王邵騰，陳慧，單志華

（四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程室，四川 成都 610065）

1 引言

含鉻革屑的組成及廢棄問題已眾所周知[1-2]。采用酸法、堿法、酶法、絡(luò)合法和氧化法從鉻革屑中回收蛋白資源都有報道[3]。酸法存在設(shè)備腐蝕嚴重的缺陷；堿法存在處理周期較長，處理劑用量較大導(dǎo)致產(chǎn)物中灰分含量較高的缺陷；酶法受鉻鹽影響活性，存在處理成本高且以水解蛋白為主，對膠原蛋白的結(jié)構(gòu)破壞嚴重，只能得到相對分子質(zhì)量較小的氨基酸、多肽明膠產(chǎn)物，限制了其應(yīng)用范圍。氧化法存在將Cr(Ⅲ)氧化為Cr(Ⅵ)的風(fēng)險，存在著巨大的安全隱患，后續(xù)處理成本增加。然而，絡(luò)合法作用溫和，在脫鉻的同時可以有效地維持膠原蛋白原有結(jié)構(gòu)[4]，然后通過適當?shù)奶幚矸椒ㄌ幚砻撱t革屑可以得到相對分子質(zhì)量較大的膠原蛋白水解物。有研究表明若提取過程中肽鍵受損較小，則最終產(chǎn)物相對分子質(zhì)量較高。

因此，革屑水解物的相對分子質(zhì)量及分布與提取方法密切相關(guān)[5]。水熱法是指在加熱的條件下，使膠原蛋白在熱能作用下使三股螺旋結(jié)構(gòu)解旋，肽鍵斷裂，最后膠原纖維轉(zhuǎn)化為明膠的方法[6]。該方法是在中性條件下進行的，相對耗時，目前文獻報道并不多。但有相關(guān)研究表明在高溫加壓下可以加速膠原蛋白的水解，提高原料的產(chǎn)膠率[7]。

本文采用有機酸鹽脫鉻法探究了固液比和脫鉻時間對脫鉻率及革屑殘留率的影響，隨后采用水熱法制得革屑水解物。并用凝膠滲透色譜儀（GPC）、掃描電鏡及能譜分析儀（SEM-EDS）和差示掃描量熱儀（DSC）等測試手段表征了膠原蛋白水解物的黏度、相對分子質(zhì)量、元素組成和熱穩(wěn)定性等物理化學(xué)性質(zhì)，為鉻革屑資源化回收革屑水解物提供新思路。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

實驗材料：鉻革屑，由江蘇粵海皮革集團公司提供，其物化特征分析結(jié)果如表1 所示；各種化學(xué)試劑為分析純，來自成都科龍化工有限公司。

表1 鉻革屑的物化特征Tab.1 Physicochemical characteristics of chromium leather scraps

實驗儀器：NDJ-8SN 型旋轉(zhuǎn)式數(shù)字黏度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；UV-3100PC 型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；DSC209F3差示掃描量熱儀，德國Netzsch；Nova SEM450 掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司；JSM7500F 型冷場發(fā)射高分辨掃描電鏡及能譜分析儀，日立電子（JEOL）；OMNISEC 型凝膠滲透色譜儀，英國Malvern PANalytical 公司；SpectrAA 220FS 原子吸收光譜儀，美國VARIAN 公司。

2.2 鉻革屑脫鉻及水熱處理

實驗中的脫鉻方法在Wang 等人[8]的基礎(chǔ)上做了相應(yīng)改變。取干基鉻革屑于500 mL 燒杯中，加入質(zhì)量分數(shù)為2%草酸鈉溶液，pH 為5.2，時間為12 h，溫度為65 ℃，對脫鉻所用的固液比進行探索。然后將脫鉻革屑置于水熱合成反應(yīng)釜中，加入一定量的蒸餾水，使得w(干基脫鉻革屑)為5%或10%，于110 ℃油浴鍋中反應(yīng)不同時間后離心處理便得到革屑水解物樣品。制備流程示意圖如圖1 所示。

