Способ получения белково-витаминной добавки из крахмалсодержащего зернового сырья
METHOD OF PRODUCTION OF PROTEIN-VITAMIN ADDITIVE OF STARCH-CONTAINING GRAIN RAW MATERIAL

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к кормопроизводству, в частности к технологиям производства кормовых дрожжей из гидролизатов, получаемых при переработке растительного сырья. Получаемая по данному способу белково-витаминная добавка на основе крахмалсодержащего зернового сырья может быть использована при составлении полноценных кормов для свиней, птиц, крупного рогатого скота в качестве белковой составляющей.
Во всех странах мира и в нашей стране отмечается большой дефицит кормового белка. Растущая во всем мире потребность в продуктах питания способствует поиску новых путей и источников получения белка для людей и животных. Основным путем снижения этого дефицита является производство биомассы с помощью микробиологического синтеза, в том числе с использованием в качестве сырья зерна, такого как пшеница, рожь, ячмень, отходы мукомольного производства. Недостатком зернового сырья является низкая доступность содержащихся в нем питательных элементов, высокий уровень клетчатки, плохая перевариваемость, что делает невозможным применение его для откорма молодняка сельскохозяйственных животных, молоди рыб.
В последние годы в рацион кормления животных и птиц все больше входят кормовые дрожжи, полученные на гидролизных и целлюлозных предприятиях, используя для этой цели углеводы, содержащиеся в гидролизатах и сульфитных щелоках. Эти дрожжи являются биологически полноценным кормом, источником белка, витаминов и минеральных веществ. Комбикормовая промышленность предъявляет большой спрос на кормовые дрожжи. В рецептуре комбикормов для различных видов сельскохозяйственных животных кормовые дрожжи составляют 3-20%. Кормовые дрожжи повышают биологическую ценность белков других кормов за счет содержащихся в них незаменимых аминокислот. По содержанию аминокислот кормовые дрожжи близки к белкам животного происхождения. Кормовыми дрожжами удается заменить значительную часть кормов животного происхождения, применяемых в кормлении животных и птицы.
Кормовые дрожжи с успехом используются во всех отраслях животноводства и птицеводства, поэтому потребность в них ежегодно возрастает. Получение кормовых дрожжей является одним из направлений крупного промышленного производства кормового белка и витаминов.
Известен ряд изобретений, в которых способ получения белковых кормовых дрожжей (авт.св. №906495, 1980 г., патент RU 2113490, 1998 г., патент ЕР 0169068, 1984 г.), включает гидролиз сырья растительного происхождения минеральными кислотами при определенной температуре с последующим выращиванием культур дрожжей-продуцентов белка.
Недостатками гидролиза растительного сырья минеральными кислотами является недостаточное образование простых углеводов для последующего процесса ферментации, связанное с тем, что при кислотном гидролизе гидролизуется не только крахмал до глюкозы, но происходит разрушение самой глюкозы и разрушение пятиатомных сахаров до фурфурола и оксиметилфурфурола.
Известны способы получения белковой кормовой добавки из зерновых продуктов, использующие в качестве хотя бы одного из штаммов-продуцентов дрожжи рода Candida (патент RU 2146097, 1999 г., патент RU 2041946, 1993 г., патент RU 167771, 1989 г., патент RU 2091492, 1995 г., патент RU 2042331, 1994 г., патент RU 2041946, 1993 г., патент RU 2054881, 1995 г., патент RU 2140449, 1998 г., патент 2159287, 2000 г.).
Использование дрожжей рода Candida, которые отнесены СанПином к условно-патогенным микроорганизмам, является нежелательным, так как они включены в перечень веществ, которые оказывают вредное воздействие на человека, и при их использовании требуются дополнительные затраты на проведение процесса термолиза, обезвреживание стоков и воздушных выбросов.
Кроме того, недостатками ряда этих изобретений является также потеря сахаров из-за того, что отделенные зерновые оболочки не используются в дальнейшем процессе выращивания культур микроорганизмов - продуцентов белка. Содержание сырого протеина не превышает 53-55%.
Известен способ получения белково-углеводной биологически активной кормовой добавки (патент RU 2391857, 2008 г.), предусматривающий обработку суспензии зерновой дробины мультиэнзимной композицией, содержащей ксиланазу, целлюлазу, нейтральную протеазу и β-глюканазу с последующим культивированием дрожжей Yarrowia lypolytica Y-2375 для получения автолизата и дальнейшее культивирование культуры Lactobacillus casei В-7657. Способ позволяет получить продукт с содержанием белка 30%, клетчатки - 12%.
