制备更易消化的动物饲料的方法.pdf

本文公开了处理食用纤维源以制备可消化能量增大了的动物饲料的方法。一种列举的方法包括，在一个将食用纤维剪切成尺寸在0.5至25mm之间的双螺杆混合器内用无机纤维水解剂水解食用纤维源。在该混合器内在约14psig或者更高的压力、约100℃至110℃的温度下发生水解。无机水解作用从所述食用纤维源中释放第一部分的可溶性碳水化合物。经过无机水解的材料还(在之前或之后)用纤维降解酶处理以溶解第二部分的碳水化合物。将经历双重水解的材料干燥而形成具有可溶性和不溶性碳水化合物部分的动物饲料或者饲料组分，所述可溶性碳水化合物的量占得自食用纤维源的总碳水化合物的至少45％wt/wt。

1.  制备动物饲料的方法，它包括：
将混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂在至少10psig的压力和至少75℃的温度下接触，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素钎维素材料中溶解至少10％的碳水化合物；和
将接触后的食用纤维源干燥而形成具有得自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物。

2.  权利要求1的方法，其中在接触过程中连同所述食用纤维源的所述混合物具有40％或更低的含湿量。

3.  权利要求1的方法，其中所述干燥混合物中的可溶性碳水化合物的百分比是所述不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分提供的总碳水化合物的至少45％wt/wt。

4.  权利要求1的方法，其中在间歇工艺中，在压力容器内发生所述食用纤维源与所述无机纤维水解剂的接触，而且其中所述压力是约16psig至约60psig，温度是约121℃至150℃，并且时间在约10分钟至约60分钟之间。

5.  权利要求1的方法，其中在连续工艺中，在混合装置内发生所述食用纤维源与所述无机纤维水解剂的接触，所述混合装置具有至少一个剪切所述食用纤维的旋转构件，而且其中所述压力是约14psig至约50psig，温度是约100℃至110℃，并且时间在约1秒到少于5分钟之间。

6.  权利要求1的方法，其中在干燥前，所述食用纤维还与至少一种来自选自纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶的类型的酶纤维水解剂接触，接触时间足以还溶解来自所述食用纤维源的碳水化合物。

7.  权利要求6的方法，其中在至少50℃的温度下使所述食用纤维源与所述酶接触。

8.  权利要求6的方法，其中所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化物组成的组，附加条件是，如果在与所述酶接触之前将所述食用纤维源与所述无机纤维水解剂接触，那么所述无机纤维水解剂不是氧化钙，并且进一步的附加条件是，只有所述无机纤维水解剂包含过氧化物时，才包含过氧化物酶类的酶。

9.  权利要求1的方法，其中所述无机纤维水解剂是选自pH调节剂和氧化剂的至少一种物质。

10.  权利要求1的方法，其中所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化氢组成的组，附加条件是，如果使用氨，就不再使用过氧化氢。

11.  权利要求1的方法，其中所述无机纤维水解剂包含氧化钙。

12.  权利要求1的方法，其中在一个与所述接触同时地剪切所述食用纤维的双轴、共旋混合器内发生所述食用纤维源与无机水解剂的接触。

13.  权利要求11的方法，其中在共旋混合器内中的处理条件足以剪切所述食用纤维源中的不溶性纤维以获得最长尺寸上的平均长度为约0.5至约25mm的纤维颗粒。

14.  权利要求1的方法，其中所述食用纤维源包括选自下组物质的至少一员：柳枝稷、玉米纤维、大豆纤维、大豆壳、可可壳、玉米穗轴、玉米苞衣、玉米茎叶饲料、小麦秸秆、小麦谷壳、干酒糟、含可溶物的干酒糟、大小麦秸秆秆、稻秸、亚麻壳、大豆粉、玉米粉、小麦胚芽、玉米胚芽、灌木、草或其混合物。

15.  权利要求1的方法，它进一步包括，在干燥所述混合物之前或以后，将增补的饲料组分与所述接触后的食用纤维混合物混合。

16.  权利要求14的方法，其中所述增补的饲料组分由选自下组的材料来提供：玉米浸泡液的浓缩液、基于蔬菜/植物的皂脚、浓缩酒糟、废糖蜜、玉米糖浆、发酵可溶物、发酵液、发酵液馏出物、氨基酸、甘油、脂肪、油和卵磷脂。

17.  制备动物饲料的方法，它包括：
在高于0psig的压力和高于25℃的温度下使混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂接触，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第一部分的碳水化合物；
使所述食用纤维源与选自下组的酶纤维降解剂接触：纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第二部分的碳水化合物；和
干燥所述接触后的食用纤维源以形成含有来自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物。

18.  权利要求17的方法，其中所述干燥混合物中可溶性碳水化合物的百分数是由所述不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分提供的总碳水化合物的至少45％wt/wt。

19.  权利要求17的方法，其中使所述食用纤维首先与所述无机纤维水解剂接触，然后与所述酶纤维水解剂接触。

20.  权利要求17的方法，其中使所述食用纤维首先与酶纤维水解剂接触，然后与所述无机纤维水解剂接触。

21.  权利要求17的方法，其中使所述食用纤维同时与所述酶纤维水解剂和所述无机纤维水解剂接触。

22.  权利要求17的方法，其中所述不溶性纤维部分呈颗粒形式，所述颗粒最长尺寸上的平均颗粒长度是约0.5至约25mm。

23.  权利要求17的方法，其中在混合物中发生与无机纤维水解剂的接触，所述混合物具有连同食用纤维含量在内的小于40％wt/wt的含湿量。

24.  权利要求17的方法，其中所述无机纤维水解剂是至少一种选自pH调节剂和氧化剂的物质。

25.  权利要求17的方法，其中所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化物组成的组，附加条件是，，如果使所述食用纤维源在与所述酶接触之前与所述无机纤维水解剂接触，那么所述无机纤维水解剂不是氧化钙，另一个附加条件是，只有所述无机纤维水解剂包含过氧化物时，才包含过氧化物酶类的酶。

