废弃牛毛水解液制备蛋白基液体地膜的研究

2019-05-24李闻欣陈玉柔张素风

陕西科技大学学报 2019年3期

李闻欣，陈玉柔，张素风

(陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西西安 710021)

0 引言

我国是一个农业大国，目前地膜覆盖是农业栽培的主要技术之一，传统的塑料农用地膜使用后会使土壤结构受到损害，阻碍水分、养分向下输送，对环境造成白色污染[1].开发绿色环保的新型可降解地膜，如液体地膜、光降解地膜、光-生物降解地膜和完全可降解地膜，给农业生产带来广阔前景[2,3].牛皮制革过程中产生的废弃牛毛是一种丰富的可再生角蛋白资源，主要富含C、O、N、H、S五种元素，其中硫元素和氮元素，可作为硫肥和氮肥补充农作物的营养.保毛脱毛回收牛毛由于在脱毛过程中经氢氧化钙作用，其分子内部形成了特殊的-S-O-Ca-S-交联键，故其除了富含五种常见元素外，Ca含量也很高[4].牛毛角蛋白还拥有较好的热稳定性、生物降解性以及力学性能.因此，研究和开发利用废弃牛毛，既可实现制革废弃物高附加值转化，还可节约资源，降低对环境的污染.

但牛毛角蛋白其结构稳定，不易溶解.目前牛毛的水解方法有酸水解法[5]、碱水解法[6]、酶水解法[7]、双氧水水解法[8]、碱-酶协同水解法[6]等.其中碱水解法因为操作简单，成本低，是大规模工业化水解牛毛的首选方法.本研究采用碱氧化法水解牛毛角蛋白，将水解角蛋白制成角蛋白基新型的液体地膜，与水解角蛋白共混成膜的材料的结构和应用性能，利用喷洒方式使用，达到与固体地膜相同的应用效果(保水、保温，增湿)，由于含有天然蛋白质使该材料具有可降解性，促进农作物生长等性能.这既能解决制革废弃固体蛋白资源化利用难题，又可以解决目前液体地膜“白色污染”问题.

1 实验部分

1.1 材料与仪器

(1)实验材料

牛毛(保毛脱毛处理的牛毛)，河北黄骅德富皮革有限公司；氢氧化钠，西安化玻站化学厂；过氧化氢30%，天津市富宇精细化工有限公司；聚乙烯醇(聚合度1 750±50)，天津市化学试剂批发公司；甘油，天津市富宇精细化工有限公司；戊二醛(含量≥50%)，天津市福晨化学试剂厂.以上所有试剂均为分析纯.

(2)实验仪器

313-A型厚度仪，高铁科技股份有限公司；TH-8203S伺服电脑式桌上拉力试验机，江苏省苏州市拓博机械设备有限公司；Vertex70红外光谱，德国Bruker公司；D8 Advance X射线衍射仪，德国Bruker公司；DSC200PC差示扫描量热仪，德国Netzsch公司.

1.2 角蛋白水解液的制备

牛毛预处理：洗衣粉浸泡洗涤牛毛20 min，将洗干净的牛毛在通风条件下自然风干.

碱氧化法水解牛毛：将牛毛、氢氧化钠(按1∶0.24份比例)混合、按液固比9∶1加入水，再加双氧水25%，在90 ℃的水浴锅中加热搅拌水解4 h，冷却后抽滤，滤液待用.

1.3 共混膜的制备

分别将一定质量比的牛毛水解液与PVA水浴加热，待PVA完全溶解后，加入适量甘油和戊二醛，充分搅拌后，在一定温度下保温一定时间，将混合溶液趁热倒在玻璃板上，推膜，室温下干燥，揭膜.

单因素优选法确定制备条件.其中，各因素条件变化范围为牛毛水解液与PVA的质量比范围7∶1～11∶1；戊二醛与甘油用量范围0.1～0.5 g；温度范围85 ℃～105 ℃；时间30～70 min.

1.4 共混膜的性能检测

(1)膜的厚度

采用测厚仪测量膜上任意三点的厚度，计算平均值.

(2)膜的拉伸强度

按照GB13022(塑料薄膜拉伸性能测试方法)规定进行.

(3)断裂伸长率

按照GB13022(塑料薄膜拉伸性能测试方法)规定进行.

(4)成膜在水中的溶胀率

按照国标GB1034-70(塑料吸水性实验方法)规定进行.

