（食品科学专业论文）铬革屑和皮边角料提取胶原蛋白的初步安全性分析.pdf

中文摘要摘要本文通过对实验蛋白( 从羊皮铬革屑中提取的胶原蛋白多肽) 进行食品卫生级理化指标的测定和安全毒理学实验，并与水解胶原蛋白粉和皮食用明胶指标比较，评价铬革屑提取蛋白的食用安全性。本课题主要从三个方面展开研究。第一，通过对实验蛋白的水分、灰分、粗蛋白、氨基酸、铬含量( 包括六价铬) 及其细菌总数等理化指标的测定，并与q b2 7 3 2 2 0 0 5 ( 水解胶原蛋白粉) 和g b6 7 8 3 9 4 ( 皮食用明胶) 指标相比较，评价其食用安全性。第二，通过预试验，将7 2 只昆明小鼠，雌雄各半分成1 2 组，分别灌服不同剂量的实验蛋白和铬溶液，进行急性毒性实验，以获得实验蛋白和铬溶液的半数致死量( l d 5 0 ) 。第三，将1 0 4 只w i s t a r 大鼠，雌雄各半，分成空白对照组( 灌服生理盐水) 、实验蛋白组( 灌服不同剂量的实验蛋白) 和铬溶液组( 灌服不同剂量的铬溶液) ，进行蓄积毒性和亚慢性毒性实验。观察各实验组大鼠脏器中铬的蓄积情况，一般指标( 症状、体重变化、脏器系数、食物利用率) ，一般化验指标( 血常规、血液生化指标) 并进行病理组织切片观察，评定实验蛋白的安全性。结果如下：1 理化指标检测结果表明，实验蛋白水分、灰分含量增高，蛋白含量降低，氨基酸种类减少。总铬含量超标2 5 倍，六价铬含量超标1 0 0 多倍。2 实验蛋白对昆明小鼠的l d 5 0 i 5 9 k g 体重，毒性较低。3 实验蛋白组的中、高剂量组和铬剂量组对大鼠的肺脏和肾脏有铬蓄积作用，与对照组相比差异显著c p 1 5 9 k g ，基本无毒，但仍能对肺脏和肾脏产生铬蓄积作用，并且随着时间的延长会对其产生病理性损伤，这与铬实验组变化相似。结果显示此实验蛋白具有一定的毒性作用，不能作为食用蛋白使用。关键词：铬革屑；急性毒性实验；蓄积毒性实验：亚慢性毒性实验e l e m e n t a r ys a f e t ya n a l y a s i so fc o l l a g e np r o t e i nf r o mc h r o m es h a v i n g sa n dh i d eo f f a la b s t r a c tt h i sa r t i c l ea i m e dt oa p p r a i s et h ee d i b l es e c u r i t yo fc o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ew h i c he x t r a c t e df r o mc h r o m es h a v i n g s t h r o u g hs e c u r i t yt o x i c o l o g ye x p e r i m e n t a n dc o m p a r ei t sp h y s i c a l &c h e m i c a lt r a i tw i t hh y d r o l y z e dc o l l a g e na n de d i b l eg e l a t i n e t h i ss t u d yw a sm a i n l yc o n d u c t e di nt h r e ea s p e c t s f i r s t l y , i no m e rc oa p p r a i s ei t se d i b l es e c u r i t y ，t h ec o n t e n to f m o i s t u r e ，a s h ，p r o t e i n ，a m i n oa c i da n dc h r o m i u m ( i n c l u d i n gc h m m i u m ( ) )o ft h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d e ( w h i c he x t r a c t e df r o mc l r o m es h a v i n g s ) a n dg e n e r a lb a c t e r i a lp o p u l a t i o nw e r ed e t e r m i n e d ，w h i c hw e r ec o m p a r e dw i t hq b2 7 3 2 2 0 0 5 ( h y d r o l i s i sc o l l a g e np r o t e i nd r i e d ) a n dg b6 7 8 3 - 9 4 ( s k i ne d i b l eg e l a t i n ) s e c o n d l y ，a c u t ev i r u l e n c ee x p e r i m e n t ：t h r o u g ht h ep r e - e x p e r i m e n t , 7 2k u n m i n g - m o u s e st h a tw i t hh a l ff e m a l ea n dm a l ew e r ed i v