羊毛角蛋白的溶解機制研究

薩如拉　春花　劉鑫巖　譚穎慧　尹利國　宮川剛　棚橋光彥

摘要：以羊毛為原料，采用熔融尿素法溶解羊毛分析其溶解機制.分別使用谷氨酸、胱氨酸、精氨酸、絲氨酸、亮氨酸、甘氨酸、甘氨酰甘氨酸、甘氨酰亮氨酸、甘氨酰甘氨酰甘氨酸等標準化合物替代羊毛角蛋白中主要的氨基酸、肽鍵及化學鍵，與150℃熔融尿素反應20min，經(jīng)乙酸乙酯分液3次，有機層脫水濃縮，丙酮溶解，GC-MS分析，檢測其反應產(chǎn)物及化學鍵的變化.結(jié)果表明：在使用不同標準化合物與熔融尿素反應中發(fā)現(xiàn)，僅胱氨酸、亮氨酸和甘氨酰-L-亮氨酸與尿素發(fā)生化學反應，部分二硫鍵及肽鍵發(fā)生斷裂，其余標準化合物與尿素未發(fā)生化學反應.綜上可知，在溶解條件為150℃ 20min時，尿素僅切斷羊毛角蛋白中少量二硫鍵或肽鍵，使得羊毛角蛋白仍保持較高的分子量.

關鍵詞：熔融尿素法;羊毛;溶解機制;角蛋白

中圖分類號：TS102.311? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0030-03

羊毛作為一種天然蛋白質(zhì)資源，在國際上被認為是一種具有潛在價值的蛋白質(zhì)，其蛋白含量高達99%[1].羊毛產(chǎn)業(yè)的廢棄物、舊衣料品等每年大量產(chǎn)生[2]，僅其中一部分被重復利用，大部分廢棄物被焚燒處理或填埋處理，這不僅污染了環(huán)境，更主要的是浪費了大量的蛋白質(zhì)資源[3].因此，為了減輕環(huán)境負擔，發(fā)展可持續(xù)性開發(fā)利用，研究羊毛角蛋白的提取方法和應用價值是目前亟待解決的問題.羊毛角蛋白的提取溶解是其再利用的至關重要的步驟，它對羊毛角蛋白的性能及其應用具有顯著的影響[4].然而，大分子羊毛角蛋白內(nèi)的二硫鍵使肽鏈內(nèi)部和肽鏈之間發(fā)生交聯(lián)，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之難以溶解[5]，這給羊毛角蛋白的提取造成極大地困難.目前羊毛角蛋白的提取方法主要有酸堿法[6]、還原法[7]、酶法[8]、離子液體法[9]等，這些方法不僅需要大量的化學試劑造成環(huán)境污染，而且成本高、周期長、效率低.因此，開發(fā)新型的羊毛角蛋白提取技術是行之有效的方法之一，為實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、環(huán)保的目標奠定基礎[10].

棚橋光彥等開發(fā)了新型的羊毛角蛋白的提取方法-熔融尿素溶解法[11].本方法只使用尿素和乙醇，而尿素的熔融溫度低，安全可靠，成本低，適合于大量生產(chǎn)，且尿素與乙醇可以回收循環(huán)利用.另外需要的時間短，尿素和羊毛角蛋白的分離過程簡便，分離的蛋白質(zhì)可以直接當作有機肥料或飼料等產(chǎn)品.經(jīng)過實驗已經(jīng)確認羊毛在熔融尿素中可完全溶解，但具體的溶解機制尚不明確.因此，本文使用標準化合物替代角蛋白中的主要氨基酸、肽鍵及化學鍵與熔融尿素進行化學反應，使用GC-MS分析反應產(chǎn)物及二硫鍵及肽鍵的斷裂狀況，旨在探究熔融尿素法提取羊毛角蛋白的溶解機制.

1 實驗材料和方法

1.1 材料、試劑及儀器設備

材料：羊毛日本毛絨株式會社.

試劑：尿素、乙酸乙酯、氯化鈉、硫酸鈉、丙酮，化學試劑均為分析純.

標準化合物：谷氨酸、胱氨酸、精氨酸、絲氨酸、亮氨酸、甘氨酸、甘氨酰甘氨酸、甘氨酰亮氨酸和甘氨酰甘氨酰甘氨酸.

儀器設備：高溫油浴鍋、日本島津氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）-QP5050A.

1.2 實驗方法

1.2.1 標準化合物的選擇

為了分析熔融尿素溶解羊毛的反應機理，分別選用谷氨酸、胱氨酸、精氨酸、絲氨酸、亮氨酸、甘氨酸、甘氨酰甘氨酸、甘氨酰亮氨酸、甘氨酰甘氨酰甘氨酸等標準化合物來替代羊毛角蛋白中的主要氨基酸、肽鍵及化學鍵與尿素進行化學反應.

