表面活性剂制备工艺优化

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制革生产中由于修边、片皮和削匀等操作工序会产生大量的废弃皮屑。随着白湿皮技术在制革行业中的逐渐普及，废弃皮屑的数量呈迅速增长的趋势。据统计，制革工业每年产生的废弃皮屑达上百万吨［1］。这些废弃物如果直接排放到环境中，不仅是生物质资源的巨大浪费，而且会造成环境污染。因此，对这些废弃物进行回收再利用，对制革工业的可持续发展具有重要意义。制革行业研究人员对此进行了不懈地努力，他们以这类废弃物为原料制备了明胶［2］、胶原［3］、皮革加工助剂［4 －5］和有机肥料［6］等。但是，以上这些技术仅利用了小部分皮屑，而绝大部分的皮下脚料仍被作为废弃物处理。因此，开发废弃皮屑回收利用的有效途径，对制革工业的节能减排和提高生物质资源的利用率具有重要意义。废弃皮屑中的主要成分为胶原，对皮屑的加工处理往往使胶原以蛋白多肽的形式被提取出来，且大量的活性基团被暴露和产生，这不仅使提取得到的胶原多肽具有更好的水溶性，而且为其接枝疏水基合成表面活性剂提供了更多的作用位点。因此，从废弃皮屑中提取胶原多肽然后合成表面活性剂，是一条可行的技术路线。另一方面，随着石油资源的日益枯竭，采用清洁化工艺和可再生资源生产安全、温和、易生物降解的蛋白基表面活性剂，是表面活性剂行业重要的发展方向之一［7］。目前，我国已有的蛋白基表面活性剂产品为雷米邦( Lame-pon)［8］。但由于其采用强碱水解胶原的工艺，使胶原的分子结构受到极大的破坏，且水解物的分子质量等性质难以控制，进而严重影响了产品的性能和稳定性。本论文以前期控制胶原水解物分子质量的研究为基础，采用碱性蛋白酶水解皮屑得到小分子质量的胶原多肽，再通过优化反应温度和时间、油酰氯用量、丙酮用量、胶原多肽浓度等合成参数，制备具有较优性能的胶原多肽基表面活性剂。由于采用酶法水解制备胶原多肽和水 － 有机溶剂下的合成工艺，本方法对环境的污染较碱法工艺更小，且产物的转化率较高。本研究为制革废弃物的高值化利用，提供了一条有重要参考价值的途径。

1 试验部分

1． 1 材料与试剂

片硝皮猪皮屑: 制革厂提供; 碱性蛋白酶 Alcalase 2． 5L( 550000 U/mL)购于诺维信( 中国) 投资有限公司。油酰氯、茚三酮、丙酮、氢氧化钠等化学试剂均为分析纯。雷米邦( LMP) 购于湖北远城科技发展有限公司。

1． 2 主要仪器

Lambda 25 紫外可见分光光度计，美国 PerkinElmer 公司;OCAH 200 高速视频接触角测试仪，德国 Dataphysics 公司;NDJ － 5S 数字旋转黏度计，上海恒平科学仪器有限公司;旋转蒸发仪，郑州金育科贸有限公司。

1． 3 试验方法

1． 3． 1 酶法水解废弃皮屑制备胶原多肽液

将硝皮屑置于水中清洗，去除其中的杂质及盐分，然后于 60℃ 干燥。清洗后的硝皮屑的主要成分为: 蛋白质 92． 2%，灰分 2． 4%，水分 3． 6%，其它成分 1． 8%。取清洗后的硝皮屑10g 置于 250mL 三 口烧瓶中，加 入90mL 水，60℃ 浸泡 30min。分别加入0． 5g NaOH 和 0． 04g 碱性蛋白酶，于60℃ 水浴搅拌反应 3h，反应结束后沸水中灭活 5min。所得到的胶原多肽的质量浓度为 10%，用其制备胶原多肽基表面活性剂。

1． 3． 2 胶原多肽基表面活性剂( CBS)合成工艺的优化

( 1) 反应温度和时间

将制得的胶原多肽液 100mL 置于 250mL 三口瓶中，加入 10mL 丙酮和 60mmol/L NaOH( 30% 溶液，w/v) ，然后在 15min 内搅拌滴加 30mmol/L油酰氯，合成反应分别在 30、40、50、60和 70℃水浴中进行 6h，丙酮在反应中被冷却回流。采用茚三酮比色法测定反应物 在 不 同 反 应 时 间 的 氨 基 含量［9］，以此评价胶原多肽的转化程度。

