丁凡 ，劉通 ，王全杰 ,2,3★

（1.煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東煙臺(tái)264005；2.山東全杰皮革研究所有限公司，山東煙臺(tái)264005；3.國(guó)家制革技術(shù)研究推廣中心，山東煙臺(tái)264005）

如今，人們對(duì)物質(zhì)生活的追求不斷提高，皮革制品也逐漸進(jìn)入平常百姓的家庭生活之中。服裝、鞋帽、家具、辦公甚至交通工具中，皮革制品的出現(xiàn)愈加頻繁，在中國(guó)的各個(gè)城市、地區(qū)，皮革制品所占據(jù)的市場(chǎng)份額普遍越來(lái)越高。生皮在鞣制過(guò)程中，只有30%左右的原料可以轉(zhuǎn)化為可銷售的皮革產(chǎn)品，剩下的由于工藝的原因只能作為廢物丟棄[1]。我國(guó)制革業(yè)每年會(huì)生產(chǎn)出大量的含鉻固體廢物，這種含鉻固體廢物穩(wěn)定常數(shù)高達(dá)18.8，資源再利用難度較大。2016年環(huán)保部將含鉻制革固體廢物列入危險(xiǎn)廢物名錄[2],全國(guó)制革工業(yè)對(duì)含鉻制革固態(tài)廢棄物的資源化再利用的探究更加急切,這意味著必須采有效方法處理含鉻廢棄物以減少金屬鉻對(duì)環(huán)境的污染。

膠原蛋白是動(dòng)物體蛋白的重要組成成分,相比于其他人工合成高分子材料，生物材料的優(yōu)越性更強(qiáng)，因此，作為一種天然的生物質(zhì)資源，膠原蛋白在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中應(yīng)用的重要性和經(jīng)濟(jì)地位日漸上升，利用制革固態(tài)廢棄物提取膠原蛋白以實(shí)現(xiàn)資源再利用已成為大勢(shì)所趨[3]。

目前存在著許多對(duì)于含鉻固體廢棄物的處理方法，其中堿處理法由于其操作簡(jiǎn)單、原料價(jià)廉易得且具有較高的鉻去除率而被廣泛利用。本實(shí)驗(yàn)主要探究分別利用NaOH與CaO兩種單一堿在不同濃度下以及兩種堿的不同用量配比對(duì)廢棄含鉻革屑進(jìn)行水解，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉試驗(yàn)制備膠原蛋白粉，并對(duì)影響蛋白粉質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)今后的相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)藥品及所用儀器

實(shí)驗(yàn)原料：廢棄含鉻革屑，煙臺(tái)文登制革廠。

實(shí)驗(yàn)藥品：NaOH，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；CaO,天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；本實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器：HH-DR1型電熱恒溫油浴鍋，上海雙捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；JJ224BC型分析天平，常熟市雙捷測(cè)試儀器廠；JH752型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司；AA-6880型原子吸收分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理有限公司；SX2-4-10型箱式電阻爐，龍口市先進(jìn)儀器有限公司；K1305A型自動(dòng)定氮儀，上海晟生分析儀器有限公司；SPT-12型消解儀，北京三品科創(chuàng)儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉實(shí)驗(yàn)，噴霧干燥機(jī)具體設(shè)定如表1所示。

表1 噴霧干燥機(jī)工作參數(shù)Tab.1 Spray dryer operating parameters

2.1 CaO水解革屑制備膠原蛋白粉

稱取40 g絕干含鉻革屑，置于500 mL三口燒瓶中，設(shè)置CaO用量分別為4%、6%、8%、10%、12%（以干革屑質(zhì)量計(jì)），以液比為6向其中加入去離子水，在90℃條件下水解6 h，將水解液進(jìn)行過(guò)濾，濃縮至糖度為25°Brix，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉。

2.2 NaOH水解革屑制備膠原蛋白粉

稱取40 g絕干含鉻革屑，置于500 mL三口燒瓶中，設(shè)置NaOH用量分別為4%、6%、8%、10%、12%（以干革屑質(zhì)量計(jì)），以液比為6向其中加入去離子水，在90℃條件下水解6 h，將水解液進(jìn)行過(guò)濾，濃縮至糖度為25°Brix，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉。

