Способ получения кормовой микробно-растительной добавки
METHOD FOR PRODUCING MICROBE PLANT SUPPLEMENT FOR ANIMALS

Область техники
Изобретение относится к биотехнологии и касается способа получения кормовой добавки биоконверсией сывороточных вод, мезги и нерастворимого остатка как вторичных продуктов глубокой переработки зернового сырья при выделении крахмала А и белковых концентратов.
Уровень техники
Животноводческие и птицеводческие хозяйства остро нуждаются в недорогих препаратах, обогащенных белком, аминокислотами, углеводами, липидами, минеральными веществами. В качестве кормовых добавок широко используется биомасса микроорганизмов, однако промышленное получение микробной биомассы в кормовых целях не соответствует возрастающим потребностям комбикормового производства.
Основными этапами микробиологического производства кормовых добавок являются получение питательной среды, подбор культуры продуцента биомассы и ее выращивание. Субстраты, применяемые для культивирования микроорганизмов, весьма разнообразны, это - растительные гидролизаты, спирты, n-парафины, природный газ и др. Получение питательного субстрата обычно представляет собой довольно длительный, трудоемкий, многоэтапный процесс с использованием значительного количества водных ресурсов и составляющих его компонентов. При этом биомасса, полученная на отдельных видах субстратов, требует дополнительной ее очистки.
Получение качественных кормовых добавок целесообразно осуществлять при использовании дешевого, доброкачественного сырья и упрощенного способа создания на его основе питательной среды, способствующей достижению максимальной продуктивности культуры продуцента. Таким требованиям отвечают сывороточные воды, мезга и нерастворимый остаток - отходы, образующиеся из зерновых культур после извлечения крахмала А и белковых концентратов, выделенных из экстракта, полученного после замачивания зерна злаковых культур и не имеющего в настоящее время практического применения.
По химическому составу сыворотка, сухая мезга и нерастворимый остаток экстракта представляют собой высококачественное сырье для использования в виде компонентов питательной среды.
Продуцентами микробной биомассы могут служить различные виды микроорганизмов: бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы, при подборе которых существенное значение имеет активность роста, продуктивность, технологичность и безопасность штамма.
Известен способ производства кормовых дрожжей, предусматривающий гидролиз растительного сырья - аспирационной пыли, собираемой на зерноперерабатывающих и комбикормовых предприятиях, 1-5% раствором серной кислоты при постоянном перемешивании в течение 85-95 мин, нейтрализацию гидролизата, добавление питательных солей, выращивание дрожжей, сепарирование, обезвоживание и сушку сусла [Пат РФ 2399291].
Однако способ отличается сложностью получения питательного субстрата, повышающей стоимость целевого продукта и присутствием ингибиторов роста дрожжей в составе гидролизата.
Известен способ получения белковой кормовой добавки, заключающийся в том, что питательную среду готовят путем внесения в послеспиртовую барду крахмалсодержащих отходов мукомольного производства, выдерживают смесь в течение 1 час при рН 4.0-5.5, температуре 60-100°С, вносят азот, фосфор и микроэлементы, выращивают дрожжи и бактерии, полученную биомассу высушивают [Пат РФ 2159287].
К недостаткам способа относится многокомпонентность и сложность приготовления питательной среды, значительный расход реагентов, использование при культивировании условно-патогенных дрожжей рода Candida.
Известен способ получения кормового белкового продукта на основе ферментолизата зернового сырья, способ предусматривает подготовку зернового сырья путем размалывания под давлением со сдвигом, приготовление водной суспензии с концентрацией СВ 15-16%, проведение ферментолиза с образованием глюкозы 10-13%, внесение источников азота и фосфора с получением питательной среды, внесение дрожжей Saccharomyces cerevisiae, выращивание, сгущение и сушку [Пат РФ 2562146].
Недостатками способа является использование ценного сырья - зерна и муки, трудоемкость подготовки сырья, измельчение, смешивание с водой в соотношении 1:5, потребление большого количества воды для приготовления питательной среды, использование размешивающих устройств, внесение дополнительных источников минеральных веществ, удорожающих конечный продукт Наиболее близким к предлагаемому способу является получение кормовой добавки из зерна тритикале, предусматривающее замачивание, дробление зерна, удаление из зернового экстракта плотной фракции, состоящей из белков, ферментативную обработку, выращивание дрожжей Saccharomyces cerevisiae с последующим высушиванием биомассы [Лукин Н.Д., Гольдштейн В.Г., Уланова Р.В., Кравченко И.К. Зерновой экстракт как сырье для получения кормовых добавок. Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. №12. С. 6-10].
Недостатками способа являются трудоемкость, низкая продуктивность штамма продуцента, невысокое содержание белка в добавке (13,9-18,1%), необходимость корректировки кислотности экстракта раствором щелочи, повышающие материальные и трудовые затраты.