26.  权利要求17的方法，其中所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化氢组成的组，附加条件是，如果使用氨，就不再使用过氧化氢。

27.  权利要求17的方法，其中所述无机纤维水解剂包含氧化钙。

28.  制备动物饲料的方法，它包括：
在混合装置内以连续工艺使混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂接触，所述混合装置具有至少一个剪切所述食用纤维的旋转构件，而且其中压力是约14psig至约50psig，温度是约100℃至约110℃，并且时间在约1秒到少于5分钟之间，而从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第一部分的碳水化合物；
使所述食用纤维源与选自下组的酶纤维降解剂接触：纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第二部分的碳水化合物；和
干燥所述接触后的食用纤维源以形成含有来自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物，而且其中所述可溶性碳水化合物部分是由所述不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分提供的总碳水化合物的至少45％wt/wt。

29.  权利要求28的方法，其中所述不溶性纤维部分被剪切成颗粒，所述颗粒的平均颗粒长度以其最长尺寸计是约0.5至约25mm。

30.  权利要求28的方法，其中使所述食用纤维首先与所述无机纤维水解剂接触，然后与所述酶纤维水解剂接触。

31.  权利要求28的方法，其中使所述食用纤维首先与所述酶纤维水解剂接触，然后与所述无机纤维水解剂接触。

32.  权利要求28的方法，其中所述无机纤维水解剂是至少一种选自pH调节剂和氧化剂的物质。

33.  权利要求28的方法，其中所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化物组成的组，附加条件是，如果使所述食用纤维源在接触所述酶之前与所述无机纤维水解剂接触，那么所述无机纤维水解剂不是氧化钙，以及进一步的附加条件是，只有所述无机纤维水解剂包含过氧化物时，才包含过氧化物酶类的酶。

34.  权利要求28的方法，其中所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化氢组成的组，附加条件是，如果使用氨，就不再使用过氧化氢。

35.  权利要求28的方法，其中所述无机纤维水解剂包含氧化钙。

36.  权利要求28的方法，其中所述食用纤维源包括选自下组物质的至少一员：柳枝稷、玉米纤维、大豆纤维、大豆壳、可可壳、玉米穗轴、玉米苞衣、玉米茎叶饲料、小麦秸秆、小麦谷壳、干酒糟、含可溶物的干酒糟、大麦秸秆、稻秸、亚麻壳、大豆粉、玉米粉、小麦胚芽、玉米胚芽、灌木、草或其混合物。

37.  权利要求28的方法，它还包括，在干燥所述混合物之前或之后将增补的饲料组分与所述接触后的食用纤维混合物混合。

38.  权利要求28的方法，其中所述增补的饲料组分由选自下组的材料提供：玉米浸泡液的浓缩液、基于蔬菜/植物的皂脚、浓缩酒糟、废糖蜜、玉米糖浆、发酵可溶物、发酵液、发酵液馏出物、氨基酸、甘油、脂肪、油和卵磷脂。

39.  制备具有增大的堆密度的动物饲料的方法，它包括：
在至少10psig的压力和至少100℃的温度下使混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂接触，接触时间足以从所述食用纤维源的木素纤维素材料中溶解至少45％的碳水化合物；
使接触后的混合物脱水而使一部分的可溶性碳水化合物与不溶性纤维部分分离；
用乙醇提取所述不溶性纤维部分以使所述不溶性纤维部分脱水并且增大其堆密度；和
干燥所述不溶性纤维部分以提供具有增大的堆密度的食用纤维源。

40.  权利要求39的方法，它进一步包括，将所述分离的那部分可溶性碳水化合物与所述脱水的不溶性纤维部分合并；以及
干燥所述合并的材料而形成含有得自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物。

