KR20070020094A - 단백질 가용화 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20070020094A
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마크 티. 홀트자플
리차드 데이비슨
세자르 그랜다
개리 피. 노이예스
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더 텍사스 에이 & 엠 유니버시티 시스템
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Abstract

단백질 가용화 방법은 알칼리, 예를 들어 석회를 첨가하고 가열하여 반응액을 제조한 다음, 반응액으로부터 고체를 분리시킨 후 반응액을 중화시켜 중화된 액체를 생산하는 것을 포함한다. 이어서, 상기 방법은 중화된 액체를 농축시키고 물을 반응액으로 반송하는 것을 포함한다. 본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 시스템을 또한 포함한다.

Description

단백질 가용화 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR SOLUBILIZING PROTEIN}
본 발명은 단백질, 특히 단백질이 쉽게 가용화되지 않는 원료로부터 단백질을 가용화시키는 방법에 관한 것이다. 일부 실시태양은 가용화된 단백질 중의 프리온을 파괴하는 방법을 제공한다.
세계 인구 증대로 지난 수십년 동안 식품 요구량이 급격하게 증가하여, 가축을 위한 단백질원에 대한 수요가 점점 커졌다. 인구 증가는 또한 동물 사료를 생산하기 위한 유용한 원료일 수 있는 폐기물을 증가하는 양으로 생성시켰다.
생물학적 원료로부터 단백질 가용화를 위한 공정은 폐기물 중의 단백질을 유용한 단백질원으로 전환시키는데 유용하다. 따라서, 많은 상기 방법이 이전에 개발되었다. 일부 방법은 쉽게 가용화되는 단백질에서만 기능한다. 다른 방법은 단백질이 쉽게 가용화되지 않는 원료, 예를 들어 닭 깃털로부터 단백질의 가용화를 개선하도록 고안되었다.
열-화학적 처리는 단백질-풍부 물질의 가수분해를 촉진하여, 복잡한 단백질을 보다 작은 분자로 쪼개고, 그들의 소화율을 개선시키고, 더 적은 사료를 사용하여 유지, 성장 및 생산을 위한 그의 요구를 충족시키는 제품을 생산할 수 있다.
닭 깃털에서 단백질의 가용화를 위한 이전의 한 방법은 스팀 처리를 수반한다. 이 방법에서, 깃털은 우모분 (feather meal)을 제조하기 위해 스팀으로 처리된다. 상기 방법은 깃털 내의 단백질의 용해도 또는 소화율을 단지 경미하게 증가시킬 뿐이다.
다른 이전의 방법은 단백질원의 산 처리를 수반한다. 산 처리는 아미노산을 가수분해하지만, 그 조건은 많은 아미노산이 파괴될 정도로 대체로 가혹하다. 또한, 산 조건은 용해도를 돕는 디술피드 결합의 파괴보다는 상기 결합의 형성을 촉진한다.
추가로, 선행기술의 시스템의 조건은 본래의 단백질원에서 프리온의 파괴에 적합하지 않을 수 있다.
<발명의 개요>
본 발명은 단백질의 가용화를 위한 신규한 방법을 포함한다. 상기 방법은 일반적으로 알칼리, 예를 들어 석회를 생물학적 원료에 공급하여 슬러리를 생성시키는 것을 수반한다. 슬러리 내의 단백질은 가수분해되어 액체 생성물을 생성시킨다. 슬러리는 가수분해를 돕기 위해 가열될 수 있다. 고체 잔류물이 또한 생성될 수 있다. 상기 잔류물은 본 발명의 추가의 공정에 적용될 수 있다.
한 구체적 실시태양에 따라, 본 발명은 단백질 가용화 방법을 포함한다. 이 방법은 알칼리를 단백질원에 가하여 슬러리를 형성하고; 단백질원 내의 단백질의 가수분해에 충분한 온도로 슬러리를 가열하여 반응액을 얻고; 반응액으로부터 고체를 분리하고; 산 또는 산 공급원으로 반응액을 중화시켜 중화된 액체를 생성시키고; 중화된 액체를 농축시켜 농축된 액체 및 물을 생산하고; 가열 단계 전 또는 동안 물을 슬러리에 반송하는 것을 포함할 수 있다.
다른 구체적 실시태양에 따르면, 본 발명은 단백질을 가용화시키기 위한 시스템을 포함한다. 시스템은 단백질원 및 알칼리를 반응시켜 반응액을 제조할 수 있는 가열된 반응기를 포함할 수 있다. 시스템은 반응액으로부터 고체를 분리할 수 있는 고체/액체 분리기를 또한 포함할 수 있다. 시스템은 또한 반응액에 산의 첨가를 허용하여 중화된 액체를 생성할 수 있는 중화 탱크, 및 중화된 액체를 농축시키고 농축된 액체 및 물을 생성시킬 수 있는 농축 탱크를 포함할 수 있다. 시스템은 물을 농축 탱크로부터 가열된 반응기로 통과시킬 수 있는 도관, 및 공정열을 교환할 수 있는 적어도 하나의 열 교환기를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시태양의 추가의 잇점은 다음을 포함한다.
불안정 및 저항성 단백질의 혼합물이 동시에 가공될 수 있다.
현재 존재하는 플러그류 (plug flow) 반응기를 사용할 수 있다.
폐기물 감소가 식품 또는 단백질 보충물 생산과 결합된다.
가용화되면 단백질 소화율이 크게 증가한다.
본 발명의 방법은 간단하고, 몇몇 성분 및 열 회수가 가능하다.
프리온이 파괴되면 식품 안전성이 개선된다.
연마는 단백질 소화의 반응 속도를 증가시켜, 생성물 농도 증가 및 생성물 분해 감소를 가능하게 한다.
비반응 성분을 제거할 수 있다.
단백질 생성물을 농축시켜 건조시킬 수 있다.
미생물을 파괴할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 하우스 (house) 공정에 적합한 반응기 시스템을 포함한다.
본 발명 및 그의 잇점에 대한 보다 용이한 이해를 위해, 하기 예시적인 실시태양의 설명 및 첨부 도면을 참고로 할 수 있다.
하기 도면은 본 발명의 선택된 실시태양에 관한 것이다.
도 1은 알칼리성 조건 하에서 단백질 풍부 물질의 가수분해를 위한 순차적인 다이어그램을 보여준다.
도 2는 닭 깃털 및 동물의 털의 가수분해를 보여주는 그래프이다. 각각의 점은 3개의 값의 평균 +/- 2 표준 편차를 나타낸다.
도 3은 동물의 털 및 닭 깃털에 대한 반응 속도 대 전환을 보여주는 그래프이다.
도 4는 새우 머리 및 닭 찌꺼기의 단백질 가수분해에 대한 전환 대 시간을 보여주는 그래프이다.
도 5는 대두 건초 및 알팔파 건초의 단백질 가수분해에 대한 전환 대 시간을 보여주는 그래프이다..
도 6은 본 발명의 한 실시태양에 따라 칼슘 회수가 없는 1단계 가용화 방법을 보여준다.
도 7은 본 발명의 한 실시태양에 따라 칼슘 회수가 없는 2단계 가용화 방법을 보여준다.
도 8은 본 발명의 한 실시태양에 따라 칼슘 회수가 있는 1단계 가용화 방법을 보여준다.
도 9는 본 발명의 한 실시태양에 따라 칼슘 회수가 있는 2단계 가용화 방법을 보여준다.
도 10은 본 발명의 한 실시태양에 따른 1단 반응기를 보여준다.
도 11은 본 발명의 한 실시태양에 따른 역류 유동을 갖는 다단 반응기를 보여준다.
도 12는 본 발명의 한 실시태양에 따른 병류 유동을 갖는 다단 반응기를 보여준다.
도 13은 본 발명의 한 실시태양에 따른 교차류 유동을 갖는 다단 반응기를 보여준다.
도 14는 본 발명의 한 실시태양에 따른 결합형 (unitized) 혼합기 및 배출 스크류 컨베이어를 갖는 플러그류 반응기를 보여준다.
도 15는 본 발명의 한 실시태양에 따른 분리형 혼합기 및 배출 스크류 컨베이어를 갖는 플러그류 반응기를 보여준다.
도 16은 본 발명의 한 실시태양에 따른 락 호퍼 (lock hopper)를 갖는 플러그류 반응기를 보여준다.
도 17은 단백질 가수분해 연구를 위한 실험 기구를 보여준다.
도 18은 알팔파 건초의 단백질 가용화에 대한 온도 효과를 보여주는 그래프이다.
도 19는 알팔파 건초에서 단백질 가용화에 대한 석회 로딩 효과를 보여주는 그래프이다.
도 20은 단백질 가용화에 대한 알팔파 건초 농도의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 21은 석회를 사용한 대두 건초의 단백질 가용화 결과의 반복가능성 조사를 보여주는 그래프이다.
도 22는 대두 건초의 단백질 가용화에 대한 온도 효과를 보여주는 그래프이다.
도 23은 대두 건초의 단백질 가용화의 석회 로딩 효과를 보여주는 그래프이다.
도 24는 단백질 가용화에 대한 대두 건초 농도의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 25는 어프 (off) 찌꺼기 연구의 재현성을 보여주는 그래프이다. 3회의 시험을 동일한 작동 조건 하에서 수행하였다.
도 26은 3개의 상이한 찌꺼기 농도에서 전환을 비교하는 그래프이다.
도 27은 3개의 상이한 석회 로딩에 대해 전환을 비교하는 그래프이다.
도 28은 2개의 상이한 온도에서 전환을 비교하는 그래프이다.
도 29는 추가의 처리 없이 6N HCl로 처리할 때 액체 생성물의 아미노산 함량을 보여주는 그래프이다.
도 30은 원료 및 건조 처리된 고체에 존재하는 아미노산을 비교하는 그래프이다. 처리된 고체는 반응기로부터 제거될 때 매우 젖은 상태 (80% 수분)이었고, 아미노산의 일부는 잔여 액체 생성물로부터 유도된다.
도 31은 75℃, 0.075 g 석회/g 건조 찌꺼기, 및 60 g 건조 찌꺼기/L 슬러리에서 실험시에 30분 후 및 2시간 후에 액체상에 존재하는 아미노산을 비교하는 그래프이다.
도 32는 75℃, 0.075 g 석회/g 건조 찌꺼기, 및 80 g 건조 찌꺼기/L 슬러리에서 실험시에 30분 후 및 2시간 후에 액체상에 존재하는 아미노산을 비교하는 그래프이다.
도 33은 75℃ 및 0.075 g 석회/g 건조 찌꺼기에서 3개의 상이한 초기 찌꺼기 농도 (g 건조 찌꺼기/L 슬러리)에 대해 30분 후에 원심분리된 액체상 내의 아미노산을 비교하는 그래프이다.
도 34는 75℃, 0.075 g 석회/g 건조 찌꺼기 및 40 g 건조 찌꺼기/L 슬러리에서 상이한 시간에서 원심분리된 액체상에 존재하는 아미노산을 비교하는 그래프이다.
도 35는 깃털 및 찌꺼기를 원료로 사용하여 아미노산 풍부 깃털 생성물을 생성시키기 위한 기구를 보여준다. 1은 원심분리되지 않은 액체이다. 2는 석회 처리후 원심분리된 액체이다. 3은 석회 처리후 잔류 고체이다. 4는 이산화탄소 버블링 후의 원심분리된 액체이다. 5는 최종 생성물이다.
도 36은 이산화탄소 버블링 (높은 초기 pH)를 통한 침전 동안 pH의 함수로서 칼슘 농도를 보여주는 그래프이다.
도 37은 이산화탄소 버블링 (보다 낮은 초기 pH)를 통한 침전 동안 pH의 함수로서 칼슘 농도를 보여주는 그래프이다.
도 38은 단백질 가용화에 대한 공기 건조된 털 농도의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 39은 공기 건조된 털의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩 효과를 보여주는 그래프이다.
도 40은 장기간 처리시에 공기 건조된 털의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩 효과를 보여주는 그래프이다.
도 41은 실험 A1에서 시간의 함수로서 암모니아, 총 켈달 (Kjeldhal) 질소, 및 추정된 단백질 질소 농도를 보여주는 그래프이다.
도 42는 실험 A2에서 시간의 함수로서 암모니아, 총 켈달 질소, 및 추정된 단백질 질소 농도를 보여주는 그래프이다.
도 43은 실험 A3에서 시간의 함수로서 암모니아, 총 켈달 질소, 및 추정된 단백질 질소 농도를 보여주는 그래프이다.
도 44는 실험 A2에서 시간의 함수로서 유리 암모니아 농도를 보여주는 그래프이다.
도 45는 실험 A2에서 시간의 함수로서 총 암모니아 농도를 보여주는 그래프이다.
도 46은 실험 A3에서 시간의 함수로서 유리 아미노산 농도를 보여주는 그래프이다.
도 47은 실험 A3에서 시간의 함수로서 총 암모니아 농도를 보여주는 그래프이다.
도 48은 연속적인 2단계의 털 가수분해에 대해 시간의 함수로서 단백질의 액체상으로의 전환율을 보여주는 그래프이다.
도 49는 2단계 및 1단계 석회 처리 공정의 질량 균형을 보여준다.
도 50은 새우 머리 폐기물의 단백질 가용화의 반복가능성을 보여주는 그래프이다.
도 51은 새우 머리 폐기물의 단백질 가용화에 대한 온도 효과를 보여주는 그래프이다.
도 52는 새우 머리 폐기물의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩 효과를 보여주는 그래프이다.
도 53은 본 발명의 한 실시태양에 따른 1단계 가용화 방법을 보여준다.
본 발명은 가수분해를 통해 생물학적 원료로부터 단백질을 가용화시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 가용화에 사용하기 위한 장치 및 가용화 시스템에 관한 것이다.
이후에 설명되는 구체적 실시태양은 3가지 상이한 군의 생물학적 공급원으로부터의 단백질의 가용화에 관한 것이다. 제1 군은 저항성 또는 케라틴성 단백질원, 예를 들어 닭 깃털 및 동물의 털을 포함한다. 제2 군은 불안정 또는 동물 조직 단백질원, 예를 들어 닭 찌꺼기 및 새우 머리를 포함한다. 제3 군은 식물 단백질원, 예를 들어 대두 건초 및 알팔파를 포함한다. 단백질원의 추가의 군 및 상기 3개의 군에 포함되는 예는 당업자에게 명백할 것이다.
상기 방법은 특정 온도에서 알칼리, 예를 들어 석회 (Ca(OH)2 또는 수산화칼슘)를 단백질원에 가하는 것을 수반한다. 일부 고체 잔류물을 사용하여 액체 생성물이 얻어진다. 하기 표 1에 설명된 구체적 실시태양에서, 3개의 원료군 각각에 적합한 공정 조건이 제공된다.
단백질 가용화를 위한 적합한 처리 조건
단백질원 저항성 불안정 식물
온도 (℃) 100 75 100
시간 (h) 4-8 (깃털)16 (털) 0.25 2.5
석회 로딩 (g Ca(OH)2/g 물질) 0.1 (깃털)0.25 (털) 0.075 0.05 - 0.075
농도 (g 물질/L 슬러리) 100 60-80 60
본 발명의 특정 실시태양에서, 아미노산이 풍부한 액체 생성물을 얻기 위해 잘 단열된 교반된 반응기를 사용하여 상이한 시간 동안 단백질 가수분해 (가용화)를 수행한다.
석회가 본 발명의 특정 실시태양에서 사용되지만, 다른 알칼리, 예를 들어 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 수산화칼륨 및 암모니아도 본 발명에 사용될 수 있다. 그러나, 대부분의 상기 알칼리는 탄산염화에 의해 회수될 수 없다.
또한, 석회는 물 중에서 가용성이 낮기 때문에 다른 몇몇 알칼리보다 잇점을 제공한다. 그의 낮은 용해도 때문에, 석회는 충분한 석회가 용액 중에 현탁되면 용액에 대해 비교적 일정한 pH (~12)를 유지한다. 이것은 열-화학적 처리 및 비교적 더 약한 가수분해 조건 (수산화나트륨 및 다른 강염기에 비해) 동안 일정한 pH를 보장하고, 이에 의해 민감한 아미노산의 분해를 감소시킬 수 있다.
고단백 물질의 열-화학적 처리는 작은 펩티드와 유리 아미노산의 혼합물을 생성시킨다. 처리 동안, 펩티드 또는 아미노산의 새로 생성된 카르복실산 말단은 알칼리성 매질과 반응하여 카르복실레이트 이온을 생성시키고, 이 과정에서 석회 또는 다른 알칼리를 소비한다.
단백질 가수분해 동안, 복수개의 부반응이 발생한다. 도 1은 알칼리성 조건 하에서 단백질 풍부 물질의 가수분해를 위한 순차적인 다이어그램을 보여준다. 암모니아는 아미노산 분해 (예를 들어 아스파르테이트 및 글루타메이트를 생성물로서 생성시키는 아스파라긴 및 글루타민의 탈아미드화) 동안 부산물로서 생성된다. 일부 실시태양에서, 상기 암모니아는 포획되어 산, 예를 들어 황산으로 중화되어 암모늄염을 생성시킬 수 있다. 상기 염은 이어서 비료 또는 다른 목적으로 사용될 수 있다.
아르기닌, 트레오닌 및 세린도 알칼리성 조건에 민감하다. 아르기닌 및 트레오닌의 분해에 대한 민감성은 둘 모두 필수 아미노산이기 때문에 영양적으로 중요하다. 가용성 펩티드 및 아미노산과 알칼리성 매질 사이의 접촉 시간의 감소는 최종 생성물의 분해를 감소시키고 영양소 품질을 증가시킨다. 또한, 저온 (~100℃)의 사용도 분해를 감소시킬 수 있다.
단백질-풍부 물질의 순차적인 처리는 높은 가용화 효율을 위해 장기간 처리 시간이 필요할 때 (동물의 털 및 닭 깃털) 사용될 수 있다. 보다 우수한 품질의 초기 생성물이 초기 처리 동안 얻어지는 반면에, 보다 낮은 품질의 생성물이 나중에 생성된다. 예를 들어, 초기 폐기물이 혼합물일 때 상이한 특성을 갖는 생성물을 얻기 위해 일련의 석회 처리를 사용할 수 있다. 예를 들어, 찌꺼기 + 깃털 혼합물에서, 초기 처리는 저온 및 단시간을 사용하여 닭 찌꺼기의 가수분해를 표적으로 할 수 있지만, 제2 석회 처리 (보다 긴 시간 및 보다 높은 온도)는 깃털을 소화시킬 수 있다.
표 2는 상이한 물질의 단백질 가수분해에 대한 적합한 조건 및 상이한 처리 변수 (온도, 농도, 석회 로딩 및 시간)의 효과를 요약한 것이다.
연구된 물질의 열-화학 처리를 위한 적합한 조건
물질 주 권장 조건
알팔파 건초 (15.8% 단백질) 가수분해는 온도, 및 알팔파 건초 농도 (60 g/L까지)에 따라 증가한다. 석회 로딩은 최소의 유의한 효과를 갖지만, 단백질을 작은 펩티드 및 유리 아미노산으로 전환시키기 위해 요구된다. 반추동물에 적합함. 0.075 g Ca(OH)2/g 알팔파, 100℃, 60 min, 60 g/L.
대두 건초 (19% 단백질) 가수분해는 석회 로딩 및 온도 (100℃까지)에 따라 증가하고, 보다 낮은 에너지 요건으로 인해 100℃가 권장된다. 대두 건초 농도는 유의한 효과를 갖지 않는다. 무석회 실험은 유의하게 보다 낮은 가수분해 전환을 제공한다. 반추동물에 적합함. 0.05 g Ca(OH)2/g 대두, 100℃, 150분.
새우 머리 폐기물 반응은 30분 후 완료된다. 온도는 유의한 효과가 없다. 가수분해는 석회 로딩에 따라 증가한다 (0.05 g Ca(OH)2/g 건조 새우까지). 단위동물에 적합함. 0.05 Ca(OH)2/g 건조 새우,적어도 75℃, 적어도 15분.
찌꺼기 (15% 단백질) 30분후 전환에서 유의한 변화가 발생하지 않는다. 찌꺼기 농도는 유의한 효과가 없다. 가수분해는 석회 로딩에 따라 증가한다 (0.1 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기까지). 단위동물에 적합함. 0.075 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기, 75℃, 적어도 15분.
찌꺼기 + 깃털 2-단계 방법이 연구되었다: 단계 1은 찌꺼기의 가수분해를 표적하고, 고품질 아미노산 혼합물을 생성한다. 단계 2는 깃털의 가수분해를 표적하고, 반추동물 먹이를 생성한다. 단계 1: 0.075 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기, 50-100℃, 30분. 단계 2: ~0.05 g Ca(OH)2/g 깃털, 100℃, 2-4 h.
깃털 (96% 단백질) 가수분해는 털에서보다 더 빠르게 일어난다, 6 h후 70% 전환이 얻어졌다. 반추동물에 적합함. 0.1 g Ca(OH)2/g 깃털,100℃, 4-8 h.
털 (92% 단백질) 고단백질 가수분해를 위해 장기간 처리가 요구되었다. 아미노산 분해를 감소시키기 위해 2-단계 공정이 권장됨. 반추동물에 적합함. 단계 1: 0.25 g Ca(OH)2/g 털,100℃, 8 h.단계 2: ~0.25 g Ca(OH)2/g 털,100℃, 8 h.
본 발명의 방법에서 알칼리성 물질로서 수산화칼슘의 사용은 반응에서 얻은 액체 생성물 (일부 실시태양에서 "원심분리된 용액"으로도 불림)에 비교적 높은 칼슘 농도를 생성시킨다. 일부 칼슘염은 낮은 용해도를 갖기 때문에, 칼슘은 CaCO3, Ca(HCO3)2 또는 CaSO4로서 침전시켜 회수할 수 있다. 탄산칼슘은 그의 낮은 용해도 (0.0093 g/L, CaCO3에 대한 용해도적(solubility product)은 8.7 x 10-9임) 때문에 바람직할 수 있다. 이와 대조적으로, CaSO4의 용해도는 1.06 g/L이고, 용해도적은 6.1 x 10-5이고, Ca(HCO3)2의 용해도는 166 g/L이고, 용해도적은 1.08이다. 또한, CaSO4보다 CaCO3으로부터 Ca(OH)2를 재생하는 것이 더 용이하다.
CO2 버블링에 의한 탄산칼슘의 반응액 생성물 내로의 침전에 의해 50 내지 70%의 칼슘이 회수된다. 중탄산칼슘이 아니라 탄산칼슘이 공정 동안 형성되도록 칼슘 회수 전의 반응액 생성물의 높은 pH가 권고될 수 있다. pH 9도 일부 실시태양에서 충분할 수 있다. 회수 후의 최종 pH는 ~8.8 내지 9.0일 수 있다.
본 발명의 공정으로부터 생성되는 단백질은 동물 사료로서의 용도를 포함하여 많은 용도를 가질 수 있다. 일반적으로, 저항성 및 식물 단백질원으로부터의 가용성 단백질은 잘 균형잡힌 아미노산 프로필을 갖지 않는다. 따라서, 상기 단백질은 반추동물 사료로서 가장 잘 사용된다. 불안정 단백질에서, 아미노산 프로필은 잘 균형잡힌 상태이므로, 가용화된 단백질도 단위 (monogastric) 동물용 사료로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 가용화된 단백질의 최종 용도는 상기 단백질의 원래의 원료에 의해 제시될 수 있다. 동물 사료 용도에서의 추가의 잇점은 본 발명의 일부 방법에 의해 생산된 단백질 내의 프리온 결여일 수 있다. 석회 처리 조건은 많은 방법에서 실질적으로 프리온을 파괴하기에 충분히 엄격하고, 이에 의해 가용화된 단백질을 사용하여 생산된 임의의 사료의 안전성을 개선시킬 수 있다.
추가로, 일부 실시태양에서 본 발명은 액체에 존재할 수 있는 모든 또는 상당량의 프리온을 파괴하기 위해 특정 시간 동안 반응액을 승온에서 가열하는 유지 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체는 1초 내지 5시간 동안 125-250℃의 온도로 가열될 수 있다.
폐기물에서 종종 발견되는 단백질-풍부 물질은 케라틴성, 동물 조직 및 식물 물질의 3개의 카테고리로 나눌 수 있고, 이들은 각각 상이한 특성을 갖는다.
동물의 털 및 닭 깃털은 높은 단백질 함량 (각각 ~92% 및 ~96%), 및 도살 과정에서 발생하는 일부 오염물, 예를 들어 미네랄, 혈액 및 지질을 갖는다. 동물의 털 및 닭 깃털의 주요 성분은 케라틴이다. 케라틴은 기계적으로 내구성이고 화학적으로 비반응성 단백질로서, 이러한 특성은 그의 생리학적 기능과 일치하고, 케라틴이 발견되는 조직에 대한 강한 섬유상 매트릭스를 제공한다. 포유동물 털, 발굽, 뿔 및 양모에서, 케라틴은 α-케라틴으로 존재하고, 새의 깃털에서는 β-케라틴으로 존재한다. 케라틴은 매우 낮은 영양값을 갖고, 다량의 시스테인을 포함하고, 대부분의 단백질 분해 효소에 의한 소화를 어렵게 만드는 매우 안정한 구조를 갖는다.
본 발명의 열-화학적 처리 공정 동안 닭 깃털 및 동물의 털의 거동을 도 2 및 3에 제시한다. 도 22는 동물의 털보다 닭 깃털에 대한 더 빠른 가수분해 속도 및 소화가능 단백질로의 보다 큰 최종 전환을 보여준다. 이러한 차이는 β-케라틴의 보다 팽창된 형상에 대한 석회의 보다 용이한 접근성, 또는 닭 깃털에 비해 동물의 털에 존재하는 상이한 거대 구조체 (피브릴 구조, 다공도 등)에 의해 설명될 수 있다. 0.1 g Ca(OH)2/g 건조 물질 석회 로딩을 사용하여 100℃에서 높은 털 전환을 위해 적어도 8시간이 권고되지만, 깃털의 경우에는 70% 전환을 4시간 이내에 달성할 수 있다.
반응 속도와 전환 사이의 선형 관계가 두 물질 모두에서 발견되었고 (도 3), 이는 단백질의 알칼리성 가수분해에 대한 1차수 반응 속도를 나타낸다. 가수분해 대 분해의 유사 평형이 높은 전환에서 발견되었다.
동물 조직은 케라틴성 물질보다 소화가 어렵지 않다. 동물 조직 내의 세포는 간단한 원형질막으로 유지되는 유체 매트릭스 (세포질)에 핵 및 다른 세포기관을 포함한다. 원형질막은 쉽게 파괴되어 효소 또는 화학물질에 의한 소화를 위해 글리코겐, 단백질 및 다른 구성성분을 방출한다.
동물 조직 (찌꺼기 및 새우 머리)은 15분 미만 내에 잘 가수분해되고 (도 4), 강한 처리 조건을 필요로 하지 않고, 저온, 낮은 석회 로딩 및 짧은 시간이 적합하다. 동물 조직에 존재하는 지질 및 다른 물질은 부반응, 예를 들어 지질 비누화를 통해 보다 신속하게 석회를 소비하여, 공정의 종료시에 액체 생성물의 pH를 저하시키고 액체 생성물을 발효에 민감하게 만든다.
새우 머리 및 닭 찌꺼기는 모두 식품 산업의 동물 단백질 부산물이다. 이들은 동물 조직이기 때문에, 액체 생성물의 아미노산 분포는 동물 요건에 유사할 것으로 기대되지만, 이들 물질은 배치마다 상이하기 때문에 품질은 상이할 수 있다. 히스티딘은 액체 생성물 내의 제한 아미노산일 수 있다.
본 발명의 방법을 위한 다른 특정 용도는 가금 사육업에서 죽은 새의 처리를 수반한다. 예를 들어, 약 5%의 닭이 도살장에 도착하기 전에 죽는다. 그러나, 전형적인 닭장은 현장에서 처리하기에는 너무 많은 죽은 닭이 발생하기 때문에, 가공을 위한 적재를 기다리면서 죽은 닭을 보관할 방법이 필요하다. 본 발명의 방법을 사용하여, 죽은 닭은 적합한 장비, 예를 들어 햄머 밀로 분쇄할 수 있고, 석회를 뿌려 닭의 pH를 상승시켜 부패를 방지할 수 있다. 석회 농도는 약 0.1 g Ca(OH)2/건조 g (죽은 닭)일 수 있다. 석회-처리된 닭을 수거하여 중앙 가공 플랜트로 이송할 때, 단백질 가용화 방법을 완료하기 위해 가열될 수 있다.
마지막으로, 식물은 복잡한 세포벽에 소화가 어려운 리그노셀룰로직 매트릭스를 포함하여 동물 조직보다 소화를 어렵게 만든다. 그러나, 수용성이 높은 성분이 존재하여 본 발명의 일부 공정 동안 단백질의 액체로의 높은 초기 전환이 가능하다. 도 5는 대두 및 알팔파 건초에 대한 단백질 가수분해 속도를 비교한 것이다. 도 5는 알팔파 건초보다 대두 건초에서 보다 큰 가용성 분획 및 두 물질 모두의 유사한 가수분해 속도를 보여준다.
이들 식물 물질의 석회 처리는 리신 및 트레오닌이 적은 생성물을 생성시키고, 단위 동물을 위한 액체 생성물의 영양값을 감소시킬 것이다.
식물로부터 단백질을 가용화시키기 위해 사용되는 본 발명의 일부 실시태양에서, 고체 잔류물 내의 생성되는 섬유도 리그닌 및 아세틸기가 제거되기 때문에 소화가 더 쉽다. 식물 물질의 석회 처리는 2가지 생성물, 즉 단백질 (알칼리성 가수분해에 의한 작은 펩티드 및 아미노산)이 풍부한 액체 생성물, 및 그의 결정도를 감소시키고 그의 분해성을 증가시키기 위해 처리될 수 있는 홀로셀룰로스가 풍부한 고체 잔류물을 생성시킨다. 따라서, 본 발명의 일부 공정을 식물 소화 공정과 조합할 때 예기치 않은 시너지 효과가 존재한다.
도 6은 단백질 함유 물질에서 단백질의 가용화 방법을 보여준다. 이 방법은 석회 회수를 포함하지 않는다. 이 방법에서, 단백질 함유 물질 및 석회가 반응기에 첨가된다. 구체적인 실시태양에서, 그의 반응열이 수화 형태를 생성시키고 소석회 (Ca(OH)2)가 반응의 추가의 가열 요건을 감소시키도록 생석회 (CaO)를 첨가한다. 미반응 고체는 미반응 고체 내에 포획된 가용화된 단백질을 회수하기 위해 역류 세척될 수 있다. 반응기에서 배출되는 액체 생성물은 가용화된 단백질을 포함한다. 증발기는 거의 모든 물을 제거하여 가용화된 단백질을 농축한다. 바람직하게는, 농축된 단백질을 계속 펌핑할 수 있도록 충분한 물이 잔류할 수 있다.
