绢纺精炼液中丝胶蛋白的回收与丝胶蛋白的功能及应用前景

张慧华 王志强

(1. 民兴丝路(北京)生物科技有限公司,北京丰台 100000;2.河南民兴生物科技股份有限公司,河南社旗 473300 )

在丝绸生产加工的过程中通常将丝胶去除方可经行后续工序,如此将会产生大量含丝胶蛋白的废水,不仅污染环境,还造成了丝胶蛋白资源的浪费。我国年产桑蚕生丝约6万～8万吨,其中有2万～3万吨的丝胶蛋白会随废水而流失,资源流失近25%[1]。丝胶蛋白是包裹在丝素纤维表层的一种天然蛋白质[2],丝胶蛋白的提取及利用可减轻丝胶废水对自然环境造成的压力,将丝胶蛋白这一宝贵资源加以开发利用,对保护环境和增加经济效益具有双重意义。本文主要从丝胶蛋白的基本理化性质出发,对丝胶蛋白应用前景加以综述,以期为丝胶蛋白的开发应用提供理论基础。

1 绢纺精炼液中的丝胶蛋白及回收方法

丝胶蛋白主要是由蚕的丝腺分泌,是构成蚕茧的主要蛋白之一,约占蚕丝的20%～30%,是一种水溶性的球状蛋白,相对分子质量约为1.4～300 KDa,含有多种多肽,由18种氨基酸组成,其中丝氨酸、天门冬氨酸和甘氨酸含量较高,相对质量分别达到33.43%、16.71%和13.49%,极性侧链氨基酸占74.61%[3]。丝胶蛋白中含有大量的羧基和氨基,二者可通过与氢离子或者氢氧根离子相结合而形成大量的亲水基团从而显现出蛋白质最基本的两性性,而蛋白质的等电点是两性性质最突出体现,其等电点为3.8～4.5[3];因富含丝氨酸和天门冬氨酸等极性侧基氨基酸,因此丝胶蛋白是一种亲水基团极为丰富的蛋白质,具有良好的水溶性和抗氧化性强[4]、持油性和起泡等特性。目前回收丝胶蛋白的主要方法有:酸析法、离心法、膜浓缩法、有机溶剂萃取法、冷冻干燥法等。酸析法、有机溶剂萃取法会引入第三介质,且回收的丝胶蛋白功能丧失,因此这类提取方式不适用于丝胶蛋白的功能开发,膜提取法[6-7]可以实现回收不同分子量的丝胶蛋白因而被广泛使用。

2 丝胶蛋白在纺织涂层上的应用

丝胶蛋白70%氨基酸残基中富含羟基、羧基、氨基等极性基团,使其具有良好的亲水性,其中丝氨酸含量占33%,其次是天冬氨酸和苏氨酸,因此具有很强的保湿性[5]。将丝胶与一些高分子材料混合制成的材料具有很强的亲水性、吸湿性和防湿性能,经丝胶涂层整理的织物,对皮肤有保温、调湿作用。经丝胶蛋白涂层的纺织品,一方面具有锁水和保湿功能,另一方面还可以防止化学纤维与皮肤直接接触,这种新型纺织品具有抗菌消炎功能[10],应用前景广泛。

3 丝胶蛋白在食品领域的应用

丝胶蛋白良好的溶解性、保湿性、乳化性、起泡性及持油性等功能性质,在食品添加剂领域具有广阔的应用前景。将丝胶蛋白作为配料用在水溶液中,可发挥其在食品领域的应用价值。将丝胶蛋白作为乳化剂加入香肠等产品中,提高产品质量,延长产品储藏期;将丝胶蛋白作为起泡制剂加入到蛋糕制品中,可使其结构疏松,口感更加良好。丝胶蛋白富含18种氨基酸,其中人体必需的8种氨基酸含量高达20%以上,且丝胶所含必需氨基酸比例适宜,是人体补充蛋白营养的优质来源。此外,丝胶蛋白具有优良的抗氧化性,食用丝胶蛋白可清除肌肤过剩的自由基,缓解不健康和亚健康状态;丝胶蛋白中的部分丝氨酸能有效的降低人体血液中胆固醇浓度,对预防高血压、糖尿病和冠心病等具有一定功效。其中天门冬氨酸能有效保护肝和心肌,降低氧消耗,对治疗心绞痛和心肌梗塞等有显著功效;甘氨酸也能降低血液中的胆固醇浓度,预防高血压,还能降低血液中的血糖,防治糖尿病等[5]。

