专访罗晓春 | 华南理工团队发现高效羽毛降解菌，已完成羽毛粉20吨中试，计划落地公司...
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麻省理工科技评论-专访罗晓春 | 华南理工团队发现高效羽毛降解菌，已完成羽毛粉20吨中试，计划落地公司产业化
羽毛蛋白含量约 85%，是自然界中蛋白含量最高的生物质之一，也是赋予头发、蹄和角韧性的纤维蛋白。随着禽类养殖的快速发展，全球每年产生超过 1000 万吨以上的羽毛废弃物。大部分的羽毛或被焚烧、或进入垃圾填埋场、或作为低级动物饲料。
羽毛由含大量二硫键的角蛋白紧密折叠而成，很难被降解利用。现有的羽毛粉生产工艺通过物理的高温高压膨化作用，因释放大量废气环保压力巨大。酶和生物降解是羽毛回收的绿色途径。以往的研究主要集中在角蛋白酶的开发上，然而在二硫键破坏之前，酶很难接近角蛋白，水解效率很低。
2020 年，华南理工大学罗晓春教授团队在 Communications Biology 上发文。在其多年羽毛降解研究中，团队筛选了一株羽毛降解菌 Streptomyces sp. SCUT-3，该菌可高效降解羽毛，其固体发酵工艺可将羽毛中难以降解的角蛋白（85%），转化为可溶的氨基酸（32.5%）及多肽（17.3%）；2021 年，罗晓春及团队又在 Green Chemistry 杂志上发表论文报道了该菌的羽毛降解机制。
据悉，团队已完成了年产 20 吨的中试，目前在准备落地转化建立生产线。
“角蛋白、几丁质（真菌细胞壁、昆虫外壳）等作为动物结构支撑的组成，在自然界中难降解（半衰期长）。我们希望在理解微生物氮觅食逻辑的基础上，利用微生物具有的组件，通过改造实现加速自然降解的过程，实现人类的高值化利用。”罗晓春告诉生辉 Agri Tech。罗晓春近年来重点关注含氮低值生物高值转化利用的研究，在羽毛、虾蟹壳高值化绿色转化应用方面取得多项进展。
发现高效羽毛降解菌
2005 年，博士毕业后的罗晓春结缘华南理工大学，开始了酶工程方面的研究。彼时，大豆蛋白是动物的主要饲料，但产业界依然在探索不同来源的饲料。机缘巧合，罗晓春及团队开始了羽毛降解菌的研究，并挖掘羽毛、虾蟹壳、鱼皮等潜在价值，这类物质含有丰富的蛋白质和多糖。
“羽毛中 85% 是角蛋白，即使角蛋白酶拥有高活性，其降解效率依旧有限，主要原因是角蛋白中二硫键折叠造成蛋白酶无法靠近。尽管巯基乙醇等可以破坏二硫键，提高降解效率，但对于动物并不安全”，罗晓春补充道，“酶工程成本较高，因此我们回归到微生物，利用微生物分泌酶的同时，实现二硫键还原和降解。”
在多年的羽毛降解研究中，罗晓春及团队筛选了一株新的羽毛降解菌 Streptomyces sp. SCUT-3，该菌可高效降解羽毛，其固体发酵工艺可将羽毛中难以降解的角蛋白（85%），转化为可溶的氨基酸（32.5%）及多肽（17.3%）。
2020 年，罗晓春及团队在 Communications Biology 杂志上发表了一篇题为“The feather degradation mechanisms of a new Streptomyces sp. isolate SCUT-3”的论文，揭示了细菌对羽毛的降解机制。
研究表明，在营养丰富的 LB 培养基中，SCUT-3 并不会降解羽毛。团队以此推测 SCUT-3 在土壤中相对有限的营养条件下，遇到羽毛时则会激活降解机制：分泌亚硫酸盐去还原羽毛角蛋白中的二硫键，释放蛋白酶以接近角蛋白的肽键，并水解产生肽和氨基酸；羽毛脂质也被分泌的或细胞壁结合的酯酶水解，而甘油、脂肪酸和其他脂质（如胆固醇）则由其相关的转运蛋白输入。
罗晓春解释道，在羽毛降解的过程中，菌株会先释放具有还原性的物质打开二硫键，分泌蛋白酶（外切酶、内切酶、氨肽酶等）协同将角蛋白降解为氨基酸多肽。在理解菌株降解机制的基础上，利用菌株的自身元件进行改造，使降解能力增强。
