迈向可持续的无蛋白质天然橡胶：浮力驱动胶乳纯化

《Materials Today Communications》：Toward sustainable protein-free natural rubber: Buoyancy-driven latex purification

　　

研究人员开发了一种浮力驱动胶乳纯化方法，用于制备无蛋白质天然橡胶（PFNR），以满足医疗和生物医学应用（包括手术手套、导管、球囊及相关器械）中对防过敏天然橡胶材料日益增长的需求。将高氨天然橡胶（HANR）胶乳用NaOH、SDS和尿素处理，随后通过CO2鼓泡进行浮力驱动胶乳纯化。采用凯氏定氮法测定代表残留蛋白质量的氮含量，同时使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）评估脂肪酸酯含量。通过1H核磁共振（1H NMR）波谱考察化学结构。测量粒径分布和Zeta电位以考察胶体稳定性和絮凝行为。通过对未硫化橡胶样品进行拉伸测试评估力学性能。氮含量和脂肪酸酯含量分别从HANR的0.194 w/w%和24.3 mmol/kg橡胶降至PFNR的0.000 w/w%和15.6 mmol/kg橡胶。1H NMR分析表明，浮力驱动胶乳纯化后保持了高立构规整度。由于蛋白质和脂质的去除，未硫化PFNR薄膜的拉伸强度低于HANR薄膜。

**迈向可持续的无蛋白质天然橡胶：浮力驱动胶乳纯化技术的综合解读**

**1. 研究背景与问题**

天然橡胶因其独特的弹性、耐磨性和综合力学性能，在医疗、轮胎、工业制品等众多领域具有不可替代的地位。然而，从巴西橡胶树（*Hevea brasiliensis*）采集的天然胶乳中不仅含有高相对分子质量的顺式-1,4-聚异戊二烯橡胶烃，还含有蛋白质、脂质、糖类等非橡胶组分。其中，胶乳中的多种蛋白质是引发I型乳胶过敏反应的关键致敏原，尤其对于需长期或频繁接触天然橡胶制品的医疗场景（如手术手套、导尿管、球囊等），蛋白质的存在构成了严重的临床安全隐患。随着全球对无过敏原、环境友好型橡胶材料的需求不断攀升，脱蛋白天然橡胶（DPNR）及无蛋白质天然橡胶（PFNR）的可持续生产已成为天然橡胶工业面临的重大挑战。

然而，当前工业上制备DPNR和PFNR的主流纯化技术高度依赖反复离心分离。这一过程不仅消耗大量电能，还伴随高昂的运行与维护成本。研究表明，每生产一吨DPNR或PFNR，单纯用于纯化过程的耗电量可达约10千瓦时。在泰国、印度尼西亚、越南等主要天然橡胶生产国，电力结构仍严重依赖化石燃料，这种高能耗工艺会间接导致大量二氧化碳排放，与天然橡胶产业追求的碳中和与可持续发展目标背道而驰。因此，研发一种摆脱电力驱动设备依赖、低能耗且环境友好的胶乳纯化新技术，对于推进天然橡胶产业绿色转型，提升其作为石油基合成橡胶替代品的竞争力，具有极为重要的战略意义。

**2. 研究思路与创新点**

针对上述产业痛点，本研究提出并验证了一种理念新颖的浮力驱动胶乳纯化技术。该技术本质上是一种在胶乳阶段进行分离纯化的方法，完全摒弃了对离心机、辊磨机或水洗系统等动力设备的依赖。其核心科学原理在于：天然橡胶粒子本身具有疏水性，且其密度（约0.91 g/cm3）低于水，而蛋白质和脂质则具有两亲性。在布朗运动和重力场作用下，橡胶粒子倾向于向上浮升并自发絮凝形成膏化层（cream fraction），而脱附的蛋白质和脂质则均匀分散或沉淀于下层水相（serum fraction），从而实现两相的分离。为实现这一目标，研究人员巧妙地利用了高氨胶乳体系内的化学反应，即通过向乳液中鼓入CO?，使其与体系内固有的氨反应，原位生成具有盐析效应的碳酸铵物种，通过“盐析”作用有效促进橡胶粒子的絮凝和蛋白质的沉淀，形成可控的浮力驱动分离路径，进而无需昂贵且耗能的离心设备即可实现高效的蛋白质与脂质脱除。

