不同體系下羽毛絨的溶解性能及光譜特性

李長龍， 湯立洋， 王宗乾， 汪小翠

(安徽工程大學 安徽省紡織面料實驗室， 安徽 蕪湖 241000)

不同體系下羽毛絨的溶解性能及光譜特性

李長龍， 湯立洋， 王宗乾， 汪小翠

(安徽工程大學 安徽省紡織面料實驗室， 安徽 蕪湖 241000)

為開發利用羽毛絨蛋白資源，研究了其溶解性能，采用三元溶劑、溴化鋰和離子液體([Amim]Cl)3種不同的溶解體系，測試不同溶解工藝參數下羽毛絨的溶解度，并通過纖維圖像自動采集和識別系統監控羽毛絨在溶解過程中的形貌變化。結果表明：三元溶劑和溴化鋰溶解羽毛絨時溶解度低，而[Amim]Cl能將羽毛絨全部溶解。采用紫外-可見分光光度計和傅里葉紅外光譜儀對離子液體溶解體系進行測試，結果表明，羽毛絨溶于離子液體在312 nm處有特征吸收。基于特征吸收建立了羽毛絨蛋白的定量分析曲線，該曲線具有較高的測試精度；[Amim]Cl可打斷羽毛絨蛋白二硫鍵，且不破壞蛋白質構象。

羽毛絨； 離子液體； 溶解； 光譜特性

天然蛋白質是紡織工業的重要原料，其中羊毛和蠶絲是最早加以利用的紡織材料。天然蛋白質材料因其優良的性能，深受廣大消費者的青睞[1]，但這些蛋白質年產量有限，不能完全滿足需求，并且還有廢棄蛋白質沒有被利用。在環境問題日益嚴重、資源逐漸匱乏的現在，顯然不符合可持續發展的要求；因此，再生蛋白質和再生蛋白質材料已成為研究者關注的熱點。目前，學者對桑蠶絲和羊毛角蛋白在不同溶解體系中的溶解及再生性能做了大量研究，且研究表明強堿、生物酶等溶劑將使蛋白質肽鍵斷裂，破壞蛋白質大分子的完整性[2-5]。羽毛絨作為再生蛋白質的提取原料，資源豐富，價格低廉，且具有較強的環保效益，但目前關于羽毛絨蛋白資源的研究報道較少，主要關鍵技術在于羽毛絨的溶解。

本文通過實驗對羽毛絨溶解性能進行研究，采用三元溶劑(CaCl2/H2O/C2H5OH)、溴化鋰和[Amim]Cl這3種不同的溶解體系對羽毛絨進行溶解并測試溶解度，通過纖維圖像自動采集和識別系統監控羽毛絨在溶解過程中的形貌變化，同時采用紫外-可見光分光光度計和紅外光譜儀對溶解體系進行光譜測試，探究羽毛絨溶解機制。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

水洗白鴨羽毛絨(古麒羽絨股份公司，含絨量為95%)。

[Amim]Cl(實驗室自制，純度99%)，溴化鋰(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，乙醇(無錫市亞盛化工有限公司)，氯化鈣(無錫市亞盛化工有限公司)，絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸和亮氨酸(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，以上藥劑均為分析純。

1.2 實驗儀器

100目不銹鋼標準篩(市售)，D2004W型電動攪拌器(上海梅穎浦儀器)，DF-II型數顯集熱式磁力攪拌器(金壇市杰瑞爾電器)，纖維圖像自動采集和識別系統(東華大學)，SHB-III型循環水式多用真空泵(鄭州長城儀器)，真空干燥箱(上海一恒科技)，SHA-B型恒溫水浴振蕩器(金壇市精達儀器)，FA2104型分析天平(上海精科天美)，UV2600型紫外-可見光分光光度計(上海天美)，傅里葉變換紅外光譜儀(美國ThermoNicolet Corporation)。

1.3 實驗方法

1.3.1 羽毛絨粉體的制備

將水洗羽毛絨放入50 ℃鼓風干燥箱中烘干6 h，采用機械方法制備羽毛絨粉體，經篩網處理后，得到直徑小于0.15 mm的粉體，充分干燥后用密封袋保存。

1.3.2 羽毛絨粉體的溶解

考察了三元溶劑、溴化鋰和[Amim]Cl對羽毛絨的溶解。具體方法和操作如下：

1)羽毛絨/三元溶劑溶液的制備。配制三元溶劑(CaCl2/H2O/C2H5OH的量比為1∶8∶2)，在恒溫振蕩水浴鍋中，考察不同溫度下三元溶劑對羽毛絨粉體的溶解狀態，計算羽毛絨溶解度。

2)羽毛絨/溴化鋰溶液的制備。配制9.8 mol/L溴化鋰溶液，在恒溫振蕩水浴鍋中，考察不同溫度下溴化鋰溶劑對羽毛絨粉體的溶解狀態，計算羽毛絨溶解度。

3)羽毛絨/[Amim]Cl溶液的制備。將[Amim]Cl倒入三口燒瓶中，升溫至90 ℃[6]，電動攪拌過程中，分批加入羽毛絨粉體，通過纖維圖像自動采集和識別系統監控羽毛絨粉體的溶解狀態，計算羽毛絨溶解度。

