CN114621335B - 高效低成本制备再生丝素蛋白的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，通过将丝素溶解后的“溶剂‑丝素”混合溶液稀释，减弱溶剂对丝素蛋白的作用；然后通过调节丝素蛋白的表面电荷、热运动速率使丝素蛋白快速沉淀；沉淀的再生丝素蛋白经过清洗过滤，即可达到脱盐纯化的目的。本发明相比透析、柱层析等方法耗时短，6‑8小时即可实现丝素与溶剂的完全分离；产率高，粗提率可达到98％以上，纯化后(纯度≥99.8％)得率平均81.4％；成本低，无需投入昂贵的专用设备，且脱盐过程中耗能耗水极低；脱盐率高，纯化后的再生丝素蛋白含盐率低于0.2％；可回收，溶剂经过浓缩后可重新使用，可用于再生丝素蛋白的工业化制备。

Description

高效低成本制备再生丝素蛋白的方法
技术领域
本发明涉及生物提取领域，具体涉及高效低成本制备再生丝素蛋白的方法。
背景技术
天然丝素是线状水不溶高分子材料，要加工成我们所需要的薄膜、支架、微纳米颗粒等形态，首先要将其溶解。目前，主要使用高浓度中性盐及其与醇的混合溶液溶解制备高分子丝素蛋白的理性溶剂，但是该过程一般需要经过脱胶、溶解、脱盐、干燥、成型等多个加工环节。透析是实验室常用脱盐手段，但透析法耗时、耗水、生产量低，并不适用于规模化工业生产。离子交换柱、亲和层析柱法以及膜法分离(超滤、纳滤、电渗析)是工业上常用的脱盐方法，但由于丝素分子量大，有一定粘稠度，脱盐过程中容易堵塞，存在投入高、脱盐效率低，耗时、耗水、耗能严重等问题。
因此，亟需一种适合规模化生产再生丝素蛋白的方法，能够快速、高效、低耗、高产实现溶剂和丝素蛋白的分离。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纯物理的高效、低成本分离纯化丝素蛋白的方法，无需大型设备，可用于规模化生产。该方法通过将丝素溶解后的“溶剂-丝素”混合溶液稀释，减弱溶剂对丝素蛋白的作用；然后通过调节丝素蛋白的表面电荷、热运动速率等条件参数，使丝素蛋白快速沉淀；沉淀的丝素蛋白经过过滤清洗，即可达到脱盐纯化的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，具体步骤如下：
(1)用高浓度中性盐溶液或盐-醇混合溶剂溶解脱胶丝素得到的“盐-丝素”溶液；
(2)将步骤(1)得到的“盐-丝素”溶液用水稀释至丝素浓度为低于2％以减弱溶剂对丝素蛋白的作用；然后控制pH为3.0-5.8使丝素蛋白混合物的表面电荷达到等电点附近，调节热动力参数的温度为15℃-65℃、转速为50-350r/min，使丝素蛋白的加速沉淀；
(3)将步骤(2)得到的沉淀进行固液分离，得到粗提丝素蛋白，然后水洗至完全去除吸附在丝素蛋白上的盐，干燥，得到丝素蛋白。
本发明优选的，步骤(1)中，所述溶解是将脱胶后的丝素放入氯化钙-乙醇-水三元溶剂或溴化锂溶液中。更优选的，将脱胶后的丝素按照一定的1:4～25的固液比放入摩尔比为1:2:8的氯化钙-乙醇-水三元溶剂。
本发明优选的，步骤(2)中，所述“盐-丝素”溶液用水稀释后丝素浓度为1～2％。
本发明优选的，所述“盐-丝素”溶液用水稀释后丝素浓度为1％。
本发明优选的，步骤(2)中，所述温度为25～65℃。更优选的，所述温度为35℃。
本发明优选的，步骤(3)中，所述水洗用相当于粗提丝素蛋白体积100倍的水洗涤至少1次，更优选的洗涤3次或3次以上，最优选的洗涤4次。
本发明的有益效果在于：本发明公开了高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，本发明的方法耗时短，6-8小时即可实现丝素与溶剂的完全分离，并且使蛋白的完全沉降；更重要的是本发明的方法产率高，粗提率可达到98％以上，清洗纯化(纯度≥99.8％)后得率平均81.4％；成本低，无需投入昂贵的专用设备，且脱盐过程中耗能耗水极低；脱盐率高，纯化后的再生丝素蛋白含盐率低于0.2％；可回收，溶剂经过浓缩后可重新使用，可用于再生丝素蛋白的工业化制备。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为不同条件下丝蛋白提取效率(A：不同稀释倍数(300rpm,25℃)的提取率；B：不同转速条件(1％,25℃)的提取率；C：不同温度条件下(1％,350rpm)的提取率))。
图2为不同洗涤次数后丝素蛋白中的盐含量(以Ca元素计算)。
图3为洗涤3次后丝素得率。
图4为再生丝素蛋白和天然丝素蛋白的氨基酸组成及含量分析。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
高效低成本制备丝素的方法，具体步骤如下：
(1)丝素溶解：将脱胶后的丝素按照1:4～25的固液比放入摩尔比为1:2:8的氯化钙-乙醇-水三元溶剂中，70℃-80℃磁力搅拌溶解0.5～4h至丝素蛋白完全溶解，得到“盐-丝素”混合液；
(2)稀释混匀：将溶解后的“盐-丝素”混合溶液用水稀释2～30倍使丝素浓度低于2％；
