88999

Биотехнология производства кормовых препаратов для сельскохозяйственных животных: Методическое указание

Книга

Лесное и сельское хозяйство

В работе представлен материал по способам получения кормовых белков для сельскохозяйственных животных которые получают культивированием различных биологических продуцентов используемых в биотехнологии: микроскопических грибов водорослей бактерий.

Русский

2015-05-07

157.5 KB

19 чел.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

Кафедра физиологии и биотехнологии

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по теме «Биотехнология производства кормовых препаратов

для сельскохозяйственных животных»

к практическим занятиям по курсу

«Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции»

(для студентов технологического факультета)

Екатеринбург 2012

Методическое указание на тему «Биотехнология производства кормовых препаратов для сельскохозяйственных животных» к практическим занятиям по курсу «Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции» для студентов 5 курса технологического факультета дневного и заочного обучения подготовлено на кафедре физиологии и биотехнологии факультета ветеринарной медицины

Одобрено и рекомендовано к публикации методической комиссией

(протокол №       от                          г.)

Уральской государственной сельскохозяйственной академии

Составитель Карташева Г.Г., доцент кафедры физиологии и биотехнологии факультета медицинской ветеринарии УрГСХА

Рецензент

Рассмотрено на заседании кафедры физиологии и биотехнологии

( протокол №      от                               г.)

Методические указания на тему «Биотехнология производства кормовых препаратов для сельскохозяйственных животных» к практическим занятиям по курсу «Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции». В работе представлен материал по способам получения кормовых белков для сельскохозяйственных животных, которые получают культивированием различных биологических продуцентов, используемых в биотехнологии: микроскопических грибов, водорослей, бактерий. Рассматриваются различные возможные субстраты для переработки в белковые продукты

© Уральская государственная сельскохозяйственная академия, 2012

Биотехнология производства кормовых препаратов

для сельскохозяйственных животных

Введение

Белки являются обязательными компонентами клеток любого живого организма. Они выполняют жизненно важные функции: структурные, каталитические, регуляторные, транспортные, биоэнергетические, защиту от инфекции и действия от стрессовых факторов, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5-15 % сухого вещества, в зерне 8-18, семенах масличных культур – 25-40 %. В различных тканях организма человека и животных содержание белков обычно от 20 до 80% на сухую массу, что составляет в среднем 40-50%.

Для образования клеток и тканей организма, а также поддержания его жизненной функции должен осуществляться постоянный синтез структурных и других форм белков. В состав белков входят 20 аминокислот и два амида (аспарагин и глутамин). Растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все входящие в их состав аминокислоты из простых веществ – углекислоты, воды и минеральных солей, тогда как в организме человека и животных некоторые аминокислоты не могут синтезироваться и должны поступать в готовом виде как компоненты пищи. Такие аминокислоты принято называть незаменимыми, к ним относится валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям человека, а недостаток их в кормах снижает продуктивность сельскохозяйственных животных.

В связи с необходимостью обеспечения человека и животных незаменимыми аминокислотами разработаны научно обоснованные нормы их суточного потребления. Так, например, ежедневная потребность человека в незаменимых аминокислотах составляет (г): валин – 0,5, лейцин – 0,7, изолейцин – 0,4, лизин – 5,5, метионин – 3,5, треонин – 4,0, триптофан – 1,0, фенилаланин – 5,5.

Главным источником незаменимых аминокислот для человека являются белки животного или растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для сельскохозяйственных животных – главным образом растительные белки. Поступающие с пищей или кормом белковые вещества под действием ферментов желудочного сока гидролизуются до аминокислот, которые затем используются для образования белковых молекул человеческого или животного организма.

Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма. Если хотя бы одна аминокислота содержится в недостатке, то другие аминокислоты, оказавшиеся в избытке, не используются для синтеза белков (в соответствии с механизмом синтеза белков). В таких условиях для обеспечения дальнейшего синтеза белковых веществ и поддержания жизнедеятельности организма потребуется дополнительное количество пищевого или кормового белка, вследствие чего имеет место перерасход кормов и повышение себестоимости животноводческой продукции.

В целях предотвращения перерасхода кормов необходимо контролировать сбалансированность белков корма по содержанию незаменимых аминокислот и общее количество белка в корме. Для оценки аминокислотного состава белков определяют показатели, характеризующие их биологическую питательную ценность. Кормовые и пищевые белки, имеющие оптимальное содержание незаменимых аминокислот, называют биологически полноценными белками.

В результате обобщения многочисленных данных по изучению аминокислотного состава белков Международной организацией по продовольственному и сельскому хозяйству (ФАО), образованной при ООН, разработаны рекомендации, в которых дается оптимальное содержание незаменимых аминокислот в пищевых и кормовых белках. Эти рекомендации используются в качестве эталона при оценке биологической питательной ценности различных белков. Например, если принять за 100% биологическую ценность эталонного, по рекомендации ФАО, белка, то биологическая ценность большинства животных белков составляет 90-95 %. Среди растений выделяется вегетативная масса бобовых трав, которые содержат в среднем 80-90 % белков, а низкую биологическую ценность белков (52-58%) имеет зерно кукурузы. Семена зернобобовых, масличных культур, клубней картофеля, корнеплодов, овощей, вегетативной массы многих травянистых растений накапливают до 75-85% белков, а зерна большинства злаковых культур – 60-70%.

1. Получение кормовых белков

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей от 60 до 120 г полноценного белка. Для правильного кормления сельскохозяйственных животных необходимо, чтобы в их рационе на каждую кормовую единицу содержалось не менее 110 г хорошо перевариваемого и полноценного белка.

