CN102006782A - 蛋白水解物的纯化及得到的产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及酶促消化肝素衍生的蛋白水解物(蛋白胨)的纯化方法，包括将该蛋白胨在约室温到约130℉的温度和约常压到约360psi的压力下通过纳米过滤器得到蛋白胨浓缩物的步骤。

Description

蛋白水解物的纯化及得到的产品
技术领域
本发明涉及纯化蛋白水解物(蛋白胨)的方法。本发明还涉及所获得的纯化的蛋白水解物(蛋白胨浓缩物)及其在食品和肥料中的应用。
背景技术
蛋白水解物含有包括氨基酸和来源于各种动物和植物蛋白水解产生的短链肽的混合物。例如，蛋白水解物是来自从猪碎内脏或者肠粘膜的提取物血抗凝剂肝素的通常副产品。
由于经济和环境的原因，生产使用现在形成的因屠宰动物，例如家畜，而产生的废物百分比正在不断增加。家畜废物或者其他副产品主要用途是生产血抗凝剂肝素。小肠原料在屠宰场被收集并且通过在防腐剂(典型的为焦亚硫酸钠或液体亚硫酸氢钠)中搅拌保存。亚硫酸氢钠是保存含有肝素原料的工业标准，虽然其他防腐剂，例如磷酸，乳酸或者各种各样的过氧化物已经被测试并且发现至少在某种程度上有效，纵然是成本高昂。肝素生产包括增加原料的pH值至碱性，加入蛋白水解酶以消化原料，必要时，通过加入酸或者碱分离溶液的脂肪成分，并使用离子交换树脂从得到的水溶液去除肝素。在离子交换树脂吸附肝素之后，然后通过筛网过滤收集，剩下的水解产物水溶液(本领域中也被称作蛋白胨)过去被用作肥料或者饲料添加剂。
来自蛋白水解物的纯化蛋白产品可能有许多潜在用途，例如化妆品添加剂，食品和饮料的营养成分，起泡剂，阻塞苦味的药物化合物添加剂，氨基酸来源，婴儿配方奶的添加剂和替代品，以及用于经口服、体内、非肠道或静脉地服用的人造营养素。
本发明特别感兴趣的是纯化的蛋白水解物作为家畜饲料成分的使用。纯化的蛋白水解物的营养用途还包括作为用于小牛、仔猪和其它断奶期哺乳动物的牛奶替代物的专业饲料，动物饲料的蛋白质增补剂，氨基酸补充剂，和人类食品和宠物食物的风味剂或蛋白质增强剂。
使用这些材料用作饲料添加剂时的典型问题是防腐剂的存在，其由于在利用蒸发的干燥操作中从胨中除去水分因而是浓缩的。例如，水分含量从约82％(正如在很多市售的作为肝素生产副产品的蛋白水解物中发现的那样)降低到55％或者更低的含水量，亚硫酸钠含量也被浓缩。例如，亚硫酸盐在18％固体重量的液体蛋白水解物中的通常含量为2.5％到3.5％。然而，同样18％固体重量蛋白水解物通过水分蒸发被浓缩至55％的含水量时，浓缩产品中的亚硫酸盐浓度增加到6.25％到8.75％。这一亚硫酸盐水平被发现被很多终端产品用户不欢迎以及更多用户完全不接受。例如，用于宠物食物市场时，高水平亚硫酸盐的存在，当作为潜在营养素源的蛋白水解物变得不适口。此外，美国饲料管理协会(AAFCO)(在官方出版物的第196-197页)限制了亚硫酸盐在肉和维生素BI源中的使用。而且，这些处理需要相当数量的能量。已经有通过化合物处理并沉淀防腐性盐来去除防腐剂的尝试，但是这些方法效率低，因此成本高昂(U.S.5,607,840和U.S.6,051,687)。
降低盐水平的一种方法是在U.S.6,051,687中披露过的膜过滤。一种原料是由肝素提取获得的18％固体重量的液体蛋白水解物和另一种是由18％固体重量的液体蛋白水解物制得的低脂肪原料。由于考虑到脂肪成分会于扰膜过滤的关系，使用低脂肪原料。然而，被指出两种原料之间几乎没有差别。研究显示，该想法能起作用，尽管有一些缺点，例如10％的粗蛋白损失，其可能通过使用不同类型的膜得到解决。不过，没有更进一步测试报导。
尽管对从来源于动物组织中肝素提取产生的蛋白水解物副产品替代应用的兴趣不断增强，但如何用有效的方式降低蛋白水解物中的盐浓度在过去一直不了解。本发明提供蛋白水解物的纯化方法。当该水解物被浓缩时，得到盐浓度显著降低的蛋白产品。此外，如何从这一蛋白水解物中除去亚硫酸盐或者硫酸盐还不了解，因此当该水解产物用有效方法浓缩时，使得亚硫酸盐和硫酸盐浓度的显著降低。
