鐘祥 ,羅鳳香 ,張旭 ,高蒙初 ,張春曉 ,彭必雨 *
(1. 四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065;2. 四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065;3. 湖南工程學(xué)院,湖南 湘潭 411100)
制革是將畜牧業(yè)、屠宰業(yè)的副 產(chǎn)品動(dòng)物皮通過一系列的物理、化學(xué)和生物處理轉(zhuǎn)變?yōu)槊烙^和具有實(shí)用價(jià)值的皮革的過程。制革用原料皮不僅含有膠原 蛋白 、網(wǎng)狀蛋白和彈性蛋白等結(jié)構(gòu)蛋白 ,還含油脂和糖類等物質(zhì)[1],其中糖類物質(zhì)主要包括小分子糖 、大分子糖和糖 - 蛋白復(fù)合物等 ,在制革準(zhǔn)備工段中,小分子糖容易去除,但一些大分子糖,特別是糖 - 蛋白復(fù)合物難以完全去除[2-3]。
動(dòng)物皮中的大分子糖常與蛋白質(zhì)結(jié)合形成蛋白- 多糖復(fù)合物,其 種 類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在動(dòng) 物 生 長(zhǎng)發(fā)育中起重要作用,也是制革重點(diǎn)關(guān)注的物質(zhì)。蛋白- 多糖復(fù)合物主要包括以蛋白質(zhì)為主要成分的糖蛋白和以多糖為主要成分的蛋白多糖。不同種類、性別、大小和產(chǎn)地的動(dòng)物皮,以及同一張皮不同部位中蛋白 - 多糖復(fù)合物的含量、種類、分布都存在差異。蛋白多糖在動(dòng)物皮中含量不高,只占皮質(zhì)量的 0.5%~1.0%[1]。研究表明,蛋白多糖的穩(wěn)定性較高,主要存在于動(dòng)物皮內(nèi)的毛囊和毛干、毛球和毛乳頭和膠原纖維各層級(jí)結(jié)構(gòu)之間[4],它們的去除情況與纖維松散效果密切相關(guān),在制革的準(zhǔn)備工段,對(duì)動(dòng)物皮中的蛋白多糖進(jìn)行高效去除是非常必要的[5]。
在制革準(zhǔn)備工段中,一般通過酸(浸酸)、堿(浸灰)對(duì) 蛋 白 多糖 進(jìn) 行 去 除 ,但為了考慮制革所需膠原蛋白對(duì)酸堿的耐受能力,處理?xiàng)l件并不強(qiáng);同時(shí),蛋白多糖與膠原纖維結(jié)合較為緊密 ,因此 ,蛋白多糖在傳統(tǒng)制革中去除率并不高。在較為溫和的條件下 ,使用糖苷酶專一性水解蛋白多糖糖苷鍵 ,有 望實(shí)現(xiàn)蛋白多糖的高效去除[6-7]。目前,從制革角度對(duì)蛋白多糖的研究較少為了獲得高質(zhì)量皮革 ,有必要了解制革原料皮中蛋白多糖的組成 、 含量和分布,建立基于酶作用的高效去除方法 ,降 低 制 革 過程中污染化學(xué)材料的使用[8]。
牛皮作為最常用的制革原料皮,在制革生產(chǎn)中占各類原料皮的比例可達(dá)65%~70%。因此,本文以黃牛皮和奶牛皮為代表,考察了蛋白多糖中的主要成分氨基多糖(GAG)在皮的不同部位及沿著縱切面不同位置處的含量與分布,以及常規(guī)制革準(zhǔn)備工段中皮內(nèi)GAG 的去除情況;并輔以組織學(xué)切片和GAG 特異性染色技術(shù),對(duì)皮內(nèi)糖類物質(zhì)的分布進(jìn)行直觀的定性表征。通過上述研究,為理解皮內(nèi)糖的含量與分布及其對(duì)脫毛和皮纖維松散影響的機(jī)制、制革中糖苷酶的優(yōu)選和酶輔助脫毛和纖維松散技術(shù)的開發(fā)提供依據(jù)。
1.1.1 主要材料
