CN1993057A - 溶解蛋白质的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种溶解蛋白质的方法，其包括加入碱(如石灰)，加热产生反应液体，然后分离反应液体中的固体，随后中和该反应液体产生中和液体。该方法然后包括浓缩该中和液体和使水回到反应中。本发明也包括实施所述方法的系统。
Description
发明领域
本发明涉及溶解蛋白质，特别是其中的蛋白质不易溶解的来源中的蛋白质的方法。一些实施方式提供了破坏溶解蛋白质中朊病毒的方法。
发明背景
在过去几十年中，世界人口的不断增长大大提高了食物需求，导致家畜饲养中对蛋白质源需求的增加。人口的增加也使废物量不断增加，而废物可以是产生动物饲料的有价值的来源。
溶解生物来源的蛋白质的方法可用于将废物中的蛋白质转变为有价值的蛋白质源。因此，目前已经开发了许多这种方法。一些方法仅能作用于容易溶解的蛋白质。其它方法经设计能改进蛋白质不易溶解的来源(如鸡羽毛)中蛋白质的溶解。
热化学处理能促进富含蛋白质材料的水解，将复杂聚合物裂解成较小分子，改进其可消化性，并产生用较少的总饲料就能够满足动物维持、生长和生产所需要的产物。
目前，溶解鸡羽毛中蛋白质的一种方法包括蒸汽处理。在此方法中，用蒸汽处理羽毛使羽毛成为食物。该方法仅稍稍提高了羽毛中蛋白质的溶解性和可消化性。
另一现有方法包括用酸处理蛋白质源。该处理能水解氨基酸，但通常条件很苛刻，以致破坏了许多氨基酸。酸性条件也促进形成二硫键，而非破坏该键，破坏该键会促进溶解。
此外，现有系统中的条件可能不适合破坏原始蛋白质源中的朊病毒。
发明概述
本发明包括溶解蛋白质的新方法。该方法通常包括将碱(如石灰)提供给生物来源以产生淤浆。使淤浆中的蛋白质水解产生液体产物。加热该淤浆以促进水解。也可产生固体残留物。可对此残留物进一步实施本发明的方法。
根据一个具体实施方式，本发明包括溶解蛋白质的方法。该方法可包括将碱施加于蛋白质源以形成淤浆；将该淤浆加热到足够高的温度，以水解蛋白质源中的蛋白质，获得反应液体；分离反应液体中的固体；用酸或酸源中和该反应液体，产生中和液体；浓缩该中和液体，产生浓缩的液体和水；在加热步骤之前或期间将水加回淤浆。
根据另一具体实施方式，本发明包括溶解蛋白质的系统。该系统可包括能够使蛋白质源和碱反应产生反应液体的加热的反应器。它也可包括能够分离反应液体中的固体的固/液分离器。该系统也可装有能够将酸加入反应液体产生中和液体的中和槽以及能够浓缩中和液体并产生浓缩的液体和水的浓缩槽。该系统还可包括能够使水由浓缩槽流向加热的反应器的管道，以及能够交换过程热的至少一个热交换器。
本发明一些实施方式的其它优点包括：
可同时加工不稳定蛋白质和难分解(recalcitrant)蛋白质的混合物。
可采用现有的活塞流反应器。
伴随食物或蛋白质补充物生产的废物减少。
当蛋白质溶解时，蛋白质可消化性显著提高。
该方法简单，并且能够回收一些组分和热。
如果朊病毒被破坏则提高了食物安全性。
研磨提高了蛋白质消化的反应速率，可提高产物浓度和减少产物降解。
可清洗掉不反应的组分。
可浓缩和干燥蛋白质产物。
可破坏微生物。
本发明也包括适合实施本发明方法的反应器系统。
为了更好地理解本发明和其优点，可参照以下示范性实施方式和附图的描述。
附图简要说明
以下附图涉及本发明所选定的实施方式。
图1显示了在碱性条件下水解富含蛋白质的材料的分步图解。
图2是显示鸡羽毛和动物毛发水解的图。各点代表三个值的平均值+/-2标准差。
图3是显示动物毛发和鸡羽毛的反应速率对转化的图。
图4是显示虾头和鸡下水的蛋白质水解的转化对时间的图。
图5是显示大豆干草和苜蓿干草的蛋白质水解的转化对时间的图。
图6说明本发明实施方式中没有钙回收的一阶段溶解方法。
图7说明本发明实施方式中没有钙回收的两阶段溶解方法。
图8说明本发明实施方式中包括钙回收的一阶段溶解方法。
图9说明本发明实施方式中包括钙回收的两阶段溶解方法。
图10说明本发明实施方式中的一阶段反应器。
图11说明本发明实施方式中具有逆流的多阶段反应器。
图12说明本发明实施方式中具有并流的多阶段反应器。
图13说明本发明实施方式中具有错流的多阶段反应器。
图14说明本发明实施方式中装有组合混合器和出口螺旋输送器的活塞流反应器。
图15说明本发明实施方式中装有分离式混合器和出口螺旋输送器的活塞流反应器。
图16说明本发明实施方式中装有闭锁式料斗的活塞流反应器。
图17说明蛋白质水解研究所用的实验装置。
图18是说明温度对苜蓿干草蛋白质溶解的影响的图。
图19是说明石灰加载量对苜蓿干草蛋白质溶解的影响的图。
图20是说明苜蓿干草浓度对蛋白质溶解的影响的图。
图21是说明用石灰溶解大豆干草蛋白质的结果重复性检测的图。
图22是说明温度对大豆干草蛋白质溶解的影响的图。
图23是说明石灰加载量对大豆干草蛋白质溶解的影响的图。
图24是说明大豆干草浓度对蛋白质溶解的影响的图。
图25是说明下水研究的重现性的图。以相同的操作条件进行三轮(run)试验。
图26是三种不同下水浓度下转化的比较图。
图27是三种不同石灰加载量下转化的比较图。
图28是两种不同温度下转化的比较图。
图29是说明无额外处理和用6N HCl处理的液体产物的氨基酸含量的图。
图30是原料和干燥的处理固体中存在的氨基酸的比较图。因为从反应器中取出时处理的固体非常湿(含水80％)，一些氨基酸衍生自残留的液体产物。
图31是在75℃、0.075g石灰/g干下水和60g干下水/L淤浆中进行实验30分钟和2小时后液相中存在的氨基酸的比较图。
图32是在75℃、0.075g石灰/g干下水和80g干下水/L淤浆中进行实验30分钟和2小时后液相中存在的氨基酸的比较图。
图33是三种不同的初始下水浓度(g干下水/L淤浆)在75℃和0.075g石灰/g干下水中处理30分钟后离心液相中的氨基酸的比较图。
图34是在75℃、0.075g石灰/g干下水和40g干下水/L淤浆处理不同时间后离心液相中存在的氨基酸的比较图。
图35是用羽毛和下水作为原料产生富含氨基酸的羽毛产物的装置。1是未离心的液体。2是石灰处理后的离心液体。3是石灰处理后的残留固体。4是二氧化碳鼓泡后的离心液体。5是最终产物。
图36是二氧化碳鼓泡沉淀期间钙浓度与pH的函数关系图(高初始pH)。
图37是二氧化碳鼓泡沉淀期间钙浓度与pH的函数关系图(较低的初始pH)。
图38是说明空气干燥毛发浓度对蛋白质溶解的影响的图。
图39是说明石灰加载量对空气干燥毛发的蛋白质溶解的影响的图。
图40是说明长期处理中石灰加载量对空气干燥毛发的蛋白质溶解的影响的图。
图41是实验A1中氨、总凯氏氮(Kjeldhal nitrogen)和估计的蛋白质氮浓度与时间的函数关系图。
图42是实验A2中氨、总凯氏氮和估计的蛋白质氮浓度与时间的函数关系图。
图43是实验A3中氨、总凯氏氮和估计的蛋白质氮浓度与时间的函数关系图。
图44是实验A2中游离氨基酸浓度与时间的函数关系图。
图45是实验A2中总氨基酸浓度与时间的函数关系图。
图46是实验A3中游离氨基酸浓度与时间的函数关系图。
图47是实验A3中总氨基酸浓度与时间的函数关系图。
图48是两步连续毛发水解中蛋白质转化为液相的百分数与时间的函数关系图。
图49显示了两步和一步石灰处理方法的质量平衡。
图50是说明虾头废物蛋白质溶解的重复性的图。
图51是说明温度对虾头废物蛋白质溶解的影响的图。
图52是说明石灰加载量对虾头废物蛋白质溶解的影响的图。
图53说明本发明实施方式中的一阶段溶解方法。
发明详述
本发明涉及通过水解溶解生物来源中蛋白质的方法。本发明也涉及此溶解方法所用的设备和溶解系统。
下面描述的具体实施方式涉及溶解三组不同生物来源的蛋白质。第一组包括难分解或角质蛋白源，如鸡羽毛和动物毛发。第二组包括不稳定或动物组织蛋白质源，如鸡下水和虾头。第三组包括植物蛋白质源，如大豆干草和苜蓿。其它蛋白质源组和上述三组的例子对于本领域技术人员而言是显而易见的。
该方法通常包括在特定温度下将碱，如石灰(Ca(OH)2或氢氧化钙)施加于蛋白质源。获得含有一些固体残留物的液体产物。在下表1所述的具体实施方式中，提供了适合这三组来源的方法条件。
表1.溶解蛋白质的适当处理条件
| 蛋白质源 | 难分解蛋白质 | 不稳定蛋白质 | 植物蛋白质 |
| 温度(℃) | 100 | 75 | 100 |
| 时间(小时) | 4-8(羽毛)16(毛发) | 0.25 | 2.5 |
| 加载石灰(g Ca(OH)2/g材料) | 0.1(羽毛)0.25(毛发) | 0.075 | 0.05-0.075 |
| 浓度(g材料/L淤浆) | 100 | 60-80 | 60 |
在本发明的某些实施方式中，用保温良好的搅拌反应器进行不同时间的蛋白质水解(溶解)，以获得富含氨基酸的液体产物。
虽然本发明一些实施方式中采用石灰，但其它碱如氧化镁、氢氧化镁、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾和氨水也可用于本发明。然而，大多数这种碱都不可通过碳酸盐化作用回收。
石灰还具有某些其它碱所不具有的优点，因为它的水溶性很差。由于溶解性低，如果溶液中悬浮着足够石灰，石灰可使水溶液维持相对恒定的pH(～12)。这就确保了在热化学处理期间pH的恒定和相对较弱的水解条件(与氢氧化钠和其它强碱相比)，这可减少敏感氨基酸的降解。
高蛋白材料的热化学处理产生小肽和游离氨基酸的混合物。在处理期间，肽或氨基酸中新产生的羧酸末端在碱性介质中反应产生羧酸根离子，消耗该方法中的石灰或其它碱。
在蛋白质水解期间，发生几种副反应。图1显示了在碱性条件下水解富含蛋白质的材料的分步图解。在氨基酸降解(如天冬酰胺和谷氨酰胺脱酰胺，产生产物天冬氨酸和谷氨酸)期间产生副产物氨。在一些实施方式中，可用酸(如硫酸)捕获和中和该氨，产生铵盐。然后，可将这些盐用作肥料或用于其它目的。
在碱性条件下精氨酸、苏氨酸和丝氨酸也易于降解。精氨酸和苏氨酸的降解敏感性在营养学上很重要，因为这两种氨基酸是必需氨基酸。减少可溶肽和氨基酸与碱性介质的接触时间能减少降解并且提高最终产物的营养质量。采用低温(～100℃)也可减少降解。
当需要长期处理来进行高效溶解(动物毛发和鸡羽毛)时，可逐步处理富含蛋白质的材料。在早期处理期间获得较高质量的初始产物，然后产生较低质量的产物。例如，当初始废物是混合物时，可采用一系列石灰处理获得具有不同特征的产物。例如，在下水+羽毛混合物中，初始处理可采用低温和短时间以达到水解鸡下水的目的，而第二石灰处理(较长时间和较高温度)可消化羽毛。
表2小结了合适条件和不同处理变量(温度、浓度、石灰加载量和时间)对不同材料的蛋白质水解的影响。
| 表2.热化学处理所研究材料的合适条件 | ||
| 材料 | 注释 | 推荐条件 |
| 苜蓿干草(15.8％蛋白质)大豆干草(19％蛋白质)虾头废物下水(15％蛋白质)下水+羽毛羽毛(96％蛋白质)毛发(92％蛋白质) | 水解随温度和苜蓿干草浓度(高达60g/L)增加。石灰加载量的影响很小，但需要它将蛋白质转化成小肽和游离氨基酸。适合反刍动物。水解随石灰加载量和温度(高达100℃)增加，推荐100℃，因为需要较低能量。大豆干草浓度没有明显影响。无石灰实验中水解转化率显著较低。适合反刍动物。30分钟后反应完成。温度没有显著影响。水解随石灰加载量(高达0.05gCa(OH)2/g干虾)而增加。适合单胃动物。30分钟后转化没有显著改变。下水浓度没有显著影响。水解随石灰加载量(高达0.1g Ca(OH)2/g干下水)而增加。适合单胃动物。研究了两步方法：步骤1的目的是水解下水，产生高质量的氨基酸混合物。步骤2的目的是水解羽毛，产生反刍动物饲料。比毛发水解得快，6小时后70％转化。适合反刍动物。需要长期处理进行高蛋白质水解。推荐用两步方法以减少氨基酸降解。适合反刍动物。 | 0.075g Ca(OH)2/g苜蓿，100℃，60分钟，60g/L0.05g Ca(OH)2/g大豆，100℃，150分钟0.05g Ca(OH)2/g虾头，至少75℃，至少15分钟0.075g Ca(OH)2/g干下水，75℃，至少15分钟步骤1：0.075g Ca(OH)2/g干下水，50-100℃，30分钟步骤2：～0.05g Ca(OH)]2/g羽毛，100℃，2-4小时0.1g Ca(OH)2/g羽毛，100℃，4-8小时步骤1：0.25g Ca(OH)2/g毛发，100℃，8小时。步骤2：～0.05g Ca(OH)2/g毛发，100℃，8小时 |
本发明方法中采用氢氧化钙作为碱性材料产生了钙浓度相对较高的液体产物(在一些实施方式中也称为“离心溶液”)。由于一些钙盐具有低溶解性，可通过将其作为CaCO3、Ca(HCO3)2或CaSO4沉淀来回收钙。可优选碳酸钙，因为它的溶解性低(0.0093g/L，CaCO3的溶度积为8.7×10-9)。相反，CaSO4的溶解度是1.06g/L，溶度积为6.1×10-5，Ca(HCO3)2的溶解度是166g/L，溶度积为1.08。同时，由CaCO3再生Ca(OH)2比CaSO4更容易。
通过将CO2鼓入反应液体产物使碳酸钙沉淀能回收50-70％的钙。可推荐在回收钙之前反应液体产物的高pH(＞10)，以便在该过程中形成碳酸钙而非碳酸氢钙。在一些实施方式中pH 9可能就足够了。回收后的最终pH可以是～8.8至9.0。
由本发明方法产生的蛋白质可以有许多用途，包括用作动物饲料。原则上，获自难分解蛋白质和植物蛋白质源的可溶性蛋白质不具有良好平衡的氨基酸分布。因此，这些蛋白质最好用作反刍动物饲料。在不稳定蛋白质中，氨基酸分布平衡良好，所以可溶蛋白质也可用作单胃动物的饲料。因此，用本方法溶解的蛋白质的最终用途可能取决于这种蛋白质的最初来源。在动物饲料应用中的额外好处可能是本发明的一些方法产生的蛋白质中没有朊病毒。在许多方法中，石灰处理条件的严苛性足以基本上破坏朊病毒，从而提高用溶解的蛋白质产生的食物的安全性。
此外，在一些实施方式中，本发明可包括一保温步骤，其中将反应液体加热到升高温度持续一段时间以破坏该液体中可能存在的所有或大部分朊病毒。例如，可将该液体加热到125-250℃1秒-5小时。
废物中常见的富含蛋白质的材料可以再分为三类：角质化的(ketatinous)、动物组织和植物材料，各自具有不同特征。
动物毛发和鸡羽毛具有高蛋白质含量(分别为～92％和～96％)，并含有一些污染物如来自屠宰过程的矿物质、血液和脂质。动物毛发和鸡羽毛的主要成分是角蛋白。角蛋白是一种机械耐用的和化学惰性的蛋白质，与其起到的生理作用一致：为其所在组织提供坚硬的纤维状基质。在哺乳动物毛发、蹄、角和毛中，存在的角蛋白是α-角蛋白；在鸟类羽毛中，存在的是β-角蛋白。角蛋白的营养学价值非常低；它含有大量半胱氨酸并且具有非常稳定的结构，使其难以被大部分蛋白水解酶消化。
图2和3显示了本发明的一些热化学处理期间鸡羽毛和动物毛发的行为。图22显示了鸡羽毛的水解速率比动物毛发高，可消化蛋白质的最终转化率较高。此差异可解释为石灰更容易接近β-角蛋白中更伸展的构象，或与鸡羽毛相比动物毛发中存在不同宏观结构(纤维结构、多孔性等)。推荐用0.1g Ca(OH)2/g干物质石灰加载量在100℃处理至少8小时以实现高毛发转化率，但在羽毛的情况下，可在～4小时中实现70％转化。
在两种材料中发现反应速率和转化率之间存在线性相关(图3)，这表明蛋白质的碱水解的一级反应速率。在高转化率时发现水解与降解的假平衡。
消化动物组织的难度比角质材料小。动物组织中的细胞含有细胞核和其它细胞器，悬浮于简单质膜结合的液体基质(胞质)中。质膜很容易破裂，释放出能被酶或化学物质消化的糖原、蛋白质和其它组分。
动物组织(下水和虾头)能在15分钟内良好地水解(图4)，不需要强处理条件；低温、低石灰加载量和短时间即可。动物组织中存在的脂质和其它材料通过副反应(如脂质皂化)更快速地消耗石灰，导致在该方法结束时液体产物的pH更低，并且使液体产物易于发酵。
虾头和鸡下水都是食品工业的动物蛋白副产物。因为它们是动物组织，预计液体产物的氨基酸分布类似于动物需求，但其含量可能不同，因为各批次的材料不同。组氨酸可能是液体产物中的限制性氨基酸。
现有方法的另一种具体应用包括家禽工业中死鸟的处置。例如，约5％的鸡在到达屠宰场之前死亡。然而，典型的鸡舍没有足够的死鸟进行现场加工，因此需要一种方法来储存死鸟直到收集到足够死鸟进行加工。采用本发明方法，可用合适装置(如锤式粉碎机)粉碎死鸟，可加入石灰来提高鸟的pH和防止腐烂。石灰浓度可约为0.1g Ca(OH)2/g干燥的死鸟。当收集石灰处理的鸟并且转移到中央加工装置时，可加热这些鸟以完成蛋白质溶解过程。
最后，植物的复杂细胞壁中含有难以消化的木质纤维基质，使它们比动物组织更难以消化。然而，在本发明的一些方法中，高水溶性组分的存在导致一开始蛋白质转化为液体的转化率高。图5比较了大豆和苜蓿干草的蛋白质水解速率。大豆干草所显示的溶解分数比苜蓿干草更高，而这两种材料的水解速率相似。
用石灰处理这些植物材料产生赖氨酸和苏氨酸含量很低的产物，这会降低该液体产物对于单胃动物的营养价值。
在本发明的一些实施方式中，该方法用于溶解植物中的蛋白质，得到的固体残留物中的纤维也更容易消化，这是因为去除了木质素和乙酰基。用石灰处理植物材料可产生两种产物，一种是富含蛋白质的液体产物(碱水解产生的小肽和氨基酸)，另一种是富含综合纤维素的固体残留物，经处理，可降低综合纤维素的结晶性并且提高其可降解性。因此，本发明一些方法与植物消化方法组合时有意外的协同作用。
图6显示了溶解含蛋白质材料中的蛋白质的方法。该方法不包括石灰回收。在该方法中，将含蛋白质材料和石灰加入反应器。在具体实施方式中，加入生石灰(CaO)，以便使该反应的热产生水合形式，熟石灰(Ca(OH)2)降低了此反应对热的进一步需求。可逆流洗涤未反应的固体，以回收包裹在未反应固体中的溶解蛋白质。从反应器中流出的液体产物含有溶解的蛋白质。蒸发器通过去除几乎所有的水浓缩溶解的蛋白质。优选可剩余足够水，以便仍然可泵送浓缩的蛋白质。
合适的蒸发器包括多效蒸发器或蒸汽压缩蒸发器。可用机械压缩机或喷射器完成蒸汽压缩。因为pH是碱性，蛋白质降解产生的所有氨将挥发并进入回到蒸发器的水中。最终，氨浓度可增加到不可接受的水平。那时，可用清洗蒸汽去除过多氨。可用酸中和清洗出的氨。如果采用羧酸(如乙酸、丙酸或丁酸)，那么可将中和氨饲喂给反刍动物作为非蛋白氮源。如果加入无机酸，中和氨可用作肥料。
可羧化从蒸发器流出的浓缩蛋白质淤浆，以与过量石灰反应。在一些应用中，如果运输距离短，可将此浓缩淤浆直接加入饲料。然而，如果运输距离长及需要耐储存的产物，中和的浓缩淤浆可喷雾干燥，形成干燥产物。此干燥产物含有高钙浓度。因为许多动物需要食物中的钙，溶解蛋白质中的钙可以是提供其钙需求的方便方法。
现在参照图7，说明分为两个阶段的类似方法。此方法适合于含蛋白质材料，其含有适合用于反刍动物和单胃动物饲料的蛋白质的混合物。例如，死鸟具有羽毛(适合于反刍动物)和下水(适合于单胃动物)。该方法的第一阶段采用温和条件以溶解不稳定的蛋白质，然后可将其浓缩、中和和干燥。可将这些蛋白质饲喂给单胃动物。第二阶段采用较严苛的条件以溶解难分解蛋白质，然后可将其浓缩、中和和干燥。可将这些蛋白质饲喂给反刍动物。
图8说明了类似于图6的方法，包括额外的钙回收步骤以产生低钙产物。为了回收钙，用两个步骤进行蒸发。在第一个蒸发器中，现有蒸汽中的蛋白质保持在溶液中。加入二氧化碳以使碳酸钙沉淀。在此步骤中，pH优选约为9。加入过多二氧化碳导致了有利于碳酸氢钙形成的pH降低。因为碳酸氢钙比碳酸钙的溶解性大得多，如果pH降低则钙回收减少。用滤纸回收碳酸钙。可逆流洗涤碳酸钙，以回收可溶性蛋白质。然后，以第二个蒸发器去除大部分剩余的水。可留下足够水，以便泵送流出的淤浆。最后，淤浆可喷雾干燥，形成耐储存产物。
图9显示了图8的两阶段形式，可用于加工含有不稳定和难分解蛋白质的混合物的蛋白质源。第一阶段溶解适合用于单胃动物的不稳定蛋白质，第二阶段溶解适合用于反刍动物的蛋白质。
图10显示了适合用于加工不稳定蛋白质的一阶段连续搅拌釜反应器(single-stage continuous stirred tank reactor，CSTR)。用挤出固体中液体的螺旋式输送器使固体排出反应器。
图11显示多阶段CSTR。显示了四个阶段，近似于活塞流反应器。此反应器类型非常适合用于难分解蛋白质和植物蛋白质源。活塞流行为最大程度减少了随废弃固体排出的反应饲料的量。在此实施方式中，液体流与固体流方向相反。
图12显示了多阶段CSTR，其中液体流与固体流同向。
图13显示了多阶段CSTR，其中液体流与固体流错流。
图14显示了真实的活塞流反应器，非常适合难分解蛋白质和植物蛋白质源。用合适的固体装置(如如图14所示的螺旋式输送器或未显示的V-ram泵)将蛋白质送入反应器。该反应器含有中央轴，它能使搅拌内容物的“指状元件”旋转。静止的“指状元件”贴附于反应器壁以防止反应器内容物空转。水与固体流方向相反地通过。流出反应器顶端的水含有溶解的蛋白质产物。它通过筛流出，以阻隔固体。一些蛋白质源(如鸡羽毛、毛发和植物)的纤维特性使其易于过滤。用挤出固体中液体的螺旋式输送器推出反应器底端未反应的固体。在此实施方式中，挤出的液体流回反应器，而不通过螺旋式输送器侧面的筛。这种安置的目的是使流出的固体成为紧密的塞状物，以使加入反应器底部的水优选向上流动，而非向下流动。因为排出的固体恰好在流出前与进入反应器的水接触，所以不需要逆流洗涤这些固体。
图15显示类似于图14所示反应器的活塞流反应器，除了流出螺旋式输送器未连接于该反应器的中心轴。这就可以独立地控制混合速度和输送器速度。
图16显示类似于图14所示反应器的活塞流反应器，除了固体通过闭锁式料斗而非螺旋式输送器排出。为了防止空气进入反应器，可在循环间将空闭锁式料斗抽成真空。
图53显示了溶解含蛋白质材料中的蛋白质的方法。首先，在任选的研磨步骤中，研磨蛋白质源以增加其表面积。这能提高反应步骤中的反应速率。一旦蛋白质在反应器中溶解，它就开始降解，因此较快的反应步骤能减少降解量。较快的反应速率也可提高反应产物的浓度，使其回收更便宜。如果采用研磨步骤，可用锤式粉碎机、嵌入式匀浆器(in-line homogenizer)或其它合适设备进行该步骤。
下一步，在升高的温度和pH下使蛋白质与碱反应。pH可降低到大约10-13，例如，pH可约为12。任何碱均可用于此反应步骤，但在所选实施方式中，该碱是氧化钙、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾或氨。氧化钙和氢氧化钙的水溶性很差，因此可更容易地回收。它们也使pH缓冲至约12。而且，钙是食物营养，需要从最终蛋白质产物中去除。其它营养性碱也可留在最终蛋白质产物中。用于(例如)不同蛋白质源的通用反应条件可如本文所述。
