형태 안정성을 얻기 위해 마무리 성형된 사료 펠릿, 볼 등의 단백질 구조 변형방법 및 그 방법에 의해 제조된 사료물질

형태 안정성을 얻기 위해 마무리 성형된 사료 펠릿, 볼 등의 단백질 구조 변형방법 및 그 방법에 의해 제조된 사료물질{A METHOD FOR THE MODIFICATION OF PROTEIN STRUCTURE IN FINISH SHAPED FEED PELLETS, BALLS OR THE LIKE IN ORDER TO ACHIEVE SHAPE STABILITY, AND FEED MASS MADE IN ACCORDANCE WITH THE METHOD}

사육하는 많은 종류의 동물들, 예를 들면, 연어 및 송어는 육식성(고기를 먹는)이다. 이들의 천연 먹이에는 곤충(담수상의 연어 및 송어에 대해서는), 어류, 및 갑각류가 포함된다. 또한, 밍크 및 여우 같은 다른 육식성 사육 동물에 대한 사료에는 포유류의 고기, 예를 들면 도살장의 신선한 폐기물이 포함된다. 곤충과 갑각류는 키틴으로 이루어진 외골격을 갖는다. 키틴은 β1→4 결합으로 연결된 N-아세틸-D-글루코사민의 선형 다당류이다. 셀룰로스(β[1→4] D-글리코스) 및 알긴산염(D-만누론산)같은 다른 구조적 탄수화물들은, 이들 육식성동물에서 발견되지 않으며, 에너지 저장형으로써 전분(α[1→4] D-글리코스)도 함유되어 있지 않다. 그럼에도 불구하고 연어, 송어 및 기타 육식성 어류 및 동물은 장에서 전분을 절단할 수 있고 소화가능하게 할 수 있는 효소(예를 들면, 아밀라제)를 갖지만, 초식성(식물을 먹는) 어류 및 동물과 비교하여 덜 효율적이다.

육식성 어류용 사료 중에는 결합제로서, 예를 들면 밀 또는 옥수수의 형태로 8 ~ 25 %의 탄수화물이 첨가되는 것이 일반적이다. 압착 후, 그러나 특별히 압출 후, 이들 탄수화물 중의 전분은 펠릿에 기계적 강도와 형태 내구성을 제공함으로써 펠릿의 형태가 건조, 추가 공정, 저장 및 운송 후에도 유지될 수 있도록 하는 매트릭스 또는 기초물질을 형성할 것이다.

탄수화물은 신체대사에서 에너지원으로서 이용된다. 탄수화물의 에너지 밀도는 단백질 및 지방의 에너지 밀도보다 낮다(각각 17.6; 23.9 및 39.3 MJ/kg). 또한 탄수화물의 소화율은 육식성 어류에서 더 낮고, 사료 중 복합 탄수화물의 비율(10 % 이상)이 증가함에 따라 감소한다. 실험은 연어류가 탄수화물에 대한 대사 필요로 하지 않는다는 것을 나타낸다. 지방이 에너지원으로서 탄수화물을 대치한다면, 이런 종류의 탄수화물이 없는 어류 사료는, 기타성분의 상대적 비율이 일정하게 유지되는 한, 단위 중량당 더 많은 에너지를 함유한다.

상기와 같이, 사료 펠릿에 형태 내구성 및 기계적 강도를 제공하기 위해, 8 ~ 25 %의 예를 들면 밀 및/또는 옥수수와 같은 탄수화물 형태의 결합제를 첨가하는 것이 알려져 있다. 사료물질 원료를 압착 또는 압출한 후, 원하는 강도의 전분 매트릭스가 성립될 것이다.

사료를 펠릿, 볼 등으로 성형하는 것과 관련된 다른 기술이 또한 기재되어 있다. 예를 들어, 미국특허 제 4 935 250호에 의하면, 알긴산염의 겔 또는 덩어리가 성형 중에 생성된다.

특허 문헌에는 덩어리가 젤라틴 또는 카제인산염으로 이루어진 사료 또는 사료 혼합물이 기재되어 있다. 영국특허 제 2 212 125호 참조.

