羊毛角蛋白的提取及其在大健康領(lǐng)域的應(yīng)用進展

戚欣然，鄭兆柱

（蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215123）

1 角蛋白簡介及羊毛角蛋白結(jié)構(gòu)

角蛋白是一種蛋白質(zhì)，屬于纖維蛋白，也是非營養(yǎng)性的蛋白質(zhì)，廣泛存在于人和動物的表皮中，是毛發(fā)、羽毛、蹄、角等的主要成分，也是結(jié)締組織重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)。角蛋白在一級結(jié)構(gòu)上分為主鏈和側(cè)鏈，側(cè)鏈的種類和性質(zhì)決定了角蛋白整體的物理和化學性質(zhì)。

角蛋白是羊毛纖維的主要成分，羊毛角蛋白由18種氨基酸殘基構(gòu)成，在自然狀態(tài)下有兩種結(jié)構(gòu)，分別為α-螺旋和β-折疊，α-螺旋結(jié)構(gòu)是自然狀態(tài)的主要形態(tài)。α-螺旋結(jié)構(gòu)按照角蛋白的縱軸方向平行有序地排列，填充在羊毛纖維中間的是中間絲蛋白。角蛋白雖然種類不同，但都具有類似的分子結(jié)構(gòu)，分為螺旋桿狀區(qū)、非螺旋的頭區(qū)和尾區(qū)以及連接區(qū)。

2 羊毛角蛋白的制備、純化方法及優(yōu)缺點比較

2.1 機械法

利用外力或高壓作用對纖維結(jié)構(gòu)造成破壞，達到降解目的。纖維受外力作用，在高溫下二硫鍵破裂，使纖維中的角蛋白溶解，得到相對分子質(zhì)量不等的混合可溶性角蛋白溶液。

高壓水解法需使用高壓鍋，在0.6 MPa和165～170 ℃的狀態(tài)下保持1.0 h，在此過程中，角蛋白一級結(jié)構(gòu)中的側(cè)鏈基團遭到破壞，而后通過過濾除雜和凍干制得角蛋白。這種方法環(huán)境條件苛刻、工藝較難控制，還會破壞角蛋白內(nèi)的氨基酸。膨化法和擠壓法在紡織工業(yè)中不常用。

2.2 酸堿法

酸堿法包括酸性法與堿性法。酸性法使用鹽酸等強無機酸與原料反應(yīng)，同時加入巰基乙酸等，在低溫下長時間反應(yīng)。堿性法主要利用NaOH和Na2S等強堿性物質(zhì)的溶液來溶解纖維原料。兩種方法旨在破壞二硫鍵并使肽鍵發(fā)生斷裂。

此外，酸堿法會產(chǎn)生大量酸堿性廢水或廢酸蒸汽等，造成污染。

2.3 氧化還原法

2.3.1 還原法

還原法均利用尿素破壞蛋白分子間的作用力，降低分子的交聯(lián)程度，以實現(xiàn)提取角蛋白的目的。此法需要封閉巰基，防止產(chǎn)生的半胱氨酸殘基被氧化。通過這種原理制得的角蛋白溶液往往穩(wěn)定性較差，可以利用表面活性劑與角蛋白產(chǎn)生的膠束來抑制氧化現(xiàn)象和沉淀現(xiàn)象，常用的表面活性劑是SDS。放入60 ℃烘箱2.0 h，得到大部分溶解的羊毛角蛋白懸濁液，再置于透析袋中進行透析，最終獲得羊毛角蛋白溶液。通過該原理制取溶液操作簡單，是實驗室制備羊毛角蛋白的常用方法。

2.3.2 氧化法

氧化劑會破壞羊毛中的二硫鍵，形成新的親水性基團，再經(jīng)烘干得到所需要的角蛋白。研磨后，利用強酸溶液制得羊毛角蛋白溶液。

2.4 生物法

采用生物酶或特定微生物的蛋白酶降解羊毛[1]，提取后利用高溫酶失活，過濾底部雜質(zhì)，獲得上層可溶性羊毛角蛋白清液。該方法對角蛋白和氨基酸的破壞力較小，但所需時間較長且實驗耗材較貴，不常用。

