王 晨，唐亞麗,2，盧立新,2，潘 嘹,2，丘曉琳,2

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000； 2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214100)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，全球人口進(jìn)一步增加，人們生活水平也日漸提高，對蛋白質(zhì)的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，而禽類就是人們獲取蛋白的一個重要來源，據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)的數(shù)據(jù)，盡管全球經(jīng)貿(mào)受到COVID-19疫情肆虐的嚴(yán)重影響，2020年各肉類產(chǎn)量較去年有不同程度的降低，但家禽肉類預(yù)計仍將增長2.6%達(dá)1.37億噸[1]。羽毛占鳥類體重比例高達(dá)10%，這意味著有大量的羽毛會作為屠宰廢棄物產(chǎn)生，其長時間的堆積儲存會產(chǎn)生大量微生物和異味，在運(yùn)輸和廢棄處理過程中具有較大的風(fēng)險帶來微生物傳播和環(huán)境污染[2-3]。羽毛中90%的質(zhì)量由角蛋白構(gòu)成， 因此我們可以考慮對其加以利用， 角蛋白根據(jù)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)可分為α-角蛋白(α-螺旋)和β-角蛋白(β-折疊)兩種類型，其中羽毛主要由β-角蛋白構(gòu)成[4-6]。角蛋白與其他蛋白質(zhì)最主要的區(qū)別在于其高半胱氨酸含量，含硫的半胱氨酸會使角蛋白形成二硫鍵并高度交聯(lián)，從而變得堅硬和不易水解[7]。

關(guān)于水解角蛋白的研究，已有包括還原、氧化、亞硫酸鹽、酸堿處理在內(nèi)的化學(xué)方法，該方法主要是通過破壞二硫鍵和氫鍵來使角蛋白水解的；此外，還有機(jī)械法、酶解法、離子溶液法等[8-9]。關(guān)于廢棄羽毛再利用的研究主要是針對羽毛角蛋白在組織工程、飼料、紡織、可生物降解塑料、建筑材料等領(lǐng)域的應(yīng)用探索[8-10]，如Al-Asheh等[11]和Kar等[12]研究了簡單處理后雞毛對多種金屬離子的吸附能力，Khosa等[13]將三硅烷醇苯基-POSS接枝到角蛋白分子上使其對As(III)的吸附能力提升了約5倍，Zhou等[14]和Wattie等[15]則分別探究了羽毛再生水解角蛋白自交聯(lián)以及戊二醛交聯(lián)后的水解角蛋白的吸油能力，并發(fā)現(xiàn)交聯(lián)后可大幅度提升吸油性能，莊媛[16]和劉暢[17]分別發(fā)現(xiàn)了雞毛水解再生殘渣海綿對水中Cr(Ⅵ)、Cd2+等污染物的去除具有良好效果。

綜上，雖然對于雞毛水解后殘渣的研究已有開展，但相關(guān)成果還是較少。受Zhou等[14]吸油研究的啟發(fā)，本文主要致力于還原法水解廢棄雞毛產(chǎn)生的不溶性殘渣再利用的研究，將該殘渣制備為殘渣海綿，并探索其在吸油方面的潛在利用價值，以期實(shí)現(xiàn)二次廢棄物的簡易制備再利用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

所用試劑均為分析純，包括亞硫酸鈉(Na2S2O5)，尿素和十二烷基硫酸鈉(SDS)，購自上海麥克林生化科技有限公司；液體石蠟，橄欖油，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。雞毛取自無錫市的某家禽市場，試驗(yàn)前先用清水洗凈并風(fēng)干，再使用粉碎機(jī)(800Y，永康市鉑歐五金制品有限公司)在34 000 r/min的轉(zhuǎn)速下粉碎1 min，粉碎后的羽毛呈現(xiàn)蓬松狀態(tài)。

