角蛋白酶

羽毛角蛋白提取工艺及应用研究现状

陈忱;何雄飞;曾润颖

【摘要】羽毛中角蛋白资源丰富，被认为是良好的蛋白来源。但由于角蛋白独特

的三维立体网状结构，使得从羽毛中获得可溶性蛋白质成为难点。综合了近年来对

羽毛角蛋白降解的研究，从物理法、化学法和生物法3个方面介绍了羽毛角蛋白

的提取工艺，并对目前羽毛角蛋白资源在动物饲料、纺织、皮革、环境保护等领域

中的研究和应用现状进行了综述。在此基础上提出了未来羽毛角蛋白资源综合利用

的发展方向。%Featherwasknownasanidealsourceofproteinforhigh

itionofsolubleproteinsfromfeatherisoften

verelycompromid,duetotheuniqueandcomplexthree-dimensional

,re-centrearchadvances

ofextractingkeratinfromfeatherwithdifferentmethodswerereviewed.

Additionally,applicationsofkeratininvariousindustrialareasincluding

animalfeed,textileandleatherindustry,

basis,wepropodafutureprospectfortheutilityoffeatherkeratins.

【期刊名称】《生物学杂志》

【年(卷),期】2015(000)004

【总页数】5页(P73-76,56)

【关键词】羽毛;角蛋白;降解;应用

【作者】陈忱;何雄飞;曾润颖

【作者单位】国家海洋局第三海洋研究所海洋生物遗传资源重点实验室，福建厦门

361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋生物遗传资源重点实验室，福建厦门

361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋生物遗传资源重点实验室，福建厦门

361005

【正文语种】中文

【中图分类】Q81;X713

角蛋白是一种外胚层分化的细胞,在高等脊椎动物的上皮组织中含量较高。羽毛角

蛋白可分为软角蛋白和硬角蛋白,后者具有结缔和保护功能,是构成毛发、羽毛、蹄、

壳、爪、角、鳞片等机体结构的重要成分。羽毛中蕴含的蛋白资源丰富,然而一般

蛋白酶难以水解其中的角蛋白,且自然消耗历时长。通常采用填埋、焚烧等方式进

行处理,带来安全隐患与环境危害。近年来爆发的禽流感疾病使人们日益重视禽类

废物的处理,以期运用更绿色的方式降解羽毛［1］。因此,研究并开发新型可回收

利用角蛋白营养价值的降解工艺具有广阔的应用前景。

角蛋白是中间丝超家族的重要成员,以α-螺旋和β-折叠进一步构成超螺旋多肽链,

内部的半胱氨酸二硫键作为连接桥形成复杂的交联网。特殊结构角蛋白使角蛋白机

械强度提高,强度与尼龙相当,能抵抗胰蛋白酶、胃蛋白酶和木瓜蛋白酶等降解

［2］。一般来说,羽毛角蛋白包括赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸、组氨酸、甘

氨酸、胱氨酸在内等10多种氨基酸,α-角蛋白是角蛋白中的优势形式,其组成特点

是：胱氨酸含量及极性氨基酸含量较高［3］。

目前羽毛角蛋白制备方式主要有物理法、化学法和生物法。

2.1物理法

物理法制备羽毛角蛋白主要是应用蒸汽、加压等方式,破坏羽毛纤维中的角蛋白分

子间甚至分子内的二硫键结构,使其转变为可溶多肽或寡肽。物理法可分为高压水

解法和高压膨化法,挤压法和挤出法。其中高压水解法根据水解反应中加入酸或碱

而细划分为高温加压稀酸水解法和高温加压稀碱水解法。高压膨化法处理效果较好,

其处理温度低,时间短,而且产物疏松,易于成粉。通过加热加压处理羽毛,溶解率可高

