专利名称：一种以还原性溶剂分离提取天然角蛋白纤维中原纤状结构体及角蛋白溶液的方法
技术领域：
本发明涉及一种以还原性溶剂分离提取天然角蛋白纤维中原纤状结构体及角蛋白溶 液的方法，属于天然纤维加工技术领域。
背景技术：
羊毛是一种珍贵的天然纤维材料，但是由于天然纤维的品质存在差异，纺织加工产业 在开松、梳理工序中每年都产生大量的无可纺性废弃羊毛。由于天然蛋白质纤维自身结构 稳定，难于在自然条件下降解，因此，其任意丢弃会造成极大的环境污染。而羊毛是天然 角蛋白材料，其蛋白质含量达90%以上，是良好的可再生材料，如将其回收利用，不但有 利于环境保护，还可以开发出高附加值的产品，具有广泛的应用前景。
目前，国内外专利中均有关于角蛋白材料再生利用相关技术的报道。
欧洲专利(EP1930343)报道了一种采用还原法，并且不添加尿素等蛋白质变性剂制 备水溶性角蛋白溶液和角蛋白粉末的方法。
中国专利"一种羊毛角朊蛋白及其制品的制备方法"(CN1587301)报道了一种以强极 性中性助剂溶解羊毛制备角蛋白膜、粉末和块状物的方法。
中国专利"纳米羊毛乳液和粉末、其制备方法以及用途"(CN1693371)提出以碱性催 化水解的方法处理羊毛、制备其蛋白乳液，并对其进行进一步分散得到纳米蛋白质乳液或 干粉。
中国专利"角蛋白基产品及其生产方法"(CN1555393)在碱性条件下用硫化物溶解角 蛋白，并通过烷基化部分修饰溶解的角蛋白半胱氨酸残基，获得部分修饰，部分水解的角 蛋白。
以上技术均通过还原或水解等化学作用使蛋白质溶解，得到角蛋白溶液，而后通过分
散、喷雾或冷冻干燥得到角蛋白粉末；通过氧化交联、铸造等方式制成膜材料以及其他角
蛋白材料。所获得的角蛋白粉体均是各向同性的球状颗粒粉体，破坏了天然角蛋白动物纤 维本身固有的原纤结构单元。
发明内容
本发明的目的是提供一种从天然角蛋白纤维中获得各向异性原纤状结构体和角蛋白 溶液的方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种以还原性溶剂分离提取天然角蛋白 纤维中原纤状结构体及角蛋白溶液的方法，其特征在于，具体步骤为
第一步将天然角蛋白纤维依次进行开松、除杂、清洗和干燥处理后，切断成3-6mm 的纤维段，以固液比为2. 5-10g/250ml浸入到含有还原剂和能够破坏蛋白质氢键的蛋白质 变性剂的溶液中在50-90。C搅拌3-10h，搅拌器转速为50-500r/min;
第二步将搅拌后所得的混合物用80-120目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维， 将滤液用350-450目筛网过滤得到直径为2-4um的原纤结构体，将滤液在15-25°。以转速 3000-7000rpm离心分离0. 2-lh得到直径为0. 2-0. 4 y m的原纤状结构体和离心上清液，将 得到的原纤状结构体清洗后干燥；
第三步将第二步得到的离心上清液经透析浓縮，制得角蛋白水溶液。
进一步地，所述第一步中含有还原剂和能够破坏蛋白质氢键的蛋白质变性剂的溶液优 选是通过将还原剂加入到6-10M能够破坏蛋白质氢键的蛋白质变性剂水溶液中制得，其中， 所述还原剂的质量百分比浓度为7%_12%，所得溶液pH值为6. 5-7. 5。
所述第一步中还原剂优选为亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾或偏重亚 硫酸钠。
所述第一步中能够破坏蛋白质氢键的蛋白质变性剂溶液优选为尿素、硫脲或溴化锂。 所述第一步中的天然角蛋白纤维优选为羊毛、人发、羊绒、兔毛、驼毛、马毛或牛毛。 本发明是分离和提取天然角蛋白纤维本身结构所具有的各向异性特征的原纤状结构体 的方法。通过亚硫酸盐的还原作用打开二硫键交联；通过蛋白质变性剂破坏氢键、促进溶 胀，使羊毛内部原纤状结构体之间结构较为疏松的基质首先受到溶胀、开键、溶解的破坏， 而后在机械力作用下，实现羊毛原纤状结构体的分离。所述的角蛋白原纤状结构体为动物 毛发纤维本身所具有的各向异性微结构单元，包括细胞、巨原纤和微原纤集束体，直径为 0. 2-4um。
本发明从角蛋白纤维本身的结构特点出发，采用中性还原剂体系，在使羊毛发生强 烈溶胀的同时，破坏其非晶区基质中的二硫键，使羊毛内部原纤状结构体之间的化学作用 力和剪切模量降低，在机械作用力的辅助作用下实现原纤状结构体的相互分离。同时，还 原剂的溶解抛光作用，使所获得的角蛋白原纤状结构体表面更加光滑，直径更小。由于部 分角蛋白会在原纤状结构体的提取过程中溶解于还原剂中，反应后的废液中还能够提取出 5-15wty。角蛋白溶液作为附加产物。该方法简单、易行、产率高；又是部分溶解分离，能 耗低；且溶剂可回收率用，对环境污染小。本方法所获得的角蛋白原纤状结构体保留了天然蛋白质纤维中微观结构单元所固有 各向异性结构特征，可广泛应用于生物材料、药物加工、化妆品、纺丝、印染等领域。具 有良好的生物相容性、吸湿性、抗静电性、染色性等特点。
