通过环保的水热辅助分离角蛋白技术，将羊毛和羽毛废弃物升级为纳米纤维

《ACS Applied Polymer Materials》：Upcycling Wool and Feather Waste into Nanofibers via Eco-Friendly Hydrothermally Assisted Isolation of Keratin

本研究通过环保的水热法从鸡毛和羊毛废料中提取角蛋白，并利用静电纺丝制备纳米纤维。通过EGDE和PETA交联改善水稳定性，发现角蛋白/PEO 70/30混合物可纺成均匀纳米纤维，保留高抗氧化活性（>92%）和良好的皮肤细胞相容性。EGDE交联显著提升防水性（接触角达110°），但PETA交联可能降低生物相容性。研究证实水热法提取的角蛋白虽分子量分布宽（3-15 kDa），但能高效制备适用于生物医学的纳米纤维。

　　### 绿色水热法提取角蛋白用于纳米纤维生产的研究

在当今社会，随着环保意识的提升，可持续发展和绿色技术成为研究的重点。水热降解是一种特别有前景的环保方法，用于从生物质中提取角蛋白。然而，这种方法往往导致产物具有较宽的分子量分布，这在某些应用中可能不太理想，尤其是对纤维的生产。本研究旨在探讨通过水热降解获得的鸡毛和羊毛废弃物是否能够用于生产具有优良抗氧化活性和皮肤细胞相容性的纳米纤维。为此，研究团队使用了角蛋白/聚乙二醇（PEO）混合物，并通过两种不同的交联剂——乙二醇二缩水甘油醚（EGDE）和季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）进行针式电纺丝，以提高纳米纤维在水中的稳定性。

#### 角蛋白的来源与特性

角蛋白广泛存在于动物和人体组织中，如羽毛和羊毛，是纺织、农业和肉类加工等行业产生的大量废弃物的一部分，同时也是有价值的蛋白质来源。角蛋白因其分子间的二硫键而具有很高的稳定性，这使得其在许多应用中具有吸引力。然而，目前大多数提取方法依赖于使用强酸、强碱或有机溶剂，这不仅消耗大量化学品，还可能对环境造成污染。因此，研究者们正在寻找更环保、可持续的提取方法，如水热法和生物酶解法。水热法利用亚临界水（SCW）进行提取，不仅成本较低，而且易于扩大规模用于工业应用，成为研究热点。然而，与生物酶解法相比，水热法可能面临更高的成本问题，且在某些情况下可能会影响提取物的纯度和分子量。

尽管如此，水热法提取的角蛋白仍然在许多应用中展现出独特的优势。例如，它能够从富含角蛋白的生物质中回收短链蛋白水解物，如寡肽和氨基酸，用于合成新的聚合物、动物饲料、肥料等相关产品。然而，与这些应用相比，将角蛋白用于纤维生产则需要额外的要求，如较高的平均分子量和较窄的分子量分布。因此，本研究的重点在于探索是否可以通过水热法提取的角蛋白生产出具有稳定性和功能性优势的纳米纤维，从而为绿色技术在生物材料领域的应用提供新的思路。

#### 纳米纤维的制备与性能

为了制备纳米纤维，研究团队选择了角蛋白与PEO的混合比例为70/30，并使用了两种不同的交联策略——EGDE和PETA。交联不仅有助于提高纳米纤维在水中的稳定性，还可能改变其表面特性。通过调整交联剂的用量和交联时间，研究团队发现，交联后的纳米纤维表现出更高的水接触角，表明其表面变得更加疏水。然而，这种疏水性可能会影响纳米纤维与皮肤细胞的相容性，尤其是在某些情况下。

为了评估纳米纤维的抗氧化活性和生物相容性，研究团队使用了ABTS自由基清除法和MTT细胞活力测试。结果显示，即使从羽毛和羊毛中提取的角蛋白具有较宽的分子量分布和较低的平均分子量，通过水热法提取的角蛋白仍能用于生产具有优良抗氧化性能和皮肤细胞相容性的纳米纤维。然而，交联过程可能对生物相容性产生一定影响，尤其是在某些情况下，交联后的纳米纤维与皮肤细胞的相容性有所下降。

#### 结果与讨论

研究结果表明，通过水热法提取的角蛋白，其分子量范围较宽，从3到15 kDa，且平均分子量较低。然而，这种特性并不妨碍其用于纳米纤维的制备。通过调整PEO的分子量和交联策略，研究团队成功制备出平均直径约为200 nm的纳米纤维。这些纳米纤维在水中的稳定性显著提高，水接触角从初始的亲水性值增加到约110°，表明其表面变得更加疏水。然而，这种疏水性可能会影响纳米纤维与皮肤细胞的相容性，尤其是在某些情况下，交联后的纳米纤维与皮肤细胞的相容性有所下降。

此外，研究团队还通过扫描电子显微镜（SEM）和FTIR分析对纳米纤维的形态和化学结构进行了详细研究。结果显示，非交联的纳米纤维在形态上较为均匀，而交联后的纳米纤维则表现出不同的结构变化。交联剂的种类和用量对纳米纤维的性能有显著影响，EGDE和PETA的交联策略分别对纳米纤维的表面特性和机械性能产生了不同的效果。通过优化交联条件，研究团队能够制备出具有优良性能的纳米纤维，为未来的生物材料研究提供了重要的基础。

#### 技术应用与前景

本研究的结果表明，水热法提取的角蛋白可以通过纳米纤维的制备，保留其重要的功能特性，如抗氧化活性和生物相容性。这些特性使得角蛋白/PEO纳米纤维在生物医学应用中具有广阔的前景。例如，它们可以用于伤口敷料、药物输送系统，以及食品包装和过滤材料，以减少氧化应激并延长产品的保鲜期。此外，通过调整交联条件，可以实现对纳米纤维表面特性的调控，使其在不同的应用中表现出不同的性能。这种灵活性为未来的研究提供了重要的方向，特别是在生物医学和环保材料领域。

#### 未来展望

尽管本研究取得了积极的结果，但仍然存在一些挑战，特别是在交联对生物相容性的影响方面。因此，未来的研究需要进一步探讨交联剂的种类和用量对纳米纤维性能的影响，并进行长期的细胞毒性评估，以确保材料的安全性和有效性。此外，研究团队建议进一步优化水热法提取过程，以提高角蛋白的回收率和纯度，从而为绿色技术在生物材料领域的应用提供更多的可能性。通过这些努力，水热法提取的角蛋白有望成为一种重要的生物资源，推动可持续发展和环保技术的进步。