王立帆 瞿 静
(常熟理工学院纺织服装与设计学院,江苏 常熟 215500)
蚕丝由丝胶蛋白和丝素蛋白组成,丝胶蛋白包覆在蚕丝的外层,占蚕丝总质量的20%~30%。丝胶蛋白空间结构以无规则卷曲为主,并含有β-折叠结构,是一种水溶性蛋白质。目前,蚕丝加工废水中丝胶被大量丢弃,不仅对环境造成负担,也是资源的极大浪费。对丝胶进行回收利用,具有显著的经济效益和社会效益。研究表明丝胶蛋白具有多种形式的生物活性和药理作用,包括抗菌、防紫外线、保湿、抗氧化、抗肿瘤等作用,已被广泛应用至化妆品、食品、生物医药等领域。丝胶蛋白是一种优质的球状蛋白质,使用纯水提取丝胶蛋白的相对分子质量分布范围是20~400 kDa。在涉及丝胶蛋白的多功能应用开发中,需要将大分子丝胶蛋白水解至小分子肽,才能最大限度地发挥其功效。因此,将丝胶蛋白质进行水解以获得一定分子量的多肽或游离氨基酸,能够进一步拓展丝胶蛋白的应用领域。
丝胶蛋白水解方法主要包括酸水解、碱水解、生物酶水解等。
酸水解法是水解丝胶蛋白最基本和简便的方法,通常以盐酸、硫酸或甲酸作为肽键断裂试剂对丝胶蛋白进行水解。其生产工艺流程一般为:丝胶溶液→酸水解→中和→过滤→活性炭脱色→热滤→浓缩→结晶。酸水解需在耐酸的设备中进行,将酸溶液等肽键断裂试剂加入丝胶溶液中,并不断搅拌。水解过程中为了防止水分蒸发而增加酸的浓度,应注意补加水或用回流冷却装置,待水解完成后将水解液冷却并用碱中和,静止一定时间使沉淀析出,待沉淀后吸出上清液,用酸溶液调节上清液的pH 值,再经过滤、减压浓缩、冷却结晶析出即可。酸水解程度较高,但会破坏丝胶蛋白中的谷氨酸和天门冬氨酸,降低了丝胶蛋白水解产物中的有效成分。
碱水解是将丝胶蛋白置于碱性环境中,调控反应条件,实现水解。以高温高压碱性水解法为例,蚕丝纤维经过1 次高温高压脱胶处理,再经过碱性水高温高压处理后可获得丝胶水解产物。调节碱性水的pH 值和处理时间,能获得分子量不同的多肽。
蛋白酶水解丝胶蛋白条件温和,水解效率高,也不会破坏丝胶蛋白的氨基酸组成。同时,蛋白酶具有高度专一性,可根据不同的应用需要制备不同的多肽产品。常用来水解丝胶蛋白的蛋白酶主要有胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、风味蛋白酶和中性蛋白酶等。
2.3.1 胰蛋白酶水解丝胶蛋白
胰蛋白酶水解的原理是选择性地切断精氨酸或赖氨酸羧基侧的肽键。丝胶蛋白中赖氨酸和精氨酸含量较高,因此胰蛋白酶可以有效水解丝胶蛋白。胰蛋白酶水解能降低丝胶蛋白的胶凝性能、持水能力和持油能力,改变其乳化性能和起泡性能。并且,丝胶水解产物的抗氧化能力和金属螯合能力明显高于未经处理的丝胶。丝胶及其水解产物表现出良好的持油、乳化和起泡作用。采用胰蛋白酶水解丝胶蛋白,简便高效,水解度可控。
2.3.2 木瓜蛋白酶水解丝胶蛋白
木瓜蛋白酶是植物源蛋白质水解酶,有较宽泛的酶解特异性,对动物蛋白和植物蛋白以及多肽、酯、酰胺等都有较强的水解能力,且酶催化反应条件宽泛,对高温的适应性好。叶崇军等采用木瓜蛋白酶水解丝胶蛋白,通过调控水解液的pH 值、蛋白酶浓度、底物浓度、反应时间、反应温度等反应参数,可将丝胶蛋白水解成5~12 kDa 的小分子量多肽。
2.3.3 风味蛋白酶水解丝胶蛋白
