蚕丝素蛋白及其应用

从天然蚕丝或茧壳中提取丝素蛋白分为 2 个步 骤: 蚕丝或茧壳的脱胶和丝素纤维的溶解。 3 1 脱胶
( 1) 马赛热皂液法( M arseilles soap) 把干燥的桑蚕茧壳放入 0 5% 的马赛热皂液和 0 3% 的 N a2CO 3 混合液中, 在 100 ∋ 下煮沸 1h, 再 用去离子水冲洗数次, 即得到丝素纤维 12~ 13!。 Paola T addei 等人对于不同种类的蚕壳采用了 不同的方 法: 家蚕 蚕壳在 7g/ L 的马 赛热 皂液中, 98 ∋ 下 加 热 1h; 柞 蚕 蚕 壳 在 3g/ L N a2CO3、3g/ L N a2SiO3 和 2g/ L 马赛热皂液的混合液中, 在 98 ∋ 下
将茧壳或蚕丝放入 100 ∋ 的水中, 常压下煮 5~ 60min, 或用高压灭菌锅在 120 ∋ 下煮 5~ 30min, 其 中脱胶液的体积( 单位为毫升) 与蚕壳的质量( 单位 为克) 之比为 30。 3 2 丝素纤维的溶解
( 1) A jisaw a∗ s 法 17! 将脱胶后的 丝素纤维 放入 Ajisaw a∗ s 试 剂 n ( CaCl2) +n ( Et OH) +n( H2O) = 1+2+8!中, 在 75 ∋ 下不断 搅拌, 直至丝素纤维全部溶解, 其中, 丝素纤维的体 积( 单位为毫升) 与 Ajisawa∗ s 试剂质量( 单位为克) 的比为 15。溶解液用去离子水透析, 直到用 Ag NO3 检测不到 Cl- 为止。Ajisaw a∗ s 法的溶解温度和时 间可根 据 反 应情 况 和 要求 进 行适 当 的 调节。用
丝素蛋白由重链和轻链构成, 其中重链和轻链 的分子量分别为 350KD 和 25KD。重链和轻链之间 由二硫键相连, 同时还有一个被称为 P 25 的链段与 重链和轻 链以非 共价键 相连, P25 的分 子量为 27 KD 5!。
丝素 蛋 白 的 亚 基 由 分 子 量 分 别 为 280KD、 230KD、25KD 的 a、b、c 3 种亚基组成, 其中 a、c 亚基 占全部蛋白总量的 90% 以上 6!。
丝素溶液中丝素 蛋白的构象为无规则卷曲结 构, 在 45 ∋ 下中速干燥固化得到含 silk # 结构的丝 素膜; 温度高于 45 ∋ 时, silk # 向 silk ∃转变。丝素 溶液干燥固化后的结构不但受温度影响, 还与干燥 速度、溶液的酸碱度及组成有着密切的关系。长时 间常温下干燥的过程中有 silk # 的 形成, 但最终会 形成稳定的 silk ∃; 当干燥速度过快时, 即使在 50 ∋ 以上, 仍以无定形结构为主; 若溶液干燥初期 pH 值 大于 5, 则形成无定形结构; 若溶液干燥初期 pH 值 小于 5, 则形成 silk ∃; 若丝素水溶液中加入甲醇、乙 醇等溶剂, 则形成 silk ∃; 另外, 将丝素水溶液搅拌 或将固态丝素快速拉伸, 则形成 silk ∃; 将丝素水溶 液放置于 7kV 的电场中时, 部分带极性的链段在电 场的作用下定向排列, 使丝素构象形成 silk ∃。由 此我们可以看出, 丝素溶液在受到外界刺激时, 很容 易形成其比较稳定的结构形态 silk ∃。
第 12 卷第 12 期 2004 年 6 月 21 日
精细与专用化学品 Fine and Specialt y Chemicals
Vol. 12, No. 12 ∀ 13 ∀
新品介绍
蚕丝素蛋白及其应用
王佳培 胡建恩 白雪芳 杜昱光 ( 中国科学院大连化学物理研究所, 辽宁 大连 116023)
摘 要: 阐述了丝素蛋白的组成、结构、性质和制备方 法, 及 其综合利用 现状。丝素作 为一种天然 蛋白质在 医 学和食品等行业的应用开发研究具有深远的意义。
在 silk ∃中, 肽链的链段排列整齐, 相邻链段之 间的氢键和分子间引力使它们结合的相当紧密, 抵 抗外力拉伸的能力强, 柔软度低, 在水中难以溶解, 对酸、碱、盐、酶及热的抵抗力较强。无定形丝素中
肽链的链段排列不整齐, 链段之间的结合力较弱, 易 溶于水, 柔软度高, 抵抗外力拉伸的能力弱, 吸湿性 强, 对酸、碱、盐、酶和热的抵抗力较弱。
Key words: silk fibroin; silk; amino acid
蚕丝由 2 种蛋白组成, 包围在蚕丝外层的是丝 胶蛋白, 内层为丝素蛋白。不同种类的蚕丝中, 丝素 蛋白的含量不尽相同, 但大体上说, 丝素蛋白占蚕丝 总质量的 70% ~ 80% 。
我国早在 5000 年前就有了养蚕的历史, 历来以 养蚕 缫丝 织绸为传统产业, 是产丝大国, 家蚕蚕茧 和年生丝量分别为 68 万 t 和 8 7 万 t , 占全世界总 产量的 70% 1!; 柞蚕的总产 量占全世 界的 90% 左 右。在丝绸生产过程中难免产生废丝, 其数量可观, 从资源节约和综合利用方面出发, 开展对丝素的开 发研究有着重要的意义。
柞蚕丝素
25 85 44 11
