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蚕丝生物功能性的应用研究进展

来源:承德医学院蚕业研究所  |   作者:佚名   |  发布日期: 2008-04-19   |  阅读次数:1078次

蚕丝是天然高分子蛋白质,由丝胶和丝素组成。对于丝胶分子结构的研究较少,已知丝胶蛋白质主要由丝氨酸、甘氨酸、天冬氨酸组成。丝素是蚕丝的主体部分,它是由一条H链和一条L链构成的亚单位结构。H链主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等组成,分子量约35-37万,L链含有较多含疏松残基的氨基酸,分子量约为2.5万。H链和L链通过S-S结合。丝素在蚕体内以浓缩的液态形式存在,经吐丝牵引成纤维状,具有高度的定向结晶结构,当液状丝素受到加热、冻结、PH变化和有机溶剂等处理后即发生结构和性质的变化。丝素的这种结构特性决定了它所具有的生物活性。
蚕丝的水解产物富含氨基酸和多肽,据此人们广泛开展了蚕丝作护肤保健品、保健食品和医药原料的应用研究。另一方面,蚕丝具有优良的柔韧性、吸湿性、透气性,对人体细胞具有良好的亲和性,而且可制成各种目的形状,随着生物化学和分子生物学向生命科学各领域的广泛渗透,蚕丝研究也逐渐向分子水平发展,由此又产生了蚕丝作生物医学材料的新研究领域。
1 蚕丝作护肤保健品材料
丝素及其水解产物含有十几种人体必需的氨基酸,能够为保持皮肤和毛发的健美提供必需的营养成分;丝素具有良好的保湿性、吸湿性,与皮肤和毛发的角朊蛋白具有良好的亲和性,同时,它还能够吸收紫外线,防止太阳辐射,因而对皮肤和毛发具有保护作用;丝素水解肽可以抑制酪氨酸酶的活性,进而有效抑制皮肤黑色素的生成。因此,日本从三十多年前就开发丝素粉用于化妆用的粉底材料。八十年代中期,山东、浙江等地研究出在日用化工、医药工业上有多种用途的的丝素,把它配入镇痛消炎的皮肤外用药膏中,可起到愈合伤口、防止皮肤干燥、促进皮肤吸收的作用。而到1992年时,日本利用丝素粉已经成功开发出粉底、粉饼、香波、固形剂、头发保护剂、唇膏等一系列化妆品。
用作化妆品的丝素有最佳分子量范围,盛家镛(1992)通过用葡聚糖凝胶层析法进行丝素分子量的测定,认为丝素被降解为分子量1000—6000的范围时,既容易透过人体的表皮细胞膜而被皮肤吸收,又对减少皮肤局部细微皱纹及抑制黑色素有一定作用。
现在利用丝素生产化妆品的技术已经比较成熟。
2 蚕丝开发保健食品
蚕丝的食用化主要取决于生体的消化率和营养功能。根据动物实验,丝素粉末的消化率为27.0%,溶液可达47%,如果将丝素降解到氨基酸水平,那么可达99.0%以上的消化率水平。由些可见,丝素的食用化价值是其分子量降解到较低水平时,才能达到最佳效果。
丝素中含有甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、酪氨酸,分别为氨基酸总量的45%、30%、12%、6%。甘氨酸和丝氨酸有降低血液中胆固醇的作用,如果多食用丝素食品,就可预防高血压病患,同时可以促进胰岛素的分泌,降低血糖值,从而对糖尿病有防治作用;丙氨酸具有促进酒精代谢,增强肝功能的作用;酪氨酸有预防痴呆症的功能等。
一般丝素用酸水解成氨基酸或低聚肽,从而成为水溶性丝素,人体更易吸收。其制备方法是:丝素加上80倍量的2N盐酸或硫酸,在100℃条件下,冷却回流,加水分解48小时,然后用NaOH中和即成丝素低分子溶液。再脱盐,并浓缩,再进行冷冻干燥或喷雾干燥,就可制成具甜味的丝素粉。可加工成便于食用的胶囊、片剂和小包装的粉剂。
3 蚕丝作医药原料的研究开发
蚕丝作医药原料,除了利用其水解产物中的氨基酸外,主要得益于低分子肽的研究和功能开发。
据Nishimura Keiichi等(1997)研究,丝素的酶水解产物非常有用,当被用作复合药物时,它对遗传性的过敏性皮肤炎、组织狼疮红斑等类似疾病有治疗作用。这是因为当人体发生自我免疫疾病时,同时伴随产生大量的抗体形成细胞,而丝素的酶水解物可抑制体内51%的抗体形成细胞,因此可用来治疗自我免疫疾病。
