堿法水解含鉻革屑制備膠原蛋白粉的研究

丁凡 ，劉通 ，王全杰 ,2,3★

（1.煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東煙臺264005；2.山東全杰皮革研究所有限公司，山東煙臺264005；3.國家制革技術(shù)研究推廣中心，山東煙臺264005）

如今，人們對物質(zhì)生活的追求不斷提高，皮革制品也逐漸進(jìn)入平常百姓的家庭生活之中。服裝、鞋帽、家具、辦公甚至交通工具中，皮革制品的出現(xiàn)愈加頻繁，在中國的各個城市、地區(qū)，皮革制品所占據(jù)的市場份額普遍越來越高。生皮在鞣制過程中，只有30%左右的原料可以轉(zhuǎn)化為可銷售的皮革產(chǎn)品，剩下的由于工藝的原因只能作為廢物丟棄[1]。我國制革業(yè)每年會生產(chǎn)出大量的含鉻固體廢物，這種含鉻固體廢物穩(wěn)定常數(shù)高達(dá)18.8，資源再利用難度較大。2016年環(huán)保部將含鉻制革固體廢物列入危險(xiǎn)廢物名錄[2],全國制革工業(yè)對含鉻制革固態(tài)廢棄物的資源化再利用的探究更加急切,這意味著必須采有效方法處理含鉻廢棄物以減少金屬鉻對環(huán)境的污染。

膠原蛋白是動物體蛋白的重要組成成分,相比于其他人工合成高分子材料，生物材料的優(yōu)越性更強(qiáng)，因此，作為一種天然的生物質(zhì)資源，膠原蛋白在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中應(yīng)用的重要性和經(jīng)濟(jì)地位日漸上升，利用制革固態(tài)廢棄物提取膠原蛋白以實(shí)現(xiàn)資源再利用已成為大勢所趨[3]。

目前存在著許多對于含鉻固體廢棄物的處理方法，其中堿處理法由于其操作簡單、原料價(jià)廉易得且具有較高的鉻去除率而被廣泛利用。本實(shí)驗(yàn)主要探究分別利用NaOH與CaO兩種單一堿在不同濃度下以及兩種堿的不同用量配比對廢棄含鉻革屑進(jìn)行水解，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉試驗(yàn)制備膠原蛋白粉，并對影響蛋白粉質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測試，對今后的相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)藥品及所用儀器

實(shí)驗(yàn)原料：廢棄含鉻革屑，煙臺文登制革廠。

實(shí)驗(yàn)藥品：NaOH，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；CaO,天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；本實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器：HH-DR1型電熱恒溫油浴鍋，上海雙捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；JJ224BC型分析天平，常熟市雙捷測試儀器廠；JH752型紫外-可見分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司；AA-6880型原子吸收分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理有限公司；SX2-4-10型箱式電阻爐，龍口市先進(jìn)儀器有限公司；K1305A型自動定氮儀，上海晟生分析儀器有限公司；SPT-12型消解儀，北京三品科創(chuàng)儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉實(shí)驗(yàn)，噴霧干燥機(jī)具體設(shè)定如表1所示。

表1 噴霧干燥機(jī)工作參數(shù)Tab.1 Spray dryer operating parameters

2.1 CaO水解革屑制備膠原蛋白粉

稱取40 g絕干含鉻革屑，置于500 mL三口燒瓶中，設(shè)置CaO用量分別為4%、6%、8%、10%、12%（以干革屑質(zhì)量計(jì)），以液比為6向其中加入去離子水，在90℃條件下水解6 h，將水解液進(jìn)行過濾，濃縮至糖度為25°Brix，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉。

2.2 NaOH水解革屑制備膠原蛋白粉

稱取40 g絕干含鉻革屑，置于500 mL三口燒瓶中，設(shè)置NaOH用量分別為4%、6%、8%、10%、12%（以干革屑質(zhì)量計(jì)），以液比為6向其中加入去離子水，在90℃條件下水解6 h，將水解液進(jìn)行過濾，濃縮至糖度為25°Brix，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉。