**3. 主要技术方法**

本研究为验证该技术的可行性，设计了系统性的实验方案。原料为商业化的高氨天然橡胶（HANR）胶乳（总固体含量TSC为60 w/w%）。研究人员首先采用传统的离心法作为对照工艺，制备了脱蛋白天然橡胶（DPNR-centrifugation）和去蛋白质天然橡胶（PFNR-centrifugation-NaOH）。随后，核心工作集中于开发与评估浮力驱动法：具体而言，研究人员将HANR胶乳稀释后，加入氢氧化钠（NaOH）进行皂化处理以分解去除脂质层，并结合蛋白质变性剂尿素以及阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对橡胶粒子表面进行预处理。经此步骤后，向处理过的稀释胶乳中通入CO?气体并持续数小时，利用原位生成的碳酸铵盐实现粒子的可控絮凝与下沉蛋白质的沉淀。之后，静置体系使乳膏相与水相分离，收集上层乳膏相并用SDS溶液重新分散，即完成一次纯化循环。通过重复多次这样的操作，研究人员制备了一系列不同纯化程度的样品。为全面评价该方法的性能，研究人员采用凯氏定氮法测定橡胶薄膜中的氮含量以代表残余蛋白量；使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）基于1739 cm?1（C=O）与1664 cm?1（C=C）谱带强度比测定脂肪酸酯含量；利用液相1H NMR波谱分析分子链化学结构；运用Zeta电位及粒径分析仪测量胶乳颗粒的流体力学直径分布与表面电荷；通过万能拉伸试验机评估未硫化橡胶薄膜的力学性能；并采用乳胶过敏性蛋白检测试剂盒分析蛋白质的抗原活性。

**4. 研究结果**

**4.1 浮力驱动纯化制备的PFNR的氮含量**

本研究表明氮含量（即间接反映蛋白去除效率）随着纯化循环次数的增加而逐步降低。在无NaOH辅助的浮力驱动法中，经过四次循环（DPNR4-CO?），氮含量从HANR的0.194 w/w%降至0.033 w/w%。而在引入NaOH皂化处理并配合CO?鼓泡的浮力驱动法中，氮含量下降更为显著，经过三次纯化循环后，样品PFNR-CO?-NaOH的氮含量即降至检测限以下（约0.000 w/w%），实现了蛋白质的彻底去除。通过对比实验数据与基于理论分配模型计算出的理想氮含量，研究人员发现NaOH的引入使得实测值明显接近理论值，这证实了皂化处理能够更有效地破坏脂蛋白复合膜结构，促进蛋白质变性和脱离橡胶粒子表面，从而显著提升了每一步纯化的效率。与文献报道的多种脱蛋白方法相比（如使用盐酸胍、尿素-表面活性剂、酶处理等），本方法获得的零氮含量具有明显优势。整个过程中，原位生成的碳酸铵盐通过增加离子强度引发盐析效应，将脱离的蛋白质沉淀至血清相并随分离排出，最终获得完全不含蛋白质的天然橡胶。

**4.2 HANR、DPNR和 PFNR 的脂肪酸酯含量**

FT-IR光谱分析揭示了纯化前后化学组分的变化。在HANR的谱图中，可观察到来源于蛋白质酰胺I带的C=O伸缩振动峰、橡胶烃C=C伸缩振动峰、游离脂肪酸的C=O峰以及脂肪酸酯的C=O峰。浮力驱动法仅去除蛋白质和游离脂肪酸，而脂肪酸酯含量基本不变（DPNR4-CO?为21.2 mmol/kg橡胶）。然而，当结合NaOH皂化处理时，谱图发生显著变化：蛋白质和游离脂肪酸的峰完全消失，脂肪酸酯的C=O峰强度明显下降。定量结果显示，PFNR-CO?-NaOH的脂肪酸酯含量降至15.6 mmol/kg橡胶，较HANR的24.3 mmol/kg橡胶显著降低，证明了NaOH皂化对脂质（包括酯类）的高效去除作用。

**4.3 致敏性蛋白含量**

采用LEAP方法（一种基于ELISA的抑制法）对纯化后的PFNR-CO?-NaOH胶乳进行致敏性蛋白检测，结果显示其致敏性蛋白含量为0 μg/mL。这表明浮力驱动纯化过程不仅去除了总蛋白质，还特别清除了包括橡胶延伸因子（REF）、小橡胶粒子蛋白（SRPP）、酸性胶乳蛋白（Hev b 5）和橡胶素（Hev b 6）在内的主要致敏性抗原蛋白，从源头上保障了其医疗应用安全性。

**4.4 浮力驱动纯化制备的胶乳的粒径分布**

动态光散射测量显示，HANR胶乳的粒径主要集中在650-1100 nm范围内。经过CO?鼓泡后，体系发生絮凝，粒径明显增大；无NaOH体系粒径增至1500-4000 nm，而含NaOH体系粒径相对较小（1000-3000 nm）。这一现象归因于CO?溶解形成的碳酸降低了体系pH，减少了粒子表面的负电荷，降低了胶体稳定性，从而促进了絮凝。NaOH的缓冲作用在一定程度上抑制了pH的过度下降，因而减轻了絮凝程度。将分离得到的乳膏相用SDS溶液重新分散后，代表纯化终产物的DPNR4-CO?和PFNR-CO?-NaOH胶乳粒径均恢复至200-1000 nm范围，显示胶乳实现了再分散，证明该浮力驱动纯化过程引起的絮凝是可逆的，没有发生不可逆的凝固。

