汪国和 张日俊 丁丽敏
近年来，随着全球集约化养殖业的飞速发展，饲料蛋白资源开始出现越来越严重的短缺，于是一些非常规的蛋白资源（如血粉、羽毛粉等）引起了世界各国人们的广泛关注。家禽羽毛的蛋白含量很高，而且富含动物所需的多种必需氨基酸，但是家禽羽毛因为其所含的角蛋白稳定性非常强，很难被胃肠道内的消化酶消化，造成消化利用率极低，所以没有得到有效的利用。另外家禽屠宰场废弃物的大量排放已经给生态环境带来严重的挑战。因此，从20世纪80年代末开始各国科学家相继掀起了如何提高家禽羽毛加工产品的利用率的研究热潮。
1 家禽羽毛角蛋白的结构和理化特性
家禽羽毛主要由角蛋白构成，角蛋白主要是由胱氨酸残基所构成的分子间双硫键高度交叉连接而成，由于分子间相互的疏水作用以及氢键的作用，所以具有不溶于水和抗分解的稳定性质，一般的蛋白酶（如胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶）很难有效地分解它，HAN and Parsons（1991）研究表明，羽毛角蛋白中的含硫氨基酸含量高，胱氨酸和蛋氨酸的比例大约为1∶6，但是只有52%的胱氨酸能够被动物消化利用。但是家禽羽毛角蛋白还含有动物所需的多种氨基酸，其营养成分的分析结果表明：角蛋白是一组分子量为30～33kD的中性缓冲不溶性多肽，含粗蛋白80%以上，各种氨基酸总量70%以上，尤其是动物所需要的亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸8种必需氨基酸，除了赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸的含量较低外，其余6种氨基酸含量都很高，是一种很好的蛋白来源。
2 家禽羽毛废弃物的各种加工工艺
2.1 高压加温水解法
目前我国大多采用这种方法进行角蛋白饲料的生产，其工艺流程为：羽毛清杂，投入水解罐，直接或间接通入蒸汽，水解成块状蛋白质凝胶，烘干粉碎后用做饲料。产品质量主要受时间、温度、压力等工艺参数的影响。高压加温水解法虽然能够打开羽毛角蛋白中的二硫键，提高了蛋白质在动物胃肠道中的降解率，但是反应过程中不仅会造成很多热敏性氨基酸（半胱氨酸、赖氨酸）的损失，而且会造成产品消化率较低(Papadopoulos,M.C等，1985)。另外，往往因设备落后，参数不易控制而导致水解效果不佳，质量不稳定。
2.2 酸碱水解法
这类方法国外在上个世纪60年代就有报道，主要是将一定量的角蛋白和一定浓度和体积的酸或碱混合，加热水解后中和干燥。经此处理，角蛋白的双硫键被破坏，继而肽键断裂，氨基酸游离。酸碱处理会破坏部分氨基酸，而且中和后会产生大量的盐分，造成产品适口性差，甚至会抑制动物的生长，因此在家禽羽毛高蛋白饲料中的应用中受到了一定的限制。
2.3 酶解法
酶解法通常是在经过热压处理后的羽毛粉中加入一定浓度和数量的复合蛋白酶制剂，在适宜的温度和pH下进行酶解，此法生产的产品效果较好而且也很稳定，但是因为其成本很高而在生产中得不到广泛的应用。
2.4 微生物发酵法
人们从大自然中没有出现家禽羽毛废弃物的积聚现象中得到启示，自然界中一定存在某些类型的微生物能够有效降解角蛋白，因此生物技术在羽毛废弃物的利用中有着巨大的潜力。微生物发酵产生的角蛋白酶可以改变角蛋白酶的结构，促进角蛋白的降解，另外微生物发酵产品中富含对动物机体有益的微生物本身就是对蛋白质营养价值的补充。目前利用微生物发酵法生产角蛋白饲料主要有厌氧固体发酵和液体深层发酵，但是不管使用哪种方法，发掘能够产生大量高活性的角蛋白酶的菌种始终是开发和利用家禽羽毛废弃物的关键环节。
2.5 其它加工工艺
羽毛废弃物的处理除了上述的几种常用的工艺外，还有挤压膨化法、熔炼法等。其中膨化法主要是利用高温高压和高剪切作用，使羽毛在减压膨化中破坏角蛋白的空间结构。刘家永等（2003）曾利用膨化-水解复合工艺制取可溶性羽毛蛋白，试验探索的最佳工艺条件为膨化温度160℃，转速120r/min，压力0.4Mpa，碱水浓度0.1%，水解时间1.5～2h，此种工艺加工而成的蛋白粉在动物体内消化吸收率为90%左右。