黃牛和奶牛鹽濕皮,從四川成都本地制革廠采購(gòu);硫酸軟骨素標(biāo)準(zhǔn)品、阿利新藍(lán) Alcian Blue 8GX、1,9- 二 甲 基 亞 甲 基 藍(lán)(1,9-dimethylmethylene blue-chloride,DMB),購(gòu)自 Sigma 公司;木瓜蛋白酶,購(gòu)自 Aladdin 公司;堿性品紅、苯酚、高碘酸、葡萄糖等均為分析純,購(gòu)自成都市科隆化學(xué)品有限公司;皮革化學(xué)品均為工業(yè)級(jí),由四川達(dá)威科技股份有限公司和朗盛(中國(guó))科技股份有限公司等提供;其他材料均為分析純?cè)噭?/p>
1.1.2 主要儀器
GLSD-40 型泵熱循環(huán)不銹鋼對(duì)比試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓,無錫市榮浩皮革機(jī)械制造有限公司 ;CM1950 型冷凍切片機(jī),德國(guó) Leica 公司;COVER-015 型生物顯微鏡,日本 Olympus 公司;571-1 型雷磁 COD 消解儀,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;SHZ-B 型恒溫水浴振蕩器,上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司;UV-1100D型可見分光光度計(jì),上海市美譜達(dá)儀器有限公司;Cence TGL-16M 型醫(yī)用冷凍離心機(jī),長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)有限公司;FD-113-50 型真空冷凍干燥器,北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。
1.2.1 牛皮樣制備
按照動(dòng)物皮取樣標(biāo)準(zhǔn),從頸部、腹部和臀部分別取皮塊試樣,剃除皮樣上的毛,并充分水洗,除去污物。將皮樣冷凍后,用冷凍切片機(jī)切片,沿粒面每隔 0.2 mm 平切,收集切片,冷凍干燥后切成小塊,并用研磨機(jī)粉碎成皮粉,備用。
1.2.2 皮中總糖含量測(cè)定
稱取約 0.1 g 皮粉置于 COD 消解管中,加入 6 mol/L 的鹽酸溶液 4 mL,在 100 ℃條件下消解 1 h至皮粉溶解,冷卻至室溫后,用去離子水定容至 10 mL,在 12 000 r/min 速率下離心 5 min,取上清液稀釋至適當(dāng)濃度,采用硫酸苯酚法[9]測(cè)定稀釋液的總糖含量,并折算出皮粉中的總糖含量(以干皮質(zhì)量為基準(zhǔn),即 W(總糖)/W(皮粉)100%)。
1.2.3 皮中氨基多糖含量測(cè)定
稱取 0.05 ~1 g 皮粉置于試管中,加入 1 mL 木瓜蛋白酶溶液(酶液組成為:木瓜蛋白酶 5 g/L,用含0.4 g/L 半胱氨酸和 0.9 g/L EDTA 的 pH 值為 6.8 的0.1 mol/L BR 緩沖液溶解木瓜蛋白酶),于 37 ℃條件下恒溫振蕩約 10 h,至皮粉完全溶解,用去離子水定容至 5 mL,離心除去毛與表皮等不溶物。取適量酶水解液,用去離子水稀釋至適當(dāng)濃度后,采用DMB 法[10-11]測(cè)定酶水解液的 GAG 含量。
具體操作如下:移取 100 μL 稀釋液加入到比色管中,加入 2.5 mL 的 DMB 顯色劑,混勻,立即測(cè)定 525 nm 處吸光度,以水為空白,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(以硫酸軟骨素為標(biāo)準(zhǔn)物),計(jì)算酶水解液中的 GAG濃度,并折算出皮粉中的 GAG 含量(以干皮質(zhì)量為基準(zhǔn),即 W(GAG)/W(皮粉) 100%)。
