[发明专利]一种利用低共熔溶剂温和提取头发角蛋白的方法

说明书

本发明属于角蛋白制备和资源化利用的技术领域，具体涉及一种利用低共熔溶剂温和提取头发角蛋白的方法。本发明以乙醇胺、二乙醇胺或N‑甲基二乙醇胺为氢键供体与氢键受体氯化胆碱以适当配比组成低共熔溶剂，实现在温和条件（60~85℃）下对头发的高效溶解，头发在该低共熔溶剂中的溶解率最高可达85%，最终头发角蛋白的提取率最高可达67%，且结构基本保持完整。本发明有效解决了常规溶剂和现有低共熔溶剂难以在温和条件下有效溶解头发角蛋白的问题，提取得到的头发角蛋白产物结构基本保持完整，收率较高，方法简单易行、能耗低、成本低，所用的低共熔溶剂可回收并多次使用，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于角蛋白制备和资源化利用的技术领域，涉及头发角蛋白，具体涉及一种利用低共熔溶剂温和提取头发角蛋白的方法。

背景技术

随着社会的发展，可再生资源的高效利用已成为学术界和工业界共同努力的方向，人的头发（后文简称头发）的利用引起科研工作者广泛关注。头发是一种以角蛋白（约占95%）为主要成分的可再生资源。角蛋白因具备稳定和韧性结构，已成为一种性能优异的高分子材料，大分子量的角蛋白可以成丝、成膜并应用于纺织、高性能生物医学材料等领域。我国每年产生的废弃头发高达几十万吨，其中仅少量将用于假发或装饰用品等的制备，其余约95%的头发被焚烧或掩埋，造成了头发角蛋白资源的严重浪费和环境污染。因此，从资源有效利用和环境保护的角度考虑，有效回收废弃头发中的角蛋白以使头发变废为宝具有重要的科学意义。

废弃头发的角蛋白回收再利用的前提是头发角蛋白的高效溶解。头发角蛋白的基本结构是由氨基酸构成的多肽长链，这些长链之间通过二硫键、氢键、盐式键等空间横向联系形成稳定的三维网状结构，常规有机溶剂很难使之溶解。目前，提取角蛋白的方法主要有还原法、氧化法、碱性法等，如中国专利CN 104693299 A公开的一种采用高浓度尿素、还原剂偏重亚硫酸钠和表面活性剂十二烷基磺酸钠的混合液作为溶剂，将羽毛溶解经过离心透析后获得角蛋白分子单体的方法，该方法存在还原剂用量较大，且所得角蛋白水溶液的浓度通常较低（1~5 wt%）等问题。中国专利CN 112322051 A将采用NaOH碱性试剂提取得到的动物毛角蛋白与玉米角蛋白在扩链剂的作用下反应得到复合蛋白，但该过程中使用的强碱性溶剂对设备腐蚀严重，增加了企业的生产成本。

近年来，低共熔溶剂作为一种新型介质，具有蒸气压低、价格低廉、合成工艺简单、易回收利用等优点，受到了广泛的关注。用低共熔溶剂溶解头发提取角蛋白，无疑是一种绿色环保的方式，满足绿色化学的要求。但是，研究表明大部分低共熔溶剂都不能够有效打断角蛋白纤维中的大量的二硫键，要想达到较好的溶解效果，必须提高溶解温度和延长溶解时间。中国专利CN 108467427 A公开了一种采用氯化胆碱盐/有机酸体系（摩尔比1:2）溶解羊毛制备角蛋白的方法，但需要在95~125 ℃下才能将羊毛溶解；袁久刚等（纺织学报，2021，42，35-39.）采用巯基乙酸胆碱低共熔体系研究了羊毛的溶解，但需要在120℃下持续12 h左右才能将羊毛溶解完全；Amin Shavandi等（Green Chem.，2021，23，1171-1174.）采用绿色环保的乳酸/L-半胱氨酸低共熔体系对羊毛等动物毛进行溶解，发现羊毛达到90%的溶解率所需的时间为3.5h，但是其总溶解质量分数仅为2.2%，不仅如此，由于巯基乙酸以及L-半胱氨酸等还原剂价格昂贵，将其作为低共熔体系的原料无疑增加了生产成本，限制了该方法的工业应用范围。中国专利CN 115073579A公开的一种利用氯化胆碱（尿素）/磷酸（或者与氯化锌复配）降解羽毛制备角蛋白的方法，能够在110 ℃下20 min内达到较高的羽毛溶解率以及角蛋白收率，但是，三元低共熔溶剂的合成较为复杂，且羽毛的总溶解质量分数仅为0.8%。

综上，目前关于角蛋白提取的研究主要集中在动物毛发中，提取头发角蛋白的研究鲜有报道。在角蛋白溶解领域，虽然低共熔溶剂较其他溶剂更加绿色环保，也表现出比其他方法较高的溶解能力，但仍然面临着反应条件苛刻、生产成本高等问题。因此，研究如何通过新型低共熔体系制备头发角蛋白溶液，实现温和条件下头发角蛋白的高效溶解提取，对于降低生产成本以及提取高性能的头发角蛋白有着极其重要的现实意义。

发明内容