王倩倩, 張 林,2,王泉泉, 劉 云, 劉 杰, 朱 平, 江 南

(1.青島大學 紡織服裝學院/功能紡織品與先進材料研究院/纖維新材料及現(xiàn)代紡織國家重點實驗室培育基地/海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品山東省協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 青島266071;2.山東潔晶集團,山東 日照 276826;3.青島萊茵紡織材料有限公司,山東 青島 266109)

0 引 言

作為一種具有優(yōu)良性能和優(yōu)異應用效果的天然聚合物，角蛋白具有廣泛的來源，可以從動物的毛發(fā)、羽毛、蹄和角中提取[1-3]。我國每年會剪掉上萬噸的頭發(fā)，其中只有少部分具有足夠長度的人發(fā)用來制作高效益的假發(fā)，其余的大多被丟棄。人發(fā)中角蛋白含量高達95%，而角蛋白作為人發(fā)的主要成分，其結構中存在許多二硫交聯(lián)鍵，尤其在人發(fā)鱗片層中存在高交聯(lián)的二硫鍵，使得人發(fā)難以溶解和自然降解[4-6]。

當硫化鈉用于處理人發(fā)時，它起到還原劑的作用，以破壞人發(fā)角蛋白中的二硫鍵。同時，通過水解形成的氫氧化鈉破壞角蛋白分子中的化學鍵，例如二硫鍵和肽鍵，有助于人發(fā)充分地溶脹進而溶解[7]。由于氫氧化鈉能使肽鍵發(fā)生水解，所以產(chǎn)物分子量較小。因此，可以添加其他試劑作用于蛋白質(zhì)分子間的氫鍵和離子鍵，降低硫化鈉的用量，從而減小肽鍵的破壞程度，保護大分子鏈的完整性。SDS不僅在一定程度上抑制人發(fā)蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的半胱氨酸的氧化作用，而且其可以破壞蛋白質(zhì)分子的二硫鍵和氫鍵，促進人發(fā)纖維的溶解[8-9]。文中選擇加入十二烷基硫酸鈉(SDS)和尿素來輔助溶解，借助它們對人發(fā)的溶脹作用，進而有效促進人發(fā)無限溶脹而溶解。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 廢棄人發(fā)(理發(fā)店隨機取樣)；透析袋(截留分子量為3 000 Da，上海金穗生物科技有限公司)。

1.1.2 試劑 硫化鈉(Na2S·9H2O，上海統(tǒng)亞化工科技發(fā)展有限公司)，尿素(天津市巴斯夫化工有限公司)，十二烷基硫酸鈉(SDS，天津博迪化工股份有限公司)，均為分析純。

1.1.3 儀器 BS110S分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)；HH數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇市金城國勝實驗儀器廠)；101A-28電熱干燥箱(上海市實驗儀器總廠)；TGL-16G離心機(上海安亭科學儀器)；Nicolet 5700型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Fisher公司)； DX2700型X射線衍射測試儀(丹東浩元儀器有限公司)；TGD/STDA851e型熱重分析儀(瑞士METTLER-TOLEDO公司)。

1.2 人發(fā)角蛋白提取工藝

將廢棄人發(fā)洗凈剪成長度約為1 cm的碎發(fā)段。準確稱取1 g人發(fā)，并加入10 mL Na2S·9H2O、SDS和尿素混合溶液中。密封加熱，分別做不同硫化鈉用量、不同溶解時間和不同溶解溫度的單因素對比實驗。保證人發(fā)要完全浸沒在溶液中，每30 min攪拌1次，防止頭發(fā)黏附在試管壁上或聚集成團，影響溶解效果。溶解完成后過濾，烘干殘渣稱重。將濾液離心，將上清液透析48 h(每12 h更換蒸餾水)，干燥，得到角蛋白粉末。

1.3 測試方法

用式(1)計算人發(fā)纖維溶解率(S)

(1)

式中:m0為人發(fā)纖維初始質(zhì)量(g)；m1為濾布質(zhì)量(g)；m2為烘干的不溶物和濾布的總質(zhì)量(g)。

用式(2)計算人發(fā)角蛋白提取率(T)

(2)

式中:m3為燒杯質(zhì)量(g)；m4為烘干的人發(fā)角蛋白和燒杯的總質(zhì)量(g)。

1.3.1 傅里葉變換紅外光譜(FTIR) 首先，將人發(fā)纖維研磨成粉末，然后通過溴化鉀壓片法將人發(fā)粉末和角蛋白粉末壓片。使用Nicolet 5700型傅里葉變換紅外光譜儀測試人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白粉末的紅外光譜曲線。掃描范圍400～4 000 cm-1，數(shù)據(jù)點間隔1.285 8 cm-1。