적합한 증발기는 다중 효용 증발기 또는 증기 압축식 증발기를 포함한다. 증기 압축은 기계적 압축기 또는 제트 이젝터를 사용하여 달성할 수 있다. pH가 알칼리성이기 때문에, 단백질 분해로 생성된 임의의 암모니아는 휘발하여 반응기로 반송된 물에 들어갈 것이다. 궁극적으로, 암모니아 수준은 허용되지 않는 수준까지 축적될 수 있다. 이때, 정화 스팀을 사용하여 과잉의 암모니아를 제거할 수 있다. 제거된 암모니아는 산을 사용하여 중화시킬 수 있다. 카르복실산 (예를 들어 아세트산, 프로피온산 또는 부티르산)을 사용할 경우, 중화된 암모니아는 비단백질 질소원으로서 반추동물에 급여될 수 있다. 무기산이 첨가될 경우, 중화된 암모니아는 비료로서 사용될 수 있다.
증발기에서 배출되는 농축된 단백질 슬러리는 과잉의 석회를 반응시키기 위해 탄산염화될 수 있다. 일부 용도에서, 상기 농축된 슬러리는 이동 거리가 짧을 경우 사료에 직접 첨가될 수 있다. 그러나, 이동 거리가 길고 저장시 안정한 제품이 필요할 경우, 중화된 농축 슬러리는 분무 건조되어 건조 생성물을 형성할 수 있다. 이 건조 생성물은 높은 칼슘 농도를 포함한다. 많은 동물을 그 먹이에 칼슘을 필요로 하기 때문에, 가용화된 단백질 내의 칼슘은 그의 칼슘 요구량을 제공하는 편리한 방법일 수 있다.
도 7에, 2단계로 나뉜 유사한 공정이 제시된다. 이 공정은 반추동물 및 단위 사료에 적합한 단백질의 혼합물을 갖는 단백질 함유 물질에 적합하다. 예를 들어, 죽은 새는 깃털 (반추동물에 적합) 및 찌꺼기 (단위 동물에 적합)를 포함한다. 공정의 제1 단계는 추후 농축, 중화 및 건조되는 불안정 단백질을 가용화시키는 온건한 조건을 사용한다. 상기 단백질은 단위 동물에게 급여될 수 있다. 제2 단계는 농축, 중화 및 건조될 수 있는 저항성 단백질을 가용화시키는 보다 엄격한 조건을 사용한다. 상기 단백질은 반추동물에게 급여될 수 있다.
도 8은 저칼슘 생성물을 생성시키기 위해 추가의 칼슘 회수 단계를 갖는, 도 6과 유사한 공정을 보여준다. 칼슘을 회수하기 위해, 증발 단계는 2단계로 수행한다. 제1 증발기에서, 배출 스트림의 단백질은 용액에 유지된다. 탄산칼슘을 침전시키기 위해 이산화탄소를 첨가한다. 이 단계 동안, pH는 바람직하게는 약 9이다. 지나치게 많은 이산화탄소를 첨가하면 중탄산칼슘 형성에 유리한 pH 강하가 발생한다. 중탄산칼슘은 탄산칼슘보다 훨씬 더 가용성이기 때문에, 상기 현상이 발생하면 칼슘 회수가 감소된다. 탄산칼슘은 필터를 사용하여 회수한다. 탄산칼슘은 가용성 단백질을 회수하기 위해 역류 세척될 수 있다. 이어서, 제2 증발기는 나머지 물의 대부분을 제거한다. 배출되는 슬러리를 펌핑할 수 있도록 충분한 물이 남겨질 수 있다. 마지막으로, 슬러리는 보관시 안정한 생성물을 형성하기 위해 분무 건조될 수 있다.
도 9는 불안정 및 저항성 단백질의 혼합물을 갖는 단백질원을 가공하기 위해 사용될 수 있는 도 8의 2단계 형태를 보여준다. 제1 단계는 단위 동물에 적합한 불안정 단백질을 가용화시키고, 제2 단계는 반추동물에 적합한 단백질을 가용화시킨다.
도 10은 불안정 단백질 가공에 적합한 1단계 연속 교반 탱크 반응기 (CSTR)를 보여준다. 고체는 고체로부터 액체를 압착하는 스크류 컨베이어를 사용하여 반응기로부터 배출된다.
도 11은 다단 CSTR을 보여준다. 플러그류 반응기와 유사한 4단이 제시되어 있다. 이러한 반응기 종류는 저항성 및 식물 단백질원의 사용에 매우 적합하다. 플러그류는 소비되는 고체와 함께 배출되는 반응 사료의 양을 감소시킨다. 이 실시태양에서, 액체 유동은 고체 유동에 대해 역류한다.
도 12는 액체 유동이 고체 유동에 병류하는 다단 CSTR을 보여준다.
도 13은 액체 유동이 고체 유동에 교차 유동하는 다단 CSTR을 보여준다.
도 14는 저항성 및 식물 단백질원에 매우 적합한 실제 플러그류 반응기를 보여준다. 단백질은 적합한 고체 장비, 예를 들어 도 14에 도시된 스크류 컨베이어 또는 도시되지 않은 V-램 펌프를 사용하여 반응기 내로 공급된다. 반응기는 내용물을 교반하는 "핑거 (finger)"를 회전시키는 중앙 샤프트를 포함한다. 정지상 "핑거"는 반응기 내용물이 비생산적으로 회전하는 것을 방지하도록 반응기 벽에 부착된다. 물은 고체 유동에 역류로 통과한다. 반응기의 상부에서 배출되는 물은 가용화된 단백질 생성물을 포함한다. 이것은 고체를 차단하기 위해 스크린을 통해 배출된다. 일부 단백질원, 예를 들어 닭 깃털, 털 및 식물의 섬유 특성은 그 여과를 용이하게 한다. 반응기의 기저부의 미반응 고체는 고체로부터 액체를 압착하는 스크류 컨베이어를 사용하여 제거된다. 이 실시태양에서, 압착된 액체는 스크류 컨베이어의 측면 상의 스크린을 통하기보다는 반응기 내로 다시 유동한다. 상기 배열의 목적은 반응기의 기저부에 첨가되는 물이 아래보다는 위쪽으로 우선적으로 유동하도록 고체가 기밀 플러그로서 배출되도록 하는 것이다. 배출 고체는 반응기에 도입되는 물과 배출 직전에 접촉하기 때문에, 이들 고체를 역류 세척할 필요가 없다.
도 15는 배출 스크류 컨베이어가 반응기의 중앙 샤프트에 연결되지 않은 것을 제외하고는, 도 14에 도시된 것과 유사한 플러그류 반응기를 보여준다. 이것은 혼합 속도 및 컨베이어 속도의 독립적인 제어를 가능하게 한다.
도 16은 고체가 스크류 컨베이어보다는 락 호퍼를 통해 배출되는 것을 제외하고는 도 14에 도시된 것과 유사한 플러그류 반응기를 보여준다. 기체가 반응기에 도입되는 것을 방지하기 위해, 락 호퍼는 사이클 사이에 배기될 수 있다.
도 53은 단백질 함유 물질 내의 단백질의 가용화 방법을 보여준다. 먼저, 임의의 연마 단계에서, 단백질원은 그의 표면적을 증가시키기 위해서 연마된다. 이것은 반응 단계에서 반응 속도를 증가시킨다. 단백질이 반응기에서 가용화되면, 분해되기 시작하고, 따라서 보다 빠른 반응 단계가 분해되는 양을 감소시킬 수 있다. 또한, 보다 빠른 반응 속도는 반응 생성물 농도를 증가시킬 수 있고, 이에 의해 회수 비용이 절감된다. 연마 단계가 사용될 경우, 이는 햄머 밀, 인-라인 균질화기, 또는 다른 적합한 장비를 사용하여 달성할 수 있다.
다음으로, 단백질은 승온 및 높은 pH에서 알칼리와 반응한다. pH는 약 10 내지 13으로 저하될 수 있고, 예를 들어 약 12일 수 있다. 임의의 염기가 상기 반응 단계에 사용될 수 있지만, 선택된 실시태양에서 염기는 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 수산화칼륨 또는 암모니아이다. 산화칼슘 및 수산화칼슘은 물 중에서 가용성이 낮고, 따라서 보다 쉽게 회수할 수 있다. 이들은 또한 pH를 약 12까지 완충한다. 또한, 칼슘은 영양소이고, 최종 단백질 생성물로부터 제거될 필요가 있다. 다른 영양이 되는 알칼리도 최종 단백질 생성물에 잔류할 수 있다. 일반적인 반응 조건은 예를 들어 상이한 단백질원에 대해 본원에서 설명한 바와 같을 수 있다.
반응기는 교반 탱크일 수 있다. 이것은 1 atm에서 작동할 수 있지만, 보다 빠른 반응 속도를 달성하기 위해 더 큰 압력이 특히 보다 고온에서 사용될 수도 있다. 공정의 다른 부분으로부터의 스팀을 사용하여, 예를 들어 스팀을 반응기 내로 직접 퍼징하여 반응기 온도를 유지할 수 있다.
반응 동안, 일부 아미노산은 암모니아로 분해된다. 상기 암모니아는 대체로 기체상에 도입될 것이다. 이것은 적합한 산, 예를 들어 황산으로 중화되어 암모니아염을 형성할 수 있다. 상기 암모니아염은 이어서 비료 또는 다른 용도로 사용될 수 있다.
다음으로, 고체 및 액체는 반응에서 배출되는 스트림에서 분리된다. 이것은 고체/액체 분리기를 사용하여 달성할 수 있다. 회수된 고체는 반응성 고체, 예를 들어 비가용화된 단백질, 및 불활성 고체, 예를 들어 뼈 및 돌 모두를 포함할 수 있다. 대부분의 불활성 고체는 반응성 고체보다 밀도가 더 크고, 이 특성은 분리를 돕기 위해 이용될 수 있다. 이 단계는 반응성 고체의 반복적인 재활용을 가능하게 하여 공정의 총 수율을 개선시킨다. 이것은 또한 그 존재가 반응 단계 및 전체 공정의 효율을 감소시킬 수 있는 불활성 고체의 제거를 가능하게 한다.
반응성 및 불활성 고체를 분리하기 위해 사용될 수 있는 밀도 분리기는 침전기 및 하이드로클론 (hydroclone)을 포함한다.
다음으로, 임의의 유지 단계를 실시할 수 있다. 이 단계에서, 가용화된 단백질을 포함하는 반응 단계로부터의 액체는 일정 시간 동안 승온으로 가열된 후, 냉각될 수 있다. 반응 단계 후에 액체가 완전한 프리온을 포함할 수도 있다. 이들 프리온은 추후 가용화된 단백질을 소비하는 임의의 동물 및 인간의 건강에 유해할 수 있다. 그러나, 유지 단계 동안의 가열이 액체에 존재하는 모든 또는 상당 부분의 임의의 프리온의 파괴에 충분할 수 있다. 상기 유지 단계는 저온살균과 유사할 수 있다. 상이한 종류의 프리온에 대해, 적합한 온도 및 유지 시간은 상이할 수 있다. 대부분의 경우에, 프리온 파괴를 달성하기에 충분한 다양한 온도 및 유지 시간의 조합이 존재할 것이다. 구체적 실시태양에서, 유지 단계 조건은 요구되는 수준의 프리온 파괴를 달성하고 동시에 아미노산 분해를 제한하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 유지 단계 온도는 125-250℃일 수 있다. 유지 시간은 1초 내지 5시간일 수 있다. 가장 적합한 유지 단계 조건을 선택하기 위해서, 단백질원에서 발생할 가능성이 있는 프리온을 사전에 확인할 수 있다.
유지 단계는 스팀에 의해 가열될 수 있다. 시스템은 도입되는 액체를 가온하는 것을 돕기 위해 사용되기 위해서 액체의 열이 유지 단계를 이탈하는 것을 허용하는 열교환 부재를 포함할 수 있다.
이어서, 액체는 2 내지 9로 pH를 감소시키기 위해서 산으로 중화될 수 있다. 상기 단계에서 사용되는 산은 거의 모든 산 또는 산 공급원일 수 있다. 구체적 실시태양에서, 산은 이산화탄소, 인산, 카르복실산, 예를 들어 아세트산, 프로피온산 및 부티르산, 락트산, 황산, 질산 및 염산일 수 있다.
이산화탄소가 특히 알칼리가 칼슘을 함유한 경우 산 공급원으로 사용될 수 있다. 이산화탄소는 저렴하고, 칼슘 함유 반응액의 중화 동안 pH에 따라 탄산칼슘 또는 중탄산칼슘을 생성시킨다. 탄산칼슘 및 중탄산칼슘은 모두 석회 가마를 사용하여 석회로 다시 전환될 수 있다. 상기 석회는 반응 단계에서 재사용될 수 있다.
이산화탄소는 기체이기 때문에, 중화 동안 액체를 발포시킬 수 있다. 상기 문제를 방지하기 위해서, 이산화탄소는 미공질의 소수성 막, 예를 들어 셀가드 엘엘시 (Celgard LLC, 미국 노스캐롤라이나주)에서 제조한 막을 사용하여 액체상 내로 전달될 수 있다.
인산은 형성된 인산칼슘이 뼈 형성에서 중요한 미네랄이기 때문에 반응액이 칼슘을 포함하는 다른 특정 실시태양에서 사용된다. 따라서, 인산은 최종 단백질 생성물에 첨가하는 것이 유용하다.
또다른 실시태양에서, 유기산, 예를 들어 카르복실산 및 락트산은 임의의 알칼리를 포함하는 액체를 중화시키기 위해 사용될 수 있다. 유기산은 동물의 에너지원이기 때문에 최종 단백질 생성물에 첨가하는 것이 유용하다.
중화 후에, 선택적인 고체/액체 분리를 실시할 수 있다. 이 단계는 산 중화가 불용성 염, 예를 들어 탄산칼슘, 중탄산칼슘, 황산칼슘 또는 인산칼슘을 생성시킬 때 가장 유용할 수 있다. 이들 물질의 일부는 최종 생성물에 바람직할 수 있고 일부는 바람직하지 않을 수 있거나, 최종 생성물 내의 그의 농도를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 고체/액체 분리기는 중화된 액체로부터 고체의 전부 또는 일부를 제거하기 위해 사용할 수 있다. 적합한 고체/액체 분리기는 필터 프레스, 회전식 드럼 필터 및 하이드로클론을 포함할 수 있다.
한 특정 실시태양에서, 칼슘을 포함하는 반응액의 탄산염화를 통한 중화는 약 9의 pH에서 발생한다. 이것은 고체/액체 분리기를 통해 고불용성의 탄산칼슘 형태로 실질적으로 제거하는 것을 가능하게 한다. 상당량의 탄산칼슘이 제거된 후에, pH를 더욱 저하시키기 위해서 탄산염화 또는 다른 중화가 계속될 수 있다.
중화 및 임의의 고체 분리 후에, 중화된 액체를 농축할 수 있다. 반응액은 일반적으로 2-6%의 가용화된 단백질을 포함할 수 있다. 상기 농축은 유지, 중화 및 고체 회수 단계에 의해 유의하게 영향받지 않을 것이다. 농축 후에, 농축된 액체는 35-65%의 가용화된 단백질을 포함할 수 있다.
농축은 증발에 의해 달성할 수 있다. 예를 들어, 다중 효용, 기계적 증기-압축 및 제트 이젝터 증기 압축 증발을 사용하여 중화된 액체로부터 물을 제거할 수 있다. 일반적으로, 묽은 단백질 용액은 거품을 형성하는 경향이 있지만, 농축된 용액은 그렇지 않다. 그 결과, 증발기가 적어도 15%의 가용화된 단백질을 포함하는 액체를 사용하여 가동될 경우 거품 형성이 감소한다. 추가로, 특히 보다 묽은 액체의 경우, 소포제가 액체에 첨가될 수 있다. 식물유가 효과적인 소포제이고, 에너지 성분을 최종 단백질 생성물에 추가한다.
또한, 중화된 액체를 농축하기 위해 여과를 사용할 수 있다. 구체적으로, 묽은 용액은 적합한 막, 예를 들어 역삼투막 또는 기밀 나노여과막을 통한 물의 투과에 의해 농축될 수 있다. 농축 편향을 최소화하기 위해, 진동 디스크 필터 (예를 들어 VESP)를 사용하여 높은 투과 속도 및 높은 생성물 농도를 달성할 수 있다.
중화된 액체는 또한 동결에 의해 농축될 수 있다. 빙결정이 형성되면서, 단백질은 주로 배제되고, 이에 의해 거의 순수한 동결수 및 농축 아미노산/폴리펩티드 용액이 분리된다. 빙결정은 그 표면으로부터 농축된 생성물을 제거하기 위해서 예를 들어 역류에 의해 세척될 수 있다.
물은 다양한 비혼화성 아민, 예를 들어 디이소프로필 아민, 트리메틸 아민, 메틸 디에틸 아민 및 다른 아민을 사용하여 중화된 액체로부터 추출할 수도 있다.
농축 단계 동안 제거된 물은 반응 단계로 반송될 수 있다. 물은 공정 스팀 또는 공정의 다른 부품으로부터의 다른 따뜻한 유체를 사용한 열 교환을 통해 그의 반송 전에 가열될 수 있다. 농축 단계로부터의 물이 반응 단계를 위해 너무 뜨거우면, 반응액에 첨가되기 전에 적절한 온도로 만들기 위해 냉각 유체를 사용하여 열 교환시킬 수도 있다.
농축된 액체는 임의로 건조될 수 있다. 건조는 표준 장비, 예를 들어 분무 건조기 또는 마찰 (scraped) 드럼 건조기를 사용하여 달성할 수 있다. 마찰 드럼 건조기는 벌크 밀도가 높은 최종 고체를 생성시킬 수 있다. 추가로, 이들 건조기로부터의 스팀은 회수하여 공정 열, 예를 들어 반응기 가열을 위해 사용될 수 있다.
따라서, 도 53의 방법은 선택적인 연마기, 반응기, 암모니아 수집기, 고체/액체 분리기, 선택적인 밀도 분리기, 선택적인 보유 탱크, 중화 탱크, 다른 선택적인 고체/액체 분리기, 농축 탱크 및 선택적인 건조기를 갖는 시스템에서 수행될 수 있다. 이들 컴포넌트는 단백질원을 액체 농축물 또는 건조 생성물로 가공하는 것을 허용하기 위해 서로 연결될 수 있다. 필요한 추가의 가공 및(또는) 재사용을 허용하기 위해 반송 루프가 포함될 수 있다. 온도를 조절하고 공정열의 재사용을 허용하기 위한 열 교환기도 포함될 수 있다.
본 발명의 시스템 및 공정의 조건, 기기 및 다른 컴포넌트는 변형된 단백질 가용화 방법 및 시스템을 생성시키기 위해 서로 교체될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 하나의 시스템 또는 방법에 대해 설명된 컴포넌트는 특정 단백질을 소화하고, 목적하는 생성물 조성을 달성하고, 열의 재사용 및 회수를 돕고, 상이한 시스템 사이의 상호교환성을 용이하게 하기 위해 다른 시스템 또는 방법에 사용될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명의 선택된 실시태양을 예시하고 추가로 설명하기 위해 제공된다. 이들은 본 발명의 전체 범위를 문자상으로 표현하는 것을 의도하지 않는다. 이들 실시예에 대한 변형은 당업자에 명백할 것이고 또한 본 발명에 포함된다.
이들 실시예에서, 식 및 실험 번호는 표시된 실시예의 식 및 실험만을 나타내도록 의도된다. 식 및 실험은 상이한 실시예들 사이에 연속적으로 또는 유사하게 번호가 매겨지지 않는다.
실시예 1: 일반적 방법 및 장비
본 실시예에서 다음 일반적 방법 및 식을 사용하였다:
액체 생성물 및 원료 중 상이한 화합물의 농도는 2가지 상이한 절차에 의해 결정하였다: 아미노산 조성은 HPLC 측정 (텍사스 에이앤엠 유니버시티 (Texas A&M University)의 단백질 화학 실험실 (Laboratory of Protein Chemistry)에서 수행됨)에 의해 결정되고; 총 켈달 질소 및 미네랄 결정은 텍사스 에이앤엠 유니버시티의 확장 토양, 물 및 마초 시험 실험실 (Extension Soil, Water and Forage Testing Laboratory)에서 표준 방법론을 사용하여 수행하였다.
리그노셀룰로직 물질의 소화율의 측정은 DNS 방법을 사용하여 3-d 소화율 시험으로 수행하였다. 필요한 경우 바이오매스를 적합한 크기로 연마하였다. 포레스트 사이언스 리서치 센터 (Forest Science Research Center)에 위치하는 몇가지 체 크기를 갖는 토마스-윌리 (Thomas-Wiley) 실험 밀을 사용하였다.
물질의 리그닌, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 (홀로셀룰로스), 회분 및 수분 함량은 NREL 방법을 이용하여 결정하였다.
요구되는 경우 온도 측정 및 유지를 위한 열전쌍을 갖는 수조 및 진탕 공기조를 사용하였다. 가열은 또한 테이프 및 밴드 가열기에 의해 달성하였다. 물 및 얼음조를 냉각 시스템으로서 사용하였다.
일반적으로, 이들 실시예에서 실험은 변속 모터 (motor)에 의해 전력을 공급받는 온도 조절기 및 혼합기를 갖는 1-L 오토클레이브 반응기에서 수행하였다 (도 17). 상기 반응기는 샘플링 포트를 통해 샘플을 얻기 위해 N2로 가압하였다. 현탁된 고체와 액체 사이에 우수한 접촉을 유도하기 위해 고혼합율 (~1000 rpm)을 사용하였다.
단백질 가수분해에 대한 공정 변수, 즉 온도, 시간, 원료 농도 (g 건조 물질/L) 및 수산화칼슘 로딩 (g Ca(OH)2/g 건조 물질)의 효과를 연구하기 위해 처리 조건 (몇가지 유기 물질에 대해)을 계획적으로 변화시켰다. 샘플은 상이한 시간에 반응기로부터 취하고 원심분리하여 잔류 고체 물질로부터 액체상을 분리하였다.
식 1을 사용하여 유기 물질의 초기 총 켈달 질소 (TKN)를 기초로 하여 원심분리된 샘플의 전환을 구하였다:
Conv1= (V물 x TKN원심분리된 액체)/(m건조 샘플 x TKN건조 샘플) (1)
액체 생성물은 아미노산 농도 및 반응의 전환을 얻기 위해 2가지 상이한 방법을 사용하여 분석하였다. 제1 방법은 변형 마이크로-켈달 방법을 이용하여 액체 샘플의 총 질소 함량을 결정하였다. 질소 함량 (TKN) x 6.25는 조단백질 함량을 추정한다. 제2 방법에서는 HPLC를 이용하여 샘플 내에 존재하는 개별 아미노산의 농도를 얻었다. 본 절차에서, 샘플을 염산 (150℃, 1.5 h 또는 100℃, 24 h)으로 처리하여 단백질 및 폴리펩티드를 아미노산으로 전환시켰고; 상기 측정치는 총 아미노산 조성으로 부른다. 유리 아미노산 조성을 결정한다.
추가의 측정치가 포함된다: 액체 생성물의 최종 pH, 45℃에서 물을 증발시킨 후 원심분리된 액체 중 가용성 물질의 질량, 및 105℃에서 건조시킨 후 잔류 고체의 질량. 상기 최종 측정치인 잔류 고체의 질량은 물로 추가로 세척하지 않고 최종 혼합물을 스크린을 통해 여과하여 결정하였다. 보유된 고체를 105℃에서 건조시켰다. 건조 중량은 불용성 고체뿐만 아니라, 잔류 고체에 용존되어 보유된 가용성 고체를 또한 포함하였다.
실시예 2: 알팔파 건초에서 단백질 가용화
알팔파 건초는 반추동물 영양물에서 일반적으로 사용된다.
보다 높은 사료 소화율은 더 적은 사료로 동물 요구가 만족될 것을 보장한다. 알팔파 건초를 처리하면 2가지 별개의 생성물, 즉 액체 생성물에서 발견되는 고도 소화성 가용성 분획, 및 탈리그닌화 잔류 고체를 생성시킨다.
알팔파 건초를 시장에서 최소 비용 기초로 수산화칼슘으로 처리하였다. 표 3에서, 상이한 상태의 알팔파의 조성이 요약된다.
상이한 상태의 알팔파의 조성 (McDonald et al., 1995)
알팔파 (건조 질량의 %) 가용성 조단백질 리그닌 셀룰로스 헤미-셀룰로스
새로운 초기 개화기 60 19 7 23 2.9
중간 개화기 54 18.3 9 26 2.6
만개 48 14 10 27 2.1
건초, 햇빛에 말린, 초기 개화기 58 18 8 24 2.7
중간 개화기 54 17 9 26 2.6
후기 개화기 48 14 12 26 2.2
성숙 개화기 42 12.9 14 29 2.2
햇빛에 말린 알팔파 건초는 미국 텍사스주 브라이언 소재의 프로듀서즈 코오퍼레이티브 (Producers Cooperative)로부터 입수한 후; 토마스-윌리 실험 밀 (아서 에이치. 토마스 컴퍼니 (Arthur H. Thomas Company), 미국 펜실베니아주 필라델피아)을 사용하여 연마하고, 40-메시 스크린을 통해 체질하였다. 수분 함량, 총 켈달 질소 (단백질 분획의 추정치), 및 아미노산 함량을 결정하여 출발 물질을 특성화하였다.
원료 알팔파 건초는 89.92% 건조 물질 및 10.08% 수분이었다 (표 4). TKN은 2.534%이었고, 약 15.84%의 건조 알팔파 중 조단백질 농도에 대응한다 (표 5). 나머지 84.16%는 섬유, 당, 미네랄 등에 해당한다. 원료 알팔파 건초에 대한 아미노산 조성을 표 6에 나타낸다. 출발 물질은 낮은 수준의 티로신을 가지면서 비교적 잘 균형을 이룬 아미노산 함량 (표 6)을 함유하였다.
원료 알팔파 건초의 수분 함량
샘플 고체 (g) 건조 고체 (g) 건조 고체 (%)
1 7.1436 6.4248 89.94
2 5.9935 5.3884 89.90
평균 89.92
원료 알팔파 건초의 단백질 및 미네랄 함량
샘플 TKN(%) P (%) K (%) Ca (%) Mg (%) Na (ppm) Zn (ppm) Fe (ppm) Cu(ppm) Mn (ppm)
1 2.5492 0.2 2.27 1.8383 0.4591 6508 16 90 6 45
2 2.5181 0.2 2.16 17.865 0.4321 6176 16 94 5 42
평균 2.5336 0.2 2.215 1.8124 0.4456 6342 16 92 5.5 43.5
공기 건조된 알팔파 건초의 아미노산 조성
아미노산 측정된 아미노산 측정된
ASP 14.44 TYR 2.94
GLU 11.85 VAL 5.61
SER 6.13 MEt 1.01
HIS 1.39 PHE 5.59
GLY 5.30 ILE 4.40
THR 4.95 LEU 10.06
ALA 5.63 LYS 5.77
CYS ND TRP ND
ARG 5.58 PRO 9.35
ND: 측정되지 않음 값은 g AA/100g 총 아미노산.
실험 1. 온도 효과
알팔파 건초에서 단백질을 가용화시키는데 대한 온도의 효과를 결정하기 위해, 실험을 석회 로딩 및 알팔파 농도 (각각 0.075 g 석회/g 알팔파 및 60 g 건조 알팔파/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 온도에서 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 7에 요약한다.
알팔파 건초의 단백질 가용화에서 온도의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
온도 (℃) 50 75 90 100 115
알팔파의 질량 (g) 56.7 53.4 56.7 56.7 56.7
물 부피 (mL) 850 800 850 850 850
석회의 질량 (g) 4.3 4.0 4.3 4.3 4.3
초기 온도 (℃) 50.3 73.2 94.1 93.1 105
pH 최종 11.1 11.3 10.7 9.9 9.85
잔류 고체 (g) 39.5 34.9 37 36.8 35
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.6024 3.549 3.4995 3.6248 3.1551
100 mL 중 단백질 (g) 0.346 0.390 0.355 0.338 0.328
단백질 농도 (%) 13.3 11.0 10.1 9.3 10.4
표 8은 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중의 총 질소 함량을 보여준다. 건조 알팔파에 대한 평균 TKN (2.53%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였다 (표 9).
실험 1에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (알팔파 건초)
온도
시간 (min) 50℃ 75℃ 90℃ 100℃ 115℃
0 0.0506 0.0503 0.0526 0.0576 0.0474
5 0.0520 0.0669 0.0609 0.0641 0.0620
10 --- 0.0640 --- --- ---
15 0.0609 0.0653 0.0637 0.0713 0.0756
30 0.0665 0.0655 0.0679 0.0813 0.0813
45 0.0692 0.0771 0.0719 0.0958 0.0955
60 0.0679 0.0771 0.0761 0.1039 0.0927
120 --- 0.0778 --- --- ---
150 0.0554 --- 0.0568 0.0540 0.0525
180 --- 0.0624 --- --- ---
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 1에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (알팔파 건초)
온도
시간 (min) 50℃ 75℃ 90℃ 100℃ 115℃
0 33.5 33.3 34.8 38.2 31.4
5 34.4 44.3 40.3 42.5 41.1
10 --- 42.4 --- --- ---
15 40.3 43.2 42.2 47.2 50.1
30 44.0 43.4 45.0 53.9 53.9
45 45.8 51.0 47.6 63.5 63.3
60 45.0 51.0 50.4 68.8 61.4
120 --- 51.5 --- --- ---
150 36.7 --- 37.6 35.8 34.8
180 --- 41.3 --- --- ---
단백질 가수분해의 최종 생성물은 개별 아미노산이고, 이는 히드록실과 반응하고 석회를 소비하고 pH를 감소시킨다. 이는 높은 단백질 전환에 대해 얻어진 보다 낮은 pH를 설명한다 (표 7 및 9).
모든 온도에 대한 유사한 초기 전환은 알팔파 내의 고분획의 가용성 성분 (약 50%, 표 3 참조)에 의해 설명될 수 있다. 나머지보다 더 낮은 최종 전환은 상이한 샘플링 방법에 의해 설명된다. 모든 초기 샘플은 내부 온도에서 반응기로부터 샘플링 포트를 통해 취하였다. 최종 샘플에 대해, 유체를 35℃로 냉각시키고, 질소 압력을 해제하고, 고체를 여과한 후 샘플을 취하였다. 최종 샘플에 대한 샘플링 절차는 보다 많은 변수를 측정하기 위해 변경하였다. 상기 동일한 절차를 다른 실험에 대해 따랐다.
고도 가용성 알팔파 성분은 용존 고체 내에 존재한다. 표 7은 75℃에서 액체 증발 후 남은 고체 중 단백질 농도가 약 11%임을 보여준다. 이는 실제로 원료 알팔파 내의 단백질 함량보다 더 낮지만, 처리 단계는 단백질을 고도 소화성 아미노산으로 전환시키고, 이들 아미노산을 다른 고도 소화성 알팔파 성분과 혼합되어 최종 생성물의 영양 가치를 증가시킨다.
도 18은 연구된 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 단백질 가수분해 (전환%)를 제시한다. 전환은 보다 높은 온도에서 증가한다. 100℃에 대한 전환은 115℃에서 얻어진 것과 유사하고; 따라서, 보다 낮은 온도에서 아미노산이 더 적게 분해할 것이고 요구되는 에너지는 더 작고 작업 압력은 더 낮기 때문에 유리하다.
실험 2. 석회 로딩 효과
알팔파 건초의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩의 효과를 결정하기 위해, 실험을 온도 및 알팔파 농도 (각각 75℃ 및 40 g 건조 알팔파/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 석회/알팔파 비에서 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 10에 요약한다.
