呂明哲，李永振，楊子明，張 帆，方 蕾，李普旺

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 湛江 524001）

天然橡膠具有力學(xué)強(qiáng)度高、彈性大、伸長(zhǎng)率大、蠕變小等特點(diǎn)，已廣泛用于家用醫(yī)用手套或各類導(dǎo)管的醫(yī)療用品、保育用品、避孕用具以及其他應(yīng)用領(lǐng)域。而天然橡膠是生物合成的天然大分子，以聚順式1，4-異戊二烯為主體，含有6%～8%非膠物質(zhì)，其中以蛋白質(zhì)為主。濃縮天然膠乳中含有1.5%～3.5%的蛋白質(zhì)，歷經(jīng)浸漬、瀝濾、硫化、水洗等工序后有相當(dāng)數(shù)量的可溶性蛋白質(zhì)仍殘留于制品［1］。天然膠乳中蛋白質(zhì)多達(dá)240多種，已證明57種具有過(guò)敏性，引起過(guò)敏的主要原因是膠乳制品中殘留的水溶性蛋白質(zhì)，降低水溶性蛋白質(zhì)的總殘留量是減少引發(fā)過(guò)敏反應(yīng)發(fā)生的主要措施［2-4］。

低（脫）蛋白天然橡膠的脫蛋白可采用的方法有化學(xué)法、低溫結(jié)晶法、濕凝膠和干凝膠瀝濾法［5-6］、高速多次離心法［7-9］以及近年出現(xiàn)的輻射法［10-12］，這些方法或因成本較高、無(wú)法工業(yè)化生產(chǎn)，或蛋白質(zhì)去除效果不明顯、或因?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量有不良影響等原因，工業(yè)生產(chǎn)難以應(yīng)用。酶處理法是研究最多、工藝較為成熟的方法，也是目前商品化脫蛋白天然橡膠的主要生產(chǎn)方法［13-18］，即在凝固工序之前以蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行酶消化水解，達(dá)到大幅降低蛋白質(zhì)含量的目的。

天然橡膠過(guò)敏原主要來(lái)自水溶性蛋白，適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合蛋白存在，能夠促進(jìn)橡膠硫化、提高橡膠的定伸應(yīng)力、延緩橡膠老化，但某些非膠物質(zhì)如黃色體、氧化酶、金屬離子等的存在易使橡膠及其制品吸潮發(fā)霉、顏色發(fā)黃變黑，含量過(guò)多時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。Janina等［19］采用碳酸鈣作為吸附劑降低膠乳中的過(guò)敏原，取得良好效果。在我們開展的研究中，基于吸附沉淀法選擇吸附能力更強(qiáng)的氫氧化鋁將水溶性蛋白質(zhì)、黃色體等物質(zhì)附著在其表面形成結(jié)合物，通過(guò)高速離心法沉淀分離，得到低過(guò)敏性、高透明性的純化天然橡膠（PNR），以達(dá)到降低過(guò)敏性與純化橡膠的雙重目的（圖1）［1］。氫氧化鋁是一種酸堿兩性氫氧物質(zhì)，能強(qiáng)烈吸附蛋白質(zhì)、蛋白酶等形成沉淀，在食品工業(yè)上廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的提取與提純。利用氫氧化鋁正溶膠中心粒子（Al2O3·nH2O）的高度分散性及其進(jìn)一步脫水可成為極其微小的活性氧化鋁顆粒，具有較高的表面能和化學(xué)活性，易與蛋白質(zhì)生成新的氧化鋁合成物。

本研究以不同脫蛋白方式得到的脫蛋白天然橡膠為研究對(duì)象，研究?jī)煞N不同蛋白去除方式對(duì)天然橡膠的外觀特性、門尼粘度、硫化特性、力學(xué)性能等影響，為吸附沉淀法在脫蛋白天然橡膠的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甲酸、濃硫酸、氫氧化鈉，分析純AR，廣州化學(xué)試劑廠；堿性蛋白酶2709，酶活力20萬(wàn)u/g，徐州江大生物科技有限公司產(chǎn)品；氫氧化鋁分散液，濃度20%，廣州吉必盛科技實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；硬脂酸SA、氧化鋅ZnO、硫磺S、促進(jìn)劑M等其他原料均為市售工業(yè)級(jí)原料。新鮮膠乳、濃縮天然膠乳均為廣墾橡膠茂名分公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生膠制備 （1）天然橡膠（NR）的制備方法：取經(jīng)過(guò)離心濃縮的濃縮天然膠乳，少量直接在平板玻璃上鋪膜，其余采用1%甲酸使其凝固，然后壓薄壓縐、清洗、造粒，110℃烤箱中干燥至無(wú)白色夾生膠粒。