1.3.3 氨基酸體系的溶解

為考察溶解后的羽毛絨在[Amim]Cl中的狀態，對氨基酸進行溶解，通過測試進行對比，具體操作步驟為：選取羽毛絨中含量最高的6種氨基酸，分別為絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸和亮氨酸[7]，按照在羽毛絨中質量比進行復配，溶于[Amim]Cl中，溶解液密封保存。

1.4 測試方法

1.4.1 溶解度計算

將未溶解的羽毛絨用濾紙進行過濾，將沉淀物用蒸餾水清洗，干燥，稱量，得到沉淀物的干態質量，并由此計算羽毛絨的溶解度[8]。計算公式為

式中：S為羽毛絨的溶解度；W0為實驗中初始羽毛絨的干態質量，g；W1為未溶物烘干后的總干態質量，g。

1.4.2 羽毛絨溶解狀態的表征

采用纖維圖像自動采集和識別系統，將待測羽毛絨放在載玻片中，放置于顯微鏡載物臺上，測試羽毛絨的微觀形貌并拍攝圖像。

1.4.3 體系的紫外-可見吸收光譜測試

以[Amim]Cl為溶劑，將待測羽毛絨溶解液和氨基酸溶解液倒入比色皿中，分別進行測試，掃描范圍為200～700 nm。

1.4.4 紅外光譜測試

采用KBr壓片法制備試樣，對羽毛絨、空白[Amim]Cl和羽毛絨/[Amim]Cl溶解液進行紅外光譜測試，測試參數為：分辨率4 cm-1；掃描次數32。

2 結果與討論

2.1 不同溶解體系下羽毛絨溶解度對比

三元溶劑和溴化鋰在不同溶解溫度下溶解羽毛絨，[Amim]Cl在90 ℃條件下溶解羽毛絨，3種不同溶解體系下羽毛絨的溶解度見表1。

表1 不同溶劑中羽毛絨的溶解度Tab.1 Solubility of feather and down at different dissolution systems

注：三元溶劑和溴化鋰體系在溶解時間達到20 h后，溶解度增加不明顯。

由表1可知，三元溶劑和溴化鋰在溶解羽毛絨時，隨溶解溫度的升高，溶解度有所增加但不明顯，且溶解時間較長。相反，[Amim]Cl可在較短時間內將羽毛絨全部溶解。三元溶劑和溴化鋰溶解體系對羽毛絨的溶解并沒有得到理想的效果，原因在于羽毛角蛋白多肽鏈之間存有二硫鍵，分子間作用力增強，使羽毛絨角蛋白的分子結構特別穩定[9]，因此給羽毛絨的溶解工作帶來了諸多不便。研究表明：溶劑中形成氫鍵作用的陰離子越多，極性越強，對蛋白質的溶解能力越好[6]；離子液體[Amim]Cl的體積和黏度相對較小，易與羽毛絨蛋白相互接觸作用，其中Cl-極性強，易與羽毛絨蛋白形成氫鍵和破壞羽毛絨蛋白中的二硫鍵，將分子鏈拆開[10]，使羽毛絨蛋白溶解。

同時，三元溶劑和溴化鋰體系可溶解部分羽毛絨，但是溶解效果不理想，溶解時間長，造成了資源和能量的浪費，而羽毛絨可在較短的時間內完全溶解到[Amim]Cl中，具有省時省力的工藝優勢。

2.2 溶解羽毛絨的圖像采集與表征

按照1.3.2所述實驗方法，采用[Amim]Cl對羽毛絨進行溶解，通過纖維圖像自動采集和識別系統對溶解過程進行跟蹤觀察，監控[Amim]Cl中羽毛絨的狀態，采集圖像如圖1所示。

圖1 羽毛絨在[Amim]Cl中的溶解過程(×200)Fig.1 Dissolution process of feather and down in [Amim]Cl

由圖1可知：采用[Amim]Cl溶解羽毛絨，攪拌溶解360 min后，羽毛絨即可完全溶解；在攪拌溶解過程中，[Amim]Cl逐步進入羽毛絨間隙中，破壞分子間的范德華力和氫鍵等結合力，把分子鏈拆開，形成孤立的大分子[11]，最終全部溶解。

2.3 溶解羽毛絨的紅外光譜分析

為表明羽毛絨溶解前后的光譜特征，分別對羽毛絨、空白[Amim]Cl以及羽毛絨蛋白的[Amim]Cl溶解體系的紅外光譜進行了測試，結果如圖2所示。溶解有羽毛絨蛋白的離子液體黏度變大，且顏色增深，紅外光譜透射率低，為此，本文實驗將該紅外譜圖1 700～1 100 cm-1波段信號進行局部放大處理。