一般情况下，羽毛通过高温高压的方式，用物理或化学的方式破坏二硫键，或者用酸/碱水解后作为饲料的原料，所有过程会排放含硫含氮的气体，酸碱有可能破坏氨基酸和小肽，并产生废液。“利用羽毛降解菌既可以实现绿色降解，又可以保存氨基酸和小肽。”
此外，团队已实现 1：1.5 的固态发酵，相比较液态发酵耗能低，且发酵时间仅需 2.5天。“降解得到的氨基酸和肽的得率也很高，1g 羽毛中可得到 0.85g 的角蛋白，直接可溶解的氨基酸/肽可以达到 0.6g。”
羽毛粉已完成中试，即将产业化生产
事实上，对于不用的原料，蛋白酶降解机制不同。罗晓春及团队曾在同年发表了关于虾壳废弃物绿色酶法回收。
传统的虾蟹壳废弃物通常作为廉价的饲料原料使用，甲壳中的蛋白质、几丁质及矿物的紧密缠绕及填充，动物消化道蛋白酶很难降解消化其中的蛋白质，而缺乏几丁质酶使得几丁质无法被哺乳动物消化。由于缺乏可用的几丁质酶，传统的虾蟹壳几丁质高值化利用工艺，通常采取碱脱蛋白、酸脱矿制备几丁质，强碱脱乙酰基制备壳聚糖、壳聚糖酶水解制备壳寡糖的工程。传统工艺制备一吨几丁质相关产品，要消耗约 25 吨氢氧化钠和 2.5 吨的盐酸，同时排放大量含氮的酸碱污水，壳寡糖也因脱除了乙酰基而丢失部分生理功能。
罗晓春课题组前期获得了高产的重组几丁质酶 rChit46，可以高效降解几丁质得到几丁寡糖，突破了以往几丁质缺乏有效几丁质酶，无法直接水解的技术瓶颈。结合筛选的两个重组酸性蛋白酶 rP6281 及 rSP，可回收 91.4% 的蛋白；再通过 rChit46 的水解，回收 88.9% 的几丁质成为几丁寡糖产品；除去蛋白及几丁质的残渣很容易抽提得到虾青素，与剩余的矿物分离。该工艺首次实现了虾壳蛋白、几丁质、虾青素及矿物的零浪费（zero-waste）的绿色回收，技术突破了传统甲壳利用的高污染高成本的短板。相关技术可应用于除南美白对虾虾壳外的其它几丁质废弃物的高值化利用，包括小龙虾壳、蟹壳及发酵真菌菌渣等。
“目前，团队正在构建人工多酶复合体，将蛋白酶和几丁质酶全部整合在一个模块上，实现对蛋白和几丁质的协同降解。”罗晓春表示。
据罗晓春透露，团队现阶段将重点布局羽毛粉在饲料中的应用，目前已完成了 20 吨的中试，正在选址建厂。产品已经通过温氏、杰大、联鲲等多家饲料企业的测评，产品可溶性非常好，体外消化率超过 90%。“第一家厂计划设在广东，并辐射到全国，计划建 4~5 个 2~3 万吨的生产基地。后续计划扩展至东南亚、印度、孟加拉等国。”
此外，高端植物生长促进剂、高端日化氨基酸多肽原料也是团队的未来规划方向。羽毛降解可以作为优质植物肥增产提质，罗晓春介绍，“ 1 吨生菜，用 1 公斤角肽，产量可提高 68%， 菜叶蛋白含量可从 2% 提升到 3%；还可以护发、生发，以及用于皮肤修复。”
参考资料：
1.https://waster.com.au/chicken-feathers-waste-management/
2.https://www.poultryworld.net/home/chicken-feathers-giving-waste-a-new-life/
3.Li, ZW., Liang, S., Ke, Y. et al. The feather degradation mechanisms of a new Streptomyces sp. isolate SCUT-3. Commun Biol 3, 191 (2020). https://doi.org/10.1038/s42003-020-0918-0
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