以制革廢棄物制備的復合氨基酸材料及其清潔脫灰

王浩，雷超，曾運航＊，石碧，

（1.四川大學制革清潔技術國家工程實驗室，四川成都610065；2.四川大學皮革化學與工程教育部重點實驗室，四川 成都610065）

前言

脫灰是制革準備工段中銜接浸灰和軟化過程的一個重要工序，具有降低浸灰裸皮pH、脫除皮內(nèi)灰堿、消除裸皮膨脹狀態(tài)、為后工序創(chuàng)造適宜條件等作用。銨鹽（硫酸銨和氯化銨）因具有pH緩沖性好、滲透快、價格低等顯著優(yōu)勢，是應用最廣泛的脫灰劑[1]。然而，銨鹽脫灰一方面會使脫灰過程產(chǎn)生有刺激性氣味、危害人體健康的氨氣，另一方面會造成制革廢水的氨氮（NH3-N）濃度過高[2]。排放高濃度的NH3-N廢水將引起水體富營養(yǎng)化[3]，國家標準GB 30486-2013《制革及毛皮加工工業(yè)水污染物排放標準》規(guī)定現(xiàn)有和新建制革企業(yè)NH3-N的直接排放濃度限值分別為25 mg/L和15 mg/L。傳統(tǒng)脫灰工序使用的大量銨鹽是制革NH3-N污染物的主要來源[2]，用少/無氨脫灰劑替代銨鹽是從源頭削減NH3-N污染的重要途徑。經(jīng)過多年研究，現(xiàn)已開發(fā)了多種無氨脫灰劑，如二氧化碳[4]、鎂鹽[5]、有機酸和酯類[6-7]、硼酸[8-9]等，但它們或pH緩沖性差、滲透慢，或成本較高，或具有毒性。因此，仍需繼續(xù)開發(fā)脫灰效果好、價格低廉、環(huán)境友好的無氨脫灰劑。

氨基酸是既有酸性基團-COOH，又有堿性基團-NH2的兩性化合物。當溶液的pH高于氨基酸的等電點（pI）時，氨基酸中的-NH3+給出質(zhì)子，帶凈的負電荷；反之當溶液的pH低于氨基酸的pI時，氨基酸中的-COO-結合質(zhì)子，帶凈的正電荷[10]。組成蛋白質(zhì)的二十余種基本氨基酸中，僅有精氨酸（pI，10.76）和賴氨酸（pI，9.74）的pI高于9[11]。這說明多數(shù)基本氨基酸能在脫灰浴液中釋放質(zhì)子，中和浴液和裸皮中的堿，且具有一定的緩沖能力。另外，氨基酸可與氫氧化鈣反應生成溶解度較大的鈣鹽[12]，利于除去浸灰裸皮中結合的鈣。氨基酸中的氮在水中也不以NH3-N形式存在，即不會產(chǎn)生NH3-N污染。因此從理論上講，大多數(shù)基本氨基酸都具備作為清潔脫灰劑的潛力。其中，甘氨酸已被證明是一種性能優(yōu)良的脫灰劑[13]，但是甘氨酸多用于醫(yī)藥食品行業(yè)、價格較高[14]，這限制了其在皮革脫灰領域的商業(yè)應用。

制革過程產(chǎn)生的廢棄牛毛、生皮邊角料等廢棄物含有大量的蛋白質(zhì)，可用于低成本制備復合氨基酸。酸水解蛋白質(zhì)具有水解效率高、成本低的優(yōu)點，是目前生產(chǎn)復合氨基酸的常用方法[15]。因此，本文用廢棄牛毛和生皮邊角料作為原料，通過硫酸水解法制備了以復合氨基酸為主要成分的脫灰劑，希望通過資源化利用制革廢棄物獲得價廉、高效、清潔的脫灰劑?？疾炝怂鉁囟?、硫酸濃度、水解時間和固液比等水解條件對廢棄牛毛和生皮邊角料水解產(chǎn)物中氨基酸產(chǎn)率的影響，并采用優(yōu)化的水解條件制備了牛毛深度水解物（BHDH）和牛皮深度水解物（CDH）；接著使用BHDH和CDH進行牛皮脫灰實驗，考察了其pH緩沖性能、在裸皮內(nèi)的滲透速度和脫鈣能力等脫灰性能，以及對脫灰廢液NH3-N、總氮（TN）和有機碳（TOC）濃度的影響。