1 52 0 40 0 38 12 9 0 47 0 50 0 23 9 01 0 47 0 47 1 75 0 21 5 13 8 22 2 12 1 56
桑蚕丝素
42 8 32 4
3 03 0 68 0 87 14 7 1 51 0 10 0 03 11 8 1 15 0 63 0 36 0 45 0 90 1 73 1 74 0 32
有些金属离子对 丝素蛋白的构象有一定的影 响。在一定 pH 值条件下, N i2+ 离子通过四配位的 螯合作用诱导丝素蛋白 silk ∃的形成; Viney 根据电 感耦合等离 子体( ICP ) 技术 推测 Ca2+ 的增加能使 silk ∃的形成加速; 李贵阳等用 NMR 谱定量拟合的 结果 表明, Ca2+ 、Cu2+ 的 存在 有 利 于 silk ∃ 的 形 成 9!; P aola T addei 发现 Co2+ 的配位作用也对丝素 蛋白的结构有着一定的影响 10!。
在透射电镜和扫描电镜下观察 4!, 丝素纤维的 最基本结构单元是直径为 10~ 50nm 的微原纤, 微 原纤聚集成数万纳米的原纤, 大约 100 根原纤再集 合成十万纳米数量级的巨原纤, 巨原纤再聚集成几 百万纳米的丝素纤维。
近年来, Regina V 等人又发现了存在于丝素溶 液 空 气界面上的一种 新的丝素结晶 形态, 称 之为 silk &, 其晶体结构与聚甘氨酸 ∃相似, 属六方晶系, 肽链的立体构象为 折叠螺旋。
脱胶后用苦味酸胭脂红溶液来检测精炼丝是否 脱胶完全, 样品呈黄色表明丝胶脱尽, 红色表明丝胶 尚未脱尽; 也可 以用 0 5% 的 NaH CO3 煮沸 30min 进行脱胶, 重复此操作一次后, 用去离子水洗净, 得 到丝素纤维 16!。
( 3) 酶解脱胶法 将 蚕 壳 或 蚕 丝 放 入 1% Alkalase 浓 度 为 2 5mg / mL 的溶液中, 在 60 ∋ 下煮 30m in, 其中脱胶 液的体积( 单位为毫升) 与蚕壳的质量( 单位为克) 之 比为 50。 ( 4) 尿素脱胶法 脱胶液为 8mol/ L 尿素溶液、0 04mol/ L T ris 和 硫酸盐缓冲液( pH= 7) 、0 5mol/ L 巯基乙醇的混合 溶液, 其中脱胶液的体积( 单位为毫升) 与蚕壳的质 量( 单位为克) 之比为 30。 ( 5) 皂液脱胶法 将茧壳或蚕丝放入 0 05% 的皂液中, 在 100 ∋ 下煮 30m in, 其中脱胶液的体积( 单位为毫升) 与蚕 壳的质量( 单位为克) 之比为 100。 ( 6) 水脱胶法
加热 1h。 ( 2) N a2CO3 脱胶法 用 N a2CO 3 脱胶有 3 种操作方法: 在 0 05%
N a2CO 3 溶液中于 98~ 100 ∋ 下加热 30min, 重复 3 次; ( 在 0 05% N a2CO3 溶液中, 脱胶液的体积( 单 位为毫升) 与蚕壳的质量 ( 单位为克) 之比为 50, 煮 沸 60min, 重复 2 次 14!; ) 在 0 5% N a2CO3 溶 液 中, 脱胶液的体积( 单位为毫升) 与蚕壳的质量( 单位 为克) 之比为 50, 煮沸 30min, 重复 2 次 15!。
关键词: 丝素蛋白; 蚕丝; 氨基酸
Silk Fibroin and its Application
WA N G Ji a p ei , H U Ji an en, BA I X ue f ang, DU Y u guang
( Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China)
1 2 结构 丝素蛋白是一种纤维状蛋白, 由表层的无定形
区和里层的结晶区构成。其中结晶区包括 2 种结晶 形态, 分别称 为 silk # 型和 silk ∃ 型。silk # 晶体立 体构象呈曲柄形, 是介于 折叠与 螺旋之间的一 种中间形态, 晶胞参数为: a= 4 49 , b= 7 20 , c= 9 08 ; silk ∃晶体呈反平行 折叠层结构, 属单斜 晶系, 晶 胞 参 数 为: a = 9 44 , b = 6 97 , c = 9 20 , = 90%, 由肽链构成折叠层, 再由折 叠层形 成整个 silk ∃晶体 3!。
Abstract: T he composition, structure, propert y, preparation and current situation of co mprehensive utilization of silk fibroin have been reviewed in this paper. T he development r esearch on applicatio n of silk fibr oin, a kind of natur al re source, in medicine, foodstuff and otherwise has great profound significance in practice.