山羊絨夾雜膚皮屑的組成及其結(jié)構(gòu)

陳曉盟，王樹根，薛 晨

(1.生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122;2.新疆天山毛紡織股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830054)

山羊絨夾雜膚皮屑的組成及其結(jié)構(gòu)

陳曉盟1，王樹根1，薛 晨2

(1.生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122;2.新疆天山毛紡織股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830054)

山羊絨夾雜的膚皮屑會嚴重影響紡織品質(zhì)量。采用胃蛋白酶法和還原法從山羊絨膚皮中提取了膠原蛋白和角蛋白，并對其進行表征。結(jié)果表明:洗凈絨中膚皮屑組成及其質(zhì)量分數(shù)為水分9.14%，脂肪8.72%，水溶物11.36%，粗蛋白60.13%，灰分10.65%，粗蛋白中膠原蛋白和角蛋白分別占蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的30.98%和15.67%，是蛋白質(zhì)的主要組成，其他蛋白種類有待于進一步研究。膚皮屑中膠原蛋白相對分子質(zhì)量集中在49 ku，角蛋白分子質(zhì)量在26～35 ku和49 ku區(qū)域。各組分在膚皮屑結(jié)構(gòu)中分布情況不同，脂肪和膠原蛋白分布不均勻，角蛋白呈較均勻分布，水溶物對膚皮片狀粘接起主要作用。研究結(jié)果為解決山羊絨染色膚皮點提供了理論參考。

山羊絨;膚皮;膠原蛋白;角蛋白

山羊絨纖維是珍貴的紡織原料，全世界70%的山羊絨產(chǎn)自中國。由于采用抓絨得到原絨，原絨中含有粗毛、兩型毛、膚皮屑、沙土和汗脂等雜質(zhì)，雖然經(jīng)過前處理加工后可去除大部分雜質(zhì)，但無法完全去除膚皮屑，在山羊絨淺色品種染色時膚皮屑的存在會造成深色膚皮色點的出現(xiàn)，嚴重影響羊絨制品的外觀質(zhì)量。雖然有研究報告試圖采用生物酶法去除膚皮點，但效果還不理想［1］。

山羊絨與膚皮屑的組成及結(jié)構(gòu)差異無疑是產(chǎn)生染色膚皮點的本質(zhì)原因。這個問題困擾行業(yè)已久，一直沒有找到比較理想的解決方法。山羊絨組成與結(jié)構(gòu)研究的比較全面，但是幾乎沒有山羊絨膚皮組成與結(jié)構(gòu)的報道，搞清楚山羊絨膚皮屑的結(jié)構(gòu)與組成有助于為解決膚皮點問題提供理論支持和幫助。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料:洗絨加工后的山羊絨膚皮屑(新疆天山毛紡織股份有限公司)，胃蛋白酶(分析純，1200 U/g，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，石油醚、硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、氫氧化鈉、硼酸、鹽酸、碳酸鈉、氯化鈉、乙酸、正己烷、二氯甲烷、尿素、十二烷基硫酸鈉、亞硫酸氫鈉，均為分析純(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，去離子水。

儀器:DHG-9040A型電熱恒溫鼓風干燥箱(杭州藍天化驗儀器廠)，AL104型電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)，SSXF-25-10型可編程一體化箱式電阻爐(上海康路儀器設(shè)備有限公司)，K9840型自動凱式定氮儀(濟南海能儀器有限公司)，UV-2802S型紫外可見分光光度計，F(xiàn)D-1C-50型真空冷凍干燥機(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司)，數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-6型(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，紅外光譜儀，HITACHT SU1510掃描電子顯微鏡(日本日立公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 山羊絨膚皮屑的組分分離與基本成分測定

水溶物質(zhì)量分數(shù)按QB/T 2721—2005《皮革 化學(xué)試驗水溶物、水溶無機物和水溶有機物的測定》進行測定;水質(zhì)量分數(shù)按GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》進行測定;灰分質(zhì)量分數(shù)按 GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》進行測定;脂肪質(zhì)量分數(shù)按GB 5009.6—85《食品中脂肪的測定方法》進行測定;氮質(zhì)量分數(shù)按:GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》進行測定。

