羊毛角蛋白溶液的離子液體法制備

孫艷麗， 姚金波， 李 博， 賈書剛

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300160； 2. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073)

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羊毛角蛋白溶液的離子液體法制備

孫艷麗1， 姚金波2， 李 博1， 賈書剛1

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300160； 2. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073)

以離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽([AMIM]Cl)為主溶劑，以巰基乙醇為輔助試劑，研究了羊毛纖維在該溶劑體系中的溶解行為。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，在m(羊毛)∶m( [AMIM]Cl)∶m(巰基乙醇)=1∶8.5∶1、溫度為120 ℃、時(shí)間為7.5 h的條件下,羊毛纖維可全部溶解。分析可知，離子液體[AMIM]Cl的強(qiáng)極性作用利于打開纖維內(nèi)部的氫鍵，巰基乙醇可有效拆開二硫鍵，再輔以機(jī)械攪拌的剪切作用，可使纖維解體直至溶解。

離子液體； 溶解； 羊毛纖維； 角蛋白

羊毛具有許多優(yōu)良的特性，如彈性好，手感豐滿，吸濕能力強(qiáng)，保暖性好，不易沾污，光澤柔和，獨(dú)特的縮絨性等[1]，然而，羊毛纖維在經(jīng)歷使用周期后將成為廢棄物。在現(xiàn)有的羊毛資源中，除品質(zhì)優(yōu)良的羊毛已得到充分的利用外，還有大量品質(zhì)較差的粗短毛以及紡織加工過(guò)程中形成的短絨等，它們因無(wú)紡織利用價(jià)值而成為廢棄物。上述廢棄物不僅帶來(lái)了環(huán)境壓力，而且也是對(duì)優(yōu)質(zhì)角蛋白資源的浪費(fèi)。因此，如何充分利用這些資源已經(jīng)引起了各行各業(yè)的關(guān)注，尤其希望將其溶解進(jìn)而制取再生角蛋白。

離子液體是近年來(lái)新生的環(huán)保型溶劑，具有不揮發(fā)、溶解強(qiáng)、可調(diào)節(jié)、易回收等特性[2]。離子液體是由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)/有機(jī)陰離子構(gòu)成，在室溫呈液體狀態(tài)的鹽類[3]。目前，離子液體多用于溶解纖維素[4-5]，但由于離子液體能夠有效拆開氫鍵，近年來(lái)人們開始關(guān)注離子液體法溶解羊毛的研究[6-7]。

為獲得高制得率、高分子質(zhì)量的角蛋白溶液，本文在選用離子液體的基礎(chǔ)上，加入適量的巰基乙醇以有效打開角蛋白分子間—S—S—，進(jìn)而提高溶劑體系的溶解能力。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料、試劑與設(shè)備

材料：羊毛毛條66支。試劑：巰基乙醇，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽([AMIM]Cl)，上海成捷化學(xué)有限公司；亞硫酸氫鈉(NaHSO3)，分析純，天津市化學(xué)試劑研究所；碳酸鈉(Na2CO3)，分析純，天津市化學(xué)試劑研究所；無(wú)水乙醇，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；二氯異氰尿酸(DCCA)，天津市化學(xué)試劑研究所。設(shè)備：數(shù)顯磁力攪拌器，鞏義市英峪儀器廠；DYY-6C型電泳儀，北京市六一儀器廠； BA2000電子顯微鏡，天津市二十八中儀器廠。

1.2 羊毛去鱗片處理

羊毛去鱗片工藝為：DCCA 6%(o.w.f)、浴比1∶25、pH值4.5、溫度25 ℃的條件下處理90 min；40 ℃、NaHSO33%(o.w.f)、浴比1∶25條件下處理15 min后，加入Na2CO3將pH值調(diào)節(jié)至8～9處理15 min，取出水洗，自然晾干。

1.3 離子液體與巰基乙醇對(duì)羊毛的溶解

將1 g去鱗片的羊毛纖維分別置于不同配比的溶劑體系中，觀察不同溫度下的溶解效果，以溶解時(shí)間和SDS-PAGE凝膠電泳作為考察指標(biāo)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1、2所示。

表1 羊毛溶解的正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Orthogonal factor level of dissolving of wool

表2 羊毛溶解的正交試驗(yàn)Tab.2 Orthogonal experiment of dissolving of wool

1.4 羊毛鱗片對(duì)溶解的影響

去鱗片的羊毛纖維和未去鱗片的羊毛纖維各1 g，分別置于8.5 g[AMIM]Cl、1 g巰基乙醇組成的溶劑體系中，于120 ℃、機(jī)械攪拌(700 r/min)的條件下進(jìn)行溶解。用顯微鏡觀察溶解效果，溶解時(shí)間和SDS-PAGE凝膠電泳作為考察指標(biāo)。