1.3.2 X射線衍射分析(XRD) 采用DX2700型X射線衍射測試儀，測試人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的晶體結構。測試條件：掃描范圍5～50°，掃描速度2°/min，輻射源Cu靶Kα (λ=15.405 nm,40 kV,30 mA)。

1.3.3 熱重分析(TG) 利用TGD/STDA851e型熱重分析儀，測試人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的熱穩(wěn)定性。測試條件：氮氣氛圍下，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為50～800 ℃。

2 結果與討論

2.1 人發(fā)角蛋白的提取工藝

2.1.1 硫化鈉用量的影響 控制溶比為1∶10，SDS質(zhì)量濃度10 g/L，尿素質(zhì)量濃度2 g/L，溶解時間3 h和溶解溫度90 ℃，分析不同硫化鈉質(zhì)量濃度對人發(fā)纖維溶解率的影響，結果如圖1所示。

圖 1 硫化鈉用量對人發(fā)纖維溶解率的影響

由圖1可知，當硫化鈉的質(zhì)量濃度為60 g/L時，人發(fā)纖維溶解率高達99.28%。隨著硫化鈉用量的增加，人發(fā)纖維溶解率顯著增大，且硫化鈉用量越高，人發(fā)纖維的溶脹和破壞越明顯，溶解反應越劇烈。人發(fā)角蛋白在溶解過程中會生成不同分子量的產(chǎn)物，有高分子量的蛋白質(zhì)長鏈，也有低分子量的多肽[10-11]。但是角蛋白的分子量過小就會降低人發(fā)角蛋白的提取率，因此不僅要追求高溶解率，也要兼顧提取的角蛋白分子量。因此綜合考慮，本實驗Na2S·9H2O用量為60 g/L。

2.1.2 溶解溫度的影響 控制浴比1∶10，Na2S·9H2O質(zhì)量濃度60 g/L，SDS質(zhì)量濃度10 g/L，尿素質(zhì)量濃度2 g/L，溶解時間3 h,分析溫度對人發(fā)纖維溶解率的影響,結果見圖2。

圖 2 溶解溫度對人發(fā)纖維溶解率的影響

由圖2可知，在溫度低于60 ℃時， 人發(fā)纖維溶解率的增長趨勢緩慢， 且溶解率明顯低于70%；當溫度逐漸升高時， 人發(fā)纖維溶解率的增長速率顯著增加。這是因為，當溫度低于60 ℃時，人發(fā)表面的鱗片層起到了良好的保護作用；當溫度高于60 ℃時， 硫化鈉對人發(fā)鱗片層的破壞性加劇，增加了與人發(fā)纖維內(nèi)部化學鍵的接觸，從而加速了人發(fā)的溶脹和角蛋白分子鏈的分解。然而，高溶解溫度傾向于水解破壞角蛋白， 其大分子長鏈容易水解成小分子甚至是多肽，從而降低角蛋白的提取率[6,12]。 出于對節(jié)約能源和成本的考慮，此實驗溶解溫度選擇80 ℃。

2.1.3 溶解時間的影響 控制浴比1∶10，Na2S·9H2O質(zhì)量濃度60 g/L，SDS質(zhì)量濃度10 g/L，尿素質(zhì)量濃度2 g/L，溫度90 ℃,分析溶解時間對人發(fā)纖維溶解率的影響,結果見圖3。

圖 3 溶解時間對人發(fā)纖維溶解率的影響

Fig.3 Effect of dissolution time on the dissolution rate of human hair fiber

由圖3可以看出，當溶解時間僅為15 min時，人發(fā)纖維的溶解率就已經(jīng)高達77.09%；當溶解時間在45 min～90 min內(nèi)時，溶解率顯著增大并且達到了95.79%；當時間增大到120 min，溶解率高達98.38%，溶解速率趨于平緩。所以，再延長溶解時間會增加角蛋白大分子長鏈的斷裂和分解，導致人發(fā)角蛋白的提取率下降。因此，此實驗選擇溶解時間為120 min。

2.2 人發(fā)角蛋白提取實驗分析

在溶解的最優(yōu)條件下，即硫化鈉質(zhì)量濃度為60 g/L，溶解溫度為80 ℃，溶解時間為120 min，同時進行3組平行實驗。將得到的人發(fā)角蛋白溶液在蒸餾水中透析48 h，干燥12 h后得到提取的人發(fā)角蛋白，并按照式(2)計算人發(fā)角蛋白的提取率,結果見表1。由表1可以看出，人發(fā)角蛋白提取率的平均值為62.98%，提取率較高。