1.2.4 皮中氨基多糖特異性染色分析
用中性甲醛將皮樣固定 24 h 后,用冷凍切片機(jī)切成薄片,切片厚度為 12 μm,方向?yàn)闄M切和縱切兩個(gè)方 向 。 用高碘 酸 - 希夫 - 阿 利 新 藍(lán) 染 色 法[12](PAS-AB)對(duì)皮樣切片進(jìn)行染色。
具體操作如下:阿利新藍(lán)染液染 40 min,隨后用去離子水充分洗滌;于高碘酸溶液氧化 8 min 后,用去離子水洗滌;在希夫染液中避光染色 8 min,隨后用 10% 亞硫酸氫鹽溶液漂洗 2 次,每次 2 min,分別采用 70%、95%、100%酒精各脫水 3 min 用 50%二甲苯 -50%乙醇,3min;純二甲苯 3 次,每次 3 min,最后用中性樹膠封固。待切片干燥固定后,用生物顯微鏡觀察皮樣,并拍照。
1.2.5 制革準(zhǔn)備工段中皮內(nèi)氨基多糖的去除效果
奶牛皮按常規(guī)制革準(zhǔn)備工段操作,分別在原料皮、浸水、脫毛 - 浸灰和軟化工序處理后的牛皮鄰近部位取樣,測(cè)定皮內(nèi)氨基多糖的含量和分布。
動(dòng)物皮中的糖類物質(zhì)主要包括存在于組織細(xì)胞中的葡萄糖等小分子糖,以及細(xì)胞中和細(xì)胞外基質(zhì)中的糖原、糖蛋白和蛋白多糖等大分子糖。而制革中主要被關(guān)注的是與脫毛和膠原纖維松散有關(guān)且難以去除的蛋白多糖。蛋白多糖是由氨基多糖鏈(GAG)和核心蛋白組成,其中的氨基多糖鏈?zhǔn)怯杉喝┧岷桶被禾切纬傻亩菃卧貜?fù)連接構(gòu)成的。核心蛋白與膠原纖維結(jié)合,多糖鏈與兩個(gè)核心蛋白相連將兩條膠原纖維粘結(jié)在一起[13],因此,皮內(nèi)蛋白多糖的含量是影響膠原纖維松散的主要因素之一。
一般來說,動(dòng)物皮的腹部厚度較薄,膠原纖維編織較疏松,為了保證腹部具 有足夠的強(qiáng)度,其彈性纖維和糖類物質(zhì),特別是蛋白多糖的含量往往高于其它部位。黃牛皮和奶牛皮是制革常用原料皮,首先對(duì)這兩種牛皮腹部的氨基多糖含量及分布進(jìn)行了定量分析。用木瓜蛋白酶將蛋白多糖中的核心蛋白破壞,使氨基多糖溶于溶液中,再用 DMB 法測(cè)定其含量。奶牛和黃牛皮腹部各層的 GAG 含量及分布情況見圖 1。
由圖1可以看出,兩種牛皮腹部的GAG 含量約0.2%~0.5%,奶牛皮GAG 含量比黃牛皮高。GAG沿兩種牛皮縱切面的分布趨勢(shì)基本一致,即粒面層的GAG 含量較高,網(wǎng)狀層的含量相對(duì)較低。動(dòng)物皮內(nèi)的GAG 主要存在于表皮、基底膜、毛囊和皮脂腺周圍、纖維間質(zhì)以及膠原纖維各層級(jí)結(jié)構(gòu)中,因此,在距離皮粒面約0.3~0.4 mm 處,毛球和毛乳頭上含有較多的蛋白多糖物質(zhì)將毛干固定在真皮上;同時(shí),由于粒面層纖維束較小,并且編織緊密,因此,該部位GAG 含量更高。在距離粒面1.2 mm 以上,為皮的網(wǎng)狀層(通常為皮革的二層和三層),主要為較粗大的膠原纖維束編織的結(jié)構(gòu),幾乎沒有毛囊和腺體,因此,GAG 含量相對(duì)較低。但不同層級(jí)的膠原纖維及纖維束的組裝和形成需要蛋白多糖等的參與,因此,該層中也含有一定量的糖。
圖1 黃牛和奶牛皮中的 GAG 含量及分布(腹部)Fig. 1 GAG content and distribution in cattle and cow hides (belly)