1.5 巰基乙醇對(duì)溶解的影響

分別取2份1 g去鱗片處理的羊毛按表3的試驗(yàn)方案進(jìn)行溶解，具體試驗(yàn)安排如表3。用顯微鏡觀察溶解效果，溶解時(shí)間和SDS-PAGE凝膠電泳作為考察指標(biāo)。

表3 溶解工藝對(duì)比Tab.3 Comparison dissolving process

1.6 測(cè)試方法

1.6.1 顯微鏡觀察

在試樣的溶解過(guò)程中，使用顯微鏡在放大100倍條件下拍攝記錄羊毛溶解狀態(tài)。為了方便觀察，用弱酸性紅染料進(jìn)行著色。

1.6.2 凝膠電泳(SDS-PAGE)

采用SDS-聚丙烯酰胺(SDS-PAGE)凝膠電泳法。分離膠15%、濃縮膠5%，垂直平板電泳，加樣量5 μL，電極緩沖液Tris-HCl(pH=8.3)系統(tǒng)，電壓80 V。標(biāo)準(zhǔn)蛋白Marker(14.4、22、31、43、66.2、97.4 ku)。

2 結(jié)果與討論

2.1 羊毛鱗片對(duì)溶解的影響分析

按1.4的方法進(jìn)行試驗(yàn)，羊毛去鱗片溶解時(shí)間為7.5 h，羊毛未去鱗片溶解時(shí)間為9 h，具體溶解狀態(tài)及分子質(zhì)量分布結(jié)果見圖1、2。

圖1 溶解效果對(duì)比(×100)Fig.1 Comparison of dissolving effect(×100). (a) Dissolving effect of removing scales; (b) Dissolving effect of keeping scales; (c) Dissolving effect without mercaptoethanol

圖2 SDS-PAGE凝膠電泳羊毛角蛋白分子質(zhì)量Fig.2 SDS-PAGE gel electrophoretogram

比較溶解時(shí)間可知，未去鱗片的羊毛需要的溶解時(shí)間較長(zhǎng)。比較圖1(a)、(b)，未去鱗片的羊毛溶解得到的角蛋白不均勻且溶解不徹底，存在較多未徹底溶解的片段。去鱗片羊毛不僅溶解時(shí)間短，而且溶解的效果較未去鱗片的徹底，只存在少許未溶解的片段，得到角蛋白溶液更均勻。綜合分析可知，羊毛鱗片層對(duì)其溶解過(guò)程具有一定的消極影響，有研究結(jié)果表明鱗片表層和外層由于胱氨酸含量很高而極難溶解[8-9]，圖1(b)中較多的片段有可能是鱗片表層和外層。鱗片層中存在大量的二硫鍵，雖然巰基乙醇可以打開二硫鍵，離子液體對(duì)鱗片層也有一定的作用[10]，但受鱗片中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)的影響，導(dǎo)致溶解過(guò)程中溶劑對(duì)其溶脹作用減弱。同時(shí)在羊毛去鱗片處理中，雖然DCCA反應(yīng)主要發(fā)生在羊毛的鱗片層部位，但對(duì)羊毛內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有一定影響，也導(dǎo)致其易于溶解。

圖2中a為Mark電泳譜帶，1、2分別為去鱗片羊毛及未去鱗片羊毛溶解得到角蛋白的分子質(zhì)量電泳譜帶。分析可知，1、2號(hào)樣品分子質(zhì)量分布相同，角蛋白分子質(zhì)量分布較寬，主要分布在31、43、66.2 ku和14.4～22 ku，還有少量分布在14.4 ku以下。綜合分析可知，去鱗片與處理過(guò)程不但不會(huì)影響制得的角蛋白的分子質(zhì)量，而且有利于羊毛溶解的均勻性。

2.2 巰基乙醇對(duì)溶解的影響分析

按照1.5小節(jié)工藝進(jìn)行試驗(yàn)，加巰基乙醇所需的溶解時(shí)間為7.5 h，不加巰基乙醇所需的溶解時(shí)間為13.5 h，比較溶解時(shí)間可知，不加巰基乙醇溶解羊毛需要的時(shí)間更長(zhǎng)，觀察圖1(c)可見羊毛溶解得到的角蛋白均勻性較好，但仍存在少量未溶解的片段。顯然，巰基乙醇對(duì)—S—S—的反應(yīng)能力有利于離子液體對(duì)纖維的溶脹乃至溶解作用。

在圖2中3為不加巰基乙醇溶解羊毛得到角蛋白的分子質(zhì)量電泳譜帶。對(duì)比1、3可知，加與不加巰基乙醇得到的角蛋白分子質(zhì)量具有大體相同的分布。但由不加巰基乙醇溶解羊毛工藝得到角蛋白分子質(zhì)量在31～66.2 ku的分布明顯比加巰基乙醇溶解工藝寬一些，說(shuō)明巰基乙醇的加入使羊毛徹底溶解。綜合分析可知，巰基乙醇的加入不僅縮短溶解的時(shí)間，而且有利于打開二硫鍵使纖維徹底溶解。

