СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВО-ВИТАМИННОГО КОРМА
METHOD OF PROTEIN-VITAMIN FODDER PRODUCTION

Изобретение относится к биотехнологии, к сельскому хозяйству, к кормопроизводству.
Мировой дефицит белка к началу XXI века оценивается в 30-35 млн тонн в год. Основным путем снижения этого дефицита является производство биомассы с помощью микробиологического синтеза.
Зерновое сырье - рожь, ячмень, пшеница, мукомольные отходы, в том числе некондиционные, используются на корм скоту или для приготовления комбикормов. Однако зерновое сырье не является полноценным кормом из-за низкого содержания в нем протеина, плохой перевариваемости его, неблагоприятного соотношения белков и углеводов. Более перспективным является получение белкового корма путем выращивания микроорганизмов на зерновом сырье.
Известен способ получения белково-витаминного корма путем инкубации микроорганизмов на питательной среде, содержащей минеральные соли и источник углерода в виде отхода производства по переработке природного сырья с получением целевого продукта в виде биомассы микроорганизмов (Патент RU № 2183666, кл. С12F 3/10, С12Р 7/06, А23К 1/06, опубл. 20.06.2002 г.) [1].
В качестве отходов производства по переработке природного сырья в данном известном способе используют зерно, которое измельчают, подвергают ферментативному гидролизу с получением ферментолизата, из которого готовят питательную среду для выращивания на ней дрожжей Saccaromyces cerevisiae с целью получения спирта. Полученную биомассу используют в корм.
Однако дрожжи выращивают в аэробных условиях, что требует значительных энергозатрат на подачу воздуха в среду для их инкубации. Для использования полученной биомассы в корм необходимо подвергнуть ее термической обработке с целью прекращения жизнедеятельности дрожжей. Такая обработка требует значительных энергозатрат и сопровождается разрушением части биологически активных компонентов корма. Такой корм не содержит живых клеток, способных поселяться в желудочно-кишечном тракте животного и улучшить его работу.
Известен способ получения белково-витаминного корма путем инкубации микроорганизмов на питательной среде, содержащей минеральные соли и источник углерода в виде отхода производства по переработке природного сырья (Патент RU № 2055881, кл. А23К 1/165, опубл. 27.02.1996 г.) [2].
В качестве отходов производства по переработке природного сырья в данном известном случае используют молотое зерно и отходы мукомольного производства, которые подвергают термической обработке, после чего проводят совместное выращивание дрожжей рода Candida и бактерий, продуцирующих амилолитические ферменты, которые осуществляют ферментативный гидролиз молотого сырья и отходов мукомольного производства.
Недостатком данного известного способа является использование для получения белкового корма дрожжей рода Candida, которые являются условно-патогенным микроорганизмом, что требует дополнительного процесса термолиза и специального оборудования, а также сложной системы обезвреживания стоков и воздушных выбросов, требует значительных объемов используемого воздуха. Санитарно-эпидемиологическими правилами СанПиН 2.3.2.1078-01 дрожжи рода Candida включены в перечень веществ, которые оказывают вредное воздействие на человека.
К существенным недостаткам этого способа следует также отнести большой расход воздуха и теплоэнергоресурсов, потребность в высокопроизводительном, сложном и энергоемком оборудовании и значительный расход вспомогательных материалов.
Наиболее близким к заявленному способу является способ приготовления белково-витаминного корма из зерна, мукомольных и крахмальных отходов, предварительно обработанных путем инкубирования молочнокислых и пропионовокислых бактерий, который при скармливании скоту обогащает микрофлору кишечника животных (прототип).
В этом способе зерно и мукомольные отходы подвергаются тонкому измельчению, разведению водой в соотношении 1:3 и последующему развариванию, охлаждению с обработкой комплексом ферментных препаратов целлюлолитического и амилолитического действия. Такой же обработке подвергаются и крахмальные отходы (Патент RU № 2243678, кл. С1 А23К 1/06, C12N 1/16, С12Р 21/00, опубл. 10.01.2005, бюл. № 1).