41.  权利要求39的方法，它进一步包括，在干燥前将增补的饲料组分与所述不溶性纤维部分混合。

制备更易消化的动物饲料的方法
发明人
Charles A.Abbas
Wuli Bao
Kyle E.Beery
Mike J.Cecava
Perry H.Doane
James L.Dunn
David P.Holzgraefe
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2007年3月5日提交的美国临时申请No.60/904,938的优先权，将它的内容全文并入本文作参考。
发明领域
本公开涉及动物饲料，特别是从农业加工的副产品制备的动物饲料，更具体地涉及增大用作反刍动物和单胃动物的动物饲料的这类副产品中食用纤维的消化率的方法。
发明背景
下文包含可能用于理解本文讲述内容的信息。这并不是承认，本文中提供的任何信息是本文描述的或请求保护的公开内容的现有技术或材料，也不是承认，明确地或隐含地引用的任何出版物或文献是现有技术。
美国每年收割约100亿蒲式耳的玉米。这个量中，大约有60亿蒲式耳的玉米用作动物饲料，15亿蒲式耳的玉米用作牛饲料，另外7亿蒲式耳被用作乳牛饲料。剩余的量中，大约30亿蒲式耳经过湿磨或干磨加工，超过16亿蒲式耳的玉米被加工用于乙醇生产。
在美国，根据美国生物质技术路线图(“美国生物质技术路线图”DOE(能源部)/生物质研究和发展技术顾问委员会，生物质研究和发展倡议-7219。美国能源部，华盛顿市，2002年12月)，基于生物的运输燃料(即乙醇)的使用将需要从2005年美国运输燃料消耗量的1.0％增加到2010年运输燃料消耗量的4％，并且到2020年将进一步达到10％，到2030年将达到20％。为实现该线路图，可再生碳水化合物在燃料乙醇方面的应用必须急剧增加，可能通过增大作为乙醇材料的玉米的应用，尤其通过干磨。玉米的干磨是目前从玉米生产乙醇成本最低的方法，但是生产最少量的副产品。
将玉米喂给牛以提供廉价的能源和蛋白质源。玉米中的淀粉在瘤胃中容易通过瘤胃微生物代谢。这些微生物将淀粉发酵成有机酸，这会导致牛的酸中毒，并且来自淀粉的能量通常有利于细菌的生长。如果将这种玉米转用于通过干磨的方法生产乙醇，就可生产额外57.5亿加仑乙醇。基于2004年34.1亿加仑的乙醇产量，将使乙醇总产量提高到将近4倍，而无需增加玉米的耕种面积。通过将这种玉米从牛饲料转向乙醇生产，会出现两个问题。第一个问题是牛饲料用淀粉能量的损失，第二个问题是另外产生玉米干磨的副产品，它将使动物饲料市场大大过饱和。因此，需要寻求改善干磨加工副产品的方法以及寻求从低淀粉材料制备强化牛饲料以取代来自淀粉的能量的其它方法。
为了取代目前每年用作奶牛和肉用牛饲料的估计22亿蒲式耳的玉米，将需要等效量的生物可利用饲料取代玉米。23亿蒲式耳的玉米相当于总计1127亿镑，包含大约837亿镑的淀粉，以及132亿镑的木素纤维素。由目前的干磨工艺，23亿蒲式耳的玉米将产生391亿镑的干酒糟(DDG)，以及含可溶物的干酒糟(DDGS)，这些是干磨加工的主要副产品。因此，将需要目前可用的木素纤维素如大豆壳、玉米茎叶饲料或小麦秸秆来弥补额外736亿镑的生物可利用饲料。还需要确定饲料的能量含量以确保新的生物可利用牛饲料的等量的饲料能量值。
牛可利用来自它们食物中的DDG和DDGS的蛋白质。纤维素和半纤维素在动物瘤胃中被酶促分解，作为单糖和二糖的来源。DDGS还含有益于动物例如牛的维生素和矿物质。但是，在这些材料(以及其它含纤维的农业加工副产品)中仍存在有可能消化的纤维含量，鉴于这类材料的部分不溶性和结晶性质，这种纤维是动物不能利用的。
因此，在本领域需要在通过玉米干磨法扩大生产乙醇产量的同时确保牛市场充足的饲料供应，并且更一般性地需要寻找为用作动物饲料而改善农业加工副产品的方法。
发明简述
本公开基于这一发现，即可通过不同的技术处理来自农业加工的含纤维副产品，以增大这类纤维源中存在的含木素纤维素和其它纤维的材料的消化率，以便改善这类含纤维的材料用作反刍动物和单胃动物的饲料的实用性。
一方面，公开了用于制备动物饲料的方法，它包括，将混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂在至少10psig的压力和至少75℃的温度下接触，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解至少10％的碳水化合物。将接触后的食用纤维源干燥而形成具有得自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物。在一个典型的实际操作中，在接触过程中连同食用纤维源的该混合物具有40％或更低的含湿量。在一个列举的实施方案中，含湿量约为35％。在一个典型的干燥混合物实施方案中，可溶性碳水化合物的百分比是不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分提供的总碳水化合物的至少45％wt/wt。