2.3 溶解工藝優(yōu)化

按1.3小節(jié)工藝將羊毛溶解，以溶解時(shí)間及分子質(zhì)量作為考察指標(biāo)進(jìn)行工藝優(yōu)化。溶解時(shí)間的具體結(jié)果如表4、5所示。

表4 溶解時(shí)間Tab.4 Dissolution time

表5 溶解時(shí)間的主次因素分析Tab.5 Analysis of primary and secondary factors of dissolution time

由表4、5可知，影響溶解時(shí)間的主次因素次序?yàn)椋簻囟?巰基乙醇的用量>[AMIM]Cl的用量。可以看出，隨著溫度的升高、巰基乙醇和[AMIM]Cl用量的增加，溶解時(shí)間不斷縮短。

制得的羊毛角蛋白分子質(zhì)量分布如圖3所示。圖中a為Mark電泳譜帶，1～9為1～9號(hào)樣品電泳譜帶。分析可知，1～9號(hào)樣品分子質(zhì)量分布大致相同，角蛋白分子量分布較寬，分子質(zhì)量集中在31、43、66.2 ku和14.4～22 ku，在14.4 ku以下的分布隨工藝不同而存在差異。3、5、7號(hào)樣品的分子質(zhì)量同其他樣品相比，因?yàn)槭褂玫臏囟茸罡撸?2 ku以下的分布較寬，高分子質(zhì)量的條帶明顯減少，說(shuō)明此時(shí)羊毛角蛋白發(fā)生不同程度的降解。

圖3 正交試驗(yàn)SDS-PAGE凝膠電泳羊毛角蛋白分子質(zhì)量結(jié)果Fig.3 SDS-PAGE gel electrophoretogram of orthogonal experiments

綜合分析可知，影響羊毛溶解的最關(guān)鍵因素是溫度，盡管高溫有利于羊毛的溶解，但對(duì)分子質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，羊毛角蛋白易發(fā)生降解。為減少角蛋白的降解，并保證羊毛在較短時(shí)間內(nèi)溶解，則將溫度選取為120 ℃。[AMIM]Cl的用量對(duì)溶解時(shí)間產(chǎn)生的影響最小，說(shuō)明當(dāng)其用量達(dá)到一定值時(shí)，溶解時(shí)間的變化并不大，但從成本、操作性和溶解效率的角度出發(fā)，[AMIM]Cl的用量以8.5 g(以1 g羊毛計(jì)量)為最好。巰基乙醇用量對(duì)溶解時(shí)間的影響較大，增加用量可明顯縮短溶解時(shí)間，且對(duì)分子質(zhì)量影響較小，以 1 g/g羊毛為宜。

離子液體[Amim]Cl、巰基乙醇溶解體系溶解羊毛的最佳工藝為：m(羊毛)∶m([AMIM]Cl)∶m(巰基乙醇)=1∶8.5∶1，溫度120 ℃，機(jī)械攪拌(700 r/min)。

3 結(jié) 論

1)巰基乙醇與離子液體[AMIM]Cl配合使用可以高效溶解羊毛，最終獲得透明淡黃色角蛋白溶液，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化的溶解工藝為：m(羊毛)∶m([AMIM]Cl)∶m(巰基乙醇)=1∶8.5∶1，溫度120 ℃，機(jī)械攪拌(700 r/min)。

2)去除羊毛鱗片可以有效提高溶解效率，角蛋白質(zhì)溶液的分子質(zhì)量分布主要集中在31、43、66.2 ku和14.4～22 ku，也有少量分布在14.4 ku以下。

FZXB

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Preparation of wool keratin solution with ionic liquid

SUN Yanli1, YAO Jinbo2, LI Bo1, JIA Shugang1

(1.SchoolofTextile，TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China； 2.SchoolofChemicalEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430073,China)

The dissolution of wool fiber was studied in the solvent system with 1-allyl-3-methyl imidazole chloride (AMIM [Cl]) as main solvent and mercaptoethanol as auxiliary reagent. The orthogonal experiments result indicates that the optimal dissolving process of wool fabric was thatm(wool):m(AMIM[Cl]):m(mercaptoethanol)=1∶8.5∶1, temperature at 120 ℃ and time for 7.5 h. Under these treatment conditions, wool fibers can be completely dissolved. The polarity of AMIM[Cl] and mercaptoethanol can open the hydrogen bonds and disulfide bonds, in combination with the shearing of mechanical mixing, wool fiber can be dissolved.

ionic liquid; dissolve; wool fiber; keratin

2014-03-31

2014-08-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAE01B02)

孫艷麗(1989—)，女，碩士生。研究方向?yàn)槔w維結(jié)構(gòu)與性能。姚金波，通信作者，E-mail:yao_yaojinbo@tjpu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20140307304

TS 195.5

A