羽毛角蛋白的开发与利用(粗略版)

角蛋白的开发与利用
动物饲料
皮革 角蛋白膜材料
化肥
纺织 可降解高分子材料 角蛋白离子液体
多功能材料
动物饲料
• 角蛋白是羽毛的主要组成物质，占羽毛总质量的 90％， 但由于双硫键、氢键和疏水作用等强作用力的存在，羽毛 角蛋白具有很高的交联度，所以，天然的羽毛角蛋白是不 溶于水的，且不易被胰岛素、胃蛋白酶和木瓜蛋白酶等消 化，直接用于动物饲料，其消化率、吸收率很低。天然角 蛋白经物理、化学或生物方法处理后得到可溶性的羽毛蛋 白可以显著提高其消化率。用不同方法提取的羽毛蛋白其 消化率和适口性不同，一般来说，用生物技术提取的可溶 性蛋白的消化率较高。
L/O/G/O
羽毛角蛋白的开发与利用
Lecturer：王森胜
主要内容
随着资源与环境压力的增大，促使不少企业对资源能源的高效 利用及废弃资源的回收再利用与深加工越发关注。 在此，简要介绍有关家禽羽毛废弃物的开发与利用情况
1 羽毛角蛋白的简要介绍
2 羽毛角蛋白的主要降解方法
3 羽毛角蛋白的开发利用
4 研究进展与未来发展
放线菌——显微镜下的结构
降解羽毛角蛋白的细菌
• 可降解羽毛角蛋白的细菌发现的比较晚。1990年 Williams 等从家禽养殖废物的消化系统中获得分 解羽毛的地衣芽孢杆菌 , 但只能降解高温蒸煮过 的羽毛, 而从该高温系统中分离出的弧菌科细菌 2 天可使未蒸煮过的羽毛完全降解。胡介卿等从土 壤及动植物体内分离到 5 株角蛋白分解菌, 其中 从鸬鹚肠道分离的 F5 变异株枯草芽孢杆菌具极 强的分解能力, 至120 世代仍保持原有分解能力, 且有增长趋势, 而其它菌从40 世代就开始下降。 分离到的可降解角蛋白的细菌还有嗜热杆菌P 001A和嗜热厌氧菌闪光杆菌。
真菌
真菌
• 真菌是最早发现的降解角蛋白的微生物。 1899Ward 就报道了马爪甲团囊菌能分解角 蛋白。 N an izi于1926 年提出环癣真菌可 水解角蛋白。
虫草头孢菌粉
曲霉菌图例
可降解羽毛角蛋白的放线菌
• 许多放线菌也可以降解角蛋白。Noval 等发现弗 氏链霉菌(St rep tomyces f radiae)可分角蛋白, 并 提出了角蛋白复合酶学说。丁正民等分离到一株 分解羽毛的放线菌 ss- 1, 发酵就不见成形鸡毛。 涂国全(1993)分离到具极强分能力的 s- 221 菌株, 定名为弗氏链霉菌 s- 22种(St rep tomyces f radiae V ar . s- 221Tu)。此外有链霉菌(St rep tomyces pactum )和嗜热链霉菌ep tomyces thermovi o laceu s) SD8 等。
化学法
酸碱处理法
基本过程是先用酸、 碱溶胀毛发 ,后在一 定温度下水解 ,制得 可溶性角蛋白。
电化学还原法
是一种比较新颖的蛋 白质溶解法
还原法
利用还原剂将角蛋白 分子中二硫键还原成 巯基 ,得到可溶性角 蛋白。
铜氨溶液法
化学法
能很好的分解分子间 的氢键 ,对蛋白质有 明显的溶解作用
氧化法
基本原理是用氧化剂 把角蛋白中的二硫键 氧化成磺酸基 ,制得 可溶性角蛋白。
•
来源，组成
羽毛角蛋白的主要提取方法
角蛋白提取
机械法
化学法
生物降解法
机械法
• 机械法提取角蛋白 ,主要是通过加热、 加压 ,使毛发纤维 中的角蛋白分子间甚至分子内的二硫键断裂、 水解 ,从而 使毛发中的角蛋白变成可溶性的角蛋白。机械法又可分为 高压水解法和高压膨化法 ,挤压法和挤出法。水解过程中 又可将酸、 碱加入反应釜中 ,分别形成高温加压稀酸水解 法和高温加压稀碱水解法,其中膨化法比较优越 ,因其水解 温度比较低 ,时间比较短 ,而且产物疏松 ,易于成粉。郭素 华等用加热高压膨化方法使角蛋白分子中的二硫键断裂提 取角蛋白 ,工艺简单、 效率高、 成本低。总体来说 ,机械 提取法通常只能得到分子量较低的蛋白 ,甚至是多肽混合 物。
研究进展与未来发展
• 由于角蛋白独特的分子结构 ,使得角蛋白材料有独特的力学和 材料学特性 ,因此 ,角蛋白及其改性后的产品 ,在材料等领域有 良好的应用前景。随着人们对角蛋白晶体结构的进一步认识 , 通过适当的混合、 交联等加工 ,必将研制出性能更加卓越的 生物可降解材料。此外 ,对细胞内角蛋白的进一步研究 ,将促 进其在病理诊断、 遗传学等方面的应用和发展。当然 ,由于 角蛋白离子液体兼具离子液体和生物可降解材料的双重优良 性能 ,角蛋白离子液体在化学研究中的应用也具有很大的潜力。
