江南大学赵伟教授团队：一种新的对难降解角蛋白废弃物进行高效催化和增值的生物催化方法
ChemicalEngineeringJournal（IF:8.一区）
●成果介绍
研究背景
角蛋白是一种具有极强抗性，难以生物降解并被直接利用的硬质蛋白。其固有的蛋白刚性结构复杂稳定，不溶于水，具有较高的机械强度且较强的抗分解能力(酸、碱、酶)，从而限制了该天然可再生角蛋白的高效利用。
目前主要有物理法、化学法、生物法来提取利用角蛋白。然而，物理法中高温、高压等处理对其氨基酸破坏严重且副产物较多；化学法通常需要大量有毒有害试剂和水电等资源的消耗；生物法中所获得的大多数特异性角蛋白酶的催化活性都较低，价格昂贵且获取不易，这些都大大限制了该蛋白资源的工业化开发利用的发展进程。
据统计，全球每年产生超过65百万吨的羽毛角蛋白废弃物，它们被丢弃在垃圾填埋场或焚烧处理而造成巨大的资源浪费和环境污染。这些角蛋白废弃物将造成经济损失约亿美元(平均-美元/吨生物量)。因此，探索一种对天然可再生的羽毛、羊毛、蚕丝等废弃物高值化利用的新方法，具有非常广阔的市场应用前景。
研究方法
采用普通蛋白酶水解蒸汽闪爆后的羽毛来降解角蛋白，并对其角蛋白水解液的营养特性进行分析。采用扫描电子显微镜、激光共聚焦、肽序信息分析等手段研究普通蛋白酶催化蒸汽闪爆后羽毛角蛋白的作用机制。
研究结果
将羽毛进行蒸汽闪爆处理后，碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、胃蛋白酶可将羽毛在较短时间(min)进行高效降解，其降解率分别为94.97%，83.68%，79.12%，89.58%。
普通蛋白酶在降解羽毛的同时可获得大量的生物活性分子(小分子活性肽和氨基酸)。其碱性蛋白酶所产生的QV,木瓜蛋白酶的WA,中性蛋白酶的NQ,胃蛋白酶的WL等小分子肽，它们将展现出不同的生物活性，如降血糖(DPP-4抑制剂)、降血压(ACE抑制剂)、抗氧化特性等，从而显著提高羽毛的生物学效价和工业开发利用价值。
提出普通蛋白酶降解角蛋白的作用机制；蒸汽闪爆可在一定程度上打开硬角蛋白的稳定结构，导致蛋白质的部分解离和变性。非特异性的普通蛋白酶从而能有效的粘附渗透到被部分改性了的角蛋白分子结构的表面或内部，削弱和破坏了角蛋白分子链间的相互作用力。随着酶解时间的延长，蛋白酶可减弱硬角蛋白之间的疏水相互作用力和氢键，从而将肽链的特异性催化位点进行有效的切割，最终将角蛋白逐渐水解成小分子的肽段和游离氨基酸。
角蛋白酶和普通蛋白酶催化降解角蛋白的作用机制
研究结论
发明了一种绿色简单、廉价、适合大规模生产的工艺方法，能对羽毛角蛋白废弃物进行高效催化和增值。
参考文献