所述方法可按间歇或连续方式进行。在间歇方式中，在一个压力容器内发生食用纤维源与无机纤维水解剂的接触，所述压力是约16psig至约60psig，温度是约121℃至150℃，并且时间在约10分钟至约60分钟之间。在一个有利的连续方法中，在混合装置内发生食用纤维源与无机纤维水解剂的接触，该装置具有至少一个剪切食用纤维的旋转构件，压力是约14psig至约50psig，更典型地是约14psig至约25psig，温度是约75℃至110℃，或更典型地是约100℃至105℃，并且时间在约1秒至短于5分钟之间。在有利的实施方案中，在一个与所述接触同时地剪切食用纤维的双轴、共旋混合器内发生食用纤维源与无机纤维水解剂的接触。在一个典型的实际操作中，在共旋挤出机内，在足以剪切食用纤维源中的不溶性纤维以获得在最长尺寸上的平均长度为约0.5至约25mm，或更优选约3mm至约5mm，或通常约4mm的纤维颗粒的条件下进行处理。在将双螺杆挤出机用作混合装置的最有利的实施方案中，接触时间可短至约4至5秒。
在另一个有利的实施方案中，在干燥前，所述食用纤维还与至少一种选自纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶的类型的酶纤维水解剂接触，接触时间足以也溶解来自所述食用纤维源的碳水化合物。可在与无机纤维水解剂接触之前、之后或同时进行与所述酶的接触。在一个典型的实际操作中，在至少50℃的温度下使食用纤维源与酶接触。接触的备选温度可在20℃至约80℃的范围内。与酶接触过程中材料的pH应该在从约2至约7的范围内，更优的pH值在约4至6的范围内。因此，在酶与无机纤维水解剂同时使用的实施方案中，所述水解剂应该是酸性至中性的水解剂，否则与酶的接触应当优选先于或者后于与无机纤维水解剂的接触，采取适当的pH调节以优化酶的纤维降解活性。
无机纤维水解剂可以是选自pH调节剂和氧化剂的至少一种水解剂。在典型的实施方案中，无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化物组成的组。已发现，氧化钙最适合作为无机纤维水解剂，但是氧化钙也抑制纤维水解酶的活性。因此，有一个附加条件是，如果与酶接触之前或同时进行食用纤维源与无机纤维水解剂的接触，无机纤维水解剂不应是氧化钙。此外，当无机纤维水解剂包含过氧化物时，过氧化物酶有利地用作纤维降解酶。
在美国专利号4,965,086中描述的相似方法中，氨和过氧化氢被用来水解木素纤维素材料，但是不在本文描述的压力和温度条件下进行。在‘086号专利所描述的方法中要求使用氨和过氧化物两者以获得最好的水解。在本发明中已意外地发现，当温度和压力都升高时无需将过氧化物和氨一起使用。因此，本公开的一个有区别的实施方案是这样一个条件，即，如果将氨用作无机水解剂，就不需要再用过氧化氢。
在一个典型的实际操作中，食用纤维源包括选自下组物质的至少一员：柳枝稷、玉米纤维、大豆纤维、大豆壳、可可壳、玉米穗轴、玉米苞衣、玉米茎叶饲料、小麦秸秆、小麦谷壳、干酒糟、含可溶物的干酒糟、大麦秸秆、稻秸、亚麻壳、大豆粉、玉米粉、小麦胚芽、玉米胚芽、灌木、草或其混合物。一些实施方案还包括，在干燥所述混合物之前或以后，将增补的饲料组分与接触后的食用纤维混合物混合以改善饲料的营养价值。所述增补的饲料组分可由选自下组的材料来提供：玉米浸泡液的浓缩液、基于蔬菜/植物的皂脚、浓缩酒糟、废糖蜜、玉米糖浆、发酵可溶物、发酵液、发酵液馏出物、氨基酸、甘油、脂肪、油和卵磷脂。这些材料可以呈干燥的或液体形式，并且与通过纤维水解步骤形成的不溶性和可溶性碳水化合物的混合物一起干燥。
在相似的但第二方面，公开了一种制备动物饲料的方法，它包括，在大于0psig的压力以及高于25℃的温度下使混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂接触，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第一部分的碳水化合物；还使所述食用纤维源与选自下组的酶纤维降解剂接触：纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第二部分的碳水化合物；还干燥接触后的食用纤维源以形成具有来自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物。该需要使用酶和无机纤维水解剂两者的组合方法是有利的，因为它无需更高的温度和压力也可以奏效。再者，在典型的实施方案中，所述干燥混合物中可溶性碳水化合物的百分数是由所述不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分提供的总碳水化合物的至少45％wt/wt。
在与本文前述相似的实施方案中，可将食用纤维先与无机纤维水解剂接触，再与酶纤维水解剂接触。或者，可将食用纤维先与酶纤维水解剂接触，再与无机纤维水解剂接触。有利的是，在约50℃至80℃的较低温度下，食用纤维可同时与酶纤维水解剂和无机纤维水解剂接触。
同样在该方面，在某些实施方案中，不溶性纤维部分呈颗粒形式，所述颗粒在其最长尺寸上的平均颗粒长度是约0.5至约25，或更优选是约3mm至5mm，通常是约4mm。同样在该方面的某些实施方案中，在包括食用纤维含量在内的总含湿量小于40％wt/wt的混合物中发生与无机纤维水解剂的接触。同样在该方面，无机纤维水解剂可以是选自pH调节剂和氧化剂的至少一种水解剂。再次一般说来，所述无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化物组成的组，附加条件是，如果食用纤维源与无机纤维水解剂的接触先于它与酶的接触，无机纤维水解剂就不是氧化钙。同样在该方面的是附加条件，即，如果使用氨，就不再使用过氧化氢。氧化钙是优选的无机水解剂。