2.3 NaOH和CaO復(fù)合水解革屑制備膠原蛋白粉

稱取40 g絕干含鉻革屑，置于500 mL三口燒瓶中，將NaOH及CaO以不同比例復(fù)合加入體系中，復(fù)合比例分別為 1∶7、2∶6、3∶5、4∶4、5∶3、6∶2、7∶1（以干革屑計(jì)），以液比為6向其中加入去離子水，在溫度為90℃條件下水解6 h，將水解液進(jìn)行過濾，濃縮至糖度為25°Brix，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉。

2.4 蛋白粉產(chǎn)率的測定

蛋白粉產(chǎn)率按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：w——蛋白粉產(chǎn)率，%；

m1——蛋白粉質(zhì)量，g；

m2——水解所用干革屑質(zhì)量，g。

2.5 蛋白粉水分含量的測定

在燒杯中加入一定量的蛋白粉置于130℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘干，8 h后每隔30 min進(jìn)行稱重，直至前后兩次質(zhì)量之差低于0.01 g。

水分含量計(jì)算公式：

式中：δ——水分含量，%；

n0——烘干前蛋白粉質(zhì)量，g；

n1——燒杯和烘干前蛋白粉總質(zhì)量，g；

n2——燒杯和烘干后蛋白粉總質(zhì)量，g。

2.6 灰分含量的測定

取適量蛋白粉置于坩堝中，放入馬弗爐內(nèi)進(jìn)行灼燒，冷卻后稱重。

灰分含量計(jì)算公式：

式中：φ——灰分含量，%；

x1——烘干坩堝與殘?jiān)傎|(zhì)量，g；

x2——坩堝質(zhì)量，g；

x0——蛋白粉質(zhì)量，g。

2.7 氮含量的測定

根據(jù)羅艷華等[4]的方法對蛋白粉的氮含量進(jìn)行了測定。

2.8 游離氨基濃度的測定

取1 g蛋白粉置于1000 mL容量瓶中用去離子水定容備用，將紫外分光光度計(jì)的波長調(diào)節(jié)至340 nm，預(yù)熱30 min。以去離子水為空白對照組，取0.4 mL待測液和3 mL OPA試劑至比色皿中混合放入紫外分光光度計(jì)中，開始計(jì)時，2 min時測定吸光度，每個試樣至少測三組吸光度，最后測定結(jié)果取其算術(shù)平均值。以L-亮氨酸為標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制曲線，將平均數(shù)代入計(jì)算游離氨基濃度[5]。

圖1 游離氨基濃度與吸光度關(guān)系曲線圖Fig.1 Curve of relationship between free amino concentration and absorbance

2.9 鉻含量的測定

稱取0.25 g蛋白粉置于消解管中，向其中加入5 mL濃硫酸于消解爐中按照指定程序進(jìn)行升溫，每隔10 min向其中加入2 mL H2O2，直至消解管中的液體呈無色透明，繼續(xù)加熱10 min后，冷卻至室溫，倒入250 mL容量瓶中定容，使用原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 CaO水解法

3.1.1 產(chǎn)率

圖2 隨CaO用量變化的產(chǎn)率趨勢圖Fig.2 Yield trend graph as a function of CaO dosage

如圖2所示，蛋白粉的產(chǎn)率隨CaO用量增加而增大，在CaO用量由4%到8%間產(chǎn)率快速增加，CaO用量8%以后產(chǎn)率增加緩慢，當(dāng)CaO用量超過8%后，水解基本已達(dá)最大程度，因此產(chǎn)率上升緩慢，考慮到成本問題，本實(shí)驗(yàn)選取8%為CaO最優(yōu)用量，在此條件下蛋白粉產(chǎn)率可達(dá)42.90%。

3.1.2 氮含量

圖3 隨CaO用量變化的蛋白粉氮含量趨勢圖Fig.3 Trend diagram of protein powder nitrogen content as a function of CaO dosage