또한, 천연 단백질의 응고로 생성된 결합 특성을 이용한 사료가 기재되어 있다.(제 179 731호 참조)

작은 사료입자들은 응집기술의 도움으로 생성될 수 있는데, 응집기술은 극히 작은 입자들을 큰 입자들로 집합하는 원리에 근거한다. 이 과정은 결합제로서 탄수화물을 사용하지 않는다. 사료 성분들은 사료 중의 고형분 입자들간의 다양한 형태의 접촉결합(contact bond)을 통해 함께 결합된다. 접촉 결합의 여러 형태는 수소결합, 접착 및 응집으로부터 모세관력까지 다양할 수 있다. 새로운 공유결합은 이 단계에서 생성되지 않는다. 이것은, 공유결합이 기타의 화학결합보다 강하기 때문에, 사료 펠릿의 형성 및 강도의 유지에 있어 명백한 단점이다.

그러므로, 응집된 사료의 중대한 단점은 결합이 약하고, 연속 매트릭스의 결핍을 제공하여, 펠릿이 부서지기 쉽고 깨지기 쉽다는 것이다. 응집기술은 약 2.5 ~ 3.0 mm보다 큰 직경을 갖는 펠릿형태로 사료입자를 생성하는 것에는 이용될 수 없다.

더 큰 사료입자/조각/펠릿/볼 등의 생성을 가능하게 하기 위해서는, 탄수화물의 첨가가 없는 응집기술을 포기하고, 다시 결합제로서의 탄수화물로 되돌아가야 한다. 저농도에서, 전분과 같은 복합 탄수화물은 예를 들면, 연어류에 의해 소화될 수 있지만, 그 농도가 10 %를 초과하면 탄수화물 부분의 소화율이 감소한다. (Aksnes A., 1995. Growth, "탄수화물과 단백질이 다른 비율로 된 사료를 먹인 연어, Salmo salar L.의 성장, 시료 효율성 및 도살의 질(Growth, feed efficiency and slaughter quality of salmon, Salmo salar L., given feeds with different ratios of carbohydrates and protein)" Aquaculture Nutrition, 1:241~248). 탄수화물 부분의 에너지 함량은 지방으로 대치될 수 있다. 이것은 탄수화물이 사료조성의 나머지를 구성하므로, 지방, 단백질 및 미세영양소의 상대적인 비율을 다양하게 하는 관점에서 커다란 자유를 제공할 것이다. 이와 같은 사료는 탄수화물을 함유하는 동가의 사료보다 에너지가 풍부하고, 어류 생체질량 1 킬로를 생성하기 위해 소비되는 사료의 양으로 정의되는 사료 전환율의 감소를 가져올 것이다.

동류의 과립형 사료에서 펠릿 형상의 내구성 강화에 기여하기 위한 여러 방법 중, 잘 성형된 사료펠릿, 볼 등의 단백질 구조의 변형 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 펠릿형태의 형태 내구성 사료를 형성하는 본 방법으로 제조된 사료물질과도 관련이 있다.