反应器可以是搅拌釜。可在1个大气压下操作，但也可采用增加的压力，尤其是采用较高温度，以获得较快的反应速率。来自该方法其它部分的蒸汽可用于维持反应器温度，例如将其直接排入反应器中。
在反应期间，一些氨基酸分解为氨。此氨通常进入气相。可用合适的酸(如硫酸)中和该氨，形成铵盐。然后，这些铵盐可用于肥料或其它应用。
下一步，分离流出该反应器蒸汽的固体和液体。可用固/液分离器进行此步骤。回收的固体可含有两种反应固体，如未溶解的蛋白质和惰性固体，如骨和岩石。大多数惰性固体的密度比反应性固体高，该特性可用于帮助分离。此步骤可重复回收反应性固体，提高该方法的总产率。也可藉此去除其存在可降低反应步骤和整个方法的效率的惰性固体。
可用于分离反应性和惰性固体的密度分粒器包括沉降器和水力旋流器。
下一步，可进行任选的保温步骤。此步骤中，可将来自反应步骤含有溶解蛋白质的液体加热到升高的温度维持一定时间，然后冷却。在反应步骤后该液体可能含有完整的朊病毒。这些朊病毒可能危害随后摄入该溶解蛋白质的动物和人的健康。然而，保温步骤中的加热可能足以破坏液体中存在的所有或大部分朊病毒。此保温步骤可能类似于巴氏消毒法。对于不同类型的朊病毒，合适的温度和保温时间可能不同。在大多数情况下，存在足以破坏朊病毒的各种温度和保温时间的组合。在特定实施方式中，可选择保温步骤条件，以获得所需水平的朊病毒破坏，也同时限制氨基酸降解。例如，保温步骤的温度可以是125-250℃。维持时间可以是1秒-5小时。为了选择最合适的保温步骤条件，可以事先鉴定可能存在于蛋白质源中的朊病毒。
保温步骤中可用蒸汽加热。该系统可包括热交换元件，以便用保温步骤中排出的液体的热量帮助加热进入的液体。
然后，可用酸中和该液体，以使pH降低到2-9。用于此步骤的酸几乎可以是任何酸或酸源。在特定实施方式中，酸可以是二氧化碳、磷酸、羧酸(如乙酸、丙酸和丁酸)、乳酸、硫酸、硝酸和盐酸。
二氧化碳可用作酸源，尤其是当碱含有钙时。二氧化碳价格便宜并能在含钙反应液体的中和期间产生碳酸钙或碳酸氢钙(取决于pH)。可用石灰窑将碳酸钙和碳酸氢钙转化回石灰。此石灰可再用于该反应步骤。
因为二氧化碳是气体，所以在中和期间它可能引起液体起泡。为了避免这个问题，可用微孔疏水膜，如Celgard LLC(北卡罗来纳州)生产的膜将二氧化碳转移到液相。
磷酸用于含钙反应液体的另一具体实施方式中，因为所形成的磷酸钙是骨形成中的重要矿物质。因此，将其添加到最终蛋白质产物中是有用的。
在另一实施方式中，有机酸(如羧酸和乳酸)可用于中和含任何碱的液体。有机酸是最终蛋白质产物中的有用添加物，因为它们是动物的能源。
中和后，可进行任选的固/液分离。当酸中和产生不溶性盐，如碳酸钙、碳酸氢钙、硫酸钙或磷酸钙时，此步骤最有用。虽然可能需要使这些材料中的一些存在于最终产物中，这些材料中的另一些则无需存在或可能需要降低它们在最终产物中的浓度。可利用固/液分离器去除中和液体中全部或部分固体。合适的固/液分离器可包括压滤机、转鼓过滤器和水力旋流器。
在一个具体实施方式中，在pH约为9时通过羧化中和含钙的反应液体。可通过固/液分离器基本上去除高度不溶性的碳酸钙形式的钙。去除了大量碳酸钙后，随后的羧化或其它中和可继续进一步降低pH。
中和和任选的固体分离后，可浓缩中和的液体。反应液体一般含有2-6％的溶解蛋白质。此浓度不大可能受保温、中和和固体回收步骤的显著影响。浓缩后，浓缩液体可含有35-65％的溶解蛋白质。
可通过蒸发进行浓缩。例如，可采用多效、机械蒸汽压缩和喷射器蒸汽压缩式蒸发去除中和液体中的水。通常，稀释的蛋白质溶液容易起泡而浓缩溶液不容易起泡。因此，如果在蒸发器的操作中使用至少含有15％溶解蛋白质的液体，能减少起泡。此外，尤其对于更多的稀释液体，可将消泡剂加入液体。植物油是有效的消泡剂，并且为最终蛋白质产物加入了能量组分。
也可采用过滤来浓缩中和的液体。具体说，可用合适的膜，如反渗透或紧密纳米滤膜(tight nanofiltration membrane)通过水渗透来浓缩稀释溶液。为了最大程度降低浓差极化，可采用振荡盘式过滤机(如VESP)实现高渗透速率和高产物浓度。
也可通过冷冻浓缩中和液体。作为冰晶形式的蛋白质是受到极大排阻的，这导致基本纯的冰水和浓缩氨基酸/多肽溶液的分离。可(例如)逆流洗涤冰晶，以去除其表面上的浓缩产物。
也可采用各种不可混溶的胺(如二异丙胺、三甲胺、甲基二乙胺和其它胺)抽提中和液体中的水。
可使浓缩步骤中去除的水回到反应步骤中。通过与来自该方法其它部分的过程蒸汽或其它温热液体的热交换，在其回到反应步骤中之前对其进行加热。如果浓缩步骤的水对于反应步骤而言太热，也可与较冷液体进行热交换，使其在加入反应之前达到合适的温度。
可任选地干燥浓缩液体。可用标准装置(如喷雾干燥器或刮削式转鼓干燥机)进行干燥。刮削式转鼓干燥机可产生容积密度高的最终固体。此外，可回收这些干燥器中的蒸汽，并用于过程热，如加热反应器。
因此，可用装有任选研磨器、反应器、氨收集器、固/液分离器、任选密度分离器、任选保温槽、中和槽、另一任选的固/液分离器、浓缩槽和任选干燥器的系统进行图53的方法。这些组件可互相连接，以将蛋白质源加工成液体浓缩物或干产物。可包括回送环，以按照需要进行进一步加工和/或重复使用。也可包括用于调节温度和重复使用过程热的热交换器。
不难理解，本发明系统和方法的条件、机器和其它组件可互换，以产生不同的蛋白质溶解方法和系统。例如，所述用于一种系统或方法的组件可用于另一种系统或方法以消化具体蛋白质、获得所需的产物组成、帮助重复利用和热回收、并促进不同系统之间的互换性。
实施例
提供以下实施例是为了说明和进一步描述本发明中选择的实施方式。它们不旨在以文字形式代表本发明的整个范围。本领域技术人员明白可对这些实施例进行改变，本发明也包括这些改变。
在这些实施例中，等式和实验数值仅涉及所示实施例中的等式和实验。在不同实施例中没有对等式和实验进行连续或相似地编号。
实施例1：通用方法和设备：
将以下通用方法和等式用于本实施例：
用两种不同方法测定液体产物和原料中不同化合物的浓度：通过HPLC方法测定氨基酸组成(由得克萨斯A&M大学的蛋白质化学实验室进行)；得克萨斯A&M大学的延伸土壤、水和粮食测试实验室(Extension Soil，Water and Forage TestingLaboratory)用标准方法测定了总凯氏氮和矿物质。
用DNS法以3-d消化性测试测定木质纤维材料的可消化性。如果需要，将生物质研磨至合适大小。采用了具有几种筛眼孔径的Thomas-Wiley实验室磨机(位于林业科学研究中心，Forest Science Research Center)。
用NREL法测定物质的木质素、纤维素、半纤维素(综合纤维素)、灰分和水分含量。
需要时采用装配有测定和维持温度的热电偶的水浴和振荡空气浴。也用带状和条状加热器加热。采用冰水浴作为冷却系统。
通常，这些实施例中的实验在1-L压热反应器中进行，该反应器装有温度控制器和变速马达带动的混合器(图17)。用N2给此反应器加压，通过取样口获得样品。采用高混合速率(～1000rpm)使得悬浮固体和液体良好接触。
系统性地改变处理条件(对于几种有机材料)，以研究过程变量——温度、时间、原料浓度(g干物质/L)和氢氧化钙加载量(g Ca(OH)2/g干物质)对蛋白质水解的影响。在不同时间从反应器中取出样品，离心以分离液相与残留固体物质。
采用等式1根据有机材料的初始总凯氏氮(TKN)计算离心样品的转化率：
用两种方法分析液体产物，以获得氨基酸浓度和该反应的转化率。第一种方法用改良的微量凯氏定氮法测定液体样品的总氮含量。通过氮含量(TKN)乘以6.25估计蛋白质粗含量。第二种方法采用HPLC获得样品中存在的各个氨基酸的浓度。在此方法中，用盐酸处理样品(150℃，1.5小时或100℃，24小时)，将蛋白质和多肽转化为氨基酸；此测定称为总氨基酸组成。用不进行初步HCl水解的HPLC测定能确定游离氨基酸组成。
其它测定包括：液体产物的最终pH，45℃蒸发掉水后离心液体中可溶性物质的质量，105℃干燥后残留固体的质量。通过过筛过滤最终混合物而不用水进一步洗涤来进行此最终测定，即测定残留固体的质量。105℃干燥残留固体。干重不仅包括不溶性固体，而且包括保持溶解于残留固体中的可溶性固体。
实施例2：苜蓿干草中的蛋白质溶解
苜蓿干草常常用于反刍动物营养物中。饲料可消化性较高保证了用较少的饲料就能够满足动物需求。处理苜蓿干草产生两种不同产物：存在于液体产物中的可消化性高的可溶性组分和脱木质素化的残留固体。
用市场上最便宜的碱氢氧化钙处理苜蓿干草。在表3中，小结了不同状态下苜蓿的组成。
| 表3.不同状态下苜蓿的组成(McDonald等，1995) | |||||
| 苜蓿(干质量的％) | 可溶性物质 | 粗蛋白质 | 木质素 | 纤维素 | 半纤维素 |
| 新鲜早花中花盛花干草、晒干、早花中花晚花成熟花 | 60544858544842 | 1918.31418171412.9 | 7910891214 | 23262724262629 | 2.92.62.12.72.62.22.2 |
晒干的苜蓿干草获自德克萨斯州布赖恩的Producers Cooperative；然后用Thomas-Wiley实验室磨机(Arthur H.Thomas Company，美国宾夕法尼亚州费城)研磨，使其通过40目筛筛滤。测定水分含量、总凯氏氮(蛋白质部分的估量)和氨基酸含量，以表征原料。
初始苜蓿干草含89.92％的干物质和10.08％的水分(表4)。TKN为2.534％，对应的干苜蓿中蛋白质粗浓度约为15.84％(表5)。其余84.16％对应于纤维、糖、矿物质及其它。初始苜蓿干草的氨基酸组成见表6。原料含有相对均衡的氨基酸含量(表6)，含有低水平的酪氨酸。
| 表4.原始苜蓿干草水分含量 | |||
| 样品 | 固体(g) | 干固体(g) | 干固体(％) |
| 12 | 7.14365.9935 | 6.42485.3884 | 89.9489.90 |
| 平均 | 89.92 | ||
| 表5.原始苜蓿干草中的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 12平均 | 2.54922.51812.5336 | 0.20.20.2 | 2.272.162.215 | 1.838317.8651.8124 | 0.45910.43210.4456 | 650861766342 | 161616 | 909492 | 655.5 | 454243.5 |
| 表6.空气干燥的苜蓿干草的氨基酸组成 | |||
| 氨基酸 | 测定值 | 氨基酸 | 测定值 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALACYSARG | 14.4411.856.131.395.304.955.63ND5.58 | TYRVALMETPHEILELEULYSTRPPRO | 2.945.611.015.594.4010.065.77ND9.35 |
ND：未测定 值表示为g氨基酸/100g总氨基酸
实验1.温度影响
为了测定温度对溶解苜蓿干草中蛋白质的作用，在不同温度下进行实验，保持石灰加载量和苜蓿浓度恒定(分别为0.075g石灰/g苜蓿和60g干苜蓿/L)。表7中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表7.测定温度对苜蓿干草的蛋白质溶解的影响中所用的实验条件和变量 | |||||
| 温度(℃) | 50 | 75 | 90 | 100 | 115 |
| 苜蓿质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中的溶解固体(g)100mL中的蛋白质(g)蛋白质浓度(％) | 56.78504.350.311.139.52.60240.34613.3 | 53.48004.073.211.334.93.5490.39011.0 | 56.78504.394.110.7373.49950.35510.1 | 56.78504.393.19.936.83.62480.3389.3 | 56.78504.31059.85353.15510.32810.4 |
表8显示了不同温度下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干苜蓿的平均TKN(2.53％)为基准，估计蛋白质水解的转化率(表9)。
| 表8.实验1中离心液相中总凯氏氮含量与时间的函数关系(苜蓿干草) | |||||
| 温度 | |||||
| 时间(分钟) | 50℃ | 75℃ | 90℃ | 100℃ | 115℃ |
| 051015304560120150180 | 0.05060.0520---0.06090.06650.06920.0679---0.0554--- | 0.05030.06690.06400.06530.06550.07710.07710.0778---0.0624 | 0.05260.0609---0.06370.06790.07190.0761---0.0568--- | 0.05760.0641---0.07130.08130.09580.1039---0.0540--- | 0.04740.0620---0.07560.08130.09550.0927---0.0525--- |
TKN表示为g氮/100g液体样品
| 表9.实验1中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(苜蓿干草) | |||||
| 温度 | |||||
| 时间(分钟) | 50℃ | 75℃ | 90℃ | 100℃ | 115℃ |
| 051015304560120150180 | 33.534.4---40.344.045.845.0---36.7--- | 33.344.342.443.243.451.051.051.5---41.3 | 34.840.3---42.245.047.650.4---37.6--- | 38.242.5---47.253.963.568.8---35.8--- | 31.441.1---50.153.963.361.4---34.8--- |
蛋白质水解的最终产物是单个氨基酸，它们能与羟基反应、消耗石灰并降低pH。这解释了蛋白质转化率高时产生的pH较低(表7和9)。
所有温度下初始转化率相似可解释为苜蓿中含有高比例的可溶性组分(约50％，见表3)。最终转化率低于其余(方法)可解释为不同取样方法。在内部温度下通过取样口从反应器中获取所有早期样品。对于最终样品，将液体冷却到35℃，在取样前释放氮气压力并过滤固体。改变最终样品的取样方法以测定更多变量。在其它实验中也遵循相同方法。
高度可溶的苜蓿组分存在于溶解的固体中。表7显示在75℃时，液体蒸发后残留的固体中的蛋白质浓度约为11％。虽然，这个浓度实际上低于未经加工的苜蓿中的蛋白质含量，但加工步骤能将蛋白质转变为高度可消化的氨基酸，将这些氨基酸与其它高度可消化的苜蓿组分混合，能提高最终产物的营养价值。
图18表示了在所研究不同温度下，蛋白质水解(转化百分数)与时间的函数关系。在较高温度下转化率增加。100℃的转化率与115℃获得的转化率相似；因此，优选较低温度，因为氨基酸降解的较少、需要的能量较少和工作压力较低。
实验2.石灰加载量影响
为了测定石灰加载量对苜蓿干草的蛋白质溶解的影响，在不同石灰/苜蓿比下进行实验，保持温度和苜蓿浓度恒定(分别为75℃和40g干苜蓿/L)。表10小结了进行研究的实验条件和所测定的变量。
| 表10.测定石灰加载量对苜蓿干草的蛋白质溶解的影响中所用的实验条件和变量 | ||||||
| 石灰加载量(g石灰/g苜蓿) | 0 | 0.05 | 0.075 | 0.1 | 0.2 | 0.4 |
| 苜蓿质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中的溶解固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 37.885007578.15.723.51.34890.286 | 37.88501.97571.21024.11.86450.249 | 37.88502.97578.210.722.82.02010.231 | 37.88503.87558.3---20.31.92890.267 | 37.88507.67580.311.423.71.92150.264 | 37.885015.27581.511.229.52.16510.251 |
表11显示了不同温度下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。
| 表11.实验2中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(苜蓿干草) | ||||||
| 石灰加载量 | ||||||
| 时间(分钟) | 0g/g | 0.05g/g | 0.075g/g | 0.1g/g | 0.2g/g | 0.4g/g |
| 0515304560150 | 0.03600.04010.04570.04570.04850.04850.0457 | 0.03640.03940.04230.04520.04660.05110.0394 | 0.03530.03700.03770.04510.04880.05100.0370 | 0.03700.03920.04270.04410.04620.04780.0427 | 0.03190.03940.04230.04230.04810.04810.0554 | 0.03450.03730.04010.04500.04570.04980.0401 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
以干燥苜蓿干草的平均TKN(2.53％)为基准，估计蛋白质水解转化率，见表12。
| 表12.实验2中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(苜蓿干草) | ||||||
| 石灰加载量 | ||||||
| 时间(分钟) | 0g/g | 0.05g/g | 0.075g/g | 0.1g/g | 0.2g/g | 0.4g/g |
| 0515304560150 | 35.739.845.345.348.148.145.3 | 36.139.141.944.846.250.739.1 | 35.036.737.444.748.450.636.7 | 36.738.942.343.745.847.442.3 | 31.639.141.941.947.747.754.9 | 34.237.039.844.645.349.439.8 |
再一次，所有石灰加载量下的初始转化率相似，因为苜蓿中存在高度可溶性组分(约50％，见表3)。在0.2g石灰/g苜蓿时该实验的最终转化率(150分钟)与其它情况下不同，因为此种情况下增加而其它情况下降低。在0.2g石灰/g苜蓿的情况下，通过取样口取出最终样品，而通过打开反应器并取出样品取出其它加载物的最终样品。
图19表示了所研究的不同石灰加载量下，溶解的蛋白质(转化百分数)与时间的函数关系。所有石灰加载量的转化率相似，即使是没有石灰的实验也是如此。此行为涉及苜蓿干草中高度可溶的组分。
在无石灰实验中，水相中存在可溶性蛋白质；然而，羟基被稀释，因此在固相或固-液界面中没有发生反应。存在较少量的游离氨基酸，因为在这些条件下水解反应可能较慢。最终pH为5.7；pH变为酸性可能是由于生物质释放的酸(如乙酰基)和蛋白质释放的氨基酸。因为没有采用石灰，溶解固体的浓度较低。在表10的所有其它情况下，石灰是溶解固体的一部分。
图19显示出石灰加载量对苜蓿干草的蛋白质溶解没有显著影响。可推荐最小石灰加载量量，以避免蛋白质的酸水解，酸水解对蛋白质的损伤可能大于碱水解。此石灰加载量会导致液体产物中游离氨基酸浓度增加。
实验3.苜蓿浓度影响
为了测定初始苜蓿浓度对苜蓿干草的蛋白质溶解的影响，在不同的苜蓿浓度下进行实验，保持温度和石灰加载量恒定(分别为75℃和0.075g石灰/g苜蓿)，表13中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表13.测定初始苜蓿浓度对蛋白质溶解的影响中所用的实验条件和变量 | ||||
| 苜蓿浓度(g干苜蓿/L) | 20 | 40 | 60 | 80 |
| 苜蓿质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中的溶解固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 18.98501.57578.110.79.71.00720.154 | 37.88502.97578.210.722.82.02010.231 | 53.48004.07573.211.334.93.5490.390 | 75.68505.77582.11153.34.13490.450 |
表14显示了不同苜蓿浓度下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干苜蓿的平均TKN(2.53％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表15。
| 表14.实验3中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(苜蓿干草) | ||||
| 苜蓿浓度 | ||||
| 时间(分钟) | 20g/L | 40g/L | 60g/L | 80g/L |
| 051015304560120150180 | 0.01750.0182---0.02040.02110.02180.0218---0.0247--- | 0.03530.0370---0.03770.04510.04880.0510---0.0370--- | 0.05030.06690.06400.06530.06550.07710.07710.0778---0.0624 | 0.05140.0571---0.07700.07270.09460.0883---0.0720--- |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表15.实验3中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(苜蓿干草) | ||||
| 苜蓿浓度 | ||||