1.2 制備方法

1.2.1 水解殘渣的制備

制備流程：羽毛水解-殘渣分離清洗-冷凍干燥。首先采用還原法水解角蛋白[18-19]，將10 g亞硫酸鈉、48 g尿素、5 g十二烷基磺酸鈉與100 mL去離子水混合后，在40～50 ℃的水浴中加熱攪拌5 min左右，使其快速溶解為澄清溶液，另稱取10 g粉碎蓬松后的羽毛加入混合溶液中，按壓并使其浸潤，最后在80 ℃水浴中加熱反應(yīng)5 h，反應(yīng)在N2氣氛保護(hù)下進(jìn)行。加熱水解反應(yīng)后使用紗布迅速進(jìn)行固液分離，以免水解角蛋白被空氣中氧氣氧化而凝固。

1.2.2 殘渣海綿的制備

取分離后得到的黑褐色不溶殘渣用500 mL去離子水清洗后再次過濾，清洗過程重復(fù)5次以上，液態(tài)角蛋白鹽溶液則另外加以利用。清洗后將殘渣置于紗布上濾干10 min(濾干后殘渣重約10 g，干燥后重約2 g)，為了制備不同孔隙率的樣品，再將多組殘渣分別在10、15、30、50、100 mL去離子水中分散均勻并倒入培養(yǎng)皿中，在-40 ℃下冷凍24 h后于真空冷凍干燥機(jī)中凍干2天。

1.3 吸油試驗(yàn)

將所有樣品裁切為等尺寸方形試樣，并在60 ℃烘箱中烘至恒重以備用。

1.3.1 純油吸附試驗(yàn)

為確定殘渣海綿對純油介質(zhì)的吸附能力，選擇橄欖油和液體石蠟作為測試油樣，在該試驗(yàn)中，將一定重量的殘渣海綿(<1 g)浸入100 mL的測試油中，充分吸附5 min后取出，置于濾網(wǎng)上排干1 min，直至沒有油滴落下，然后稱重。再將吸油樣品以500 r/min的速度離心5 min后取出稱重。每次測量重復(fù)3次，計算并記錄標(biāo)準(zhǔn)偏差。

通過式(1)計算吸油量：

(1)

通過式(2)計算持油能力：

(2)

式中：Ws為吸油后吸附劑的最終重量，g；W0為吸附劑的初始重量，g；Wd為吸油并離心后吸附劑重量，g。

1.3.2 油水選擇性吸附試驗(yàn)

為了測試殘渣海綿在最極端油水混合物中對油的選擇性吸附能力，首先將一定重量的殘渣海綿(<1 g)浸入100 mL的去離子水中充分浸泡5 min，取出簡單瀝去表面水分后立即浸入100 mL的測試油中，吸附5 min后取出置于濾網(wǎng)上排干1 min，然后稱重，通過蒸餾確定殘渣海綿中的水含量。采用(3)式計算選擇性吸油量：

(3)

式中：Wf為試驗(yàn)后吸附劑的最終重量，g；Wm為試驗(yàn)后吸附劑中水的重量，g；W0為吸附劑的初始重量，g。

1.4 表征

使用LRXPLUS型電子材料試驗(yàn)機(jī)(美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，試樣長為100 mm、寬為15 mm，夾具間距為50 mm，試驗(yàn)速率50 mm/min，每種試樣測5組，取平均值。使用傅立葉變換紅外吸收光譜儀(FTIR)(NicoletiS10，Thermo Fisher，美國)對試樣價鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，掃描范圍為800～4 000 cm-1。表面形貌表征采用掃描電子顯微鏡(SEM)(Helios G4 CX，Thermo Fisher，美國)進(jìn)行，并在分析前噴金處理。用熱重儀(Q500，TA Instruments，美國)進(jìn)行熱穩(wěn)定性測試，N2氣氛(60 mL/min)保護(hù)，升溫速率為20 ℃/min，升溫范圍為30～600 ℃。最后使用氣體吸附分析儀(Autosorb IQ，Quantachrome Instruments，美國)并采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法在77 K下通過N2吸附等溫線測量比表面積(SSA)。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙率的選擇

