阮孝慈，王鵬飛，楊富幫，鄧宇

（天津科技大學化工與材料學院，天津300457）

離子液體研磨法骨骼的溶解工藝研究

阮孝慈，王鵬飛，楊富幫，鄧宇

（天津科技大學化工與材料學院，天津300457）

氯化膽堿-尿素離子液體對骨骼中的膠原具有一定的溶解能力，采用研磨的方式，以雞骨為原料，選擇氯化膽堿-尿素離子液體進行溶解，分析實驗中固液比（雞骨與離子液體質量比）、溶解溫度、溶解時間對雞骨溶解量的影響，設計了單因素實驗和正交實驗。結果表明，雞骨溶解量隨溶解溫度的升高而增加，但在不同溶解時間及固液比下溶解率在某一范圍波動；離子液體溶解雞骨的最佳工藝參數(shù)為：溶解時間4h，溶解時固液比1∶25，溶解溫度140℃。采用FT-IR紅外光譜儀對骨骼的溶解產物及溶解前后雞骨進行分析，初步判定雞骨在離子液體中的溶解屬于直接溶解，溶解產物為雞骨羥基磷灰石，并確定離子液體可回收利用。

氯化膽堿/尿素；研磨；雞骨；溶解

近年來，離子液體作為一種可設計性的新型綠色溶劑受到了廣泛的關注，其具有低熔點、高穩(wěn)定性、低蒸氣壓、溶解性能可調節(jié)等優(yōu)點，在有機合成、電化學、萃取分離、工業(yè)催化、材料科學和生物科學等領域有著廣闊的應用前景[1-6]。其中，離子液體中天然高分子物質的溶解實驗是當前離子液體研究的熱點領域之一，離子液體的出現(xiàn)也為生物材料的制備與應用提供了廣闊的發(fā)展空間[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，天然骨是由24%的有機成分和75%的無機成分組成的，其中，有機成分中膠原占95%，無機成分則主要是羥基磷灰石（HAP）和極少的氟磷灰石、碳酸磷灰石等[8]。天然動物骨因其含有豐富的骨膠原蛋白、脂肪酸、維生素和無機礦物元素等[9]，在食品、工業(yè)、醫(yī)學等行業(yè)得到廣泛應用，如提取骨膠原蛋白、加工骨粉以及制備天然羥基磷灰石等。

動物骨骼中羥基磷灰石的提取可采用生物分離法，主要是通過有機溶劑或離子液體將支撐HAP的有機膠原纖維溶解從而釋放出HAP。實驗以動物骨骼為原料，采用氯化膽堿-尿素離子液體為溶劑對骨骼進行溶解，確定骨骼在離子液體中溶解的最佳工藝條件，從而分離制備羥基磷灰石。離子液體對羥基磷灰石沒有破壞作用，不會對其結構性能產生影響，使得通過溶解動物骨中的骨膠原釋放HAP具有可行性，克服了化學合成制備的HAP需要經過修飾才可以應用的缺點。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 主要儀器

DH-101電熱恒溫鼓風干燥箱，天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；DK-98-1電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；FA2204B電子天平，上海精密科學儀器有限公司；RE-52A旋轉蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；KDM調溫電熱套，山東省鄄城威瑞科教儀器有限公司；WQF-510傅里葉紅外光譜儀，北京第二光學儀器廠。

1.1.2 主要試劑

氯化膽堿-尿素離子液體，實驗室制備；甲醇，天津市北方天醫(yī)化學試劑廠；雞骨（40～60目），實驗室提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料雞骨處理

新鮮雞骨用清水清洗，除去殘肉、脂肪和結締組織等，放入恒溫水浴鍋中，控制水溫在60℃約3～4 h以除去骨油。雞骨晾干后段成長約3cm、寬約1cm的小塊除去骨髓，再用高速多功能粉碎機粉碎約5 min，取60目≤粒度≤40目的骨粉備用。

