兔毛白粉成分结构分析及其应用

张 毅， 黎淑婷， 张 昊， 张转玲(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

兔毛白粉成分结构分析及其应用

张 毅， 黎淑婷， 张 昊， 张转玲
(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

为更好地开发利用兔毛纤维在纺纱过程中产生的兔毛白粉废弃物，采用扫描电子显微镜、双缩脲显色法、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法、傅里叶红外光谱、X射线衍射以及差示扫描量热法对从兔毛纤维表面脱落的白粉进行表观结构和成分结构探究。结果表明：兔毛白粉是从兔毛表面鳞片脱离下来的物质，长度、宽度和厚度分别为 20～50 μm、 2.0～6.0 μm和0.4～0.7 μm，兔毛白粉的成分中含有蛋白质，相对分子质量主要集中在11 ku左右，可被认为是提取角蛋白的良好材料；利用还原C法从兔毛白粉中进一步提取角蛋白，将其作为一种紫外防护功能添加剂应用于化妆品中，在200～320 nm的紫外线下测试兔毛白粉，发现兔毛白粉的紫外线吸收能力优于防晒产品。

兔毛白粉； 成分结构； 角蛋白； 紫外吸收

兔毛是一种天然蛋白质纤维，由角蛋白组成，与其他常用的天然动物纤维相比，兔毛纤维是一种绿色环保、保暖性佳的纺织用保暖材料，具有优异的天然特性[1-2]。兔毛纤维表面洁白、光滑、洁净，是重要的纺织工业原料，而且在纺织加工前不需繁琐清洗，缩短了生产工序的同时也避免洗涤废水对环境的污染，因此，兔毛作为一种环保纺织原料越来越受到企业的重视和消费者的青睐，但是兔毛在分梳过程中，其纤维表面会大量地产生一种类似滑石粉物质，人们俗称白粉，当加工车间相对湿度较高时，白粉易于吸湿而团聚、黏附在机部件表面，不仅影响加工进行及产品质量，也成为一种被认为没有实用价值的废弃物而丢弃[3]。研究表明，白粉的主要成分为兔毛纤维蛋白。兔毛蛋白具有良好的亲肤性、无毒性和吸附性，是实用价值很高的蛋白质资源[4]。由于动物纤维中氨基酸种类丰富，尤其富含芳香族氨基酸，国内外已有将动物纤维蛋白用于化妆品尤其是防晒护肤品的研究[5-6]。然而对兔毛的紫外线防护性能及以兔毛角蛋白为主要成分的防晒产品方面的研究报道极少。本文以兔毛白粉为研究对象，在对兔毛白粉的成分和结构分析的基础上发掘其潜在应用价值，测定其紫外线吸收性能及防紫外线效果，以期为兔毛蛋白的综合利用及防晒保健品领域的应用提供参考，并使兔毛白粉变废为宝，对废弃资源循环再利用具有积极的意义。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：兔毛白粉，兔毛纤维(浙江嵊州)。

药品：溴化钾、硫酸铜、酒石酸钾纳、氢氧化钠、巯基乙醇、尿素、亚硫酸氢钠、十二烷基硫酸钠、三乙醇胺、硬脂酸、单甘酯、尼泊金甲酯、尼泊金丙酯、十二醇，分析纯，均来自天津市科密欧化学试剂有限公司。

仪器：JA3003型电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；TM1000扫描电子显微镜，日本日立公司；IS50型傅里叶红外光谱仪，美国NICOLET仪器公司；D/max 2550V X射线衍射仪，日本Rigaku公司；DSC204F1差示扫描量热仪，德国NETZSCH仪器公司；DYY-6C电泳仪，北京六一仪器厂；UV2401PC型紫外-可见分光光度计，日本岛津公司。