达90%以上,然而羽毛中氨基酸损失严重,蛋白分子量普遍不高,甚至只能得到多肽

混合物。近年来已有研究应用离子液体降解羽毛,离子液体是具有无蒸汽压,不燃、

不挥发、不爆、易回收的绿色溶剂［4］。另有研究应用微波辐射法降解羽毛,该法

复合氨基酸占显著优势。但微波能利用效率低［5］。张益奇等［6］利用FTIR法,

研究汽爆技术对羽毛角蛋白二级结构的影响,处理后的羽毛体外胃蛋白酶消化率明

显提高,β折叠含量减少。

2.2化学法

化学法根据所选用试剂的不同,可分为酸碱处理法、氧化法和还原法等。

2.2.1酸碱处理法

酸碱处理法是将初步清洗后的羽毛浸泡于适当浓度的酸碱中（常用盐酸、磷酸、氢

氧化钠）加热水解,直至羽毛可用手轻微拉断为降解完毕,此后进行中和、干燥,并进

一步清洗制成成品。酸碱处理法虽然操作简便,耗时短,但由于酸碱水解法会腐蚀设

备,且角蛋白产物产率低,含盐量高,易变质。特别是在碱水解工艺中大部分氨基酸都

由于消旋而损失,产物多为多肽,生成的D型游离氨基酸很难被动物体消化利用,限制

了角蛋白产品在蛋白饲料行业的应用。王杰兴等［7］运用碱水解降解羽毛,并确定

了当碱质量浓度为8%、固液质量比（羽毛质量/溶液质量）1∶12、水解时间为8

h、水解温度为85℃时,羽毛水解率达93%左右。

2.2.2氧化法

氧化法可将角蛋白中的二硫键氧化为磺酸基团,从而生成可溶性角蛋白。常见的氧

化剂是过氧化氢、过醋酸、过甲酸、高锰酸钾等。氧化法的应用中通常还加入尿素、

金属盐、酸碱、表面活性剂等试剂协同角蛋白降解。凯利等［8］用Na2SO3磺

化和氢氧化铜铵氧化,使胱氨酸基转化为S-硫代半胱氨酸,同时采用温和的重力进料

过滤系统离心分离凝胶状角蛋白,但同时也不可避免地伴随着肽链的断裂。

2.2.3还原法

还原法降解角蛋白的原理是利用还原剂将角蛋白二硫键还原成巯基,从而得到可溶

性角蛋白。该法中的还原剂一般为巯基化合物,如巯基乙酸钠、巯基乙醇、巯基乙

酸和二硫苏糖醇等。巯基化合物与角蛋白发生双硫键的交换反应,由于发生了两个

连续的亲核取代反应,因此中间产物为不对称双硫化物。鉴于巯基性质非常活泼,极

易被氧化,因此常使用十二烷基磺酸钠作保护剂,从而获得稳定性好的角蛋白溶液。

还原法视是否对产生的巯基（-SH）进行保护,可分为还原A法、还原B法以及还

原C法。三者的区别是还原A法没有巯基的保护,长时间放置后会重新发生氧化生

成二硫键,因此产物多为低聚物；还原B法采用了封闭巯基的手段,通过使用亚硫酸

盐或者Na2S参与反应,生成-S-SO3Na基团和-S-Na基团,封闭了巯基并使角蛋白

可溶,但由于半胱氨酸残基仍然存在,因此体系稳定性不高；还原C法则通过蛋白与

表面活性剂构成保护胶束,防止蛋白氧化和沉淀,维持了溶液的还原性,制成率可达

50%以上。

2.3生物法

综合上述降解工艺,物理法反应条件较为剧烈,对设备性能要求严格,制备过程存在一

定安全隐患；而化学法虽对设备要求较低,但仍需考虑设备的抗酸碱腐蚀等性能,污

染也较严重。此外这些制备方式都会不同程度地破坏氨基酸的内部结构,降低产品

作为蛋白制剂的营养价值。对比以上2种降解方法,生物法降解则提供了一种低能

耗、氨基酸低损失的新绿色降解方式。普遍认为微生物降解角蛋白的机理主要可分

为3个相关步骤:变性作用、水解作用和转氨基作用。

2.3.1酶法

角蛋白是一种对酶有很强抵抗能力的硬性蛋白。1963年Nickerson等将具有特异

性分解角蛋白活性的酶称为角蛋白酶。角蛋白酶可以破坏角蛋白分子内相互交联的

二硫键,改变其稳定性。应用酶法降解角蛋白生产复合型酶解蛋白质,其制备工艺是

以新鲜幼龄家禽副产品为原材料,运用现代水解酶工程技术,通过催化剂分步处理及

多种酶共同作用,再经过高压、高温、水解和灭菌等过程,最后配合一系列添加剂的

使用,处理后羽毛粉中的角蛋白被利用率高达85%。符人源等［9］优化了复合酶