1.2.2 雞骨在離子液體中的溶解

稱取1g雞骨（40～60目）置于盛有一定質量離子液體的研缽中，在加熱套中加熱研磨攪拌。在一定溫度下溶解，達到反應時間后趁熱迅速用銅網(wǎng)過濾，去除未反應的較大顆粒的雞骨，將濾渣洗凈后干燥稱重，計算雞骨在離子液體中的溶解量；待離子液體溫度降至室溫時加入甲醇進行稀釋，充分混合后迅速進行真空抽濾，得到羥基磷灰石，蒸餾水少量多次洗滌，干燥后進行表征，濾液用旋轉蒸發(fā)儀旋蒸回收再利用。

1.2.3 溶解工藝單因素實驗

（1）固液比對雞骨溶解量的影響：稱取5g雞骨粉，平均分成5份，每份1g。分別按固液比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40和1∶50稱取離子液體，在溫度120℃下溶解4h，根據(jù)溶骨量確定最佳固液比。

（2）溶解時間對雞骨溶解量的影響：稱取5g雞骨粉，平均分成5份，每份1g。按固液比1∶30稱取離子液體，在溫度120℃下分別溶解2、3、4、5和6 h，根據(jù)溶骨量確定最佳溶解時間。

（3）溶解溫度對雞骨溶解量的影響：稱取5g雞骨粉，平均分成5份，每份1g。按固液比1∶30稱取離子液體，分別在溫度為80、100、120、140和160℃下溶解4h，根據(jù)溶骨量確定最佳溶解溫度。

1.2.4 溶解工藝正交實驗

為進一步優(yōu)化工藝條件，以雞骨溶解量為主要評價指標，在單因素實驗結果基礎上采用L9（34）正交表進行實驗，由正交實驗結果確定氯化膽堿-尿素離子液體溶解雞骨的最佳工藝條件。

1.3 溶解產物的FT-IR分析

按質量比1∶100取干燥后樣品與KBr置于瑪瑙研缽中研成粉末，控制壓力在8～10MPa進行壓片，制得透明薄片，在波數(shù)400～4000cm-1掃描范圍內進行紅外光譜測試，采集樣品譜圖。

1.4 離子液體的回收

將離子液體用旋轉蒸發(fā)儀蒸發(fā)回收，計算離子液體的回收率。

式中：W是離子液體的回收率，%；m是回收的離子液體質量，g；m0是加入的離子液體質量，g。

2 結果與討論

2.1 固液比對離子液體中雞骨溶解量的影響

實驗條件：改變雞骨與離子液體的固液比（質量比，下同），在120℃溶解溫度下溶解4h，探究不同固液比對雞骨在離子液體中溶解效果的影響，結果見圖1。

圖1 不同固液比對離子液體中雞骨溶解量的影響

如圖1，雞骨在離子液體中的溶解量隨著固液比的變化呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當固液比為1∶30時，溶骨量最大為0.34g，而后下降?？紤]到離子液體用量較少時會影響固液接觸面積，使骨粉溶解不充分，導致溶骨量較低；隨著離子液體用量的增加，增大了溶解過程中雞骨與離子液體的接觸面積，從而提高了溶解效率，促進了雞骨溶解；離子液體過多時，反應體系的體積增大，單位體積內骨粉量降低，影響傳熱傳質速率，造成骨骼溶解率降低。因此，選擇1∶30為雞骨溶解的最佳固液比。

2.2 溶解時間對離子液體中雞骨溶解量的影響

實驗條件：固定雞骨和離子液體的固液比為1∶30，在120℃的溶解溫度下，改變雞骨在離子液體中的溶解時間，探究不同溶解時間對雞骨在離子液體中溶解效果的影響，結果見圖2。

圖2 不同溶解時間對離子液體中雞骨溶解量的影響

如圖2，隨著溶解時間的延長，雞骨溶解量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，溶解時間為4h時，溶解量達到最大?？紤]到天然骨主要是由有機成分膠原和無機成分羥基磷灰石組成，雞骨在溶解過程中其組分膠原主要經歷2個歷程：由非結晶區(qū)到結晶區(qū)的溶脹過程和溶解過程。溶解時間較短時，膠原僅發(fā)生溶脹，或少量的開始溶解，此時溶解量較低；隨著時間的增長，膠原充分溶脹，減弱了離子液體與膠原分子間的相互作用力，同時增大了雞骨與離子液體的接觸面積，促進了雞骨膠原在離子液體中的溶解，使溶骨量增加；但時間過長時，膠原成分開始發(fā)生降解，所以雞骨的溶解量又降低。故選擇4h為最佳溶解時間。