Если содержание белков в растительной массе, используемой для кормления сельскохозяйственных животных, ниже нормы, то во избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме балансируют введением белковых добавок. Недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитных аминокислот или белковой массы, имеющие более высокое содержание данной аминокислоты по сравнению с эталоном.

Содержание незаменимых аминокислот в различных белках

(в г на 100 г белка)

Таблица 1

Аминокислоты

Молоко

коровы

Эталон

ФАО

Соя

Пшеница

Кукуруза

Ячмень

Лизин

6,6

4,2

6,6

2,6

2,5

3,2

Триптофан

1,4

1,4

1,3

1,3

0,6

1,2

Метионин

2,4

2,2

1,4

1,7

2,1

1,7

Треонин

4,6

2,8

3,8

2,6

3,2

2,9

Валин

6,9

4,2

5,4

4,6

4,4

5,4

Лейцин

9,9

4,8

7,9

6,9

11,2

7,2

Изолейцин

6,6

4,2

5,3

3,4

2,7

3,5

Фенилаланин

4,9

2,8

5,1

4,3

4,1

5,1

Наиболее сбалансированное содержание незаменимых аминокислот имеют белки семян сои (табл. 1). В них недостает до эталона только метионина и триптофана. Относительно высокую биологическую ценность имеют так же белки зерна риса и гороха. В то же время возделываемые в нашей стране зерновые культуры – пшеница, кукуруза, ячмень – отличаются несбалансированным аминокислотным составом белков. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало содержится лизина, метионина и изолейцина, а в белках зерна кукурузы еще триптофана.

Вследствие того, что белки сои хорошо сбалансированы по аминокислотному составу и их содержание в семенах достигает 35-40%, эта культура имеет значение как самый дешевый источник пищевого и кормового белка. Крупнейшим производителем и поставщиком соевого белка на мировом рынке является США. В России посевы сои пока занимают небольшие площади – около 500-600 тыс. га. Ведется поиск других источников полноценного белка. Одним из важных путей в этом направлении является расширение посевов зернобобовых культур, которые так же, как и соя, способны накапливать в зерне большое количество белка (25-35%), имеющего высокую биологическую ценность.

Наряду с этим разрабатываются научные программы, связанные с созданием новых генотипов зерновых культур, отличающихся повышенным содержанием в зерне белков с улучшенным аминокислотным составом. Создание таких программ стало возможным после открытия высоколизиновых мутантов кукурузы с генами Опак-2 и Флаури-2, в белках зерна которых содержится значительно больше лизина и триптофана, чем у обычной кукурузы.

В результате селекционной работы, проведенной в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко, на основе мутантных генов получены высокобелковые и высоколизиновые  грибы кукурузы, которые по урожайности не уступают районированным гибридам. В суммарном белке зерна полученных генотипов кукурузы содержание лизина повышено на 50-80%, триптофана – на 30-50%. Использование зерна такой кукурузы для кормления сельскохозяйственных животных позволяет существенно повысить их продуктивность и сократить затраты кормового белка на 20-25%.

Во многих лабораториях проводится селекционно-генетическая работа по улучшению аминокислотного состава белков зерна ячменя на основе скрещивания с высоколизиновыми формами Хайпроли и Ризо 1508, а так же поиск генетических источников высокого содержания белка с улучшенным аминокислотным составом для пшеницы, тритикале и других зерновых культур. Особые надежды возлагаются на новые методы создания ценных генотипов сельскохозяйственных растений, основанные на использовании достижений генетической и генной инженерии.

Зерновые культуры составляют большой удельный вес в структуре кормопроизводства нашей страны. В среднем на долю зерновых приходится около 50% от общего количества кормового белка. В целях балансирования кормов, включающих в качестве основного компонента зерно злаковых культур, по белку и незаменимым аминокислотам обычно применяют концентрированные белковые добавки, называемыми комбикормами.

Для их приготовления используют мясо-костную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби, шроты зернобобовых культур. Учитывая, что рыбная и мясо-костная мука, другие белковые отходы животного происхождения во все большом объеме направляются на получение пищевых белков, требуется полноценный их заменить, способный сбалансировать недостаток белков, требуется полноценный их заменитель, способный сбалансировать недостаток белков и незаменимых аминокислот не только в зерновой части кормового рациона , но и в растительных компонентах комбикормов.

Высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многие микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повышенное содержание незаменимых аминокислот. В специальных опытах была проведена пищевая и токсикологическая оценка белковой микробной массы, которая показывает, что клетки некоторых микроорганизмов можно использовать в качестве концентрированных кормовых добавок, не уступающих по биологической ценности белков соевому шроту или рыбной муке (табл. 2).

Содержание незаменимых аминокислот

в белках некоторых микроорганизмов  (в г на 100 г белка)

Таблица 2

Аминокислоты

Дрожжи

Бактерии

Грибы

Соевый

шрот

Эталон

ФАО

Лизин

6-8

6-7

3-7

6,4

4,2

Триптофан

1-1,5

1-1,4

1,4-2

1,4

1,4

Метионин

1-3

2-3

2-3

1,3

2,9

Треонин

4-6

4-5

3-6

4,0

2,8

Валин

5-7

4-6

5-7

5,3

4,2

Лейцин

6-9

5-11

6-9

7,7

4,8

Изолейцин

4-6

5-7

3-6

5,3

4,2

Фенилаланин

3-5

3-4

3-6

5,0

2,8

Микроорганизмы в качестве источников кормового белка имеют ряд преимуществ по сравнению с растительными и даже животными организмами. Они отличаются высоким (до 60% сухой массы) и устойчивым содержанием белков, тогда как в растениях концентрация белковых веществ значительно изменяется в зависимости от условий выращивания, климата, погоды, типа почвы, агротехники и др. Наряду с белками в микробных клетках накапливаются и другие ценные в питательном отношении вещества: легкоусвояемые углеводы, липиды с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот, витамины, макро- и микроэлементы.

