期刊上发文章角蛋白的结构、性能与加工研究

　　【摘　要】角蛋白是蛋白质的一种，广泛存在于人和动物的表皮、毛发以及动物的蹄、壳、爪、角等中。角蛋白具有生物可降解性、生物兼容性、无毒、价格低廉等优点，可以用作伤口敷料，起到抵抗细菌活性和加速伤口愈合的作用。因而具有很大的回收利用价值。

　　【关键词】角蛋白,头发,羊毛,期刊上发文章

　　天然角蛋白的加工利用已经有很长的历史。随着对角蛋白的理论研究和应用研究的开展，角蛋白粉已经广泛应用于饲料中，并且国内外有很多人正在研究利用角蛋白开发表面活性剂、絮凝剂、氨基酸产品和系列保健品等。近年来，可生物降解塑料和生物医学材料受到广泛的重视。但是仅仅将角蛋白用于这些方面还远远不能解决废弃角蛋白的浪费问题和环境污染问题。有必要开发角蛋白新的利用方向，以拓宽角蛋白的利用范围。角蛋白中含有大量的胱氨酸，胱氨酸中的二硫键氧化后可得到磺酸基团，再将角蛋白分子经过热压重排后制备出具有质子导电性的膜材料。这种膜有望用于燃料电池、电渗析、电去离子等。

　　一、角蛋白的结构与性质

　　1.角蛋白的结构

　　角蛋白的加工和利用已经有很长的历史，因此人们对角蛋白的组织和形态结构的研究也很细致和充分。羊毛和头发是自然界最常见的角蛋白存在形式，因此我们以羊毛和头发为例说明角蛋白的结构。

　　(1)人发和羊毛的形态结构

　　头发的组织是由毛干和毛根两部分构成。毛干由内向外由髓质、皮质和毛表皮组成。髓质位于中心位置，是由几行含有密集的角蛋白丝的立方形髓质细胞构成，具有一定的硬度。皮质是由包埋在富有二硫键的致密基质中的角蛋白丝束的梭形角化细胞构成。毛表皮位于表面，由一层薄而透明的高度角化的细胞构成。毛根包绕在上皮性和结蒂组织性组成的毛囊内。毛根和毛囊的下端合为一体，成为膨大的毛球，球底面向内凹陷，容纳毛乳头。

　　(2)角蛋白的物理结构

　　角蛋白可分为两类，一类是α-角蛋白，另一类是β-角蛋白。其中α-角蛋白是优势存在形式。它主要由α-螺旋的多肽链构成，多肽链大体上与角蛋白的长向平行，α-角蛋白是α-螺旋的典型实例。

　　在α-角蛋白中，每个α-螺旋之间以二硫键键合，三个螺旋互相拧在一起，象一股绳子，组成超级盘绕的三螺旋。三螺旋中使每个成员之间互相紧紧结合的是二硫键，而且三个螺旋保持同样的旋转方向。11条这样的三股绳结合在一起构成毛发的微纤维，其中两条在角心，九条在外圆，直径为8nm。微纤维包埋在硫含量很高的无定型基质中。成百根这样的微纤维又结合成一个不规则的纤维束，称大纤维，其直径为200nm。角蛋白在自然状态下有着特定的X射线衍射模型，称之为α型。α-螺旋是蛋白质分子中最常见且很稳定的一种构象，可以分成左手螺旋和右手螺旋，后者较前者稳定。天然蛋白质分子中存在的α-螺旋主要是右手螺旋。α-螺旋的稳定性归因于在羰基基团和相邻N-H基团之间所形成的分子内氢键。α-角蛋白的伸缩性能很强，一根毛发可以伸长到原有长度的二倍，这时α-螺旋被撑开，各圈间的氢键被破坏，转变为β-构象。β-构象是完全不同的X射线衍射模型，称之为β型。X射线研究发现β-折叠是一种较伸展的构象，但并不完全伸展，是若干条肽链或一条肽链的若干肽段平行排列而成。相邻主链骨架之间靠氢键维持，在主链骨架之间形成最多的氢键，避免了相邻侧链间的空间障碍，从而形成一个折叠的片层结构。

　　(3)角蛋白的化学结构及组分

　　角蛋白大分子是由以20多种α-氨基酸(氨基在羧基的α位)通过酰胺键(又称肽键)相互连接起来的多缩氨酸链组成。毛发中角蛋白的含量大约为99%，剩余的1%是脂肪等非蛋白质物质。分析研究表明羊毛的平均重量组成是50%的碳、7%的氢、22-25%的氧、16-17%的氮和3-4%的硫。

　　2.角蛋白的性质

　　(1)角蛋白的吸湿性

　　角蛋白纤维有着很高的吸湿能力，它的吸湿量可以达到自身重量的35%，而棉花的吸湿量约为自身重量的20%，尼龙和聚酯的吸湿量约为自身重量的10%。并且，角蛋白纤维以同时具有亲水和疏水的性质(wettability paradox)而著称，它有着疏水的表面，却有着吸湿的内部。羊毛和头发能在吸收很多水分后，表面仍然感觉不到潮湿，这主要是因为羊毛表面有一层阻挡层。羊毛和头发能吸收很多水分而感觉不到潮湿主要就是因为有这一层薄膜。微原纤和基体(matrix)之间的化学物质很适合形成氢桥，是角蛋白纤维吸湿的重要原因。

　　二、角蛋白的加工与提取

　　1.机械法加工角蛋白

　　机械法加工角蛋白一般都是应用加热(100-200℃)、加压(0.3-1MPa)的方法使角蛋白内部的二硫键和肽链断裂水解，从而使它变为可溶的、易消化的多肽混合物，以用于饲料。

　　水解法是采用高温高压持续蒸煮羽毛，使胱氨酸中的二硫键被破坏，其蒸汽压力需要在0.135MPa以上。此工艺破坏了羽毛角蛋白的稳定空间结构，从而使它变成畜禽可消化吸收的可溶性蛋白，蛋白质含量不低于75%。

　　2.化学法加工角蛋白

　　利用化学方法能够制备可溶性的角蛋白。方法主要包括酸碱处理法、还原法和氧化法。

　　(1)酸碱处理法

　　在酸碱法的生产过程中有大量的碱性废水和废酸的蒸汽产生，对人体有害，对周围环境污染严重。因此，近年来人们开始研究如何用还原法和氧化法来提取可溶性角蛋白。

　　(2)还原法

　　该方法是用还原剂的碱性溶液将二硫键(-S-S-)还原成巯基(-SH)，从而制备可溶性角蛋白。常用的打开二硫键的还原剂是巯基乙醇溶液，它只打开二硫键而不导致肽链的断裂。在还原过程中，如果用氨水代替氢氧化钠溶液来调节还原剂溶液的pH值，则不用加入尿素，因为在这个过程中，氨水已经对羊毛有了溶胀作用。

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