2.4 羽毛絨/[Amim]Cl體系的紫外光譜

為探究羽毛絨溶于[Amim]Cl中的紫外-可見光譜特性，按照1.3.2和1.3.3實驗方法，將羽毛絨和復配氨基酸分別溶于[Amim]Cl中，2種溶解液用紫外-可見光分光光度計進行測試，結果如圖3所示。

圖3 羽毛絨和復配氨基酸在離子液體中的紫外-可見光譜Fig.3 UV-Vis spectra of feather and down complex amino acid in ionic liquid

由圖3可知，羽毛絨蛋白與復配氨基酸的[Amim]Cl溶解體系具有一致的紫外-可見光譜特性，二者在312 nm波長下有特征吸收峰，由此可進一步推斷羽毛絨溶于[Amim]Cl中，將以復合氨基酸或多肽等形式存在。二者不同之處在于在380～600 nm波長區間內，羽毛絨蛋白吸光度要高于復合氨基酸，原因可能在于[Amim]Cl中羽毛絨蛋白以分子質量較大的多肽或復合氨基酸形式存在，成分也較復配氨基酸復雜，共軛體系增加，在可見光區間存有吸收，同時不排除羽毛絨天然色素對可見光吸收產生的影響。

2.5 羽毛絨蛋白的定量分析

精確稱取0.11 g羽毛絨粉體，加入50 mL的容量瓶中，再加入10 mL[Amim]Cl，在顯微鏡纖維圖像自動采集和識別系統觀察下，確定羽毛絨完全溶解，配成質量濃度為11 g/L的溶解液。用移液管量取適量的[Amim]Cl，將11 g/L溶解液分別稀釋成質量濃度為8.5、6.0、3.5、1 g/L的溶解液。將不同質量濃度溶解液滴加到比色皿，放入紫外-可見分光光度計中在312 nm處進行波長檢測。采用ORIGIN8分析軟件建立數學模型，得到羽毛絨蛋白吸光度與其質量濃度的標準曲線，結果如圖4所示。

圖4 羽毛絨蛋白標準曲線Fig.4 Standard curve of feather and down protein

圖4中定量分析標準曲線方程為Y=0.244 6X+0.906 7。式中Y為吸光度，X為羽毛絨蛋白質量濃度。相關系數R2=0.98，線性范圍為1.0～11 g/L，通過測試溶解液的吸光度來定量分析[Amim]Cl中羽毛絨蛋白的質量濃度[14]。

本文實驗同時對5組[Amim]Cl溶解羽毛絨的樣品進行測試分析，計算定量分析相對標準偏差為2.82%，表明采用該溶解體系吸光度定量分析羽毛絨蛋白質量濃度的方法是可行的，且本文得出的定量分析曲線具有較高的測試精度。

3 結 論

三元溶劑和溴化鋰體系僅能夠溶解部分羽毛絨，而[Amim]Cl離子液體可實現對羽毛絨的全部溶解。紅外光譜分析表明，[Amim]Cl可打斷羽毛絨蛋白二硫鍵，且不破壞蛋白質構象；羽毛絨與復配氨基酸的[Amim]Cl溶解體系具有一致的紫外光譜特性，基于光譜特性，建立了羽毛絨蛋白的定量分析曲線，該曲線用于分析羽毛絨蛋白質量濃度具有較高的分析精度。

FZXB

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Solubility and spectral characteristic of feather and down in different dissolution systems

LI Changlong, TANG Liyang, WANG Zongqian, WANG Xiaocui

(Anhui Key Laboratory of Textile Materials, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China)

In order to develop and utilize feather and down protein resources, the solubility of feather and down was studied firstly in different dissolution systems including ternary solvent, lithium bromide and ionic liquid ([Amim]Cl), and the solubility under different process parameters was tested, and the morphological changes of feather in the process of dissolution were monitored by automatic image acquisition and recognition system. The results show that feather and down have low solubility while being dissolved with ternary solvents and lithium bromide, but could be dissolved completely in the [Amim]Cl ionic liquid; at the same time, the [Amim]Cl dissolution system of feather and down has been analyzed by UV-Vis and FT-IR. The UV-Vis results show that a characteristic absorption exist at a wavelength of 312 nm and the quantitative analysis curve of protein is given; and FT-IR results show that disulfide bond of feather and down protein can be destroyed, without destroying the protein conformation when being dissolved in the ionic liquid of [Amim]Cl.

feather and down; ionic liquid; dissolution; spectrum characteristic

10.13475/j.fzxb.20160407305

2016-04-26

2016-11-07

國家自然科學基金項目(51503002)；安徽省自然科學基金項目(1608085QB43)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A796)；安徽省重大科技專項項目(16030701088)

李長龍(1968—)，男，副教授，碩士。主要研究方向為蛋白質復合材料。王宗乾，通信作者，E-mail: wzqian@ahpu.edu.cn。

TS 109

A