i d e di n t o1 2g r o u p s ，w h i c hw e r es e p a r a t e l yf i l l e dw i t hd i f f e r e n td o s a g eo f t h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ea n dt h ec i l r o m i u ms o l u t i o n ，i no m e rt oo b t a i nm e d i a nl e t h a ld o s e s ( l d 5 0 ) o ft h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ea n dt h ec i l r o m i u ms o l u t i o n t h i r d l y ，a c c u m u l a t i o nt o x i t ye x p e r i m e n ta n ds u b c h r o n i ct o x i t ye x p e r i m e n t ：t h e1 0 4w i s t a rr a t st h a tw i t hh a l f f e m a l ea n dm a l ew e r ed i v i d e di n t ot h r e eg r o u p s ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o l( f i l l e dw i t ho 9 s a l i n e ) t h ec o l l a g e np r o t e i r g p e p t i d eg r o u p ( t i l i e dw i t hd i f f e r e n td o s a g eo fc o l l a g e n p r o t e i n p e p t i d e ) a n dt h ec h r o m i u ms o l u t i o ng r o u p ( f i l l e dw i t hd i f f e r e n td o s a g eo fc 1 1 r o m i u ms o l u t i o n ) t h es e c u r i t yo f t h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ew a se v a l u a t e d ，b yi n s p e c t i n gt h ea c c u m u l a t es i t u a t i o no f c i l r o m i u mi nt h ei n t e r n a lo 唱a n s ，t h eg e n e r a li n d e x ( s y m p t o m ，b o d yw e i g h t ,o r g a n sc o e f f i c i e n t , f o o du s ef a c t o r ) a n dg e n e r a l l ya n a l y z e di n d e x ( b l o o dr o u t i n e ，b l o o db i o c h e m i s t r yt a r g e t ) o fe a c he x p e r i m e n t a lg r o u p ，a n dt h ep a t h o l o g yt i s s u es l i c e sw e r ea l s oe x a m i n e d r e s u l t ：1 t h er e s u l to fp h y s i c a la n dc h e m i c a li n d e xm e a s u r e m e n ti n d i c a t e dt h a tt h em o i s t u r ea n da s hc o n t e n to fc o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ew e r ei n c r e a s e d ，t h ec o n t e n to fp r o t e i na n dt h ek i n do fa m i n oa c i dw a sr e d u c e d t o t a lc h r o m i u mc o n t e n to f c o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ew a s2 5t i m e sa sm u c ha st h a to f t h es t a n d a r d a n dc h r o m i u m ( ) c o n t e n tw a sm o r et h a n1 0 0t i m e so f t h a to f t h es t a n d a r d 2 t h er e s u l to f a c u t ev i r u l e