СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВОЙ БЕЛКОВОЙ ДОБАВКИ С ВЫСОКОЙ УСВАИВАЕМОСТЬЮ ИЗ ПЕРО-ПУХОВОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ДОМАШНИХ ЖИВОТНЫХ И ПТИЦЫ НА ОСНОВЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ
METHOD TO PRODUCE FODDER PROTEIN ADDITIVE WITH HIGH DIGESTIBILITY FROM FEATHER AND DOWN RAW MATERIALS FOR DOMESTIC ANIMALS AND POULTRY BASED ON SHORT-TERM HIGH-TEMPERATURE TREATMENT

Изобретение относится к кормопроизводству и может быть использовано на предприятиях по переработке непищевых отходов животноводства. В качестве источника белка для кормления птицы и сельскохозяйственных животных используют отходы кератинсодержащего сырья, например отходы птицеперерабатывающей промышленности, отходы потрошения птицы: перо, пух, кровь, головы, крылья, потроха и т.д.
Среди отходов потрошения птицы практически 50% белка содержится в перо - пуховом сырье.
Белок пера - кератин (от греческого keras - рог) - с давних пор привлекал внимание исследователей. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что основной структурой кератина является спираль. Две спирали, обвивая друг друга и соединяясь между собой водородными и дисульфидными связями, образуют протофибриллу, единую левую суперспираль. Суперспирализованные димеры кератина объединяются в тетрамеры, которые агрегируют, с образованием протофибрилл диаметром 3 нм. Протофибриллы, соединенные в одиннадцатижильный канат, образуют микрофибриллу. Наконец, восемь протофибрилл образуют микрофибриллы диаметром 10 нм. Последние погружены в аморфный матрикс, отличающийся высоким содержанием серосодержащих соединений. Несколько сотен микрофибрилл образуют пучок, который под микроскопом выглядит как макрофибрилла.
Для кератинов типичным показателем является большое количество серы (2-6%), что обусловлено высоким содержанием серусодержащих аминокислот - цистеина и метионина. Не менее важную роль, наряду с цистеином, играет цистин как восстановительная система при дыхании клеток. При этом тиоловые группы двух молекул цистеина легко окисляются и, соединяясь между собой, образуют дисульфидную группу цистина. Преобладание процессов окисления над восстановлением способствует процессу кератинизации (ороговению).
В результате наличия большого числа дисульфидных мостиков между соседними пептидными цепями кератин отличается высокой прочностью и устойчивостью к воздействию различных химических (вода, эфиры, спирты, растворы солей, слабые кислоты и щелочи) и физических (свет, температура) факторов; не расщепляется ферментами пищеварительных соков человека, животных и птицы; практически не усвояем [1, 2, 3].
Исследования показали, что действительная перевариваемость и биологическая ценность муки из перо-пухового сырья зависят от способа обработки.
Основными способами перевода кератина в растворимое (усваиваемое) состояние являются гидротермический, кислотный, щелочной и ферментативный. Кроме перечисленных выше способов гидролиза для перевода кератинсодержащего сырья в растворимое состояние, используют такие соединения, как мочевина, сульфиды натрия, тиогликолят натрия, меркаптоэтанол, углекислый натрий, диметилформамид, диметилсульфоксид и т.д. [4, 5], однако подобные способы имеют больше исследовательский, чем практический характер.
Глубокий кислотный гидролиз кератина пера приводит к разрыву всех молекулярных связей, возможен даже гидролиз до получения смеси свободных аминокислот. Но при этом практически полностью разрушается триптофан и (частично) серин и треонин, аспарагин и глутамин превращаются соответственно в аспарагиновую и глутаминовую кислоты, а освобождающийся аммиак образует соответствующую соль аммония [6].
На основании полученных экспериментальных данных установлено, что глубокий щелочной гидролиз кератинов приводит к разрушению таких аминокислот, как метионин, цистеин и цистин, к частичной рацемизации аминокислот и образованию циклопептидов (при pH свыше 12 и температуре свыше 90°С). Глубокий щелочной гидролиз сопровождается также образованием аммиака и альдегидов, которые вступают в реакцию конденсации с аминогруппами [7, 8].