兩種牛皮的表皮層和粒面層 (0.0~0.6 mm 處)中的 GAG 含量差異較大,而在網(wǎng)狀層和肉面層中接近,這可能是由兩種不同種類牛皮毛囊的發(fā)育程度不同導(dǎo)致的。此外,GAG 沿著皮縱切面的分布差異,奶牛皮比黃牛皮更明顯。
為了了解糖在同一張動(dòng)物皮上不 同 部 位 處的分布情況,以部位差較大、糖含量較高的奶牛皮為例,研究了其腹部、頸部和臀部這三個(gè)典型部位的總糖含量和分布。
從圖 2 可以看出,奶牛皮不同部位的總糖含量存在明顯差異,總體表現(xiàn)為 :腹部最多,頸部其次,臀部最少。腹肷部的纖維束細(xì)小,纖維的比表面積大,纖維編織比較疏松,纖維間質(zhì)多,且腹肷部纖維間質(zhì)中所含的糖比纖維束粗大且編織緊密的頸部和臀部所含的糖更高[14]。另外,不同部位的糖含量沿縱切面的分布情況類似,總體表現(xiàn)為,纖維編織細(xì)小的粒面層比編織粗大的網(wǎng)狀層糖含量更高。
圖2 奶牛皮不同部位的總糖含量和分布Fig. 2 Content and distribution of total sugar in different parts of cow hide
皮中蛋白 - 多糖復(fù)合物上的氨基多糖帶 有 的大量酸性基團(tuán)(如羧基和磺酸基)能與陽離子染料阿利新藍(lán)(Alcian Blue,AB)結(jié)合,顯示藍(lán)色;而高碘酸(Periodic Acid)能夠把糖基上相鄰的乙二醇基斷裂開,使其氧化轉(zhuǎn)變?yōu)殡p醛,這種雙醛結(jié)構(gòu)與希夫試劑(Schiff)結(jié)合后產(chǎn)生紅色的絡(luò)合物。因此,高碘酸- 希夫 - 阿利新藍(lán)染色法(Periodic Acid-Schiff-Alcian Blue,PAS-AB) 能夠?qū)?dòng)物皮上的糖染色[15-16]。顯藍(lán)色表示有酸性 GAG 的存在,顯紅色表示有其它糖的存在,顯紫色表示既有 GAG 又有其它糖的存在[17-18]。兩種牛皮的腹部和臀部縱切和橫 切 面PAS-AB 組織學(xué)染色結(jié)果如圖3 所示。
圖3 奶牛和黃牛皮中糖的組織學(xué)分布(40 ×)Fig. 3 Distribution of saccharide in cow and cattle hides (40 ×)
從圖 3 的縱切染色結(jié)果可以看出,以圖中黑實(shí)線為界,上下兩部分 GAG 的分布(藍(lán)色)有明顯的差異。兩種牛皮的表皮層和粒面層的顏色較深(黑實(shí)線上部),表明含有大量的 GAG;而網(wǎng)狀層(黑實(shí)線下部)的 GAG 含量相對(duì)較低,這與圖 1 中的定量分布圖中 GAG 在距離粒面 0.0~0.6 mm 范圍內(nèi)含量較高的結(jié)果比較一致。從粒面層的橫切染色圖可以看出,粒面層(距表面 0.4 mm 處)有較多的酸性GAG, 特別是毛囊和腺體的周圍都含有大量 的GAG;距表面 1.2 mm 處,雖然沒有毛囊和腺體,但膠原纖維上仍有 GAG 分布,而該部分呈現(xiàn)明顯紫紅色,說明酸性氨基多糖減少,有其他糖存在。網(wǎng)狀層的 GAG 則 主 要 存在于各膠原 纖 維層 級(jí) 結(jié)構(gòu) 的 表面,它們不僅能夠影響膠原纖維的間距,還能夠束縛膠原纖維,因此,膠原纖維的輪廓?jiǎng)t被染成藍(lán)色。從顏色深淺度可以看出,同樣是腹部,奶牛皮比黃牛皮含有的 GAG 高,與上文定量測(cè)定奶牛皮和黃牛皮中 GAG 含量結(jié)果一致。奶牛皮和黃牛皮的臀部與腹部相比,臀部膠原纖維粗大,編織緊密,纖維間質(zhì)中糖含量相對(duì)較低。