(5)液体地膜的不挥发物含量

其测定方法按照GB-T1725-2007(色漆、清漆和塑料不挥发物含量的测定)进行.

1.5 共混膜的结构表征

(1)红外光谱分析(FT-IR)

将厚度小于0.025 mm的薄膜与KBr混合均匀并压片，采用德国布鲁克Bruker公司VERTEX 70傅里叶红外光谱仪，对共混膜进行检测.

(2)X射线衍射分析(XRD)

使用德国布鲁克Bruker D8 Advance型X射线衍射仪，Cu靶X射线，扫描速度为11 °·min-1，管电压为40 kV，管电流为40 mA，对共混膜进行5 °～ 50 °扫描.

(3)差示扫描量热分析(DSC)

在氮气保护下，直接在DSC200PC综合热分析仪(德国Netzsch)上测定样品的吸热曲线，升温速率10 ℃/min，扫描范围20 ℃～500 ℃.

1.6 液体地膜的应用试验

(1)保湿程度

两个表面皿中加入沙子和水，控制其他条件一致，1号做空白，2号表面喷液体地膜，每天同一时间测表面皿的质量，以质量差为对比，比较水分蒸发情况，从而考察地膜的保湿状况.

(2)种子发芽率

在两个花盆中分别种上处理过的100粒青菜种子，控制其他条件一致，1号做空白，2号喷入液体地膜，考察在一定周期内种子的发芽情况.

2 结果与讨论

2.1 共混膜制备条件优化

2.1.1 角蛋白水解液与PVA质量比的影响

称取不同质量比的水解液与PVA，在油浴加热100 ℃，不加甘油和戊二醛，待PVA完全溶解后保温40 min，在玻璃板上推膜，水解液与PVA质量比对成膜溶胀率、断裂伸长率、拉伸强度、不挥发物含量等性能的影响如图1所示.

(a)拉伸强度和断裂伸长率

(b)溶胀率和不挥发物含量图1 水解液与PVA质量比对液膜性能的影响

纯牛毛水解液成膜不连续，室温条件下干燥后，膜较硬、脆，力学性能不好，无法揭膜.但是PVA拥有较好的成膜特性和粘合性能，与角蛋白共混后依旧拥有较好的成膜性.由图1(a)可知,水解液与PVA质量比在8∶1时,膜的拉伸强度和断裂伸长率最大，随后随着质量比的增大拉伸强度和断裂伸长率呈现递减趋势，这是因为PVA易成膜，使共混膜的物理机械性能较好，然而随着水解液质量的增加，单位体积内PVA 含量减小，因此随着质量比的增大，物理机械性能有递减的趋势.

由图1(b)可知，在水解液与PVA质量比为9∶1时，溶胀率最小，质量比小于9∶1时，溶胀率随质量比的增大而减小，是因为随着质量比的增大，单位体积内聚乙烯醇含量降低，聚乙烯醇含有亲水的网状结构.随着质量比的增加，产品的不挥发物含量不断减小，是因为水解液中的蛋白质和PVA都是固体物质，其量的增加与减少都对不挥发物含量有一定的影响，随着质量比的增加，水解液中蛋白质的含量不变，但PVA的含量不断减小，因此不挥发物含量不断减小.

实验过程中发现水解液与PVA共混质量比较大时，共混膜不连续，无法揭膜，需要对其进行改性.由分析可知当水解液与PVA质量比为8∶1时，各项性能都较强，因此选水解液与PVA质量比为8∶1.

2.1.2 戊二醛/甘油用量的影响

称取质量比为8∶1的水解液与PVA，在油浴加热100 ℃，待PVA完全溶解后，改变戊二醛与甘油用量，保温40 min，在玻璃板上推膜.戊二醛/甘油用量对成膜性能的影响如图2所示.

(a)拉伸强度和断裂伸长率

(b)溶胀率和不挥发物含量图2 戊二醛/甘油用量对液膜性能的影响

在共混制膜的过程中，戊二醛亦可以起交联作用.由图2(a)知，戊二醛质量为0.2 g时，膜的拉伸强度和断裂伸长率最大，之后随戊二醛质量的增加而减小.因为戊二醛能使角蛋白和PVA交联，其用量增加交联作用随着加强，拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大，当戊二醛用量继续增加后膜的致密性会提高，拉伸强度和断裂伸长率会降低，其反应原理如图3所示[9].