2.3 NaOH和CaO復(fù)合水解革屑制備膠原蛋白粉

稱取40 g絕干含鉻革屑，置于500 mL三口燒瓶中，將NaOH及CaO以不同比例復(fù)合加入體系中，復(fù)合比例分別為 1∶7、2∶6、3∶5、4∶4、5∶3、6∶2、7∶1（以干革屑計(jì)），以液比為6向其中加入去離子水，在溫度為90℃條件下水解6 h，將水解液進(jìn)行過(guò)濾，濃縮至糖度為25°Brix，利用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴粉。

2.4 蛋白粉產(chǎn)率的測(cè)定

蛋白粉產(chǎn)率按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：w——蛋白粉產(chǎn)率，%；

m1——蛋白粉質(zhì)量，g；

m2——水解所用干革屑質(zhì)量，g。

2.5 蛋白粉水分含量的測(cè)定

在燒杯中加入一定量的蛋白粉置于130℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘干，8 h后每隔30 min進(jìn)行稱重，直至前后兩次質(zhì)量之差低于0.01 g。

水分含量計(jì)算公式：

式中：δ——水分含量，%；

n0——烘干前蛋白粉質(zhì)量，g；

n1——燒杯和烘干前蛋白粉總質(zhì)量，g；

n2——燒杯和烘干后蛋白粉總質(zhì)量，g。

2.6 灰分含量的測(cè)定

取適量蛋白粉置于坩堝中，放入馬弗爐內(nèi)進(jìn)行灼燒，冷卻后稱重。

灰分含量計(jì)算公式：

式中：φ——灰分含量，%；

x1——烘干坩堝與殘?jiān)傎|(zhì)量，g；

x2——坩堝質(zhì)量，g；

x0——蛋白粉質(zhì)量，g。

2.7 氮含量的測(cè)定

根據(jù)羅艷華等[4]的方法對(duì)蛋白粉的氮含量進(jìn)行了測(cè)定。

2.8 游離氨基濃度的測(cè)定

取1 g蛋白粉置于1000 mL容量瓶中用去離子水定容備用，將紫外分光光度計(jì)的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至340 nm，預(yù)熱30 min。以去離子水為空白對(duì)照組，取0.4 mL待測(cè)液和3 mL OPA試劑至比色皿中混合放入紫外分光光度計(jì)中，開(kāi)始計(jì)時(shí)，2 min時(shí)測(cè)定吸光度，每個(gè)試樣至少測(cè)三組吸光度，最后測(cè)定結(jié)果取其算術(shù)平均值。以L-亮氨酸為標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制曲線，將平均數(shù)代入計(jì)算游離氨基濃度[5]。

圖1 游離氨基濃度與吸光度關(guān)系曲線圖Fig.1 Curve of relationship between free amino concentration and absorbance

2.9 鉻含量的測(cè)定

稱取0.25 g蛋白粉置于消解管中，向其中加入5 mL濃硫酸于消解爐中按照指定程序進(jìn)行升溫，每隔10 min向其中加入2 mL H2O2，直至消解管中的液體呈無(wú)色透明，繼續(xù)加熱10 min后，冷卻至室溫，倒入250 mL容量瓶中定容，使用原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 CaO水解法

3.1.1 產(chǎn)率

圖2 隨CaO用量變化的產(chǎn)率趨勢(shì)圖Fig.2 Yield trend graph as a function of CaO dosage

如圖2所示，蛋白粉的產(chǎn)率隨CaO用量增加而增大，在CaO用量由4%到8%間產(chǎn)率快速增加，CaO用量8%以后產(chǎn)率增加緩慢，當(dāng)CaO用量超過(guò)8%后，水解基本已達(dá)最大程度，因此產(chǎn)率上升緩慢，考慮到成本問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)選取8%為CaO最優(yōu)用量，在此條件下蛋白粉產(chǎn)率可達(dá)42.90%。

3.1.2 氮含量

圖3 隨CaO用量變化的蛋白粉氮含量趨勢(shì)圖Fig.3 Trend diagram of protein powder nitrogen content as a function of CaO dosage

