浅析角蛋白在皮革行业中的运用

通过物理或化学降解方法，成功提取了角蛋白。同时，对提取得到的角蛋白经过化学改性等处理，制备得到了各项物理化学性能更加优良的改性角蛋白产品，且其已逐步应用于医药、化妆品、涂料、皮革等行业。

角蛋白概况

1角蛋白的来源

一般说来，高等动物的表皮毛发中角蛋白的含量较高，而植物、微生物中角蛋白的含量较低[3]。角蛋白可分为软角蛋白和硬角蛋白两大类。软角蛋白和硬角蛋白在元素含量及空间结构上有很大的不同，软角蛋白存在于皮肤和其它一些细胞组织中，如脑灰质，脊髓和视网膜神经的蛋白质。而硬角蛋白，多存在于一些硬化了的角质细胞中，如：发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、喙、丝及其他动物表皮结构中，无营养作用。动物体中的角蛋白是生皮纤维的第二大组成部分[4]。在动物体中，如猪、牛、羊等牲畜的屠宰下脚料、蹄、角、毛以及禽类羽毛中，角蛋白含量极高。禽类羽毛中的角蛋白含量高达80%，羊毛的角蛋白含量更是高达93%。许多皮革厂、屠宰场及其毛纺加工厂，在生产过程中产生的废弃毛料具有很大的回收利用价值，是角蛋白丰富的来源[5]。毛作为角蛋白的一大来源，有其独特的结构。成熟的毛由内到外依次分为髓质层、皮质层和鳞片层。髓质层存在于毛中空的部分，由充满空气的薄壁细胞组成，决定毛的保暖性，含有色素颗粒。皮质层是毛的主要组成部分，由皮质细胞胶合而成，决定毛的柔软度，强度，卷曲度，含有色素，从而决定毛的颜色。鳞片层，又称表皮层，约占毛重的10%，决定毛的摩擦性能，粘缩性，吸湿性，以及光泽和手感。

2角蛋白的结构

（1）角蛋白分子的一级结构。角蛋白属于纤维状蛋白质，分子链由20种α-氨基酸构成，在不同物种、同一物种的不同个体之间、乃至同一个体的不同组织之间，角蛋白分子的分子结构及其分子中的氨基酸序列和含量有较大差异。即，角蛋白的来源不同，氨基酸的组成存在差异。Parry等发现，动物毛发纤维的氨基酸重复单元中主要有两种基本的五肽环模式的重复单元，即：重复单元A（半胱氨酸-半胱氨酸-X-脯氨酸-X）和B（半胱氨酸-半胱氨酸-X-丝氨酸/苏氨酸-丝氨酸/苏氨酸），其中，X代表除半胱氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸之外的构成蛋白质的任何一种氨基酸[6]。分子中含有较多的半胱氨酸，约占11%，没有羟脯氨酸，羟赖氨酸也很少，或没有。角蛋白中氨基酸的通式可以表示为：H2N-CHR-COOH其中R是具有不同性质的侧链或基团。角蛋白的一级结构，是由各种α-氨基酸通过肽键缩聚而形成的多肽链的结构，具体结构示意图如图1所示[7]。

（2）角蛋白分子的二级结构。X衍射法研究发现，经X射线照射后，角蛋白存在两种结构，如图2所示，分别为角蛋白的α-螺旋结构和β-折叠结构。角蛋白的一级结构是由α-氨基酸通过肽键构成多肽长链，因为氨基酸中除α-氨基和α-羧基以外还有其他侧基，肽长链又通过侧基间的相互作用（如：二硫键、氢键、离子键、酯键、范德华力等）横向联系形成角蛋白的空间构型。在提取角蛋白时，对毛羽的溶解应该是打开毛角蛋白大分子间的侧基间的作用，并保持大分子肽链的完整性而不受破坏，否则角蛋白的实用价值就会受到影响[8]。其中二硫键、氢键、酯键等保持角蛋白的空间构型，使其相互交联形成稳定的三维结构，也正是因为二硫键和氢键的存在使得α-角蛋白具有很好的曲挠性。角蛋白在自然条件下很难降解，主要原因是其结构中有大量的二硫键相连，具有强的耐酸能力，但是当-S-S-被破坏后，便能在稀碱液中很快膨胀而溶解[9]。

