羽毛角蛋白於肥料的應用：材料世界網

張珮菁、林忠德、廖弘玉、黃偕倫、梁克明 / 工研院材化所

臺灣每年有約四萬噸的廢棄羽毛需要處理，羽毛有90%是角蛋白，具有強疏水性，難以分解。目前主要處理方式為透過高溫高壓以及酸鹼添加進行處理。隨著全球對於化學肥料的減量政策，水解羽毛產生的胺基酸及短胜肽可作為生物來源肥料使用。生物分解法相對化學及物理法有較高的胺基酸含量與種類，以及較少的蛋白損失，所生產的肥料除了符合低碳農業所需之有機肥料，更可解決日益增加的廢棄羽毛處理問題。

【內文精選】

廢棄羽毛分解及肥料生產現況

廢棄羽毛主要的處理流程包括：羽毛汙染物分離、液壓脫水、機械研磨、高溫高壓水解，最終產物為羽毛粉，並供給後端應用，包括飼料、肥料等添加。由於羽毛為大量疏水性角蛋白組成，其中包含了高量的雙硫鍵、氫鍵；因此目前的廢棄羽毛處理技術在高溫高壓水解的過程中，除了使用較多能源以及酸鹼化學品之外，胺基酸也容易因此變性而降低其營養性。市場上透過廢棄羽毛製作羽毛粉的技術方面，已有許多企業投入生產製造相關的機械，主要集中在中國以及美國；而生產出來的羽毛粉再經過不同企業的配方組成，製成相關的肥料產品。然而就現況技術而言，廢棄羽毛在這樣的處理之下，仍有許多未被分解的片段，會造成析出以及沉澱，也有整體水解效率和能耗過高及對於胺基酸的破壞等問題。

生物分解廢棄羽毛技術現況

羽毛的主要組成為角蛋白，帶有大量雙硫鍵組成其穩定且難溶於水的結構(圖二)。雖然羽毛的結構及性質難以分解，但在自然環境中卻也不會大量累積，主要由自然界中的微生物透過分泌角蛋白酶(Keratinase)進行分解，將角質中所含的角蛋白分解成微生物可以利用的營養源。目前的生物分解技術主要為菌株分解，而這些具有較高效率分解羽毛的微生物多分離自於養雞場的環境，透過單一微生物或是微生物的組合來進行羽毛的分解；另一方面，基因改質方式則是從原生菌株獲得其自身的角蛋白酶，並透過蛋白質工程進行不同菌株來源的角蛋白酶生產以及分離純化，再利用角蛋白酶分解配方進行羽毛分解。

圖二、羽毛角蛋白結構示意簡圖

2. 角蛋白酶直接反應分解

角蛋白酶最初是在1990年從Bacillus licheniformis發現，開啟了可透過生物方式降解羽毛的技術。許多團隊從不同微生物開發新型的角蛋白酶，主要流程為從微生物的培養基開發、培養環境參數等優化微生物生長，再透過離心分離菌體後進行萃取純化得到角蛋白酶，經過萃取出來的角蛋白酶可適用於不同的產業應用。不同物種來源的角蛋白酶具有不同特性，反應時的最佳溫度範圍30~85˚C，pH 6.5~10之間；而原生菌株生產角蛋白酶的時間落於其快速生長的末期(Late Exponential)以及穩定期(Stationary Phase)，代表生產角蛋白酶是菌株在環境較缺乏營養時為了適應環境才釋出的酵素，也有文獻表示若培養液中含有葡萄糖也會影響角蛋白酶的合成。因此透過原生菌株生產角蛋白酶需透過培養策略上的設計及優化，才能達到較佳的生產效率。目前原生菌株生產角蛋白酶主要的料源為羽毛粉以及農業廢棄物，包括米糠以及豆渣等。

3. 酵素改質

角蛋白酶在工業上被認為具有很大的發展潛力，一般而言在原生菌株的生產效率會需要進一步提升才有辦法符合工業上的需求量；透過角蛋白酶基因工程並經由工業化生產菌株，包括E.coli、B. subtilis、P. pastoris來生產可較符合工業上規模。另一方面在酵素工程部分也可以透過定點突變、定向演化、酵素結構重組等方式建立新型角蛋白酶，以提升其活性、生產效率、穩定性以及酸鹼和溫度耐受性，藉此更易於應用在不同的領域。

羽毛角蛋白於肥料上的應用

水解液中關鍵之一為L-tryptophan，是植物生長素Auxin的重要前驅物，生長素於植物根、莖、芽等生長處的細胞分裂，有助植物整體的生長，也可以促進根系的生長與分枝、葉片的展開和果實的發育。植物生長素中最主要為Indole-3-Acetic Acid (IAA)，在植物體內合成以L-tryptophan作為原料合成而來(圖三)。在植株種植時添加L-tryptophan 0.1~10 mg/L 可提高小麥、稻米、綠豆的千粒重(Thousand Seed Height) 5~30%，也可在小麥的根與莖內發現IAA提高60%以上，總產量可以提高5~40% ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。