Сравнительный анализ серицина, экстрагированного водным и солевым растворами

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2018, том 61, №1_

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 543.64:544.1

З.У.Шерова, А.Б.Ишматов, А.С.Джонмуродов, С.Р.Усманова, З.К.Мухидинов СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЕРИЦИНА, ЭКСТРАГИРОВАННОГО ВОДНЫМ И СОЛЕВЫМ РАСТВОРАМИ

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан

Приведены результаты экстракции серицина из не утилизированных шёлковых отходов ко-кономотальных фабрик Республики Таджикистан с помощью воды и солевого раствора. Целью работы было получение порошка серицина с сохранением его исходных свойств для дальнейшего использования в качестве клеящего вещества при шлихтовании нитей.

Ключевые слова: серицин, кокон, экстракция, конформация, ИК-Фурье спектры.

Серицин (sericium, шёлк) - белок, входящий в состав шёлка, вырабатываемый гусеницами тутового шелкопряда (Bombyx mori). Шёлковые нити шелкопряда состоят из фибрилл и покрывающего их клееобразного белкового слоя, обеспечивающего склеивание фибрилл в процессе формирования кокона гусеницей. Фибриллы состоят из белка фиброина, состоящих из коротких и длинных цепей с молекулярными массами 25 и 325 кДа. Снаружи фибриллы покрыты клейким белком серицином, при кипячении шёлка серицин переходит в раствор и образует клейкую массу. Было показано, что серицин тутового шелкопряда, в основном, состоит из трех полипептидов с молекулярными массами 400, 250 и 150 кДа [1].

Биополимеры шёлка широко представлены и находят применение в фармацевтике, медицине и электронике, включая создание носителей лекарственных веществ, искусственных тканей (кость, хрящ, связки, нервная клетка и др.), гибкие электронные диагностические устройства и имплантируемые оптические системы, такие как переходная электроника1 и био-мемристоры (элементы памяти) [2,3].

Согласно данным Агенства по статистике при Президенте Республики Таджикистан [4], на кокономотальных фабриках республики ежегодно накапливается более 150 тонн шёлковых отходов: неподдающиеся размотке коконы, волокнистые отходы кокономотания и куколки.

Утилизация этих отходов имеет большое народнохозяйственное значение для экономики Таджикистана, так как на каждый килограмм выработанного шёлка-сырца приходится более 1 кг раз-

Адрес для корреспонденции: Мухидинов Зайниддин Камарович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: zainy@mail.ru

1 Переходная электроника - это новый класс электроники с уникальной характеристикой, которая у них полимерный материал полностью растворяется в течение запрограммированного периода времени. Специальные полимерные материалы способные быстро и без следа таять после активации выключателя. Возможно, что со временем можно будет передать сигнал на уничтожение утерянной кредитной карты, а медицинские датчики будут растворяться в теле пациента после выполнения задачи.

личных отходов. Оболочка дефектных коконов и волокнистые отходы кокономотания являются ценным текстильным и биологическим сырьём, имеющим до 30% клеящего вещества - серицина, пригодного для технического, санитарно-медицинского, косметического и других назначений.

Известны работы [3-7], которые направлены на утилизацию шёлковых отходов, для получения из них порошка натурального шёлка или серицина путём экстрагирования при высокой температуре, где в качестве растворителей применяется щёлочь или кислота.

Общим недостатком указанных работ является невозможность использования полученного порошка в текстильной промышленности в качестве клеящего вещества для шлихтования нитей, так как использование щёлочи или кислоты при высокой концентрации, под давлением и при температуре 105-120°С приводит к денатурации белка. При такой обработке разрушаются водородные связи, стабилизирующие Р-складчатую структуру серицина шелка, нарушается ионное взаимодействие между радикалами аминокислот, стабилизирующие третичную структуру молекулы белка, нарушаются молекулярные взаимодействия между фибриллами, в результате чего теряются клеящие свойства серицина. Полученный порошок непригоден к использованию в текстильной промышленности.

Целью настоящей работы являлась утилизация шёлковых отходов кокономотальных фабрик Республики Таджикистан путём экстрагирования серицина в мягких условиях с оптимальным выходом и сохранением его исходных (клеящих) свойств для дальнейшего использования в текстильной, санитарно-медицинской и косметической отраслях.

