兔毛白粉成分結(jié)構(gòu)分析及其應(yīng)用

張 毅， 黎淑婷， 張 昊， 張轉(zhuǎn)玲(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

兔毛白粉成分結(jié)構(gòu)分析及其應(yīng)用

張 毅， 黎淑婷， 張 昊， 張轉(zhuǎn)玲
(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

為更好地開(kāi)發(fā)利用兔毛纖維在紡紗過(guò)程中產(chǎn)生的兔毛白粉廢棄物，采用掃描電子顯微鏡、雙縮脲顯色法、SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法、傅里葉紅外光譜、X射線衍射以及差示掃描量熱法對(duì)從兔毛纖維表面脫落的白粉進(jìn)行表觀結(jié)構(gòu)和成分結(jié)構(gòu)探究。結(jié)果表明：兔毛白粉是從兔毛表面鱗片脫離下來(lái)的物質(zhì)，長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為 20～50 μm、 2.0～6.0 μm和0.4～0.7 μm，兔毛白粉的成分中含有蛋白質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量主要集中在11 ku左右，可被認(rèn)為是提取角蛋白的良好材料；利用還原C法從兔毛白粉中進(jìn)一步提取角蛋白，將其作為一種紫外防護(hù)功能添加劑應(yīng)用于化妝品中，在200～320 nm的紫外線下測(cè)試兔毛白粉，發(fā)現(xiàn)兔毛白粉的紫外線吸收能力優(yōu)于防曬產(chǎn)品。

兔毛白粉； 成分結(jié)構(gòu)； 角蛋白； 紫外吸收

兔毛是一種天然蛋白質(zhì)纖維，由角蛋白組成，與其他常用的天然動(dòng)物纖維相比，兔毛纖維是一種綠色環(huán)保、保暖性佳的紡織用保暖材料，具有優(yōu)異的天然特性[1-2]。兔毛纖維表面潔白、光滑、潔凈，是重要的紡織工業(yè)原料，而且在紡織加工前不需繁瑣清洗，縮短了生產(chǎn)工序的同時(shí)也避免洗滌廢水對(duì)環(huán)境的污染，因此，兔毛作為一種環(huán)保紡織原料越來(lái)越受到企業(yè)的重視和消費(fèi)者的青睞，但是兔毛在分梳過(guò)程中，其纖維表面會(huì)大量地產(chǎn)生一種類似滑石粉物質(zhì)，人們俗稱白粉，當(dāng)加工車間相對(duì)濕度較高時(shí)，白粉易于吸濕而團(tuán)聚、黏附在機(jī)部件表面，不僅影響加工進(jìn)行及產(chǎn)品質(zhì)量，也成為一種被認(rèn)為沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的廢棄物而丟棄[3]。研究表明，白粉的主要成分為兔毛纖維蛋白。兔毛蛋白具有良好的親膚性、無(wú)毒性和吸附性，是實(shí)用價(jià)值很高的蛋白質(zhì)資源[4]。由于動(dòng)物纖維中氨基酸種類豐富，尤其富含芳香族氨基酸，國(guó)內(nèi)外已有將動(dòng)物纖維蛋白用于化妝品尤其是防曬護(hù)膚品的研究[5-6]。然而對(duì)兔毛的紫外線防護(hù)性能及以兔毛角蛋白為主要成分的防曬產(chǎn)品方面的研究報(bào)道極少。本文以兔毛白粉為研究對(duì)象，在對(duì)兔毛白粉的成分和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上發(fā)掘其潛在應(yīng)用價(jià)值，測(cè)定其紫外線吸收性能及防紫外線效果，以期為兔毛蛋白的綜合利用及防曬保健品領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考，并使兔毛白粉變廢為寶，對(duì)廢棄資源循環(huán)再利用具有積極的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：兔毛白粉，兔毛纖維(浙江嵊州)。