В ряде изобретений (патент RU 2391859, 2007 г., патент RU 2243678, 2003 г., заявка RU 2007147178, 2007 г.) для получения белково-витаминных кормов проводят совместную инкубацию молочнокислых и пропионовокислых бактерий, таких как Lactobacillus acidophilus и Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii, или Propionibacterium acnes, или Lactobacillus plantarum. В итоге получаются продукты, содержащие 45,9-53% сырого протеина, 1,5-2,5% органических кислот, массовая доля углеводов по сухому весу составляет 37,7-44,2%, массовая доля золы по сухому весу - 2,5%.
Недостатком использования штаммов молочнокислых и пропионовокислых бактерий для получения белковых кормов является недостаточное продуцируемое количество белка (до 53%), вследствие слабой устойчивости к кислотообразованию и ограниченного количества простых углеводов в составе питательной среды из-за слабой амилолитической активности культур молочнокислых микроорганизмов.
Известен способ получения белковой кормовой добавки с использованием дрожжей и бактерий, обладающих амилолитической активностью, или ассоциации дрожжей, предусматривающий применение в качестве питательной среды послеспиртовой барды, в которую добавляется крахмалсодержащее сырье (патент RU 2159287, 2000 г., патент RU 2391857, 2008 г., заявка RU 93027117, 1993 г., патент EP 1988169, 2007 г.).
Недостатком является высокий уровень клетчатки - 12%, и невысокое содержание белка 30%-53%.
Из уровня техники также известен большой ряд изобретений получения белковых продуктов путем ферментации хлебопекарных дрожжей Saccharomyces Cerevisiae (патент RU 2183666, 2000 г., заявка RU 2012142740, 2012 г., заявка RU 2006126544, 2006 г., заявка RU 93027117, 1993 г., заявка WO 2009129320, 2008 г.), а также в качестве микроорганизмов, использующих бактериальные штаммы или их ассоциации со штаммами дрожжей Saccharomyces cerevisiae, обладающими амилолитической активностью (патент RU 2111253, 1996 г.), или применение в качестве продуцентов белка смесь дрожжей-сахаромицетов и/или бактерий, обладающих амилолитическими ферментами, и грибов, утилизирующих органические кислоты (патент RU 2220590, 2000 г., патент RU 2163076, 1999 г.).
В данных изобретениях подготовку зернового сырья осуществляют путем его размалывания, приготовления водной суспензии зернового сырья, проведения ферментолиза зернового сырья с помощью жидких амилолитических ферментов, ферментолиз осуществляют до достижения содержания глюкозы 10-13%. Данные способы дают возможность получать конечный продукт с содержанием белка 30-58%, сырой клетчатки 5-15% от его общего веса и широким набором витаминов группы B, H, Е, D и др., микро- и макроэлементов, безазотистых экстрактивных веществ 31-45%.
Недостатками данных способов с использованием штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae являются низкая скорость роста, низкая конверсия первоначального субстрата в белок, высокое содержание клетчатки в готовом продукте.
В качестве наиболее близкого аналога изобретения-прототипа определен патент RU 2478701 (дата приоритета 16.03.2011 г.) "Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae, обладающий амилазной активностью для получения кормового белкового продукта, и способ производства кормового белкового продукта", который предусматривает подготовку зернового сырья путем размалывания его до частиц размером 120-160 мкм. Далее из размолотого зернового сырья готовят водную суспензию с содержанием сухих веществ 15-25%. Полученную суспензию из зернового сырья осахаривают с помощью α-амилаз и глюкоамилаз до содержания в суспензии глюкозы 6-10%. В полученную суспензию вносят источники азота и фосфора из расчета, что на синтез 1 г биомассы необходимо 90 мг азота и 45 мг фосфора. В полученную питательную среду вносят культуру-продуцент штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585, обладающий амилазной активностью. Температура выращивания 28-34°C, оптимальная температура 30-32°C; оптимальный pH 5,0-5,5. Процесс выращивания осуществляется в условиях аэрации и перемешивания в непрерывном режиме в многосекционном аппарате при концентрировании глюкозы до 2% и содержании сухих веществ до 1,5-2,5% в каждой секции за счет рассредоточенной по нескольким секциям аппарата подачи питательной среды с исходной концентрацией сухих веществ в водной суспензии, входящей в состав питательной среды, 15-25% и глюкозы 6-10%. Питательная среда из аппарата выращивания, обогащенная биомассой дрожжей, направляется, минуя стадию сепарации, на вакуум-выпарку для сгущения суспензии до концентрации сухих веществ в питательной среде 40%. Сконцентрированная питательная среда из вакуум-выпарки направляется на сушилку, где сушится, и таким образом получается готовый продукт, обогащенный дрожжевым белком.
