絲膠蛋白水解工藝研究進(jìn)展

王立帆 瞿 靜

（常熟理工學(xué)院紡織服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

蠶絲由絲膠蛋白和絲素蛋白組成，絲膠蛋白包覆在蠶絲的外層，占蠶絲總質(zhì)量的20%～30%。絲膠蛋白空間結(jié)構(gòu)以無規(guī)則卷曲為主，并含有β-折疊結(jié)構(gòu)，是一種水溶性蛋白質(zhì)。目前，蠶絲加工廢水中絲膠被大量丟棄，不僅對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)，也是資源的極大浪費(fèi)。對絲膠進(jìn)行回收利用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。研究表明絲膠蛋白具有多種形式的生物活性和藥理作用，包括抗菌、防紫外線、保濕、抗氧化、抗腫瘤等作用，已被廣泛應(yīng)用至化妝品、食品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。絲膠蛋白是一種優(yōu)質(zhì)的球狀蛋白質(zhì)，使用純水提取絲膠蛋白的相對分子質(zhì)量分布范圍是20～400 kDa。在涉及絲膠蛋白的多功能應(yīng)用開發(fā)中，需要將大分子絲膠蛋白水解至小分子肽，才能最大限度地發(fā)揮其功效。因此，將絲膠蛋白質(zhì)進(jìn)行水解以獲得一定分子量的多肽或游離氨基酸，能夠進(jìn)一步拓展絲膠蛋白的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 絲膠蛋白水解工藝

絲膠蛋白水解方法主要包括酸水解、堿水解、生物酶水解等。

2.1 酸水解

酸水解法是水解絲膠蛋白最基本和簡便的方法，通常以鹽酸、硫酸或甲酸作為肽鍵斷裂試劑對絲膠蛋白進(jìn)行水解。其生產(chǎn)工藝流程一般為：絲膠溶液→酸水解→中和→過濾→活性炭脫色→熱濾→濃縮→結(jié)晶。酸水解需在耐酸的設(shè)備中進(jìn)行，將酸溶液等肽鍵斷裂試劑加入絲膠溶液中，并不斷攪拌。水解過程中為了防止水分蒸發(fā)而增加酸的濃度，應(yīng)注意補(bǔ)加水或用回流冷卻裝置，待水解完成后將水解液冷卻并用堿中和，靜止一定時(shí)間使沉淀析出，待沉淀后吸出上清液，用酸溶液調(diào)節(jié)上清液的pH 值，再經(jīng)過濾、減壓濃縮、冷卻結(jié)晶析出即可。酸水解程度較高，但會破壞絲膠蛋白中的谷氨酸和天門冬氨酸，降低了絲膠蛋白水解產(chǎn)物中的有效成分。

2.2 堿水解

堿水解是將絲膠蛋白置于堿性環(huán)境中，調(diào)控反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)水解。以高溫高壓堿性水解法為例，蠶絲纖維經(jīng)過1 次高溫高壓脫膠處理，再經(jīng)過堿性水高溫高壓處理后可獲得絲膠水解產(chǎn)物。調(diào)節(jié)堿性水的pH 值和處理時(shí)間，能獲得分子量不同的多肽。

2.3 生物酶水解

蛋白酶水解絲膠蛋白條件溫和，水解效率高，也不會破壞絲膠蛋白的氨基酸組成。同時(shí)，蛋白酶具有高度專一性，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要制備不同的多肽產(chǎn)品。常用來水解絲膠蛋白的蛋白酶主要有胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶和中性蛋白酶等。

2.3.1 胰蛋白酶水解絲膠蛋白

胰蛋白酶水解的原理是選擇性地切斷精氨酸或賴氨酸羧基側(cè)的肽鍵。絲膠蛋白中賴氨酸和精氨酸含量較高，因此胰蛋白酶可以有效水解絲膠蛋白。胰蛋白酶水解能降低絲膠蛋白的膠凝性能、持水能力和持油能力，改變其乳化性能和起泡性能。并且，絲膠水解產(chǎn)物的抗氧化能力和金屬螯合能力明顯高于未經(jīng)處理的絲膠。絲膠及其水解產(chǎn)物表現(xiàn)出良好的持油、乳化和起泡作用。采用胰蛋白酶水解絲膠蛋白，簡便高效，水解度可控。

2.3.2 木瓜蛋白酶水解絲膠蛋白

木瓜蛋白酶是植物源蛋白質(zhì)水解酶，有較寬泛的酶解特異性，對動物蛋白和植物蛋白以及多肽、酯、酰胺等都有較強(qiáng)的水解能力，且酶催化反應(yīng)條件寬泛，對高溫的適應(yīng)性好。葉崇軍等采用木瓜蛋白酶水解絲膠蛋白，通過調(diào)控水解液的pH 值、蛋白酶濃度、底物濃度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等反應(yīng)參數(shù)，可將絲膠蛋白水解成5～12 kDa 的小分子量多肽。