Анализ накопленного опыта позволяет сделать вывод, что жесткие режимы химических способов обработки приводят к потерям незаменимых аминокислот, рацемизации аминокислот белковых гидролизатов, образованию циклопептидов и снижению биологической ценности конечных продуктов.
Наибольшее распространение получил гидротермический способ. Кератин эластичен, способен растягиваться при обработке горячим паром и сокращаться при высушивании, что объясняется переходом спирализованного α-кератина в β-кератин, имеющий β-складчатую структуру. Механизм перехода связан с проникновением молекул воды внутрь фибриллярной структуры и их конкуренции при образовании водородных связей. При этом происходит уменьшение числа межмолекулярных водородных связей в белке. Чем выше температура, тем меньше число межмолекулярных водородных связей, то есть меньше прочность исходного кератина.
Несмотря на то, что гидротермическим способам обработки кератинсодержащего сырья посвящено большое число публикаций, конечные результаты (усвояемость животными и птицей) имеют большой разброс. В последние годы благодаря тонким химическим исследованиям и исследованиям на животных и птице доказано, что гидролиз кератина в водной среде наиболее эффективен при температурах свыше 150°С [9, 10, 11]. Обработка кератинсодержащего сырья при более низких температурах даже в течение продолжительного срока практически бесполезна с позиции усвояемости животными и птицей.
Известен способ обработки перо-пухового сырья при температуре 185°С в специальных аппаратах высокого давления (0,8-1,0 мПа) до полного растворения (12). Это закрытые аппараты периодического действия, поэтому они не нашли широкого практического применения.
Известен способ переработки кератинсодержащего сырья на корм животным, включающий гидролиз сырья путем водно-тепловой обработки. Перед гидролизом сырье измельчают, гидролиз проводят при температуре 120-140°С в течение 20-40 минут, с последующим экструдированием при давлении 4,0-5,0 мПа в течение 15-30 секунд (13). Недостатком этого способа является возможность проведения экструзии при влажности сырья не выше 35%, большой расход пара температурной обработки и продолжительность процесса, при этом снижается биологическая ценность конечного продукта.
Известен способ производства мясной муки, включающий чередование циклов механического сжатия сырья с одновременным измельчением и тепловой обработкой сырья и вакуумирования (14). Однако этим способом невозможно получить кормовой продукт из пера, т.к. отсутствует механизм тонкого измельчения пера.
Близким способом обработки пера является способ, при котором измельченное перо подвергают влаготепловой обработке при температуре 180-240°С в течение 2-10 минут с быстрым переводом в атмосферу с низким давлением. При этом происходит гидротермический гидролиз пера и его стерилизация (15). Однако этот способ также имеет недостатки, в частности требуется использование дорогостоящего оборудования и значительные энергетические затраты.
Наиболее близким способом является способ, при котором предусматривают нагрев, стерилизацию и сушку, используют сырье исходной влажности 35-95%, далее осуществляют уплотнение и нагрев в канале смесителя - измельчителя при непрерывной подаче, при давлении 0,4-10,0 мПа и температуре сырья 60-120°С с последующей гидротермической обработкой сырья при температуре 150-250°С в течение 5-300 секунд с одновременным тонким измельчением и истиранием, затем переработанное сырье выводят в зону атмосферного давления, причем процесс тонкого измельчения и водный гидролиз кератина совмещены и проходят в тонком слое до 20 миллиметров.
В результате перевариваемость получаемой белковой кормовой добавки из перо-пухового сырья достигает 80,3% (16).
В связи с тем, что за последние годы повысились требования к качеству кормовой белковой муки из перо-пухового сырья и составили по переваримости не ниже 85% потребовалась разработка более эффективного способа переработки.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности технологического процесса, снижение затрат, улучшение качества белковой добавки, исключающей использования дополнительных химических реагентов.
Эта задача решается тем, что в способе получения кормовой белковой муки из перо-пухового сырья, предусматривающий в нагреве и измельчении исходного сырья, стерилизации и сушке, при этом влажность сырья составляет 30-75%, давление на начальном этапе составляет 0,5-5,0 мПа, температура 60-120°С, с последующей высокотемпературной гидротермической обработкой сырья в два этапа при температуре 180-200°С в течение 5-90 секунд и при 200-250°С в течение 180-360 с с одновременным тонким измельчением и истиранием, затем выводом сырья в зону атмосферного давления. Процесс ведется в тонком слое толщиной в 30 мм, что позволяет повысить производительность оборудования в 1.5 раза по сравнению с наиболее близким способом. Способ позволяет снизить затраты энергии и повысить переваримость муки кормовой гидролизованной из пера до 85%.
