丝胶蛋白(sericin)是丝素蛋白核心纤维的外层包覆成分。占总重量70%的丝素蛋白通过其规整的分子链结构及其排列方式赋予了蚕丝纤维优异的力学性能,而占总重25%的丝胶蛋白则作为一种形成蚕茧的黏合剂,其本身不具备力学强度,且被认为是一种潜在生物过敏源。
由于丝胶蛋白富含丝氨酸而具有较好的水溶性,在缫丝过程中,通常利用高温水溶(脱胶)的方式将其与丝素蛋白纤维分离。实验室中脱除丝胶蛋白的传统方法通常是将蚕茧置于碳酸氢钠或碳酸钠热水溶液中煮沸45min,再经漂洗、脱水、干燥后得到,但工业化生产中,因需有目的地在单丝纤维上保留少量丝胶蛋白,使从生个蚕茧上得到的单丝能相互缠绕黏结以保证生丝具有一定的纤度(粗细),故而将蚕茧置于沸水中即可抽丝。
还有一种通过所谓“膨化”的方法实现茧丝的脱胶,即将蚕茧置于一定压力的高温水蒸气作用下,随后突然降压,促使丝胶蛋白脱离核心纤维,从而达到两者相互分离的目的。显然,膨化脱胶的基础在于:①茧丝中丝胶蛋白和丝素蛋白的相容性不好,两者相界面清晰;②丝胶蛋白和丝素蛋白纤维对于温度和压力的膨胩系数有较为明显的差异。
实际上,丝胶蛋白对丝纤维的包覆具有多层结构。目前人们己经认识到,丝胶蛋白是一类蛋白质的混合物,这是因为不仅己有柔蚕的5种丝胶蛋白基因被克隆和部分测序,而且己分离到由此5种丝胶蛋白基因转录的9种信使核糖核酸(mRNA),换言之,桑蚕的丝胶蛋白可能含有多达9种多肽或蛋白质。
由于多种及多层丝胶蛋自的性状类似,极难分离纯化,因此,人们对丝胶蛋白的宏观认识及其使用,通常仅基于其总体性质。桑蚕丝胶蛋白也由18种氨基酸组成,其中丝氨酸、天冬氨酸和甘氨酸的相对质量可高达33%、17%和13%左右;另外,其带极性侧链的氦基酸约占75%,而带非极性侧链的氨基酸约有25%。有报道显示,在天然丝胶蛋白中存在着一段由38个氨基酸残基组成的重复基序,即SSTGSSSNTDSNSNSVGSSTSGGSSTYGYSSNSRDGSV,并且己被克隆、表达和纯化。早先对丝胶蛋白的具体分子量虽然有所报道,为~不等,但就目前的仪器发展和测试技术进步而言,其测定的可靠性和精确度相对有限。
人们对柞蚕丝胶蛋白的研究似乎更少,只是认为柞蚕茧丝上的丝胶蛋白要比愛鑫茧丝略少,但其組基酸组成仍以丝叙酸占优。就分子量而言,不周和風的丝胶蛋白当然有着不同的数值。表列举了若干日前己知丝胶蛋白的分子量。
丝胶蛋白在分离和纯化过程中将不可避免地被热或碱性溶液降解,加上本身的多组分性,人们对其二级结构的了解只是个大概。一般认为,无论在腺体中直接获得的天然丝胶蛋白还是由茧丝脱胶获得的再生丝胶蛋白,在水溶液中的构象基本均是β-折叠和无规线团的混合体,但无任何α-螺旋的迹象。之所以存在β-折登构象,很可能是源于富含丝氨酸的丝胶蛋白重复肽段间通过氢键形成了较强的极性拉链状相互作用。当然,在固态的丝胶蛋白中,蛋白质的构象可以受到有机溶剂如乙醇等的诱导,更多地转化为β-折叠。丝胶蛋白β-折叠结构的聚集体同样能成为物理交联点(区域),在稳定丝胶蛋白基材料的形态和致使水不溶性等方面起到了重要的作用。
从实际应用的角度,丝胶蛋白通常是从缫丝过程中产生的废水中提取的。另外一种常用的途径是以残茧或废丝为原料,除掉固体杂质后,用高温水浴或碱浴脱胶,然后经过溶液除盐、提纯、浓缩和千燥等步骤,最终得到粉末状的丝胶蛋白。显然,如此得到的丝胶蛋白实际上为分子量不等的多肽片段,不仅分子量小,且均一性差,若不作化学交联处理,成膜性能极为有限。
值得一提的是,通过转基因工程还可以得到一种专门分泌丝胶蛋白的蚕种一“丝胶之希望(sericinhope)”,在其蚕茧中丝胶蛋白(virginsericin)的含量可高达98.5%,用高压蒸汽法在C的水环境中即可获得鲜有降解的纯产物。
早期对丝胶蛋白提取物的使用仅限于“废物利用”。作为蛋白质片段,它无毒且抗氧化,并具有抗菌和抗紫外等特性,因此常被用作食品添加剂和化妆品添加剂等,起到诸如润肠、增加某些微量元素的生物利用度以及提高润肤液或头发护理品的保湿性和抗静电性等。
随后,人们又发现丝胶蛋白也有着很好的生物学特性,如能够抗细胞凋亡、抗酪氨酸酶和抗凝血等,甚至有一定的防癌作用,同时也能够在相应的条件下支持细胞的生长和分化,由此开启了其作为生物医用材料的新窗口。在这一方面有过较为全面的综述,若有兴趣可进行拓展阅读和了解。
在初期,丝胶蛋白作为材料应用的最大障碍在于,其通过与丝素蛋白分离而得的产物分子量太小,水溶性强且不易成型,即便成型后材料的力学性能特别是湿态力学性能很差。但随着研究的深入,人们发现不仅可通过化学交联的方法制备丝胶蛋白水凝胶,而且丝胶蛋白也可以与多种合成或天然大分子一起,形成如交联共混膜和海绵状多孔支架等具有特殊形貌和性能的材料。特别是自从专产丝胶蛋白的“丝胶之希望〞蚕的出现,获取具有较高分子量且易成型的丝胶蛋白不再成为难事,更多结构和形貌的丝胶蛋白基材料如醇诱导水凝胶、电纺纤维(膜)和基因传输用微球等被分别制备并赋子了相应的功能。更进一步的是,当以栀子苷元(京尼平,genipin)为交联剂时,用冷冻干燥法就能够制备三维的丝胶蛋白多孔基体,通过先在基体肉种植成纤维细胞,两天后再在成纤维细胞/丝胶蛋白基体表面培养角质化细胞,能获得既有由角质化细胞形成的多层上表皮细胞,角质化细胞和成纤维细胞间又有足量胞外基质蛋白表达的多类细胞复合体,以此模拟皮肤的组织工程材料对皮肤创面的修复将有良好的效果。
除了用于生物医用的目的外,最近还发现丝胶蛋白有助于电子器件如带多层不易失存储电阻开关装置的制备。由于丝胶蛋白表现出了极好的稳定存储电阻开关性能,所制备的Ag/丝胶蛋白/Au器件存储表现优越,电阻“关/开”比大于10°,保留时间超过10°s;不仅如此,它还能够在普通塑料如PET薄膜上构建四。显然,这类基于环境友好生物材料的柔性存储器件必定在今后的数据储存方面占有一席之地。