n c ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tl d 5 0 1 5 9 k gw e i g h to f m o u s e ，t h et o x i c i t yo ft h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ew a sr e l a t i v e l yl o w 3 t h er e s u l t so ft h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d et r e a t e dg r o u pw h i c ht r e a t e dw i t hm e d i u ma n dh i g hd o s a g e so fc o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ea n dc 1 1 r o m i u mt r e a t e dg r o u pi n d i c a t e dt h a tb o t hc o l l a g e np r o t e i r d p e p t i d ea n dc h r o m i u mc o n t r i b u t e dt ot h ec h r o m i u ma c c u m u l a t i o no fr a t sl u n ga n dk i d n e ys i g n i f i c a n t l y ( p i5 9 k g ，t h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d es t i l lc a r lp r o d u c ec h r o m i u ma c c u m u l a t i n gf u n c t i o nt ol u n ga n dk i d n e y a n dw i t ht h et i m ee x t e n s i o n ，c o l l a g e np r o t e i n p e p t i d ec o u l dp r o d u c ep a t h o l o g yd a m a g et ol u n ga n dk i d n e y , t h i si ss i m i l a rw i t ht h ec h r o m i u mt r e a t e de x p e r i m e n t s ot h ec o n c l u s i o n c o u l db ed r a w nt h a tt h ec o l l a g e np r o t e i n p e p t i d eh a st o x i ce f f e c ta n ds h o u l d n tb ea p p f f e dt of o o d k e yw o r d s ：c h r o m es h a v i n g s ；a c u t et o x i c i t y ；c u m u l a t i v et o x i c i t y = s u b c h r o n i ct o x i c i t yp o s t g m t u a t ec a n d i d a t e ：s u nz i z h o n gm a j o r ：f o o ds c i e n c es u p e r v i s o r ：p r o f l i un 堍研究生学位论文独创声明和使用授权书独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 注! 塑退直基丝显要挂型主盟的：查蕉互窒1 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：盈- 哂日期：彷彳年月十日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文作者签名日期：年月日导师签名：裙日痴少6 年占月c 日引言1 引言铬革屑及其皮边角料是制革生产中产生的固体废弃物。它们是动物皮经过铬鞣后的多次修边、片皮、削匀、磨革等机械加工过程所产生的一种富含蛋白而又含有六价铬等多种有毒物质的废料，俗称兰皮屑或兰皮块，长期作为垃圾弃去。并随着皮革产量和需求量的迅速增长，制革工业的污染量不断增加，其中固体废弃物污染是制革企业面i 拘重大问题。进入9 0年代，由于科技的进步一些国家如美国、日本、罗马尼亚等国家先后进行了对皮革固体废弃物的水解以提取胶原蛋白，并回收铬盐的工艺研究，从而开辟了一条高能转化的新路( 张惠君，2 0 0 3 ) 。现在国内外对制革固体废弃物的研究在逐渐深入，以符合绿色化学的和“原子经济性”和“零排放”的思想( 张铭让，2 0 0 1 ) 。目前有报道称已经提取出饲用级蛋白质，但是提取出食品、化妆品、医药卫生等级别的胶原蛋白很少报道，也只有国内外的一些专业机构声称拥有此项技术。