藥品：溴化鉀、硫酸銅、酒石酸鉀納、氫氧化鈉、巰基乙醇、尿素、亞硫酸氫鈉、十二烷基硫酸鈉、三乙醇胺、硬脂酸、單甘酯、尼泊金甲酯、尼泊金丙酯、十二醇，分析純，均來(lái)自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

儀器：JA3003型電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；TM1000掃描電子顯微鏡，日本日立公司；IS50型傅里葉紅外光譜儀，美國(guó)NICOLET儀器公司；D/max 2550V X射線衍射儀，日本Rigaku公司；DSC204F1差示掃描量熱儀，德國(guó)NETZSCH儀器公司；DYY-6C電泳儀，北京六一儀器廠；UV2401PC型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本島津公司。

1.2 兔毛白粉的結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

1.2.1兔毛白粉的外觀形態(tài)

將干燥后的兔毛白粉和兔毛纖維黏在帶有導(dǎo)電膠的樣品臺(tái)上并噴金，放入掃描電鏡中，通過(guò)掃描電鏡將樣品分別放大到合適的倍數(shù)觀察其外觀形態(tài)。

1.2.2雙縮脲顯色法成分測(cè)定

配制雙縮脲試劑：1.5 g硫酸銅(CuSO4·H2O)和6.0 g酒石酸鉀鈉(KNaC4H4O6·4H2O)，用500 mL蒸餾水溶解，在攪拌下緩慢加入 300 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% NaOH溶液，用水稀釋到 1 L。量取5 mL的雙縮脲顯色劑加入試管中，再加入適量的兔毛白粉，多次搖晃，使其均勻分散在溶液體系中[7]。

1.2.3相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)試

采用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法測(cè)定兔毛白粉中蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量，分離膠為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的丙烯酰胺，濃縮膠為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的丙烯酰胺，上樣量10 μL(上樣緩沖液中含體積分?jǐn)?shù)5%巰基乙醇)，電壓為80 V，R250考馬斯亮藍(lán)染色液。

1.2.4紅外光譜測(cè)試

采用壓片法將樣品與KBr粉末混合制成鹽片后測(cè)量其紅外光譜圖(光譜范圍4 000～500 cm-1，分辨率優(yōu)于0.6 cm-1)。

1.2.5X射線衍射測(cè)試

采用Rigaku D/max 2550VX射線衍射儀對(duì)兔毛白粉與兔毛纖維進(jìn)行分析，測(cè)試條件：CuKα靶，電壓40 kV，電流30 mA，掃描速度8(°)/min，掃描范圍3°～60°，步寬2θ為0.02°。

結(jié)晶指數(shù)計(jì)算公式為

式中：I9°為2θ=9°左右的最大衍射峰強(qiáng)度；I13°為峰谷2θ=13°處的衍射強(qiáng)度。

1.2.6熱性能測(cè)試

利用差示掃描量熱法進(jìn)行熱性能測(cè)試，測(cè)試條件為：溫度范圍25～300 ℃，升溫速率10 ℃/min，氮?dú)饬魉?0 mL/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 兔毛白粉外觀形態(tài)表征

為了解兔毛白粉的表面外觀形態(tài)及具體來(lái)源，應(yīng)用掃描電鏡對(duì)兔毛白粉和兔毛纖維進(jìn)行觀察分析。運(yùn)行ImageJ軟件，使用標(biāo)尺在SEM照片中分別隨機(jī)測(cè)量100組兔毛白粉的長(zhǎng)度、寬度和厚度，并統(tǒng)計(jì)分析尺寸大小的分布情況，結(jié)果如圖1所示。與正常直接用肉眼觀察到的細(xì)小顆粒狀的兔毛白粉不一樣，在高倍掃描電鏡下觀察到的兔毛白粉整體具有相似的外觀形態(tài)，主要為一種具有一定長(zhǎng)度、不規(guī)則的扁平條帶狀結(jié)構(gòu)，并且大部分條帶尾端呈彎勾狀或劍刃狀。從圖1(c)、(d)中的高倍數(shù)放大圖可清楚地看到兔毛白粉的表面較為光滑，邊緣不平整，厚度相對(duì)較薄。