1 實驗部分

1.1 主要材料和試劑

廢棄牛毛（以下簡寫為牛毛），經(jīng)保毛脫毛法處理牛皮所得，進行酸水解實驗前需水洗、晾干。浸灰牛皮（厚度2.2 mm），由鹽濕牛皮經(jīng)常規(guī)浸水、去肉、浸灰（硫化鈉用量3%，石灰用量7.5%）和片皮等操作制備。生皮邊角料（以下簡寫為牛皮），用二層浸灰牛皮經(jīng)脫灰（溫度32℃，水100%，甲酸3%，時間4 h）、水洗、剪切、干燥等處理制備。濃硫酸、氫氧化鈉、硫酸銨，分析純，成都金山化學試劑有限公司。用于脫灰劑、裸皮和廢液分析檢測的試劑均為分析純，皮革化工材料均為工業(yè)級。氨氮測定預制試劑盒（高量程，0.4~50.0 mg/L），福州福光水務科技有限公司。

1.2 主要儀器

GSD型熱泵循環(huán)不銹鋼控溫試驗轉鼓（Φ400 mm×200 mm），無錫市新達輕工機械有限公司；PHS-3C型精密酸度計，上海大普儀器有限公司；UV-1800PC型紫外可見光分光光度計，上海美普達公司；DR6000型水質(zhì)分析儀，美國哈希公司；KSL-120X-M型箱式電阻爐，合肥科晶材料技術有限公司；K1306型全自動凱氏定氮儀，上海晟聲自動化分析儀器有限公司；L-8900型全自動氨基酸分析儀，日本日立公司；LGJ-T40標準型冷凍干燥機，北京四環(huán)起航科技有限公司；M205C型體視顯微鏡，德國徠卡公司；Optima 2100DV型電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES），美國珀金埃爾默有限公司；Liqui TOC型TOC/TNb分析儀，德國Elementar公司；Gemini SEM 300型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國蔡司公司；AI7000-S型拉力試驗機，中國高鐵檢測儀器有限公司；GT-303型皮革柔軟度測試儀，中國高鐵檢測儀器有限公司；GX-5071-A型皮革崩裂試驗機，東莞高鑫檢測設備有限公司。

1.3 復合氨基酸脫灰劑的制備

1.3.1 水解條件的優(yōu)化

用硫酸水解牛毛和牛皮制備復合氨基酸。我們前期的正交試驗結果（略）表明，各水解條件對牛毛和牛皮氨基酸產(chǎn)率的影響順序為：水解溫度＞硫酸濃度＞水解時間＞固液比。故本節(jié)在此基礎上通過單因素試驗依次考察了水解溫度、硫酸濃度、水解時間和固液比等對牛毛和牛皮水解產(chǎn)物中游離氨基酸和NH3-N產(chǎn)率的影響。

（1）水解溫度的影響

將牛毛或牛皮與7 mol/L硫酸溶液按照固液比1∶4混合，分別于80、90、100、110和120℃加熱水解2 h，然后取樣測定水解產(chǎn)物中的游離氨基酸和NH3-N產(chǎn)率。

（2）H2SO4濃度的影響

將牛毛 或牛皮與 不同濃度（3、4、5、6和7 mol/L）的硫酸溶液按照固液比1∶4混合，于110℃水解反應2 h，然后取樣檢測。

（3）水解時間的影響

將牛毛或牛皮與5 mol/L硫酸溶液按照固液比1∶4混合，于110℃分別加熱水解2、3、4、5和6 h，然后取樣檢測。

（4）固液比的影響

將牛毛或牛皮與5 mol/L硫酸溶液按照不同的固液比（1∶2、1∶3、1∶4、1∶5和1∶6）混合，于110℃加熱水解一定時間（牛毛加熱5 h，牛皮加熱4 h），然后取樣檢測。

1.3.2 水解產(chǎn)物中游離氨基酸和NH3-N產(chǎn)率的測定

采用茚三酮顯色法測定所取樣品中的游離氨基酸濃度[16]，用水質(zhì)分析儀和氨氮測定預制試劑盒測定NH3-N濃度，并根據(jù)式（1）和（2）計算水解產(chǎn)物中的游離氨基酸產(chǎn)率和NH3-N產(chǎn)率。

式中ρ1——水解液中游離氨基酸的質(zhì)量濃度，單位mg/L；

ρ2——水解液中NH3-N的質(zhì)量濃度，單位mg/L；

V——水解液的體積，單位L；

m——牛毛或牛皮的質(zhì)量，單位g。

1.3.3 BHDH和CDH的制備

將牛毛或牛皮與5 mol/L硫酸溶液按照固液比1∶4混合后，于110℃水解一定時間（牛毛5 h；牛皮4 h）。然后，用10 mol/L氫氧化鈉溶液中和水解液的pH至5.0~5.5，冷卻后過濾去除未水解的殘渣和結晶鹽。最后，用冷凍干燥機將濾液凍干，得到BHDH和CDH。

