СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПРОТЕИНОВОГО КОНЦЕНТРАТА
METHOD OF PREPARATION OF ENERGY PROTEIN CONCENTRATE

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в промышленном производстве комбикормов для сельскохозяйственных животных и птицы в качестве белкового компонента.
Известен кормовой бобовый продукт (патент RU №2435434, А23К 1/00, Подобедов А.В., опубл. 10.12.2011. Бюл. №34), представляющий инактивированные семена люпина, обработанные ступенчатым нагревом с последующим увлажнением, охлаждением и измельчением. Температура семян на последней ступени нагрева составляет 105-140°C, содержание влаги в продукте после увлажнения - 11-13,5%. Продукт используется в качестве компонента в рецептах комбикормов и при составлении рационов для сельскохозяйственных животных и птиц.
Недостатком известного продукта является низкая калорийность, дефицит незаменимых жирных кислот, несбалансированность по аминокислотному составу, так как продукт изготовлен из монокультуры.
Известен кормовой продукт для сельскохозяйственных животных и птицы, содержащий термически инактивированные семена сои и/или люпина, а также жмых кукурузных зародышей (RU №2457691, А23К 1/16, А23К 1/14, Подобедов А.В., опубл. 10.08.2012. Бюл. №22). Недостатком известного кормового продукта является дефицит и несбалансированность по аминокислотам, а также малый выход жмыха кукурузных зародышей при производстве кукурузного масла.
Известен продукт (RU №2471369, A23L 1/211, А23К 1/00, Подобедов А.В., опубл. 10.01.2013. Бюл. №1), представляющий собой смесь зерновых до 20% и зернобобовых культур, и способ его обработки, заключающийся в ступенчатом нагреве с последующим увлажнением водой и охлаждением, измельчением, увлажнением и вторым измельчением. Известный способ обработки обеспечивает низкое содержание в продукте антипитательных веществ и высокое содержание усвояемых аминокислот и белка.
Недостатком известного способа можно признать сложность технологического процесса, включающего пятиступенчатый нагрев с доведением температуры до определенного значения на каждой стадии и поддержанием ее в пределах 110-120°C на последней стадии нагрева, промежуточное смешивание с водой с доведением влажности смеси до 6-13% и, по крайней мере, двухстадийное измельчение, что затрудняет контроль технологических параметров и автоматизацию процесса и приводит к высоким производственным затратам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и принятым авторами за прототип является энергосахаропротеиновый концентрат и способ его приготовления (RU №2461211, А23К 1/00, Артюхов А.И., Гапонов Н.В., опубл. 20.09.2012. Бюл. №13), заключающийся в получении смеси из люпина (60-75%), рапса (20-35%) и тритикале (2-20%) и экструдировании ее при температуре 110-130°C и давлении 2-6 МПа с экспозицией в режиме экструдирования 3-4 с.
Недостатками данного способа являются низкая пищевая ценность получаемого продукта и несбалансированность его состава, также невысокое качество готового продукта вследствие использования цельного зерна; зависимость качества от влажности и температуры партии зерна; ограничения по использованию концентрата, особенно в кормах для молодняка сельскохозяйственных животных, вызванные высоким содержанием клетчатки.
Техническая задача изобретения - получение энергопротеинового концентрата высокого качества, сбалансированного по аминокислотному составу, высокой усвояемости из зернобобовых и масличных культур, повышение его кормовой и биологической ценности, стабилизация его качества, использование которого позволит снизить себестоимость кормов и повысить продуктивность сельскохозяйственных животных.
Поставленная задача достигается тем, что в способе приготовления энергопротеинового концентрата, включающем смешивание семян зернобобовых и масличных культур, измельчение смеси, увлажнение, прогревание и экструдирование с последующим охлаждением, новым является то, что в качестве исходных продуктов используют рапс и горох, которые смешивают в пропорции 40:60, смесь рапса и гороха измельчают до размера частиц от 0,6 до 0,8 мм и обрабатывают паром под давлением 0,2-0,3 МПа до влажности 16-18% и температуры 70-90°C, затем обработанную смесь подвергают экструзии при температуре продукта на выходе из головки экструдера 110-115°C, далее полученный продукт охлаждают до конечной температуры 30°C.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности получения энергопротеинового концентрата из смеси гороха и рапса, способного заменить корма животного происхождения, стабильного качества и с низким уровнем антипитательных веществ.