為了更清楚展示牛皮中 GAG 的含量和分布情況,選擇了糖含量較高的奶牛皮腹部單獨(dú)進(jìn)行 Alcian Blue 染色,結(jié)果如圖 4 所示。
從圖4的縱切圖 A 中可以看出,GAG 主要分布在表皮層和粒面層,網(wǎng)狀層的膠原纖維周圍也比較多。圖 B 表明,表皮(EP)以及表皮和真皮交界的基底膜(BM)中具有一條完整連續(xù)分布的深藍(lán)色帶,表明 GAG 是基底膜的主要成分,是連接表皮和真皮的關(guān)鍵物質(zhì)。圖 C 和 E 分別為毛囊的縱切和橫切圖 ,可以看出 ,毛囊周圍如內(nèi)毛根鞘(IRS)、外 毛 根鞘(ORS)、結(jié)締 組 織 鞘(CTS)和 毛 乳 頭(HP)上 藍(lán) 色明 顯 ,說 明 GAG 在 毛 囊 、毛 干 、毛球和毛乳頭連接處含量較高,蛋白多糖是毛干與皮連接部位的主要成分。因此,在酶脫毛過程中,可通過酶的作用去除GAG 來破壞毛球與毛乳頭的連接,以及毛囊和毛根的聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)脫毛。此外,由圖 D 可以看出,膠原纖維各層級(jí)結(jié)構(gòu)的輪廓被染成藍(lán)色,表明膠原 纖維表面被 GAG 包裹,形成鞘狀結(jié)構(gòu)。動(dòng)物皮結(jié)構(gòu)類似于“ 鋼 筋 ”和“水 泥 ”,其中 纖 維 狀 物 質(zhì) 如 膠 原 纖 維 、網(wǎng)狀纖維和彈性纖維作為骨架,纖維間質(zhì)作為其 中 的“水泥”,在干態(tài)時(shí)其將纖維“粘接”在一起[19]。蛋白多糖就是纖維間質(zhì)中的主要成分,蛋白多糖的 核心蛋白與膠 原 纖 維 結(jié)合 ,GAG 與 兩 個(gè)核 心 蛋 白相 連 ,核心蛋白上可能連接多條 GAG 糖鏈,將膠原纖 維 束縛在一起。膠原纖維松散主要表現(xiàn)為膠原纖維束的分離和分散,因此,破壞 GAG 是將捆扎在一起的膠原纖維各層級(jí)結(jié)構(gòu)分散的一種有效方式。綜上,從去除糖的角度來考慮纖維松散和脫毛效果,將為開發(fā)高效的酶脫毛和酶纖維松散技術(shù)提供新思路。
圖4 奶牛皮腹部表皮和毛囊處酸性 GAG 組織學(xué)分布(A 放大 40×,B-E 放大 200×)Fig. 4 Distribution of acidic GAG in the belly of cow hide (A 40×,B-E 200×)
原料皮中蛋白多糖物質(zhì) 與 脫 毛和纖維分散緊密相關(guān),因此,進(jìn)一步考察了常規(guī)制革準(zhǔn)備工段處理過程中皮內(nèi)糖含量的變化。由于奶牛皮中腹部的含糖量最高,因此,以其腹部為例,皮內(nèi) GAG 隨主要處理工序的變化情況如圖 5 所示。
在常規(guī)浸水過程中,動(dòng)物皮內(nèi)的透明質(zhì)酸等非硫酸化的氨基多糖能夠完全被除去,而硫酸皮膚素等硫酸化的氨基多糖則仍然牢固結(jié)合于動(dòng)物皮內(nèi),去除率僅約 4%[2]。通過對(duì)圖 5 曲線峰面積的積分計(jì)算,可以看出,主浸水后皮內(nèi) GAG 含量降 低 6%左右,與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果近似。此外,浸灰和軟化對(duì)GAG 的去除更有效。其中,浸灰后皮內(nèi) GAG 的含量降低約 36%,特別是皮基底膜、粒面層和毛囊中(0.4 mm 峰值處)GAG 的含量明顯下降。有文獻(xiàn)報(bào)道,硫酸皮膚素(動(dòng)物皮內(nèi)典型的 GAG)經(jīng)浸灰的強(qiáng)堿性、長(zhǎng)時(shí)間處理,能夠去除 48%左右[2]。軟化工序中酶處理使皮內(nèi) GAG 含量降低約 30%。由圖 5 的檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算可知,準(zhǔn)備工段中 GAG 總?cè)コ始s 72%,不能完全去除。然而,GAG 的存在是干燥后皮纖維間粘連的主要原因之一,將導(dǎo)致皮纖維的松散不足[20]。