（2）純化天然橡膠（PNR）：采用膠態(tài)氫氧化鋁吸附蛋白質(zhì)及其他非膠物質(zhì)，沉淀后通過(guò)高速離心法除去。將干膠含量為60%的濃縮天然膠乳稀釋至5%～10%后，以1% NaOH溶液作為膠乳穩(wěn)定劑。將20%氫氧化鋁分散液稀釋后與稀釋后膠乳混合，使氫氧化鋁占天然膠乳的6%（干物質(zhì)比），在室溫下持續(xù)攪拌（轉(zhuǎn)速為250～300 r/min）處理12 h后，通過(guò)高速離心機(jī)離心濃縮。少量直接在平板玻璃上鋪膜，余下用1%甲酸促使?jié)饪s膠乳凝固，然后壓薄壓縐、清洗、造粒，在110℃鼓風(fēng)烘箱中干燥至無(wú)白色夾生膠粒。

（3）脫蛋白天然橡膠（DPNR）的制備方法：采用堿性蛋白酶處理新鮮膠乳脫蛋白的生物化學(xué)方法處理。新鮮天然膠乳用0.2%十二烷基硫酸鈉作穩(wěn)定劑，加入0.04%蛋白水解酶2709處理，混合物在37℃放置12 h。加入1%甲酸促使膠乳凝固，然后壓薄壓縐、清洗、造粒，在110℃鼓風(fēng)烘箱中干燥至無(wú)白色夾生膠粒。

1.2.2 生膠指標(biāo)測(cè)試 紅外光譜測(cè)定：取3種膠乳做成透明薄膜放置于樣品架上，在GX-1型紅外光譜儀（美國(guó)Perkin Elmer） 上測(cè)試，波數(shù)范圍4 000～600 cm-1（分辨率為 4 cm-1），掃描次數(shù)16次。

生膠氮含量：按照GB/T8088-2008標(biāo)準(zhǔn)，剪碎的膠樣用四氫呋喃浸泡，在Kjeltec 8400 型自動(dòng)凱氏定氮儀上進(jìn)行測(cè)試；

生膠灰分含量測(cè)定：利用熱重分析法，將樣品剪碎，樣品量10 mg左右，以氮?dú)鉃檩d氣（吹掃氣），流量為50 mL/min，在STA449C（德國(guó)耐馳公司產(chǎn)品）上以20℃/min從室溫升至550℃，將吹掃氣轉(zhuǎn)換為氧氣，繼續(xù)恒溫5 min，然后以儀器自帶軟件計(jì)算殘余物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即為灰分含量。

生膠門尼粘度：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T1232.1-2000在UM-2050型門尼粘度儀（中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯公司產(chǎn)品）測(cè)試試樣的門尼粘度，溫度為100℃。

生膠顏色指數(shù)測(cè)定：根據(jù)GB/T14796-2008，將生膠試樣通過(guò)混煉機(jī)雙輥壓成厚度為1.6～1.8 mm的膠片，對(duì)折、裁片得到?jīng)]有氣泡、厚度為3.2～3.6 mm的圓形膠片，用模具壓成1.6 mm的圓形膠片，通過(guò)羅維朋比色器根據(jù)橡膠顏色與標(biāo)準(zhǔn)玻璃色標(biāo)盤進(jìn)行目測(cè)匹配測(cè)定。

1.2.3 硫化膠制備 基本配方：NR100 g，氧化鋅6 g，硬脂酸0.5 g，硫黃2.5 g，促進(jìn)劑M 0.7 g。

在開放式煉膠機(jī)XK-160中，按常規(guī)混煉法將脫蛋白天然橡膠混煉，待混煉均勻后出片。采用硫化儀測(cè)得工藝正硫化時(shí)間t90，將混煉膠置于平板硫化機(jī)中，以143℃×t90的硫化條件制備硫化膠。

1.2.4 物理機(jī)械性能測(cè)試 試樣邵爾A 硬度：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T531.1- 2008，由TH200橡膠硬度計(jì)（北京時(shí)代檢測(cè)公司產(chǎn)品）測(cè)量，疊放厚度為6.0 mm左右的試樣放在測(cè)試平臺(tái)上，取5次平均值作為試樣的硬度值。

硫化特性：參照GB/T16584-1996標(biāo)準(zhǔn)，在MDR-2000型無(wú)轉(zhuǎn)子流變儀（美國(guó)ALPHA公司生產(chǎn)）測(cè)定試樣的硫化特性，測(cè)試條件：143℃×30 min。

