CN107043412B - 分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法 - Google Patents

分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白绿色快速标准化生产方法，其特征在于，包括：脱胶；溶解：将脱胶且干燥后的丝素纤维按照1g∶5‑15mL溶剂的比例进行搅拌溶解，溶解温度25‑85℃，溶解时间30‑60min；透析：用150‑250目滤网对溶解后的丝素蛋白溶液进行过滤，再灌装到透析袋中，溶液体积占透析袋容积的1/2‑1/4，将透析袋置入再生丝素蛋白透析装置，室温下先用自来水透析6‑18h，再用蒸馏水透析6‑18h；干燥：透析后的丝素蛋白溶液冷冻干燥，包装和灭菌。本发明所述的生产方法，可对家蚕再生丝素蛋白的分子量及分布进行有效控制。

Description

分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法
技术领域
本发明涉及一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，属于生物医用材料制备技术领域。
背景技术
家蚕丝素蛋白分子由后部丝腺分泌，经中部丝腺分泌的丝胶蛋白包被，再经由前部丝腺和纺丝管而成丝纤维，又称茧丝。茧丝经过加工成为厂丝，厂丝是最常见的天然丝纤维形式。厂丝经过编织、机织或针织即可形成纱线或丝织物，再经过脱胶即可用于人体服用或医用。蚕丝编织缝合线应用临床已有上百年历史，丝素蛋白纤维人工血管、人工肌腱和人工韧带的研究也已经取得了初步成果。再生丝素蛋白是厂丝经过脱胶、溶解、透析和干燥之后获得的丝素蛋白。在过去的30年时间里，再生丝素蛋白生物材料得到了迅猛的发展。在生物医学领域的应用主要集中在组织工程支架、伤口敷料、人工皮肤、神经导管、药物缓释材料、生物传感器等方面。
中国生丝年产量近10万吨，约占世界总产量的70-80%。然而，目前用于医学领域的比例极低。最主要的原因之一就是，缺少规模化、标准化、快速、节能、绿色环保、成本较低的生产方法，缺少批量化、质量稳定、纯度高、分子量可控的再生丝素蛋白原材料。而目前文献报道中可查证的再生丝素蛋白的制备方法，多为实验室小量试验所用。而且，文献中描述的关于脱胶、溶解、透析或干燥的方法多达几十种，不一而足。因此，所制备的再生丝素蛋白结构与性能多样、稳定性与可比性较差。这就极大地制约了再生丝素蛋白生物材料更深入的研发和更广泛的推广应用。而且，所述脱胶过程耗时长、效率低、不易精确控制。
经检索，目前再生丝素蛋白的脱胶方法中，均要添加盐、酶、酸、碱或尿素等，且仅通过加热的方法进行脱胶。这些方法成本高、有污水排放、效率低、耗时长、耗能，而且属于非标准化操作。
发明内容
本发明针对上述存在的关键问题，提出一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，以弥补该不足。本发明实现了蚕丝脱胶工艺中物理和化学作用的有机融合、多场叠加，包括机械力、热能、化学能、红外线、超声波等，从而实现了零添加，绿色环保、节能高效。而且，该工艺容易实现自动化、标准化，大大缩短了工艺流程时间，可精准调控再生丝素蛋白分子量及分布，特别适用于批量生产再生丝素蛋白且对再生丝素蛋白的分子量及其分布有严格要求的情形。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，包括：
第1步：脱胶：将茧丝或厂丝和蒸馏水按照1g:50-150mL蒸馏水的比例投入丝素蛋白脱胶装备中在超声条件下进行脱胶，脱胶温度控制在60-90℃，超声波频率范围控制在20-100kHz，超声波功率范围控制在300-1800W，脱胶时间为30-90min，将脱胶后的丝素纤维进行干燥；
第2步：溶解：将脱胶且干燥后的丝素纤维按照1g:5-15mL溶剂的比例进行搅拌溶解，溶解温度25-85℃，溶解时间30-60min；
第3步：透析：用150-250目滤网对溶解后的丝素蛋白溶液进行过滤，再灌装到透析袋中，溶液体积占透析袋容积的1/2-1/4，将透析袋置入再生丝素蛋白透析装置，室温下先用自来水透析6-18h，再用蒸馏水透析6-18h；
第4步：干燥：透析后的丝素蛋白溶液冷冻干燥，得到再生丝素蛋白；
第5步：将再生丝素蛋白包装和灭菌。