在又一组合方面，描述了制备动物饲料的方法，它包括：在一个混合装置内以连续工艺使混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂接触，所述混合装置具有至少一个剪切所述食用纤维的旋转构件，而且其中，压力是约14psig或更高，温度是约100℃至110℃，通常是约100℃至约105℃，并且时间在约1秒至短于5分钟之间，而从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第一部分的碳水化合物；还使所述食用纤维源与选自下组的酶纤维降解剂接触：纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解第二部分的碳水化合物；还干燥接触后的食用纤维源以形成具有来自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物，而且其中，所述可溶性碳水化合物部分是由所述不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分提供的总碳水化合物的至少45％wt/wt。
该第三方面还包括与其它方面类似的实施方案，例如，其中所述不溶性纤维部分被剪切成颗粒，该颗粒在其最长尺寸上的平均颗粒长度是约0.5至约5mm，或更优选至约4mm。在一些实施方案中，将食用纤维先与无机纤维水解剂接触，再与酶纤维水解剂接触。在其它实施方案中，将食用纤维先与酶纤维水解剂接触，再与无机纤维水解剂接触。在一般的实施方案中，所述无机纤维水解剂是选自pH调节剂和氧化剂的至少一种水解剂。在更具体的实施方案中，无机纤维水解剂选自由氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸盐、氨和过氧化物组成的组，附加条件是，如果食用纤维源与无机纤维水解剂的接触先于它与酶的接触，无机纤维水解剂就不是氧化钙。在某些特别的实施方案中，如果使用氨，就不再使用过氧化氢，而且如果使用过氧化氢，所述纤维降解酶可能包括过氧化物酶。
在第四但不相似的方面，还描述了制备具有增大的堆密度的动物饲料的方法，它包括：在至少10psig的压力和至少100℃的温度下使混合物中的食用纤维源与无机纤维水解剂接触，接触时间足以从所述食用纤维源中的木素纤维素材料中溶解至少45％的碳水化合物；将接触后的混合物脱水而使一部分可溶性碳水化合物与不溶性纤维部分分离；用乙醇提取所述不溶性纤维部分以使不溶性纤维部分脱水并且增大其堆密度；并且干燥所述不溶性纤维部分以提供具有增大的堆密度的食用纤维源。
该方面提供了另一种从食用纤维中溶解一部分碳水化合物之后制备饲料的方法。某些实施方案还包括，将分离出的那部分可溶性碳水化合物与所述脱水后的不溶性纤维部分合并，再干燥合并后的物料而形成具有得自共同的食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物。其它实施方案还包括，在干燥前将增补的饲料组分与所述不溶性纤维部分混合。因而，两个方面都应用消耗了一部分碳水化合物并经脱水的处理过的食用纤维作为回加合适营养物的基料，无论该基料是来自所述水解作用的溶解的碳水化合物部分、不同的营养物部分、还是两者。
在最后一个方面，公开了通过本文所述方法制备的动物饲料。这类动物饲料包含来自同一食用纤维源的不溶性纤维部分和可溶性碳水化合物部分的干燥混合物，并且任选地混入增补的饲料组分而对动物提供营养、饮食纤维和与简单地喂食未经处理的食用纤维源相比更高的代谢能。在某些实施方案中，经过处理和干燥的食用纤维源可单独用作最终的饲料产品。在一个典型的实施方案中，所述饲料中的不溶性纤维长度为0.5至25mm，或者更优选约3mm至约4mm，并且所述饲料含有至少45％的可溶性碳水化合物，作为可溶性和不溶性纤维部分中总碳水化合物的百分数。某些实施方案的另一个特点是，所述动物饲料包含附加的纤维水解酶。
发明详述
定义
在详细描述本发明之前，具有本领域普通技术人员通常理解的普通含义的某些术语仍然在本文给出定义以便更好地区分本发明人指定的含义上的细微差别。应懂得，文中提供的定义旨在包括本领域理解的一般含义而没有限制，除非该含义与本文提供的定义不相容，在这种情况下以本文提供的定义为准。
“食用纤维”表示来自植物或微生物源的天然存在物质，这种物质主要由碳水化合物聚合物组成，并且可喂给动物而不引起疾病，它不被人类消化，但可以至少部分地被大多数单胃动物和反刍动物消化。食用纤维的非限制性实例包括纤维素、半纤维素、果胶、蛋白多糖等。
“食用纤维源”表示得自植物或者微生物源并且包含食用纤维的物质。食用纤维源的实用但是非限制性的实例包括：农业种子产品的壳，例如来自大豆，或者来自谷物类，如稻，小麦，玉米，大麦；来自这类谷物的茎(秸秆)；基于蔬菜/植物的皂脚，玉米茎叶饲料，它们通常包括来自收获的谷类植物的茎、壳和叶；富含纤维的农产品的加工的组成部分，例如玉米麸质饲料；来自任何植物源的叶材料，以及含有或者不含在其上干燥的可溶物的干酒糟。
“无机纤维水解剂”是一种催化或者引起食用纤维中的糖苷键、酰胺键或酰基键水解的无机化学品。
“酶纤维降解剂”表示催化食用纤维中的糖苷键、酰胺键或酰基键水解的一种或多种酶。
当涉及数值表述应用时，“大约”表示下列之中的较大者：(1)用来测定表述的相关项目的典型设备或方法的误差程度；(2)阐述值的±10％，或者(3)对于一个范围，足够靠近此范围的最小值或最大值，以致与正好在所述最小值或最大值的单元相比在形式或功能方面没有任何显著的不同。