因为制革工艺中加入很多化学试剂的原因，使皮革中存有一定量的对人体有害的物质，再以此原料提取蛋白时仍有遗留，其中最受人们关注就是六价铬，这些有害物质会对食入者造成机体损伤，所以研究人员不断优化提取工艺以降低蛋白质中铬的含量，但结果并不理想。尤其是近来在我国发生了多起因将皮革屑水解蛋白加到奶粉、液态奶等乳制品中而引发的食品安全事件，原因就是犯罪分子在巨大的利润的驱使下，在没有完备的基础设施、科学的技术手段、足够的科研人员的情况下，为了获取暴利，不顾原料质量，技术设备含量，从而提取出质量价值低、并且很可能含有很多危害人体健康因素的胶原蛋白多肽。这引发了人们( 包括专业人士) 对皮革中提取蛋白的安全性的忧虑，本实验正是以此为背景依据，对皮革屑蛋白进行安全性评价，较为科学和全面的评估了皮革屑蛋白的食用安全性，从而为其能否在食品领域应用，以及卫生部门制定出相关食品添加剂使用限量标准提供科学的数据参考。1 1 研究的目的和意义1 1 1 研究的目的1 通过对铬革屑中提取的胶原蛋白多肽进行食品卫生级理化指标的测定，与食用胶原蛋白比较，以评价其食用安全性。2 通过对提取胶原蛋8 多肽有关的化学物质检测( 制革过程中可能存在的有害化学物质) ，确定提取物中是否存在对人体有害化学物质及其含量3 通过动物毒理学试验，对提取的胶原蛋i t 多肽进行安全毒理学评价1 1 2 研究的意义1 本实验就是通过模拟皮革中蛋白质的提取工艺，对皮革加工中可能存在于皮革中，并对人体产生有害影响，在蛋白提取中可能有遗留的化学物质进行检测，确定其含量，评价提东北农业大学工学硕士学位论文取物的食用安全性。又根据卫生指标的测定，进一步评估了提取物的食用安全性。2 通过动物试验，按照功能性食品的安全毒理学评价标准，进行急性毒性试验、蓄积毒性试验和亚慢性毒性试验，从而较全面、科学的评估了提取胶原蛋白多肽的安全性。3 以皮革废料为原料提取蛋白质，并通过安全指标评价，为其能否在食品领域应用，以及卫生部门制定出相关食品添加剂使用限量标准提供科学的数据参考。1 2 皮革工业的发展现状1 2 1 我国皮革行业的发展现状我国皮革行业在产业资源和劳动密集型特征等方面具有明显的比较优势。一是皮革资源量世界第一。其中猪皮、羊皮原料资源量居世界第一，牛皮居世界第三；二是皮革、毛皮制品产量世界第一。目前我国年产猪皮8 0 0 0 万张，羊皮4 0 0 0 多万张，牛皮2 0 0 0 多万张，分别占世界总产量的1 4 、1 8 和5 0 以上。目前我国皮革、毛皮及其制品行业具有定规模的企业1 6 万个，其中：制革企业2 3 0 0 多个、制鞋企业7 2 0 0 多个、皮衣企业1 7 0 0 多个、皮具企业2 0 0 0 多个( 马宏瑞，2 0 0 4 ) 。据统计2 0 0 3 年我国皮革行业规模以上工业企业实现工业总产值2 1 0 3 亿元，全年完成外贸进出口总值2 6 4 亿美元，其中出口2 3 2 亿美元，并且全国皮革行业从业人数近5 0 0 万人。皮革行业已成为轻工行业中的支柱产业。1 2 2 皮革行业固体废弃物污染严重另外制革工业又是一个以原料的高投入和产品的低产出为特征，而且对环境的污染特别大。动物生皮经过各种处理，在生产出成革的同时也产生了大量的废水和固体废弃物。根据所采用的技术不同制革生产中的原料皮平均仅约有2 0 4 0 的原料皮转变为革，其余的形成废物和副产品。在印度，每年约产生1 5 万吨的各类制革固体废弃物( s k u m a r a g u r u , 1 9 9 8 ) 。在美国，制革厂每年要产生6 万吨含铬废弃物( 林炜等，2 0 0 2 ) 。据统计在世界范围内，每年要产生约6 0 万吨的含铬废弃物。我国年投产1 7 亿张皮，将有1 4 0 万吨废弃物产生，其中约有7 0 万吨的边角料废弃物( 含铬) ( 林炜等，2 0 0 3 ) 。以1 9 9 9 年的皮革产量1 1 3 0 0 万张( 折牛皮) 计，一年要产生各种固体废弃物1 0 0 万吨，其中含铬物2 0 万吨，8 0 万吨不含铬( 潘志娟等，2 0 0 1 ) 。这些固体废弃物中有一大部分是修边的碎皮块以及片皮、削匀或磨革过程中所产生的皮、革渣屑。这些皮革固体废弃物长期以来都被当作废物直接丢弃到环境中，给环境带来沉重负担。1 3 皮革屑中的蛋白质制革固体废物因来源不同其组成略有变化，但是主要成分是胶原蛋白，新鲜的铬革屑水分含量为5 1 1 5 3 5 ，灰分含量为1 2 1 5 ，c r 2 0 3 含量为1 3 ，蛋白质3 0 ，油脂含量2引言3 5 ，钙、镁含量分别为o 3 4 0 4 8 和0 0 8 0 3 3 ( h e i d e m a n n ee ，1 9 9 1 ) 。1 3 1 胶原蛋白的结构特性胶原蛋白在动物细胞中扮演结合组织的角色，是一种广泛存在于动物细胞内的蛋白质。据估计，自然界中从低等的无脊椎动物到高等的哺乳动物，总共大约有5 0 0 亿吨以上的胶原。目前已证实的脊椎动物胶原达1 3 种，彼此从遗传学到分子结构均不相同，胶原的单体是原胶原( p r o c o l l a g o n ) ，原胶原分子为细长的三股螺旋结构( 顾其胜，2 0 0 3 ) 。胶原特有的最常见的是i 型、i i 型、型胶原，其中i 型胶原所占比例最大，i 型胶原分子长度约3 0 0n m ，直径约1 5n m ，呈棒状，由三条肤链组成，两条q ( i ) 链，一条a ( 1 】) 链，a ( i ) 链和a ( ) 链只是在氨基酸顺序上有微小差异，有关它的研究及开发利用深受化学家关注。