庞兴军，苏兴建，曹丽伟，杨丽红，苗艳丽

(1 北海富安源生物科技有限公司，广西 北海 536000；2 广东海洋大学化学与环境学院，广东 湛江 524088)



动物毛发酸水解工艺和生态环境保护剂的研究

庞兴军，苏兴建，曹丽伟，杨丽红，苗艳丽

(1 北海富安源生物科技有限公司，广西 北海 536000；2 广东海洋大学化学与环境学院，广东 湛江 524088)

以动物毛发为原料，采用酸水解的方法，对毛发进行水解，通过对水解条件的研究确定的最佳工艺条件为：毛发水解的最佳盐酸浓度为28%～30%，最佳温度为114 ℃、最佳水解时间为11 h。氨基酸分析结果表明：鸡毛和猪毛水解液均中含有 17 种氨基酸，这些氨基酸对水体中的有毒有害物质具有很强的吸付与分解能力。此外，本实验初步确定了毛发水解液环境保护剂的生产应用工艺技术参数。

动物毛发；酸水解；氨基酸；环境保护剂

随着化学工业、规模农业和社会经济的发展，大量的使用化学品和大规模的养殖等既为人类生活带来了显著的经济收入，但同时也给生态环境造成了严重的危害，特别是对人类及各类生物都赖以生存的水资源造成了严重的污染和对水体环境的严重破坏。广大科学工作者为解决这一重大科学问题进行了不懈的努力，做了大量的研究工作，先后也开发了大量的水质改良产品，对相关水体环境的改良调控和保护起到了良好的作用，为保护生态环境做出了巨大贡献[1-5]。然而，目前所开发使用的各种各样品牌的各类水体环境调控剂、改良剂等产品大多是化工产品[1,3-4]，此类产品的使用虽然对特定的水质污染等起到了良好的改良和调控作用，但其在改良水体环境的化学反应中又容易产生、残留下一些有毒有害的化学物质，用多了又对水体生物造成一定的抑制及伤害，极容易造成了二次污染。因此，市场迫切需要提供一些既安全、高效、方便和低成本的产品来解决上述问题。本实验经过研究发现各类动物毛类中含有大量的胶原蛋白等有机质和氨基酸等有效成份，将这些有效成份经水解出来后制成一种生态保护剂应用于各类受污染水体，结果这种生态保护剂对污水中的各类污染物质具有良好的吸收、中和及分解降解作用，而且对水体生物不会产生抑制及伤害，更不会产生二次污染，属于绿色有机环境保护剂，具有天然环保、成本低、调控效果显著等到特点。

1 实 验

1.1 材料

鸡毛、猪毛、工业盐酸、氢氧化钠、5%氢氧化钠溶液、8 mol/L盐酸溶液、10 mol/L 盐酸溶液，0.0862 mol/L标准氢氧化钠溶液、1.0 mol/L氢氧化钠溶液、0.5%酚酞指示剂、36%～37%甲醛溶液(中性)、邻苯二甲酸氢钾，蒸馏水、乙酸、饱和柠檬酸水溶液、EDTA。

1.2 主要仪器

PHS-3C型精密pH计，上海精密科学仪器有限公司；MP200A型电光分析天平，上海第二天平仪器厂；HANGPING-FA110型电子天平，上海天平仪器厂；DK-98-11A电热恒温水浴锅：天津市泰斯特仪器有限公司；DH-101-0电热恒温鼓风干燥箱，上海正慧工贸有限公司；85-2A磁力搅拌器:常州欧邦电子有限公司；各种玻璃仪器。

2 方 法

2.1 原材料

鸡毛和猪毛，去杂、清洗、去脂。

2.1.2 原材料的前处理

手工择除鸡毛或猪毛内混杂的泥沙，石块，柴草，血块，碎肉等杂物。先用自来水清洗鸡毛两遍，再用洗衣粉水清洗一遍，最后用自来水将洗衣粉水冲洗干净，去除鸡毛上的血水及油污。用浓度为5%、温度为40～45 ℃的NaOH水溶液搅拌洗涤60 min，洗去吸附在羽毛上的油脂。捞出，用清水冲洗干净NaOH水溶液，洗涤至pH≤7。即将清洗干净的鸡毛放在干燥箱80～90 ℃烘干备用。

2.2 酸水解工艺过程

从理论上讲，蛋白质的肽键可以通过酸、碱、酶介质中水解拆段酰胺键，使其形成游离氨基酸，酶水解工艺条件复杂、设备精度要求高；碱水解常引起氨基酸构型变化(消旋)，产品品质差；故采用酸水解法。将鸡毛或猪毛去除杂志和清洗干净后，按照实验条件除去脂肪，然后清洗干净，滤干。取一定量的鸡毛或猪毛，加入适量的盐酸，在合适的条件下恒温水解。水解结束后，将水解液静置，过滤，得到水解母液。取适量水解液测定氨基酸含量。