2.3 溶解溫度對離子液體中雞骨溶解量的影響

實驗條件：固定雞骨和離子液體的固液比為1∶30，溶解時間為4h，改變雞骨在離子液體中的溶解溫度，探究不同溶解溫度對雞骨在離子液體中溶解效果的影響，結果見圖3。

圖3 不同溶解溫度對離子液體中雞骨溶解量的影響

如圖3，隨著溶解溫度的升高，雞骨溶解量呈現(xiàn)增大的趨勢，但溶解速率逐漸減慢，在溫度為100℃和120℃時溶解量顯著增加?？紤]到溫度低于100℃時，離子液體的黏度較大、流動性較差，影響傳質傳熱速率，對雞骨中附著的膠原主要產生溶脹作用，雞骨溶解量較低；隨著溶解溫度的升高，離子液體中分子間運動速率加快，在溫度100℃至120℃時離子液體對骨膠原與羥基磷灰石之間的氫鍵產生作用，促進了雞骨中膠原分子的溶解，使得溶骨量提高；溫度繼續(xù)升高時，離子液體除了產生氫鍵作用以外，還會影響雞骨膠原三股螺旋結構之間的化學鍵和肽鏈之間的肽鍵，使雞骨溶解量繼續(xù)增加，但溶解速率變緩，逐漸趨于平衡；高溫時，雞骨膠原將發(fā)生不可逆的變性作用。綜合考慮，選擇溫度140℃為最佳溶解溫度。

2.4 離子液體溶解雞骨正交實驗

依據(jù)離子液體溶解雞骨單因素實驗結果，確定正交實驗因素和水平（表1），實驗結果見表2。

由表2可知，影響雞骨溶解量的最主要因素為溶解溫度，其次為固液比，最后為溶解時間。在設定的正交實驗條件下根據(jù)雞骨溶解量的K值綜合考慮實際情況，最終確定離子液體溶解雞骨的最優(yōu)方案：溶解時間為4h，溶解溫度為140℃，溶解時固液比為1∶25。

表3為在最優(yōu)工藝條件下進行的3組重復性實驗及實驗結果。

表1 正交實驗因素及水平表

表2 正交實驗設計及結果

表3 重復性實驗及結果

由表3可知，3組重復性實驗中溶骨量的平均值為0.38g，雞骨溶解量較為穩(wěn)定，說明此條件下實驗再現(xiàn)性較好。

2.5 溶解前后雞骨的FT-IR分析

實驗條件：雞骨在溫度140℃下按固液比1∶25溶解4h后迅速抽濾，取濾液加入去離子水作為再生劑，靜置一段時間后再過濾得再生雞骨，干燥后，進行紅外光譜測試分析最佳溶解條件下骨骼化學結構的變化情況，結果如圖4所示（其中，A為溶解前雞骨的紅外光譜圖，B為再生雞骨的紅外光譜圖）。

圖4 溶解前后雞骨的FT-IR譜圖

由圖4可知，雞骨溶解前后的FT-IR譜圖基本保持一致，說明雞骨在溶解前后的基團基本相同，保持原來的化學結構。A譜圖中3414cm-1處的伸縮振動峰代表骨骼分子鏈間的氫鍵，N—H的伸縮振動吸收峰為酰胺A帶，2926cm-1是—CH2的伸縮振動吸收峰，屬酰胺B帶特征吸收峰；1663cm-1處對應酰胺Ⅰ帶的伸縮振動吸收峰；1567 cm-1處對應酰胺Ⅱ帶N—H的彎曲振動峰；1456 cm-1處對應酰胺Ⅲ帶C—N伸縮和N—H變形振動峰；871cm-1對應酰胺Ⅳ帶、Ⅴ帶變形振動；1030cm-1為PO43-的對稱伸縮振動，561cm-1為雞骨羥基磷灰石中PO43-的彎曲振動。以上吸收峰表明雞骨主要由膠原和羥基磷灰石組成。