1.2 兔毛白粉的结构与性能测试

1.2.1兔毛白粉的外观形态

将干燥后的兔毛白粉和兔毛纤维黏在带有导电胶的样品台上并喷金，放入扫描电镜中，通过扫描电镜将样品分别放大到合适的倍数观察其外观形态。

1.2.2双缩脲显色法成分测定

配制双缩脲试剂：1.5 g硫酸铜(CuSO4·H2O)和6.0 g酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)，用500 mL蒸馏水溶解，在搅拌下缓慢加入 300 mL 质量分数10% NaOH溶液，用水稀释到 1 L。量取5 mL的双缩脲显色剂加入试管中，再加入适量的兔毛白粉，多次摇晃，使其均匀分散在溶液体系中[7]。

1.2.3相对分子质量测试

采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定兔毛白粉中蛋白质的相对分子质量，分离胶为质量分数15%的丙烯酰胺，浓缩胶为质量分数5%的丙烯酰胺，上样量10 μL(上样缓冲液中含体积分数5%巯基乙醇)，电压为80 V，R250考马斯亮蓝染色液。

1.2.4红外光谱测试

采用压片法将样品与KBr粉末混合制成盐片后测量其红外光谱图(光谱范围4 000～500 cm-1，分辨率优于0.6 cm-1)。

1.2.5X射线衍射测试

采用Rigaku D/max 2550VX射线衍射仪对兔毛白粉与兔毛纤维进行分析，测试条件：CuKα靶，电压40 kV，电流30 mA，扫描速度8(°)/min，扫描范围3°～60°，步宽2θ为0.02°。

结晶指数计算公式为

式中：I9°为2θ=9°左右的最大衍射峰强度；I13°为峰谷2θ=13°处的衍射强度。

1.2.6热性能测试

利用差示扫描量热法进行热性能测试，测试条件为：温度范围25～300 ℃，升温速率10 ℃/min，氮气流速20 mL/min。

2 结果与分析

2.1 兔毛白粉外观形态表征

为了解兔毛白粉的表面外观形态及具体来源，应用扫描电镜对兔毛白粉和兔毛纤维进行观察分析。运行ImageJ软件，使用标尺在SEM照片中分别随机测量100组兔毛白粉的长度、宽度和厚度，并统计分析尺寸大小的分布情况，结果如图1所示。与正常直接用肉眼观察到的细小颗粒状的兔毛白粉不一样，在高倍扫描电镜下观察到的兔毛白粉整体具有相似的外观形态，主要为一种具有一定长度、不规则的扁平条带状结构，并且大部分条带尾端呈弯勾状或剑刃状。从图1(c)、(d)中的高倍数放大图可清楚地看到兔毛白粉的表面较为光滑，边缘不平整，厚度相对较薄。

图1 兔毛白粉与兔毛纤维SEM照片Fig.1 Morphological characterization of rabbit whiting and rabbit hair under different magnification.(a) Rabbit whiting(×2 000)； (b) Rabbit whiting(×4 000)；(c) Rabbit whiting(×10 000)；(d) Rabbit whiting(×7 000)；(e) Rabbit hair(×2 000)；(f) Rabbit hair(×4 000)

通过ImageJ图像处理软件测量兔毛白粉的长度、宽度和和厚度，并分析其分布情况，结果如图2所示。由图可得，兔毛白粉的长度集中分布在20～50 μm之间，宽度集中分布在2.0～6.0 μm之间，厚度集中分布在0.4～0.7 μm之间。而从图2(e)、(f)观察可得，兔毛的细度在15～30 μm之间，兔毛的表面鳞片形状主要呈长斜条状，鳞片尖端角度较小，根据文献[8]得到兔毛鳞片的平均厚度为 0.455 μm。与兔毛的鳞片相比，兔毛白粉的形态、边缘特征、切口厚度与兔毛鳞片的切口对接基本吻合。由此可初步推断，兔毛白粉可能是在兔毛分梳过程中，因反复梳理而从兔毛鳞片层大批直接脱落下来的细小角蛋白类物质。