알팔파 건초의 단백질 가용화에서 석회 로딩 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
석회 로딩 (g 석회/g 알팔파) 0 0.05 0.075 0.1 0.2 0.4
알팔파의 질량 (g) 37.8 37.8 37.8 37.8 37.8 37.8
물 부피 (mL) 850 850 850 850 850 850
석회의 질량 (g) 0 1.9 2.9 3.8 7.6 15.2
온도 (℃) 75 75 75 75 75 75
초기 온도 (℃) 78.1 71.2 78.2 58.3 80.3 81.5
pH 최종 5.7 10 10.7 --- 11.4 11.2
잔류 고체 (g) 23.5 24.1 22.8 20.3 23.7 29.5
100 mL 중 용존 고체 (g) 1.3489 1.8645 2.0201 1.9289 1.9215 2.1651
100 mL 중 단백질 (g) 0.286 0.249 0.231 0.267 0.264 0.251
표 11은 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다.
실험 2에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (알팔파 건초)
석회 로딩
시간 (min) 0 g/g 0.05 g/g 0.075 g/g 0.1 g/g 0.2 g/g 0.4 g/g
0 0.0360 0.0364 0.0353 0.0370 0.0319 0.0345
5 0.0401 0.0394 0.0370 0.0392 0.0394 0.0373
15 0.0457 0.0423 0.0377 0.0427 0.0423 0.0401
30 0.0457 0.0452 0.0451 0.0441 0.0423 0.0450
45 0.0485 0.0466 0.0488 0.0462 0.0481 0.0457
60 0.0485 0.0511 0.0510 0.0478 0.0481 0.0498
150 0.0457 0.0394 0.0370 0.0427 0.0554 0.0401
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
건조 알팔파 건초에 대한 평균 TKN (2.53%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 12에 제시한다.
실험 2에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (알팔파 건초)
석회 로딩
시간 (min) 0 g/g 0.05 g/g 0.075 g/g 0.1 g/g 0.2 g/g 0.4 g/g
0 35.7 36.1 35.0 36.7 31.6 34.2
5 39.8 39.1 36.7 38.9 39.1 37.0
15 45.3 41.9 37.4 42.3 41.9 39.8
30 45.3 44.8 44.7 43.7 41.9 44.6
45 48.1 46.2 48.4 45.8 47.7 45.3
60 48.1 50.7 50.6 47.4 47.7 49.4
150 45.3 39.1 36.7 42.3 54.9 39.8
다시, 알팔파 내에 존재하는 고도 가용성 성분 (약 50%, 표 3 참조) 때문에 초기 전환은 모든 석회 로딩에 대해 유사하다. 0.2 g 석회/g 알팔파에서 실험에 대한 최종 전환 (150분)은 증가한 반면 다른 것은 감소하였으므로 서로 상이하였다. 0.2 g 석회/g 알팔파의 경우에, 최종 샘플을 샘플링 포트를 통해 취한 반면, 다른 로딩에 대한 최종 샘플은 반응기를 열고 샘플을 꺼내어 취하였다.
도 19는 연구된 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 가용화된 단백질 (전환%)을 제시한다. 전환은 모든 석회 로딩에 대해, 심지어 석회를 사용하지 않는 실험에 대해서도 유사하다. 상기 거동은 알팔파 건초 중 고도 가용성 함량에 관련된다.
무석회 실험에서, 가용성 단백질은 수성상에 존재하지만; 히드록실기가 묽어서 고체상 또는 고체-액체 계면에서 반응이 일어나지 않았다. 가수분해 반응은 이들 조건 하에 보다 느릴 것이므로 보다 소량의 유리 아미노산이 존재하였다. 최종 pH는 5.7이었고; 마찬가지로, 바이오매스로부터 방출된 산 (예를 들어, 아세틸기) 및 단백질로부터 방출된 아미노산 때문에 pH가 산성으로 되었다. 석회가 사용되지 않았으므로, 용존 고체의 농도는 보다 낮았다. 표 10에서 다른 모든 경우에, 석회는 용존 고체의 일부였다.
도 19는 석회 로딩이 알팔파 건초의 단백질 가용화에 대해 유의한 효과가 없음을 보여준다. 최소 석회 로딩은 알칼리성 가수분해보다 더 손상을 주는 경향이 있는 단백질의 산 가수분해를 피하기 위해 권장될 수 있다. 상기 석회 로딩은 액체 생성물 내에 보다 고농도의 유리 아미노산을 생성시킬 것이다.
실험 3. 알팔파 농도 효과
알팔파 건초의 단백질 가용화에 대한 초기 알팔파 농도의 효과를 결정하기 위해, 실험을 온도 및 석회 로딩 (각각 75℃ 및 0.075 g 석회/g 알팔파)을 일정하게 유지하면서 상이한 알팔파 농도에서 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 13에 요약한다.
단백질 가용화에서 초기 알팔파 농도의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
알팔파 농도 (g 건조 알팔파/L) 20 40 60 80
알팔파의 질량 (g) 18.9 37.8 53.4 75.6
물 부피 (mL) 850 850 800 850
석회의 질량 (g) 1.5 2.9 4.0 5.7
온도 (℃) 75 75 75 75
초기 온도 (℃) 78.1 78.2 73.2 82.1
pH 최종 10.7 10.7 11.3 11
잔류 고체 (g) 9.7 22.8 34.9 53.3
100 mL 중 용존 고체 (g) 1.0072 2.0201 3.549 4.1349
100 mL 중 단백질 (g) 0.154 0.231 0.390 0.450
표 14는 상이한 알팔파 농도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 알팔파에 대한 평균 TKN (2.53%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 15에 제시한다.
실험 3에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (알팔파 건초)
알팔파 농도
시간 (min) 20 g/L 40 g/L 60 g/L 80 g/L
0 0.0175 0.0353 0.0503 0.0514
5 0.0182 0.0370 0.0669 0.0571
10 --- --- 0.0640 ---
15 0.0204 0.0377 0.0653 0.0770
30 0.0211 0.0451 0.0655 0.0727
45 0.0218 0.0488 0,0771 0.0946
60 0.0218 0.0510 0.0771 0.0883
120 --- --- 0.0778 ---
150 0.0247 0.0370 --- 0.0720
180 --- --- 0.0624 ---
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 3에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (알팔파 건초)
알팔파 농도
시간 (min) 20 g/L 40 g/L 60 g/L 80 g/L
0 34.6 35.0 33.3 25.6
5 36.0 36.7 44.3 28.4
10 --- --- 42.4 ---
15 40.4 37.4 43.2 38.3
30 41.8 44.7 43.4 36.2
45 43.1 48.4 51.0 47.1
60 43.1 50.6 51.0 44.0
120 --- --- 51.5 ---
150 48.9 36.7 --- 35.8
180 --- --- 41.3 ---
20 g 알팔파/L에서 실험에 대한 최종 전환 (150분)은 증가한 반면 다른 것은 감소하였으므로 다른 것과 상이하였다. 20 g 알팔파/L의 경우에, 최종 샘플은 샘플링 포트를 통해 취한 반면, 다른 농도에 대한 최종 샘플은 반응기를 열고 샘플을 꺼내어 취하였다.
도 20은 연구된 상이한 알팔파 농도에 대한 시간의 함수로서 단백질 가용화 (전환%)를 제시한다. 전환은 알팔파 농도가 증가함에 따라 60 내지 80 g/L의 최대치에 도달할 때까지 증가하고; 이 시점에서, 석회 및 알팔파의 질량이 매우 크기 때문에, 알팔파가 액체상에 접촉하는 것이 어렵고, 이는 전환을 감소시켰다. 80 g/L에 대한 전환은 20 g/L에 대해 얻어진 것과 유사하다. 또한, 40 및 60 g/L에 대한 전환은 유사하다. 표 13에 보이는 바와 같이, 용존 고체는 보다 높은 알팔파 농도에 대해 보다 많다.
실험 4. 통계적 분석
알팔파 건초의 단백질 가용화에서 연구된 변수들 사이에 상관관계가 존재하는지 결정하기 위해, 변수로서 온도, 석회 로딩 및 알팔파 로딩, 및 반응 변수로서 60 min에서 TKN 가용화 (전환)를 이용하여 추가의 23 계승 (factorial) 실험을 실행하였다. 연구된 조건을 각 실험에 대해 얻어진 전환과 함께 표 16에 요약한다.
23 계승 실험 설계로 연구된 실험 조건
조건 Var 1 온도 (℃) Var 2 석회 로딩 (g 석회/g 고체) Var 3 알팔파 농도 (g/L) Y 전환(%)
1 75 0.075 40 50.6
2 100 0.075 40 53.9
3 75 0.1 40 47.4
4 100 0.1 40 58.6
5 75 0.075 60 51.0
6 100 0.075 60 68.8
7 75 0.1 60 60.4
8 100 0.1 60 67.3
반응 변수를 사용하여, 평균, 변수 효과 및 연구된 변수들 사이의 상호작용을 얻기 위해 전환값을 사용하여 예이츠 (Yates) 알고리즘을 수행하였다. 상기 정보를 표 17에 요약한다. 측정치의 변화성을 결정하기 위해, 조건 I 및 5를 3중으로 반복하였다 (표 18).
예이츠 알고리즘 결과 (Milton and Arnold, 1990)
칼럼 1 칼럼 2 칼럼 3 예이츠 결과 예이츠 결과의 해석
104.49 210.48 458.00 57.25 평균
105.98 247.52 39.32 9.83 E1 (변수 1의 효과)
119.87 14.58 9.27 2.32 E2 (변수 2의 효과)
127.65 24.74 -3.00 -0.75 I12 (변수 1 및 2의 상호작용)
3.37 1.49 37.04 9.26 E3 (변수 3의 효과)
11.20 7.78 10.16 2.54 I13 (변수 1 및 3의 상호작용)
17.79 7.83 6.29 1.57 I23 (변수 2 및 3의 상호작용)
6.96 -10.83 -18.66 -4.67 I123 (변수 1, 2 및 3의 상호작용)
표준 편차 계산 및 결과
조건 1회 반복 2회 반복 3회 반복 평균
5 54.68 47.66 51.04 51.13
1 51.95 50.56 55.12 52.55
S2 8.891 SE 1.491
표 18에서, 분산 (S2)은 연구된 두 조건의 평균 분산으로서 계산하였다. 이어서, SE (변수 효과의 표준 편차)는 4개 값에 대한 평균 분산을 이용하여 추정하였다 (23 계승에서 효과 및 상호작용은 4개 계산치의 평균값이다). 4 자유도 및 99% 신뢰도가 주어지면, t-스튜던트 (student)값은 3.747이다. 이어서, 상기 t-값에 SE (1.491)를 곱하면 예이츠 결과 칼럼에서 유의하지 않은 효과의 한계를 제공한다 (-5.59 및 5.59).
표 17로부터, 유일한 유의한 효과는 변수 1 (온도, E1 = 9.83>5.59) 및 변수 3 (알팔파 농도, E3 = 9.26>5.59)으로부터의 것이다. 이는 실험 1 및 3에서의 관찰과 일치한다. 계승 설계에서 얻어진 값으로부터, 유의하지 않은 변수 상호작용의 존재는 온도 및 알팔파 농도의 효과가 두 변수가 모두 높을 때 최고 전환을 제공하는 상가적(additive)임을 의미한다. 다른 조건에서 상이한 현상이 일어날 수 있기 때문에 상기 분석은 보다 높은 온도 및 농도 (실험 3에서 보이는 바와 같이)에 쉽게 외삽될 수 없다.
알팔파 건초로부터 단백질의 가용화에 대한 석회 로딩의 유의한 효과는 없고 (E2 = 2.32<5.59), 상기 변수는 다른 변수와 상호작용하지 않고 (I12 및 I23 <5.59); 따라서, 석회 로딩은 단백질 가용화 대신 전적으로 아미노산으로의 단백질의 산 가수분해를 방지하는데 기초할 수 있다. 전환은 개별적인 가수분해된 아미노산이 아니라 액체 생성물 중에 질소 (단백질)의 존재만을 나타낸다.
원료 및 잔류 고체의 조성을 비교하면 단백질 가용화에 대한 석회 처리 알팔파의 유효성에 대한 정보를 제공한다. 두 물질에 대한 조성을 표 19에 나타낸다. 이들 결과는 계승 설계의 조건 5 (75℃, 0.075 g 석회/g 알팔파 및 60 g 알팔파/L)에 대해 얻어졌다.
원료 알팔파 건초 및 석회 처리후 잔류 고체에 존재하는 단백질 및 미네랄 함량의 비교
샘플 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(%) Zn(%) Fe(%) Cu(%) Mn(%)
건조 알팔파 2.5336 0.20 2.21 1.8124 0.4456 5342 16 92 5.5 43.5
잔류 고체 2.2383 0.18 1.42 3.3554 0.4166 3969 71 137 17 37
표 19는 잔류 고체의 칼슘 농도가 원료 알팔파보다 더 큰 것을 보여준다. 상기 값은 물에 완전 가용성이 아닌 처리를 위해 첨가된 석회 때문에 증가한다. 칼륨 및 나트륨에 대한 값은 이들 염의 고용해도 때문에 석회 처리 동안 감소한다. 잔류 고체 내에 존재하는 질소는 석회 처리전 원료에 대해 얻어진 값과 유사하다. 이는 가용물 중 질소의 농도가 원료 중 농도와 유사함을 의미한다.
조건 5에서 가용화된 알팔파의 분획은 다음과 같이 계산하였다:
가용성 분획 = 1 - {32.5 g 잔류 고체 - [(3.55 g 용존 고체/100 mL 액체)* 200 mL 수분]}/53.4 g 초기 알팔파 = 0.524 g 가용화된/g 알팔파.
상기 계산은 200 mL의 액체에 함유된 용존 고체에 대해 보정한다. 상기 값 (0.524 g 가용화된/g 알팔파)을 표 20에 기록한다.
조건 5에 대해 측정된 변수
알팔파의 질량 (g) 53.4 pH 최종 11.3
물 부피 (mL) 800 잔류 고체 (g) 32.5
석회의 질량 (g) 4.0 100 mL 중 용존 고체 (g) 3.55
온도 (℃) 75 알팔파의 가용성 분획 0.524
실험 5. 아미노산 분석
알팔파 건초를 권장된 조건: 100℃, 0.075 g 석회/g 알팔파 및 60 g 알팔파/L로 60 min 및 24 h 동안 석회로 처리하였다. 아미노산 분석은 3가지 상이한 방식으로 수행하였다:
1) 원심분리된 액체 생성물-유리 아미노산 분석. 분석은 샘플의 여분의 HCl 가수분해 없이 이루어졌다. 아미노산은 분석 절차에 의해 파괴되지 않았지만, 가용성 폴리펩티드가 분석에서 손실될 수도 있다.
2) 원심분리된 액체 생성물-총 아미노산 분석. 분석은 액체 샘플의 24-h HCl 가수분해로 이루어졌다. 일부 아미노산이 분석 절차에 의해 파괴되거나 다른 아미노산으로 전환되었고; 가용성 폴리펩티드가 분석에서 측정된다.
3) 원심분리된 액체로부터 물을 증발시킨 후 건조 생성물. 상기 샘플은 고체이므로, HCl 가수분해가 필요하였다. 일부 아미노산 (아스파라긴, 글루타민 및 트립토판)이 산에 의해 파괴되어 측정될 수 없었다.
표 21 및 22는 각각 60 min 및 24 h에서 석회 처리된 알팔파에 대한 유리 아미노산 및 총 아미노산 농도를 보여준다. 표 23은 두 샘플에 대한 단백질 및 미네랄 함량을 보여준다.
60 min에서 석회-가수분해된 알팔파 건초의 원심분리된 액체 생성물에 대한 유리 및 총 아미노산 농도
아미노산 비가수분해된-유리 아미노산 가수분해된-총 아미노산
농도 (mg/L) 백분율 (%) 농도 (mg/L) 백분율 (%)
ASN 165.87 17.17 0.00 0.00
GLN 0.00 0.00 0.00 0.00
ASP 54.30 5.62 334.81 23.04
GLU 109.11 11.29 155.35 10.69
SER 44.87 4.64 78.72 5.42
HIS 0.00 0.00 0.00 0.00
GLY 44.50 4.61 86.83 5.98
THR 18.97 1.96 43.65 3.00
ALA 37.34 3.87 76.42 5.26
ARG 77.27 8.00 110.28 7.59
TYR 0.00 0.00 18.68 1.29
CYS 36.57 3.79 ND 0.00
VAL 39.31 4.07 71.03 4.89
MET 4.68 0.48 0.00 0.00
PHE 9.20 0.95 47.82 3.29
ILE 22.62 2.34 39.62 2.73
LEU 27.35 2.83 64.06 4.41
LYS 5.58 0.58 31.22 2.15
TRP 18.81 1.95 ND 0.00
PRO 249.78 25.85 294.47 20.27
총 966.15 100 1452.95 100
24 h에서 석회-가수분해된 알팔파 건초로부터 원심분리된 액체 생성물에 대한 유리 및 총 아미노산 농도
아미노산 비가수분해된-유리 아미노산 가수분해된-총 아미노산
농도 (mg/L) 백분율 (%) 농도 (mg/L) 백분율 (%)
ASN 76.10 8.07 0.00 0.00
GLN 0.00 0.00 0.00 0.00
ASP 70.26 7.45 239.79 17.51
GLU 116.33 12.33 157.16 11.47
SER 38.93 4.13 76.64 5.59
HIS 0.00 0.00 0.00 0.00
GLY 96.01 10.18 141.65 10.34
THR 9.48 1.00 37.28 2.72
ALA 37.19 3.94 74.06 5.41
ARG 75.25 7.98 93.55 6.83
TYR 0.00 0.00 8.43 0.62
CYS 35.66 3.78 ND 0.00
VAL 38.89 4.12 66.17 4.83
MET 0.00 0.00 0.00 0.00
PHE 10.48 1.11 48.45 3.54
ILE 21.90 2.32 39.84 2.91
LEU 25.95 2.75 60.90 4.45
LYS 0.00 0.00 26.76 1.95
TRP 17.56 1.86 ND 0.00
PRO 273.28 28.97 299.16 21.84
총 943.24 100.00 1369.82 100.00
알팔파 건초의 석회-처리의 원심분리된 액체 내에 존재하는 단백질 및 미네랄 함량의 비교
샘플 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
60 min 0.0742 0.0062 0.149 0.2342 0.027 538 2 4 0 2
24 h 0.0926 0.0082 0.155 0.2342 0.031 518 2 6 0 2
모든 실험에 대해, 원심분리된 액체는 켈달 결정에서 측정되지만 아미노산 분석에서는 측정되지 않을 수 있는 매우 고농도의 현탁된 미립자 물질을 함유하였다. 이는 아미노산 결정 및 켈달 분석을 이용하는 추정된 단백질 농도 사이의 차이 (1.45 대 4.64 및 1.37 대 5.79 g 단백질/L)를 설명한다.
표 21-23을 비교하면 질소 농도는 60 min에서 24 h로 증가하지만 총 아미노산 농도는 비교적 일정하게 유지되고, 따라서 알팔파 건초의 가수분해에서 장기 처리가 필요하지 않음을 보여준다.
마지막으로, 생성물의 아미노산 조성을 다양한 가축의 필요한 필수 아미노산에 비교하였다.
표 24는 건조 생성물 및 액체 생성물의 아미노산 조성을 보여준다 (둘 모두 유리 아미노산 및 총 아미노산 - 표 21). 60 min에서 석회-가수분해된 알팔파 건초의 아미노산 조성은 상이한 단위 가축의 필수 아미노산 요구치에 관하여 잘 균형을 이루지 않는다. 히스티딘, 트레오닌, 메티오닌 및 리신에 대한 값이 특히 낮고; 일부 다른 아미노산은 모두는 아니지만 대부분의 동물에 충분하다 (트레오닌, 티로신). 알팔파 건초의 석회 가수분해는 프롤린 및 아스파라긴이 매우 풍부한 생성물을 생성하지만, 이들은 가축의 사료에서 필수 아미노산이 아니다.
생성물의 아미노산 분석 및 다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치 (알팔파 건초)
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 건조 생성물 액체 (FAA) 원료알팔파
ASN 17.17
GLN 0.00
ASP 7.52 5.62 14.44
GLU 11.40 11.29 11.85
SER 5.32 4.64 6.13
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.25 0.71 0.00 1.39
GLY 6.50 4.61 5.30
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 2.53 1.96 4.95
ALA 4.55 3.87 5.63
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 6.36 8.00 5.58
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 9.00 4.07 5.61
CYS 2.00* 2.41* 3.67* 4.00* 1.92* 6.36 3.79 ND
MET 2.00* 2.41* 2.07 2.25 1.92* 0.95 0.48 1.01
TYR 4.38+ 4.05+ 2.93+ 5.85+ 3.75+ 2.78 0.00 2.94
PHE 4.38+ 4.05+ 1.40 3.15 3.75+ 5.53 0.95 5.59
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 5.54 2.34 4.40
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 10.77 2.83 10.06
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 1.49 0.58 5.77
TRP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 ND 1.95 ND
PRO 12.70 25.85 9.35
*시스테인 + 메티오닌 +타이로신 + 페닐알라닌 FAA 유리 아미노산
모든 값은 g 아미노산/100 g 단백질.
2가지 액체 샘플 (유리 대 총 아미노산) 사이의 차이는 총 아미노산 결정에서 일부 아미노산 (특히 트립토판, 아스파라긴 및 글루타민)의 산 분해에 의해 설명될 수 있다. 또한, 원심분리된 액체 중의 일부 단백질은 석회에 의해 가수분해되지 않을 수 있고, HPLC 분석에 의해 검출되지 않는 가용성 폴리펩티드로서 존재할 수 있다. 액체 샘플 및 건조 생성물 중의 총 아미노산의 차이는 액체 샘플 내에 존재하는 고농도의 현탁된 물질 (3500 rpm에서 5분 동안 원심분리)에 의해 설명된다. 상기 현탁된 물질은 HCl 가수분해 전 제1 단계가 15000 rpm에서 원심분리이기 때문에 총 아미노산 측정 동안 결정되지 않았다. 현탁된 물질은 건조 생성물의 중요 부분을 형성하고, 이는 아미노산 조성에 대한 매우 상이한 결과를 설명한다.
알팔파에 대한 최고 단백질 가용화 (68%)는 60 min, 0.075 g Ca(OH)2/g 알팔파, 100℃, 및 60 g 건조 알팔파/L을 사용하여 달성되었다. 단백질 가용화는 온도에 따라 증가하고; 보다 높은 알팔파의 초기 농도는 전환을 60 내지 80 g 알팔파/L의 한계까지 증가시킨다.
알팔파 성분의 고용해도 때문에, 가용화된 단백질은 많고 연구된 모든 경우에 극적으로 변하지 않았다 (43% 내지 68%). 석회 로딩은 연구된 4가지 변수 중 최소의 효과를 갖지만, 일부 석회는 알팔파 내에 자연적으로 존재하는 산이 아미노산을 손상시키는 것을 방지하고 최종 생성물 내에 보다 고비율의 유리 아미노산을 얻기 위해 요구된다.
마지막으로, 생성물의 아미노산 조성은 다양한 단위 가축에 대한 필수 아미노산 요구치에 비교하여 불량하다. 생성물은 히스티딘 (분석에서 과소평가됨), 트레오닌, 메티오닌 및 리신이 적다. 아스파라긴 및 프롤린이 특히 풍부하지만, 이들은 동물 사료에서 요구되지 않는다. 단백질 생성물은 반추동물에 가장 적합하다.
석회 처리는 홀로셀룰로스 분획의 소화율을 증가시켜 (Chang et al., 1998), 열화학적 처리로부터의 잔류 고체의 가치를 증가시킨다. 두 생성물을 반추동물 먹이로서 사용하면 초기 물질에 비해 더 효율적인 소화를 보장한다.
실시예 3: 대두 건초에서 단백질 가용화
대두는 보통 몇몇 식품 생산을 위해 수확된다. 수확 과정 동안, 사용되지 않는 폐기물 생성물이 대량으로 생성된다.
추가로, 일부 특수한 기후 조건 (예를 들어 긴 건기, 긴 우기)이 대두 성장을 방해한다. 낮은 농작물 수율은 대두 수확을 식품업 대신 동물 사료 (대두 건초)의 생산으로 이끈다.
대두 건초의 처리는 2가지 별개의 생성물: 고도 소화성 가용성 분획 및 탈리그닌화 잔류 고체를 생성할 것이다. 보다 높은 먹이 소화율은 더 적은 사료로 동물 요구가 만족될 것을 보장한다.
햇빛에 말린 대두 건초 (즉, 베어낸 대두 식물의 잎, 줄기 및 콩)는 테라본 컴퍼니 (Terrabon Company)로부터 입수한 후; 토마스-윌리 실험 밀 (아서 에이치. 토마스 컴퍼니)을 사용하여 연마하고, 40-메시 스크린을 통해 체질하였다. 수분 함량, 총 질소 (단백질 분획의 추정치), 및 아미노산 함량을 결정하여 출발 물질을 특성화하였다.
표 25에서, 상이한 상태의 대두의 조성을 요약한다.
상이한 상태의 대두의 조성 (McDonald et al., 1995)
대두 조섬유(g/kg) 조단백질(g/kg) 소화성 조단백질(g/kg) 전분 및 당
대두분 58 503 -- 124
대두분, 전지 48 415 -- 91
건초, 햇빛에 말린 366 156 101 --
대두 건초는 91.31% 건조 물질 및 8.69% 수분이었다 (표 26). TKN은 3.02%이었고, 약 19%의 건조 대두 건초 중 조단백질 농도에 대응한다 (표 27). 나머지 81%는 섬유, 당, 미네랄 등에 해당한다. 원료 대두 건초에 대한 아미노산 조성을 표 28에 제시한다.
공기 건조된 대두 건초의 수분 함량
샘플 고체(g) 건조 고체 (g) 건조 고체 (%)
1 5.1781 4.7297 91.34
2 5.5824 5.0967 91.30
3 5.4826 5.0048 91.29
평균 91.31
공기 건조된 대두 건초의 단백질 및 미네랄 함량
샘플 TKN (%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn (ppm)
원료 대두 3.0183 0.37 2.24 1.6477 0.3606 1399 34 280 13 53
공기 건조된 대두 건초의 아미노산 조성
아미노산 측정된 아미노산 측정된
ASP 16.79 TYR 2.82
GLU 15.10 VAL 4.85
SER 5.65 MET 0.88
HIS 2.55 PHE 5.36
GLY 4.46 ILE 4.27
THR 4.23 LEU 9.32
ALA 4.82 LYS 5.93
CYS ND TRP ND
ARG 7.75 PRO 5.21
ND: 측정되지 않음 값은 g AA/100 g 총 아미노산.
실험 1. 결과의 반복가능성
대두 건초에서 단백질을 가용화시키는데 대한 결과의 반복가능성을 결정하기 위해, 실험을 동일한 조건: 온도, 석회 로딩 및 대두 건초 농도 (각각 100℃, 0.05 g 석회/g 대두 건초 및 60 g 건조 대두 건초/L)에서 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 29에 요약한다.
대두 건초의 단백질 가용화에서 결과의 반복가능성을 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
실험 B E J K
대두 건초의 질량 (g) 55.9 55.9 55.9 55.9
물 부피 (mL) 850 850 850 850
석회의 질량 (g) 2.8 2.8 2.8 2.8
초기 온도 (℃) 93 93.5 105 98.1
pH 최종 8.6 8.9 8.6 8.9
잔류 고체 (g) 35.3 36.8 37 35.4
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.5706 2.3927 2.7449 2.7116
100 mL 중 단백질 (g) 0.770 0.799 0.837 0.779
표 30은 원심분리된 액체 샘플 중의 총 질소 함량을 온도, 석회 로딩 및 대두 건초 농도의 동일한 조건에 대한 시간의 함수로서 보여준다. 건조 대두 건초에 대한 평균 TKN (3.02%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였다 (표 31).
실험 1에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (대두 건초)
시간 (min) B E J K
0 0.0808 0.0741 0.0799 0.0831
5 0.0768 0.0837 0.0837 0.0876
15 0.0916 0.0876 0.0965 0.0996
30 0.1002 0.0939 0.1028 0.1078
45 0.1068 0.0977 0.1084 0.1203
60 0.1008 0.1009 0.1239 0.1222
150 0.1231 0.1277 0.1338 0.1246
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 1에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (대두 건초)
시간 (min) B E J K 평균
0 44.6 40.9 44.1 45.8 43.8
5 42.4 46.2 46.2 48.3 45.8
15 50.5 48.3 53.2 55.0 51.8
30 55.3 51.8 56.7 59.5 55.8
45 58.9 53.9 59.8 66.4 59.8
60 55.6 55.7 68.4 67.4 61.8
150 67.9 70.5 73.8 68.7 70.2
도 21은 동일한 실험 조건에서 4가지 상이한 실행에 대한 시간의 함수로서 대두 건초의 단백질 가수분해를 제시한다. 사례마다 변화성이 비교적 적고; 분산은 중간값에서 증가하는 경향이 있고 극단에서 더 작다. 시간 거동으로부터, 150분에서 값이 최대 전환에 가깝고 - 이는 변화율이 모든 경우에 대해 비교적 작기 때문이다.
실험 2. 온도 효과
대두 건초에서 단백질을 가용화시키는데 대한 온도의 효과를 결정하기 위해, 실험을 석회 로딩 및 대두 건초 농도 (각각 0.05 g 석회/g 대두 건초 및 60 g 건조 대두 건초/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 온도에서 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 32에 요약한다.
대두 건초의 단백질 가용화에서 온도의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
온도 (℃) 75 100 115
대두 건초의 질량 (g) 55.9 55.9 55.9
물 부피 (mL) 850 850 850
석회의 질량 (g) 2.8 2.8 2.8
초기 온도 (℃) 75.3 93 100.2
pH 최종 9.5 8.6 8
잔류 고체 (g) 36.2 35.3 34.6
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.7593 2.5706 2.6568
100 mL 중 단백질 (g) 0.647 0.770 0.823
표 33은 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 대두 건초에 대한 평균 TKN (3.02%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였다 (표 34).
실험 2에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (대두 건초)
온도
시간 (min) 75℃ 100℃* 115℃
0 0.0822 0.0795 0.0781
5 0.0869 0.0830 0.0856
15 0.0889 0.0938 0.093
30 0.0916 0.1012 0.1008
45 0.0969 0.1083 0.1094
60 0.0982 0.1120 0.1140
150 0.1035 0.1273 0.1315
*4회 실험 실행의 평균. TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 2에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (대두 건초)
온도
시간 (min) 75℃ 100℃* 115℃
0 45.4 43.8 43.1
5 47.9 45.8 47.2
15 49.0 51.8 51.3
30 50.5 55.8 55.6
45 53.5 59.8 60.4
60 54.2 61.8 62.9
150 57.1 70.2 72.6
*4회 실험 실행의 평균.
도 22는 연구된 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 단백질 가수분해 (전환%)를 제시한다. 전환은 보다 높은 온도에서 증가한다. 100℃에 대한 전환은 115℃에서 얻어진 것과 유사하고; 따라서, 보다 낮은 온도에서 아미노산이 더 적게 분해될 것이고 요구되는 에너지는 더 적고 작업 압력은 더 낮기 때문에 유리하다.
표 32의 분석은 다시 보다 많은 석회가 아미노산 생성물과 반응하기 때문에, 및 생성물의 단백질 비율은 전환이 증가함에 따라 증가하기 때문에 단백질 가용화가 증가함에 따라 pH가 감소된 것을 보여준다.