图1为用研磨天然角蛋白动物纤维方法得到的角蛋白粉末电镜照片； 图2为本发明方法得到的直径在2-4 P m的角蛋白原纤状结构体第一电镜照片； 图3为本发明方法得到的直径在2-4um的角蛋白原纤状结构体第二电镜照片； 图4为本发明方法得到的直径在0. 2-0. 4um的角蛋白原纤状结构体电镜照片。
具体实施例方式
下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例1
将5g开松、除杂后的羊毛用丙酮清洗、干燥后剪成5mm碎片，将其浸入到250ml含有 偏重亚硫酸钠和尿素的溶液(pH=6. 5)中，其中，所述溶液是通过将偏重亚硫酸钠加到8M 尿素水溶液中得到，偏重亚硫酸钠的质量浓度为7%，在8(TC下对混合物搅拌5h，搅拌器 转速300r/min。
将搅拌后所得的混合物用80目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用450 目筛网过滤得到直径为2-4um(长度为80-120iim)的原纤结构体，将滤液在18'C以转速 7000rpm离心分离0. 2h得到直径为0. 2-0. m(长度为20-50 u m)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在18'C以转速7000rpm离心分离0. 2h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 5wt。/。角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120 um)原纤状结构体的产率为22%，直径为 0.2-0.4um(长度为20-50um)原纤状结构体的产率为12%，羊毛的溶解率为30%。
实施例2
将6.25g开松、除杂后的牦牛毛用无水乙醇清洗、干燥后剪成5mm小段，将其浸入到 250ml含有亚硫酸氢钾和硫脲的溶液(pH=7.2)中，其中，所述溶液是通过将亚硫酸氢钾 加到6M硫脲水溶液中得到，亚硫酸氢钾的质量浓度为12%， 6(TC下搅拌8h，搅拌器转速 400r/min。
将搅拌后所得的混合物用120目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用350 目筛网过滤得到直径为2-4um(长度为80-120um)的原纤结构体，将滤液在22'C以转速3000rpm离心分离lh得到直径为0. 2-0. 4 p m(长度为20-50 y m)的原纤状结构体和离心上 清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在22'C以转速3000rpm离心分离lh后自然 风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得15wt% 角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4pm(长度为80-120um)原纤状结构体的产率为19%，直径为 0.2-0.4um(长度为20-50um)原纤状结构体的产率为15%羊毛的溶解率为35%。
实施例3
将5g开松、除杂后的废弃马毛用乙醚清洗、干燥后剪成5mm小段，将其浸入到250ml 含有亚硫酸钠和溴化锂的溶液(pH=6.8)中，其中，所述溶液是通过将亚硫酸钠加到10M 溴化锂水溶液中得到，亚硫酸钠的质量浓度为10%, 7(TC下搅拌6h，搅拌器转速500r/min。
将搅拌后所得的混合物用100目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用400 目筛网过滤得到直径为2-4pm(长度为80-120um)的原纤结构体，将滤液在15'C以转速 5000rpm离心分离0. 4h得到直径为0. 2-0. 4u m(长度为20-50 u m)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在15'C以转速5000rpm离心分离0.4h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 10wt。/。角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120 um)原纤状结构体的产率为25%，直径为 0. 2-0.4um(长度为20-50 um)原纤状结构体的产率为16%羊毛的溶解率为27%。
实施例4
将6. 25g开松、除杂后的废弃驼毛用乙醚清洗、干燥后剪成5mm小段，将其浸入到250ml 含有亚硫酸钾和尿素的溶液(pH=6.5)中，其中，所述溶液是通过将亚硫酸钾加到7M尿 素水溶液中得到，亚硫酸钾的质量浓度为10%， 9(TC下搅拌3.5h,搅拌器转速300r/min。