圖1 膠原蛋白水解液的制備流程

2.3 脫鉻率和革屑殘留率的測定

取一定質(zhì)量的絕干鉻革屑或脫鉻革屑于瓷坩堝中，并放到電爐上進行高溫灰化，冷卻后用氯酸鉀粉末將其完全覆蓋，隨后置于600 ℃的馬弗爐中加熱，取出待冷卻后洗滌過濾至容量瓶中定容，隨后用紫外分光光度計測定鉻含量，脫鉻率按公式（1）計算。將鉻革屑和脫鉻革屑放在烘箱中于102℃下烘干至恒重并記錄，然后按公式（2）計算革屑殘留率。

式中Y 為脫鉻率，%；W0和W1分別為鉻革屑和脫鉻革屑中的鉻含量，mg/kg；w 為革屑殘留率，%；m0和m1分別為鉻革屑和脫鉻革屑烘干后的質(zhì)量，g。

2.4 脫鉻革屑的SEM 分析

用鉻革屑和脫鉻革屑的微觀表面形貌及結(jié)構(gòu)形態(tài)。將樣品固定在樣品板上并噴金處理，在加速電壓為5.0 kV 條件下拍攝不同放大倍數(shù)的照片。

2.5 脫鉻革屑的TG-DTG 分析

用熱重分析儀對鉻革屑和脫鉻革屑的熱穩(wěn)定性進行了分析。用天平準確稱取5～10 mg 的烘干樣品于坩堝中，隨后在N2氣氛下，加熱速率為10 ℃/min，從50 ℃升溫至800 ℃，測定樣品的質(zhì)量損失。

2.6 膠原纖維的水解率測定

將脫鉻革屑放于鼓風(fēng)烘箱中烘干至恒量并記錄質(zhì)量，隨后置于水熱反應(yīng)釜中水解一定時間，取出后在10 kg 力下離心15 min，將得到的殘渣放在鼓風(fēng)烘箱中烘干至恒重并記錄質(zhì)量，按公式（3）計算膠原纖維水解率。式中W 為膠原纖維的水解率，%；M0和M1分別為脫鉻革屑的質(zhì)量和殘渣的質(zhì)量，g。

2.7 革屑水解物的黏度測定

將膠原水解液樣品分別置于燒杯中，并稀釋至質(zhì)量分數(shù)5%，且將溶液溫度維持在25 ℃，隨后用黏度計的2 號轉(zhuǎn)子于60 r/min 下測定不同樣品的黏度。

2.8 革屑水解物的各項理化性質(zhì)測定

2.8.1 革屑水解物的相對分子質(zhì)量

用GPC 法測定膠原蛋白水解物的相對分子質(zhì)量及其分布，TSK-gel GMPWXL 凝膠柱，窄相對分子質(zhì)量范圍的聚乙烯醇（PEO）校準并經(jīng)系統(tǒng)軟件分析后得到各個樣品的相對分子質(zhì)量分布和大小。

2.8.2 革屑水解物中的鉻含量

按國家標準GB/713088-2006 規(guī)定的方法對革屑水解物中的鉻含量進行測定。

2.8.3 革屑水解物中的灰分、電導(dǎo)率、氮含量和pH 值

稱取一定質(zhì)量的干基革屑水解物樣品于坩堝中，并于600 ℃條件下在馬弗爐中煅燒6.5 h，得灰分含量；制備質(zhì)量分數(shù)為5%的膠原水解液，然后將電導(dǎo)率計電極浸入該溶液并用DDS-307 電導(dǎo)率儀測定其電導(dǎo)率；按國家標準GB/T 5009.5-2003 規(guī)定的方法，用凱氏定氮法測定氮含量；將pH 計的電極浸入質(zhì)量分數(shù)為5%的膠原水解液中，并于25 ℃條件下測得溶液pH。

