Thirteen different Streptomyces isolates were evaluated for their ability to produce keratinase using chicken feather as a sole carbon and nitrogen sources under solid state fermentation (SSF). Streptomyces sp. NRC 13S produced the highest keratinase activity [1,792 U/g fermented substrate (fs)]. The phenotypic characterization and analysis of 16S rDNA sequencing of the isolate were studied. Optimization of SSF medium for keratinase production by the local isolate, Streptomyces sp. NRC13S, was carried out using the one-variable-at-a-time and the statistical approaches. In the first optimization step, the effect of incubation period, initial moisture content, initial pH value of the fermentation medium, and supplementation of some agro-industrial by-products on keratinase production were evaluated. The strain produced about 2,310 U/gfs when it grew on chicken feather with moisture content of 75% (w/w), feather: fodder yeast ratio of 70:30 (w/w), and initial pH 7 using phosphate buffer after 8 days. Based on these results, the Box-Behnken design and response surface methodology were applied to find out the optimal conditions for the enzyme production. The corresponding maximal production of keratinase was about 2,569.38 U/gfs.
A bacterial strain WJ-98 found to produce active extracellular keratinase was isolated from the soil of a poultry factory. It was identified as Paracoccus sp. based on its 16S rRNA sequence analysis, morphological and physiological characteristics. The optimal culture conditions for the production of keratinase by Paracoccus sp. WJ-98 were investigated. The optimal medium composition for keratinase production was determined to be 1.0% keratin, 0.05% urea and NaCl, 0.03% K$_2$HPO$_4$, 0.04% KH$_2$PO$_4$, and 0.01% MgCl$_2$$.$6H$_2$O. Optimal initial pH and temperature for the production of keratinase were 7.5 and 37$^{\circ}C$, respectively. The maximum keratinase production of 90 U/mL was reached after 84 h of cultivation under the optimal culturing conditions. The keratinase from Paracoccus sp. WJ-98 was partially purified from a culture broth by using ammonium sulfate precipitation, ion-exchange chromatography on DEAE-cellulose, followed by gel filtration chromatography on Sephadex G-75. Optimum pH and temperature for the enzyme reaction were pH 6.8 and 50$^{\circ}C$, respectively and the enzymes were stable in the pH range from 6.0 to 8.0 and below 50$^{\circ}C$. The enzyme activity was significantly inhibited by EDTA, Zn$\^$2+/ and Hg$\^$2+/. Inquiry into the characteristics of keratinase production from these bacteria may yield useful agricultural feed processing applications.
A microbial strain having high keratinase activity was isolated from the soil of poultry factories of Gyeonggi or Chungcheong-do. The isolated strain was identified as Bacillus sp. based on its morphological and biochemical characteristics. In this study, the optimal conditions for the production of keratinase by this strain were investigated. The optimal medium composition for the keratinase production was determined to be 3.5% chicken feather as carbon source, 1.0% tryptone as organic nitrogen source, 1.0% $KNO_3$ as inorganic nitrogen source and 0.05% KCl, 0.05% $KH_2PO_4$, 0.03% $K_2HPO_4$ as mineral source and 0.01% yeast extract as growth factor. The optimal temperature and pH was $40^{\circ}C$ and 8.5 with shaking culture (200 rpm), respectively. The maximum keratinase production reached to 123 units/ml after 42 hr of cultivation under the optimal condition. When the hair was used as the sole carbon source, the maximum enzyme activity was 88 units/ml after 120 hr and in this case, the hair added in the medium was not degraded completely but got thinner than the control by 20%.
This study was performed to investigate the nutritional conditions controlling keratinase activity in Bacillus megaterium F7-1. B. megaterium F7-1 produced keratinase using chicken feather as a sole source of carbon, nitrogen and sulfur. Addition of the feather medium with glucose enhanced keratinase production (68.9 U/ml), compared to control without glucose (63.2 U/ml). The synthesis of keratinase was repressed by addition of $NH_4Cl$ in B. megaterium F7-1. The highest keratinase production (70.9 U/ml) was obtained with the feather medium containing glucose and $MgSO_4{\cdot}7H_2O$. Keratinase was produced in the absence of feather (4.9 U/ml), indicating its constitutive synthesis. Feather degradation resulted in free SH group formation. B. megaterium F7-1 effectively degraded chicken feather meal (86%), whereas duck feather, human nail, human hair and sheep wool displayed relatively low degradation rates (8-34%).