| 时间(分钟) | 20g/L | 40g/L | 60g/L | 80g/L |
| 051015304560120150180 | 34.636.0---40.441.843.143.1---48.9--- | 35.036.7---37.444.748.450.6---36.7--- | 33.344.342.443.243.451.051.051.5---41.3 | 25.628.4---38.336.247.144.0---35.8--- |
在20g苜蓿/L时该实验的最终转化率(150分钟)与其它情况下不同，因为此种情况下增加而其它情况下降低。在20g苜蓿/L的情况下，通过取样口取出最终样品，而通过打开反应器并取出样品取出其它浓度的最终样品。
图20表示了在所研究的不同苜蓿浓度下，蛋白质溶解(转化百分数)与时间的函数关系。随着苜蓿浓度增加，转化率增加，直到达到最大值60-80g/L；此时，由于石灰和苜蓿的质量非常高，苜蓿难以接触液相，从而降低转化率。80g/L的转化率与20g/L获得的转化率相似。同时，40和60g/L的转化率相似。如表13所示，苜蓿浓度较高时溶解的固体较多。
实验4.统计学分析
为了确定苜蓿干草的蛋白质溶解中研究的变量是否存在关联，进行了额外的23析因实验，采用温度、石灰加载量和苜蓿加载量作变量，以60分钟时的TKN溶解(转化)作反应变量。表16中小结了研究的条件，以及各实验获得的转化率。
| 表16.23析因实验设计中研究的实验条件 | ||||
| 条件 | 变量1温度(℃) | 变量2石灰加载量(g石灰/g固体) | 变量3苜蓿浓度(g/L) | Y转化率(％) |
| 12345678 | 75100751007510075100 | 0.0750.0750.10.10.0750.0750.10.1 | 4040404060606060 | 50.653.947.458.651.068.860.467.3 |
采用反应变，用转化值进行Yates算法，获得所研究变量的平均值、变量影响和相互作用。表17中小结了这些信息。为了确定这些测定的可变性，将条件I和5重复三次(表18)。
| 表17.Yates算法结果(Milton和Arnold，1990) | ||||
| 列1 | 列2 | 列3 | Yates结果 | Yates结果注释 |
| 104.49105.98119.87127.653.3711.2017.796.96 | 210.48247.5214.5824.741.497.787.83-10.83 | 458.0039.329.27-3.0037.0410.166.29-18.66 | 57.259.832.32-0.759.262.541.57-4.67 | 平均值E1(变量1的影响)E2(变量2的影响)I12(变量1和2的相互作用)E3(变量3的影响)I13(变量1和3的相互作用)I23(变量2和3的相互作用)I123(变量1、2、3的相互作用) |
| 表18.标准差计算和结果 | ||||
| 条件 | 第一次重复 | 第二次重复 | 第三次重复 | 平均值 |
| 51 | 54.6851.95s2 | 47.6650.568.891 | 51.0455.12sE | 51.1352.551.491 |
在表18中，计算的方差(S2)是两种研究条件的平均方差。然后，用四个值的平均方差估计变量效应的标准差SE(23析因实验中的效应和相互作用是四次计算的平均值)。假定是自由度为四和置信区间为99％，斯氏t值(t-student value)为3.747。然后，将此t值乘以SE(1.491)得到对Yates结果列的非显著影响的上下限(-5.59和5.59)。
由表17可见，呈显著性影响的只有变量1的影响(温度，E1＝9.83＞5.59)和变量3(苜蓿浓度，E3＝9.26＞5.59)。这与实验1和3中的观察结果一致。通过析因设计获得的值，存在非显著性变量相互作用的存在表明温度和苜蓿浓度的作用是可加的，当这两个变量都高时获得最高转化率。此分析不难外推到较高温度和浓度(如实验3所示)，因为在其它条件下可发生不同现象。
石灰加载量对苜蓿干草中蛋白质的溶解没有显著影响(E2＝2.32＜5.59)，此变量不与其它变量相互作用(I12和I23＜5.59)；因此，石灰加载量可能仅仅基于防止蛋白质酸水解为氨基酸，而非蛋白质溶解。转化仅代表液体样品中存在氮(蛋白质)，而不是单个水解氨基酸。
比较原料和残留固体的组成，能提供关于石灰处理对苜蓿中蛋白质溶解的有效性的信息。两种材料的组成见表19。在析因设计的条件5(75℃，0.075g石灰/g苜蓿和60g苜蓿/L)下获得这些结果。
| 表19.原始苜蓿干草和石灰作用后的残留固体中蛋白质和矿物质的比较 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(％) | Zn(％) | Fe(％) | Cu(％) | Mn(％) |
| 干苜蓿残留固体 | 2.53362.2383 | 0.200.18 | 2.211.42 | 1.81243.3554 | 0.44560.4166 | 53423969 | 1671 | 92137 | 5.517 | 43.537 |
表19显示出残留固体的钙浓度大于原始苜蓿。由于加入不完全溶于水的石灰进行处理，此值增加。在石灰处理期间钾和钠的值降低是由于这些盐的高溶解性。残留固体中存在的氮，这与石灰处理前原料中获得的值相似。这表明可溶物中氮的浓度与原料中的浓度相似。
在条件5下溶解的苜蓿分数计算如下：
可溶分数＝1-{32.5g残留固体-[(3.55g溶解固体/100mL液体)×200mL水分]}/53.4g初始苜蓿＝0.524g溶解/g苜蓿。
此计算修正了200mL液体中所含的溶解固体。表20中报道了此值(0.524g溶解/g苜蓿)。
| 表20.条件5下测定的变量 | |||
| 苜蓿质量(g) | 53.4 | 终pH | 11.3 |
| 水体积(mL) | 800 | 残留固体(g) | 32.5 |
| 石灰质量(g) | 4.0 | 100mL中溶解的固体(g) | 3.55 |
| 温度(℃) | 75 | 苜蓿可溶部分 | 0.524 |
实验5.氨基酸分析
用石灰处理苜蓿干草60分钟和24小时，推荐条件如下：100℃，0.075g石灰/g苜蓿和60g苜蓿/L。用三种不同方式进行氨基酸分析：
1)离心的液体产物-游离氨基酸分析。在不对样品进行额外的HCl水解的情况下进行分析。该分析方法不破坏任何氨基酸，但该分析中丢失了可溶性多肽。
2)离心的液体产物-总氨基酸分析。对液体样品进行24小时的HCl水解，以进行该分析。分析程序破坏了一些氨基酸或将其转化为其它氨基酸；该分析能测定可溶性多肽。
3)蒸发掉离心液体中的水后产生的干产物。因为此样品是固体，需要进行HCl水解。酸破坏了一些氨基酸(天冬酰胺、谷胺酰胺和色氨酸)，不可测定这些氨基酸。
表21和22显示了用石灰分别处理苜蓿60分钟和24小时后游离氨基酸和总氨基酸的浓度。表23显示了两种样品的蛋白质和矿物质含量。
| 表21.石灰水解苜蓿60分钟后离心液体产物中游离和总氨基酸含量 | ||||
| 氨基酸 | 非水解游离氨基酸 | 水解的总氨基酸 | ||
| 浓度(mg/L) | 百分数(％) | 含量(mg/L) | 百分数(％) | |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRCYSVALMETPHEILELEULYSTRPPRO总和 | 165.870.0054.30109.1144.870.0044.5018.9737.3477.270.0036.5739.314.689.2022.6227.355.5818.81249.78966.15 | 17.170.005.6211.294.640.004.611.963.878.000.003.794.070.480.952.342.830.581.9525.85100 | 0.000.00334.81155.3578.720.0086.8343.6576.42110.2818.68ND71.030.0047.8239.6264.0631.22ND294.471452.95 | 0.000.0023.0410.695.420.005.983.005.267.591.290.004.890.003.292.734.412.150.0020.27100 |
| 表22.石灰水解苜蓿24小时后离心液体产物中游离和总氨基酸含量 | ||||
| 氨基酸 | 非水解游离氨基酸 | 水解的总氨基酸 | ||
| 浓度(mg/L) | 百分数(％) | 含量(mg/L) | 百分数(％) | |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRCYSVALMETPHEILELEULYSTRPPRO总和 | 76.100.0070.26116.3338.930.0096.019.4837.1975.250.0035.6638.890.0010.4821.9025.950.0017.56273.28943.24 | 8.070.007.4512.334.130.0010.181.003.947.980.003.784.120.001.112.322.750.001.8628.97100.00 | 0.000.00239.79157.1676.640.00141.6537.2874.0693.558.43ND66.170.0048.4539.8460.9026.76ND299.161369.82 | 0.000.0017.5111.475.590.0010.342.725.416.830.620.004.830.003.542.914.451.950.0021.84100.00 |
| 表23.石灰作用苜蓿干草后离心液体中蛋白质和矿物质含量的比较 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 60分钟24小时 | 0.07420.0926 | 0.00620.0082 | 0.1490.155 | 0.23420.2342 | 0.0270.031 | 538518 | 22 | 46 | 00 | 22 |
在所有实验中，离心液体都含有浓度非常高的可用凯氏测定而非氨基酸分析测定的悬浮颗粒物质。这解释了氨基酸测定和用凯氏分析估计的蛋白质浓度之间的差异(1.45与4.64和1.37与5.79g蛋白质/L)。
表21-23的比较显示出，虽然从60分钟-24小时氮浓度不断增加，但总氨基浓度保持相对恒定，因此不需要对苜蓿干草进行长期水解处理。
最后，将产物的氨基酸组成与各种家畜的必需氨基酸作比较。
表24显示了干产物和液体产物的氨基酸组成(游离氨基酸和总氨基酸-表21)。石灰水解60分钟的苜蓿干草的氨基酸组成不能与不同单胃家畜的必需氨基酸需求良好地平衡。组氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的值尤其低；一些其它氨基酸对于大多数动物来说是足够的，但不是所有(苏氨酸、酪氨酸)。苜蓿干草的石灰水解产生非常富含脯氨酸和天冬酰胺的产物，但它们不是家畜食物中的必需氨基酸。
| 表24.产物氨基酸分析和各种家畜的必需氨基酸需求(苜蓿干草) | ||||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 狗 | 猫 | 鸡 | 猪 | 干产物 | 液体(FAA) | 原始苜蓿 |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 1.311.753.752.632.00*2.00*4.38+4.38+2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41*2.41*4.05+4.05+2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67*2.072.93+1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00*2.255.85+3.153.655.255.751.05 | 1.252.500.002.671.92*1.92*3.75+3.75+2.502.503.580.75 | 7.5211.405.320.716.502.534.556.369.006.360.952.785.535.5410.771.49ND12.70 | 17.170.005.6211.294.640.004.611.963.878.004.073.790.480.000.952.342.830.581.9525.85 | 14.4411.856.131.395.304.955.635.585.61ND1.012.945.594.4010.065.77ND9.35 |
*半胱氨酸+甲硫氨酸 +酪氨酸+苯丙氨酸 FAA游离氨基酸
所有值表示为g氨基酸/100g蛋白质
两种液体样品之间的差异(游离与总氨基酸)可解释为总氨基酸测定中一些氨基酸(尤其是色氨酸、天冬酰胺和谷胺酰胺)的酸降解。同时，离心液体中的一些蛋白质可能不被石灰水解，并可以用HPLC分析检测不到的可溶性多肽的形式存在。液体样品和干产物中总氨基酸的差异可用液体样品中存在高浓度悬浮物质(3500rpm离心5分钟)来解释。在总氨基酸测定期间没有测定此悬浮物质，因为HCl水解前的第一个步骤是15000rpm离心。悬浮物质形成干产物的重要部分，这解释了氨基酸组成的结果为何非常不同。
用60分钟、0.075g Ca(OH)2/g苜蓿、100℃和60g干苜蓿/L实现最高的苜蓿蛋白质溶解率(68％)。蛋白质溶解随温度升高而增加；较高初始浓度的苜蓿能将转化率提高到60-80g苜蓿/L的上限。
因为苜蓿组分的高溶解性，在所研究的所有情况下溶解的蛋白质很多并且不发生显著改变(43％-68％)。石灰加载量对所研究的四个变量的影响最小，但需要一些石灰来防止天然存在于苜蓿中的酸破坏氨基酸，并在最终产物中获得较高比例的游离氨基酸。
最后，产物的氨基酸组成与各种单胃家畜的必需氨基酸需求的可比性很差。产物中组氨酸(在分析中被低估)、苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的含量低。尤其富含天冬酰胺和脯氨酸，但动物食物中并不需要这些氨基酸。该蛋白质产物最适合反刍动物。
石灰处理能提高综合纤维素部分的可消化性(Chang等，1998)，为热化学处理后的残留固体提供附加价值。将两种产物用作反刍动物饲料保证了与初始材料相比更有效地被消化。
实施例3：大豆干草中的蛋白质溶解
通常收获大豆是为了产生几种食物产品。在收获过程中产生了大量无用废产物。
此外，一些特殊天气条件(如长旱季，长雨季)阻碍大豆生长。农作物产量低使得收获的大豆被用于产生动物饲料(大豆干草)，而非用于食品工业。
处理大豆干草将产生两种不同产物：高度可消化的可溶性组分和脱木质素的残留固体。饲料可消化性较高保证了用较少的饲料就能够满足动物需求。
晒干的大豆干草(即收割的大豆植物的叶、茎和豆)获自Terrabon Company；然后用Thomas-Wiley实验室磨机(Arthur H.Thomas Company，美国宾西法尼亚州费城)研磨，并使其通过40目筛筛滤。测定水分含量、总氮(蛋白质部分的估量)和氨基酸含量，以表征原料。
在表25中，小结了不同状态的大豆组成。
| 表25.不同状态大豆的组成(McDonald等，1995 | ||||
| 大豆 | 粗纤维(g/kg) | 粗蛋白质(g/kg) | 可消化粗蛋白质(g/kg) | 淀粉和糖 |
| 大豆餐大豆餐，全脂干草，晒干 | 5848366 | 503415156 | ----101 | 12491-- |
大豆干草具有91.31％的干物质和8.69％的水分(表26)。TKN为3.02％，对应的干大豆干草中的蛋白质粗浓度约为19％(表27)。其余81％对应于纤维、糖、矿物质及其它。初始苜蓿干草的氨基酸组成见表28。
| 表26.空气干燥大豆干草中的水分含量 | |||
| 样品 | 固体(g) | 干固体(g) | 干固体(％) |
| 123 | 5.17815.58245.4826 | 4.72975.09675.0048 | 91.3491.3091.29 |
| 平均 | 91.31 | ||
| 表27.空气干燥大豆干草中蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 原始大豆 | 3.0183 | 0.37 | 2.24 | 1.6477 | 0.3606 | 1399 | 34 | 280 | 13 | 53 |
| 表28.空气干燥大豆干草的氨基酸组成 | |||
| 氨基酸 | 测定值 | 氨基酸 | 测定值 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALACYSARG | 16.7915.105.652.554.464.234.82ND7.75 | TYRVALMETPHEILELEULYSTRPPRO | 2.824.850.885.364.279.325.93ND5.21 |
ND：未测定 值表示为g氨基酸/100g总氨基酸
实验1.结果的重复性
为了测定溶解大豆干草中蛋白质的结果的重复性，在相同条件下进行实验：温度、石灰加载量和大豆干草浓度分别为100℃、0.05g石灰/g大豆干草和60g干大豆干草/L。表29中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表29.测定大豆干草的蛋白质溶解结果重复性中所用的实验条件和变量 | ||||
| 实验 | B | E | J | K |
| 大豆质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 55.98502.8938.635.32.57060.770 | 55.98502.893.58.936.82.39270.799 | 55.98502.81058.6372.74490.837 | 55.98502.898.18.935.42.71160.779 |
表30显示了相同条件(温度、石灰加载量和大豆干草浓度)下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干大豆干草的平均TKN(3.02％)为基准，估计蛋白质水解的转化率(表31)。
| 表30.实验1中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(大豆干草) | ||||
| 时间(分钟) | B | E | J | K |
| 0515304560150 | 0.08080.07680.09160.10020.10680.10080.1231 | 0.07410.08370.08760.09390.09770.10090.1277 | 0.07990.08370.09650.10280.10840.12390.1338 | 0.08310.08760.09960.10780.12030.12220.1246 |
TKN表示为g氮/100g液体样品
| 表31.实验1中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(大豆干草) | |||||
| 时间(分钟) | B | E | J | K | 平均值 |
| 0515304560150 | 44.642.450.555.358.955.667.9 | 40.946.248.351.853.955.770.5 | 44.146.253.256.759.868.473.8 | 45.848.355.059.566.467.468.7 | 43.845.851.855.859.861.870.2 |
图21代表在相同实验条件下四轮不同实验中大豆干草的蛋白质水解与时间的函数关系。不同情况间彼此的变化性相对较小；在平均值处方差可能增加，在极值处方差较小。从时间行为来看，150分钟时的值接近最大转化率-因为所有情况的变化率相对较小。
实验2.温度影响
为了测定温度对溶解大豆干草中蛋白质的影响，在不同温度下进行实验，保持石灰加载量和大豆干草浓度恒定(分别是0.05g石灰/g大豆干草和60g干大豆干草/L)。表32中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表32.测定温度对大豆干草的蛋白质溶解的影响中所用的实验条件和变量 | |||
| 温度(℃) | 75 | 100 | 115 |
| 大豆质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 55.98502.875.39.536.22.75930.647 | 55.98502.8938.635.32.57060.770 | 55.98502.8100.2834.62.65680.823 |
表33显示了不同温度下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干大豆干草的平均TKN(3.02％)为基准，估计蛋白质水解的转化率(表34)。
| 表33.实验2中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(大豆干草) | |||
| 温度 | |||
| 时间(分钟) | 75℃ | 100℃* | 115℃ |
| 0515304560150 | 0.08220.08690.08890.09160.09690.09820.1035 | 0.07950.08300.0938O.1012O.1083O.11200.1273 | 0.07810.08560.0930.10080.10940.1140O.1315 |
*四轮实验的平均值. TKN表示为g氮/100g液体样品.
| 表34.实验2中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(大豆干草) | |||
| 温度 | |||
| 时间(分钟) | 75℃ | 100℃* | 115℃ |
| 0515304560150 | 45.447.949.050.553.554.257.1 | 43.845.851.855.859.861.870.2 | 43.147.251.355.660.462.972.6 |
*四轮实验的平均值.