2.8.4 革屑水解物的SEM-EDS 分析

用掃描電鏡及能譜分析儀對革屑水解物中的元素種類及含量進行了分析。將樣品粉碎后固定在樣品板上并噴金處理，放大一定倍數(shù)拍照，然后用能譜分析儀分析元素種類及含量。

2.8.5 革屑水解物的DSC 分析

用差示掃描量熱儀評價了自制革屑水解物樣品與商品明膠的熱穩(wěn)定性，測定了軟化溫度。在N2環(huán)境下，控制氣體流速為60 L/min，升溫速率為10℃/min，在20～200 ℃范圍內(nèi)對樣品的熱穩(wěn)定性進行測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 脫鉻時間和固液比對脫鉻率和革屑殘留率的影響

圖2（A）為鉻革屑經(jīng)過草酸鈉溶液靜置浸泡，其脫鉻率和革屑殘留率隨時間的變化趨勢。圖2（B）為固液比對脫鉻率和革屑殘留率的影響?？梢钥闯鲭S著草酸鈉溶液用量的增加，其脫鉻率也相應(yīng)提高，由固液比為1∶30 時的89.93%增加至固液比為1∶40 的93.88%，固液比為1∶50 時鉻的浸出率為94.02%，相對于1∶40 來說鉻的浸出率只有略微增加；同時可以看出當草酸鈉溶液用量增加時，革屑的殘余率會相應(yīng)減少。實驗選取脫鉻時間為12 h，固液比為1∶40 對鉻革屑進行脫鉻處理，并將得到的脫鉻革屑用于后續(xù)的水熱處理。

圖2 脫鉻結(jié)果與脫鉻時間(A)及液比(B)關(guān)系

3.2 鉻浸出前后SEM 分析

從圖3（A）中可以看出鉻革屑中的膠原纖維顯示出分散均勻，可以觀察到表面微纖維結(jié)構(gòu)[9]。隨著Cr(Ⅲ)的浸出逐漸增加，從而使得膠原纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)逐漸致密化。從圖3（B）可以看出脫鉻5 h 后部分區(qū)域還有微纖維結(jié)構(gòu)的存在，但脫鉻時間延長至12 h 時，從圖3（D）中可以看到其表面發(fā)生膠化并粘結(jié)成光滑平面，已經(jīng)不能觀察到微纖維結(jié)構(gòu)，這是由于鉻浸出后破壞了鉻革屑的纖維結(jié)構(gòu)[10]。SEM 分析結(jié)果表明Cr(Ⅲ)浸出后得到的脫鉻革屑和鉻革屑的形態(tài)結(jié)構(gòu)存在較大差異[11]。

圖3 脫鉻革屑的SEM 圖（A）鉻革屑，（B）5 h，（C）9 h，（D）12 h

3.3 鉻浸出前后的TG-DTG 分析

鉻革屑和脫鉻革屑的熱穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖4所示，從TG 曲線中可以看出該生物質(zhì)材料的熱分解主要包括三個階段。第一個熱重變化階段為150℃之前出現(xiàn)的較小質(zhì)量損失，這是由膠原纖維表面吸附的水分揮發(fā)引起的。第二個熱重變化階段發(fā)生在150～550 ℃之間，該過程主要是由膠原分子鏈的氧化降解及進一步熱分解所引起的[12]。并在650 ℃之后質(zhì)量損失逐漸減緩直至碳、Cr2O3和其他的氧化物等殘留。從圖4（A）中可以看出鉻革屑的初始分解溫度為303.76 ℃，而從圖4（B）可以看出脫鉻革屑的初始分解溫度降為了285.98 ℃，熱穩(wěn)定性降低了6.2%左右，同時從兩者的DTG 曲線中可以看出，鉻革屑的最大失重速率溫度為349.08 ℃，而脫鉻革屑的最大失重速率溫度為333.17 ℃。這是因為鉻革屑Cr(Ⅲ)被脫除后，其熱穩(wěn)定性相應(yīng)降低[13]。