-1
3
Коэффициент разбавления среды в непрерывном процессе культивирования (скорость роста) составляет 0,15-0,2 ч в зависимости от вида зернового сырья. Продуктивность штамма составляет 2,3-5,0 кг/м/ч в зависимости от вида и концентрации зернового сырья.
Изобретение позволяет повысить выход сырого протеина в готовом продукте до 49-60%. В качестве зернового сырья используют дерть, муку, измельченные отруби и некондиционное зерно, в качестве источников азота и фосфора используют аммонийные и фосфатные соли или удобрения, в том числе аммофос, диаммофос, нитрофоску.
Недостатками этого изобретения являются использование сухого размола зернового сырья, требующего высокой категорийности используемых помещений и высоких энергозатрат на размол зернового сырья, отсутствие стадий, позволяющих гидролизовать до моносахаров целлюлозу, гемицеллюлозу и пентозаны, содержащиеся в зерновом сырье, отсутствие стадии извлечения зернового белка, невысокий уровень осахаривания сырья - 6-10%.
Задача, решаемая изобретением, направлена на получение белково-витаминной добавки с высоким содержанием белка, витаминов группы B и незаменимых аминокислот на основе биомассы дрожжей из крахмалсодержащего сырья, с одновременной глубокой комплексной переработкой крахмалсодержащего зернового сырья.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в увеличении содержания сырого протеина в белково-витаминной добавке до 65%, в улучшении аминокислотного состава с помощью автолиза, в уменьшении содержания клетчатки в готовом продукте не более 1%, в повышении степени осахаривания зернового сырья, количество редуцирующих веществ при которой должно составлять не менее 20%, следствием чего является разложение компонентов зернового сырья до моносахаров, выход моносахаридов - до 95% от исходного количества полисахаридов сырья, утилизация клетчатки и пентозанов. Наличие стадии извлечения зернового белка и получения кормового глютена с содержанием белка не менее 70% увеличивает общий выход белка из зернового сырья до 60-65%. Выделение в качестве готового продукта - крахмала A, в количестве не менее 50% от всего имеющегося в сырье крахмала.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе получения белково-витаминной добавки из крахмалсодержащего зернового сырья, наряду с признаками, сходными с ближайшим аналогом-прототипом, включающими предобработку зернового крахмалсодержащего сырья, приготовление питательной среды, состоящей из углеводной и солевой частей, выращивание дрожжевой культуры в ферментере в непрерывном режиме, последующее концентрирование и сушку дрожжевой суспензии с получением готового продукта, с целью глубокой комплексной переработки зернового сырья, заключающемся в более полном потреблении различных источников углерода, таких как шестиатомные, пятиатомные сахара, метаболиты дрожжей первой и второй стадии культивирования, в процессе подготовки зерновое сырье разделяют на три фракции: крахмальную, белково-глютеновую, фракцию зерновых оболочек и пентозанов, причем глютен, после дополнительной очистки выпускают в виде готового продукта - кормового глютена с содержанием белка не менее 70%, в процессе выращивания используют последовательно штаммы-продуценты дрожжей рода Hansenula polimorpha Y-314, Hansenula jadinii ΒΚΠΜ Y-797, Hansenula petersonii ΒΚΠΜ Y-1012, источниками углерода для которых является соответственно глюкоза, пентозы, продукты метаболизма предшествующих дрожжевых культур - органические кислоты, в качестве исходной и проточной среды для культивирования второй и последующей культур дрожжей, потребляющих пентозы и органические кислоты, используют фильтрат культуральной жидкости с предшествующего процесса ферментации соответствующего штамма культуры дрожжей, перед переходом на непрерывный режим культивирования штамма дрожжей Hansenula polimorpha Y-314 производят подачу дополнительной питательной среды с содержанием редуцирующих веществ не менее 20%. Ферментативный гидролиз зернового сырья производят по фракциям амилолитическими и целлюлолитическими комплексными препаратами до общего содержания глюкозы в углеводной части питательной среды не менее 20%, причем зерновые оболочки и пентозаны подвергают предварительной термохимической обработке при температуре не менее 150°C и pH не более 3,0. Для лучшей усвояемости белково-витаминной добавки сельскохозяйственными животными и птицей, расщепления содержимого дрожжевых клеток на моносоединения: свободные аминокислоты, нуклеотиды и амины, моносахара, после концентрирования биомассу дрожжей подвергают автолизу и сушат автолизат дрожжевой биомассы, а для получения пищевого и/или модифицированного крахмала, перед ферментативным гидролизом зернового сырья, из крахмальной фракции выделяют крахмал А.
