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含鉻革屑堿酶結合水解提取膠原蛋白

2018-03-16 06:40:42王小卓溫會濤梁永賢楊義清王坤余但衛(wèi)華

西部皮革 2018年3期

王小卓，溫會濤 *，梁永賢，楊義清，王坤余，但衛(wèi)華

（1.興業(yè)皮革科技股份有限公司，福建晉江362261；2.福建省皮革綠色設計與制造重點實驗室，興業(yè)皮革科技股份有限公司，福建晉江362261；3.四川大學制革清潔技術國家工程實驗室，四川成都610065）

1 引言

皮革行業(yè)是我國輕工行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，為經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻，但隨著制革規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)能無序擴張，帶來了一定的環(huán)境污染問題[1]。據(jù)統(tǒng)計[2-4]，1t原料皮只能產(chǎn)出200kg成品革，卻會產(chǎn)生超過600kg固體廢棄物，其中被列入危險固廢的含鉻皮類固廢約為250kg，其主要成分為膠原蛋白和Cr2O3，以干基計，含鉻廢棄物中Cr2O3含量約為4.0%，膠原蛋白含量約為80%[5-6]，若采用傳統(tǒng)的填埋方法，不僅會給環(huán)境帶來極大的污染，而且會造成資源的大量浪費。

含鉻廢棄物資源化利用可以不脫鉻直接利用，也可以脫鉻后分別回收鉻和膠原蛋白進行高值利用[7]。脫鉻是破壞鉻與膠原羧基的配位鍵，從而使鉻與膠原分離。按照水解助劑的不同，水解方法可分為氧化法、酸法、堿法、酶法和綜合法等[8]。氧化法脫鉻不徹底，需多次重復脫鉻，造成膠原損失和成本增加，而且易產(chǎn)生劇毒的Cr6+；酸法對膠原分子降解較大，產(chǎn)物分子量較小，膠原提取率和脫鉻率都比較低，而且酸液對設備的腐蝕較大；堿法對膠原分子降解較大，產(chǎn)物分子量較小，但是膠原提取率和脫鉻率都較高；酶法反應條件溫和，對膠原蛋白分子破壞較小，是一種較優(yōu)越的水解方法，但是膠原提取率和脫鉻率都較小。堿法水解具有較高的膠原提取率和脫鉻率，但是仍會殘留部分未水解完全的鉻渣，采用酶法對鉻渣進行二次水解，可進一步提高膠原提取率。

利用含鉻廢棄物經(jīng)脫鉻制備皮革化學品，使制革含鉻固體廢棄物在制革行業(yè)封閉循環(huán)利用，是對生物質資源——膠原蛋白和國家戰(zhàn)略性資源——鉻的高值再利用。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

2.1.1 主要材料

含鉻革屑，興業(yè)皮革科技股份有限公司鞣制后削勻革屑及修邊下腳料；氧化鈣，AR，西隴化工股份有限公司；氫氧化鈉，AR，西隴化工股份有限公司；二水合草酸，AR，西隴化工股份有限公司；碳酸氫鈉，AR,廣東汕頭達濠精細化學品有限公司；氧化鎂，AR，廣東汕頭達濠精細化學品有限公司堿性蛋白酶，生物試劑，上海藍季科技發(fā)展有限公司；中性蛋白酶，生物試劑，上海藍季科技發(fā)展有限公司。

2.1.2 主要儀器

PHSJ-4F型pH計，深圳市華鑫計量儀器有限公司；KD-2100TEC型精密電子天平（精密度0.01 g），福州科迪電子技術有限公司；JJ224BC型精密電子天平（精密度0.0001 g），常熟市雙杰測試儀器廠；HZS系列水浴恒溫振蕩器，金壇市科欣儀器有限公司；DK-98-II型電子調(diào)溫萬用電爐，天津市泰斯特儀器有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 含鉻革屑預處理

首先用自來水沖洗削勻含鉻革屑3-4遍；然后加入洗滌劑揉搓，用自來水沖洗后再重復沖洗至干凈為止；最后將洗滌干凈的含鉻革屑烘至恒量，置于干燥器中保存，備用。

2.2.2 堿處理

在三角瓶中加入5.00 g含鉻革屑，50.00 g蒸餾水，0.30 g堿性材料，攪拌均均，置于（70±0.2）℃的恒溫水浴振蕩器中反應3 h，冷卻后抽濾，得到膠原水解液；并探討堿性材料用量、反應溫度、反應時間對含鉻革屑脫鉻率及膠原蛋白提取率的影響。

2.2.3 酶處理

在三角瓶中加入1.00 g經(jīng)堿性材料處理后的含鉻革屑殘渣，按表1所示的方法加入蛋白酶，控制反應溫度、反應pH，冷卻后抽濾，得到膠原水解液；并探討酶種類，酶反應溫度、酶反應pH對膠原蛋白提取率的影響。