采用文獻(xiàn)[18]中排出乙醇的方法簡易測定殘渣海綿孔隙率，孔隙率與凍干前加水量對應(yīng)情況見表1，可見，隨著加水量的增加，殘渣海綿的孔隙率逐漸變大，而密度值逐漸減小。圖1給出了孔隙率對殘渣海綿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和吸油性能(使用橄欖油進(jìn)行測試)的影響，由圖1可知，孔隙率對于殘渣海綿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和吸油性能都有較大影響，隨著孔隙率的提升，其拉伸強(qiáng)度持續(xù)下降；吸油量則在孔隙率為96.5%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，呈現(xiàn)先加速上升后下降的趨勢。

圖1 孔隙率對殘渣海綿性能影響

表1 不同凍干前加水量制得樣品的孔隙率

主要原因在于，隨著孔隙率的增加，材料密度呈倍數(shù)降低?？紫堵?8.1%的材料凍干前加水量為100 mL，是孔隙率96.5%的材料的2倍，則密度降低近50%，由此帶來的拉伸強(qiáng)度加速下降也是必然結(jié)果。吸油量的變化則是隨著密度進(jìn)一步降低,孔隙進(jìn)一步增大，殘渣海綿的持油能力逐步降低，造成靜置排油階段海綿內(nèi)吸附的油大量損失，導(dǎo)致最終吸油量有所降低。

而在相對低孔隙率階段如90.4%處，雖然機(jī)械強(qiáng)度相對較高但吸油量表現(xiàn)較差，因此綜合考慮選擇96.5%作為樣品的標(biāo)準(zhǔn)孔隙率，即10 g雞毛原料制備試驗(yàn)中凍干前加水量為50 mL，后續(xù)殘渣海綿的試驗(yàn)及研究都采用此標(biāo)準(zhǔn)孔隙率的樣品。

2.2 吸油對比測試

2.2.1 純油介質(zhì)試驗(yàn)

將制得的殘渣海綿分別放入橄欖油和液體石蠟中測試吸油量，并同步測試濾紙凍干再生樣品和脫脂棉的吸油量作為對比，結(jié)果如圖2所示，其中濾紙凍干再生過程與殘渣凍干條件、步驟相同。

圖2 各吸附劑樣品的純油吸油量與持油性能

殘渣海綿在吸油過程中均無明顯溶脹現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)殘渣海綿樣品對于橄欖油和液體石蠟都具備不錯的吸附量，分別可達(dá)17.24 g/g(標(biāo)準(zhǔn)差0.82 g/g)、14.11g/g(標(biāo)準(zhǔn)差0.52 g/g)，明顯好于同樣步驟再生的紙類樣品，這主要是由于殘渣纖維相對紙纖維更為親油導(dǎo)致的，尤其是紙纖維中含有大量的親水基團(tuán)，從而相對更不親油。另外，殘渣海綿針對兩種油的吸油量都低于脫脂棉，這是因?yàn)槊蘩w維的脫脂使其親油性顯著上升，且蓬松的狀態(tài)也使其更易于在空隙中留住油脂。

就持油性能而言，再生紙略優(yōu)于殘渣海綿，而明顯優(yōu)于脫脂棉，分別為82.61%、74.26%和57.69%(橄欖油)，且不同油間差別不明顯。造成不同吸附劑持油差距的主要原因還是孔隙的不同，脫脂棉更蓬松吸油量更大，這也造成持油性能的下降，而再生紙則正好與之相反。

同時，筆者發(fā)現(xiàn)所有樣品吸附橄欖油的重量都約是同樣品吸附液體石蠟的1.2倍左右，這也正好是兩種油的密度比，說明對于所有測試的吸附劑而言，吸入油脂的密度是其吸油量的重要影響因素，同一吸附劑吸入的不同測試油的體積是相同的，而不同測試油間的密度差異造成了最終吸油量的差距。由此根據(jù)孔隙率數(shù)據(jù)計算，孔隙率為96.5%的殘渣海綿表觀孔容為27.64 cm3/g，將橄欖油和液體石蠟密度與表觀孔容相乘即可得到殘渣海綿的理論吸附量，將試驗(yàn)測量得到的實(shí)際吸油量與理論吸油量對比得出其比值分別為68.17%和68.07%，兩者幾乎一致。