Используемые культуры дрожжей не являются патогенными, прототрофны, термоустойчивы.
Согласно изобретению производится последовательное выращивание нескольких штаммов микроорганизмов-продуцентов белка в условиях аэрации, в непрерывном режиме, на питательной среде, состоящей из углеводной и солевой частей, в качестве штаммов-продуцентов белка используются штаммы дрожжей Hansenula polimorpha Y-314, Hansenula jadinii ВКПМ Y-797, Hansenula petersonii ВКПМ Y-1012, в качестве углеводного сырья используется крахмалсодержащее зерновое сырье, отруби и другие крахмал- и целлюлозосодержащие отходы, послеспиртовая барда, выращивание дрожжей состоит из четырех этапов: первоначальное накопление биомассы дрожжей в периодическом процессе в течение 12-18 часов, повышение концентрации биомассы дрожжей подачей дополнительной питательной среды в течение 24-36 часов, непрерывное культивирование дрожжей не менее 200 часов, использование фильтрата культуральной жидкости в качестве исходной и проточной среды для культивирования второй и последующей культуры дрожжей, потребляющей пятиатомные сахара и микробные метаболиты - органические кислоты.
Для приготовления питательной среды крахмалсодержащее зерновое сырье и отруби подвергают дроблению влажным способом, отделяют зерновые оболочки, выделяют зерновой белок - глютен, а оставшуюся крахмальную часть подвергают ферментативному гидролизу α-амилазой и глюкоамилазой до получения глюкозы, зерновые оболочки после предварительной термохимической обработки подвергают ферментативному гидролизу целлюлолитическими ферментными препаратами, содержащими ксиланазу и целлюлазу. Глюкозосодержащую часть питательной среды объединяют с минеральной частью питательной среды и последовательно культивируют дрожжи рода Hansenula: Hansenula polimorpha Y-314, Hansenula jadinii ΒΚΠΜ Y-797, Hansenula petersonii ΒΚΠΜ Y-1012, поддерживая рН при культивировании 12% раствором аммиачной воды или аммиаком, с последующим выделением дрожжевой биомассы сепарацией и сушкой готового продукта в сушильном аппарате с грануляцией.
Предлагаемый способ получения белково-витаминной добавки из крахмалсодержащего зернового сырья реализуется следующим образом.
Крахмалсодержащее зерновое сырье подвергают дроблению при гидромодуле 1:3 любым влажным способом: на кавитационном аппарате, на ультразвуковом, роторно-пульсационном оборудовании, отделяют зерновые оболочки, выделяют зерновой белок – глютен, и проводят ферментативный гидролиз в два этапа. На первом этапе из крахмальной части зернового сырья готовят водную суспензию с содержанием сухих веществ 30%, после чего подвергают двухстадийному ферментативному гидролизу α-амилазой и глюкоамилазой: на первой стадии проводят высокотемпературный гидролиз при температуре 85-90°C, pH 6,2, в течение 2 часов, на второй стадии гидролиз проводят при температуре 60°C, pH до 4,5, в течение 2 часов, в результате проведенного ферментативного гидролиза содержание глюкозы составляет не менее 25%. Проведение высокотемпературной стадии гидролиза позволяет исключить стерилизацию крахмалсодержащей части питательной среды.
На втором этапе ферментативного гидролиза, для разрушения соединений клетчатки, зерновые оболочки смешивают с водой в соотношении 1:1, проводят термохимическую обработку при температуре не менее 150°C в течение 30 секунд, после чего подвергают ферментативному гидролизу целлюлолитическими ферментными препаратами, содержащими ксиланазу и целлюлазу при температуре 50-60°C, pH 5,0-5,5, в течение 4 часов, содержание глюкозы при этом составляет не менее 12%. После объединения ферментолизатов, глюкозосодержащая часть питательной среды содержит не менее 20% глюкозы. Глюкозосодержащую часть питательной среды объединяют с солевой частью питательной среды и проводят процесс последовательного выращивания штаммов дрожжей рода Hansenula: Hansenula polimorpha Y-314, Hansenula jadinii ΒΚΠΜ Y-797, Hansenula petersonii ΒΚΠΜ Y-1012, поддерживая pH при культивировании 12% раствором аммиачной воды или аммиаком.
