用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定絲素蛋白溶液中鹽殘留量的探討

婁永強(qiáng)　包強(qiáng)　彭瑜　李建華　閔思佳

摘要：鹽殘留量是絲素蛋白產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)之一。低鹽殘留量的產(chǎn)品除了對(duì)人體更健康之外，色澤、氣味等外觀品質(zhì)也更為穩(wěn)定。儀器分析和化學(xué)分析是目前精確測(cè)定絲素蛋白產(chǎn)品中鹽殘留量的方法，但是在實(shí)際生產(chǎn)中仍十分需要有實(shí)時(shí)、快速的檢測(cè)手段作為補(bǔ)充。文章探討了用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定的方法，考察了水質(zhì)筆對(duì)多種溶液質(zhì)量濃度變化的響應(yīng)性，并結(jié)合了應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明，水質(zhì)測(cè)試筆的測(cè)試值TDS與CaCl2、NaCl，以及絲素蛋白-CaCl2溶液的質(zhì)量濃度變化都有較高的線性相關(guān)性，水質(zhì)測(cè)試筆的原理和方法在實(shí)時(shí)、快速地大致評(píng)估絲素蛋白溶液中鹽殘留量方面具有應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：絲素蛋白;鹽殘留量;水質(zhì)測(cè)試筆;檢測(cè);評(píng)估

中圖分類號(hào)：TS101.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：10017003（2021）04001005

Abstract：Thesaltresidueisoneofthequalityindexesofsilkfibroinproducts.Theproductswithlowsaltresiduearenotonlyhealthierforhumanbody，butalsomorestableinexteriorqualities，suchascolorandsmell.Instrumentalanalysisandchemicalanalysisarecurrentlymethodstoaccuratelydeterminesaltresiduesinsilkfibroinproducts，buttheystillneedtobesupplementedbyreal-timeandquickdetectionmethodsinpracticalproduction.Thispaperdiscussesthedeterminationmethodwithawaterqualitytestingpenandinvestigatestheresponseofthewaterqualitypentothechangesintheconcentrationofavarietyofsolutions，andassociateswithapplicationexamples.TheresultsshowthattheTDSmeasuredbythewaterqualitypenishighlylinearlycorrelatedwiththechangesintheconcentrationsofCaCl2，NaCl，andfibroin-CaCl2solutions.TheprincipleandmethodoftheTDSwaterqualitytestingpenhaveanapplicationprospectinthefieldofreal-timeandrapidapproximateevaluationofsaltresidueinsilkfibroinsolution.

Keywords：silkfibroin;saltresidue;waterqualitytestingpen;detection;evaluation

作者簡(jiǎn)介：婁永強(qiáng)（1963），男，工程師，主要從事蠶絲蛋白產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用研究。

絲素蛋白與人體相容性優(yōu)良，在醫(yī)用材料、化妝品、保健食品等方面有著廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。絲素蛋白是通過(guò)溶解或水解蠶絲絲素纖維得到的，目前在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)上采用較多的制備方法有鹽溶解、酸水解和堿水解三種方法，其中酸水解和堿水解之后一般還需要進(jìn)一步中和，因此用這三種方法得到的都是含鹽的絲素蛋白或者絲素肽溶液[6-8]。鹽殘留量是絲素蛋白產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)之一，為了得到優(yōu)質(zhì)純凈的絲素蛋白或者絲素肽，含鹽的溶液需要經(jīng)過(guò)除鹽處理。目前除鹽的干凈程度一般是憑經(jīng)驗(yàn)掌握，或者用儀器分析、化學(xué)分析來(lái)定量，但是前者準(zhǔn)確性低，后者對(duì)儀器和操作的要求較高。為了尋求一種既簡(jiǎn)便而又比較準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，本文探討了用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定絲素蛋白溶液中鹽殘留量的可行性。