본 발명은 그 영양 조성이 육식성 어류 및 동물의 천연 선택 먹이와 거의 근접한 사료의 단백질 구조를 변형시키는 방법을 나타내는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면, 탄수화물 없이, 사료 중에서 바람직한 결합이 얻어져 펠릿 및 사료물질의 유사한 형태의 형태 내구성을 제공, 이와 같은 방법으로 응집된 사료의 경우, 사료형태를 유지하면서 최대 입도/펠릿 직경이 증가된다. 또한, 본 발명은 모든 형태의 사료, 특히 어류 사료의 에너지 밀도를 증가시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 청구항 1에 기재된 과정에 의해 달성된다: 이는 예비성형된 사료펠릿, 구 및 유사 사료 입자 또는 조각의 단백질 구조를 변형하여 상기 사료 펠릿 등에 형태 내구성, 강도 및 견고성을 제공하는 것을 포함하고, 상기 특성들은 연이어 가능한 배양, 건조, 추가 공정, 저장 및 운송에서도 유지되며, 트란스글루타미나제와 같은 촉매화 효소가 사용되는, 육식동물용 사료, 특히 양식어류용 사료의 제조방법으로, 상기효소는 천연 또는 변성 형태의 단백질을 함유하는 단백질 원료의 단백질 사슬에 포함된 아미노산들 사이의 공유결합의 형성을 촉매하고, 상기 단백질 원료는 상당한 정도로, 스틱워터, 스틱워터 농축물 및 어분, 혈분, 우모분 또는 골분, 밀 글루텐, 옥수수 글루텐, 콩가루, 유채씨 가루(rapeseed meal), 카제인산 나트륨, 또는 젤라틴과 같 은 무구조 (structureless) 건식처리된 원료(분말)등의 무구조 처리된 원료로 구성되고, 상기 효소는 상기 무구조 원료의 단백질 네트워크를 만들기 위해 미리-혼합된 사료 물질(mass)에 또는 선택적으로 혼합하기 전의 하나 이상의 성분에 첨가혼합되고, 그 후 촉매가 상기 효소 형태로 첨가된 사료 물질이 사료 펠릿 등으로 성형되거나, 선택적으로 상기 효소가 예비성형된 사료 펠릿의 표면에 도포되며, 상기 효소의 반응역학적 특성에 따라 맞춰진 온도 및 기간 동안 배양되어, 상기 아미노산들 사이에 공유 결합이 형성 되고, 상기 사료펠릿 등이 추가 처리되고, 보존은 건조에 의해 수행되며, 펠릿 성형공정으로 이어지고, 반응 온도는 0 ~ 60 ℃에서 이루어지며, 예비형성된 사료 펠릿, 구 및 유사한 사료 입자는 원하는 형태 성형을 보이며, 상기 단백질의 네� ��워크는 단백질 매트릭스를 형성할 뿐만 아니라 기계적 강도가 증가되어 연이은 상기 건조에서도 유지되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방법을 말한다. 이 방법에 따라 기재된 것과 같이 처리되며 펠릿 등의 성형을 목적으로 하는 사료물질은 하기와 같은 본 발명의 청구항 7에 나타난 특징을 증명하는데 중요하다: 상기 항 중 어느 하나의 항의 방법으로 제조되고 처리된, 사육 육식동물용 사료입자(정제)를 형성하는 사료물질에 있어서, 아미노산 사이의 반응, 특히 글루타민과 라이신 사이의 반응을 촉매화 하기 위해 효소, 특히 트란스글루타미나제가 사료에 첨가되고, 사료의 단백질 원료 중에서 단백질 사슬의 일부를 형성하며, 그 결과 단백질 사이에 공유결합이 형성되며, 사료는 기타 성분의 단백질과 미세영양소를 함유하는 것을 특징으로 하는 사료입자를 형성하기 위한 사료물질. 또한, 이와 같은 사료물질로 제조되고, 그 단백질 구조가 본 발명의 방법으로 변형된 사료 펠릿은 기재된 바와 같이 본 명세서의 청구항의 범위 내에 있다.

그러므로, 본 발명은 주로 사료 물질로, 또는 선택적으로 펠릿을 형성하기 위한 하나 이상의 성분으로, 천연 또는 변성형태의 단백질을 함유하는 단백질 원료에 단백질 사슬을 구성하는 아미노산 사이의 공유결합의 형성을 촉매화하는 효소(바람직하게는 트란스글루타미나제)를 첨가하기 위해, 선택적으로, 형성된 펠릿의 표면을 코팅하는 것으로 이루어진다. 사료 혼합물 중의 단백질 원료의 단백질 사슬에 천연 아미노산인 글루타민과 라이신이 포함된다. 첨가된 효소는 촉매로서 작용하여, 사료 중의 단백질 원료 성분 중의 아미노산인 글루타민과 라이신 사이의 공유결합(ε-(γ-Glu)Lys)의 형성을 촉매한다.

반응 온도와 반응 시간의 조절을 통해, 이 효소반응은 사료펠릿에 일정하고 지속적인 형태를 제공하는 적당한 강도를 나타내는 단백질 원료의 매트릭스 또는 기초물질을 형성할 것이다.

응집된 사료에서, 이 효소반응은 단백질들 사이에 공유횡단결합(교차결합)을 일으킨다. 이것은 사료제품에 견고성과 강도를 제공하는 다른 3가지 형태의 화학결합외에 가장 강한 형태의 화학결합을 도입함으로써 응집물의 강도를 증가시킨다.

압착 또는 압출된 사료에서, 단백질 매트릭스를 형성하는 공유결합(ε-(γ-Glu)Lys)의 형성은 탄수화물의 첨가를 부분적으로 또는 완전히 대치할 수 있을 것이다. 이것은 사료조성에서 탄수화물을 제거할 수 있도록 하거나, 또는 탄수화물의 비율을 각각 감소시킬 수 있도록 한다. 이것은 여러 관점에서 중요한 이점이다. 탄수화물은 실질적으로 육식성 어류 및 동물의 천연 식이로서는 아무런 역할을 하지 않으며, 단백질과 지방이 탄수화물보다 에너지가 풍부하므로 사료 펠릿의 총 에너지 밀도는 증가될 수 있다. 본 발명에 따르면, 펠릿 형태의 동물 사료는 예를 들면 젤라틴 형태의 겔화제와 같은 기타 결합제를 요구하지 않는다.