图22代表所研究的不同温度下，蛋白质水解(转化百分数)与时间的函数关系。在较高温度下转化率升高。100℃的转化率与115℃获得的转化率相似；因此，优选较低温度，因为氨基酸降解的较少、需要的能量较少和工作压力较低。
分析表32再次显示，pH随蛋白质溶解量的增加而降低，因为更多的石灰与氨基酸产物反应，并且因为产物的蛋白质百分数随转化率增加而增加。
75℃时的转化率与100和115℃时的转化率在统计学上显著不同。在所有情况下，150分钟时反应速率倾向于降低。
实验3.石灰加载量影响
为了测定石灰加载量对大豆干草的蛋白质溶解的作用，在不同石灰/大豆干草比下进行实验，保持温度和大豆干草浓度恒定(分别为100℃和60g干大豆干草/L)。表35小结了进行研究的实验条件和所测定的变量。
| 表35.测定石灰加载量对大豆干草的蛋白质溶解的影响中所用的实验条件和变量 | |||
| 石灰加载量(g石灰/g大豆) | 0 | 0.05 | 0.1 |
| 苜蓿质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中不溶性固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 55.9850010093.55.936.12.18030.560 | 55.98502.810098.18.935.42.71160.779 | 55.98505.610090.510.834.43.49370.906 |
表36显示了不同石灰加载量下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干大豆干草的平均TKN(3.02％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表37。由于大豆干草中存在可溶性组分，所有石灰加载量的初始转化率都相似。
| 表36.实验3中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(大豆干草) | |||
| 石灰加载量 | |||
| 时间(分钟) | 0(g/g) | 0.05(g/g)* | 0.1(g/g) |
| 0515304560150 | 0.07870.08500.09080.08950.09140.08880.0895 | 0.07950.08300.0938O.10120.1083O.11200.1273 | 0.07610.08110.11470.09650.11280.11780.1448 |
*四轮实验的平均值. TKN表示为g氮/100g液体样品.
| 表37.实验3中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(大豆干草) | |||
| 石灰加载量 | |||
| 时间(分钟) | 0(g/g) | 0.05(g/g)* | 0.1(g/g) |
| 0515304560150 | 43.446.950.149.450.449.049.4 | 43.845.851.855.859.861.870.2 | 42.044.763.353.262.265.079.9 |
*四轮实验的平均值。
图23代表了所研究的不同石灰加载量下，溶解的蛋白质(转化百分数)与时间的函数关系。转化率随石灰加载量增加而提高，在将无石灰实验改为0.05g/g石灰加载量时产生最大影响。在无石灰情况下处理15分钟达到“平衡”，在100℃进一步处理不产生额外的蛋白质溶解。因此，需要最少的石灰加载量来有效溶解大豆干草中的蛋白质。仅在处理150分钟时0.05和0.1g/g石灰加载量之间的差异才有统计学显著性。
在无石灰实验中，最终pH为5.9。pH变为酸性可能是由于生物质释放的酸(如乙酰基)和蛋白质释放的氨基酸。因为没有采用石灰，溶解固体的浓度较低。在表35报道的所有其它情况下，石灰是溶解固体的一部分。
实验4.大豆干草浓度影响
为了测定初始大豆干草浓度对蛋白质溶解的作用，在不同的大豆干草浓度下进行实验，保持温度和石灰加载量恒定(分别为100℃和0.05g石灰/g大豆干草)。表38中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表38.测定初始大豆干草浓度对蛋白质溶解的影响中所用的实验条件和变量 | |||
| 大豆干草浓度(g干大豆干草/L) | 40 | 60 | 80 |
| 苜蓿质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)起始温度(℃)终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 37.88502.97578.210.722.82.02010.231 | 53.48004.07573.211.334.93.5490.390 | 75.68505.77582.11153.34.13490.450 |
表39显示了不同大豆干草浓度下，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干大豆干草的平均TKN(3.02％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表40。
| 表39.实验4中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(大豆干草) | |||
| 大豆干草浓度 | |||
| 时间(分钟) | 40g/L | 60g/L | 80g/L |
| 0515304560150 | 0.05310.05030.05920.06390.06810.07010.1028 | 0.07410.08370.08760.09390.09770.10090.1277 | 0.10650.12150.12640.13990.1514O.14720.1221 |
TKN表示为g氮/100g液体样品.
| 表40.实验4中总TKN到可溶性TKN的转化百分数(大豆干草) | |||
| 大豆干草浓度 | |||
| 时间(分钟) | 40g/L | 60g/L | 80g/L |
| 0515304560150 | 44.041.749.153.056.558.185.2 | 43.845.851.855.859.861.870.2 | 44.150.352.357.962.760.950.5 |
图24代表了在所研究的不同大豆干草浓度下，蛋白质水解(转化百分数)与时问的函数关系。它显示，小于60分钟时蛋白质溶解不随大豆干草浓度改变。150分钟时的值可能有一些取样问题，因为结果与以前的值不可比。从表38可见，最终产物中存在的溶解固体和蛋白质随大豆干草浓度增加而增加。
比较原料和残留固体的组成可给出关于用石灰处理大豆干草对蛋白质溶解的有效性的信息。两种材料的组成见表41。这些结果是在100℃、0.05g石灰/g大豆干草和60g大豆干草/L下获得的。
| 表41.原始大豆干草与石灰作用后残留固体和离心液体中蛋白质和矿物质含量的比较 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 原始大豆残留固体离心液体 | 3.01831.98240.1176 | 0.370.330.0104 | 2.240.780.155 | 1.64773.11710.2114 | 0.36060.18450.0146 | 13991326104 | 34192 | 28015810 | 1390 | 53352 |
*对于150分钟
表41显示了残留固体的钙浓度大于原始大豆干草。由于加入不完全溶于水的石灰进行处理，此值增加。在石灰处理期间其它矿物质的值降低是由于这些盐的高溶解性。残留固体中存在的氮比石灰处理前由原料获得的值小33％。
由于石灰的存在，离心液体含有非常高浓度的钙，这表明最终产物中的钙浓度(离心液体中的水蒸发后)将高于氮含量。最终产物中蛋白质与钙的比例是：
比例＝(0.1176×6.25)/0.2114＝3.48g蛋白质/g Ca。
溶解的大豆干草部分计算如下：
可溶部分＝1-{26.2g残留固体-[(15.6g溶解固体/572mL液体)×200mL水分]}/55.9g初始大豆干草＝0.450g溶解/g大豆干草。
此计算修正了200mL液体中所含的溶解固体。该固体未经洗涤，所以残留的液体包括溶解固体。表42中报道了此值(0.450g溶解/g大豆干草)。
| 表42.用100℃、0.05g石灰/g大豆干草和60g大豆干草/L测定的变量 | |||
| 大豆干草质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃) | 55.98502.8100 | 终pH残留固体(g)572mL中溶解的固体(g)大豆干草中可溶性部分 | 9.736.215.60.45 |
实验5.氨基酸分析
用石灰处理大豆干草150分钟和24小时，推荐条件如下：100℃，0.05g石灰/g大豆干草和60g大豆干草/L。用三种不同方式进行氨基酸分析：
1)离心的液体产物-游离氨基酸分析。在不对样品进行额外的HCl水解的情况下进行分析。该分析方法不破坏任何氨基酸，但该分析中丢失了可溶性多肽。
2)离心的液体产物-总氨基酸分析。对液体样品进行24小时的HCl水解，以进行该分析。分析程序破坏了一些氨基酸或将其转化为其它氨基酸；该分析能测定可溶性多肽。
3)蒸发掉离心液体中的水后产生的干产物。因为此样品是固体，需要进行HCl水解。酸破坏了一些氨基酸(天冬酰胺、谷胺酰胺和色氨酸)，不可测定这些氨基酸。
表43和表44显示了用石灰分别处理大豆干草150分钟和24小时后游离氨基酸和总氨基酸的浓度。表45显示了两种样品的蛋白质和矿物质含量。
| 表43.石灰水解大豆干草150分钟后离心液体产物中游离和总氨基酸含量 | ||||
| 非水解游离氨基酸 | 水解的总氨基酸 | |||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(％) | 氨基酸 | 浓度(mg/L) |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRCYSVALMETPHEILELEULYSTRPPRO总和 | 213.480.0069.4946.469.1214.5161.586.3620.6397.440.0036.4520.710.0025.6310.3513.210.0025.8625.58696.85 | 30.640.009.976.671.312.088.840.912.9613.980.005.232.970.003.681.481.900.003.713.67100 | 0.000.00447.76172.7252.7235.29106.6837.0158.07142.7016.780.0048.200.0055.3834.8954.6237.770.0055.721356.33 | 0.000.0033.0112.733.892.607.872.734.2810.521.240.003.550.004.082.574.032.780.004.11100 |
| 表44.石灰水解大豆干草24小时后离心液体产物中游离和总氨基酸含量 | ||||
| 非水解游离氨基酸 | 水解的总氨基酸 | |||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(％) | 氨基酸 | 浓度(mg/L) |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRCYSVALMETPHEILELEULYSTRPPRO总和 | 98.370.0082.5445.626.440.0097.900.0026.5081.840.0034.2619.190.0021.7210.797.830.0023.2720.88577.16 | 17.040.0014.307.901.120.0016.960.004.5914.180.005.943.330.003.761.871.360.004.033.62100 | 0.000.00336.84196.1352.9325.71150.1333.8569.22122.0920.910.0050.050.0054.2037.7960.6435.500.0067.491313.48 | 0.000.0025.6514.934.031.9611.432.585.279.301.590.003.810.004.132.884.622.700.005.14100 |
| 表45.石灰作用后大豆干草离心液体中蛋白质和矿物质含量的比较 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 150分钟24小时 | 0.11760.1562 | 0.01040.0146 | 0.1550.149 | 0.21140.2716 | 0.01460.0186 | 104104 | 22 | 1016 | 00 | 22 |
在两种情况下，总氨基酸浓度适合家畜(approxomestic)。蛋白质基本上是游离氨基酸浓度的两倍。这证明，50％氨基酸以小肽形式存在。
在所有实验中，离心液体含有浓度非常高的可用凯氏测定而非氨基酸分析测定的悬浮颗粒物质。这解释了氨基酸测定和用凯氏分析估计的蛋白质浓度之间的差异(1.36与7.35和1.31与9.76g蛋白质/L)。
表43-35的比较显示出，虽然从150分钟-24小时氮浓度不断增加，但总氨基浓度保持相对恒定，因此不需要对大豆干草进行长期水解处理。
最后，将蛋白质产物的氨基酸组成与各种家畜的必需氨基酸作比较。
表46显示了大豆干草水解的氨基酸产物不能与不同单胃家畜的必需氨基酸需求良好地平衡。组氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的值尤其低；一些其它氨基酸(酪氨酸，缬氨酸)对于大多数动物来说是足够的，但不是全部。大豆干草的石灰水解产生非常富含天冬酰胺的产物，但它们不是最适合反刍动物的饲料中必需的。
| 表46.产物氨基酸分析和不同家畜的必需氨基酸需求(大豆干草) | ||||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 狗 | 猫 | 鸡 | 猪 | 干产物 | 液体(FAA) | 原料 |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 1.311.753.752.632.00*2.00*4.38+4.38+2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41*2.41*4.05+4.05+2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67*2.072.93+1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00*2.255.85+3.153.655.255.751.05 | 1.252.500.002.671.92*1.92*3.75+3.75+2.502.503.580.75 | 6.689.567.110.0010.691.805.056.197.089.220.872.715.265.159.811.10ND11.70 | 30.640.009.976.671.312.088.840.912.9613.982.975.230.000.003.681.481.900.003.713.67 | 16.7915.107.842.554.464.234.827.754.85ND0.882.825.904.279.325.93ND5.21 |
*半胱氨酸+甲硫氨酸 +酪氨酸+苯丙氨酸 FAA为游离氨基酸
所有值表示为g氨基酸/100g蛋白质
两种液体样品之间的差异(游离与总氨基酸-表43和表45)可解释为总氨基酸测定中一些氨基酸(尤其是色氨酸、天冬酰胺和谷胺酰胺)的酸降解。同时，离心液体中的一些蛋白质可能不被石灰水解，并可以用HPLC分析检测不到的可溶性多肽的形式存在。液体样品和干产物中总氨基酸的差异可用液体样品中存在高浓度悬浮物质(3500rpm离心5分钟)来解释。在总氨基酸测定期间没有测定此悬浮物质，因为HCl水解前的第一个步骤是15000rpm离心。悬浮物质形成干产物的重要部分，这解释了氨基酸组成的结果为何非常不同。
用0.05g Ca(OH)2/g大豆干草、150分钟、100℃和40g干大豆干草/L实现最高的蛋白质溶解率(85％)。本实验所研究变量的影响可小结为：
蛋白质溶解随温度升高而增加；100℃与115℃产生相同结果。推荐温度是100℃，因为需要的能量较少并且不需要压力容器。在小于60分钟时，大豆干草的初始浓度对蛋白质溶解没有显著影响。需要最小石灰加载量(至少0.05g Ca(OH)2/g大豆干草)以有效溶解蛋白质。在所有情况下，蛋白质溶解随时间而增加，在150分钟时获得最大值。在所研究的这四种变量中，大豆干草浓度的显著性影响最小。
水解产物的氨基酸分析和各种单胃家畜所需的必需氨基酸的比较显示，它不是良好平衡的产物。它含有高浓度的非必需氨基酸天冬酰胺。
正如在苜蓿干草的情况中那样，蛋白质产物最适合反刍动物。石灰处理能提高综合纤维素部分的可消化性(Chang等，1998)，为热化学处理后的残留固体提供附加价值。将两种产物用作反刍动物饲料保证了与初始材料相比更有效地被消化。
实施例4：鸡下水的蛋白质溶解
鸡下水获自Texas A&M禽类科学系(Texas A&M Poultry Science Department)。虽然通常，下水可含有骨、头、喙和爪，但在此情况下，仅含内脏器官(如心、肺、肠、肝)。用工业搅拌器搅拌下水10分钟，收集在塑料瓶中，最后冷冻于-4℃待用。用此混合物样品获得水分含量、总氮(蛋白质部分的估量)、灰分(矿物质部分)和氨基酸含量，以表征原料。
等式1根据下水的初始总凯氏氮(TKN)确定离心样品的转化率：
等式2根据下水的初始总凯氏氮(TKN)确定未离心样品的转化率：
等式3用质量平衡估计初始下水氮的TKN损失分数：
原始下水含有33.3％干物质和66.7％水分(见表47)。干下水的蛋白质粗浓度约为45％，灰分含量约为1％；其余54％是纤维和脂肪。
| 表47.原始下水的水含量 | |||
| 坩埚 | 下水(g) | 干物质(g) | ％干重 |
| JA4 | 32.219730.880728.6961 | 10.640210.45489.512 | 33.02433.85533.147 |
| 平均值 | 33.342 | ||
干物质(105℃烘烤).
实验1.过程变量的影响
实验1包括八轮，标记为A-H。用20g干下水/L和0/1g Ca(OH)2/g干下水在100℃进行A、B和C轮测定。这些条件获自研究相同类型的鸡羽毛反应的预实验中的最佳结果(Chang和Holtzapple，1999)。其余轮实验(D-H)在不同的操作条件下进行，如表48所示。
| 表48.实验1中所用实验条件(鸡下水) | |||||||
| 轮次 | 温度(℃) | Ca(OH)2质量(g) | 湿下水质量(g) | 水体积(mL) | Ca(OH)2加载量(g/g干下水) | 干下水浓度(g/L) | 终pH |
| ABCDEFGH | 10010010010010010010075 | 1.701.701.703.405.102.551.703.40 | 51.551.251.5102.3153.3102.5102.4102.4 | 850850850850850850850850 | 0.0990.1000.0990.1000.1000.0750.0500.100 | 20.2020.0820.2040.1360.1340.2140.1740.17 | 9.509.659.509.559.508.909.1010.10 |
表49显示了八轮中，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干下水的平均TKN(7.132％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表50。图25-28 V.4用图表表示了表50中的转化率。
| 表49.实验1中离心液相总凯氏氮含量与时间的函数关系(鸡下水) | ||||||||
| 实验 | ||||||||
| 时间(分钟) | A | B | C | D | E | F | G | H |
| 510152535456090120180 | 0.06980.07210.07210.07210.07210.07210.07210.07210.07210.0765 | 0.05200.05430.05430.05540.05660.05540.06000.06000.05890.0623 | 0.06350.06580.06470.06580.06470.06350.06580.06690.06690.0681 | 0.13320.13540.13660.13880.13880.13880.13990.14450.14330.1433 | 0.21120.21120.21340.21560.21450.21680.21560.21560.21680.2179 | 0.14380.14610.14730.14950.15170.1495------0.1507--- | 0.08620.08510.08510.08740.08740.0874------0.0918--- | 0.11910.11910.12130.11790.11910.1179------0.1202--- |
TKN表示为g氮/100g液体样品
| 表50.实验1中总TKN到可溶性TKN的转化分数(鸡下水-等式1) | ||||||||
| 实验 | ||||||||
| 时间(分钟) | A | B | C | D | E | F | G | H |
| 510152535456090120180 | 0.4670.4820.4820.4820.4820.4820.4820.4820.4820.512 | 0.3500.3650.3650.3730.3810.3730.4040.4040.3960.419 | 0.4250.4400.4330.4400.4330.4250.4400.4470.4470.456 | 0.4660.4730.4780.4850.4850.4850.4890.5050.5010.501 | 0.5110.5110.5160.5220.5190.5250.5220.5220.5250.527 | 0.5020.5100.5140.5220.5290.522------0.526--- | 0.3010.2970.2970.3050.3050.305------0.321--- | 0.4160.4160.4240.4120.4160.412------0.420--- |
图25-28显示了在这些条件下，固相氮转化为液相的转化率不足(45-55％)。这提示，固相中许多蛋白质不与氢氧化物反应或形成的氨基酸沉淀回固相。另一种考虑是原料中存在脂肪，脂肪会消耗氢氧化物，从而减慢了蛋白质水解。
图25-28显示了在头10或15分钟接触时间中发生的反应，然后转化率(浓度)保持恒定。
图25显示出，采用相同实验条件的不同轮检测的结果给出的转化率相当。图26显示出，不同初始浓度的原料的转化率相似。这意味着液相中的氨基酸浓度在起始浓度较高的下水中较高。
图27显示出，低石灰加载量具有低转化率；因此，反应需要最小的加载量。因为用0.075和0.1石灰加载量获得相似结果，所以采用最小的0.075g Ca(OH)2/g干下水。图28显示出，在75℃时，反应与100℃的反应几乎一样快。优选较低温度，因为氨基酸应该降解得少。
实验2.过程的优化
在实验2中，目的是发现转化率较高(更有效)的条件。实验2包括共计八轮测试，标记为I-P。因为反应快并且15分钟后转化率恒定，仅需要一个样品获得该反应的代表性条件。表51显示了实验条件和液体样品中的TKN浓度。
| 表51.实验2的实验条件和结果(鸡下水-每轮两个样品) | |||||||
| 轮次 | 温度(℃) | Ca(OH)2浓度(g/g干下水) | 干下水浓度(g/L) | 终pH | 取样时间 | TKN | TKN |
| IJKLMNOP | 50100100757510010075 | 0.1000.0750.0750.0750.0750.4000.3000.300 | 4040404040404040 | 8.358.458.45--12.0512.012.0 | 1.5小时30分钟2小时30分钟2小时1小时1-2小时1-2小时 | 0.20670.1690.17220.20460.22310.11160.12030.143 | 0.20670.2209(a)0.2296(a)0.234(a)0.2318(a)0.10940.12890.1463 |
(a)非离心液体样品 TKN表示为g氮/100g液体样品.
表52显示出，就轮次I-M而言，采用等式1的转化率范围是63％-84％(即加入固体的每份TKN中的液体TKN)。就轮次J-M而言，采用等式2转化率的范围是83％-87％(即，加入固体的每份TKN中未离心样品的液体TKN)。就轮次J-M而言，等式3显示出，在75℃损失了13％初始下水氮，在100℃损失了15％初始下水氮。损失的氮的流向不明。也许丢失到气相中，也可能粘附在反应器的金属表面上。表51和表52显示出，对于转化率最高的轮次，最终pH低于实验1所有轮次获得的pH和实验2中其它轮次中获得的pH。从实验2中，可推荐温度为75℃，石灰加载量为0.075g Ca(OH)2/g干下水。
| 表52.实验2中总TKN到可溶性TKN的转化分数(鸡下水) | |||
| 轮次 | 转化样品1 | 转化样品2 | TKN损失分数 |
| 1JKLMNOP | 0.781(1)0.634(1)0.646(1)0.768(1)0.838(1)0.436(1)0.452(1)0.536(1) | 0.781(1)0.829(2)0.861(2)0.879(2)0.870(2)0.411(1)0.484(1)0.548(1) | 0.171(3)0.139(3)0.121(3)0.130(3) |
(1)用等式1计算的转化率
(2)用等式2计算的转化率
(3)用等式3计算的氮损失
实验3.最终产物的分析
图29显示出在实验2的条件下(石灰加载量0.075g Ca(OH)2/g干下水、温度75℃、下水浓度40g干下水/L和时间1小时)获得的两种离心液体样品的氨基酸谱。首先，用HPLC分析确定未经进一步处理的原始离心液体样品的氨基酸组成。其次，用6-N HCl处理离心液体样品1小时，这能将蛋白质水解成相应的氨基酸。通过比较两个结果可总结出，石灰能将鸡下水水解为单个氨基酸；这两种情况的结果基本相同。
图30比较了原始下水和石灰处理后残留的固体残留物的氨基酸谱。为了进行该实验，在105℃干燥残留固体24小时，取样用于蛋白质测定。因为此固体残留物的水含量约为80％，所以测定的蛋白质来自液相和固相。残留固体中的氨基酸含量比原始下水中少得多，因为氨基酸已经溶解于液相中。
采用质量平衡和图V.6所示数据，由原料“提取”的各氨基酸的量为50％-75％。然而，这包括粘附于固体的液体中的蛋白质。如果去除粘附液体中溶解的蛋白质，那么各氨基酸的提取率为粗蛋白的52％-76％，这类似于实验2中获得的结果。
另一重要问题是在反应器操作条件下测定各个氨基酸的降解。为了测定此降解，需要在两个不同时间上获得氨基酸浓度。图31显示出，30分钟时离心液相中存在的氨基酸与2小时时存在的基本相等；这表明在操作条件下氨基酸是稳定的。图32显示，采用不同初始浓度的下水时，氨基酸在30分钟和2小时时的浓度也是相等的。
图33用相同的时间、温度和石灰加载量比较了三种不同初始下水浓度的结果。正如所预料，这些结果显示由于原料的初始浓度较高，离心液相中的氨基酸浓度较高。
图34检测了在反应头10分钟里，氨基酸浓度与时间的函数关系。10分钟后所有氨基酸的浓度稳定下来，30分钟的值也相当。这表明，在接触的头10-30分钟发生反应，和实验1中所得从结论一样。
通过用HPLC和凯氏法进行的实验得出，在两种情况下氮含量相当(见表53)。这些结果表明，氨基酸对总氮含量(即鸡下水的蛋白质含量)起到的主要作用。
| 表53.图V10的实验中利用HPLC和凯氏法所得氮含量(g氮/100g液体样品)的结果比较 | ||||
| 2分钟 | 3分钟 | 5分钟 | 10分钟 | |
| HPLC凯氏法 | 0.0650.11 | 0.0720.11 | 0.2110.18 | 0.2160.17 |
表54比较了各种家畜对必需氨基酸的不同需求，见表55。表56说明各种常见动物饲料的组成，也可与表54相比。
| 表54.两个实验液相中所存在的氨基酸与不同动物的食物需求的比较：(a)75°、0.075g Ca(OH)2/g干下水、60g干下水/L、30分钟；和(b)50℃、0.100g Ca(OH)2/g干下水、40g干下水/L、90分钟 | |||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 狗 | 猫 | 鸡 | 猪 | 溶解的下水(a) | 溶解的下水(b) |
| ASNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 1.311.753.752.632.00*2.00*4.38+4.38+2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41*2.41*4.05+4.05+2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67*2.072.93+1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00*2.255.85+3.153.655.255.751.05 | 1.252.500.002.671.92*1.92*3.75+3.75+2.502.503.580.75 | 2.143.6210.564.542.924.895.748.477.957.530.73.831.685.426.3610.913.272.266.11 | 0.826.368.707.212.235.356.476.665.226.60ND4.234.364.655.199.377.42ND6.98 |
*半胱氨酸+甲硫氨酸 +酪氨酸+苯丙氨酸 ND未检测
值表示为g各氨基酸/100g总氨基酸
| 表55.家畜生长期的营养需求(Pond等，1995) | |||||
| 鲶鱼 | 狗 | 猫 | 童子鸡 | 猪 | |
| 粗蛋白质(％)精氨酸(％)甲硫氨酸(％)半胱氨酸(％)组氨酸(％)异亮氨酸(％)亮氨酸(％)赖氨酸(％)酪氨酸(％)苯丙氨酸(％)苏氨酸(％)色氨酸(％)缬氨酸(％) | 32.01.200.64*0.64*0.420.730.981.431.40**1.40**0.560.140.84 | 22.00.620.53*0.53*0.220.450.720.770.89**0.89**0.580.200.48 | 30.01.250.621.10*0.310.521.251.200.88**0.420.730.250.62 | 20.01.100.450.80*0.280.731.051.151.17**0.630.700.210.83 | 12.00.000.23*0.23*0.150.300.300.430.45**0.45**0.300.090.32 |
注：1)*半胱氨酸+甲硫氨酸 2)**酪氨酸+苯丙氨酸
3)所有值表示为总食物的百分率(g/100g饲料).
