絹紡精煉液中絲膠蛋白的回收與絲膠蛋白的功能及應用前景

張慧華 王志強

(1. 民興絲路(北京)生物科技有限公司,北京豐臺 100000;2.河南民興生物科技股份有限公司,河南社旗 473300 )

在絲綢生產加工的過程中通常將絲膠去除方可經行后續工序,如此將會產生大量含絲膠蛋白的廢水,不僅污染環境,還造成了絲膠蛋白資源的浪費。我國年產桑蠶生絲約6萬～8萬噸,其中有2萬～3萬噸的絲膠蛋白會隨廢水而流失,資源流失近25%[1]。絲膠蛋白是包裹在絲素纖維表層的一種天然蛋白質[2],絲膠蛋白的提取及利用可減輕絲膠廢水對自然環境造成的壓力,將絲膠蛋白這一寶貴資源加以開發利用,對保護環境和增加經濟效益具有雙重意義。本文主要從絲膠蛋白的基本理化性質出發,對絲膠蛋白應用前景加以綜述,以期為絲膠蛋白的開發應用提供理論基礎。

1 絹紡精煉液中的絲膠蛋白及回收方法

絲膠蛋白主要是由蠶的絲腺分泌,是構成蠶繭的主要蛋白之一,約占蠶絲的20%～30%,是一種水溶性的球狀蛋白,相對分子質量約為1.4～300 KDa,含有多種多肽,由18種氨基酸組成,其中絲氨酸、天門冬氨酸和甘氨酸含量較高,相對質量分別達到33.43%、16.71%和13.49%,極性側鏈氨基酸占74.61%[3]。絲膠蛋白中含有大量的羧基和氨基,二者可通過與氫離子或者氫氧根離子相結合而形成大量的親水基團從而顯現出蛋白質最基本的兩性性,而蛋白質的等電點是兩性性質最突出體現,其等電點為3.8～4.5[3];因富含絲氨酸和天門冬氨酸等極性側基氨基酸,因此絲膠蛋白是一種親水基團極為豐富的蛋白質,具有良好的水溶性和抗氧化性強[4]、持油性和起泡等特性。目前回收絲膠蛋白的主要方法有:酸析法、離心法、膜濃縮法、有機溶劑萃取法、冷凍干燥法等。酸析法、有機溶劑萃取法會引入第三介質,且回收的絲膠蛋白功能喪失,因此這類提取方式不適用于絲膠蛋白的功能開發,膜提取法[6-7]可以實現回收不同分子量的絲膠蛋白因而被廣泛使用。

2 絲膠蛋白在紡織涂層上的應用

絲膠蛋白70%氨基酸殘基中富含羥基、羧基、氨基等極性基團,使其具有良好的親水性,其中絲氨酸含量占33%,其次是天冬氨酸和蘇氨酸,因此具有很強的保濕性[5]。將絲膠與一些高分子材料混合制成的材料具有很強的親水性、吸濕性和防濕性能,經絲膠涂層整理的織物,對皮膚有保溫、調濕作用。經絲膠蛋白涂層的紡織品,一方面具有鎖水和保濕功能,另一方面還可以防止化學纖維與皮膚直接接觸,這種新型紡織品具有抗菌消炎功能[10],應用前景廣泛。

3 絲膠蛋白在食品領域的應用

絲膠蛋白良好的溶解性、保濕性、乳化性、起泡性及持油性等功能性質,在食品添加劑領域具有廣闊的應用前景。將絲膠蛋白作為配料用在水溶液中,可發揮其在食品領域的應用價值。將絲膠蛋白作為乳化劑加入香腸等產品中,提高產品質量,延長產品儲藏期;將絲膠蛋白作為起泡制劑加入到蛋糕制品中,可使其結構疏松,口感更加良好。絲膠蛋白富含18種氨基酸,其中人體必需的8種氨基酸含量高達20%以上,且絲膠所含必需氨基酸比例適宜,是人體補充蛋白營養的優質來源。此外,絲膠蛋白具有優良的抗氧化性,食用絲膠蛋白可清除肌膚過剩的自由基,緩解不健康和亞健康狀態;絲膠蛋白中的部分絲氨酸能有效的降低人體血液中膽固醇濃度,對預防高血壓、糖尿病和冠心病等具有一定功效。其中天門冬氨酸能有效保護肝和心肌,降低氧消耗,對治療心絞痛和心肌梗塞等有顯著功效;甘氨酸也能降低血液中的膽固醇濃度,預防高血壓,還能降低血液中的血糖,防治糖尿病等[5]。