2.3 檢測方法

2.3.1 含鉻革屑主要技術指標

水分含量按輕工行業(yè)標準（QB/T 2717-2005）進行測定[9];Cr2O3含量按輕工行業(yè)標準（QB/T 2720-2005）進行測定[10];pH按輕工行業(yè)標準（QB/T 2724-2005）進行測定[11];灰分含量按輕工行業(yè)標準（QB/T 1274-2012）進行測定[12]。

2.3.2 膠原蛋白提取率

采用重量分析法進行檢測。將膠原蛋白水解液過濾2-3次，將濾液定容至100 m L，用移液管移取10 m L至稱量瓶中，放入（102±2）℃烘箱烘至恒重，在干燥器中冷卻至室溫，稱量，并通過下式計算膠原蛋白提取率。

式中：W—膠原水解物提取率（%）；

m0—稱量瓶的質量（g）；m1—含鉻革屑干重（g）；

m2—稱量瓶和干燥后膠原水解物質量（g）。

2.3.3 膠原蛋白鉻含量

將膠原蛋白水解液過濾2-3次，干燥得到膠原蛋白粉，按輕工行業(yè)標準（QB/T 2720-2005）測定膠原蛋白中Cr2O3含量[10]。

2.3.4 脫鉻率

從2.3.1、2.3.3中分別得到含鉻革屑、膠原蛋白中的鉻含量，可采用下式計算脫鉻率。

式中：W—脫鉻率（%）；

C1—含鉻革屑鉻含量（m g/g）；C2—膠原蛋白鉻含量（m g/g）。

3 結果與分析

3.1 含鉻革屑主要技術指標

含鉻革屑為興業(yè)皮革科技股份有限公司鞣制后削勻產(chǎn)生的革屑及修邊產(chǎn)生的下腳料，經(jīng)檢測，其pH值，水分含量，灰分含量，Cr2O3含量技術指標如表2所示。

從表2可以得到含鉻革屑膠原蛋白含量約為80%，Cr2O3含量約為4%，若不加以回收利用，將會造成大量的資源浪費，同時會對環(huán)境帶來一定的污染。

3.2 堿性材料篩選

分別采用 CaO、M gO、NaOH、NaHCO3四種堿性材料水解含鉻革屑，以脫鉻率和膠原提取率為評價指標，其結果如圖1所示。

從圖 1可以看出，NaOH、CaO、M gO、NaHCO3水解含鉻革屑，膠原提取率依次為87.5%，56.3%、53.7%、X%，脫鉻率依次為 90.16%、98.38%、98.18%、X%。4種堿性材料的膠原蛋白提取率為：NaOH＞CaO＞M gO＞NaHCO3。NaOH是會對膠原纖維造成破壞，所得膠原蛋白相對分子質量過小；且易與Cr(OH)3反應生成水溶性NaCrO2，使得膠原水解液鉻含量增大。CaO、M gO反應溫和，其中CaO水解法膠原提取率、脫鉻率優(yōu)于MgO水解法，且CaO價格更便宜，故采用CaO為進行水解含鉻革屑。

表1 蛋白酶對膠原提取率的影響Tab.1 Theeffectofprotease for collagenextraction rate

表2 含鉻革屑的主要技術指標Tab.2 Main qualification of chr o me shavings

圖1 不同堿性材料比較Fig.1 Com parisonof differentalkalinem aterials

圖2 CaO用量對膠原提取率和脫鉻率的影響Fig.2 Influence of Cao dosage forcollagenextraction rateand dechrom ing rate

3.3 C a O法水解含鉻革屑

CaO水解含鉻革屑，反應條件溫和，脫鉻率和膠原提取率較高，所得水解液鉻含量低，而且CaO價格便宜，故對CaO水解法進行優(yōu)化，探討CaO用量、反應溫度、反應時間對含鉻革屑脫鉻率及膠原提取率的影響。

3.3.1 C aO用量對膠原提取率和脫鉻率的影響

在反應溫度為70℃，反應時間為5 h的條件下，采用4%、6%、8%和10%的CaO對含鉻革屑進行水解，膠原提取率和脫鉻率如圖2所示。

從圖2可以看出，膠原提取率隨CaO用量增而變大，當用量達到8%后趨于穩(wěn)定。當CaO用量由4%增加至8%時，膠原提取率由14.0%增大至73.5%，增幅為425%；當CaO用量由8%增加至10%時，膠原提取率由73.5%增大至75.8%，增幅僅為3.13%。CaO溶于水生成Ca(OH)2電離出OH-，反應體系中OH-濃度是影響膠原提取率的主要因素。當CaO用量較低時，隨CaO用量地增加，反應體系OH-濃度增大，膠原提取率隨之增大，但是Ca(OH)2在水中的溶解度不高，隨CaO用量進一步增加，部分Ca(OH)2以白色沉淀的形式出現(xiàn)，反應體系中的OH-濃度并不會增加，因此膠原提取率不會隨之增加，而是趨于穩(wěn)定。

