一种基于离子液体的黑色素分离提取方法
阅读说明：本技术 一种基于离子液体的黑色素分离提取方法 (Melanin separation and extraction method based on ionic liquid ) 是由 陈朱琦 罗放 赵钦地 姜旺 王训 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于离子液体的黑色素分离提取的方法,属于废弃毛发资源化技术领域。本发明提出使用离子液体与解聚剂对毛发进行解聚处理,然后运用双水相体系一步分离氨基酸、离子液体与黑色素,随后对分相剂中的氨基酸进行萃取操作,并对离子液体、分相剂进行回收处理。实际操作步骤简单,能高效分离出高纯度黑色素,且黑色素颗粒保持原貌,便于后续高端应用；能回收并再利用主要试剂,可以大幅削减生产成本。本发明具有高效、无三废排放、具备极佳的经济可行性等优势。(The invention relates to a melanin separation and extraction method based on ionic liquid, and belongs to the technical field of waste hair recycling. The invention provides a method for depolymerizing hair by using ionic liquid and a depolymerizing agent, then separating amino acid, the ionic liquid and melanin by using a two-aqueous-phase system in one step, then extracting the amino acid in a phase-splitting agent, and recovering the ionic liquid and the phase-splitting agent. The practical operation steps are simple, the high-purity melanin can be efficiently separated, and the original appearance of the melanin particles is kept, so that the subsequent high-end application is facilitated; the main reagent can be recovered and reused, and the production cost can be greatly reduced. The method has the advantages of high efficiency, no three-waste discharge, excellent economic feasibility and the like.)
技术领域
本发明属于废弃毛发资源化技术领域，更具体地，涉及基于离子液体的黑色素分离提取的方法。
背景技术
废毛发是人类、动物产生的固体废物，全球年产量达百万吨以上。废弃毛发中含有大量有价值的组分物质，如角蛋白和黑色素。角蛋白很容易水解产生氨基酸，可应用于多个行业。而黑色素也被认为是一种有用的生物色素，已经被应用于表面修饰、细胞接口、生物传感应用和纳米医学等学科领域上。但是，如今毛发的资源回收工艺仍然存在许多缺点：工业化的工艺方法中，通常使用强酸水解法进行氨基酸的回收，该方法是在高温条件下使用强酸水解毛发，会产生大量的酸废液，显然不环保，且需要昂贵的防酸设备。而从废弃毛发，尤其废弃人发中回收黑色素，仅在实验室规模下有报道应用：如通过碱溶解然后酸沉淀(Base-Dissolution and Acid-Isolation)的传统流程，需要至少51个纯化操作步骤，且产率仅为2.2％；酶水解法制黑色素则需要昂贵的蛋白酶K和长时间的预处理(通常需要四天时间)，这些苛刻条件都限制了这些方法的实际运用。
发明内容
本发明解决了现有技术中黑色素回收产率低、操作复杂，所用的蛋白酶价格昂贵，预处理时间长等技术问题。针对现有情况的需求以及现有技术的缺点，本发明提供了一种基于离子液体的黑色素靶向提取的技术工艺。该技术可将传统方法繁琐的五十一步提纯工艺大大简化，大大提高了其工业应用的可行性和经济可行性，且由于使用了离子液体这一低蒸汽压、可循环使用的新型溶剂，所以几乎不会产生三废问题，对环境相对友好。传统方法会破坏黑色素产物的天然结构，其黑色素产物中具有角蛋白杂质，而通过本技术可生产高纯度的黑色素，并且可以保持其天然形貌结构不被破坏。本技术在生产黑色素的同时还可以生产氨基酸，可以实现废弃物资源最大化利用。综上所述，本技术相比于现有技术具有巨大优势。