Влажное перо после отделения избытка воды, необходимой для транспортировки пера из убойного цеха, с помощью пресса (влажность пера около 50%), подается в приемный бункер с вращением шнеков в противоположных направлениях. Захваченное шнеками перо подается в канал, имеющий форму, образованную двумя или более пересекающимися параллельными цилиндрами.
Стенки канала обогреваются теплоносителем. Вода, находящаяся в перо-пуховой массе, вскипает в пристеночном слое. Пар мгновенно пронизывает всю толщу пера, конденсируется в глубине перьевой массы, и, таким образом, передает тепло в глубину за счет передачи скрытой теплоты парообразования. Конденсат вновь попадает на стенку и снова испаряется. Одновременно с нагревом шнеки истирают перо, измельчают его и постепенно уплотняют. При нагреве пера существенно снижается его механическая прочность и упрощается его измельчение.
Уплотнение пера осуществляется изменением (уменьшением) производительности шнеков. Для получения надежной пробки в канале необходимо уменьшить производительность шнеков по сравнению с производительностью в бункере в 8-10 раз. Кроме того, в зоне максимального поджатия на валы устанавливаются шнеки с обратным направлением витка, т.е. работающим в обратном направлении. Место в канале, где получается максимальное уплотнение пера, определяется таким образом, что температура пера в этом месте должна находиться в пределах 60-120°С. После получения пробки происходит повышение температуры пера, его измельчение и дальнейшее повышение давления. Измельчение пера происходит в тонком слое до 30 мм. Кроме того, шнеки выполняют транспортную функцию - перемещают перо (сырье) внутри канала, при заданных параметрах - температура 180-200°С, давление от 0.5 мПа до 15.0 мПа.
Время проведения первой фазы гидролиза кератина составляет 5-90 с.
Вторая фаза - высокотемпературный гидролиз кератина осуществляется в течение 90-270 с при давлении 5-15 мПа и температуре 180-250°C.
При уменьшении или увеличении параметров температуры, давления и временных параметров технический результат не достигается.
При сокращении времени тепловой обработки, снижении температуры и давлении ниже указанных параметров степень гидролиза кератина снижается. При повышении температуры, давления и продолжительности тепловой обработки выше указанных параметров возникают пригары пера в рабочей зоне и ухудшается качество гидролизованной кормовой муки из пера.
В технологическом процессе дополнительно не используются химические соединения, повышающие гидролиз кератина (щелочи, кислоты, соли, мочевина и др. реагенты).
Переваримость гидролизованной кормовой муки достигает 85% без использования химических реагентов.
Наличие в установке 4-х секций позволяет разделить функции, упростить конструкцию и технологии изготовления. 1-я секция - захватывающий бункер со шнеками, осуществляющими предварительное измельчение с предварительным нагревом. 2-я секция - дальнейший нагрев, уплотнение до получения надежной пробки и более тщательное измельчение пера. 3-я - измельчение пера, его дальнейший нагрев, 4-я секция выдержка заданной продолжительности высокотемпературного водного гидролиза. Все четыре секции выполнены в виде схожих каналов, имеющих форму, образованную двумя или более пересекающимися параллельными цилиндрами, в которых вращаются шнеки. В первой секции вращение в противоположные стороны, во второй, третьей и четвертой - в одном направлении. В конце 4-й секции расположен клапан - устройство, позволяющее вывести из зоны высокого давления и температуры переработанное перо в приемную емкость с атмосферным давлением. Это устройство представляет собой объемный насос и препятствует объемному вскипанию жидкости в канале и снижению температуры. После процесса обработки получают рассыпчатую мелкоизмельченную фракцию (порошок), которую можно использовать для кормления птицы и других видов животных без дополнительного подсушивания.
Без использования нагрева сырья мощность на измельчение составляла 120 кВт. При установке обогревательных рубашек рабочей зоны и нагреве сырья до температуры 120°С процесс измельчения протекал при потребляемой мощности 5 кВт, а при нагреве сырья до температуры 210°С потребляемая мощность двигателя уменьшилась в 18-20 раз.