硫化膠試樣的力學(xué)性能：按照GB/T 528-2009標(biāo)準(zhǔn)，在UT-2080萬(wàn)能電子拉力機(jī)（臺(tái)灣育肯儀器有限公司產(chǎn)品）進(jìn)行測(cè)量。用裁刀在硫化試片上沖切A型試樣。采用50 N測(cè)力計(jì)，拉伸速度為500 mm/min。每次至少測(cè)試5個(gè)試樣。測(cè)試100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率等拉伸性能。撕裂強(qiáng)度性能測(cè)試：按照GB/T 529-2008標(biāo)準(zhǔn)，用裁刀在硫化試片上沖切直角試樣。老化性能測(cè)試：熱空氣老化是將拉伸試樣在UA-401A型老化試驗(yàn)箱（臺(tái)灣育肯儀器有限公司產(chǎn)品）進(jìn)行，老化條件：100℃×24 h，分別測(cè)定其老化前后拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 生膠的基本性質(zhì)比較

由于C=C雙鍵在脫蛋白處理前后的含量不變，C=C雙鍵處的吸光度值乘以某一系數(shù)使三者在該處的吸光度相同，以便在相同條件下進(jìn)行比較。圖2為NR、PNR、DPNR3種樣品的紅外光譜。蛋白質(zhì)的特征峰之一酰胺鍵（3282 cm-1，NOH stretching）處的吸光度值，三者大小順序?yàn)镹R〉PNR〉DPNR，證實(shí)了膠乳中部分蛋白質(zhì)被消除。顯而易見，采用吸附沉淀法脫蛋白而導(dǎo)致總蛋白質(zhì)的含量降低幅度比酶法脫蛋白要小，可由總蛋白質(zhì)含量測(cè)定的結(jié)果證實(shí)。這是兩種處理方法的原理不同所致，吸附沉淀法作用對(duì)象是水溶性蛋白質(zhì)，酶法作用對(duì)象是結(jié)合蛋白和水溶性蛋白，而水溶性蛋白含量所占比例較小。

圖2 不同制備工藝的脫蛋白天然橡膠和天然橡膠的紅外光譜

經(jīng)氫氧化鋁吸附沉淀法處理前后的天然橡膠膠膜以及自然放置6個(gè)月后的變化見圖3。相比于天然橡膠膜（NR），純化天然橡膠（PNR）的透明程度增加、顏色變淡。室溫下自然放置6個(gè)月后，在NR表面覆蓋了許多白色霉斑，這是水溶性蛋白質(zhì)潮濕環(huán)境中易于變質(zhì)從而在天然橡膠膜表面長(zhǎng)出白色斑點(diǎn)，而PNR的表面則幾乎沒有斑點(diǎn)產(chǎn)生。這是一些非膠物質(zhì)如水溶性蛋白、黃色體、氧化酶等分散于水中的小分子物質(zhì)被氫氧化鋁吸附形成氧化鋁化合物，而后通過(guò)離心除去，得到潔凈度高的膠乳所致。

圖3 吸附沉淀法處理得到的脫蛋白天然橡膠膠膜及其貯存變化

不同脫蛋白方式的未硫化脫蛋白天然橡膠的氮含量、灰分含量、羅維朋顏色指數(shù)和門尼粘度等基本性質(zhì)見表1。NR（即濃縮天然膠乳凝固、烘干得到）的氮含量為0.23%，通過(guò)氫氧化鋁吸附沉淀純化處理后氮含量降低到0.18%，而經(jīng)堿性蛋白酶處理后的DPNR其氮含量由新鮮膠乳的0.40%以上降至0.13%。單從氮含量下降幅度看，吸附沉淀法蛋白質(zhì)去除效果并不明顯，遠(yuǎn)低于酶法脫蛋白，但酶法脫蛋白是蛋白酶對(duì)所有蛋白去除的結(jié)果，而吸附沉淀法主要針對(duì)水溶性蛋白的去除，從而最大程度保留結(jié)合蛋白，而水溶性蛋白在全部膠乳蛋白質(zhì)的占比較低。氫氧化鋁膠體的粒徑范圍通常在1～100 nm，而膠乳粒子的粒徑在1 μm以上，二者質(zhì)量與粒徑相差較大，氫氧化鋁與水中的金屬離子、水溶性蛋白、黃色體、小分子等物質(zhì)更容易吸附在一起形成結(jié)合體?；曳趾渴窍鹉z中礦物或無(wú)機(jī)物的量，結(jié)果表明，DPNR生產(chǎn)過(guò)程中使用堿性蛋白酶并進(jìn)行清洗降低了灰分含量，而PNR生產(chǎn)過(guò)程中由于納米級(jí)的氫氧化鋁的殘留導(dǎo)致其灰分含量上升。

