[发明专利]一种利用强碱性电解水低温缫丝的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在强碱性电解水中进行生丝加工的技术与工艺。这种强碱性电解水可以作为一种低温的蚕茧膨润剂和缫丝汤浴。这项技术还涉及到蚕茧膨润剂和缫丝汤浴中低成本、绿色回收丝胶蛋白的领域。

背景技术

蚕丝是一种由家蚕生产的天然蛋白质纤维，蚕桑、丝绸产业是我国传统的优势产业。在世界上，具有最悠久的历史和传统的丝绸文化。

蚕丝纤维主要由65～75%丝素、20～30%丝胶和5%左右的蜡质、色素、糖类及杂质等组成。其中，丝素是一种结晶性的纤维蛋白，而覆盖在其周围的是一种胶质状的丝胶蛋白，起到胶粘丝素纤维而加固蚕茧空间的作用，保证了家蚕的发育与变态。丝素蛋白由18种氨基酸组成，其中占近八成的氨基酸是由分子侧链较小的、非极性的、疏水性的甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸以3：2：1的摩尔比组成，形成一种结晶性的纤维蛋白。因此，丝素纤维具有优异的机械性能和吸、放湿性能以及柔软、亮泽、滑爽等特性，被誉为纺织纤维的皇后。丝胶也同样是由18种氨基酸组成，但其大多数氨基酸是由分子侧链较大的、极性的、亲水性的氨基酸等组成。因此，丝胶是一种水溶性的球状蛋白，在热水中特别是在碱性热水中易膨润和溶解。古代劳动人民早已发现蚕丝的这些特性，利用热水使蚕茧膨润利于缫丝、碱性热水溶液煮茧，有利于手工丝绵兜的加工以及坯绸精练脱胶等一系列技术进行制被、制丝与织绸，为中华民族创造了蚕丝绸的辉煌。时至今日，现代蚕丝加工工业中由碱性物质组成的蚕茧淋洗剂、蚕茧膨润剂、真丝绸精练剂等广泛应用于丝绵被、绢纺、缫丝、真丝绸精练等加工当中。

目前，在循环式煮茧机的高温煮茧和缫丝过程中，茧壳外层的水溶性相当好的丝胶蛋白（约占丝胶总量5％）随缫丝而溶解在大量的缫丝温水中，因其含量低，很难低成本回收与利用，只能随着庞大的废液一起排放。现阶段有条件的丝绸企业，通过微生物发酵或高温段烧炉的方法将包括丝胶在内的沉淀物分解或灰净，然后再通过各种手段将含丝胶工业废水转化为二类排放水标准。而有些企业不具备污水处理能力，由此而带来的不仅造成严重的环境污染，而且造成生物资源的大量流失。

在蚕丝工业废水中回收丝胶也有许多尝试，其中就有酸析法、化学混凝法、有机溶剂沉淀法、离心法、超滤法、冰冻法和反渗透法等多种提取方法，一些是要在废水中要加入化学试剂，通过酸析、化学混凝、有机溶剂沉淀的原理将丝胶蛋白与废水分离，然后再浓缩与纯化；还有一些方法虽在丝胶废水中不需加入化学物质，主要通过物理方法将蛋白与废液分开。如通过高速离心机的离心作用后，废液中质量大的被甩到外围，质量小的则留在内围，胶体层与水层通过不同的出口分别引导出来，从而分离出丝胶。因此，在进行离心分离之前，要首先使丝胶颗粒从溶液中沉淀出来。虽然成本低，但回收效率较低，也难以实用化。所有这些方法和技术都存在最致命的弱点：无论是化学法还是物理方法回收丝胶要不是成本过高，要不就是回收效率低下，企业难以为继。所以，至今大规模地工业化回收丝胶蛋白在全世界还没有成功的例子。

另一方面，丝胶是一种同样由18种氨基酸组成的球状高分子蛋白质，在家蚕吐丝结茧时主要起到粘附丝素纤维、固定茧壳的作用。实际上，丝素纤维外面被覆的丝胶蛋白可以分成多层，研究表明，通过不同的方法可以将丝胶分成内、中、外三层（参见文献：Wang & Zhang, Advanced Materials Research 175-176: 158-163, 2011），分别占丝胶总量50%, 35%和15%，其氨基酸组成也相差很大，外层丝胶极性氨基酸含量最高，所以只需水煮就能溶解近一半的丝胶，中层丝胶（约35%）只能通过高温水（120°C）处理才能去除，而内层丝胶氨基酸组成与外层差异很大，非极性氨基酸增加，极性氨基酸减少，所以内层丝胶水溶性差，只能在碱性溶液如碳酸钠溶液才能去除。所以，通常用碱性溶液才能完全脱除丝素纤维外面的丝胶蛋白。实际上，通过碱性溶液脱胶获得的丝胶蛋白是一种降解的肽链长短不一的丝胶肽混合物，甚至是含有水解产物氨基酸的丝胶肽混合物。丝胶肽分子量大小主要受到脱胶剂和脱胶条件的影响，所以脱胶剂的选择与控制脱胶条件可以获得实际需要的丝胶肽。大于30000 Da丝胶肽混合物常用作纺织纤维、工业用品的表面修饰剂或称改性剂；而小于30000 Da尤其小于10000 Da丝胶肽常报道具有抗氧化、抗衰老、抗病毒、抗糖尿病、抗肿瘤以及抑制酪氨酸酶等多种活性，在日用品、保健物品和高级化妆品等方面有应用广泛。近年，有报道高纯度的丝胶蛋白可以作为动物来源的白蛋白替换剂，可避免动物病源的污染，作为细胞培养基的基质或添加剂在国外已有商业化产品出售。