Недостатками указанного способа являются:
- многостадийность подготовки зернового сырья, включающая измельчение, приготовление замеса, ступенчатый подогрев до температуры 95-100°С, разваривание, охлаждение до температуры 45-50°С, осахаривание с использованием по крайней мере двух ферментных препаратов, охлаждение до температуры ферментации. Эта процедура связана с высоким расходом тепла и электроэнергии;
- недостаточное образование простых углеводов для последующего процесса ферментации;
- не регулируется состав углеводной части корма для получения благоприятного соотношения белков и углеводов;
- штаммы молочнокислых и пропионовокислых бактерий продуцируют недостаточное количество белка, вследствие слабой устойчивости к кислотообразованию и ограниченного количества простых углеводов в составе питательной среды.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является получение корма, богатого биологически активными компонентами и белком, содержащего защитные вещества и живые клетки микроорганизмов, обогащающие микрофлору желудочно-кишечного тракта животных, упрощение технологического процесса, снижение энергозатрат, повышение сохранности сырого корма.
Указанный технический результат достигается тем, что способ переработки сырья имеет целью подготовить питательную среду для более полного использования компонентов сырья микроорганизмами с образованием повышенных количеств биомассы и белка, а также получить корм, обогащенный защитными веществами, пробиотиками, молочнокислыми и пропионовокислыми бактериями.
Применение микроорганизмов, обладающих пробиотическими свойствами, целесообразно в комплексе с пребиотическими иградиентами питательной среды, которые избирательно стимулируют рост и катаболическую активность бактерий, обитающих в кишечном тракте.
Для осуществления этих целей сырье (зерно, отруби, отходы мукомольного производства, крахмальные отходы) смешивается с частью фугата, содержащего органические кислоты и другие растворимые вещества до получения зерновой массы влажностью 20-25%, которая подвергается экструдированию. В этом процессе под механическим воздействием, воздействием температуры и катализатора в виде органических кислот до 2,5% происходит деструкция матрицы зернового сырья, разжижение массы, клейстеризация крахмала и повышение ферментативной активности субстрата, а также частичный гидролиз крахмала и белков до получения продуктов неполного гидролиза - декстринов, олигисахаридов, пептонов, поли- и олигопептидов. Такой состав питательной среды обеспечивает более эффективную последующую ферментацию с использованием вновь выделенных культур молочнокислых и пропионовокислых бактерий вследствие того, что в подготовленном к ферментации сырье уже имеются растворимые компоненты субстрата, готовые для потребления микроорганизмами, и дополнительной стадии осахаривания не требуется.
При этом степень осахаривания субстрата составляет 5-10% РВ в пересчете на глюкозу, но эта степень гидролиза обусловлена содержащимися в субстрате декстринами, три-, тетра- и олигосахаридами. Дополнительное расщепление высокомолекулярных компонентов крахмала происходит в процессе ферментации, а низкомолекулярные компоненты потребляются микроорганизмами без расщепления до простых углеводов. Это обеспечивает более высокое содержание в заторе растворимых сухих веществ и редуцирующих веществ, более высокую скорость процесса ферментации с помощью молочнокислых и пропионовокислых бактерий (сокращение цикла на 6 часов) и большее образование биомассы и белков до 53%.
Кроме того, углеводная часть полученного корма представлена в значительной части олигосахаридами и олигопептидами, являющимися пребиотиками, что повышает качество корма.
Полученная указанным способом культуральная жидкость, обладая всеми преимуществами, может использоваться на корм скоту непосредственно, так как содержащиеся в ней кислоты, защитные вещества, пробиотики служат для защиты от микробиологической порчи и других неблагоприятных воздействий, в том числе плесневения.
Для получения корма в концентрированном виде культуральная жидкость разделяется на две фазы - твердую и жидкую.
Твердая фаза направляется на высушивание до влажности 10-12%.
Жидкая фаза (фугат или фильтрат) возвращается в производство на стадию приготовления замеса и на увлажнение сырья перед экструдированием. В составе фугата содержатся растворимые редуцирующие вещества в виде олигосахаридов, азотистые соединения в виде пептидов, аминокислот и другие компоненты, органические кислоты, ферментные комплексы, живые молочнокислые и пропионовокислые бактерии, бактериоцины.
