羽絨在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中的溶解行為及其機制

卜 凡, 應麗麗, 李長龍, 王宗乾

(安徽工程大學 紡織服裝學院, 安徽 蕪湖 241000)

羽絨系天然異形纖維,由絨核和絨絲組成,具有立體球狀結構,可儲存大量靜止空氣,是性能優異的保暖纖維[1]。我國羽絨資源豐富,原料絨的產能位居世界首位[2],與此同時,在羽絨水洗、制品加工流通以及回收利用等環節產生數量巨大的廢棄羽絨。自然狀態下羽絨難以在短時間內生物降解[3],大量廢棄羽絨將造成環境污染。基于化學、物理等方法提取羽絨角蛋白,進而加工制備蛋白基材料,用于替代傳統石油基材料,可實現變廢為寶,符合“雙碳”目標要求。

羽絨中有大量二硫鍵和致密角質層結構,較難溶解。目前可用于羽絨角蛋白提取的方法主要包括堿溶水解法、氧化水解法、還原水解法[4],以及不同方法的聯合使用,但尚存在溶解體系穩定性差[5]或羽絨的一次性溶解率不高等問題,同時提取的羽絨角蛋白的分子質量分布區間大、均勻性及穩定性差[6],角蛋白聚集態結構受到損傷,制備的再生角蛋白材料的力學性能較差,且不穩定。課題組曾采用離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽[AMim]Cl-溶解工藝成功制取了高性能羽毛角蛋白[7],但離子液體的使用成本高、制備難、易吸水、工藝調控難度大,尚無法規模化應用。

低共熔溶劑是一種新型綠色溶劑,具有熔點低、可生物降解、易合成、結構可設計性強、溶解性好等[8]獨特的物理化學性質,可用于高分子材料的溶解和表面改性,還具有低碳、高效等工藝優勢。鹽酸胍/尿素[9]低共熔溶劑在90 ℃下剝離蠶絲,可高效提取具有微納米尺度的絲素蛋白原纖;采用低共熔溶劑對聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料預處理[10],可明顯加速其醇解反應進程,提高溶解回收效率;Okoro等[11]采用乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解廢棄羊毛,在105 ℃下羊毛的一次性溶解率達到93.77%,但其尚未對羊毛的溶解歷程及溶解機制進行詳細闡述。

綜上,本文將乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑用于羽絨的溶解,采用超景深顯微系統、紫外-可見分光光度計監測了羽絨在該溶劑中的溶解行為,借助高效液相色譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、X射線衍射儀表征了羽絨角蛋白的分子質量分布、化學及聚集態結構,并分析了羽絨的溶解機制,以期為低共熔溶劑對羽絨的溶解,以及提取羽絨角蛋白的再生利用提供實驗和理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料:選用含絨量為95%的水洗白鴨絨,由安徽古麒絨材股份有限公司提供;L-乳酸、L-半胱氨酸,均為分析純,上海麥克林生化科技有限公司;MD34透析袋(截留分子質量為3 500 u),北京瑞達恒輝科技有限公司;實驗用水均為去離子水。

儀器:VHX-970F型超景深顯微系統(日本基恩士公司);Lambda 950型紫外-可見分光光度計(美國PerkinElmer公司);Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司);Prominence GPC型高效液相色譜(HPLC)系統(美國Agilent Technologies公司);D8系列X射線衍射儀(德國布魯克公司);SS-1022型多功能粉碎機(永康市鉑歐五金制品有限公司)。

1.2 低共熔溶劑制備

前期實驗研究發現,當低共熔溶劑中L-乳酸、L-半胱氨酸的質量分別為24.0、1.6 g時,對羽絨的溶解性能較好[1]。為此,精確稱量24.0 g L-乳酸和1.6 g L-半胱氨酸,依次加入錐形瓶中密閉,在 90 ℃ 下磁力攪拌溶解2 h,制得澄清透明的黏稠狀溶液。

