СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВОГО КОНЦЕНТРАТА
METHOD FOR OBTAINING FODDER CONCENTRATE

Область техники
Изобретение относится к биотехнологии, микробиологической и перерабатывающей промышленности, в частности, получению кормового концентрата путем микробной трансформации сырья.
Уровень техники
Несмотря на активное развитие рынка кормовых препаратов, агропромышленный комплекс испытывает нехватку в дешевых комплексных кормовых добавках, содержащих белки, аминокислоты, углеводы, минеральные вещества. Большинство из них, как правило, имеют высокую стоимость, для снижения которой необходимо использовать недорогой, но полноценный по химическому составу и безопасный питательный субстрат для ферментации микроорганизмами - продуцентами биологически ценных соединений.
Традиционные способы получения кормовой биомассы, основанные на использовании питательных сред, полученных из гидролизатов растительного сырья, углеводородов нефти и низших спиртов, имеют ряд экологических недостатков. Питательные среды требуют трудоемкой очистки от лигногуминовых примесей, фурфурола, оксиметилфурфурола, скипидара и других соединений, тормозящих рост микроорганизмов. При получении кормовой биомассы на углеводородах также необходимы тщательная очистка субстрата от парафинов нефти, использование значительного количества воды, в том числе для охлаждения теплообменных устройств.
Микробиологические производства характеризуются большим расходом воды для приготовления питательной среды и роста микроорганизмов с образованием после извлечения микробной биомассы культуральной жидкости. Последняя содержит органические и минеральные вещества, которые сливаются в канализацию или водоемы, загрязняя окружающую среду. Поэтому для восполнения дефицита кормовой биомассы, необходимы новые сырьевые материалы и технические решения, направленные на экономию воды, снижение себестоимости, повышение кормовой ценности продукта, ресурсосбережение и обеспечение экологической безопасности производства.
Candida retilis,
Известен способ получения белковой кормовой добавки, предусматривающий применение в качестве питательной среды послеспиртовой барды, в которую добавляют крахмалсодержащее сырье в количестве 1-8% (отруби или мука или их смесь в любом соотношении), последующий гидролиз суспензии с выдерживанием смеси в течение 1 ч при pH 4,0-5,5 и температуре 60-100°C, внесение азота, фосфора, железа и магния, выращивание дрожжей получение биомассы, подвергнутой термообработке при температуре 90-100°C в течение 1 ч и высушиванию на распылительной сушилке (Пат. РФ № 2159287, 2000 г.). Недостатками способа являются длительность процесса гидролиза, значительные энергозатраты и водопотребление, высокое содержание клетчатки - 11,5-28,6% на сухое вещество.
Endomycopsis fibuligera, Aspergillus niger
Aspergillus,
а
Известен способ получения биомассы микроорганизмов, включающий приготовление питательной среды, содержащей крахмал и целлюлозосодержащее растительное сырье - некондиционное зерно и отходы мукомольного производства, проведение его ферментативного гидролиза с использованием в качестве биокатализатора мультиэнзимной композиции при температуре 50-70°C в течение 20-180 мин и pH среды 4,5-5,5. Засев гидролизата проводят штаммами культур . Недостатками способа являются сложность приготовления многокомпонентного состава питательной среды, использование в качестве продуцента биомассы плесневых грибов рода  являющихся возбудителями поверхностного микоза и спергиллеза, поражающего респираторный тракт, легкие и околоносовые пазухи. Летальность при диссеминированном аспергиллезе достигает 80%. (Пат РФ № 2112 806, 1998г).
Saccharomyces cerevisiae
Описан способ получения биомассы кормовых дрожжей, включающий кислотный гидролиз кофейного шлама при рН 0,8-1,3, температуре 118-123°С в течение 30 мин, выращивание на полученном гидролизате дрожжей , отделение биомассы от культуральной жидкости фильтрацией до содержания сухих веществ 40-50 % и высушивание биомассы при температуре 105°С. (Пат РФ № 2 393 719, 2010 г.). Недостатками способа являются присутствие в составе кормового продукта остаточных компонентов кофейного шлама, неусвояемых дрожжами, и низкое содержание белковых веществ - 10,6-15,7 г/л.