图2 兔毛白粉的长度、宽度和厚度分布图Fig.2 Length distribution (a) width distribution(b) and thickness distribution (c) of rabbit whiting

2.2 兔毛白粉的成分分析

采用双缩脲显色法对兔毛白粉成分，结果如图3所示。通过颜色比较可见，溶液由蓝色变为紫红色，说明溶液中的兔毛白粉含有肽键，能与双缩脲试剂发生络合反应，生成紫红色的络合物。由此推论兔毛白粉为蛋白质物质。

图3 兔毛白粉双缩脲反应显色反应Fig.3 Biuret reaction of rabbit whiting.(a) Sample without rabbit whiting；(b) Sample with rabbit whiting

2.3 相对分子质量分析

采用SDS-PAGE凝胶电泳测定兔毛白粉的相对分子质量，结果如图4所示。由图可知，兔毛白粉的相对分子质量的电泳条带分布范围比较窄，主要集中在11 ku左右，相对分子质量较小。可根据对角蛋白产品分子量大小的要求，将兔毛白粉作为角蛋白原材料应用在实际生产中。

图4 兔毛白粉的凝胶电泳图Fig.4 SDS-PAGE pattern of rabbit whiting

2.4 红外光谱分析

图5 兔毛白粉与兔毛纤维的红外光谱吸收图Fig.5 Infrared spectrograms of rabbit whiting and rabbit hair

2.5 兔毛结晶结构测试结果分析

图6示出兔毛白粉和兔毛纤维的X射线衍射谱。由图可看出兔毛纤维和兔毛白粉均具有2个明显的衍射峰，分别是2θ为9°左右较尖锐的衍射峰以及2θ为15°～31°之间的弥散衍射峰，这2个衍射峰为α结晶与β结晶的共同的衍射峰[13]。与兔毛纤维相比可以看出，2θ=9°处的峰型和峰值都较小，利用Segal[14]提出的经验结晶指数可计算兔毛白粉和兔毛纤维的结晶指数，并进行相对比较。

图6 兔毛白粉与兔毛纤维的X射线衍射谱图Fig.6 XRD of rabbit whiting and rabbit hair

根据公式计算可得兔毛白粉与兔毛纤维的结晶指数分别是0.24和0.54，并以兔毛纤维相对结晶指数为100%，则兔毛白粉为44%，说明兔毛白粉的结晶度低于兔毛纤维。

2.6 DSC测试结果分析

图7示出兔毛白粉与兔毛纤维的DSC曲线。由图可得，在50～80 ℃之间的升温加入过程中，2条DSC曲线出现快速上升，且在80 ℃处均存在1个巨大的吸热区域，主要是由内部水分的不断蒸发吸热与非晶区的玻璃化转变吸热形成的重叠峰，这主要与兔毛白粉中角蛋白大分子的亲疏水性有关。

图7 兔毛白粉与兔毛纤维的热分析Fig.7 DSC of rabbit whiting and rabbit hair

在200 ℃以上，兔毛纤维的曲线又开始呈上升状态，在245 ℃处兔毛纤维出现窄而尖的熔融峰，这属于兔毛角蛋白中的α-螺旋结晶的熔融引起，且熔融焓反映的是α-螺旋结晶的含量，熔融焓越大，α-螺旋结晶含量越高，而角蛋白分子中的α-螺旋结构之间是由二硫键连接，并形成结晶度较高的α-结晶区域，因此，α-螺旋结晶含量与角蛋白中二硫键含量有关。与兔毛纤维相比，兔毛白粉中α-螺旋结晶区域的熔融焓值相对较低，说明兔毛白粉中α-螺旋结晶含量低于兔毛纤维，从而推断出兔毛白粉在该区域中二硫键含量低于兔毛。另外，兔毛白粉对应在α-螺旋结晶的熔融峰位向低温偏移，这是由于兔毛白粉中α-螺旋结晶区域完善程度低，使α-螺旋结晶区不稳定，导致兔毛白粉中α-螺旋结晶在低温下发生熔融[15-17]。此外，由Wortmann等[18]此前的研究表明，动物毛纤维的起熔温度与其不同层中细胞性质及角蛋白分子结构有关，如偏皮质细胞中的 α-结晶熔融温度一般高于正皮质细胞。兔毛白粉主要由兔毛鳞片层组成，其鳞片层具有多层结构，包括鳞片表层、鳞片外层与鳞片内层。由于鳞片表层及外层细胞中的基质含量、二硫键交联程度高于内层，故而其熔融温度高于内层，因此其DSC曲线中可观察到类似皮质层的双熔融峰现象[18-19]。

