СПОСОБ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
MICROBIOLOGICAL TREATMENT METHOD OF CELLULOSE-CONTAINING RAW MATERIAL

Изобретение относится к области биотехнологии, микробиологической и перерабатывающей промышленности и может быть использовано при переработке целлюлозосодержащего сырья (отходов сельскохозяйственного производства) с целью получения кормовых продуктов для сельскохозяйственных животных и птицы на фермах, животноводческих и птицеводческих комплексах.
Ежегодный естественный прирост целлюлозы в мире составляет около 100 млрд тонн. Сельскохозяйственное производство зерновых приводит к накоплению огромных запасов отходов: соломы, шелухи, мучки и др., практически не востребованных в настоящее время из-за сложности и высокой себестоимости переработки. Сложность переработки целлюлозосодержащего сырья обусловлена длительностью деструкции целлюлозного комплекса отходов. Известно, что в состав соломы злаковых культур входит 50-60% целлюлозы и 10-20% лигнина, которые должны быть предварительно разрушены почвенными целлюлозолитическими микроорганизмами до простых сбраживаемых сахаров. Полученные моносахара могут быть использованы впоследствии в качестве источника энергии для почвенных микроорганизмов, например для азотфиксирующих, присутствующих в почве и способных связывать атмосферный азот в доступные для растений формы.
Процесс расщепления целлюлозного комплекса соломы в природе за счет почвенных микроорганизмов очень длителен и протекает в течение нескольких месяцев даже при благоприятных внешних условиях. Кроме того, известно, что в естественных условиях на целлюлозосодержащих отходах природная почвенная ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов образуется только через 120 дней [Antunes L.A., Agr. Siol. Technol., 1986, V.29, N.3. pp.533-543] - (1).
Известен способ ферментативной переработки целлюлозосодержащего сырья с использованием культуры гриба Rleurotus ostreatus на корм животным. Процесс длится до 10 суток [патент RU 2080078, A23K 1/00, 27.05.1997] - (2).
Известен способ получения биологически активного корма из целлюлозосодержащего сырья с использованием культуры гриба Agricus bisporus. Процесс длится до 7 суток [патент RU 2097979, A23K 1/00, 10.12.1997] - (3).
Кроме того, разрушение микроорганизмами клетчатки в природе происходит под действием не одной какой-либо группы, а комплексом, включающим и бактерии, и грибы, и дрожжи. Одна группа способствует подготовке субстрата для других [Стейнифорт А.Р. Солома злаковых культур. Пер. с англ. - М.: Колос, 1983. - с.77-178] - (4).
Наиболее близким способом по технической сущности и достигаемому эффекту является способ ферментативной переработки целлюлозосодержащих материалов в кормовые продукты с использованием ассоциации штаммов микроорганизмов, содержащей культуры Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и Allescherie terrestris. Процесс ферментации целлюлозосодержащего сырья без учета предварительной подготовки посевного материала по вышеприведенному способу составляет 4 суток. В процессе ферментации разрушается 54% полисахаридов и 70% лигнина [патент RU 2169760, A23K 1/00, 27.06.2001] - (5).
Недостатком известного способа является необходимость предварительной подготовки посевного материала в течение 10-15 суток и обеспечение стерильных условий на этой стадии.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности ускоренной микробиологической переработки целлюлозосодержащего сырья.
Техническим результатом, получаемым в результате реализации изобретения, является сокращение времени предварительного выращивания посевного материала.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в известном способе микробиологической обработки целлюлозосодержащего сырья, заключающемся в том, что предварительно подготовленное увлажненное до содержания влаги 65% целлюлозосодержащее сырье засевают посевным материалом, согласно изобретению для подготовки посевного материала используют субстрат, состоящий из 1 части воды и 1 части размола, с добавлением микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1» в концентрации 0,08 г на 1 кг субстрата с внесением 0,5% раствора лактозы из расчета 100 г на 1 кг субстрата, при этом предварительная обработка целлюлозосодержащего сырья заключается в термогидролизе при температуре 24-26°C, а процесс микробиологической обработки проводят в течение трех суток в анаэробных условиях при температуре 24-26°C с начальным pH 5,4-5,5, при этом через 36 часов от начала процесса микробиологической обработки вносят 0,5% раствор лактозы из расчета 100 г на 1 кг предварительно обработанного целлюлозосодержащего сырья. Для предварительной подготовки целлюлозосодержащего сырья можно также использовать процесс термической обработки при температуре 100°C.