胶原特有的左旋a链相互缠绕构成胶原的右手复合螺旋结构，这一区段称为螺旋区段，螺旋区段最大特征是氨基酸呈现( g l y - - x y ) n 周期性排列，其中甘氨酸( g l y ) 占3 0 ，脯氨酸( p r o ) 和羟脯氨酸( h y p )共占约2 5 ，这一区段由1 0 1 4 1 0 2 3 个氨基酸残基构成，甘脯一x 占全体甘- x y 三肽总和的1 3 ，这极易与其它蛋白质相区别，一般动物蛋白质中轻脯氢酸含量极微( 景沛，1 9 9 5 ；眦-等1 9 9 9 ) 。1 3 2 胶原蛋白的功能特- 陛胶原蛋白并不是一个蛋白质的名称，而是和免疫蛋白一样，富有多样性和组织分布的特异性，是与各组织、器官机能有关的功能型蛋白质。作为一个蛋白质家族，在生物体内起着重要的作用，具有很多独特的生化性质和生理功能( m a e d a , s 1 9 9 9 ) 。通常胶原蛋白是由1 8 种口_ 氨基酸组成，比人乳蛋白所含的氨基酸还多两种( 且含量高得多) ，含有人体所必需的8 种氨基酸和促进儿童生长发育的2 种半必需氨基酸；胶原蛋白具有独特的大分子螺旋结构和聚集态结构( 结晶区结构) ，使其具有一定的热稳定性和很高的机械韧性和强度，赋予了它用于食品、医药品、包装材料的独特之处( 王坤余，2 0 0 2 ) ：胶原蛋白具有很强的亲水、保湿性能，这是由于胶原分子链上含有大量的亲水基团，所以与水结合的能力很强，这一特性使其在食品中可用作添加剂，以改善食品的风味、提高食品的保藏稳定期。其水解产物明胶可用作食品的胶凝剂、稳定剂、乳化剂、增稠剂、发泡剂、粘合剂( 粘结剂) 、澄清剂等。这些特性为其在面包、糕点、饮料、冰淇淋等食品中的应用和开发提供理论依据( 贾冬英等，2 0 0 1 ) 。使其较多的应用在糖果添加剂、冷冻食品改良剂、肉制品改良剂、饮料澄清剂、乳制品添加剂和食品涂层材料等上( 陈秀金等，2 0 0 2 ) 。胶原蛋白所特有的极低的抗原性、极高的可生物降解性、生物吸收性、止血功能和促进细胞生长的功能，近几年来在医药工业、临床医学和i 临床治疗中也有广泛的应用( 张惠君等，2 0 0 3 ) 。此外，胶原蛋白还有保护胃粘膜以及抗溃疡作用、抑制血压上升作用、促进骨形成作用、促进皮肤胶原代谢作用( 美容效果) 、胶原多肽还对关节炎等胶原病具有很好的预防及治疗作用( 任俊莉等，2 0 0 3 ) 。3东北农业大学工学硕士学位论文1 3 3 皮革屑中胶原蛋白的提取方法如何提高铬革屑提取明胶和饲料蛋白的质量和收率，至今仍是国内外学者不断研究的课题( m a g z ，1 9 9 4 ；j i a n gj h ，1 9 9 7 ) 。皮革屑中胶原蛋自的提取方法很多，如氧化法、酸法、碱法、酶法、混合法等( 马奉齐，1 9 9 2 ) ，但每种方法的使用在提取过程中都存在这样或那样的缺陷。氧化法：氧化法的优点是脱铬迅速，胶原纤维结构基本不被破坏，且色泽鲜亮。j c o t ( 1 9 8 6 )利用c 一+ 被h 2 0 2 氧化成c ，的原理脱铬。但是脱铬不彻底，需要多次重复脱铬，故造成胶原的损失和成本较高。而且，六价铬溶液有剧毒，得到的胶原必须充分清洗。酸法：酸法用于铬革屑的处理，用较浓的酸如盐酸、硫酸和磷酸等处理铬革屑提胶率远远高于碱法和酶法，但其缺点是胶原分子降解过大，所得产品分子量较小；色氨酸几乎全部被破坏，丝氨酸和酪氨酸部分被破坏，另外，三价铬在酸性条件下会处于溶解状态，很难彻底地从胶原蛋白溶液中分离出来；设备腐蚀严重。碱法：碱法用于提胶，利用碱和碱性物的o h 一与铬离子结合能力强的原因，水解铬鞣胶原，同时生成c r ( o h ) 3 沉淀除去( 董燕等，2 0 0 2 ；s t o c k m a ng 1 9 9 6 ) 。脱铬效果比酸好。由于碱法原料易得，脱铬完全，工艺简单的特点，有较多的碱水解胶原蛋白的报道，控制合适的条件可以得到大分子量的高级明胶，但其缺点是含羟基和巯基的的氨基酸会被破坏。酶法：酶水解法有其它方法无可比拟的优越性，使肽链断裂( 李彦春，2 0 0 2 ) 。反应速度快，时间短，无环境污染，提取的水解胶原蛋白纯度高，水溶性好，理化性质稳定，而且随着生物技术的提高，酶制剂的来源广泛，活性不断提高，价效比也大幅度降低，使其应用日益广泛。缺点是产生的蛋白质或氨基酸分子量小。由于这几种方法各自的优缺点，所以目前在研究和生产中都是将这几种方法结合起来使用，如：碱一酶一酸结合法和碱一碱一酸结合法等。在碱一酶一酸结合法中，先用碱法进行缓和水解，得到大分子量的高级明胶，再用酶进行强烈水解，大幅度提高提胶率，得到小分子的胶原多肽，剩下的残渣用酸水解，得到铬和多肽的混合物( 陈武勇等，2 0 0 1 ) ，如图1 - 1 。柬，o裹面活性刑蘸加热。6 h明腔铬泥腔原水辱钳加热，1s h图1 - 1 综合法提取胶原蛋白f i g 1 - 1t h es y n t h e s i sw a y st od i s t i l lt h ec o l l a g e n4譬寅引言1 3 4 从皮革屑中提取食品级胶原蛋白、明, e j 交禾n 胶原多肽可能存在的难题皮革屑可分为含铬和不含铬的两类，它们的主要成分都是胶原蛋白。