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離子液體溶解膠原蛋白的研究進(jìn)展

2017-03-08 06:10:26呂愛會(huì)朱孟府
杭州化工 2017年3期
關(guān)鍵詞:咪唑膠原蛋白甲基

呂愛會(huì) ,鄧 橙 ,朱孟府 ,鄧 宇

(1.天津科技大學(xué),天津 300457;2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院,天津 300161)

離子液體溶解膠原蛋白的研究進(jìn)展

呂愛會(huì)1,2,鄧 橙2,朱孟府2,鄧 宇1

(1.天津科技大學(xué),天津 300457;2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院,天津 300161)

膠原蛋白是自然界中含量最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白,而且也是人體的重要組成部分。膠原蛋白被廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域,因此找到一種綠色溶劑——離子液體,溶解、再生膠原蛋白尤為重要。該文主要介紹了離子液體的概念和種類,以及在溶解膠原蛋白方面的研究進(jìn)展,并對(duì)離子液體溶解膠原蛋白的特性及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

離子液體;膠原蛋白;溶解;再生

膠原又被人們稱為膠原蛋白,具有優(yōu)異的機(jī)械性能,是自然界中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白。膠原蛋白只存在于動(dòng)物身上,特別是哺乳動(dòng)物的肉和生物組織中,包括骨骼、肌腱、牙齒、皮膚、韌帶和軟骨,約占全身蛋白質(zhì)的25%~35%,而細(xì)胞骨架的重要組成成分也是膠原蛋白。因此,膠原蛋白以不同的形式不同程度地存在于動(dòng)物的各種器官中。膠原蛋白因其獨(dú)特性質(zhì)能夠形成高強(qiáng)度的不溶性纖維。膠原蛋白不僅在成熟的組織結(jié)構(gòu)中起著重要作用,而且對(duì)于發(fā)育中的組織有定向的作用[1-2]。目前,膠原蛋白被確認(rèn)存在的有27種[3],最常見的有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型膠原蛋白,其中Ⅰ型膠原蛋白所占的比例最大,主要存在于皮膚、骨頭和肌腱中,是一種十分寶貴的生物質(zhì)資源。由于膠原蛋白具有良好的生物相容性和生物降解性,已經(jīng)在醫(yī)藥、化妝品、食品、商業(yè)、生物工程等眾多領(lǐng)域得到了研究與應(yīng)用[4-7]。然而,由于膠原蛋白結(jié)構(gòu)中存在分子間氫鍵、離子鍵、范德瓦爾斯力和疏水性鍵,這使膠原蛋白很難溶解,因此極大地限制了膠原蛋白在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。所以找到一種溶解膠原蛋白的綠色溶劑成了學(xué)者的研究重點(diǎn)。

離子液體是近年來新興起的一類具有應(yīng)用前景的綠色溶劑,以其強(qiáng)極性、不揮發(fā)性和穩(wěn)定性以及對(duì)高分子材料良好的溶解性,廣泛應(yīng)用于化工分離和有機(jī)合成等領(lǐng)域,用于替代易揮發(fā)的有機(jī)溶劑。近年來不斷有學(xué)者對(duì)離子液體在溶解膠原蛋白方面進(jìn)行了研究。

本文主要介紹了離子液體的概念、種類和合成方法,以及在溶解膠原蛋白方面的研究進(jìn)展,并對(duì)離子液體溶解膠原蛋白的特性及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

1 離子液體的概念、分類及合成方法

1.1 離子液體的概念

離子液體是一種熔點(diǎn)低于100℃,通常含有一個(gè)雜環(huán)氮原子、有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子的鹽類,被認(rèn)為是理想的綠色溶劑[8-10]。離子液體具有許多吸引人的特性,如在室溫或室溫附近呈現(xiàn)液態(tài),可忽略的蒸氣壓,且可以提高反應(yīng)速率,提高選擇性和產(chǎn)率,并且可以在反應(yīng)后回收,已經(jīng)被開發(fā)為許多天然聚合物的新溶劑。隨著綠色化學(xué)的發(fā)展及其對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視,離子液體因其具有良好的溶解性和可設(shè)計(jì)性等獨(dú)特的性能,成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.2 離子液體的分類

離子液體種類有很多,僅僅通過改變結(jié)構(gòu)中的陽離子和陰離子,就可以設(shè)計(jì)合成出不同種類的離子液體,通過改變離子的種類進(jìn)行改性,可以調(diào)節(jié)離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)。目前,研究學(xué)者主要依據(jù)離子液體陰陽離子的不同而進(jìn)行劃分。常見的陽離子類型的離子液體有咪唑鎓、季銨鹽和雜環(huán)芳香族化合物等。陰離子類型的離子液體中常見的陰離子有鹵素離子、[BF4]-、[PF6]-、[CH3COO]-和[AlCl4]-等,這些離子的組合使離子液體的種類非常多。還有一種對(duì)稱的含雙陽離子的離子液體,它具有優(yōu)于傳統(tǒng)離子液體的熱穩(wěn)定性和波動(dòng)性物理性能,但是其還沒有在溶解膠原蛋白方面得到應(yīng)用。