如圖3所示蛋白粉的氮含量在CaO用量4%到8%間增加較為迅速，CaO用量大于8%后蛋白粉氮含量趨于穩(wěn)定，故最佳CaO用量為8%，在此條件下蛋白粉氮含量為13.96%。

3.1.3 灰分/水分含量

圖4 隨CaO用量變化的蛋白粉灰分/水分趨勢(shì)圖Fig.4 Protein powder ash/water trend graph as a function of CaO dosage

如圖4所示，隨著CaO用量的增加，蛋白粉的灰分含量、水分含量都是先降低后升高，在6%～8%附近水分含量、灰分含量基本已達(dá)到最小值，灰分含量最小值為10.02%，水分含量最小值為2.18%。

3.1.4 游離氨基濃度

圖5 隨CaO用量變化的蛋白粉中游離氨基濃度趨勢(shì)圖Fig.5 Trend diagram of free amino group concentration in protein powder with varying CaO dosage

如圖5所示，蛋白粉中游離氨基濃度隨著CaO用量的增加而增加，因?yàn)閴A用量越大，水解程度增加，打斷的肽鍵越多，釋放出的游離氨基也越多。

3.1.5 鉻含量

圖6 隨CaO用量變化的鉻含量趨勢(shì)圖Fig.6 Trend chart of chromium content as a function of CaO consumption

如圖6所示，蛋白粉Cr含量隨CaO用量增多而減少，在CaO用量10%以后減少幅度較緩，因?yàn)閴A用量越多，生成的Cr(OH)3沉淀增多，但是當(dāng)CaO用量達(dá)到一定程度后，Cr與—COOH的交聯(lián)鍵幾乎已經(jīng)全部被打斷，因此Cr含量的下降幅度放緩。

3.2 NaOH水解法

3.2.1 產(chǎn)率

圖7 隨NaOH用量變化的產(chǎn)率趨勢(shì)圖Fig.7 Yield trend graph as a function of NaOH dosage

如圖7所示，蛋白粉產(chǎn)率隨NaOH用量增加而增加，隨著NaOH用量的增加，水解程度增大，因此蛋白粉產(chǎn)率逐漸增大。

3.2.2 氮含量

圖8 隨NaOH用量變化的氮含量趨勢(shì)圖Fig.8 Trend diagram of nitrogen content as a function of NaOH dosage

如圖8所示，隨著NaOH用量的增加，蛋白粉中的氮含量基本趨于平緩，在NaOH用量8%時(shí)氮含量可達(dá)11.75%。

3.2.3 灰分/水分含量

圖9 隨NaOH用量變化的灰分/水分趨勢(shì)圖Fig.9 Ash/moisture trend graph as a function of NaOH dosage

如圖9所示，隨著NaOH用量的增加，蛋白粉的灰分含量和水分含量都呈先減小后增加的趨勢(shì)，在NaOH用量為8%時(shí)灰分含量達(dá)到最小值6.39%，在NaOH用量10%時(shí)水分含量達(dá)到最小值15.96%。

3.2.4 游離氨基濃度

圖10 隨NaOH用量變化的游離氨基濃度趨勢(shì)圖Fig.10 Trend of free amino group concentration as a function of NaOH dosage

如圖10所示，蛋白粉的游離氨基濃度隨NaOH用量的增加而增加，因?yàn)閴A用量增大，水解程度增加，打斷的肽鍵越多，釋放出的游離氨基也越多。

3.2.5 鉻含量

圖11 隨NaOH用量變化的鉻含量趨勢(shì)圖Fig.11 Trend chart of chromium content as a function of NaOH dosage

如圖11所示，蛋白粉的鉻含量隨NaOH用量的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，在NaOH用量為8%時(shí)到達(dá)極小值，鉻含量最低可達(dá)43.7760 ppm。

3.3 CaO與NaOH復(fù)合水解法

3.3.1 產(chǎn)率

圖12 隨CaO與NaOH使用比例變化的產(chǎn)率趨勢(shì)圖Fig.12 Yield trend graph as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖12所示，蛋白粉的產(chǎn)率隨CaO與NaOH加入比例的增大而降低，在本實(shí)驗(yàn)條件下得到的最高產(chǎn)率為53.43%。