1.2.2 尿素與標準化合物的化學反應

于干燥試管中加入2g尿素，在150℃油浴鍋中加熱至尿素熔融，再加入0.2g標準化合物，150℃反應20min，取出試管加入8mL的蒸餾水，冷卻至室溫，加入乙酸乙酯10mL，進行3次分液.有機層由20mL的食鹽水脫水一次，再使用硫酸鈉脫水，過濾除去硫酸鈉，濃縮，加入丙酮（c=g/L）溶解，進行GC-MS分析.

GC-MS分析條件如下：進樣溫度230℃，氣化室溫度300℃，初始溫度為100℃，保持5min，以10℃/min速率上升至300℃，保持5min，分析時間為30min[12].

測定儀器為GCMS-QP5050A;電離模式：EI（電子電離）;電壓：70eV;毛細管柱：DB-5MS（J&W Scientific）、0.25mm（I.D.）×30m（L）×0.5μm;載氣：He;測定方法：掃描.

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素與胱氨酸反應

尿素與胱氨酸反應產(chǎn)物的有機層GC-MS色譜分析結(jié)果及峰對應化合物的結(jié)構(gòu)如圖1.胱氨酸與尿素反應后保留時間11min到15min之間出現(xiàn)了3種與環(huán)化尿素結(jié)合的胱氨酸化合物.3種化合物的區(qū)別在于是否含有二硫鍵，11min時出現(xiàn)的化合物的二硫鍵已經(jīng)斷裂，15min時出現(xiàn)的化合物仍然含有二硫鍵.本實驗中尿素與胱氨酸反應產(chǎn)物的有機層回收量比較少，不能確定上述產(chǎn)生3中化合物的反應途徑為主要的反應途徑，但可以得到尿素切斷二硫鍵的結(jié)果.

2.2 尿素與亮氨酸反應

尿素與亮氨酸反應產(chǎn)物的有機層GC-MS色譜分析結(jié)果及峰對應化合物的結(jié)構(gòu)如圖2.亮氨酸與尿素的反應也與胱氨酸反應一樣，在保留時間15min的時候出現(xiàn)與環(huán)化尿素結(jié)合的亮氨酸化合物的峰.

2.3 尿素與甘氨酰-L-亮氨酸反應

甘氨酰-L-亮氨酸與尿素反應產(chǎn)物的有機層GC-MS色譜分析結(jié)果及峰對應化合物的結(jié)構(gòu)如圖3.在保留時間15min時候出現(xiàn)了與環(huán)化尿素結(jié)合的亮氨酸化合物峰，本實驗也與胱氨酸反應同樣，甘氨酰-L-亮氨酸與尿素反應產(chǎn)物有機層的回收量比較少，有可能尿素與甘氨酰-L-亮氨酸反應積極性不是很大，但與環(huán)化尿素結(jié)合的不是二肽而是氨基酸，可以得出尿素切斷肽鍵的結(jié)果.

2.4 尿素與其他氨基酸及肽的反應

尿素與谷氨酸、精氨酸、絲氨酸、甘氨酸、甘氨酰甘氨酸、甘氨酰甘氨酰甘氨酸的反應產(chǎn)物的有機層中未發(fā)現(xiàn)尿素的反應產(chǎn)物.尿素與谷氨酸、精氨酸、絲氨酸、甘氨酸有可能不產(chǎn)生化學反應，不切斷甘氨酰甘氨酸、甘氨酰甘氨酰甘氨酸的肽鍵.

3 結(jié)論與討論

本文研究了羊毛在熔融尿素中的溶解機制.在使用標準化合物與熔融尿素的反應中，僅亮氨酸、胱氨酸、甘氨酰-L-亮氨酸與尿素發(fā)生化學反應，部分二硫鍵及肽鍵發(fā)生斷裂，其余標準化合物谷氨酸、精氨酸、絲氨酸、甘氨酸、甘氨酰甘氨酸、甘氨酰甘氨酰甘氨酸與尿素未發(fā)生化學反應.可知，在溶解條件為150℃ 20min時，尿素僅切斷羊毛角蛋白中少量二硫鍵或肽鍵，使得羊毛角蛋白仍保持較高的分子量.這與Murate[14]等的十二烷基苯磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）測定溶解羊毛角蛋白分子量的實驗結(jié)果一致.為了更詳細了解羊毛在熔融尿素中的溶解機制，分析20種氨基酸與尿素的反應是下一步需要研究的課題.

隨著纖維產(chǎn)業(yè)的廢棄物、破舊的衣料等蛋白纖維日益增加，如何利用廢物纖維蛋白質(zhì)已成為一個重要的課題，熔融尿素法可以從廢棄的蛋白質(zhì)纖維中大量提取蛋白質(zhì)，為纖維蛋白的有效利用（比如加工成蛋白質(zhì)飼料或有機氮肥料等產(chǎn)品）提供了參考.

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