Благодаря его составу фугат может также использоваться как жидкий корм (кефир) для выпаивания молодняка животных и для выпаивания взрослым животным вместо воды.
При возврате фугата в производство он играет указанную ранее положительную роль при подготовке сырья и его ферментации.
Способ получения белково-витаминного корма заключается в инкубации микроорганизмов на подготовленной указанным способом питательной среде, содержащей минеральные соли и источник углерода в виде подготовленного отхода производства по переработке природного сырья с получением целевого продукта в виде биомассы инкубируемых микроорганизмов, при этом в качестве минеральных солей используют соль кобальта, в качестве отхода производства используют зерно, мукомольные отходы, крахмальные отходы, которые подвергают экструдированию, а инкубируют на питательной среде культуры молочнокислых и пропионовокислых бактерий, используемые парой совместно или последовательно: сначала инкубируют молочнокислые бактерии, а затем продолжают совместную инкубацию молочнокислых и пропионовокислых бактерий.
Целесообразно инкубировать на питательной среде пару вновь отобранных штаммов молочнокислых и пропионовокислых бактерий: Lactobacillus plantarum 578/26 и Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii 103/27.
Пару молочнокислых и пропионовокислых бактерий рекомендуется вносить в питательную среду в соотношении (0,8-1,2):(0,8-1,2) в количестве 5-20 об.%, а инкубацию вести при периодическом перемешивании при температуре 37-50°С и pH 5,9-6,0.
При последовательной инкубации совместную инкубацию молочнокислых и пропионовокислых бактерий целесообразно проводить после 1,5-6 час предварительной инкубации молочнокислых бактерий.
Целевой продукт с повышенной биологической ценностью, обогащенной живыми клетками, находящимися в активной фазе роста, можно получать инкубацией пары микроорганизмов на питательной среде в течение 3-23,9 час, а целевой продукт с повышенным содержанием белка - их инкубацией в течение 24-36 час.
Сущность предлагаемого способа заключается в разработке технологии безотходного производства, предусматривающего получение биомассы микроорганизмов путем их инкубации на питательной среде, содержащей минеральные соли и источник углерода в виде специально обработанных твердых отходов производств по переработке природного сырья с получением высококачественного и легко перевариваемого и усваиваемого корма, богатого протеином и обогащенного микроэлементами, витаминами, биологически полезными веществами, обладающего защитными свойствами, с применением микроорганизмов родов Lactobacillus и Propionibacterium для ферментации питательной среды с накоплением биомассы, продуктов метаболизма, ферментных систем, бактериоцинов, а также пребиотиков, обогащающих кормовой продукт.
Ценность микроорганизмов, используемых способом согласно изобретению, состоит в том, что они потребляют моно- и дисахариды, промежуточные продукты гидролиза, пентозаны и другие органические вещества. В процессе культивирования они синтезируют, кроме биомассы, витамины, аминокислоты, комплексы ферментных систем, бактериоцины, обладающие защитными и профилактическими свойствами. В результате получают белковый корм, обогащенный биологически активными компонентами, пребиотиками, а также защитными веществами, обеспечивающими длительное хранение корма в сыром виде.
Влажный корм, получаемый способом согласно изобретению, может храниться в течение 3-6 месяцев без микробиологической порчи благодаря присутствию в нем защитных веществ (органические кислоты, их соли, ферментные системы и комплексы).
Используемые микроорганизмы не являются спорообразующими, поэтому обезвреживания культуральной жидкости и стоков не требуется. Согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 они входят в перечень веществ, не оказывающих вредного воздействия на пищевые продукты.
Эти микроорганизмы являются анаэробами, поэтому расхода воздуха не требуется, что делает процесс высокоэкономичным.
Ценным их свойством является возможность развиваться на различных сложных средах, не требуя дополнительного внесения питательных веществ.