Основной процесс выращивания штамма дрожжей Hansenula polimorpha ΒΚΠΜ Y-314 состоит из четырех этапов: первоначальное накопление биомассы дрожжей в периодическом процессе в течение 12-18 часов, повышение концентрации биомассы дрожжей подачей дополнительной питательной среды в течение 24-36 часов, непрерывное культивирование дрожжей не менее 200 часов, после чего производится концентрирование биомассы любым возможным способом (сепарирование, центрифугирование, ультрафильтрация). Концентрация биомассы дрожжей перед концентрированием составляет 50 г/л. Фильтрат культуральной жидкости служит в качестве исходной и проточной среды для культивирования второй культуры дрожжей Hansenula jadinii ВКПМ Y-797. Hansenula jadinii ВКПМ Y-797 утилизирует пятиатомные сахара. После культивирования второй культуры дрожжей также производится концентрирование. Концентрация биомассы дрожжей перед концентрированием составляет 12 г/л. Фильтрат культуральной жидкости служит в качестве исходной и проточной среды для культивирования третьей культуры дрожжей Hansenula petersonii ВКПМ Y-1012, утилизирующей микробные метаболиты - органические кислоты. Концентрация биомассы дрожжей после культивирования составляет 10 г/л. Сконцентрированная дрожжевая биомасса объединяется и направляется на сушку и грануляцию в сушильный аппарат.
Применение последовательно штаммов дрожжей, отличающихся способностью утилизировать различные составляющие крахмалсодержащего зернового сырья, проведение поэтапного ферментативного гидролиза сырья с повышением выхода моносахаридов до 95% от исходного количества полисахаридов в сырье позволяет повысить степень осахаривания сырья до степени не менее чем 20%, использование фильтрата культуральной жидкости, получаемой в процессе ферментации культур-продуцентов белка, позволяет увеличить содержание сырого протеина в готовом продукте не менее чем на 3-5% по сравнению с прототипом, увеличить степень утилизации зернового сырья в белковые продукты до 65%, понизить содержание клетчатки в готовом продукте до 1%. Предварительная обработка крахмалсодержащего сырья позволяет выделить и получить в готовом виде до 95% содержащегося в сырье глютена.
В результате совокупности существенных признаков получается белково-витаминная добавка с содержанием сырого протеина не менее 65%, содержащая в своем составе витамины группы B, незаменимые аминокислоты, с одновременной глубокой переработкой зернового крахмалсодержащего сырья, содержание клетчатки в готовом продукте не превышает 1%. Выход по готовому белковому продукту составляет 60-65%.
Нижеприведенные примеры реализации способа подтверждают получение заявленного технического результата.
Пример 1
93 кг пшеницы 3 класса с влажностью 14% смешивали с водопроводной водой в соотношении 1:3 и подвергали влажному дроблению на роторно-пульсационном аппарате (РПА) "ЭНА" (Россия) однократно. Полученную водно-зерновую смесь выдерживали при перемешивании и термостатировании 50°C в течение 1 часа и повторно обрабатывали на РПА.
На вращающихся ситах отделяли зерновые оболочки в количестве 74,4 кг. Из крахмально-белковой суспензии выделяли зерновой белок (глютен) на роторных ситах при pH суспензии 7,5. Полученный раствор глютена в количестве 55,2 кг после дополнительной очистки высушивали и получали 22,8 кг готового продукта - кормового глютена с содержанием белка 70%, влажностью 10%.
Оставшееся крахмальное молоко в количестве 240 л подвергали ферментативному гидролизу в две стадии с использованием ферментных препаратов, содержащих α-амилазу и глюкоамилазу. Для этого 240 л крахмальной суспензии помещали в реактор, где доводили pH суспензии до 6,2, вносили 74 мл ферментного препарата Termamyl SC DS фирмы Novozymes и проводили первую стадию ферментативного гидролиза при температуре 90°С в течение 2 часов, затем охлаждали суспензию до 60°C, доводили pH суспензии до 4,2, вносили ферментный препарат Saczyme фирмы Novozymes в количестве 74 мл и проводили вторую стадию гидролиза при температуре 60°C в течение 2 часов. Полученный ферментолизат крахмала в количестве 240,4 л с содержанием редуцирующих веществ 24,5% использовали для приготовления основной, дополнительной и проточной сред для культивирования дрожжей Hansenula polimorpha Y-314.