從圖2可以看出，脫鉻率隨CaO用量地增加先增大后趨于穩(wěn)定。當CaO用量為4%時，脫鉻率為87.97%；當CaO用量介于8%-10%時，脫鉻率趨于穩(wěn)定，達到99.96%左右，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.012m g/g，脫鉻率為99.96%。CaO的引入必然會帶來水解液的灰分含量的變大，因此為保持較高的膠原提取率并避免水解液灰分的增加過多，確定CaO最佳用量為8%。

3.3.2 C aO反應溫度對膠原提取率和脫鉻率的影響

反應溫度直接影響反應速率，在規(guī)定時間內(nèi)反應速率直接影響膠原提取率和脫鉻率。在CaO用量為8%，反應時間為5h的條件下，改變反應溫度進行含鉻革屑水解實驗，探討反應溫度對膠原提取率和脫鉻率的影響，其結果如圖3所示。

從圖3可以看出，膠原提取率隨反應溫度地升高先增大后趨于穩(wěn)定。當反應溫度由60℃升高至70℃，膠原提取率由38.0%增大至74.2%，增幅為95.26%；當反應溫度由70℃升高至75℃時，膠原提取率由74.2%增大至76.0%，增幅僅為2.43%。反應溫度變高，反應速率增大，膠原提取率表現(xiàn)出快速增大的現(xiàn)象；但溫度升至一定值后，分子運動逐漸趨于動態(tài)平衡，反應速率逐漸趨于穩(wěn)定，膠原提取率表現(xiàn)出趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。

從圖3可以看出，脫鉻率隨反應溫度地升高先增大后趨于穩(wěn)定。當反應溫度為60℃時，脫鉻率最低，為89.61%，當反應溫度介于70-75℃時，脫鉻率趨于穩(wěn)定，達到99.61%左右，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.018m g/g，脫鉻率為99.61%。反應溫度越高越易造成Cr3+轉化為Cr6+，危害人體健康，故確定CaO最佳反應溫度為70℃。

3.3.3 C aO反應時間對膠原提取率和脫鉻率的影響

在CaO用量為8%，反應溫度為70℃的條件下，改變反應時間進行含鉻革屑水解實驗，探討反應時間對膠原提取率和脫鉻率的影響，其結果如圖4所示。

由圖4可以看出，膠原提取率隨反應時間地增加先增大后趨于穩(wěn)定。當反應時間由1 h增加至3 h，膠原提取率由42.0%增大至52.0%，增幅為23.81%；當反應時間由3h增加至5h，膠原提取率由52.0%增大至74.2%，增幅為42.69%；當反應時間由5h增加至7 h，膠原提取率由74.2%增大至76%，增幅僅為2.43%。當膠原提取率達到74.2%時，說明水解反應已經(jīng)接近終點，再增加時間不會對膠原提取率帶來很明顯地增長。

圖3 CaO反應溫度對膠原提取率和脫鉻率的影響Fig.3 Influence of CaO reaction tem perature for collagen extraction rate andchrom ing rate

圖4 CaO反應時間對膠原提取率和脫鉻率的影響Fig.4 Influence of CaO reaction tim e for collagenextraction rate and dechrom ing rate

由圖4可以看出，脫鉻率隨反應時間地增加先增大后趨于穩(wěn)定。其中，當反應時間為1 h時脫鉻率最低，為88.16%；當反應時間介于5～7 h時，脫鉻率趨于穩(wěn)定，達到99.56%左右，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.021 m g/g，脫鉻率為99.56%。由于反應時間越長，能耗越大，故確定CaO最佳反應時間為5 h。

綜上所述，CaO法水解含鉻革屑的最佳作用條件為CaO用量8%，反應溫度70℃，反應時間5h。

3.4 酶法水解條件優(yōu)化

為進一步提高膠原提取率，采用蛋白酶對CaO法水解殘留的鉻渣進行二次水解，探討酶種類、酶用量、酶反應溫度、酶反應pH對膠原提取率的影響。

3.4.1 酶用量的影響

改變酶用量進行含鉻革屑水解實驗，分別探討中性蛋白酶和堿性蛋白酶酶用量對膠原提取率的影響，其結果如圖5所示。

由圖5可以看出，膠原提取率隨酶用量地增加先增大后趨于平穩(wěn)。當中性蛋白酶用量由2%增加至4%時，膠原提取率由14.0%增大至20.6%，增幅為47.14%；當中性蛋白酶用量超過4%時，膠原提取率增速明顯降低。當堿性蛋白酶用量由2%增加至6%時，膠原提取率由4.0%增大至11.5%，增幅為187.5%；當堿性蛋白酶用