При использовании микроорганизмов на ограниченной площади можно организовать промышленное производство и получать большое количество кормовых концентратов в любое время года, причем микробные клетки способны синтезировать белки из отходов сельского хозяйства и промышленности и, таким образом, позволяют одновременно решать другую важную проблему – утилизацию этих отходов в целях охраны окружающей среды.

Микроорганизмы имеют еще одно ценное преимущество – способность очень быстро наращивать белковую массу. Например, растения сои массой 500 кг в фазе созревания семян способны в сутки синтезировать 40 кг белков,  бык такой же массы – лишь 5,0-1,5 кг, а дрожжевые клетки массой 500 кг – до 1,5 т белков. В качестве источников кормового белка используют различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.

2. Белковые концентраты из бактерий

Наряду с получением кормовых дрожжей особое значение для кормопроизводства имеют бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60-80% от сухой массы. Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть использованы в качестве источников полноценного кормового белка. Бактерии способны наращивать биомассу в несколько раз быстрее дрожжевых клеток и в белке бактерий  содержится значительно больше серосодержащих аминокислот, вследствие чего он имеет более высокую биологическую ценность по сравнению с белком дрожжей. Источником углерода для бактерий могут служить различные газообразные продукты (природный и попутный газы, газовый конденсат и др.), низшие спирты (метанол и этанол), водород.

При использовании в качестве сырья газообразных продуктов, основным компонентом которых является метан, питательную смесь под давлением подают в специальный ферментер струйного типа. В целях лучшей утилизации сырья микроорганизмами в таком ферментере предусматривается рециркуляция газовой смеси. Для обеспечения необходимой аэрации культуры бактерий ферментер продувают воздухом или кислородом. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способны при оптимальных условиях утилизировать до 85-90% подаваемого в ферментер метана. Все технологические линии, связанные с культивированием бактерий в газовой среде, требуют контроля  состава этой среды и оснащения производственных установок герметизированным, взрывобезопасным оборудованием.

По окончании ферментации клетки бактерий осаждают и отделяют от питательной среды на сепараторе. Полученную бактериальную массу подвергают механической или ультразвуковой обработке с целью разрушения клеточных оболочек, после чего высушивают и используют для приготовления кормовых белковых концентратов.

В связи с тем, что газовая среда из метана и воздуха взрывоопасна и для лучшей утилизации метана бактериями требует ее постоянной рециркуляции, производство кормового белка из газообразных продуктов является довольно сложным и дорогим. Более широкое применение находит технология выращивания бактериальной белковой массы на метаноле, который можно легко получить путем окисления метана. При культивировании на питательной среде, содержащий метанол, наиболее эффективны бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas, Methylophillus. Выращивание этих бактерий проводится в обычном ферментере с использованием жидкой питательной среды.

Широкомасштабное производство кормовых белков на основе использовании метанола впервые было организовано в Великобритании. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат с коммерческим названием «Прутин». В нашей стране также разработана технология получения бактериальной белковой массы из метанола, коммерческое название препарата «Меприн». Он содержит в своем составе до 70-74% от сухой массы белков, до 5% липидов, около 10% минеральных веществ, 10-13% нуклеиновых кислот. На основе культивирования бактерий рода Acinetobacter разрабатывается технология получения кормового белка из эталона (препарат «Эприн»), который будет также иметь и пищевое название.

Высокой интенсивностью синтеза белков характеризуется водородокисляющие бактерии, способные накапливать в своих клетках до 80% сырого белка в расчете на сухое вещество. Эти бактерии используют энергию окисления водорода для утилизации углекислого газа, а некоторые штаммы и для усвоения атмосферного азота. Для культивирования водородокисляющих бактерий в составе газовой среды обычно содержится 70-80% водорода, 20-30% кислорода и 3-5% СО2. Высокую эффективность при выращивании на такой газовой среде имеют бактерии родов Pseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Corinebacterium и др.

Обычно водород для производства белковой массы получают из воды путем ее электролитического (электролиз) или фотохимического размножения. Углекислый газ может быть использован из газообразных отходов каких-либо промышленных производств, а также топочных газов, что одновременно решает проблему очистки газовой среды. Производство кормового белка на основе водородокисляющих бактерий может быть также организовано вблизи химических предприятий, где в качестве побочного продукта образуется водород.

Обычно кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5-7,5% от белка рациона, при кормлении взрослых свиней- до 15%. Основным препятствием, которое не позволяет его использовать в большей концентрации, является повышенное содержание нуклеиновых кислот (10-25%). Кроме того, в бактериальной массе наряду с полезными компонентами в значительном количестве синтезируются трудно усвояемые формы липидов; сложнее и дороже методы выделения  и очистки бактериальных белковых препаратов.

3. Кормовые белки из водорослей

В России в ряде других стран для производства кормового белка используют одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, а также сине-зеленые водоросли из рода Spirulina, которые способны синтезировать белки и другие органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных веществ за счет усвоения энергии солнечного света. Для их выращивания необходимо обеспечивать определенные режимы освещения и температуры, а также большие объемы воды. Чаще всего в естественных условиях водоросли выращивают в южных регионах с использованием бассейнов открытого типа, однако разрабатываются и технологии их культивирования в закрытой системе.

Для выращивания водорослей хлорелла и Scenedesmus необходимо нейтральная среда, их клетки имеют довольно плотную целлюлозную оболочку, вследствие чего хуже перевариваются в организме животных. Для лучшей их преваримости целлюлозные оболочки разрушают по средствам специальной обработки.

