李長(zhǎng)龍， 湯立洋， 王宗乾， 汪小翠

(安徽工程大學(xué) 安徽省紡織面料實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241000)

不同體系下羽毛絨的溶解性能及光譜特性

李長(zhǎng)龍， 湯立洋， 王宗乾， 汪小翠

(安徽工程大學(xué) 安徽省紡織面料實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241000)

為開(kāi)發(fā)利用羽毛絨蛋白資源，研究了其溶解性能，采用三元溶劑、溴化鋰和離子液體([Amim]Cl)3種不同的溶解體系，測(cè)試不同溶解工藝參數(shù)下羽毛絨的溶解度，并通過(guò)纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)控羽毛絨在溶解過(guò)程中的形貌變化。結(jié)果表明：三元溶劑和溴化鋰溶解羽毛絨時(shí)溶解度低，而[Amim]Cl能將羽毛絨全部溶解。采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和傅里葉紅外光譜儀對(duì)離子液體溶解體系進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，羽毛絨溶于離子液體在312 nm處有特征吸收?；谔卣魑战⒘擞鹈q蛋白的定量分析曲線，該曲線具有較高的測(cè)試精度；[Amim]Cl可打斷羽毛絨蛋白二硫鍵，且不破壞蛋白質(zhì)構(gòu)象。

羽毛絨； 離子液體； 溶解； 光譜特性

天然蛋白質(zhì)是紡織工業(yè)的重要原料，其中羊毛和蠶絲是最早加以利用的紡織材料。天然蛋白質(zhì)材料因其優(yōu)良的性能，深受廣大消費(fèi)者的青睞[1]，但這些蛋白質(zhì)年產(chǎn)量有限，不能完全滿足需求，并且還有廢棄蛋白質(zhì)沒(méi)有被利用。在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重、資源逐漸匱乏的現(xiàn)在，顯然不符合可持續(xù)發(fā)展的要求；因此，再生蛋白質(zhì)和再生蛋白質(zhì)材料已成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，學(xué)者對(duì)桑蠶絲和羊毛角蛋白在不同溶解體系中的溶解及再生性能做了大量研究，且研究表明強(qiáng)堿、生物酶等溶劑將使蛋白質(zhì)肽鍵斷裂，破壞蛋白質(zhì)大分子的完整性[2-5]。羽毛絨作為再生蛋白質(zhì)的提取原料，資源豐富，價(jià)格低廉，且具有較強(qiáng)的環(huán)保效益，但目前關(guān)于羽毛絨蛋白資源的研究報(bào)道較少，主要關(guān)鍵技術(shù)在于羽毛絨的溶解。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)羽毛絨溶解性能進(jìn)行研究，采用三元溶劑(CaCl2/H2O/C2H5OH)、溴化鋰和[Amim]Cl這3種不同的溶解體系對(duì)羽毛絨進(jìn)行溶解并測(cè)試溶解度，通過(guò)纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)控羽毛絨在溶解過(guò)程中的形貌變化，同時(shí)采用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)和紅外光譜儀對(duì)溶解體系進(jìn)行光譜測(cè)試，探究羽毛絨溶解機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水洗白鴨羽毛絨(古麒羽絨股份公司，含絨量為95%)。

[Amim]Cl(實(shí)驗(yàn)室自制，純度99%)，溴化鋰(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，乙醇(無(wú)錫市亞盛化工有限公司)，氯化鈣(無(wú)錫市亞盛化工有限公司)，絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸和亮氨酸(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，以上藥劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

100目不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩(市售)，D2004W型電動(dòng)攪拌器(上海梅穎浦儀器)，DF-II型數(shù)顯集熱式磁力攪拌器(金壇市杰瑞爾電器)，纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)(東華大學(xué))，SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城儀器)，真空干燥箱(上海一恒科技)，SHA-B型恒溫水浴振蕩器(金壇市精達(dá)儀器)，F(xiàn)A2104型分析天平(上海精科天美)，UV2600型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)(上海天美)，傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)ThermoNicolet Corporation)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 羽毛絨粉體的制備