| 表56家畜食物中不同饲料组分(Pond等，1995) | ||||||||
| 血粉 | 鱼粉** | 大豆粉 | 麸皮粉 | 玉米粉 | 高粱(milo) | 肉骨粉 | 羽毛粉 | |
| 干物质(％)粗纤维(％)粗蛋白质(％)可消化性(％)*精氨酸(％)半胱氨酸(％)甘氨酸(％)组氨酸(％)异亮氨酸(％)亮氨酸(％)赖氨酸(％)甲硫氨酸(％)苯丙氨酸(％)苏氨酸(％)色氨酸(％)酪氨酸(％)缬氨酸(％) | 91.01.079.962.33.501.403.404.201.0010.306.900.906.103.701.101.806.50 | 92.00.961.256.43.740.58--1.442.854.484.741.752.462.510.651.933.19 | 896.045.841.73.200.672.101.102.503.402.900.602.201.700.601.402.40 | 91.04.042.935.71.400.601.501.002.307.600.801.002.901.400.201.002.20 | 93.012.018.014.81.200.32------1.700.900.350.800.900.301.501.30 | 89.02.011.07.80.360.180.400.270.531.420.270.090.450.270.090.360.53 | 942.450.945.03.050.46--0.961.473.022.890.081.651.600.280.792.14 | 91.04.785.460.25.333.21--0.473.510.421.670.543.593.630.522.355.85 |
注：1)*作为反刍动物的喂食状态的基础(as-fed basis)。2)**有三种鱼粉：凤尾鱼、鲱鱼、青鱼。所示值为鲱鱼的值。3)氨基酸值表示为喂食状态基础的百分率(g氨基酸/100g饲料)。
表格数据表明，在50℃的轮次中，溶解的蛋白质满足、或超过动物在生长期对必需氨基酸需求。另一方面，在75℃(最优转化条件)酪氨酸和赖氨酸的值低于需求。
可用含有15％蛋白质(湿重)或45％蛋白质(干重)的鸡下水，经低于100℃温度下的Ca(OH)2处理，获得富含氨基酸的产物。由于对温度的需求低，可用简单的非加压容器进行上述方法。
在所研究的所有温度、石灰加载量和下水浓度条件下，反应30分钟后转化率没有显著改变。
使蛋白质转化率最大化(高达80％)的最优条件是0.075g Ca(OH)2/g干下水，在75℃加工至少15分钟。初始下水浓度对产物的转化率或氨基酸谱没有显著影响。
然而，推荐采用高下水浓度，以获得高度浓缩的产物，从而降低浓缩最终产物的能量需求。
在100℃以下进行长达2小时的所有实验中都观察到很少有氨基酸降解。因此，在大约100℃的温度下蒸发液体产物应会只发生很少的降解。
50℃时，获得的必需氨基酸谱能够满足或超过许多家畜在生长期的需要。因此，通过用石灰处理鸡下水获得的富含氨基酸的固体产物可用作这些动物的蛋白质补充物。在75℃获得的产物所含的赖氨酸和酪氨酸比所需量少，因此不足够有效。
实施例5：鸡下水和羽毛的蛋白质溶解
屠宰工业丢弃的动物器官是重要的环境问题。禽类工业产生大量废物(下水、羽毛和血液)，集中到屠宰场的量大到足以开发加工这些废物的技术。如果分别收集这些废物，可将它们加工成血粉(烘干的血液用作饲料补充剂)、水解的羽毛粉、禽粉和脂肪。
家禽百分之五的体重是羽毛。因为它们的蛋白质含量高(干重的89.7％，表57)，羽毛是潜在的食物蛋白质源，但必须完全破坏刚性的角蛋白结构(Dalev，1994)。
| 表57.家禽下水和鸡羽毛的组成(Wisman等，1957和Dalev，1994) | |||
| ％总重 | 新鲜下水 | 干物质 | 羽毛(干物质) |
| 水分粗蛋白质醚提取物(脂肪)粗纤维灰分不含氮的提取物钙(Ca)磷(P)钠(Na)钾(K) | 69.517.28.00.13.71.50.50.6NDND | --56.526.20.412.14.81.72.0---- | --89.71.4ND6.3ND0.350.130.40.9 |
家禽下水比鸡羽毛含有更多的组氨酸、异亮氨酸、赖氨酸和甲硫氨酸(表57-59显示了鸡下水和羽毛的特征)。因此，家禽下水和羽毛粉一起使用时能够获得更好的氨基酸平衡(EI Boushy和Van der Poel，1994)。羽毛/下水加工可适应羽毛比下水更难分解或水解这一事实。
| 表58.家禽下水中活微生物的量(Acker等，1959) | |||
| 未洗涤 | 洗涤 | 所用琼脂 | |
| 总需氧菌总厌氧菌形成芽孢的厌氧菌(肉毒杆菌，Clostridiumbotulinum)大肠菌(沙门氏菌(Salmonella))乳酸杆菌酵母棉霉 | 2800009800045002000027000028000＜100 | 9000028000200090009700026000＜100 | 胰酶解酪蛋白大豆椴树巯基醋酸酯椴树巯基醋酸酯(Linden thioglycollate)结晶紫中性红胆盐番茄汁立脱曼牛胆汁立脱曼牛胆汁 |
计数/g湿重.
| 表59.家禽下水的组成Acker等，1959) | |||
| 未洗涤 | 洗涤 | 单位 | |
| 粗蛋白质可消化蛋白质醚提取物粗纤维水分灰分强热失量钙磷核黄素烟酸泛酸钙维生素B6(pyrodoxine)B12维生素A胡萝卜素总维生素A总维生素C维生素E肌醇维生素B1叶酸精氨酸组氨酸异亮氨酸亮氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸苏氨酸色氨酸缬氨酸 | 20.591.28.41.168.54.027.51.41.13.84.82.30.1152.6806.8356.21163.047.93.4218.10.130.116.61.210.58.913.32.75.52.50.92.9 | 17.791.57.61.072.14.323.51.81.33.16.31.10.099.51163.9656.81820.726.97.7131.50.070.047.11.411.010.013.62.85.03.20.73.4 | g/100g湿物质g/100g蛋白质g/100g湿物质g/100g湿物质g/100g湿物质g/100g湿物质g/100g干物质g/100g湿物质g/100g湿物质mg/100g干物质mg/100g干物质mg/100g干物质mg/100g干物质μg/100g干物质USP单位/100g干物质国际单位/100g干物质国际单位/100g干物质mg/100g干物质国际单位/100g干物质mg/100g干物质mg/100g干物质mg/100g干物质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质g/100g蛋白质 |
因为将粪加入动物食物可能对生长造成不良影响(Acker等，1959)，也因为公共卫生考虑，可处理用于饲喂目的的下水，以减少细菌载量(表58)。下水中存在高水平的灰分含量(钙和磷)和维生素(表59)。家禽下水似乎可作为维生素、矿物质和可能成为仍未鉴定的生长因子的重要来源(Acker等，1959)。
处理家禽副产物的一种方式是提炼(rendering)，其包括五个阶段：
·储存原料
·蒸煮和干燥(灭菌)
·浓缩
·脂肪抽提
·粉化处理。
家禽血液、羽毛和下水、孵化废料和死鸟以不同方式到达反应器(蒸煮器)。在蒸煮器中进行水解和灭菌，即将材料加热到确定的温度和压力保持一定时间。然后，在最低的可能温度下干燥该材料，以保持产物的质量。根据环境法令，必须进行蒸汽冷凝。研磨并筛滤干燥后的最终产物。最后，以此方式制备的产物脂肪含量可高于16％；因此，需要脂肪抽提(如油脂通过穿孔活底流入相邻罐)保证较低的脂肪含量(10-12％)。抽提的脂肪可用于加入饲料和其它目的(El Boushy和Van der Poel，1994)。
在蒸煮过程中灭菌。在分离的干燥器中完成干燥。采用两种不同类型的干燥器：盘式干燥器和急骤干燥器。最常用的是急骤干燥器，优点有(例如)占地面积较少、通过油或气体加热和高质量的终产物(El Boushy和Van der Poel，1994)。
可用提炼方法处理不同废料或产生不同产物，如：
·羽毛粉(FM)，仅用鸡羽毛。
·家禽副产物粉或下水粉，来自下水(内脏、头、爪和血液)。
·混合的家禽副产物粉(PBM)，来自家禽下水和鸡羽毛的混合物。
用不同处理条件获得的羽毛粉和家禽副产物粉的组成和营养价值见表60-63。
| 表60.家禽副产物粉的组成 | ||
| ％总重 | 新鲜 | 干物质 |
| 水分粗蛋白质醚提取物粗纤维灰分无氮提取物钙磷 | 6.154.614.90.817.06.68.03.0 | --58.115.90.918.17.08.53.2 |
| 表61.采用不同工业设备的提炼方法的下水粉组成(McNaughton等，1977) | |||
| 设备1 | 设备2 | 设备3 | |
| 粗蛋白质粗脂肪灰分水分粗纤维钙磷 | 53.9925.345.5211.154.001.461.00 | 53.1025.205.9611.014.731.651.08 | 54.0124.706.069.985.251.781.10 |
值是总重的百分数
| 表62.来自不同家禽废料加工的饲料的氨基酸含量(El Boushy和Van der Poel，1994) | ||||
| 氨基酸 | FM(分批) | FM(连续) | PBM(分批) | PBM(连续) |
| ASPTHRSERGLUPROGLYALAVALCYSMETILELEUTYRPHELYSHISARG粗蛋白质 | 5.904.057.5010.109.556.755.355.402.600.504.157.002.354.301.800.606.6584.55 | 5.754.359.2510.358.856.854.755.803.000.404.257.252.404.101.900.556.6086.40 | 5.202.402.709.836.437.874.432.870.631.072.234.201.802.403.701.104.7763.63 | 5.172.332.709.706.507.404.933.030.601.432.304.372.002.533.801.204.7764.76 |
FM 羽毛粉 (分批) 30-60分钟，207-690kPa，～150℃
(连续) 6-15分钟，483-690kPa，～150℃
PBM 家禽副产物粉(血液、羽毛和下水)，
分批或连续，30-40分钟，380kPa，142℃。
| 表63.不同家禽废料的氨基酸含量和可用性(El Boushy和Van der Poel，1994) | ||||
| FM | 可用性 | PBM | 可用性 | |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRVALMETPHEILELEULYSPROCYS | 5.027.966.730.554.473.364.855.442.236.410.793.894.156.191.579.394.26 | 56626459--627877657565777873647165 | 5.468.006.091.086.593.224.355.452.524.811.143.633.255.782.816.132.43 | 67778172--767884777777797978777762 |
羽毛粉约含有85％粗蛋白；它富含半胱氨酸、苏氨酸和精氨酸，但缺少甲硫氨酸、赖氨酸、组氨酸和色氨酸(El Boushy和Roodbeen，1980)。加入合成氨基酸或富含后者氨基酸的其它材料可提高产物的质量。在高压下，鸡羽毛倾向于“胶粘”，产生不能自由流动的粉状物。
下水和羽毛获自得克萨斯A&M禽类科学系。所用下水含有骨、头、喙、爪和内脏器官(如心、肺、肠、肝)。用工业搅拌器搅拌下水10分钟，收集在塑料瓶中，最后冷冻于-4℃待用。用此混合物样品获得水分含量、总氮(蛋白质部分的估量)和氨基酸含量，以表征原料。用水洗涤几次羽毛，室温下空气干燥，105℃干燥，最后用Thomas-Wiley实验室磨机(Arthur H.Thomas Company，美国宾西法尼亚州费城)研磨，并使其通过40目筛筛滤。
在两个压热反应器(12L和1L)中进行实验，反应器装有温度控制器和由变速马达带动的混合器。从采用鸡羽毛和鸡下水的预先实验中建立进行研究的条件。处理条件包括温度、原料浓度(干下水+羽毛/L)、氢氧化钙加载量(g Ca(OH)2/g干下水+羽毛)和时间。在不同时间从反应器中取出样品，然后离心以分离液相与残留的固体物质。
依次进行一组步骤以收集图35所示方法的不同中间产物的数据。
原始下水是33.4％干物质和66.6％水分。干下水的粗蛋白质浓度为-34％(下水TKN 5.40％)，灰分含量为-10％；其余56％是纤维和脂肪。固体原始下水的氨基酸分析(表64)显示出良好地平衡了所有氨基酸。氨基酸分析出的总蛋白质含量是26g蛋白质/100g干下水(表65)。考虑到在HPLC测定所用的酸水解期间一些氨基酸被破坏和凯氏(TKN)值接近蛋白质含量，这两个值相似。
| 表64.干原始下水的氨基酸分析 | ||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRVALMETPHEILELEULYSPRO | 29.56550.55912.4535.82622.55712.40920.94322.75310.01515.1726.89413.45613.10028.25720.26614.409 | 9.90016.9304.1701.9517.5534.1557.0137.6193.3545.0802.3094.5064.3879.4626.7864.825 |
| 表65.干原始下水样品中氨基酸含量的测定 | |
| 变量 | 值 |
| 总氨基酸浓度(mg/L)固体样品中氨基酸的总质量(mg)用于分析的固体样品质量(mg)干样品中氨基酸的百分数 | 298.6323.899226 |
鸡羽毛含有92％干物质和8％水分。干羽毛的粗蛋白质浓度约为95.7％(羽毛TKN15.3％)；其余4.3％是纤维和灰分。
实验1.全下水水解
实验1比较了完全的下水样品(骨、头、喙、爪和内脏器官)与之前仅用内脏器官进行测定的样品(第V章)的蛋白质溶解。实验I所用条件是75℃，0.10g石灰/g下水和40g干下水/L。表66中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表66.测定含有骨、头、喙、爪和内脏器官的下水样品的蛋白质溶解所用实验条件和变量 | |
| 变量 | 值 |
| 温度(℃)Ca(OH)2质量(g)下水质量(g)水体积(mL)石灰加载量(g Ca(OH)2/g干下水)干下水浓度(g干下水/L)残留固体(g) | 753.5102.18500.10340.0514.2 |
表67显示了此试验中离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干下水平均TKN(5.40％)计，估计蛋白质水解的转化率，见表68。
| 表67.原始下水和石灰水解后产物的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| 条件 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 干下水液体30分钟液体90分钟(*)液体90分钟干残留固体 | 5.39950.11890.19250.11452.5867 | 0.62690.00410.01870.00410.5606 | 0.91810.03110.03210.03110.1005 | 0.38450.05390.20.04874.1793 | 0.06220.0010.00310.0010.1078 | 3150104104104560 | 5902097 | 4931193187 | 4602058 | 1000015 |
(*)未离心样品.
| 表68.总TKN至可溶性TKN的转化百分数 | |
| 样品 | 转化率 |
| 离心液体30分钟非离心液体90分钟离心液体90分钟 | 59.496.257.2 |
在所研究的条件下，固相氮转化为液相的有效性为60％。此值低于在之前实施例中以相同条件获得的值，但可解释为存在之前不存在的骨、头、喙和爪。这些部分含有较高百分数的灰分、矿物质和不溶性组分，它们降低了水解过程的效率。在30分钟和90分钟之间蛋白质水解不改变(表68)，与以前的结果类似；推荐用30分钟，以避免可能发生的热敏感氨基酸降解。在水解期间没有丢失大量氮(在未离心样品中是96.2％)。
固体中的蛋白质显著降低(约50％)，从原始下水中的33.7％下降到石灰处理后残留固体中的16.2％(与氨基酸分析获得的值13.3％相似，表69)。由于原始下水中存在氨基酸和其它可溶组分的溶解，干固体重量也减少58％。此残留固体是稳定的，没有强烈气味，它具有良好平衡的氨基酸含量(表70)，能满足或超过动物在生长期的必需氨基酸需求。
| 表69.石灰处理后残留固体的氨基酸含量的测定 | |
| 变量 | 值 |
| 总氨基酸浓度(mg/L)固体样品中氨基酸的总质量(mg)用于分析的固体样品质量(mg)干样品中氨基酸的百分数 | 180.5013.5410213.27 |
| 表70.石灰处理后残留固体的氨基酸分析 | ||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRVALMETPHEILELEULYSPRO | 19.28925.7768.5124.3149.1788.31410.39212.7717.80510.5464.96710.3769.54520.7629.8588.096 | 10.68614.2804.7162.3905.0854.6065.7577.0754.3245.8432.7525.7495.28811.5025.4624.485 |
用石灰处理鸡下水能将存在的蛋白质水解成可溶于水的小肽和游离氨基酸。因此，60％TKN由固相转化为液相代表了液相中回收蛋白质的效率。表71显示了此离心液体的氨基酸平衡。
| 表71.离心液体样品的氨基酸分析(30分钟) | ||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) |
| ASPGLUASNSERGLNHISGLYTHRCITB-ALAALATAUARGTYRCYS-CYSVALMETTRPPHEILELEULYSPRO | 69.983129.4483.93798.37826.34625.37969.55173.03354.3094.170147.275200.813162.46593.992102.60180.38551.04936.91086.25674.689179.141136.39976.073 | 3.5306.5290.1994.9621.3291.2803.5083.6842.7390.2107.42810.1298.1954.7415.1754.0552.5751.8624.3513.7679.0366.8803.837 |
总氨基酸浓度为1982.6mg/L.