发明概述
本发明涉及纯化的酶促消化肝素衍生的蛋白水解物(蛋白胨)的方法，包括将该蛋白胨在约室温到约130℉的温度和约常压到约360psi的压力下通过纳米过滤器得到蛋白胨浓缩物的步骤。
可以通过纳米过滤蛋白胨同时去除水分和一大部分防腐性盐，解决了采用节能的方法去除蛋白胨中水分时防腐剂浓缩的问题。与之前测试的其他方法相反，使用纳米过滤大部分防腐剂被清除，而蛋白胨的营养质量被高水平的保持。此外，它允许工厂在整个生产过程期间保持稳定的产品。
一旦防腐剂被清除，被浓缩蛋白胨可以用于进一步浓缩，用水稀释并再次浓缩，或者与之前从蛋白胨中分离出的级分结合。一旦取得期望的终产品，即，纯化的酶促消化肝素衍生的蛋白水解物，其能被用作家畜饲料或者饲料添加剂/补充剂，宠物食品添加剂/补充剂，作为人或者动物添加剂/补充剂，或者肥料或肥料浓缩物。在这方面废物产生将被最小化。
附图
图1表示根据本发明的肝素提取工艺中从猪小肠纯化蛋白水解物的一个实施方式流程图。
详细说明
本方法包括将蛋白胨在约室温到约130℉的温度和约常压到约360psi的压力下通过纳米过滤器得到蛋白胨浓缩物的步骤。
该蛋白胨可以是源自从猪碎内脏或肠粘膜中提取肝素的市售的液体蛋白水解物副产品。该方法还能在进行肝素提取的工厂内实施。尤其，从肝素提取工艺中消化的猪小肠原料开始，肝素通过用离子交换树脂从溶液中提取。离子交换树脂从蛋白胨中筛分出来，收集蛋白胨以进一步处理。该蛋白胨基本上不含肝素。
蛋白胨能过通过初步纳米过滤去处一部分防腐剂和水。该蛋白胨浓缩物随后通过蒸发达到期望的水分含量。用纳米过滤去除一部分防腐剂和水分比单独蒸发更经济。然而，在一定的水分含量下，纳米过滤器开始堵塞并且降低效率使得蒸发对终浓缩来说更有效和必要。
本发明方法的一个可选择的实施方式，包括下述步骤：
a)将蛋白胨酸化至pH值为约4到约7得到包含脂肪和/或絮凝成分的污泥层和水层，
b)分离所述污泥层和所述水层，
c)将所述水层在约室温到约130℉的温度和约常压到约360psi的压力下通过纳米过滤器得到蛋白胨浓缩物(1)。
将蛋白胨酸化至pH值为约4到约7得到包含脂肪和/或絮凝成分的污泥层和水层。酸化对本领域技术人员众所周知。可以使用无机酸。无机酸的例子包括盐酸，磷酸，硫酸或者硝酸。优选盐酸。
污泥层与水层的分离，优选通过滗析。
包含蛋白胨的污泥或水层(清澈的蛋白胨级分)在相对低温的从约室温到大约150℉(20℃到65℃)的范围内，优选约90到约130℉(30℃到55℃)，在约常压到约360psi(1到25bar)之间，优选约100到约300psi(7到20bar)，但是通常在约250到280psi(17到19bar)的不同压力下通过纳米过滤膜，得到蛋白胨浓缩物。
用于本发明的纳米过滤膜可以选自聚合膜和无机膜。这些纳米过滤膜的孔径尺寸允许150-300道尔顿的截留分子量。
本发明使用的典型的聚合纳米过滤膜包括，例如，聚醚砜膜，磺化聚醚砜膜，聚酯膜，聚砜膜，芳香族聚酰胺膜，聚乙烯醇膜和聚哌嗪膜及其组合。乙酸纤维膜也可以用于作本发明的纳米过滤膜。
例如，典型的无机膜包括ZrO2和Al2O3膜。
优选的纳米过滤膜选自磺化的聚砜膜和聚哌嗪膜。例如，有用的膜是由GE Osmonics/General Electric Co.Water技术生产的Desal D系列，如在DL系列内的型号，如DL 4040和DL 2540。在本发明中有用的纳米过滤膜可能有负电荷或正电荷。该膜可以是离子膜，即它们可以包含阳离子或者阴离子基团，但是甚至中性膜也有用。该纳米过滤膜可以选自疏水膜和亲水膜。
纳米过滤膜的一种典型类型是平板式。膜结构也可以选自，例如，管状，螺旋卷式膜和中空纤维。“高剪切力”膜，例如振动膜和旋转膜也能使用。
在纳米过滤步骤之前，纳米过滤膜可以进行使用清洗剂清洗的预处理，通常使用酸性洗涤剂。碱性洗涤剂或者乙醇也能使用。
源自本发明方法的渗透物将包含水和各种各样的盐，以及一部分防腐剂盐，例如亚硫酸氢钠加上一些氨基酸。
在一个本发明的可选择实施方式中，通过本发明的方法得到的蛋白胨浓缩物(1)再循环反复通过纳米过滤器直到达到期望的浓度或者直到渗透物流动停止，通常在等于或低于约70-75％的水分含量。