В таблице 1 приведены результаты стерилизующего эффекта.
Таблица 1
Динамика общей обсемененности технических отходов потрошения птицы при разных режимах обработки
№п/п
Наименование сырья, продолжительность нагрева, сек
Общая обсемененность, 1·10<sup>6</sup> KOE/г
Температура, °С
120
130
140
150
160
170
180
Перо-пуховые отходы
0
9800
10
1010
7,5
0,2
0,1
0,01
0.001
0.001
20
0,1
0,06
0,01
0,001
0,001
-
-
30
0,03
0,01
0,001
-
-
-
-
40
0,01
0,001
-
-
-
-
-
Как видно из представленных в таблице данных, промышленная стерильность отходов потрошения птицы достигается при температурах 170-180°С через 10 секунд высокотемпературного нагрева.
Кратковременная обработка при температуре 150-180°С не ухудшает качество жира и обеспечивает максимальную сохранность незаменимых аминокислот.
В таблице 2 представлены результаты исследований переваримости конечного продукта в зависимости от температуры нагрева.
Таблица 2
Зависимость переваримости конечного продукта от температуры нагрева
№ п/п
Наименование образца
Температура нагрева, °С
Переваримость, "in vitro", %
1
Образец пера №1
130
32.1
2
Образец пера №2
150
46.3
3
Образец пера №3
170
75.6
4
Образец пера №4
190
85.7
5
Образец пера №5
200
86.5
В таблице 3 представлены результаты исследований по давлению пара в рабочей нагрева зоне.
Таблица 3
Зависимость переваримости конечного продукта от давления в рабочей зоне нагрева
№ п/п
Наименование образца
Давление пара в рабочей зоне, мПа
Переваримость "in vitro", %
1
Образец пера №1
0.3
20.2
2
Образец пера №2
0.5
36.2
3
Образец пера №3
0.7
43.8
4
Образец пера №4
1.0
59.2
5
Образец пера №5
1.6
70.3
6
Образец пера №6
3.0
75.1
7
Образец пера №7
5.0
80.1
Оптимальные показатели перового продукта в результате гидротермической обработки в рабочей зоне (переваримость "in vitro" 80.1%) получены при температуре нагрева 180°С, давлении 1.6 мПа и продолжительности обработки 90 секунд.
В таблице 4 представлены результаты исследований по давлению пара в зоне интенсивного нагрева и гидротермического гидролиза.
Таблица 4
Зависимость переваримости конечного продукта от давления в зоне интенсивного нагрева и гидротермического гидролиза
№ п/п
Наименование образца
Давление пара в зоне, мПа
Переваримость "in vitro", %
1
Образец пера №1
6.0
84.2
2
Образец пера №2
7.0
85.0
3
Образец пера №3
8.0
85.7
4
Образец пера №4
10.0
85.9
5
Образец пера №5
15.0
86.1
Оптимальные показатели перового продукта в результате гидротермической обработки в зоне интенсивного нагрева и гидротермического нагрева (переваримость "in vitro" 85.0%) получены при температуре нагрева 210°С, давлении 8.0 мПа и продолжительности обработки 120 секунд.
Дальнейшие исследования проводились с указанным выше образцом.
Результаты исследований по молекулярно-массовому распределению показали, что при кратковременной высокотемпературной обработке белковые соединения затронуты гидролизными процессами значительно глубже, чем при гидротермической обработке по общепринятой технологии.
В таблице 5 приведен аминокислотный состав кормовой белковой добавки из пера.
Таблица 5
Аминокислотный состав кормовой белковой добавки из пера
№ пп
Наименование аминокислоты
Содержание аминокислот г/100 г продукта
Содержание аминокислот г/100 г белка
1
Лизин
1.69
1.99
2
Гистидин
0.98
1.15
3
Аргинин
5.70
6.71
4
Аспарагиновая кислота
6.14
7.22
5
Треонин
4.34
5.11
6
Серии
9.78
11.51
7
Глутаминовая кислота
10.41
12.25
8
Пролин
6.52
7.67
9
Глицин
6.06
7.13
10
Аланин
3.68
4.33
11
Цистин
4.57
5.38
12
Валин
5.15
6.06
13
Метионин
0.99
1.16
14
Изолейцин
3.50
4.12
15
Лейцин
6.60
7.76
16
Тирозин
2.46
2.89
17
Фенилаланин
3.63
4.27
Сумма аминокислот
90.0
Аминокислотный состав подтверждает высокую биологическую ценность кормовой белковой добавки из пера, полученной по заявляемому способу обработки.