Получение энергопротеинового концентрата из смеси зернобобовых (гороха) и масличных (рапса) культур - одно из перспективных направлений комплексной переработки растительного сырья с целью создания высококачественного и высокоусвояемого белкового и энергетического компонента комбикорма для решения проблемы дефицита кормового белка, эффективного балансирования состава высокобелковых и высокоэнергетических комбикормов, снижения себестоимости комбикормов.
Производимые в настоящее время комбикорма для высокопродуктивных сельскохозяйственных животных и птицы не сбалансированы по энергии, поскольку к ним предъявляются высокие требования как по энергии, так и по протеину, а в большинстве своем протеинсодержащие компоненты комбикормов (рыбная, мясокостная мука, шроты и др.) характеризуются низким уровнем энергии. Включение же в состав комбикормов большого количества жира ограничено технологическими факторами и негативно влияет на качество готового продукта. Поэтому для повышения их биологической ценности необходимо научное обоснование выбора новых смесей с повышенным содержанием белка и энергии.
Рапс является источником энергии, так как содержит 38-45% жира, богатого ненасыщенными жирными кислотами, и белка 23-29%, лучше сбалансированного по аминокислотам, чем широко используемая в кормах соя. Превалирование в рапсе серусодержащих аминокислот над лизином особенно важно при включении в состав концентрата зернобобовых культур, бедных метионином. Содержание клетчатки в нем не превышает 4%. Потребность в рапсе может быть удовлетворена отечественным производством, так как для его выращивания пригодна вся засеваемая в России площадь. Антипитательные вещества семян - глюкозинолаты при действии ферментов миросульфатазы и тиоглюкозидазы при температуре 40°C и в присутствии воды расщепляются с освобождением глюкозы и серусодержащих токсического действия соединений, придающих продукту горький вкус (тиоционатов, изотиоционатов и др. веществ). Это обстоятельство крайне отрицательно влияет на качество рапса как кормового средства. Однако краткосрочный интенсивный нагрев семян будет способствовать инактивации ферментов, что обеспечит блокаду гидролиза глюкозинолатов, улучшит вкусовые характеристики и повысит кормовую ценность продукта.
Горох содержит в своем составе значительное количество протеина 22-29% преимущественно в виде глобулинов и все незаменимые аминокислоты. Биологическая ценность белка гороха не очень высока, но при термической обработке может повышаться в результате денатурации и инактивации термолабильных антипитательных веществ (ингибиторы трипсина, химотрипсина). Содержание клетчатки в горохе не превышает 6%, а основным углеводом является крахмал, ценное питательное и структурирующее вещество, на долю которого приходится 42-45%.
При выборе рецептурного состава энергопротеинового концентрата из смеси зернобобовых (гороха) и масличных (рапса) культур (смешивание рапса и гороха в пропорции 40:60) учитывали ряд факторов. Во-первых, необходимость максимального обогащения энергопротеинового концентрата белковой составляющей для достижения высокой кормовой и биологической ценности. Во-вторых, необходимость получения концентрата с высокой обменной энергией. В-третьих, низкий уровень клетчатки для расширения области применения концентрата в кормах для молодняка сельскохозяйственных животных и птицы. В-четвертых, достижение приятного вкуса и привлекательной структуры для животных и птицы. Данное соотношение рапса (40%) и гороха (60%) обеспечивает максимально приближенный к идеальному белку баланс аминокислот при высоком содержании белка и энергии.
Способ осуществляется следующим образом. В качестве исходного сырья используют: горох (ГОСТ 28674-90: Горох. Требования при заготовках и поставках); рапс (ГОСТ 10583-76. Рапс для промышленной переработки). Исходное растительное сырье: рапс и горох смешивают в пропорции 40:60, измельчают в дробилке с использованием сита с отверстиями диаметром 5 мм с целью получения частиц размером от 0,6 до 0,8 мм, затем обрабатывают паром под давлением 0,2-0,3 МПа до влажности 16-18% и температуры 70-90°C.
Далее осуществляют экструзионную обработку подготовленной смеси зернобобовых (гороха) и масличных (рапса) культур. Для этого смесь культур через загрузочный патрубок подают в рабочую камеру экструдера, где она подвергается термомеханической обработке с помощью вращающегося шнека. Перерабатываемая смесь, перемещаясь по камере экструдера, дополнительно перемешивается, уплотняется, сжимается, при этом повышается давление, а продукт нагревается за счет превращения механической энергии в тепло, которое выделяется при преодолении внутреннего трения и пластических деформаций (сжатие, сдвиг и др.) продукта. При выходе из фильеры за счет релаксации деформаций и частичного испарения влаги в результате резкого сброса внутреннего давления изменяется нативная структура смеси.