( 2) 油酰氯的用量

将胶原多肽液 100mL 置于 250mL三口瓶中，加入 10mL 丙酮，然后在40℃ 水浴中分别滴加 10、20、30、40、50和 60mmol/L 油 酰 氯，同 时 以 30%NaOH 溶液调节反应体系的 pH 值于 8～ 11，反应进行 2h，丙酮在反应中被冷却回流。反应前胶原多肽的氨基含量为 CN0，反应后产物的氨基含量为CN，则胶原多肽的氨基转化率( RN)为: RN= ( CN0－ CN) /CN0× 100% ; 将反应中氨 基 的 减 少 量 与 油 酰 氯 用 量( COCl) 的摩尔比值作为油酰氯的效率值( EOCl) ，则 EOCl= ( CN0－ CN) / COCl。油酰氯的效率值越高，表明单位用量油酰氯所反应的氨基量越大。

( 3) 丙酮的用量

将胶原多肽液 100mL 置于 250mL三口瓶中，分别加入 0、5、10、15 和20mL 丙酮以及 60mmol / L NaOH，然后在 40℃水浴中搅拌滴加 30mmol/L 油酰氯，反应进行 2h，丙酮在反应中被冷却回流。测定胶原多肽的氨基转化率和反应产物的黏度。

( 4) 胶原多肽液的浓度

将胶原多肽液分别浓缩至 20%( w/v) 、30%和 40% 的浓度，再分别取100mL 胶原多肽原液、50mL 20% 浓缩液、33mL 30% 浓缩液和 25mL 40% 浓缩液置于 250mL 三口瓶中，加入 10mL丙酮和 60mmol/L NaOH，然后在 40℃水浴下搅拌滴加 30mmol/L 油酰氯，反应进行 2h，丙酮在反应中被冷却回流。测定胶原多肽的氨基转化率和油酰氯的反应效率值。

( 5) NaOH 的用量

将胶原多肽液 100mL 置于 250mL三口瓶中，加入 10mL 丙酮，再分别加入30、45、60、75、90 和120mmol/L NaOH，然后在 40℃水浴中搅拌滴加 30mmol/L 油酰氯，反应进行 2h，丙酮在反应中被冷却回流。测定胶原多肽的氨基转化率。

( 6) 优化合成工艺

将胶原多肽液 100mL 置于 250mL三口 瓶 中，分 别 加 入 10mL 丙 酮 和60mmol / L NaOH( 30% 溶液，w / v) ，先在 30℃水浴下搅拌滴加 30mmol/L 油酰氯，丙酮在反应中冷却回流，反应2h 后升温至 60℃ ，回收反应物中的丙酮，继续反应 2h，即得到产物胶原多肽基油酰钠。测定胶原多肽的氨基转化率、油酰氯的反应效率值和产物的物理特征参数。

1． 3． 3 合成产物表面特性的测定

将合成产物配制成一系列不同浓度的水溶液，利用 OCAH 200 接触角仪测定不同浓度水溶液的表面张力，并据此计算合成产物的临界胶束浓度( cmc) 和临界胶束浓度下的表面张力( γcmc)［10］。测试在 25℃ 进行，以去离子脱气水作为空白，以雷米邦作为对照样品。

2 结果与讨论

2． 1 酶法水解皮屑制备胶原多肽液

我们已有的研究表明，在本研究的试验条件下采用碱性蛋白酶，可以有效地水解皮屑。将胶原分子在水解过程中断裂的肽键数与总肽键的摩尔比定义为水解度，则皮屑胶原的水解度为 21． 3%，胶原水解物的氨基含量为 88mmol/L•100g－ 1，且胶原水解物中小分子多肽( Mw ＜10kDa) 的含量达到 80% 以上。皮屑胶原在酶水解过程中暴露出大量的活性基团，这不仅使胶原多肽具有良好的水溶性，而且为其接枝疏水基团提供了所需的作用位点，进而为合成具有良好性能的胶原多肽 基 表 面 活 性 剂 建 立 了 必 要前提。

2． 2 反应温度和时间

在不同反应温度下，胶原多肽的氨基含量随时间的变化规律见图 1。可以看出: 胶原多肽的氨基含量在反应初期呈迅速下降的趋势，随着反应时间的延长，其氨基含量趋于稳定或略有升高。在碱性条件下，油酰氯不仅与胶原多肽发生酰氯化反应也与水发生副反应。若反应在较低温度下进行，油酰氯以与胶原多肽的反应为主。在 30℃时，胶原多肽的氨基含量在反应 180min 时才达到平衡，但此时氨基含量值最低，即具有最高的氨基转化率( 69． 3%) ; 在 60℃ 时，胶原多肽具有更快的反应速率，但氨基的转化率较低( 65． 1%) 。随着反应温度的升高，油酰氯与水的副反应也明显增强。在 70℃时，胶原多肽在反应 30min 的氨基转化率仅为 63． 6%，且随着反应的进行其氨基含量呈逐渐升高的趋势，这是由于胶原多肽在高温碱性条件下再次水解的缘故。试验结果表明: 采用先 30℃ 反 应 2h 再 升温 至60℃ 反应 2h，胶原多肽具有较高的氨基转化率( 74． 4%)。