1.2.2 山羊絨膚皮屑中膠原蛋白的提取

預(yù)處理:山羊絨膚皮屑用質(zhì)量分數(shù)為6%的碳酸鈉水溶液浸泡脫脂。脫脂后以1∶15的料液比將山羊絨膚皮與質(zhì)量分數(shù)為5%的氯化鈉水溶液混合，室溫緩慢攪拌12 h除去鹽溶性非膠原成分，再用清水沖洗數(shù)次去除殘留NaCl后備用。

膠原蛋白提取:將預(yù)處理好的山羊絨膚皮屑置于0.5 mol/L乙酸提取介質(zhì)中，加入適量的胃蛋白酶，調(diào)節(jié)pH值，在適宜溫度下浸提。浸提結(jié)束后，過濾，收集濾液，直接加入氯化鈉鹽析，控制氯化鈉濃度不超過4.4 mol/L，在4℃以12000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，棄上清液，沉淀0.5 mol/L乙酸溶解后，裝入透析袋透析，至無氯離子檢出。倒出透析袋中的膠原蛋白溶液，冷凍干燥，得白色膠原蛋白［2－3］。

1.2.3 山羊絨膚皮屑中角蛋白的提取

洗凈干燥后的山羊絨膚皮屑在正己烷和二氯甲烷混合溶劑中(體積比為1∶1)浸泡24 h脫脂，干燥;取10g脫脂干燥后的山羊絨膚皮屑溶于溶解液(尿素 36 g，浴比 1∶20，十二烷基硫酸鈉(SDS)6 g，NaHSO310g)，于90℃水浴，在N2保護下，反應(yīng)5 h［4］;將上述溶液過濾，除去不溶物，將濾液置于透析袋中，透析3 d(透析液每天換3次)，透析液在蒸餾水中加入少量SDS，將透析后的溶液冷凍干燥，得角蛋白粉末［5－6］。

1.2.4 測試與表征

1.2.4.1 蛋白產(chǎn)率 將反應(yīng)后過濾出的不溶物和反應(yīng)前的山羊絨膚皮屑洗滌干燥后稱量，采用式(1)計算膠原蛋白及角蛋白的產(chǎn)率Y。

式中:m1為不溶物干燥后的質(zhì)量;m2為山羊絨膚皮總質(zhì)量。

1.2.4.2 相對分子質(zhì)量測定 采用SDS-凝膠電泳法測試膠原蛋白和角蛋白粉末的相對分子質(zhì)量及其分布［7］，相對分子質(zhì)量的單位以kD表示。

1.2.4.3 紅外光譜 采用KBr壓片法測試膠原蛋白和角蛋白粉末的紅外光譜曲線。

1.2.4.4 膚皮形態(tài) 利用掃描電鏡分別對山羊絨膚皮屑原樣，去除脂肪后膚皮，去除脂肪及水溶物后膚皮屑，去除脂肪、水溶物及膠原蛋白后膚皮屑，去除脂肪、水溶物及角蛋白后膚皮5種物質(zhì)的表面形態(tài)進行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 山羊絨膚皮屑的組成成分

取一定量純凈的山羊絨膚皮屑，采用直接干燥法測定其水分含量，索氏提取法測定其脂肪含量，萃取稱重法測定其水溶物含量，凱式定氮法測定其粗蛋白含量，灼燒質(zhì)量法測定其灰分含量，得到山羊絨膚皮的基本組成，如表1所示。

表1 山羊絨膚皮屑的基本組成及質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Basic composition and mass fraction ofcashmere skin dander %

山羊絨膚皮屑中主體成分為蛋白質(zhì)，占膚皮干態(tài)質(zhì)量的66%，其中角蛋白和膠原蛋白為主要蛋白組成成分，按照1.2.4.1的方法測定，根據(jù)式(1)計算得到角蛋白及膠原蛋白的質(zhì)量分數(shù)分別為30.98%和15.67%，約占山羊絨膚皮屑中粗蛋白的78%。