Проблема заключается в создании способа получения дешевой, концентрированной, обладающей высокой кормовой ценностью, кормовой микробно-растительной добавки (КМРД) биоконверсией сывороточных вод, мезги и нерастворимого остатка, образующихся как вторичные продукты глубокой переработки зернового сырья при выделении крахмала А и белковых концентратов.
Технический результат достигается тем, что зерно тритикале или ячменя, или овса, или ржи замачивают водой, содержащей 0,1-0.2% диоксида серы или 0.40-0.45% пиросульфита натрия в течение 22-45 час при температуре 48-50°С, соотношении замочного раствора к массе зерна 2,0-2,5:1. Экстракт отделяют от замоченного зерна, извлекают из него растворимые белковые соединения, а высвободившиеся сывороточные воды с трансформированным до моносахаридов углеводным составом, содержащим СВ 6-20%, из них восстанавливающих Сахаров - 31,0-41,5% к СВ, засевают дрожжами и ферментируют. После окончания ферментации суспензию термически обрабатывают и высушивают.
В качестве продуцента биомассы применяют штамм Geotrichum candidum 977, который депонирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ) ФГБУ ГосНИИГенетики под регистрационным номером ВКПМ: Y-4300, обладающий способностью развиваться в широком диапазоне рН питательной среды (от 2,5 до 8,5), регулировать кислотность среды, активно подщелачивая кислый субстрат до высокощелочных значений, синтезировать протеолитические ферменты, или смесью культур Geotrichum candidum 977. Pichia kudriavzevii и Saccharomyces cerevisiae, составленной в любых соотношениях.
После окончания ферментации суспензию термически обрабатывают и высушивают.
Технический результат достигается также тем, что в сывороточные воды после извлечения белка из экстракта, вносят в любом соотношении: нерастворившийся остаток, образующийся в процессе извлечения белка из экстракта, и мезгу, остающуюся при получении крахмала А, суспензию перемешивают, пастеризуют и засевают дрожжами, после ферментации дрожжевую суспензию термически обрабатывают и высушивают.
Технический результат изобретения по эффективности получения и качеству новой концентрированной добавки достигается в результате:
- получения новой питательной среды с использованием дешевых, полноценных по составу, не требующих специальных приемов подготовки и дополняющих друг друга, сывороточных вод, нерастворимого остатка, высвобождающихся после извлечения белка из экстракта зерновых культур, и мезги, остающейся при выделении крахмала А;
- максимального повышения кормовой ценности концентрата путем введения в процесс биологической модификации сывороточных вод, нерастворимого остатка, мезги и культуры Geotrichum candidum 977, обладающей способностью корректировать рН питательного субстрата и синтезировать протеолитические ферменты, позволяющие перевести белки в доступные для переваривания формы, способные легко всасываться в пищеварительном тракте животных;
- расширение ресурсной базы для получения высококачественных питательных субстратов и спектра кормовых добавок, экономия водных ресурсов;
- решение проблемы утилизации сывороточных вод, нерастворимого остатка и мезги, богатых органическими соединениями; улучшение экологических показателей крахмалопаточного производства;
- замена дорогостоящей очистки промышленных стоков на получение хозяйственно ценных кормовых концентратов.
Сыворотка, оставшаяся от выделения крахмала и белка, содержит 6,0-20,0% СВ, в составе которых восстанавливающих Сахаров - 31,0-41,5%, небелковых и белковых азотистых соединений - 2,50-3,90%. Восстанавливающие сахара сыворотки представлены легкоусвояемыми микроорганизмами: гексозами (глюкоза, фруктоза, галактоза), пентозами (арабиноза, ксилоза), дисахаридами (мальтоза, сахароза) и олигосахаридами.
Нерастворимый остаток, образующийся в процессе получения белка, включает 5,2-10,5% СВ, которые состоят на 94,4% из набухших гемицеллюлоз и 2,5% восстанавливающих Сахаров.
Мезга, высвобождающаяся при получении крахмала А, содержит 86,0-87,0% СВ, из них - 21,0-29,0% восстанавливающих Сахаров.
Некрахмальные полисахариды нерастворимого остатка и мезги в процессе технологической переработки зерна под воздействием комплекса ферментов, гидролизуются на более мелкие фрагменты и служат питательными компонентами для микроорганизмов.
Высокая ценность химического состава предлагаемого нового питательного субстрата, составленного на основе сывороточных вод, нерастворимого осадка и мезги исключает дополнительное обогащение питательной среды биологически активными компонентами и ростовыми факторами, стимулирующими рост микроорганизмов, что значительно удешевляет и упрощает технологический процесс.