Используемая ассоциация микроорганизмов микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1» представлена следующими видами: фотосинтезирующими и молочнокислыми бактериями, дрожжами, актиномицетами, ферментирующими грибами родов Aspergillus и Penicillium. Штаммы способны синтезировать целлюлозолитические ферменты и одноклеточный белок. Микроорганизмы биопрепарата не являются спорообразующими, согласно СанПин 23.2.1078-01 они входят в перечень веществ, не оказывающих вредного воздействия на кормовые продукты.
Целлюлозосодержащее сырье - солома злаковых культур - обладает невысокой питательной ценностью и состоит, главным образом, из полисахаридов (таблица 1).
Таблица 1
Химический состав соломы злаковых культур
показатели
содержание, % а.с.в.
солома пшеницы
солома гречихи
Целлюлоза
41,52±0,4
38,2±0,78
Гемицеллюлоза
23,23±0,13
20,89±0,17
Лигнин
21,37±0,81
20,51±1,01
сырая клетчатка
34,02±0,84
44,95±1,28
сырой протеин
4,52±0,09
2,95±0,08
сырой жир
1,46±0,17
1,18±0,01
сырая зола
4,14±0,04
2,19±0,12
Наибольшее значение в разложении клетчатки имеют почвенные микроорганизмы, которые способствуют эффективному разложению этого компонента в природе в кислых почвах (лесные подстилки, кислые торфяники, подзолы).
Пример 1.
Для эффективной деструкции углеводного комплекса целлюлозосодержащего сырья необходимы условия, в которых будет превалирующим действие целлюлозолитических микроорганизмов биологического препарата. Исходя из этого, приготовление посевного материала проводили при pH 5,4-5,5 с внесением 0,5% раствора лактозы. К субстрату, состоящему из 1 части размола (0,3 части проросших зерен ячменя и 0,7 части пшеничных отрубей) и 1 части воды, нагретой до температуры 80-100°C, добавляли микробиологический препарат «Байкал ЭМ-1» из расчета 0,08 г на 1 кг субстрата и 0,5% раствор лактозы из расчета 100 г на 1 кг субстрата. Полученную таким образом закваску оставляли для созревания на 5-6 часов, а без лактозы на 10-12 часов при комнатной температуре. Полученный подобным образом посевной материал использовали при засеве целлюлозосодержащего сырья. Для этого в камеру объемом 3000 мл поместили измельченную пропаренную при температуре 100°C солому пшеницы, увлажнили ее до содержания влаги 65% и добавили посевной материал. Ферментацию проводили в течение 3 суток (72 часа) в анаэробных условиях при температуре 24-26°C с начальным pH 5,4-5,5. Спустя 36 часов в конце экспоненциальной фазы роста микроорганизмов для активации биосинтеза целлюлозолитических ферментов в субстрат вносили 0,5% раствор лактозы дискретно (из расчета 100 г на 1 кг сырья). Эффективность деструкции целлюлозного комплекса соломы пшеницы оценивали по накоплению редуцирующих веществ в ферментолизате (таблица 2).
Таблица 2
Эффективность процесса биодеструкции нативной соломы пшеницы по накоплению редуцирующих веществ
Условия микробиологической обработки
Содержание редуцирующих веществ, %
Время микробиологической обработки, ч
12
24
36
48
60
72
Без внесения лактозы
2,18±0,11
3,19±0,05
4,23±0,06
5,56±0,16
7,16±0,13
8,3±0,13
С внесением лактозы через 36 часов ферментации
2,18±0,11
3,19±0,05
5,08±0,03
6,13±0,09
9,0±0,08
9,65±0,06
Через 70-72 часов ферментации разрушилось 47,86% полисахаридов и 72,67% лигнина. Содержание сырого протеина составило 5,93%, что на 1,41% больше, чем в нативной соломе пшеницы. Содержание редуцирующих веществ с внесением лактозы на 16,27% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 3). Результаты микробиологической обработки нативной соломы пшеницы представлены в таблице 3.
Таблица 3
Состав полученных продуктов после микробиологической обработки нативной соломы пшеницы
Показатели
Содержание, % а.с.в.
без внесения раствора лактозы
с внесением раствора лактозы
Целлюлоза и гемицеллюлоза
35,72±0,005
33,76±0,22
Лигнин
5,63±0,02
5,84±0,02
Сырой протеин
5,11±0,02
5,93±0,02
PB
8,3±0,13
9,65±0,06
pH
6,4±0,03
6,47±0,06
Пример 2.