Зерновые оболочки в количестве 74,4 кг смешивали с 37,2 л водопроводной воды, доводили pH смеси до 2,0 серной кислотой и подвергали термохимической обработке при давлении 30 ати температуре 150°C в течение 30 сек. Затем смесь помещали в реактор, доводили pH смеси до 5,5 раствором едкого натра, вносили ферментный препарат Cellic СТес2 фирмы Novozymes в количестве 48,4 мл и проводили ферментативный гидролиз клетчатки зерновых оболочек при температуре 55°C в течение 4 часов. Полученный ферментолизат клетчатки зерновых оболочек в количестве 107,4 л с содержанием редуцирующих веществ 10,7% смешивали с 240,4 л ферментолизата крахмала и использовали для приготовления ферментационных сред в качестве источника углерода. Количество редуцирующих веществ в объединенном ферментолизате составило 20,19%.
Готовили посевную питательную среду в количестве 0,6 л для выращивания посевного материала дрожжей Hansenula polimorpha Y-314, содержащую 2% редуцирующих веществ (использовали смесь двух ферментолизатов: крахмала и клетчатки зерновых оболочек). В состав посевной среды входили: аммоний фосфорнокислый двузамещенный - 0,3%, магний сернокислый - 0,05%, натрий хлорид - 0,01%, кальций хлорид - 0,01%, дрожжевой экстракт - 0,5%. Культуру Hansenula polimorpha Y-314 смывом с твердой питательной среды переносили в посевную питательную среду, разливали по стерильным качалочным колбам, содержащим по 0,5 г мела, и культивировали на качалке при температуре 40°C и числе 300 об/мин в течение 24 часов. Готовый посевной материал объединяли и использовали для засева рабочего ферментера.
На первой стадии культивирования, в ферментере вместимостью 30 л стерилизовали 6 л основной ферментационной среды, содержащей аммоний фосфорнокислый двузамещенный - 0,5%, магний сернокислый - 0,05%, натрий хлорид - 0,01%, кальций хлорид - 0,01%, редуцирующие вещества (РВ) - 4%, затем среду охлаждали до 40°C, выводили на режим культивирования - pH - 6,5, расход воздуха составлял - 10 л/мин, скорость перемешивание - 500 об/мин и производили засев аппарата посевным материалом Hansenula polimorpha Y-314 объемом 0,6 л, выращенным на качалке. Во время культивирования в основном аппарате, pH процесса поддерживали подачей 12% аммиачной воды. Первоначальный рост культуры дрожжей до достижения концентрации биомассы дрожжей до 12 г/л происходил в течение первых 16 часов. Через 16 часов культивирования в ферментер подавалась дополнительная питательная среда, содержащая источник углерода (смесь ферментолизатов крахмала и клетчатки зерновых оболочек) с концентрацией редуцирующих веществ 20,19%, источник неорганического азота - аммоний фосфорнокислый, соли магния, калия, кальция и натрия. Расход питательной среды составлял 900 мл/час, продолжительность подачи - 24 часа. За этот период концентрация биомассы достигла 50 г/л. Через 40 часов культивирования основной ферментер перевели на проток со скоростью подачи основной ферментационной среды 2,5 л/час. Состав протока соответствовал составу начальной ферментационной среды. Продолжительность непрерывного культивирования дрожжей Hansenula polimorpha Y-314 составила 200 часов, после чего произвели выделение дрожжевой биомассы из культуральной жидкости способом сепарации, а фильтрат 1, полученный после сепарации, использовали в качестве проточной и основной питательной среды для культивирования дрожжей Hansenula jadinii ΒΚΠΜΥ-797.
На второй стадии культивирования, в ферментер объемом 30 л загружали 18 л фильтрата 1 после культивирования дрожжей 1 стадии, вносили 2 л посевного материала из колб с культурой дрожжей Hansenula jadinii ΒΚΠΜ Υ-797, утилизирующих пятиатомные сахара (преимущественно ксилозу), и культивировали в аэробных условиях при температуре 40°C в течение 12 часов, после чего переходили на непрерывный режим выращивания с использованием фильтрата 1 с предыдущей стадии культивирования. Скорость протока фильтрата 1 составляла 2,5 л/час. При достижении концентрации биомассы дрожжей 12 г/л процесс останавливали, производили выделение дрожжевой биомассы способом сепарации. Выделенную биомассу дрожжей присоединяли к биомассе дрожжей первой стадии культивирования, а фильтрат 2 направляли на культивирование третьей стадии.
