超聲輔助低濃度堿溶液溶解絲素的研究

（廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

蠶絲是一種天然纖維，具有良好的理化性能，主要由絲膠和絲素組成，其中絲素難溶于一般的化學(xué)試劑，可被強酸、強堿和高濃度的中性鹽溶解。無機強酸或強堿可將絲素蛋白完全降解，但氨基酸破壞嚴重，水解程度不易控制；中性鹽溶解絲素，需要在高濃度、高溫等條件下進行，且有的中性鹽毒性強，污染環(huán)境，后續(xù)除鹽較難，成本高[1-2]。本研究探究低濃度堿溶液對絲素的溶解情況，并在超聲輔助下，研究氫氧化鈉濃度、溶解溫度、溶解時間、浴比（絲素質(zhì)量與溶液體積的比，質(zhì)量單位為g，體積單位為mL）等因素對堿溶液溶解絲素的影響，用光學(xué)顯微鏡對絲素溶解過程進行觀測，通過對溶解度的分析，優(yōu)化出一種溶解絲素的最佳工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

桑蠶繭（廣西鹿寨縣貴盛繭絲工貿(mào)有限公司產(chǎn)），氫氧化鈉、碳酸鈉、鹽酸（AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)）。

1.2 實驗儀器

YB71 型旦尼爾電子天平（常州市幸運電子設(shè)備有限公司產(chǎn)），Y（B）802N 型八籃恒溫烘箱（溫州大榮紡織儀器有限公司產(chǎn)），SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水真空泵（邦西儀器科技有限公司產(chǎn)），LGJ-10D 型冷凍干燥機（上海諾頂儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)），數(shù)顯PHS-3C 型酸度計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)），OLYMPUS-BX43 型生物顯微鏡（北京瑞科中儀科技有限公司產(chǎn)），美國Nicolet5700 型紅外光譜儀（美國熱電尼高力儀器公司產(chǎn)）。

1.3 實驗方法

堿溶液溶解蠶如圖1 所示。

圖1 堿溶液溶解蠶

1.3.1 蠶繭清洗去雜

將蠶繭表面肉眼可見的雜物清理掉，并取出蠶蛹，用去離子水清洗3～5 次，確保清洗干凈，然后放進65℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 脫膠絲素制備

配制質(zhì)量分數(shù)為0.5%的碳酸鈉溶液，稱取一定質(zhì)量的生絲，在常溫條件下放入碳酸鈉溶液中，然后緩慢升溫至100℃，并在100℃下脫膠30 min，浴比為1∶50；經(jīng)上述工藝脫膠2 次后，用去離子水充分洗滌脫膠蠶絲，直至沒有滑膩感，然后于65℃烘干至質(zhì)量恒定，即制得脫膠絲素，避光保存[3]。

1.3.3 溶解過程

圖1 所示為實驗過程中，堿溶液溶解絲素過程及技術(shù)路線。溶液中氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)分別設(shè)置為1%、2%、3%、4%和5%，加熱溫度分別設(shè)置為55℃、60℃、65℃、70℃和75℃，浴比分別設(shè)置為1∶100、1∶50、3∶100、1∶25 和1∶20，并進行單因素優(yōu)選試驗。

1.3.4 超聲協(xié)同輔助溶解

在超聲協(xié)同堿溶液溶解絲素時，超聲功率為500W，頻率為45KHz，恒溫加熱溫度最高為80℃。

1.4 測試方法

1.4.1 溶解度測定

將溶解前的絲素質(zhì)量記為M1，經(jīng)純化干燥后制得純絲素蛋白纖維或粉體，質(zhì)量記為M2，按下式進行溶解率計算[4]。

式中：M1為溶解前質(zhì)量，單位g；M2為溶解后質(zhì)量，單位g；η 為溶解率。

1.4.2 顯微鏡觀測

用移液器取適量絲素蛋白混合液放在載玻片上，制備成臨時裝片，用光學(xué)顯微鏡對溶解后的絲素纖維進行觀察，觀察絲素纖維的溶解程度，測定溶解過程中絲素纖維的長度，并拍照記錄。取適量干燥后的絲素蛋白，同樣的方法，測定溶解純化干燥后的絲素蛋白長度，并拍照記錄。

1.4.3 傅立葉紅外光譜（FTIR）測試分析

分別取適量脫膠后的絲素和實驗制得的絲素蛋白制成粉末，將樣品與溴化鉀粉末混合后分別制成溴化鉀壓片，采用紅外光譜儀進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)對溶解的影響