量超過6%時，膠原提取率增速明顯降低。酶用量較低時，底物濃度大大超過酶濃度，反應速度隨酶濃度地增加而增大，但是酶濃度增加到一定值后，酶促反應速率趨近于最大值，趨于穩(wěn)定。堿性蛋白酶的最佳用量為6%，膠原提取率為11.5%；中性蛋白酶最佳用量為4%時，膠原提取率為20.6%，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.010 m g/g。

3.4.2 酶反應溫度的影響

蛋白酶對溫度較為敏感，在一定溫度范圍內(nèi)才能保持較高的活力，溫度偏低會抑制酶的活性，溫度過高則會導致蛋白酶變性從而失去活力。改變反應溫度進行含鉻革屑水解實驗，分別探討中性蛋白酶和圖5 酶用量對膠原提取率的影響Fig.5 Influence of protease dosage for collagen extraction rate圖6 酶反應溫度對膠原提取率的影響Fig.6 Influenceof protease reaction tem perature forcollagen extraction rate堿性蛋白酶反應溫度對膠原提取率的影響，其結果如圖6所示。

圖7 酶反應p H對膠原提取率的影響Fig.7 Influenceof protease reaction p H forcollagen extraction rate

從圖6可以看出，中性蛋白酶隨溫度地升高，膠原提取率先增大后降低。當溫度為37℃時，膠原提取率最大，達到21.5%。中性蛋白酶只有在37℃時才易溶于水，溫度低于或者高于37℃時，會有部分蛋白酶以沉淀的形式存在，反應體系中酶濃度降低，膠原提取率受到限制。堿性蛋白隨溫度地升高，膠原提取率先增大后趨于平穩(wěn)。當反應溫度由40℃升高至47℃時，膠原提取率由4.0%增大至11.8%，增幅為195%；溫度繼續(xù)升高至50℃時，膠原提取率僅增大至12.2%，增幅僅為3.39%。堿性蛋白酶最佳水解溫度為47℃，當溫度超過47℃時膠原提取速率明顯降低，說明酶的活力受到了抑制。堿性蛋白酶最適反應溫度為47℃，膠原提取率為11.8%；中性蛋白酶最適反應溫度為37℃時，膠原提取率為21.5%，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.020 m g/g。

3.4.3 酶反應pH的影響

pH對酶的活力影響很大，在最適的pH條件下才能使酶的作用達到最大，過高或過低的p H都會使酶的空間構象發(fā)生改變，從而使酶失去活力。改變反應體系pH進行含鉻革屑水解實驗，分別探討中性蛋白酶和堿性蛋白酶反應pH對膠原提取率和脫鉻率的影響，其結果如圖7所示。

由圖7可以看出，中性蛋白酶隨p H的升高，膠原提取率先增加后降低。當反應體系pH為7.5時，酶活性達到最佳，膠原提取率最大，達到20.3%，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.020 m g/g。堿性蛋白酶隨pH的升高，膠原提取率先緩慢增大，后快速增大。當反應體系的pH為10.0時，膠原提取率為12.0%，膠原蛋白鉻含量為0.020 m g/g；當pH超過10.0時，膠原提取率表現(xiàn)出快速增大，說明反應體系中OH-成為水解革屑的主要因素，酶活性降低或已失活，含鉻革屑在堿的作用下快速水解，同時Cr(OH)3與OH-進一步反應生成水溶性NaCrO2，使得膠原水解液鉻含量大幅增加。堿性蛋白酶最適反應pH為10.0，膠原提取率為12.0%；中性蛋白酶最適反應pH為7.5，膠原提取率為20.3%，此時膠原蛋白鉻含量僅為0.020 m g/g。

綜上所述，中性蛋白酶提取膠原蛋白的效果要好于堿性蛋白酶，最佳作用條件為中性蛋白酶用量4%，反應溫度37℃，反應p H 7.5。

3.5 C a O-中性蛋白酶結合法水解

上述3.3、3.4分別對CaO、蛋白酶水解條件進行了優(yōu)化，得出了CaO、蛋白酶的最佳作用條件。在其基礎上，進行“CaO-中性蛋白酶”結合法水解含鉻革屑的驗證實驗，得到含鉻革屑在CaO、中性蛋白酶最佳作用條件下，膠原提取率為77.45%，脫鉻率為99.71%，膠原蛋白鉻含量為0.018m g/g。