При этом температура экструдируемой смеси зернобобовых (гороха) и масличных (рапса) культур на выходе из головки экструдера поддерживается равной 110-115°C.
Указанный интервал влажности и температуры смеси в совокупности с последующим экструдированием обеспечивает практически полное удаление антипитательных веществ из семян зернобобовых и масличных культур, перевод питательных веществ (белков, жиров, углеводов) в легкоусвояемую форму, защиту белка от необратимой денатурации, инактивацию окислительных и гидролитических ферментов, вызывающих порчу жиров.
Далее полученный продукт охлаждают до конечной температуры 30°C.
Способ поясняется следующим примером.
Пример. Исходное сырье: семена рапса и гороха, очищенное от сорных, минеральных и металломагнитных примесей, подают на весовой дозатор, где формируется смесь в пропорции 40:60, смесь направляют на дробилку, где она измельчается до размера частиц 0,6-0,8 мм.
Смешивание семян рапса и гороха в пропорции 40:60 позволило получить исходную рецептурную смесь, наиболее сбалансированную по аминокислотному составу. При обосновании выбора компонентов и их дозировки учитывали ряд факторов: ежегодная возобновляемость растительного белка, распространенность культур и пригодность климатических условий для их возделывания на территории России, взаимодополняемость аминокислотного состава белка культур с целью максимального приближения к идеальному белку для повышения биологической ценности, низкий уровень клетчатки для расширения области применения концентрата в кормах для молодняка сельскохозяйственных животных и птицы, термолабильность антипитательных веществ для улучшения качества продукта при тепловом воздействии, необходимость получения качественного экструдированного энергопротеинового концентрата, полное поглощение выделяемого жира при разрыве клеток семян рапса крахмалом гороха; отсутствие свободного жира на поверхности частиц концентрата; повышение его кормовой и биологической ценности; достижение приятного вкуса и аромата.
Необходимость измельчения смеси рапса и гороха вызвана существенными различиями их физико-механических свойств, которые отражаются на качестве готового продукта. Использование неизмельченного сырья приводило к неравномерному распределению влаги по объему зерновки при увлажнении и неустойчивой работе экструдера, и готовый продукт обладал неоднородным качеством.
В отношении обоснования выбора размера частиц 0,6…0,8 мм. Переработка смеси с размером частиц более 0,8 мм, например 0,9 мм, приводит к значительному перерасходу электроэнергии и получению продукта неоднородной консистенции из-за образования неоднородного по структуре продукта в зоне сжатия экструдера. И, наоборот, уменьшение размера частиц менее 0,6 мм, например 0,4 мм, приводит к увеличению порошкообразных фракций, которые запекаются и не способствуют образованию однородной консистенции.
Измельченную смесь семян рапса и гороха подают в кондиционер, где она обрабатывается паром под давлением 0,2-0,3 МПа, при этом увлажняется до влажности 16-18% и прогревается до температуры 70-90°C.
Использование пара под давлением 0,2-0,3 МПа обеспечит не только его конденсацию в количестве, необходимом для увлажнения исходной смеси до влажности 16-18%, но и нагревание до температуры 70-90°C.
Необходимость увлажнения и нагрева смеси до влажности 16-18% и температуры 70-90°C перед экструдированием вызвана увеличением времени температурного воздействия на антипитательные вещества с целью их более полной инактивации и уменьшением работы сил трения в экструдере для предотвращения термической деструкции белков.
Использование пара под давлением более 0,3 МПа, например 0,4 МПа, приведет к излишнему перегреву исходной смеси и ее переувлажнению вследствие большого количества образующегося конденсата.
Использование пара под давлением менее 0,2 МПа, например 0,1 МПа, приведет к недостаточному нагреву исходной смеси (менее 65°C), и ее влажность будет менее 16% из-за недостаточного количества образующегося конденсата.
Экспериментально установлено, что для данного энергопротеинового концентрата эффективность экструзионной обработки достигается именно при данных диапазонах температуры и влажности подготовленной смеси.
Далее осуществляют экструзионную обработку подготовленной растительной смеси при температуре продукта на выходе из головки экструдера 110-115°C.