트란스글루타미나제가 촉매로서 작용하는 상기 반응식은 글루타민과 라이신 사이에 ε-(γ-글루타밀)라이신 결합의 형성을 나타낸다.

트란스글루타미나제는 단백질-글루타민 γ-글루타밀트란스퍼라제(EC 2.3. 2.13; International Union of Biochemistry and Molecular Biology, Nomenclature Committee)로 분류된 효소로 정의된다. 트란스글루타미나제는 순수형태로서 또는 적당한 충전재 및 조절된 농도의 트란스글루타미나제와의 확실한 예비혼합물로서 나타난다. 트란스글루타미나제는 용액 또는 현탁액 중에서, 분말의 형태로 사료의 기타 원료성분에 첨가될 수 있다.

"단백질 원료"라는 용어는 천연 또는 변성 형태로 단백질을 함유하는 원료성분을 칭한다. 예를 들면, 어분, 스틱워터, 스틱워터 농축물, 혈분, 우모분, 골분 및 각분, 밀 글루텐, 옥수수 글루텐, 콩가루, 유채씨 가루 등이 있다. 이들은 오직 예일 뿐이며, 하나 이상의 상기 원료성분에 대한 부분 치환체로서 또는 첨가제로서 사료에서 기타 원료 성분을 사용하는 것이 배제되지는 않는다.

"사료펠릿"이라는 용어는 바람직하게는 구형인 입자 또는 조각을 칭하며, 이들은 그들의 크기와 모양이 사료, 특히 양식 연어, 대구, 넙치, 농어 및 도미와 같은 육식성 어종에 대한 사료로서 적당하도록 특별공정을 통해 형성된다.

효소(트란스글루타미나제)의 활성은 50 ℃이상의 온도에서는 감소하고, 65 ℃를 넘으면 불활성화된다. 그러므로, 단백질 매트릭스의 형성은 기재한 바와 같이 공정 온도가 0 ℃ 에서 60 ℃ 사이의 다양한 공정 온도 조건하에서 실시된다. 최단 공정시간은 50 ℃ 부근에서 얻어지며, 이 온도 이상 및 이하에서는 공정시간이 길어진다.

효소는 용액으로 또는 예를 들면 물 같은 적당한 액체 중의 현탁액으로 첨가되거나 또는 액체가 혼합물에 첨가되기 전에 건성분으로서 혼합될 수 있으므로, 트란스글루타미나제는 사료의 다른 성분들이 적당한 방법으로 펠릿으로 성형되기 전에 다른 성분들에 첨가된다. 트란스글루타미나제의 첨가시에 수용액은 순수한 물, 스틱워터, 스틱워터 농축액, 또는 다른 단백질-풍부 액체, 예를 들면 비제한적인 젤라틴 용액을 함유할 수 있다.

또한, 트란스글루타미나제는 적당한 방법으로 예비성형된 펠릿의 표면에 첨가될 수 있고, 여기서 효소는 증기 중에 녹아서, 또는 용액, 현탁액 또는 물과 같은 적당한 액체 중의 세정액(wash)으로 첨가될 수 있다.

사료의 지방 함량은 비제한적인 바람직한 예에 따르면, 어유로 이루어질 수 있는데, 어유는 사료를 펠릿으로 성형하기 전 또는 후에, 또는 건조된 후에 사료에 첨가될 수 있다. 사료를 펠릿으로 성형한 후, 0 ℃ 와 60 ℃ 사이의 온도로 유지하므로, 트란스글루타미나제는 원하는 ε-(γ-글루타밀)라이신 결합을 촉매화할 수 있는 시간을 갖는다.

반응 시간은 반응 온도에 맞추어 조절된다.

최종적으로, 성형된 펠릿은 건조 케비넷 같은 적당한 탈수장치에서 원하는 수분함량/건조정도로 건조된다.