图3 戊二醛与羟基反应机理

在图2(a)中，随着甘油用量增加，膜的拉伸强度和断裂伸长率都升高，当甘油用量达到0.3 g时，膜的拉伸强度和断裂伸长率开始降低.由于甘油具有良好的增塑性能，因此当甘油用量增加时，膜的塑性也会增加，拉伸强度增强.因为甘油具有润滑作用，这种作用会促进膜内分子间的移动，所以断裂伸长率随着甘油用量的增加而增加.

由图2(b)可知，随着戊二醛用量增加溶胀率呈增长趋势，因为戊二醛的亲水性好，故戊二醛的量越多，液膜的溶胀率也呈现相对增长趋势.但戊二醛是一种带有刺激性气味的无色透明油状液体，熔沸点较低，易挥发，不挥发物含量基本上随着戊二醛用量的增加而减小.所以戊二醛适宜用量为0.2 g.

在图2(b)中，随着甘油用量的增大膜的溶胀率和不挥发物含量逐渐增大，且在甘油用量为0.3 g时达到最大，之后随着甘油用量的增大而减小.溶胀率升高是由于甘油的每个分子上都带有三个活性羟基，使膜变得致密，且吸水性较强.由于增塑剂用量过大会使成膜物质分子间的间距变大，因此会使膜的强度降低，又因为甘油用量过多会使膜在室温条件下不易干燥，膜的粘性增加，因此甘油的用量需适中，故甘油用量为0.3 g.

2.1.3 共混温度的影响

在其他条件不变，加入甘油0.3 g，改变温度范围，共混温度对成膜拉伸强度、断裂伸长率、溶胀率、不挥发物含量等性能的影响见图4所示.

从图4(a)可知，随温度的提高膜的拉伸强度和断裂伸长率升高，但是当温度达到100 ℃，拉伸强度和断裂伸长率开始下降.这是因为温度升高使羟醛缩合和酯化反应的进行加快，对膜反应的进行有利，反应越彻底，膜的性能越好.然而温度过高，会使溶剂中的水挥发太快，会对共混膜均匀性造成一定程度影响，推膜时较困难，同时也加快了水解产物的进一步降解，所以拉伸强度和断裂伸长率反而下降.

从图4(b)可知，随温度的提高膜的溶胀率升高，溶胀率则在100 ℃时达到最大，100 ℃后开始呈下降趋势.不挥发物含量则在85 ℃时最大，90 ℃时最小，且90 ℃以后呈现上升趋势，且不挥发物含量在77%到90%波动，这是因为当温度升至一定程度，固体含量趋于稳定，因此不挥发物含量趋势较为平缓.温度升高能提高反应的效率，使共混膜的物理性能较好，但是过高的温度会导致交联产物分解，所以共混温度以100 ℃为最佳.

(a)拉伸强度和断裂伸长率

(b)溶胀率和不挥发物含量图4 共混温度对液膜性能的影响

2.1.4 共混时间的影响

在其他条件确定的情况下，改变共混时间对成膜拉伸强度、断裂伸长率、溶胀率、不挥发物含量等性能的影响见图5所示.

由图5(a)知，在制膜时间为40 min时,拉伸强度和断裂伸长率最大，随着时间的增加，液膜的拉伸强度和断裂伸长率有所下降.在一定时间内，制膜时间越长，与PVA交联程度越好，膜的拉伸强度就越好，时间过长时，成膜性能较差，难以成膜.

由图5(b)知，在制膜时间为40 min时，溶胀率和不挥发物含量最大，随着时间的增加则呈现下降趋势.这是因为随着制膜时间的增加，制膜的过程中的水分蒸发的较多，测不挥发物含量时，会使得干燥过后膜的质量有所下降.因为在制膜时，需要使聚乙烯醇完全溶解，因此经多次实验可得，30 min时聚乙烯醇可完全溶解，若时间过长会使所制得的膜最后成粘稠状物质，无法成膜，根据以上所得性能在40 min时，膜的性能呈较优状态.

(a)拉伸强度和断裂伸长率

(b)溶胀率和不挥发物含量图5 共混时间对液膜性能的影响

2.2 共混膜表征

2.2.1 共混膜红外光谱分析(FT-IR)

对水解液与共混膜进行红外光谱检测及官能团表征，其结果如图6所示，可以反映出两者分子基团的特点.