Клетки спирулины в 100 раз крупнее хлореллы, но они не имеют прочной целлюлозной оболочки и поэтому лучше перевариваются в организме животных. Выращивают спирулину в щелочной среде (рН 10-11), в естественных условиях в щелочных озерах.

По интенсивности накопления биомассы водоросли, хотя и уступают кормовым дрожжам и бактериям, но значительно превосходят сельскохозяйственные растения. При их выращивании в культиваторах открытого типа с 1 га водной поверхности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, тогда как при возделывании пшеницы-3-4 т, риса-5 т, сои-6 т, кукурузы-7 т.

Содержание белков в клетках хлореллы и Scenedesmus составляет 45-55% (в расчете на сухую массу), а в клетках спирулины достигает 60-65%. Белки водорослей хорошо сбалансированы по содержанию аминокислот, недостаточно содержится лишь метионина. Наряду с высоким содержанием белковых веществ в клетках водорослей довольно много синтезируется полиненасыщенных жирных кислот (являющихся, как и некоторые аминокислоты, незаменимыми) и провитамина А-каротина (до 150 мг%). Каротина в биомассе водорослей в 7-9 раз больше, чем в травяной муке из люцерны, отличающейся наиболее высоким содержанием этого провитамина среди кормовых трав. Содержание нуклеиновых кислот в одноклеточных водорослях значительно ниже (4-6%), чем у бактерий, однако несколько выше по сравнению с растительными источниками белка (1-2%).

Технология получения белковой массы из клеток водорослей включает выращивание промышленной культуры в культиваторах открытого или закрытого типа, отделение водорослей от массы воды, приготовление товарного продукта в виде суспензии, сухого порошка или пастообразной массы. Процесс отделения клеток водорослей от массы воды энергоемкий, так как необходимо перерабатывать большие объемы жидкости.

Вначале отстаивают клеточную суспензию, затем клетки водорослей отделяют воды (декантацией). Для ускорения осаждения клеток часто применяют химические методы, вызывающие быструю коагуляцию частиц. После осаждения клеточной биомассы ее пропускают через сепаратор, в результате суспензия сгущается до необходимой концентрации. Если требуется получить пастообразный препарат, то полученную белковую массу высушивают. Для улучшения переваримости биомассы клеток хлореллы и Scenedesmus  ее подвергают обработке, вызывающей разрушению клеточных оболочек.

В России наиболее распространено выращивание хлореллы, которую применяют для кормления сельскохозяйственных животных в виде суспензии (1,5 г/л сухого вещества) или сухого порошка. Рекомендуемая суточная норма суспензии хлореллы при кормлении молодняка крупного рогатого скота  3-6 л, взрослых животных - 8-10 л. При добавлении в корм жвачных животных муки хлореллы допускается замена 50% растительного белка белком водоросли.

Большое значение имеет выращивание водорослей на стоках промышленных предприятий, тепловых электростанций, животноводческих комплексов, т. к. в этих случаях, наряду с получением кормового белка, одновременно решаются проблемы, связанные с защитой окружающей среды. Так, например, выращивание культуры Scenedesmus или хлореллы на стоках животноводческих комплексов в течение 15 суток позволяет почти полностью очистить их от органических веществ, исчезает запах и цвет. При культивировании водорослей на промышленных стоках или стоках тепловых станций используют отводимый с этих объектов избыток тепла, а также утилизируется углекислота, образуемая как побочный продукт технологических процессов и в результате сжигания различных отходов.

Культиваторы для выращивания водорослей открытого типа имеются во многих странах. Крупнейшая фирма по выращиванию хлореллы «Хлорелла Сан Компани» имеется  в Японии. В Болгарина на водах термальных источников культивируют водоросли хлорелла и Scenedesmus, причем болгарским ученым удалось получить штаммы хлореллы без целлюлозной оболочки, биомассы клеток которых хорошо переваривается в организме животных. В значительном количестве белковые концентраты из водоросли спирулины производятся в странах центральной Африки и в Мексике, где имеются щелочные озера. Крупнейшим производителем различной продукции из биомассы и белков спирулины является фирма «Соса Текскоко» (Мексика). В Италии разрабатывается технология выращивания клеток спирулины на морской воде и в культиваторах закрытого типа.

В связи с тем, что биомасса водорослей рода Spirulina легко переваривается ферментами желудочного сока и характеризуется высоким содержанием белков (до 70% сухой массы), хорошо сбалансированных по аминокислотному составу, она в ряде стран используется для приготовления продуктов питания, главным образом кондитерских изделий, обогащенных белков.

Учитывая важное значение вводимых в промышленную культуру водорослей как дополнительного источника полноценного белка для кормления сельскохозяйственных животных и питания людей, учеными разных направлений: селекционерами, генетиками и биохимиками проводятся исследования по улучшению существующих промышленных штампов одноклеточных водорослей и получению новых генотипов. Эти формы которые должны сочетать в себе высокую интенсивность фотосинтеза, холодоустойчивость, хорошую переваримость, способность синтезировать большое количество белка лучшего качества (повышенное содержание незаменимых аминокислот) и полнее утилизировать субстрат. Важная роль в реализации таких исследований отводится методам генетической инженерии.

4. Белки микроскопических грибов 

4.1. Кормовые дрожжи

Дрожжи впервые стали использовать как источник белка для человека и животных в Германии во время первой мировой войны. Была разработана промышленная технология культивирования пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), предназначенных для добавления в продукты питания. В нашей стране первый завод по производству кормовых дрожжей был пущен в 1935 году. Дрожжи выращивали на гидролизатах из отходов древесины и другого целлюлозосодержащего растительного сырья, которые при гидролизе образуют легкоусвояемые для микроорганизмов формы углеводов. В настоящее время на основе гидролиза растительного сырья производится более 600 тыс. т сухой массы кормовых дрожжей для сельского хозяйства.