因此，考慮到這一點(diǎn)并結(jié)合液體石蠟與機(jī)油密度相近，殘渣海綿的實(shí)際吸油量高于Wattie等[15, 20]制備的羽毛再生角蛋白10.76 g/g的機(jī)油吸附量，同樣也優(yōu)于聚乙烯的6 g/g。因此綜合而言，殘渣海綿具備較好的吸油及持油性能。

2.2.2 油水選擇性試驗(yàn)

選擇吸油量更高的橄欖油作為測試油進(jìn)行對比試驗(yàn)，可使結(jié)果差距更明顯，為了模擬最極端條件下測試樣品對于油水選擇性吸附油的能力，將樣品先過水后過油，各樣品吸附油、水量如圖3所示。結(jié)果表明，殘渣海綿在油水環(huán)境下對于油的選擇性吸附性能顯著，不僅吸附的油水比例最高，達(dá)到約4∶9，遠(yuǎn)高于再生紙的1∶17與脫脂棉的1∶21，而且吸油總量也是最高，達(dá)到5.67 g/g，約為脫脂棉的5.6倍。

與純油介質(zhì)試驗(yàn)對比計算可知，選擇性試驗(yàn)中各吸附樣品吸油量經(jīng)由純油吸油量扣除后，與吸水量的比值均接近1.1，與水和橄欖油密度的比值相近，同樣也說明，選擇性試驗(yàn)中也是等體積的水替換了等體積的油。圖3中所示相同條件下殘渣海綿的吸油占比顯著更高，這表明殘渣海綿在油水混合介質(zhì)中對油的選擇性吸附性能較為出色。

圖3 各吸附劑樣品的選擇性油-水吸附量

另外在先過油后過水的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)就殘渣海綿而言，吸油量與在純油介質(zhì)中相近，吸水量幾乎為零，保油能力優(yōu)異。說明實(shí)際上殘渣纖維的親油性是三者中最高的，在相同條件下用等體積的水替換殘渣海綿中等體積的油最為困難，不管是純油介質(zhì)試驗(yàn)還是選擇性試驗(yàn)，造成各吸附劑吸附總量差異的最主要原因還是材料本身的密度以及孔隙空間大小，而造成其選擇性吸附能力差異的主要原因則是纖維本身親油性的不同。

Zhou等[14]發(fā)現(xiàn)羽毛再生角蛋白同樣也具有油水選擇性吸附的特點(diǎn)，且其油水選擇性吸附的比例約為2∶3，略高于殘渣海綿，但差距不大，性能可視為在同一層次。

2.3 殘渣海綿表征分析

圖4 雞毛及其水解后不同成分FT-IR譜圖

通過結(jié)果對比，3條曲線整體走勢大致相近，但再生角蛋白的吸收峰強(qiáng)度較低，且其與殘渣在3 100～3 600 cm-1處寬峰相比發(fā)生明顯藍(lán)移。這表明殘渣中具有大量氫鍵和肽鍵，仍存在大量未被水解的蛋白質(zhì)，而再生角蛋白則在水解過程有大量肽鍵被打開，另外在其指紋區(qū)有著獨(dú)特的吸收峰，1 086和1 009 cm-1處對應(yīng)著一些單鍵如S—S、S—O的伸縮振動，表明再生角蛋白二硫鍵已被水解完畢且此處未成功再生[21, 23]。

部分肽鍵等基團(tuán)水解后實(shí)際上賦予了水解殘渣更多的親水基團(tuán)，這與水解殘渣相比原羽毛更為親水的實(shí)際觀察相符，但在實(shí)際吸油能力上原羽毛的表現(xiàn)卻更差，主要的原因在于羽毛二硫鍵與氫鍵的打開使得角蛋白分子間的關(guān)聯(lián)被打斷從而使得更多的疏水位點(diǎn)得以暴露，另外冷凍干燥也使得殘渣海綿具有發(fā)達(dá)的孔隙空間，兩者共同賦予了其較好的吸油性能。

