高温过氧乙酸法提取羽毛角蛋白工艺的研究

２００７年３月第２２卷第２期

中国粮油学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＣｅｒｅａｌｓａｎｄＯｉｌｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ

Ｖ０１．２２，Ｎｏ．２

Ｍａｒ．２００７

高温过氧乙酸法提取羽毛角蛋白工艺的研究

杨

波１

杨

光１

王艳玲２

（上海理工大学食品生物技术研究所１，上海２０００９３）

（河南农业大学牧医工程学院２，郑州４５０００２）

摘要

采用高温过氧乙酸法处理鸡羽毛，即先用过氧乙酸溶液处理羽毛，然后于反应釜中以一定的温

度和压力反应。实验结果表明：过氧乙酸浓度２５％，温度１２８。Ｃ，时间２０ｍｉｎ，料液比１：５时，角蛋白得率１１％，羽毛的溶解率达到９０％，可溶蛋白含量为７５．６７％，体外胃蛋白酶消化率提高至８２．８７％，表明此方法可显著提高羽毛角蛋白粉的生物效价。

关键词

羽毛角蛋白

过氧乙酸提取方法

质破坏较大、酸碱水解法产生废液量较大、氧化法反

蛋白质饲料的缺乏，在我国，乃至全世界正成为越来越突出的问题。根据国家饲料工业办公室的预测，到２０１０年，我国蛋白质饲料需要量为６０００万吨，而供给量仅能达到２２００万吨¨Ｊ。面对如此巨大的资源缺口，如何找到合适的动物蛋白源已成为当前饲料业的重要课题。

羽毛的蛋白质含量为８５％～８９％，在国际上被

应时间较长的缺陷，在高压水解法和氧化法的基础上，吸收两个方法的优点，探索建立一种新型的提取羽毛角蛋白的方法，以达到提高羽毛溶解率和蛋白质得率的目的。本试验在高温条件下探讨各个因素对羽毛溶解率，蛋白质体外胃蛋白酶消化率的影响，优化工艺条件，找出最佳工艺参数，并进一步探讨其中的作用机理。而该方法的研究国内外尚未见报

道。

认为是一种有巨大潜在价值的蛋白质。随着我国养禽业的不断发展，每年家禽出栏数达３２亿只旧Ｊ，年

生产家禽羽毛２０万吨以上，但被利用的不足１０万吨旧ｊ。大量的家禽羽毛被浪费，同时还造成了严重

１

１．１

材料与方法

实验材料

鸡羽毛：上海民强羽毛粉厂提供；过氧乙酸：上

的环境污染。因此合理开发和利用废弃羽毛这一丰富的高蛋白质饲料资源显得极为重要。

据文献报道，目前羽毛处理方法主要有高温高压水解法、挤压膨化法和酸碱水解法。其中高温高压水解法一次性投资大，氨基酸易遭破坏，产品质量

不稳定；酸碱水解法在中和阶段，需消耗大量酸碱，

海科成精细化工厂；胃蛋白酶：国药集团化学试剂有

限公司。

１．２实验仪器和设备

ＳＳ一３２５高压灭菌锅：ＴＯＭＹ

ＳＥＩＫＯ

ＣＯ．

产品含盐量过高，适口性差，加之产生大量的酸碱废

水，污染环境，因此应用受到一定限制。国内外对挤

ＬＴＤ；ＴＤＬ一６０Ｂ离心机：上海安亭科学仪器厂；ＤＺＦ

—ＯＢ真空干燥箱：上海跃进医疗器械厂。１．３试验方法

１．３．１羽毛角蛋白提取工艺

压膨化法制备羽毛粉研究较多Ｈ‘５Ｊ，但产量小，技术不成熟，应用也受到限制。近年来，人们已开始研究用氧化法提取羽毛角蛋白帕。９ｏ；采用的氧化剂主要有过氧乙酸、卤素和双氧水等，但也存在氧化反应时间