В качестве исходного сырья при такой технологии получения кормового белка обычно используются отходы целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, картофельная мезга, виноградные выжимки, пивная дробина, отходы кондитерской и молочной промышленности.

Измельченное кондитерское сырье, содержащее большое количество клетчатки, гемицеллюлоз, пентозанов, подвергают кислотному гидролизу при повышенном давлении и температуре. В результате 60 – 65% содержащихся в них полисахаридов гидролизуются до моносахаридов. Полученный гидролизат отделяют от лигнина. Избыток кислоты, применяемый для гидролизата, нейтрализуют известковым молоком или аммиачной водой. После охлаждения и отстаивания в гидролизат добавляют минеральные соли, витамины и другие вещества, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов. Полученную таким образом питательную среду подают в ферментный цех, где выращивают дрожжи.

Для культивирования на гидролизатах растительных отходов наиболее эффективны дрожжи родов Candida, Torulopsis, Saccharomyces, которые используют в качестве источника углерода гексозы, пентозы и органические кислоты. При оптимальных условиях из 1 т отходов хвойной древесины можно получить 200 кг сухой массы кормовых дрожжей.

Для получения кормовых дрожжей применяют технологию их глубинного выращивания в специальных аппаратах – ферментерах, в которых обеспечивается режим постоянного перемешивания суспензии микробных клеток в жидкой питательной среде и оптимальные условия аэрации. В целях поддержания заданного температурного режима в конструкции ферментера предусматривается система отвода избыточного тепла. Рабочий цикл выращивания культуры дрожжей длится около 20 часов. По окончании рабочего цикла культурная жидкость вместе с суспендированными в ней клетками дрожжей выводится из ферментера, а в него вновь подается питательный субстрат и культура дрожжевых клеток для выращивания.

В сухой дрожжевой массе содержится 40-60% сырого белка, 25-30% усвояемых углеводов, 3-5% сырого жира, 6-7% клетчатки и зольных веществ, большое количество витаминов (до 50 мг%). Посредством обработки дрожжей ультрафиолетовыми лучами проводится их обогащение витамином D2, который образуется из содержащегося в них эргостерина. Для улучшения физических свойств готового продукта кормовые дрожжи выпускают в гранулированном виде.

Очень часто на основе ферментации гидролизатов растительного сырья наряду с производством кормовых дрожжей получают этиловый спирт. В этом случае особенность технологии заключается в том, что сначала проводится спиртовое брожение, в результате которого происходит утилизация содержащихся в гидролизате гексоз. После отгонки спирта остается неиспользованный субстрат – барда, содержащая в основном пентозы. Эту послеспиртовую барду используют далее как питательную среду для выращивания кормовых дрожжей. Таким образом, из гидролизатов растительных отходов одновременно могут быть получены два вида ценной продукции.

В 60-е годы за рубежом и в России были разработаны технологии получения кормовых дрожжей из н-парафинов нефти. Дрожжевые клетки могут использовать в качестве источника углерода для их роста неразветвленные углероды с числом углеродных атомов от 10 до 30. Они представляют собой жидкие фракции с температурами кипения 200-320 0С, которые выделяют из нефти путем ее перегонки Очищенные фракции углеводородов нефти, используемые для выращивания дрожжей, могут быть получены тремя методами: низкотемпературная кристаллизация, карбамидная депарафинизация и адсорбция на молекулярных ситах.

Первым методом проводится кристаллизация высококипящих фракций после растворения их в смеси органических растворителей при постоянном охлаждении. Затем очищенные кристаллизацией продукты используют для приготовления питательной среды микроорганизмов.

Второй метод основан на способности н-парафинов нефти образовывать прочный комплекс с молекулами карбамида, который после отделения от остальных фракций при нагревании легко разлагается, в результате чего с помощью перегонки можно получить очищенную фракцию н-парафинов. Третьим методом адсорбируют нужные фракции углеводородов нефти на молекулярных ситах, после чего проводят их десорбцию, и таким образом выделяют фракции высокой степени очистки.

При выращивании микроорганизмов на н-парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты, а в качестве источника азота аммиачную воду. В процессе культивирования дрожжей в ферментере поддерживается оптимальный температурный режим и режим аэрации. Наиболее эффективны для выращивания на н-парафинах нефти отселектированные штаммы дрожжей Candida guilliermondii. Выделение и сушка дрожжевой массы проводится примерно по такой же схеме, как и в гидролизном производстве. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК) для кормления сельскохозяйственных животных, содержащий до 50-60% белковых веществ. Содержание остаточных углеводородов допускается не более 0,1%.

В целях более полного использования сырья и снижения в товарном продукте остаточных углеводородов разработаны усовершенствованные технологии получения БВК, включающие двухступенчатую ферментацию и последующую экстракцию из дрожжей остаточных углеводородов бензином. При этом содержание сырого белка в дрожжевой массе может быть повышено до 58-65% в расчете на сухую массу, а содержание остаточных углеводородов снижено до 0,05%.

Хороший субстрат для выращивания кормовых дрожжей – молочная сыворотка, являющаяся производственным отходом при переработке молока. В 1т молочной сыворотки в среднем содержится 10 кг полноценного белка и 50 кг дисахарида лактозы, который легко утилизируется микроорганизмами. Для выделения из молочной сыворотки белков разработана эффективная технология с применением методов ульрафильтрации низкомолекулярных веществ через мембраны. Получаемые таким способом белки используют для приготовления сухого обезжиренного молока или в качестве пищевой белковой добавки. Остающиеся после отделения белков жидкие отходы, содержащие лактозу, могут быть переработаны путем культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.

