角蛋白酶的研究现状及应用前景
2010-07-10 13:29:54   来源：本站原创   评论：0 点击：

 角蛋白广泛存在于自然界中，主要来源于动物的外胚层细胞，包括皮肤以及皮肤的衍生物，是结构蛋白，可分为α和β两个类型。该类蛋白质化学结构稳定，不溶于水，难以被胰蛋白酶、胃蛋白酶等常见的蛋白酶降解，但能被称之为角蛋白酶的水解酶降解。角蛋白酶具有降解天然角蛋白的特性，属于碱性丝氨酸蛋白酶或金属蛋白酶族，被认为是一类诱导酶。
早在十九世纪初期，人们就发现了一些生物能分解角蛋白，如衣蛾、苍蝇和兀鹰以及一些放线菌，后来又发现一些细菌、真菌也能在含有角蛋白的基质上生长繁殖。迄今已分离到30 余种能降解角蛋白的微生物，分别属于细菌、放线菌和真菌属。许多真菌属菌株被归类为皮肤真菌类的微生物，存在致病性，所以具备商业开发价值的菌株为数不多。角蛋白酶能有效地降解角蛋白的特性，引起了不少研究者的关注。在酶学性质和应用等方面，已进行了大量的研究，取得了一定的进展。
应用基因工程方法提高微生物表达和分泌角蛋白酶的研究是当前该领域的热门课题之一。 现已对细菌B. licheniformis PWD 1、B. licheniformisOWU、B. licheniformis RG 1、B. licheniformis RG 2、B. licheniformis MKU 2、B. licheniformis MKU 3、B.subtilis 等分泌角蛋白酶的菌株进行了克隆等方面的探讨，并取得了可喜的成果。能被角蛋白酶水解的底物较多，如角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等，且对这些蛋白质的水解能力比常见蛋白酶的高。 目前已有研究发现角蛋白酶有助于伤口结痂和上皮再生，也可用于羽毛降解、皮革脱毛及一些洗涤用品及化妆品( 如脱毛膏) 等。以下主要介绍角蛋白酶在羽毛废弃物等资源化技术及制革清洁化等方面研究与应用研究的现状和前景。
1、在羽毛废弃物资源化技术中的应用
羽毛中蛋白质含量超过90%，其主要成分是β- 角蛋白。该类蛋白中存在大量的二硫键、氢键和疏水键，交联度大，不可溶，不能被常见蛋白酶所降解。全球每年家禽加工业要产生数百万吨羽毛废弃物，对环境造成了严重的污染。采用高温、高压的工艺条件将其软化，加工成动物饲料添加剂，是减少其污染环境的有效途径。但耗能大，处理过程中蛋氨酸、赖氨酸及色氨酸等必需氨基酸被破坏，消化性差，营养性不稳定等这些问题的存在，促进了基于角蛋白酶、角蛋白水解微生物转化角蛋白废弃物研究的进一步深入。羽毛粗粉来源丰富，赖氨酸、缬氨酸和苏氨酸等氨基酸含量的总和高于大豆粕，水解的羽毛粗粉可在7%的日粮水平上代替大豆粕。角蛋白被酶促降解，结构构象改变，改善了消化性和营养性。在发酵过程中，微生物在降解底物( 羽毛粗粉、羽毛) 改善其营养性的同时，微生物的生长繁殖更增加了产物中可利用的菌体生物量，这也显著地提高了必需氨基酸的水平( 蛋氨酸、赖氨酸和精氨酸) 。
以羽毛为唯一碳源和氮源的发酵方法是改善羽毛营养性和消化性的经济而有效的方法。将细菌B.licheniformis PWD1 的羽毛水解物进行喂养试验，所得生长曲线与标准大豆粕相同，进一步证明了角蛋白酶酶解产物用作动物饲料的可行性。目前以B.licheniformis PWD1 生产角蛋白酶的发酵试验研究已放大到150L 的规模，并获得BRI 的生产许可，生产商品名为Versazyme 的角蛋白酶商品。有机农业依赖于含氮丰富的有机改良剂，这些改良剂具有改善植物生长繁殖和增强微生物活力的双重作用。传统有机农业中广泛使用的肥料是岛鸟粪。但这种肥料非常昂贵，故需寻求更多合适的替代物。作为岛鸟粪的替代物，羽毛粗粉氮含量高( 15%)，来源丰富，价廉易得。羽毛粗粉制成的有机肥料，不仅给植物提供氮源，增加微生物活力，而且还改善了土壤结构和保水能力以促进植物生长。此外，将羽毛粗粉转化为农场使用的半缓释肥料，肥效高、易生产、经济可行，比蒸气处理具有更多优势。