75℃에서의 전환은 100 및 115℃에서의 전환과 통계적으로 상이하다. 모든 경우에, 반응 속도는 150분에서 감소하는 경향이 있다.
실험 3. 석회 로딩 효과
대두 건초의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩의 효과를 결정하기 위해, 온도 및 대두 건초 농도 (각각 100℃ 및 60 g 건조 대두 건초/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 석회/대두 건초 비율에서 실험을 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 35에 요약한다.
대두 건초의 단백질 가용화에서 석회 로딩 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
석회 로딩 (g 석회/g 대두 건초) 0 0.05 0.1
대두 건초의 질량 (g) 55.9 55.9 55.9
물 부피 (mL) 850 850 850
석회의 질량 (g) 0 2.8 5.6
온도 (℃) 100 100 100
초기 온도 (℃) 93.5 98.1 90.5
pH 최종 5.9 8.9 10.8
잔류 고체 (g) 36.1 35.4 34.4
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.1803 2.7116 3.4937
100 mL 중 단백질 (g) 0.560 0.779 0.906
표 36은 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 대두 건초에 대한 평균 TKN (3.02%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 37에 제시한다. 대두 건초 내에 존재하는 가용성 성분 때문에 초기 전환은 모든 석회 로딩에 대해 유사하다.
실험 3에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (대두 건초)
석회 로딩
시간 (min) 0 (g/g) 0.05 (g/g)* 0.1 (g/g)
0 0.0787 0.0795 0.0761
5 0.0850 0.0830 0.0811
15 0.0908 0.0938 0.1147
30 0.0895 0.1012 0.0965
45 0.0914 0.1083 0.1128
60 0.0888 0.1120 0.1178
150 0.0895 0.1273 0.1448
*4회 실험 실행의 평균. TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 3에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (대두 건초)
석회 로딩
시간 (min) 0 (g/g) 0.05 (g/g)* 0.1 (g/g)
0 43.4 43.8 42.0
5 46.9 45.8 44.7
15 50.1 51.8 63.3
30 49.4 55.8 53.2
45 50.4 59.8 62.2
60 49.0 61.8 65.0
150 49.4 70.2 79.9
*4회 실험 실행의 평균.
도 23은 연구된 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 가용화된 단백질 (전환율)을 제시한다. 전환은 석회 로딩이 증가함에 따라 증가하여, 무석회 실험에서 0.05 g/g 석회 로딩으로 변화시킬 때 최대 효과를 낸다. "평형"은 무석회 경우에 15분에서 달성되고, 100℃에서 추가 처리는 추가의 단백질 가용화를 생성시키지 않는다. 따라서, 대두 건초에서 효율적인 단백질 가용화를 위해 최소 석회 로딩이 요구된다. 0.05 및 0.1 g/g의 석회 로딩 사이의 차이는 150분에 대해서만 통계적으로 유의하다.
무석회 실험에서, 최종 pH는 5.9이었다. 마찬가지로, 바이오매스로부터 방출된 산 (예를 들어, 아세틸기) 및 단백질로부터 방출된 아미노산 때문에 pH는 산성으로 되었다. 석회가 사용되지 않았으므로, 용존 고체의 농도는 보다 낮았다. 표 35에 기록된 다른 모든 경우에, 석회는 용존 고체의 일부였다.
실험 4. 대두 건초 농도 효과
단백질 가용화에 대한 초기 대두 건초 농도의 효과를 결정하기 위해, 실험을 온도 및 석회 로딩 (각각 100℃ 및 0.05 g 석회/g 대두 건초)을 일정하게 유지하면서 상이한 대두 건초 농도에서 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 38에 요약한다.
단백질 가용화에서 초기 대두 건초 농도의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
대두 건초 농도 (g 건조 대두 건초/L) 40 60 80
대두 건초의 질량 (g) 37.8 53.4 75.6
물 부피 (mL) 850 800 850
석회의 질량 (g) 2.9 4.0 5.7
온도 (℃) 75 75 75
초기 온도 (℃) 78.2 73.2 82.1
pH 최종 10.7 11.3 11
잔류 고체 (g) 22.8 34.9 53.3
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.0201 3.549 4.1349
100 mL 중 단백질 (g) 0.231 0.390 0.450
표 39는 상이한 대두 건초 농도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 대두 건초에 대한 평균 TKN (3.02%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 40에 제시한다.
실험 4에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (대두 건초)
대두 건초 농도
시간 (min) 40 g/L 60 g/L 80 g/L
0 0.0531 0.0741 0.1065
5 0.0503 0.0837 0.1215
15 0.0592 0.0876 0.1264
30 0.0639 0.0939 0.1399
45 0.0681 0.0977 0.1514
60 0.0701 0.1009 0.1472
150 0.1028 0.1277 0.1221
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 4에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (대두 건초)
대두 건초 농도
시간 (min) 40 g/L 60 g/L 80 g/L
0 44.0 43.8 44.1
5 41.7 45.8 50.3
15 49.1 51.8 52.3
30 53.0 55.8 57.9
45 56.5 59.8 62.7
60 58.1 61.8 60.9
150 85.2 70.2 50.5
도 24는 연구된 상이한 대두 건초 농도에 대한 시간의 함수로서 단백질 가용화 (전환율)를 제시한다. 단백질 가용화가 60 min 미만의 시간에 대해서는 대두 건초 농도에 따라 변하지 않음을 보여준다. 150분에서의 값은 결과가 앞선 값에 상당하지 않기 때문에 아마도 일부 샘플링 문제를 갖는다. 표 38로부터, 최종 생성물 내에 존재하는 용존 고체 및 단백질은 대두 건초의 농도가 증가함에 따라 증가한다.
원료 및 잔류 고체의 조성을 비교하면 단백질 가용화에 대한 석회-처리 대두 건초의 유효성에 대한 정보를 제공한다. 두 물질에 대한 조성을 표 41에 나타낸다. 이들 결과는 100℃, 0.05 g 석회/g 대두 건초 및 60 g 대두 건초/L에 대해 얻어졌다.
원료 대두 건초 내에 존재하는 단백질 및 미네랄 함량을 석회 처리 후 잔류 고체 및 원심분리된 액체와 비교
샘플 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na (ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
원료 대두 3.0183 0.37 2.24 1.6477 0.3606 1399 34 280 13 53
잔류 고체 1.9824 0.33 0.78 3.1171 0.1845 1326 19 158 9 35
원심분리된 액체 0.1176 0.0104 0.155 0.2114 0.0146 104 2 10 0 2
*150분에 대해.
표 41은 잔류 고체의 칼슘 농도가 원료 대두 건초보다 더 큰 것을 보여준다. 상기 값은 물에 완전 가용성이 아닌 처리를 위해 첨가된 석회 때문에 증가한다. 다른 미네랄에 대한 값은 이들 염의 고용해도 때문에 석회 처리 동안 감소한다. 잔류 고체 내에 존재하는 질소는 석회 처리전 원료에 대해 얻어진 값보다 33% 더 적다.
원심분리된 액체는 석회로 인해 매우 고농도의 칼슘을 갖고, 이는 최종 생성물 (원심분리된 액체의 물 증발 후) 중 칼슘 농도가 질소 함량보다 더 높을 것임을 의미한다. 최종 생성물 중 단백질 대 칼슘의 비는 비 = (0.1176 x 6.25) /0.2114 = 3.48 g 단백질/g Ca이다.
가용화된 대두 건초의 분획은 다음과 같이 계산한다:
가용성 분획 = 1 - {26.2 g 잔류 고체 - [(15.6 g 용존 고체/572 mL 액체)*200 mL 수분]}/55.9 g 초기 대두 건초 = 0.450 g 가용화된/g 대두 건초.
상기 계산은 200 mL의 액체에 함유된 용존 고체에 대해 보정한다. 고체는 세척되지 않아서, 보유된 액체는 용존 고체를 포함한다. 상기 값 (0.450 g 가용화된/g 대두 건초)을 표 42에 기록한다.
100℃, 0.05 g 석회/g 대두 건초, 및 60 g 대두 건초/L에 대해 측정된 변수
대두 건초의 질량 (g) 55.9 pH 최종 9.7
물 부피 (mL) 850 잔류 고체 (g) 36.2
석회의 질량 (g) 2.8 572 mL 중 용존 고체 (g) 15.6
온도 (℃) 100 대두 건초의 가용성 분획 0.45
실험 5. 아미노산 분석
대두 건초를 권장된 조건: 100℃, 0.05 g 석회/g 대두 건초, 및 60 g 대두 건초/L로 150분 및 24 h에서 석회로 처리하였다. 아미노산 분석은 3가지 상이한 방식으로 수행하였다:
1) 원심분리된 액체 생성물-유리 아미노산 분석. 분석은 샘플의 여분의 HCl 가수분해 없이 이루어졌다. 아미노산은 분석 절차에 의해 파괴되지 않았지만, 가용성 폴리펩티드가 분석에서 손실될 수도 있다.
2) 원심분리된 액체 생성물-총 아미노산 분석. 분석은 샘플의 24-h HCl 가수분해로 이루어졌다. 일부 아미노산이 분석 절차에 의해 파괴되거나 다른 아미노산으로 전환되었고; 가용성 폴리펩티드는 분석에서 측정된다.
3) 원심분리된 액체로부터 물을 증발시킨 후 건조 생성물. 상기 샘플은 고체이므로, HCl 가수분해가 필요하였다. 일부 아미노산 (아스파라긴, 글루타민 및 트립토판)이 산에 의해 파괴되어 측정될 수 없었다.
표 43 및 표 44는 각각 150분 및 24 h에서 석회 처리된 대두 건초에 대한 유리 아미노산 및 총 아미노산 농도를 보여준다. 표 45는 두 샘플에 대한 단백질 및 미네랄 함량을 보여준다.
150 min에서 석회-가수분해된 대두 건초의 원심분리된 액체 생성물에 대한 유리 및 총 아미노산 농도
아미노산 비가수분해된-유리 아미노산 가수분해된-총 아미노산
농도 (mg/L) 백분율 (%) 농도 (mg/L) 백분율 (%)
ASN 213.48 30.64 0.00 0.00
GLN 0.00 0.00 0.00 0.00
ASP 69.49 9.97 447.76 33.01
GLU 46.46 6.67 172.72 12.73
SER 9.12 1.31 52.72 3.89
HIS 14.51 2.08 35.29 2.60
GLY 61.58 8.84 106.68 7.87
THR 6.36 0.91 37.01 2.73
ALA 20.63 2.96 58.07 4.28
ARG 97.44 13.98 142.70 10.52
TYR 0.00 0.00 16.78 1.24
CYS 36.45 5.23 0.00 0.00
VAL 20.71 2.97 48.20 3.55
MET 0.00 0.00 0.00 0.00
PHE 25.63 3.68 55.38 4.08
ILE 10.35 1.48 34.89 2.57
LEU 13.21 1.90 54.62 4.03
LYS 0.00 0.00 37.77 2.78
TRP 25.86 3.71 0.00 0.00
PRO 25.58 3.67 55.72 4.11
총 696.85 100 1356.33 100
24 h에서 석회-가수분해된 대두 건초의 원심분리된 액체 생성물에 대한 유리 및 총 아미노산 농도
아미노산 비가수분해된-유리 아미노산 가수분해된-총 아미노산
농도 (mg/L) 백분율 (%) 농도 (mg/L) 백분율 (%)
ASN 98.37 17.04 0.00 0.00
GLN 0.00 0.00 0.00 0.00
ASP 82.54 14.30 336.84 25.65
GLU 45.62 7.90 196.13 14.93
SER 6.44 1.12 52.93 4.03
HIS 0.00 0.00 25.71 1.96
GLY 97.90 16.96 150.13 11.43
THR 0.00 0.00 33.85 2.58
ALA 26.50 4.59 69.22 5.27
ARG 81.84 14.18 122.09 9.30
TYR 0.00 0.00 20.91 1.59
CYS 34.26 5.94 0.00 0.00
VAL 19.19 3.33 50.05 3.81
MET 0.00 0.00 0.00 0.00
PHE 21.72 3.76 54.20 4.13
ILE 10.79 1.87 37.79 2.88
LEU 7.83 1.36 60.64 4.62
LYS 0.00 0.00 35.50 2.70
TRP 23.27 4.03 0.00 0.00
PRO 20.88 3.62 67.49 5.14
총 577.16 100 1313.48 100
대두 건초의 석회-처리의 원심분리된 액체 중에 존재하는 단백질 및 미네랄 함량의 비교
샘플 TKN (%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
150 min 0.1176 0.0104 0.155 0.2114 0.0146 104 2 10 0 2
24 h 0.1562 0.0146 0.149 0.2716 0.0186 104 2 16 0 2
두 경우에 대해, 가수분해된 총 아미노산 농도는 대략 유리 아미노산 농도의 2배이다. 이는 50%의 아미노산이 작은 펩티드 형태로 존재하는 것을 보여준다.
모든 실험에 대해, 원심분리된 액체는 켈달 결정에서 측정되지만 아미노산 분석에서는 측정되지 않을 수 있는 매우 고농도의 현탁된 미립자 물질을 함유하였다. 이는 아미노산 결정 및 켈달 분석으로부터 추정된 단백질 농도 사이의 차이 (1.36 대 7.35 및 1.31 대 9.76 g 단백질/L)를 설명한다.
표 43-45를 비교하면 질소 농도는 150분에서 24 h로 증가하지만, 총 아미노산 농도는 비교적 일정하게 유지되고, 따라서 대두 건초의 가수분해에서 장기 처리가 필요하지 않음을 보여준다.
마지막으로, 단백질 생성물의 아미노산 조성을 다양한 가축의 필수 아미노산 필요치에 비교하였다.
표 46은 대두 건초의 가수분해로부터의 아미노산 생성물이 상이한 단위 가축의 요구치에 관하여 잘 균형을 이루지 않음을 보여준다. 히스티딘, 트레오닌, 메티오닌 및 리신에 대한 값이 특히 낮고; 일부 다른 아미노산 (티로신, 발린)은 모두는 아니지만 대부분의 동물에 충분하다. 대두 건초의 석회 가수분해는 아스파라긴이 매우 풍부한 생성물을 생성하지만, 이는 반추동물에 가장 적합한 사료에서 필수적이지 않다.
생성물의 아미노산 분석 및 다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치 (대두 건초)
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 건조 생성물 액체 (FAA) 원료
ASN 30.64
GLN 0.00
ASP 6.68 9.97 16.79
GLU 9.56 6.67 15.10
SER 7.11 1.31 7.84
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.25 0.00 2.08 2.55
GLY 10.69 8.84 4.46
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 1.80 0.91 4.23
ALA 5.05 2.96 4.82
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 6.19 13.98 7.75
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 7.08 2.97 4.85
CYS 2.00* 2.41* 3.67* 4.00* 1.92* 9.22 5.23 ND
MET 2.00* 2.41* 2.07 2.25 1.92* 0.87 0.00 0.88
TYR 4.38+ 4.05+ 2.93+ 5.85+ 3.75+ 2.71 0.00 2.82
PHE 4.38+ 4.05+ 1.40 3.15 3.75+ 5.26 3.68 5.90
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 5.15 1.48 4.27
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 9.81 1.90 9.32
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 1.10 0.00 5.93
TRP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 ND 3.71 ND
PRO 11.70 3.67 5.21
*시스테인 + 메티오닌 +타이로신 + 페닐알라닌 FAA 유리 아미노산
모든 값은 g 아미노산/100 g 단백질.
2가지 액체 샘플 (유리 대 총 아미노산 - 표 43 및 표 45) 사이의 차이는 총 아미노산 결정에서 일부 아미노산 (특히 트립토판, 아스파라긴 및 글루타민)의 산 분해에 의해 설명될 수 있다. 또한, 원심분리된 액체 중의 일부 단백질은 석회에 의해 가수분해되지 않을 수 있고, HPLC 분석에 의해 검출되지 않는 가용성 폴리펩티드로서 존재할 수 있다. 액체 샘플 및 건조 생성물 중의 총 아미노산의 차이는 액체 샘플 내에 존재하는 고농도의 현탁된 물질 (3500 rpm에서 5분 동안 원심분리)에 의해 설명된다. 상기 현탁된 물질은 HCl 가수분해 전 제1 단계가 15000 rpm에서의 원심분리이기 때문에 총 아미노산 측정 동안 결정되지 않았다. 현탁된 물질은 건조 생성물의 중요 부분을 형성하고, 이는 아미노산 조성에 대한 매우 상이한 결과를 설명한다.
최고 단백질 가용화 (85%)는 0.05 g Ca(OH)2/g 대두 건초, 150분, 100℃, 및 40 g 건조 대두 건초/L을 사용하여 달성되었다. 상기 실험에서 연구된 변수의 효과를 다음과 같이 요약할 수 있다:
단백질 가용화는 온도에 따라 증가하고, 100℃에서는 115℃와 동일한 결과를 제공한다. 권장된 온도는 에너지 요구치가 보다 적고 압력 용기가 필요하지 않기 때문에 100℃이다. 대두 건초의 초기 농도는 60 min 미만의 시간에서 단백질 가용화에 중요한 효과를 갖지 않는다. 최소 석회 로딩 (적어도 0.05 g Ca(OH)2/g 대두 건초)은 단백질을 효율적으로 가용화시키기 위해 필요하다. 모든 경우에 대해, 단백질 가용화는 시간에 따라 증가하고 최대값은 150분에 대해 얻어진다. 대두 건초 농도는 연구된 4가지 변수 중 최소의 유의한 효과를 갖는다.
가수분해 생성물에 대한 아미노산 분석 및 다양한 단위 가축에 대한 필수 아미노산 요구치를 비교하면 잘 균형을 이룬 생성물이 아님을 보여준다. 이는 고농도의 아스파라긴 (비필수 아미노산임)을 갖는다.
알팔파 건초의 경우에서와 같이, 단백질 생성물은 반추동물에 가장 적합하다. 석회 처리는 홀로셀룰로스 분획의 소화율을 증가시켜 (Chang et al., 1998), 열-화학적 처리로부터의 잔류 고체의 가치를 증가시킨다. 두 생성물을 반추동물 먹이로서 사용하면 초기 물질에 비해 더 효율적인 소화를 보장한다.
실시예 4: 닭 찌꺼기에서 단백질 가용화
닭 찌꺼기는 텍사스 에이앤엠 포울트리 사이언스 디파트먼트 (Texas A&M Poultry Science Department)로부터 입수하였다. 일반적으로, 찌꺼기는 뼈, 머리, 부리 및 발을 포함할 수 있지만, 본 경우에 내장 (예를 들어, 심장, 폐, 장, 간)만을 포함하였다. 찌꺼기를 산업용 블렌더에서 10분 동안 블렌딩하고, 플라스틱병에 모으고, 마지막으로 이후 사용을 위해 -4℃에서 동결시켰다. 상기 블렌딩된 물질의 샘플을 사용하여 수분 함량, 총 질소 (단백질 분획의 추정치), 회분 (미네랄 분획) 및 아미노산 함량을 얻어 출발 물질을 특성화하였다.
식 1은 찌꺼기의 초기 총 켈달 질소 (TKN)를 기초로 원심분리된 샘플의 전환을 정의한다:
Conv1 = {V물 x TKN원심분리된 액체}/{m건조 찌꺼기 x TKN건조 찌꺼기} (1)
식 2는 찌꺼기의 초기 총 켈달 질소 (TKN)를 기초로 원심분리되지 않은 샘플의 전환을 정의한다:
Conv2 = {V물 x TKN원심분리되지 않은 액체}/{m건조 찌꺼기 x TKN건조 찌꺼기} (2)
식 3은 질량 균형을 이용하여 초기 찌꺼기 질소의 분획 손실 TKN을 추정한다:
LTKN = 1- [{V물 x TKN원심분리되지 않은 액체}/{m건조 찌꺼기 x TKN건조 찌꺼기}] (2)
원료 찌꺼기는 33.3% 건조 물질 및 66.7% 수분이었다 (표 47 참조). 건조 찌꺼기의 조단백질 농도는 약 45%이고 회분 함량은 약 1%이고; 나머지 54%는 섬유 및 지방이었다.
원료 찌꺼기의 물 함량 (g)
도가니 찌꺼기 (g) 건조 물질 (g) %건조 중량
J 32.2197 10.6402 33.024
A 30.8807 10.4548 33.855
4 28.6961 9.512 33.147
평균 33.342
건조 물질 (105℃의 오븐).
실험 1. 공정 변수의 효과
실험 1은 A 내지 H로 표지한 8개의 실행을 포함하였다. 실행 A, B 및 C는 100℃에서 20 g 건조 찌꺼기/L 및 0.1 g Ca(OH)2/g 찌꺼기를 사용하여 시험하였다. 이들 조건은 닭 깃털에 대해 동일한 종류의 반응을 연구한 선행 실험의 최적 결과로부터 얻었다 (Chang and Holtzapple, 1999). 나머지 실행 (D 내지 H)는 표 48에 나타낸 바와 같은 상이한 작동 조건에서 수행하였다.
실험 1에 사용된 실험 조건 (닭 찌꺼기)
실행 온도(℃) Ca(OH)2 질량 (g) 습식 찌꺼기 질량 (g) 물 부피 (mL) Ca(OH)2 로딩(g/g 건조 찌꺼기) 건조 찌꺼기 농도(g/L) 최종 pH
A 100 1.70 51.5 850 0.099 20.20 9.50
B 100 1.70 51.2 850 0.100 20.08 9.65
C 100 1.70 51.5 850 0.099 20.20 9.50
D 100 3.40 102.3 850 0.100 40.13 9.55
E 100 5.10 153.3 850 0.100 60.13 9.50
F 100 2.55 102.5 850 0.075 40.21 8.90
G 100 1.70 102.4 850 0.050 40.17 9.10
H 75 3.40 102.4 850 0.100 40.17 10.10
표 49는 8개의 실행에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 찌꺼기에 대한 평균 TKN (7.132%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 50에 제시한다. 표 50에서 전환은 도 25-28 V.4에 그래프로 도시한다.
실험 1에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중의 총 켈달 질소 함량 (닭 찌꺼기)
실험
시간 (min) A B C D E F G H
5 0.0698 0.0520 0.0635 0.1332 0.2112 0.1438 0.0862 0.1191
10 0.0721 0.0543 0.0658 0.1354 0.2112 0.1461 0.0851 0.1191
15 0.0721 0.0543 0.0647 0.1366 0.2134 0.1473 0.0851 0.1213
25 0.0721 0.0554 0.0658 0.1388 0.2156 0.1495 0.0874 0.1179
35 0.0721 0.0566 0.0647 0.1388 0.2145 0.1517 0.0874 0.1191
45 0.0721 0.0554 0.0635 0.1388 0.2168 0.1495 0.0874 0.1179
60 0.0721 0.0600 0.0658 0.1399 0.2156 --- --- ---
90 0.0721 0.0600 0.0669 0.1445 0.2156 --- --- ---
120 0.0721 0.0589 0.0669 0.1433 0.2168 0.1507 0.0918 0.1202
180 0.0765 0.0623 0.0681 0.1433 0.2179 --- --- ---
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 1에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로 분획 전환 (닭 찌꺼기 - 식 1)
실험
시간 (min) A B C D E F G H
5 0.467 0.350 0.425 0.466 0.511 0.502 0.301 0.416
10 0.482 0.365 0.440 0.473 0.511 0.510 0.297 0.416
15 0.482 0.365 0.433 0.478 0.516 0.514 0.297 0.424
25 0.482 0.373 0.440 0.485 0.522 0.522 0.305 0.412
35 0.482 0.381 0.433 0.485 0.519 0.529 0.305 0.416
45 0.482 0.373 0.425 0.485 0.525 0.522 0.305 0.412
60 0.482 0.404 0.440 0.489 0.522 --- --- ---
90 0.482 0.404 0.447 0.505 0.522 --- --- ---
120 0.482 0.396 0.447 0.501 0.525 0.526 0.321 0.420
180 0.512 0.419 0.456 0.501 0.527 --- --- ---
도 25-28은 이들 조건에서, 고체상 내의 질소의 액체상으로의 전환이 효율적이지 않음 (45 내지 55%)을 보여준다. 이는 고체상의 많은 단백질이 수산화물과 반응하지 않거나 형성된 아미노산이 다시 고체상으로 침전함을 의미한다. 다른 고려사항은 수산화물을 소비하여 단백질 가수분해를 느리게하는 원료 내의 지방의 존재이다.
도 25-28은 반응이 접촉 시간의 처음 10 또는 15분 동안 발생한 다음 전환 (농축)은 일정하게 유지됨을 보여준다.
도 25는 동일한 실험 조건을 사용한 상이한 실행으로부터의 결과가 유사한 전환을 제공함을 보여준다. 도 26은 전환이 원료의 상이한 초기 농도에 대해 유사함을 보여준다. 이는 액체상 내의 아미노산 농도가 보다 높은 찌꺼기 출발 농도에 대해 더 높을 것임을 의미한다.
도 27은 낮은 석회 로딩은 낮은 전환을 갖는 것을 보여주고; 따라서, 반응은 최소 로딩을 필요로 한다. 0.075 및 0.1 석회 로딩에 대해 유사한 결과가 얻어지므로, 최소 0.075 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기가 사용될 것이다. 도 28은 75℃에서 반응이 거의 100℃에서만큼 빠름을 보여준다. 보다 낮은 온도에서 아미노산이 더 적게 분해될 것이기 때문에 유리하다.
실험 2. 공정 최적화
실험 2에서 목적은 전환이 보다 많은 (보다 효율적인) 조건을 찾기 위한 것이었다. 실험 2는 I 내지 P로 표지한 총 8개의 실행을 포함하였다. 반응이 빠르고 전환은 15분 후 일정하므로, 반응의 대표적인 조건을 얻기 위해 하나의 샘플만 필요하다. 표 51은 실험 조건 및 액체 샘플 중 TKN 농도를 보여준다.
실험 2에 대한 실험 조건 및 결과 (닭 찌꺼기 - 각 실행에 대해 2개 샘플)
실행 온도 (℃) Ca(OH)2 농도(g/g 건조 찌꺼기) 건조 찌꺼기 농도(g/L) 최종 pH 시간 샘플 TKN TKN
I 50 0.100 40 8.35 1.5 h 0.2067 0.2067
J 100 0.075 40 8.45 30 min 0.169 0.2209(a)
K 100 0.075 40 8.45 2 h 0.1722 0.2296(a)
L 75 0.075 40 -- 30 min 0.2046 0.234(a)
M 75 0.075 40 2 h 0.2231 0.2318(a)
N 100 0.400 40 12.05 1 h 0.1116 0.1094
O 100 0.300 40 12.0 1-2 h 0.1203 0.1289
P 75 0.300 40 12.0 1-2 h 0.143 0.1463
(a) 원심분리되지 않은 액체 샘플. TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
표 52는 실행 I 내지 M에 대해, 전환은 식 1 (즉, 액체 TKN/고체 내에 첨가된 TKN)을 사용하여 63% 내지 84%임을 보여준다. 실행 J 내지 M에 대해, 전환은 식 2 (즉, 원심분리되지 않은 샘플 내의 액체 TKN/고체 내에 첨가된 TKN)를 사용하여 83% 내지 87%이다. 식 3은 실행 J 내지 M에 대해 75℃에서 초기 찌꺼기 질소의 13% 손실 및 100℃에서 초기 찌꺼기 질소의 15% 손실을 보여준다. 손실된 질소가 어디로 가는지는 불명료하다. 아마도 기체상으로 손실되거나, 아마도 반응기 내의 금속 표면에 부착한다. 표 51 및 표 52는 최고 전환을 갖는 실행에 대해, 최종 pH가 실험 1에 대해 및 실험 2에서 다른 실행에 대해 얻어진 모든 것보다 더 낮음을 보여준다. 실험 2로부터, 0.075 gCa(OH)2/g 건조 찌꺼기의 석회 로딩을 갖는 75℃의 온도를 권장할 수 있다.
실험 2에 대해 총 TKN의 가용성 TKN으로 분획 전환 (닭 찌꺼기)
실행 전환 샘플 1 전환 샘플 2 TKN의 분획 손실
I 0.781(1) 0.781(1)
J 0.634(1) 0.829 (2) 0.171 (3)
K 0.646(1) 0.861(2) 0.139 (3)
L 0.768(1) 0.879(2) 0.121 (3)
M 0.838(1) 0.870 (2) 0.130 (3)
N 0.436(1) 0.411(1)
O 0.452(1) 0.484(1)
P 0.536(1) 0.548(1)
(1) 식 1을 사용하여 계산된 전환. (2) 식 2를 사용하여 계산된 전환. (3) 식 3을 사용하여 계산된 손실 질소.
실험 3. 최종 생성물의 분석
도 29는 실험 2의 조건 (석회 로딩 0.075 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기, 온도 75℃, 찌꺼기 농도 40 g 건조 찌꺼기/L 및 시간 1 h) 하에 얻어진 2개의 원심분리된 액체 샘플에 대한 아미노산 스펙트럼을 보여준다. 첫째로, 추가로 처리하지 않은 원료 원심분리된 액체 샘플 중의 아미노산 조성은 HPLC 분석에 의해 결정하였다. 둘째로, 원심분리된 액체 샘플은 6-N HCl로 1 h 동안 처리하였고, 이는 단백질을 그의 대응하는 아미노산으로 가수분해시켰다. 두 결과를 비교함으로써, 석회가 닭 찌꺼기를 개별 아미노산으로 가수분해하는 것으로 결론지을 수 있고; 두 경우의 결과는 본질적으로 동일하다.
도 30은 원료 찌꺼기 및 석회 처리 후 남아있는 고체 잔류물에 대한 아미노산 스펙트럼을 비교한다. 이를 위해, 잔류 고체를 105℃에서 24 h 동안 건조시키고, 단백질 측정을 위해 샘플을 취하였다. 상기 고체 잔류물의 물 함량은 약 80%이고, 측정된 단백질은 액체상 및 고체상으로부터 기인하였다. 잔류 고체 중의 아미노산 함량은 아미노산이 액체상으로 용해되기 때문에 원료 찌꺼기보다 훨씬 더 적다.
질량 균형 및 도 V.6에 나타낸 데이타를 이용하여, 원료로부터 "추출된" 각각의 아미노산의 양은 50% 내지 75%이다. 그러나, 이는 고체에 부착한 액체 중의 단백질을 포함한다. 부착된 액체에 용해된 단백질을 빼면, 각 아미노산에 대한 추출은 조단백질의 52% 내지 76%이고, 이는 실험 2에서 얻어진 결과와 유사하다.
다른 중요한 문제는 반응기 작동 조건에서 개별 아미노산의 분해를 결정하는 것이다. 이를 결정하기 위해, 2가지 상이한 시간에서 아미노산 농도를 얻는 것이 필요하다. 도 31은 30 min에서 원심분리된 액체상에 존재하는 아미노산이 2 h에서와 거의 동일함을 보여주고; 이는 아미노산이 작동 조건에서 안정함을 의미한다. 도 32는 상이한 출발 농도의 찌꺼기를 사용하여; 다시, 아미노산이 30 min 및 2 h에서 동일한 농도임을 보여준다.
도 33은 동일한 시간, 온도 및 석회 로딩에 대해 3가지 상이한 초기 찌꺼기 농도의 결과를 비교한다. 이들 결과는 원심분리된 액체상의 아미노산 농도가 예상되는 바와 같이 보다 높은 초기 농도의 원료에 대해 더 높음을 보여준다.