4 丝胶蛋白在化妆品领域的应用

4.1 保湿功效

丝胶蛋白因其富含大量亲水氨基酸,因此具有与天然保湿因子相似的功能,具有锁水保湿功用。丝胶蛋白中的极性氨基酸,因富含-OH、-COOH、-NH等亲水基团,可使水分与皮肤角质层相结合,使皮肤含有一定的水分,从而使得皮肤柔软光滑。丝胶分子中的极性基团通过氢键与水分子紧密结合,形成吸水和持水性极佳的类似网状的水凝胶,能吸收和保持其自身质量上千倍的水分[4]。将丝胶蛋白水凝胶涂布于皮肤表面,能在皮肤表面形成一层水化膜,使角质层水合软化,从而达到保持水分的功效,使皮肤光滑、柔软、富有弹性。一般认为,小分子量的水溶性丝胶更具有优异的调湿、保湿作用,因此制备小分子量丝胶蛋白用于护肤用途市场潜力巨大。

4.2 丝胶蛋白抗氧化性能

丝胶蛋白能抑制酪氨酸酶的活性[4],其抗氧化能力可与维生素C相媲美,研究发现当丝胶蛋白分子量分布在1万～20万 Da[6]时对抑制黑色素形成最为理想, 抗氧化作用也最强,从而有效防止细胞老化和促进胶原蛋白生成。将丝胶蛋白涂抹于人体面部可抑制皮肤产生色斑、暗斑等,使得面部皮肤光滑且富有弹性。

4.3 遮瑕功效

丝胶蛋白因具有良好的水溶性,且能维持水溶液稳定,对皮肤无刺激、无过敏,将丝胶蛋白粉末颗粒用作化妆品基料用于面部涂抹化妆品中,能有效地掩盖皮肤表面的皱纹、粗大毛孔及其他粗糙组织,起到良好的遮瑕效果。此外,丝胶粉光滑细腻、透气性好、附着力强,且能随着环境湿度调节皮肤表面水分,从而对皮肤角质层水分有较好的保持作用[12],因此将丝胶蛋白作为化妆品基料用于遮瑕粉饼前景广阔。

4.4 非离子表面活性剂

研究发现丝胶蛋白的水解物是一种新型的非离子表面活性剂[11-12],呈现出化学惰性和pH 稳定性,将其与其他材料混合成形,能有效的去除油性污泥,涂抹于皮肤表面具有抗氧化、美白和保湿的效果[15]。此外,丝胶蛋白水解液与其他无机盐、无机酸、有机酸、草药、脂肪、醇和维生素等物质混合后可制成沐浴用品,使用后,丝胶蛋白分子能够均一地附着于全身皮肤,可使得皮肤角质层处于最佳持水状态,有效恢复皮肤保湿能力,预防皮肤干燥[12]。

5 小结与展望

丝绸业作为中国的传统行业要持续健康发展,拉长产业链,增加附加值,丝胶蛋白的开发及应用就显得迫切与必要。丝胶蛋白作为一种宝贵的蛋白质资源,富含大量的水溶性氨基酸,研究表明,90%以上的氨基酸都能被人体吸收。丝胶蛋白抑制多酚氧化酶活性能与维生素C媲美,此外,丝胶蛋白中含有类黄酮等活性物质,因此丝胶蛋白在食品添加剂、食品营养、医疗保健品、功能材料应用前景广泛。当前,绢纺行业在制丝过程中脱胶而来的丝胶蛋白随生产废水排放而流失,并成为绢纺生产中废水的主要污染物,分离提取丝胶蛋白不仅有利于环保,还可将提取的蛋白加以利用,开发出高附加值产品。随着科技发展创新,研究方法的不断改进,对丝胶蛋白的研究更加深入,伴随食品、化工、生物材料等学科的多领域研究,将会有更加丰富多样的丝胶蛋白产品问世。