Кроме углеводов и углеводородов в качестве источников углерода дрожжевые клетки могут использовать низшие спирты - метанол и этанол, которые обычно получают из природного газа или из растительных отходов. Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, отличается высоким содержанием белков (56-62% от сухой массы) и в ней меньше всех содержится вредных примесей, чем в кормовых дрожжах, выращенных на н-парафинах нефти.

Как показывают опыты по изучению питательных свойств кормовых дрожжей, они достаточно хорошо перевариваются в организме животных (переваримость белков 80-90%), по сумме незаменимых аминокислот близки к эталону ФАО, и по содержанию в белках лизина, треонина, Валина и лейцина существенно превышают эталон ФАО. Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину и в них мало содержится других серосодержащих аминокислот.

По сравнению с растительными источниками белков кормовые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых кислот (3-6% от сухой массы), которые в такой концентрации оказывают вредное воздействие на организм животных. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в соли мочевой кислоты, которые, откладываясь в организме, могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Вследствие этого оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5-10% от сухого вещества или 10-20% дрожжевого белка  в кормовом рационе.

Кормовые дрожжи, культивируемые на питательной среде из н-парафинов нефти, могут содержать многие вредные примеси-производные бензола, D-аминокислоты, аномальные липиды, различные токсины  и канцерогенные вещества, поэтому их подвергают специальной очистке (экстракция бензином). При производстве кормовых дрожжей возникают проблемы очистки газообразных и жидких отходов, в связи, с чем производится работа по созданию экологически чистых безотходных технологий с замкнутым циклом водоиспользования.

Кроме совершенствования производственной технологии, особое значение имеет создание высокопродуктивных штаммов дрожжей, способных накапливать много белка, быстро наращивать биомассу и эффективно использовать субстрат для жизнедеятельности. Для создания новых штаммов микроорганизмов применяют как методы обычной селекции, так и генно-инженерную биотехнологию.

Наряду с использованием дрожжевых белков в качестве кормовой добавки при балансировании рационов сельскохозяйственных животных, разработана технология получения из них пищевых белков. Уже в 1930-40-е годы в некоторых странах были разработаны технологии культивирования пивных и других пищевых дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea, C. utilis), которые использовались как белковые добавки к различным пищевым продуктам.

При переработке в пищевой блок биомассу дрожжей тщательно очищают. С этой целью клеточные оболочки дрожжевых клеток разрушают с помощью механической, щелочной, кислотной или ферментативной обработки и затем экстрагируют гомогенную дрожжевую массу органическим растворителем. После такой очистки от органических и минеральных примесей полученный дрожжевой продукт обрабатывают щелочным раствором для растворения белков, затем белковый раствор отделяют от оставшейся массы дрожжей и направляют  на диализ. В процессе диализа из белкового раствора удаляют низкомолекулярные примеси. Очищенные диализом белки осаждают, высушивают и полученную белковую массу используют в качестве добавок в различные пищевые продукты: сосиски, студни, паштеты, мясные и кондитерские начинки.

Белки дрожжей применяют также при получении искусственного мяса, для этого проводят текстурирование белков - нагревание с последующим быстрым охлаждением или продавливание белковой пасты через отверстия малого диаметра. Для улучшения свойств в белковую пасту добавляют полисахариды и другие компоненты. Гидролизаты белков используют в качестве вкусовых приправ, для приготовления медицинских препаратов и лечебного питания.

4.2. Белки грибов других систематических групп

Ценным источником хорошо сбалансированных по аминокислотному составу белков являются клетки мицелия многих микроскопических грибов. По своим питательным свойствам белки грибов приближаются к белкам сои и мяса, вследствие чего могут использоваться не только для приготовления кормовых концентратов, но и как добавка в пищу человека. Сырьем для промышленного выращивания микроскопических грибов обычно служат растительные отходы, содержащие клетчатку, гемицеллюлозы, лигнин. При этом одновременно решаются две важные задачи:

 получение белковой массы;

 утилизация отходов растениеводства, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, которые могут быть источниками загрязнения окружающей среды.

Особенно важно найти активные штампы микроорганизмов, способные утилизировать углерод лигнина, обладающего высокой устойчивостью к разложению микрофлорой. В природе лигнин разлагается лишь грибами коричневой и белой гнили из родов Stropharia, Pleurotus, Abortiporus, Coriolus, Stereum и др. в настоящее время в процессе исследований отобраны токсичные быстрорастущие штаммы мезо- и термофильных грибов для промышленного культивирования из родов Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Trichoderma. Клетки мицелия этих грибов имеют тонкую клеточную оболочку, вследствие чего очень хорошо перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных. Они содержат в своем составе комплекс ароматических веществ, улучшающих их вкусовые качества, богаты витаминами и легкоусвояемыми липидами. По сравнению с дрожжевыми белки микроскопических грибов отличаются повышенным содержанием содержащих аминокислот и лучшей усвояемостью. Концентрация нуклеиновых кислот в грибном мицелии (1-4% от сухой массы) почти такая же, как в тканях растительного организма. Вместе с тем в биомассе грибов значительно меньше, чем в дрожжах, синтезируется белков (20-60% от сухой массы) и у них относительно медленней происходит рост биомассы (удвоение биомассы через 4-16 ч, тогда как у дрожжей через 2-3 ч).