降解羽毛制备方法,优化后羽毛的降解率达到了90.87%,酶解液中可溶性蛋白的含

量达到848.1mg/L,蛋白分布在20.1～66.2kDa,酶解羽毛蛋白体外消化率更是达

到82.83%。近年来通过对固定化酶技术的不断深入摸索,研究人员发现利用固定化

角蛋白酶进行降解能够最大限度地减少酶的自溶,有利于产物蛋白质或多肽的分离,

酶可循环利用,并且酶活能维持更长时间。虽然角蛋白酶对羽毛底物降解具有专一

性,且绿色环保,但该法耗时长,产物多为分子量较低的多肽。另外由于酶制剂价格昂

贵,因此该法较不经济实用。酶法降解工艺的推广仍有赖于高效经济的酶制剂的开

发,这直接取决于新的产酶微生物的发现。

2.3.2微生物发酵法

高效降解角蛋白且无毒无害、易培养的优秀菌种,利用其产生的角蛋白酶,将角蛋白

转化为可以被动物吸收利用的氨基酸、肽类或菌体蛋白是一条利好的蛋白质开发途

径。目前自然界已发现30余种产角蛋白酶的菌株,包括细菌（芽孢杆菌、溶杆菌属

和微杆菌属）、真菌（黄曲霉）和放线菌（链霉菌属）等。在这些产酶菌中,尤以

芽孢杆菌,特别是地衣芽孢杆菌研究最透彻。有研究表明,角蛋白酶的活性取决于生

产它的产酶菌,在28℃下放至添加氯霉素的培养皿中,能筛选产酶微生物,使用燕麦

膳食琼脂有助于酶的纯化和菌的鉴定。国内外在羽毛降解微生物方面已开展了广泛

的研究。Riffel等［10］在2003年发现了一株角蛋白降解菌金黄杆菌

Chryobacteriumsp.,分泌的角蛋白酶最适温度为55℃,最适pH值为7.5,能利

用氮角蛋白和偶氮酪蛋白为底物,Ca2+能促进酶活。聂庆霁等［11］筛选的1株

高效降解角蛋白细菌——地衣芽孢杆菌NJU-1411-1,并系统研究了羽毛角蛋白降

解过程中含硫化合物的变化规律。Zaghloul等［12］首次运用产角蛋白酶的重组

菌降解羽毛,发酵罐中最佳的产物释放量和酶活性均与摇瓶的相当,更加高效便捷,有

利于扩大规模。

2.4其他降解方法

其他可采用的降解角蛋白的方法还有电化学还原法、金属盐法和铜氨溶液法。电化

学法是一种新颖方法［13］,该法通过使用电解槽氧化还原作用而高效破坏角蛋白

分子中的二硫键,一般会在溶液中配合其它具备氧化还原能力的物质以防产物中巯

基被二次氧化,然而操作繁琐,且电解产物也十分复杂。金属盐法和铜氨溶液法是通

过破坏角蛋白分子中氢键进而破坏其结构［14］。前者使用的是如氯化锌、氯化

钙、溴化锂等具有强烈破坏氢键能力的金属盐,后者使用的则是铜氨溶液、铜乙二

胺溶液等自身兼具强碱性和破坏氢键能力的溶液体系,2种方法都需要配合还原试

剂的共同使用。裴敏雅等［11］将物理法和酶法相结合,先对羽毛原料进行高温高

压处理,之后再进行复酶降解,结果证明经过处理的羽毛能够被有效降解,产物为多肽、

寡肽和游离氨基酸,且上清液中产物分子量均在6kDa以下。杨波等［15］克服传

统高温高压法、酸碱水解法、氧化法带来的废液量较大、反应时间较长、破坏蛋白

等缺陷,采用高温氧化法提取鸡羽毛角蛋白,获得的可溶蛋白含量为75.67%,该法的

研究国内外尚未见报道。

3.1动物饲料

蛋白饲料的的添加提高牲畜对氨基酸的吸收率和生产性能［16］,还解决了目前国

内饲料（肉粉、大豆、鱼粉）性价比低且依赖进口难题,使羽毛变废为宝。中国对

羽毛粉蛋白饲料的产业化生产最早以家禽羽毛制成羽毛粉作为动物饲料,但其消化

率仅为9.6%,远低于大豆蛋白99.5%的消化率,后逐渐过渡到生物技术法制备,其中

酶法制备的产物中的可溶性蛋白经分离纯化可获得高蛋白动物饲料,可与糠麸、糟

渣等农副产品混制复合蛋白饲料［17］。Odetallah等［18］对肉仔鸡饲料分别

添加0.05～0.15%的PWD-1角蛋白酶,大幅提高21日龄和26日龄的肉鸡体重和

饲料转化率。Cao等［19］将菌StenotrophomonasmaltophiliaDHHJ的发酵

