羽絨在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中的溶解行為及其機(jī)制

卜 凡, 應(yīng)麗麗, 李長龍, 王宗乾

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

羽絨系天然異形纖維,由絨核和絨絲組成,具有立體球狀結(jié)構(gòu),可儲存大量靜止空氣,是性能優(yōu)異的保暖纖維[1]。我國羽絨資源豐富,原料絨的產(chǎn)能位居世界首位[2],與此同時(shí),在羽絨水洗、制品加工流通以及回收利用等環(huán)節(jié)產(chǎn)生數(shù)量巨大的廢棄羽絨。自然狀態(tài)下羽絨難以在短時(shí)間內(nèi)生物降解[3],大量廢棄羽絨將造成環(huán)境污染。基于化學(xué)、物理等方法提取羽絨角蛋白,進(jìn)而加工制備蛋白基材料,用于替代傳統(tǒng)石油基材料,可實(shí)現(xiàn)變廢為寶,符合“雙碳”目標(biāo)要求。

羽絨中有大量二硫鍵和致密角質(zhì)層結(jié)構(gòu),較難溶解。目前可用于羽絨角蛋白提取的方法主要包括堿溶水解法、氧化水解法、還原水解法[4],以及不同方法的聯(lián)合使用,但尚存在溶解體系穩(wěn)定性差[5]或羽絨的一次性溶解率不高等問題,同時(shí)提取的羽絨角蛋白的分子質(zhì)量分布區(qū)間大、均勻性及穩(wěn)定性差[6],角蛋白聚集態(tài)結(jié)構(gòu)受到損傷,制備的再生角蛋白材料的力學(xué)性能較差,且不穩(wěn)定。課題組曾采用離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽[AMim]Cl-溶解工藝成功制取了高性能羽毛角蛋白[7],但離子液體的使用成本高、制備難、易吸水、工藝調(diào)控難度大,尚無法規(guī)模化應(yīng)用。

低共熔溶劑是一種新型綠色溶劑,具有熔點(diǎn)低、可生物降解、易合成、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、溶解性好等[8]獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),可用于高分子材料的溶解和表面改性,還具有低碳、高效等工藝優(yōu)勢。鹽酸胍/尿素[9]低共熔溶劑在90 ℃下剝離蠶絲,可高效提取具有微納米尺度的絲素蛋白原纖;采用低共熔溶劑對聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料預(yù)處理[10],可明顯加速其醇解反應(yīng)進(jìn)程,提高溶解回收效率;Okoro等[11]采用乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解廢棄羊毛,在105 ℃下羊毛的一次性溶解率達(dá)到93.77%,但其尚未對羊毛的溶解歷程及溶解機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)闡述。

綜上,本文將乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑用于羽絨的溶解,采用超景深顯微系統(tǒng)、紫外-可見分光光度計(jì)監(jiān)測了羽絨在該溶劑中的溶解行為,借助高效液相色譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、X射線衍射儀表征了羽絨角蛋白的分子質(zhì)量分布、化學(xué)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu),并分析了羽絨的溶解機(jī)制,以期為低共熔溶劑對羽絨的溶解,以及提取羽絨角蛋白的再生利用提供實(shí)驗(yàn)和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料:選用含絨量為95%的水洗白鴨絨,由安徽古麒絨材股份有限公司提供;L-乳酸、L-半胱氨酸,均為分析純,上海麥克林生化科技有限公司;MD34透析袋(截留分子質(zhì)量為3 500 u),北京瑞達(dá)恒輝科技有限公司;實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

儀器:VHX-970F型超景深顯微系統(tǒng)(日本基恩士公司);Lambda 950型紫外-可見分光光度計(jì)(美國PerkinElmer公司);Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司);Prominence GPC型高效液相色譜(HPLC)系統(tǒng)(美國Agilent Technologies公司);D8系列X射線衍射儀(德國布魯克公司);SS-1022型多功能粉碎機(jī)(永康市鉑歐五金制品有限公司)。

1.2 低共熔溶劑制備

前期實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)凸踩廴軇┲蠰-乳酸、L-半胱氨酸的質(zhì)量分別為24.0、1.6 g時(shí),對羽絨的溶解性能較好[1]。為此,精確稱量24.0 g L-乳酸和1.6 g L-半胱氨酸,依次加入錐形瓶中密閉,在 90 ℃ 下磁力攪拌溶解2 h,制得澄清透明的黏稠狀溶液。

