羊毛角蛋白的提取及其在大健康領域的應用進展

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構

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

角蛋白是羊毛纖維的主要成分，羊毛角蛋白由18種氨基酸殘基構成，在自然狀態下有兩種結構，分別為α-螺旋和β-折疊，α-螺旋結構是自然狀態的主要形態。α-螺旋結構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構，分為螺旋桿狀區、非螺旋的頭區和尾區以及連接區。

2 羊毛角蛋白的制備、純化方法及優缺點比較

2.1 機械法

利用外力或高壓作用對纖維結構造成破壞，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 ℃的狀態下保持1.0 h，在此過程中，角蛋白一級結構中的側鏈基團遭到破壞，而后通過過濾除雜和凍干制得角蛋白。這種方法環境條件苛刻、工藝較難控制，還會破壞角蛋白內的氨基酸。膨化法和擠壓法在紡織工業中不常用。

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，同時加入巰基乙酸等，在低溫下長時間反應。堿性法主要利用NaOH和Na2S等強堿性物質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生斷裂。

此外，酸堿法會產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，降低分子的交聯程度，以實現提取角蛋白的目的。此法需要封閉巰基，防止產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定性較差，可以利用表面活性劑與角蛋白產生的膠束來抑制氧化現象和沉淀現象，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，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。將反應后的羊毛角蛋白溶液用絲光棉濾布過濾，經二次離心及透析，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加速實驗進程，防止巰基被氧化[6]。該方法過程復雜煩瑣，電極槽中的產物復雜、難以提純。

2.10 熔融尿素法

升溫加入尿素至熔融狀態，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，加入轉子攪拌，在65 ℃條件下反應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液中，于紫外線下照射30 min完成交聯，反復浸泡沖磷酸鹽緩沖液洗去多余的光交聯液，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、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。還可以用交聯劑戊二醛對角蛋白膜進行處理，測試結果顯示，膜交聯程度與強度呈正相關、與伸長率呈負相關[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合也可以制得具有多種優點的生物相容性膜。如角蛋白/PVA混合膜[11]，將羊毛角蛋白溶液與質量分數為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，自然干燥成膜，即得角蛋白/PVA混合膜。

3.3 支架

絲素蛋白/羊毛角蛋白復合多孔支架[12]：在室溫條件下，將質量分數為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，加入一定質量的甘油（蛋白質量的30%），增強復合支架的韌性。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合多孔支架。

4 應用

4.1 生物醫學應用

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。這些獨特的性質在現代生物材料領域引發了一場革命。角蛋白基水凝膠作為生物材料在各種生物醫學應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再生和恢復有效[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牙組織工程支架：質量分數為20%的角蛋白和3%的甘油水凝膠增強了成牙本質細胞的行為，并在牙髓-牙本質再生中顯示出良好的效果[13]。交聯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[14]。

角蛋白膜可用于生產新的可生物降解和生物相容材料，也可用于傷口修復和組織工程，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天然細胞外基質的功能，在組織工程、藥物輸送和傷口愈合中發揮了重要作用。角蛋白纖維由聚己內酯與角蛋白以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復合材料被廣泛用于生物醫療設備，也可作為凈化水的吸附劑[16]。聚乳酸/殼聚糖-角蛋白復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 美容應用

羊毛角蛋白水解產物可用于各種化妝品中，如針對頭發和皮膚的產品。角蛋白肽有助于頭發補充水分，提高發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，將水從表皮下層結合到角質層，補充角質層的細胞間脂質，還可以增強皮膚的功能。如溶解的角蛋白結合到天然指甲上，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、氨基酸和礦物質而成為生物肥料的良好來源，可幫助修復被污染的土壤，加速植物生長，還有助于作物栽培。