圖5給出了殘渣海綿的纖維結(jié)構(gòu)的微觀形貌。

圖5 殘渣海綿SEM微觀形貌

觀察圖5(a)圈注部分發(fā)現(xiàn)，部分纖維結(jié)構(gòu)殘留仍較為明顯，但與羽毛相比殘渣的纖維尺寸要小得多，且更為細(xì)膩，使得其可以相互之間搭建起一個具有更為豐富孔洞的結(jié)構(gòu)，表觀呈現(xiàn)蓬松狀態(tài)的海綿狀外形，有利于油脂的吸附。同時也能看到，在一些孔洞的邊緣存在纖維結(jié)塊的現(xiàn)象，如圖5(b)圈注所示，這些未被分散開的細(xì)小纖維互相板結(jié)成為一個致密的塊體，即使放大至1 000倍也不見細(xì)紋破損等缺陷，這表明細(xì)小的殘渣纖維之間存在極強(qiáng)相互作用力，使得相互之間牢牢地貼在一起，成為局部致密的板狀結(jié)構(gòu)。

圖6為殘渣樣品的熱重曲線，觀察可知?dú)堅鼧悠窡岱€(wěn)定性良好，表現(xiàn)為一步失重，主要分為3個階段[24]：30～170 ℃為水分子或者結(jié)晶水隨著溫度升高而蒸發(fā)的失重；250～400 ℃為殘渣中不溶性角蛋白以及其他雜質(zhì)的熱分解，整體開始碳化并分解為氣體小分子揮發(fā)的失重；400～600 ℃為殘渣分解產(chǎn)物的繼續(xù)高溫碳化并產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)帶來的失重，可以確定殘渣的熱分解起始溫度在240 ℃左右。

圖6 殘渣海綿熱重曲線

通過N2吸附測量分析了殘渣海綿的孔隙率，結(jié)合殘渣的熱分解溫度從而設(shè)定樣品的脫氣溫度為120 ℃，其結(jié)果如圖7所示。低P/P0區(qū)曲線凸起，而在較高P/P0區(qū)，吸附/解吸體積顯著增加，表明殘渣海綿具有多孔結(jié)構(gòu)，通過觀察吸附等溫線與解吸等溫線走向，根據(jù)IUPAC分類的將其分為IV型等溫線，可以看到脫附等溫線在吸附等溫線的上方，產(chǎn)生吸附滯后，呈現(xiàn)滯后環(huán)，因此可以判斷殘渣海綿中含有中孔。

圖7 氮?dú)馕?解吸等溫線

根據(jù)BET結(jié)果得出殘渣海綿比表面積為1.75 m2/g，低于Sadeghi等[23]制備的羽毛角蛋白基海綿9.10 m2/g的比表面積，但差距尚在一個數(shù)量級內(nèi)，說明其吸油能力主要依托于其對油的親和力及高孔隙率而非大比表面積。結(jié)合殘渣海綿27.64 cm3/g的表觀孔容和68%的吸油效率，側(cè)面佐證了殘渣海綿的良好吸油能力[25]。

3 結(jié) 論

通過研究將廢棄羽毛水解殘渣這樣的二次廢棄物重新加以利用，在不添加任何額外試劑的情況下成功制備了一款蓬松多孔的殘渣海綿，研究得出如下結(jié)論：

1)殘渣海綿的吸油特性與孔隙率息息相關(guān)，孔隙率主要由殘渣凍干前的加水量決定，綜合殘渣海綿的吸油性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，10 g羽毛原料添加50 mL水獲得的孔隙率最為適合。

2)制備的殘渣海綿具有親油官能團(tuán)和豐富的多孔結(jié)構(gòu)，使其具有良好的吸油性能(橄欖油17.24 g/g，液體石蠟14.11 g/g)；殘渣纖維的親油性使其具備優(yōu)異的油水選擇性吸油性能(最極端條件下吸油水比例為4∶9)。

3)吸附劑各介質(zhì)條件下吸附液體體積總量大致保持一致，區(qū)別在于水油的比例有所不同，海綿殘渣實(shí)際吸油整體表現(xiàn)顯著優(yōu)于再生紙與脫脂棉，其表觀孔容為27.64 cm3/g，吸油效率為68%。