（3）角蛋白的三级结构。毛是典型的α-角蛋白，其基本结构是右手α-螺旋，两个α-螺旋可卷绕形成二聚体。在二聚体中，两个α-螺旋分子链相互缠绕，拧成绳状，呈左手螺旋结构。角蛋白的单股左手螺旋二聚体间，由于肽链侧基，如双硫键等作用，使多个二聚体相互作用形成微纤维，数十根微纤维相互作用又形成原纤维。即，α螺旋→微原纤维→原纤维→纤维束→细胞。角蛋白三级结构示意图如图3与图4所示。

3角蛋白分子内及分子间的作用力

角蛋白中，α-氨基酸形成的肽长链之间，由于侧基R的相互作用，即，范德华力，双硫键，酯键，离子键等的相互作用，形成稳定的空间结构。其中，双硫键是由两个半胱氨酸的巯基被氧化形成的共价键，可表示为-S-S-。双硫键键能很大，大约126~420kJ/mol，但几乎不能自由转动，所以角蛋白单个肽长链间，通过二硫键作用，对角蛋白空间结构的稳定性有重要作用。由于角蛋白长肽链上有很多肽键，肽链侧基如-COOH，-NH2，-OH等基团，这些基团之间可能形成大量的氢键，氢键也是影响角蛋白分子结构稳定性的重要因素之一。除此之外，角蛋白分子侧链上的带负电基团和带正电基团之间会相互作用，形成离子键；分子之间，基团之间，还可能存在范德华力以及某些疏水基团的作用，亦对角蛋白的空间结构有着重要影响，赋予了角蛋白稳定的结构和化学性质。如表1所示，为角蛋白分子间所存在的作用力及其对结构的影响作用结果[7-10]。

4毛和角蛋白的物理性质

动物毛中，角蛋白成分占80%以上，角蛋白的空间结构及元素组成，决定了毛的物理性质。动物毛吸湿性好，回潮率一般在15%~16%，吸水率可达60%。截面吸湿膨胀率在17.5%~18%之间。由于毛纤维的分子结构特征，使其在一般情况下具有较好的弹性[6]。在湿热条件下，经机械外力反复作用，纤维集合体逐渐收缩紧密、交编毡化。角蛋白的耐热性较差，在100~105℃时，毛纤维很快失水、干燥而变得脆弱、泛黄、强度降低。如图5所示，为毛的应力-应变曲线图[11]。

角蛋白的提取方法

从目前的总体情况来看，角蛋白的提取方法众多，然而，通过我们的分析发现，主要的提取方法为机械法和化学法两类。

1机械法

角蛋白中的双硫键在高温高压下会被破坏，使角蛋白水解成多肽链混合物，相对分子质量下降且溶解性增加，这种提取角蛋白的方法称为“高温高压水解法”。基本原理是在加温加压条件下（一般温度100~200℃、压力0.3~1MPa），角蛋白的空间结构发生变化，肽链伸展，单分子肽链间的作用力（如双硫键、氢键等）遭到破坏，溶解性提高，同时角蛋白的空间结构变得疏松，分子间空隙增大，从而增大了角蛋白与溶剂的接触面积。机械法提取角蛋白，多用于角蛋白饲料的生产，动物毛羽、蹄等经过加热，高压，使其膨化溶于水呈凝胶状，然后，烘干，粉碎。该方法蛋白产率高（高达85%），然而，其对设备的要求高，耗能大，且条件不易控制[12]。如表2所示，即为现阶段提取角蛋白的主要机械方法[13]。