Способ предусматривает следующие технологические операции:
Сухое, очищенное, взвешенное зерно тритикале или ячменя, или овса, или ржи замачивают водой, содержащей 0,1-0,2% диоксида серы или 0,40-0,45% пиросульфита натрия в течение 22-45 час при температуре 48-50°С, соотношении замочного раствора к массе зерна 2,0-2,5:1 и постоянно циркулирующей замочной воды. После окончания замачивания замочные воды с рН 5,0-5,6 отделяют от замоченного зерна (экстракт), удаляют из него белковые компоненты любым известным способом, в высвободившиеся сывороточные воды, содержащие сухих веществ (СВ) 6-20%, с трансформированным в процессе замачивания и извлечения белка углеводным составом, в котором восстанавливающих Сахаров - 31,0-41,5% к СВ, добавляют нерастворимый остаток в количестве 2-5% к массе сывороточных вод, мезгу в количестве 2-7% к массе сывороточных вод, засевают 5-10% суспензии, состоящей из монокультур дрожжеподобного гриба Geotrichum candidum 977, или Pichia kudriavzevii, или Saccharomyces cerevisiae или их смеси, составленной в любом соотношении, суспензию перемешивают и ферментируют в условиях качалки при температуре 26-28°С в течение 2-5 суток. После окончания ферментации суспензию термически обрабатывают при 80-100°С в течение 5-20 мин и высушивают любым известным способом до влажности 6-7%.
Пример 1.
Сухое, очищенное, взвешенное зерно тритикале замачивают водой, содержащей 0,15% диоксида серы в течение 30 час при температуре 45°С, соотношении замочного раствора к массе зерна 2,0-2,5:1 и постоянно циркулирующей замочной воды.
После окончания замачивания замочные воды с рН 5,4 отделяют от замоченного зерна (экстракт), удаляют из него белковые компоненты любым известным способом, в высвободившиеся сывороточные воды, содержащие СВ 6%, с трансформированным в процессе замачивания и извлечения белка углеводным составом, в котором восстанавливающих Сахаров - 31,0% к СВ, добавляют нерастворимый остаток в количестве 2% к массе сывороточных вод, мезгу в количестве 4% к массе сывороточных вод, суспензию перемешивают, пастеризуют, засевают 5% суспензии культуры Geotrichum candidum 977, выращивают в течение 24 час при постоянном перемешивании. После окончания ферментации микробную суспензию термически обрабатывают при 80-100°С в течение 5-20 мин и высушивают любым известным способом до влажности 6-7%.
Высушенная кормовая добавка представляет собой рассыпчатый порошок, светло-кремового цвета, с приятным запахом зерна и дрожжей. Добавка содержит на СВ: белка 22,0%, углеводов 46,2%, липидов 25,1%, макро- и микроэлементов 6,7%.
Пример 2.
Сухое, очищенное, взвешенное зерно овса замачивают водой, содержащей 0,15% диоксида серы, в течение 22 час при температуре 50°С, соотношении замочного раствора к массе зерна 2,0-2,3:0,8 и постоянно циркулирующей замочной воды.
После окончания замачивания замэчные воды с рН 5,5 отделяют от замоченного зерна (экстракт), удаляют из него белковые компоненты любым известным способом, в высвободившиеся сывороточные воды, содержащие СВ 10%, с трансформированным в процессе замачивания и извлечения белка углеводным составом, в котором восстанавливающих Сахаров - 35,5% к СВ, добавляют нерастворимый остаток в количестве 3% к массе сывороточных вод, мезгу в количестве 5% к массе сывороточных вод, суспензию перемешивают, пастеризуют, засевают 7% суспензии культур Geotrichum candidum 977, Pichia kudriavzevii и Saccharomyces cerevisiae в соотношении 1:1:1, выращивают в течение 30 час при постоянном перемешивании. После окончания ферментации микробную суспензию термически обрабатывают при 80-100°С в течение 5-20 мин и высушивают любым известным способом до влажности 6-7%.
Высушенная кормовая добавка представляет собой рассыпчатый порошок, светло-кремового цвета, с приятным запахом зерна и дрожжей. Добавка содержит на СВ: белка 28,0%, углеводов 44,5%, липидов 19,5%, макро- и микроэлементов 8,0%).
Пример 3.
Сухое, очищенное, взвешенное зерно ячменя направляют в емкости, где зерно замачивается водой, содержащей 0,45% пиросульфита натрия. Замачивание ведется в течение 43 час при температуре 49°С, соотношении замочного раствора к массе зерна 2,0-2,3:1 и постоянно циркулирующей замочной воды.