2.2 山羊絨膚皮屑表面形貌分析

圖1示出去除不同物質(zhì)后山羊絨膚皮屑的SEM照片。

圖1 去除不同物質(zhì)后山羊絨膚皮的SEM照片(×5000)Fig.1 SEM pictures of cashmere skin with different substances removed(×5000).(a)Cashmere skin sample without treatments;(b)Cashmere skin with adipose removed;(c)Cashmere skin with water soluble matter removed;(d)Cashmere skin with collagen removed;(e)Cashmere skin with keratin removed

去除不同物質(zhì)后山羊絨膚皮屑原樣表面致密緊湊，各組分呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定性，在洗絨條件后仍然穩(wěn)定;圖1(b)中去除脂肪后的山羊絨膚皮屑表面存在分布不均及大小不同的孔洞，可看到脂肪以不同大小、顆粒狀、不均勻分布在膚皮屑中，去除脂肪后膚皮仍然保持片狀;圖1(c)中去除水溶物后的山羊絨膚皮屑形貌，雖然洗絨工藝使部分水溶物質(zhì)去除，但是正常的洗絨工藝不能完全去除膚皮屑中的水溶物，當水溶物進一步去除后，可看到膚皮片狀結(jié)構(gòu)破壞，變得更小，這些水溶物對膚皮片有粘接作用，這也在后續(xù)生產(chǎn)中被證實，后續(xù)染整加工觀察到膚皮點數(shù)量增多，尺寸變小;圖1(d)中去除膠原蛋白后山羊絨膚皮屑可看到，膠原蛋白在膚皮中的形態(tài)也是以不連續(xù)的、較薄的片狀存在圖1(e)中去除角蛋白后山羊絨膚皮屑形態(tài)表明角蛋白含量較高，幾乎構(gòu)成了膚皮屑的主體，這種角蛋白的性能與羊絨角蛋白的性能差異有待進一步研究。去除不同物質(zhì)后山羊絨膚皮屑表面孔洞的存在表明了脂肪、水溶物、膠原蛋白及角蛋白是膚皮的組成成分，孔洞的尺寸、分布狀態(tài)反映了它們在山羊絨膚皮屑中的分布狀況。在此基礎(chǔ)上研究膚皮色點問題變得容易一些，更有理論依據(jù)。

2.3 膚皮屑中的膠原蛋白

2.3.1 膚皮屑膠原蛋白的紫外圖譜特征

膚皮屑中提取的膠原蛋白樣品用0.5 mol/L乙酸溶解，溶解液在200～500nm進行紫外掃描，如圖2所示。

圖2 山羊絨膚皮屑膠原蛋白的紫外吸收光譜Fig.2 Ultraviolet absorption spectrum of collagen in cashmere skin

紫外光譜分析法是根據(jù)色氨酸和絡(luò)氨酸這2種氨基酸在280nm處有最大吸收峰，由于膠原蛋白僅含有少量色氨酸及絡(luò)氨酸，而所有的蛋白質(zhì)是多肽，在230nm以下都有強吸收，因此，可檢測在280nm和200～230nm這2個波長段條件下的吸光度定性衡量膠原蛋白，當在280nm波長下無顯著吸收峰，而在200～230nm下有最大吸收峰時表明膠原蛋白的存在。圖2示出利用乙酸與胃蛋白酶結(jié)合法提取的山羊絨膚皮屑膠原蛋白紫外吸收光譜圖，所提取的山羊絨膚皮屑膠原蛋白在234nm處有最大吸收峰，在280nm處無明顯吸收峰，符合膠原蛋白的特性。通過紫外圖譜可確認分離膠原蛋白成功［8］。

2.3.2 膚皮屑膠原蛋白的紅外圖譜特征

山羊絨膚皮屑中所提取的膠原蛋白的紅外譜圖如圖3所示。由圖可見，3449cm－1處為酰胺A帶的N—H伸縮振動(氫峰)峰;1645cm－1處為酰胺Ⅰ帶的==C O伸縮振動強峰，也是α螺旋的COO—反對稱收縮振動峰;1546cm－1處為酰胺Ⅱ帶的N—H彎曲振動峰和 COO—對稱收縮振動峰;1239cm－1處為酰胺Ⅲ帶的N—H伸縮振動的變形峰;1095cm－1處為酰胺Ⅳ帶的C—N伸縮振動或N—H伸縮振動的變形峰;598cm－1處為酰胺Ⅴ帶。與膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)相關(guān)的==C O在1645cm－1及1546cm－1處的特征吸收峰保留完整，表明所用提取方法可靠，并未將山羊絨膚皮過度酶解。圖中相應(yīng)的波數(shù)符合膠原蛋白的吸收峰位，再次證明分離提取的物質(zhì)為膠原蛋白［9］。