**4.5 Zeta电位测定**

Zeta电位测量结果与粒径分布变化高度一致。HANR胶乳的Zeta电位为-39.43 mV，表明胶乳体系十分稳定。经CO?鼓泡后，体系表面电荷减少，Zeta电位分别降至-20.80 mV（无NaOH）和-23.21 mV（含NaOH），这导致了胶体稳定性的下降和絮凝的发生。在纯化循环结束并SDS重分散后，Zeta电位恢复至较高水平（DPNR4-CO?为-44.05 mV，PFNR-CO?-NaOH为-32.54 mV），证实SDS在去除蛋白质和磷脂后，作为新的稳定层吸附于橡胶粒子表面，恢复了静电排斥作用，维持了胶乳的稳定性。

**4.6 未硫化橡胶的应力-应变曲线**

对未硫化橡胶薄膜样品的拉伸测试显示，纯化显著影响了其力学行为。HANR膜具有高达6.9 MPa的拉伸强度，而DPNR4-CO?和PFNR-CO?-NaOH膜分别为3.9 MPa和2.9 MPa。虽然纯化膜的断裂伸长率有所提高，但其“生胶强度”（green strength）明显低于HANR膜。这一结果被归因于蛋白质和脂质等非橡胶组分的脱除。依据Tanaka提出的网络模型，蛋白质和脂质可与聚异戊二烯分子链形成非共价的物理交联点，从而增强橡胶网络结构。去除这些组分自然会导致物理交联点密度降低，进而削弱未硫化橡胶的强度。值得注意的是，在PFNR样品的应力-应变曲线中未观察到应变诱导结晶引起的应力陡增，这进一步印证了蛋白质和脂质对橡胶网络的结构增强作用已被有效地消除。

**4.7 机械稳定性时间结果**

机械稳定性测试被用于评价胶乳在高速搅拌下的抗凝固能力。HANR胶乳的机械稳定时间为614秒，而在PFNR-CO?-NaOH胶乳则缩短至137秒，表明蛋白质和磷脂层的去除削弱了橡胶粒子的表面保护层，降低了胶乳在剪切力作用下的聚结稳定性。这个结果虽然对于胶乳储存不利，但从侧面也证实表面生物膜的有效去除。

**4.8 HANR和PFNR-CO?-NaOH的1H NMR**

利用1H NMR波谱对纯化前后橡胶的分子结构进行了表征。谱图中，位于1.7 ppm、2.0 ppm和5.1 ppm的三个特征信号分别归属于顺式-1,4-异戊二烯单元的甲基（-CH?）、亚甲基（-CH?-）和次甲基（-CH=）。PFNR-CO?-NaOH与HANR的谱图信号强度和位置完全一致，证明浮力驱动纯化并未破坏聚异戊二烯链的立体规整性。进一步观察9.0-10.0 ppm区域，两种样品中均未出现归属于醛端基（-CHO）的信号。该醛基通常是链段氧化降解的标志物，其缺失有力地证明浮力驱动纯化过程不会引起聚异戊二烯链的氧化降解，有效保持了天然橡胶的优质分子结构。

**4.9 离心法与浮力驱动法电力消耗对比**

为评估经济与环境优势，研究将自主开发的浮力驱动法与传统的三次离心法（实验室规模）进行了电力消耗对比。实验室离心三次约消耗4 kWh（电费约0.8美元），而浮力驱动分离本身无需任何电能。在工业规模化生产中，这一优势将被进一步放大。工业离心机通常仅能将胶乳浓缩至约60 w/w%的TSC，为达到PFNR所需的脱蛋白指标，需额外增加离心和再浓缩的步骤，导致电能、处理时间和冷却容量的更高开销。相比之下，浮力驱动法完全规避了离心步骤，从根本上消除了这部分能耗和间接二氧化碳排放，契合绿色低碳的产业发展方向。

**4.10 PFNR的回收率**

本研究还利用初始HANR胶乳的总固体含量与收集的血清部分的总固体含量计算了固体橡胶的回收率（R）。根据公式计算，经过多步浮力驱动法纯化后，最终PFNR的固体橡胶回收率约为82%，显示该方法在实现高纯度目标的同时也具备可接受的收率水平。

**5. 结论与展望**

综上所述，本研究通过系统的实验验证，成功开发了一种基于浮力驱动的可持续胶乳纯化技术，并利用该技术成功制备了完全不含蛋白质的PFNR。技术核心在于NaOH皂化、尿素变性协同SDS分散，结合CO?原位生成碳酸铵盐的盐析效应，实现了橡胶粒子可控絮凝、蛋白质选择性沉淀与分离。最终制备的PFNR-CO?-NaOH不仅氮含量为0.000 w/w%，脂肪酸酯含量亦降低至15.6 mmol/kg橡胶，同时，1H NMR分析证实该纯化过程未损害橡胶链的高立体规整性也未引起氧化降解。虽然蛋白质和脂质的脱除导致未硫化胶的生胶强度有所下降，但本质上是消除了物理交联点，这一变化符合预期并为后续硫化配方设计提供了基础。该工艺彻底摆脱了对电力驱动设备的依赖，显著降低了能耗与间接二氧化碳排放，同时利用了CO?作为反应物，展现出显著的环境与经济效益，为天然橡胶工业提供了迈向低碳可持续生产的新路径，有望为制备安全和环境友好的高性能天然橡胶材料提供关键技术支撑。