이하의 실시예에서 사용된 트란스글루타미나제 제품(일본, 아지노모도사 제품)은 카제인산 나트륨 60 %, 말토덱스트린 39.5 % 및 트란스글루타미나제 0.5 %로 이루어진다. 약 6.5 mm의 다이(die) 크기를 갖는 육류 연마기가 사료를 펠릿으로 만드는데 사용될 수 있다. 또한, 장치는 배양기 케비넷과 건조 케비넷(작업온도 약 80 ~ 90 ℃)로 구성될 수 있다. 마모 시험은 금속볼을 사용하지 않고 회전율 500 rpm으로 실시하였다.

실시예 1

어분(Norwegian LT meal) 500 g 및 물 500 ml를 혼합하여 반죽을 만든 후, 육류 연마기를 사용하여 펠릿을 제조하였다. 성형된 펠릿을 약 35 분간 건조시켰다. 펠릿 300 g을 마모시험에 사용 하였다.

트란스글루타미나제 125 mg과 카제인산 나트륨 15 g을 함유하는 트란스글루타미나제 제품 25 g 을 약 40 ℃에서 물 500 ml에 교반하였다. 용액에 어분 (Norwegian LT meal) 500 g을 첨가하고, 반죽으로 혼합한 후 육류 연마기를 사용하여 펠릿을 형성하였다. 이 펠릿들을 상기의 배양기 케비넷에서 약 60 분간 40 ℃에서 배양한 후, 약 50 분간 건조시켰다. 펠릿 300 g을 사용하여 마모시험을 실시하였다.

결과

실시예는 약 125 ppm의 트란스글루타미나제를 어분, 카제인산 나트륨 및 물의 혼합물에 혼합함이, 이 효소 첨가제 없이 사료물질(feed mass, 어분+물)로부터 형성된 펠릿보다 견고성 및 강도가 상당히 큰 펠릿이 생산되었음을 나타낸다.

분말형태의 트란스글루타미나제는, 예를 들면 순수한 물, 스틱워터, 스틱워터 농축물, 기타 단백질 풍부 액체 또는 수증기와 같은 액체 형태로 물을 첨가하기 전에, 사료의 기타 건성분 하나 이상과 혼합할 수 있다.

펠릿을 성형한 직후, 온도가 60 ℃ 이상 상승하지 않음이 보장되는 한 곧 건조를 실시하여, 물 활성이 너무 낮아져 효소가 더 이상 촉매로서 작용할 수 없게 되기 전에, 단백질 매트릭스를 생성하는데 효소가 작용하는 충분한 시간을 제공한다.

온도-내성 박테리아에 의해 생성된 트란스글루타미나제는 60 ℃ 이상의 온도에서 작용할 수 있다.

그러므로, 생산 조건은 열안전성 트란스글루타미나제를 사용한다면, 60 ℃ 이상일 수 있다.

실시예 2

이번에는, 다른 단백질원(콩)이 사용되었는데, 실제 단백질 레벨은 어분보다 약 20 % 낮다. 사료물질은 대부분 실시예 1에 나타낸 것과 같이 제조하였다.

콩가루(Hamlet) 500 g과 물 700 ml를 혼합하여 반죽을 만들고, 펠릿을 형성 한 후 약 40 분간 건조시켰다. 실시예 1과 같이 마모 시험을 실시하였다. 시험을 완료한 후, 남은 온전한 펠릿을 이번에는 4개의 금속볼 및 회전 150 에서 새로운 마모시험을 실시하였다.

트란스글루타미나제 125 mg과 카제인산 나트륨 15 g을 함유하는 트란스글루타미나제 제품 25 g 을 약 40 ℃에서 물 700 ml 중에서 교반하였다. 용액을 콩가루 분 500 g에 첨가하고, 실시예 1과 같이 혼합하고 성형하고, 40 ℃에서 약 60 분간 배양한 후, 약 60 분간 건조시켰다.

결과

또한, 본 발명은 사료 중 단백질 원료 중의 단백질 사슬의 일부를 형성하는 아미노산 사이의 공유결합의 형성을 촉매화하는 다른 효소를 포함한다.

이와 같은 효소는, 예를 들면 아스파라긴 및 라이신 사이의 등가반응 (ε-(β-아스파라틸)라이신 결합)을 촉매화할 수 있다(트란스아스파라기나제).

기타 예는, 시스틴의 재배열을 촉매화하는 단백질 다이설파이드 아이소머라제(protein disulphide isomerase:EC 5.3.4.1), 및 리폭시게나제(lipoxygenase)이다.