圖4 脫鉻革屑的TG-DTG 圖（A）鉻革屑，（B）脫鉻12 h

3.4 脫鉻革屑的水解及革屑水解物的黏度分析

不同w(干基脫鉻革屑)條件下水熱處理不同時間得到的脫鉻革屑溶解率和革屑水解物的黏度測定結(jié)果如圖5 所示。從圖5（A）可以看到當脫鉻革屑固含量為5%，水熱作用4 h，5 h 和6 h 所產(chǎn)生的溶解率分別為58.85%，78.82%和85.87%，相比于圖5（B）中脫鉻革屑固含量為10%，水熱作用4 h，5 h和6 h 所產(chǎn)生的溶解率分別為52.81%，70.02%和80.75%，其溶解率有一定的提升。這是因為增加蒸餾水的加入量增加有利于纖維水解[14]。另外兩種脫鉻革屑固含量下得到的膠原水解液的黏度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，即在高溫下水解時間越長，水解率增加的同時黏度降低，與Trindade 等人的研究結(jié)果一致[15]。但在水熱作用時間相同的前提下，脫鉻革屑固含量較低時得到的膠原水解液相對分子質(zhì)量較低，黏度也較低。

圖5 5%(A)與10%(B)脫鉻革屑水熱作用后溶解率及溶液黏度

3.5 革屑水解物的GPC 分析

在w（干基脫鉻革屑）=10%的條件下水熱作用不同時間得到幾種膠原水解液，隨后用GPC 法測試了幾種樣品的相對分子質(zhì)量，并與商品明膠進行對比，其相對分子質(zhì)量的分布如圖6 所示。商品明膠是由堿法制得，相對分子質(zhì)量主要分布在1.5×104～6.0×104之間，占比可達49.54%，相對分子質(zhì)量＜1.5×104的部分占比為12.19%，有相關(guān)文獻[16]提到膠原蛋白中α 鏈的相對分子質(zhì)量約為1.0×105，因此以上兩部分低相對分子質(zhì)量組分主要由膠原蛋白大分子水解形成的小分子多肽鏈組成；而相對分子質(zhì)量居于6.0×104～1.5×105之間的是由部分未斷裂的α 鏈和大分子多肽鏈組成；同時可以看到相對分子質(zhì)量＞1.5×105的組分只占到了8.78%，說明大部分的β 鏈和γ 鏈都發(fā)生了水解斷裂。

圖6 10%脫鉻革屑的水熱時間與革屑水解物的相對分子質(zhì)量

表2 歸納了不同水熱時間得到的革屑水解物的重均相對分子質(zhì)量（Mw）、數(shù)均相對分子質(zhì)量（Mn）和多分散系數(shù)（Mw/Mn），從中可以看出實驗中通過水熱法得到的革屑水解物的Mw和Mw/Mn均明顯大于商品明膠，這是因為高溫條件下釜內(nèi)體積增大造成壓力增強，降解與聚合同時存在，使得Mw/Mn與Mw也隨之增大[7]。同時可以看出通過GPC 方法確定的Mw和黏度不存在正相關(guān)關(guān)系，表明不能僅通過Mw的大小衡量其黏度大小，其黏度大小與多種因素相關(guān)[17]。

表2 不同水熱時間得到的革屑水解物的相對分子質(zhì)量Tab.2 Molecular weights of collagen hydrolysates with different hydrothermal times

3.6 革屑水解物中鉻含量分析

用原子吸收光譜儀（AAS）測定了經(jīng)不同水熱時間得到的革屑水解物樣品中的總鉻含量，其結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出隨著時間的延長，革屑水解物中的總鉻含量整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。從4 h 至8h，革屑水解物中的總鉻含量從554.99 mg/kg至1033.38 mg/kg，幾乎增加1 倍，而圖5 也表明溶解率也接近1 倍。表示鉻鹽不影響膠原的溶出及降解。出于考慮對鉻革屑的有效利用及經(jīng)濟投入，并結(jié)合以上水解率、黏度、相對分子質(zhì)量等測試分析，后續(xù)實驗選擇在w（干基脫鉻革屑）=10%條件下，于110 ℃條件下水熱作用7 h 制備革屑水解物。