將水洗羽毛絨放入50 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干6 h，采用機(jī)械方法制備羽毛絨粉體，經(jīng)篩網(wǎng)處理后，得到直徑小于0.15 mm的粉體，充分干燥后用密封袋保存。

1.3.2 羽毛絨粉體的溶解

考察了三元溶劑、溴化鋰和[Amim]Cl對(duì)羽毛絨的溶解。具體方法和操作如下：

1)羽毛絨/三元溶劑溶液的制備。配制三元溶劑(CaCl2/H2O/C2H5OH的量比為1∶8∶2)，在恒溫振蕩水浴鍋中，考察不同溫度下三元溶劑對(duì)羽毛絨粉體的溶解狀態(tài)，計(jì)算羽毛絨溶解度。

2)羽毛絨/溴化鋰溶液的制備。配制9.8 mol/L溴化鋰溶液，在恒溫振蕩水浴鍋中，考察不同溫度下溴化鋰溶劑對(duì)羽毛絨粉體的溶解狀態(tài)，計(jì)算羽毛絨溶解度。

3)羽毛絨/[Amim]Cl溶液的制備。將[Amim]Cl倒入三口燒瓶中，升溫至90 ℃[6]，電動(dòng)攪拌過(guò)程中，分批加入羽毛絨粉體，通過(guò)纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)控羽毛絨粉體的溶解狀態(tài)，計(jì)算羽毛絨溶解度。

1.3.3 氨基酸體系的溶解

為考察溶解后的羽毛絨在[Amim]Cl中的狀態(tài)，對(duì)氨基酸進(jìn)行溶解，通過(guò)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，具體操作步驟為：選取羽毛絨中含量最高的6種氨基酸，分別為絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸和亮氨酸[7]，按照在羽毛絨中質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，溶于[Amim]Cl中，溶解液密封保存。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 溶解度計(jì)算

將未溶解的羽毛絨用濾紙進(jìn)行過(guò)濾，將沉淀物用蒸餾水清洗，干燥，稱量，得到沉淀物的干態(tài)質(zhì)量，并由此計(jì)算羽毛絨的溶解度[8]。計(jì)算公式為

式中：S為羽毛絨的溶解度；W0為實(shí)驗(yàn)中初始羽毛絨的干態(tài)質(zhì)量，g；W1為未溶物烘干后的總干態(tài)質(zhì)量，g。

1.4.2 羽毛絨溶解狀態(tài)的表征

采用纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)，將待測(cè)羽毛絨放在載玻片中，放置于顯微鏡載物臺(tái)上，測(cè)試羽毛絨的微觀形貌并拍攝圖像。

1.4.3 體系的紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試

以[Amim]Cl為溶劑，將待測(cè)羽毛絨溶解液和氨基酸溶解液倒入比色皿中，分別進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍為200～700 nm。

1.4.4 紅外光譜測(cè)試

采用KBr壓片法制備試樣，對(duì)羽毛絨、空白[Amim]Cl和羽毛絨/[Amim]Cl溶解液進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，測(cè)試參數(shù)為：分辨率4 cm-1；掃描次數(shù)32。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶解體系下羽毛絨溶解度對(duì)比

三元溶劑和溴化鋰在不同溶解溫度下溶解羽毛絨，[Amim]Cl在90 ℃條件下溶解羽毛絨，3種不同溶解體系下羽毛絨的溶解度見(jiàn)表1。

表1 不同溶劑中羽毛絨的溶解度Tab.1 Solubility of feather and down at different dissolution systems