도 34는 반응의 처음 10분 동안 시간의 함수로서 아미노산 농도를 검사한다. 농도는 10분 후 모든 아미노산에 대해 안정하고, 30-min 값은 또한 유사하다. 이는 실험 1에서 결론지은 바와 같이 반응이 접촉의 처음 10 내지 30 min 동안 일어남을 의미한다.
HPLC 및 켈달 방법을 이용하여 수행된 실험으로부터, 질소 함량은 두 경우에 모두 유사하였다 (표 53 참조). 이들 결과는 총 질소 함량에 주로 기여하는 것이 아미노산 (즉, 닭 찌꺼기의 단백질 함량)임을 의미한다.
도 V.10에서 실험에 대한 HPLC 및 켈달 방법을 이용한 질소 함량 (g 질소/100 g 액체 샘플)에 대한 결과 비교
2 min 3 min 5 min 10 min
HPLC 0.065 0.072 0.211 0.216
켈달 0.11 0.11 0.18 0.17
표 54는 필수 아미노산에 대한 다양한 요구치를 표 55에 나타낸 다양한 가축의 필요치에 비교한다. 표 56은 다양한 일반적인 동물 먹이의 조성을 나타내고, 또한 표 54에 비교할 수 있다.
(a) 75℃에서, 0.075 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기, 60 g 건조 찌꺼기/L 및 30 min; 및 (b) 50℃에서, 0.100 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기, 40 g 건조 찌꺼기/L 및 90 min의 두 실험의 액체상 중에 존재하는 아미노산을 상이한 동물의 식이 요구치와 비교
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 가용화 찌꺼기 (a) 가용화 찌꺼기 (b)
ASN 2.14 0.82
ASP 3.62 6.36
GLU 10.56 8.70
SER 4.54 7.21
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.25 2.92 2.23
GLY 4.89 5.35
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 5.74 6.47
ALA 8.47 6.66
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 7.95 5.22
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 7.53 6.60
CYS 2.00* 2.41* 3.67* 4.00* 1.92* 0.7 ND
MET 2.00* 2.41* 2.07 2.25 1.92* 3.83 4.23
TYR 4.38+ 4.05+ 2.93+ 5.85+ 3.75+ 1.68 4.36
PHE 4.38+ 4.05+ 1.40 3.15 3.75+ 5.42 4.65
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 6.36 5.19
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 10.91 9.37
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 3.27 7.42
TRP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 2.26 ND
PRO 6.11 6.98
*시스테인 + 메티오닌 +타이로신 + 페닐알라닌 ND 측정되지 않음
값은 g 개별 아미노산/100 g 총 아미노산으로 표현됨.
성장상 동안 가축에 대한 영양 요구치 (Ponder, 1995)
메기 개 고양이 닭 브로일러 (Broiler) 돼지
조단백질 (%) 32.0 22.0 30.0 20.0 12.0
아르기닌 (%) 1.20 0.62 1.25 1.10 0.00
메티오닌 (%) 0.64* 0.53* 0.62 0.45 0.23*
시스테인 (%) 0.64* 0.53* 1.10* 0.80* 0.23*
히스티딘 (%) 0.42 0.22 0.31 0.28 0.15
이소류신 (%) 0.73 0.45 0.52 0.73 0.30
류신 (%) 0.98 0.72 1.25 1.05 0.30
라이신 (%) 1.43 0.77 1.20 1.15 0.43
타이로신 (%) 1.40** 0.89** 0.88** 1.17** 0.45**
페닐알라닌 (%) 1.40** 0.89** 0.42 0.63 0.45**
트레오닌 (%) 0.56 0.58 0.73 0.70 0.30
트립토판 (%) 0.14 0.20 0.25 0.21 0.09
발린 (%) 0.84 0.48 0.62 0.83 0.32
주: 1) *시스테인+메티오닌 2) **타이로신+페닐알라닌3)모든 값은 사료의 백분율로 표현한다 (g/100 g 먹이).
가축의 사료에 사용된 상이한 먹이의 조성 (Pond et al., 1995)
혈액분 어분** 대두분 글루텐 가루 옥수수 가루 마일로 육분 및 골분 우모분
건조 물질 (%) 91.0 92.0 89 91.0 93.0 89.0 94 91.0
조섬유 (%) 1.0 0.9 6.0 4.0 12.0 2.0 2.4 4.7
조단백질 (%) 79.9 61.2 45.8 42.9 18.0 11.0 50.9 85.4
소화성 (%)* 62.3 56.4 41.7 35.7 14.8 7.8 45.0 60.2
아르기닌 (%) 3.50 3.74 3.20 1.40 1.20 0.36 3.05 5.33
시스테인 (%) 1.40 0.58 0.67 0.60 0.32 0.18 0.46 3.21
글라이신 (%) 3.40 -- 2.10 1.50 -- 0.40 -- --
히스티딘 (%) 4.20 1.44 1.10 1.00 -- 0.27 0.96 0.47
이소류신 (%) 1.00 2.85 2.50 2.30 -- 0.53 1.47 3.51
류신 (%) 10.30 4.48 3.40 7.60 1.70 1.42 3.02 0.42
라이신 (%) 6.90 4.74 2.90 0.80 0.90 0.27 2.89 1.67
메티오닌 (%) 0.90 1.75 0.60 1.00 0.35 0.09 0.08 0.54
페닐알라닌 (%) 6.10 2.46 2.20 2.90 0.80 0.45 1.65 3.59
트레오닌 (%) 3.70 2.51 1.70 1.40 0.90 0.27 1.60 3.63
트립토판 (%) 1.10 0.65 0.60 0.20 0.30 0.09 0.28 0.52
타이로신 (%) 1.80 1.93 1.40 1.00 1.50 0.36 0.79 2.35
발린 (%) 6.50 3.19 2.40 2.20 1.30 0.53 2.14 5.85
주: 1) *반추동물에 대한 급식 (as-fed) 기초. 2) **3종류의 어분이 있다: 안초비, 청어류 (menhaden) 및 청어 (herring). 청어류에 대해 주어진 값. 3) 아미노산의 값은 급식 기초 백분율이다 (g 아미노산/100 g 먹이).
표로 나타낸 결과는 가용화된 단백질이 50℃에서 실행에 대해 성장상 동안 동물의 필수 아미노산 요구치를 만족하거나 초과함을 나타낸다. 반면, 75℃ (최적 전환 조건)에서 티로신 및 리신에 대한 값은 요구치보다 더 낮다.
15% 단백질 (습식 기초) 또는 45% 단백질 (건식 기초)을 함유하는 닭 찌꺼기는 100℃ 미만의 온도에서 Ca(OH)2로 처리함으로써 아미노산 풍부 생성물을 얻기 위해 사용될 수 있다. 저온 요건 때문에 상기 공정을 위해 단순한 비가압 용기가 사용될 수 있다.
연구된 온도, 석회 로딩 및 찌꺼기 농도의 모든 조건에 대해, 반응 30분 후 전환에서 유의한 변화가 발생하지 않았다.
단백질 전환 (80%까지)을 최대화하기 위해 최적 조건은 75℃에서 적어도 15 min 동안 가공된 0.075 g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기이다. 초기 찌꺼기 농도는 생성물의 전환 또는 아미노산 스펙트럼에 대해 유의한 효과를 갖지 않는다.
그러나, 고도로 농축된 생성물을 얻어, 최종 생성물을 농축시키기 위한 에너지 요구치를 감소시키기 위해 높은 찌꺼기 농도가 권장된다.
100℃ 미만 및 2시간까지 수행된 모든 실험에 대해 아미노산 분해는 거의 관찰되지 않았다. 따라서, 액체 생성물을 100℃ 부근의 온도에서 증발시켜도 분해가 거의 일어나지 않을 것이다.
50℃에서, 얻어진 필수 아미노산의 스펙트럼은 성장기 동안 많은 가축에 대한 요구치를 만족하거나 초과한다. 따라서, 닭 찌꺼기를 석회 처리하여 얻어진 아미노산 풍부 고체 생성물은 이들 동물에 대한 단백질 보충물로서 역할을 할 수 있다. 75℃에서 얻어진 생성물은 요구되는 것보다 더 소량의 리신 및 티로신을 갖고, 따라서 효율적이지 않을 것이다.
실시예 5: 닭 찌꺼기 및 깃털에서 단백질 가용화
도축업에 의한 동물 장기의 폐기는 중요한 환경 문제이다. 가금 사육업에서는 이들 폐기물을 처리하기 위한 기술을 개발하기에 충분히 큰 부피로 도살장에 집중되는 대량의 폐기물 (찌꺼기, 깃털, 및 혈액)을 생성한다. 폐기물을 따로 수집하면 혈액분 (사료 보충물로 사용되는 열-건조된 혈액), 가수분해된 우모분, 가금 건조분 및 지방으로 가공할 수 있다.
가금 체중의 5%가 깃털이다. 그의 높은 단백질 함량 (건조 중량의 89.7%, 표 57) 때문에, 깃털은 식품용의 잠재적인 단백질원이지만, 경질 케라틴 구조의 완전 파괴가 필요하다 (Dalev, 1994).
가금 찌꺼기 및 닭 깃털의 조성 (Wisman et al., 1957, 및 Dalev, 1994)
% 총중량 새로운 찌꺼기 건조 물질 깃털 (건조 물질)
수분 69.5 -- --
조단백질 17.2 56.5 89.7
에테르 추출물 (지방) 8.0 26.2 1.4
조섬유 0.1 0.4 ND
회분 3.7 12.1 6.3
무질소 추출물 1.5 4.8 ND
칼슘 (Ca) 0.5 1.7 0.35
인 (P) 0.6 2.0 0.13
나트륨 (Na) ND -- 0.4
칼륨 (K) ND -- 0.9
가금 찌꺼기는 닭 깃털보다 훨씬 더 많은 히스티딘, 이소류신, 리신 및 메티오닌을 함유한다 (닭 찌꺼기 및 깃털의 특징을 표 57 내지 59에 나타낸다). 따라서, 가금 찌꺼기 및 우모분은 함께 보다 잘 균형을 이룬 아미노산을 가질 것이다 (EI Boushy and Van der Poel, 1994). 깃털/찌꺼기 공정은 깃털이 찌꺼기보다 분해하거나 가수분해하기 더 어렵다는 사실을 조정할 수 있다.
가금 찌꺼기 내의 생존 미생물의 양 (Acker et al., 1959)
세척되지 않은 세척된 사용된 한천
총 호기성균 280000 90000 트립티카제 소이
총 혐기성균 98000 28000 린덴 (Linden) 티오글리콜레이트
포자 형성 혐기성균(클로스트리듐 보툴리눔 (Clostridium botulinum)) 4500 2000 린덴 티오글리콜레이트
대장균군 (살모넬라) 20000 9000 바이올렛 레드 바일(Violet red bile)
유산균 (Lactobacilli) 270000 97000 토마토즙
효모 28000 26000 리트만 옥스갈 (Littman oxgall)
코트니 (Cottony) 진균 < 100 < 100 리트만 옥스갈
계수/g 습식 중량.
가금 찌꺼기의 조성 (Acker et al., 1959)
세척되지 않은 세척된 단위
조단백질 20.5 17.7 g/100 g 습식 물질
소화성 단백질 91.2 91.5 g/100 g 단백질
에테르 추출물 8.4 7.6 g/100 g 습식 물질
조섬유 1.1 1.0 g/100 g 습식 물질
수분 68.5 72.1 g/100 g 습식 물질
회분 4.0 4.3 g/100 g 습식 물질
연소시 손실 27.5 23.5 g/100 g 건조 물질
칼슘 1.4 1.8 g/100 g 습식 물질
인 1.1 1.3 g/100 g 습식 물질
리보플라빈 3.8 3.1 mg/100 g 건조 물질
니아신 4.8 6.3 mg/100 g 건조 물질
Ca 판토테네이트 2.3 1.1 mg/100 g 건조 물질
피로독신 0.11 0.09 mg/100 g 건조 물질
B12 52.6 9.5 ㎍/100 g 건조 물질
비타민 A 806.8 1163.9 USP 단위/100 g 건조 물질
카로텐 356.2 656.8 국제 단위/100 g 건조 물질
총 비타민 A 1163.0 1820.7 국제 단위/100 g 건조 물질
총 비타민 C 47.9 26.9 mg/100 g 건조 물질
비타민 E 3.4 7.7 국제 단위/100 g 건조 물질
이노시톨 218.1 131.5 mg/100 g 건조 물질
티아민 0.13 0.07 mg/100 g 건조 물질
엽산 0.11 0.04 mg/100 g 건조 물질
아르기닌 6.6 7.1 g/100 g 단백질
히스티딘 1.2 1.4 g/100 g 단백질
이소류신 10.5 11.0 g/100 g 단백질
류신 8.9 10.0 g/100 g 단백질
라이신 13.3 13.6 g/100 g 단백질
메티오닌 2.7 2.8 g/100 g 단백질
페닐알라닌 5.5 5.0 g/100 g 단백질
트레오닌 2.5 3.2 g/100 g 단백질
트립토판 0.9 0.7 g/100 g 단백질
발린 2.9 3.4 g/100 g 단백질
동물 사료에 배설물을 첨가하는 것이 성장에 불리한 영향을 끼칠 수 있고 (Acker et al., 1959) 또한 공중 보건 고려사항 때문에, 급식용으로 사용되는 찌꺼기는 세균 로드를 감소시키기 위해 처리될 수 있다 (표 58). 찌꺼기 내에 고수준의 회분 함량 (칼슘 및 인) 및 비타민이 존재한다 (표 59). 가금 찌꺼기는 비타민, 미네랄, 및 가능하게는 미확인 성장 인자의 중요한 공급원인 것으로 보인다 (Acker et al., 1959).
가금 부산물을 처리하는 한가지 방식은 5가지 상을 포함하는 렌더링 (rendering)에 의한 것이다:
·원료의 저장
·조리 및 건조 (멸균)
·응결
·지방 추출
·가루 취급.
가금 혈액, 깃털 및 찌꺼기, 도축 폐기물, 및 죽은 새는 반응기 (cooker)에 상이한 방식으로 도달한다. 가수분해 및 멸균은 물질이 확립된 온도 및 압력으로 주어진 시간 동안 가열되는 반응기에서 일어난다. 이어서, 물질은 생성물의 품질을 보존하기 위해 가능한 최저 온도에서 건조된다. 수증기의 응결은 환경 규제에 따라 요구된다. 건조 후 최종 생성물을 연마하고 체질한다. 마지막으로, 이러한 방식으로 제조된 생성물은 지방 함량이 16%를 초과할 수 있고; 따라서, 10-12%의 보다 낮은 지방 함량을 보장하기 위해 지방 추출 (예를 들어, 천공된 가저부를 통해 인접 탱크로 라드 (lard) 배출)이 요구된다. 추출된 지방은 사료에 대한 첨가물로서 및 다른 목적으로 사용될 수 있다 (El Boushy and Van der Poel, 1994).
멸균은 조리 동안 일어난다. 건조는 개별 건조기에서 달성된다. 2가지 상이한 종류의 건조기가 사용되었다: 디스크 (disc) 건조기 및 플래시 (flash) 건조기. 플래시 건조기가 보다 작은 바닥 공간, 오일 또는 가스에 의한 가열, 및 고품질의 최종-생성물과 같은 잇점 때문에 가장 일반적으로 사용된다 (El Boushy and Van der Poel, 1994).
렌더링 공정은 다음과 같이 상이한 폐기물을 처리하거나 상이한 생성물을 생성하기 위해 사용될 수 있다:
·닭 깃털만을 사용하는 우모분 (FM).
·찌꺼기 (내장, 머리, 발 및 혈액)로부터 가금 부산물 가루 또는 찌꺼기 가루.
·가금 찌꺼기 및 닭 깃털의 혼합물로부터 혼합 가금 부산물 가루 (PBM).
상이한 처리 조건을 사용하는 우모분 및 가금 부산물 가루에 대한 조성 및 영양 가치를 표 60-63에 나타낸다.
가금 부산물 가루의 조성
%총중량 새로운 건조 물질
수분 6.1 --
조단백질 54.6 58.1
에테르 추출물 14.9 15.9
조섬유 0.8 0.9
회분 17.0 18.1
무질소 추출물 6.6 7.0
칼슘 8.0 8.5
인 3.0 3.2
상이한 산업용 공장에서 렌더링 공정을 사용하는 찌꺼기 가루 조성 (McNaughton et al., 1977)
공장 1 공장 2 공장 3
조단백질 53.99 53.10 54.01
조지방 25.34 25.20 24.70
회분 5.52 5.96 6.06
수분 11.15 11.01 9.98
조섬유 4.00 4.73 5.25
칼슘 1.46 1.65 1.78
인 1.00 1.08 1.10
값은 총중량의 백분율
상이한 가금 폐기물 공정으로부터의 먹이의 아미노산 함량 (El Boushy and Van der Poel, 1994)
아미노산 FM (배치) FM (연속) PBM (배치) PBM (연속)
ASP 5.90 5.75 5.20 5.17
THR 4.05 4.35 2.40 2.33
SER 7.50 9.25 2.70 2.70
GLU 10.10 10.35 9.83 9.70
PRO 9.55 8.85 6.43 6.50
GLY 6.75 6.85 7.87 7.40
ALA 5.35 4.75 4.43 4.93
VAL 5.40 5.80 2.87 3.03
CYS 2.60 3.00 0.63 0.60
MET 0.50 0.40 1.07 1.43
ILE 4.15 4.25 2.23 2.30
LEU 7.00 7.25 4.20 4.37
TYR 2.35 2.40 1.80 2.00
PHE 4.30 4.10 2.40 2.53
LYS 1.80 1.90 3.70 3.80
HIS 0.60 0.55 1.10 1.20
ARG 6.65 6.60 4.77 4.77
조단백질 84.55 86.40 63.63 64.76
FM 우모분 (배치) 30-60 min, 207-690 kPa, ~150℃ (연속) 6-15 min, 483-690 kPa, ~150℃PBM 가금 부산물 가루 (혈액, 깃털 및 찌꺼기), 배치 또는 연속, 30-40 min, 380 kPa, 142℃.
상이한 가금 폐기물의 아미노산 함량 및 이용성 (El Boushy and Van der Poel, 1994)
FM 이용성 PBM 이용성
ASP 5.02 56 5.46 67
GLU 7.96 62 8.00 77
SER 6.73 64 6.09 81
HIS 0.55 59 1.08 72
GLY 4.47 -- 6.59 --
THR 3.36 62 3.22 76
ALA 4.85 78 4.35 78
ARG 5.44 77 5.45 84
TYR 2.23 65 2.52 77
VAL 6.41 75 4.81 77
MET 0.79 65 1.14 77
PHE 3.89 77 3.63 79
ILE 4.15 78 3.25 79
LEU 6.19 73 5.78 78
LYS 1.57 64 2.81 77
PRO 9.39 71 6.13 77
CYS 4.26 65 2.43 62
우모분은 약 85%의 조단백질을 함유하고; 이는 시스테인, 트레오닌 및 아르기닌이 풍부하지만, 메티오닌, 리신, 히스티딘 및 트립토판이 부족하다 (El Boushy and Roodbeen, 1980). 합성 아미노산 또는 후자의 아미노산이 풍부한 다른 물질을 첨가하면 생성물의 품질을 개선할 것이다. 높은 압력에서, 닭 깃털은 "진득진득해지는 (gum)" 경향이 있어서 비유리 유동 가루를 제공한다.
찌꺼기 및 깃털은 텍사스 에이앤엠 포울트리 사이언스 디파트먼트로부터 입수하였다. 사용된 찌꺼기는 뼈, 머리, 부리, 발 및 내장 (예를 들어, 심장, 폐, 장, 간)을 함유한다. 찌꺼기를 산업용 블렌더에서 10분 동안 블렌딩하고, 플라스틱병에 모으고, 마지막으로 이후 사용을 위해 -4℃에서 동결시켰다. 상기 블렌딩된 물질의 샘플을 사용하여 수분 함량, 총 질소 (단백질 분획의 추정치) 및 아미노산 함량을 얻어 출발 물질을 특성화하였다. 깃털을 물로 수차례 세척하고, 주변 온도에서 공기 건조시키고, 105℃에서 건조시키고 마지막으로 토마스-윌리 실험 밀 (아서 에이치. 토마스 컴퍼니)을 사용하여 연마하고 40-메시 스크린을 통해 체질하였다.
실험은 변속 모터에 의해 전력을 공급받는 온도 조절기 및 혼합기를 갖는 2개의 오토클레이브 반응기 (12-L 및 1-L)에서 수행하였다. 연구된 조건은 닭 깃털 및 닭 찌꺼기를 모두 사용하는 선행 실험으로부터 확립하였다. 처리 조건은 온도, 원료 농도 (건조 찌꺼기+깃털/L), 수산화칼슘 로딩 (g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기+깃털) 및 시간을 포함한다. 샘플은 상이한 시간에 반응기로부터 취한 다음 원심분리하여 잔류 고체 물질로부터 액체상을 분리하였다.
데이타가 도 35에 나타낸 공정에 대해 상이한 중간 생성물에 대하여 수집되도록 일군의 단계를 따랐다.
원료 찌꺼기는 33.4% 건조 물질 및 66.6% 수분이었다. 건조 찌꺼기의 조단백질 농도는 -34% (찌꺼기 TKN 5.40%)이고, 회분 함량은 -10%이고; 나머지 56%는 섬유 및 지방이었다. 고체 원료 찌꺼기의 아미노산 분석 (표 64)는 모든 아미노산에 대한 우수한 균형을 보여준다. 아미노산 분석으로부터 총 단백질 함량은 26 g 단백질/100 g 건조 찌꺼기이다 (표 65). HPLC 결정에서 사용된 산 가수분해 동안 일부 아미노산이 파괴되었고, 켈달 (TKN) 값은 단백질 함량에 근사하는 것을 고려하면, 이들 두 값은 유사하다.
건조 원료 찌꺼기에 대한 아미노산 분석
아미노산 농도 (mg/L) 백분율 (g 아미노산/100 g 단백질)
ASP 29.565 9.900
GLU 50.559 16.930
SER 12.453 4.170
HIS 5.826 1.951
GLY 22.557 7.553
THR 12.409 4.155
ALA 20.943 7.013
ARG 22.753 7.619
TYR 10.015 3.354
VAL 15.172 5.080
MET 6.894 2.309
PHE 13.456 4.506
ILE 13.100 4.387
LEU 28.257 9.462
LYS 20.266 6.786
PRO 14.409 4.825
건조 원료 찌꺼기 샘플에 대한 아미노산 함량의 결정
변수 값
총 아미노산 농도 (mg/L) 298.63
고체 샘플 중 아미노산의 총 질량 (mg) 23.89
분석을 위한 고체 샘플의 질량 (mg) 92
건조 샘플 중 아미노산의 비율 26
닭 깃털은 92% 건조 물질 및 8% 수분이었다. 건조 깃털의 조단백질 농도는 약 95.7% (깃털 TKN 15.3%)이고; 나머지 4.3%는 섬유 및 회분이었다.
실험 1. 전체 찌꺼기 가수분해
실험 1은 완전 찌꺼기 샘플 (뼈, 머리, 부리, 발 및 내장)의 단백질 가용화를 앞서 수행된 내장만을 사용한 샘플 (챕터 V)과 비교한다. 실험 1에서 사용된 조건은 75℃, 0.10 g 석회/g 찌꺼기 및 40 g 건조 찌꺼기/L이었다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 66에 요약한다.
뼈, 머리, 부리, 발 및 내장을 갖는 찌꺼기 샘플의 단백질 가용화를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
변수 값
온도 (℃) 75
Ca(OH)2의 질량 (g) 3.5
찌꺼기의 질량 (g) 102.1
물 부피 (mL) 850
석회 로딩 (g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기) 0.103
건조 찌꺼기 농도 (g 건조 찌꺼기/L) 40.05
잔류 고체 (g) 14.2
표 67은 본 실험에 대해 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 찌꺼기에 대한 평균 TKN (5.40%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 68에 제시한다.
원료 찌꺼기 및 석회 가수분해 후 생성물의 단백질 및 미네랄 함량
조건 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
건조 찌꺼기 5.3995 0.6269 0.9181 0.3845 0.0622 3150 59 493 46 10
액체 30 min 0.1189 0.0041 0.0311 0.0539 0.001 104 0 11 0 0
액체 90 min(*) 0.1925 0.0187 0.0321 0.2 0.0031 104 2 9 2 0
액체 90 min 0.1145 0.0041 0.0311 0.0487 0.001 104 0 3 0 0
건조 잔류 고체 2.5867 0.5606 0.1005 4.1793 0.1078 560 97 187 58 15
(*)원심분리되지 않은 샘플.
총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환
샘플 전환
원심분리된 액체 30 min 59.4
원심분리되지 않은 액체 90 min 96.2
원심분리된 액체 90 min 57.2
연구된 조건에서, 고체상 내의 질소의 액체상으로의 전환은 60% 효율적이었다. 상기 값은 선행 실시예에서 동일한 조건에 대해 얻어진 것보다 더 낮지만, 이는 그전에 존재하지 않았던 뼈, 머리, 부리 및 발의 존재에 의해 설명될 수 있다. 이들 부분은 가수분해 공정의 효율을 감소시키는 회분, 미네랄, 및 불용성 성분을 보다 고비율로 함유한다. 단백질 가수분해는 30 min 내지 90 min에서 변화하지 않아 (표 68), 선행 결과와 유사하였고; 열-민감성 아미노산의 가능한 분해를 피하기 위해 30 min이 권장 시간이다. 가수분해 동안 질소의 중요한 손실은 발생하지 않았다 (96.2%는 원심분리되지 않은 샘플에 대해 설명된다).
고체 중 단백질의 중요한 감소 (약 50%)가 달성되어, 원료 찌꺼기에서 33.7%로부터 석회 처리 후 잔류 고체에서 16.2% (아미노산 분석으로부터 얻은 13.3% 값과 유사함, 표 69)이었다. 원료 찌꺼기 내에 존재하는 아미노산 및 다른 가용성 성분의 가용화로 인해 건조 고체의 중량이 58% 감소한다. 상기 잔류 고체는 심한 냄새 없이 안정하고, 성장상 동안 동물의 필수 아미노산 요구치를 만족하거나 초과하는 잘 균형을 이룬 아미노산 함량 (표 70)을 갖는다.
석회 처리 후 잔류 고체에 대한 아미노산 함량의 결정
변수 값
총 아미노산 농도 (mg/L) 180.50
고체 샘플 중 아미노산의 총 질량 (mg) 13.54
분석을 위한 고체 샘플의 질량 (mg) 102
건조 샘플 중 아미노산의 비율 13.27
석회 처리 후 잔류 고체에 대한 아미노산 분석
아미노산 농도 (mg/L) 백분율 (g 아미노산/100 g 단백질)
ASP 19.289 10.686
GLU 25.776 14.280
SER 8.512 4.716
HIS 4.314 2.390
GLY 9.178 5.085
THR 8.314 4.606
ALA 10.392 5.757
ARG 12.771 7.075
TYR 7.805 4.324
VAL 10.546 5.843
MET 4.967 2.752
PHE 10.376 5.749
ILE 9.545 5.288
LEU 20.762 11.502
LYS 9.858 5.462
PRO 8.096 4.485
석회를 사용하여 닭 찌꺼기를 처리하면 존재하는 단백질을 물에 가용성인 작은 펩티드 및 유리 아미노산으로 가수분해시킨다. 따라서, 고체상에서 액체상으로 60% TKN 전환은 액체상에서 단백질을 회수하는 효율을 나타낸다. 표 71은 상기 원심분리된 액체에 대한 아미노산 균형을 보여준다.
원심분리된 액체 샘플 (3 min)에 대한 아미노산 분석
아미노산 농도 (mg/L) 백분율(g 아미노산/100 g 단백질)
ASP 69.983 3.530
GLU 129.448 6.529
ASN 3.937 0.199
SER 98.378 4.962
GLN 26.346 1.329
HIS 25.379 1.280
GLY 69.551 3.508
THR 73.033 3.684
CIT 54.309 2.739
B-ALA 4.170 0.210
ALA 147.275 7.428
TAU 200.813 10.129
ARG 162.465 8.195
TYR 93.992 4.741
CYS-CYS 102.601 5.175
VAL 80.385 4.055
MET 51.049 2.575
TRP 36.910 1.862
PHE 86.256 4.351
ILE 74.689 3.767
LEU 179.141 9.036
LYS 136.399 6.880
PRO 76.073 3.837
총 아미노산 농도 1982.6 mg/L.
원료 찌꺼기, 원심분리된 액체 생성물, 및 잔류 고체의 아미노산 함량을 비교하면 (표 72) 원심분리된 액체 및 잔류 고체 중의 아미노산 함량이 원료 찌꺼기와 유사함을 보여준다. 이는 모든 아미노산의 가용화가 유사한 비로 일어나고, 연구된 조건에 대해 특정 아미노산의 파괴가 거의 없음을 의미한다.
닭 찌꺼기의 석회 처리 동안 상이한 물질에 대한 아미노산 함량의 비교
아미노산 찌꺼기 잔류 고체 원심분리된 액체*
ASP 9.90 10.69 4.50
GLU 16.93 14.28 8.33
SER 4,17 4.72 6.33
HIS 1.95 2.39 1.63
GLY 7.55 5.08 4.48
THR 4.16 4.61 4.70
ALA 7.01 5.76 9.48
ARG 7.62 7.08 10.46
TYR 3.35 4.32 6.05
VAL 5.08 5.84 5.17
MET 2.31 2.75 3.29
PHE 4.51 5.75 5.55
ILE 4.39 5.29 4.81
LEU 9.46 11.50 11.53
LYS 6.79 5.46 8.78
PRO 4.83 4.49 4.90
*고체 분석에 존재하는 아미노산만을 고려함.
닭 찌꺼기를 중간 온도 및 시간에서 석회로 처리하면 액체상에 존재하는 미생물의 양을 감소시킨다. 액체 매질은 세균 성장을 위한 모든 영양 요구치를 함유하므로 액체의 신속한 증발은 필수적이다.
샘플의 아미노산 분석 (표 73)은 다시 성장상 동안 동물의 필수 아미노산 요구치를 만족하거나 초과하는 매우 잘 균형을 이룬 생성물을 보여준다. 히스티딘에 대해 약간 낮은 값이 얻어진다.
다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치와 비교한 원료 및 생성물의 아미노산 분석 (전체 찌꺼기)
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 원심분리된 액체 고체 찌꺼기 잔류 고체
ASN 0.20
GLN 1.33
ASP 3.53 9.90 10.69
GLU 6.53 16.93 14.28
SER 4.96 4.17 4.72
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.25 1.28 1.95 2.39
GLY 3.51 7.55 5.08
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 3.68 4.16 4.61
ALA 7.43 7.01 5.76
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 8.19 7.62 7.08
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 4.05 5.08 5.84
CYS 2.00+ 2.41+ 3.67+ 4.00+ 1.92+ 5.18 ND ND
MET 2.00+ 2.41+ 2.07 2.25 1.92+ 2.57 2.31 2.75
TYR 4.38* 4.05* 2.93* 5.85* 3.75* 4.74 3.35 4.32
PHE 4.38* 4.05* 1.40 3.15 3.75* 4.35 4.51 5.75
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 3.77 4.39 5.29
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 9.04 9.46 11.50
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 6.88 6.79 5.46
TRIP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 1.86 ND ND
PRO 3.84 4.83 4.49
*시스테인 + 메티오닌 +타이로신 + 페닐알라닌 ND 측정되지 않음
값은 g 개별 아미노산/100 g 총 아미노산으로 표현됨.