圖7 10%革屑的水熱時間與水解液的總鉻含量

3.7 革屑水解物的元素掃描分析

對水熱7 h 得到的革屑水解物進行了元素掃描分析，其SEM-EDS 光譜圖如圖8（A）所示，從元素含量占比中可以看出C、N 和O 元素的質(zhì)量百分數(shù)分別為54.66%、19.14%和25.92%，總占比高達99%以上，而Cr、Na 和Cl 元素質(zhì)量百分數(shù)分別為0.15%、0.09%和0.05%，可知革屑水解物的主要組分為蛋白質(zhì)。表3 為水熱7 h 得到的革屑水解物的各項理化指標。從中可以看出其重均相對分子質(zhì)量Mw為285 972，遠大于用堿法制備的商品明膠，因為中性條件相對緩和，減小了酸堿對膠原蛋白的水解程度，所以可制得較高相對分子質(zhì)量的革屑水解物。再者可以發(fā)現(xiàn)該革屑水解物中的灰分含量遠低于堿法制備的革屑水解物[18]，且從圖8（A）中可以看到金屬元素只有少量的Cr 和Na，所以灰分中的主要成分為Cr 和Na 的氧化物和碳化物。鉻含量為944.22 mg/kg，可見若想得到高附加值的產(chǎn)品，則需要通過后續(xù)處理來降低鉻含量。質(zhì)量分數(shù)為5%的膠原水解液的電導(dǎo)率（EC）為361 μS/cm，主要是由溶液中存在的金屬離子及其化合物所帶電荷和革屑水解物的羧基、氨基等活性基團所帶電荷引起的。

表3 5%革屑水解物的理化指標Tab.3 Physicochemical index of 5% leather scraps hydrolysate

3.8 革屑水解物的熱性能分析

商品明膠和水熱7 h 得到的革屑水解物的DSC曲線如圖8（B）所示。寬峰和吸熱峰的存在表明兩者的熱轉(zhuǎn)變行為都是非瞬時的吸熱過程，同時可以觀察到商品明膠和實驗中通過水熱法制備的革屑水解物的吸熱峰值分別為73.7 ℃和85.8 ℃。這是因為自制的膠原蛋白水解液中有Cr(Ⅲ)的存在，Cr(Ⅲ)與膠原蛋白水解物中的羧基結(jié)合使得其軟化溫度較大，熱穩(wěn)定性較好[19]。

圖8 革屑水解物的SEM-EDS(A)及DSC(B)

4 結(jié)論

本文采用草酸鈉脫鉻和水熱法聯(lián)用的方式從鉻革屑中提取革屑水解物，結(jié)果表明在草酸鈉溶液質(zhì)量分數(shù)為2%，pH 為5.2，固液比為1∶40，溫度為65 ℃，時間為12 h 的條件下，鉻的浸出率為93.88%，且鉻革屑的殘余率可達87.8%；TG-DTG 和SEM 分析結(jié)果表明Cr(Ⅲ)的浸出會使鉻革屑的熱穩(wěn)定性降低，表面形貌更加致密；在w（干基脫鉻革屑）=10%條件下，于110 ℃下水熱作用7 h 后脫鉻革屑的溶解率可達88.66%，此時得到的革屑水解物黏度為9.47 mPa·s，重均相對分子質(zhì)量Mw為285 972，灰分含量為0.53%，鉻含量為944.22 mg/kg?？梢娨运疅岱芍频灭ざ容^高、相對分子質(zhì)量較大且灰分含量較低的革屑水解物；但鉻含量相對較高，還需通過進一步純化處理才能用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。