圖5 不同工序處理后奶牛皮內(nèi) GAG 的含量及分布Fig. 5 Content and distribution of GAG in cow hide after treated by different processes
進(jìn)一步對(duì)不同工序處理后皮內(nèi)的 GAG 進(jìn)行染色定性分析,結(jié)果如圖 6 所示。
圖6 經(jīng)不同工序處理后牛皮中糖的組織學(xué)分布Fig.6 Distribution of saccharide in cattle hide
由圖 6 可以看出,原料皮的表皮層及其與真皮層連接處、毛囊和脂腺周圍含有較多的 GA G。浸水后,表皮層 完 整 ,其中易溶于水的 GA G,如透明質(zhì)酸等被除去。經(jīng)過脫毛和浸灰工序的強(qiáng)堿性條件下處理,表皮層和基底膜被破壞,毛囊和皮脂腺周圍的GAG 也被部分破壞,粒面層和網(wǎng)狀層的膠原纖維束間的糖含量明顯減少。軟化使用的是胰酶,并采用了較強(qiáng)的軟化工藝,即軟化酶的用量和軟化時(shí)間較長(zhǎng),皮內(nèi)纖維間質(zhì)中的蛋白多糖成分被進(jìn)一步去除。
雖然,浸灰和軟化工序?qū)ζ?nèi) 糖的除去有較大的作用,但常規(guī)制革準(zhǔn)備工段不能完全去除糖類物質(zhì),特別是纖維間的蛋白多糖。這些物質(zhì)的 不完全去除可能影響后續(xù)工序中鞣劑、染料和加脂劑 的 滲透以 及 與膠 原 分 子 上 活 性 基 團(tuán) 的 結(jié) 合 ;因 此 ,從 提高成革性能(尤其是柔軟度)的角度,有必要采取 進(jìn)一步的措施來提高動(dòng)物皮內(nèi)糖的去除效果??紤]到膠原蛋白對(duì)強(qiáng)堿和蛋白酶作用的耐受性,通過進(jìn)一步 加 強(qiáng) 堿 處 理 和 蛋 白 酶 軟 化 強(qiáng) 度 來 達(dá) 到 更 高 的 糖去除率容易造成皮基質(zhì)的損傷,是不可行的;因此,有必要研究溫和條件下的皮內(nèi)糖的去除方法,在實(shí)現(xiàn)糖高效去除的同時(shí),確保膠原不被過度破壞 。 用糖 苷 酶 對(duì) 皮 內(nèi) 蛋 白 多 糖 鏈 進(jìn) 行 專 一 性 水 解 是 值 得嘗試的方法。
研究了黃牛皮和奶牛皮中氨基多糖 (GAG)的含量、分布及其隨制革處理工序的變化。發(fā)現(xiàn)奶牛皮中 GAG 的含量高于黃牛皮,纖維結(jié)構(gòu)編織疏松的腹部中的 GAG 含量比頸部和臀部高,含量約為0.2%~0.5%;在牛皮縱切面上,GAG 含量沿表面層到粒面層逐漸遞減,表皮、基底膜和毛囊及膠原纖維細(xì)小的粒面 層 的 GAG 含量較 高 ,網(wǎng) 狀 層中 的GAG 含量相對(duì)較低。此外,在常規(guī)制革準(zhǔn)備工段中,動(dòng)物皮內(nèi)的 GAG 含量隨制革處 理 工序 呈 遞減 趨勢(shì);動(dòng)物皮內(nèi) GAG 的主要去除工序是浸灰和酶軟化,而常規(guī)制革方法不能完全除去 GAG,其去除率約為 72%。皮中的 GAG 的去除與脫毛和纖維分散的效果緊密相關(guān),因此,需要開發(fā)對(duì)膠原蛋白作用溫和的基于糖苷酶作用的高效 GAG 去除的方法。