1.3.4 BHDH和CDH的組分分析

采用直接干燥法測定BHDH和CDH的水分含量[17]；用索氏抽提法測定脂肪含量[18]；用全自動凱氏定氮儀測定粗蛋白含量，折算系數(shù)為6.25；將BHDH和CDH置于電爐中，在550℃灼燒4 h測定總灰分[19]；用全自動氨基酸分析儀測定BHDH和CDH的游離氨基酸組成；用水質(zhì)分析儀測定BHDH和CDH溶液的NH3-N濃度，然后計算其NH3-N含量。

1.4 BHDH和CDH的脫灰性能評價

取一張浸灰牛皮分為三組，每組均包括頸部、背部、臀部和腹部牛皮各一塊。三組浸灰牛皮分別用硫酸銨、BHDH和CDH進行脫灰實驗，脫灰溫度32℃，水用量為100%，轉動90 min。硫酸銨用量為3%，BHDH和CDH的用量為2%、3%、4%和5%（以水洗后的浸灰裸皮質(zhì)量為基準）。

在脫灰10、20、30、40、60和90 min時測定脫灰浴液的pH，并用酚酞指示劑檢查裸皮切口，以判斷裸皮是否脫透，同時用體視顯微鏡拍攝裸皮切口的顯微照片。脫灰結束后，根據(jù)文獻所述方法測定脫灰裸皮的鈣含量，并根據(jù)公式（3）計算脫灰裸皮的脫鈣率[9]。

脫灰90 min后，取脫灰廢液并用100目濾布過濾，然后用水質(zhì)分析儀測定其NH3-N濃度，用TOC/TN分析儀測定其TOC和TN濃度。

此外，將脫灰裸皮進行軟化、浸酸、鉻鞣、復鞣、染色和加脂等工序的處理，制成坯革。按照標準方法取樣測定加脂坯革的柔軟度、抗張強度、撕裂強度和崩破強度等物理性能[20-24]，并用SEM觀察坯革的粒面和斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 牛毛和牛皮水解條件的優(yōu)化結果

本文的主要目的是用制革廢棄物制備復合氨基酸類脫灰劑，但因為蛋白質(zhì)在水解過程中會產(chǎn)生少量的NH3-N（脫灰工序不希望引入的污染物），所以本節(jié)以牛毛和牛皮水解產(chǎn)物中游離氨基酸和NH3-N的產(chǎn)率作為評價指標，對水解條件進行了優(yōu)化。由圖1（a）可知，當水解溫度從80℃升至110℃時，牛毛和牛皮水解產(chǎn)物中的氨基酸產(chǎn)率分別從20.2%增至50.4%，以及從27.4%增至74.0%；水解溫度繼續(xù)從110℃升至120℃時，氨基酸產(chǎn)率的增幅較小。此外，水解產(chǎn)物的NH3-N產(chǎn)率隨著水解溫度的升高而逐漸增加。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因應該是高溫加快了肽鍵的水解，提高了氨基酸產(chǎn)率，但同時加強了硫酸對氨基酸產(chǎn)物的破壞，導致NH3-N產(chǎn)率升高。由圖1（b）可知，當硫酸濃度從3 mol/L增至5 mol/L時，水解產(chǎn)物的氨基酸產(chǎn)率增加較明顯，而繼續(xù)增大硫酸濃度，氨基酸產(chǎn)率僅小幅上升；另一方面，當硫酸濃度從3 mol/L升至7 mol/L時，NH3-N產(chǎn)率一直增長。由圖1（c）可知，牛毛和牛皮分別在水解5 h和4 h后，氨基酸產(chǎn)率基本不再升高；牛毛水解物中的NH3-N隨水解時間的延長而逐漸增多，但牛皮水解物中NH3-N隨時間的變化并不明顯。由圖1（d）可知，固液比為1∶4時的氨基酸產(chǎn)率明顯高于固液比為1∶2和1∶3時的氨基酸產(chǎn)率，這可能是由于固液比達到1∶4后，牛毛和牛皮能更充分地接觸硫酸溶液，加快蛋白質(zhì)的水解。