Saccharomyces vini
Candida utilis
Candida
Известен способ получения кормовых дрожжей, предусматривающий засев сока шиповника винными дрожжами , добавление минеральных компонентов, ферментацию, получение, разбавление культуральной жидкости водой, внесение минеральных солей, водного экстракта хвои ели, культивирование дрожжей , выделение биомассы и ее сушку (Пат. РФ № 2 580 160, 2016 г.). Недостатками способа являются сложность, многоэтапность приготовления питательного субстрата и культивирования дрожжей, использование условно патогенных дрожжей , способных вызывать кандидоз.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения кормовой микробно-растительной добавки, предусматривающий приготовление питательной среды с использованием сывороточных вод, высвободившихся после извлечения крахмала и белковых компонентов из зерновых, в которые вносят нерастворимый остаток, образующийся в процессе получения белка, в количестве 2-5% к массе сыворотки и мезгу, остающуюся после извлечения крахмала А, в количестве 2-7% к массе сыворотки, засев микроорганизмов, ферментацию, термическую обработку и высушивание суспензии (Прототип Пат. RU № 2 673 125, 2018 г.). Недостатком данного способа является использование в составе питательной среды сыворотки, образующейся после выделения крахмала и белка из зерновых культур, нерастворимого остатка и мезги, отличающихся низким качеством, из-за присутствия большого количества плохо усваиваемых клетчатки и невыделенного крахмала. Это отражается на урожайности биомассы и физико-химических показателях кормового концентрата: массовой доле белка, биологической ценности и усвояемости.
Проблема заключается в создании способа получения кормового концентрата биоконверсией сыворотки зернобобовых культур и модифицированного нерастворимого остатка, образующихся как вторичные продукты их глубокой переработки при выделении белковых концентратов.
Geotrichum,
Saccharomyces, Bacillus
Технический результат достигается тем, что к гороховой или нутовой муке при соотношении 1:10÷1:15 добавляют воду или другие реагенты, извлекают из муки растворимые белковые соединения любым способом, а высвободившиеся сывороточные воды с химическим составом, содержащим 3-20 % сухих веществ (СВ), азотистых веществ 7-22%, восстанавливающих сахаров: глюкозы - 4-43%, фруктозы - 10-15%, галактозы 4-5% от общего количества углеводов, засевают дрожжами и ферментируют. После окончания ферментации суспензию термически обрабатывают и высушивают. В качестве продуцента биомассы для ферментации сывороточных вод применяют монокультуры родов или их консорциум, составленный в любом соотношении в количестве 5-10% к массе питательной среды, после ферментации суспензию нагревают до температуры 90-100°С в течение 10-20 мин и высушивают.
Технический результат достигается также тем, что в сывороточные воды вносят твердый нерастворимый остаток в количестве 2-10% от их массы, образующийся, наряду с сывороткой, в процессе извлечения белка из экстракта, проводят кислотный гидролиз суспензии при рН 1,8-3,0 с выдерживанием в течение 10-30 мин при температуре 60-129°С или последовательный ферментативный гидролиз с целлюлолитическим и амилолитическим ферментными препаратами в концентрации 50-170 и 2-5 ед. активности на 1 г сухого вещества, соответственно, в течение 3,0-4 часов при 50-60°С и рН 5,0-6,0 при перемешивании; по окончании обработки рН суспензии доводят до 4,3, вносят водные растворы ксиланазного и глюкоамилазного ферментных препаратов из расчета 50 и 2,5 ед. активности на 1 г сухого вещества, обработку осуществляют в течение 3 часов при 55°С при перемешивании, полученную питательную среду обрабатывают при температуре 90-120°С в течение 10-20 мин, охлаждают, засевают монокультуры или их композиции.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в:
- улучшении качества питательной среды и целевого продукта, достигаемого в результате повышения степени конверсии (модификации) нерастворимого остатка, содержащего крахмал, некрахмальные полисахариды и белки, в легкоусвояемые микроорганизмами водорастворимые восстанавливающие сахара и пептиды (аминокислоты) за счет проведения кислотного или ферментативного гидролиза;
- использовании вместо сыворотки зерновых культур более полноценной сыворотки зернобобовых культур (гороха, нута), содержащей большее количество усвояемых незаменимых аминокислот, растворимых углеводов, минеральных веществ;
- повышении массовой доли биологически полноценного белка, растворимых волокон, минеральных веществ в составе кормового концентрата, его усвояемости за счет более сбалансированного состава питательной среды и подбора рода микроорганизмов;
Bacillus subtilis для
- введении в состав консорциума микроорганизмов спорогенной придания продуктупробиотических свойств;
- возможности получения новой линейки дешевых, но полноценных по составу, кормовых средств для животных, птицы, аквакультуры;
- снижении стоимости целевого кормового продукта и нагрузки на биосферу в результате безотходного способа переработки жидкого побочного продукта, высвобождающегося при производстве пищевого белка.