2化学法

酸水解法。由于酸不易使双硫键遭到破坏，所以角蛋白对酸的耐受性较强，角蛋白用40g/L的H2SO4常温处理羊毛8h，羊毛的强度保持不变。在制裘中，毛适合在弱酸条件下湿加工，40℃条件下浸酸，毛几乎无损伤。但高浓度强酸长时间作用，角蛋白会由于肽链的水解而遭到破坏，此法使角蛋白分子降解成小分子肽及氨基酸。一般说来，酸的浓度越高，酸性越强，反应温度越高，反应时间越长，则角蛋白越易水解。

碱水解法。角蛋白中肽链间的双硫键键能极大，几乎不能自由转动，非常稳定，但对碱非常敏感，经碱处理极易发生断裂，与此同时，碱还会破坏角蛋白中的盐键，影响肽链本身的结构。但碱对角蛋白的溶解作用，主要是破坏双硫键。角蛋白的破坏程度与时间、温度、碱的浓度及碱的性质有关[14]。碱催化的双硫键水解反应属于双分子β-消除反应，在强碱介质中，OH-首先攻击肽链中的半胱氨酸α-碳原子上的氢原子，并夺取之。失去质子的α-碳原子将多余的电子向侧链转移，导致C-S键的断裂并生成脱氢丙酰胺。后者进一步分解，转化为半胱氨酸盐，同时释放出一个硫原子。由于碱破坏角蛋白中双硫键的同时，也破坏了蛋白分子中的盐键、肽键等，碱浓度越高，碱性越强，则提取的角蛋白相对分子质量越低，所以在这种方法中必须解决角蛋白的产率和相对分子质量之间的矛盾，通常需要和还原剂配合使用。如表3所示，为现阶段研究的主要酸碱处理法及其比较结果[13]。

还原法。还原剂与角蛋白的反应主要发生在双硫键上，所用还原剂一般为巯基化合物，如巯基乙酸钠、巯基乙醇、巯基乙酸和二硫苏糖醇[13]，它们与双硫键的反应属于双硫键的交换反应，包括两个连续的亲核取代反应，中间产物为不对称双硫化物[14]。还原法所使用的试剂比较温和，对肽链的破坏程度较小，获得的角蛋白产品相对分子质量较高，产率也较高，通常是众多科研工作者首选的化学提取方法[5]。（1）还原A法[17]由于-S-S-容易被还原，还原剂亦可用于角蛋白提取，其反应表达式为：-S-S-+[H]→-SH这种反应的特点是，断开交联后至少要生成一份巯基（-SH），但是巯基极不稳定，如果将制得的溶液长时间放置，巯基会发生氧化又重新生成-S-S-，使角蛋白沉淀。具体反应过程如下式所示。-HN-CO-CH2-S-S-CH2-CHR-CO-NH-+2HSCH2COOH→HS-CH2-CHR-CO-NH-+HS-CH2-CO-NH-+HOOCCH2-S-S-CH2COOH（2）还原B法和还原C法还原B法和还原C法是在还原A法中为阻止半胱氨酸残基的氧化再交联而产生的。还原B法采用了封闭-SH的手段，使用亚硫酸盐或Na2S作为还原剂时，与二硫键反应生成-S-SO3Na基团和-S-Na基团，封闭了-SH基团，生成物水溶性增加。但生成物中仍有P-S-残基，角蛋白溶液仍不稳定。P-S-S-P1+2Na2S→P1-SNa+P-SNa+Na2S2与还原B法相比，还原C法利用表面活性剂胶束的保护作用阻止-SH氧化现象和沉淀发生，可以获得稳定的角蛋白溶液。采用此法提取角蛋白，可提取得到相对分子质量较高的角蛋白，且得率较高。如表4所示，为采用还原法提取角蛋白的具体实施方法[13]。