圖1 水解溫度（a）、硫酸濃度（b）、水解時間（c）和固液比（d）對牛毛和牛皮水解產(chǎn)物中游離氨基酸和NH3-N產(chǎn)率的影響Fig.1 Effects of hydrolyzing temperature(a),sulfuric acid concentration(b),hydrolyzing time(c)and solid-liquid ratio(d)on the yields of free amino acids and NH3-N in the hydrolysis products of bovine hair and cattle hide

綜合考慮水解產(chǎn)物的氨基酸產(chǎn)率、NH3-N產(chǎn)生量、材料成本等因素，本文選擇的最佳水解條件為：水解溫度110℃，H2SO4濃度5 mol/L，水解時間5 h（牛毛）和4 h（牛皮），固液比1∶4。在最佳水解條件下，牛毛水解產(chǎn)物的游離氨基酸產(chǎn)率為44.5%，NH3-N產(chǎn)率為16.6 mg/g；牛皮水解產(chǎn)物的游離氨基酸產(chǎn)率為79.6%，NH3-N產(chǎn)率為24.6 mg/g。牛皮水解產(chǎn)物的氨基酸產(chǎn)率明顯高于牛毛水解產(chǎn)物，這是因為牛皮的蛋白質(zhì)組分主要是膠原，而牛毛的主要蛋白質(zhì)組分是角蛋白，兩者中膠原更易被酸水解。

2.2 BHDH和CDH的組分分析

采用上述最佳水解條件制備了牛毛的深度水解產(chǎn)物BHDH和牛皮的深度水解產(chǎn)物CDH。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，BHDH和CDH的水分含量均低于4%；總灰分含量約40%~47%，這是因為用氫氧化鈉溶液中和牛毛及牛皮的酸水解液時產(chǎn)生了大量的硫酸鈉；蛋白質(zhì)含量約為50%，游離氨基酸含量約40%；NH3-N含量為10~12 mg/g（BHDH的NH3-N含量為10.32 mg/g，CDH的NH3-N含量為12.04 mg/g），遠低于硫酸銨的NH3-N含量（254 mg/g）。圖2是BHDH和CDH中各種氨基酸占總游離氨基酸的質(zhì)量百分比。可以看出，BHDH含有17種氨基酸，CDH含有16種氨基酸（比BHDH少一種半胱氨酸）。在酸水解過程中，色氨酸被完全破壞，天冬酰胺和谷氨酰胺會脫酰胺基，絲氨酸和蘇氨酸也被部分破壞[25]。

表1 BHDH和CDH的組分Tab.1 Components of BHDH and CDH

圖2 BHDH和CDH中氨基酸的質(zhì)量百分比Fig.2 Mass percentages of amino acids in BHDH and CDH

2.3 BHDH和CDH的pH緩沖性能

脫灰工序的主要目的之一是將浸灰裸皮的pH從12~13降至9左右，因此脫灰劑一般是酸性物質(zhì)。特別地，為了避免脫灰裸皮酸腫和保證脫灰劑快速滲透裸皮，在脫灰過程中應防止浴液pH驟降，這就需要脫灰劑最好能與浸灰裸皮中的灰堿形成pH 8~9的緩沖體系[26]。圖3（a）和3（b）分別是用2%~5%的BHDH和CDH脫灰時浴液pH隨時間的變化曲線。用2%的BHDH和CDH脫灰10 min時，浴液的pH分別為8.62和8.70，接近3%硫酸銨脫灰10 min時浴液的pH（8.87）；繼續(xù)增加BHDH和CDH的用量至5%，脫灰10 min時浴液的pH有所降低，但仍然高于8。另外，在BHDH和CDH脫灰的整個過程中，浴液的pH基本穩(wěn)定在8~9的范圍內(nèi)。這些現(xiàn)象說明BHDH和CDH具有非常適合脫灰的pH緩沖性能，因為它們的氨基酸、小肽等組分既有堿性的氨基，又有酸性的羧基。

圖3 BHDH（a）和CDH（b）的用量對脫灰過程中浴液pH的影響Fig.3 Effects of the dosages of BHDH(a)and CDH(b)on the float pH during the deliming process

