《Bioresource Technology Reports》：Hydrodynamic cavitation facilitated valorisation of waste wool
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羊毛水解效率通过水力空化联合碱热处理显著提升至95.8%，蛋白质回收率提高至75.1%，同时降低碱耗0.08 kg/kg和能耗5.83 kWh/kg
Payal M. Yelne | Jayeshkumar S. Mevada | Aniruddha B. Pandit
印度孟买化学技术研究所化学工程系
摘要
富含角蛋白的羊毛废料由于其高度交联的蛋白质结构，其高效水解受到限制，在传统工艺中需要大量的化学物质和能源投入。本研究引入了水动力空化（HC）作为羊毛水解的主要强化策略，并将其性能与传统的碱-热处理方法进行了比较。传统方法使用1.2%（w/v）的KOH、6%（w/v）的羊毛装载量，在121°C下加热45分钟作为参考。相比之下，HC辅助工艺采用了更高的羊毛装载量（10% w/v），较短的热处理时间（10分钟），随后进行5巴压力的HC处理60次。HC辅助工艺使羊毛溶解度从70%提高到了95.8%。蛋白质提取率（Bradford测定法）从40%增加到65.2%，蛋白质回收率（Kjeldahl法）从46.6%增加到75.1%。游离巯基含量的增加（从6.8 mM·g^-1增加到16.7 mM·g^-1）证实了二硫键的广泛断裂。与传统的碱-热处理工艺相比，使用HC作为强化手段可将KOH消耗量从0.20 kg/kg羊毛减少到0.12 kg/kg羊毛，处理1公斤羊毛所需的能量从5 kWh减少到3.817 kWh，并提高了蛋白质回收率，表明HC是一种可持续且新颖的羊毛废料增值途径。
引言
角蛋白是一种广泛存在的结构蛋白，形成脊椎动物的外部附属物，来源于外胚层细胞。它是动物源性材料（如毛发、指甲、羊毛、羽毛、角和蹄）的主要成分，在家禽、屠宰场和羊毛加工行业中作为副产品大量产生（Lange等人，2016年）。角蛋白属于中间丝状蛋白家族，是继纤维素和几丁质之后第三大难以降解的天然聚合物。在富含角蛋白的材料中，羊毛含有约95%的角蛋白，羽毛含有约90%的角蛋白，人类头发和指甲含有近80%的角蛋白（Sinkiewicz等人，2017年）。全球每年产生的羊毛废物约为200万吨，家禽羽毛超过850万吨，人类头发约30万吨（Per?a-Cri?an等人，2021年）。这种大量未充分利用的角蛋白废物带来了严重的环境挑战，并加剧了固体废物管理问题。传统的处置方法（如填埋、焚烧和露天燃烧）会导致温室气体排放和有毒污染物的释放，引发严重的环境问题。因此，开发可持续的技术来利用富含角蛋白的废物具有重要意义。通过环保工艺将角蛋白废物转化为增值产品可以改善经济效益，同时支持环境可持续性和社会福祉（Holkar等人，2018年）。
由于广泛的分子间相互作用（包括二硫键、氢键、疏水相互作用和离子力），羊毛角蛋白具有高度稳定的结构。角蛋白硬度的差异主要与半胱氨酸含量的变化有关，尽管氢键、疏水相互作用和离子相互作用也在决定蛋白质稳定性和功能性方面起着重要作用。由于角蛋白含量高，羊毛、头发和羽毛等角蛋白材料在动物饲料、肥料、聚合物复合材料、化妆品和其他增值产品中具有潜在的应用价值（Akca等人，2023年；Allafi等人，2022年；Ranjit等人，2022年）。
已经报道了多种羊毛水解方法，例如使用水热工艺（Verdnik等人，2021年）、酸水解（Binczarski等人，2024年）、结合探针超声的水性离子液体（Feroz等人，2022年）、微波诱导法（Du等人，2022年）、含有表面活性剂和还原剂的水性系统（Mu等人，2023年）、使用角蛋白分解菌的微生物降解（Vikash等人，2025年）、过热水（Bhavsar等人，2016年；Wu等人，2022年；Zoccola等人，2012年）、蒸汽爆炸（Shen等人，2024年）、使用酸性离子液体的微波辅助水解（Li等人，2021年）、L-半胱氨酸水溶液（Zhang等人，2022年）、深共晶溶剂（Mouro等人，2023年；Okoro等人，2022年；Yang等人，2025年）、生物基质子离子液体（Deng等人，2022年；Idris等人，2014年）、使用酶（Belbéoch等人，2026年；Chebon等人，2023年；Eslahi等人，2013a；Petek和Marin?ek Logar，2021年）、氧化、还原和亚硫酸盐水解（Rajabinejad等人，2018年；Shavandi等人，2017年）等。