動物毛發酸水解工藝和生態環境保護劑的研究

龐興軍，蘇興建，曹麗偉，楊麗紅，苗艷麗

(1 北海富安源生物科技有限公司，廣西 北海 536000；2 廣東海洋大學化學與環境學院，廣東 湛江 524088)

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動物毛發酸水解工藝和生態環境保護劑的研究

龐興軍，蘇興建，曹麗偉，楊麗紅，苗艷麗

(1 北海富安源生物科技有限公司，廣西 北海 536000；2 廣東海洋大學化學與環境學院，廣東 湛江 524088)

以動物毛發為原料，采用酸水解的方法，對毛發進行水解，通過對水解條件的研究確定的最佳工藝條件為：毛發水解的最佳鹽酸濃度為28%～30%，最佳溫度為114 ℃、最佳水解時間為11 h。氨基酸分析結果表明：雞毛和豬毛水解液均中含有 17 種氨基酸，這些氨基酸對水體中的有毒有害物質具有很強的吸付與分解能力。此外，本實驗初步確定了毛發水解液環境保護劑的生產應用工藝技術參數。

動物毛發；酸水解；氨基酸；環境保護劑

隨著化學工業、規模農業和社會經濟的發展，大量的使用化學品和大規模的養殖等既為人類生活帶來了顯著的經濟收入，但同時也給生態環境造成了嚴重的危害，特別是對人類及各類生物都賴以生存的水資源造成了嚴重的污染和對水體環境的嚴重破壞。廣大科學工作者為解決這一重大科學問題進行了不懈的努力，做了大量的研究工作，先后也開發了大量的水質改良產品，對相關水體環境的改良調控和保護起到了良好的作用，為保護生態環境做出了巨大貢獻[1-5]。然而，目前所開發使用的各種各樣品牌的各類水體環境調控劑、改良劑等產品大多是化工產品[1,3-4]，此類產品的使用雖然對特定的水質污染等起到了良好的改良和調控作用，但其在改良水體環境的化學反應中又容易產生、殘留下一些有毒有害的化學物質，用多了又對水體生物造成一定的抑制及傷害，極容易造成了二次污染。因此，市場迫切需要提供一些既安全、高效、方便和低成本的產品來解決上述問題。本實驗經過研究發現各類動物毛類中含有大量的膠原蛋白等有機質和氨基酸等有效成份，將這些有效成份經水解出來后制成一種生態保護劑應用于各類受污染水體，結果這種生態保護劑對污水中的各類污染物質具有良好的吸收、中和及分解降解作用，而且對水體生物不會產生抑制及傷害，更不會產生二次污染，屬于綠色有機環境保護劑，具有天然環保、成本低、調控效果顯著等到特點。

1 實 驗

1.1 材料

雞毛、豬毛、工業鹽酸、氫氧化鈉、5%氫氧化鈉溶液、8 mol/L鹽酸溶液、10 mol/L 鹽酸溶液，0.0862 mol/L標準氫氧化鈉溶液、1.0 mol/L氫氧化鈉溶液、0.5%酚酞指示劑、36%～37%甲醛溶液(中性)、鄰苯二甲酸氫鉀，蒸餾水、乙酸、飽和檸檬酸水溶液、EDTA。

1.2 主要儀器

PHS-3C型精密pH計，上海精密科學儀器有限公司；MP200A型電光分析天平，上海第二天平儀器廠；HANGPING-FA110型電子天平，上海天平儀器廠；DK-98-11A電熱恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；DH-101-0電熱恒溫鼓風干燥箱，上海正慧工貿有限公司；85-2A磁力攪拌器:常州歐邦電子有限公司；各種玻璃儀器。

2 方 法

2.1 原材料

雞毛和豬毛，去雜、清洗、去脂。

2.1.2 原材料的前處理

手工擇除雞毛或豬毛內混雜的泥沙，石塊，柴草，血塊，碎肉等雜物。先用自來水清洗雞毛兩遍，再用洗衣粉水清洗一遍，最后用自來水將洗衣粉水沖洗干凈，去除雞毛上的血水及油污。用濃度為5%、溫度為40～45 ℃的NaOH水溶液攪拌洗滌60 min，洗去吸附在羽毛上的油脂。撈出，用清水沖洗干凈NaOH水溶液，洗滌至pH≤7。即將清洗干凈的雞毛放在干燥箱80～90 ℃烘干備用。

2.2 酸水解工藝過程

從理論上講，蛋白質的肽鍵可以通過酸、堿、酶介質中水解拆段酰胺鍵，使其形成游離氨基酸，酶水解工藝條件復雜、設備精度要求高；堿水解常引起氨基酸構型變化(消旋)，產品品質差；故采用酸水解法。將雞毛或豬毛去除雜志和清洗干凈后，按照實驗條件除去脂肪，然后清洗干凈，濾干。取一定量的雞毛或豬毛，加入適量的鹽酸，在合適的條件下恒溫水解。水解結束后，將水解液靜置，過濾，得到水解母液。取適量水解液測定氨基酸含量。