실험 2. 찌꺼기 및 깃털 처리
닭 깃털 및 찌꺼기는 상이한 조성을 갖고, 그들의 주성분은 석회를 사용하는 단백질 가수분해 동안 다르게 거동한다. 케라틴 단백질은 찌꺼기 내의 단백질보다 가수분해시키기 어렵고, 보다 긴 시간 또는 보다 높은 온도 및 석회 농도를 필요로 한다. 도살장으로부터의 잔여 폐기물은 종종 찌꺼기 및 깃털의 혼합물을 포함하여, 상기 혼합물을 처리하면 단백질-풍부 생성물을 얻는 것이 가능하다. 2가지 생성물이 생성될 수 있다: 다양한 단위 가축에 대한 아미노산 요구치를 만족할 수 있는 잘 균형을 이룬 아미노산 함량을 갖는 하나 (찌꺼기로부터), 및 반추동물에 대한 것 (깃털로부터).
닭 깃털/찌꺼기 혼합물의 가수분해는 도 35에 나타낸 공정을 이용하여 연구하였다. 혼합물의 초기 처리는 주로 찌꺼기 내에 존재하는 단백질을 가수분해하여 액체 생성물 및 잔류 고체를 얻기 위해 이루어진다. 액체 생성물을 CO2로 버블링시켜 CaCO3 (다시 석회로 전환될 수 있다)을 침전시키고 액체상 중의 Ca의 농도를 감소시켰다. 상기 액체를 최종 증발시키면 제1 고체 아미노산 풍부 생성물을 얻는다.
1상의 잔류 고체는 닭 깃털 단백질의 가수분해를 촉진하기 위해 보다 긴 시간 (상이한 조건)에 석회로 추가로 처리하기 위해 반응기로 반송된다. 1상과 유사한 단계를 따라 제2 생성물을 얻을 것이다.
실험 A1, B1 및 C1에서는 조건 1을 사용한 반면, 실험 A2, B2 및 C2에서는 조건 2를 사용하였다.
실험 2 동안 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 74에 요약한다.
17.5 g 습식 찌꺼기/7 g 습식 깃털의 비를 도살장의 폐기물 생성물에서 정상적인 값이므로 사용하였다.
찌꺼기/깃털 혼합물의 단백질 가용화를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
변수 실험 A1 실험 A2 실험 B1 실험 B2 실험 C1 실험 C2
온도 (℃) 50 75 75 75 75 100
Ca(OH)2의 질량 36 41.4 20.7 20.7 4.8 2.7
찌꺼기의 질량 (g) 685 343 91.3
깃털의 질량 (g) 274 410 137 211.8 36.5 48.7
물 부피 (mL) 6000 3000 3000 2000 800 800
Ca(OH)2 (g/d 건조 찌꺼기) 0.075 0.101 0.086 0.098 0.075 0.055
건조 물질 (g/L) 80.08 136.53 80.13 105.79 80.02 60.81
건조 찌꺼기 (g/L) 38.06 38.12 38.05
총 TKN (g) 50.94 25.48 6.79
TKN (%) 10.60 10.60 10.60
표 75는 본 실험에 대해 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 찌꺼기 (5.40%) 및 닭 깃털 (15.3%)에 대한 평균 TKN은 10.6%의 혼합물 초기 TKN을 제공하였다. 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 76 및 표 77에 제시한다. 표 76은 먼저 찌꺼기 (조건 1) 및 두번째로 깃털 (조건 2)에 관한 전환을 고려하는 반면, 표 77은 혼합물의 초기 TKN에 관한 전환을 제공한다. 연구된 조건에서, 고체상 내의 질소의 액체상으로의 최고 전환은 60%이었다.
실험 2에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (찌꺼기/깃털 혼합물)
시간 (min) 실험 A1 실험 A2 실험 B1 실험 B2 실험 C1 실험 C2
5 0.1126 0.1015 --- 0.1183 --- ---
10 0.1210 --- 0.1109 --- --- ---
15 0.1154 0.0973 0.1238 0.1262 --- ---
30 0.1182 0.1126 0.1182 0.1431 --- ---
60 --- 0.1514 0.1349 0.1723 0.2300 ---
120 --- 0.2188 --- 0.2299 --- 0.2600
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
각각 찌꺼기 (A1, B1 및 C1) 및 깃털 (A2, B2 및 C2) TKN에 관하여, 실험 2에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환
시간 (min) 실험 A1 실험 A2 실험 B1 실험 B2 실험 C1 실험 C2
5 59.2 7.9 --- 12.3 --- ---
10 63.6 --- 58.2 --- --- ---
15 60.6 7.6 64.9 13.1 --- ---
30 62.1 8.7 62.0 14.8 --- ---
60 --- 11.8 70.8 17.9 120.9 ---
120 --- 17.0 --- 23.8 --- 26.9
실험 2에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (찌꺼기/깃털 혼합물)
시간 (min) 실험 A1 실험 A2 실험 B1 실험 B2 실험 C1 실험 C2
5 14.3 6.0 --- 9.3 --- ---
10 15.4 --- 14.1 --- --- ---
15 14.7 5.7 15.7 9.9 --- ---
30 15.0 6.6 15.0 11.2 --- ---
60 --- 8.9 17.2 13.5 29.3 ---
120 --- 12.9 --- 18.0 --- 30.7
총 27.9 35.2 60
표 76의 데이타를 기초로, 온도가 50에서 75℃로 변할 때 전환에 대한 유의한 효과가 일어나지 않았다. 실험 A1 및 B1으로부터의 결과는 30 min에 비해 60 min에서 보다 높은 전환을 보여주고; 이는 케라틴 단백질이 보다 느리게 가수분해하고 석회에 접촉하는 동안 계속 반응하기 때문인 것으로 예상된다. 또한, 표 68 및 표 76을 비교하면, 찌꺼기/닭 깃털 혼합물의 전환에 대해 찌꺼기 단독에 대한 것만큼 유사한 결과가 얻어지고; 따라서, 혼합물 내에 존재하는 찌꺼기는 찌꺼기 단독만큼 동일한 속도로 가수분해된다. 실험 A1 및 B1에서 연구된 온도에서, 닭 깃털의 가수분해는 찌꺼기에 비해 비교적 느리다. 단백질 가수분해는 조건 1에 대해 온도를 75에서 100℃로 변화시킴으로써 (실험 C1) 유의하게 증가한다. 상기 결과는 상기 조건에서 닭 깃털에 대해 예상되는 보다 큰 전환 (2 h에서 닭 깃털 가수분해에 대해 60%)에 의해 설명된다 (Chang and Holtzapple, 1999).
실험 A2 및 B2로부터의 결과는 닭 찌꺼기와의 혼합물 중 닭 깃털의 초기 "예비처리"가 깃털에 대한 가수분해 전환 (17%에서 23.8%로)을 약간 증가시키고, 닭 깃털을 완전히 가수분해하기 위해 보다 높은 온도 또는 보다 긴 시간이 요구될 수 있음을 보여준다. 실험 C2로부터의 결과는 75℃에 비해 100℃에서 보다 높은 전환을 보여준다. 문헌 [Chang and Holtzapple]의 연구로부터, 단백질 가수분해를 추가로 증가시키기 위해 훨씬 더 높은 온도 또는 더 긴 반응 시간이 이용될 수 있다.
표 78-80은 찌꺼기/깃털 혼합물의 석회 처리 공정의 상이한 단계로부터의 샘플의 총 질소 및 미네랄 함량을 보여준다. 칼슘 함량 (8%)의 약간의 감소는 pH ~6이 달성될 때까지 액체를 CO2로 버블링한 후 얻어진다. 상기 감소는 질소 함량의 유사한 감소에 의해 달성된다 (표 78). 상기 결과는 CO2를 사용한 칼슘 침전이 연구된 조건에 대해 매우 비효율적인 공정임을 보여준다.
실험 A1 & A2에 대한 석회 가수분해 후 생성물의 단백질 및 미네랄 함량
TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
고체와 함께(30 min) 0.4257
액체 1 (30 min) 0.1182 0.0093 0.0404 0.0746 0.001 259 0 3 1 0
버블링후 0.1098 0.0083 0.0352 0.0684 0 207 0 2 1 0
고체와 함께 (2 h) 0.5420
액체 2 (2 h) 0.2188 0.0041 0.0197 0.1523 0 155 1 6 1 0
버블링후 0.2108 0.0031 0.0176 0.1503 0 145 1 2 1 0
잔류 고체 1 9.0254 0.571 0.3119 4.0974 0.0756 3264 104 210 35 13
잔류 고체 2 7.9002 0.2974 0.1492 5.6684 0.1109 2694 104 301 31 16
실험 B1 & B2에 대한 석회 가수분해 후 생성물의 단백질 및 미네랄 함량
TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
고체와 함께(60 min) 0.4257
액체 1 (60 min) 0.1349 0.0104 0.0383 0.0984 0.001 259 1 5 1 0
고체와 함께(2 h) 0.5926
액체 2 (2 h) 0.2299 0.0031 0.0166 0.1668 0 135 1 2 1 0
잔류 고체 1 8.7163
잔류 고체 2 8.0355 0.313 0.0705 5.9482 0.0839 2518 77 166 20 9
실험 C1 & C2에 대한 석회 가수분해 후 생성물의 단백질 및 미네랄 함량
TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
액체 1 (60 min) 0.23 0 0.04 0.1 0 228 2 1 0 0
액체 2 (2 h) 0.26 0 0.01 0.14 0 83 1 1 0 0
잔류 고체 1 12.79 0.3 0.32 2.92 0.05 1617 73 152 19 5
잔류 고체 2 9.77 0.53 0.09 4.29 0.09 819 95 269 24 9
최종 생성물 11.71 0.12 0.55 5.17 0.01 2912 38 21 11 8
표 79는 제2 석회 처리 후, 고체 내의 단백질 함량이 원료 혼합물 중 10.6% (TKN)에서 최종 잔류 고체 중 7.9% (TKN)로 되어 약 25% 감소를 보여준다. 또한, 총 건조 중량 (가용성 물질)은 약 35% 감소한다. 상기 잔류 고체는 심한 냄새없이 안정하고, 칼슘은 비교적 고농도이고 (모든 경우에 대해 ~6%), 동물 성장에 요구되는 몇몇 아미노산에서 아미노산 함량이 불량하여; 닭 깃털 단독에 대해 얻어진 잔여물과 유사하다.
칼슘 농도가 잔류 고체 #1에서 높기 때문에, 모든 경우에 대해, 보다 적은 양의 석회가 단백질 가수분해 전환에 대해 유사한 결과를 가지면서 제2 석회 처리에 첨가될 수 있다.
모든 미네랄의 농도를 연구된 모든 경우에 대해 비교한다 (표 78-80). 원심분리된 액체 #1 및 #2 내의 질소 함량은 최고 온도에서 증가한다. 미네랄 함량 (인, 칼륨 및 나트륨)은 온도 및 시간에 따라 보다 많은 염이 가용화되므로 액체 #1에서 액체 #2로 감소한다.
표 81-83은 연구된 조건에서 얻어진 상이한 액체 생성물에 대한 아미노산 함량을 보여준다. 실험 A2 및 B2에 대해, 샘플을 24 h 동안 HCl로 가수분해한 후, 닭 깃털 가수분해로부터의 총 아미노산 농도를 결정하기 위해 아미노산 분석을 수행하였다. 실험 C2에서, 비교 목적으로 가수분해를 수행하지 않았다.
실험 A1 및 A2에서 원심분리된 액체 샘플에 대한 아미노산 분석
실험 A1 실험 A2
아미노산 농도 (mg/L) 백분율(g 아미노산/100 g 단백질) 농도 (mg/L) 백분율(g 아미노산/100 g 단백질)
ASP 205.70 5.12 412.20 7.50
GLU 454.38 11.30 649.67 11.81
ASN 9.92 0.25 40.51 0.74
SER 235.14 5.85 351.29 6.39
GLN 0.00 0.00 0.00 0.00
HIS 50.93 1.27 0.00 0.00
GLY 170.00 4.23 365.21 6.64
THR 149.34 3.72 131.27 2.39
CIT 53.03 1.32 99.38 1.81
B-ALA 6.44 0.16 4.72 0.09
ALA 276.72 6.88 443.72 8.07
TAU 389.12 9.68 106.69 1.94
ARG 298.98 7.44 256.01 4.66
TYR 178.99 4.45 378.28 6.88
CYS-CYS 109.61 2.73 127.71 2.32
VAL 164.71 4.10 490.55 8.92
MET 110.56 2.75 99.93 1.82
TRP 68.81 1.71 46.19 0.84
PHE 162.55 4.04 236.89 4.31
ILE 141.70 3.52 334.24 6.08
LEU 351.04 8.73 578.80 10.53
LYS 305.46 7.60 283.56 5.16
PRO 126.91 3.16 62.32 1.13
총 농도 4020.04 5499.14
실험 B1 및 B2에서 원심분리된 액체 샘플에 대한 아미노산 분석
실험 B1 실험 B2
아미노산 농도(mg/L) 백분율(g 아미노산/100 g 단백질) 농도(mg/L) 백분율 (g 아미노산/100 g 단백질)
ASP 208.38 4.88 606.53 8.23
GLU 455.89 10.69 788.25 10.70
ASN 9.39 0.22 0.00 0.00
SER 245.38 5.75 943.75 12.81
GLN 20.55 0.48 0.00 0.00
HIS 51.98 1.22 0.00 0.00
GLY 194.49 4.56 956.65 12.98
THR 161.33 3.78 166.24 2.26
CIT 67.51 1.58 0.00 0.00
B-ALA 9.57 0.22 0.00 0.00
ALA 300.78 7.05 387.08 5.25
TAU 391.07 9.17 0.00 0.00
ARG 329.20 7.72 546.22 7.41
TYR 204.69 4.80 274.13 3.72
CYS-CYS 74.44 1.74 0.00 0.00
VAL 171.31 4.02 401.03 5.44
MET 118.50 2.78 102.84 1.40
TRP 41.72 0.98 0.00 0.00
PHE 161.73 3.79 370.28 5.03
ILE 138.92 3.26 330.31 4.48
LEU 363.99 8.53 684.05 9.28
LYS 345.67 8.10 106.63 1.45
PRO 199.60 4.68 704.17 9.56
총 농도 4266.10 7368.15
실험 C1 및 C2에서 원심분리된 액체 샘플에 대한 아미노산 분석
실험 C1 실험 C2
아미노산 농도m/L 백분율(g 아미노산/100 g 단백질) 농도m/L 백분율(g 아미노산/100 g 단백질)
ASP 280.42 4.81 73.39 6.95
GLU 675.71 11.59 148.71 14.08
ASN 14.89 0.26 0.88 0.08
SER 244.52 4.20 99.68 9.44
GLN 0.00 0.00 0.00 0.00
HIS 80.50 1.38 0.00 0.00
GLY 249.11 4.27 91.98 8.71
THR 227.13 3.90 6.41 0.61
CIT 238.91 4.10 75.04 7.10
B-ALA 6.61 0.11 0.00 0.00
ALA 438.12 7.52 106.95 10.12
TAU 199.22 3.42 22.59 2.14
ARG 262.88 4.51 39.32 3.72
TYR 97.79 1.68 13.70 1.30
CYS-CYS 181.57 3.12 47.73 4.52
VAL 293.99 5.04 56.11 5.31
MET 148.91 2.55 14.41 1.36
TRP 113.75 1.95 0.00 0.00
PHE 258.51 4.44 48.00 4.54
ILE 270.12 4.63 54.45 5.15
LEU 599.13 10.28 107.36 10.16
LYS 408.43 7.01 25.54 2.42
PRO 537.85 9.23 24.20 2.29
총 농도 5828.07 1056.46
표 81-83으로부터, 실험 A1, B1 및 C1으로부터의 결과의 비교는 모든 경우에 대해 유사한 아미노산 함량을 보여주고; 따라서, 가수분해 속도에 대한 온도의 효과는 상이한 개별 아미노산에 대해 유사하다. 온도는 가수분해 전환을 증가시키지만 (100℃ 대 75℃, 표 76 및 표 77), 닭 깃털/찌꺼기 혼합물의 석회 처리에서 아미노산 함량에 영향을 미치지 않는다.
실험 A1, B1 및 C1을 닭 찌꺼기 단독에 대한 아미노산 함량 (표 71)과 비교하면, 모든 경우에 유사한 결과가 얻어진다. 닭 찌꺼기의 아미노산 함량 및 단백질 가수분해는 혼합물 내 닭 깃털의 존재에 의해 영향을 받지 않고, 이들 깃털의 가수분해는 연구된 조건에서 비교적 적다. 보다 높은 온도에 대한 프롤린 증가는 아마도 보다 높은 온도를 요구하는 결합 조직 및 뼈 (찌꺼기 중의)의 가수분해에 의해 설명될 수 있다.
실험 A2, B2 및 C2로부터의 결과를 비교하면 실험 A1, B1 및 C1보다 아미노산 함량에서 더 큰 차이를 보인다. 연구된 상이한 온도에 대해 잔류 고체 #1에 남은 상이한 양의 가수분해되지 않은 찌꺼기가 이들 차이를 설명할 수 있다.
표 84 및 표 85는 다양한 가축의 필수 아미노산 요구치를 상이한 생성물과 비교한다.
다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치와 비교한 원료 및 생성물의 아미노산 분석 (찌꺼기/깃털 혼합물 조건 1)
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 실험 A1 실험 B1 실험 C1
ASN 0.25 0.22 0.26
GLN 0.00 0.48 0.00
ASP 5.12 4.88 4.81
GLU 11.30 10.69 11.59
SER 5.85 5.75 4.20
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.25 1.27 1.22 1.38
GLY 4.23 4.56 4.27
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 3.72 3.78 3.90
ALA 6.88 7.05 7.52
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 7.44 7.72 4.51
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 4.10 4.02 5.04
CYS 2.00+ 2.41+ 3.67+ 4.00+ 1.92+ 2.73 1.74 3.12
MET 2.00+ 2.41+ 2.07 2.25 1.92+ 2.75 2.78 2.55
TYR 4.38* 4.05* 2.93* 5.85* 3.75* 4.45 4.80 1.68
PHE 4.38* 4.05* 1.40 3.15 3.75* 4.04 3.79 4.44
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 3.52 3.26 4.63
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 8.73 8.53 10.28
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 7.60 8.10 7.01
TRP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 1.71 0.98 1.95
PRO 3.16 4.68 9.23
*페닐알라닌 + 타이로신 +시스테인 + 메티오닌모든 값은 g 아미노산/100 g 단백질.
다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치와 비교한 원료 및 생성물의 아미노산 분석 (찌꺼기/깃털 혼합물 조건 2)
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 실험 A2 실험 B2 실험 C2
ASN 0.74 0.00 0.08
GLN 0.00 0.00 0.00
ASP 7.50 8.23 6.95
GLU 11.81 10.70 14.08
SER 6.39 12.81 9.44
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.25 0.00 0.00 0.00
GLY 6.64 12.98 8.71
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 2.39 2.26 0.61
ALA 8.07 5.25 10.12
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 4.66 7.41 3.72
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 8.92 5.44 5.31
CYS 2.00+ 2.41+ 3.67+ 4.00+ 1.92+ 2.32 0.00 4.52
MET 2.00+ 2.41+ 2.07 2.25 1.92+ 1.82 1.40 1.36
TYR 4.38* 4.05* 2.93* 5.85* 3.75* 6.88 3.72 1.30
PHE 4.38* 4.05* 1.40 3.15 3.75* 4.31 5.03 4.54
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 6.08 4.48 5.15
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 10.53 9.28 10.16
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 5.16 1.45 2.42
TRP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 0.84 0.00 0.00
PRO 1.13 9.56 2.29
*페닐알라닌 + 타이로신 +시스테인 + 메티오닌모든 값은 g 아미노산/100 g 단백질.
닭 깃털/찌꺼기 혼합물의 제1 가수분해 후 얻어진 액체 생성물에 대해, 표로 나타낸 결과는 가용화된 단백질이 성장상 동안 동물의 필수 아미노산 요구치를 만족하거나 초과함을 의미한다. 히스티딘이 상기 생성물에 대한 제한 아미노산일 것이다.
한편, 제2 가수분해 (깃털) 후 생성물, 즉 트레오닌, 시스테인 + 메티오닌, 트립토판, 및 특히 리신 및 히스티딘에 대한 값이 요구치보다 낮아서, 단위 동물 영양을 위해 불량한 생성물이 된다. 그러나, 이는 반추동물에는 적합하다.
실험 3. 칼슘 회수 및 재생
알칼리성 물질로서 수산화칼슘을 사용하면 원심분리된 액체 용액 중 칼슘 농도가 비교적 높아진다. 일부 칼슘염은 용해도가 낮기 때문에, 칼슘은 그를 탄산칼슘, 중탄산칼슘 또는 황산칼슘 (석고)으로 침전시킴으로써 회수될 수 있다.
탄산칼슘이 그의 낮은 용해도 (0.0093 g/L, CaCO3에 대한 용해도적은 8.7x10-9임) 때문에 바람직하다. 반대로, CaSO4의 용해도는 1.06 g/L이고, 용해도적은 6.1x10-5이다. 또한, 황산칼슘보다 탄산칼슘으로부터 Ca(OH)2를 재생하기가 더 쉽다. CaSO4는 보다 가용성 물질이고 석고는 재생하기 더 어렵기 때문에, 침전물로서 CaCO3을 사용하는 것이 보다 효율적인 공정이다.
CO2가 원심분리된 용액 내로 버블링될 때, 탄산 (H2CO3)이 형성된다. 탄산은 pKa1 = 6.37 및 pKa2 = 10.25으로 약한 2양자산이다. H2CO3, HCO3 - 및 CO3 2 - 사이의 평형이 생성되고 혼합물 내 각 성분의 분획은 pH의 함수이다. Ca(HCO3)2는 수용성 (166 g/L 물, 용해도적 1.08)이므로, 공정의 침전 효율도 또한 pH의 함수이다.
CO2 버블링에 의한 칼슘 회수를 측정하고 연구하기 위해; 닭 깃털 및 찌꺼기의 가수분해 공정으로부터의 원심분리된 액체 생성물을 플라스틱병에 모으고 이후 사용을 위해 4℃에서 유지하였다. 공지 부피의 원심분리된 액체 물질 (400 mL)를 자기 교반 막대 (일정하게 교반함)를 갖는 얼렌마이어 플라스크에 넣고, CO2를 가압 용기로부터 버블링하였다. pH가 감소함에 따라, 액체 샘플 (~10 mL)을 수집하고 원심분리하였다. 청정화한 액체에서 총 질소 및 칼슘 함량을 측정하였다. 상이한 초기 pH의 샘플을 사용하여 상기 파라미터가 침전 효율에 영향을 미치는지 연구하였다.
도 36은 2가지 상이한 샘플에 대해 pH의 함수로서 칼슘 및 총 질소 함량을 보여준다: 하나는 닭 찌꺼기 가수분해로부터 (C1), 다른 하나는 닭 깃털 가수분해로부터 (C2). 두 경우에, TKN 농도는 일정하게 유지되고, 이는 칼슘 침전 동안 질소가 손실되지 않음을 의미한다.
도 36은 또한 칼슘 농도는 pH ~9에서 최소로 감소하고 (칼슘 회수 50 내지 70%), 보다 낮은 pH에서 증가됨을 보여준다. 중탄산칼슘의 높은 용해도 및 낮은 pH (8 이하)에서 탄산칼슘의 중탄산칼슘 및 탄산으로의 전환 때문에 칼슘 농도의 증가가 예상된다. 도 36에 나타낸 원심분리된 액체에 대한 초기 pH는 비교적 높고 (각각 10.2 및 11.1); 두 경우에, 탄산종들 사이의 평형은 비교적 높은 탄산염 농도 (pKa2 = 10.25)를 갖는 대역에서 존재한다.
한편, 도 37은 비교적 낮은 초기 pH (~9.2)를 갖는 샘플의 칼슘 및 총 질소 함량을 보여준다. 수집된 샘플은 탄산과 중탄산염 사이의 평형 대역 내에 존재하므로, 칼슘이 침전물로서 회수될 수 없다 (중탄산칼슘 용해도).
실험 4. 알칼리성 조건 하에 닭 폐기물의 보존
본 실시예에서 상기 설명된 닭 찌꺼기 및 깃털을 추가 실험 세트를 위한 원료로서 사용하였다. 실험은 1-L 얼렌마이어 플라스크 내에서 주변 온도에서 혼합하지 않으면서 수행하였고; 불쾌한 냄새를 피하기 위해, 플라스크를 후드 내에 놓았다. 상기 폐기물 물질 혼합물을 보존하기 위해 요구되는 석회를 결정하기 위해 수산화칼슘 로딩 (g Ca(OH)2/g 건조 찌꺼기 + 깃털)을 변화시켰다. 심한 악취 (발효 생성물)의 발생은 연구의 종료점으로 간주한다.
동일한 조건 하에 2중 실험을 실행하였다. 샘플은 상이한 시간에 반응기로부터 취하고 원심분리하여 고체 물질로부터 액체상을 분리하였다. 총 질소 함량 및 pH를 원심분리된 액체 샘플에서 측정하였다.
닭 폐기물 혼합물의 보존에 요구되는 석회를 결정하고 폐기물 물질의 단백질 가용화를 연구하기 위해, 상이한 석회 로딩으로 주변 온도에서 혼합을 이용하지 않고 몇몇 실험을 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 86에 요약한다.
닭 깃털 및 찌꺼기 혼합물의 보존 연구 동안 실험 조건
실험 G1 실험 G2 실험 H1 실험 H2 실험 I1 실험 I2
온도 (℃) 25 25 25 25 25 25
Ca(OH)2의 질량 (g) 3.3 3.3 6.6 6.6 9.9 9.9
찌꺼기의 질량 (g) 91.3 91.3 91.3 91.3 91.3 91.3
깃털의 질량 (g) 36.5 36.5 36.5 36.5 36.5 36.5
물 부피 (ml) 800 800 800 800 800 800
Ca(OH)2 (g/g 건조 물질) 0.052 0.052 0.103 0.103 0.155 0.155
건조 물질 (g/L) 80.02 80.02 80.02 80.02 80.02 80.02
건조 찌꺼기 (g/L) 38.05 38.05 38.05 38.05 38.05 38.05
총 TKN (g) 6.79 6.79 6.79 6.79 6.79 6.79
총 TKN (%) 10.60 10.60 10.60 10.60 10.60 10.60
표 87은 시간의 함수로서 pH 변동을 보여주는 한편, 표 88은 원심분리된 액체의 총 질소 함량을 보여준다.
닭 찌꺼기 및 깃털 혼합물의 보존 연구 동안 시간의 함수로서 pH
시간 (일) 실험 G1 실험 G2 실험 H1 실험 H2 실험 I1 실험 I2
0 9.01 9.12 12.1 12.14 12.1 12.15
1 --- --- 11.52 11.56 12.14 12.17
2 --- --- 11.16 11.25 12.08 12.14
4 --- --- 10.82 11.03 12.03 12.06
7 --- --- 10.65 10.85 12.05 12.06
11 --- --- 9.05 10.1 12.06 12.09
14 --- --- --- --- 12.06 12.1
17 --- --- --- --- 12.04 12.07
닭 찌꺼기 및 깃털 혼합물의 보존 연구 동안 시간의 함수로서 총 켈달 질소 함량
시간 (일) 실험 G1 실험 G2 실험 H1 실험 H2 실험 I1 실험 I2
0 0.1438 0.1427 0.1002 0.1103 0.0924 0.0991
1 --- --- 0.1248 0.1314 0.1325 0.1381
2 --- --- 0.1337 0.1337 0.1460 0.1472
4 --- --- 0.1348 0.1337 0.1596 0.1630
7 --- --- 0.1371 0.1416 0.1835 0.1824
11 --- --- 0.1472 0.1427 0.2099 0.2020
14 --- --- --- --- 0.2239 0.2251
17 --- --- --- --- 0.2297 0.2297
TKN은 g 질소/100g 액체 샘플.
단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 89 및 표 90에 제시한다. 표 89는 찌꺼기 질소 함량에 관하여 전환을 고려하는 반면, 표 90은 혼합물의 초기 TKN에 관하여 전환을 제공한다. 연구된 조건에서, 고체상 내의 질소의 액체상으로의 최고 전환은 ~30%이었다.
시간의 함수로서 찌꺼기에 관한 액체상 내의 전환율 (보존 실험)
시간 (일) 실험 G1 실험 G2 실험 H1 실험 H2 실험 I1 실험 I2
0 75.5692 74.9911 52.6567 57.9644 48.5577 52.0786
1 --- --- 65.5844 69.0528 69.6309 72.5738
2 --- --- 70.2615 70.2615 76.7253 77.3560
4 --- --- 70.8396 70.2615 83.8724 85.6591
7 --- --- 72.0482 74.4131 96.4322 95.8541
11 --- --- 77.3560 74.9911 110.3058 106.1542
14 --- --- --- --- 117.6630 118.2937
17 --- --- --- --- 120.7110 120.7110
시간의 함수로서 총 질소에 관한 액체상 내의 전환율 (보존 실험)
시간 (일) 실험 G1 실험 G2 실험 H1 실험 H2 실험 I1 실험 I2
0 18.3018 18.1618 12.7527 14.0382 11.7600 12.6127
1 --- --- 15.8836 16.7236 16.8636 17.5764
2 --- --- 17.0164 17.0164 18.5818 18.7345
4 --- --- 17.1564 17.0164 20.3127 20.7454
7 --- --- 17.4491 18.0218 23.3545 23.2145
11 --- --- 18.7345 18.1618 26.7145 25.7091
14 --- --- --- --- 28.4963 28.6491
17 --- --- --- --- 29.2345 29.2345
표 89에서, 100%보다 큰 값은 장기간 보존 연구에 대한 닭 깃털 단백질의 가용화를 의미한다. 또한, 실험 H와 I를 비교하면 높은 단백질 가수분해는 높은 pH와 상호관련된다. 가수분해 공정 동안 pH 감소 (표 87)는 새로운 유리 아미노산의 생성에 관련된다. 9에 가까운 값은 심한 냄새 발생 전날에 측정되었다.
닭 폐기물 혼합물의 보존 동안 pH를 모니터링하는 것은 안정한 (비-발효성) 용액을 유지하기 위한 실용적인 대안이다. 얻어진 결과를 기초로, 10.5의 pH 값이 세균 성장을 피하기 위해 과잉의 석회 첨가를 위한 하한으로 사용될 수 있다.
석회는 비교적 수불용성 염기이고, 이러한 낮은 용해도 때문에, 고체-액체 혼합물에서 약한 알칼리성 조건 (pH ~12)을 생성시킨다. 상대적인 낮은 pH는 강염기 (예를 들어, 수산화나트륨)에 비해 원치 않는 분해 반응의 가능성을 감소시킨다. 석회는 또한 닭 폐기물 혼합물이 보존되는 동안 단백질의 소화 및 액체상으로 가용화를 촉진시킨다 (표 90).
닭 찌꺼기 및 깃털은 100℃ 미만의 온도에서 Ca(OH)2로 처리함으로써 아미노산 풍부 생성물을 얻기 위해 사용될 수 있다. 저온 요건 때문에 상기 공정을 위해 단순한 비가압 용기가 사용될 수 있다.