1.3 離子液體的合成方法

離子液體的合成方法有3種,包括常規(guī)合成法、微反應(yīng)器法和外場(chǎng)強(qiáng)化法。其中常規(guī)合成法主要包括一步合成法和兩步合成法,這2種方法是比較普遍的方法,通常需要在加熱的條件下完成合成,且所需時(shí)間較長(zhǎng)。微反應(yīng)器法是指合成反應(yīng)在一個(gè)小型微反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,反應(yīng)器的內(nèi)部尺寸范圍從幾微米到幾百微米不等。微反應(yīng)器具有很多優(yōu)點(diǎn),如所需空間小、能量和質(zhì)量消耗少以及所需要的反應(yīng)時(shí)間短等,所以微型反應(yīng)器能夠提高產(chǎn)物的產(chǎn)率以及傳質(zhì)傳熱效率。外場(chǎng)強(qiáng)化法主要包括微波法和超聲波法,該合成方法主要應(yīng)用在烷基咪唑類和烷基吡啶類離子液體的合成。Vaima等最先使用微波爐合成離子液體的方法,并用此方法合成了不同種類的離子液體。由于離子液體生成的過程中吸收的能量逐漸增多,很容易造成反應(yīng)體系過熱或失控,從而造成鹵代烴的分解。為了解決此問題,Vaima等改進(jìn)了微波法,采用微波間歇輻射的方法,從而取得了很好的效果[11]。

2 膠原蛋白在離子液體中的溶解與再生

膠原蛋白是三螺旋結(jié)構(gòu),由3條α多肽鏈組成,每條膠原蛋白鏈都是左手螺旋構(gòu)型,它們彼此交叉相互纏繞形成右手螺旋結(jié)構(gòu),即超螺旋結(jié)構(gòu)。膠原蛋白因其獨(dú)特的三重螺旋結(jié)構(gòu),使其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,并且膠原蛋白免疫原性較低,生物相容性良好。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)決定用途,膠原蛋白因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)具有多樣性,所以在許多領(lǐng)域都有非常重要的地位。

提取膠原蛋白的方法主要有4種,包括熱提取法、堿提取法、酸提取法和酶提取法。熱提取法操作簡(jiǎn)便,而且對(duì)生產(chǎn)要求較低,但膠原蛋白分子對(duì)熱較為敏感,加熱會(huì)使其發(fā)生變性,從而失去使用價(jià)值。酸提取法處理快速,但產(chǎn)品得率降低,設(shè)備會(huì)受到嚴(yán)重腐蝕。用堿法提取膠原蛋白非常迅速,而且提取徹底,但含有巰基和羥基的氨基酸容易被破壞,也會(huì)產(chǎn)生消旋作用。單獨(dú)使用酶法提取膠原蛋白時(shí),反應(yīng)過程很慢。此外,這些方法都有很多缺點(diǎn),如處理步驟多、造成環(huán)境嚴(yán)重污染且易造成纖維降解等。為了尋找一種高效、簡(jiǎn)潔、清潔化的提取方法,對(duì)膠原蛋白進(jìn)行分離、再生,以實(shí)現(xiàn)廢舊資源的再利用,研究學(xué)者們采用各種離子液體對(duì)膠原蛋白進(jìn)行溶解與再生。

鄭學(xué)晶等研究了膠原蛋白在1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體([BMIM]Cl)中溶解,觀察到當(dāng)溫度上升至100℃時(shí),膠原蛋白的部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,當(dāng)溫度升到120℃以上時(shí),結(jié)晶結(jié)構(gòu)被完全破壞,用甲醇再生得到的膠原蛋白,分子結(jié)構(gòu)受到較大程度的破壞[12]。湯堯旭等比較了水浴加熱、微波輻射水浴加熱和微波直接輻射加熱3種加熱方式對(duì)膠原蛋白的溶解能力的影響,并將溶解的膠原蛋白再生進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,最終得出豬皮膠原蛋白的溶解度與加熱方式、溫度、時(shí)間等參數(shù)密切相關(guān),在溫度處于室溫至70℃范圍內(nèi)時(shí),微波加熱法的溶解程度優(yōu)于水浴加熱。溶解度隨著溫度的升高而增大,時(shí)間越長(zhǎng),溶解效果越好,溶解度最大可達(dá)到 10%[13]。