На третьей стадии культивирования, в ферментер объемом 30 л загружали 18 л фильтрата 2, полученного на второй стадии культивирования, вносили 2 л посевного материала из колб с культурой дрожжей Hansenula petersonii ΒΚΠΜ Y-1012, утилизирующих органические кислоты, и продукты метаболизма дрожжей первой и второй стадии культивирования, и производили культивирование в аэробных условиях при температуре 40°C в течение 12 часов, после чего переходили на непрерывный режим выращивания с использованием фильтрата 2 с предыдущей стадии культивирования. Скорость протока фильтрата 2 составляла 2,5 л/час. При достижении концентрации биомассы дрожжей 10 г/л процесс останавливали, производили выделение дрожжевой биомассы методом сепарации. Выделенную биомассу дрожжей присоединяли к биомассе дрожжей первой и второй стадии культивирования.
После объединения дрожжей, их сушки и гранулирования получили 34,2 кг сухой биомассы дрожжей с содержанием сырого протеина не менее 65% по сухому весу.
Аминокислотный состав продукта определялся методом тонкослойной хроматографии и компьютерным количественным определением после сканирования хроматограмм.
1
2
3
4
5
6
9
12
Состав биомассы (в % по сухому весу): сырой протеин - 65,6, сырая клетчатка - 0,37, массовая доля золы - 2,1, массовая доля белка по Барштейну - 50,9, аминокислотный состав биомассы: лизин - 3,6, метионин - 1,1, триптофан - 0,61, аргинин - 2,0, гистидин - 1,8, лейцин - 2,9, тирозин - 2,12, аланин - 3,2%, треонин - 1,5, валин - 1,0, глицин - 2,96, глутаминовая кислота - 9,5%, аспарагиновая кислота - 3,8%; содержание витаминов (мг/г): тиамин (В) - 4,2; рибофлавин (В) - 10,5; пантотеновая кислота (В) - 36,5; холин (В) - 1200; никотиновая кислота (В) - 32,4; пиридоксин (В) - 10,7; фолиевая кислота (В) - 23; цианкобаламин (В) - 37,9. Общая обсеменность - 90-100 Е/мл. Общая конверсия углеводов в биомассу дрожжей составила не менее 50%. Общий выход готового продукта - глютена и биомассы дрожжей - составил 61%. Количество редуцирующих веществ после ферментолиза составило 20,19%, что почти в 2 раза превышает аналогичный показатель прототипа.
Пример 2
Биомассу дрожжей после стадии сепарации, полученную аналогично Примеру 1, в количестве 20 л направляли в реактор с нагревательной рубашкой рабочим объемом 30 л. Доводили pH культуральной жидкости 10% раствором едкого натра и производили нагрев через рубашку реактора до 80°C, выдерживали в течение двух часов, после чего производили сушку продукта при температуре 130°C до остаточной влажности в конечном продукте 5%.
Полученный автолизат дрожжевой биомассы имел следующий состав (в % по сухому веществу): сырой протеин - 65,8, сырой жир - 3,59, сырая клетчатка - 0,45, линолевая кислота - 0,12, лизин - 4,56, метионин - 1,74, метионин + цистин - 1,79, триптофан - 0,65, аргинин - 2,39, гистидин - 2,19, лейцин - 3,49, изолейцин - 3,96, фенилаланин - 2,76, тирозин - 2,12, треонин - 2,60, валин - 1,95, глицин - 3,96. В полученном продукте более 40% имеющегося белка представлены в виде водорастворимых, легкоусвояемых аминокислот (аргинин, гистидин, лизин, триптофан и тирозин), а образовавшиеся более короткие пептиды обладают стимулирующими и иммуномодулирующими свойствами. Применение полученного продукта позволяет повысить перевариваемость и усвоение питательных веществ, а также применять его для откорма молодняка сельскохозяйственных животных, птиц, молоди рыб.
Пример 3
120 кг пшеницы 3 класса с влажностью 14% смешивали с водопроводной водой в соотношении 1:3 и подвергали влажному дроблению на роторно-пульсационном аппарате (РПА) "ЭНА" (Россия) однократно. Полученную водно-зерновую смесь выдерживали при перемешивании и термостатировании 50°C в течение 1 часа и повторно обрабатывали на РПА.