将搅拌后所得的混合物用100目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用400 目筛网过滤得到直径为2-4ym(长度为80-120 u m)的原纤结构体，将滤液在20°C以转速 3700rpm离心分离0. 8h得到直径为0. 2-0. 4u m(长度为20-50u m)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在2(TC以转速3700rpm离心分离0.8h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 10wt。/。角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120 um)原纤状结构体的产率为24%，直径为 0. 2-0. m(长度为20-50u m)原纤状结构体的产率为11%羊毛的溶解率为33%。实施例5
将6g开松、除杂后的废弃兔毛用无水乙醇清洗、干燥后剪成5mm小段，将其浸入到 250ml含有偏重亚硫酸钠和硫脲的溶液(pH=7.5)中，其中，所述溶液是通过将偏重亚硫 酸钠加到9M硫脲水溶液中得到，偏重亚硫酸钠的质量浓度为10%, 5(TC下搅拌10h,搅拌 器转速300r/min。
将搅拌后所得的混合物用100目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用400 目筛网过滤得到直径为2-4pm(长度为80-120um)的原纤结构体，将滤液在25。C以转速 4500rpm离心分离0. 6h得到直径为0. 2_0. 4 u m(长度为20-50 w m)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在25'C以转速4500rpm离心分离0.6h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 10wt。/D角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120 um)原纤状结构体的产率为17%，直径为 0. 2-0. 4u m(长度为20-50 w m)原纤状结构体的产率为8%羊毛的溶解率为26%。
实施例6
将2.5g开松、除杂后的废弃人发用无水乙醇清洗、干燥后剪成3mm小段，将其浸入到 250ml含有亚硫酸氢钠和硫脲的溶液(pH=6.8)中，其中，所述溶液是通过将亚硫酸氢钠 加到6M硫脲水溶液中得到，亚硫酸氢钠的质量浓度为10%， 50。C下搅拌3h，搅拌器转速 50r/min。
将搅拌后所得的混合物用100目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用400 目筛网过滤得到直径为2-4um(长度为80-120!ini)的原纤结构体，将滤液在25'C以转速 6000rpm离心分离0. 3h得到直径为0. 2-0. 4 u m(长度为20-50 ii m)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在25°C以转速6000rpm离心分离0. 3h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 10wt。/。角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120 um)原纤状结构体的产率为8%，直径为 0. 2-0. 4 u m(长度为20-50 u m)原纤状结构体的产率为4%羊毛的溶解率为13%。
实施例7
将10g开松、除杂后的废弃羊绒用无水乙醇清洗、干燥后剪成6mm小段，将其浸入到 250ml含有亚硫酸氢钠和硫脲的溶液(pH=6.8)中，其中，所述溶液是通过将亚硫酸氢钠 加到10M硫脲水溶液中得到，亚硫酸氢钠的质量浓度为10%， 9(TC下搅拌10h，搅拌器转速500r/miru
将搅拌后所得的混合物用100目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用400 目筛网过滤得到直径为2-4um(长度为80-120nm)的原纤结构体，将滤液在15E以转速 5800rpm离心分离0. 4h得到直径为0. 2_0. 4 U m(长度为20-50 u m)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在15'C以转速5800卬m离心分离0.4h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 10wt。/。角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120 um)原纤状结构体的产率为17%，直径为 0. 2-0.4um(长度为20-50um)原纤状结构体的产率为26%羊毛的溶解率为43%。
实施例8
将6g开松、除杂后的废弃牛毛用无水乙醇清洗、干燥后剪成3mm小段，将其浸入到 250ml含有亚硫酸氢钠和硫脲的溶液(pH=6.5)中，其中，所述溶液是通过将亚硫酸氢钠 加到9M硫脲水溶液中得到，亚硫酸氢钠的质量浓度为10%， 70。C下搅拌8h,搅拌器转速 300r/min。