Способом согласно изобретению рекомендуется инкубировать пару культур молочнокислых и пропионовокислых бактерий в течение 3-23,9 час или в течение 24-36 час. Более короткая продолжительность инкубации (3-23,9) позволяет приготовить корм в виде биомассы клеток, находящихся в фазе экспоненциального роста. При попадании в желудочно-кишечный тракт животного такие живые клетки молочнокислых и пропионовокислых бактерий приживаются в нем и включаются в регулирование обменных процессов, повышают усвоение кормов и перевариваемость, способствуют увеличению привесов при скармливании их животным и птице, особенно молодняку. Такой корм также содержит белок, но в меньшем количестве, чем корм, получаемый более длительной инкубацией микроорганизмов.
12
При длительности культивирования микроорганизмов до 24-36 часов накапливается больше витамина В, который остается в твердой фазе культуральной жидкости, повышается объем биомассы, то есть выход корма, обогащенного белком.
12
Получаемый в результате ферментации микроорганизмов целевой продукт содержит белка 35-53% по сухому веществу, аминокислот 30-44%, обогащен витаминами Е и группы В, в том числе B, ферментными системами, бактериоцинами и комплексами, обеспечивающими защитные и профилактические свойства получаемого корма.
Если процесс выращивания биомассы молочнокислых и пропионовокислых бактерий проводят, например, в течение 18 час, то целевой продукт содержит белка 35% по с.в., за время ферментации 24 часа - 39%, за 36 часов - 45% по с.в. За 18 час культивирования (экспоненциальная фаза) накапливаются в культуральной жидкости защитные вещества - каталазно-пероксидазные комплексы, поэтому для получения кормового продукта с защитными свойствами процесс проводится до 23,9 часов, хотя накопление белка в этом случае меньше (35%).
Молочнокислые и пропионовокислые бактерии в этом случае находятся в активном состоянии размножения, что способствует благоприятному внедрению их из корма в желудочно-кишечный тракт животных, а также обладают наибольшей жизнеспособностью и устойчивостью при высушивании.
При культивировании бактерий в течение 24-36 часов идет интенсивное накопление биомассы с возрастанием содержания белка в клетках. Получаемый продукт больше обогащается витаминами и аминокислотами.
Способ согласно изобретению может быть использован для получения высокобелкового корма непосредственно на предприятиях по переработке природного сырья или на предприятиях по кормопроизводству и использоваться как в высушенном, так и в жидком виде.
Процесс ферментации может проводиться как непрерывным, так и отъемно-доливным способом.
Приемом последовательного внесения в питательную среду сначала молочнокислых бактерий, а затем - пропионовокислых повышается выход целевого продукта за счет интенсификации роста пропионовокислых бактерий на среде, в которой содержатся продукты жизнедеятельности молочнокислых бактерий.
Способ прост в исполнении. Питательная среда доступна, так как состоит только из отходов производств, к которым добавлена лишь одна соль кобальта, что удешевляет и упрощает способ. Процесс не требует аэрации, что снижает энергозатраты. Способ позволяет утилизировать большие объемы промышленных отходов, превращая их в полноценный белково-витаминный корм.
Производство корма по способу согласно изобретению является безотходным.
Использование предлагаемого изобретения имеет следующие преимущества - исключение нескольких стадий подготовки сырья к ферментации - нагрев, разваривание, охлаждение, обработка ферментами, нагревание до 95°С, выдержка при этой температуре, охлаждение, осахаривание. Это обеспечивает экономию топлива и электроэнергии, сокращает продолжительность процесса, а также потери сырья;
- повышается концентрация затора, что влияет на уменьшение продуктовых потоков и позволяет уменьшить количество получаемого на последующих стадиях фугата (фильтрата);
- возрастают защитные функции корма за счет присутствия в углеводной части пребиотиков.
Процесс характеризуется меньшей метало- и материалоемкостью.
Ниже приведены примеры реализации способа.
