BMIM]Ac）2種離子液體中的溶解行為及再生前后的結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性變化。結(jié)果表明，CH3COO-和Cl-型離子液體都能溶解膠原蛋白纖維，但溶解特性不同。相對(duì)[BMIM]Cl的溶解性能而言，[BMIM]Ac能夠在較低的溫度下獲得高濃度和良好流動(dòng)性的膠原蛋白溶液，再生膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)保留度更高[22]。

研究者們運(yùn)用了不同的離子液體對(duì)膠原蛋白進(jìn)行了溶解，都得到了很好的效果。由此可見(jiàn)，離子液體在膠原蛋白的溶解方面具有很大的發(fā)展空間。

3 結(jié)論

離子液體以“零”蒸氣壓、可回收等特點(diǎn)受到人們的青睞。在溶解膠原蛋白方面實(shí)現(xiàn)了綠色化，將來(lái)會(huì)慢慢取代酸堿等提取蛋白的方法。經(jīng)離子液體溶解得到的膠原蛋白可以用于制作復(fù)合材料，從而提高了復(fù)合材料的各種性能。隨著科技的發(fā)展，膠原蛋白將會(huì)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，發(fā)揮更大的作用。

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.03.002

2017-06-21