将搅拌后所得的混合物用100目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用400 目筛网过滤得到直径为2-4ixm(长度为80-120 iim)的原纤结构体，将滤液在2(TC以转速 4200rpm离心分离0. 5h得到直径为0. 2-0. 4 u m(长度为20-50 u ra)的原纤状结构体和离心 上清液，将得到的原纤状结构体用蒸馏水清洗、在20°C以转速4200rpm离心分离0. 5h后 自然风干；将离心后的上清液用孔径为10000-12000Da纤维素透析袋进行透析浓縮，制得 10wty。角蛋白水溶液。角蛋白大分子的分子量在15000-70000道尔顿的范围内。
该方法获得直径为2-4um(长度为80-120um)原纤状结构体的产率为20%,直径为 0.2-0.4um(长度为20-50um)原纤状结构体的产率为21%羊毛的溶解率为35%。
性能对比
如图1所示，为用研磨天然角蛋白动物纤维方法得到的角蛋白粉末电镜照片，通过机 械研磨天然角蛋白动物纤维所获得的角蛋白粉末为细小颗粒状，破坏了角蛋白纤维本身的 各向异性结构。
如图2和图3所示，为本发明方法得到的直径在2-4um的角蛋白原纤状结构体第一 和第二电镜照片，如图4所示，为本发明方法得到的直径在0.2-0. 4ym的角蛋白原纤状 结构体电镜照片，其保留了天然角蛋白纤维本身所具有的自相似多级原纤结构，所提取的 角蛋白原纤状结构体形态完整，长径比为20-50。由于还原剂对角蛋白原现状结构体具有抛光作用，所获得的产物表面光滑平整，直径更细，呈纺锤形。
与研磨法获得的角蛋白粉末相比，本专利所述方法制备的角蛋白原纤状结构体保留了角蛋白纤维本身微观结构单元所固有的形态，为细长的各向异性结构体。与完全将角蛋白纤维溶解提取角蛋白溶液而后制备的各向同性角蛋白粉末的方法相比，角蛋白原纤状结构体不但具有各向异性的特点，还保留了角蛋白大分子的天然形态。角蛋白原纤状结构体在化纤改性，生物医疗，食品包装等领域具有广泛的应用价值，可作为填充材料和增强材料用于制备蛋白质改性化学纤维、生物膜和生物支架材料，角蛋白原纤改善了颗粒状各向同性角蛋白颗粒对材料力学性能产生的不良影响。通过控制角蛋白原纤结构体在材料中的排列形式，可以获得具有各向异性力学性能的膜材料，从而提高材料的应用范围。
权利要求
1、一种以还原性溶剂分离提取天然角蛋白纤维中原纤状结构体及角蛋白溶液的方法，其特征在于，具体步骤为第一步将天然角蛋白纤维依次进行开松、除杂、清洗和干燥处理后，切断成3-6mm的纤维段，以固液比为2.5-10g/250ml浸入到含有还原剂和能够破坏蛋白质氢键的蛋白质变性剂的溶液中在50-90℃搅拌3-10h，搅拌器转速为50-500r/min；第二步将搅拌后所得的混合物用80-120目筛网过滤除去未反应的天然角蛋白纤维，将滤液用350-450目筛网过滤得到直径为2-4μm的原纤结构体，将滤液在15-25℃以转速3000-7000rpm离心分离0.2-1h得到直径为0.2-0.4μm的原纤状结构体和离心上清液，将得到的原纤状结构体清洗后干燥；第三步将第二步得到的离心上清液经透析浓缩，制得角蛋白水溶液。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中含有还原剂和能够破坏蛋 白质氢键的蛋白质变性剂的溶液是通过将还原剂加入到6-10M能够破坏蛋白质氢键的蛋白 质变性剂水溶液中制得，其中，所述还原剂的质量百分比浓度为7%-12%，所得溶液pH值 为6. 5-7. 5。
3、 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一步中还原剂为亚硫酸钠、 亚硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾或偏重亚硫酸钠。
4、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中能够破坏蛋白质氢键的蛋 白质变性剂溶液为尿素、硫脲或溴化锂。
5、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一步中的天然角蛋白纤维为羊毛、 人发、羊绒、兔毛、驼毛、马毛或牛毛。
全文摘要
本发明提供一种以还原性溶剂分离提取天然角蛋白纤维中原纤状结构体及角蛋白溶液的方法，其特征在于，具体步骤为将天然角蛋白纤维依次进行开松、除杂、清洗和干燥处理后，切断成3-6mm的纤维段，浸入到含有还原剂和能够破坏蛋白质氢键的蛋白质变性剂的溶液中在50-90℃搅拌；用筛网过滤得到直径为2-4μm的原纤结构体和滤液，将滤液离心分离得到0.2-0.4μm的原纤状结构体和离心上清液，将得到的原纤状结构体清洗后干燥；将离心上清液经透析浓缩，制得角蛋白水溶液。本发明能够获得各向异性原纤状结构体和角蛋白溶液，且方法简单、产率高、能耗低、环境污染小。
文档编号C08H1/00GK101508847SQ20091004725
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月9日 优先权日2009年3月9日
发明者于伟东, 洋 刘, 杰 范 申请人:东华大学