在一个优选实施方式中，渗透物通过另一个如前述的第一纳米过滤步骤使用的同样的纳米过滤器，得到蛋白胨浓缩物(2)。可选地，使用具有允许＜150道尔顿截留分子量孔径的膜，例如，具有精细膜孔径的GE Osmonics型号DK系列，以用来浓缩已转移到最初渗透物中的氨基酸。来自渗透物(蛋白胨浓缩物2)中的浓缩氨基酸可以与初浓缩物(蛋白胨浓缩物(1))混合以得到蛋白胨浓缩物(3)。
在另一实施方式中，可以对蛋白胨浓缩物(1)或(3)加入软水漂洗并且可以重新纳米过滤，以更进一步去除各种矿物质得到蛋白胨浓缩物(4)。
任选地，根据用于肝素提取工艺的原材料的脂肪含量，可以去除脂肪。在pH值为约6到约9，温度在约130到160℉下去除脂肪。脂肪成分趋于絮凝并快速漂浮至顶部。脂肪成分可以通过多种方法去除，包括通过离心、滗析、或者过滤。分离的最佳pH值根据所采用的方法而变化。肝素可以在脂肪分离之前或之后用离子交换树脂提取。
任选地，单独的或者氨基酸组能从蛋白质水解物分离并且使用各种公知技术分离开，例如但不限于沉淀、离子交换、化学催化反应或者进一步过滤。
浓缩蛋白胨(1)、(3)或者(4)通常有约5.5的pH值，并且由于它的pH值和较低的水分含量/活度可以被无限期储存。可以在浓缩和/或将该级分与其它原料例如在纳米过滤之前被任选去除的污泥组合之前、过程中或之后调整pH值。一个优选实施方式是纯化的蛋白水解物包括原始浓缩物(蛋白胨浓缩物(1))，由原始渗透物纳米过滤得到的浓缩级分(蛋白胨浓缩物(2))，以及脂肪和/或絮凝成分。该脂肪和/或絮凝成分可以从污泥层或者脂肪去除步骤中获得。纯化的蛋白水解物也可以是蛋白胨浓缩物(3)或(4)，任选地与蛋白胨浓缩物(2)相结合，任选地与脂肪和/或絮凝成分相结合。
本发明所述的产品是纯化的酶促消化肝素衍生的蛋白水解物，包含
1)小于12,000ppm的硫
2)小于21,000ppm的钠
3)大于120,000ppm的氨基酸
4)80％的水分或更少
具有的硫与总氮比率为0.5或更小且钠与总氮比率为1.0或更小。
优选地，纯化的蛋白水解物的硫与总氮比率小于0.4。可选地，钠与总氮比率可以小于0.9，优选小于0.8，更优选小于0.7，最优选小于0.6。
更优选地，纯化的蛋白水解物包含脂肪和/或絮凝成分。
下面的实施例涉及示范如何达到上述实施方式而进行的实验。它们不是用来以任何方式限制本发明。之前或以下引用的专利、期刊文章或其他出版物的所有参考文献，都据此明确地以它们的全部纳入参考。
进一步，可理解本领域技术人员已知细小的修改，其也被理解为包括在本发明所描述和要求保护的范围之内。
实施例1和对比实施例A
从肝素提取工艺采集一批蛋白胨。酸化该蛋白胨并从中去除污泥得到水性初始原料。该水性初始原料在标称pH 5.5，100-120℉的温度，以及270psi的标称压力下通过纳米过滤器，即，GE Osmonics型号为DL 4040的膜。
结果见表1(膜过滤操作)。
为了比较起见，如膜过滤操作那样分离出一批蛋白胨。蒸发水层以观察时钠和硫相对浓度的影响。在其浓度为2.13时，该溶液变得非常粘稠，蒸发操作停止。
结果同样列于表1(蒸发操作)。
表1
Figure BPA00001276436600071
表1(续)
Figure BPA00001276436600081
结果评价
在纳米过滤前当比较本发明制备的浓缩物和水性初始原料时，我们发现如下：
体积减少4.00X
总氮量增加1.74X
硫浓度增加1.43X
在钠浓度减少0.87X
大多数氨基酸浓度增加约1.5-2X
如果浓缩物中仍保留亚硫酸氢钠防腐剂，钠和硫的浓度预期增加为4.00X。
来自纳米过滤步骤的渗透物有非常强的亚硫酸氢钠防腐剂气味，这一点也得到了表1中渗透物中的高钠浓度和硫浓度的支持。
结果从蛋白水解物中去除亚硫酸氢钠使得其成为更加可口的饲料添加剂。考虑到大量亚硫酸氢钠的去除以及能捕获已转移至渗透物中大量氨基酸的渗透物的第二纳米过滤步骤的潜在机制，部分氨基酸会转移到初始渗透物是可接受的。此外，本发明的浓缩物具有相对较低的粘度也使得其比蒸发材料易于处理。