닭 깃털/찌꺼기 혼합물은 2가지 아미노산 풍부 생성물을 얻기 위해 사용될 수 있다: 잘 균형을 이룬 하나 (찌꺼기) 및 일부 아미노산은 부족하지만 단백질 및 미네랄 함량이 높은 두번째.
혼합물의 제1 석회 처리 (50-100℃에서 실행)에 대해, 실험으로부터 얻어진 필수 아미노산의 스펙트럼은 성장기 동안 많은 가축에 대한 요구치를 만족하거나 초과한다. 따라서, 닭 찌꺼기를 석회 처리하여 얻어진 아미노산 풍부 고체 생성물은 이들 동물에 대한 단백질 보충물로서 역할을 할 수 있다.
혼합물의 제2 석회 처리 (75-100℃에서 실행)에 대해, 실험으로부터 얻어진 필수 아미노산의 스펙트럼에는 몇몇 아미노산이 부족하다. 따라서, 닭 깃털/찌꺼기 혼합물의 제2 석회 처리에 의해 얻어진 아미노산 풍부 고체 생성물은 반추동물에 대한 질소 및 미네랄 공급원으로서 역할을 할 수 있다.
CO2를 원심분리된 액체 생성물 내로 버블링시켜 탄산칼슘을 침전시키면 50 내지 70%의 칼슘이 회수된다. 높은 초기 pH가 권장되어 (>10), 공정 동안 탄산칼슘이 형성되고 중탄산칼슘은 형성되지 않는 한편; 최종 pH ~ 8.8-9.0은 석회 재생을 위한 높은 칼슘 회수를 보장한다. CaSO4는 보다 가용성 물질이고 석고는 재생이 더 어렵기 때문에, 침전물로서 CaCO3을 사용하는 것이 보다 효율적인 공정이다. 마지막으로, 석회 용액은 닭 깃털 내의 케라틴성 물질을 포함하는 닭 가공 폐기물을 가수분해시키고 보존시킨다. 부패 냄새의 부재, 액체상으로의 연속 단백질 가수분해, 및 닭 폐기물 혼합물의 보존 동안 pH의 연속 모니터링 가능성 때문에 공정은 안정한 (비발효성) 용액을 유지하고 농장에서 보관하는 동안 닭 폐기물 혼합물을 보존하기 위한 실행가능한 대안이 된다.
실시예 6: 소털에서의 단백질 가용화
USDA에 따르면, 미국에서 매년 1인당 188 lbs의 살코기 및 가금이 소비되고, 그 중 ~116 lbs는 소고기 및 돼지고기이다. 동물 도축업자는 대량의 폐기물을 생성하고, 동물의 털은 총 중량의 3 내지 7%를 나타낸다. 폐기물 잔류물을 보다 잘 사용하고 이들을 유용한 생성물로 전환하는 것이 필요하고 요망된다.
젖은 소털을 테라본 컴퍼니로부터 입수한 후 공기 건조하였다. 출발 물질을 특성화하기 위해, 수분 함량, 총 질소 (단백질 분획의 추정치), 및 아미노산 함량을 결정하였다.
공기 건조된 털을 이들 실험을 위한 출발 물질로서 사용한다. 그의 건조 물질 함량, 화학 조성 및 아미노산 균형을 각각 표 91, 표 92 및 표 93에 제시한다.
공기 건조된 소털의 건조 물질 함량
샘플 습기있는 고체 (g) 건조 고체 (g) 건조 물질 (%)
1 4.0883 3.8350 93.80
2 3.7447 3.5163 93.90
평균 93.85
공기 건조된 소털의 단백질 및 미네랄 함량
샘플 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
털 14.73 0.0508 0.0197 0.1658 0.029 5244 58 185 50 37
공기 건조된 소털의 아미노산 조성
아미노산 측정된 문헌 아미노산 측정된 문헌
ASP 6.63 3.0 TYR 2.44 3.4
GLU 14.47 12.2 VAL 6.80 5.5
SER 8.91 7.2 MET 0.71 0.6
HIS 1.29 0.7 PHE 3.09 3.0
GLY 5.52 10.8 ILE 4.20 4.4
THR 7.48 6.6 LEU 9.77 7.7
ALA 4.50 1.0 LYS 5.53 2.1
CYS ND 13.9 TRP ND 1.4
ARG 10.98 7.7 PRO 7.68 8.5
ND: 측정되지 않음값은 g AA/100 g 총 아미노산.
출발 물질은 비교적 잘 균형을 이룬 아미노산 함량을 갖고, 히스티딘, 메티오닌, 티로신 및 페닐알라닌 수준은 낮다. 회분 함량은 매우 낮고 (~1%), 조단백질 함량은 높다 (~92.1%). 출발 수분 함량은 6.15%이다.
실험 1. 털 농도 효과
단백질의 가용화에서 초기 털 농도의 효과를 결정하기 위해, 온도 및 석회 로딩 (각각 100℃ 및 0.10 g 석회/g 공기 건조된 털)을 일정하게 유지하면서 상이한 농도에서 실험을 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 94에 요약한다.
소털의 단백질 가용화에서 초기 털 농도의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
털 농도 (g 털/L) 40 60
털의 질량 (g) 34 51
물 부피 (mL) 850 850
석회의 질량 (g) 3.4 5.1
온도 (℃) 100 100
초기 온도 (℃) 101.4 87.1
pH 최종 9.2 9.8
잔류 고체 (g) 28.8 44.9
100 mL 중 용존 고체 (g) 1.18 1.92
100 mL 중 단백질 (g) 0.81 1.04
표 95는 상이한 털 농도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 공기 건조된 털에 대한 평균 TKN (14.73%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하고 표 96에 제시한다.
실험 1에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (소털)
공기 건조된 털 농도
시간 (h) 40 g/L 60 g/L
0 0.0160 0.0327
0.5 0.0185 0.0497
1 0.0435 0.0699
2 0.0718 0.1000
3 0.0754 0.1194
4 0.0868 0.1368
6 0.1088 0.1629
8 0.1298 0.1662
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 1에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (소털)
공기 건조된 털 농도
시간 (h) 40 g/L 60 g/L
0 2.72 3.70
0.5 3.14 5.62
1 7.38 7.91
2 12.19 11.31
3 12.80 13.51
4 14.73 15.48
6 18.47 18.43
8 22.03 18.81
도 38은 연구된 상이한 털 농도에 대한 시간의 함수로서 단백질 가용화 (전환율)를 제시한다. 이는 털 농도가 단백질 가수분해 (전환)에 대해 중요한 효과를 갖지 않고, 다른 케라틴 물질인 닭 깃털을 사용하여 얻을 수 있는 70% 정도의 전환을 얻기 위해 보다 많은 석회 로딩 또는 보다 긴 처리 기간이 요구됨을 보여준다.
표 94에서 보이는 바와 같이, 용존 고체는 예상되는 바와 같이 보다 높은 털 농도에 대해 더 많다. 두 경우에 대한 최종 pH는 초기 12.0보다 더 낮고, 이는 석회가 가수분해 동안 소비되었고 석회가 최종 혼합물 내에 고체로서 존재하지 않음을 의미한다.
실험 2. 석회 로딩 효과
공기 건조된 털의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩의 효과를 결정하기 위해, 온도 및 털 농도 (각각 100℃ 및 40 g 공기 건조된 털/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 석회/털 비에서 실험을 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 97에 요약한다.
소털의 단백질 가용화에서 석회 로딩 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
석회 로딩 (g 석회/g 털) 0.10 0.20 0.25 0.35
털의 질량 (g) 34 34 34 34
물 부피 (mL) 850 850 850 850
석회의 질량 (g) 3.4 6.8 8.5 11.9
온도 (℃) 100 100 100 100
초기 온도 (℃) 101.4 102.3 75.6 90.2
pH 최종 9.2 10.3 11.4 11.2
잔류 고체 (g) 28.8 17.44(*) 22.6 22.9
100 mL 중 용존 고체 (g) 1.18 2.92(*) 2.96 2.99
100 mL 중 단백질 (g) 0.81 1.77 2.18 2.40
(*) 다른 3가지 조건에서와 같이 8 h에서가 아니라 48 h 후 측정됨.
표 98은 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 공기 건조된 털에 대한 평균 TKN (14.73%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하고 표 99에 제시한다.
실험 2에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (소털)
석회 로딩
시간 (min) 0.10 g/g 0.20 g/g 0.25 g/g 0.35 g/g
0 0.0160 0.0144 0.0241 0.0133
0.5 0.0185 --- 0.0454 0.0637
1 0.0435 0.0845 0.0922 0.0822
2 0.0718 0.1425 0.1350 0.1438
3 0.0754 --- 0.1549 0.1792
4 0.0868 0.2145 0.1951 0.2023
6 0.1088 --- 0.2699 0.2999
8 0.1298 0.2832 0.3487 0.3837
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 2에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (소털)
석회 로딩
시간 (min) 0.10 g/g 0.20 g/g 0.25 g/g 0.35 g/g
0 2.72 2.44 4.09 2.26
0.5 3.14 --- 7.71 10.81
1 7.38 14.34 15.65 13.95
2 12.19 24.19 22.91 24.41
3 12.80 --- 26.29 30.41
4 14.73 36.41 33.11 34.33
6 18.47 --- 45.81 50.90
8 22.03 48.07 59.18 65.12
도 39는 연구된 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 가용화된 단백질 (전환율)을 제시한다. 이는 0.1 g 석회/g 공기 건조된 털에 대한 것을 제외하고는 전환이 모든 석회 로딩에 대해 유사함을 보여준다. 도 38은 전환이 보다 긴 시간에서 많이 상이하고 반응이 연구된 임의의 석회 로딩에 대해 8 h에서 느려지지 않음을 보여준다. 따라서, 보다 긴 처리 기간은 전환을 증가시킬 수 있고, 공정이 효율적으로 되도록 최소 석회 로딩이 요구된다.
표 97에서 보이는 바와 같이, 용존 고체는 예상되는 바와 같이 보다 많은 석회 로딩에 대해 더 많다 (용액 중 보다 많은 칼슘염 및 보다 높은 전환). 최종 pH는 석회 로딩이 증가함에 따라 증가하고 모든 경우에 12.0보다 낮고, 이는 다시 가수분해 동안 석회 소비, 및 최종 OH-농도 (pH)가 처리의 효율에 다시 관련될 수 있음을 의미한다.
도 39에 나타난 거동은 가수분해 반응을 위한 촉매로서 히드록실기에 대한 요구와 관련될 수 있다. 석회의 낮은 용해도는 모든 처리에서 "일정한" 석회 농도를 유지하지만 (0.2 내지 0.35 g 석회/g 공기 건조된 털), 공정 동안 그의 소비에 의해 보다 낮은 석회 로딩 반응이 느려지거나 평준화가 더 빨라진다.
실험 3. 보다 장기간 처리의 효과
단백질의 가용화에서 장기간 처리의 효과를 확립하기 위해, 2가지 상이한 조건, 즉 각각 100℃, 0.2 g 석회/g 공기 건조된 털, 40 g 공기 건조된 털/L; 및 100℃, 0.35 g 석회/g 공기 건조된 털, 40 g 공기 건조된 털/L에서 실험을 실행하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 100에 요약한다.
소털의 단백질 가용화에서 보다 긴 처리 기간의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
석회 로딩 (g 석회/g 공기 건조된 털) 0.2 0.35
털의 질량 (g) 34 34
물 부피 (mL) 850 850
석회의 질량 (g) 6.8 11.9
온도 (℃) 100 100
pH 최종 10.3 11.99
잔류 고체 (g) 17.44 10.74
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.92 4.01
48 h에서 100 mL 중 단백질 (g) 2.25 2.63
표 101은 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 공기 건조된 털에 대한 평균 TKN (14.73%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하고 표 102에 제시한다.
실험 3에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (소털)
석회 로딩
시간 (h) 0.20 g/g 0.35 g/g
0 0.0144 0.0133
1 0.0845 ---
2 0.1425 ---
4 0.2145 0.2088
8 0.2832 0.2832
12 0.3089 ---
24 0.3319 0.3988
36 0.3617 0.4265
48 0.3597 0.4210
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 3에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환율 (소털)
석회 로딩
시간 (h) 0.20 g/g 0.35 g/g
0 2.44 2.26
1 14.34 ---
2 24.19 ---
4 36.41 35.44
8 48.07 48.07
12 52.43 ---
24 56.33 67.68
36 61.39 72.39
48 61.05 71.45
도 40은 연구된 2가지 상이한 조건에 대한 시간의 함수로서 단백질 가용화 (전환율)를 제시한다. 이는 전환이 보다 장시간 처리에 대해 상이하고 반응이 24 내지 36시간의 처리에서 최고 전환에 도달함을 보여준다. 석회 이용성과 전환 사이의 관련성은 상기 장기간 처리 연구에서 보다 잘 알 수 있다.
24시간에 시작하여 쉽게 인지할 수 있는 암모니아 냄새가 발생하고, 이는 보다 긴 기간에서 아미노산 분해를 제시한다. 상기 문제를 감소시키는 한 방법은 후속 처리 단계에서 추가 알칼리성 가수분해를 위해 잔류 고체를 분리하여 액체상으로 이미 가수분해된 아미노산을 회수하는 것이다.
실험 4. 공기 건조된 소털의 알칼리성 가수분해 동안 암모니아 측정 (아미노산 분해)
단백질의 가용화 및 가용성 아미노산의 분해에서 장기간 처리의 효과는 암모니아 측정에 의해 결정하였다. 암모니아 농도는 실험 3의 2가지 실험 조건에 대해, 및 100℃, 0.2 g 석회/g 공기 건조된 털, 40 g 공기 건조된 털/L에서 5시간 동안 수행된 실험의 원심분리된 액체를 사용하는 추가의 실행에 대해 시간의 함수로서 결정하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 103에 요약한다.
아미노산 분해에 대한 보다 긴 처리 기간의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
석회 로딩 (g 석회/g 공기건조된 털) 0.2 (실험 A1) 0.35 (실험 A2) 0.35 (실험 A3)
털의 질량 (g) 34 34 **
물 부피 (mL) 850 850 850
석회의 질량 (g) 6.8 11.9 8.5
온도 (℃) 100 100 100
초기 온도 (℃) 102.3 98.8 96.6
pH 최종 10.3 11.99 12.08
잔류 고체 (g) 17.44 10.74 8.28
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.92 4.01 2.50
48 h에서 100 mL 중 단백질 (g) 2.25 2.63 1.41
** 고체 물질은 사용되지 않고, 선행 실험으로부터의 원심분리된 액체만을 사용함.
표 104-106 및 도 41-43은 상이한 실험 조건에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량 및 유리 암모니아 농도를 보여준다.
실험 A1에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량, 암모니아 농도 및 추정된 단백질 질소 (소털)
시간 (h) [암모니아] (ppm) TKN(%) TKN (ppm) 단백질-N (ppm)
0 34 0.0144 144 110
1 33 0.0845 845 812
2 41 0.1425 1425 1384
4 76 0.2145 2145 2069
8 175 0.2832 2832 2657
12 236 0.3089 3089 2853
24 274 0.3319 3319 3045
36 327 0.3617 3617 3290
48 316 0.3597 3597 3281
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 A2에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량, 암모니아 농도 및 추정된 단백질 질소 (소털)
시간 (h) [암모니아] (ppm) TKN (%) TKN (ppm) 단백질-N (ppm)
0 0 0 0 0
4 85 0.2088 2088 2003
8 115 0.2832 2832 2717
24 111 0.3988 3988 3877
36 141 0.4265 4265 4124
48 110 0.4210 4210 4100
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 A3에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량, 암모니아 농도 및 추정된 단백질 질소 (소털)
시간 (h) [암모니아] (ppm) TKN (%) TKN (ppm) 단백질-N (ppm)
0 50 0.2332 2332 2282
1 50 0.2426 2426 2376
2 51 0.2449 2449 2398
4 60 0.2449 2449 2389
8 90 0.2382 2382 2292
12 106 0.2393 2393 2287
24 86 0.2326 2326 2240
48 87 0.2248 2248 2161
원심분리된 액체 중 암모니아 농도는 켈달 방법에 의해 결정되지만, 샘플의 초기 가수분해는 없다. TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
도 41 및 42는 총 단백질-N 농도가 처리의 24 내지 36 h에서 최대로 도달할 때까지 시간의 함수로서 증가함을 보여준다. 유리 암모니아 농도도 또한 시간의 함수로서 증가하고, 이는 아미노산의 분해를 제안한다. 실험 A1 및 A2에서, 액체 내로 털의 추가 가수분해는 아미노산 분해를 초과하여, 24-36 h 기간까지 단백질-N의 순수한 개선을 제공한다.
실험 A3에서, 고체 털이 존재하지 않고, 따라서 앞서 가용화된 단백질 이외의 단백질원이 없다. 이 경우, 단백질-N의 감소는 4 h 후 발생하여 48 h에 계속되고, 이는 몇몇 아미노산이 연구된 조건에서 분해에 민감함을 의미한다.
실험 4A. 아미노산 분해 연구
실험 A2 및 A3에 대해, 액체 샘플의 아미노산 조성을 분석하여 단백질 가수분해물 중의 개별 아미노산의 안정성을 결정하였다.
석회-가수분해된 소털의 2가지 상이한 아미노산 분석을 수행하였다:
1) 원심분리된 액체 중 유리 아미노산. 분석은 샘플의 과잉의 HCl 가수분해 없이 이루어졌다. 아미노산은 분석 절차에 의해 파괴되지 않았지만, 가용성 폴리펩티드는 분석에서 손실된다.
2) 원심분리된 액체 중 총 아미노산. HPLC 결정 전에 HCl 가수분해를 수행하였다. 일부 아미노산 (아스파라긴, 글루타민, 시스테인 및 트립토판)은 산에 의해 파괴되어 측정될 수 없었다.
표 107 및 표 108은 총 아미노산 (HCl 가수분해), 유리 아미노산, 및 TKN 값을 사용하는 추정된 아미노산을 비교한다. 이들 표는 털 단백질은 주로 유리 아미노산 대신 작은 가용성 펩티드로 가수분해됨을 보여준다 (유리 아미노산을 총 아미노산 칼럼과 비교함).
실험 A2에 대한 단백질 농도 비교 (소털)
시간 (h) TKN (%) 단백질 (mg/L) 유리 AA (mg/L) 총 AA (mg/L)
4 0.2088 13050.0 330.4 4783.5
8 0.2832 17700.0 684.5 9300.4
24 0.3988 24925.0 1454.9 12208.4
36 0.4265 26656.3 1699.2 13680.1
48 0.4210 26312.5 1742.6 13989.6
실험 A3에 대한 단백질 농도 비교 (소털)
시간 (h) TKN (%) 단백질 (mg/L) 유리 AA (mg/L) 총 AA (mg/L)
0 0.2332 14575.0 413.6 7373.0
1 0.2426 15162.5 816.6 9490.6
2 0.2449 15306.3 989.4 11075.4
4 0.2449 15306.3 1154.7 12040.4
8 0.2382 14887.5 1393.9 10549.1
12 0.2393 14956.3 1571.9 9988.4
24 0.2326 14537.5 2266.9 8464.8
48 0.2248 14050.0 2236.9 8782.3
표 108은 또한 0 내지 4 h에서 총 아미노산 농도의 증가를 보여준다. 본 실험 (A3)은 원심분리된 액체 (고체 털이 없음)만을 사용하여 수행하기 때문에, 증가하는 값은 액체 중에서 추가로 가수분해되는 용액 중의 현탁된 폴리펩티드 입자의 존재로 설명될 수 있다. 고체 분리에서 액체를 3500 rpm에서 원심분리한 반면, 15000 rpm은 HPLC 분석 전에 사용된다.
표 108은 추정된 단백질 (TKN) 및 4 h에서 총 아미노산 농도가 매우 일치함을 보여준다. 이때, 아미노산 분해는 비교적 거의 없고, 액체상 중 "현탁된 물질"의 전환은 매우 많다. 표 107에서, 차이는 아미노산 분석에서 계산되지 않는 상기 현탁된 물질의 존재로 설명될 수 있다.
실험 A2에 대해, 도 44는 시간의 함수로서 원심분리된 액체 중에 존재하는 개별 유리 아미노산의 농도를 보여주는 한편, 도 45는 시간의 함수로서 개별 아미노산의 총 농도를 보여준다. 히스티딘 농도는 매우 고농도의 글리신 직전에 용출되어; 피크가 분리될 수 없기 때문에 측정될 수 없거나 과소평가된다.
도 45는 아르기닌, 트레오닌 및 세린을 제외하고 36 h까지 모든 아미노산 농도의 증가를 보여준다. 도 44는 특히 아르기닌 및 트레오닌에 대해 농도가 보다 낮은 것을 제외하고 유사한 거동을 보여준다. 36시간에서, 아미노산 농도는 평준화되어 (아르기닌, 트레오닌 및 세린 제외), 가용화와 분해 공정 사이의 평형을 제안한다.
실험 A3 (고체 털이 첨가되지 않고 원심분리된 액체만을 사용함)에 대해, 도 45는 시간의 함수로서 원심분리된 액체 중에 존재하는 개별 유리 아미노산의 농도를 보여주는 한편, 도 46은 시간의 함수로서 개별 아미노산의 총 농도를 보여준다.
도 46에서, 유리 아미노산의 농도는 24 h까지 증가하고 이때 평준화된다. 다시, 아르기닌, 트레오닌 및 세린은 제외되고, 처음 둘은 유리 아미노산으로서 매우 낮은 농도를 갖는다.
도 47은 0 내지 4 h에 모든 개별 아미노산 농도의 증가를 보여준다. 이는 다시 0 내지 4 h에 액체상으로 가수분해되는 초기 원심분리된 액체 중의 현탁된 입자의 존재를 의미한다. 상기 초기 경향 후, 모든 아미노산의 농도는 시간에 따라 하락하고, 이는 장기간 처리에 대해 연구된 조건 하에 모든 아미노산의 분해를 제안한다. 아르기닌 (4 h에서 얻어진 농도의 16%가 48 h에서 존재한다), 트레오닌 (31%) 및 세린 (31%)은 다른 아미노산보다 더 많이 분해된다.
모두 털 중에 인지가능한 양으로 존재하지 않은 오르니틴 및 시트룰린의 농도 증가는 이들이 가능한 분해 생성물임을 제안한다.
표 109는 실험 A2에 대한 시간의 함수로서 각각의 아미노산의 중량 비율을 보여준다. 유사한 함량이 아르기닌, 트레오닌 및 세린을 제외하고 대부분의 아미노산에 대해 존재한다. 분해에 대한 보다 큰 내성 때문에 일부 아미노산 비율은 증가하고, 다른 것은 감소한다.
초기 물질에 비교한, 시간의 함수로서 실험 A2에 존재하는 개별 아미노산
아미노산 시간 (h)
4 8 24 36 48 털
ASP 6.76 6.90 7.03 6.96 6.77 6.63
GLU 13.31 14.64 15.96 16.42 16.37 14.47
SER 6.68 3.76 1.53 1.11 1.00 8.91
HIS 1.11 0.00 0.00 0.00 0.00 1.29
GLY 9.33 9.48 8.50 8.25 8.29 5.52
THR 2.40 1.66 0.85 0.66 0.54 7.48
CIT 0.91 0.95 1.56 1.68 1.68 0.00
ALA 5.40 6.50 8.63 9.47 9.27 4.50
ARG 9.22 7.79 4.38 2.89 2.11 10.98
TYR 5.35 5.43 5.78 5.87 5.74 2.44
VAL 6.74 7.13 7.45 7.40 7.25 6.80
MET 0.80 0.90 1.05 1.00 1.09 0.71
PHE 3.17 3.05 3.13 3.17 3.15 3.09
ILE 4.04 4.19 4.52 4.62 4.55 420
LEU 8.81 9.66 10.92 11.21 11.25 9.77
LYS 2.09 2.71 3.89 4.08 4.14 5.53
PRO 13.77 15.07 14.60 15.02 16.60 7.68
값은 g AA/100 g 총 아미노산.
실험 5. 물질의 2단계 처리
선행 실험에서 관찰된 아미노산 분해는 가수분해 공정의 전체 효율을 해친다. 상기 문제를 다루는 한 방법은 이미 가수분해된 단백질을 일련의 처리 단계에서 단백질의 후속 가용화 (잔류 고체)와 분리하는 것이다. 본 실험에서, 가수분해 효율 및 공기 건조된 털 내의 단백질의 아미노산 분해에서 2단계 공정의 효과를 결정하기 위해 2가지 조건을 연구하였다. 연구된 실험 조건 및 측정된 변수를 표 110에 요약한다.
단백질 가용화에서 석회 로딩 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수 (소털 - 2단계 처리)
실험 실험 C1 실험 C2 실험 D1 실험 D2
털의 질량 (g) 34 20 34 20
물 부피 (mL) 850 850 850 850
석회의 질량 (g) 8.5 5 11.9 5
온도 (℃) 100 100 100 100
초기 온도 (℃) 75.6 96.5 90.2 105
pH 최종 11.4 11.2 11.2 11.2
8 h에서 잔류 고체 (g) 22.6 12.7 22.9 12.4
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.96 1.15 2.99 1.17
8 h에서 100 mL 중 단백질 (g) 1.80 0.91 1.78 0.86
표 111은 상이한 실험 조건에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 공기 건조된 털에 대한 평균 TKN (14.73%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 112에 제시한다. 도 48은 시간의 함수로서 공정 (단계 1 + 단계 2)에 대한 총 전환을 보여준다.
실험 5에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (소털)
시간 (h) 실험 C1 실험 C2 실험 D1 실험 D2
0 0.0241 0.0363 0.0133 0.0365
0.5 0.0454 0.0553 0.0637 0.0481
1 0.0922 0.0560 0.0822 0.0571
2 0.1350 0.0620 0.1438 0.0631
3 0.1549 0.0756 0.1792 0.0704
4 0.1951 0.0745 0.2023 0.0798
6 0.2299 0.1135 0.2269 0.1042
8 0.2887 0.1450 0.2837 0.1383
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 5에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환 (소털)
시간 (h) 실험 C1 실험 C2 실험 D1 실험 D2
0 4.09 6.16 2.26 6.19
0.5 7.71 9.39 10.81 8.16
1 15.65 9.50 13.95 9.69
2 22.91 10.52 24.41 10.71
3 26.29 12.83 30.41 11.95
4 33.11 12.64 34.33 18.54
6 39.02 19.26 38.51 17.68
8 49.00 24.61 48.15 23.47
도 48은 연구된 2가지 조건에 대한 유사한 전환을 보여준다. 처리의 16 h에서, 초기 질소의 총 70%가 액체상 내에 회수된다. 총 전환은 제2 처리 동안 증가하고, 1단계 처리에 비해 보다 저농도의 암모니아가 존재하고 (표 113), 이는 아미노산의 보다 적은 분해를 제안한다. 따라서, 잔류 고체를 석회로 추가 처리하면 보다 많은 털을 가수분해하지만, 제2 단계에서 질소 (단백질/아미노산)의 농도는 초기 처리에서 얻어진 것의 단지 40%이고, 이는 물 증발을 위해 요구되는 에너지를 증가시킨다. 털의 초기 농도는 전환에 중요한 효과를 갖지 않으므로, 보다 높은 생성물 농도는 반고체 반응으로 얻어질 수 있다.
2단계 및 1단계 공정에 대한 총 켈달 질소 및 암모니아 농도
단계 1 (8 h) 단계 2 (8 h) 1단계 (16 h)
TKN 0.2984 0.1154 0.3525
암모니아 87 39 363
8 h에서 초기 액체의 분리는 초기 단백질의 약 50% 전환을 갖는 민감한 아미노산 (아르기닌, 트레오닌 및 세린)에 대한 비교적 고농도를 보장한다. 제2 단계는 이들 아미노산을 보다 낮은 농도로 가지면서 보다 큰 총 전환을 제공한다.
단계 2 이후 반응되지 않은 잔류 고체 (7 g 질소/100 g 건조 고체를 사용하여 초기 털의 약 30%)는 액체상 중 총 80% 단백질 회수를 제공하도록 추가로 처리될 수 있다. 상기 단계는 아마도 24 내지 36시간을 필요로 할 것이다.
실험 6. 생성물의 아미노산 조성 및 공정 질량 균형
본 섹션은 총 질량 균형 및 제안된 2회의 8-h 단계 공정 및 1회의 16-h 단계 처리를 사용하여 얻어진 생성물의 아미노산 조성을 제시한다.
표 113은 3가지 원심분리된 액체 생성물에 대한 총 켈달 질소 및 암모니아 농도를 비교한다. 표 114는 3가지 잔류 고체에 대한 고체 조성 (질소 및 미네랄)을 보여준다. 도 49는 2단계 공정 및 1단계 공정에 대한 질량 균형을 보여준다. 고체에서 불균일성은 농도의 매우 큰 변동을 일으킨다.
공기 건조된 털 및 공정의 잔류 고체의 단백질 및 미네랄 함량
샘플 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
털 14.73 0.0508 0.0197 0.1658 0.029 5244 58 185 50 37
RS1 8h 10.234 0.0622 0.0176 7.0083 0.1233 3005 108 457 61 17
RS2 8h 6.974 0.0725 0.0155 10.1003 0.1938 2301 117 702 62 22
RS3 16h 5.803 0.0642 0.0228 9.7181 0.1617 2404 79 472 56 18
표 115는 3가지 상이한 생성물 및 털에 대한 아미노산 조성을 비교한다. 선행 실험으로부터 예상되는 바와 같이, 단계 1은 트레오닌, 아르기닌 및 세린에 대한 보다 높은 값을 제공한다. 앞서 언급된 아미노산을 제외하고는, 단계 1, 단계 2, 및 1단계 공정으로부터의 생성물의 농도는 매우 유사하다.
고체 생성물 및 출발 물질 내에 존재하는 개별 아미노산
아미노산 단계 1 (8 h) 단계 2 (8 h) 1단계 (16 h) 털
ASP 8.19 8.68 7.85 6.63
GLU 17.46 19.30 17.51 14.47
SER 3.01 1.10 1.57 8.91
HIS 1.06 0.83 0.94 1.29
GLY 10.00 6.97 9.84 5.52
THR 1.32 0.83 0.76 7.48
ALA 7.34 7.80 8.64 4.50
ARG 7.95 4.94 5.25 10.98
TYR 1.75 2.14 2.59 2.44
VAL 7.82 8.99 8.20 6.80
MET 0.73 0.99 0.75 0.71
PHE 3.37 3.39 3.38 3.09
ILE 4.62 5.21 4.82 4.20
LEU 11.01 13.04 11.52 9.77
LYS 2.77 4.82 3.91 5.53
PRO 11.62 10.94 12.45 7.68
값은 g AA/100 g 총 아미노산.
마지막으로, 표 116에서, 생성물의 아미노산 조성을 다양한 단위 가축의 필요한 필수 아미노산에 비교하였다.