注：三元溶劑和溴化鋰體系在溶解時(shí)間達(dá)到20 h后，溶解度增加不明顯。

由表1可知，三元溶劑和溴化鋰在溶解羽毛絨時(shí)，隨溶解溫度的升高，溶解度有所增加但不明顯，且溶解時(shí)間較長(zhǎng)。相反，[Amim]Cl可在較短時(shí)間內(nèi)將羽毛絨全部溶解。三元溶劑和溴化鋰溶解體系對(duì)羽毛絨的溶解并沒(méi)有得到理想的效果，原因在于羽毛角蛋白多肽鏈之間存有二硫鍵，分子間作用力增強(qiáng)，使羽毛絨角蛋白的分子結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定[9]，因此給羽毛絨的溶解工作帶來(lái)了諸多不便。研究表明：溶劑中形成氫鍵作用的陰離子越多，極性越強(qiáng)，對(duì)蛋白質(zhì)的溶解能力越好[6]；離子液體[Amim]Cl的體積和黏度相對(duì)較小，易與羽毛絨蛋白相互接觸作用，其中Cl-極性強(qiáng)，易與羽毛絨蛋白形成氫鍵和破壞羽毛絨蛋白中的二硫鍵，將分子鏈拆開(kāi)[10]，使羽毛絨蛋白溶解。

同時(shí)，三元溶劑和溴化鋰體系可溶解部分羽毛絨，但是溶解效果不理想，溶解時(shí)間長(zhǎng)，造成了資源和能量的浪費(fèi)，而羽毛絨可在較短的時(shí)間內(nèi)完全溶解到[Amim]Cl中，具有省時(shí)省力的工藝優(yōu)勢(shì)。

2.2 溶解羽毛絨的圖像采集與表征

按照1.3.2所述實(shí)驗(yàn)方法，采用[Amim]Cl對(duì)羽毛絨進(jìn)行溶解，通過(guò)纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)對(duì)溶解過(guò)程進(jìn)行跟蹤觀察，監(jiān)控[Amim]Cl中羽毛絨的狀態(tài)，采集圖像如圖1所示。

圖1 羽毛絨在[Amim]Cl中的溶解過(guò)程(×200)Fig.1 Dissolution process of feather and down in [Amim]Cl

由圖1可知：采用[Amim]Cl溶解羽毛絨，攪拌溶解360 min后，羽毛絨即可完全溶解；在攪拌溶解過(guò)程中，[Amim]Cl逐步進(jìn)入羽毛絨間隙中，破壞分子間的范德華力和氫鍵等結(jié)合力，把分子鏈拆開(kāi)，形成孤立的大分子[11]，最終全部溶解。

2.3 溶解羽毛絨的紅外光譜分析

為表明羽毛絨溶解前后的光譜特征，分別對(duì)羽毛絨、空白[Amim]Cl以及羽毛絨蛋白的[Amim]Cl溶解體系的紅外光譜進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。溶解有羽毛絨蛋白的離子液體黏度變大，且顏色增深，紅外光譜透射率低，為此，本文實(shí)驗(yàn)將該紅外譜圖1 700～1 100 cm-1波段信號(hào)進(jìn)行局部放大處理。

2.4 羽毛絨/[Amim]Cl體系的紫外光譜

為探究羽毛絨溶于[Amim]Cl中的紫外-可見(jiàn)光譜特性，按照1.3.2和1.3.3實(shí)驗(yàn)方法，將羽毛絨和復(fù)配氨基酸分別溶于[Amim]Cl中，2種溶解液用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 羽毛絨和復(fù)配氨基酸在離子液體中的紫外-可見(jiàn)光譜Fig.3 UV-Vis spectra of feather and down complex amino acid in ionic liquid

由圖3可知，羽毛絨蛋白與復(fù)配氨基酸的[Amim]Cl溶解體系具有一致的紫外-可見(jiàn)光譜特性，二者在312 nm波長(zhǎng)下有特征吸收峰，由此可進(jìn)一步推斷羽毛絨溶于[Amim]Cl中，將以復(fù)合氨基酸或多肽等形式存在。二者不同之處在于在380～600 nm波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)，羽毛絨蛋白吸光度要高于復(fù)合氨基酸，原因可能在于[Amim]Cl中羽毛絨蛋白以分子質(zhì)量較大的多肽或復(fù)合氨基酸形式存在，成分也較復(fù)配氨基酸復(fù)雜，共軛體系增加，在可見(jiàn)光區(qū)間存有吸收，同時(shí)不排除羽毛絨天然色素對(duì)可見(jiàn)光吸收產(chǎn)生的影響。