水質(zhì)測(cè)試筆的工作原理是：根據(jù)水的電導(dǎo)隨水中可溶性物質(zhì)的增加而增強(qiáng)的原理，來(lái)測(cè)定水中所含可溶性物質(zhì)的多少。水質(zhì)測(cè)試筆也稱TDS測(cè)試筆，TDS是總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)totaldissolvedsolids的英文首字母縮寫(xiě)，是指水中總?cè)芙庑晕镔|(zhì)的質(zhì)量濃度，單位mg/L，主要反映的是水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子的質(zhì)量濃度，與水的電導(dǎo)率有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。TDS值越小，水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子的質(zhì)量濃度越低，電導(dǎo)率越小[9]。

從上述理論看，用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定絲素蛋白溶液中鹽的殘留量具有可行性，但是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)增加了溶液的復(fù)雜性，以及一些未知的影響因素，還需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)做驗(yàn)證和探討。CaCl2是常用于溶解絲素的鹽，因此本文以絲素蛋白-CaCl2溶液為主要研究對(duì)象進(jìn)行探討，試驗(yàn)方法和結(jié)論也同樣可供檢測(cè)其他的鹽殘留量作參考。

1 材料和方法

1.1 材 料

水質(zhì)測(cè)試筆（2020款小米水質(zhì)測(cè)試筆，量程0～9990mg/L），藥品氯化鈣、氯化鈉、無(wú)水乙醇均為分析純（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），透析袋（相對(duì)分子質(zhì)量8000～14000，美國(guó)百思泰），蠶繭（山東春繭）。

1.2 方 法

1.2.1 絲素溶液的準(zhǔn)備

準(zhǔn)備干凈的繭殼，用5g/LNa2CO3水溶液脫去絲膠，繭層與溶液的浴比為10︰1（g︰L），微沸水煮30min，脫膠后得到的絲素纖維用去離子水充分洗凈。重復(fù)脫膠一次，得到的絲素纖維在40℃下干燥備用。

用三元溶液n（CaCl2）︰n（H2O）︰n（C2H5OH）=1︰8︰2溶解絲素纖維，絲素與溶液的浴比為10︰0.11（g︰L），85℃下溶解10min。將溶解后得到的溶液冷卻后灌入透析袋中，在去離子水中換水透析3d。

1.2.2 水質(zhì)測(cè)試筆的測(cè)定方法

每個(gè)樣品同時(shí)用3支測(cè)試筆測(cè)定，每次測(cè)定前先將測(cè)試筆在純凈水中校正讀數(shù)至接近零點(diǎn)。溫差對(duì)TDS值有一定的影響[10]，因此測(cè)定在（25±1）℃下進(jìn)行，試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

1.2.3 CaCl2、NaCl溶液的TDS值測(cè)定

用CaCl2和純凈水配置成不同質(zhì)量濃度的溶液，記錄CaCl2質(zhì)量濃度，用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定并記錄TDS值。

測(cè)定NaCl溶液的方法相同。

1.2.4 絲素溶液的TDS值測(cè)定

將制備得到的絲素蛋白溶液用純凈水稀釋或真空濃縮得到不同質(zhì)量濃度的絲素溶液，用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定并記錄TDS值。

1.2.5 絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值測(cè)定

將制備得到的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度20.7g/L和經(jīng)真空濃縮得到的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度41.5g/L的絲素蛋白溶液，與CaCl2配置成不同質(zhì)量濃度的絲素蛋白-CaCl2溶液，用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定并記錄TDS值。

1.2.6 絲素蛋白-CaCl2溶液透析過(guò)程中的TDS值測(cè)定

1）換水透析，將溶解得到的約140mL絲素蛋白-CaCl2溶液，分別裝入7個(gè)透析袋，一起懸掛在大燒杯中。燒杯中加入去離子水2000mL，開(kāi)始時(shí)隔2h換水一次，連續(xù)換5次，然后一天換水3次至透析70h。每次換水時(shí)分別用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定去離子水、透析液、透析袋中溶液的TDS值。透析袋里的溶液測(cè)定后繼續(xù)透析，重復(fù)3次取平均值。