1.3 低共熔溶劑溶解羽絨及角蛋白提取

溶解前將羽絨水洗去除表面浮塵,然后烘干至質(zhì)量恒定。精確稱量水洗烘干羽絨0.2 g,采用多功能粉碎機(jī)研磨成5 ～ 15 mm的短纖維;然后放入乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中,在105 ℃下磁力攪拌溶解,取樣溶解不同時(shí)間的體系用于測試分析。待羽絨充分溶解后,將溶解液倒入透析袋在室溫下進(jìn)行透析處理,間隔5 h更換去離子水,共透析72 h,檢測透析水的電導(dǎo)率小于1.2 μS/cm后,將透析后的角蛋白冷凍干燥制得羽絨角蛋白。

1.4 測試與表征

1.4.1 溶解羽絨的宏觀及微觀形貌觀察

采用光學(xué)圖像法表征溶解羽絨的宏觀形貌。提取不同時(shí)間點(diǎn)的羽絨溶解體系倒入試劑瓶中,在相同環(huán)境下溶解并觀測溶劑的顏色、透明度等特征,并記錄光學(xué)圖像。采用超景深顯微系統(tǒng)測試溶解不同時(shí)間后溶劑中羽絨的形貌特征。具體操作如下:用移液槍量取1 mL溶解液,置于載玻片上,調(diào)整物距,采用同軸照明方式記錄形貌特征。

1.4.2 羽絨溶解液的角蛋白含量測試

采用紫外-可見分光光度計(jì)測試溶解不同時(shí)間后羽絨液體的光譜曲線。精確量取溶解體系的上清液,用去離子水稀釋100倍,測試波長為260 ～ 500 nm, 測試參比為去離子水。

1.4.3 羽絨角蛋白的分子質(zhì)量測試

將制備的羽絨角蛋白經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后,采用高效液相色譜系統(tǒng)測定角蛋白水解液的分子質(zhì)量分布。色譜條件為TSK-gel 2000SWXL柱(尺寸為300 mm×7.8 mm,粒徑為5 μm),流動相A為純水(含0.05%三氟乙酸),流動相B為乙腈溶液(含0.05%三氟乙酸),洗脫方式采用等度洗脫;柱溫為30 ℃,流速為0.5 mL/min,檢測波長為220 nm,檢測時(shí)間為0 ～ 25 min。

1.4.4 羽絨角蛋白的化學(xué)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)測試

采用溴化鉀壓片法,利用傅里葉變換紅外光譜儀測試羽絨角蛋白及乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的紅外光譜圖。波數(shù)范圍為4 000 ～ 400 cm-1,掃描次數(shù)為32,分辨率為4 cm-1;同時(shí)測試羽絨粉末的紅外光譜圖用于對比分析。

采用X射線衍射儀測試羽絨角蛋白及纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。測試參數(shù)為:CuKα靶(波長λ為0.154 nm), 電壓40 kV,電流30 mA,掃描范圍 5° ～ 50°,掃描步長0.02 (°)/s,掃描速度2 (°)/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖1 乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of lactic acid/cysteine deep eutectic solvents

2.2 羽絨的溶解歷程分析

將磨碎的羽絨短纖維浸入乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中,在加熱攪拌條件下溶解,觀察低共熔溶劑的顏色和透明度變化,結(jié)果如圖2所示。可以看出:未溶解羽絨的低共熔溶劑(DES)是澄清透明狀液體,隨著羽絨溶解時(shí)間的延長,低共熔溶劑顏色發(fā)生黃變,顏色深度逐漸加深;同時(shí),低共熔溶劑中分散有大量羽絨短纖維,造成溶液的透明度下降;但隨著溶解時(shí)間進(jìn)一步延長至5 h及以上,低共熔溶劑中分散的短纖維數(shù)量逐漸減少,溶液的透明度稍有提高,溶解7 h后的低共熔溶劑呈現(xiàn)紅褐色半透明狀。

圖2 低共熔溶劑溶解羽絨的光學(xué)圖像Fig.2 Optical images of down dissolving in deep eutectic solvents