表 1 人發(fā)角蛋白提取率

2.3 紅外光譜分析

人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的紅外測試結果見圖4。蛋白質(zhì)內(nèi)的特征化學鍵主要是肽鍵(—CONH—)。由圖4可知，人發(fā)纖維和提取的人發(fā)角蛋白的紅外光譜都具有明顯的酰胺A、酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ等特征[13-15]，都屬于典型的蛋白質(zhì)類譜圖。人發(fā)纖維在1 076 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，是由S—O對稱伸縮振動引起的，歸屬于胱氨酸—氧化物，說明人發(fā)纖維中存在一定的胱氨酸氧化產(chǎn)物。提取的人發(fā)角蛋白在1 039 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，歸屬于磺基丙氨酸，說明人發(fā)纖維在溶解過程中，人發(fā)角蛋白的二硫鍵被破壞和氧化，相應地生成磺 基丙氨酸[16-17]。

人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的特征吸收峰的振動模式如表2所示。由表2可知，與人發(fā)纖維相比，角蛋白在酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶吸收峰的位置發(fā)生了明顯的變化。這是由于在溶解過程中，角蛋白大分子鏈上化學鍵的斷裂所造成的。在酰胺I帶的譜峰中，1 658～1 650 cm-1為α-螺旋，1 640～1 610 cm-1為β-折疊[16-20]。人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白酰胺I帶的特征峰都在1 654 cm-1附近，表明它們都含有α-螺旋和β-折疊結構。

表 2 人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的FT-IR特征譜帶

圖 4 人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的FT-IR譜圖Fig.4 Infrared spectra of human hair fiber and human hair keratin

2.4 XRD分析

利用X射線衍射分析人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的晶型結構，結果見圖5。由圖5可知，與人發(fā)纖維的XRD衍射曲線相比，人發(fā)角蛋白的晶型結構發(fā)生了改變。人發(fā)纖維中在10.17°的弱衍射峰，在人發(fā)角蛋白中偏移到10.13°的位置；而人發(fā)纖維在21.02°處的衍射峰，在提取的人發(fā)角蛋白中偏移至20.78°的位置，同時衍射峰的強度都有所降低。這是因為位于10.13°和10.17°處的衍射峰對應的晶型為α-螺旋和β-折疊，位于20.78°和21.02°的衍射峰對應的晶型為β-折疊[21-23]?？梢酝茰y，人發(fā)角蛋白X射線衍射曲線的變化是由于溶解過程對氫鍵的破壞作用較大，導致部分α-螺旋和β-折疊晶體結構被破壞。

圖 5 人發(fā)纖維和人發(fā)角蛋白的XRD衍射曲線

2.5 熱重分析(TG)

通過TG考察提取的人發(fā)角蛋白和人發(fā)纖維的熱穩(wěn)定性，結果見圖6。由圖6可知，它們的熱分解過程可分為2個階段。第一階段在50～170 ℃之間，此階段人發(fā)角蛋白和人發(fā)纖維的失重率分別為7.52%和9.12%，這主要是因為它們內(nèi)部含有的水分在升溫過程中蒸發(fā)了；第二階段在170～520 ℃之間，由DTG曲線可以看出，它們的失重速率很大，分別在292 ℃和320 ℃時達到最大值，這一階段主要是蛋白質(zhì)內(nèi)部大分子結構受熱產(chǎn)生的熔融分解，失重率分別為65.80%和62.33%[7,24-27]。人發(fā)角蛋白在252 ℃和265 ℃出現(xiàn)了2個弱峰，失重率分別為6.35%和3.96%；而人發(fā)纖維分別在253 ℃和283 ℃出現(xiàn)了2個弱峰，失重率為6.39%和9.86%，這是由于α-螺旋和β-折疊結構熔融分解而形成的峰。由于在溶解角蛋白時破壞了大分子內(nèi)部的二級結構，所以人發(fā)角蛋白在這兩段的失重率遠小于人發(fā)纖維的。當溫度高于520 ℃時，人發(fā)角蛋白和人發(fā)纖維的質(zhì)量損失都較小，說明它們在520 ℃時已經(jīng)基本分解完全。

(a) TG曲線

(b) DTG曲線圖 6 人發(fā)纖維和角蛋白的TG、DTG曲線

3 結 論

(1) 硫化鈉體系溶解和提取人發(fā)纖維的優(yōu)化工藝條件為：Na2S·9H2O質(zhì)量濃度為60 g/L，SDS質(zhì)量濃度為10 g/L，尿素質(zhì)量濃度為2 g/L，溶解時間為120 min，溶解溫度為80 ℃，浴比1∶10。

(2) 在上述條件下，人發(fā)角蛋白的溶解率為92.29%，角蛋白的提取率為62.98%。

(3) TG、XRD和FT-IR結果顯示,獲得的角蛋白熱穩(wěn)定性良好，其所含的晶型結構和特殊官能團與人發(fā)纖維中的基本相同。