Keratinase is widely used in certain industrial applications. The present study sought to improve the culture conditions of Bacillus subtilis SMMJ-2 to facilitate mass production of keratinase. Strain SMMJ-2 was irradiated by ultraviolet light and the resulting isolates were tested for keratinase activity. Isolates displaying elevated keratinase activity were selected and used to determine the optimum temperature (24, 30, 37, 45, $55^{\circ}C$) for bacterial keratinase production during a 4 day incubation period. The highest enzyme activity (55 units/mL/min), from a Bacillus subtilis SMMJ-2 mutant (mutant No. 2) was demonstrated following incubation at $30^{\circ}C$. The effects of carbon and nitrogen sources on keratinase production were confirmed by measuring the enzyme activity from the culture broth of the mutant strain cultured in various media containing different carbon source and nitrogen sources during a 4 day period. The optimal medium composition for producing keratinase consisted of 1% glucose, 0.7% $K_2HPO_4$, 0.2% $K_2HPO_4$, and 1.2% soybean meal. Optimal initial pH and temperature for producing keratinase were 7.0 and $30^{\circ}C$, respectively. Keratinases produced by B. subtilis SMMJ-2 and the mutant No. 2 were purified from the culture broth which used soybean meal as a nitrogen source. Membrane ultrafiltration, DEAE-sephacel ion exchange and Sephadex G-100 gel chromatography were used to purify the enzymes. The purified keratinases from both B. subtilis SMMJ-2 and the mutant No. 2 showed single bands and their molecular weights were estimated as 28 kDa and 42 kDa, respectively on SDS-polyacrylamide gel electrophoresis.
A strain SH-517 which produce extracellular keratinase, was isolated from the soil of a poultry waste and a poultry factory. An isolate SH-517 was identified as Bacillus sp. based on its morphological and biochemical characteristics. The optimal culture conditions for the production of keratinase by Bacillus sp. SH-517 were investigated. The optimal medium composition for keratinase production was determined to be 2.0% chicken feather as carbon source, 0.5% beef extract as organic nitrogen source, 0.5% $KNO_3$ as inorganic nitrogen source and 0.06% KCl, 0.05% NaCl, 0.04% $KH_2PO_4$, 0.03% $K_2HPO_4$ as mineral source and 0.01% yeast extract as growth factor. The optimal temperature and pH of medium were shown $40^{\circ}C$ and 8.5 with shaking culture (180 rpm/min), respectively. The maximum keratinase production reached maximum of 125 units/ml/min after 42 hr of cultivation under the optimal culturing conditions.
We investigated the optimal conditions for keratinase production by feather-degrading Pseudomonas geniculata H10 using one variable at a time (OVT) method. The optimal medium composition and cultural condition for keratinase production were determined to be glucose 0.15% (w/v), beef extract 0.08% (w/v), $KH_2PO_4$ 0.12% (w/v), $K_2HPO_4$ 0.02% (w/v), NaCl 0.07% (w/v), $MgSO_4{\cdot}7H_2O$ 0.03%, $MgCl_2{\cdot}6H_2O$ 0.04% along with initial pH 10 at 200 rpm and $25^{\circ}C$, respectively. The production yield of keratinase was 31.6 U/ml in an optimal condition, showing 4.6-fold higher than that in basal medium. The strain H10 also showed plant growth promoting activities. This strain had ammonification activity and produced indoleacetic acid (IAA), siderophore and a variety of hydrolytic enzymes such as protease, lipase and chitinase. Therefore, this study showed that P. geniculata H10 could be not only used to upgrade the nutritional value of feather wastes but also useful in situ biodegradation of feather wastes. Moreover, it is also a potential candidate for the development of biofertilizing agent applicable to crop plant soil.