На вращающихся ситах отделяли зерновые оболочки в количестве 96 кг, влажность которых составляла 70%. Из 385 л крахмально-белковой суспензии выделяли зерновой белок (глютен) на роторных ситах при pH суспензии 7,5. Полученный раствор глютена в количестве 71,2 кг после дополнительной очистки, высушивали и получали 26,4 кг готового продукта - кормового глютена с содержанием белка 71,3%, влажностью 10%.
Оставшееся крахмальное молоко в количестве 310 л, с содержанием сухих веществ 16% направляли в декантерную центрифугу с фактором разделения 40, на которой происходило разделение на крахмал А с содержанием белка до 2% и суспензию, содержащую до 15% белка и 40% крахмала В и С. Полученный крахмал А подавали в емкость объемом 200 л, где обрабатывали водным раствором протеолитического ферментного препарата, обеспечивая концентрацию протеазы 1Е/г белка при pH 7,5, температуре 45°C в течение 2 часов, после ферментативной обработки повторно подавали в декантерную центрифугу, где крахмал отделялся от промывной жидкости. После повторного центрифугирования крахмал A обезвоживается до содержания сухих веществ 53-55%. Промытый крахмал содержит 98,4-98,7% чистого крахмала, 1,3-1,6% примесей (белок, жир и прочее). Полученный крахмал А с содержанием белка 0,33% направляли в сушильную установку. Выход крахмала A с влажностью 5% составил 29,3 кг, что соответствует 50% от всего имеющегося крахмала в зерновом сырье. Очищенный крахмал A можно направить на дальнейшую переработку в модифицированный крахмал или крахмальные заменители сахара, такие как глюкоза, декстроза, мальтоза, фруктоза. Оставшуюся часть крахмала совместно с другими побочными продуктами в количестве 107 л подвергали ферментативному гидролизу аналогично Примеру 1 и возвращали в процесс выращивания дрожжей. Выход сухой биомассы дрожжей составил 11,7 кг. Общий выход готовой продукции от первоначального количества зерна составил 66,2%.
Приведенные примеры подтверждают, что предлагаемый способ получения белково-витаминной добавки из крахмалсодержащего зернового сырья позволяет получить кормовой легкоусвояемый продукт улучшенного качества, с повышенным содержанием сырого протеина до 65%, аминокислот, витаминов группы B в готовом продукте, с низким содержанием клетчатки до 1%, проведение процессов в асептических условиях позволяет получить продукт с низкой обсемененностью не более 100 КОЕ/мл, что дает возможность использования его в кормопроизводстве, с одновременной глубокой переработкой исходного зернового сырья, снижением отходов процесса культивирования микроорганизмов-продуцентов белка.
Высокое качество получаемого продукта позволяет использовать его для выращивания элитного молодняка, племенных животных, молоди ценных пород рыб.
Выход готового продукта от использованного углеводного сырья составляет не менее 50%, а суммарный выход белкового продукта (биомасса дрожжей вместе с кормовым глютеном) составляет не менее 60-65%.
Используемые источники
Авт. св. №906495, 1980 г.
Патент RU N 2113490, 1998 г.
Патент RU 2146097, 1999 г.
Патент RU 2041946, 1993 г.
Патент RU 167771, 1989 г.
Патент RU 2091492, 1995 г.
Патент RU 2042331, 1994 г.
Патент RU 2041946, 1993 г.
Патент RU 2054881, 1995 г.
Патент RU 2140449, 1998 г.
Патент 2159287, 2000 г.
Патент RU 2391857, 2008 г.
Патент RU 2391859, 2007 г.
Патент RU 2243678, 2003 г.
Заявка RU 2007147178, 2007 г.
Патент RU 2159287, 2000 г.
Патент RU 2391857, 2008 г.
Патент RU 2183666, 2000 г.
Патент RU 2111253, 1996 г.
Патент RU 2220590, 2000 г.
Патент RU 2163076, 1999 г.
Патент RU 2478701, 2011 г.
Заявка RU 93027117, 1993 г.
Заявка RU2012142740, 2012 г.
Заявка RU 2006126544, 2006 г.
Заявка RU 93027117, 1993 г.
Патент ЕР 0169068, 1984 г.
Патент ЕР 1988169, 2007 г.
Заявка WO 2009129320, 2008 г.