2）流水透析，將分別裝入7個(gè)透析袋的絲素溶液，一起裝入有上進(jìn)水和下排水的容器中，用去離子水約3.75L/h流量透析31h，分別用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定去離子水、透析液、透析袋中溶液的TDS值。透析袋里的溶液測(cè)定后繼續(xù)透析，重復(fù)3次取平均值。

1.2.7 外購(gòu)絲素蛋白粉中殘留鹽量的TDS值測(cè)定

稱取外購(gòu)得到的絲素粉與去離子水配制成50mL不同質(zhì)量濃度的絲素粉液。將絲素粉液放置1h，用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定上清液的TDS值，重復(fù)3次取平均值。

2 結(jié)果和分析

2.1 水質(zhì)測(cè)試筆對(duì)CaCl2和NaCl溶液質(zhì)量濃度變化的響應(yīng)性

考慮用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定絲素蛋白液中鹽的殘留量，首先需要測(cè)試其對(duì)鹽質(zhì)量濃度變化的響應(yīng)性。在測(cè)試中使用了3支水質(zhì)測(cè)試筆，以觀察各支水質(zhì)測(cè)試筆響應(yīng)性之間的差異。測(cè)得的不同質(zhì)量濃度CaCl2溶液的TDS值如圖1所示。

結(jié)果顯示：TDS值低于實(shí)際的CaCl2質(zhì)量濃度，但是兩者呈顯著線性相關(guān)，1號(hào)筆數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)r=0.999，3支筆的測(cè)定值之間存在一些差異，但是趨勢(shì)一致。

為了比較水質(zhì)測(cè)試筆對(duì)其他鹽的響應(yīng)性，用同樣方法對(duì)NaCl溶液進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果顯示：TDS值與NaCl溶液的實(shí)際濃度呈顯著相關(guān)，以1號(hào)筆的數(shù)據(jù)計(jì)算的兩者相關(guān)系數(shù)r=0.999。與CaCl2相比，NaCl的TDS值更接近實(shí)際質(zhì)量濃度。

從以上結(jié)果可以了解到，水質(zhì)測(cè)試筆的TDS值與CaCl2和NaCl質(zhì)量濃度變化都有顯著的線性相關(guān)性，但不同鹽的TDS值與實(shí)際質(zhì)量濃度的響應(yīng)性表現(xiàn)有不同。

2.2 絲素蛋白溶液的TDS值

蛋白質(zhì)不在水質(zhì)測(cè)試筆的主要檢測(cè)范圍內(nèi)，但是本文探討的目的是要檢測(cè)絲素蛋白-CaCl2溶液中鹽的殘留量，所以也需要了解絲素蛋白溶液的質(zhì)量濃度與TDS值的關(guān)系。

用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定質(zhì)量濃度0～40g/L的絲素蛋白溶液的TDS值，結(jié)果如圖3所示。隨著絲素蛋白溶液質(zhì)量濃度的增加，TDS值也增加，但是增值逐步放緩。以1號(hào)筆的數(shù)據(jù)為例，在絲素蛋白溶液質(zhì)量濃度0～10g/L內(nèi)TDS值增加28mg/L，在10～20g/L內(nèi)增加21mg/L，20～30g/L內(nèi)增加19mg/L，30～40g/L內(nèi)TDS值增加17mg/L。分析認(rèn)為，水質(zhì)測(cè)試筆能測(cè)出絲素蛋白溶液的TDS值是因?yàn)樵谌芤褐薪z素蛋白發(fā)生了電離，并帶有電荷。而在溶液中絲素蛋白的電離度會(huì)隨溶液的變化而發(fā)生變化，是不穩(wěn)定的，絲素蛋白質(zhì)量濃度增高時(shí)電離度卻因質(zhì)量濃度的增高而有所降低。這兩種效應(yīng)的疊加，使得在絲素蛋白溶液在質(zhì)量濃度增加時(shí)TDS值的增量卻有所放緩。