2.2.1 指標測定方法

總氮含量測定：采用凱氏定氮法[6]；氨基氮測定： 甲醛滴定法[7]；水解度的測定：

2.2.2 色譜條件

色譜柱：Agilent ZORBAX Eclipse AAA 柱，4.6 mm×150 mm, 粒度 5 μm。流動相 A：磷酸鹽緩沖液(含 4% DMF)。流動相B：乙腈(含4%DMF)。進樣量： 20 μL； 柱溫： 20 ℃；流速：1 mL/min；檢測波長：436 nm；梯度洗脫程序：B 10%→22%(0～5 min)，B 20%→35%(5～16 min)，B 35%→46%(16～27 min)，B 46%→ 70%(27～28 min)，B 70%持續到45 min 結束。

2.3 動物毛發酸水解最佳工藝研究

與2.2項內容的水解工藝過程一致。按照不同酸濃度、不同溫度和不同水解時間等三種條件進行單項試驗研究，每項試驗研究設三次重復，最后加權平均對其結果進行分析，從中找出最佳方案。

3 結果與分析

3.1 雞毛的水解研究結果分析

初步研究了水解時間和酸用量對水解反應的影響。取4個1000 mL燒杯，分別稱取經過處理的120 g雞毛放入其中，按毛發：鹽酸=1：2的比例分別加入8 M(ρ=1.11775 g/mL)、10 M(ρ=1.16665 g/mL)、8 M、10 M的鹽酸215 mL、205 mL、215 mL、205 mL，分別設定以7 h、7 h、10 h、10 h進行回流水解。實驗結果見表1。

表1 雞毛水解液中氨基氮的情況

注：1#：8 M鹽酸,水解7 h；2#：10 M鹽酸,水解7 h；3#：8 M鹽酸,水解10 h；4#：10 M鹽酸,水解10 h。

由表1的數據可知，利用適量的鹽酸，可以將雞毛進行水解，將雞毛中的氨基酸等物質水解出來，形成雞毛水解液。同時可以看出，4#水解液中氨基酸的含量最高，說明一定重量的雞毛加入10 mol/L的鹽酸溶液，在90～100 ℃溫度下加熱水解10 h可得到氨基酸含量最高的水解液。

3.2 豬毛的水解研究結果分析

研究了水解時間和酸用量對水解反應的影響。具體實驗過程同3.1項中的過程，結果見表2。

表2 豬毛水解液中氨基氮的情況

注：1#：8 M鹽酸,水解7 h；2#：10M鹽酸,水解7 h；3#：8 M鹽酸,水解10 h；4#：10 M鹽酸,水解10 h。

從表2的結果表明，豬毛水解條件與雞毛水解的條件基本相同，一定重量的豬毛加入10 mol/L的鹽酸溶液，在90～100 ℃溫度下加熱水解10 h可得到氨基酸含量25.40 mg/mL最高的水解液，其氨基酸含量比在同樣條件下雞毛水解液中的氨基酸含量23.00 mg/mL還高出2.40 mg/mL。因此，豬毛水解液不但可以制備養殖水環境生態保護劑，而且其保護效果更優。

3.3 動物毛發的酸水解最佳工藝研究結果分析

分別研究了水解時間、鹽酸濃度、水解溫度對水解反應的影響，結果見表3～表5。

表3 鹽酸濃度對水解反應的影響

注：固定條件：溫度114 ℃，水解時間10 h。

表4 溫度對水解反應的影響

注：固定條件：鹽酸濃度28%，水解時間10 h。

表5 時間對水解反應的影響

注：固定條件：鹽酸濃度28%，水解溫度114 ℃。

從表3～表5可知，酸的濃度決定毛發的水解速度，酸的濃度大，水解速度快，反應時間大大縮短，但同時又會增加氨基酸分解破壞的程度。另外濃度過大，水解過程中酸霧揮發嚴重，造成浪費和污染。我們實驗的結果以濃度為28%～30%工業鹽酸較為適宜。在試驗研究過程中，項目組也同時采取過硫酸等進行過水解試驗，經觀察其試驗效果不如鹽酸。而且，硫酸的采購容易受有關部門的管控，要通過報批才能采購，并且價格相對略高、生產成本大，所以選鹽酸作為水解的主要成份。根據酰胺鍵的斷裂熱力學分析，溫度越高，其鍵的斷裂越容易，水解速度越快。但溫度高會加快氨基酸的分解，同時氯化氫的揮發程度加大，造成原料的損失。實驗證明：水解溫度控制在113.5～114.5 ℃為宜。水解是否完全是提高產率的重要因素，必須嚴格控制好水解時間。水解時間短，水解不完全，水解時間過長，雖然有利于水解完全，但同時也伴隨氨基酸的分解破壞，造成產率降低、能耗升高。因此，水解時間的確定要根據水解液中氨基酸的最大含量來決定。由于影響終點的因素很多，所以實際生產中采取間斷取樣，測定氨基酸含量-時間曲線，以確定最佳水解時間。由表3～表5數據分析可得毛發水解的最佳鹽酸濃度為28%～30%、在此濃度的鹽酸中進行水解的最佳溫度為114 ℃、最佳水解時間為11 h。