优选地，所述第1步中的茧丝，在投入之前剪成宽1cm的条带。
优选地，所述第1步中的丝素蛋白脱胶装备为丝素蛋白纤维规模化生产的全自动脱胶装备。
优选地，所述第1步中的干燥为将脱胶后的丝素纤维放入80℃的电热鼓风干燥箱中1.5h进行干燥。
优选地，所述第2步中的溶剂为CaCl2:C2H5OH:H2O摩尔比为1:2:8的混合溶液或5M的LiBr溶液。
优选地，所述第2步中采用超声波辅助溶解。
更优选地，所述第2步中的超声波频率范围控制在20-50kHz，超声波功率范围控制在300-800W。
优选地，所述第3步中的透析袋的截留分子量范围为8-12kDa。
优选地，所述第4步中的冷冻干燥为将透析后的丝素蛋白溶液装入大口径容器中，在-80℃冷冻8h，在-60℃冷冻干燥器中干燥8h，得到再生丝素蛋白。
优选地，所述第4步所述的大口径容器的材料为玻璃、塑料或金属。
优选地，所述第4步所述的大口径容器的形状为带盖子的立方体。
优选地，所述第4步所述的大口径容器的高度为0.8-2.5cm，长度为40-50cm，宽度为25-35cm。
优选地，所述的第5步中的包装和灭菌为将再生丝素蛋白真空密封、避光包装，以γ-射线灭菌后-20℃保存。
优选地，如第5步所述的γ-射线，其剂量为（1.5-5）×104Gy。
本发明制备再生丝素蛋白共包括脱胶、溶解、透析、干燥和包装灭菌五个关键步骤，而且这些步骤都是环环相扣、层层推进的关系。脱胶的目的在于去除蚕丝表面的丝胶，溶解的目的是将固态的丝素纤维变为液态的溶液，透析的目的是将溶解过程中掺入的离子去除，干燥的目的是去除水分，包装灭菌的目的是杀灭丝素蛋白中的微生物，保持蛋白质不会变质或延长存贮期。由此可见，五个步骤对于制备纯度高、质量稳定的再生丝素蛋白都是缺一不可的。
本发明的目的在于提出一种完整的、分子量可控、纯度高、质量稳定、存贮期长、绿色无污染、标准化、规模化的再生丝素蛋白生产工艺，该工艺包含了五个关键步骤的所有步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明所述的生产方法，是一种家蚕再生丝素蛋白标准化、规模化生产方法。
2、本发明所述的生产方法，可对家蚕再生丝素蛋白的分子量及分布进行有效控制。
3、本发明所述的生产方法，极大地降低了化学试剂的使用，绿色环保，节能高效。
4、本发明所述的生产方法，流程短、耗时少，自动化程度高，人力成本极低。家蚕再生丝素蛋白的制备效率得到了成倍的提高。
5、运用本发明所述生产方法制备的家蚕再生丝素蛋白，质量稳定，无菌，耐贮运。
6、脱胶过程零添加。本发明在脱胶过程中不使用添加剂。这是一个质的改变，绿色环保。不使用添加剂的脱胶效果虽然不及使用添加剂时那么彻底，但是结合后面的溶解和透析步骤，完全可以弥补该不足。因为丝胶蛋白是水溶性的。
7、茧丝的精确处理。经过长期试验探索，茧丝脱胶前，将茧剪为1cm的带状，可大大提高脱胶效率、去除丝胶而不破坏丝素蛋白纤维。
8、溶剂使用量减半。可见的文献报道中，溶解丝素蛋白纤维使用的LiBr溶液浓度高达9.3 M，而本发明所用LiBr溶液浓度低至5M。原因在于与脱胶步骤的有机结合，有超声波辅助作用。这既实现了丝素蛋白纤维的良好溶解，又大大降低了溶剂使用量，绿色环保。
9、溶解参数精确控制。本发明所述的两套溶解参数精确地调控了再生丝素蛋白的分子量，高分子量的再生丝素蛋白和低分子量的再生丝素蛋白（图2）。可见的文献报道中，未见对分子量及分布进行精确调控。
10、高效透析。精确的灌装体积对提高透析效率、缩短透析时间至关重要，本发明所述的透析方法及参数，可用较短的时间达到最佳的透析效果。这对于工业生产非常重要。
11、快速干燥。冻干步骤是整个工艺过程中的限速步骤。本发明提出的大口径容器冻干法旨在扩大溶液与冷空气的接触面积，提高冻干效率，缩短冻干时间。冷冻、干燥分步进行，大大提高了工业生产的效率。
12、长存贮期。包装和灭菌是非常关键的环节，然而常被忽略，文献中少有报道。再生丝素蛋白的真空包装隔绝了蛋白与氧气与水蒸气的接触，防止了蛋白质氧化、降解，保证了质量稳定和长的存贮期。剂量为（1.5-5）×104Gy的γ-射线灭菌既不会破坏丝素蛋白的分子量，也达到了彻底灭菌的效果。剂量太小，会导致灭菌不充分。剂量太大，则会导致蛋白质分子链会被打断。充分灭菌也是延长存贮期的有力保障。