(3)蛋白沉淀：将稀释液调节pH值至3.0～5.8，用恒温振荡器在15℃-65℃、50-350r/min条件下沉淀丝素蛋白；
(4)过滤清洗：振荡处理6小时后抽滤或离心过滤，得到粗提丝素蛋白，用100倍水量反复洗涤至少3次即可完全去除吸附在丝素蛋白的盐，干燥即可得到纯净的丝素蛋白。
(5)溶剂回收：抽滤或离心后的含盐溶剂通过旋转蒸发仪，100℃蒸发浓缩至稀释前体积，回收备用。
为了研究稀释倍数对得率的影响，按照上述实施例的方法，将溶液稀释为2～30倍使丝素浓度分别为1％、2％和4％，在转速为300rpm，温度为25℃下提取，检测不同时间的粗提率，结果如图1中A所示。结果显示，丝素浓度为1％时，随着时间增加提取率明显增加。丝素浓度为1％时，随着提取时间延长，丝素的提取率明显增加；当丝素浓度为2％时，丝素提取率比较低，且随着时间延长无明显变化；当丝素浓度为4％时，丝素提取率非常低，延长提取时间也不能提高得率。
然后控制稀释后丝素浓度为1％，温度为25℃，在转速分别为100rpm,200rpm,300rpm,350rpm下提取，结果如图1中B所示。结果显示，随着转速增加，提取率增加，在200rpm和300rpm条件下脱盐后能够检测到少量丝素蛋白，在350rpm下提取率最高。在100rmp的提取率非常低，且随着时间延长无明显变化。
本发明中的原理是通过稀释“溶剂-丝素”混合溶液，减弱溶剂对丝素蛋白的作用；然后通过调节丝素蛋白的表面电荷、热运动速率等条件参数，使丝素蛋白快速沉淀；沉淀的丝素蛋白经过过滤清洗，即可达到脱盐纯化的目的。
为了研究温度对得率的影响，按照上述实施例的方法，分别在温度为15℃、25℃和35℃条件下脱盐，结果如图1中C所示。结果显示，随着温度升高，得率也升高，在35℃条件下效果最佳，处理6小时内得率达到100％。由于丝素蛋白本身比较稳定耐高温，因此随着温度升高提取效果会更好，但是高温会造成能耗的增加，因此在实际制备中优先使用较低的温度。
初提的再生丝素蛋白仍吸附有较多的来自溶剂的盐，为研究洗涤是否可有效降低盐浓度，起到纯化的目的，控制分别检测未洗涤、洗涤1次，洗涤2次，洗涤3次和洗涤4次下再生丝素蛋白中的盐含量，盐浓度以Ca元素质量百分比计，结果如图2所示。结果显示，随着洗涤次数的增加，盐浓度降低，洗涤4次后含盐率低于0.2％，等同于透析法(透析3天，期间不停换水)生产的再生丝素蛋白中的Ca元素含量。
为了研究洗涤纯化过程中为丝素蛋白的损失率，控制溶解条件为稀释后丝素浓度为1％，转速为350rpm，温度为35℃下提取，计算得率；洗涤4次后再计算得率，以未洗涤得率为100％，计算纯化后蛋白的得率，结果如图3所示。结果显示，相比初提的丝素蛋白，洗涤4次后纯化的丝素得率为85.54％，洗涤过程中丝素蛋白的损失约15％。
为了研究脱盐后对丝素蛋白成分的影响，分析再生丝素蛋白和天然丝素蛋白的氨基酸组成，结果如图4所示。结果显示，再生丝素蛋白和天然丝素蛋白没明显差异。
本发明中，丝素的溶解可以使用现有技术的其他溶解方法溶解均可，如500～1000g/L的CaCl2水溶液，或9M的LiBr水溶液中，也可以使用LiSCN、Ca(NO3)2、ZnCl2等高盐溶液，一般采用1:4～25的固液比。溶解后稀释2～30倍使丝素浓度低于2％，同时盐浓度下降后，在合适的pH条件和热动力条件下，均能使丝素蛋白沉淀。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)用高浓度中性盐溶液或盐-醇混合溶剂溶解天然丝素得到的“盐-丝素”溶液；
(2)将步骤(1)得到的“盐-丝素”溶液用水稀释至丝素浓度为1～2％以减弱溶剂对丝素蛋白的作用；然后控制pH为3.0-5.8使丝素蛋白混合物的表面电荷达到等电点附近，调节热动力参数的温度为15℃-35℃、转速为200-350r/min，使丝素蛋白的加速沉淀；
(3)将步骤(2)得到的沉淀进行固液分离，得到粗提再生丝素蛋白，然后水洗至完全去除吸附在丝素蛋白上的盐，干燥，得到再生丝素蛋白。
2.根据权利要求1所述高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述溶解是将脱胶后的丝素放入氯化钙-乙醇-水三元溶剂或溴化锂溶液中。
3.根据权利要求1所述高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，其特征在于：所述“盐-丝素”溶液用水稀释后丝素浓度为1％。
4.根据权利要求1所述高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述温度为25～35℃。
5.根据权利要求4所述高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，其特征在于：所述温度为35℃。
6.根据权利要求1所述高效低成本制备再生丝素蛋白的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述水洗用相当于粗提丝素蛋白体积100倍的水洗涤至少1次。
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