长、羽毛溶解率低的缺陷。

羽毛—主！；；叠坠溶解一过滤一未溶部分

Ｊ

蛋白质粉一干燥＋＿洗涤一离心＋＿滤液

ｌ

计算溶解率

因此，本文立足于克服高温高压水解法对蛋白

基金项目：上海市重点学科建设项目资助（３０５０３）收稿日期：２００６一０２—１４

按照下式计算羽毛的溶解率。

ｕ

２亍×１００％

Ｗ—Ｗ．

作者简介：杨波，女，１９６８年出生，工程师，食品与生物技术

式中ｕ为羽毛溶解率（％），ｗ为原料羽毛质量

９８

中国粮油学报２００７年第２期

（ｇ），Ｗ．为未溶物（残渣）质量（ｇ）。

所得的滤液静置５ｍｉｎ后，用量筒量出滤液的体积，并把滤液倒入离心管中，离心５ｍｉｎ（３

０００

ｒ／ｒａｉｎ），蒸馏

水洗涤２～３次，４５℃烘干沉淀并粉碎，即可得到微黄色

羽毛角蛋白粉。１．３．２单因素试验

１．３．２．Ｉ反应时间对羽毛溶解率和蛋白质得率的

影响

将１０９剪碎的鸡羽毛放人烧杯中，加入７０ｍＬ２０％过氧乙酸溶液，略加搅拌，使羽毛完全浸泡在溶液中，将烧杯移人反应釜中，升温至温度为１３２ｃＣ，分别保温２０、３０、４０、６０、９０ｍｉｎ；每次反应后，测定和计算羽毛溶解率和蛋白质得率。