13、节约时间，提高效率。总体而言，本发明所述的包括完整五个步骤的再生丝素蛋白制备方法，将常规制备时间压缩至50%左右，大大提高了工作效率。蛋白质质量更加稳定、存贮时间更长，更容易精确调控分子量。更适用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法示意图；
图2为生产高分子量和低分子量家蚕再生丝素蛋白的工艺流程图；
图3为运用本发明所述的生产方法制备的不同分子量及分布的家蚕再生丝素蛋白电泳图；图3中M为蛋白质标准品，I区为高分子量家蚕再生丝素蛋白，II区为低分子量家蚕再生丝素蛋白。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明各实施例中所述的丝素蛋白纤维规模化生产的全自动脱胶装备采用申请号为201610912652.1、名称为《丝素蛋白纤维规模化生产的全自动脱胶装备及其使用方法》的中国专利中实施例1的丝素蛋白纤维规模化生产的全自动脱胶装备。
本发明各实施例中所述的再生丝素蛋白专用透析装置采用申请号为201611061196.0、名称为《再生丝素蛋白实验室专用透析装置及其使用方法》的中国专利中实施例1的再生丝素蛋白实验室专用透析装置。
本发明各实施例中所述的透析袋的截留分子量范围为8-12kDa。
实施例1
本发明提出了一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，实现了脱胶过程零添加、绿色环保、节能高效，实现了再生丝素蛋白的标准化制备，通过参数调节控制了再生丝素蛋白的分子量及分布。特别适用于批量生产再生丝素蛋白且对再生丝素蛋白的分子量及其分布有严格要求的情形。
如图1和图2所示，一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，具体步骤为：
第1步：脱胶：将茧丝剪成宽1cm的条带，将茧丝和蒸馏水按照1g:100mL蒸馏水的比例投入丝素蛋白纤维规模化生产的全自动脱胶装备中，脱胶温度控制在60℃，超声波频率范围控制在20kHz，超声波功率范围控制在300W，脱胶时间为90min。脱胶后的丝素纤维放入80℃的电热鼓风干燥箱中1.5h进行干燥。
第2步：溶解。将脱胶且干燥后的丝素纤维按照1g:10mL5M LiBr溶液的比例进行溶解，置于磁力搅拌器上搅拌，并采用频率为20kHz，功率为300W的超声波辅助溶解，溶解温度25℃，溶解时间60min。
第3步：透析。用200目不锈钢滤网对溶解后的丝素蛋白溶液进行过滤，再灌装到透析袋中，溶液体积占透析袋容积的1/3。将透析袋（截留分子量为12kDa）置入再生丝素蛋白专用透析装置，室温下自来水透析12h，蒸馏水透析12h。
第4步：干燥。透析后的丝素蛋白溶液装入大口径容器（塑料材质的带盖子的立方体，高度为0.8cm，长度为40cm，宽度为25cm）中，-80℃冷冻8h，在-60℃冷冻干燥器中干燥8h，得到再生丝素蛋白。
第5步：包装和灭菌。将再生丝素蛋白真空密封、避光包装，以γ-射线灭菌后-20℃保存，γ-射线剂量为（1.5-5）×104Gy。
如图3所示，采用常规SDS-PAGE法测量再生丝素蛋白分子量及其分布，得到的再生丝素蛋白分子量分布范围主要在208kDa-460kDa之间，属于高分子量再生丝素蛋白（I区）。
该工艺实现了家蚕再生丝素蛋白标准化、规模化生产，对家蚕再生丝素蛋白的分子量及分布进行了有效控制，极大地降低了化学试剂的使用，绿色环保，节能高效。流程短、耗时少，自动化程度高，人力成本极低。所制备的家蚕再生丝素蛋白，质量稳定，无菌，耐贮运。
实施例2
本发明提出了一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，实现了脱胶过程零添加、绿色环保、节能高效，实现了再生丝素蛋白的标准化制备，通过参数调节控制了再生丝素蛋白的分子量及分布。特别适用于批量生产再生丝素蛋白且对再生丝素蛋白的分子量及其分布有严格要求的情形。
如图1和图2所示，一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，具体步骤为：
第1步：脱胶。将厂丝按照1g:100mL蒸馏水的比例投入丝素蛋白纤维规模化生产的全自动脱胶装备中，脱胶温度控制在90℃，超声波频率范围控制在100kHz，超声波功率范围控制在1800W，脱胶时间为30min。脱胶后的丝素纤维放入80℃的电热鼓风干燥箱中1.5h进行干燥。