氧化法。过氧化氢、亚氯酸钠、高锰酸钾、过甲酸、过乙酸等都可以氧化角蛋白。氧化法的主要依据是-S-S-+[O]→SO3H，生成含有水溶性基团的角蛋白质[4]。以水作为溶剂，则可获得一定浓度的水溶液。其反应历程如下式所示[14]：P-S-S-P1+HOH→P-SH+P1-S-OHP-SH+P1-S-OH+RCO3H→P1-SO3H+RCO2H在氧化法制取角蛋白溶液的过程中，除了双硫键和巯基，甲硫氨酸的甲硫基、酪氨酸的酚羟基等也可被氧化，因此，不可避免的会造成肽链被氧化降解。因此，氧化法制取的角蛋白，相对分子质量较低，大多数角蛋白分子在3000kDa以下。

3生物法（酶处理法）

天然角蛋白由于双硫键的存在，对酶有很强的抵抗能力，只有角蛋白酶，即，双硫键还原酶，可以使角蛋白的双硫键还原，从而破坏-S-S-，将难溶性角蛋白分解为可溶性角蛋白，提高角蛋白的溶解性[18]，这也是毛类产品的虫蛀原理。但角蛋白酶的价格一般较昂贵，不适合工业生产。且产物较多为分子量较低的多肽。

角蛋白在制革工业中的应用

l在表面活性剂方面的研究

近年来，随着对生物高分子的研究，对蛋白质的性能及改性应用的研究分析也有了突破性的研究进展，基于蛋白质本身保护、润湿等作用以及其易降解的特性，经改性得到的蛋白质表面活性剂应运而生。如，雷米邦A就是一种由皮胶原和油酰氯缩合而成的典型的阴离子表面活性剂。基于此研究，强西怀等人利用废弃羊毛，将羊毛水解，再同油酰氯缩合，纯化制备得到阴离子角蛋白型表面活性剂[19]。王全杰等人通过将废弃牛毛水解，再和油酰氯缩合制备表面活性剂，并检测其表面张力，乳化力，发泡力。结果表明，牛毛水解液制备的表面活性剂具有较强的降低溶液表面张力的能力、优异的起泡能力以及良好的乳化能力[20]。

2在蛋白填料、复鞣剂方面的研究

早在上世纪70~80年代，印度人就开始了对羽毛角蛋白填料的研究。随着资源高效循环、高效利用观念的深入人心，对角蛋白复鞣填充剂的研究也逐渐成为制革工业中的一个热门研究课题。辛中印等人通过对角蛋白复鞣剂各项性能的研究分析发现，角蛋白具有一定数量的活性基团、一定的相对分子质量分布，对角蛋白用过硫酸钾引发，用丙烯酸进行了改性，制备得到的蛋白复鞣填充材料能明显降低革的部位差，且对铬革后续的染色工序无影响[20]。魏鹏勃等人用过硫酸钾、亚硫酸氢钠引发，在很大程度上增加了短支链，从而提高了角蛋白的助鞣填充性能，使革的柔软度，丰满度，厚度和伸长率都有所改善，且不影响坯革的抗张强度，撕裂强度[21]。李闻欣等也对角蛋白的助鞣作用进行了研究。综上所述，人们对毛角蛋白结构和性能的认识在逐步提高，角蛋白改性产品也可以代替部分鞣剂得以使用。有理由相信，只要通过适当的混合，接枝，共聚等处理，必将研制出性能更加卓越的角蛋白复合改性复鞣填充剂[22-26]。