１．３．２．２过氧乙酸的浓度对羽毛溶解率和蛋白质得率的影响

分别称取ｌＯｇ剪碎的鸡羽毛，加入７０ｍＬ浓度分

别为１０％、１５％、２０％和２５％的过氧乙酸溶液，移入

反应釜中升温至１３２℃，保温３０ｍｉｎ；每次反应后，测定和计算羽毛溶解率和蛋白质得率。

１．３．２．３反应温度对羽毛溶解率和蛋白质得率的

影响

分别称取１０９剪碎的鸡羽毛，加入７０ｍＬ２０％过

氧乙酸溶液，移人反应釜中升至温度分别为１１７、１２２、１２７和１３２℃，保温３０ｍｉｎ；每次反应后，测定和

计算羽毛溶解率和蛋白质得率。

１．３．２．４料液比对羽毛溶解率和蛋白质得率的影

响

分别称取１０９剪碎的鸡羽毛，加入体积分别为

３０、５０、７０、１００、１５０ｍＬ

２０％过氧乙酸溶液，移入反应

釜中升温至温度为１２８。Ｃ，并保温３０ｒａｉｎ；每次反应

后，测定和计算羽毛溶解率和蛋白质得率。１．３．３正交试验设计

根据单因素试验结果，影响羽毛溶解率和蛋白质得率的主要因素有反应时间、过氧乙酸溶液的浓度、反应温度和料液比。因此正交试验设计为四因

素三水平，见表１，采用Ｌ。（３４）进行正交实验，确定高

温氧化法提取羽毛角蛋白粉的最佳工艺。

表１因素水平设计表

１．３．４所得羽毛角蛋白粉的生物学效价的测定１．３．４．１可溶蛋白含量的测定方法

参照Ｐａｒｓｏｎｓ等¨训测定大豆粕蛋白质溶解度的

方法，称取１９羽毛粉样品（粉碎至６０目）于２５０ｍＬ烧杯中，加入７５ｍＬ０．２％ＫＯＨ溶液，磁力搅拌器搅拌２０ｍｉｎ，然后将５０ｍＬ液体转移至离心管，离心

１０ｍｉｎ（２７００ｒ／ｍｉｎ）；其量相当于可溶蛋白质总量的

１／５。计算公式如下

可溶蛋白质含量（％）：堕里Ｌ皇潼连冀手虫迹焦笪×１００

１．３．４．２蛋白质体外胃蛋白酶消化率（ＰＤＰ）的测定

方法：

准确称取１９试样，经乙醚脱脂后放于２００ｍＬ三

角瓶中，加入经４５℃预热的０．２％胃蛋白酶盐酸溶液

（０．０３６ｍｏｌ／Ｌ）１５０ｍＬ，盖好密封塞，４５℃下消化振荡使之混匀，消化１６ｈ；消化后用滤纸过滤，并用温水洗

净滤纸上的不消化物；将不消化物连同滤纸转入消

煮瓶，按粗蛋白测定方法测定不消化物中的粗蛋白（ＣＰ）含量。计算公式如下：

胃蛋白酶消化率ＰＤＰ（％）＝趟螳蛋鱼纂蒲嚣糟幽盟丝

×】（】０

２

结果与分析

２．１

高温氧化法提取羽毛角蛋白的实验条件研究

２．１．１单因素实验

２．１．１．１

反应时间对羽毛溶鳃率和蛋白质得率的

影响

羽毛角蛋白由于较大的分子量，复杂的分子形态和折叠构象，其溶解过程远比其他大分子物质溶解复杂。角蛋白溶解过程不仅要克服大分子间的范

德华力和氢键作用力，还要打开分子间的二硫键…ｏ，

把一个个缠结在一起的分子链拆开来，变成溶液中

一个个孤立的大分子，最后溶解。

由图１和图２可看出，反应时间在２０ｍｉｎ到４０ｍｉｎ这段时间内，羽毛的溶解率随反应时间的增加

而升高，蛋白质得率迅速增大；当反应时间为３０ｍｉｎ时，溶解率已高达８９．８％，蛋白质得率达到最高值；

以后，随着反应时问的延长，溶解率增长缓慢，蛋白

质得率开始迅速下降。这时，继续延长反应时间，溶解率增长缓慢，而蛋白质得率已开始大幅下降。这是因为蛋白质溶解是一个协同过程，一旦蛋白质分子开始展开或蛋白质分子中一些相互作用被打

破Ｈ２｜，其他条件稍微改变，角蛋白分子的大部分就会

溶解。因此，在一定时间内，羽毛的溶解率和蛋白质

得率随反应时间延长而快速升高，而蛋白质得率在

３０ｍｉｎ时，达到最高值；当反应时间达到３０～６０ｍｉｎ

第２２卷第２期杨波等高温过氧乙酸法提取羽毛角蛋白工艺的研究

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时，羽毛溶解基本趋于平衡，延长溶解时间，羽毛溶解率提高甚微，而蛋白质开始部分水解，蛋白质得率一

零

也随之降低。因此，以上结果提示的最佳反应时间

料篷为３０ｍｉｎ。

缝

钾辱

一零一僻整缝

图３过氧乙酸溶液的浓度对羽毛溶解率的影响图

一

零．｜；ｌＬ

图１反应时间对羽毛溶解率的影响图

、蹄瞧皿黼

一

零

褂蹬瞧正嘲

图４过氧乙酸溶液的浓度对蛋臼质得平的影响

羽毛角蛋白继续水解时，部分角蛋白逐渐降解成分

子量越来越小的肽段，直到最后成为氨基酸的混合

物。因此，以上结果提示，过氧乙酸的最适浓度为

图２反应时间对蛋白质得翠的影响

２０％。

２．１．１．２过氧乙酸溶液的浓度对羽毛溶解率和蛋２．１．１．３反应温度对羽毛溶解率和蛋白质得率的

白质得率的影响

影响

由图３和图４可以看出，过氧乙酸溶液的浓度在

１００

１０％一２０％时，羽毛的溶解率和蛋白质得率随浓度一９０

登８０

升高而升高；当过氧乙酸溶液浓度超过２０％，羽毛溶僻７０

解率变缓，蛋白质得率呈下降趋势。这是因为（１）当冀６０

角蛋白的等电点在中性ｐＨ值附近时，同种电荷的推５０

斥能量小于稳定蛋白质相互作用的能量，因此角蛋

反应温度（℃）

白是稳定的；而在酸性环境中，由于大量负电荷引起

强烈的分子推斥力导致蛋白质分子的溶胀和展开，图５

反应温度对羽毛溶解率的影响

部分埋藏在蛋白质分子内部的羧基、酚羟基和巯基离子化，这些离子化基团趋向于将自己暴露在水环境中，因此造成角蛋白多肽链的散开¨２Ｉ。（２）羽毛溶解过程实际是通过过氧乙酸渗入角蛋白分子内部，破坏角蛋白分子链间相互作用力，使凝聚的分子拆分成孤立的分子。因此，当过氧乙酸浓度增加，打开角蛋白二硫键和氢键的作用力增大，拆分的分子增多，故羽毛的溶解率就会提高，当过氧乙酸浓度达图６反应温度对蛋白质得率的影响