风味蛋白酶通过内切方式切断蛋白质内部的肽键,形成短链肽。对于含疏水氨基酸的多肽,外切酶每次从多肽链末端切断释放一个氨基酸,将长链蛋白质水解为氨基酸。陈复生等采用风味蛋白酶对丝胶蛋白水解,对水解条件进行正交试验分析,研究丝胶蛋白水解产物的抗氧化能力。结果表明,影响风味蛋白酶水解丝胶蛋白程度的显著因素为风味酶与丝胶蛋白浓度比(酶/蛋白=1/100 最佳)以及水解时间(2 h 最佳)。多种蛋白酶水解丝胶蛋白时,风味蛋白酶水解产物的相对抗氧化活力最大。
丝胶蛋白是一种功能性蛋白质,在组成丝胶蛋白的18 种氨基酸中,有8 种是人体所必需的。丝胶蛋白经生物酶处理后,得到的主要水解产物有多种分子量的丝胶多肽,以及游离的甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸和酪氨酸等。丝胶蛋白水解产物应用广泛。
丝胶蛋白水解产物含有许多侧链较长的氨基酸,如精氨酸、赖氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、酪氨酸等,和较多处于多肽链表面的极性亲水基团,如-OH、-COOH、-NH2、-NH-等,这些结构赋予它优异的调湿和保湿作用。丝胶蛋白水解产物还具有抑制脂肪过氧化的能力和防止细胞老化、促进胶原生成的作用。丝胶肽可以作为一种天然抗氧化剂应用于化妆品领域。例如,将丝胶水解产物和中草药(苎麻根、白芨、白丁香、芙蓉花、香白芷、千金子、密陀僧等)经过灭菌、炮制加工、粉碎研磨、筛析、混合搅拌等制成粉状面膜,能够保护面部皮肤弹性,祛除面部皮肤皱纹,延缓面部皮肤衰老。
丝胶蛋白水解产物由小分子量的多肽和游离的氨基酸组成,由于小分子的肽蛋白进入人或动物机体后不必经过消化可直接被肠道吸收,所以丝胶水解产物作为食品、营养食品添加剂具有广阔的应用前景。在饮料或食品中加入丝胶蛋白水解产物能促进矿物质的吸收,在提高机体免疫力、增强抗病能力、维护健康方面有显著功效。例如,添加了丝胶或水解产物的饮用水能抑制自体氧化,可用作食物蒸煮、炊饭、沏茶、化妆品与饮料加工等的水源。丝胶蛋白水解产物还可用于瓜果食品腌制的调味液,如话梅的浸渍调味液,使话梅中含有丰富的氨基酸,特别是高含量的甘氨酸(45%)、丝氨酸(12%)、丙氨酸(30%)、酪氨酸(5%),提高营养价值。可见,丝胶蛋白水解产物在食品方面的应用广泛。
丝胶蛋白水解产物是降血糖药物的主要成分之一,可与黄芪、肉丛蓉、黄精、丹参、茯苓等制成多种药物的剂型,包括片剂、胶囊、口服液、注射剂等,能显著降低血糖。
丝胶及其水解物能抑制大肠杆菌的生长,用高温高压水脱胶法获得的高分子量丝胶蛋白,再经过脱脂、降解、纯化和干燥制成的分子量在2 万以下的1%的丝胶水解液,以不同比例与普通蛋白陈液体培养基混合,进行大肠杆菌接种培养试验。结果表明,随着混合液体培养基中丝胶含量的提高,其抑制大肠杆菌的能力随之增强,在全丝胶培养液中大肠杆菌的生长几乎被全部抑制,而未含丝胶的普通蛋白陈液体培养基中的大肠杆菌生长良好。
丝胶蛋白可被酸、碱和蛋白酶水解成小分子多肽或氨基酸,具有抗氧化、营养机体等作用,能应用到化妆品、食品、生物医学以及生物技术等领域。将丝胶蛋白回收并水解,不仅有利于资源再利用,产生经济效益,也能有效缓解丝胶废水对环境造成的负面影响。