Данная температура обеспечивает наиболее полную инактивацию ингибиторов трипсина и химотрипсина, известных ферментов в рапсе, а также разрыв клеточных стенок и глубокие физико-химические изменения в белках, углеводах и жирах, приводящие к наиболее полной усваиваемости питательных веществ организмом животных.
Установлено [Остриков А.Н. Экструзия в пищевой технологии. / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А.С. Рудометкин. - СПб.: ГИОРД. - 2004. - 288 с.], что основные вещества (углеводы, белки, жиры, витамины и др.) пищевых продуктов имеют различную оптимальную температуру, необходимую для протекания полных и качественных физико-химических изменений при экструзии.
Для эффективного и качественного протекания экструзии необходимо подобрать такой характер изменения температуры, при котором основные вещества продуктов подвергались бы, с одной стороны, полной гидротермической обработке, а с другой - на них оказывалось «мягкое» (щадящее) температурное воздействие, предотвращающее их термическое разложение.
Именно в этом диапазоне температур в смеси происходят полные и глубокие физико-химические изменения белков, углеводов и других веществ, придающие им свойства, наиболее приемлемые для полного усваивания организмом животных.
Затем экструдированный энергопротеиновый концентрат поступает в противоточный охладитель, где воздухом из окружающей среды он охлаждаются до температуры 30°C. Охлажденный продукт поступает в бункер готовой продукции.
Полученный при рациональных параметрах процесса энергопротеиновый концентрат был проанализирован по комплексу показателей, характеризующих энергетическую и питательную ценность готового продукта. Экспериментальные данные указывают на более высокую питательную ценность концентрата, полученного экструдированием предварительно измельченной, увлажненной и прогретой смеси по сравнению с продуктом, полученным экструдированием неподготовленной смеси зернобобовых и масличных культур. Это вызвано глубокими изменениями в белковом, углеводном и липидном комплексах при более щадящих параметрах экструдирования. Положительное влияние оказали предварительное увлажнение и прогрев смеси на переваримость протеина, увеличив ее после экструдирования на 4,5-5,5%, в отличие от смеси нативного зерна. При этом существенно снизилась активность ингибиторов трипсина и химотрипсина, на 2,6-3,9 мг/г или на 80%, одновременно отмечена денатурация ферментов, что положительным образом сказалось как на кормовой привлекательности, так и на стабильности качества продукта.
Для подтверждения эффективности заявляемого способа были проведены опыты на цыплятах-бройлерах путем скармливания полнорационного комбикорма, в составе которого часть кормов животного происхождения подлежала замене на энергопротеиновый концентрат из смеси рапса и гороха. Из птицы было сформировано две группы: контрольная и опытная. Цыплята обеих групп в возрасте 5-28 дней получали полнорационный комбикорм рецепта ПК-5, в возрасте 29-45 дней - рецепта ПК-6. В комбикормах для опытной группы по питательности были замещены энергопротеиновым концентратом следующие компоненты: рыбная мука на 50%, соевый шрот на 50%, растительное масло на 100%. При проведении научных опытов учитывали продуктивность цыплят и расход корма. Получены следующие результаты.
Живая масса цыплят опытной группы составила в среднем 2063 г, контрольной - 2056 г, среднесуточный прирост живой массы цыплят в опытной группе составил 50,3 г и не отличался от контрольной. Расход кормов на одного цыпленка за период опыта в опытной группы составил 3600 г, что было на 170 г или на 4,7% ниже, чем в контрольной группе. Себестоимость опытных комбикормов также была ниже за счет частичной замены рыбной муки, соевого шрота и полной замены растительного масла энергопротеиновым концентратом. Расчет экономического эффекта показал, что самые низкие затраты на корма были в опытной группе, которые составили 72,4 руб. на одного цыпленка, что ниже, чем в контрольной группе, на 13,8 руб., или на 19,1%.
Полученные результаты дают возможность утверждать о целесообразности и экономической эффективности применения энергопротеинового концентрата, вырабатываемого из семян масличных и зернобобовых культур заявляемым способом.
Таким образом, использование изобретения позволит:
- получить белковый компонент комбикормов из восполняемого растительного сырья, сбалансированный по аминокислотам и энергии, с низким уровнем антипитательных веществ;
- обеспечить стабильное качество белкового компонента;
- повысить переваримость продукта;
- заменить корма животного происхождения;
- снизить себестоимость кормов;
- решить проблему дефицита кормового белка;
- использовать в качестве исходных компонентов смеси широко распространенные и недорогие виды сырья.