圖1 兔毛白粉與兔毛纖維SEM照片F(xiàn)ig.1 Morphological characterization of rabbit whiting and rabbit hair under different magnification.(a) Rabbit whiting(×2 000)； (b) Rabbit whiting(×4 000)；(c) Rabbit whiting(×10 000)；(d) Rabbit whiting(×7 000)；(e) Rabbit hair(×2 000)；(f) Rabbit hair(×4 000)

通過(guò)ImageJ圖像處理軟件測(cè)量兔毛白粉的長(zhǎng)度、寬度和和厚度，并分析其分布情況，結(jié)果如圖2所示。由圖可得，兔毛白粉的長(zhǎng)度集中分布在20～50 μm之間，寬度集中分布在2.0～6.0 μm之間，厚度集中分布在0.4～0.7 μm之間。而從圖2(e)、(f)觀察可得，兔毛的細(xì)度在15～30 μm之間，兔毛的表面鱗片形狀主要呈長(zhǎng)斜條狀，鱗片尖端角度較小，根據(jù)文獻(xiàn)[8]得到兔毛鱗片的平均厚度為 0.455 μm。與兔毛的鱗片相比，兔毛白粉的形態(tài)、邊緣特征、切口厚度與兔毛鱗片的切口對(duì)接基本吻合。由此可初步推斷，兔毛白粉可能是在兔毛分梳過(guò)程中，因反復(fù)梳理而從兔毛鱗片層大批直接脫落下來(lái)的細(xì)小角蛋白類物質(zhì)。

圖2 兔毛白粉的長(zhǎng)度、寬度和厚度分布圖Fig.2 Length distribution (a) width distribution(b) and thickness distribution (c) of rabbit whiting

2.2 兔毛白粉的成分分析

采用雙縮脲顯色法對(duì)兔毛白粉成分，結(jié)果如圖3所示。通過(guò)顏色比較可見(jiàn)，溶液由藍(lán)色變?yōu)樽霞t色，說(shuō)明溶液中的兔毛白粉含有肽鍵，能與雙縮脲試劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成紫紅色的絡(luò)合物。由此推論兔毛白粉為蛋白質(zhì)物質(zhì)。

圖3 兔毛白粉雙縮脲反應(yīng)顯色反應(yīng)Fig.3 Biuret reaction of rabbit whiting.(a) Sample without rabbit whiting；(b) Sample with rabbit whiting

2.3 相對(duì)分子質(zhì)量分析

采用SDS-PAGE凝膠電泳測(cè)定兔毛白粉的相對(duì)分子質(zhì)量，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，兔毛白粉的相對(duì)分子質(zhì)量的電泳條帶分布范圍比較窄，主要集中在11 ku左右，相對(duì)分子質(zhì)量較小。可根據(jù)對(duì)角蛋白產(chǎn)品分子量大小的要求，將兔毛白粉作為角蛋白原材料應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

圖4 兔毛白粉的凝膠電泳圖Fig.4 SDS-PAGE pattern of rabbit whiting

2.4 紅外光譜分析

圖5 兔毛白粉與兔毛纖維的紅外光譜吸收?qǐng)DFig.5 Infrared spectrograms of rabbit whiting and rabbit hair

2.5 兔毛結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果分析

圖6示出兔毛白粉和兔毛纖維的X射線衍射譜。由圖可看出兔毛纖維和兔毛白粉均具有2個(gè)明顯的衍射峰，分別是2θ為9°左右較尖銳的衍射峰以及2θ為15°～31°之間的彌散衍射峰，這2個(gè)衍射峰為α結(jié)晶與β結(jié)晶的共同的衍射峰[13]。與兔毛纖維相比可以看出，2θ=9°處的峰型和峰值都較小，利用Segal[14]提出的經(jīng)驗(yàn)結(jié)晶指數(shù)可計(jì)算兔毛白粉和兔毛纖維的結(jié)晶指數(shù)，并進(jìn)行相對(duì)比較。