采用超景深顯微系統(tǒng)觀察不同溶解時(shí)間下低共熔溶劑中羽絨短纖維的微觀形貌,結(jié)果如圖3所示。可以看出:溶解1 h后,羽絨的絨絲和菱節(jié)形貌完整,纖維邊界清晰,絨絲的直徑d在5.5 μm左右,與未溶解羽絨絨絲的直徑相當(dāng)(見圖3(a));溶解 3 h 后纖維發(fā)生了明顯溶脹、形貌模糊、邊界糊化,依據(jù)邊界測試?yán)w維的直徑約為9.5 μm,發(fā)生原纖剝離、纖維斷裂,此時(shí)已無法觀察到羽絨獨(dú)特的菱節(jié)等形貌特征(見圖3(b));溶解5 h后幾乎無法捕捉到羽絨聚集體形貌,僅有零散超短纖維以及超細(xì)纖維存在,表明溶解5 h后羽絨已幾乎被完全溶解(見圖3(c));溶解7 h后低共熔溶劑中已無羽絨痕跡,表明此時(shí)羽絨已完全溶解,羽絨的一次溶解率達(dá)到100%(見圖3(d))。

圖3 羽絨在低共熔溶劑中溶解的微觀形貌變化Fig.3 Micromorphology changes of down dissolving in deep eutectic solvents

溶解不同時(shí)間后低共熔溶劑溶液的紫外-可見光譜圖如圖4所示。與乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑原樣相比,溶解羽絨角蛋白的低共熔溶劑在 371 nm 處出現(xiàn)特征吸收峰,為羽絨角蛋白的特征吸收峰;且其強(qiáng)度隨溶解羽絨時(shí)間的延長逐漸增強(qiáng),表明低共熔溶劑中角蛋白組分的濃度隨溶解時(shí)間的延長逐漸增大,這與羽絨溶解的光學(xué)圖像分析結(jié)果是一致的。

圖4 羽絨溶解液的紫外-可見光譜圖Fig.4 UV-Vis spectra of down solution

2.3 羽絨角蛋白分子質(zhì)量及結(jié)構(gòu)分析

將乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解羽絨7 h后的溶液倒入透析袋透析,并按1.3節(jié)所述工藝提取羽絨角蛋白粉末,采用高效液相色譜儀測試其分子質(zhì)量分布,結(jié)果如圖5所示。可以看出:分子質(zhì)量為11 309 u的角蛋白最先在12.25 min處出峰,該峰面積僅為0.38%,表明羽絨在105 ℃條件下,經(jīng)乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解提取的角蛋白分子質(zhì)量最大值為11 309 u,且占比非常小;隨后分子質(zhì)量為6 522、 3 838、2 474、1 470 u的角蛋白依次在13.54、14.49、14.61、15.24 min處出峰,依據(jù)峰面積計(jì)算得到4種角蛋白組分的質(zhì)量占比合計(jì)為57.93%;此外還有分子質(zhì)量為750、301和111 u的小分子質(zhì)量角蛋白和寡肽組分,依次在16.52 ～ 20.85 min之間出峰,質(zhì)量占比合計(jì)達(dá)到41.69%。綜上表明,乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解提取的角蛋白分子質(zhì)量小于現(xiàn)有文獻(xiàn)[15-17]報(bào)道的其它方法。小分子角蛋白及寡肽組分將豐富分子自組裝路徑,為角蛋白基新材料的研制提供更多可能性。

圖5 羽絨角蛋白組分的出峰時(shí)間及占比分布圖Fig.5 Retention time and distribution of different components of down keratin

圖6示出羽絨及羽絨角蛋白的X射線衍射曲線。可知,羽絨角蛋白分別在10.8°和20.4°處出現(xiàn)衍射信號,為角蛋白的α螺旋和β折疊結(jié)構(gòu)[18-19]的特征衍射信號;但與羽絨相比,羽絨角蛋白的β折疊衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng),α螺旋結(jié)構(gòu)衍射峰強(qiáng)度有所顯降低。表明羽絨在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的溶解過程中,低共熔溶劑組分滲透到角蛋白纖維大分子內(nèi)部無定形區(qū),基于溶脹、原纖剝離、斷鍵等途徑破壞角蛋白大分子的鏈內(nèi)及鏈間作用力,造成羽絨角蛋白質(zhì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,β折疊結(jié)構(gòu)占比顯著增強(qiáng)。

圖6 羽絨及羽絨角蛋白的X射線衍射曲線Fig.6 X-ray diffraction curves of down and down keratin

對羽絨及羽絨角蛋白進(jìn)行紅外光譜測試,結(jié)果如圖7所示。與羽絨相比,提取的羽絨角蛋白在酰胺Ⅰ帶(1 651 cm-1)、Ⅱ帶(1 534 cm-1)、Ⅲ帶(1 233 cm-1)均有特征吸收峰[20-22];但2個(gè)樣品最大的不同在于羽絨具有二硫鍵特征吸收峰(550 cm-1), 而羽絨角蛋白沒有。表明羽絨的二硫鍵在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的作用下發(fā)生斷鍵,破壞了羽絨角蛋白原有的分子鏈內(nèi)及鏈間作用力[23],形成小分子角蛋白,這與羽絨角蛋白的分子質(zhì)量測試結(jié)果是一致的。