2.5 羽毛絨蛋白的定量分析

精確稱取0.11 g羽毛絨粉體，加入50 mL的容量瓶中，再加入10 mL[Amim]Cl，在顯微鏡纖維圖像自動(dòng)采集和識(shí)別系統(tǒng)觀察下，確定羽毛絨完全溶解，配成質(zhì)量濃度為11 g/L的溶解液。用移液管量取適量的[Amim]Cl，將11 g/L溶解液分別稀釋成質(zhì)量濃度為8.5、6.0、3.5、1 g/L的溶解液。將不同質(zhì)量濃度溶解液滴加到比色皿，放入紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)中在312 nm處進(jìn)行波長(zhǎng)檢測(cè)。采用ORIGIN8分析軟件建立數(shù)學(xué)模型，得到羽毛絨蛋白吸光度與其質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 羽毛絨蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Standard curve of feather and down protein

圖4中定量分析標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.244 6X+0.906 7。式中Y為吸光度，X為羽毛絨蛋白質(zhì)量濃度。相關(guān)系數(shù)R2=0.98，線性范圍為1.0～11 g/L，通過(guò)測(cè)試溶解液的吸光度來(lái)定量分析[Amim]Cl中羽毛絨蛋白的質(zhì)量濃度[14]。

本文實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)5組[Amim]Cl溶解羽毛絨的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，計(jì)算定量分析相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.82%，表明采用該溶解體系吸光度定量分析羽毛絨蛋白質(zhì)量濃度的方法是可行的，且本文得出的定量分析曲線具有較高的測(cè)試精度。

3 結(jié) 論

三元溶劑和溴化鋰體系僅能夠溶解部分羽毛絨，而[Amim]Cl離子液體可實(shí)現(xiàn)對(duì)羽毛絨的全部溶解。紅外光譜分析表明，[Amim]Cl可打斷羽毛絨蛋白二硫鍵，且不破壞蛋白質(zhì)構(gòu)象；羽毛絨與復(fù)配氨基酸的[Amim]Cl溶解體系具有一致的紫外光譜特性，基于光譜特性，建立了羽毛絨蛋白的定量分析曲線，該曲線用于分析羽毛絨蛋白質(zhì)量濃度具有較高的分析精度。

FZXB

[1] 賈書(shū)剛, 姚金波, 孫艷麗, 等. 再生動(dòng)物蛋白纖維的研究進(jìn)展[J]. 毛紡科技, 2013, 41(10): 60-64. JIA Shugang, YAO Jinbo, SUN Yanli, et al. Research progress of regenerated animal protein fiber[J]. Wool Textile Journal, 2013, 41(10): 60-64.

[2] 李秀艷, 豐麗霞. 桑蠶絲在離子液體中的溶解及再生性能[J]. 北京服裝學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 30(2): 42-47. LI Xiuyan, FENG Lixia. Dissolution and regeneration properties of silk fibroin in ionic liquid[J]. Journal of Beijing Institute of Fashion Technology, 2010, 30(2): 42-47.

[3] 吳惠英, 左保齊, 周燕. 氯化鈣/甲酸溶解體系下氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蠶絲溶解性的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 1-5. WU Huiying, ZUO Baoqi, ZHOU Yan. Effect of CaCl2concentration on solubility of silk in CaCl2-formid acid system[J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(12): 1-5.

[4] 徐恒星, 史吉華, 周奧佳, 等. 羊毛角蛋白的提取及其成膜性[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2012, 33(6): 41-47. XU Hengxing, SHI Jihua, ZHOU Aojia, et al. Keratin extraction from wool and its film forming property[J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(6): 41-47.

[5] 劉明. FTIR 對(duì)絲素蛋白構(gòu)象的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2006: 16-25. LIU Ming. Studies on the conformation of silk fibroin by FTIR[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2006: 16-25.

[6] 趙玲, 湯堯旭, 趙瑞方, 等. 羽毛在離子液體中的溶解及再生研究[J]. 毛紡科技, 2010, 38(8): 1-5. ZHAO Ling, TANG Yaoxu, ZHAO Ruifang, et al. Dissolution and regeneration of feather keratins in ionic liquids[J]. Wool Textile Journal, 2010, 38(8): 1-5.