原始下水、离心液体产物和残留固体中氨基酸含量的比较(表72)表明，离心液体和残留固体中的氨基酸含量与原始下水相当。这提示，所有氨基酸以相似的速率溶解，且在所研究条件下只有很少的特定氨基酸被破坏。
| 表72.在鸡下水的石灰处理期间不同材料的氨基酸含量比较 | |||
| 氨基酸 | 下水 | 残留固体 | 离心液体* |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRVALMETPHEILELEULYSPRO | 9.9016.934.171.957.554.167.017.623.355.082.314.514.399.466.794.83 | 10.6914.284.722.395.084.615.767.084.325.842.755.755.2911.505.464.49 | 4.508.336.331.634.484.709.4810.466.055.173.295.554.8111.538.784.90 |
*仅考虑固体分析中存在的氨基酸。
在中等温度和时间的条件下用石灰处理鸡下水能减少液相中存在的微生物量。必须快速蒸发液体，因为液体介质含有细菌生长所需的所有营养。
样品的氨基酸分析(表73)再一次显示出产物平衡得非常良好，能满足或超过动物在生长期的必需氨基酸需求。获得的组氨酸值稍低。
| 表73.原料和产物的氨基酸分析，与各种家畜的必需氨基酸需要作比较(全部下水) | ||||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 犬 | 猫 | 鸡 | 猪 | 离心液体 | 固体下水 | 残留固体 |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRIPPRO | 1.311.753.752.632.00+2.00+4.38*4.38*2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41+2.41+4.05*4.05*2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67+2.072.93*1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00+2.255.85*3.153.655.255.751.05 | 1.252.500.002.671.92+1.92+3.75*3.75*2.502.503.580.75 | 0.201.333.536.534.961.283.513.687.438.194.055.182.574.744.353.779.046.881.863.84 | 9.9016.934.171.957.554.167.017.625.08ND2.313.354.514.399.466.79ND4.83 | 10.6914.284.722.395.084.615.767.085.84ND2.754.325.755.2911.505.46ND4.49 |
*半胱氨酸+甲硫氨酸 +酪氨酸+苯丙氨酸 ND未测定
值表示为g单个氨基酸/100g总氨基酸。
实验2.下水和羽毛加工
鸡羽毛和下水组成不同，它们的主要组分在用石灰水解蛋白质期间的行为不同。角蛋白比下水中的蛋白质更难以水解，这就需要更长时间或更高温度和石灰浓度。屠宰场的残留废料常常含有下水和羽毛的混合物，这就使得处理这种混合物可能获得富含蛋白质的产物。可产生两种产物：一种具有良好平衡的氨基酸含量，可满足各种单胃家畜的氨基酸需要(来自下水)，第二种用于反刍动物(来自羽毛)。
用图35所示方法研究了鸡羽毛/下水混合物的水解。对混合物的初始处理能水解下水中存在的大部分蛋白质，获得液体产物和残留固体。将CO2鼓入液体产物能沉淀CaCO3(可转化回石灰)和降低液相中的钙浓度。最后，蒸发此液体产生第一种固态富含氨基酸的产物。
第1阶段的残留固体回到反应器，用石灰进一步处理较长时间(不同条件)，以促进鸡羽毛蛋白质的水解。按照类似于第1阶段的步骤获得第二种产物。
实验AI、B1和C1采用条件1，而实验A2、B2和C2采用条件2。
表74中小结了实验2中所研究的实验条件和测定的变量。
采用17.5g湿下水/7g湿羽毛的比例，因为这是屠宰场产生的废料的正常值。
| 表74.测定下水/羽毛混合物的蛋白质溶解所用的实验条件和变量 | ||||||
| 变量 | 实验A1 | 实验A2 | 实验B1 | 实验B2 | 实验C1 | 实验C2 |
| 温度(℃)Ca(OH)2质量(g)下水质量(g)羽毛质量(g)水体积(mL)Ca(OH)2(g/d干下水)干物质(g/L)干下水(g/L)总TKN(g)TKN(％) | 503668527460000.07580.0838.0650.9410.60 | 7541.441030000.101136.53 | 7520.734313730000.08680.1338.1225.4810.60 | 7520.7211.820000.098105.79 | 754.891.336.58000.07580.0238.056.7910.60 | 1002.748.78000.05560.81 |
表75显示了此实验中离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。干下水的平均TKN(5.40％)和鸡羽毛的平均TKN(15.3％)得出的混合物初始TKN为10.6％。估计蛋白质水解转化率，见表76和表77。表76考虑了下水转化率(条件1)和羽毛转化率(条件2)，而表77给出了混合物初始TKN的转化率。在所研究的条件下，固相氮转化为液相的最高转化率为60％。
| 表75.实验2中离心液体相的总凯氏氮含量与时间的函数关系(下水/羽毛混合物) | ||||||
| 时间(分钟) | 实验A1 | 实验A2 | 实验B1 | 实验B2 | 实验C1 | 实验C2 |
| 510153060120 | 0.11260.12100.11540.1182------ | 0.1015---0.09730.11260.15140.2188 | ---0.11090.12380.11820.1349--- | 0.1183---0.12620.14310.17230.2299 | ------------0.2300--- | ---------------0.2600 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表76.实验2中总TKN至可溶性TKN的转化百分数，分别针对下水(A1、B1和C1)和羽毛(A2、B2和C2)TKN | ||||||
| 时间(分钟) | 实验A1 | 实验A2 | 实验B1 | 实验B2 | 实验C1 | 实验C2 |
| 510153060120 | 59.263.660.662.1------ | 7.9---7.68.711.817.0 | ---58.264.962.070.8--- | 12.3---13.114.817.923.8 | ------------120.9--- | ---------------26.9 |
| 表77.实验2中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(下水/羽毛混合物) | ||||||
| 时间(分钟) | 实验A1 | 实验A2 | 实验B1 | 实验B2 | 实验CI | 实验C2 |
| 510153060120总计 | 14.315.414.715.0------ | 6.0---5.76.68.912.927.9 | ---14.115.715.017.2--- | 9.3---9.911.213.518.035.2 | ------------29.3--- | ---------------30.760 |
根据表76的数据，将温度从50℃改变到75℃时，对转化率没有显著影响。实验A1和B1的结果显示，与30分钟时相比60分钟时的转化率较高；这是预料结果，因为角蛋白水解得较慢，并且接触石灰时持续反应。同时，比较表68和表76，下水/鸡羽毛混合物与仅有下水时获得的转化率结果相似；因此，混合物中存在的下水的水解速率与单独的下水相同。在实验A1和B1的研究温度下，与下水相比，鸡羽毛的水解相对较慢。在条件1时将温度从75℃改变到100℃(实验C1)能显著提高蛋白质水解。此结果解释为预计鸡羽毛在此条件下的转化率较高，2小时时60％鸡羽毛水解(Chang和Holtzapple，1999)。
实验A2和B2的结果显示，对鸡羽毛与鸡下水的混合物中的鸡羽毛进行初始“预处理”能稍许增加羽毛的水解转化率(17％至23.8％)，可能需要较高温度或较长时间来完全水解鸡羽毛。实验C2的结果显示，100℃的转化率高于75℃。由Chang和Holtzapple的研究可以看出，可采用甚至更高的温度或更长的反应时间来进一步增加蛋白质水解。
表78-80显示了下水/羽毛混合物的石灰处理方法中不同步骤样品中的总氮和矿物质含量。将CO2鼓入液体后钙含量稍有降低(8％)，直到pH约为6。这一降低伴随着相似的氮含量降低(表78)。这些结果显示，在所研究条件下用CO2沉淀钙是效率非常低的方法。
| 表78.实验A1和A2中石灰水解后产物的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) | |
| 含固体(30分钟)液体1(30分钟)鼓泡后含固体(2小时)液体2(2小时)鼓泡后残留固体1残留固体2 | 0.42570.11820.10980.54200.21880.21089.02547.9002 | 0.00930.00830.00410.00310.5710.2974 | 0.04040.03520.01970.01760.31190.1492 | 0.07460.06840.15230.15034.09745.6684 | 0.0010000.07560.1109 | 25920715514532642694 | 0011104104 | 3262210301 | 11113531 | 00001316 |
| 表79.实验B1和B2中石灰水解后产物的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) | |
| 含固体(60分钟)液体1(60分钟)含固体(2小时)液体2(2小时)残留固体1残留固体2 | 0.42570.13490.59260.22998.71638.0355 | 0.01040.00310.313 | 0.03830.01660.0705 | 0.09840.16685.9482 | 0.00100.0839 | 2591352518 | 1177 | 52166 | 1120 | 009 |
| 表80实验C1和C2中石灰水解后产物的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) | |
| 液体1(60分钟)液体2(2小时)残留固体1残留固体2最终产物 | 0.230.2612.799.7711.71 | 000.30.530.12 | 0.040.010.320.090.55 | 0.10.142.924.295.17 | 000.050.090.01 | 2288316178192912 | 21739538 | 1115226921 | 00192411 | 00598 |
表79显示出，第二次石灰处理后，固体中的蛋白质含量由原始混合物的10.6％(TKN)下降到最终残留固体中的7.9％(TKN)，约降低25％。同时，总干重约减少35％(可溶性物质)。此残留固体是稳定的，没有强烈气味，含有相对高浓度的钙(在所有情况下～6％)和动物生长所需的几种氨基酸含量很少；类似于仅有鸡羽毛时获得的残留物。
因为在所有情况下残留固体#1中钙浓度高，所以可将较低量的石灰加入第二次石灰处理，获得相似的蛋白质水解转化率结果。
比较所研究的所有情况下所有矿物质的浓度(表78-80)。在最高温度时离心液体#1和#2中的氮含量增加。液体#1至液体#2的矿物质含量(磷、钾和钠)降低，因为更多盐随着温度和时间溶解。
表81-83显示出在所研究条件下获得的不同液体产物的氨基酸含量。对于实验A2和B2来说，用HCl水解样品24小时，然后进行氨基酸分析以确定鸡羽毛水解的总氨基酸浓度。在实验C2中，没有进行以比较为目的的水解。
| 表81.实验A1和A2的离心液体样品的氨基酸分析 | ||||
| 实验A1 | 实验A2 | |||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) |
| ASPGLUASNSERGLNHISGLYTHRCITB-ALAALATAUARGTYRCYS-CYSVALMETTRPPHEILELEULYSPRO总浓度 | 205.70454.389.92235.140.0050.93170.00149.3453.036.44276.72389.12298.98178.99109.61164.71110.5668.81162.55141.70351.04305.46126.914020.04 | 5.1211.300.255.850.001.274.233.721.320.166.889.687.444.452.734.102.751.714.043.528.737.603.16 | 412.20649.6740.51351.290.000.00365.21131.2799.384.72443.72106.69256.01378.28127.71490.5599.9346.19236.89334.24578.80283.5662.325499.14 | 7.5011.810.746.390.000.006.642.391.810.098.071.944.666.882.328.921.820.844.316.0810.535.161.13 |
| 表82.实验B1和B2的离心液体样品的氨基酸分析 | ||||
| 实验B1 | 实验B2 | |||
| 氨基酸 | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) | 浓度(mg/L) | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) |
| ASPGLUASNSERGLNHISGLYTHRCITB-ALAALATAUARGTYRCYS-CYSVALMETTRPPHEILELEULYSPRO总浓度 | 208.38455.899.39245.3820.5551.98194.49161.3367.519.57300.78391.07329.20204.6974.44171.31118.5041.72161.73138.92363.99345.67199.604266.10 | 4.8810.690.225.750.481.224.563.781.580.227.059.177.724.801.744.022.780.983.793.268.538.104.68 | 606.53788.250.00943.750.000.00956.65166.240.000.00387.080.00546.22274.130.00401.03102.840.00370.28330.31684.05106.63704.177368.15 | 8.2310.700.0012.810.000.0012.982.260.000.005.250.007.413.720.005.441.400.005.034.489.281.459.56 |
| 表83.实验C1和C2的离心液体样品的氨基酸分析 | ||||
| 实验C1 | 实验C2 | |||
| 氨基酸 | 浓度m/L | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) | 浓度m/L | 百分数(g氨基酸/100g蛋白质) |
| ASPGLUASNSERGLNHISGLYTHRCITB-ALAALATAUARGTYRCYS-CYSVALMETTRPPHEILELEULYSPRO总浓度 | 280.42675.7114.89244.520.0080.50249.11227.13238.916.61438.12199.22262.8897.79181.57293.99148.91113.75258.51270.12599.13408.43537.855828.07 | 4.8111.590.264.200.001.384.273.904.100.117.523.424.511.683.125.042.551.954.444.6310.287.019.23 | 73.39148.710.8899.680.000.0091.986.4175.040.00106.9522.5939.3213.7047.7356.1114.410.0048.0054.45107.3625.5424.201056.46 | 6.9514.080.089.440.000.008.710.617.100.0010.122.143.721.304.525.311.360.004.545.1510.162.422.29 |
从表81-83可以看出，实验AI、B1和C1的结果的比较显示，所有情况下氨基酸含量相似；因此，温度对不同氨基酸水解速率的影响相似。温度能增加水解转化率(100℃与75℃，表76和表77)，但不影响鸡羽毛/下水混合物的石灰处理中的氨基酸含量。
通过将实验A1、B1和C1与单独鸡下水的氨基酸含量相比(表71)，在所有情况下获得了相似结果。鸡下水的氨基酸含量和蛋白质水解不受混合物中存在鸡羽毛的影响，在所研究条件下这些羽毛的水解相对较少。在较高温度下脯氨酸的增加可解释为水解了可能需要较高温度才能水解的结缔组织和骨(下水中)。
实验A2、B2和C2结果的比较显示，其氨基酸含量的差异比实验AI、B1和C1大。在所研究不同温度下残留固体#1中残留的不同量的未水解下水可解释这些差异。
表84和表85对各种家畜对必需氨基酸的需要和不同产物进行了比较。
| 表84.原料和产物的氨基酸分析，与各种家畜的必需氨基酸需要作比较(下水/羽毛混合物条件1) | ||||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 犬 | 猫 | 鸡 | 猪 | 实验A1 | 实验B1 | 实验C1 |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 1.311.753.752.632.00+2.00+4.38*4.38*2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41+2.41+4.05*4.05*2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67+2.072.93*1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00+2.255.85*3.153.655.255.751.05 | 1.252.500.002.671.92+1.92+3.75*3.75*2.502.503.580.75 | 0.250.005.1211.305.851.274.233.726.887.444.102.732.754.454.043.528.737.601.713.16 | 0.220.484.8810.695.751.224.563.787.057.724.021.742.784.803.793.268.538.100.984.68 | 0.260.004.8111.594.201.384.273.907.524.515.043.122.551.684.444.6310.287.011.959.23 |
*苯丙氨酸+酪氨酸 +半胱氨酸+甲硫氨酸
所有值表示为g氨基酸/100g蛋白质。
| 表85.原料和产物的氨基酸分析，与各种家畜的必需氨基酸需要作比较(下水/羽毛混合物条件2) | ||||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 犬 | 猫 | 鸡 | 猪 | 实验A2 | 实验B2 | 实验C2 |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 1.311.753.752.632.00+2.00+4.38*4.38*2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41+2.41+4.05*4.05*2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67+2.072.93*1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00+2.255.85*3.153.655.255.751.05 | 1.252.500.002.671.92+1.92+3.75*3.75*2.502.503.580.75 | 0.740.007.5011.816.390.006.642.398.074.668.922.321.826.884.316.0810.535.160.841.13 | 0.000.008.2310.7012.810.0012.982.265.257.415.440.001.403.725.034.489.281.450.009.56 | 0.080.006.9514.089.440.008.710.6110.123.725.314.521.361.304.545.1510.162.420.002.29 |
*苯丙氨酸+酪氨酸 +半胱氨酸+甲硫氨酸
所有值表示为g氨基酸/100g蛋白质。
对于鸡羽毛/下水混合物第一次水解后获得的液体产物，图表结果表明，溶解的蛋白质能满足或超过动物在生长期的必需氨基酸需要。组氨酸是此产物中的限制氨基酸。
另一方面，第二次水解(羽毛)后的产物中，苏氨酸、半胱氨酸+甲硫氨酸、色氨酸，尤其是赖氨酸和组氨酸的值低于需求使其成为对单胃动物营养而言不佳的产物。然而，它适合于反刍动物。
实验3.钙的回收和再利用
采用氢氧化钙作为碱性材料能在离心液体溶液中产生相对高的钙浓度。因为一些钙盐具有低溶解性，可通过将钙沉淀为碳酸钙、碳酸氢钙或硫酸钙(石膏)回收。
优选碳酸钙，因为它的溶解性低(0.0093g/L，CaCO3的溶度积为8.7×10-9)。相反，CaSO4的溶解度为1.06g/L，溶度积为6.1×10-5。同时，从碳酸钙再生Ca(OH)2比从硫酸钙再生容易。因为CaSO4是可溶性较高的物质，并且石膏更难以再循环，所以采用CaCO3作为沉淀物是更有效的方法。
当将CO2鼓入离心溶液中时，形成碳酸(H2CO3)。碳酸是弱二元酸，其pKa1＝6.37和pKa2＝10.25。产生H2CO3、HCO3 -和CO3 2-之间的平衡，混合物中各组分的分数是pH的函数。因为Ca(HCO3)2是水溶性的(166g/L水，溶度积1.08)，所以该方法的沉淀效率也是pH的函数。
为了测定和研究通过鼓入CO2进行的钙回收；将鸡羽毛和下水的水解方法中的离心液体产物收集到塑料瓶中，保持在4℃待用。将已知体积的离心液体物质(400mL)放入装有磁力搅拌棒(恒速搅拌)的锥形瓶中，通过加压容器鼓入CO2。随着pH降低，收集液体样品(～10mL)并离心。在澄清液体中测定总氮和钙含量。用初始pH不同的样品研究此参数如何影响沉淀效率。
图36显示出两个不同样品中钙和总氮含量与pH的函数关系：一个样品来自鸡下水的水解(C1)，另一样品来自鸡羽毛的水解(C2)。在两种情况下，TKN浓度保持恒定，说明在钙沉淀期间没有损失氮。
图36还显示，在pH～9时钙浓度降低到最低水平(钙回收率为50-70％)，在更低的pH时钙浓度增加。因为碳酸氢钙的高溶解性以及在低pH(8和更低)下碳酸盐转化为碳酸氢盐和碳酸，所以预计到了钙浓度的增加。图36所示离心液体的初始pH相对高(分别为10.2和11.1)；在两种情况下，碳酸物质之间的平衡是在碳酸盐浓度相对高的区域(PKa2＝10.25)。
另一方面，图37显示了初始pH相对低(～9.2)的样品的钙和总氮含量。因为收集的样品都在碳酸和碳酸氢盐之间的平衡区域，所以没有回收到沉淀的钙(碳酸氢钙可溶)。
实验4.在碱性条件下保存鸡废料
将上述鸡下水和羽毛在本实施例中用作另一组实验的原料。在1-L锥形瓶中，于室温下进行实验(不混合)；为了避免不良气味，将锥形瓶放入通风橱内。改变氢氧化钙加载量(g Ca(OH)2/g干下水+羽毛)，以测定保存此废料混合物所需的石灰。将强烈不良气味(发酵产物)的产生作为研究的结束。
在相同条件下进行重复实验。在不同时间从反应器中取出样品，离心以分离液相与固体物质。测定离心液体样品中的总氮含量和pH。
为了测定保存鸡废料混合物所需的石灰并研究废料的蛋白质溶解，用几种石灰加载量在室温下进行了几项实验(不混合)。表86中小结了进行研究的实验条件和测定的变量。
| 表86.保存鸡羽毛和下水混合物的研究中的实验条件 | ||||||
| 实验G1 | 实验G2 | 实验H1 | 实验H2 | 实验I1 | 实验I2 | |
| 温度(℃)Ca(OH)2质量(g)下水质量(g)羽毛质量(g)水体积(ml)Ca(OH)2(g/g干物质)干物质(g/L)干下水(g/L)总TKN(g)总TKN(％) | 253.391.336.58000.05280.0238.056.7910.60 | 253.391.336.58000.05280.0238.056.7910.60 | 256.691.336.58000.10380.0238.056.7910.60 | 256.691.336.58000.10380.0238.056.7910.60 | 259.991.336.58000.15580.0238.056.7910.60 | 259.991.336.58000.15580.0238.056.7910.60 |
表87显示了pH变化与时间的函数关系，而表88显示了离心液体的总氮含量。
| 表87.鸡下水和羽毛混合物的保存研究中pH与时间的函数关系 | ||||||
| 时间(天) | 实验G1 | 实验G2 | 实验H1 | 实验H2 | 实验I1 | 实验I2 |
| 01247111417 | 9.01--------------------- | 9.12--------------------- | 12.111.5211.1610.8210.659.05------ | 12.1411.5611.2511.0310.8510.1------ | 12.112.1412.0812.0312.0512.0612.0612.04 | 12.1512.1712.1412.0612.0612.0912.112.07 |
| 表88.鸡下水和羽毛混合物的保存研究中总凯氏氮含量与时间的函数关系 | ||||||
| 时间(天) | 实验G1 | 实验G2 | 实验H1 | 实验H2 | 实验I1 | 实验I2 |
| 01247111417 | 0.1438--------------------- | 0.1427--------------------- | 0.10020.12480.13370.13480.13710.1472------ | 0.11030.13140.13370.13370.14160.1427------ | 0.09240.13250.14600.15960.18350.20990.22390.2297 | 0.09910.13810.14720.16300.18240.20200.22510.2297 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
估计了蛋白质的水解转化率，见表89和表90。表89考虑了下水氮含量的转化率，而表90给出了关于混合物初始TKN的转化率。在所研究的条件下，固相氮转化为液相的最高转化率为～30％。
| 表89.下水的液相转化百分数与时间的函数关系(保存实验) | ||||||
| 时间(天) | 实验G1 | 实验G2 | 实验H1 | 实验H2 | 实验I1 | 实验I2 |
| 01247111417 | 75.5692--------------------- | 74.9911--------------------- | 52.656765.584470.261570.839672.048277.3560------ | 57.964469.052870.261570.261574.413174.9911------ | 48.557769.630976.725383.872496.4322110.3058117.6630120.7110 | 52.078672.573877.356085.659195.8541106.1542118.2937120.7110 |
| 表90.总氮的液相转化百分数与时间的函数关系(保存实验) | ||||||
| 时间(天) | 实验G1 | 实验G2 | 实验H1 | 实验H2 | 实验I1 | 实验I2 |