到２０％时，羽毛的溶解率已高达９８％，从羽毛中提取由图５和图６看出，随着温度升高，羽毛溶解率的蛋白质得率达到１０％（１．０９）；随后，随着过氧乙酸

呈直线上升，当温度达到１３２。Ｃ（压力为２００ｋＰａ）时，

浓度的增加，蛋白质得率开始下降，其原因可能是当

羽毛几乎全部溶解；蛋白质得率在１１５—１２７。Ｃ范围

１００

中国粮油学报

２００７年第２期

内逐渐升高，当温度达到１２７℃时，蛋白质得率达最大值，随后呈下降趋势。出现以上结果的原因可能为：（１）升温会促使角蛋白的分子结构发生变化，分子内的氢键和范德华力在高温下失去稳定。（２）高温还可以加快过氧乙酸分子的扩散速度及能力。

（３）温度升高，反应物的反应活性增大，有助于溶解

速度的加快。（４）当温度超过一定范围，随着温度的升高，蛋白质沉淀减少，故蛋白质得率开始下降。因

此，以上结果提示的最佳温度为１２７℃。

２．１．１．４料液比对羽毛溶解率和蛋白质得率的影

响

由图７和图８可以看出，当料液比在０—７的范

围时，羽毛的溶解率和蛋白质得率随着料液比的不

断增大而升高；当料液比为１：７时，羽毛的溶解率已

高达９５．６％，蛋白质得率达到最大值９，４％；当料液比超过１：７时，羽毛溶解率的增长趋向缓慢，蛋白质得率呈下降态势。这可能是由于：（１）在干燥状态，蛋白质具有静止的结构，或者说多肽链段的移动受到了限制，当水分含量增加时，由于水合作用，水分

子部分地穿透蛋白质结构空洞的表面，导致蛋白质

肿胀，其肿胀提高了多肽链的移动性和柔性，使蛋白质分子可以采取动力学上更为熔融的结构。（２）加热时，其动力学上柔性结构比起干燥状态可提供给水分子更多的机会接近盐桥和肽的氢键¨２｜，使氢键较易打断。（３）当料液比超过１：７时，随着料液比的不断增大，蛋白质得率下降，这可能是由于角蛋白的等电点在ｐＨ３左右，故随着料液比增大，溶液的酸性

１００９０

§８０

｛ｊ｛Ｌ

７０

惹６０

５０

４０

０

５

１０

１５

２０

料液比

图７料液比对羽毛溶解率的影响

一

一冰

褂靶魑皿跚

图８料液比对蛋白质得率的影响

不断减弱，不利于角蛋白沉淀的析出，从而导致蛋白质得率下降。因此，以上结果提示最适料液比为

１－７。

２．１．２正交实验

从表２中可以看出，实验３的效果最理想。根据实验结果分别对鸡羽毛溶解率和蛋白质得率进行因素效果分析，分析结果见图９。

表２羽毛溶解的正交实验及结果

图９羽毛溶解率因素效果分析

从图９的结果表明：（１）羽毛溶解率随浓度和料

液比的增大而逐渐升高。这是由于过氧乙酸浓度越

高，酸性和氧化性就越强，它对氢键和二硫键的作用力就越大，因此能破坏羽毛角蛋白分子间稳定的结

构，进而对角蛋白质水解，使角蛋白变为氨基酸混合物；料液比越大，水合作用增强，羽毛浸泡效果就越好，因为水分子能使角蛋白溶胀并预先部分拆散二硫键，使羽毛易于溶解。

（２）羽毛溶解率随温度升高呈先下降而后缓慢升高，并随作用时间的延长呈先上升后下降的趋势。在单因素实验中，温度升高和时间的延长有利于羽毛的溶解，而正交试验中可能由于温度、时间、过氧乙酸浓度和料液比多因素的协同作用，出现了与单因素试验不一致的结果。图１０的结果表明：蛋白质