2.5 微波法

用尿素等混合液對羊毛進行預(yù)處理[2]。混合物的消解罐于微波儀中升溫，恒溫保持2.0 h，微波功率為400 W。將反應(yīng)后的羊毛角蛋白溶液用絲光棉濾布過濾，經(jīng)二次離心及透析，冷凍提純得到羊毛角蛋白。該方法在較低溫度下得到了較好的羊毛角蛋白溶解率，既保證了角蛋白的活性，又綠色環(huán)保。

2.6 離子液體法

含有陰陽離子的液體在高溫下破壞羊毛原纖的分子作用力[3]，且在回收過程中離子不溶于水，沉淀在溶液底部，所以直接用過濾法回收即可，綠色環(huán)保，但該方法提取率低。

2.7 金屬鹽法

利用金屬鹽對氫鍵的破壞作用，可以添加還原劑與試劑混合使用，提取出濃度較高的角蛋白溶液[4]。該方法溶解率低、反應(yīng)進程難以很好地控制。

2.8 銅氨溶液法

利用銅氨、銅乙二胺對氫鍵的破壞作用，可以添加還原劑與銅氨溶液混合，可較好地溶解羊毛角蛋白且濃度較高[5]。

2.9 電化學氧化還原法

通過電化學氧化還原反應(yīng)加速實驗進程，防止巰基被氧化[6]。該方法過程復(fù)雜煩瑣，電極槽中的產(chǎn)物復(fù)雜、難以提純。

2.10 熔融尿素法

升溫加入尿素至熔融狀態(tài)，尿素與羊毛的比例為10∶1，在冷卻過程中加入10份額的尿素以防止尿素迅速凝固。再經(jīng)后濾、透析、冷凍得到純角蛋白粉末。該方法較為簡單易行。

3 羊毛角蛋白的應(yīng)用形式

3.1 凝膠

在提取的羊毛角蛋白溶液凍干后，將其研磨成粉末。稱取適量角蛋白粉末與蒸餾水混合，再加入L-半胱氨酸，攪拌至溶解后，置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，加入轉(zhuǎn)子攪拌，在65 ℃條件下反應(yīng)30 min后取出，置于室溫下冷卻，形成羊毛角蛋白水凝膠。也可選用臥式靜電紡絲方式進行紡絲[7]，再將靜電紡纖維膜置于光交聯(lián)液中，于紫外線下照射30 min完成交聯(lián)，反復(fù)浸泡沖磷酸鹽緩沖液洗去多余的光交聯(lián)液，得到羊毛角蛋白納米纖維水凝膠。

3.2 膜

將增塑劑丙二醇、二甘醇加入角蛋白溶液，升溫至60 ℃，保證增塑劑充分溶解，使制成的膜具有均一性。膜具有高模高強、伸長度好、彎曲剛裂度低的特點，同時通過細胞培養(yǎng)、皮膚刺激等實驗證明了該膜的良好生物相容性[8]。有團隊運用熱壓閥將角蛋白溶液與改性劑甘油混合，經(jīng)透氣量儀和抗靜電測試，研究角蛋白膜的透氣、力學等性能。還可以用交聯(lián)劑戊二醛對角蛋白膜進行處理，測試結(jié)果顯示，膜交聯(lián)程度與強度呈正相關(guān)、與伸長率呈負相關(guān)[9]。Saika等[10]通過實驗改善了角蛋白膜的機械性能和疏水性，并且保留了良好的生物相容性，他們將加入交聯(lián)劑丙三醇縮水甘油醚的角蛋白溶液與殼聚糖混合。

另外，角蛋白與其他材料結(jié)合也可以制得具有多種優(yōu)點的生物相容性膜。如角蛋白/PVA混合膜[11]，將羊毛角蛋白溶液與質(zhì)量分數(shù)為2%的PVA溶液混合（w/w），在磁力攪拌器上以中速攪拌0.5 h，使兩者混合均勻，然后將混合溶液沉降，取出一定量的混合溶液倒入聚乙烯板盒內(nèi)，自然干燥成膜，即得角蛋白/PVA混合膜。

