本發明涉及蛋白質降解,具體涉及一種機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法。
背景技術:
1、廚余蛋白質,作為食品工業和餐飲業的副產品,蘊含巨大的經濟和環境潛力,但其降解與高值化利用面臨諸多挑戰。與半纖維素和纖維素的成熟應用相比,廚余蛋白質的利用率低,主要受限于其復雜的分子結構和降解難度。蛋白質的肽鍵和三級結構穩定性,以及某些天然的抗菌活性,增加了降解過程的復雜性,需要特定的酶或化學方法。當前,蛋白質降解技術正逐步發展,包括酶法降解和化學催化降解。酶法降解因其環境友好和高效性而備受青睞,通過特定蛋白酶的使用,如胰蛋白酶和木瓜蛋白酶,能夠有效降解蛋白質,生成氨基酸和小肽。化學催化降解則通過使用金屬基催化劑,如金屬-有機框架(mof)衍生的催化劑,實現了溫和條件下的肽鍵斷裂,生成高附加值的氨基酸和肽段。然而,成本控制、產物選擇性及規模化生產仍然是廚余蛋白質降解與資源化利用的瓶頸。未來研究將致力于開發更高效、經濟的降解技術,結合酶工程、化學催化與生物技術的優勢,以實現廚余蛋白質的高值化利用,促進其可持續性和經濟價值的雙重提升。通過這些努力,廚余蛋白質將從廢棄物轉變為寶貴的資源,為食品、醫藥、化工等領域帶來新的發展機遇。
2、研究揭示,盡管廚余中蛋白質種類繁多,但是其復雜結構中均富含大量肽鍵,他們構成蛋白質骨架結構,也是是蛋白質化學降解的關鍵,所以采用適當的方法實現肽鍵的充分水解乃至靶向裂解,對于廚余充分轉化為氨基酸至關重要。目前已經有很多生物或者化學方法被運用于蛋白質降解中。例如:khan等人采用木瓜蛋白酶作為催化劑,通過水解作用實現蛋白質的側鏈氧化和肽鍵斷裂。研究發現,在適宜的ph和溫度條件下,蛋白質的側鏈在酶的作用下發生氧化斷裂,直接降解為氨基酸和小肽段。li等人使用過氧化氫作為氧化劑,通過化學氧化實現蛋白質的側鏈氧化和結構斷裂。實驗結果表明,蛋白質的側鏈在氧化劑作用下發生氧化斷裂,降解為一系列含氧衍生物,如氨基酸的氧化產物和肽段的氧化斷裂產物;zhang等人使用銅離子作為催化劑,通過空氣氧化實現蛋白質的側鏈氧化和肽鍵斷裂。研究發現,蛋白質的側鏈在金屬催化下發生氧化斷裂,直接降解為氨基酸及其衍生物,以及部分肽段的氧化斷裂產物;wang等人采用光催化技術,使用二氧化鈦作為光催化劑,通過紫外光照射實現蛋白質的側鏈氧化和肽鍵斷裂。實驗結果顯示,蛋白質的側鏈在光催化下發生氧化斷裂,降解為氨基酸、肽段和一系列氧化產物;liu等人利用特定的微生物菌株,通過生物降解作用實現蛋白質的側鏈氧化和肽鍵斷裂。研究發現,蛋白質的側鏈在微生物作用下發生氧化斷裂,降解為氨基酸、小肽段和一些微生物代謝產物,展示了生物降解在蛋白質降解中的潛力。
3、通過對上述研究的比較和分析,可以發現無論是化學法還是生物降解,均面臨著一定的問題。首先,化學降解效率高,速度快,但是通常需要大量的無機試劑,并且產生大量的鹽性廢液,對于農業再利用而言,無機鹽對作物生長的影響很大,從而導致產品難以利用。而較化學講解而言,酶降解與細菌降解蛋白質污染小,但是高效酶催化劑價格過高,而使用細菌降解則難以避免細菌對產生氨基酸的消耗,而且生物降解反應時間非常長,嚴重影響生產。總而言之,目前針對廚余蛋白質的降解與再利用,其核心是引入一種高效、便利且成本低的反應強化技術,融合生物降解與化學降解技術的優勢。
4、近年來,機械化學技術作為一種反應優化技術,因其獨特的反應機制、更高的收率與選擇性及無溶劑與微溶劑反應的便利性,受到了工業領域的親睞,很多原本需要長時間高溫以及大量高沸點有機溶劑的金屬催化反應能夠在室溫下高效進行,反應的收率與選擇性更上一層樓,甚至可以利用溶液反應中無法使用的原料。尤其是對于難溶大分子物質之間的化學反應,機械化學技術可以無視溶劑選擇直接促進大分子固相下發生絡合、中和、降解、枝接等各種反應,目前已經在纖維素、果膠、木質素、環糊精及葫蘆脲等高分子加工中獲得大量的應用。然而機械化學在蛋白質降解方面的利用仍處于空白狀態。因此,利用機械化學促進高分子間固相反應的機制,強化蛋白質分解過程,減輕廢水壓力并確保蛋白充分降解,能夠更加充分地實現廚余蛋白質的高效降解與資源化利用。
技術實現思路
1、針對上述問題,本發明的目的是克服現有蛋白質降解工藝中存在的化學試劑用量較大、反應溫度高、時間長、工藝繁瑣等問題,提供一種簡單、高效、且環境友好的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,基于機械化學促進高分子反應的優勢,通過機械化學處理活化蛋白質肽鍵,促進蛋白質水解的同時防止對產生氨基酸二次破壞,克服廚余蛋白質降解能力差的難題。