После окончания замачивания замочные воды с рН 5,6 отделяют от замоченного зерна (экстракт), удаляют из него белковые компоненты любым известным способом, в высвободившиеся сывороточные воды, содержащие СВ 15%, с трансформированным в процессе замачивания и извлечения белка углеводным составом, в котором восстанавливающих Сахаров - 37,0% к СВ, добавляют нерастворимый остаток в количестве 5% к массе сывороточных вод, мезгу в количестве 2% к массе сывороточных вод, суспензию перемешивают, пастеризуют, засевают 9% суспензии культур Geotrichum candidum 977 и Saccharomyces cerevisiae в соотношении 2:1, выращивают в течение 30 час при постоянном перемешивании. После окончания ферментации микробную суспензию подвергают термической обработке при 80-100°С в течение 5-20 мин и высушивают любым известным способом до влажности 6-7%.
Высушенная кормовая добавка представляет собой рассыпчатый порошок, светло-кремового цвета, с приятным запахом зерна и дрожжей. Добавка содержит на СВ: белка 30,0%, углеводов 45,2%, липидов 18,1%, макро- и микроэлементов 6,7%.
Пример 4.
Сухое, очищенное, взвешенное зерно ржи направляют в емкости, где зерно замачивается водой, содержащей 0,40% пиросульфита натрия. Замачивание ведется в течение 40 час при температуре 49°С, соотношении замочного раствора к массе зерна 2,0-2,3:1 и постоянно циркулирующей замочной воды.
После окончания замачивания замочные воды с рН 5,6 отделяют от замоченного зерна (экстракт), удаляют из него белковые компоненты любым известным способом, в высвободившиеся сывороточные воды, содержащие СВ 20%, с трансформированным в процессе замачивания и извлечения белка углеводным составом, в котором восстанавливающих Сахаров - 41,5% к СВ, добавляют нерастворимый остаток в количестве 5% к массе сывороточных вод, мезгу в количестве 7% к массе сывороточных вод, суспензию перемешивают, пастеризуют, засевают 10% суспензии культур Geotrichum candidum 977 и Saccharomyces cerevisiae в соотношении 3:1, выращивают в течение 72 час при постоянном перемешивании. После окончания ферментации микробную суспензию подвергают термической обработке при 80-100°С в течение 5-20 мин и высушивают любым известным способом до влажности 6-7%.
Высушенная кормовая добавка представляет собой рассыпчатый порошок, светло-кремового цвета, с приятным запахом зерна и дрожжей. Добавка содержит на СВ: белка 27,0%, углеводов 47,2%, липидов 19,1%, микро- и макроэлементов 6,7%.
Белок КМРЛ добавки содержит 18 аминокислот, в том числе все 8 незаменимые аминокислоты. Из заменимых аминокислот в составе белка преобладают аспарагиновая, глютаминовая кислоты, аланин, из незаменимых - дефицитные лизин, треонин, лейцин (фиг. 1).
КМРД. полученная биотехнологической модификацией вторичных продуктов глубокой переработки зерновых культур на крахмал и белковый концентрат, помимо ценного белка, содержит качественный углеводный и липидный состав (фиг. 2). Добавка содержит легко усваиваемые пентозы (фиг. 2). в частности, ксилозу, арабинозу, сорбит и олигосахариды (мтриозу, мтетрозу, раффинозу), которые активно участвуют в регулировании обмена веществ и являются доступными источниками энергии в организме; недостаток таких углеводов приводит к снижению продуктивности животных. Липиды обладая, высокой энергетической ценностью, необходимы для нормального обмена веществ в организме животного при синтезе гормонов, витаминов. Из группового состава липидов в кормовой добавке содержатся триацил-, моно-, диацилглицерины, свободные жирные кислоты и биологически активные вещества: фосфолипиды, стерины и их эфиры (эргостерол и др.), на долю которых, без учета незаменимых жирных кислот, приходится 44,1% (фиг. 2). Жирнокислотный состав липидов включает 27% насыщенных и 73% ненасыщенных жирных кислот, что приближает кормовой концентрат к растительным маслам (соевому маслу). Содержание насыщенных жирных кислот в общем составе КМРД приближается к 30%, соотношение насыщенные: моноеиовые: полиеиовые жирные кислоты, равное 27:30:43, также приближается к требованиям питания даже для людей (30:20:50). Среди жирных кислот присутствует линолевая кислота (семейство омега-6), значительно меньше содержится линоленовой кислоты (семейство омега-3). Обнаружено наличие двух сложных эфиров жирных кислот.
Использование предлагаемого способа получения кормовой микробно-растительной добавки биоконверсией сывороточных вод, мезги и нерастворимого остатка как вторичных продуктов глубокой переработки зернового сырья при выделении крахмала А и белковых концентратов по сравнению с прототипом позволит увеличить содержание белка в добавке с 13,9-18,1% до 22-30% за счет более высокой продуктивности штаммов продуцентов и исключить стадию корректировки кислотности экстракта раствором щелочи, что понижает материальные и трудовые затраты.