圖6 兔毛白粉與兔毛纖維的X射線衍射譜圖Fig.6 XRD of rabbit whiting and rabbit hair

根據(jù)公式計(jì)算可得兔毛白粉與兔毛纖維的結(jié)晶指數(shù)分別是0.24和0.54，并以兔毛纖維相對(duì)結(jié)晶指數(shù)為100%，則兔毛白粉為44%，說(shuō)明兔毛白粉的結(jié)晶度低于兔毛纖維。

2.6 DSC測(cè)試結(jié)果分析

圖7示出兔毛白粉與兔毛纖維的DSC曲線。由圖可得，在50～80 ℃之間的升溫加入過(guò)程中，2條DSC曲線出現(xiàn)快速上升，且在80 ℃處均存在1個(gè)巨大的吸熱區(qū)域，主要是由內(nèi)部水分的不斷蒸發(fā)吸熱與非晶區(qū)的玻璃化轉(zhuǎn)變吸熱形成的重疊峰，這主要與兔毛白粉中角蛋白大分子的親疏水性有關(guān)。

圖7 兔毛白粉與兔毛纖維的熱分析Fig.7 DSC of rabbit whiting and rabbit hair

在200 ℃以上，兔毛纖維的曲線又開(kāi)始呈上升狀態(tài)，在245 ℃處兔毛纖維出現(xiàn)窄而尖的熔融峰，這屬于兔毛角蛋白中的α-螺旋結(jié)晶的熔融引起，且熔融焓反映的是α-螺旋結(jié)晶的含量，熔融焓越大，α-螺旋結(jié)晶含量越高，而角蛋白分子中的α-螺旋結(jié)構(gòu)之間是由二硫鍵連接，并形成結(jié)晶度較高的α-結(jié)晶區(qū)域，因此，α-螺旋結(jié)晶含量與角蛋白中二硫鍵含量有關(guān)。與兔毛纖維相比，兔毛白粉中α-螺旋結(jié)晶區(qū)域的熔融焓值相對(duì)較低，說(shuō)明兔毛白粉中α-螺旋結(jié)晶含量低于兔毛纖維，從而推斷出兔毛白粉在該區(qū)域中二硫鍵含量低于兔毛。另外，兔毛白粉對(duì)應(yīng)在α-螺旋結(jié)晶的熔融峰位向低溫偏移，這是由于兔毛白粉中α-螺旋結(jié)晶區(qū)域完善程度低，使α-螺旋結(jié)晶區(qū)不穩(wěn)定，導(dǎo)致兔毛白粉中α-螺旋結(jié)晶在低溫下發(fā)生熔融[15-17]。此外，由Wortmann等[18]此前的研究表明，動(dòng)物毛纖維的起熔溫度與其不同層中細(xì)胞性質(zhì)及角蛋白分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，如偏皮質(zhì)細(xì)胞中的 α-結(jié)晶熔融溫度一般高于正皮質(zhì)細(xì)胞。兔毛白粉主要由兔毛鱗片層組成，其鱗片層具有多層結(jié)構(gòu)，包括鱗片表層、鱗片外層與鱗片內(nèi)層。由于鱗片表層及外層細(xì)胞中的基質(zhì)含量、二硫鍵交聯(lián)程度高于內(nèi)層，故而其熔融溫度高于內(nèi)層，因此其DSC曲線中可觀察到類似皮質(zhì)層的雙熔融峰現(xiàn)象[18-19]。