根据本发明的目的，提供了一种基于离子液体的黑色素分离提取方法，包括以下步骤：
(1)将离子液体加入毛发中，加热使毛发溶解；再加入解聚剂，继续加热使毛发解聚，得到毛发解聚液；
(2)向步骤(1)得到的毛发解聚液中加入分相剂，充分混匀后进行离心，出现从上至下的上相、下相和黑色素沉淀；所述上相为离子液体富集相，所述下相为分相剂与氨基酸的混合物；将分相体系中的沉淀物分离出来，即从待处理的毛发中提取得到黑色素。
优选地，使用疏水性萃取剂对下相进行萃取，所述疏水性萃取剂将下相中的分相剂和氨基酸进行分离，即提取得到毛发中角蛋白降解的氨基酸；且分离得到的分相剂能回用于步骤(2)中。
优选地，所述上相中得到的离子液体能回用于步骤(1)中。
优选地，所述离子液体为1,3-二苄基咪唑乙酸盐、1-(2-萘基甲基)-3-甲基咪唑乙酸盐、1-庚基-3-甲基咪唑乙酸酯、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-乙酸苄基-3-甲基咪唑盐、1-(环己基甲基)-3-甲基咪唑乙酸酯和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中的至少一种，优选为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-乙酸苄基-3-甲基咪唑盐和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中的至少一种，进一步优选为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐。
优选地，所述解聚剂为硝酸、磷酸、盐酸、硫酸、磺酸、水杨酸、柠檬酸中的至少一种，优选为盐酸、硫酸和磷酸中的至少一种，进一步优选为硫酸。
优选地，所述分相剂为磷酸盐、氢氧化钠、氢氧化钾、酒石酸盐、EDTA和双硫腙中的至少一种。
优选地，所述疏水性萃取剂为二(2-乙基己基)磷酸。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明提供了一种具有工业化潜力的，具有实际应用价值的，新型的黑色素生产技术工艺。相比于使用传统碱溶酸沉法会破坏黑色素产物的天然结构，其黑色素产物中具有角蛋白杂质，而通过本技术可生产高纯度的黑色素，并且可以保持其天然形貌结构不被破坏。
(2)本发明所使用的溶剂及离子液体可以精准破坏毛发角蛋白中的氢键和二硫键并将其溶解，而不会破坏溶解黑色素的结构。如果需要将黑色素与溶液分离，就需要加入纯水使溶液流动性增加，便于分离。但在加入纯水后，蛋白质会再生并再次与黑色素结合导致纯化失败，所以需要加入弱酸性解聚剂使蛋白质解聚并无法再生，以此达到分离提纯黑色素的目的。
(3)使用传统碱溶酸沉法需要大量的纯化操作，工业化可能性极低，且其方法会产生大量的酸碱废液，对环境不友好。本发明的技术方法不需要大量使用酸碱溶液，并且可在简便操作后直接分离出黑色素。
(4)本发明的技术方法可以在生产黑色素的同时生产氨基酸，可以让毛发废弃物资源被最大化利用。
(5)本发明的技术方法可以低成本生产高价值的、维持天然形貌的黑色素颗粒，突破了各类传统方法的限制，具备大规模应用的潜力。
附图说明
图1为本发明基于离子液体的黑色素靶向提取的技术工艺流程。
图2为实施例3所得到的人发黑色素颗粒(天然颗粒形貌)。
图3为黑色素产物的紫外光谱表征。
图4为黑色素产物吸光度的对数值与波长的线性关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于离子液体的黑色素靶向提取的技术工艺，具体包含以下步骤：
(1)将毛发、离子液体投入反应釜中，加热使毛发溶解，待其溶解完毕后加入解聚剂，继续加热直至毛发解聚，得到毛发溶解液。其中所述的毛发包括但不限于人发、羊毛、猪毛等动物毛发，其特征为含有黑色素。其中离子液体为1,3-二苄基咪唑乙酸盐、1-(2-萘基甲基)-3-甲基咪唑乙酸盐、1-庚基-3-甲基咪唑乙酸酯、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-乙酸苄基-3-甲基咪唑盐、1-(环己基甲基)-3-甲基咪唑乙酸酯和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中的至少一种，优选为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-乙酸苄基-3-甲基咪唑盐和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中的至少一种，最优选1-丁基-3-甲基咪唑氯盐。所述的解聚剂包括但不限于硝酸、磷酸、盐酸、硫酸、磺酸、水杨酸、柠檬酸中的至少一种，其特征为能使溶解状态下的角蛋白大分子解聚为小分子。优选为盐酸、硫酸、磷酸，最优选硫酸。