在超聲協(xié)同輔助下，加熱溫度為60℃，浴比為1∶50，溶解時間為2h 的條件下，研究氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)對絲素溶解的影響。由圖2 可知，隨著氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)的增加，絲素的溶解率也增加。如圖3 所示，質(zhì)量分數(shù)為1%的氫氧化鈉溶液在2h 內(nèi)無法將絲素完全溶解為短纖維；而當氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)大于2%時，絲素均被完全溶解為短纖維或微纖維。對比圖4 中各圖片可發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分數(shù)為3%的氫氧化鈉溶液中的絲素纖維尺寸最均勻，且尺寸最短；而質(zhì)量分數(shù)為5%的氫氧化鈉溶液中的絲素纖維尺寸最長，其對應(yīng)的溶解率最高。根據(jù)溶液顏色、成本等因素綜合考慮，后續(xù)實驗選擇質(zhì)量分數(shù)為3%的氫氧化鈉溶液進行。

圖2 蠶絲溶解率隨氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)變化曲線圖

圖3 絲素溶解實拍圖

圖4 顯微鏡觀測實拍圖

2.2 加熱溫度對溶解的影響

在超聲協(xié)同輔助下，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為3%，浴比為1∶50，溶解時間為2h 的條件下，探究加熱溫度對絲素溶解的影響。由圖5 可知，隨著加熱溫度的增加，絲素的溶解率也隨之增加，這說明提高溶解溫度可加速氫氧化鈉溶液對絲素的溶解，溫度的增加為氫鍵的斷裂提供更多的鍵能，且從圖中可以看出，在溶解溫度從55℃升至65℃時，絲素的溶解率的增加幅度顯著大于溫度從65℃升至75℃時溶解率的增加幅度。綜合考慮，后續(xù)實驗選擇的溶解溫度為65℃。

圖5 蠶絲溶解率隨溶解溫度變化曲線圖

2.3 浴比對溶解的影響

在超聲協(xié)同輔助下，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為3%，溶解溫度為65℃，溶解時間為2h 的條件下，探究加熱溫度對絲素溶解的影響。由圖6 可知，隨著浴比度的增大，絲素的溶解率隨之減小，這說明浴比的大小可直接影響到氫氧化鈉溶液對絲素的溶解率，浴比越小堿溶液對絲素溶解就越充分，需根據(jù)溶解絲素的目的來選擇浴比。在后續(xù)實驗選擇的浴比為1∶50。

圖6 蠶絲溶解率隨浴比變化曲線圖

2.4 時間對溶解的影響

在超聲協(xié)同輔助下，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為3%，溶解溫度為65℃，浴比為1:50 的條件下，探究溶解時間對絲素溶解的影響。由圖7 可知，隨著溶解時間的增長，絲素的溶解率隨之增加，但在9h 內(nèi)，絲素并不能被完全溶解，用顯微鏡觀察時可看到有絲素短纖維存在。絲素在被溶解5h 后，溶解率增加較平緩，因此若以此溶解條件對絲素蛋白溶液進行工業(yè)生產(chǎn)，溶解時間應(yīng)在4～5h 之間。

圖7 蠶絲溶解率隨溶解時間變化曲線圖

2.5 紅外光譜分析

圖8 為在超聲協(xié)同輔助下，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為3%，溶解溫度為65℃，浴比為1∶50 的條件下，分別溶解2h 和9h 制得的絲素和溶解前的絲素的紅外光譜圖。從圖中可以看到在540～550cm-1（歸屬于C-O 面外彎曲振動，酰胺Ⅵ）、610～635cm-1（歸屬于C=O 彎曲振動）、691～695cm-1（歸屬于酰胺Ⅴ）、1005～1030cm-1（歸屬于甘-甘殘基特征吸收峰）、1160～1168cm-1（歸屬于C-O 反對稱伸縮振動）、1229～1236cm-1（歸屬于肽鍵中C-N 伸縮振動，酰胺Ⅲβ 折疊結(jié)構(gòu)）、1330～1480cm-1（歸屬于C-H 鍵的面內(nèi)彎曲振動）、1514～1527cm-1（歸屬于酰胺Ⅱ，β 折疊結(jié)構(gòu)）、1630～1660cm-1（歸屬于酰胺Ⅰ，β 折疊結(jié)構(gòu)）、2920～2934cm-1（歸屬于亞甲基的伸縮振動）、2800～3000cm-1（歸屬于O-H 伸縮振動帶）、3066～3086cm-1（歸屬于蛋白質(zhì)分子中酰胺鍵的特征吸收峰）、3282～3298cm-1（歸屬于蛋白質(zhì)分子的N-H伸縮振動）之間有吸收峰[5-7]。被溶解的絲素纖維蛋白紅外光譜圖與溶解前的絲素纖維蛋白紅外光譜圖基本保持不變，即基本結(jié)構(gòu)沒被破壞。

圖8 絲素纖維紅外吸收光譜圖

3 結(jié)語

利用單因素控制法探究了超聲協(xié)同低濃度堿溶液溶解絲素的性能，將絲素溶解為短纖維的最佳工藝為：堿的質(zhì)量分數(shù)為3%，溶解溫度為65℃左右，浴比為1∶50，可根據(jù)所需絲素纖維尺寸確定溶解時間。此研究可為制備蠶絲蛋白溶液、短纖維或顆粒提供參考依據(jù)，對促進蠶絲在化妝品、食品和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。