3 兔毛白粉的應(yīng)用

本文通過(guò)上述一系列的表征足以說(shuō)明兔毛白粉含有蛋白質(zhì)，粉末顆粒細(xì)小，并且易于獲得，是制備角蛋白的原材料。據(jù)文獻(xiàn)[3]記載，兔毛角蛋白中含有的芳香族氨基酸具有共軛π電子體系作用，在小于320 nm的紫外光區(qū)域有很強(qiáng)的吸收，具有一定的防紫外線效果，此外，角蛋白分子中含有大量的親水性基團(tuán)，如氨基(—NH2)、羥基(—OH)以及羧基(—COOH)，具有鎖住水分的保濕功能，因此，本文從兔毛白粉中提取角蛋白，初步探究在防曬護(hù)膚品中的防曬功能，使兔毛白粉變廢為寶，發(fā)揮其潛在的價(jià)值，同時(shí)也能解決紡織加工中造成的廢棄資源堆積問(wèn)題[20-21]。

防曬護(hù)膚品效果評(píng)價(jià)手段主要有3種：人體試驗(yàn)法、SPF值(防曬指數(shù))測(cè)定儀測(cè)定及紫外分光光度法測(cè)定。其中，紫外吸光度法是基于測(cè)定防曬護(hù)膚品吸收和漫射掉紫外線的量來(lái)評(píng)價(jià)防曬護(hù)膚品的防曬效果。本文選用紫外分光光度法初步探究兔毛白粉為主要紫外吸收劑的防曬護(hù)膚品的防曬效果。

3.1 兔毛白粉角蛋白的提取

取2 g兔毛白粉按照如以下條件提取角蛋白[22]：尿素40 g；亞硫酸氫鈉10 g；SDS 0.5 g；溫度85 ℃；時(shí)間4 h。

將水解后的角蛋白溶液置于蒸餾水中透析3 d，再濃縮、冷凍干燥，得到兔毛白粉的角蛋白粉末。

3.2 防曬品配方及其防紫外線性能測(cè)定

按照表1配方制備兔毛白粉角蛋白防曬護(hù)膚品。將A、B分別均勻攪拌，置于70 ℃溶解，攪拌下將B倒入A中，在45 ℃下充分混合均勻即可。

表1 防曬化妝品配方Tab.1 Formula of sunscreen cosmetics

選取某款防曬護(hù)膚品(SPF值為50)做對(duì)比。將自制的兔毛白粉角蛋白防曬護(hù)膚品與該款防曬護(hù)膚品分別稀釋配成2.5 g/L的溶液，并進(jìn)行紫外線吸收測(cè)定[23-25]。

3.3 兔毛白粉角蛋白護(hù)膚品防曬性分析

圖8示出各樣品的紫外線吸收效果圖。由圖可看出，4種樣品在200～320 nm(UVB、UVC)范圍內(nèi)都具有一定的紫外線吸收能力。與某款防曬護(hù)膚品(SPF值為50)相比，未加入角蛋白粉末的樣品的紫外線吸收較低一些，而含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%角蛋白粉末的紫外線吸收值略高于某款防曬護(hù)膚品(SPF值為50)，說(shuō)明加入角蛋白粉末的樣品具有較好的紫外線吸收作用，另外，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%角蛋白粉末的樣品其紫外線吸收值明顯高于某款防曬護(hù)膚品，說(shuō)明隨著角蛋白粉量的增加，其吸收紫外線的能力就越強(qiáng)，因此防曬效果也越好。經(jīng)分析，其防曬能力一方面是因?yàn)橥妹追壑泻写罅康碾逆I(—CONH—)，其中含有的羰基可實(shí)現(xiàn)π→π*和n→π*躍遷，使得酰胺鍵(—CONH—)在205 nm處有強(qiáng)紫外線吸收，另一方面是兔毛白粉中含有酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)以及苯丙氨酸(Phe)，而這些芳香族氨基酸在260～320 nm的遠(yuǎn)紫外線范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收性[26]。