3 角蛋白酶高产菌种的筛选
早在1989年，Williamsh和Shih就由家禽羽毛发酵液中富集、分离到了羽毛分解菌，并确定这种菌在厌氧、50℃环境中，以羽毛作为其主要的碳氮源的培养基条件下生长最适宜。这种菌从生理学和形态学上被鉴定为嗜热地衣型杆菌，并命名为PWD-1株，这是从禽类废弃物中分离出的第一种细菌。另外，在偶氮-角蛋白（azo-keratin）水解试验的基础上，Lee和Shih（1992）从PWD-1菌的培养基中对角蛋白分解酶进行了分离和纯化，确定此酶最适活性温度为50℃，在-20℃条件下贮藏较稳定，而常温条件下4～5d其活性就会损失50%。而Williamsh、Shih和Lee也因为羽毛分解菌和角蛋白酶的发现而获得了5项美国发明专利（Jason C.H.Shih,2002）。目前国外学者正在研究角蛋白酶基因的分子克隆，以提高角蛋白酶的产量和活性。
我国在羽毛角蛋白分解菌的培养和筛选的研究领域落后于国外，但也取得到可喜的成果。涂国全等在1994年开展了一系列的研究，在初筛测定中采用观察培养液中完整羽毛腐烂程度与培养液的双缩脲反应相结合的方法，而在摇瓶复筛中首先通过测定菌渣增重百分率，然后对差异显著的菌株的发酵液进行定氮测定，从而提高了初筛和复筛的工作效率，他们的试验所筛选出的角蛋白分解菌株S-221，根据该菌的培养特性、形态特征、生理生化特性的测定，结果与已知的弗氏链霉菌形态特征、生理生化特性相似，但在培养特性和分解利用羽毛角蛋白的特性上有较大差异，因此被初步鉴定为弗氏链霉菌的一个变种（Streptomyces fradiae var.S-221 Tu，1993）。而浙江大学环境工程系的潭盈盈等(2003)对角蛋白的微生物水解技术的研究过程中曾筛选出一株高产角蛋白酶菌株，经进一步鉴定，此菌株被归入半知菌亚门、丝孢菌纲、丝孢菌目、丛梗孢科、拟青霉属（Paecilomyces Bain）。他们研究的结果不尽相同，前者筛选得到的是放线菌，后者筛选得到的是真菌，而且国外得到的是细菌，原因可能与实验中羽毛取样的地域不同有关。
4 家禽羽毛加工产品在动物生产中的应用以及营养价值的评定
G.W.Barbour等（2002）在幼龄火鸡低蛋白日粮（20%玉米和10%豆粕）中分别添加高压加温水解羽毛粉和酶解羽毛粉，使粗蛋白水平分别达到24%和28%时，酶解羽毛粉的真可消化氨基酸（80.6%）明显高于水解羽毛粉（71.4%），可见酶处理能够提高水解羽毛粉的生物学利用率。Williams和Lee等（1990）利用他们所筛选的菌株经厌氧发酵后得到的羽毛粉与市售羽毛粉和未经处理的羽毛粉对照做了6～21日龄阶段肉仔鸡饲养试验，部分试验结果如下表1所示：
从试验结果可以看出，在肉仔鸡基础日粮中添加微生物发酵羽毛粉比市售商业羽毛粉更能有效地提高生产性能，可能原因为：①微生物发酵产生了大量的角蛋白酶和其它酶系能够促进羽毛角蛋白分解为更多的小肽和游离氨基酸；②微生物发酵减少了热敏性氨基酸的损失。因此利用微生物发酵法降解羽毛角蛋白，提高营养物质的利用率，对于节约豆粕资源有着很大的潜力，同时也为我们从羽毛角蛋白发酵液中提取小肽和氨基酸，从而开发新型饲料添加剂提供了启示。
在羽毛粉的营养价值的评定上，国内外大多数研究都使用的是羽毛粉的真可消化氨基酸，Woodgate(1994)曾对酶处理羽毛粉与常规高压蒸煮羽毛粉的营养价值进行了比较研究，试验发现酶处理羽毛粉的真代谢能值、5种必需氨基酸的含量以及消化率（或可消化氨基酸含量）均高于高压蒸煮羽毛粉。国内（沈银书等，2000）已经进行了使用回归的方法估测羽毛粉氨基酸的初步研究，研究结果表明，大多数氨基酸的含量与羽毛粉粗蛋白含量呈显著或极显著的正相关，但含硫氨基酸含量的相关性较差。
5 家禽羽毛废弃物高值化利用的前景展望