3在吸附剂方面的研究

角蛋白复合材料中含有大量（如酰胺键，二硫键，氨基，羧基，羟基等）可与金属离子发生配位络合作用的基团，因此，对金属离子具有吸附性。在制革行业中产生的废弃毛料，是角蛋白最好的来源之一。一方面，废弃毛料的处理再利用是实现能源高效循环利用所必须的，另一方面，废弃毛料作为吸附剂的价格远远低于其它高分子合成吸附剂。在制革行业中，铬的污染是不可避免的。如何处理污水中的Cr3+，是制革过程中必须解决的一大问题。近年来，对角蛋白改性制取角蛋白吸附剂，应用于铬鞣废液中Cr3+的处理，已经逐步得到实践。李闻欣等人利用脱脂溶胀处理后的羊毛，处理铬鞣废液，验证了羊毛角蛋白的吸附性，证明了羊毛角蛋白表面暴露官能团越多，吸附性越好[27]。李闻欣等人还采用了与甲基丙烯酸甲酯接枝改性共聚的改性羽毛角蛋白对铬鞣废水进行处理，改善了羽毛角蛋白的吸附性能，提高了废弃角蛋白的利用率[28]。改性角蛋白具有微孔，质轻，较大比表面积等特性，同时，还具有较强的吸附能力。邵坚等利用此性质，用Na2SO3还原改性后，大大改善了其对污水中Cr2O72-的吸附能力[29-31]，该结果不仅表明了改性角蛋白具有较强的吸附能力，其也间接证实了改性角蛋白能够用于废水中的六价铬的处理，拓宽了改性角蛋白在其它工业废水中的可应用性。

4在皮革涂饰中的应用

皮革涂饰剂是由成膜剂、着色剂、溶剂和助剂等多种材料混合而成的。蛋白涂饰剂能使皮革具有优越的卫生性能[31]，然而，从目前的研究现状来看，制革上使用最广的是酪素。随着对角蛋白的研究改性，角蛋白涂饰剂也将逐渐被使用。众所周知，天然蛋白具有自身硬、脆等特点，因此采用未经改性处理的天然蛋白进行涂饰必将对坯革的各项性能产生一定的负面影响。辛中印等人通过使用乙烯基单体对角蛋白进行改性，不仅保留了毛蛋白涂饰的特点，同时改善了角蛋白涂层不耐干湿擦性能，使涂饰剂的性能得到了提高[32]。张扬等人采用甲基丙烯酸丁酯和丙烯酸乙酯和丙烯腈与羽毛蛋白进行接枝共聚反应，改善了涂饰剂的耐湿擦性、耐折裂和耐熨烫等性能，同时大大提高了涂层的粘着力[25]。

5其它方面的应用

目前，角蛋白的应用十分广泛，已涉足于农副产品，医药产品，生物高分子产品等多个行业，可作为化妆品添加剂、农药、肥料添加剂[33]等得以使用。对于医药行业而言，可将从中提取得到的半胱氨酸作为医药品使用。此外，角蛋白还可作为诱导底物，定向选育高效脱毛角蛋白酶等。综上所述，角蛋白不仅来源广泛，而且具有十分广阔的应用前景，对其进行研究分析必将具有十分显著的现实意义。

结语

制革中的废弃毛发，作为角蛋白的丰富来源，不仅没有得到很好的利用，反而给环境带来了很大压力。同时，随着科学的进步，无污染和少污染的降解角蛋白的方法将会逐渐被使用，如碱氧化法（使用氢氧化钠和双氧水）。此外，随着生物技术的进步，酶工程在制革中的应用也越来越广。纵然，从目前的整体情况来看，应用生物酶技术进行处理还面临着技术和经济上的瓶颈，难以实现真正意义上的工业化生产，但从生物酶的高效性和低污染的角度出发，该技术具有十分显著的发展前景，有望在角蛋白的提取领域开拓出一片新天地。尽管角蛋白已广泛应用于纺织、生物医药、化妆品、农业等多个行业，然而随着高新技术的逐步发展，有理由相信，角蛋白的应用势必越来越广。单就制革行业而言，现阶段在制革行业中的角蛋白填料、角蛋白助鞣剂、角蛋白助染剂等技术都还有待进一步的深入研究。（本文作者：张玉红、但卫华、但年华、刘兰 单位：四川大学制革清洁技术国家工程实验室）