1.3 低共熔溶劑溶解羽絨及角蛋白提取

溶解前將羽絨水洗去除表面浮塵,然后烘干至質量恒定。精確稱量水洗烘干羽絨0.2 g,采用多功能粉碎機研磨成5 ～ 15 mm的短纖維;然后放入乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中,在105 ℃下磁力攪拌溶解,取樣溶解不同時間的體系用于測試分析。待羽絨充分溶解后,將溶解液倒入透析袋在室溫下進行透析處理,間隔5 h更換去離子水,共透析72 h,檢測透析水的電導率小于1.2 μS/cm后,將透析后的角蛋白冷凍干燥制得羽絨角蛋白。

1.4 測試與表征

1.4.1 溶解羽絨的宏觀及微觀形貌觀察

采用光學圖像法表征溶解羽絨的宏觀形貌。提取不同時間點的羽絨溶解體系倒入試劑瓶中,在相同環境下溶解并觀測溶劑的顏色、透明度等特征,并記錄光學圖像。采用超景深顯微系統測試溶解不同時間后溶劑中羽絨的形貌特征。具體操作如下:用移液槍量取1 mL溶解液,置于載玻片上,調整物距,采用同軸照明方式記錄形貌特征。

1.4.2 羽絨溶解液的角蛋白含量測試

采用紫外-可見分光光度計測試溶解不同時間后羽絨液體的光譜曲線。精確量取溶解體系的上清液,用去離子水稀釋100倍,測試波長為260 ～ 500 nm, 測試參比為去離子水。

1.4.3 羽絨角蛋白的分子質量測試

將制備的羽絨角蛋白經0.22 μm濾膜過濾后,采用高效液相色譜系統測定角蛋白水解液的分子質量分布。色譜條件為TSK-gel 2000SWXL柱(尺寸為300 mm×7.8 mm,粒徑為5 μm),流動相A為純水(含0.05%三氟乙酸),流動相B為乙腈溶液(含0.05%三氟乙酸),洗脫方式采用等度洗脫;柱溫為30 ℃,流速為0.5 mL/min,檢測波長為220 nm,檢測時間為0 ～ 25 min。

1.4.4 羽絨角蛋白的化學和聚集態結構測試

采用溴化鉀壓片法,利用傅里葉變換紅外光譜儀測試羽絨角蛋白及乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的紅外光譜圖。波數范圍為4 000 ～ 400 cm-1,掃描次數為32,分辨率為4 cm-1;同時測試羽絨粉末的紅外光譜圖用于對比分析。

采用X射線衍射儀測試羽絨角蛋白及纖維的聚集態結構。測試參數為:CuKα靶(波長λ為0.154 nm), 電壓40 kV,電流30 mA,掃描范圍 5° ～ 50°,掃描步長0.02 (°)/s,掃描速度2 (°)/min。

2 結果與討論

2.1 乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑化學結構分析

圖1 乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of lactic acid/cysteine deep eutectic solvents

2.2 羽絨的溶解歷程分析

將磨碎的羽絨短纖維浸入乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中,在加熱攪拌條件下溶解,觀察低共熔溶劑的顏色和透明度變化,結果如圖2所示。可以看出:未溶解羽絨的低共熔溶劑(DES)是澄清透明狀液體,隨著羽絨溶解時間的延長,低共熔溶劑顏色發生黃變,顏色深度逐漸加深;同時,低共熔溶劑中分散有大量羽絨短纖維,造成溶液的透明度下降;但隨著溶解時間進一步延長至5 h及以上,低共熔溶劑中分散的短纖維數量逐漸減少,溶液的透明度稍有提高,溶解7 h后的低共熔溶劑呈現紅褐色半透明狀。

圖2 低共熔溶劑溶解羽絨的光學圖像Fig.2 Optical images of down dissolving in deep eutectic solvents