[7] 林香信, 顏孫安, 錢愛(ài)萍, 等. 羽毛氨基酸含量測(cè)定影響因素分析[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(1): 389-393. LIN Xiangxin, YAN Sunan, QIAN Aiping, et al. Analysis on affected factors of amino acids contents detection for feather[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(1): 389-393.

[8] 張恒, 李戎, 王魁, 等. 還原法與離子液體溶解法制備羊毛角蛋白膜[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2015, 36(6): 55-59. ZHANG Heng, LI Rong, WANG Kui, et al. Preparation of wool keratin membranes prepared by ionic liquid method and reduction C method[J].Journal of Textile Research, 2015, 36(6): 55-59.

[9] 劉元軍, 王雪燕. 羽毛角蛋白在紡織染整中的應(yīng)用[J]. 針織工業(yè), 2012(11): 50-53. LIU Yuanjun, WANG Xueyan. Feather keratin application in textile dyeing and finishing[J]. Knitting Industries, 2012(11): 50-53.

[10] DYMEK C J, GROSSIE D A, FRATINI A V, et al. Evidence for the presence of hydrogen-bonded ion-ion interactions in the molten salt precursor, 1-methyl-3-ethylimidazolium chloride[J]. Journal of Molecular Structure, 1989, 213: 25-34.

[11] SUN P, LIU Z T, LIU Z W. Particles from bird feather: a novel application of an ionic liquid and waste resource[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 170(2): 786-790.

[12] 李長(zhǎng)龍, 劉瓊, 王宗乾, 等. 羽毛絨水解工藝優(yōu)化及其產(chǎn)物成膜性能[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2014, 35(7): 23-29. LI Changlong, LIU Qiong, WANG Zongqian, et al. Hydrolysis process optimization of feather & down powder and its hydrolysate film forming property[J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(7): 23-29.

[13] 徐國(guó)恒. 二硫鍵與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)[J]. 生物學(xué)通報(bào), 2010, 45(5): 5-7. XU Guoheng. Disulfide bond and the structure of the protein[J]. Bulletin of Biology, 2010, 45(5): 5-7.

[14] 王宗乾, 李長(zhǎng)龍, 陳維國(guó). 染整加工對(duì)牛奶蛋白纖維蛋白質(zhì)含量的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2009, 30(2): 69-72. WANG Zongqian, LI Changlong, CHEN Weiguo. Influence of dyeing and finishing on protein content of milk protein fiber[J].Journal of Textile Research, 2009, 30(2): 69-72.

Solubility and spectral characteristic of feather and down in different dissolution systems

LI Changlong, TANG Liyang, WANG Zongqian, WANG Xiaocui

(Anhui Key Laboratory of Textile Materials, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China)

In order to develop and utilize feather and down protein resources, the solubility of feather and down was studied firstly in different dissolution systems including ternary solvent, lithium bromide and ionic liquid ([Amim]Cl), and the solubility under different process parameters was tested, and the morphological changes of feather in the process of dissolution were monitored by automatic image acquisition and recognition system. The results show that feather and down have low solubility while being dissolved with ternary solvents and lithium bromide, but could be dissolved completely in the [Amim]Cl ionic liquid; at the same time, the [Amim]Cl dissolution system of feather and down has been analyzed by UV-Vis and FT-IR. The UV-Vis results show that a characteristic absorption exist at a wavelength of 312 nm and the quantitative analysis curve of protein is given; and FT-IR results show that disulfide bond of feather and down protein can be destroyed, without destroying the protein conformation when being dissolved in the ionic liquid of [Amim]Cl.

feather and down; ionic liquid; dissolution; spectrum characteristic

10.13475/j.fzxb.20160407305

2016-04-26

2016-11-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51503002)；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1608085QB43)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A796)；安徽省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(16030701088)

李長(zhǎng)龍(1968—)，男，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)榈鞍踪|(zhì)復(fù)合材料。王宗乾，通信作者，E-mail: wzqian@ahpu.edu.cn。

TS 109

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