最近，以毛发、羽毛、皮、毛皮、动物蹄和角等废弃角蛋白为原料生产生物可降解膜、用于复合包装膜的涂料和粘胶、农业薄膜和食用膜的研究愈加引人关注。应用角蛋白酶降解角蛋白废弃物将成为环境友好的技术。
2、在制革清洁化技术中的应用
脱毛工序是皮革生产过程的重要环节之一，传统的“毁毛脱毛”法是利用硫化物降解毛发，所排放的废水和固体废物，是导致制革废水中COD、BOD和TDS 增高的主要原因，给环境带来严重污染。角蛋白酶能够有效地水解毛囊中的角质组织，使毛发得以从中拔出。在脱毛过程中，使用含角蛋白酶的生物脱毛助剂，不仅能降低脱毛废液中BOD和TDS，而且能大幅度地减少硫化物的用量甚至将其弃用，有效减少了脱毛废液对环境的污染。虽然，国内尚未见有关的研究报道，但国外的一些研究结果表明，在无硫化物的条件下，角蛋白酶的脱毛效果非常有效。事实上，角蛋白酶在制革应用领域的研究尚处于起始阶段，对于这样一个具有材料多样性、过程多尺度性的过程，需在酶的作用机理、条件优化及角蛋白酶与其它组分相互作用规律等方面进行深入的研究。同时角蛋白酶的工业化生产技术的研究与开发，对促进角蛋白酶在制革清洁化工艺中应用亦将是未来研究的方向之一，即应用蛋白质工程方法，如定向诱变，解决角蛋白酶基因高效表达，应用代谢工程的相关理论与方法优化生产过程，降低成本等等。
3、在其他领域中的应用
角蛋白酶在医学研究领域及人类健康方面的应用前景已引起了广泛关注。1988 年，Lee 和Shih分离到一株能降解羽毛的喜温细菌-( PWD- 1) ，在高温消化体系能使病原原生虫Eimeria nella 内传染性和体外孢子性卵囊全部丧失以致其死亡。该研究结果表明，通过高温消化系统，角蛋白酶有助于控制病原耐热性微生物的失活，以防止传染病的传播，维护人畜的健康。
近几年，来出现的禽流感病毒和猪链球菌等动物携带微生物对人类健康造成了极大威胁，控制病原微生物的呼吁也越来越高，若在这方面的工作得以发展我们便能“以彼之道还施彼身”，从而给疾病防治与人类健康作出巨大贡献。此外，Langeveld JPM等人发现在洗涤剂存在的高温环境中，角蛋白酶能够使牛海绵脑病的脑组织和感染痒病动物的朊病毒被完全降解。2005 年，Jeng- Jie Wang 等人用角蛋白酶使类病原蛋白Sup35 NM - His6 失活，开辟了类病原蛋白代替病原蛋白用于病原失活研究及防治病原疾病的道路。
与此同时，邸怀忠采用的消化处理体系将动物粪便成功转化成沼气、固体残渣和富有营养的液体，分别可用作能源及水产养殖的营养素等。羽毛胱氨酸含量为各种天然蛋白质饲料之冠，可利用角蛋白酶使其降解产生L- 胱氨酸，具有促进伤口愈合、治疗皮肤过敏、解毒、刺激造血功能、促进白血球生成、治疗肝病和放射病等医药用途，亦可用于奶粉的母乳化及面粉的添加剂。
酶促降解所得的可溶性角蛋白是一种表面活性物质，具有良好的乳化性能，既可用作洗涤剂的活性物又可作为农药的乳化剂。可溶性角蛋白经过微水解后可用作泡沫灭火剂。经精制提纯后的角蛋白水解液还作为食品增鲜剂用于酱油、鸡精、汤料、熟食制品等对其风味加以调整或使营养得到强化。在皮革工艺中，若能在复鞣工序段加入一定量的角蛋白液，可起到复鞣填充效果，使铬复鞣革明显增厚，废液的铬含量降低。还可用于配制润肤露、浴皂、化妆品、洗发膏和脱毛膏等。
近年来，日本、美国、法国等世界上一些发达国家已经开始将毛发水解物作为一类新型天然化妆品原料，成功地用于洗发、护发、固发和护肤等化妆品的生产。国内也有学者利用人发水解物作为新型防晒剂研制成功了天然防晒护肤太阳油。当然，角蛋白酶用于医疗、食品卫生、化妆品等领域还要考虑致病性、抗原性等更多方面，尚有大量的研究工作需进一步完善。