3 兔毛白粉的应用

本文通过上述一系列的表征足以说明兔毛白粉含有蛋白质，粉末颗粒细小，并且易于获得，是制备角蛋白的原材料。据文献[3]记载，兔毛角蛋白中含有的芳香族氨基酸具有共轭π电子体系作用，在小于320 nm的紫外光区域有很强的吸收，具有一定的防紫外线效果，此外，角蛋白分子中含有大量的亲水性基团，如氨基(—NH2)、羟基(—OH)以及羧基(—COOH)，具有锁住水分的保湿功能，因此，本文从兔毛白粉中提取角蛋白，初步探究在防晒护肤品中的防晒功能，使兔毛白粉变废为宝，发挥其潜在的价值，同时也能解决纺织加工中造成的废弃资源堆积问题[20-21]。

防晒护肤品效果评价手段主要有3种：人体试验法、SPF值(防晒指数)测定仪测定及紫外分光光度法测定。其中，紫外吸光度法是基于测定防晒护肤品吸收和漫射掉紫外线的量来评价防晒护肤品的防晒效果。本文选用紫外分光光度法初步探究兔毛白粉为主要紫外吸收剂的防晒护肤品的防晒效果。

3.1 兔毛白粉角蛋白的提取

取2 g兔毛白粉按照如以下条件提取角蛋白[22]：尿素40 g；亚硫酸氢钠10 g；SDS 0.5 g；温度85 ℃；时间4 h。

将水解后的角蛋白溶液置于蒸馏水中透析3 d，再浓缩、冷冻干燥，得到兔毛白粉的角蛋白粉末。

3.2 防晒品配方及其防紫外线性能测定

按照表1配方制备兔毛白粉角蛋白防晒护肤品。将A、B分别均匀搅拌，置于70 ℃溶解，搅拌下将B倒入A中，在45 ℃下充分混合均匀即可。

表1 防晒化妆品配方Tab.1 Formula of sunscreen cosmetics

选取某款防晒护肤品(SPF值为50)做对比。将自制的兔毛白粉角蛋白防晒护肤品与该款防晒护肤品分别稀释配成2.5 g/L的溶液，并进行紫外线吸收测定[23-25]。

3.3 兔毛白粉角蛋白护肤品防晒性分析

图8示出各样品的紫外线吸收效果图。由图可看出，4种样品在200～320 nm(UVB、UVC)范围内都具有一定的紫外线吸收能力。与某款防晒护肤品(SPF值为50)相比，未加入角蛋白粉末的样品的紫外线吸收较低一些，而含有质量分数为5%角蛋白粉末的紫外线吸收值略高于某款防晒护肤品(SPF值为50)，说明加入角蛋白粉末的样品具有较好的紫外线吸收作用，另外，含有质量分数为10%、15%角蛋白粉末的样品其紫外线吸收值明显高于某款防晒护肤品，说明随着角蛋白粉量的增加，其吸收紫外线的能力就越强，因此防晒效果也越好。经分析，其防晒能力一方面是因为兔毛白粉中含有大量的肽键(—CONH—)，其中含有的羰基可实现π→π*和n→π*跃迁，使得酰胺键(—CONH—)在205 nm处有强紫外线吸收，另一方面是兔毛白粉中含有酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)以及苯丙氨酸(Phe)，而这些芳香族氨基酸在260～320 nm的远紫外线范围内具有较强的吸收性[26]。