“得自食用纤维的可溶性碳水化合物部分”表示含有通过将食用纤维与热的、无机的、酶的或物理的水解剂接触所释放的产物的碳水化合物，与如果不这样接触的食用纤维相比，所述产物从食用纤维释放后更易溶于水溶液中。
“不溶性纤维部分”：正如本领域普通技术人员理解的那样，在食用纤维源中结合的食用纤维仅部分地溶于水溶液中。也就是说，虽然食用纤维源中的部分食用纤维被溶剂化以致它们易受酶、离子和其它溶质的作用，但全部食用纤维源不会完全溶入水溶液中。因此，在用纤维降解剂处理前和处理后仍与食用纤维源结合且不完全溶于水溶液中的那部分纤维是“不溶性纤维部分”。
“干的”或者“干燥的”是指，材料的含湿量小于15％wt/wt，或者经过处理以降低材料的含湿量至低于未经处理的同样材料含湿量的50％。
“动物饲料”，或简单的“饲料”表示专用于经口给非人类的动物提供营养物而生产的产品，不同于“食品”，而食品被专用于给人类提供营养物。
附图说明
图1是对玉米茎叶饲料的酶消化率与体外瘤胃模拟消化率的比较示意图。
图2是对小麦秸秆的酶消化率与体外瘤胃模拟消化率的比较示意图
对列举的实施方案的描述
本公开的讲述涉及为动物提供预处理的和酶解的生物质纤维饲料。文中描述的是保持牛饲料供应的方法，通过处理各种生物质纤维源，尤其是属于农业加工的副产品的那些，以改善它们对于反刍动物来说的消化率，并且在某些实施方案中，提供作为代替玉米颗粒、干酒糟颗粒等的干饲料颗粒。此启示的进一步应用提供用于包括猪和家禽在内的非反刍动物的动物饲料产品。
各种现有技术方法描述了为了应用人类食品中的材料而预处理含纤维材料的生物质。在现有技术的其它启示中，预处理的纤维被完全酶解和用于将释放的糖发酵成各种生化产品。例如，美国专利号5,693,296描述了很多条件下氧化钙(CaO)的使用。然而，美国专利号5,693,296的方法极其费时，其停留时间常常超过一小时。相比之下，本文描述的方法大大缩短了对含纤维的材料进行预处理的时间，从而提供了提高预处理反应速率的新方法。
在本文所述的间歇工艺中，即在盛有低含湿量(通常约为30-40％，更常约35％的水分)的混合物的密闭压力容器中进行的，无机水解可以在约10至约60分钟内完成，导致至少45％碳水化合物溶解。在密闭压力容器内的间歇操作通常在121℃至约150℃的温度下，在约10至约60psig、通常至少约16psig的压力下进行。在间歇工艺中，在加热和加压处理之前通常将起始材料剪切为颗粒，其纤维平均尺寸在约0.5mm至25mm。
本文中所述的更好的连续工艺中，它通常在一个双螺杆型混合器(也称为“连续加工机械”)内进行，混合器中的温度通常达到至少75℃至约110℃、更常约100℃至约105℃的范围，并且压力在约14psig至50psig的范围内。双螺杆混合器通常有至少两个在桶内沿双旋转轴呈螺旋排列的旋转构件(有时称为桨)。在桨和桶壁之间存在边缘间隙，促进对材料的剪切作用，而螺旋排列推动材料连续地从入口向出口区移动。任选地，出口末端可能配置一个具有不同构型的孔的端盖而使出来的材料加工成均一截面珠，它含有与不溶性纤维部分缠绕的可溶性碳水化合物部分。在这种情况下，双螺杆混合器还可提供挤出机的功能。可将挤出的混合物干燥并且研磨成均匀尺寸的颗粒。可将增补的营养物导入双螺杆混合器以提高最终颗粒的饲料质量。
用于此目的双螺杆混合器可能具有一个卧式、带夹套的室，室内有两个带有椭圆形桨的轴，诸如可得自READCO KURIMOTO，LLC(York，PA)的Readco连续加工机械。关于Readco TFC的更详细描述可见于DuRoss，美国专利号5,158,789，将它并入本文作参考。所述Readco加工机械是一种双轴混合器，它对加工的材料产生机械剪切作用，导致温度的升高。由Readco的旋转桨给予的剪切促进水解并提高被加工的植物材料的消化率。装置中的材料至少部分地被限制体积以致对物料施加的剪切力导致加工过程中施加于物料的温度和压力升高。在一个特定的实施方案中，Readco装置包括双轴螺杆而没有用来从装置中挤出物料的压力板。
虽然Readco型双螺杆混合装置是本公开的理想装置，本文提供的启示可以适用于其它混合设备或者常规挤出机。在其它实施方案中，可应用具有或没有压力板的单轴或双轴挤出机。可由本领域技术人员完成所述挤出机的操作而进行纤维的最佳水解。
使用Readco型双螺杆混合器的一个优点是，起始纤维材料被同时溶解和剪切成纤维平均粒径在约0.5mm至25mm、更常约为3-5mm(平均4mm)的颗粒。再一次，纤维材料中的含湿量一般低于40％。另一个优点是，在一个双轴混合的小体积中同时发生混合和剪切，引起无机纤维水解剂大为有效的水解作用，导致使用更小量的反应物更快的反应时间。另一个相关的优点是，反应时间(即混合器中的停留时间)与间歇工艺相比可以很短。在典型的实施方案中，在混合器中的停留时间可少于五分钟。在一些实际操作中，停留时间可短到1至5秒，一般大约在2至4秒。
本文提供的产品与美国专利号5,693,296中的那些不同之处在于，本产品是由可溶性和不溶性纤维组分两者结合的一种干燥混合物，被加工成动物饲料颗粒。
美国专利申请号2004/0147738A1描述了含纤维材料的碱处理，为了从材料中有效地提取可溶性纤维部分，但是应用了更大量的CaO以取得预期的效果。相比之下，本发明实施方案中提供的组合物将CaO用量降低至小于10％，从而减少化学品的需求。此外，尽管2004/0147738A1涉及从混合物中分离溶解的组分，但本发明的启示将溶解组分和不溶组分的组合作为整体用于干动物饲料中。