Keratin wastes are generated in excess of million tons per year worldwide and biodegradation of keratin by microorganisms possessing keratinase activity can be used as an alternative tool to prevent environmental pollution. For practical use of keratinase, its physicochemical properties should be investigated in detail. In this study, we investigated characteristics of keratinase produced by Xanthomonas sp. P5 which is isolated from rhizospheric soil of soybean. The level of keratinase produced by the strain P5 increased with time and reached its maximum (10.6 U/ml) at 3 days. The production of soluble protein had the same tendency as the production of keratinase. Optimal temperature and pH of keratinase were $40^{\circ}C-45^{\circ}C$ and pH 9, respectively. The enzyme showed broad temperature and pH stabilities. Thermostability profile showed that the enzyme retained 94.6%-100% of the original activity after 1 h treatment at $10^{\circ}C-40^{\circ}C$. After treatment for 1 h at pH 6-10, 89.2%-100% of the activity was remained. At pH 11, 71.6% of the original activity was retained after 1 h treatment. Although the strain P5 did not degrade human hair, it degraded duck feather and chicken feather. These results indicate that keratinase from Xanthomonas sp. P5 could be not only used to upgrade the nutritional value of feather hydrolysate but also useful in situ biodegradation of feather.
Two experiments were conducted to investigate the in vitro ability of keratinase to hydrolyze soybean glycinin and ${\beta}$-conglycinin and to evaluate the in vivo effects of keratinase when included in corn-soybean diets with different levels of crude protein and fed to nursery pigs. In experiment 1, a saturated keratinase solution (1 ml) was added to two blank controls of either glycinin or ${\beta}$-conglycinin resulting in the hydrolysis of 94.74% glycinin and 88.89% ${\beta}$-conglycinin. In experiment 2, 190 pigs (8.3${\pm}$0.63 kg BW) were allotted to one of four treatments in a 2${\times}$2 factorial arrangement on the basis of body weight, and sex was balanced among the pens. The effects of crude protein (19 vs. 22%) and keratinase (0 vs. 0.05%) were studied. Each treatment was applied to six pens with seven (two pens) or eight pigs per pen. Pigs were fed the experimental diets for 21 d. Weight gain and feed conversion ratio were improved (p<0.05) with keratinase supplementation while feed intake was reduced (p<0.05). Keratinase supplementation increased (p<0.05) the apparent total tract digestibility of dry matter, energy, crude protein and phosphorus. Keratinase supplementation also increased n-butyric acid in the cecum and colon, lactobacilli and total anaerobe counts in the colon as well as the ratio of villus height to crypt depth in the ileum. Additionally, fecal score, ammonia nitrogen and branch chain volatile fatty acids in the colon, E. coli and total aerobe counts in the colon, crypt depth in the jejunum and ileum as well as serum interleukin-1 and interleukin-6 concentrations were also decreased (p<0.05) by keratinase supplementation. A reduction in dietary crude protein decreased (p<0.05) colon ammonia nitrogen concentration and cecal propionic acid and branch chain volatile fatty acid concentrations. In addition, cecal E. coli counts, colon total anaerobe counts, ileal crypt depth, and serum interleukin-1 and interleukin-6 concentrations were also decreased (p<0.05) with the reduction of dietary crude protein. With the exception of fecal scores, there were no significant interactions between crude protein and keratinase. This study provides evidence that dietary keratinase supplementation improved nursery pig performance by improving intestinal morphology and ecology, thus improving nutrient digestibility and alleviating the inflammatory response.
Thermoactinomyces sp. strain YT06 was isolated from poultry compost and observed to degrade integral chicken feathers completely at $60^{\circ}C$, resulting in the formation of 3.24 mg/ml of free amino acids from 50 ml of culture containing 10 g/l chicken feathers. Strain YT06 could grow and secrete keratinase using feather as the only carbon and nitrogen sources without other supplement, but complementation of 10 g/l sucrose and 4 g/l $NaNO_3$ increased the production of the keratinolytic enzyme. The maximum protease activity obtained was 110 U/ml and for keratinase was 42 U/ml. The keratinase maintained active status over a broad pH (pH 8-11) and temperature ($60-75^{\circ}C$). It was inhibited by serine protease inhibitors and most metal ions; however, it could be stimulated by $Mn^{2+}$ and the surfactant Tween-20. A reductive agent (${\beta}$-mercaptoethanol) was observed to cleave the disulfide bond of keratin and improve the access of the enzyme to the keratinaceous substrate. Zymogram analysis showed that strain YT06 primarily secreted keratinase with a molecular mass of approximately 35 kDa. The active band was assessed by MALDI-TOF mass spectrometry and was observed to be completely identical to an alkaline serine protease from Thermoactinomyces sp. Gus2-1. Thermoactinomyces sp. strain YT06 shows great potential as a novel candidate in enzymatic processing of hard-to-degrade proteins into high-value products, such as keratinous wastes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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