2.2.1 指标测定方法

总氮含量测定：采用凯氏定氮法[6]；氨基氮测定： 甲醛滴定法[7]；水解度的测定：

2.2.2 色谱条件

色谱柱：Agilent ZORBAX Eclipse AAA 柱，4.6 mm×150 mm, 粒度 5 μm。流动相 A：磷酸盐缓冲液(含 4% DMF)。流动相B：乙腈(含4%DMF)。进样量： 20 μL； 柱温： 20 ℃；流速：1 mL/min；检测波长：436 nm；梯度洗脱程序：B 10%→22%(0～5 min)，B 20%→35%(5～16 min)，B 35%→46%(16～27 min)，B 46%→ 70%(27～28 min)，B 70%持续到45 min 结束。

2.3 动物毛发酸水解最佳工艺研究

与2.2项内容的水解工艺过程一致。按照不同酸浓度、不同温度和不同水解时间等三种条件进行单项试验研究，每项试验研究设三次重复，最后加权平均对其结果进行分析，从中找出最佳方案。

3 结果与分析

3.1 鸡毛的水解研究结果分析

初步研究了水解时间和酸用量对水解反应的影响。取4个1000 mL烧杯，分别称取经过处理的120 g鸡毛放入其中，按毛发：盐酸=1：2的比例分别加入8 M(ρ=1.11775 g/mL)、10 M(ρ=1.16665 g/mL)、8 M、10 M的盐酸215 mL、205 mL、215 mL、205 mL，分别设定以7 h、7 h、10 h、10 h进行回流水解。实验结果见表1。

表1 鸡毛水解液中氨基氮的情况

注：1#：8 M盐酸,水解7 h；2#：10 M盐酸,水解7 h；3#：8 M盐酸,水解10 h；4#：10 M盐酸,水解10 h。

由表1的数据可知，利用适量的盐酸，可以将鸡毛进行水解，将鸡毛中的氨基酸等物质水解出来，形成鸡毛水解液。同时可以看出，4#水解液中氨基酸的含量最高，说明一定重量的鸡毛加入10 mol/L的盐酸溶液，在90～100 ℃温度下加热水解10 h可得到氨基酸含量最高的水解液。

3.2 猪毛的水解研究结果分析

研究了水解时间和酸用量对水解反应的影响。具体实验过程同3.1项中的过程，结果见表2。

表2 猪毛水解液中氨基氮的情况

注：1#：8 M盐酸,水解7 h；2#：10M盐酸,水解7 h；3#：8 M盐酸,水解10 h；4#：10 M盐酸,水解10 h。

从表2的结果表明，猪毛水解条件与鸡毛水解的条件基本相同，一定重量的猪毛加入10 mol/L的盐酸溶液，在90～100 ℃温度下加热水解10 h可得到氨基酸含量25.40 mg/mL最高的水解液，其氨基酸含量比在同样条件下鸡毛水解液中的氨基酸含量23.00 mg/mL还高出2.40 mg/mL。因此，猪毛水解液不但可以制备养殖水环境生态保护剂，而且其保护效果更优。

3.3 动物毛发的酸水解最佳工艺研究结果分析

分别研究了水解时间、盐酸浓度、水解温度对水解反应的影响，结果见表3～表5。

表3 盐酸浓度对水解反应的影响

注：固定条件：温度114 ℃，水解时间10 h。

表4 温度对水解反应的影响

注：固定条件：盐酸浓度28%，水解时间10 h。

表5 时间对水解反应的影响

注：固定条件：盐酸浓度28%，水解温度114 ℃。

从表3～表5可知，酸的浓度决定毛发的水解速度，酸的浓度大，水解速度快，反应时间大大缩短，但同时又会增加氨基酸分解破坏的程度。另外浓度过大，水解过程中酸雾挥发严重，造成浪费和污染。我们实验的结果以浓度为28%～30%工业盐酸较为适宜。在试验研究过程中，项目组也同时采取过硫酸等进行过水解试验，经观察其试验效果不如盐酸。而且，硫酸的采购容易受有关部门的管控，要通过报批才能采购，并且价格相对略高、生产成本大，所以选盐酸作为水解的主要成份。根据酰胺键的断裂热力学分析，温度越高，其键的断裂越容易，水解速度越快。但温度高会加快氨基酸的分解，同时氯化氢的挥发程度加大，造成原料的损失。实验证明：水解温度控制在113.5～114.5 ℃为宜。水解是否完全是提高产率的重要因素，必须严格控制好水解时间。水解时间短，水解不完全，水解时间过长，虽然有利于水解完全，但同时也伴随氨基酸的分解破坏，造成产率降低、能耗升高。因此，水解时间的确定要根据水解液中氨基酸的最大含量来决定。由于影响终点的因素很多，所以实际生产中采取间断取样，测定氨基酸含量-时间曲线，以确定最佳水解时间。由表3～表5数据分析可得毛发水解的最佳盐酸浓度为28%～30%、在此浓度的盐酸中进行水解的最佳温度为114 ℃、最佳水解时间为11 h。