Материалы и методы исследований

Экстрагирование шёлковых отходов производилось в двух вариантах: (А) - в щелочном растворе с применением карбоната натрия; (Б) - в дистиллированной воде.

Согласно варианту А, щелочной раствор готовили растворением карбоната натрия. Для этого 5 г порошка карбоната натрия растворяли в 1 л дистиллированной воды. В стеклянную посуду объёмом 1.5 л помещали 50 г разрезанных на мелкие фрагменты оболочек бракованных коконов и добавляли 1 л щелочного раствора. Полученный раствор, при комнатной температуре, кипятили на водяной бане в течение 60 минут. Полученный экстракт фильтровали через тканый мешочек и концентрировали на роторном испарителе. В концентрированный раствор объёмом 50 мл добавляли этиловый спирт в соотношении 1/3 и оставляли для осаждения серицина на 24 часа. Через сутки осадок серицина отфильтровали через плотную ткань, полученную массу промывали спиртом. Затем экстракт серицина центрифугировали, сушили при комнатной температуре и измельчали на шаровой мельнице. Полученный порошок весом 2.38 г мягкий, шелковистый на ощупь, однородной консистенции, темно-коричневого цвета.

По результатам расчетов установили, что выход порошка серицина из первоначальной массы оболочек бракованных коконов составил 4.76% или 15.85% из имеющегося серицина на волокнах шелка-сырца.

По варианту Б разрезанные на мелкие фрагменты 50 г оболочек бракованных коконов кипятили в течение 60 минут в 1 л дистиллированной воды на водяной бане. Полученный экстракт фильтровали, концентрировали на роторном испарителе, белок выделяли также этиловым спиртом. Раствор экстракта серицина центрифугировали, сушили при комнатной температуре, измельчали на шаровой

мельнице. Полученный порошок весом 1.83 г мягкий, шелковистый на ощупь, однородной консистенции, светло-коричневого цвета. Выход порошка серицина составил 3.65% к первоначальной массе оболочек или 12.18% из имеющегося серицина на волокнах шелка-сырца.

ИК-спектроскопия широко используется для анализа вторичной структуры белков. Для анализа структуры белка, полученного из шелковых отходов, был использован ИК-спектрофотометр с Фурье-преобразованием (FT-IR Spectrum 65 (Perkin Elmer) с использованием приставки нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО, аttenuated total reflection ATR). Было проведено ИК-спектроскопическое исследование экстрактов серицина, полученных двумя вариантами.

Результаты и их обсуждение ИК-Фурье спектры для образцов серицина получены в среднем из 16-20 сканирований, полосы поглощений в диапазоне 4000-600 см-1 были проанализированы с помощью программного обеспечения. Повторные измерения каждого спектра показали сдвиг около 2%.

Область спектра амида 1 1600-1700 см-1 представляет для этой цели наибольший интерес, так как именно она наиболее чувствительна к вторичной структуре белка. Области спектров амидов 2 и 3 также чувствительны к изменениям во вторичной структуре. Однако в случае области амида 3 в ИК-спектрах существует множество побочных факторов, которые влияют на структуру спектра и усложняют анализ вторичной структуры [8]. Полученные в результате эксперимента ИК-Фурье спектры серицина из отходов коконов, экстрагированные водой и щёлочью, представлены на рис. 1 и 2.

cm-1

Name Description

вод.р.-р Серицин( 1 ) 7.10.16

Рис.1. ИК-Фурье спектры серицина шёлка, экстрагированного водой.

ст-1

Рис.2. ИК-Фурье спектры серицина шёлка, экстрагированного щелочью.

Как видно из ИК-Фурье спектров, экстрагированные белки имеют различную структуру, что указывает на поглощение карбоксильных групп при 1624 см-1 для серицина, экстрагированного водой, при 1645 см-1 и для того же белка, экстрагированного щёлочью.

Макромолекула серицина характеризуется конформационной неоднородностью, полимерная цепь может последовательно включать а-спиральные и Р-структурные участки, причём их соотношение определяется наличием воды.