| 01247111417 | 18.3018--------------------- | 18.1618--------------------- | 12.752715.883617.016417.156417.449118.7345------ | 14.038216.723617.016417.016418.021818.1618------ | 11.760016.863618.581820.312723.354526.714528.496329.2345 | 12.612717.576418.734520.745423.214525.709128.649129.2345 |
在表89中，高于100％的值说明长期保存研究中鸡羽毛蛋白质发生溶解。同时实验H与I之间的比较使高蛋白质水解与高pH相关联。水解过程中pH降低(表87)，与产生新的游离氨基酸相关。在产生强烈气味前一天测得接近9的值。
在保存鸡废料混合物期间监测pH是保持稳定的(非发酵)溶液的可行替代方法。根据所获结果，pH值10.5可用作额外添加石灰以防止细菌生长的下限。
石灰是相对不溶于水的碱，正是因为溶解性低，它在固-液混合物中产生轻度碱性条件(pH～12)。与强碱(如氢氧化钠)相比，相对低的pH降低了不良降解反应的可能性。石灰也促进蛋白质的消化和溶解入液相(表90)，而保存鸡废料混合物。
可通过Ca(OH)2在小于100℃温度下的处理，用鸡下水和羽毛获得富含氨基酸的产物。由于温度要求低，上述方法可采用简单的非加压容器。
可用鸡羽毛/下水混合物获得两种富含氨基酸的产物，一种是良好平衡的(下水)，第二种缺少一些氨基酸，但蛋白质和矿物质含量高。
在混合物的第一次石灰处理中-在50-100℃运行-实验中获得的必需氨基酸谱能满足或超过许多家畜在生长期的需要。因此，通过用石灰处理鸡下水获得的富含氨基酸的固体产物可用作这些动物的蛋白质补充剂。
在混合物的第二次石灰处理中-在75-100℃运行-实验中获得的必需氨基酸谱缺少几种氨基酸。因此，通过鸡羽毛/下水混合物的第二次石灰处理获得的富含氨基酸的固体产物可用作反刍动物的氮和矿物质来源。
通过将CO2鼓入离心液体产物来沉淀碳酸钙能够回收50-70％的钙。推荐高初始pH(＞10)，以便在过程中形成碳酸钙而非碳酸氢钙；而最终pH～8.8-9.0能保证回收大量钙，用于再生石灰。因为CaSO4是溶解性较高的物质并且石膏较难再循环，所以采用CaCO3作为沉淀物是更有效的方法。最后，石灰溶液能水解和保存鸡加工废料，包括鸡羽毛中的角质物质。没有腐臭味、蛋白质连续水解到液相中和在保存鸡废料混合物期间可能连续监测，使该方法成为在现场储存期间保持稳定的(非发酵)溶液和保存畜体的可行替代方案。
实施例6：牛毛的蛋白质溶解
根据USDA，美国每人每年消费188磅红肉和禽肉，其中～116磅来自牛肉和猪肉。动物屠宰场产生大量废料，动物毛发占总重的3-7％。需要和期望能更好地利用废料残留物，并将它们转化成有用的产品。
湿牛毛获自Terrabon Company，然后空气干燥。为了表征原料，测定了水分含量、总氮(蛋白质部分的估量)和氨基酸含量。
将空气干燥的毛发用作进行这些实验的原料。其干物质含量、化学组成和氨基酸平衡分别见表91、表92和表93。
| 表91.空气干燥牛毛的干物质含量 | |||
| 样品 | 湿固体(q) | 干固体(g) | 干物质(％) |
| 12 | 4.08833.7447 | 3.83503.5163 | 93.8093.90 |
| 平均值 | 93.85 | ||
| 表92.空气干燥牛毛的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 毛发 | 14.73 | 0.0508 | 0.0197 | 0.1658 | 0.029 | 5244 | 58 | 185 | 50 | 37 |
| 表93.空气干燥牛毛的氨基酸组成 | |||||
| 氨基酸 | 测定值 | 文献值 | 氨基酸 | 测定值 | 文献值 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALACYSARG | 6.6314.478.911.295.527.484.50ND10.98 | 3.012.27.20.710.86.61.013.97.7 | TYRVALMETPHEILELEULYSTRPPRO | 2.446.800.713.094.209.775.53ND7.68 | 3.45.50.63.04.47.72.11.48.5 |
ND：未测定 值表示为g氨基酸/100g总氨基酸。
原料具有平衡相对良好的氨基酸含量，含有低水平的组氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸。灰分含量非常低(～1％)，粗蛋白质含量高(～92.1％)。初始水分含量为6.15％。
实验1.毛发浓度的影响
为了测定初始毛发浓度在蛋白质溶解中的作用，在不同浓度下进行实验，保持温度和石灰加载量恒定(分别为100℃和0.10g石灰/g空气干燥的毛发)。表94中小结了所研究的实验条件和测定的变量。
| 表94.测定牛毛蛋白质溶解中初始毛发浓度的影响所用的实验条件和变量 | ||
| 毛发浓度(g毛发/L) | 40 | 60 |
| 毛发质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)初始温度(℃)最终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 348503.4100101.49.228.81.180.81 | 518505.110087.19.844.91.921.04 |
表95显示出就不同毛发浓度而言离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以空气干燥的毛发的平均TKN(14.73％)为基准，估计蛋白质水解转化率，见表96。
| 表95.实验1中离心液相中的总凯氏氮含量与时间的函数关系(牛毛) | ||
| 空气干燥的毛发浓度 | ||
| 时间(小时) | 40g/L | 60g/L |
| 00.5123468 | 0.01600.01850.04350.07180.07540.08680.10880.1298 | 0.03270.04970.06990.10000.11940.13680.16290.1662 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表96.实验1中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(牛毛) | ||
| 空气干燥的毛发浓度 | ||
| 时间(小时) | 40g/L | 60g/L |
| 00.5123468 | 2.723.147.3812.1912.8014.7318.4722.03 | 3.705.627.9111.3113.5115.4818.4318.81 |
图38表示所研究不同毛发浓度下，蛋白质溶解(转化百分数)与时间的函数关系。据显示，毛发浓度对蛋白质水解(转化率)没有显著影响，需要较高的石灰加载量或较长的处理时间来获得70％左右的转化率，也可用另一种角蛋白物质鸡羽毛获得此转化。
如表94所示，正如所预期，毛发浓度越高，溶解固体越多。两种情况下的最终pH都低于初始值12.0，这表明在水解期间消耗了石灰和在最终混合物中没有以固体形式存在的石灰。
实验2.石灰加载量的影响
为了测定石灰加载量对空气干燥毛发的蛋白质溶解的影响，在不同石灰/毛发比下进行实验，保持温度和毛发浓度恒定(分别为100℃和40g空气干燥毛发/L)。表97小结了进行研究的实验条件和所测定的变量。
| 表97.测定牛毛蛋白质溶解中石灰加载量的影响所用的实验条件和变量 | ||||
| 石灰加载量(g石灰/g毛发) | 0.10 | 0.20 | 0.25 | 0.35 |
| 毛发质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)初始温度(℃)最终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)100mL中的蛋白质(g) | 348503.4100101.49.228.81.180.81 | 348506.8100102.310.317.44(*)2.92(*)1.77 | 348508.510075.611.422.62.962.18 | 3485011.910090.211.222.92.992.40 |
(*)在48小时后测定，而不像另外三种条件在8小时后测定。
表98显示了就不同石灰加载量而言，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以空气干燥毛发的平均TKN(14.73％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表99。
| 表98.实验2中离心液相中的总凯氏氮含量与时间的函数关系(牛毛) | ||||
| 石灰加载量 | ||||
| 实验(分钟) | 0.10g/g | 0.20g/g | 0.25g/g | 0.35g/g |
| 00.5123468 | 0.01600.01850.04350.07180.07540.08680.10880.1298 | 0.0144---0.08450.1425---0.2145---0.2832 | 0.02410.04540.0922O.13500.1549O.19510.26990.3487 | 0.01330.06370.0822O.14380.17920.20230.29990.3837 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表99.实验2中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(牛毛) | ||||
| 石灰加载量 | ||||
| 时间(分钟) | 0.10g/g | 0.20g/g | 0.25g/g | 0.35g/g |
| 00.5123468 | 2.723.147.3812.1912.8014.7318.4722.03 | 2.44---14.3424.19---36.41---48.07 | 4.097.7115.6522.9126.2933.1145.8159.18 | 2.2610.8113.9524.4130.4134.3350.9065.12 |
图39代表在所研究的不同石灰加载量下，溶解的蛋白质(转化百分数)与时间的函数关系。据显示，所有石灰加载量的转化率相似，除了0.1g石灰/g空气干燥毛发。
图38显示较长时间时转化率差异较大，在所研究的任何石灰加载量下8小时后反应不减慢。因此，较长的处理时间可以提高转化率并最大程度减少该方法有效进行所需的石灰加载量。
如表97所示，正如所预料，石灰加载量越高，溶解固体越多(溶液中钙盐较多和转化率较高)。最终pH随石灰加载量增加而提高，并且在所有情况下低于12.0，再一次说明水解期间消耗了石灰和最终OH-浓度(pH)可以与处理效率有关。
图39所示行为可能涉及对羟基作为水解反应的催化剂的需要。石灰的低溶解性在所有处理中保持了“恒定的”石灰浓度(0.2-0.35g石灰/g空气干燥毛发)，但在过程中消耗石灰使得石灰加载量较低时反应减慢或停止增加(level off)得较快。
实验3.较长时间处理的影响
为了阐明长期处理对蛋白质溶解的影响，在两种不同条件下进行实验：分别为100℃，0.2g石灰/g空气干燥毛发和40g空气干燥毛发/L；以及100℃，0.35g石灰/g空气干燥毛发和40g空气干燥毛发/L。表100中小结了所研究的实验条件和测定的变量。
| 表100.测定牛毛蛋白质溶解中较长处理时间的影响所用的实验条件和变量 | ||
| 石灰加载量(g石灰/g空气干燥的毛发) | 0.2 | 0.35 |
| 毛发质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)最终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)48小时时100mL中的蛋白质(g) | 348506.810010.317.442.922.25 | 3485011.910011.9910.744.012.63 |
表101显示了就不同石灰加载量而言，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以空气干燥毛发的平均TKN(14.73％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表102。
| 表101.实验3中离心液相中总凯氏氮含量与时间的函数关系(牛毛) | ||
| 石灰加载量 | ||
| 时间(小时) | 0.20g/g | 0.35g/g |
| 0124812243648 | 0.01440.08450.14250.21450.28320.30890.33190.36170.3597 | 0.0133------0.20880.2832---0.39880.42650.4210 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表102.实验3中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(牛毛) | ||
| 石灰加载量 | ||
| 时间(小时) | 0.20g/g | 0.35g/g |
| 0124812243648 | 2.4414.3424.1936.4148.0752.4356.3361.3961.05 | 2.26------35.4448.07---67.6872.3971.45 |
图40代表所研究两种不同条件下，蛋白质溶解(转化百分数)与时间的函数关系。据显示，处理较长时间的转化率不同，在处理24-36小时时反应达到最高的转化率。在此长期处理研究中，石灰的有效性和转化率之间的关系更加显而易见。
从24小时开始，有非常明显的氨味，表明处理较长时间氨基酸发生降解。减少此问题的一种方式是回收已经水解到液相中的氨基酸，同时分离残留固体用于在后续处理步骤中进行进一步碱水解。
实验4.在空气干燥牛毛的碱水解期间的氨测定(氨基酸降解)
通过氨测定来确定长期处理对蛋白质溶解的影响和可溶性氨基酸的降解。在实验3的两种实验条件下和进行额外实验时测定氨浓度与时间的函数关系，所说的额外实验采用了以100℃、0.2g石灰/g空气干燥毛发和40g空气干燥毛发/L进行5小时的实验的离心液体。表103小结了所研究的实验条件和测定的变量。
| 表103.测定较长处理时间对氨基酸降解的影响所用的实验条件和变量 | |||
| 石灰加载量(g石灰/g空气干燥的毛发) | 0.2(实验A1) | 0.35(实验A2) | 0.35(实验A3) |
| 毛发质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)初始温度(℃)最终pH残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)48小时时100mL中的蛋白质(g) | 348506.8100102.310.317.442.922.25 | 3485011.910098.811.9910.744.012.63 | **8508.510096.612.088.282.501.41 |
**没有采用固体物质，仅采用前述实验的离心液体。
表104-106和图41-43显示了在不同实验条件下，离心液体样品中的总氮含量和游离氨浓度与时间的函数关系。
| 表104.实验A1中离心液相中总凯氏氮含量、氨浓度和估计的蛋白质氮与时间的函数关系(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | [氨](ppm) | TKN(％) | TKN(ppm) | 蛋白质-N(ppm) |
| 0124812243648 | 34334176175236274327316 | 0.01440.08450.14250.21450.28320.30890.33190.36170.3597 | 1448451425214528323089331936173597 | 1108121384206926572853304532903281 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表105.实验A2中离心液相中总凯氏氮含量、氨浓度和估计的蛋白质氮与时间的函数关系(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | [氨](ppm) | TKN(％) | TKN(ppm) | 蛋白质-N(ppm) |
| 048243648 | 085115111141110 | 00.20880.28320.39880.42650.4210 | 020882832398842654210 | 020032717387741244100 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表106.实验A3中离心液相中总凯氏氮含量、氨浓度和估计的蛋白质氮与时间的函数关系(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | [氨](ppm) | TKN(％) | TKN(ppm) | 蛋白质-N(PPM) |
| 01248122448 | 50505160901068687 | 0.23320.24260.24490.24490.23820.23930.23260.2248 | 23322426244924492382239323262248 | 22822376239823892292228722402161 |
在没有进行样品的初始裂解时用凯氏法测定离心液体中的氨浓度。TKN表示为g氮/100g液体样品。
图41和42显示，总蛋白质-N浓度随时间增加，直到在处理24-36小时时达到最大值。游离氨浓度也随时间增加，表明氨基酸的降解。在实验A1和A2中，毛发进一步水解为液体超过了氨基酸降解，使蛋白质-N净增加，直到24-36小时。
在实验A3中，不存在固体毛发，所以除了以前溶解的蛋白质外没有蛋白质来源。在这种情况下，4小时后蛋白质-N减少并持续到48小时，这表明在所研究条件下有几种氨基酸易于降解。
实验4A.氨基酸降解研究
在实验A2和A3中，分析液体样品的氨基酸组成，以确定蛋白质水解物中单个氨基酸的稳定性。
用两种不同的氨基酸分析法鉴定石灰水解的牛毛：
1)离心液体中的游离氨基酸。在样品未经额外HCl水解的情况下进行分析。该分析方法没有破坏氨基酸，但该分析丢失了可溶性多肽。
2)离心液体中的总氨基酸。在HPLC测定之前进行HCl水解。一些氨基酸(天冬酰胺、谷胺酰胺、半胱氨酸和色氨酸)被酸破坏，不能被测定。
表107和表108用TKN值比较了总氨基酸(HCl水解)、游离氨基酸和估计的氨基酸。这些表显示，毛发蛋白质主要水解为小可溶性肽，而非游离氨基酸(比较游离氨基酸与总氨基酸柱)。
| 表107.实验A2的蛋白质浓度比较(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | TKN(％) | 蛋白质(mg/L) | 游离氨基酸(mg/L) | 总氨基酸(mg/L) |
| 48243648 | 0.20880.28320.39880.42650.4210 | 13050.017700.024925.026656.326312.5 | 330.4684.51454.91699.21742.6 | 4783.59300.412208.413680.113989.6 |
| 表108.实验A3的蛋白质浓度比较(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | TKN(％) | 蛋白质(mg/L) | 游离氨基酸(mg/L) | 总氨基酸(mg/L) |
| 01248122448 | 0.23320.24260.24490.24490.23820.23930.23260.2248 | 14575.015162.515306.315306.314887.514956.314537.514050.0 | 413.6816.6989.41154.71393.91571.92266.92236.9 | 7373.09490.611075.412040.410549.19988.48464.88782.3 |
表108也显示在0-4小时之间总氨基酸浓度增加。因为仅用离心液体(无固体毛发)进行此实验(A3)，持续增加的值可以解释为溶液中存在的悬浮多肽颗粒在液体中进一步水解。在固体分离中，用3500rpm分离液体，而在HPLC分析之前采用15000rpm。
表108显示出4小时时估计蛋白质(TKN)和总氨基酸浓度非常一致。此时，氨基酸降解相对很少，液相中“悬浮物质”的转化率非常高。在表107中，该差异可解释为存在此悬浮物质，而在氨基酸分析中不能得到说明。
在实验A2中，图44显示了离心液体中存在的各游离氨基酸的浓度与时间的函数关系，而图45显示了各氨基酸的总浓度与时间的函数关系。组氨酸浓度不可测定或被低估，因为它恰好在非常高浓度的甘氨酸前洗脱；因此，不能分离它的峰。
图45显示了36小时之前所有氨基酸浓度增加，除了精氨酸、苏氨酸和丝氨酸。图44显示了相似行为，除了浓度较低，尤其是精氨酸和苏氨酸。在36小时时，氨基酸浓度停止增加(除了精氨酸、苏氨酸和丝氨酸)，说明溶解和降解过程之间达到平衡。
在实验A3(没有加入固体毛发，仅为离心液体)中，图45显示离心液体中存在的各游离氨基酸的浓度与时间的函数关系，而图46显示各氨基酸的总浓度与时间的函数关系。
在图46中，在24小时前游离氨基酸浓度增加，24小时时浓度停止增加。例外的仍然是精氨酸、苏氨酸和丝氨酸，前两种作为游离氨基酸的浓度非常低。
图47显示出0-4小时各氨基酸的浓度都增加。这再次表明，在0-4小时之间初始离心液体中存在的悬浮颗粒水解到液相中。此初始趋势后，所有氨基酸的浓度随时间下降，表明在长期处理的研究条件下所有氨基酸都降解。精氨酸(48小时时的浓度是4小时时所获浓度的16％)、苏氨酸(31％)和丝氨酸(31％)比其它氨基酸降解得更多。
鸟氨酸和瓜氨酸浓度提高，但它们在毛发中的存在量并不明显，说明它们可能是降解产物。
表109显示实验A2中各氨基酸的重量百分数与时间的函数关系。大多数氨基酸的含量相似，除了精氨酸、苏氨酸和丝氨酸。一些氨基酸的百分数增加是由于它们的抗降解能力较高以及另一些氨基酸的百分数降低。
| 表109.与原料相比实验A2中存在的各种氨基酸与时间的函数关系 | ||||||
| 氨基酸 | 时间(小时) | 毛发 | ||||
| 4 | 8 | 24 | 36 | 48 | ||
| ASPGLUSERHISGLYTHRCITALAARGTYRVALMETPHEILELEULYSPRO | 6.7613.316.681.119.332.400.915.409.225.356.740.803.174.048.812.0913.77 | 6.9014.643.760.009.481.660.956.507.795.437.130.903.054.199.662.7115.07 | 7.0315.961.530.008.500.851.568.634.385.787.451.053.134.5210.923.8914.60 | 6.9616.421.110.008.250.661.689.472.895.877.401.003.174.6211.214.0815.02 | 6.7716.371.000.008.290.541.689.272.115.747.251.093.154.5511.254.1416.60 | 6.6314.478.911.295.527.480.004.5010.982.446.800.713.094.209.775.537.68 |
值表示为g氨基酸/100g总氨基酸。
实验5.材料的两步处理
在以前实验中观察到的氨基酸降解会影响水解过程的整体效率。解决这个问题的一种方式是用一系列处理步骤将已经水解的蛋白质与后继蛋白质溶解(残留固体)分离。在此实验中，研究了两种条件来确定两步处理法对空气干燥毛发中蛋白质的水解效率和氨基酸降解的影响。表110中小结了所研究的实验条件和测定的变量。
| 表110.测定石灰加载量对蛋白质溶解的影响所用的实验条件和变量(牛毛-两步处理) | ||||
| 实验 | 实验C1 | 实验C2 | 实验D1 | 实验D2 |
| 毛发质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)温度(℃)初始温度(℃)最终pH8小时时的残留固体(g)100mL中溶解的固体(g)8小时时100mL中的蛋白质(g) | 348508.510075.611.422.62.961.80 | 20850510096.511.212.71.150.91 | 3485011.910090.211.222.92.991.78 | 20850510010511.212.41.170.86 |
表111显示了不同实验条件下离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以空气干燥毛发的平均TKN为基准(14.73％)，估计蛋白质水解的转化率，见表112。
图48显示了该方法(步骤1+步骤2)的总转化率与时间的函数关系。
| 表111.实验5中离心液相中总凯氏氮含量与时间的函数关系(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | 实验C1 | 实验C2 | 实验D1 | 实验D2 |
| 00.5123468 | 0.02410.04540.09220.13500.15490.19510.22990.2887 | 0.03630.05530.05600.06200.07560.07450.11350.1450 | 0.01330.06370.08220.14380.17920.20230.22690.2837 | 0.03650.04810.05710.06310.07040.07980.10420.1383 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表112.实验5中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(牛毛) | ||||
| 时间(小时) | 实验C1 | 实验C2 | 实验D1 | 实验D2 |
| 00.5123468 | 4.097.7115.6522.9126.2933.1139.0249.00 | 6.169.399.5010.5212.8312.6419.2624.61 | 2.2610.8113.9524.4130.4134.3338.5148.15 | 6.198.169.6910.7111.9518.5417.6823.47 |
图48显示了所研究两种条件的转化率相似。在处理16小时时，共回收了液相中初始氮的70％。在第二次处理期间总转化率增加，并且与一步处理相比，存在较低浓度的氨(表113)，这说明氨基酸降解得较少。因此，用石灰进一步处理残留固体能水解更多毛发，但第二步中的氮浓度(蛋白质/氨基酸)仅为初始处理获得的氮浓度的40％，这会增加蒸发水所需的能量。因为毛发的初始浓度对转化率没有显著影响，所以可用半固体反应获得较高的产物浓度。
| 表113.两步和一步方法的总凯氏氮和氨浓度 | |||
| 步骤1(8小时) | 步骤2(8小时) | 一步(16小时) | |
| TKN氨 | 0.298487 | 0.115439 | 0.3525363 |
在8小时时分离初始液体保证了易受影响的氨基酸(精氨酸、苏氨酸和丝氨酸)的浓度相对较高，而初始蛋白质的转化率约为50％。第二步产生较高的总转化率，而这些氨基酸浓度较低。
步骤2之后，可进一步处理未反应的残留固体(约为初始毛发的30％，7g氮/100g干固体)，液相中共回收80％的蛋白质。该步骤可能需要24-36小时。
实验6.产物的氨基酸组成和过程质量平衡
本部分说明了用所示两个8小时步骤的方法和一个16小时步骤的处理获得的产物的总质量平衡和氨基酸组成。
表113比较了三种离心液体产物的总凯氏氮和氨浓度。表114显示这三种残留固体的固体组成(氮和矿物质)。图49显示了两步方法和一步方法的质量平衡。固体的不均一性使浓度高度变化。
| 表114.该方法的空气干燥毛发和残留固体的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 毛发RS18小时RS28小时RS316小时 | 14.7310.2346.9745.803 | 0.05080.06220.07250.0642 | 0.01970.01760.01550.0228 | 0.16587.008310.10039.7181 | 0.0290.12330.19380.1617 | 5244300523012404 | 5810811779 | 185457702472 | 50616256 | 37172218 |
表115比较了这三种不同产物和毛发的氨基酸组成。正如通过上述实验所预计的那样，步骤1产生大量苏氨酸、精氨酸和丝氨酸。除了前述氨基酸，步骤I、步骤2和一步方法的产物浓度非常相似。