圖3 山羊絨膚皮屑中膠原蛋白的紅外譜圖Fig.3 Infrared spectra of collagen in cashmere skin

2.3.3 膚皮屑中膠原蛋白分子的質(zhì)量

圖4示出山羊絨膚皮屑膠原蛋白的SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳圖片。可看出，采用乙酸胃蛋白酶結(jié)合法提取的膠原蛋白分子質(zhì)量單一，集中分布在49 ku附近，還有少量分布在26 ku處。

圖4 山羊絨膚皮屑膠原蛋白的SDS電泳圖Fig.4 SDS electrophoresis of collagen in cashmere skin

2.4 膚皮屑中的角蛋白

2.4.1 膚皮屑中角蛋白的紅外譜圖特征

山羊絨膚皮屑中提取的角蛋白的紅外光譜如圖5所示。3312cm－1處強吸收峰為 N—H和 O—H特征峰;1654cm－1處為酰胺I區(qū)(—NH—CO—)中C==O的伸縮振動吸收峰，1545cm－1處為酰胺Ⅱ區(qū)N—H彎曲振動吸收峰，1229cm－1處吸收峰代表酰胺Ⅲ區(qū) C—N伸縮振動吸收峰;在2923cm－1和2851cm－1處吸收峰代表CH3、CH2中的C—H伸縮振動峰，由于二硫鍵的斷裂使得此處吸收峰強度明顯增強;在1072cm－1處左右出現(xiàn)的小峰是由半胱氨酸中斷裂的二硫鍵產(chǎn)生的巰基被氧化的結(jié)果［4，10］。上述分析表明，從山羊絨膚皮屑中提取的角蛋白其自身的肽鍵沒有被破壞，保留了角蛋白大分子的完整性，分子中的二硫鍵和氫鍵發(fā)生了變化［5］。

圖5 山羊絨膚皮屑角蛋白的紅外圖譜Fig.5 Infrared spectra of keratin in cashmere skin

2.4.2 膚皮屑中角蛋白的分子質(zhì)量

圖6示出山羊絨膚皮屑角蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳圖片。

圖6 山羊絨膚皮屑角蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳圖Fig.6 SDS electrophoresis of keratin in cashmere skin

從圖中可看出，還原法提取的山羊絨膚皮屑角蛋白的分子質(zhì)量分布較寬，主要集中在26～35 ku之間以及49 ku附近。采用同樣方法提取的羊毛角蛋白分子質(zhì)量在50～70 ku之間［4］。

3 結(jié)論

1)山羊絨膚皮屑基本組成及其質(zhì)量分數(shù)為:水分9.14%，脂肪8.72%，水溶物11.36%，粗蛋白60.13%，灰分10.65%，其中膠原蛋白和角蛋白分別占蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的30.98%和15.67%，是蛋白質(zhì)的主要組成。

2)山羊絨膚皮屑各組分在膚皮中分布位置不同，脂肪和膠原蛋白呈不規(guī)律分布狀態(tài)，角蛋白比較均勻分布在膚皮屑中，水溶物起到黏連片狀膚皮的作用。

［1］ 陳曉盟，王樹根，薛晨.生物酶法山羊絨膚皮屑去除［J］.紡織學(xué)報，2013，34(9):23 －29.CHEN Xiaomeng， WANG Shugen， XUE Chen.Enzymatic removal of skin crumbs from cashmere［J］.Journal of Textile Research，2013，34(9):23 －29.

［2］ 孟月志，翁佩芳.胃蛋白酶提取牛皮膠原蛋白的工藝研究［J］.精細化工，2010，27(12):1187 －1190.MENG Yuezhi，WENG Peifang.Extraction of collagen by pepsin from the cattle skin［J］.Fine Chemicals，2010，27(12):1187 －1190.