생성물의 아미노산 분석 및 다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치
아미노산 단계 1(8h) 단계 2(8h) 1단계16h 털 메기 개 고양이 닭 돼지
ASP 8.19 8.68 7.85 6.63
GLU 17.46 19.30 17.51 14.47
SER 3.01 1.10 1.57 8.91
HIS 1.06 0.83 0.94 1.29 1.31 1 1.03 1.4 1.25
GLY 10.00 6.97 9.84 5.52
THR 1.32 0.83 0.76 7.48 1.75 2.64 2.43 3.5 2.5
ALA 7.34 7.80 8.64 4.50
ARG 7.95 4.94 5.25 10.98 3.75 2.82 4.17 5.5 0
VAL 7.82 8.99 820 6.80 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67
CYS ND ND ND ND 2+ 2.41+ 3.67+ 4+ 1.92+
MET 0.73 0.99 0.75 0.71 2+ 2.41+ 2.07 2.25 1.92+
TYR 1.75 2.14 2.59 2.44 4.38* 4.05* 2.93* 5.85* 3.75*
PHE 3.37 3.39 3.38 3.09 4.38* 4.05* 1.4 3.15 3.75*
ILE 4.62 5.21 4.82 4.20 2.28 2.05 1.73 3.65 2.5
LEU 11.01 13.04 11.52 9.77 3.06 3.27 4.17 5.25 2.5
LYS 2.77 4.82 3.91 5.53 4.47 3.5 4 5.75 3.58
TRP ND ND ND ND 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75
PRO 11.62 10.94 12.45 7.68
+시스테인 + 메티오닌 *티로신 + 페닐알라닌 ND 측정되지 않음모든 값은 g 아미노산/100 g 단백질.
표 116에 나타낸 바와 같이, 석회-가수분해된 소털의 아미노산 조성은 상이한 가축 단위 동물의 필수 아미노산 요구치에 관하여 잘 균형을 이루지 않는다. 히스티딘 (분석에서 과소평가됨), 트레오닌, 메티오닌 및 리신에 대한 값이 특히 낮고, 일부 다른 아미노산은 모두는 아니지만 대부분의 동물에 충분하다 (티로신, 페닐알라닌). 소털의 석회 가수분해는 프롤린 및 글루타민 + 글루타메이트가 매우 풍부한 생성물을 생성하지만, 이들은 가축 단위 동물의 사료에서 필수 아미노산이 아니다. 아미노산 생성물은 반추동물을 위해 사용될 수 있다.
보다 높은 세린 및 트레오닌 농도는 단계 1에서 시간을 감소시킴으로써 얻어질 수 있다.
92% 단백질 (습식 기준)을 함유하는 공기 건조된 소털은 100℃에서 Ca(OH)2로 처리함으로써 아미노산 풍부 생성물을 얻기 위해 사용될 수 있다. 저온 요건 때문에 상기 공정을 위해 단순한 비가압 용기가 사용될 수 있다.
털 농도는 단백질 가수분해에 대해 중요한 효과를 갖지 않는 반면, 또한 다른 케라틴 물질인 닭 깃털로부터 얻어질 수 있는 약 70%의 전환을 얻기 위해 많은 석회 로딩 (0.1 g Ca(OH)2/g 털보다 많은) 및 장기 처리 기간 (t > 8 h)이 요구된다.
단백질 가용화는 장기간 처리에 대해서만 석회 로딩에 따라 변하고, 이는 가수분해 반응을 위한 촉매로서 히드록실기가 요구됨을 보여주지만, 공정 동안 그의 소비는 보다 작은 석회 로딩 반응을 느리게 하거나 평준화를 더 빠르게 한다.
단백질 전환을 최대화하기 위해 (70%까지) 최적 조건은 100℃에서 적어도 24시간 동안 처리된 0.35 g Ca(OH)2/g 털이다. 24시간에 시작하는 쉽게 인지할 수 있는 암모니아 냄새는 아미노산 분해를 제안한다. 아르기닌, 트레오닌 및 세린은 알칼리성 가수분해 하에 보다 민감한 아미노산이다.
아미노산의 분해는 후속 처리 단계에서 추가 알칼리성 가수분해를 위해 잔류 고체를 분리하여 액체상으로 이미 가수분해된 아미노산을 회수함으로써 최소화할 수 있다. 8 h에서 초기 액체 (단계 1)의 분리는 초기 단백질의 약 50% 전환을 가지면서 민감한 아미노산 (아르기닌, 트레오닌 및 세린)에 대해 비교적 고농도를 보장한다. 제2 8-h 단계는 이들 아미노산을 보다 저농도로 가지면서 보다 큰 총 전환 (약 70%)을 제공한다.
단계 2에서 질소 농도 (단백질/아미노산)는 초기 처리에서 얻어진 것의 단지 40%이고, 이는 물 증발을 위해 요구되는 에너지를 증가시킨다. 털의 초기 농도는 전환에 중요한 효과를 갖지 않으므로, 보다 많은 생성물 농도는 반고체 반응으로 얻어질 수 있다.
조성물의 아미노산 조성은 상이한 가축 단위 동물에 대한 필수 아미노산 요구치에 비교하여 불량하다. 생성물은 트레오닌, 히스티딘, 메티오닌 및 리신이 적다. 아스파라긴 및 프롤린은 특히 풍부하지만, 이들은 동물 사료에서 요구되지 않는다. 상기 공정으로 얻어진 생성물은 반추동물 먹이로서 유용하고, 매우 높은 소화율, 높은 질소 함량을 갖고, 물에 고도로 가용성이다.
실시예 7: 새우 머리에서 단백질 가용화
상당량의 새우 가공 부산물이 매년 폐기된다. 상업적인 새우 가공에서, 약 25% (w/w)의 생새우가 새우살로 회수된다. 고체 폐기물은 약 30-35% 조직 단백질을 함유하고; 탄산칼슘 및 키틴이 다른 주요 분획이다. 키틴 및 키토산 생산은 현재 갑각류 가공으로부터의 폐기물에 기초한다. 키토산 생산 동안, 1 kg의 키토산 생산시마다 약 3 kg의 단백질이 폐기된다 (Gildberg and Stenberg, 2001).
키틴은 널리 분포되어 있는 자연에 풍부한 아미노 다당체이고, 물, 알칼리 및 유기 용제에 불용성이고, 강산에 약간 가용성이다. 키틴은 건조 중량으로 ~15-20% 키틴으로 이루어진 갑각류 외골격의 구조 성분이다. 키틴은 구조 중합체로서 화학 구조 및 생물학적 기능에서 셀룰로스와 유사하다 (Kumar, 2000).
현재, 키틴-함유 물질 (게딱지, 새우 폐기물 등)은 비등 수성 수산화나트륨 (4% w/w)에서 1-3 h 동안 처리한 후 묽은 염산 (1-2 N HCl)에서 8-10 h 동안 칼슘제거된다 (탄산칼슘 제거). 이어서, 키틴은 비등점 하에 진한 수산화나트륨 (40-50% w/w) 중에서 탈아세틸화되어 키토산으로 된다.
냉동된 큰 전체 흰다리새우 (white shrimp)를 식품점으로부터 입수하였다. 새우 꼬리를 제거하고 잔여 폐기물 (머리, 더듬이 등)을 산업용 블렌더에서 10분 동안 블렌딩하고, 플라스틱병에 모으고, 마지막으로 이후 사용을 위해 -4℃에서 동결시켰다. 상기 블렌딩된 물질의 샘플을 사용하여 수분 함량, 총 질소 (총 중량 기준으로 단백질의 추정치 ~16% + 키틴 분획 ~16.4%가 질소임), 회분 (미네랄 분획) 및 아미노산 함량을 얻어 출발 물질을 특성화하였다.
새우 머리 폐기물은 21.46% 건조 물질 및 17.2 g 회분/100 g 건조 중량 (표 117 및 표 118)이었다. TKN은 10.25%로 약 64.1%의 조단백질 및 키틴 분획에 대응한다 (표 119). 나머지 18%는 지질 및 다른 성분에 해당한다. 새우 머리 폐기물에 대한 아미노산 조성을 표 120에 제시한다.
새우 머리 폐기물 중 수분 함량
샘플 고체 (g) 건조 고체 (g) 건조 고체 (%)
1 64.1091 13.7745 21.49
2 58.5237 12.5662 21.47
3 61.7193 13.2126 21.41
평균 21.46
새우 머리 폐기물 중 회분 함량
샘플 고체 (g) 건조 고체 (g) 건조 고체 (%)
1 3.2902 0.5859 17.81
2 3.068 0.5148 16.78
3 3.0486 0.5196 17.04
평균 17.21
새우 머리 폐기물 중 단백질 및 미네랄 함량
샘플 TKN(%) P(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(ppm) Zn(ppm) Fe(ppm) Cu(ppm) Mn(ppm)
1 10.2 1.34 1.07 4.5430 0.3896 12090 90 355 160 10
2 10.3 1.21 1.02 4.7162 0.3586 11550 90 167 155 9
평균 10.25 1.27 1.045 4.6296 0.3781 11820 90 261 157.5 95
새우 머리 폐기물의 아미노산 조성
아미노산 측정된 아미노산 측정된
ASP 11.13 TYR 3.15
GLU 15.83 VAL 5.77
SER 4.08 MET 1.84
HIS 1.78 PHE 4.93
GLY 6.94 ILE 4.54
THR 4.06 LIEU 8.30
ALA 6.83 LYS 5.63
OYS ND TRIP ND
ARG 7.25 PRO 7.96
ND: 측정되지 않음. 값은 g AA/100 g 총 아미노산.
출발 물질은 잘 균형을 이룬 아미노산 함량을 갖고 (표 120); 히스티딘 및 메티오닌 수준은 비교적 낮다. 높은 수준의 인, 칼슘, 칼륨으로 인해 물질은 동물 사료에서 미네랄을 위한 유용한 원료가 된다.
실험 1. 반복가능성
새우 머리 폐기물 중 단백질의 가용화 방법의 반복가능성을 결정하기 위해, 동일한 조건 (각각 100℃, 40 g 건조 새우/L, 및 0.10 g 석회/g 건조 새우) 하에 2가지 실험을 실행하였다. 실험 조건 및 측정된 변수를 표 121에 요약한다.
새우 머리 폐기물의 단백질 가용화에서 반복가능성을 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
실험 A B
새우 머리 폐기물의 질량 (g) 149 149
물의 부피 (mL) 750 750
석회의 질량 (g) 3.2 3.2
초기 온도 (℃) 97 87
pH 최종 10.64 10.2
습기있는 잔류 고체 (g) 137.19 182.7
건조 잔류 고체 (g) 17.24 19.74
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.3757 2.4322
표 122는 2가지 상이한 실행에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 새우 머리 폐기물에 대한 평균 TKN (10.25%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 123에 제시한다. 전환 값에 대한 평균 표준 편차는 1.13 또는 평균 결과 (79.3% 전환)의 1.5%이다.
실험 1에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (새우 머리 폐기물)
시간 (분) A B
0 0.2837 0.2934
10 0.3005 0.3017
20 0.3053 0.2981
30 0.3029 0.3005
60 0.3053 0.2969
120 0.3077 0.3005
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 1에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환율 (새우 머리 폐기물)
시간 (분) A B
0 75.1 77.6
10 79.5 79.8
20 80.8 78.9
30 80.1 79.5
60 80.8 78.6
120 81.4 79.5
도 49는 2가지 상이한 실행에 대한 시간의 함수로서 단백질 가용화 (전환율)를 제시한다. 이는 전환이 초기 5-10분 후 일정하게 유지되고, 단백질 가수분해 공정이 연구된 조건 하에 명백하게 반복가능함을 보여준다. 시간 0분에 대한 샘플은 반응기를 밀폐하고 가압한 후 취하고, 상기 공정은 8 내지 12분이 소요된다.
실험 2. 온도 효과
새우 머리 폐기물의 단백질의 가용화에 대한 온도의 효과를 결정하기 위해, 석회 로딩 및 물질 농도 (각각 0.10 g 석회/g 새우 및 40 g 건조 새우/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 온도에서 실험을 실행하였다. 실험 조건 및 측정된 변수를 표 124에 요약한다.
새우 머리 폐기물의 단백질 가용화에서 온도의 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
온도 (℃) 75 100 125
새우의 질량 (g) 149 149 149
물의 부피 (mL) 750 750 750
석회의 질량 (g) 3.2 3.2 3.2
초기 온도 (℃) 78.5 97 108
pH 최종 10.1 10.64 9.88
습기있는 잔류 고체 (g) 133.04 137.19 130.58
건조 잔류 고체 (g) 16.06 17.24 17.42
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.6439 2.3757 2.6808
표 125는 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 새우 머리 폐기물에 대한 평균 TKN (10.25%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였고 표 126에 제시한다.
실험 2에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (새우 머리 폐기물)
온도
시간 (분) 75℃ 100℃ 125℃
0 0.3160 0.2837 0.3053
10 0.3196 0.3005 0.3101
20 0.3101 0.3053 0.3101
30 0.3101 0.3029 0.3112
60 0.3101 0.3053 0.3101
120 0.3172 0.3077 0.3101
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 2에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환율 (새우 머리 폐기물)
온도
시간 (분) 75℃ 100℃ 125℃
0 83.6 75.1 80.8
10 84.6 79.5 82.1
20 82.1 80.8 82.1
30 82.1 80.1 82.3
60 82.1 80.8 82.1
120 83.9 81.4 82.1
도 51은 연구된 상이한 온도에 대한 시간의 함수로서 단백질 가수분해 (전환율)를 제시한다. 전환은 온도에 의존하지 않는다 (통계적으로 동일한 값). 보다 낮은 온도에서 아미노산이 더 적게 분해될 것이고 공정을 상기 온도로 유지하기 위해 요구되는 에너지가 더 적기 때문에 유리하다.
실험 3. 석회 로딩 효과 I
새우 머리 폐기물의 단백질 가용화에 대한 석회 로딩의 효과를 결정하기 위해, 온도 및 새우 농도 (각각 100℃ 및 40 g 건조 새우/L)를 일정하게 유지하면서 상이한 석회/새우 비율에서 실험을 실행하였다. 실험 조건 및 측정된 변수를 표 127에 요약한다.
새우 머리 폐기물의 단백질 가용화에서 석회 로딩 효과를 결정하기 위한 실험 조건 및 측정된 변수
석회 로딩 (g 석회/g 새우) 0 0.05 0.1 0.2
새우 머리 폐기물의 질량 (g) 149 149 149 149
물의 부피 (mL) 750 750 750 750
석회의 질량 (g) 0 1.6 3.2 6.4
초기 온도 (℃) 96 95 97 103
pH 최종 8.1 9.20 10.64 12
습기있는 잔류 고체 (g) 179.4 148.8 137.2 122.5
건조 잔류 고체 (g) 17.72 16.5 17.24 18.28
100 mL 중 용존 고체 (g) 2.3576 2.5146 2.3757 2.4516
표 128은 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체 샘플 중 총 질소 함량을 보여준다. 건조 새우 머리 폐기물에 대한 평균 TKN (10.25%)을 기초로, 단백질 가수분해 전환을 추정하였다 (표 129).
실험 3에 대한 시간의 함수로서 원심분리된 액체상 중 총 켈달 질소 함량 (새우 머리 폐기물)
석회 로딩
시간 (분) 0 g/g 0.05 g/g 0.1 g/g 0.2 g/g
0 0.2477 0.2890 0.2837 0.2573
10 0.2452 0.2978 0.3005 0.2573
20 0.244 0.3035 0.3053 0.2621
30 0.2488 0.3035 0.3029 0.2669
60 0.2452 0.3051 0.3053 0.2766
120 0.2513 0.3035 0.3077 0.2897
TKN은 g 질소/100 g 액체 샘플.
실험 3에 대한 총 TKN의 가용성 TKN으로의 전환율 (새우 머리 폐기물)
석회 로딩
시간 (분) 0 g/g 0.05 g/g 0.1 g/g 0.2 g/g
0 65.5 76.5 76.4 68.1
10 64.9 78.8 79.7 68.1
20 64.6 80.3 79.8 69.4
30 65.8 80.3 79.8 70.6
60 64.9 80.7 79.7 73.2
120 66.5 80.3 80.5 76.7
도 52는 연구된 상이한 석회 로딩에 대한 시간의 함수로서 가용화된 단백질 (전환율)을 제시한다. 이는 석회를 사용하지 않은 실험 (통계적으로 상이한)을 제외하고는 전환이 모든 석회 로딩에 대해 유사함을 보여준다.
무석회 실험에서, 가용성 단백질이 수성상 내에 존재하지만; 히드록실기는 묽어서, 가수분해 반응 및 세포 파괴를 느리게 한다. 무석회 실험에 대한 최종 pH는 8.1이었다. 유사하게, 알칼리성 pH는 새우 폐기물로부터 방출된 탄산칼슘 및 중탄산칼슘에 의해 유발된다.
액체상으로 신속한 단백질 가수분해를 보장하기 위해 석회 첨가가 요구되고, 마찬가지로 생성물 내에 보다 높은 분획의 유리 아미노산을 제공할 것이다. 또한, 석회 처리는 키틴 및 키토산을 생성하기 위한 예비 단계로 여겨지므로, 높은 단백질 회수는 가공 동안 후속 단계를 위해 요구되는 화학물질을 감소시키고, 보다 고품질의 키틴 또는 키토산 생성물에 관련된다.
현탁된 고체로부터 카로테노이드 (아스탁산틴)의 회수는 공정으로부터 추가의 유용한 생성물을 생성하기 위한 것으로 간주될 수 있다. 탄산칼슘 및 키틴은 갑각류의 구조 성분이기 때문에, 혼합물을 거르고 현탁된 고체를 원심분리시키면 카로테노이드를 회수할 수 있다 (Gildberg and Stenberg, 2001).
실험 4. 아미노산 분석
표 130은 상이한 공정 조건에 대한 가수분해물의 총 아미노산 조성을 보여준다. 높은 석회 로딩 실험에서 세린 및 트레오닌 및 시스테인 함량에서 비교적 높은 변동을 제외하면, 최종 생성물의 조성은 처리 조건에 따라 변하지 않는다. 선행 결과에서 보이는 바와 같이, 무석회 실험은 가수분해물 내에 보다 낮은 단백질 농도를 생성한다.
새우 머리 폐기물의 단백질 가수분해에서 상이한 공정 조건에 따른 총 아미노산 조성
조건 100℃60 min0.1 석회 100℃120 min0.2 석회 100℃120 min0.1 석회 100℃120 min무석회 75℃120 min0.1 석회 125℃120 min 0.1 석회
ASP 9.66 10.19 9.27 9.78 9.46 9.40
GLU 15.68 15.85 15.50 15.68 15.03 15.20
SER 4.57 3.92* 4.33 4.46 4.41 4.38
HIS 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
GLY 7.77 8.31 7.32 7.26 7.05 7.42
THR 3.57 2.30* 4.01 4.46 4.40 3.77
ALA 7.15 7.53 7.28 7.20 6.69 7.17
TAU 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ARG 7.00 6.47 7.59 4.90* 7.94 6.60
TYR 3.82 4.27 3.78 3.94 3.83 4.13
CYS-CYS 0.67 0.48 0.82 1.42 1.09 0.74
VAL 5.79 6.13 6.08 6.17 6.24 6.30
MET 2.19 2.15 2.21 2.25 2.15 2.14
TRP ND ND ND ND ND ND
PHE 4.43 4.90 4.43 4.67 4.57 4.81
ILE 4.01 4.32 4.31 4.30 4.33 4.51
LEU 8.60 8.94 8.75 9.02 8.83 8.97
LYS 7.79 7.31 7.34 7.52 7.53 7.59
PRO 7.30 6.92 6.97 6.97 6.45 6.85
ND: 측정되지 않음. 값은 g AA/100 g 총 아미노산.
표 131은 상이한 공정 조건에 대한 가수분해물의 유리 아미노산 조성을 보여준다. 조성 변화성은 총 아미노산의 경우보다 더 크다. 처리 조건은 민감한 아미노산에 영향을 미치고; 보다 강한 조건 (예를 들어, 보다 긴 시간, 보다 높은 온도, 또는 보다 많은 석회 로딩)은 분해 반응을 가속화시키고 특히 유리 아미노산 결정에서 상이한 조성을 생성시킨다.
트립토판은 유리 아미노산 조성의 약 2%를 나타내는 한편, 타우린은 4%에 근접한다. 이들 값은 총 아미노산 조성에서 그들의 농도에 대한 추정치로서 사용될 수 있다.
새우 머리 폐기물의 단백질 가수분해에 대한 상이한 공정 조건에서 유리 아미노산 조성
조건 100℃60 min0.1 석회 100℃120 min0.2 석회 100℃120 min0.1 석회 100℃120 min무석회 75℃120 min0.1 석회 125℃120 min0.1 석회
ASP 1.61 3.85 2.09 2.93 216 2.75
GLU 3.49 5.54 3.86 4.46 4.08 4.20
ASN 1.87 0.83 2.15 2.40 2.53 2.12
SER 3.01 4.15 3.17 3.37 3.20 3.59
GLN 1.67 0.00 2.05 2.69 3.29 0.18
HIS 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
GLY 8.51 8.61 6.55 6.54 5.80 6.59
THR 2.44 1.38 3.00 3.38 3.25 2.91
CIT 0.52 1.13 0.58 0.38 0.67 0.36
B-ALA 0.50 0.25 0.09 0.02 0.00 0.15
ALA 8.71 9.21 8.41 8.45 7.85 8.98
TAU 6.51 5.63 4.31 3.84 3.48 3.95
ARG 11.45 9.37 11.63 6.53 11.46 9.51
TYR 3.93 4.35 4.72 5.40 5.06 5.25
CYS-CYS ND ND ND ND ND ND
VAL 4.10 4.61 4.84 4.87 4.85 5.50
MET 2.78 3.22 3.22 3.36 3.01 2.89
TRP 2.78 2.57 2.32 2.17 2.16 1.86
PHE 4.55 4.74 5.17 6.15 5.87 5.56
ILE 3.86 3.92 4.82 4.32 4.45 5.72
LEU 7.63 8.15 8.90 9.82 9.60 9.75
LYS 10.31 9.39 9.82 10.98 9.32 9.82
PRO 9.78 9.10 8.28 7.95 7.91 8.37
ND: 측정되지 않음. 값은 g AA/100 g 총 유리 아미노산.
총 아미노산의 평균 40%가 유리 아미노산으로 존재한다. 보다 긴 시간 또는 보다 강한 조건에 대해 비교적 더 많은 분획이 얻어진다.
새우 폐기물을 열-화학적 처리하면 유리 아미노산 및 작은 가용성 펩티드의 혼합물을 생성하고, 이는 가능한 영양 생성물이 된다. 가수분해물 생성물은 높은 분획의 필수 아미노산을 함유하여 단위 동물을 위한 고품질 영양원이 된다. 표 132는 총 아미노산 조성과 다양한 가축에 대한 요구치 사이의 비교를 보여준다. 히스티딘은 분석 동안 과소평가되기 때문에, 원료 폐기물 물질에 대해 계산된 1.78 g/100 g 값을 사용하여, 성장상 동안 동물의 필수 아미노산 요구치를 만족하거나 초과하는 고품질 단백질 보충물이 생성된다.
생성물의 아미노산 분석 및 다양한 가축에 대한 필수 아미노산 요구치 (새우 머리 폐기물)
아미노산 메기 개 고양이 닭 돼지 액체 (TAA) 액체 (FAA)
ASN 2.15
GLN 2.05
ASP 9.27 2.09
GLU 15.50 3.86
SER 4.33 3.17
HIS 1.31 1.00 1.03 1.40 1.26 0.00 0.00
GLY 7.32 6.55
THR 1.75 2.64 2.43 3.50 2.50 4.01 3.00
ALA 7.28 8.41
ARG 3.75 2.82 4.17 5.50 0.00 7.59 11.63
VAL 2.63 2.18 2.07 4.15 2.67 6.08 4.48
CYS 2.00* 2.41* 3.67* 4.00* 1.92* 0.82 ND
MET 2.00* 2.41* 2.07 2.25 1.92* 2.21 3.22
TYR 4.38+ 4.05+ 2.93+ 5.85+ 3.75+ 3.78 4.72
PHE 4.38+ 4.05+ 1.40 3.15 3.75+ 4.43 5.17
ILE 2.28 2.05 1.73 3.65 2.50 4.31 4.82
LEU 3.06 3.27 4.17 5.25 2.50 8.75 8.90
LYS 4.47 3.50 4.00 5.75 3.58 7.34 9.92
TRP 0.44 0.91 0.83 1.05 0.75 ND 2.32
PRO 6.97 8.28
*시스테인 + 메티오닌. +티로신 + 페닐알라닌. ND 측정되지 않음. 모든 값은 g 아미노산/100 g 단백질.
~20% 회분 외에, 새우 머리 폐기물은 64% 단백질 + 키틴을 함유하고, 둘 모두 몇몇 유용한 생성물을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 상기 폐기물을 석회로 열-화학적 처리하면 동물 사료 보충물로서 사용될 수 있는 잘 균형을 이룬 아미노산 함량을 갖는 단백질 풍부 물질을 생성한다. 처리된 혼합물을 거르고 액체 생성물을 원심분리하면 카로테노이드를 회수할 수 있다. 마지막으로, 탄산칼슘 및 키틴이 풍부한 잔류 고체도 잘 공지된 방법을 통해 키틴 및 키토산을 생성시키기 위해 사용될 수 있다.
연구된 온도, 석회 로딩 및 시간의 모든 조건에 대해, 반응 30분 후에 전환의 어떠한 유의한 변화도 발생하기 않았다. 이들 모든 조건 및 2h 이하의 처리에 대해 아미노산 분해가 거의 관찰되지 않았다.
액체상으로 보다 높은 질소 전환을 얻기 위해 처리 동안 석회 첨가가 요구된다. 이는 또한 키틴 및 키토산 생성을 위한 잔류 고체의 추가 처리에 요구되는 화학물을 감소시킬 것이다.
새우 폐기물 물질을 석회 처리하여 얻어진 생성물은 단위 동물에 대한 필수 아미노산 요구치를 만족하거나 초과하여, 적합한 단백질 보충물이 된다.
본 발명의 단지 예시적인 실시태양을 상기 구체적으로 설명하였지만, 본 발명의 취지 및 의도하는 범위를 벗어나지 않는 본 발명의 변형 및 변경이 가능함을 이해할 것이다.

Claims (34)

  1. 알칼리를 단백질원에 가하여 슬러리를 형성하고; 단백질원 내의 단백질의 가수분해에 충분한 온도로 슬러리를 가열하여 반응액을 얻고; 반응액으로부터 고체를 분리하고; 산 또는 산 공급원으로 반응액을 중화시켜 중화된 액체를 생성시키고; 중화된 액체를 농축시켜 농축된 액체 및 물을 생산하고; 가열 단계 전 또는 동안 물을 슬러리에 반송하는 것을 포함하는 단백질 가용화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단백질원을 연마하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 알칼리가 산화칼슘 또는 수산화칼슘을 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 알칼리가 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 수산화칼륨, 암모니아, 및 이들의 임의의 조합물로 이루어진 군 중에서 선택된 화합물을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 가열이 암모니아를 생성시키고, 암모니아를 산으로 중화시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 분리된 고체를 단백질원에 반송하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 분리된 고체 내의 불활성 고체로부터 반응성 고체를 분리하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 반응액 내의 모든 또는 실질적으로 모든 프리온을 파괴하기에 충분한 시간 동안 승온에서 반응액을 유지하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 승온이 125-250℃이고, 시간이 1초 내지 5시간인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 중화된 액체로부터 고체를 분리하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 분리된 고체가 알칼리를 포함하고, 분리된 고체를 단백질원에 첨가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 중화된 액체의 농축이 중화된 액체를 증발시키는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 중화된 액체의 농축이 중화된 액체를 여과하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 중화된 액체의 농축이 중화된 액체를 동결시키는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 중화된 액체의 농축이 비혼화성 아민을 첨가하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 농축된 액체를 건조시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 공정열을 생성시키고 공정열을 재사용하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  18. 단백질원 및 알칼리를 반응시켜 반응액을 제조하도록 작동가능한 가열된 반응기; 반응액으로부터 고체를 분리하도록 작동가능한 고체/액체 분리기; 반응액에 대한 산의 첨가를 허용하여 중화된 액체를 생성하도록 작동가능한 중화 탱크; 중화된 액체를 농축시키고 농축된 액체 및 물을 생성시키도록 작동가능한 농축 탱크; 물을 농축 탱크로부터 가열된 반응기로 통과시키도록 작동가능한 도관; 및 공정열을 교환하도록 작동가능한 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는, 단백질을 가용화시키기 위한 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 단백질원을 연마하도록 작동가능한 연마기를 추가로 포함하는 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 가열된 반응기가 교반 탱크를 포함하는 것인 시스템.
  21. 제18항에 있어서, 가열된 반응기로부터 암모니아를 수집하고 산을 사용한 암모니아의 중화를 허용하도록 작동가능한 암모니아 수집기를 추가로 포함하는 시스템.
  22. 제18항에 있어서, 분리된 고체를 가열된 반응기에 반송하도록 작동가능한 도관을 추가로 포함하는 시스템.
  23. 제18항에 있어서, 불활성 고체로부터 반응성 고체를 분리하도록 작동가능한 밀도 분리기를 추가로 포함하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 밀도 분리기가 침전기 또는 하이드로클론을 포함하는 것인 시스템.
  25. 제18항에 있어서, 반응액 내의 모든 또는 실질적으로 모든 프리온을 파괴하기에 충분한 온도에서 및 충분한 시간 동안 반응액을 가열하도록 작동가능한 유지 탱크를 추가로 포함하는 시스템.
  26. 제18항에 있어서, 중화된 액체로부터 고체를 분리하도록 작동가능한 고체/액체 분리기를 추가로 포함하는 시스템.
  27. 제18항에 있어서, 농축 탱크가 다중 효용 증발기, 기계적 증기 압축식 증발기, 제트 이젝터 증기 압축 증발기, 역삼투막, 기밀 나노여과막, 냉동장치, 아민 회수 시스템, 및 이들의 임의의 조합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 컴포넌트를 추가로 포함하는 것인 시스템.
  28. 제18항에 있어서, 농축된 액체를 건조시키도록 작동가능한 건조기를 추가로 포함하는 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 건조기가 분무 건조기 또는 마찰 (scraped) 드럼 건조기를 포함하는 것인 시스템.
  30. 단백질원 및 알칼리를 반응시켜 반응액을 제조하도록 작동가능한 반응 수단; 반응액으로부터 고체를 분리하도록 작동가능한 고체/액체 분리 수단; 반응액에 대한 산의 첨가를 허용하여 중화된 액체를 생성하도록 작동가능한 중화 수단; 중화된 액체를 농축시키고 농축된 액체 및 물을 생성시키도록 작동가능한 농축 수단; 물을 농축 탱크로부터 가열된 반응기로 통과시키도록 작동가능한 수단; 및 공정열을 교환하도록 작동가능한 적어도 하나의 열 교환 수단을 포함하는, 단백질을 가용화시키기 위한 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 단백질원을 연마하도록 작동가능한 연마 수단을 추가로 포함하는 시스템.
  32. 제30항에 있어서, 반응 수단으로부터 암모니아를 수집하고 산을 사용한 암모니아의 중화를 허용하도록 작동가능한 수집 수단을 추가로 포함하는 시스템.
  33. 제30항에 있어서, 반응액 내의 모든 또는 실질적으로 모든 프리온을 파괴하기에 충분한 온도에서 및 충분한 시간 동안 반응액을 가열하도록 작동가능한 유지 수단을 추가로 포함하는 시스템.
  34. 제30항에 있어서, 농축된 액체를 건조시키도록 작동가능한 건조 수단을 추가로 포함하는 시스템.
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