2.4 BHDH和CDH在裸皮內(nèi)的滲透速度

良好的脫灰劑應能迅速滲透裸皮，使裸皮快速消腫而變得柔軟，以縮短脫灰時間和減少裸皮的機械損傷[1]。本節(jié)用硫酸銨、BHDH和CDH（用量均為3%）對浸灰牛皮的不同部位進行脫灰，結果如表2和圖4所示。硫酸銨能在30 min內(nèi)完全滲透裸皮頸部，在10 min內(nèi)滲透其它部位；BHDH和CDH需要40~50 min才能完全滲透裸皮頸部，在20 min內(nèi)能脫透裸皮的背部和腹部。與其它有機酸類脫灰劑相比，BHDH和CDH在裸皮內(nèi)的滲透速率更快，更接近銨鹽的脫灰效果[6]。這是因為BHDH和CDH脫灰浴液的pH（圖3）始終高于浸灰裸皮的pI（6左右[13]），使得裸皮表面帶負電荷，不易吸引同樣帶負電荷的氨基酸陰離子，這有利于BHDH和CDH向裸皮內(nèi)層滲透[13]。

圖4 滴加酚酞后浸灰裸皮和脫灰裸皮（脫灰20 min）縱剖面的體視顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Stereomicroscope images of vertical sections of the limed hide and the hides delimed for 20 min after checking with phenolphthalein

表2 BHDH和CDH在裸皮不同部位的滲透時間Tab.2 PenetrationtimesofBHDHandCDHindifferentpartsofhide

2.5 BHDH和CDH對裸皮的脫鈣效果

裸皮的脫鈣程度會影響后續(xù)軟化工序蛋白酶的軟化效果、藍濕革及染色加脂坯革表面顏色的均勻性等[9]。本節(jié)測定了BHDH和CDH脫灰后裸皮的脫鈣率，結果如圖5所示。除了2% BHDH和CDH脫灰裸皮的脫鈣率略低于硫酸銨脫灰裸皮外，3%~5%BHDH和CDH脫灰裸皮的脫鈣率均高于硫酸銨脫灰裸皮，說明BHDH和CDH能夠有效脫除浸灰裸皮內(nèi)的灰堿。這是因為BHDH和CDH中的氨基酸組分能與石灰反應生成溶解度較大的鈣鹽[12]。

圖5 脫灰裸皮的脫鈣率Fig.5 Removal extents of calcium from the delimed hides

2.6 BHDH和CDH脫灰對坯革性能的影響

本節(jié)通過比較硫酸銨、BHDH和CDH（用量均為3%）脫灰裸皮制成的坯革的形貌和物理性能，評價了BHDH和CDH脫灰對坯革性能的影響。由圖6中的SEM照片可以看出，三種坯革均具有清晰的粒面和相似的膠原纖維網(wǎng)絡。此外，這三種坯革的抗張強度、撕裂強度、崩破強度和柔軟度等物理性能接近（表3），說明BHDH和CDH脫灰可以保證皮革的品質(zhì)。

表3 坯革的物理性能Tab.3 Physical properties of the crust leathers

圖6 坯革粒面和縱剖面的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of grain surfaces and cross-sections of the crust leathers

2.7 BHDH和CDH脫灰對廢液指標的影響

為了評估BHDH和CDH脫灰對環(huán)境的影響，本節(jié)測定了硫酸銨、BHDH和CDH（用量均為3%）脫灰廢水的NH3-N、TN和TOC濃度，結果如表4所示。BHDH和CDH中僅含有少量蛋白質(zhì)深度水解時產(chǎn)生的NH3-N，因此脫灰廢水的NH3-N濃度比硫酸銨脫灰廢水下降了94%以上。硫酸銨脫灰廢水的TN質(zhì)量濃度高達4244 mg/L，TN主要來源于銨鹽的使用和皮蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物；BHDH和CDH脫灰廢水的TN質(zhì)量濃度低于1500 mg/L，TN主要來自脫灰劑本身所含的有機氮和少量NH3-N，以及皮蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物。另外，雖然BHDH和CDH作為含碳有機物，造成脫灰廢水的TOC濃度約為硫酸銨脫灰廢水的3倍，但這反而可以作為碳源，改善傳統(tǒng)制革綜合廢水過低的C/N比，提高制革綜合廢水的生物處理效果。

表4 脫灰廢水的NH3-N、TN和TOC質(zhì)量濃度Tab.4 NH3-N,TN,and TOC concentrations of deliming effluent

3 結論

用硫酸水解制革廢棄牛毛和生皮邊角料適用于制備高效價廉的氨基酸類清潔脫灰劑。該類脫灰劑能與浸灰裸皮內(nèi)的灰堿作用形成pH 8~9的緩沖體系，較快地脫透裸皮，且脫鈣效果略優(yōu)于硫酸銨。此外，該類材料能從源頭大幅削減銨鹽脫灰廢液的NH3-N和TN濃度。雖然它們會向脫灰廢水中引入TOC，但有助于提高制革綜合廢水的C/N比，將有利于綜合廢水的生物處理。