美国专利号4,600,590和5,037,663描述了处理含纤维素的材料以增大纤维素的化学和生物活性的方法。在那些情况下，在压力容器中使纤维素与蒸气压大于环境温度下大气压的挥发性液体溶胀剂(例如氨)接触。然而，上述方法公开了在一个大型压力容器中使用高于165磅/平方英寸的压力。此外，大规模的操作过程中氨气的使用可能会产生工艺安全性方面的问题。
上述现有技术主要涉及生产人类营养方面的产品。本公开的启示之一是将这样制备的干饲料用于动物营养。文献都没有采用化学预处理、然后酶解的纤维以可溶性和不溶性纤维部分的混合物形式用于动物饲料，所述混合物中可溶性食用纤维超过50％。
本文描述的饲料材料始于含有低-或中-消化率纤维的生物质纤维源。可应用多种方法对木素纤维素材料预处理，包括碱处理、酸处理、氧化处理、热处理、机械处理和酶处理许多不同类的材料，包括大豆壳、大豆秸秆、小麦秸秆、小麦壳、小麦带麸粗粉、小麦淀粉、玉米茎叶饲料、玉米穗轴、大麦秸秆、大麦壳、大麦磨粉下脚料、燕麦壳、燕麦秸秆、棉籽、轧棉废料、稻壳、稻秸、甘蔗渣、甜菜废粕、草原禾草、果园牧草、羊茅、柳枝稷、紫花苜蓿、其它粗饲料作物纤维等。还可使用含有或不含可溶物的干酒糟。
首先应用包括化学处理、物理处理或热处理或者三种处理的组合的方法预处理含纤维源的生物质，典型的是用无机纤维水解剂的处理。这些预处理增大表面积，降低结晶度，并降低纤维源中的多糖或木质素的聚合度，和/或从生物质饲料源提取一些木质素。本文所述预处理增大纤维对进一步酶解的敏感性，或者在体外，通过纤维降解酶进一步消化，或者在体内，当直接喂给反刍动物时。
文中提供的方法的一个重要方面是，它们提供了一种将食用纤维与化学品或酶或两者快速反应的方法，以增大食用纤维中可溶性纤维的比例。可溶性纤维的增加导致后续的对动物消化食用纤维的改善。另一个意外的发现是，所述处理方法改善食用纤维的溶解度和消化率，同时保持处理过的纤维保留液体的显著能力。
热化学处理可部分水解和/或解晶不常用于高能量动物饲料的含纤维材料的半纤维素、纤维素和木质素部分，如茎叶/秸秆/壳，热化学预处理会降低纤维素的结晶度并提高它的生物利用率，还会将半纤维素部分降解为可溶性低聚糖部分。纤维素部分的部分水解会导致纤维素变得对反刍动物体内的微生物纤维素酶引起的降解更敏感。
利用酸、有机溶胶或碱的化学处理还可通过骨架糖O-糖苷键的水解、释放侧链取代基、分离半纤维素与木质素、或溶解半纤维素和木质素而提高碳水化合物消化率。在某些实施方案中，经过这种预处理之后，可将包括反应物的全部生物质干燥并通常加工成直接用于喂给特定的反刍动物的饲料颗粒。化学处理可能涉及将氧化钙(CaO)的应用与研磨、加热和加压相结合，从而将反应速率和食用纤维转化为可溶性纤维的程度提高到不会预料到的水平。对本发明来说，氢氧化钙可替代氧化钙。本领域技术人员将明白，在水分存在下，氧化钙将与水反应生成氢氧化钙。
在优选的实施方案中，含纤维的材料也受利用纤维降解酶的酶处理，该酶包括但不限于纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、肌醇六磷酸酶、漆酶、过氧化物酶和蛋白酶，以进一步减小聚合物结晶度，从而改善生物利用率。当无机纤维水解剂包括过氧化物时过氧化物酶尤其适用。
通常在pH 2-7和环境温度至100℃的温度下将润湿的生物质/酶混合物保温。更典型的温度范围是50-80℃。可以在那些条件下将所述酶/生物质混合物保温1至100小时之间。在某些实际操作中，可将所述酶与纤维源含于应用连续工艺的双杆混合器中。在这种情况下，酶反应时间可能包括在混合器中的第一部分反应时间和任选的从挤出机出来后第二阶段反应时间。
酶处理优选在无机水解之后进行，那么所述无机水解就是一个预处理步骤。然而，酶解可发生在无机水解之前或者与其同时进行。如从实施例可看到的，一些酶混合物被优选的无机水解剂氧化钙抑制。在使用氧化钙的这类情况下，酶解应该在无机水解之前进行。在任何情况下，该两步法导致生物质降解的增强而形成与仅使用无机水解或仅使用酶解制备的产品相比消化率提高的产品。
如下实施例仅仅代表本公开的一些方面。本领域技术人员将懂得，得益于本公开可在实施本说明书中给定的方法时进行各种改变。这些实施例和其中应用的程序不能被理解为以权利要求书中没有明确阐述的任何方式限制本发明。
实施例1
生物质纤维源的处理
在一个Fitz磨研磨机(Elmhurst，IL)内将小麦秸秆、稻壳、稻秸、玉米茎叶饲料和燕麦壳研磨至通过1/2″筛的均一尺寸。还试验了含可溶物的干酒糟、玉米麸质饲料和大豆壳，但没有研磨。用热化学处理方法处理研磨后的生物质纤维以增大生物质消化率。进行了两次处理，第一次处理用10w/w％氢氧化钙，而第二次处理用2w/w％氢氧化铵。
在用10％氢氧化钙的处理中，在转鼓反应器内将各1kg(原样基准)的1/2″研磨后的生物质纤维与100克氢氧化钙混合，并且用直接蒸汽注入法加热至145℃达30分钟。从反应器中取出生物质纤维混合物并记录质量。在用2％氢氧化铵的处理中，在转鼓反应器内将各1kg(原样基准)的1/2″研磨后的生物质纤维与100mL的20％氢氧化铵混合，并且用直接蒸汽注入法加热至145℃达30分钟。从反应器中取出生物质纤维混合物并记录质量。表1详细记录了经处理生物质纤维样品的溶解总量。
表1.生物质消化率试验结果