图8 各样品的紫外线吸收效果图Fig.8 Ultraviolet absorption effect of each sample

表2示出尼泊金甲酯加入量及其与兔毛白粉角蛋白配比对配方防晒效果的影响。可看出，在当尼泊金甲酯质量分数由0.1%增大到1%时，配方在分处UVB和UVC区段260 nm和300 nm处紫外线吸收性(由吸光度表示)有略微提高，但不明显。而对比加入5%与10%兔毛白粉角蛋白粉末的配方，后者的防紫外线效果明显提高。尽管可以遇见继续增加尼泊金甲酯的含量可提高配方的防晒性，但作为一种化妆品防腐剂与抗菌剂，尼泊金甲酯具有一定的毒性，过多使用将可能对皮肤造成不同程度的刺激甚至损伤，而在规定的用量内，尼泊金甲酯在防紫外线方面的作用与兔毛白粉角蛋白相比极其有限。这也说明在此配方中发挥防紫外线作用的主要成分是兔毛蛋白粉，其防晒功能是其他组分所无法替代的。

表2 尼泊金甲酯与兔毛白粉角蛋白配比对配方防紫外性能影响Tab.2 Effects of methylparaben/rabbit hair proteincomposition on anti-UV property of formula

4 结 论

1)通过对兔毛白粉成分结构分析，兔毛白粉是兔毛纤维表面鳞片分离物质，其长度、宽度、厚度分别集中分布在20～50 μm、2.0～6.0 μm与0.4～0.7 μm之间。相对分子质量为11 ku左右。

2)通过红外光谱分析表明兔毛白粉主要由角蛋白组成。XRD分析显示兔毛白粉与兔毛纤维的结晶指数分别是0.24和0.54，兔毛白粉的结晶度低于兔毛纤维。DSC分析表明兔毛白粉的结晶度相对较低，并且二级结构中的α-螺旋结晶含量相对较少。

3)兔毛白粉角蛋白具有一定的紫外线吸收能力，而且含质量分数为5%、10%、15%角蛋白的样品的防晒能力逐步增大，且大于某款防晒护肤品(SPF值为50)，从而证明兔毛白粉角蛋白应用于防晒护肤品中具有良好的效果。

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Structuralcharacterizationandapplicationofrabbitwhiting

ZHANG Yi， LI Shuting， ZHANG Hao， ZHANG Zhuanling
(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

For a better development and utilization of rabbit whiting produced in the spinning process of rabbit fibers, the rabbit whiting waste was tested by scanning electron microscopy, biuret test, sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electropheresis, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction and differential scanning calorimetry to characterize its apparent structure and composition. The experimental results prove that the rabbit whiting is a substance detached from the surface exfoliate of rabbit hair, and has the length, width and thickness of 20-50 μm, 2.0-6.0 μm and 0.4-0.7 μm, respectively. And keratin as the main component has a molecular weight of 11 ku approximately. Therefore, rabbit whiting is regarded as a good material for keratin extraction. The keratin was further extracted from rabbit whiting by the sulphitolysis method, which is used as a kind of anti-ultraviolet additive applied in cosmetic. The rabbit whiting has ultraviolet absorption superior to sunscreen products by UV test in the ultraviolet range of 200-320 nm.

rabbit whiting; component structure; keratin; ultraviolet absorption

10.13475/j.fzxb.20160701807

TQ 341.5

A

2016-07-06

2017-09-11

农业部财政部国家级专项项目(CARS-44-D-2)

张毅(1959—)，男,教授。主要研究方向为特种动物纤维综合利用。 E-mail:tianjinzhangyi@126.com。