如圖3所示蛋白粉的氮含量在CaO用量4%到8%間增加較為迅速，CaO用量大于8%后蛋白粉氮含量趨于穩(wěn)定，故最佳CaO用量為8%，在此條件下蛋白粉氮含量為13.96%。

3.1.3 灰分/水分含量

圖4 隨CaO用量變化的蛋白粉灰分/水分趨勢圖Fig.4 Protein powder ash/water trend graph as a function of CaO dosage

如圖4所示，隨著CaO用量的增加，蛋白粉的灰分含量、水分含量都是先降低后升高，在6%～8%附近水分含量、灰分含量基本已達(dá)到最小值，灰分含量最小值為10.02%，水分含量最小值為2.18%。

3.1.4 游離氨基濃度

圖5 隨CaO用量變化的蛋白粉中游離氨基濃度趨勢圖Fig.5 Trend diagram of free amino group concentration in protein powder with varying CaO dosage

如圖5所示，蛋白粉中游離氨基濃度隨著CaO用量的增加而增加，因?yàn)閴A用量越大，水解程度增加，打斷的肽鍵越多，釋放出的游離氨基也越多。

3.1.5 鉻含量

圖6 隨CaO用量變化的鉻含量趨勢圖Fig.6 Trend chart of chromium content as a function of CaO consumption

如圖6所示，蛋白粉Cr含量隨CaO用量增多而減少，在CaO用量10%以后減少幅度較緩，因?yàn)閴A用量越多，生成的Cr(OH)3沉淀增多，但是當(dāng)CaO用量達(dá)到一定程度后，Cr與—COOH的交聯(lián)鍵幾乎已經(jīng)全部被打斷，因此Cr含量的下降幅度放緩。

3.2 NaOH水解法

3.2.1 產(chǎn)率

圖7 隨NaOH用量變化的產(chǎn)率趨勢圖Fig.7 Yield trend graph as a function of NaOH dosage

如圖7所示，蛋白粉產(chǎn)率隨NaOH用量增加而增加，隨著NaOH用量的增加，水解程度增大，因此蛋白粉產(chǎn)率逐漸增大。

3.2.2 氮含量

圖8 隨NaOH用量變化的氮含量趨勢圖Fig.8 Trend diagram of nitrogen content as a function of NaOH dosage

如圖8所示，隨著NaOH用量的增加，蛋白粉中的氮含量基本趨于平緩，在NaOH用量8%時氮含量可達(dá)11.75%。

3.2.3 灰分/水分含量

圖9 隨NaOH用量變化的灰分/水分趨勢圖Fig.9 Ash/moisture trend graph as a function of NaOH dosage

如圖9所示，隨著NaOH用量的增加，蛋白粉的灰分含量和水分含量都呈先減小后增加的趨勢，在NaOH用量為8%時灰分含量達(dá)到最小值6.39%，在NaOH用量10%時水分含量達(dá)到最小值15.96%。

3.2.4 游離氨基濃度

圖10 隨NaOH用量變化的游離氨基濃度趨勢圖Fig.10 Trend of free amino group concentration as a function of NaOH dosage

如圖10所示，蛋白粉的游離氨基濃度隨NaOH用量的增加而增加，因?yàn)閴A用量增大，水解程度增加，打斷的肽鍵越多，釋放出的游離氨基也越多。

3.2.5 鉻含量

圖11 隨NaOH用量變化的鉻含量趨勢圖Fig.11 Trend chart of chromium content as a function of NaOH dosage

如圖11所示，蛋白粉的鉻含量隨NaOH用量的增加呈先減小后增加的趨勢，在NaOH用量為8%時到達(dá)極小值，鉻含量最低可達(dá)43.7760 ppm。

3.3 CaO與NaOH復(fù)合水解法

3.3.1 產(chǎn)率

圖12 隨CaO與NaOH使用比例變化的產(chǎn)率趨勢圖Fig.12 Yield trend graph as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖12所示，蛋白粉的產(chǎn)率隨CaO與NaOH加入比例的增大而降低，在本實(shí)驗(yàn)條件下得到的最高產(chǎn)率為53.43%。