В условиях высокой подвижности макромолекул (в растворе, в набухшем состоянии) возможны обратимые конформационные переходы а-спирали клубка в В-структуру. Формирование водородных связей приводит к понижению частот и расширению полос [7,8].

Обработка белка солевым раствором приводит к уменьшению доли конформации в Р-листе (образованных за счёт водородных связей карбоксильных групп), что соответствует проявлению пика при 1646 см-1, который относят к а-спирали и неупорядочным структурам.

В ИК-спектрах серицина можно наблюдать характеристический пик в области амида 1 (16201624 см-1), который соответствует антипараллельным Р-слоям и который достаточно удален от пиков параллельных Р-слоёв и от других элементов вторичной структуры. При агрегации белков чаще всего наблюдается экстенсивное образование дополнительных антипараллельных Р-слоёв.

Все эти изменения в структуре серицина могут влиять на его конечные свойства, что может предоставлять ценную справочную информацию для исследователей в этой области, поскольку они используют кокон и его составляющие для использования в текстильной промышленности.

Поступила 27.09.2017 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Takasu Y., Yamada H., Tsubouchi K. Isolation of three main sericin components from the cocoon of the silkworm, Bombyx mori. - Biosci. Biotechnol. Biochem. 2002, v.66, pp.2715-2718.

2. Kundu B., Kurland N.E., Yadavalli V.K., Kundu S.C. Isolation and processing of silk proteins for biomedical applications. - Int. Journal of Biol. Macromolecules, 2014, v.70, pp.70-74.

3. Hota M.K., Bera M.K., Kundu B., Kundu S.C., Maiti C.K. - Adv. Funct. Mater. 22(2012) 4493-4499.

4. Ишматов А.Б. Влияние количества остаточного серицина на качество шёлка-сырца. - Изв. вузов. Технология текс. промышленности, 2012, №3, с.31-34.

5. Dash R., Soumen Mukherjee S., Kundu S.C. Isolation, purification and characterization of silk protein sericin from cocoon peduncles of tropical tasar silkworm, Antheraea mylitta. - International Journal of Biological Macromolecules, 2006, v. 38, pp. 255-258.

6. Бабаджанов Х.Х. Физико-химические закономерности процессов комплексной переработки отходов натурального шёлка: Дисс...к.х.н. - Ташкент, 1992.

7. Семенов Н.И., Янукович В.П. Способ получения порошка из натурального шёлка. Патент РФ № 1826999. Опубл. Бюл. № 25.07.07.93.

8. Heinz Fabian and Werner Mantele. Infrared spectra of Proteins. - John Wiley & Sons Ltd., 2002, р.27.

9. Barth A. Infrared spectroscopy of proteins. - Biochimica et Biophysica Acta (BBA). - Bioenergetics, 2007, v.1767, I.9, pp.1073-1101.

З.У.Шерова, А.Б.Ишматов, А.С.Ч,онмуродов, С.Р.Усманова, З.^.Мухидинов ТАХЛИЛИ МУЦОИСАВИИ СЕРИТСИН БО МА^ЛУЛ^ОИ

ОБЙ ВА НАМАКЙ

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Натичадои тадкикоти физикию кимиёвй оид ба истихрочи сафедаи серитсин аз партовдои абрешими корхонадои Чумдурии Точикистон оварда шудаанд. Максади асосй он аст, ки хокаи серитсини дорои хосиятдои аслй ба даст оварда шавад, ки худ дар оянда дамчун маводи ширешй барои мустадакамнамоии ресмон истифода мегардад. Калима^ои калиди: серитсин, пилла, экстраксия, конформасия, спектри ИС-Фуре.

Z.U.Sherova, A.B.Ishmatov, A.S.Dzhonmurodov,S.R.Usmanova, Z.K.Muhidinov COMPARATIVE ANALYSIS OF SERICIN EXTACTED BY WATER AND SALT

SOLUTIONS

V.I.Nikitin Chemistry Institute of Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan

The results of the sericin extraction using water and salt solutions from the not recycled silk waste of the cocoon reeling factories of the Republic of Tajikistan with purpose to obtain a sericin powder preserving its initial properties for future use as an effective adhesive when sizing yarns are given. Key words: sericin, cocoon, extraction, conformation, FT-IR spectra.