2.3 絲素蛋白-CaCl2水溶液的TDS值

在分別了解了CaCl2和絲素蛋白的TDS值后，進(jìn)一步來(lái)分析絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。用實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度20.7g/L和41.5g/L的兩種絲素蛋白溶液分別與不同質(zhì)量濃度的CaCl2調(diào)配成絲素蛋白-CaCl2水溶液，測(cè)出的TDS值如表1所示。因?yàn)?支測(cè)試筆的結(jié)果相似，為了簡(jiǎn)明地說(shuō)明結(jié)果，僅對(duì)1號(hào)筆的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖4）。

首先觀察0g/L絲素蛋白-CaCl2溶液。TDS值低于CaCl2的實(shí)際質(zhì)量濃度，這是由前面討論的水質(zhì)測(cè)試筆對(duì)CaCl2的響應(yīng)性所決定的。

其次觀察20.7g/L絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。在CaCl2低質(zhì)量濃度的情況下，因?yàn)橛薪z素蛋白的TDS值疊加的影響，TDS值高于0g/L絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。但是絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值并不是簡(jiǎn)單地由絲素蛋白所產(chǎn)生的TDS值和CaCl2所產(chǎn)生的TDS值的疊加，而是隨著CaCl2質(zhì)量濃度的升高，TDS值逐漸接近甚至小于0g/L絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。以表1中1號(hào)筆的數(shù)據(jù)為例，CaCl2實(shí)際質(zhì)量濃度在1108mg/L時(shí)，20.7%g/L絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值為884.3mg/L，低于0g/L絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值886.7mg/L。推測(cè)這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因?yàn)?，在鹽溶液里存在蛋白質(zhì)的情況下，鹽離子與蛋白質(zhì)表面的部分電荷會(huì)發(fā)生中和作用，使得溶液中的帶電粒子數(shù)量低于原來(lái)兩種單純?nèi)芤褐械膸щ娏Ｗ訑?shù)量之和。從圖4可以看出，在一定范圍內(nèi)鹽質(zhì)量濃度的增加和蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的增加都能使中和作用增強(qiáng)。譬如，隨著CaCl2質(zhì)量濃度的提高，絲素蛋白TDS值的疊加作用逐漸減小直至由正轉(zhuǎn)為負(fù)，絲素蛋白質(zhì)量濃度的提高也使其TDS值疊加作用的下降更明顯。

雖然絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值變化規(guī)律比較復(fù)雜，但是從圖4可以觀察到在本文所試驗(yàn)的范圍內(nèi)，也是討論鹽殘留量問(wèn)題的一般質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值與實(shí)際溶液中的CaCl2值接近線性相關(guān)，因此可以用線性回歸方程從絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值中近似計(jì)算出溶液中CaCl2的質(zhì)量濃度。

仍以表4中的1號(hào)筆20.7g/L絲素蛋白-CaCl2溶液的TDS值為例，計(jì)算線性回歸方程式為：

例如：1號(hào)筆在20.7g/L絲素蛋白-CaCl2溶液中測(cè)得TDS值為157.3，用式（1）計(jì)算出來(lái)的CaCl2質(zhì)量濃度為111.8mg/L，這時(shí)CaCl2實(shí)際質(zhì)量濃度為110.8mg/L，計(jì)算值和實(shí)際值接近。

2.4 水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定絲素蛋白溶液中鹽殘留量的應(yīng)用

除去CaCl2常用的方法是換水透析或流水透析，透析時(shí)的換水次數(shù)、流水透析時(shí)間及透析后CaCl2的殘留量都是在試驗(yàn)和生產(chǎn)中需要及時(shí)掌握的問(wèn)題。本文舉例用水質(zhì)測(cè)試筆來(lái)解決這些問(wèn)題，所用的絲素蛋白-CaCl2溶液中絲素蛋白的質(zhì)量濃度在20g/L左右，計(jì)算時(shí)運(yùn)用式（1）。