［3］ VENKATASUBRAMANIAN Sivakumar，GOPALARAMAN Swaminathan，PARUCHURI Gangadhar Rao， et al.Influence of ultrasound on diffusion through skin/leather matrix［J］.Chemical Engineering and Processing，2007，47:2076－2083.

［4］ 付學(xué)忠，劉琳，姚菊明.羊毛角蛋白的提取工藝及其特性表征［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報，2012，29(1):160－163.FU Xuezhong，LIU Lin，YAO Juming.The extraction and characterization of keratin from wool［J］.Journal of Zhejiang Sci-Tech University， 2012，29(1):160－163.

［5］ 徐恒星，史吉華，周奧佳，等.羊毛角蛋白的提取及其成膜性［J］.紡織學(xué)報，2012，33(6):41 －47.XU Hengxing，SHI Jihua，ZHOU Aojia，et al.Keratin extraction from wool and its film forming property［J］.Journal of Textile Research，2012，33(6):41 －47.

［6］ DEB S Choudhury，ALLSOP T，PASSMAN A，et al.Use of a proteomics approach to identify favourable conditions for production of good quality lambskin leather［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2006，384:723－735.

［7］ 劉慶慧，王彩理，劉叢力.魚鱗膠原蛋白研究［J］.海洋水產(chǎn)研究，2000，21(3):57 －60.LIU Qinghui，WANG Caili，LIU Congli.Studies on properities of collagen from fish scale［J］.Marine Fisheries Research，2000，21(3):57 －60.

［8］ 徐新宇.膠原的提取、改性、交聯(lián)及其應(yīng)用［J］.透析與人工器官，2004，15(3):38 －46.XU Xinyu.The extraction，modification，cross-linking of collagen and its application［J］.Chinese Journal of Dialysis and Artificial Organs，2004，15(3):38 －46.

［9］ 劉瑞，南文濱，陳紅麗，等.胃蛋白酶法提取豬皮膠原蛋白的條件優(yōu)化［J］.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2012，29(11):821－823.LIU Rui， NAN Wenbin， CHEN Hongli， et al.Optimizing processing of collagen extraction from pigskin by pepsin［J］.Journal of Xinxiang Medical College，2012，29(11):821 －823.

［10］ 李文霞，廖青，劉燚.利用傅里葉紅外光譜與傅立葉拉曼光譜初探超細羊毛粉的光譜行為［J］.分析科學(xué)學(xué)報，2007，23(5):519 －521.LI Wenxia， LIAO Qing， LIU Yi. Studyonthe spectroscopic behavior of super-fine wool powder by FTIR and FT-Raman Spectroscopy［J］. Journal of Analytical Science，2007，23(5):519－521.

Composition and structure of skin dander included in cashmere

CHEN Xiaomeng1，WANG Shugen1，XUE Chen2
(1.Key Laboratory of Eco-Textiles(Jiangnan University)，Ministry of Education，Wuxi，Jiangsu 214122，China;2.Xinjiang Tianshan Wool Textile Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang 830054，China)

Skin dander included in the cashmere seriously affected the quality of textiles.Pepsin method and restore method were used to extract collagen and keratin from cashmere skin dander，and its characterization was conducted.The results show that cashmere skin dander contains 9.14%of moisture，8.72%of fat，11.36%of soluble solids，60.13%of crude protein and 10.65%of ash，collagen and keratin protein account for 30.98%and 15.67%of the total protein，respectively，which are the major components of protein，the remaining proteins are needed to be further studied.Molecular weight of collagen from skin dander is concentrated at 49 ku，while the molecular weight of keratin distributes mainly in the range of 26 to 35 ku and 49 ku.The distributions of components among skin dander is different，fat and collagen distribute unevenly，while keratin shows a more uniform distribution，and water soluble solids play a major role on skin bonding between flaky skin danders.The findings provide a theoretical basis for addressing dark skin point among cashmere dyeing.

cashmere;skin dander;collagen;keratin

TS 135.2;

A

10.13475/j.fzxb.20140403006

2104－04－09

2014－08－05

陳曉盟(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為新型染整技術(shù)。王樹根，通信作者，E-mail:wangshugen@163.com。