对于不含铬的皮边角料，因其没有铬的交联作用，处理相对简单一些，其工艺也相对成熟，包括酸提、碱提和酶提取。并己应用于食品、化妆品、医药等领域中。目前业内人士关注更多的是含铬废弃物的处理。1 毒性鞣革用的铬鞣剂，使得在铬革渣中有可能有六价铬；此外在成革的工艺和提取蛋白的工艺中可能也会产生六价铬，而六价铬是毒性很大的重金属元素，且是一种潜在的致癌物。由于制革工艺的复杂性，所用化学试剂的多样性，也会造成提取的蛋白质含有对人体有害的物质。如五氯苯酚、硫化物、甲酸、甲醛、偶氮染料、铝、钛、锆等重金属等物质都可能对人体造成损伤。2 消化吸收率胶原蛋白的超螺旋结构十分稳定，是一种硬蛋白，因此一般不易被人体消化。3 潮解提取的蛋白质干燥后，在湿空气中可能吸潮并很快潮解，为长期储存带来麻烦。4 高粘度在提取、加工蛋白质的工艺过程中，因胶原蛋白粘度大，可能会影响胶原蛋白的提取率。5 残渣的处理提取蛋白质后，还有大量的滤渣，且铬含量很高，不予处理，会造成污染。1 4 制革工艺中所加入的危害人体健康的化学物质皮革生产工艺复杂，不同种类的皮革又有不同的生产工艺。在工艺的各步骤中都加有不同的化学、生物制剂和天然制剂等，使得皮革中存在多种对人体有害的物质，并且成分复杂。1 4 1 皮革的主要生产工艺生皮的预处理一浸水一浸灰一脱灰一软化一浸酸一铬鞣一复鞣一染色一加脂一涂饰一干燥一成革5东北农业大学工学硕士学位论文1 4 2 皮革生产中各步产生的可能有害物根据皮革生产的加工工艺，以及每步工艺加入的化学试剂，列出皮革中可能残留的有害物质如表1 一l 。表1 - 1 皮革生产中的有害物t a b i - 1t h eh a r m f u li n g r e d i e n t si nl e a t h e rp r o d u c t i o n1 4 2 1 皮革中有害物质的用量在皮革生产中各种有害物的一般用量如表1 - 2 。表1 2 皮革生产中有害物的用量t a b 1 - 2t h ea m o u n to f h a r m f u li n g r e d i e n t su s e di nl e a t h e rp r o d u c t i o n6引言1 4 3 皮革屑中存在的有害物1 4 3 1 铬铬( c h r o m i u m ) 于1 7 9 7 年为法国化学家v a u q u e l i n nl 发现，其名称源于希腊语c h r a m a( 意为“美丽的颜色”) ，因其化合物具有多种色彩而得名。很久以来，铬的化合物一直被用于印染和制革工业，被认为是有毒有害的元素，甚至被认为是致癌物质。直到1 9 5 4 年，c u r a n发现大鼠肝脏合成胆固醇和脂肪酸的能力因补铬而增强，从而提出铬可能是动物的必需微量元素。1 9 5 7 年美国的医学科学家m e r t z 和s c h w a r z ( 1 9 5 9 ) 提出了啤酒酵母中含有葡萄糖耐量因子( g l u c o s et o l e r a n c ef a c t o r ；g r f ) 的假设，1 9 5 9 年进一步证实g t f 的重要组成成分是c r j + 。m e r t z 后来证实了铬是葡萄糖代谢时，胰岛素发挥作用所必需的一种元素，铬与胰岛索，两者缺一或单独存在都会影响到葡萄糖的利用，并证实了铬是胰岛素促进简单物合成脂肪的必需元素。1 铬的理化特性铬属第一过渡系的v i b 族。是原子量为5 1 9 9 6 ，原子序数为2 4 的银白色金属，质硬而脆。其密度为7 2 0 9 e m 3 ，熔点1 8 5 7 4 - 2 0 。c ，沸点2 6 7 2 c 。较常见的氧化态是0 、+ 2 、+ 3 和+ 6 ，随着价态的升高，氧化性也增强。c r 2 + 是强还原剂，在空气中不稳定，可被化成c r j 十，因此，c r 2 + 在生物体内存在的可能性很小。c r 3 + 是最稳定的氧化态，在生物体内最常见，它易形成化学活性极低的配位化合物。最重要的铬化合物是c r 2 0 3 和c r ( o h ) 3 。c r 叶主要与氧结合成铬酸盐和重铬酸盐，是一种很强的氧化剂，而在酸性溶液中很容易彼还原为c ，。铬有4种稳定的同位素5 0 c r ，5 2 c r ，5 3 c r ，5 4 c r ，且有5 种放射性同位素，作为一种示踪原子而广泛的应用于生物科学研究中。在自然界，铬广泛存在于大气、上壤、水及动植物体内，是地壳中的第八大元素，约占地壳总量的0 0 2 。2 铬的吸收动物对铬的吸收与很多因素有关。不同形式的铬的吸收率是不同的。研究表明，无机铬难以吸收，其吸收率约为l 3 。而有机铬则较易被吸收，其吸收率为l o 2 5 ( 滕冰，2 0 0 0 ) 。不同的有机铬，其吸收率不同，且铬的吸收与机体组织中的总铬含量并不相关。a n d e r s o n 等( 1 9 9 6 ) 通过给大鼠补充9 种化学形式的铬，发现某些形式的铬( 包括c r c l 3 ) 很少能进入组织中，能进入组织的量可相差数倍。在铬的所有价态中，c ，最易被吸收。具报道，六价铬盐在大鼠体内的存留是三价铬盐的i o 倍。c ，+ 的吸收能力很低，正常人口服c r 3 +后，吸收率仅为0 6 9 。铬的吸收与动物的采食量有关，一般随采食量的增加而下降。