Сыворотка и нерастворимый осадок бобовых культур, образующиеся при получении пищевого белкового концентрата, по составу превосходят сыворотку и нерастворимый осадок, которые высвобождаются при производстве крахмала и белка из зерновых культур (тритикале, овса, ячменя) по аналогичной технологии. В сыворотке из зернобобовых культур (горох, нут) в сумме содержится больше низкомолекулярных восстанавливающих сахаров (глюкоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза, галактоза) и, соответственно, меньше высокомолекулярных соединений углеводной природы, к которым следует отнести и декстрины различной молекулярной массы (Фиг. 1). Последние будут труднее превращаться под действием ферментов микроорганизмов в новые синтетические вещества биомассы. Более активному синтезу биомассы будет способствовать и в 1,35-3,40 раза более высокое количество азотистых веществ, включая истинный белок, в сыворотке и в гидролизате, необходимых для построения биологически полноценных белков кормового продукта за счет большего их содержания и в исходном сырье зернобобовых, по сравнению с зерновыми культурами (тритикале, овес, ячмень) (20,1-24,0%, против 9,9-12,8%). Некрахмальные полисахариды (клетчатка, гемицеллюлозы), крахмал и, частично, белки нерастворимого остатка в процессе предварительного кислотного или ферментативного гидролиза гидролизуются с образованием более мелких восстанавливающих сахаров (гексоз, пентоз) и аминокислот и служат более эффективными питательными компонентами для микроорганизмов за счет меньшей их молекулярной массы.
Полученный по разработанному способу на основе новой питательной среды кормовой концентрат превосходит аналогичный концентрат из зерновых культур по массовой доле белка (в 2,1 раза), меньшему содержанию липидов (в 2-5 раз), большему количеству растворимых волокон (на 40%), меньшему, соответственно, нерастворимых волокон и большей массовой доле золы (в 1,3-1,8 раза), отражающей содержание минеральных веществ, что положительно сказывается на питательности и усвояемости концентрата; последняя выше у нового концентрата на 12-17%, по сравнению с прототипом (Фиг. 2). Растворимые и нерастворимые волокна кормового концентрата нормализуют работу желудочно-кишечного тракта, способствуют детоксикации нежелательных соединений, выведению тяжелых металлов и радионуклидов, обеспечивая повышенную усвояемость кормов.
Bacillus
Geotrichum,
Saccharomyces,
Введение в состав консорциума микроорганизмов спорогенного пробиотика отдельно или с продуцентами родов придает кормовому концентрату профилактические качества, так как его ферменты способствуют более полному перевариванию кормов, а синтезируемые пептиды и непептидные вещества с широким спектром противомикробной активности стимулируют нормальный рост кишечной микрофлоры (Севустьяненко А.В., 2016; Феоктистова Н.В. и др., 2017).
Способ предусматривает следующие технологические операции:
Geotrichum,
Saccharomyces, Bacillus
К гороховой или нутовой муке при соотношении 1:10÷1:15 добавляют воду или другие реагенты, извлекают из муки растворимые белковые соединения любым способом, а к высвободившимся сывороточным водам с химическим составом, включающим 3-21% сухих веществ (СВ), из них азотистых веществ 8,62-22,48% и восстанавливающих сахаров (глюкозы, фруктозы, галактозы, арабинозы, ксилозы, мальтозы) 48,11-67,48% от общего количества углеводов, вносят нерастворимый остаток в количестве 2-10 % к их массе, проводят кислотный гидролиз суспензии при рН 1,8-3,0 с выдерживанием в течение 10-30 мин при температуре 60-129°С или ферментативный гидролиз целлюлолитическим и амилолитическим ферментными препаратами в концентрации 50-170 и 2-5 ед. активности на 1 г сухого вещества, соответственно; обработку осуществляют 3,0-4,0 часа при 50-60°С и рН 5,0-6,0 при перемешивании; по окончании обработки рН суспензии доводят до 4,3-5,0, вносят ксиланазный и глюкоамилазный ферментные препараты из расчета 50-70 и 2-4 ед. активности на 1 г сухого вещества, обработку осуществляют в течение 3-4 часов при 55-60°С при перемешивании; полученную питательную среду обрабатывают при температуре 90-120°С в течение 10-20 мин, охлаждают и засевают монокультурами родов или их консорциумом, составленным в любом соотношении в количестве 5-10% к массе питательной среды, после ферментации суспензию нагревают до температуры 90-100°С в течение 10-20 мин и высушивают до влажности 5-10 %.