4 絲膠蛋白在化妝品領域的應用

4.1 保濕功效

絲膠蛋白因其富含大量親水氨基酸,因此具有與天然保濕因子相似的功能,具有鎖水保濕功用。絲膠蛋白中的極性氨基酸,因富含-OH、-COOH、-NH等親水基團,可使水分與皮膚角質層相結合,使皮膚含有一定的水分,從而使得皮膚柔軟光滑。絲膠分子中的極性基團通過氫鍵與水分子緊密結合,形成吸水和持水性極佳的類似網狀的水凝膠,能吸收和保持其自身質量上千倍的水分[4]。將絲膠蛋白水凝膠涂布于皮膚表面,能在皮膚表面形成一層水化膜,使角質層水合軟化,從而達到保持水分的功效,使皮膚光滑、柔軟、富有彈性。一般認為,小分子量的水溶性絲膠更具有優異的調濕、保濕作用,因此制備小分子量絲膠蛋白用于護膚用途市場潛力巨大。

4.2 絲膠蛋白抗氧化性能

絲膠蛋白能抑制酪氨酸酶的活性[4],其抗氧化能力可與維生素C相媲美,研究發現當絲膠蛋白分子量分布在1萬～20萬 Da[6]時對抑制黑色素形成最為理想, 抗氧化作用也最強,從而有效防止細胞老化和促進膠原蛋白生成。將絲膠蛋白涂抹于人體面部可抑制皮膚產生色斑、暗斑等,使得面部皮膚光滑且富有彈性。

4.3 遮瑕功效

絲膠蛋白因具有良好的水溶性,且能維持水溶液穩定,對皮膚無刺激、無過敏,將絲膠蛋白粉末顆粒用作化妝品基料用于面部涂抹化妝品中,能有效地掩蓋皮膚表面的皺紋、粗大毛孔及其他粗糙組織,起到良好的遮瑕效果。此外,絲膠粉光滑細膩、透氣性好、附著力強,且能隨著環境濕度調節皮膚表面水分,從而對皮膚角質層水分有較好的保持作用[12],因此將絲膠蛋白作為化妝品基料用于遮瑕粉餅前景廣闊。

4.4 非離子表面活性劑

研究發現絲膠蛋白的水解物是一種新型的非離子表面活性劑[11-12],呈現出化學惰性和pH 穩定性,將其與其他材料混合成形,能有效的去除油性污泥,涂抹于皮膚表面具有抗氧化、美白和保濕的效果[15]。此外,絲膠蛋白水解液與其他無機鹽、無機酸、有機酸、草藥、脂肪、醇和維生素等物質混合后可制成沐浴用品,使用后,絲膠蛋白分子能夠均一地附著于全身皮膚,可使得皮膚角質層處于最佳持水狀態,有效恢復皮膚保濕能力,預防皮膚干燥[12]。

5 小結與展望

絲綢業作為中國的傳統行業要持續健康發展,拉長產業鏈,增加附加值,絲膠蛋白的開發及應用就顯得迫切與必要。絲膠蛋白作為一種寶貴的蛋白質資源,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體吸收。絲膠蛋白抑制多酚氧化酶活性能與維生素C媲美,此外,絲膠蛋白中含有類黃酮等活性物質,因此絲膠蛋白在食品添加劑、食品營養、醫療保健品、功能材料應用前景廣泛。當前,絹紡行業在制絲過程中脫膠而來的絲膠蛋白隨生產廢水排放而流失,并成為絹紡生產中廢水的主要污染物,分離提取絲膠蛋白不僅有利于環保,還可將提取的蛋白加以利用,開發出高附加值產品。隨著科技發展創新,研究方法的不斷改進,對絲膠蛋白的研究更加深入,伴隨食品、化工、生物材料等學科的多領域研究,將會有更加豐富多樣的絲膠蛋白產品問世。