| 表115.固体产物和原料中存在的各种氨基酸 | ||||
| 氨基酸 | 步骤1(8小时) | 步骤2(8小时) | 一步(16小时) | 毛发 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAARGTYRVALMETPHEILELEULYSPRO | 8.1917.463.011.0610.001.327.347.951.757.820.733.374.6211.012.7711.62 | 8.6819.301.100.836.970.837.804.942.148.990.993.395.2113.044.8210.94 | 7.8517.511.570.949.840.768.645.252.598.200.753.384.8211.523.9112.45 | 6.6314.478.911.295.527.484.5010.982.446.800.713.094.209.775.537.68 |
值表示为g氨基酸/100g总氨基酸。
最后，在表116中，将产物的氨基酸组成与各种单胃家畜所需的必需氨基酸作比较。
| 表116.产物的氨基酸分析和各种家畜的必需氨基酸需要 | |||||||||
| 氨基酸 | 步骤1(8小时) | 步骤2(8小时) | 一步16小时 | 毛发 | 鲶鱼 | 犬 | 猫 | 鸡 | 猪 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 8.1917.463.011.0610.001.327.347.957.82ND0.731.753.374.6211.012.77ND11.62 | 8.6819.301.100.836.970.837.804.948.99ND0.992.143.395.2113.044.82ND10.94 | 7.8517.511.570.949.840.768.645.258.20ND0.752.593.384.8211.523.91ND12.45 | 6.6314.478.911.295.527.484.5010.986.80ND0.712.443.094.209.775.53ND7.68 | 1.311.753.752.632+2+4.38*4.38*2.283.064.470.44 | 12.642.822.182.41+2.41+4.05*4.05*2.053.273.50.91 | 1.032.434.172.073.67+2.072.93*1.41.734.1740.83 | 1.43.55.54.154+2.255.85*3.153.655.255.751.05 | 1.252.502.671.92+1.92+3.75*3.75*2.52.53.580.75 |
+半胱氨酸+甲硫氨酸 *酪氨酸+苯丙氨酸 ND未测定
所有值表示为g氨基酸/100g蛋白质。
如表116所示，石灰水解牛毛的氨基酸组成不能与不同单胃家畜的必需氨基酸需要良好地平衡。组氨酸(在分析中被低估)、苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的值特别低，一些其它氨基酸对于大多数动物来说就足够的，但不是全部(酪氨酸，缬氨酸)。石灰水解牛毛产生的产物非常富含脯氨酸和谷胺酰胺+谷氨酸，但它们不是单胃家畜食物中的必需氨基酸。氨基酸产物可用于反刍动物。
通过缩短步骤1的时间可获得较高的丝氨酸和苏氨酸浓度。
空气干燥的牛毛含有92％蛋白质(以湿重计)，可用Ca(OH)2在100℃下对其进行处理以获得富含氨基酸的产物。由于温度要求低，上述方法可采用简单的非加压容器。
毛发浓度对蛋白质水解没有显著影响，而需要高石灰加载量(大于0.1gCa(OH)2/g毛发)和长时间处理(t＞8小时)来获得约70％的转化率，也可用另一种角蛋白物质鸡羽毛获得此转化。
蛋白质溶解仅在长期处理时随石灰加载量变化，表明水解反应需要羟基作为催化剂，但在过程中石灰的消耗使得较低石灰加载量的反应减慢或停止增长得较快。
最大程度提高蛋白质转化率(高达70％)的最优条件是0.35g Ca(OH)2/g空气干燥毛发，在100℃处理至少24小时。从24小时开始，有非常明显的氨气味，表明氨基酸发生降解。在碱水解条件下精氨酸、苏氨酸和丝氨酸是更易受影响的氨基酸。
通过回收已经水解到液相中的氨基酸，同时分离残留固体用于在后续处理步骤中进行进一步碱水解，能够最大程度减少氨基酸的降解。在8小时时分离初始液体(步骤1)保证了易受影响的氨基酸(精氨酸、苏氨酸和丝氨酸)的浓度相对较高，而初始蛋白质的转化率约为50％。第二个8小时步骤产生的总转化率较高(约70％)，而这些氨基酸的浓度较低。
步骤2中的氮浓度(蛋白质/氨基酸)仅为初始处理获得的氮浓度的40％，这会增加蒸发水所需的能量。因为毛发的初始浓度对转化率没有显著影响，所以可用半固体反应获得较高的产物浓度。
产物的氨基酸组成与各种单胃家畜的必需氨基酸需求的可比性很差。产物中苏氨酸、组氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的含量低。天冬酰胺和脯氨酸的含量尤为丰富，但动物食物中并不需要这些氨基酸。此方法获得的产物作为反刍动物饲料是有价值的，具有非常高的可消化性、高氮含量和高水溶性。
实施例7：虾头的蛋白质溶解
每年丢弃了大量虾加工副产物。在商业虾加工中，约25％(w/w)的活虾回收为肉类。固体废物含有约30-35％的组织蛋白；碳酸钙和壳多糖是其它主要部分。目前，壳多糖和壳聚糖的生产基于甲壳类加工的废料。在壳聚糖生产期间，每产生1千克壳聚糖，约浪费3kg蛋白质(Gildberg和Stenberg，2001)。
壳多糖是广泛分布的天然丰富的氨基多糖，不溶于水、碱和有机溶剂，微溶于强酸。壳多糖是甲壳类外骨骼的结构组分，以干重计，甲壳类外骨骼中含有～15-20％壳多糖。壳多糖在化学结构上和生物功能上(作为结构聚合物)类似于纤维素(Kumar，2000)。
目前，用沸腾的氢氧化钠水溶液(4％w/w)处理含有壳多糖的物质(蟹壳、虾废料等)1-3小时，然后用稀盐酸(1-2 N HCl)脱钙(清除碳酸钙)8-10小时。然后用浓氢氧化钠(40-50％w/w)在沸腾温度下使壳多糖脱乙酰化成为壳聚糖。
大个完整的冷冻白虾购自食品杂货店。去除虾尾，用工业搅拌机将残留废料(头、触角等)搅拌10分钟，收集到塑料瓶中，最后冷冻于-4℃待用。用此混合物样品获得水分含量、总氮(以总重计，估计蛋白质的～16％+壳多糖组分的～16.4％是氮)、灰分(矿物质部分)和氨基酸含量，以表征原料。
虾头废料含有21.46％干物质和17.2g灰分/100g干重(表117和表118)。TKN为10.25％，对应的粗蛋白质和壳多糖部分约为64.1％(表119)。其余18％对应于脂质和其它组分。虾头废料的氨基酸组成见表120。
| 表117.虾头废料中的水分含量 | |||
| 样品 | 固体(g) | 干固体(g) | 干固体(％) |
| 123 | 64.109158.523761.7193 | 13.774512.566213.2126 | 21.4921.4721.41 |
| 平均值 | 21.46 | ||
| 表118.虾头废料的灰分含量 | |||
| 样品 | 固体(g) | 干固体(g) | 干固体(％) |
| 123 | 3.29023.0683.0486 | 0.58590.51480.5196 | 17.8116.7817.04 |
| 平均值 | 17.21 | ||
| 表119.虾头废料的蛋白质和矿物质含量 | ||||||||||
| 样品 | TKN(％) | P(％) | K(％) | Ca(％) | Mg(％) | Na(ppm) | Zn(ppm) | Fe(ppm) | Cu(ppm) | Mn(ppm) |
| 12平均值 | 10.210.310.25 | 1.341.211.27 | 1.071.021.045 | 4.54304.71624.6296 | 0.38960.35860.3781 | 120901155011820 | 909090 | 355167261 | 160155157.5 | 10995 |
| 表120.虾头废料的氨基酸组成 | |||
| 氨基酸 | 测定值 | 氨基酸 | 测定值 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALAOYSARG | 11.1315.834.081.786.944.066.83ND7.25 | TYRVALMETPHEILELIEULYSTRIPPRO | 3.155.771.844.934.548.305.63ND7.96 |
ND：未测定 值表示为g氨基酸/100g总氨基酸。
原料具有良好平衡的氨基酸含量(表120)；含有相对低水平的组氨酸和甲硫氨酸。高水平的磷、钙、钾使该原料成为动物食物中有价值的矿物质来源。
实验1.重复性
为了测定虾头废料中蛋白质的溶解方法的重复性，在相同条件(分别为100℃、40g干虾/L和0.10g石灰/g干虾)下进行两次实验。表121中小结了所用实验条件和变量。
| 表121.测定虾头废料蛋白质溶解的重复性所用的实验条件和变量 | ||
| 实验 | A | B |
| 虾头废料的质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)初始温度(℃)最终pH湿残留固体(g)干残留固体(g)100mL中溶解的固体(g) | 1497503.29710.64137.1917.242.3757 | 1497503.28710.2182.719.742.4322 |
表122显示了在两轮不同实验中离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干虾头废料的平均TKN(10.25％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表123。转化率值的平均标准差是平均结果(79.3％转化)的1.13或1.5％。
| 表122.实验1中离心液相中总凯氏氮含量与时间的函数关系(虾头废料) | ||
| 时间(分钟) | A | B |
| 010203060120 | 0.28370.30050.30530.30290.30530.3077 | 0.29340.30170.29810.30050.29690.3005 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表123.实验1中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(虾头废料) | ||
| 时间(分钟) | A | B |
| 010203060120 | 75.179.580.880.180.881.4 | 77.679.878.979.578.679.5 |
图49显示了在两轮不同实验中蛋白质溶解(转化百分数)与时间的函数关系。它显示，在头5-10分钟后转化率保持恒定，在所研究条件下蛋白质水解过程的重复性良好。对于0分钟时间的样品是在反应器关闭和加压之后取出的，此过程进行8-12分钟
实验2.温度的影响
为了测定温度对虾头废料中蛋白质溶解的影响，在不同温度下进行实验，保持石灰加载量和原料浓度恒定(分别为0.10g石灰/g虾和40g干虾/L)。表124小结了所用实验条件和变量。
| 表124.测定温度对虾头废料的蛋白质溶解的影响所用的实验条件和变量 | |||
| 温度(℃) | 75 | 100 | 125 |
| 虾质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)初始温度(℃)最终pH湿残留固体(g)干残留固体(g)100mL中溶解的固体(g) | 1497503.278.510.1133.0416.062.6439 | 1497503.29710.64137.1917.242.3757 | 1497503.21089.88130.5817.422.6808 |
表125显示了不同温度下离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干虾头废料的平均TKN(10.25％)为基准，估计蛋白质水解的转化率，见表126。
| 表125.实验2中离心液相中总凯氏氮含量与时间的函数关系(虾头废料) | |||
| 温度 | |||
| 时间(分钟) | 75℃ | 100℃ | 125℃ |
| 010203060120 | 0.31600.31960.31010.31010.31010.3172 | 0.28370.30050.30530.30290.30530.3077 | 0.30530.31010.31010.31120.31010.3101 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表126.实验2中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(虾头废料) | |||
| 温度 | |||
| 时间(分钟) | 75℃ | 100℃ | 125℃ |
| 010203060120 | 83.684.682.182.182.183.9 | 75.179.580.880.180.881.4 | 80.882.182.182.382.182.1 |
图51代表在所研究的不同温度下蛋白质水解(转化百分数)与时间的函数关系。转化率不取决于温度(统计学上相同的值)。优选较低温度，因为氨基酸应该降解得少，并且将过程保持在此温度下所需的能量也较少。
实验3.石灰加载量的影响I
为了测定石灰加载量对虾头废料中蛋白质溶解的影响，以不同的石灰/虾比进行实验，保持温度和虾浓度恒定(分别为100℃和40g干虾/L)。表127中小结了所用实验条件和变量。
| 表127.测定石灰加载量对虾头废料的蛋白质溶解的影响所用的实验条件和变量 | ||||
| 石灰加载量(g石灰/g虾) | 0 | 0.05 | 0.1 | 0.2 |
| 虾头废料质量(g)水体积(mL)石灰质量(g)初始温度(℃)最终pH湿残留固体(g)干残留固体(g)100mL中溶解的固体(g) | 1497500968.1179.417.722.3576 | 1497501.6959.20148.816.52.5146 | 1497503.29710.64137.217.242.3757 | 1497506.410312122.518.282.4516 |
表128显示了对于不同石灰加载量，离心液体样品中的总氮含量与时间的函数关系。以干虾头废料的平均TKN(10.25％)为基准，估计蛋白质水解的转化率(表129)。
| 表128.实验3中离心液相中的总凯氏氮含量与时间的函数关系(虾头废料) | ||||
| 石灰加载量 | ||||
| 时间(分钟) | 0g/g | 0.05g/g | 0.1g/g | 0.2g/g |
| 010203060120 | 0.24770.24520.2440.24880.24520.2513 | 0.28900.29780.30350.30350.30510.3035 | 0.28370.30050.30530.30290.30530.3077 | 0.25730.25730.26210.26690.27660.2897 |
TKN表示为g氮/100g液体样品。
| 表129.实验3中总TKN至可溶性TKN的转化百分数(虾头废料) | ||||
| 石灰加载量 | ||||
| 时间(分钟) | 0g/g | 0.05g/g | 0.1g/g | 0.2g/g |
| 010203060120 | 65.564.964.665.864.966.5 | 76.578.880.380.380.780.3 | 76.479.779.879.879.780.5 | 68.168.169.470.673.276.7 |
图52显示了对于所研究的不同石灰加载量，蛋白质溶解(转化百分数)与时间的函数关系。它表明，所有石灰加载量的转化率相似，除了无石灰实验(统计学上不同)。
在无石灰实验中，水相中存在可溶性蛋白质，然而，羟基是稀释的，这使水解反应和细胞破裂减慢。无石灰实验的最终pH为8.1。碱性pH可能由虾废料释放的碳酸钙和碳酸氢钙引起。
需要加入石灰来保证蛋白质快速溶解入液相，可能在产物中产生较高比例的游离氨基酸。同时，因为认为石灰处理是产生壳多糖和壳聚糖的初始步骤，所以高蛋白质回收率与加工中后续步骤所需的化学物质的减少和较高质量的壳多糖或壳聚糖产物相关。
可考虑从悬浮固体中回收类胡萝卜素(虾青素)，以从该方法产生其它有价值的产物。因为碳酸钙和壳多糖是甲壳类的结构组分，过滤(straining)混合物和离心悬浮固体可回收类胡萝卜素(Gildberg和Stenberg，2001)。
实验4.氨基酸分析
| 表131.采用不同加工条件的虾头废料蛋白质溶解中的游离氨基酸组成 | ||||||
| 条件 | 100℃60分钟0.1石灰 | 100℃120分钟0.2石灰 | 100℃120分钟0.1石灰 | 100℃120分钟无石灰 | 75℃120分钟0.1石灰 | 125℃120分钟0.1石灰 |
| ASPGLUASNSERGLNHISGLYTHRCITB-ALAALATAUARGTYRCYS-CYSVALMETTRPPHEILELEULYSPRO | 1.613.491.873.011.670.008.512.440.520.508.716.5111.453.93ND4.102.782.784.553.867.6310.319.78 | 3.855.540.834.150.000.008.611.381.130.259.215.639.374.35ND4.613.222.574.743.928.159.399.10 | 2.093.862.153.172.050.006.553.000.580.098.414.3111.634.72ND4.843.222.325.174.828.909.828.28 | 2.934.462.403.372.690.006.543.380.380.028.453.846.535.40ND4.873.362.176.154.329.8210.987.95 | 2164.082.533.203.290.005.803.250.670.007.853.4811.465.06ND4.853.012.165.874.459.609.327.91 | 2.754.202.123.590.180.006.592.910.360.158.983.959.515.25ND5.502.891.865.565.729.759.828.37 |
ND：未测定 值表示为g氨基酸/100g总游离氨基酸。
总氨基酸中平均40％是游离氨基酸。较长时间或较强条件获得的比例相对较高。
虾废料的热化学处理产生游离氨基酸和小可溶肽的混合物，使其成为潜在的营养产品。水解产物含有高比例的必需氨基酸，使其成为单胃动物的高质量营养来源。表132比较了总氨基酸组成和各种家畜的需要。因为在分析中低估了组氨酸和采用原始废料值1.78g/100g来计算，所以产生了高质量的蛋白质补充剂，它能满足或超过动物在生长期的必需氨基酸需要。
表130显示了不同加工条件下水解物的总氨基酸组成。除了高石灰加载量实验中的丝氨酸和苏氨酸、以及半胱氨酸含量变化相对较高以外，最终产物的组成不随处理条件而变化。如以前的结果所示，无石灰实验在水解物中产生较低的蛋白质浓度。
| 表130.采用不同加工条件的虾头废料蛋白质溶解中的总氨基酸组成 | ||||||
| 条件 | 100℃60分钟0.1石灰 | 100℃120分钟0.2石灰 | 100℃120分钟0.1石灰 | 100℃120分钟无石灰 | 75℃120分钟0.1石灰 | 125℃120分钟0.1石灰 |
| ASPGLUSERHISGLYTHRALATAUARGTYRCYS-CYSVALMETTRPPHEILELEULYSPRO | 9.6615.684.570.007.773.577.150.007.003.820.675.792.19ND4.434.018.607.797.30 | 10.1915.853.92*0.008.312.30*7.530.006.474.270.486.132.15ND4.904.328.947.316.92 | 9.2715.504.330.007.324.017.280.007.593.780.826.082.21ND4.434.318.757.346.97 | 9.7815.684.460.007.264.467.200.004.90*3.941.426.172.25ND4.674.309.027.526.97 | 9.4615.034.410.007.054.406.690.007.943.831.096.242.15ND4.574.338.837.536.45 | 9.4015.204.380.007.423.777.170.006.604.130.746.302.14ND4.814.518.977.596.85 |
ND：未测定 值表示为g氨基酸/100g总氨基酸。
表131显示了不同加工条件下水解物的游离氨基酸组成。组成可变性比总氨基酸情况下高。处理条件影响易受影响的氨基酸；较强条件(如较长时间、较高温度或较高石灰加载量)能加速降解反应并产生不同组成，尤其是游离氨基酸测定中。
色氨酸约占游离氨基酸组成的2％，而牛磺酸接近4％。这些值可用于估计它们在总氨基酸组成中的浓度。
| 表132.产物的氨基酸分析和各种家畜的必需氨基酸需要(虾头废料) | |||||||
| 氨基酸 | 鲶鱼 | 犬 | 猫 | 鸡 | 猪 | 液体(TAA) | 液体(FAA) |
| ASNGLNASPGLUSERHISGLYTHRALAARGVALCYSMETTYRPHEILELEULYSTRPPRO | 1.311.753.752.632.00*2.00*4.38+4.38+2.283.064.470.44 | 1.002.642.822.182.41*2.41*4.05+4.05+2.053.273.500.91 | 1.032.434.172.073.67*2.072.93+1.401.734.174.000.83 | 1.403.505.504.154.00*2.255.85+3.153.655.255.751.05 | 1.262.500.002.671.92*1.92*3.75+3.75+2.502.503.580.75 | 9.2715.504.330.007.324.017.287.596.080.822.213.784.434.318.757.34ND6.97 | 2.152.052.093.863.170.006.553.008.4111.634.48ND3.224.725.174.828.909.922.328.28 |
*半胱氨酸+甲硫氨酸 +酪氨酸+苯内氨酸 ND未测定
所有值表示为g氨基酸/100g蛋白质。
除～20％灰分以外，虾头废料含有64％蛋白质加壳多糖，它们都可用于产生几种有价值的产物。用石灰对此废料进行热化学处理产生氨基酸含量良好平衡的富含蛋白质的材料，可用作动物饲料补充剂。过滤经处理的混合物和离心液体产物可回收类胡萝卜素。最后，也可通过熟知的方法，用富含碳酸钙和壳多糖的残留固体产生壳多糖和壳聚糖。
在所研究的所有条件(温度、石灰加载量和时间)下，反应30分钟后转化率没有显著改变。在所有这些条件下处理长达2小时后观察到的氨基酸降解很少。
在处理期间需要加入石灰以获得较高的氮转化率(转化到液相中)。这将减少进一步处理残留固体以产生壳多糖和壳聚糖所需的化学物质。
用石灰处理虾废料获得的产物满足或超过了单胃动物的必需氨基酸需要，使其成为合适的蛋白质补充剂。
虽然上面仅具体描述了本发明的示范性实施方式，但应理解，也可能对本发明进行修饰和改变，而不背离本发明的构思和主旨范围。
Claims (34)
1.一种溶解蛋白质的方法，其包括：
将碱施加于蛋白质源形成淤浆；
将所述淤浆加热到足以水解所述蛋白质源中的蛋白质的温度，获得反应液体；
分离所述反应液体中的固体；
用酸或酸源中和所述反应液体，产生中和液体；
浓缩所述中和液体，产生浓缩液体和水；和
在加热步骤之前或期间使所述水回到淤浆中。
2.如权利要求1所述的方法，还包括研磨所述蛋白质源。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱包括氧化钙或氢氧化钙。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱包括选自下组的化合物：氧化镁、氢氧化镁、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、氨和它们的任意组合。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热产生氨，还包括用酸中和所述氨。
6.如权利要求1所述的方法，还包括使分离的固体回到所述蛋白质源中。
7.如权利要求1所述的方法，还包括分离所述分离的固体中的反应性固体与惰性固体。
8.如权利要求1所述的方法，还包括将所述反应液体在升高的温度下保持足以破坏所述反应液体中所有或基本上所有朊病毒的一段时间。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述升高的温度为125-250℃，所述一段时间为1秒-5小时。
10.如权利要求1所述的方法，还包括分离中和液体中的固体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述分离的固体包含碱，还包括将所述分离的固体加入所述蛋白质源。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浓缩所述中和液体还包括蒸发所述中和液体。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浓缩所述中和液体还包括过滤所述中和液体。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浓缩所述中和液体还包括冷冻所述中和液体。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浓缩所述中和液体还包括加入不可混溶的胺。
16.如权利要求1所述的方法，还包括干燥所述浓缩液体。
17.如权利要求1所述的方法，还包括产生过程热和再利用过程热。
18.一种用于溶解蛋白质的系统，其包括：
可通过操作使蛋白质源和碱反应产生反应液体的加热反应器；
可通过操作分离所述反应液体中的固体的固/液分离器；
可通过操作将酸加入所述反应液体产生中和液体的中和槽；
可通过操作浓缩中和液体以及产生浓缩液体和水的浓缩槽；
可通过操作使水由浓缩槽流向加热反应器的管道；和
至少一个可通过操作交换过程热的热交换器。
19.如权利要求18所述的系统，还包括可通过操作研磨蛋白质源的研磨器。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述加热反应器包括搅拌釜。
21.如权利要求18所述的系统，还包括可通过操作收集来自所述加热反应器的氨并用酸将其中和的氨收集器。
22.如权利要求18所述的系统，还包括可通过操作使分离的固体回到所述加热反应器的管道。
23.如权利要求18所述的系统，还包括可通过操作分离反应性固体与惰性固体的密度分离器。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述密度分离器包括沉降器或水力旋流器。
25.如权利要求18所述的系统，还包括保温槽，所述保温槽可通过操作将所述反应液体加热到一定温度和保温一定时间，所述温度和时间足以破坏所述反应液体中所有或基本上所有朊病毒。
26.如权利要求18所述的系统，还包括可通过操作分离所述中和液体中的固体的固/液分离器。
27.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述浓缩槽还包括选自下组的元件：多效蒸发器、机械蒸汽压缩蒸发器、喷射器蒸发压缩蒸发器、逆渗透膜、紧密纳米滤膜、冷冻装置、胺回收系统和它们的任意组合。
28.如权利要求18所述的系统，还包括可通过操作干燥所述浓缩液体的干燥器。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述干燥器包括喷雾干燥器或刮削式转鼓干燥机。
30.一种用于溶解蛋白质的系统，其包括：
可通过操作使蛋白质源和碱反应产生反应液体的反应装置；
可通过操作分离所述反应液体中的固体的固/液分离装置；
可通过操作将酸加入所述反应液体产生中和液体的中和装置；
可通过操作浓缩中和液体以及产生浓缩液体和水的浓缩装置；
可通过操作使水由浓缩槽流向加热反应器的装置；和
至少一个可通过操作交换过程热的热交换装置。
31.如权利要求30所述的系统，还包括可通过操作研磨蛋白质源的研磨装置。
32.如权利要求30所述的系统，还包括可通过操作收集来自所述反应装置的氨并用酸将其中和的收集装置。
33.如权利要求30所述的系统，还包括保温装置，所述保温装置可通过操作将所述反应液体加热到一定温度和保温一定时间，所述温度和时间足以破坏所述反应液体中所有或基本上所有朊病毒。
34.如权利要求30所述的系统，还包括可通过操作干燥所述浓缩液体的干燥装置。
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