a n d e r s o n ( 1 9 8 5 ) 报道，人一天食人l o n g 铬时，吸收率为2 ；食入4 0 k t g 时，吸收率为0 5 ：食入的铬大于4 0 p g 时，吸收率小于o 4 。此外，动物对铬的吸收还与饲料日粮中的其他营养成分有关，如饲料中的锌、钒、铁、草酸等，均可影响机体对铬的吸收。c h e n 等( 1 9 7 3 ) 发现，无论在体内还是体外，革酸盐能够明显提高铬的吸收，而肌醇六磷酸则明显降低铬的吸收，柠檬酸和e d t a 都没有什么影响。d o w l i n g 通过体外实验研究了大鼠小肠对无机三价“c r 的吸收，认为小肠对无机三价7东北农业大学工学硕士学位论文”c r 的吸收是被动转运过程，这也说明了为什么小肠对无机三价“c r 吸收率极低。铬的吸收位点和吸收机理目前尚不太清楚。c h e n 等( 1 9 7 3 ) 对大鼠的研究表明，小肠似乎是铬的主要吸收部位，其次是回肠和十二指肠。人们推测铬很可能是以小分子量的有机铬配合物通过肠道粘膜进入体内，因为铬有很强的形成配位化合物的能力。环境中的铬都可能被人吸收，消化道对无机铬的吸收率为o 5 ，食物中结合型的铬吸收率为1 0 2 0 ，空气中的铬在肺的吸收率可达4 0 ( 顾学箕，1 9 9 2 ：上海第一医学院，1 9 8 1 ) 。3 铬的排泄铬在机体组织内的停留时间要比在血中的停留时间长。体内的铬主要由尿排出，少量可经胆汁和汗液排出，从乳中和粪中也可排出部分，随毛的脱落也可损失少量的铬。动物处于应激状态或日粮中糖水平升高时，铬的排出量是正常状态时的1 0 3 0 0 倍4 铬的组织分布已报道的组织铬浓度有相当大的地域性差异。但是，般在世界范围内，成年型糖尿病和动脉粥样硬化发病率高的地区，人的组织中铬浓度倾向于较低。此外，组织铬的分布和含量还与铬的化学形式、年龄等多方面的因素有关。v i s e k 等发现，大鼠静脉注射放射性5 1 c r后，以铬酸钠形式补充的5 1 c r 几乎1 0 0 的定位在网状内皮系统。但是，以c r c l ，形式补充的“c r 只有5 5 的在肝内。当”c r c i ：用醋酸盐或柠檬酸盐缓冲时，到达肝的小于5 ，而大部分在尿里排泄。e d e l 等发现，在大鼠体内，铬酸钠形式的c r 6 + 优先束缚到肾脏，而c f c i ，形式的c f f l l l ) 主要束缚到肝和脾。除了口服外，其它供铬的方法都不影响组织中铬的分布。k i m n t z 和t a l m a g e 发现，大鼠静脉注射”c r c l 3 后2 4 h ，注射量的4 0 由肾脏排出，最高的保留放射性在骨髓内，表明”c r 是以类似于小胶粒的形式沉积在网状内皮系统。然而，兔子体内”c r 的最高浓度在脾脏。b e r g g r e e 和f l a t t 研究表明，实验小鼠在外分泌腺和胰腺中累积无机铬。b i s e r k a ，k 等评估了铬在组织中累积的物种差别，研究结果表明，小鼠和大鼠存在铬代谢的差异，并且不同途径摄入体内的铬有不同的分布。在小鼠的某些组织里，特别是肝、睾丸和附睾的脂肪组织中，”c r 的摄入随年龄降低。h o p k i n s 也观察到以c r c l ，的形式注射生理量的”c r 后，组织中的滞留量随年龄的不同而有差异。成年大鼠骨内滞留的”c r 比幼年大鼠少，但是在脾脏、肾脏和睾丸内，成年大鼠”c r 的滞留量比幼年大鼠多。年龄的因素同样影响人体组织铬含量和铬分布。新生婴儿肺、主动脉、心脏和脾组织中的铬浓度显著的较低；而肝和肾组织中的铬浓度，o l 岁的婴儿和1 1 0 岁的儿童都保持较高。马小玲等对广州婴、幼儿脏器组织中铬含量的研究发现，铬的分布是：心 肺 肝 肾 脾，并且组织铬有随年龄的增大而降低的特征。其他国家的人组织样品中铬浓度的变化比美国人明显的小，只有肺组织中铬的浓度在2 0 岁以后普遍升高，大概是因为空气中铬污染物的吸入所致。目前，正常肺组织的文献报告值为o 0 o 3 p g c r g 湿重肺组织和平均值为1 0 g c r g 干重肺组织。a o l ev a n d e r 报告，年龄超过8 0 岁的病人其肺组织中铬明显减少，可以用营养铬缺乏来解释。但是，g w i m s b e r g e r 等研究表明，营养不良的病人肺组织中的铬含量较高，而淋巴结中则低于营养较好的病人。营养不良的病人肺中铬的累积可能是因为强烈键合铬的血浆白蛋白的减少引起的。组织中铬的分布与性别、剂量水平或过去饮食中是否缺乏无关。动物体内铬含量约为l 1 0 p p m 。血清、骨骼和皮肤中含量较少。各器官中的含量如下( m g 蚝) ：脾o 4 8 。肺o 2 4 ，肾o 1 8 ，肝0 1 6 ，心0 1 4 ，肌肉o 1 1 ，胎盘0 0 7 ，胃o 0 4 。8引言正常牛奶中为5 6 8 9 瞻，在初- $ l q a 的含量约为正常- l e e 的6 倍。禽类羽毛中的含量丰富，雏鸡羽毛中的含量为0 2 3 0 4 0 m g k g 。由此可见，肝脾肾及禽类的羽毛是动物贮存铬的主要部位。动物器官组织中的铬含量( 肺除外) 会随着年龄的增长而下降。有关组织器官中的铬，最近有人报道，7 0 k g 的人体内总铬量约为4 0 01 3 0 0 9 9 ，分布在各器官中的铬含量如表1 - 3 。