最后，可理解用软水漂洗加入到浓缩可以重新进行纳米过滤，能够进一步去除各种矿物质，其可以使硫与总氮比率小于0.4，且钠与总氮比率小于0.9。
在该浓缩物中加入纳米过滤之前去除的污泥，能够提供含有脂肪/絮凝成分的纯化的蛋白水解物。
作为比较实施例的蒸发操作，在2.13的浓度时得到非常粘稠的溶液。对该材料进行测试，将结果转化为理论结果，该理论结果是如果我们能继续蒸发直至4.00的水平所能看到的。从表1的结果中可以看出，蒸发材料中的钠和硫的浓度水平得以维持并且在蒸发过程中没有丢失。
实施例2
酸化另一批源自肝素提取工艺的蛋白胨MW2以从中去除污泥MW4。该水性起始原料MW5通过纳米过滤器，即DL 2540，得到蛋白胨浓缩物(1)MW7。从中得到的渗透物再次通过同一纳米过滤器得到浓缩物(2)MW10。两种蛋白胨浓缩物(1)和(2)(MW7+MW10)和之前去除的污泥MW4加在一起得到含脂肪/絮凝成分MW14的纯化的蛋白水解物(蛋白胨浓缩物(3))。
结果见表2
MW7和MW14是依据本发明的纯化的蛋白水解物。
表2
  MW2   MW4   MW5   MW7   MW10   MW14
  参数  单位
  铵态氮  ppm   800   600   800   600   800   1100
  有机氮  ppm   16500   17000   15400   23900   16400   21000
  总氮  ppm   17300   17600   16200   24500   17200   22100
  磷P2O5  ppm   3700   7500   2700   4200   3400   5500
  钾K2O  ppm   2700   2200   2300   1900   2300   2100
  硫  ppm   10800   7400   8900   8800   9700   8300
  钙  ppm   200   600   100   200   100   300
  镁  ppm   200   300   100   200   200   200
  钠  ppm   18600   14800   15400   13500   16100   20300
  铜  ppm   2   9   1   4   0   6
  铁  ppm   31   86   17   63   18   85
  锰  ppm   2   7   1   3   2   4
  锌  ppm   19   18   13   47   6   35
  pH  na   8.4   5.3   6.1   7.6   5.6   7.2
  水分  ％   81.1   48.5   84.6   79.7   83.8   66.8
  固体  ％   18.9   51.5   15.4   20.3   16.2   33.2
  氨基酸
  丙氨酸  ％   0.64   0.51   0.46   0.97   0.46   0.88
  Arganine(精氨酸)  ％   0.45   0.61   0.67   1.95   1.14   1.18
  天冬氨酸  ％   0.69   0.62   0.76   1.43   0.84   0.79
  半胱氨酸  ％   0.20   0.20   0.46   0.38   0.27   0.34
  谷氨酸  ％   1.19   0.95   1.15   2.06   1.31   1.58
  甘氨酸  ％   0.86   0.59   0.79   1.42   0.51   1.14
  组氨酸  ％   0.22   0.48   0.21   0.39   0.32   0.26
  异亮氨酸  ％   0.39   0.52   0.26   0.32   0.38   0.63
