羊絨纖維的還原法降解回收*

田 英，麻文效，朱芳斌，劉 璐，米慧瓊

(內蒙古工業大學輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080)

羊絨是一種珍貴的動物纖維，但其紡織品廢舊后利用率很低，大多作為垃圾處理，屬于生態資源的極大浪費。調查發現，動物纖維含有大量角蛋白[1-3]，而角蛋白在紡織、生物醫藥、化妝品、飼料及高分子材料等領域有良好的應用前景[4]，所以開發利用羊絨角蛋白質資源值得研究。

毛羽纖維的化學降解是提取角蛋白的常見手段，包含有酸法[5]，堿法[6]，氧化法[7]，還原法[8]，酶法[9]等。酸堿法、氧化法得到角蛋白的相對分子量小，不利于應用；酶法尚不成熟；還原法提取角蛋白的相對分子質量較大，可用于紡絲加工。

二氧化硫脲(TDO)具有強的還原能力，在羊絨剝鱗片處理中有突出效果[10]，本研究將采用其作為降解體系的還原劑。配合降解的有效性，十二烷基硫酸鈉(SDS)作為巰基阻聚劑和尿素作為角蛋白伸展劑也將被加入該體系。最終探索TDO/尿素/SDS混合液對羊絨角蛋白提取的適宜工藝，具體流程如圖1所示。

圖1 羊絨角蛋白提取工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of cashmere keratin extraction

1 實 驗

1.1 材料、試劑與儀器

材料：羊絨(直徑16-30 μm，長度>38 mm)，內蒙古北平紡織有限公司；透析袋(MWCO：8000～14000 Da)，上海源葉技術有限公司。

試劑：TDO(AR)，上海賢鼎生物科技有限公司；尿素(AR)，天津市科密歐化學試劑有限公司；SDS(AR)，上海博彩生物科技有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、去離子水。

儀器：KQ-300B型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,鄭州科泰實驗設備有限公司；TG16G臺式高速離心機,金壇市高科儀器廠；微型凝膠電泳裝置,Bio-Rad公司Mini Protean Ⅱ型電泳儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 羊絨纖維的預處理

稱取未經處理過的羊絨，經無水乙醇溶液中超聲洗滌10 min，然后用清水洗凈，去除殘留的乙醇，洗滌完成后將羊絨放入70 ℃烘箱中烘干。

1.2.2 羊絨纖維的降解

將烘干后的羊絨，放入到含有適量TDO、尿素、SDS的混合溶液中，浴比1:50，一定溫度下降解4 h。

1.2.3 提取角蛋白

將角蛋白溶液倒入透析袋，在去離子水中透析兩天，每8 h換一次，透析48 h。透析結束后，倒出透析袋內溶液于燒杯中，過濾去除透析袋內固液混合物，滴加鹽酸至等電點4.5～5，離心處理，得到乳白色沉淀物，50 ℃烘干后研磨，得到白色粉末狀物質。

1.3 檢測方法

1.3.1 羊絨溶解率(CDR) 測定

將質量為M0的羊絨溶解，溶解4 h后，溶液過濾，充分洗滌不溶物，以洗去未反應的藥劑，注意洗滌過程中應避免不溶物的流失。將不溶物放入烘箱中烘至恒重M1，濾紙質量為M2，計算公式見式1。

(1)

1.3.2 角蛋白提取率(KER)測定

角蛋白溶液經透析后，調節pH 值至等電點4.5～5，離心烘干，研磨后得到角蛋白粉末，質量為M3，計算公式見式2。

(2)

1.3.3 分子量測定

采用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法(SDS-PAGE)測定角蛋白粉末的分子量。濃縮膠電壓為90 V，分離膠電壓為130 V，蛋白Marker(10～170 kDa)，用考馬斯亮藍G250染色，觀察電泳后凝膠上的蛋白質條帶。

2 結果與討論

2.1 提取角蛋白初步工藝優化

探討反應溫度、TDO濃度、尿素濃度、SDS濃度、pH的單因素實驗，以溶解率、提取率為評價指標對還原法提取角蛋白工藝進行研究。

2.1.1 反應溫度優化

溶解過程中保持反應時間4 h、浴比1:50、50 g/L尿素、50 g/L SDS、pH=8，探討反應溫度對羊絨溶解率、提取率的影響，實驗結果如圖2所示。

圖2 反應溫度對溶解率、提取率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on dissolution rate andextraction rate

由圖2可以看出，溶解率隨溫度的升高而增大，提取率隨溫度的升高，先升高后降低。當反應溫度超過90 ℃后，角蛋白提取率下降，原因是角蛋白分子鏈斷裂，形成小分子的多肽和氨基酸[11]，因此提取角蛋白最適宜溫度為90 ℃。

2.1.2 TDO濃度優化

溶解過程中保持反應溫度90 ℃、反應時間4 h、浴比1:50、50 g/L尿素、50 g/L SDS、pH=8，探討TDO濃度對羊絨溶解率、提取率的影響，實驗結果如圖3所示。

圖3 TDO濃度對溶解率、提取率的影響Fig.3 Effect of concentration of TDO on dissolution rateand extraction rate

由圖3可以看出，隨著TDO濃度的增加，羊絨的溶解率、提取率均先增加后減小。還原劑TDO釋放的還原氫使二硫鍵還原形成巰基，從而羊絨溶解。但當其濃度增加大于55 g/L，溶液中巰基與二硫鍵互換，氧化形成分子內或分子間二硫鍵，達動態平衡。當TDO濃度為55 g/L時，溶解率、提取率均達到最值，分別為78 g/L、58 g/L，因此提取角蛋白最佳TDO濃度為55 g/L。