3.3.2 氮含量

圖13 隨CaO與NaOH使用比例變化的氮含量趨勢(shì)圖Fig.13 Trend diagram of nitrogen content as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖13所示，蛋白粉的氮含量隨CaO與NaOH使用比例增加呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢(shì)，在使用比例為5∶3時(shí)，氮含量最高可達(dá)14.15%。

3.3.3 灰分/水分含量

圖14 隨CaO與NaOH使用比例變化的灰分/水分含量趨勢(shì)圖Fig.14 Trend of ash/moisture content as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖14所示，隨著CaO與NaOH使用比例的增加，蛋白粉的水分含量逐漸降低，灰分含量呈先降低后升高的趨勢(shì)，蛋白粉的灰分含量在使用比例為5∶3時(shí)可低至8.195%。

3.3.4 游離氨基濃度

圖15 隨CaO與NaOH使用比例變化的游離氨基濃度趨勢(shì)圖Fig.15 Trend diagram of free amino concentration as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖15所示，隨CaO與NaOH使用比例的增加，蛋白粉中的游離氨基濃度逐漸降低，可能是由于NaOH在水解時(shí)打斷肽鍵的能力更強(qiáng)。

3.3.5 鉻含量

圖16 隨CaO與NaOH使用比例變化的鉻含量趨勢(shì)圖Fig.16 Trend chart of chromium content as a function of the ratio of CaO to NaOH

如圖16所示，隨著CaO與NaOH使用比例的增加，蛋白粉中的鉻含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，在CaO與NaOH使用比例為5∶3時(shí)達(dá)到極小值20.74801 ppm。

4 結(jié)論與展望

（1）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，使用CaO水解的蛋白粉產(chǎn)率可達(dá)42.90%，氮含量可達(dá)13.96%，水分含量低至2.18%，灰分含量低至10.02%，鉻含量可降至20 ppm以下，這些最佳條件基本上出現(xiàn)在CaO用量為8%附近，且隨著CaO用量的增大，蛋白粉中的游離氨基濃度逐漸增加。

（2）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，使用NaOH水解的蛋白粉氮含量可達(dá)11.75%，灰分含量低至6.39%，鉻含量低至43.78 ppm，這些最佳條件基本上出現(xiàn)在NaOH用量為8%附近，且當(dāng)NaOH用量為10%時(shí)，水分含量最低為15.96%，隨著NaOH用量的增大，蛋白粉的產(chǎn)率和游離氨基濃度逐漸增加。

（3）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，使用CaO與NaOH復(fù)合水解法制備蛋白粉，其氮含量最高可達(dá)14.15%，灰分含量低至8.20%，鉻含量低至20.75 ppm，這些最佳條件基本上出現(xiàn)在CaO與NaOH使用比例為5∶3時(shí)，且隨著使用比例的增加，蛋白粉產(chǎn)率、水分含量均呈逐漸下降的趨勢(shì)。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：使用單一CaO水解時(shí)，蛋白粉灰分含量較高，鉻含量較低；使用單一NaOH水解時(shí)，蛋白粉灰分含量較低，鉻含量較高；使用兩種堿復(fù)合水解時(shí)，蛋白粉灰分含量和鉻含量均處于兩種單一堿水解制備的蛋白粉之間，且具有較高的蛋白含量。對(duì)三種水解方法制備的蛋白粉比較游離氨基濃度可以發(fā)現(xiàn)，使用NaOH水解制備的蛋白粉游離氨基濃度比使用CaO水解制備的蛋白粉要大很多，且當(dāng)兩種堿復(fù)合水解時(shí)，隨著CaO使用比例的增加，游離氨基濃度逐漸降低。兩種堿復(fù)合水解的綜合指標(biāo)比單一堿水解更好，若要降低蛋白粉鉻含量則考慮增加CaO用量，若要增大游離氨基濃度則考慮增加NaOH用量。

本實(shí)驗(yàn)仍存在著很大的研究空間，比如改變中和方式探究灰分含量的變化，或改變水解時(shí)間、水解溫度等因素探究蛋白粉各項(xiàng)指標(biāo)的變化。