  亮氨酸  ％   0.77   1.02   0.59   0.60   0.47   0.99
  总赖氨酸  ％   0.63   0.83   0.59   1.02   0.91   0.91
  蛋氨酸  ％   0.13   0.22   0.13   0.15   0.16   0.15
  苯丙氨酸  ％   0.28   0.71   0.32   0.32   0.19   0.59
  脯氨酸  ％   0.52   0.52   0.58   0.93   0.41   0.65
  丝氨酸  ％   0.37   0.37   0.41   0.49   0.36   0.40
  苏氨酸  ％   0.38   0.33   0.43   0.54   0.42   0.59
  色氨酸  ％   0.12   0.18   0.13   0.11   n.d.   0.13
  酪氨酸  ％   0.3   0.56   0.23   0.29   0.34   0.52
  缬氨酸  ％   0.57   0.78   0.48   0.58   0.65   0.35
  nd＝未检出
  S∶N比率   0.62   0.42   0.55   0.36   0.56   0.38
  Na∶N比率   1.08   0.84   0.95   0.55   0.94   0.92
  氨基酸  ppm   87100   100000   86500   139500   91400   120800
实施例3和4
两种蛋白胨样品(未酸化和没有物理分离)被纳米过滤以去除一部分的防腐剂和水。
结果见表3
表3
 实施例3的初始原料   实施例3  实施例4的初始原料  实施例4
  参数   单位
  铵态氮   ppm   2100   1300   1800   1900
  有机氮   ppm   9300   23700   9100   21500
  总氮   ppm   11400   25000   10900   23400
  磷P2O5   ppm   3200   11100   3500   11000
  钾K2O   ppm   2100   4000   2400   4200
  硫   ppm   10800   18200   11700   19400
  钙   ppm   200   500   200   600
  镁   ppm   100   400   100   400
  钠   ppm   17300   33500   20000   36000
  铜   ppm   2   5   2   5
  铁   ppm   18   59   19   62
  锰   ppm   2   4   1   3
  锌   ppm   12   43   14   45
  pH   na   8.0   8.3   7.8   8
  水分   ％   85.3   66   85.9   65.4
  固体   ％   14.7   34   14.1   34.6
  氨基酸
  丙氨酸   ％   0.51   0.88   0.58   0.88
  Arganine(精氨酸)   ％   0.18   1.09   0.15   0.75
  天冬氨酸   ％   0.19   1.45   0.34   1.44
  半胱氨酸   ％   0.09   0.27   0.08   0.31
  谷氨酸   ％   0.87   2.16   0.96   2.28
  甘氨酸   ％   0.49   0.95   0.57   1.04
  组氨酸  ％  0.16   0.37   0.28   0.33
  异亮氨酸  ％  0.28   0.63   0.29   0.49
  亮氨酸  ％  0.5   1.05   0.57   0.86
  总赖氨酸  ％  0.51   1.38   0.59   1.26