Пример 1
Geotrichum fermentans
К гороховой муке при соотношении 1:10 добавляют воду или другие реагенты, извлекают из муки растворимые белковые соединения любым способом, а к высвободившимся сывороточным водам с химическим составом, включающим 3-21% сухих веществ (СВ), из них азотистых веществ 8,62-22,48%, восстанавливающих сахаров (глюкозы, фруктозы, галактозы, арабинозы, ксилозы, мальтозы) 48,11-67,48% от общего количества углеводов, вносят нерастворимый остаток в количестве 2% от их массы, проводят кислотный гидролиз суспензии при рН 3,0 с выдерживанием в течение 10 мин при температуре 60-129°С или ферментативный гидролиз с целлюлолитическим и амилолитическим ферментными препаратами в концентрации 50 и 2 ед. активности на 1 г сухого вещества, соответственно; обработку осуществляют 3,0 часа при 50°С и рН 5,0 при перемешивании; по окончании обработки рН суспензии доводят до 4,3, вносят ксиланазный и глюкоамилазный ферментные препараты из расчета 50 и 2,5 ед. активности на 1 г сухого вещества, обработку осуществляют в течение 3 часов при 55°С при перемешивании; полученную питательную среду обрабатывают при температуре 90-120°С в течение 10-20 мин, охлаждают и засевают монокультурой  в количестве 5% к массе питательной среды, после ферментации суспензию нагревают до температуры 90°С в течение 10 мин и высушивают.
Высушенный кормовой концентрат представляет собой рассыпчатый порошок светло-кремового цвета с приятным запахом дрожжей. Концентрат содержит на СВ: белка 47%, углеводов 35%, из них растворимых волокон 17%, липидов 10%, золы 8%.
Пример 2
Geotrichum candidum
К нутовой муке при соотношении 1:12 добавляют воду или другие реагенты, извлекают из муки растворимые белковые соединения любым способом, а к высвободившимся сывороточным водам с химическим составом, включающим 3-21% сухих веществ (СВ), из них азотистых веществ 8,62-22,48%, восстанавливающих сахаров (глюкозы, фруктозы, галактозы, арабинозы, ксилозы, мальтозы) 48,11-67,48% от общего количества углеводов, вносят нерастворимый остаток в количестве 4,5% от их массы, проводят кислотный гидролиз суспензии при рН 2,5 с выдерживанием в течение 15 мин при температуре 60-129°С или ферментативный гидролиз с целлюлолитическим и амилолитическим ферментными препаратами в концентрации 90 и 3 ед. активности на 1 г сухого вещества, соответственно; обработку осуществляют 3,5 часа при 55°С и рН 5,5 при перемешивании; по окончании обработки рН суспензии доводят до 4,5, вносят ксиланазный и глюкоамилазный ферментные препараты из расчета 60 и 3 ед. активности на 1 г сухого вещества, обработку осуществляют в течение 3,5 часов при 60°С при перемешивании, полученную питательную среду обрабатывают при температуре 90-120°С в течение 10-20 мин, охлаждают и засевают монокультурой  в количестве 6,5% к массе питательной среды, после ферментации суспензию нагревают до температуры 90°С в течение 10 мин и высушивают.
Высушенный кормовой концентрат представляет собой рассыпчатый порошок светло-кремового цвета с приятным запахом дрожжей. Концентрат содержит на СВ: белка 53%; углеводов 29%, из них растворимых волокон 14%; липидов 8%; золы 10%.
Пример 3
Saccharomyces uvarum
Bacillus
licheniformi
К гороховой муке при соотношении 1:13 добавляют воду или другие реагенты, извлекают из муки растворимые белковые соединения любым способом, а к высвободившимся сывороточным водам с химическим составом, включающим 3-21% сухих веществ (СВ), из них азотистых веществ 8,62-22,48%, восстанавливающих сахаров (глюкозы, фруктозы, галактозы, арабинозы, ксилозы, мальтозы) 48,11-67,48% от общего количества углеводов, вносят нерастворимый остаток в количестве 7,0% от их массы, проводят кислотный гидролиз суспензии при рН 2,0 с выдерживанием в течение 20 мин при температуре 60-129°С или ферментативный гидролиз с целлюлолитическим и амилолитическим ферментными препаратами в концентрации 130 и 4 ед. активности на 1 г сухого вещества, соответственно; обработку осуществляют 4,0 часа при 55°С и рН 6,0 при перемешивании; по окончании обработки рН суспензии доводят до 4,7, вносят ксиланазный и глюкоамилазный ферментный препарат из расчета 65 и 3,5 ед. активности на 1 г сухого вещества, обработку осуществляют в течение 3,5 часов при 60°С при перемешивании; полученную питательную среду обрабатывают при температуре 90-120°С в течение 10-20 мин, охлаждают и засевают культурами  и  в соотношении 3:1 в количестве 8% к массе питательной среды, после ферментации суспензию нагревают до температуры 90°С в течение 10 мин и высушивают.