溶解后再生雞骨與原雞骨的紅外譜圖基本吻合（見圖4中譜線B和A），說明雞骨在該離子液體中的溶解過程沒有發(fā)生衍生化反應，屬于直接溶解。由圖4中的譜線B發(fā)現(xiàn)，溶解后代表骨骼中分子間氫鍵的吸收峰向低波數(shù)方向移動，吸收譜帶變寬，說明在溶解過程中骨骼分子鏈間的氫鍵逐漸發(fā)生了變化。

2.6 雞骨中羥基磷灰石的FT-IR分析

雞骨中羥基磷灰石的FT-IR譜圖如圖5所示。

由圖5可得，3600～3200cm-1之間存在較寬的吸收峰，是由氫鍵締合的—OH伸縮振動峰和提取所得羥基磷灰石表面吸附水的吸收峰引起的。吸附水的吸收峰位于3500cm-1和1630cm-1附近，圖中1619cm-1處存在較弱的吸收峰說明提取的羥基磷灰石表面存在吸附水，并且3600cm-1附近的吸收峰幾乎完全消失，說明吸附水含量很低。一般情況下，羥基磷灰石中—OH產生的伸縮振動波峰是3400cm-1附近一個較強的寬峰，本文所提取的羥基磷灰石中—OH的伸縮振動出現(xiàn)在3412cm-1。1035cm-1處的強吸收峰為PO43-基團的伸縮振動吸收峰，604cm-1和565 cm-1處的強吸收峰對應PO43-基團的彎曲振動吸收峰。1444cm-1處的吸收峰表明CO32-進入羥基磷灰石結構，并取代了部分PO43-。碳酸鹽或自由基CO32-的吸收峰在1400～1500cm-1處為單峰，當CO32-進入羥基磷灰石晶格取代晶格中的PO43-基團時，該吸收峰出現(xiàn)分裂。相關研究表明人骨中羥基磷灰石晶體是含有CO32-的碳酸根磷灰石，說明提取的羥基磷灰石與人骨的組分相似。

2.7 離子液體的回收

2.7.1 離子液體的回收率

將真空抽濾后的濾液用旋轉蒸發(fā)儀旋蒸回收，離子液體的回收率見表4。

圖5 雞骨中羥基磷灰石的FT-IR譜圖

表4 離子液體的回收率

2.7.2 離子液體的FT-IR表征

將待回收的離子液體于溫度70℃下在旋轉蒸發(fā)儀上旋蒸濃縮，蒸凈水后在干燥箱中干燥。將回收得到的離子液體進行紅外光譜表征，考察回收前后離子液體在結構上是否發(fā)生變化，結果如圖6所示（其中，a為離子液體，b為第3次回收離子液體）。

由圖6可知，離子液體回收前后的紅外譜圖基本一致，這說明回收后的離子液體仍然保持其原有的結構，可以循環(huán)使用。

3 結論

利用氯化膽堿-尿素離子液體對雞骨進行溶解，設計單因素實驗和正交實驗分析固液比、溶解溫度以及溶解時間對雞骨溶解量的影響，發(fā)現(xiàn)其影響的主次順序為溶解溫度＞固液比＞溶解時間，得到最佳工藝參數(shù)為：溶解溫度140℃，溶解時固液比1∶25，溶解時間為4h。利用紅外光譜對溶解前后的雞骨、溶解產物及回收前后的離子液體進行表征分析，可得雞骨在離子液體中的溶解屬于直接溶解，溶解產物羥基磷灰石組分與人骨組分相似，回收前后離子液體結構保持一致，可重復利用，初步判定采用氯化膽堿-尿素離子液體溶解骨骼具有可行性。

圖6 氯化膽堿-尿素離子液體回收前后的FT-IR譜圖

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.01.005

2017-01-17

國家自然科學基金項目（21476175）