Также проведены исследования по определению относительной биологической ценности кормовой белковой добавки из пера микробиологическим методом. Результаты исследований приведены в таблице 6.
Таблица 6
Относительная биологическая ценность (ОБЦ) кормовой белковой добавки из пера (микробиологический метод)
№ п/п
Наименование образцов
Перевариваемость, in vitro, %
Кол-во инфузорий, в 1 мл·10<sup>4</sup>
ОБЦ, % к казеину
1
Казеин (контроль)
-
27,0
-
2
Кормовая добавка из пера (прототип)
80.1
21.3
82.0
3
Кормовая белковая добавка из пера (опыт)
85.0
25,6
94,0
Результаты, полученные в исследованиях с тетрахименой пириформис, показали, что относительная биологическая ценность (ОБЦ) кормовой белковой добавки из пера (опыт) выше, чем из кормовой добавки из пера (прототип).
В таблице 7 приведены результаты (зоотехнические показатели) по скармливанию кормовой белковой добавки из пера бройлерам (КБДП)).
Таблица 7
Зоотехнические показатели по использованию кормовой белковой добавки из пера бройлерам
№ п/п
Наименование показателей
Контрольная группа
Опытная группа 1 (замена 50% рыбной муки на КБДП)
Опытная группа 2 (100% замена рыбной муки на КБДП))
1
Живая масса в суточном возрасте, г
49.5
49.6
49.2
2
Живая масса в возрасте 38 дней, г
2253.5
2398.0
2238
3
Среднесуточные привесы, г
58.0
61.8
57.6
4
Расход корма на 1 кг прироста живой массы, кг
1.519
1.450
1.560
5
Расход корма на 1 голову, кг
3.34
3.40
3.41
6
Расход рыбной муки на 1 голову за период откорма, г
231.7
136.0
-
7
Расход мясокостной муки на 1 голову за период откорма, г
133.9
-
-
8
Расход белковой добавки из пера на 1 голову за период откорма, г
-
136.0
272.0
9
Экономия рыбной муки на 1 голову за период откорма, г
-
136.0
272.0
10
Переваримость протеина, %
88.0
89.3
87.6
11
Использование азота, %
47.4
47.8
46.7
12
Доступность лизина, %
82.6
83.6
82.0
13
Доступность метионина,%
80.4
80.6
79.2
14
Переваримость жира, %
78.0
78.2
78.5
Испытания кормовой белковой добавки из пера на бройлерах показали ее высокую биологическую ценность и возможность замены рыбной муки в кормовых рационах. Реализация предлагаемого способа переработки перо-пухового сырья позволит перевести кератин пера в усваиваемую форму, тем самым снизить потребность в рыбной муке в 2 раза.
Источники информации
1. Справочник по производству пищевых животных жиров. / С.Г.Либерман, В.П., Петровский // М.: Пищевая промышленность, 1972. с 488.
2. Ж. Мясная индустрия, Обзор, инф., М., 1980, с 28.
3. Ж. Мясная индустрия, 1981, №11, с 32-35.
4. Ж. Мясная индустрия СССР, 1978, №5, с 25-27.
5. Ж.Мясная индустрия, 1981, №8, с 33-38.
6. Yeda Res. and Development Co.,. Patent Israeli, N30 520, 1971.
7. Ж. Мясная индустрия СССР,1981, №11, с 32-35.
8. Ж. Мясная индустрия СССР, 1981, №12, с 30-32.
9. Патент 4232123 США МКИ, Заявлено 9.06.78, Опубл. 04.11.80., НГКИ 452-459.
10. М.: ЦНИИТЭИ, Мясная промышленность (экспресс-информация), 1982, №14, с 37-47.
11. Вестник с.-х. науки. 1980. N12. с 119-121.
12. FZ 2241257, (Rybak Boris), 21.03.75.
13. SU 1757580 A1, 30.08.1992.
14. SU 627810 A, 15.10.78 (УНИИ птицеводства и др.).
15. US 4203892, 20.05.80.
16. RU 2279810 C2.