Высушенный кормовой концентрат представляет собой рассыпчатый порошок светло-кремового цвета с приятным запахом дрожжей. Концентрат содержит на СВ: белка 59%; углеводов 24%, из них растворимых волокон 7%; липидов 5%; золы 12%.
Пример 4
Saccharomyces cerevisiae и
Bacillus subtilis
К нутовой муке при соотношении 1:15 добавляют воду или другие реагенты, извлекают из муки растворимые белковые соединения любым способом, а к высвободившимся сывороточным водам с химическим составом, включающим 3-21% сухих веществ (СВ), из них азотистых веществ 8,62-22,48%, восстанавливающих сахаров (глюкозы, фруктозы, галактозы, арабинозы, ксилозы, мальтозы) 48,11-67,48% от общего количества углеводов, вносят нерастворимый остаток в количестве 10% от их массы, проводят кислотный гидролиз суспензии при рН 1,8 с выдерживанием в течение 30 мин при температуре 60-129°С или ферментативный гидролиз с целлюлолитическим и амилолитическим ферментными препаратами в концентрации 170 и 5 ед. активности на 1 г сухого вещества, соответственно; обработку осуществляют 4,0 часа при 60°С и рН 5,5 при перемешивании; по окончании обработки рН суспензии доводят до 5,0, вносят ксиланазный и глюкоамилазный ферментные препараты, из расчета 70 и 4 ед. активности на 1 г сухого вещества, обработку осуществляют в течение 4 часов при 60°С при перемешивании; полученную питательную среду обрабатывают при температуре 90-120°С в течение 10-20 мин, охлаждают и засевают культурами  в соотношении 1:1 в количестве 10% к массе питательной среды, после ферментации суспензию нагревают до температуры 90°С в течение 10 мин и высушивают.
Высушенный кормовой концентрат представляет собой рассыпчатый порошок светло-кремового цвета с приятным запахом дрожжей. Концентрат содержит на СВ: белка 65%, углеводов 18%, из них растворимых волокон 10%, липидов 2%, золы 15%.
Белки концентратов содержали 18 аминокислот: глютаминовую, аспарагиновую кислоты, глицин, пролин, лизин и др. Скор для всех незаменимых аминокислот обоих концентратов из вторичных продуктов переработки зернобобовых культур был выше 100% (Фиг. 3), что указывало на высокую биологическую ценность концентратов. У концентрата из биомассы зерна тритикале скор для треонина, лизина, лейцина, изолейцина, валина и ароматических аминокислот был также выше 100%, тогда как у незаменимых серосодержащих аминокислот (цистина+метионина), гистидина и триптофана прототипа скор был меньше 100% (51-90%), что указывает на биологическую неполноценность белков последнего концентрата.
Жирнокислотный состав нутового концентрата был представлен 10 компонентами, горохового - 30 соединениями, среди которых на долю жирных кислот у первого концентрата приходилось 92,5%, у второго концентрата - 97,0%. У нутового концентрата соотношение суммы насыщенных (25,40%) и ненасыщенных жирных кислот (67,09%) равнялось 1:2,6, содержание омега-6 жирных кислот (линолевой кислоты) - 41,26%, у горохового концентрата, соответственно, соотношение 1:3 (23,5/71,67) и омега-6 жирные кислоты - 19,73%, соотношение насышенные: ненасыщенные жирные кислоты у зерновых культур (прототипа) 27/73:43, равное 1:2,7. Содержание цис-изомеров в концентратах из зернобобовых культур 91-93%, транс-изомеров - 5-7%, соотношение насыщенные: ненасыщенные жирные кислоты - 1:2,6-1:3,0. Таким образом, по составу и виду жирных кислот оба концентрата, как и концентраты из вторичных продуктов переработки зерновых культур, приближаются к пищевым маслам и жирам, в частности к соевому маслу.
Минеральный состав концентратов включает макро- и микроэлементы (Фиг. 4). В концентратах из зернобобовых культур содержится значительно больше натрия, калия, магния, кобальта, цинка, меди, марганца, кобальта, никеля, и меньше железа и хрома. На значительно большее содержание минеральных элементов в концентратах из зернобобовых культур (гороха и нута) указывает большая величина зольности новых белковых концентратов.