圖7 羽絨及羽絨角蛋白的紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectra of down and down keratin

2.4 羽絨的溶解機(jī)制分析

結(jié)合乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的紅外光譜圖、羽絨溶解歷程、羽絨角蛋白分子質(zhì)量及化學(xué)結(jié)構(gòu)的綜合分析,繪制了羽絨在該低共熔溶劑中的溶解歷程示意圖,如圖8所示。采用的乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑具有中強(qiáng)酸性(pH值為3.5),在加熱條件下其直接作用于羽絨表面,產(chǎn)生侵蝕和表面刻蝕,角蛋白大分子鏈的穩(wěn)定性變差。低共熔溶劑中的乳酸組分對角質(zhì)層具有優(yōu)異的軟化、膨脹和滲透作用,與羽絨接觸可破壞表面致密的角質(zhì)層[24],促使低共熔溶劑向纖維內(nèi)部滲透,纖維產(chǎn)生劇烈溶脹,直徑幾乎膨脹至原來的1.73倍(纖維的直徑在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中由5.5 μm膨脹到9.5 μm)。乳酸和半胱氨酸分別作為氫鍵供體和氫鍵受體,表現(xiàn)出強(qiáng)極性,可破壞角蛋白分子鏈間的氫鍵作用力;半胱氨酸肽鍵中的氧與乳酸中羥基的氫形成氫鍵,但氧的電負(fù)性更強(qiáng),造成乳酸分子氫的丟失,使乳酸中氧的親核性更強(qiáng),直接攻擊羽絨角蛋白大分子肽鍵中的碳,致使角蛋白大分子肽鍵的斷裂,生成小分子角蛋白,表現(xiàn)出羽絨的原纖化,纖維被剝離分割成數(shù)根尺寸纖細(xì)的原纖。進(jìn)一步地,在加熱條件下低共熔溶劑溶脹羽絨,也將導(dǎo)致角蛋白從致密晶體結(jié)構(gòu)向無定形轉(zhuǎn)變,纖維內(nèi)部的二硫鍵裸露于角蛋白表面,在半胱氨酸的還原作用下二硫鍵被破壞,進(jìn)一步加速了羽絨的溶解。

圖8 羽絨溶解機(jī)制與歷程分析Fig.8 Analysis of down dissolution mechanism and course.(a) Chemical reaction formula; (b) Schematic diagram of dissolution process

綜上,乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑是一種綠色溶劑,該低共熔溶劑可破壞羽絨角蛋白大分子的分子間氫鍵、肽鍵以及二硫鍵;羽絨溶解歷程主要由纖維膨化、原纖剝離、纖維斷裂溶解3個(gè)階段構(gòu)成。

3 結(jié) 論

1) 乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑是澄清黏稠狀液體,黏度穩(wěn)定;105 ℃下,羽絨在該低共熔溶劑中溶解,隨著溶解時(shí)間的延長,低共熔溶劑發(fā)生黃變,溶解液在371 nm處出現(xiàn)特征吸收峰,羽絨發(fā)生膨化、斷裂,7 h后被完全溶解。

2)由透析和冷凍干燥制得的羽絨角蛋白其分子質(zhì)量較小,其中:分子質(zhì)量最高僅為11 309 u,質(zhì)量占比僅為0.38%;分子質(zhì)量分布在1 470～6 522 u的角蛋白占比為57.93%;分子質(zhì)量小于750 u的占比達(dá)到了41.69%。與羽絨相比,羽絨角蛋白未出現(xiàn)二硫鍵的特征紅外吸收峰,且β折疊衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng),α螺旋結(jié)構(gòu)衍射峰強(qiáng)度降低。

3)乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中乳酸組分對角質(zhì)層具有優(yōu)異的軟化、膨脹和滲透作用,促進(jìn)羽絨的膨脹,低共熔溶劑的強(qiáng)極性破壞了角蛋白分子鏈間的氫鍵,在半胱氨酸還原作用下二硫鍵被破壞;羽絨的溶解主要包括纖維膨化、原纖剝離和纖維斷裂溶解3個(gè)階段。