圖8 各樣品的紫外線吸收效果圖Fig.8 Ultraviolet absorption effect of each sample

表2示出尼泊金甲酯加入量及其與兔毛白粉角蛋白配比對(duì)配方防曬效果的影響?？煽闯?，在當(dāng)尼泊金甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.1%增大到1%時(shí)，配方在分處UVB和UVC區(qū)段260 nm和300 nm處紫外線吸收性(由吸光度表示)有略微提高，但不明顯。而對(duì)比加入5%與10%兔毛白粉角蛋白粉末的配方，后者的防紫外線效果明顯提高。盡管可以遇見(jiàn)繼續(xù)增加尼泊金甲酯的含量可提高配方的防曬性，但作為一種化妝品防腐劑與抗菌劑，尼泊金甲酯具有一定的毒性，過(guò)多使用將可能對(duì)皮膚造成不同程度的刺激甚至損傷，而在規(guī)定的用量?jī)?nèi)，尼泊金甲酯在防紫外線方面的作用與兔毛白粉角蛋白相比極其有限。這也說(shuō)明在此配方中發(fā)揮防紫外線作用的主要成分是兔毛蛋白粉，其防曬功能是其他組分所無(wú)法替代的。

表2 尼泊金甲酯與兔毛白粉角蛋白配比對(duì)配方防紫外性能影響Tab.2 Effects of methylparaben/rabbit hair proteincomposition on anti-UV property of formula

4 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)兔毛白粉成分結(jié)構(gòu)分析，兔毛白粉是兔毛纖維表面鱗片分離物質(zhì)，其長(zhǎng)度、寬度、厚度分別集中分布在20～50 μm、2.0～6.0 μm與0.4～0.7 μm之間。相對(duì)分子質(zhì)量為11 ku左右。

2)通過(guò)紅外光譜分析表明兔毛白粉主要由角蛋白組成。XRD分析顯示兔毛白粉與兔毛纖維的結(jié)晶指數(shù)分別是0.24和0.54，兔毛白粉的結(jié)晶度低于兔毛纖維。DSC分析表明兔毛白粉的結(jié)晶度相對(duì)較低，并且二級(jí)結(jié)構(gòu)中的α-螺旋結(jié)晶含量相對(duì)較少。

3)兔毛白粉角蛋白具有一定的紫外線吸收能力，而且含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%角蛋白的樣品的防曬能力逐步增大，且大于某款防曬護(hù)膚品(SPF值為50)，從而證明兔毛白粉角蛋白應(yīng)用于防曬護(hù)膚品中具有良好的效果。

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Structuralcharacterizationandapplicationofrabbitwhiting

ZHANG Yi， LI Shuting， ZHANG Hao， ZHANG Zhuanling
(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

For a better development and utilization of rabbit whiting produced in the spinning process of rabbit fibers, the rabbit whiting waste was tested by scanning electron microscopy, biuret test, sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electropheresis, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction and differential scanning calorimetry to characterize its apparent structure and composition. The experimental results prove that the rabbit whiting is a substance detached from the surface exfoliate of rabbit hair, and has the length, width and thickness of 20-50 μm, 2.0-6.0 μm and 0.4-0.7 μm, respectively. And keratin as the main component has a molecular weight of 11 ku approximately. Therefore, rabbit whiting is regarded as a good material for keratin extraction. The keratin was further extracted from rabbit whiting by the sulphitolysis method, which is used as a kind of anti-ultraviolet additive applied in cosmetic. The rabbit whiting has ultraviolet absorption superior to sunscreen products by UV test in the ultraviolet range of 200-320 nm.

rabbit whiting; component structure; keratin; ultraviolet absorption

10.13475/j.fzxb.20160701807

TQ 341.5

A

2016-07-06

2017-09-11

農(nóng)業(yè)部財(cái)政部國(guó)家級(jí)專項(xiàng)項(xiàng)目(CARS-44-D-2)

張毅(1959—)，男,教授。主要研究方向?yàn)樘胤N動(dòng)物纖維綜合利用。 E-mail:tianjinzhangyi@126.com。