随着全球集约化养殖业的飞速发展,蛋白饲料资源的缺乏问题已严重制约养殖业的可持续发展。我国拥有丰富的羽毛等大宗低值蛋白资源,仅每年随养殖业产生的羽毛下脚料就有约70万吨,在国际上被认为是一种有巨大潜在价值的蛋白质资源。但羽毛独特的蛋白质结构及组成,使其很难被动物胃肠道消化酶消化。若没有合适的加工处理方式,羽毛几乎没有经济价值,也会造成资源浪费、环境污染。本课题以大宗、难利用的羽毛为研究对象,研究蒸汽闪爆对羽毛角蛋白的解离与降解机制,获得对羽毛角蛋白汽爆解聚与利用的规律,有利于实现按照预定目的提高蛋白利用率的目的。主要研究结果如下:研究了羽毛蒸汽闪爆工艺。结果表明:蒸汽闪爆处理可显著提高羽毛的胃蛋白酶消化率和蛋白质溶解度。经1.6 MPa,1 min蒸汽闪爆处理,羽毛胃蛋白酶消化率和蛋白质溶解度分别达到85%和35%,是未处理羽毛原料的8倍和10倍。蒸汽闪爆对羽毛粗蛋白含量影响不明显,氮溶解指数亦随汽爆压力增大而增大。氨基酸组成分析显示羽毛经蒸汽闪爆处理后,除胱氨酸含量下降外,其他氨基酸变化不显著。随着汽爆压力的增大,羽毛有效胱氨酸含量则呈现先增大再减小的趋势。为防止羽毛粉加工不足与加工过度,确定了合适的胃蛋白酶消化率范围是75%~85%,蛋白质溶解度范围是25%~35%。另外,采用“氨基酸需求法”评价了汽爆羽毛粉在鸡、猪、猫和狗等单胃动物中的营养价值,显示出汽爆羽毛粉是一种潜在的单胃动物的优质蛋白。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱、热物性分析等手段探讨了蒸汽闪爆对羽毛纤维形态、聚集态和化学结构的影响。扫描电子显微镜结果表明随着汽爆压力的增大,羽毛纤维外观结构出现明显破损,规则、紧密的结构逐渐消失;X射线衍射分析表明羽毛纤维晶面间距增大,结晶度明显下降;傅立叶变换红外光谱结果表明羽毛纤维大分子肽段构象由分子间β折叠向分子内β折叠转变,肽链间的氢键缔合作用减弱,β折叠相对含量显著降低,无规卷曲相对含量则随之增加;热物性分析结果表明羽毛角蛋白晶体微观结构遭到破坏,熔融温度降低,使得蛋白质分子内部分亲水基团裸露与水分子形成氢键。进一步从蛋白质分子结构、分子柔性角度分析了羽毛角蛋白结构参数与其溶解度以及胃蛋白酶消化率的相关性。结果表明:羽毛角蛋白中二硫键含量同其胃蛋白酶消化率高度负相关(R2=0.98),而与蛋白质溶解度仅在羽毛汽爆处理后才呈高度的相关性;羽毛角蛋白β折叠相对含量仅在汽爆压力小于1.8 MPa时与胃蛋白酶消化率高度负相关(R2=0.93)。这也说明较低汽爆压力下,β折叠和二硫键对于羽毛角蛋白结构的稳定性具有协同作用。从分子间作用力的角度分析了不同汽爆压力下束缚羽毛角蛋白降解的关键作用力、分子结构或存在形式的变化,提出了羽毛角蛋白的蒸汽闪爆解离与降解机制。结果表明:随着汽爆压力的增加,羽毛角蛋白中氢键与二硫键的交互效应逐渐变弱,非共价键作用逐渐增强。通过分析羽毛角蛋白的尿素、尿素+β-巯基乙醇以及稀碱液溶出物的分子量分布,发现汽爆过程中羽毛角蛋白在解离的同时发生聚集,其中聚集体间的作用力较弱,而聚集体内分子间作用力较强,且含有非二硫共价键,从而使得羽毛角蛋白以异质体形式溶出。羽毛二硫键含量随着蒸汽闪爆处理强度的增大显著降低,游离巯基则呈先减小后增大的趋势,二硫键的减少与游离巯基的增加不成比例表明羽毛角蛋白蒸汽闪爆过程中形成了新的化学交联。凝胶电泳以及角蛋白溶液聚集行为分析表明汽爆压力超过1.8 MPa时,肽链开始大量断裂,羽毛角蛋白也随之丧失自组装能力。根据上述结果提出羽毛角蛋白汽爆解离与降解机制:热能首先弱化各化学键键能,使肌链区域二硫键发生降解,同时伴随着非二硫键共价交联的形成,低汽爆压力下,爆炸冲击力不足以破坏羽毛肌链结构;随着汽爆强度的增大,二硫键进一步降解,羽毛角蛋白肽链开始大量断裂;泄压阶段产生的冲击力能够断开折叠片层间弱的范德华力,打乱β折叠常规的堆叠顺序,破坏角蛋白的结晶度,从而使得羽毛纤维颗粒化。开展了蒸汽闪爆提取羽毛角蛋白的工艺研究,优化了碱液提取工艺参数,并进一步分析了羽毛角蛋白的结构组成以及功能性质,建立了蒸汽闪爆与碱法提取相结合的羽毛角蛋白提取方法。结果表明:蒸汽闪爆处理可显著降低碱液的浓度,提高羽毛角蛋白的提取效率和得率。羽毛经1.6 MPa,1 min蒸汽闪爆处理,0.4%NaOH溶液提取1h后,其溶解率从未处理时的3%提高至65%,角蛋白得率提高到42%。采用凝胶电泳、傅立叶变换红外光谱、X射线衍射、热物性分析等技术手段表征了角蛋白的结构和化学变化。结果表明,提取的羽毛角蛋白可在一定程度保持其肽链结构的完整性。蒸汽闪爆结合稀碱处理可显著提高羽毛角蛋白的溶解性、乳化性、起泡性等功能性质,其中羽毛角蛋白的乳化稳定性以及泡沫稳定性均优于传统碱提酸沉法。与传统碱提酸沉法、还原法相比,蒸汽闪爆结合碱法提取更生态环保,易于工业化应用。