橡膠工業(yè)中門尼粘度是衡量橡膠加工性能的重要參數(shù)，直接反映生膠或混煉膠的流動(dòng)性。門尼粘度越大，可塑度就越小，膠料流動(dòng)性越小，加工越困難，不易混煉均勻及擠出加工。門尼粘度大則分子量高、分布寬。表1表明，酶法脫蛋白后的DPNR門尼粘度有一定程度的下降，這可能是由于堿性蛋白酶使得膠乳粒子結(jié)構(gòu)的分解導(dǎo)致分子量降低所致；而PNR則由于氫氧化鋁的吸附使得膠乳中的小分子物質(zhì)被去除，膠乳的成分更加單一純凈，分子量增加［19］，門尼粘度值略有增加。

表1 不同制備工藝的脫蛋白天然橡膠試樣的特性參數(shù)

表1列出了由羅維朋比色器測(cè)定的生膠試樣的顏色，較低的顏色指數(shù)值代表橡膠的顏色越淡。NR為淺黃色，PNR的顏色指數(shù)在4.5，而DPNR則顯示出輕微黃褐色，顏色指數(shù)值升高達(dá)到6.5。已有研究表明，天然橡膠中多酚類、類胡蘿卜素、多酚氧化酶、脂類物質(zhì)是導(dǎo)致變色的原因［20］。在PNR生產(chǎn)過(guò)程中，在NR中加入高吸附能力的氫氧化鋁使NR中的黃色體、脂類物質(zhì)、重金屬離子被吸附，形成沉淀后通過(guò)離心出去，得到潔凈度較高的PNR；同時(shí)金屬離子含量的減少，避免了在烘干過(guò)程中天然橡膠老化加劇，得到顏色較淺的干膠。在DPNR生產(chǎn)中堿性蛋白酶促進(jìn)膠乳蛋白質(zhì)尤其是結(jié)合蛋白的水解，天然橡膠缺少了蛋白質(zhì)的保護(hù)，其熱氧穩(wěn)定性下降，在烘干過(guò)程老化加速，故導(dǎo)致膠樣顏色較PNR要深，因此一般需要添加焦亞硫酸鈉來(lái)抑制酶和非酶變色反應(yīng)。

2.2 硫化膠性能比較

兩種脫蛋白工藝的天然橡膠硫化膠的硫化特性比較結(jié)果（表2）顯示，其中硫化速率指數(shù)（Cure Rate Index，CRI）的數(shù)值越大，硫化速度越快，反之越慢。結(jié)果顯示，隨著蛋白質(zhì)含量的降低，天然橡膠的焦燒時(shí)間（t10）、正硫化時(shí)間（t90）不斷延長(zhǎng)，樣品的最大扭矩（MH）則隨之減小，硫化速率指數(shù)減小。由于3種試樣主要差異在于蛋白質(zhì)含量不同，證實(shí)了膠乳蛋白質(zhì)對(duì)硫化有促進(jìn)作用［21-23］，蛋白質(zhì)的存在利于硫化交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間較短，硫化速度加快，同時(shí)最大扭矩增加，預(yù)示其力學(xué)性能較優(yōu)。

表2 不同制備工藝的脫蛋白天然橡膠的硫化特性參數(shù)

從表3可以看出，硫化試樣的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度以及老化性能與橡膠中蛋白質(zhì)含量正相關(guān)。相對(duì)于吸附沉淀法，由酶解法得到的脫蛋白天然橡膠其各項(xiàng)性能下降幅度較大，尤其是老化后拉伸強(qiáng)度與拉斷伸長(zhǎng)率下降幅度最大。吸附沉淀法有效去除水溶性蛋白從而保留結(jié)合蛋白，同時(shí)氫氧化鋁吸附金屬離子形成沉淀而出去，金屬離子對(duì)橡膠老化有加速作用；且有少量氫氧化鋁殘留于橡膠，氫氧化鋁本身可作為阻燃劑，提高了PNR的抗老化性能。

表3 不同脫蛋白方式的脫蛋白天然橡膠硫化膠試樣的物理性能

3 結(jié)語(yǔ)

酶解法水解脫蛋白工藝能有效降低蛋白質(zhì)含量，但不加選擇地去除了水溶性蛋白和結(jié)合蛋白。失去了蛋白質(zhì)這一天然保護(hù)劑，天然橡膠的門尼粘度、硫化特性（焦燒時(shí)間、正硫化時(shí)間、最大扭矩、硫化速率指數(shù)）、力學(xué)性能均較大程度的下降；

吸附沉淀法脫蛋白工藝能有效去除水溶性蛋白質(zhì)，減少橡膠處于潮濕環(huán)境中吸潮發(fā)霉的發(fā)生；同時(shí)能兼顧某些非膠物質(zhì)如黃色體、金屬離子等的去除，得到顏色較淺的橡膠。該法最大程度保留了對(duì)橡膠保護(hù)有益的結(jié)合蛋白，有利于促進(jìn)硫化、提高橡膠力學(xué)性能、延緩橡膠老化。

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