2． 3 油酰氯的用量

在不同油酰氯用量下，胶原多肽氨基的转化率和油酰氯效率值的变化规律见图 2。可以看出: 氨基的转化率随油酰氯用量的增加呈逐渐增大的趋势，而油酰氯效率的变化规律与之相反。这是由于当油酰氯用量较小时，反应物中胶原多肽过量，油酰氯优先与胶原多肽反应生成目标产物，因此油酰氯的效率值高而氨基转化率低; 当油酰氯用量较大时，反应物中油酰氯过量，其在与胶原多肽反应的同时也与水发生副反应，尽管氨基的转化率较高但油酰氯的效率值却很低。综合考虑氨基的转化率和油酰氯的效率值，选取 30mmol/L 作为油酰氯的优化用量。

2． 4 丙酮的用量

在不同丙酮用量下，胶原多肽的氨基转化率和产物黏度的变化规律见图 3。可以看出: 在反应溶剂中加入不同用量的丙酮对氨基的转化率和产物的黏度具有显著影响。在不加入丙酮和仅加入 5mL 丙酮时，产物的黏度很高，此时氨基的转化率仅为 50% 左右; 当加入 10mL 丙酮时，产物的黏度急剧下降，氨基的转化率提升至 65%以上; 进一步增加丙酮的用量，产物的黏度稍有下降，氨基转化率的变化不明显。合成反应中，随着油酰基被不断接枝到胶原多肽上，反应物的黏度逐渐增大，当黏度达到一定值时它将阻碍反应物间的接触和传质，进而导致氨基的转化率降低。当在反应体系中加入一定量丙酮时，丙酮的存在有效地破坏合成产物与水的氢键作用，使反应物的黏度急剧下降，氨基转化率也随之显著增高。试验结果表明:在 100mL 胶原多肽中加入 10mL 丙酮，对提高氨基转化率具有显著作用。合成产物性能测试结果表明: 丙酮的存在会导致产物的电位差下降，产品在长期存放过程中易于分层。因此，在优化工艺中采用先 30℃ 下回流丙酮，再 升 温 至 60℃ 回 收 丙 酮 的方式。

2． 5 胶原多肽的浓度

在不同胶原多肽浓度下，氨基的转化率和油酰氯的效率值见图 4。可以看出: 随着胶原多肽浓度的提高，氨基的转化率和油酰氯的效率值均呈逐渐降低的趋势。这可能是由于反应物在较高的浓度下无法被更好地分散，传质效果变差，进而严重影响反应的进行。但胶原多肽浓度如果过低，则合成产物的有效浓度和反应效率值也将降低。因此，选取 10% 作为胶原多肽的优化浓度。

2． 6 氢氧化钠的用量

氢氧化钠作为胶原多肽酰胺化反应的催化剂，对反应的进行程度具有重要作用，其用量对氨基转化率的影响见图 5。可以看出: 胶原多肽的转化率随氢氧化钠用量的增加呈现先增大后减小的趋势。氢氧化钠用量不足，无法维持反应所需的碱性条件，胶原多肽未完全反应，则氨基的转化率较低。氢氧化钠过量，胶原多肽在强碱条件下进一步水解，进而影响氨基的转 化 率。依 据 试 验 结 果，选 取60mmol / L 作为氢氧化钠的优化用量。

2． 7 优化工艺下合成产物的性能

采用优化工艺制备胶原多肽基表面活性剂，其基本特性和表面性能见表 1。可以看出: 制备得到的胶原多肽基表面活性剂( CBS) 与雷米邦相比黏度更大，且颜色较浅; CBS 具有较高的氨基转化率和油酰氯效率值; CBS较雷米邦具有更低的临界胶束浓度，在此浓度下 CBS 的表面张力更低，表明 CBS 的表面性能优于雷米邦。将CBS 在室温下存放 30d，合成产物性能稳定，无分层现象。

3 结 论

采用碱性蛋白酶水解制革废弃皮屑得到胶原多肽并与油酰氯反应合成胶原多肽基表面活性剂，其优化合成条件为: 以 100mL 10% ( w/v) 胶原多肽液为基准，油酰氯用量为 30mmol/L，丙酮用量为 10mL，NaOH 用量为60mmol / L，先 30℃ 反应 2h，再 60℃ 反应 2h。在此反应条件下，胶原多肽的氨基转化率为 74． 4%，油酰氯的效值为 1． 21，且合成产物具有良好的表面性能。