2.1.3 尿素濃度優化

溶解過程中保持反應溫度90 ℃、反應時間4 h、浴比1:50、55 g/L TDO、50 g/L SDS、pH=8，探討尿素濃度對羊絨溶解率、提取率的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 尿素濃度對溶解率、提取率的影響Fig.4 Effect of urea concentration on dissolution rate andextraction rate

由圖4可以看出，尿素濃度對羊絨溶解率、提取率影響較大。尿素作為角蛋白伸展劑，濃度較高時，主要破壞疏水基團的疏水作用，去多肽鏈折疊使其伸展。隨著尿素濃度的增加羊絨溶解率不斷增加，由50 g/L時的45%增加到250 g/L時的85%，是因為尿素破壞分子間氫鍵和鹽式鍵，使得羊絨溶脹，TDO更易進入纖維內部，破壞二硫鍵。另尿素在堿性條件加熱分解產生的氨氣溶于水，能使堿性增強，溶解率增加，但濃度高于100 g/L后，提取率下降，是由于分子鏈發生斷裂導致。綜合考慮溶解率和提取率兩個因素，因此提取角蛋白最佳尿素濃度為150 g/L。

2.1.4 SDS濃度優化

溶解過程中保持反應溫度90 ℃、反應時間4 h、浴比1:50、55 g/L TDO、150 g/L尿素、pH=8，探討SDS濃度對羊絨溶解率、提取率的影響，實驗結果如圖5所示。

圖5 SDS濃度對溶解率、提取率的影響Fig.5 Effect of SDS concentration on dissolution rate andextraction rate

由圖5可以看出，SDS濃度對羊絨溶解率、提取率影響較小。SDS作為巰基阻聚劑，使角蛋白分子聚集成膠束以保護巰基，防止巰基被空氣氧化重新生成二硫鍵，溶解率升高。因SDS與角蛋白形成膠束，可提高蛋白質分子量，提取率增大。當SDS濃度高于120 g/L時，溶解率、提取率分別穩定在65 g/L、45 g/L附近，因為此時已經達到SDS的臨界膠束濃度(CMC)[12]，溶解率不再增加。若SDS濃度過大，反應中易產生大量泡沫，不利于反應進行。當SDS濃度為120 g/L時，溶解率與提取率均達到最大。因此，提取角蛋白最佳SDS濃度為120 g/L。

2.1.5 pH優化

溶解過程中保持反應溫度90 ℃、反應時間4 h、浴比 1:50、55 g/L TDO、150 g/L尿素、120 g/L SDS，探討pH對羊絨溶解率、提取率的影響，實驗結果如圖6所示。

圖6 pH對溶解率、提取率的影響Fig.6 Effect of pH on dissolution rate and extraction rate

由圖6可以看出，溶解率隨pH的增大而增大，說明堿性增強，可使羊絨充分溶解。當pH大于10時，提取率下降，是因為pH過高會促進肽鏈的破壞，斷裂生成多肽等小分子化合物。當pH為10時，提取率達到最高為64 g/L。因此，提取角蛋白最佳pH為10。

2.2 正交優化

由單因素實驗可知，提取角蛋白工藝中，最適合的反應溫度為90 ℃、反應時間4 h、55 g/L TDO、150 g/L尿素、120 g/L SDS、pH=10、浴比1:50。為進一步找出主次因素及最佳提取工藝，設計了四因素三水平正交實驗，按照正交表進行提取角蛋白實驗，每個因素在最佳值附近取三個水平，實驗設計如表1所示。

表1 提取角蛋白因素水平設計Table 1 Factor level design of keratin extraction

采用直觀分析法分析正交實驗，極差R越大表明該因素的影響程度越大。正交實驗數據分析可以得到TDO濃度、尿素濃度、SDS濃度、pH，對應溶解率的極差分別是6.73、7.20、6.06、13.33，對應提取率的極差分別是10.47、7.80、1.07、36.33(見表2)，所以影響羊絨溶解率各因素的主次順序：pH>尿素濃度>TDO濃度>SDS濃度；影響角蛋白提取率各因素的主次順序：pH>TDO濃度>尿素濃度>SDS濃度。可知，pH對羊絨溶解率、角蛋白提取率影響均較大。綜合考慮溶解率、提取率，則提取角蛋白的最優工藝：反應溫度90 ℃、反應時間4 h、62 g/L TDO、175 g/L尿素、140 g/L SDS、浴比1:50、pH=9、溶解率達92%，提取率達78%。

表2 正交實驗表 Table 2 Orthogonal experimental table

2.3 羊絨角蛋白分子量

對最優工藝提取得到的角蛋白粉末進行SDS-PAGE 凝膠電泳測定其分子量。

圖7 羊絨角蛋白SDS-PAGE凝膠電泳圖Fig.7 Gel electrophoresis of cashmere keratin SDS-PAGE

比照左側蛋白(Marker)指示條帶(見圖7a)可知，提取角蛋白的分子量在46～100 kDa，可進一步紡絲加工。房啟海等[11]采用亞硫酸鈉/尿素/SDS溶解體系提取羊毛角蛋白，角蛋白提取率較高為66%，但分子量一般，只能進行納米級噴膜加工，難以拉絲。

3 結 論

(1)羊絨于62 g/L TDO、175 g/L尿素、140 g/L SDS混合體系中，在90 ℃、浴比=1:50、pH=9的條件下處理4 h后，能獲得78%的最優提取率，該時溶解率達92%，提取角蛋白的分子量在46～100 kDa。

(2)影響羊絨溶解率各因素的主次順序：pH>尿素濃度>TDO濃度>SDS濃度；影響角蛋白提取率各因素的主次順序：pH>TDO濃度>尿素濃度>SDS濃度。