采用超景深顯微系統觀察不同溶解時間下低共熔溶劑中羽絨短纖維的微觀形貌,結果如圖3所示。可以看出:溶解1 h后,羽絨的絨絲和菱節形貌完整,纖維邊界清晰,絨絲的直徑d在5.5 μm左右,與未溶解羽絨絨絲的直徑相當(見圖3(a));溶解 3 h 后纖維發生了明顯溶脹、形貌模糊、邊界糊化,依據邊界測試纖維的直徑約為9.5 μm,發生原纖剝離、纖維斷裂,此時已無法觀察到羽絨獨特的菱節等形貌特征(見圖3(b));溶解5 h后幾乎無法捕捉到羽絨聚集體形貌,僅有零散超短纖維以及超細纖維存在,表明溶解5 h后羽絨已幾乎被完全溶解(見圖3(c));溶解7 h后低共熔溶劑中已無羽絨痕跡,表明此時羽絨已完全溶解,羽絨的一次溶解率達到100%(見圖3(d))。

圖3 羽絨在低共熔溶劑中溶解的微觀形貌變化Fig.3 Micromorphology changes of down dissolving in deep eutectic solvents

溶解不同時間后低共熔溶劑溶液的紫外-可見光譜圖如圖4所示。與乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑原樣相比,溶解羽絨角蛋白的低共熔溶劑在 371 nm 處出現特征吸收峰,為羽絨角蛋白的特征吸收峰;且其強度隨溶解羽絨時間的延長逐漸增強,表明低共熔溶劑中角蛋白組分的濃度隨溶解時間的延長逐漸增大,這與羽絨溶解的光學圖像分析結果是一致的。

圖4 羽絨溶解液的紫外-可見光譜圖Fig.4 UV-Vis spectra of down solution

2.3 羽絨角蛋白分子質量及結構分析

將乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解羽絨7 h后的溶液倒入透析袋透析,并按1.3節所述工藝提取羽絨角蛋白粉末,采用高效液相色譜儀測試其分子質量分布,結果如圖5所示。可以看出:分子質量為11 309 u的角蛋白最先在12.25 min處出峰,該峰面積僅為0.38%,表明羽絨在105 ℃條件下,經乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解提取的角蛋白分子質量最大值為11 309 u,且占比非常小;隨后分子質量為6 522、 3 838、2 474、1 470 u的角蛋白依次在13.54、14.49、14.61、15.24 min處出峰,依據峰面積計算得到4種角蛋白組分的質量占比合計為57.93%;此外還有分子質量為750、301和111 u的小分子質量角蛋白和寡肽組分,依次在16.52 ～ 20.85 min之間出峰,質量占比合計達到41.69%。綜上表明,乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑溶解提取的角蛋白分子質量小于現有文獻[15-17]報道的其它方法。小分子角蛋白及寡肽組分將豐富分子自組裝路徑,為角蛋白基新材料的研制提供更多可能性。

圖5 羽絨角蛋白組分的出峰時間及占比分布圖Fig.5 Retention time and distribution of different components of down keratin

圖6示出羽絨及羽絨角蛋白的X射線衍射曲線。可知,羽絨角蛋白分別在10.8°和20.4°處出現衍射信號,為角蛋白的α螺旋和β折疊結構[18-19]的特征衍射信號;但與羽絨相比,羽絨角蛋白的β折疊衍射峰強度顯著增強,α螺旋結構衍射峰強度有所顯降低。表明羽絨在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的溶解過程中,低共熔溶劑組分滲透到角蛋白纖維大分子內部無定形區,基于溶脹、原纖剝離、斷鍵等途徑破壞角蛋白大分子的鏈內及鏈間作用力,造成羽絨角蛋白質聚集態結構發生顯著變化,β折疊結構占比顯著增強。