Микробиологическую обработку нативной соломы пшеницы проводили аналогично примеру 1, только вместо пропаривания при температуре 100°C солому подвергали термогидролизу при pH 3,0, температура 112°C, давление 0,5 атм, время экспозиции 25 минут. Затем pH ферментационного субстрата доводили до 5,4-5,5. Через 70-72 часов ферментации разрушилось 56,14% полисахаридов и 78,38% лигнина. Содержание сырого протеина составило 8,55%, что на 4,02% больше, чем в нативной соломе пшеницы. Содержание редуцирующих веществ с внесением лактозы на 23,54% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 4).
Таблица 4
Состав полученных продуктов после микробиологической обработки прогидролизованной соломы пшеницы
Показатели
Содержание, % а.с.в.
без внесения раствора лактозы
с внесением раствора лактозы
Целлюлоза и гемицеллюлоза
28,98±0,02
28,4±0,02
Лигнин
4,54±0,04
4,58±0,15
Сырой протеин
7,34±0,03
8,55±0,05
PB
11,64±0,03
14,38±0,02
pH
6,45±
6,53±0,004
Пример 3.
Микробиологическую обработку проводили аналогично примеру 1, только в качестве целлюлозосодержащего сырья использовали нативную солому гречихи. Через 70-72 часов ферментации разрушилось 35,76% полисахаридов и 61,04% лигнина. Содержание сырого протеина составило 5,52%, что на 2,58% больше, чем в нативной соломе гречихи. Содержание редуцирующих веществ с внесением 0,5% раствора лактозы на 36,18% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 5).
Таблица 5
Состав полученных продуктов после микробиологической обработки нативной соломы гречихи
Показатели
Содержание, % а.с.в.
без внесения раствора лактозы
с внесением раствора лактозы
Целлюлоза и гемицеллюлоза
37,99±0,02
37,96±0,02
Лигнин
7,97±0,01
7,99±0,06
Сырой протеин
4,97±0,02
5,52±0,03
PB
5,86±0,05
7,98±0,01
pH
6,28±0,03
6,45±0,04
Пример 4.
Микробиологическую обработку соломы гречихи проводили аналогично примеру 3, только вместо термической обработки сырья (при 100°C), субстрат подвергали термогидролизу при pH 3,0, температуре 112°C, время экспозиции 25 минут. Затем pH ферментационного субстрата доводили до pH 5,4-5,5. Через 70-72 часов ферментации разрушилось 50,13% полисахаридов и 71,62% лигнина. Содержание сырого протеина составило 8,14%, что на 5,19% больше, чем в нативной соломе гречихи. Содержание редуцирующих веществ с внесением 0,5% раствора лактозы на 40,88% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 6).
Таблица 6
Состав полученных продуктов после микробиологической обработки прогидролизованной соломы гречихи
Показатели
Содержание, % а.с.в.
без внесения раствора лактозы
с внесением раствора лактозы
Целлюлоза и гемицеллюлоза
30,99±0,02
29,47±0,01
Лигнин
5,75±0,05
5,82±0,02
Сырой протеин
7,21±0,02
8,14±0,02
PB
10,03±0,05
14,13±0,01
pH
6,26±0,02
6,3±0,03
Таким образом, микробиологическая обработка целлюлозосодержащего сырья биопрепаратом «Байкал ЭМ-1» снижает содержание полисахаридов в среднем на 50,13-56,14%, лигнина на 71,62-78,38%, увеличивает сырой протеин на 4,02-5,19%. Биодеструкция целлюлозосодержащего сырья эффективна при использовании прогидролизованной соломы с внесением 0,5% раствора лактозы. Содержание редуцирующих веществ в таких продуктах выше на 16,27-40,88%.
Техническим результатом исследования является получение кормовых продуктов, богатых биологически активными пребиотическими, пробиотическими компонентами.
Полученные экспериментальные данные определяют основные направления переработки соломы злаковых культур микробиологическим препаратом «Байкал ЭМ-1» для получения кормовых гидролизатов, а также осахаренного объемистого корма для дальнейшего применения в качестве кормового продукта в животноводстве. При этом длительность ферментации предварительно обработанного целлюлозосодержащего сырья (соломы пшеницы и гречихи) по вышеприведенным способам уменьшается до 72 часов (3 суток).