测试了处理后的生物质纤维样品以确定胃部有外科开口的牛的瘤胃消化率。分析样品的24小时现场干物质(DM)和中性纯净纤维(NDF)消失以及典型的化学成分(粗蛋白；CP)、NDF、酸性纯净纤维(ADF)、酸性纯净不溶性氮(ADIN)、中性纯净不溶性氮(NDIN)和灰分。将样品一式两份发酵，应用最少两个动物并且现场分析关于各个袋(作为重复试验)获得的DM和NDF。表2列出了预处理前后的纤维组成，表3详细记录了预处理和后处理纤维的消化率的变化。
表2.氨化或氢氧化钙处理对样品化学性质的影响

表2.氨化或氢氧化钙处理对样品化学性质的影响(续)

¹半纤维素＝NDF-ADF
表3.氨化或氢氧化钙处理对瘤胃保温期间被微生物酶溶解的食用纤维¹百分比的影响

氢氧化钙处理和氨化的处理效果受样品种类的影响，但是发现在这些处理条件下氢氧化钙处理比氨化更有效。当调整初始组分值时，纤维可发酵性的增大与处理引起的半纤维素减少相关。氨化最可能通过溶解非纤维组分(即淀粉)而增大了谷物副产品的NDF含量，但没有明显增大灰分含量。这些样品的NDF不溶性氮也增大了，启示在这种处理中蛋白质与纤维结合的增大。就所有处理来说，氢氧化钙处理改善了干物质和NDF消化。氨化对纤维消化的影响随几种组分的小改善而变，稻壳和玉米茎叶饲料的NDF消化减小了，而稻秸和小麦秸秆的消化则大为改善(在数字上比氢氧化钙处理的大)。对于两种化学处理，处理过的样品的瘤胃不可降解的蛋白质(RUP)含量都提高了，反映了热对蛋白质的瘤胃消化率的影响。
这些结果表明，在提高木素纤维素的消化率方面氢氧化钙处理比氨化更强。
实施例2
未处理的或预处理过的生物质纤维的酶解
用水洗涤在转鼓反应器中处理过的、来自实施例1的热化学预处理的样品(10％氢氧化钙和2％氨)，并在80℃的真空下干燥72小时。在咖啡磨碎机中将样品磨碎。用Wiley磨粉机将样品进一步研磨成可通过40目筛网的细粉末。将深孔微量培养板用来进行酶解，每孔含50mg样品。将2mL酶混合物于20mM pH 5.0的柠檬酸盐缓冲液中的样品(0.1％w/v，酶混合物/水)量入含有纤维样品的每个孔中。该木聚糖酶/β-葡糖苷酶/β-葡聚糖酶混合物包含等份的NS-50010(β-葡糖苷酶，Novozymes，Franklinton，NC)、NS-50029(β-葡聚糖酶，Novozymes)、UltraFlo L(β-葡聚糖酶，Novozymes)、NS-50014(木聚糖酶，Novozymes)、NS-50030(木聚糖酶，Novozymes)、Multifect Xylanase(木聚糖酶，Novozymes)、还有四种纤维素酶之一。测试的纤维素酶是NS-50012(β-葡聚糖酶，Genencor，Rochester，NY)、NS-50013(纤维素酶，Novozymes)、GC220(纤维素酶，Genencor)和Multifect GC(纤维素酶，Genencor)。将微量培养板放在一个50℃下100rpm的摇动器内达16小时。再以2000rpm将这种酶/纤维混合物离心10分钟，并取1ml上清液用于测试葡萄糖和总碳水化合物分析。
表4和5示出酶解之后从热化学处理过的纤维样品释放的总可溶性碳水化合物和葡萄糖。四种纤维素酶，即，NS-50012、NS-50013、GC220和Multifect GC，显示了各纤维样品的消化差异。发现GC220和Multifect GC比NS-50012和NS-50013表现更好。热化学预处理过的纤维样品的酶解优于未处理的纤维的酶解。
表4：经过酶处理溶解的总碳水化合物

表5：经过酶处理溶解的葡萄糖

实施例3
酶处理的评价
为了估计无反馈抑制时可通过酶释放的碳水化合物的量，将250mg样品置于含有10mL酶混合物(20mM柠檬酸盐，pH 5.0，0.1％纤维素酶组合物)的15mL管内。将该纤维/酶混合物置于50℃的水浴中，每24小时分离上清液并分析。然后，向生物质样品中添加8mL新鲜的酶混合物并且再继续酶解24小时。酶解持续5天。由于反应产物抑制纤维素酶，发现每天从所述纤维/酶混合物中移去产物可消除反馈抑制。产物中生成的葡萄糖和可溶性碳水化合物的浓度代表热化学处理后酶混合物可接近的生物质的总量。
从表6可以确定，超过80％的生物质可通过酶解释放，其中葡萄糖占释放的可溶性碳水化合物的大部分。还检测到，得自不同处理和不同源的纤维样品的碳水化合物释放有相当大的变化。酶解持续的时间越长，释放的碳水化合物量越少(第4或5天)。
表6：连续酶处理实验总结

实施例4：
小麦秸秆和玉米茎叶饲料的机械加工
将机械双螺杆挤出机用来对植物材料如小麦秸秆或玉米茎叶饲料提供更有效的化学或酶处理。在该实施例中，将可得自READCO KURIMOTO，LLC.(York，PA)的Readco型加工机械用来提供机械剪切和温度，以增强植物材料的水解。这种加工设备对于将氨或其它化学品应用于生物质原料来说可能是理想的。
评价了用于增大玉米茎叶饲料和小麦秸秆生物质的消化率的几种处理并在表7中描述了它们。机械双螺杆挤出机的优势之一是，添加的化学品量可以更少，因为所述加工机械比常规混合设备更有效地分配化学品。
表7：小麦秸秆和玉米茎叶饲料的Readco加工