3.4 鸡毛和猪毛水解液中游离氨基酸含量分析

按照3.3项中的最佳水解工艺制备相应的水解液。鸡毛酸水解液(样品I)和猪毛的酸水解液(样品II)经过离心和超滤后用氨基酸分析仪测定其游离氨基酸含量，结果如表 6所示。

表6 鸡毛和猪毛水解液中各种氨基酸的含量

表4的结果表明，动物毛发经过一定量浓度的盐酸水解后的水解液中含有17 种氨基酸，这些氨基酸对水体中的有毒有害物质具有很强的吸付与分解能力。所以，含动物毛水解液的生态环境保护剂产品具有保水防治恶化的作用。

4 生态环境保护剂的开发研究

在上述试验的基础上，为了使试验研究结果能应用于生产，进行了中试生产试验。

试验以收集的鸡毛和猪毛作原材料，以盐酸为主要水解酸，配入少量的NaOH、0.5%酚酞指示剂、36%～37%甲醛溶液(中性)、邻苯二甲酸氢钾，蒸馏水、乙酸、饱和柠檬酸水溶液、EDTA等辅助试剂，利用锅炉加热等进行小规模的水解生产，分别进行了50 kg、100 kg、500 kg和1000 kg规模的试验，其加工工艺技术路线按上述试验所取得的工艺技术进行，试验均获得完满成功，经测定分析，上述规模的水解试验所形成的水解液中的氨基酸含量均达到30%以上的要求，说明是可以进行工业化规模水解生产的。

5 结 论

根据本研究结果得出如下结论：一是利用盐酸等作为水解物质可以将废弃的动物毛发进行水解，打断动物毛发中的粗蛋白多为角质蛋白，简称角蛋白的大分子键释出角蛋白中的氨基酸，而盐酸为最好、成本最低且释出量较高的水解酸，水解后可形成含氨基酸高达30%左右的动物毛发水解液。二是本实验研究确定了毛发水解物生态保护剂的水解及生产应用工艺技术参数。

[1] 邓希海. 池塘水质调控技术[J]. 河南水产,2008(01): 27-28

[2] 杨学芬，杨瑞斌，齐振雄. 微生态制剂在水质调控中的应用[J].水利渔业，2003,23(3):40-42.

[3] 冉春丽. 罗非鱼养殖池塘水质调控技术[J]. 中国水产,2013(11):48-50.

[4] 李海洋,程云生. 大宗淡水鱼的生物学特征及养殖水环境的调控[J]. 畜牧与饲养科学，2010, 31(3): 66-67.

[5] 宋文东,林宏图,彭少伟,等. 含毛发水解物的养殖水环境生态保护剂[P].中国专利， 200610035134.2 A, 2007-10-31.

[6] 张龙翔,张庭芳,李令援. 生化实验方法和技术2版[M].北京：高等教育出版社，1997:47-50.

[7] 黄伟坤.食品分析与检验[M].北京:中国轻工业出版社,1995:56-63.

Hydrolysis of Animal Hair Using HCl and Study on Ecological Environmental Protection Agent

PANGXing-jun1,SUXing-jian1,CAOLi-wei1,YANGLi-hong2,MIAOYan-li2

(1 Beihai Fuanyuan Biological Technology Limited Company, Guangxi Beihai 536000; 2 College of Chemistry and Environment, Guangdong Ocean University, Guangdong Zhanjiang 524088, China)

Animal hair was hydrolyzed to prepare amino acid hydrolysate using HCl. The results showed that the optimum conditions of acid hydrolysis were as follows: hydrochloric acid concentration was 28% ～ 30%， the temperature was 114 ℃, the time was 11 h. The result indicated that seventeen kinds of amino acids were detected in the hydrolysate and these amino acids had a strong absorption and decomposition of toxic or harmful substances in water. In this study, the production and application technology parameters of the hair hydrolysate environmental protective agent were preliminarily determined.

animal hair; acid hydrolysis; amino acids; environmental protective agent

广西科学研究与技术开发计划项目(NO.桂科合14125008-1-10)；广东省教育厅重点平台及科研项目(NO.2015KTSCX057)。

庞兴军，男，工程师，研究方向：生物工程。

苗艳丽(1978-)，女，副教授，博士，研究方向：应用化学。

TQ064

B

1001-9677(2016)022-0050-04