由图6可知，在曲线a中1 660.08 cm-1处和曲线b中1 690.45 cm-1处的强吸收峰是酰胺I谱，可以推测出牛毛的水解产物和共混膜中会存在酰胺键，并存在多肽结构，分子的结构可以从有序转为无序结构.曲线a在3 342.42 cm-1处的峰较宽，是因为振动频率较多导致的，在1 397.42 cm-1处的强吸收峰，是因为碱反应时，较多侧链羧基产生于角蛋白的水解过程中所致[5，10].在2 179.5 cm-1处的峰为C-H伸缩振动峰，而曲线b在3 656.93 cm-1处的峰可能是因为外界水分的影响，也可能是材料中含有游离-OH所产生的；1 270.62 cm-1处有峰是因为有酰胺Ⅲ带.

图6 最优条件所制水解液和共混膜红外光谱图

通过两者对比发现，共混膜仍具备蛋白质特征峰，说明角蛋白结构并未完全被破坏，角蛋白与PVA共混后，两者之间虽然没有产生新的化学键，但是强的氢键作用是不容忽视的，这些氢键作用提高了共混分子间的作用力，改善了角蛋白与PVA的相容性[11].

2.2.2 共混膜差式扫描量热分析(DSC)

通过对最优条件所制膜的测定，可由图7看出，共混膜主要为无定型聚合物，玻璃化温度为112 ℃，112 ℃～130 ℃为玻璃化转变阶段，比热变化为41.4 mvs/(gk).在246 ℃时，峰较窄，这表示的是熔融峰，而熔融峰是由α-结晶的熔融引起的，因此该峰值反映了α-结晶的熔融性能.因在玻璃化温度以下，此共混膜材料为含角蛋白的塑料材料.

图7 最优条件所制膜DSC图

2.2.3 共混膜X射线衍射分析(XRD)

X射线衍射是一种晶体检测方法，X射线打在原子周期排列的晶体上会产生衍射图谱，衍射图谱反映了晶体内部原子的排列方面的信息，通过测共混膜的XRD可表征其结晶情况.

由图8可知，水解液是种非晶相结构，因此它的结晶度为零；纯PVA有一定的结晶度；而共混膜在2θ分别为19.60、21.50、23.90出现衍射峰，与纯PVA的出峰位置相同，说明共混膜与PVA有相同的晶体.2θ为28.46出现的窄而尖的衍射峰是因为共混膜中析出新的晶相，说明水解液和PVA共混后会使得膜的性能和结构有所改变.

图8 蛋白质水解液、PVA和共混膜的XRD图

2.3 液体地膜的应用效果

2.3.1 土壤保湿效果对比

两个表面皿中加入沙子后质量均为86.322 g，分别给两个表面皿中加入15 mL的水，使其湿度一致，一个均匀喷入5 mL的液体地膜另一个作对照，最后对照组的质量为101.322 g，喷入液体地膜的质量为106.322 g.

用质量差表示水的挥发情况，由图9可知，没有喷液体地膜的挥发水量明显高于喷有液体地膜的，所以液体地膜的保湿效果较好.液体地膜保湿的原因可理解为：当任何一种物质铺在泥土上面时，都可以形成物理阻挡层，有效抵挡地表水分蒸发，但液体地膜与普通的材料不同，由于其自身的功能分子具有与土壤颗粒相近的大分子量，且功能基团和泥土中的活性位点能进行有效结合，在一定程度上能减少用量，使得其在成本上变得可行.

图9 土层表面覆液膜与未覆地膜保湿度对比情况

液体地膜与土壤表面颗粒相结合，只作用于土壤表层，本质上是一种有机-无机封闭层限定下的极低水平水分通量的剖面控制的蒸发，是水蒸汽分子慢慢穿透液体地膜所覆盖地面后形成的封闭层然后散失到大气中的过程[12].

2.3.2 种子的发芽率

两个花盘分别种了100颗种子，一个喷液体地膜，一个不喷，以7天为一个周期分别看两个花盘种子的发芽情况，种子的发芽率如表1所示.

表1 发芽率对比情况

根据表1可知，喷有液体地膜的种子发芽率明显高于空白组.7天内，喷有液体地膜的大概有30颗发芽，而未喷的只有13颗发芽，因此液体地膜有促进种子发芽的特性.这是因为液体地膜有一定的保墒、增温和保湿的作用，而且它本身也可以作为肥料为农作物输送养分，促进农作物的生长，所以它可以促进种子发芽.因此液体地膜在适当减少对环境污染的同时也可以很好地促进农作物的生长发育.