Пример 1
Зерно средней степени измельчения смешивается с частью фугата (5-15%) и поступает в экструдер, где в течение 1 минуты нагревается до температуры 180°С, затем в камеру экструдера подается большая часть фильтрата до получения соотношения мука:фильтрат 1:2,5-3. Температура массы становится 55-60°С и поступает в гидролизер (выдерживатель), в котором выдерживается 10-15 минут до получения степени деструкции 5-15% РВ. В составе углеводной части питательной среды преобладают декстрины и олигосахариды, в составе азотистой части - пептиды, поли-, олигопептиды.
Приготовленная таким способом питательная среда поступает на анаэробную ферментацию с помощью молочнокислых и пропионовокислых бактерий. Через 16-24 часа ферментации при температуре 37-40°С культуральная жидкость содержит 49,7% протеина, 40% углеводов по СВ, витамины, микроэлементы, защитные вещества в виде пробиотиков и пребиотиков, живые бактерии.
Пример 2
Подготовленная по п.1 культуральная жидкость разделяется посредством фильтрации или центрифугирования на твердую фазу, направляемую на высушивание до влажности 10-12%.
Жидкая фаза - фугат или фильтрат содержит 1,2-2% сухих веществ, в том числе 1-1,2% протеина, защитные вещества, бактериоцины, органические кислоты 1,5-2,5%. Фугат делится на две части в соотношении 1:15 и направляется на увлажнение сырья до влажности 20-25% и большая часть на приготовление замеса.
Пример 3
Мукомольные и крахмальные отходы поступают в экструдер совместно с частью фугата (фильтрата), нагреваются при температуре 180-190°С и давления 0,4-0,5 МПа в течение 1 минуты, смешиваются с большей частью фугата (фильтрата) и выдерживаются в гидролизе при температуре 55-60°С до степени деструкции 10-15% в течение 3-5 минут. Подготовленная питательная среда подается на ферментацию.
Пример 4
9
8
Подготовленная по п.1, 2, 3 питательная среда подается на ферментацию с помощью пары вновь отобранных штаммов микроорганизмов Lactobacillus plantarum 578/26 и Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii 103/27 при температуре 37°С. Через 24-36 часов культуральная жидкость содержит 50-53% протеина, 1,5-2,5% органических кислот и живые бактерии в количестве 2·10-2·10 КОЕ/г.
Пример 5
В приготовленную по п.1, 2, 3 питательную среду инкубируют чистую культуру Lactobacillus plantarum 578/26 и через 1,5-6 часов к ней добавляют чистую культуру Propionibacterium shermanii 103/27 и инкубацию продолжают в течение 22,5-30 часов.
Штаммы микроорганизмов вносят в питательную среду последовательно, вначале Lactobacillus, а через 6 часов - Propionibacterium. Результаты свидетельствуют об увеличении скорости роста биомассы и увеличении выхода (см. таблицу).
Таблица
Изменение выхода биомассы и продолжительности цикла при совместном и последовательном культивировании
Наименование штамма
Выход биомассы, %
Относительная продолжительность цикла
Pr.freudenreichii subsp. shermaniiLact. plantarum (внесены одновременно)
100
1,0
Lact. plantarumPr. freudenreichii subsp.shermanii (внесена через 6 часов)
160
0,58
При одновременном внесении двух культур процесс характеризуется увеличением количества образующейся биомассы в 1,6 раза, что свидетельствует о большем накоплении бактериальных клеток и сокращении продолжительности цикла на 16% по сравнению с внесением одной культуры.
При последовательном внесении культур (вначале молочнокислые, а затем пропионовокислые) количество образующейся биомассы увеличивается в 1,8 раза, а продолжительности цикла сокращается на 42%.
Таким образом, способ согласно изобретению позволяет получать высококачественный белково-витаминный корм, содержащий живые клетки молочнокислых и пропионовокислых бактерий. Способ прост в исполнении, не требует повышенных энергозатрат и обеспечивает полную утилизацию широкого спектра отходов отраслей промышленности по переработке природного сырья. Благодаря высокому содержанию защитных веществ (органических кислот, ферментных комплексов, бактериоционов, пробиотиков и пребиотиков) корм может длительно храниться в сыром виде.