得率随浓度、温度、时间和料液比的升高呈下降趋

第２２卷第２期

杨波等高温过氧乙酸法提取羽毛角蛋白工艺的研究

１０１

势，但它们都有一个最适宜值。

００ＯＯＯ０ＯＯＯＯ

魁胬昌：２瑙窝昌罱厘导昌昌羞２’”蛏赠…鲁

裂

蕖

图ｌＯ蛋白质得率因素效果分析

从图１１的结果表明：（１）废液量随料液比的增

大和时间的延长而增多，这是因为废液的产生主要

和料液比有关，反应前料液比大，反应体系溶液就越多，反应后产生的废液也随之增加。料液比与蛋白质沉淀成反比，蛋白质沉淀越多废液越少，反之亦然。（２）温度对废液的产生的影响是，在一定范围内，废液产生量随温度升高呈先下降后上升的趋势，在１３０℃左右废液最少，这是因为温度会使角蛋白的分子结构发生变化，角蛋白不断溶解，蛋白质沉淀逐渐增多，废液越来越少；以后随着温度继续升高，角蛋白分子中的肽链被打断，沉淀减少，废液就相应增

多。

瑙冷蜀２｛趟窝昌器量导昌瓮丑２’”

装

赠…苔

堡藜

圈ｌ

１

反应中废液的因素效果分析

从正交实验的效果分析中得知：（１）蛋白质得率与温度、时间和料液比有明显相关性；（２）羽毛的溶解率与浓度和料液比有关；（３）废液量只与料液比相关。而本实验得出的最佳工艺参数为：过氧乙酸的

浓度为２５％，反应温度为１２８℃，反应时间为２０ｍｉｎ，

料液比为１：５。在这种最佳工艺条件下提取的角蛋白粉相关指标见表３。

表３羽毛角蛋白粉相关指标

２．２所得羽毛角蛋白粉的生物学效价

用高温氧化法获得的羽毛角蛋白粉测定可溶性

＋蛋白含量和蛋白质体外胃蛋白酶消化率，结果见

表４。

表４羽毛角蛋白粉的生物学效价

由结果可知：经高温氧化复合制备的羽毛角蛋

白粉粗蛋白含量为８３．５９％，与原羽毛的粗蛋白含量８４．７９％的结果接近，但可溶蛋白含量由１２．１４％大幅度提高至７５．６７％，提高了６３．５３％；蛋白质体外胃蛋白酶消化率由２９．１２％大幅度提高至８２．８７％，提高了５３．７５％。说明原羽毛经高温氧化法处理后，可显著提高羽毛角蛋白粉的生物学效价，使羽毛具有较高的利用价值。由此看出，本方法具有显著的效

果。

２．３

羽毛角蛋白粉生物学效价的比较

本次试验测定了由上海民强羽毛粉厂提供的高温高压（１４００Ｃ）水解羽毛粉，用酸碱法提取的羽毛蛋白粉以及高温氧化法提取羽毛蛋白粉的可溶蛋白含量和体外胃蛋白酶消化率，经各种工艺处理的羽毛

角蛋白粉的生物学效价对比如下表５所示。

表５各种工艺处理的羽毛角蛋白粉生物学效价对比

通过以上结果可看出，经过高温氧化法制备的

羽毛蛋白粉的粗蛋白含量为８３．５９％，比酸碱提取法

和高温水解法的粗蛋白含量均有不同程度的提高；

高温氧化法的可溶蛋白含量为７５．６７％，与酸碱提

取法相比提高了１５．７４％，比高温水解法大大提高了

５３．８１％；高温氧化法体外胃蛋白酶消化率为８２．８７％，与酸碱法角蛋白粉相比提高近１０％，与高压水解羽毛粉相比，体外胃蛋白酶消化率提高了３０％。因此经过高温氧化法制备的羽毛角蛋白粉的可溶蛋白含量及体外胃蛋白酶消化率与其它工艺相比均有显著的提高，从而使羽毛角蛋白粉具有较理

想的生物学效价。