3.4 雞毛和豬毛水解液中游離氨基酸含量分析

按照3.3項中的最佳水解工藝制備相應的水解液。雞毛酸水解液(樣品I)和豬毛的酸水解液(樣品II)經過離心和超濾后用氨基酸分析儀測定其游離氨基酸含量，結果如表 6所示。

表6 雞毛和豬毛水解液中各種氨基酸的含量

表4的結果表明，動物毛發經過一定量濃度的鹽酸水解后的水解液中含有17 種氨基酸，這些氨基酸對水體中的有毒有害物質具有很強的吸付與分解能力。所以，含動物毛水解液的生態環境保護劑產品具有保水防治惡化的作用。

4 生態環境保護劑的開發研究

在上述試驗的基礎上，為了使試驗研究結果能應用于生產，進行了中試生產試驗。

試驗以收集的雞毛和豬毛作原材料，以鹽酸為主要水解酸，配入少量的NaOH、0.5%酚酞指示劑、36%～37%甲醛溶液(中性)、鄰苯二甲酸氫鉀，蒸餾水、乙酸、飽和檸檬酸水溶液、EDTA等輔助試劑，利用鍋爐加熱等進行小規模的水解生產，分別進行了50 kg、100 kg、500 kg和1000 kg規模的試驗，其加工工藝技術路線按上述試驗所取得的工藝技術進行，試驗均獲得完滿成功，經測定分析，上述規模的水解試驗所形成的水解液中的氨基酸含量均達到30%以上的要求，說明是可以進行工業化規模水解生產的。

5 結 論

根據本研究結果得出如下結論：一是利用鹽酸等作為水解物質可以將廢棄的動物毛發進行水解，打斷動物毛發中的粗蛋白多為角質蛋白，簡稱角蛋白的大分子鍵釋出角蛋白中的氨基酸，而鹽酸為最好、成本最低且釋出量較高的水解酸，水解后可形成含氨基酸高達30%左右的動物毛發水解液。二是本實驗研究確定了毛發水解物生態保護劑的水解及生產應用工藝技術參數。

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[2] 楊學芬，楊瑞斌，齊振雄. 微生態制劑在水質調控中的應用[J].水利漁業，2003,23(3):40-42.

[3] 冉春麗. 羅非魚養殖池塘水質調控技術[J]. 中國水產,2013(11):48-50.

[4] 李海洋,程云生. 大宗淡水魚的生物學特征及養殖水環境的調控[J]. 畜牧與飼養科學，2010, 31(3): 66-67.

[5] 宋文東,林宏圖,彭少偉,等. 含毛發水解物的養殖水環境生態保護劑[P].中國專利， 200610035134.2 A, 2007-10-31.

[6] 張龍翔,張庭芳,李令援. 生化實驗方法和技術2版[M].北京：高等教育出版社，1997:47-50.

[7] 黃偉坤.食品分析與檢驗[M].北京:中國輕工業出版社,1995:56-63.

Hydrolysis of Animal Hair Using HCl and Study on Ecological Environmental Protection Agent

PANGXing-jun1,SUXing-jian1,CAOLi-wei1,YANGLi-hong2,MIAOYan-li2

(1 Beihai Fuanyuan Biological Technology Limited Company, Guangxi Beihai 536000; 2 College of Chemistry and Environment, Guangdong Ocean University, Guangdong Zhanjiang 524088, China)

Animal hair was hydrolyzed to prepare amino acid hydrolysate using HCl. The results showed that the optimum conditions of acid hydrolysis were as follows: hydrochloric acid concentration was 28% ～ 30%， the temperature was 114 ℃, the time was 11 h. The result indicated that seventeen kinds of amino acids were detected in the hydrolysate and these amino acids had a strong absorption and decomposition of toxic or harmful substances in water. In this study, the production and application technology parameters of the hair hydrolysate environmental protective agent were preliminarily determined.

animal hair; acid hydrolysis; amino acids; environmental protective agent

廣西科學研究與技術開發計劃項目(NO.桂科合14125008-1-10)；廣東省教育廳重點平臺及科研項目(NO.2015KTSCX057)。

龐興軍，男，工程師，研究方向：生物工程。

苗艷麗(1978-)，女，副教授，博士，研究方向：應用化學。

TQ064

B

1001-9677(2016)022-0050-04