3.3.2 氮含量

圖13 隨CaO與NaOH使用比例變化的氮含量趨勢圖Fig.13 Trend diagram of nitrogen content as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖13所示，蛋白粉的氮含量隨CaO與NaOH使用比例增加呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢，在使用比例為5∶3時，氮含量最高可達(dá)14.15%。

3.3.3 灰分/水分含量

圖14 隨CaO與NaOH使用比例變化的灰分/水分含量趨勢圖Fig.14 Trend of ash/moisture content as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖14所示，隨著CaO與NaOH使用比例的增加，蛋白粉的水分含量逐漸降低，灰分含量呈先降低后升高的趨勢，蛋白粉的灰分含量在使用比例為5∶3時可低至8.195%。

3.3.4 游離氨基濃度

圖15 隨CaO與NaOH使用比例變化的游離氨基濃度趨勢圖Fig.15 Trend diagram of free amino concentration as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖15所示，隨CaO與NaOH使用比例的增加，蛋白粉中的游離氨基濃度逐漸降低，可能是由于NaOH在水解時打斷肽鍵的能力更強(qiáng)。

3.3.5 鉻含量

圖16 隨CaO與NaOH使用比例變化的鉻含量趨勢圖Fig.16 Trend chart of chromium content as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖16所示，隨著CaO與NaOH使用比例的增加，蛋白粉中的鉻含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在CaO與NaOH使用比例為5∶3時達(dá)到極小值20.74801 ppm。

4 結(jié)論與展望

（1）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，使用CaO水解的蛋白粉產(chǎn)率可達(dá)42.90%，氮含量可達(dá)13.96%，水分含量低至2.18%，灰分含量低至10.02%，鉻含量可降至20 ppm以下，這些最佳條件基本上出現(xiàn)在CaO用量為8%附近，且隨著CaO用量的增大，蛋白粉中的游離氨基濃度逐漸增加。

（2）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，使用NaOH水解的蛋白粉氮含量可達(dá)11.75%，灰分含量低至6.39%，鉻含量低至43.78 ppm，這些最佳條件基本上出現(xiàn)在NaOH用量為8%附近，且當(dāng)NaOH用量為10%時，水分含量最低為15.96%，隨著NaOH用量的增大，蛋白粉的產(chǎn)率和游離氨基濃度逐漸增加。

（3）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，使用CaO與NaOH復(fù)合水解法制備蛋白粉，其氮含量最高可達(dá)14.15%，灰分含量低至8.20%，鉻含量低至20.75 ppm，這些最佳條件基本上出現(xiàn)在CaO與NaOH使用比例為5∶3時，且隨著使用比例的增加，蛋白粉產(chǎn)率、水分含量均呈逐漸下降的趨勢。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：使用單一CaO水解時，蛋白粉灰分含量較高，鉻含量較低；使用單一NaOH水解時，蛋白粉灰分含量較低，鉻含量較高；使用兩種堿復(fù)合水解時，蛋白粉灰分含量和鉻含量均處于兩種單一堿水解制備的蛋白粉之間，且具有較高的蛋白含量。對三種水解方法制備的蛋白粉比較游離氨基濃度可以發(fā)現(xiàn)，使用NaOH水解制備的蛋白粉游離氨基濃度比使用CaO水解制備的蛋白粉要大很多，且當(dāng)兩種堿復(fù)合水解時，隨著CaO使用比例的增加，游離氨基濃度逐漸降低。兩種堿復(fù)合水解的綜合指標(biāo)比單一堿水解更好，若要降低蛋白粉鉻含量則考慮增加CaO用量，若要增大游離氨基濃度則考慮增加NaOH用量。

本實(shí)驗(yàn)仍存在著很大的研究空間，比如改變中和方式探究灰分含量的變化，或改變水解時間、水解溫度等因素探究蛋白粉各項(xiàng)指標(biāo)的變化。