在全球资源短缺的压力下，世界各国研究工作者掀起了畜禽废弃物高值化利用的热潮，其中某些废弃物例如畜禽血液的开发和利用技术已经相当成熟，已经开发出很多有价值的产品并推向了市场。但是家禽羽毛废弃物的研究和开发相对较落后，还没有出现既能够有效提高羽毛角蛋白的生物学利用率又具有加工工艺简单且成本低的产品，所以今后在家禽羽毛废弃物的开发和利用领域有着广阔的研究空间和价值。
综合目前国内外此领域的研究进展，今后的研究应该从以下几个方面着手：①筛选能够高效分解羽毛角蛋白的菌种。可以通过检测培养基或发酵液中的可溶性蛋白的含量以及角蛋白酶活性来进行菌种的初筛和复筛；②研究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。分离和提取出羽毛粉发酵液中的功能性物质，如羽毛粉中的小肽的提纯和功能研究，为开发功能性绿色饲料添加剂提供技术保障；③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；④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保障；⑤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；⑥产品的安全性、功效评价。在考虑多菌种复合发酵羽毛角蛋白时，尽量不用抗生素生产菌如放线菌等，建立有效的功效评定方法，如利用回归的方法根据产品的粗蛋白含量来估测产品中各氨基酸的含量。
伴随着世界各国环境保护意识的加强和全球蛋白资源的日益紧缺，利用现代微生物发酵、酶工程、基因工程等先进手段来提高畜禽废弃物的生物学利用率，以及研究低能耗、低成本、安全卫生的畜禽废弃物加工技术，将成为各国畜禽废弃物处理以及畜产品加工业科技发展的重点。
参考文献
1 刘家永,沈国鹏等.用膨化-水解复合工艺制取可溶性羽毛蛋白的研究.饲料工业,2003,24(10):55~57
2 沈银书,霍启光.应用回归方法估测羽毛粉氨基酸的初步研究.动物营养学报,2000,12(1):16~20
3 涂国全,黎开金等.羽毛角蛋白分解菌的富集培养和分离筛选.江西农业大学学报.1994,16(1):66~73
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5 潭盈盈.角蛋白废物微生物水解技术的研究.浙江大学环境工程硕士毕业论文.2003
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10 Jason C.H.Shih.Recent development in poultry waste digestion and feather utilization-a review.Poultry Science.1993,72(29):1 617~1 619
11 Papadopoulos,M.C.ET AL.Effect of different processing condition on amino acid digesbility of feather meal determined by chicken assay.Poultry Science.1985,64:1 729~1 741
12 Woodgate,S.L.The enzymes in designing a perfect source for animals.Biotechnology in the feed industry.1994,1:67~81
汪国和，中国农业大学动物科技学院饲料生物技术实验室，100094，北京市海淀区圆明园西路2号。
张日俊、丁丽敏，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：２００４－10－１９ |
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