3.3 支架

絲素蛋白/羊毛角蛋白復(fù)合多孔支架[12]：在室溫條件下，將質(zhì)量分數(shù)為6%的絲素蛋白溶液和羊毛角蛋白溶液按蛋白比例（絲素蛋白∶羊毛角蛋白）10∶0、8∶2和6∶4進行混合。隨著羊毛角蛋白比例的增大，支架難以成型，加入一定質(zhì)量的甘油（蛋白質(zhì)量的30%），增強復(fù)合支架的韌性。攪拌15～20 min后將混合溶液用移液槍移入24孔板中，接著放入-80 ℃的超低溫冰箱中冷凍12.0 h，最后取出并放入冷凍干燥機冷凍干燥48.0 h，得到絲素蛋白羊毛角蛋白復(fù)合多孔支架。

4 應(yīng)用

4.1 生物醫(yī)學應(yīng)用

羊毛角蛋白基材料具有很好的機械耐久性和生物相容性，易于生物降解。這些獨特的性質(zhì)在現(xiàn)代生物材料領(lǐng)域引發(fā)了一場革命。角蛋白基水凝膠作為生物材料在各種生物醫(yī)學應(yīng)用中顯示出良好的效果。角蛋白水凝膠（9%）顯示出阻止燒傷加重和促進皮膚再生的能力。15%角蛋白水凝膠已被證明對神經(jīng)再生和恢復(fù)有效[13]。5%角蛋白水凝膠和5%聚乙烯醇的混合物有利于傷口愈合[14]。角蛋白聚合物已被用于開發(fā)牙組織工程支架：質(zhì)量分數(shù)為20%的角蛋白和3%的甘油水凝膠增強了成牙本質(zhì)細胞的行為，并在牙髓-牙本質(zhì)再生中顯示出良好的效果[13]。交聯(lián)的二硫化物水凝膠是藥物釋放和輸送的理想選擇。角蛋白烯丙基硫醚水凝膠具有可控降解性，是一種用于包裹和遞送細胞的可行基質(zhì)[14]。

角蛋白膜可用于生產(chǎn)新的可生物降解和生物相容材料，也可用于傷口修復(fù)和組織工程，能促進細胞黏附，是一種新的傷口處理方法。用10%的角蛋白和明膠在1.00 mL乙二醇和0.35 mL戊二醛中制成的薄膜顯示出顯著的機械和吸水性能，因此被用于制作傷口敷料[15]。這些聚合物納米纖維能恢復(fù)天然細胞外基質(zhì)的功能，在組織工程、藥物輸送和傷口愈合中發(fā)揮了重要作用。角蛋白纖維由聚己內(nèi)酯與角蛋白以7∶3的比例靜電紡絲制成，用于骨組織工程。靜電紡絲因具有可靠性和有效性而被用于制備這種納米纖維。用15%（w/w）甲酸制備的角蛋白-聚酰胺6復(fù)合材料被廣泛用于生物醫(yī)療設(shè)備，也可作為凈化水的吸附劑[16]。聚乳酸/殼聚糖-角蛋白復(fù)合物可促進成骨細胞的刺激和增殖，且有助于骨組織再生[15]。

4.2 美容應(yīng)用

羊毛角蛋白水解產(chǎn)物可用于各種化妝品中，如針對頭發(fā)和皮膚的產(chǎn)品。角蛋白肽有助于頭發(fā)補充水分，提高發(fā)絲的光澤度和柔軟度；對皮膚有補水作用，可用于制作皮膚保濕劑[13]。羊毛角蛋白能改善頭發(fā)的機械和熱性能，并與水相容，支持其化妝品的使用。羊毛角蛋白水解物作為濕潤劑，將水從表皮下層結(jié)合到角質(zhì)層，補充角質(zhì)層的細胞間脂質(zhì)，還可以增強皮膚的功能。如溶解的角蛋白結(jié)合到天然指甲上，可改善指甲板[13]。

4.3 生物吸附劑

羊毛角蛋白生物材料有助于清除水中的重金屬。通過其表面的活性極性位點，以物理和化學的表面機制吸引帶電的金屬離子。從羊毛中提取的角蛋白分別用于吸附金屬鉛。

4.4 生物肥料

由于碳和氮的存在，角質(zhì)廢物被用作有機肥料。角蛋白是制備肥料的可靠氮源。羊毛纖維因為富含肽、氨基酸和礦物質(zhì)而成為生物肥料的良好來源，可幫助修復(fù)被污染的土壤，加速植物生長，還有助于作物栽培。