牛鳳英等發(fā)現(xiàn)膠原蛋白在氯代-1-烯丙基-3-甲基咪唑離子液體([AMIM]Cl)中具有良好的可溶性,當(dāng)溫度達(dá)到140℃時(shí),膠原蛋白的溶解度最大。探討比較了以水、丙酮和乙醇為再生劑時(shí)膠原蛋白的再生情況,且對(duì)乙醇為再生劑的再生膠原蛋白進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,分析得出再生膠原蛋白的性質(zhì)和再生前沒有發(fā)生明顯變化,并保持了膠原蛋白的基本特征[14]。此后,牛鳳英課題組采用[AMIM]Cl離子液體提取豬皮粉中的膠原蛋白,并將提取的膠原蛋白與聚丙腈進(jìn)行共混改性。在溶解過程中發(fā)現(xiàn),離子液體只是破壞了膠原蛋白分子鏈間的氫鍵將其溶解,并沒有破壞其主鏈結(jié)構(gòu)。在溫度高于300℃以后,膠原蛋白在熱的作用下肽鍵發(fā)生斷裂,膠原蛋白逐漸被降解為多肽和氨基酸,最終氨基酸殘基被破壞,發(fā)生脫氨、脫水。將提取的膠原蛋白用乙醇再生,用于改性聚丙烯腈,使改性后的纖維回潮率由原來的0.57%提高到了3.45%,改善了纖維的穿著舒適度[15]。

張敏等使用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([EMIM]Ac)溶解膠原蛋白與纖維素,經(jīng)過溶解、再生2步處理制備出新型膠原蛋白/纖維素復(fù)合材料。復(fù)合膜具有典型的膠原蛋白熱變曲線,且其熱變溫度與天然膠原蛋白的熱變溫度相符,說明膠原蛋白溶解再生后沒有發(fā)生明顯變性。將膠原蛋白應(yīng)用于復(fù)合材料中,從而提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性[16]。由此看來,膠原蛋白在制作復(fù)合材料方面有一定的應(yīng)用前景,有待人們的發(fā)現(xiàn)和研究。

王兆梅等研究了膠原蛋白在氯化膽堿·2ZnCl2離子液體中的溶解性。當(dāng)溫度為120℃時(shí),在氯化膽堿·2ZnCl2離子液體中膠原蛋白的溶解度可達(dá)到13%左右,在溶解過程中破壞了分子間氫鍵,也破壞了結(jié)晶區(qū)域。用乙腈作為再生劑,再生出的膠原蛋白具有完整的三股螺旋結(jié)構(gòu),但熱穩(wěn)定性和結(jié)晶度要低于原膠原蛋白樣品[17]。徐彬等為加快膠原蛋白在離子液體中的溶解,在溶劑體系中加入了一系列的鈉鹽。在溫度45℃時(shí)膠原蛋白在[EMIM]Ac/Na2HPO4離子液體中的溶解度可達(dá)到11%左右。然而,該溫度下再生得到的膠原蛋白的結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)被破壞。實(shí)驗(yàn)中添加了鹽類,便可使膠原蛋白在較低溫度下溶解,可以減少膠原蛋白結(jié)構(gòu)的破壞。從實(shí)驗(yàn)可以得出:溶解溫度和鈉鹽會(huì)影響膠原蛋白的溶解度[18]。而其他研究者得出的最佳溶解溫度都高于100℃,此時(shí)膠原蛋白的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被破壞[19-20]。因此可以借鑒加鹽類加快溶解的方法,不僅節(jié)約了能量,而且也使膠原蛋白結(jié)構(gòu)受到的破壞盡可能的小,有利于膠原蛋白的再利用。

郭佳榮等用3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯鹽和3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑溴鹽2種離子液體溶解膠原蛋白,從而分析2種離子液體溶解能力大小。分別配置固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%和8%的離子液體與膠原蛋白的混合溶液,加入試管攪拌均勻,分別在80、100、120和140℃4種不同的溫度下溶解。通過比較得出3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯鹽的溶解效果優(yōu)于3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑溴鹽。在溫度140℃時(shí),3-甲基-1-乙氧羰基甲基咪唑氯鹽溶解固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的膠原蛋白僅需15 min,同時(shí)膠原蛋白再生前后結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化[21]。劉潔等研究了膠原蛋白纖維在[BMIM]Cl和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽([BMIM]Ac)2種離子液體中的溶解行為及再生前后的結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性變化。結(jié)果表明,CH3COO-和Cl-型離子液體都能溶解膠原蛋白纖維,但溶解特性不同。相對(duì)[BMIM]Cl的溶解性能而言,[BMIM]Ac能夠在較低的溫度下獲得高濃度和良好流動(dòng)性的膠原蛋白溶液,再生膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)保留度更高[22]。

研究者們運(yùn)用了不同的離子液體對(duì)膠原蛋白進(jìn)行了溶解,都得到了很好的效果。由此可見,離子液體在膠原蛋白的溶解方面具有很大的發(fā)展空間。

3 結(jié)論

離子液體以“零”蒸氣壓、可回收等特點(diǎn)受到人們的青睞。在溶解膠原蛋白方面實(shí)現(xiàn)了綠色化,將來會(huì)慢慢取代酸堿等提取蛋白的方法。經(jīng)離子液體溶解得到的膠原蛋白可以用于制作復(fù)合材料,從而提高了復(fù)合材料的各種性能。隨著科技的發(fā)展,膠原蛋白將會(huì)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域,發(fā)揮更大的作用。

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.03.002

2017-06-21

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