角蛋白离子液体
离子液体被认为是一种潜在的绿色 溶剂。谢海波等[用氯化咪唑盐离子 液体溶解角蛋白 ,在一定温度下 ,将离 子液和原料毛混合搅拌 ,制得各种浓 度的角蛋白离子液体 ,可作为有机改 性微粒的混悬液应用于染色。 角蛋白离子液体作为一类新型的离子液 体 ,具有很好的生物可降解性。目前对 它们的研究还处在初步阶段 ,但是由于 离子液体自身的优良性能及其与角蛋白 特性的相互补充 ,相信其应用会在化学、 生物学及现代工业中发挥重要的作用。
-
+ 2H+
C COO H
H3N+ C COO H
半胱氨酸（x2)
胱氨酸
两个半胱氨酸残基间形三级结构
• 角蛋白的α- 螺旋轻度 卷绕 ,称为超螺旋 ,超 螺旋形成二聚体,二聚 体是微纤维真正的物 理结构亚单元 ,称为 “分子对”
图3 角蛋白β折叠中氢键的排列
角蛋白的来源与组成
角蛋白膜材料
蛋白质膜可以应用于食品包覆层等一 些可食性包装场合，减少废弃包装材料 对环境带来的危害。
环保
角蛋白膜材料
制备方法
羽毛角蛋白膜的制 备方法主要有浇铸 成型和加热成型两 种。
原料
原料可以是大豆蛋白、 羊毛角蛋白，也可以是 羽毛角蛋白，且羽毛蛋 白更具价格优势。
可降解高分子材料
蛋白质中的氨基可以和其它高分子链上的基团 如羧基等发生接枝反应，得到蛋白质接枝聚合物，
通过微生物发酵试验 确定产角蛋白酶量最高 活性最强时的工艺参数如温度 酸碱度 发 酵培养基配比等 为大规模液态发酵生产易消化高蛋白微生物发酵羽毛粉提供技术障
L/O/G/O
谢谢!

研究进展与未来发展
• 由于角蛋白具有优异的生物学特性和良好的材料 力学性能 ,通过对它检测分析及其物理化学改性 , 已经在材料、 生物、 医学等方面得到广泛的应用。 但是 ,目前对角蛋白的应用较多侧重于细胞内角蛋 白的研究 ,而对毛发及动物体表覆盖物的研究较少; 特别对于其晶体结构的研究尚有许多空白。此外 , 在自然界中占绝大部分的角蛋白资源(羽毛、 毛发、 蹄、 角、 壳等) ,并未得到很好的利用。
研究进展与未来发展
筛选能够高效分解 羽毛角蛋白的菌种 01
利用高效菌种发酵羽毛角蛋 白后的发酵液中营养物质的 成分并进行提纯和鉴定
04
02
最主要
发酵液的下游工艺 研究 如固液分离浓缩 干燥等 在降低产品 成本的前提下 保证 产品的稳定性 产
03
角蛋白酶的分离 提纯和固 定化研究 为制备饲用酶制 剂提供技术保障
羽毛角蛋白的简要介绍
角蛋白广泛存在于生物体中 , 如存在于动物的毛发、 鳞片、 羽毛、 蹄、角、 鼻和爪中, 是一种抗性极强的硬蛋白，也是一种可再生资源 。
羽毛角蛋白的简要介绍
羽毛角蛋白的结构
二硫键
H H3N+ C COO CH2 SH SH CH2 H3N
+
H H3N+ C COO CH2 S S CH2
•
梅田主司等将家禽羽毛经碱处理及形状变 换处理后 ,得到具有吸收高能波性、耐水 解性、 耐蛋白酶分解性、 两亲性、 重金 属捕捉性等多种功能的材料 ,可作为高能 波吸收剂、 发光基材、材料的耐候性改善 剂、 憎水剂、 发泡剂等材料使用。
角蛋白作为生物高分子 ,经化学物理改性后 得到的新型材料具有环境友好及可降解性 , 因此 ,角蛋白改性产品将在材料学领域得到 更加广阔的发展。
降解性能
废羽毛中的角蛋白提取出来经改性后与丙烯酸接枝共 聚，可以显著提高聚丙烯酸类吸水树脂的生物降解性。
力学性能
•与 2-羟乙基甲基丙烯酸甲酯接枝，能提高共聚物的韧性
•用马来酸酐改性后与丙烯酸共聚，能提高其强度与延展性
热塑性能
与丙烯酸甲酯接枝聚合，共聚物的热塑性能明 显提高，是一种潜在的热塑性塑料
多功能材料
金属盐法
溶剂为具有拆开氢键能力 的金属盐。但是这种方法 存在溶解效率低、 角蛋 白分子量低及不易控制等 缺陷。
生物降解法
• 目前将角蛋白转化为可消化蛋白的最有效方法是 生物降解法,即利用自然界中某些微生物能分泌角 蛋白酶的性质,通过角蛋白酶特异性地消化角蛋白, 使其分解为多肽和氨基酸。
细菌
游动放线菌