(2)在第一步所得到的毛发解聚液中加入分相剂，将混合物搅拌后进行离心，离心后出现上层、下层、黑色素沉淀三相。所述的分相剂由包括但不限于磷酸盐、氢氧化钠、氢氧化钾、酒石酸盐、EDTA、双硫腙等试剂中的至少一种构成。其特征为能在一定温度条件下与离子液体形成自然分相分层现象。
(3)将上一步得到的三相混合物进行分离，上相为离子液体富集相，在经过减压蒸馏去除水分后可直接回用至第(1)步。下相为氨基酸与分相剂的混合物，沉淀为黑色素产物。
(4)使用疏水性萃取剂对下相进行萃取，将分相剂与氨基酸分离，此处纯化后的分相剂可直接回用至第(2)步所述的疏水性萃取剂为二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)。
实施例1
图1为本发明基于离子液体的黑色素靶向提取的技术工艺流程。
步骤一：将0.2g洗涤后的废弃人发(毛发)和4g 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(离子液体)的混合物在烧杯中于130℃加热，直至废弃人发完全溶解。将0.2mL稀硫酸(50wt％)(解聚剂)添加到混合物中，将混合物在120℃下加热1.2小时。
步骤二：向混合物中加入20mL水溶液，将混合物剧烈摇晃2min，然后使用离心机进行离心(5000rpm,5min)，离心后得到沉淀为黑色素产物，收率为6.02％，再往液相中加入20ml 0.7g/ml K3PO4(分相剂)出现上相、下相分层。上层溶液富含1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，被收集起来，经过5h减压蒸馏处理后直接回收利用至步骤一。下层溶液富含复合氨基酸与分相剂，收集富含复合氨基酸的下相用于下一步提取。
步骤三：使用煤油稀释的二(2-乙基己基)磷酸(0.3-0.9M)(萃取剂)对下相溶液进行萃取，将氨基酸萃取至油相中，分离分相剂与氨基酸，并将分相剂进行减压蒸馏至20ml后回用至第二步。
实施例2
步骤一：将1g洗涤后的废弃棕色羊毛(毛发)和20g 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(离子液体)的混合物在烧杯中于130℃加热，直至废弃人发完全溶解。将1mL稀硫酸(50wt％)(解聚剂)添加到混合物中，将混合物在120℃下加热2.2小时。
步骤二：向混合物中加入100mL水溶液，将混合物剧烈摇晃6min，然后使用离心机进行离心(5000rpm,10min)，离心后得到沉淀为黑色素产物，收率为7.24％，再往液相中加入100ml 0.7g/ml K3PO4(分相剂)出现上相、下相分层。上层溶液富含1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，被收集起来，经过5h减压蒸馏处理后直接回收利用至步骤一。下层溶液富含复合氨基酸与分相剂，收集富含复合氨基酸的下相用于下一步提取。
步骤三：使用煤油稀释的二(2-乙基己基)磷酸(0.3-0.9M)(萃取剂)对下相溶液进行萃取，将氨基酸萃取至油相中，分离分相剂与氨基酸，并将分相剂进行减压蒸馏至100ml后回用至第二步。
实施例3
在实施例1的基础上进行SEM测试，测试结果见图2。
测试说明：通常可以直接通过SEM测试来观察黑色素的表面形貌是否还维持原本的纳米颗粒状，从而判断黑色素的天然形貌结构是否被破坏。通常认为保持了天然形貌的颗粒黑色素为优良的黑色素产品。
实施例4
在实施例1、2的基础上进行UV测试(图3)，并作吸光度对数曲线(图4)，以表现其黑色素特有的特征。
测试说明：黑色素的纯度通常使用UV-Vis吸附光谱来确定，因为黑色素中存在复合共轭结构，所以在220nm处会存在尖峰，并且纯黑色素在260nm和280nm处不会出现代表蛋白质杂质的峰，黑色素纯度越高，曲线越平滑(图3)。通常也可以通过观察黑色素紫外吸光度的对数值与波长是否呈线性关系来判断产物是否是黑色素(图4)，通常从人发中提取的黑色素表现为斜率为-0.003。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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