表2是用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)得的換水透析過(guò)程中去離子水、透析液和絲素溶液的TDS值變化。從表2可以看到，換水10次并透析約51h后，透析水的TDS值已經(jīng)接近去離子水，說(shuō)明繼續(xù)透析出來(lái)的CaCl2已經(jīng)是微量。這時(shí)的TDS值為65，用式（1）計(jì)算得實(shí)際殘留CaCl2約為5.14mg/L。繼續(xù)換水至12次，透析至70h，TDS值為61，計(jì)算得實(shí)際殘留的CaCl2約為0.516mg/L，判斷這時(shí)透析的作用已經(jīng)接近結(jié)束。測(cè)定和計(jì)算結(jié)果與一般換水透析時(shí)間為3d相一致。

表3是用水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)得的流水透析過(guò)程中去離子水、透析水和絲素溶液的TDS值的變化。28h后透析水的TDS值已經(jīng)接近去離子水，說(shuō)明這時(shí)CaCl2透析出的速度已經(jīng)大幅降低。這時(shí)絲素溶液的TDS值為74，用式（1）計(jì)算得實(shí)際殘留CaCl2約為15.5mg/L。繼續(xù)流水透析至31h后，絲素溶液的TDS值為55，用式（1）計(jì)算得實(shí)際殘留的CaCl2約為-6.4mg/L，判斷這時(shí)的透析作用已經(jīng)接近結(jié)束。從計(jì)算得到的實(shí)際殘留出現(xiàn)負(fù)值的情況看，用水質(zhì)檢測(cè)筆的測(cè)定和計(jì)算還是存在一定的誤差。分析造成誤差的主要因素有以下幾個(gè)方面：回歸方程的方法本身的誤差;做標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)與應(yīng)用時(shí)的絲素溶液的質(zhì)量濃度不完全一致;測(cè)定溫度的偏差;取樣的誤差。

在生產(chǎn)中可以根據(jù)表2和表3的結(jié)果及對(duì)CaCl2殘留量的要求，來(lái)選擇合適的透析時(shí)間。此外，通過(guò)比較表2和表3也可以了解到，流水透析去除CaCl2的速度更快，當(dāng)然用水量會(huì)多于換水透析。

鹽殘留量是蠶絲蛋白商品的品質(zhì)指標(biāo)之一，交易時(shí)需要一種快速、簡(jiǎn)便的評(píng)估方法。為此，購(gòu)買(mǎi)了一種不溶于水的絲素粉，試對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。測(cè)出上清液的TDS值如表4所示，20g/L絲素粉液的TDS值為950，假設(shè)殘留的鹽是CaCl2，用式（1）計(jì)算得殘留的CaCl2約為1028.2mg/L。

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)表明，水質(zhì)測(cè)試筆的TDS值與絲素蛋白溶液中的鹽質(zhì)量濃度有較高的相關(guān)性，在實(shí)時(shí)檢測(cè)透析過(guò)程中CaCl2殘留量變化時(shí)表現(xiàn)出便捷、快速的特點(diǎn)。對(duì)使用中需要注意的問(wèn)題作如下歸納：

1）在測(cè)定含某種鹽的絲素蛋白溶液的時(shí)候，需要先了解水質(zhì)測(cè)試筆是否對(duì)該鹽的質(zhì)量濃度響應(yīng)呈線性相關(guān);

2）所需檢測(cè)溶液中的絲素蛋白質(zhì)量濃度需要與標(biāo)準(zhǔn)曲線的絲素蛋白質(zhì)量濃度接近，否則誤差比較大;

3）絲素蛋白或者絲素肽的相對(duì)分子質(zhì)量、鹽的種類對(duì)TDS值都有影響，當(dāng)這些要素發(fā)生了變化時(shí)，需要重新作出回歸方程;

4）溫度對(duì)TDS值有較大的影響，測(cè)定需要在恒定的溫度范圍下進(jìn)行。

絲素蛋白相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)TDS值的影響、TDS值與儀器分析結(jié)果的關(guān)系等還有待進(jìn)一步探討。隨著更多影響TDS值因素的解明，水質(zhì)測(cè)試筆的原理和方法有望在輔助實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程中絲素蛋白溶液中鹽的殘留量，以及快速初步評(píng)估絲素蛋白商品中鹽的殘留量等方面顯示出應(yīng)用前景。

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