圖6 羽絨及羽絨角蛋白的X射線衍射曲線Fig.6 X-ray diffraction curves of down and down keratin

對羽絨及羽絨角蛋白進行紅外光譜測試,結果如圖7所示。與羽絨相比,提取的羽絨角蛋白在酰胺Ⅰ帶(1 651 cm-1)、Ⅱ帶(1 534 cm-1)、Ⅲ帶(1 233 cm-1)均有特征吸收峰[20-22];但2個樣品最大的不同在于羽絨具有二硫鍵特征吸收峰(550 cm-1), 而羽絨角蛋白沒有。表明羽絨的二硫鍵在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的作用下發生斷鍵,破壞了羽絨角蛋白原有的分子鏈內及鏈間作用力[23],形成小分子角蛋白,這與羽絨角蛋白的分子質量測試結果是一致的。

圖7 羽絨及羽絨角蛋白的紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectra of down and down keratin

2.4 羽絨的溶解機制分析

結合乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑的紅外光譜圖、羽絨溶解歷程、羽絨角蛋白分子質量及化學結構的綜合分析,繪制了羽絨在該低共熔溶劑中的溶解歷程示意圖,如圖8所示。采用的乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑具有中強酸性(pH值為3.5),在加熱條件下其直接作用于羽絨表面,產生侵蝕和表面刻蝕,角蛋白大分子鏈的穩定性變差。低共熔溶劑中的乳酸組分對角質層具有優異的軟化、膨脹和滲透作用,與羽絨接觸可破壞表面致密的角質層[24],促使低共熔溶劑向纖維內部滲透,纖維產生劇烈溶脹,直徑幾乎膨脹至原來的1.73倍(纖維的直徑在乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中由5.5 μm膨脹到9.5 μm)。乳酸和半胱氨酸分別作為氫鍵供體和氫鍵受體,表現出強極性,可破壞角蛋白分子鏈間的氫鍵作用力;半胱氨酸肽鍵中的氧與乳酸中羥基的氫形成氫鍵,但氧的電負性更強,造成乳酸分子氫的丟失,使乳酸中氧的親核性更強,直接攻擊羽絨角蛋白大分子肽鍵中的碳,致使角蛋白大分子肽鍵的斷裂,生成小分子角蛋白,表現出羽絨的原纖化,纖維被剝離分割成數根尺寸纖細的原纖。進一步地,在加熱條件下低共熔溶劑溶脹羽絨,也將導致角蛋白從致密晶體結構向無定形轉變,纖維內部的二硫鍵裸露于角蛋白表面,在半胱氨酸的還原作用下二硫鍵被破壞,進一步加速了羽絨的溶解。

圖8 羽絨溶解機制與歷程分析Fig.8 Analysis of down dissolution mechanism and course.(a) Chemical reaction formula; (b) Schematic diagram of dissolution process

綜上,乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑是一種綠色溶劑,該低共熔溶劑可破壞羽絨角蛋白大分子的分子間氫鍵、肽鍵以及二硫鍵;羽絨溶解歷程主要由纖維膨化、原纖剝離、纖維斷裂溶解3個階段構成。

3 結 論

1) 乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑是澄清黏稠狀液體,黏度穩定;105 ℃下,羽絨在該低共熔溶劑中溶解,隨著溶解時間的延長,低共熔溶劑發生黃變,溶解液在371 nm處出現特征吸收峰,羽絨發生膨化、斷裂,7 h后被完全溶解。

2)由透析和冷凍干燥制得的羽絨角蛋白其分子質量較小,其中:分子質量最高僅為11 309 u,質量占比僅為0.38%;分子質量分布在1 470～6 522 u的角蛋白占比為57.93%;分子質量小于750 u的占比達到了41.69%。與羽絨相比,羽絨角蛋白未出現二硫鍵的特征紅外吸收峰,且β折疊衍射峰強度增強,α螺旋結構衍射峰強度降低。

3)乳酸/半胱氨酸低共熔溶劑中乳酸組分對角質層具有優異的軟化、膨脹和滲透作用,促進羽絨的膨脹,低共熔溶劑的強極性破壞了角蛋白分子鏈間的氫鍵,在半胱氨酸還原作用下二硫鍵被破壞;羽絨的溶解主要包括纖維膨化、原纖剝離和纖維斷裂溶解3個階段。