《Process Biochemistry》：Sustainable valorization of livestock hoof shell biomass: Composition, characterization, and hydrolysis behavior
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郑博彦|田亚楠|杨毅|王扬|王侨|王新华|刘颖|田晓静|王欣|马云豪|王文航天津科技大学食品科学与工程学院，中国天津 300457摘要牲畜蹄壳是动物农业的副产品，年产量超过500万吨，是一种富含角蛋白的资源，但目前仍未得到充分开发。尽管已经开发出提取角蛋白的技术，但蹄壳生物质的基
郑博彦|田亚楠|杨毅|王扬|王侨|王新华|刘颖|田晓静|王欣|马云豪|王文航
天津科技大学食品科学与工程学院，中国天津 300457
摘要
牲畜蹄壳是动物农业的副产品，年产量超过500万吨，是一种富含角蛋白的资源，但目前仍未得到充分开发。尽管已经开发出提取角蛋白的技术，但蹄壳生物质的基本特性仍知之甚少，这限制了其利用潜力。因此，本研究系统地分析了不同来源的蹄壳生物质成分及其水解产物的特性，以探索其可持续利用的理论基础。所有蹄壳的蛋白质含量均较高（干基计>89%），并含有18种氨基酸。红外光谱（FTIR）分析显示，牛蹄壳的β-折叠结构占比最高（约39%），而羊蹄壳中β-转角和随机卷曲结构的比例较高。基于这些差异，研究人员评估了蹄壳生物质的溶解性和水解程度。通过碱水解（1 M NaOH），羊蹄壳的溶解度达到了67%；而通过角蛋白酶水解则达到了46.18%。酶解改变了氨基酸组成，使得天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）的含量增加，而精氨酸（Arg）和赖氨酸（Lys）的含量减少。这些结果表明，羊蹄壳更易于被酶解。将难以处理的蹄壳转化为可溶性水解产物，有效克服了其结构上的难题，从而促进了该生物质的后续开发和综合利用。本研究为将这种丰富的蛋白质资源转化为高附加值产品提供了理论支持。
引言
据预测，到2050年世界人口接近100亿时，对蛋白质的需求将大幅增加[1]。因此，迫切需要探索新的或未充分利用的蛋白质来源。据粮农组织（FAO）估计，全球每年产生的蹄壳总量超过500万吨，来自绵羊、猪和牛[2]。然而，大多数蹄壳并未得到有效利用，通常被填埋或焚烧处理[3]。这些方法不仅会导致空气污染，还会造成资源浪费和生态环境破坏。蹄壳是一种富含角蛋白（约85%）的副产品。因此，高效利用和转化富含角蛋白的蹄壳生物质对于缓解蛋白质资源短缺、促进可持续资源利用和减少环境污染至关重要。
角蛋白具有良好的生物相容性和机械稳定性，有助于伤口愈合和毛发生长。根据二级结构的不同，角蛋白通常被分为α-角蛋白和β-角蛋白。尽管近年来出现了将羊毛（富含α-角蛋白）等角蛋白废弃物转化为替代蛋白质来源的技术进展[4]，但关于富含β-角蛋白的蹄壳生物质的研究仍然缺乏系统性的研究。这是因为α-角蛋白的α螺旋结构使其具有柔韧性，有利于酶的渗透和降解；而β-角蛋白主要以β-折叠结构存在，其紧密的堆积方式、强健的氢键网络和广泛的二硫键交联使其具有极高的机械强度和显著的化学或酶解抗性，从而给其处理带来了挑战。
尽管近年来对从羊毛、羽毛、蹄壳和角中提取和表征角蛋白的关注度有所增加，但屠宰场产生的蹄壳仍是一种丰富但未得到充分利用的角蛋白资源。目前对于主要屠宰动物（如绵羊、猪和牛）蹄壳生物质的基本特性及其水解产物的认识仍然有限。这一知识空白既是一个废物管理问题，也是一个实现高价值营养转化的机会。
本研究通过差示扫描量热法（DSC）和高效液相色谱法（HPLC）全面分析了常见牲畜蹄壳（绵羊、猪和牛）的组成、形态、物理化学性质和水解行为。此外，还使用盐酸、氢氧化钠、尿素、常规蛋白酶和角蛋白酶对蹄壳进行了水解处理，以评估其氨基酸组成和分子量。这些发现为有效利用废弃蹄壳资源并将其转化为高附加值产品奠定了基础。
章节摘录
材料与化学品
猪蹄壳（终端 cruz 型，3-4个月大，n=100个）由天津二商英宾肉类食品有限公司（中国天津）提供。牛蹄壳（Scalper 型，18个月大，n=100个）和羊蹄壳（小尾汉羊，9个月大，n=100个）由山东洋洋新源清真肉类有限公司提供。蹄壳是一种富含角蛋白的生物质[3]。蹄壳在0.5%（w/v）次氯酸钠溶液中消毒2小时，以确保彻底杀灭微生物。
成分分析
表1列出了绵羊、猪和牛蹄壳的蛋白质、水分、脂肪和灰分含量。牛蹄壳的粗蛋白含量最高（91.82±2.31%），其次是羊蹄壳（91.35±2.24%），猪蹄壳（89.37±4.22%）。角蛋白占蹄壳总蛋白质含量的85%以上，其余部分为微管蛋白和微纤维蛋白[3]。羊、猪和牛的脂肪含量……
结论
本研究探讨了牲畜（绵羊、猪和牛）蹄壳生物质的基本组成、组织形态和物理化学性质。此外，还研究了用盐酸、氢氧化钠和酶水解后的蹄壳水解产物的氨基酸组成和分子量。结果表明，绵羊和牛蹄壳的粗蛋白含量均超过90%，除苏氨酸（Thr）、甲硫氨酸（Met）和异亮氨酸（Ile）外，大多数必需氨基酸的含量也较高。
作者贡献声明
郑博彦：撰写初稿、方法学设计、验证。田亚楠：数据分析、实验研究。杨毅：数据分析、实验研究。王扬王侨：验证工作。王新华：软件应用、验证。刘颖：软件应用、验证。田晓静：实验研究。王欣：软件应用。马云豪王文航
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF1103901）的支持。我们衷心感谢现代分析技术研究中心在本研究实验分析工作中的大力支持。