Taniguchi Koukichi等(1997)利用凝胶层析方法、高效液相色谱等方法,从丝素平均分子量为3000的丝素降解物中分离出两种多肽(AS-Ⅰ和AS-Ⅱ),它具有血管紧张肽转化酶(ACE)的抑制活性,其氨基酸序列分别是:-Gly.Val.Gly.Ala.Gly.Tyr-和-Gly.Ala.Gly.Tyr-。ACE可以催化血管紧张素Ⅰ转化为血管紧张素Ⅱ,血管紧张素Ⅱ是已知作用最强的内源升压肽。ACE抑制剂的存在能够阻止血管紧张素Ⅱ的生成,所以丝素肽可以开发用作降血压的药物。
4 蚕丝作生物医学材料的应用研究
蚕丝可加工成水溶液、粉末、膜、凝胶等直接用作生物医学材料。在其中添加其它化合物,或对蚕丝分子进行化学修饰,进一步扩展了蚕丝蛋白质作生物医学材料的应用范围。目前蚕丝的应用研究已涉及到隐形眼镜、细胞附着增殖膜、酶固定膜、抗血液凝固物质、药物缓释载体、人工皮肤、人工肌腱等许多方面。
冢田(1992)用天然蛋白质的蚕丝作材料制成的隐形眼镜片,对人体的适应性远远优于树脂的镜片,他认为蚕丝是隐形眼镜非常理想的素材,但光的透过性和加工工艺还存在着一些问题。现在冢田等正在继续研究,镜片性能逐步地改善和提高,距实用化的目标越来越近。
Minoura等(1995)将蚕丝制成的膜作细胞支持体进行了各种试验,证实了蚕丝丝素膜、丝胶膜用作哺乳动物细胞培养基质的可行性。据调查,单纯的丝素膜、丝胶膜附着于小鼠的成纤维细胞显示了非常高的附着和增殖性,与具有非常优良细胞支持机能的胶原膜相当。在丝素膜上播种肝细胞后,用位相差显微镜可观察到细胞沿基质表面和内部的网状结构作多重结构的接附,接种1-7d间,丝素膜上附着的肝细胞的谷-苯转氨酶(GPT)和谷-丙转氨酶(GPT)活性值几乎没有变化,其氨处理能和肝细胞蛋白分泌能也不低于目前最好的肝细胞培养基胶原(collagen)。
丝素膜经过不溶化处理后,可以作为固定酶和抗体的载体,并且可以根据需要制成不同的形状。最基本的方法是将酶和丝素混合溶解后,在水平板上均匀地流动、延伸,再经干燥,就制成了最简单的酶固定膜。但这种膜的结晶性较差,如接触水后,膜膨润时酶的渗出量较大,一般再经乙醇或一些多元醇进行不溶化处理。用丝素作为固定酶的载体,无化学反应,是比较温和的固定作用,且固定作用强,热安全性好,对酶的处理和电的渗析作用等的抵抗性也高于非固定酶。也可以在丝素膜的表面固定抗体,然后再安装氧电极,制成免疫传感器。例如,用固相及过氧化酶标记的单克隆抗体,测定肿瘤标识器功能的甲脂蛋白时,在测定时间为7分钟,感度为1ng/ml(甲脂蛋白浓度)条件下,就能进行测定。测定后把结合的抗原在酸性缓冲液中分解,然后使其固相抗体再生,能反复使用30次以上。也可以作成粉末状载体,例如,苯丙氨酸裂解酶的固定,一般临床上是采用喂食苯丙氨酸裂解酶的方法治疗苯丙酮尿症,如果把此酶固定于丝素载体中,用粉末添食,就不会造成使肠内的蛋白酶迅速失活的副作用,并能达到治疗目的。
玉田(1997)将蚕丝用浓硫酸处理后,使蚕丝分子中含有大量的硫酸基,形成具有抗血液凝固活性的化合物[7]。一般 血液抽出后,5min就会凝固,而添加了蚕丝化合物后,即使经过2h以上亦不产生凝固反应。从来的血液凝固阻止物质,使用属于粘多糖的肝素,这种肝素一般从猪小肠抽提,价格很高。用蚕丝做成的血液凝固阻止物质成本就大大地降低。另外,人工血管作成时,需要添加血液凝固阻止物质,硫酸化丝素作为需要量很大的人造血管高新材料,有着广阔的应用前景。
蚕丝具有很好的强度,其弹性系数与生物体的肌腱相近似,并具有良好的生物亲和性。玉田(1997)利用这一特点开展了人工肌腱与韧带方面的研究。将带有负电荷的羟基、磷酸基导入绢丝素材料进行改质处理,改质后的丝素可与生物骨基质中主要无机成份羟磷灰石结晶中的基团紧密凝聚,其钙的凝聚量比处理前有大幅度的增加,特别是导入磷酸基后钙的凝聚量比处理前高过10倍以上。
蚕丝具有多孔性,吸附性强的特点,从而决定了蚕丝的吸水能力。在丝素中添加丙烯酸进行接枝聚合,就成为高吸水性的高分子材料。这种丝素吸水材料的最高吸水率可达300倍,其保水性可与一般的专用材料相匹敌。并且在含水凝胶状态、油分乳化时,都非常安定,这种性质可用于经皮吸收的缓释性药剂的开发,以及抑制一些挥发性物质的蒸发,还可以作为制备医用糊剂的材料。

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