2、為了達到上述的目的,本發明提供了如下技術方案:
3、一種機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,包括如下步驟:取廚余原液與固相試劑混合并置于聚四氟乙烯球磨機中,加入不銹鋼珠,設置球磨機轉速為100-500rpm,進行研磨反應,研磨周期為6-12周期,球磨反應結束后過濾除去殘渣,即為廚余蛋白質降解液。
4、在其中一些實施例中,所述廚余原液與固相試劑的質量之比為100:(5-12)。
5、在其中一些實施例中,所述固相試劑包括堿試劑和酶試劑,所述堿試劑包括碳酸氫鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、尿素中的至少一種;所述酶試劑包括堿性蛋白酶、中性蛋白酶及木瓜蛋白酶中的至少一種。其中堿性蛋白酶中的枯草芽孢桿菌來源uniprot?id:p00782;中性蛋白酶中的枯草芽孢桿菌來源?uniprot?id:p39899;木瓜蛋白酶中的番木瓜來源?uniprot?id:p00784。
6、在其中一些實施例中,所述堿試劑與酶試劑的質量之比為10:(0.1-3)。
7、在其中一些實施例中,所述不銹鋼珠的直徑為14mm。
8、在其中一些實施例中,所述的研磨周期為6-12周期具體為:研磨30?min為一個周期,間歇5?min,共研磨6-12個周期。
9、在其中一些實施例中,所述球磨機轉速為400rpm。
10、在其中一些實施例中,所述研磨周期為10周期。
11、與現有技術相比,本發明的一種機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,具有如下有益效果:
12、(1)利用機械球磨反應和酶結合來降解廚余,操作簡單,工藝路線簡短,降解時間短。
13、(2)相比于傳統方法,機械球磨法輔助降解廚余蛋白質能夠極大地減少化學試劑用量,降低生產成本、減輕環境污染。
14、(3)降解過程室溫下進行,條件溫和并且速率遠高于單純酶解。
15、(4)所得氨基酸損耗少,產物作為肥料的效益高。
16、綜上,本發明具有工藝路線簡短、試劑用量少、操作簡單、成本低、污染少、蛋白的降解率高,得到氨基酸的量多,降解效率好等優點,是一種高效蛋白質降解技術。并且可以作為肥料更好的促進植物生長,是一種具有較好推廣應用前景的技術。
1.一種機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,包括如下步驟:取廚余原液與固相試劑混合并置于聚四氟乙烯球磨機中,加入不銹鋼珠,設置球磨機轉速為100-500rpm,進行研磨反應,研磨周期為6-12周期,球磨反應結束后過濾除去殘渣,即為廚余蛋白質降解液。
2.根據權利要求1所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述廚余原液與固相試劑的質量之比為100:(5-12)。
3.根據權利要求1所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述固相試劑包括堿試劑和酶試劑,所述堿試劑包括碳酸氫鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、尿素中的至少一種;所述酶試劑包括堿性蛋白酶及木瓜蛋白酶中的至少一種。
4.根據權利要求3所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述堿試劑與酶試劑的質量之比為10:(0.1-3)。
5.根據權利要求1所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述不銹鋼珠的直徑為14mm。
6.根據權利要求1所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述的研磨周期為6-12周期具體為:研磨30?min為一個周期,間歇5?min,共研磨6-12個周期。
7.根據權利要求1所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述球磨機轉速為400rpm。
8.根據權利要求1所述的機械化學酶耦合降解廚余蛋白質的方法,其特征在于,所述研磨周期為10周期。