第2步：溶解。将脱胶且干燥后的丝素纤维按照1g:10mLCaCl2:C2H5OH:H2O摩尔比为1:2:8的混合溶液的比例进行溶解，置于磁力搅拌器上搅拌，并采用频率为50kHz，功率为800W的超声波辅助溶解，溶解温度85℃，溶解时间30min。
第3步：透析。用200目不锈钢滤网对溶解后的丝素蛋白溶液进行过滤，再灌装到透析袋中，溶液体积占透析袋容积的1/3。将透析袋（截留分子量为8kDa）置入再生丝素蛋白专用透析装置，室温下自来水透析12h，蒸馏水透析12h。
第4步：干燥。透析后的丝素蛋白溶液装入大口径容器（塑料材质的带盖子的立方体，高度为2.5cm，长度为50cm，宽度为35cm）中，-80℃冷冻8h，在-60℃冷冻干燥器中干燥8h，得到再生丝素蛋白。
第5步：包装和灭菌。将再生丝素蛋白真空密封、避光包装，以γ-射线灭菌后-20℃保存，γ-射线剂量为（1.5-5）×104Gy。
如图3所示，采用常规SDS-PAGE法测量再生丝素蛋白分子量及其分布，得到的再生丝素蛋白分子量分布范围主要在31kDa-50kDa之间，属于低分子量的再生丝素蛋白（II区）。
该工艺实现了家蚕再生丝素蛋白标准化、规模化生产，对家蚕再生丝素蛋白的分子量及分布进行了有效控制，极大地降低了化学试剂的使用，绿色环保，节能高效。流程短、耗时少，自动化程度高，人力成本极低。所制备的家蚕再生丝素蛋白，质量稳定，无菌，耐贮运。

Claims (7)

1.一种分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，包括：
第1步：脱胶∶将茧丝或厂丝和蒸馏水按照1g∶50-150mL蒸馏水的比例投入丝素蛋白脱胶装备中在超声条件下进行脱胶，脱胶温度控制在60-90℃，超声波频率范围控制在20-100kHz，超声波功率范围控制在300-1800W，脱胶时间为30-90min，将脱胶后的丝素纤维进行干燥；
第2步：溶解：将脱胶且干燥后的丝素纤维按照1g∶10mL5MLiBr溶液的比例进行搅拌溶解，并采用频率为20kHz，功率为300W的超声波辅助溶解，溶解温度25℃，溶解时间60min；
或将脱胶且干燥后的丝素纤维按照1g∶10mLCaCl2∶C2H5OH∶H2O摩尔比为1∶2∶8的混合溶液的比例进行搅拌溶解，并采用频率为50kHz，功率为800W的超声波辅助溶解，溶解温度85℃，溶解时间30min；
第3步：透析：用150-250目滤网对溶解后的丝素蛋白溶液进行过滤，再灌装到透析袋中，溶液体积占透析袋容积的1/2-1/4，将透析袋置入再生丝素蛋白透析装置，室温下先用自来水透析6-18h，再用蒸馏水透析6-18h；
第4步：干燥：透析后的丝素蛋白溶液冷冻干燥，得到分子量分布范围在208kDa-460kDa的再生丝素蛋白或分子量分布范围在31kDa-50kDa的再生丝素蛋白；
第5步：将再生丝素蛋白包装和灭菌。
2.如权利要求1所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，所述第1步中的茧丝，在投入之前剪成宽1cm的条带。
3.如权利要求1所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，所述第3步中的透析袋的截留分子量范围为8-12kDa。
4.如权利要求1所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，所述第4步中的冷冻干燥为将透析后的丝素蛋白溶液装入大口径容器中，在-80℃冷冻8h，在-60℃冷冻干燥器中干燥8h，得到再生丝素蛋白。
5.如权利要求4所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，所述第4步所述的大口径容器的高度为0.8-2.5cm，长度为40-50cm，宽度为25-35cm。
6.如权利要求1所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，所述的第5步中的包装和灭菌为将再生丝素蛋白真空密封、避光包装，以γ-射线灭菌后-20℃保存。
7.如权利要求6所述的分子量可控的家蚕再生丝素蛋白生产方法，其特征在于，所述第5步中的γ-射线，其剂量为(1.5-5)×104Gy。
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