Низшие мицелиальные грибы, культивируемые на целлюлозо- и лигнинсодержащих растительных отходах, вследствие их способности синтезировать комплекс гидролитических ферментов разлагают целлюлозу и лигнин до простых веществ, из которых образуются аминокислоты и белки. В целях ускорения роста грибов проводится предварительная обработка растительного сырья, повышающая доступность его компонента для утилизации микроорганизмами. Чаще всего применяют кислотно-щелочной способ обработки целлюлозо- и лигнинсодержащих отходов, отпаривание под давлением, обработка аммиаком  и каустической содой. После такой обработки происходит полное или частичное разложение трудногидролизуемых полисахаридов и лигнина, что обеспечивает ускоренный рост грибной массы и сокращение сроков промышленного культивирования грибов (до 7-8 сут.)

В зависимости от способа подготовки растительного сырья для культивирования микроскопических грибов применяют и соответствующие технологии их выращивания. Для культивирования грибов на твердой питательной среде разработан метод твердофазной ферментации, который включает измельчение и обработку растительного сырья парами воды и аммиака, обогащение этого сырья минеральными веществами, посев выращивание мицелия грибов в заданном режиме аэрации поддерживания оптимальной температуры. Однако при такой технологии культивирования грибов коэффициент использования растительного сырья низкий, что предопределяет и сравнительно не высокий уровень содержания белка в выращиваемой грибной массе (20-30% от сухой массы). Так, например, прямое культивирование низших мицелиальных грибов на соломе и других отходах растениеводства обеспечивает включение углерода из этих источников и органическое вещество грибного мицелия на 17-25%.

Более высокий коэффициент использования сырья обычно достигается при выращивании грибов на гидролизатах растительных отходов и жидких отходах деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Для того применяют метод глубинного культивирования, как и при выращивании кормовых дрожжей. Содержание белков в грибной массе, выращенной на жидкой питательной среде, может достигать 50-60% от сухой массы. В целях более полного использования сырья также практикуется совместное культивирование грибов и бактерий. Наряду с использованием растительных отходов разработаны также технологии по переработке в грибной белок торфа, навоза, экскрементов животных.

Хорошая переваримость грибной белковой массы в организме животных, а так же низкий уровень содержания нуклеиновых кислот позволяет использовать ее  качестве кормовой добавки в значительно большей концентрации, чем кормовые дрожжи. Обычно при кормлении молодняка животных допускается введение в кормовые рационы грибного белка в пределах 15-20% от белка корма, а при кормлении взрослых животных возможна замена в корме 50% растительного на грибной белок.

6. Кормовые белковые концентраты из растений

В поисках источников полноценного кормового и пищевого белка ученые уже давно обратили внимание, что дикие травоядные животные, для которых единственным источником белка являются пастбищные травянистые растения, нормально развиваются и  не имеют каких-либо отклонений в обмене веществ, связанных с недостатком незаменимых аминокислот. Все это свидетельствует о том, что белки вегетативной массы трав и других растений имеют хорошо сбалансированный аминокислотный состав. Они различаются в основном по интенсивности синтеза белков, тогда как аминокислотный состав их белков довольно близок.

По содержанию всех аминокислот белки трав не уступают или значительно превышают эталон ФАО, и только лишь некоторый дефицит отмечается по количеству метионина (табл. 3).

Содержание незаменимых аминокислот

в белках вегетативной массы травянистых растений (г на 100 г белка) Таблица 3

Аминокислоты

Белки травянистых

растений

Эталон ФАО

Изолейцин

4,-5,5

4,2

Лейцин

8,8-10,2

4,8

Лизин

5,6-7,3

4,2

Метионин

1,6-2,6

2,2

Фенилаланин

5,5-5,8

2,8

Треонин

4,7-5,3

2,8

Триптофан

1,2-2,3

1,2

Валин

5,9-6,9

4,2

Опыт показывают, что из всех травянистых растений наиболее высокую биологическую ценность белков имеют бобовые кормовые травы (80-90%), несколько ниже биологическая ценность белков у мятликовых трав (75-85%). Бобовые растения также отличаются более высоким содержанием белков вегетативной массе (15-25% от сухой массы), чем мятликовые травы (8-15%). Особенно много белков содержится в листьях люцерны.

Благоприятный аминокислотный состав белков, интенсивный их синтез в вегетативных органах растений послужили основой разработки технологии извлечения из растительной массы белков для кормовых и пищевых целей. Первые такие опыты относятся к 1773 г., при этом белки выделяли из выжатого сока растений.

Однако позднее было выяснено, что в растительном соке содержится много вредных примесей, таких как фенолы, тяжелые металлы, ингибиторы трипсина (фермента желудочного сока животных и человека), гемолизирующие вещества (свертывающие кровь), нуклеиновые кислоты, алкалоиды, продукты разложения хлорофилла и др. Больше таких веществ нахдится в ядре, хлоропластах, митохондриях и меньше в цитоплазме. Исходя из этого, для использования на кормовые и пищевые цели наиболее пригодными являются цитоплазматические белки.

В нашей стране промышленное производство белкового концентрата из растительных соков впервые было организованно в 1942г. Он содержал в значительном количестве провитамин А и использовался для лечения раненых. К началу 1960-х годов были разработаны технологии получения растительного белка для пищевых целей и использования в животноводстве.

Наибольшие полупромышленные установки для получения кормовых белковых концентратов из вегетативной массы растений могут быть использованы в любом хозяйстве, имеющие высокобелковое растительное сырье и кормоцех. Технология приготовления белковых концентратов включает изменение растительной массы, отжим сока, его коагуляцию, разделение коагулята на зеленую творогообразную массу и коричневый сок, консервирование белково-витаминной пасты.

Таким образом, в результате переработки растительной массы могут быть получены три вида кормов: белковый коагулят, из которого получают белково-витаминную пасту; ферментированный сок, образующийся после отделения белкового коагулята; остатки растительного материала после отжатия сока в виде жома.