2.3.3 風(fēng)味蛋白酶水解絲膠蛋白

風(fēng)味蛋白酶通過內(nèi)切方式切斷蛋白質(zhì)內(nèi)部的肽鍵，形成短鏈肽。對于含疏水氨基酸的多肽，外切酶每次從多肽鏈末端切斷釋放一個(gè)氨基酸，將長鏈蛋白質(zhì)水解為氨基酸。陳復(fù)生等采用風(fēng)味蛋白酶對絲膠蛋白水解，對水解條件進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，研究絲膠蛋白水解產(chǎn)物的抗氧化能力。結(jié)果表明，影響風(fēng)味蛋白酶水解絲膠蛋白程度的顯著因素為風(fēng)味酶與絲膠蛋白濃度比（酶/蛋白=1/100 最佳）以及水解時(shí)間（2 h 最佳）。多種蛋白酶水解絲膠蛋白時(shí)，風(fēng)味蛋白酶水解產(chǎn)物的相對抗氧化活力最大。

3 絲膠蛋白水解產(chǎn)物

絲膠蛋白是一種功能性蛋白質(zhì)，在組成絲膠蛋白的18 種氨基酸中，有8 種是人體所必需的。絲膠蛋白經(jīng)生物酶處理后，得到的主要水解產(chǎn)物有多種分子量的絲膠多肽，以及游離的甘氨酸、絲氨酸、丙氨酸和酪氨酸等。絲膠蛋白水解產(chǎn)物應(yīng)用廣泛。

3.1 抗氧化作用

絲膠蛋白水解產(chǎn)物含有許多側(cè)鏈較長的氨基酸，如精氨酸、賴氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、酪氨酸等，和較多處于多肽鏈表面的極性親水基團(tuán)，如-OH、-COOH、-NH2、-NH-等，這些結(jié)構(gòu)賦予它優(yōu)異的調(diào)濕和保濕作用。絲膠蛋白水解產(chǎn)物還具有抑制脂肪過氧化的能力和防止細(xì)胞老化、促進(jìn)膠原生成的作用。絲膠肽可以作為一種天然抗氧化劑應(yīng)用于化妝品領(lǐng)域。例如，將絲膠水解產(chǎn)物和中草藥（苧麻根、白芨、白丁香、芙蓉花、香白芷、千金子、密陀僧等）經(jīng)過滅菌、炮制加工、粉碎研磨、篩析、混合攪拌等制成粉狀面膜，能夠保護(hù)面部皮膚彈性，祛除面部皮膚皺紋，延緩面部皮膚衰老。

3.2 營養(yǎng)作用

絲膠蛋白水解產(chǎn)物由小分子量的多肽和游離的氨基酸組成，由于小分子的肽蛋白進(jìn)入人或動物機(jī)體后不必經(jīng)過消化可直接被腸道吸收，所以絲膠水解產(chǎn)物作為食品、營養(yǎng)食品添加劑具有廣闊的應(yīng)用前景。在飲料或食品中加入絲膠蛋白水解產(chǎn)物能促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收，在提高機(jī)體免疫力、增強(qiáng)抗病能力、維護(hù)健康方面有顯著功效。例如，添加了絲膠或水解產(chǎn)物的飲用水能抑制自體氧化，可用作食物蒸煮、炊飯、沏茶、化妝品與飲料加工等的水源。絲膠蛋白水解產(chǎn)物還可用于瓜果食品腌制的調(diào)味液，如話梅的浸漬調(diào)味液，使話梅中含有豐富的氨基酸，特別是高含量的甘氨酸（45%）、絲氨酸（12%）、丙氨酸（30%）、酪氨酸（5%），提高營養(yǎng)價(jià)值?？梢?，絲膠蛋白水解產(chǎn)物在食品方面的應(yīng)用廣泛。

3.3 藥理作用

絲膠蛋白水解產(chǎn)物是降血糖藥物的主要成分之一，可與黃芪、肉叢蓉、黃精、丹參、茯苓等制成多種藥物的劑型，包括片劑、膠囊、口服液、注射劑等，能顯著降低血糖。

絲膠及其水解物能抑制大腸桿菌的生長,用高溫高壓水脫膠法獲得的高分子量絲膠蛋白，再經(jīng)過脫脂、降解、純化和干燥制成的分子量在2 萬以下的1%的絲膠水解液，以不同比例與普通蛋白陳液體培養(yǎng)基混合，進(jìn)行大腸桿菌接種培養(yǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著混合液體培養(yǎng)基中絲膠含量的提高，其抑制大腸桿菌的能力隨之增強(qiáng)，在全絲膠培養(yǎng)液中大腸桿菌的生長幾乎被全部抑制，而未含絲膠的普通蛋白陳液體培養(yǎng)基中的大腸桿菌生長良好。

4 結(jié)論

絲膠蛋白可被酸、堿和蛋白酶水解成小分子多肽或氨基酸，具有抗氧化、營養(yǎng)機(jī)體等作用，能應(yīng)用到化妝品、食品、生物醫(yī)學(xué)以及生物技術(shù)等領(lǐng)域。將絲膠蛋白回收并水解，不僅有利于資源再利用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，也能有效緩解絲膠廢水對環(huán)境造成的負(fù)面影響。