液作为叶面肥,可使增重率分别达到66%～82%。近年来还将其投入到渔业水产养

殖的应用中,有效解决鱼食营养价值低、氨基酸损失等难题。然而目前饲料加工、

运输过程中容易引起饲料霉变,产生的黄曲霉等霉菌会使动物中毒；棉籽饼粉中含

有1%左右的有毒棉酚,未经脱毒的饼粉一经饲喂也会引发动物中毒。因此,应对饲

料营养均衡搭配以减少添加剂的掺入量,且饲料饲喂前应高温预处理,降低安全隐患

［2］。

3.2纺织、皮革工业

纺织工业方面,羽绒、羽毛和短纤维混合可作为防寒服的内胆填充料,该类产品具有

优良的保暖效果［20］。利用羽毛角蛋白进行纺丝可增加织物的柔软度并节约成

本。刘艳伟等［21-22］在温度≤70℃、溶液浓度≤15%的条件下,在聚乙烯醇溶液

中加入角蛋白溶液,混合反应而成纺丝溶液,该纺丝溶液里纤维结晶度能达50%,溶

液流变性良好。王琛等［23］用角蛋白粗溶液还原剂对毛织物进行防收缩功能性

实验,结果表明织物的防收缩性能提高,水洗15次后收缩率为3.67%,远低于未经处

理的织物,且织物的各种物理机械性能降低较小。魏鹏勃等［24］在碱的催化下先

将羽毛水解,然后在K2S2O8-NaHSO3氧化还原体系的引发下,用丙烯酸对羽毛水

解物进行接枝改性,制备出了一种改性填充剂。用该产物对铬鞣革进行填充,可促进

皮革的丰满性、弹性及染色性能,而不影响皮革的抗张强度、撕裂强度以及染料的

吸收率。李闻欣等［25］运用与甲基丙烯酸甲酯接枝改性共聚的改性羽毛角蛋白,

使其不仅能作为皮革填充材料,还能吸附铬鞣废水中的Cr(ш),并确定最佳吸附条件。

3.3环境保护

王小洁［26］将羽毛角蛋白与马铃薯淀粉作为天然高分子原料,采用溶液浇铸法制

备角蛋白/马铃薯淀粉复合膜（RFK/PSt-F）,并考察了成膜条件,获得了RFK/PSt-F

的最佳成膜条件,将RFK/PSt-F作为包装膜具有良好的阻油性,可作为食品的外包装

材料,且不污染环境。此外,角蛋白含有大量极性基团（-COOH、-NH2、-0H等）

和肽键(-CONH-),形态松散、无定形,可与染料离子作用,从而吸附染料或将染料包

埋在胶团中,达到去除废水中染料的目的。陈碧等［27］通过添加1.0g/L的鸡毛

角蛋白助剂,在pH值2～6时,可吸附重铬酸根废水,吸附率达92.5%。

3.4其他应用

赵娟等［28］将自体皮肤成纤维细胞(Fibroblasts,Fbs)与毛发角蛋白

(Hairkeratin,HK)复合制成新型软组织填充材料,证实了其在面部修复中的作用,为

其在医学美容中的应用提供实验依据。类似的相关研究已在美容领域展开。在护发

性能的研究中,亓敬波等［29］优化实验条件,利用还原C法提取了鸡毛角蛋白,考

察透析液对头发的保湿效果以及抗紫外线的性能。实验结果显示当温度70℃、时

间4h的条件下所制得的角蛋白溶液有较理想的产率和黏度,且对头发的保湿效果

较好。

据估计,中国每年家禽加工业及羽绒制品生产所产生的羽毛副产物可达百万吨,因此

羽毛角蛋白的降解不仅可以实现废物利用,同时也减少环境污染,产生极大的经济效

益和社会效益。未来羽毛角蛋白的综合利用呈现两个发展趋势。首先,通过生物技

术来实现羽毛角蛋白的降解是最佳的利用途径,也是未来的发展方向。其中寻找性

能优越的新酶是重要的研究内容。随着测序技术的发展,今后可以采用非培养的手

段,对各种环境样品中具有角蛋白降解能力的菌株进行富集,再通过宏基因组测序、

菌株测序等手段,将有可能获得更多新的、性能更优越的酶基因,并通过表达进行开

发。其次,羽毛角蛋白的利用逐步往高值化利用发展,已有报道将人发角蛋白制备的

生物材料用于医疗等高端领域［30-31］。除此之外,若能使纯化后的角蛋白产品

符合食品卫生标准,也可望将其作为营养补充剂应用于食品、保健等领域,创造更大

的经济价值。

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