Белковый коагулят содержит 15-22% белков на сухую массу, его обычно скармливают животным в зимний период. При пониженной температуре он может храниться без добавления  консервантов в течение месяца. При скармливании жвачным животным белково-витаминной пасты ее белок может составлять до 50% от белка кормового рациона.

Ферментативный коричневый сок содержит 7-12% сухого вещества, 1-3 белков, 1-1,5 органических кислот, 4-5 безазотистых экстрактивных веществ (сумма легкоусвояемых углеводов), 1-2% зольных веществ, 40-50 мг% каротина. Он используется для добавления в корм животных (свиньям, например, 1,5 литра на голову в сутки). Кроме того, коричневый сок можно перерабатывать в кормовые дрожжи.

Жом также может быть использован для кормления животных. В его сухом веществе содержится 12-17% белков, 3-4% сырого жира, 8-9% зольных веществ, 35% сырой клетчатки.

Обычно для получения белково-витаминной пасты используют листья люцерны, клевера, сахарной свеклы. Белковую массу из листьев сахарной свеклы при соответствующей очистке можно также перерабатывать в пищевой белок.

Рекомендуемая литература

Головлев Е.Л., Скрябин Г.К. Обогащение растительных кормов микробным белком. – В кн. Биотехнология под ред. акад. А.А. Баева. – М.: Наука, 1984. с.41-47.

Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб./В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, С.В. Дегтярев и др.: Под ред. В.С. Шевелухи. – М.: Высш. шк., 1998. – 416с.

Скрябин Г.К., Ерошин В.К. Биотехнологическое получение белка. – В кн. Биотехнология под ред. акад. А.А. Баева. – М.: Наука, 1984. с.35-41

Содержание

.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29731. Основні системи професійного навчання 18.4 KB
  Типи уроків теоретичного навчання: комбіновані змішані уроки; перевірка виконання учнями домашнього завдання практичного характеру; перевірка оцінка і корекція раніше засвоєних знань навичок і вмінь; відтворення і корекція опорних знань учнів; повідомлення теми мети і завдань уроку та формування мотивації учіння; сприймання й усвідомлення учнями нового матеріалу; осмислення узагальнення і систематизація нових знань; підсумки уроку і повідомлення домашнього завдання. уроки засвоєння нових знань; Мета: оволодіння учнями новими...
29732. Нестандартні уроки, класифікація методики проведення 18.78 KB
  Найпоширеніші серед них урокипресконференції урокиаукціони уроки ділові ігри урокизанурення урокизмагання уроки типу КВК урокиконсультації комп'ютерні уроки урокиконсиліуми урокитвори урокивинаходи урокизаліки театралізовані уроки уроки взаємного навчання учнів уроки творчості урокисумніви урокиконкурси урокифантазії урокиконцерти урокиекскурсії інтегральні уроки тощо. Нестандартні уроки спрямовані на активізацію навчальнопізнавальної діяльності учнів бо вони глибоко зачіпають емоційномотиваційну сферу...
29733. Поняття поурочно-тематичного планування 21.48 KB
  Плани в процесі проектування використовуються дуже широко: навчальний план план навчальновиховної роботи профтехучилища план уроку та ін Кожен з цих планів має своє призначення і свою структуру. План уроку це визначення завдань уроку і перелік основних дій педагога і учнів з освоєння змісту навчального матеріалу. Якщо поурочнотематичний план є проектом педагогічного процесу то план уроку його конструктом. Структура контрольнооблікового уроку Залік це форма перевірки досягнень учнів з вивченої теми чи розділу курсу навчального...
29734. Інструкційно-технологічна карта як дидактичний засіб навчання 85.5 KB
  Інструкційнотехнологічні карти виготовляють за формою: Вимоги до сучасного уроку теоретичного навчання. Загальні вимоги до уроку такі: проведення уроку на основі сучасних наукових досягнень передового педагогічного досвіду закономірностей навчального процесу; проведення уроку на основі методик гуманних дидактичних концепцій; особистісна спрямованість тобто забезпечення учням умов для самореалізації та ефективної навчальнопізнавальної діяльності з урахуванням їхніх інтересів потреб нахилів здібностей та життєвих настанов; оптимальне...
29735. Форми та методи навчання 19.54 KB
  Методом навчання називають спосіб упорядкованої взаємозв’язаної діяльності викладача направленої на рішення завдань виховання і розвитку учнів в процесі навчання. Методи навчання є одним з найважливіших компонентів навчального процесу. Без відповідних методів діяльності неможливо реалізувати мету і завдання навчання досягнути засвоєння учнями певного змісту навчального матеріалу.
29736. Систематичність та послідовність навчання в закладах ПТНЗ 16.41 KB
  Основною умовою реалізації вимог цього принципу є здійснення міжпредметних зв'язків тобто зв'язування між собою знань з різних навчальних дисциплін з різних тем однієї дисципліни. Види та методи контролю знань на уроці Перевірка знань умінь та навичок – невідємна частина навчального процесу який проектує і здійснює інженерпедагог. Самоконтроль який реалізує на практиці принципи активності й свідомості міцності знань навичок і вмінь студентів.
29737. Методика професійного навчання як галузь педагогіки 19.24 KB
  Об'єктом дослідження методики професійного навчання є освітній процес у професійному навчальному закладі предметом закономірності освітньої діяльності педагога з управління процесом оволодіння знаннями вміннями і навичками навчаються в тійчи іншій галузі професійної діяльності. Завдання методики професійного навчання полягають у тому щоб на основі: вивчення явищ навчання даної навчальної дисципліни розкривати між ними закономірності і зв'язку; пізнаних закономірностей встановлювати нормативні вимоги до навчальної діяльності...