表1 3 体内组织器官的铬含量t a b 1 3t h ec h r o m i u mc o n t e n ti nv i v oo r g a n s5 铬的毒性铬的毒性在于干扰人体内正常氧化、还原和水解过程( 胡乃钊，1 9 8 6 ) 。所有铬化合物都有毒性，但毒性的强弱不同。金属铬很不恬泼，二价铬化合物一般认为是无毒的；三价铬可以引起肺损害，六价铬化合物之铬酸盐毒性大，由于溶解度大，对所有组织都有刺激性和毒性，通常认为六价铬毒性是三价铬的1 0 0 倍( 侯春芳，2 0 0 5 ) 。铬离子可与人的某些蛋白质起作用，主要是再结晶蛋白质，作用部位在蛋白质的竣基上。1 9 9 5 年s t e r n s d m 等用中国仓鼠卵巢细胞进厅的体外研究表明，用o 0 5 、o 0 1 、0 5 0 和1 0 0m m o l l 甲基铬处理后，一些染色体遭到破坏。以等量非毒性剂量，尼克酸铬或带6 个结晶水的c r c l 3 均能破坏染色体。陈琼宇等( 2 0 0 0 ) 认为三氧化铬经灌冒途径，在大鼠胚胎的器官发生期( 第7 1 5 天) 内具有明显的胚胎发育毒性，表现为胚胎发育迟缓或畸形、畸形的类型主要表现为鼻腔扩大、胯裂、露脑、脊柱膨出和骨骼发育不全等。g a l e ( 1 9 7 8 ) 的实验研究显示，铬对动物具有胚胎发育毒性和致畸性，在孕期第8 天给金黄色地鼠1 次静脉注射三氧化铬可导致胎仔生长发育迟缓、畸形率增高。在皮革中使用的是铬粉主要是( c r 2 0 3 、硫酸铬，三价的) ，但经过鞣制过程，由于氧化等诸多原因而生成六价铬。铬中毒可引起蛋白质变性、核酸和核蛋白沉淀，干扰酶系统。6价铬毒性高于3 价铬，前者可渗入红细胞，在被还原成3 价铬的过程中谷胱甘肽还原酶活性受抑制，可使血红蛋白变为高铁血红蛋白，导致缺氧现象发生。6 铬的生理需要量1 9 8 0 年美国国家研究会( n a t i o n a l r e s e a r c h c o u n c i l ，1 9 8 0 ) 推荐，成人安全和适当的铬摄入9东北农业大学工学硕士学位论文量为5 0 2 0 0 9 9 d ，根据成人体内铬的排出和膳食铬的平均利用率计算，每天供给量能达到2 0 5 0 9 9 即能满足生理需要。1 4 3 2 五氯苯酚五氯苯酚( p e n t a c h l o m p h e n o l ，简称p c p ) 应用广泛( c r o s b ydg 1 9 8 1 ) ，是一种难降解的人工合成化合物。它是一种重要的防腐剂，常用于棉纤维浆料、羊毛和皮革的储存、运输以及印花浆的增稠剂和某些整理乳液中的分散剂等。实验表明，五氯苯酚具有相当的生理毒性，对人类和其他生物具有“三致”( 致癌、致畸和致突变) 作用( 周洪波等，2 0 0 2 ) 。而且残留在纺织品、皮革及其制品中的五氯苯酚多的自然降解过程缓慢，穿着时会通过皮肤在人体内产生生物蓄积而危害人体健康。同时在环境中能够存留相当长的时间。因此，五氯苯酚已被美国国家环保局( u s e p a ) y ! j 为优先污染物，并被北美和加拿大列入地区控制的持久性有机污染物黑名单中。国际纺织品生态研究和检验协会颁布的o e k o - t e xs t a n d a n d1 0 0 明确规定了生态纺织品中防腐剂的最高残留限量( m r s ) 不得超过5 0 p g k g ( 曹锡忠，2 0 0 3 ) ，服装和皮革制品中该物质的限量为5 l o 一。1 4 3 3 硫化物硫氢化钠( n a r i s ) 液体呈褐色，臭鸡蛋气味，p h 值为1 3 ，遇酸反应生成硫化氢，对皮肤粘膜有腐蚀性( 胡东风等，2 0 0 0 ) 。n a i l s 液体主要用于燃料、制革、化肥、采矿工业，人造纤维和废水处理等。硫化钠的理化性质：白色晶体，容易潮解，无水时密度为1 8 5 6 ( 1 4 c ) 。溶于水，遇酸反应，产生硫化氢，水溶液呈强碱性，工业品因含杂质常为粉红、棕红、土黄色块。有腐蚀性，能腐蚀皮肤、眼睛、粘膜，能燃烧，燃烧或遇酸放出有毒气体。在空气中易氧化生成硫代硫酸钠( 张慧，2 0 0 4 ) 。1 4 3 4 偶氦染料偶氮染料是人工合成的偶氮化合物，其分子中有两个氮相联结在一起的结构( n ：n - ) 。目前全球市场上有三千多种偶氮染料，其中以联苯胺( b e n z i d i n e ) 为基体的有2 0 0 多种，常用的有9 0 多种。偶氮染料在有氧的状态下，不易分解矿化，在厌氧状态下，则很容易被微生物分解还原为原有之芳香胺和其他产物，此作用称为偶氮还原。芳香胺无色无臭，在环境中更不容易分解矿化。有些芳香胺具有致突变性，致癌性和其他毒性，会影响接触者健康。由于污染的水源、食物等，偶氮染料可能经口进入人体。水溶性的偶氮染料会被肠道菌分解成芳香胺。非水溶性的偶氮染料则会被肝脏吸收，被肝内的酶分解还原成芳香胺。有些芳香胺是诱变剂或致癌剂，或有其他生物毒性( 钟金汤，2 6 0 4 ) 。1 4 3 5 卤代烃卤代烃因其化学性质十分活泼，是化学工业常用的重要原料，可用它制造醇、醚、腈、胺1 0弓i 言等多种有机物，在医药、农药、油漆、皮革等生产行业中被广泛使用。另外卤代烃不溶于水但却能使醇、脂等溶解，是一种优良的溶剂，在油脂加工中也常使用。d n a 加合物是包括卤代烃在内的亲电性烷化剂与d n a 碱基