  蛋氨酸  ％  0.16   0.33   0.17   0.24
  苯丙氨酸  ％  0.27   0.51   0.31   0.46
  脯氨酸  ％  0.4   0.95   0.47   0.92
  丝氨酸  ％  0.09   0.35   0.1   0.32
  苏氨酸  ％  0.29   0.64   0.28   0.54
  色氨酸  ％  0.07   0.34   0.08   0.17
  酪氨酸  ％  0.10   0.52   0.15   0.39
  缬氨酸  ％  0.37   0.76   0.43   0.60
  nd＝未检出
  S∶N比率  0.95   0.73   1.07   0.83
  Na∶N比率  1.52   1.34   1.83   1.54
  氨基酸  ppm  55300   146300   64000   132800
该结果与实施例1的发现一致。
此外，令人惊讶的是存在污泥时纳米过滤依然具有良好的效果，并且不会堵塞过滤器。

Claims (18)

1.一种纯化酶促消化肝素衍生的蛋白水解物(蛋白胨)的方法，其包括将所述蛋白胨在温度为约室温到约130℉，压力为约常压到约360psi下通过纳米过滤器得到蛋白胨浓缩物的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，包括蒸发所述蛋白胨浓缩物到所需水分百分比的后续步骤。
3.如权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
a)酸化所述蛋白胨至pH值为约4到约7，得到包含脂肪和/或絮凝成分的污泥层和水层，
b)将所述污泥层与所述水层分离，
c)在温度为约室温到约130℉，压力为约常压到约360psi下使所述水层通过纳米过滤器，得到蛋白胨浓缩物(1)。
4.如上述权利要求任一项所述的方法，其中所述纳米过滤器具有允许150-300道尔顿截留分子量的孔径。
5.如上述权利要求任一项所述的方法，其中在后续步骤中，从所述纳米过滤步骤中回收渗透物并且使其再次通过纳米过滤器，得到蛋白胨浓缩物(2)。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述纳米过滤器具有允许小于150道尔顿截留分子量的孔径。
7.如上述权利要求任一项所述的方法，其中在蛋白胨浓缩物，例如蛋白胨浓缩物(1)中加入软水，得到的组合物再次通过纳米过滤器，得到蛋白胨浓缩物(4)。
8.如权利要求5或6所述的方法，其中蛋白胨浓缩物，例如蛋白胨浓缩物(1)，与蛋白胨浓缩物(2)结合得到蛋白胨浓缩物(3)，在蛋白胨浓缩物(3)中加入软水并且得到的组合物再次通过纳米过滤器，得到蛋白胨浓缩物(4)。
9.由上述任一项权利要求的方法制得的纯化的酶促消化肝素衍生的蛋白水解物，其含有蛋白胨浓缩物。
10.如权利要求9所述的纯化的蛋白水解物，其另外包含脂肪和/或絮凝成分。
11.纯化的酶促消化肝素衍生的蛋白水解物，包含
1)小于12,000ppm的硫
2)小于21,000ppm的钠
3)大于120,000ppm的氨基酸
4)80％或更少的水分
具有的硫与总氮比率为0.5或更小且钠与总氮比率为1.0或更小。
12.如权利要求11所述的纯化的蛋白水解物，其中所述硫与总氮比率小于0.4。
13.如权利要求11所述的纯化的蛋白水解物，其中所述钠与总氮比率少于0.9。
14.如权利要求11所述的纯化的蛋白水解物，其另外包含脂肪和/或絮凝成分。
15.权利要求9到14任一项所述的纯化的蛋白水解物用作食品或肥料的用途。
16.如权利要求15所述的用途，其作为动物饲料添加剂/补充剂，动物饲料，肥料或者肥料浓缩物。
17.包含权利要求9到14任一项所述的纯化的蛋白水解物的食品。
18.包含权利要求9到14任一项所述的纯化的蛋白水解物的肥料产品。
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