现有的羊毛处理方法存在一些局限性：它们需要非常高的温度、压力或专用设备，而化学方法可能会降解蛋白质并产生废盐。酶法和微生物法提供了更清洁的替代方案，但往往速度慢、成本高且难以规模化。离子液体和深共晶溶剂显示出潜力，但高昂的成本和复杂的回收过程限制了实际应用。总体而言，大多数技术仍处于实验室阶段，产量适中。鉴于现有方法的局限性，需要更高效和可扩展的处理策略。在这种情况下，将热-碱处理与水动力空化结合可能提供一种有效的替代方案，然而，这种方法尚未在羊毛处理中得到应用。
水动力空化（HC）作为一种有效的过程强化技术，最近受到了关注，可用于化学、物理和生物过程。空化过程中产生的极端条件（包括高剪切力、冲击波和局部热点）增强了传质效果，破坏了复杂结构，并加速了反应动力学（Gogate，2011年；Harrison和Pandit，1992年；Ozonek，2012年）。水动力空化已被广泛报道为强化工业过程的有效方法。当与其他技术结合使用时，它可以改善传质效果并显著缩短处理时间。这种组合效应使HC成为一种多功能且可扩展的方法，适用于染料去除和工业废水处理（Alarcón等人，2022年）、增强乳清蛋白分离物的水解过程（Muley等人，2021年）以及协助废人类头发的水解和增值（Bhat等人，2021年）。还研究了结合酸预处理的水动力空化用于选择性提取细胞内酶的方法（Mevada等人，2022年）。在本研究中，选择羊毛废料作为角蛋白来源，系统评估水动力空化作为与碱-热处理结合的过程强化工具的作用。选择碱-热处理方法是因为它在以往的研究中广泛用于羊毛水解（Abo El-Ola和Elsayed，2022年；Akca等人，2023年；Berechet等人，2020年；Chebon等人，2023年；Gaidau等人，2019年；Mengistu等人，2023年；Metomo等人，2024年；Oussadi等人，2025年；Sahin等人，2025年；Taskin等人，2016年；Vouvoudi等人，2024年）。本研究的主要目的是评估水动力空化与热-碱处理结合用于羊毛水解的有效性。从水解效率、化学物质消耗量的减少以及与传统热-碱处理的性能比较等方面对该方法进行了评估。据我们所知，此前尚未有报道将水动力空化应用于羊毛水解。因此，本研究提出了水动力空化作为一种潜在的过程强化策略，以改善蛋白质回收率和羊毛废料的增值。
材料
原始羊毛样品购自印度孟买的本地供应商。除非另有说明，本研究中使用的所有化学品均为分析级。表面活性剂Tween 20、过氧化氢（33% v/v）、次氯酸钠（4% w/v）、氢氧化钠、无水碳酸钠和正磷酸盐均购自印度孟买的Merck Life Science Pvt. Ltd.。用于蛋白质表征和SDS-PAGE分析的微生物级试剂购自HiMedia。
碱-热处理过程
碱-热处理过程显示了碱、温度和压力对羊毛角蛋白降解的强烈协同效应。碱处理使角蛋白基质膨胀，促进了碱进入纤维结构，导致氢键、二硫键和共价键的断裂（Per?a-Cri?an等人，2021年）。碱对天冬酰胺和谷氨酰胺残基的–CONH键的优先攻击导致肽键断裂，随后...
结论
本研究首次展示了将水动力空化应用于羊毛水解，与传统预处理方法相比，实现了更高的蛋白质回收率。结果表明，水动力空化通过增强角蛋白溶解和蛋白质提取显著提高了碱-热处理的效果，同时减少了化学物质的使用和处理强度。结合碱-热处理和水动力空化的方法实现了高达95.8%的溶解度和75.1%的蛋白质回收率。
CRediT作者贡献声明
Payal M. Yelne：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学、调查、数据分析、概念化。Jayeshkumar S. Mevada：撰写——审稿与编辑、验证、数据分析、概念化。Aniruddha B. Pandit：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Aniruddha B. Pandit报告称获得了印度科技部科学技术部的财政支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢印度政府科学技术部通过DST WMT计划（拨款编号：DST/TDT/WMT/2017/207）提供的财政支持。
