Солома - отход агропромышленного комплекса как перспективное сырье для получения кормовых и белковых препаратов

УДК 663.1

Р. Т. Валеева, О. В. Красильникова, М. Ю. Шурбина, Э. И. Нуретдинова

СОЛОМА - ОТХОД АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВЫХ И БЕЛКОВЫХ ПРЕПАРАТОВ

Ключевые слова: солома, гидролизаты, кормовые и белковые препараты, дрожжи.

Проведен литературный обзор работ направленных на изменение кормовой базы за счет получения кормовых и белковых препаратов из вторичных отходов агропромышленного комплекса - соломы. Проанализированы перспективные технологические способы переработки соломы

Key words: straw, hydrolyzate, fodder and protein preparations, fodder yeast.

Spend a literature review of works aimed at changing the forage base by producing fodder and protein preparations of secondary waste of agroindustrial complex, in particular straw. In this article analyzed perspective technological methods of recycle straw.

Во всех странах мира в последние годы отмечается большой дефицит кормового белка для животноводства, частично покрывающийся увеличением производства растительного протеина, содержащегося в сельскохозяйственных кормовых культурах: зерне, люцерне, сое, а также выпуском рыбной и мясной муки.

В сложившейся ситуации необходимо качественное изменение характера кормовой базы за счет создания и применения, экологически безопасных и эффективных биологически активных кормовых продуктов из вторичных отходов, образующихся при переработке растительного сырья в производствах агропромышленного комплекса [1].

Имеющиеся в открытой печати литературные данные подтверждают целесообразность переработки отходов сельскохозяйственного производства, в частности, соломы зерновых культур в ценные кормовые продукты с улучшенными питательными свойствами. Подобными исследованиями в разное время занимались многие ученые: Беловежец Л. А., Бойко И.И., Борисенков М.Ф., Громов С.И., Ездаков Н.В., Зафрен С.Я., Леснов П.А., Леснов А.П., Панфилов В.И., Саловарова В.П., Сушкова В.И., Тарабукин Д.В., Эрнст Л.К., Bisaría V.S., Kristensen J.B., Lijuan G., Mosier N., Santos A.L.F. [2-17].

Наращивание темпов экономического развития в сельском хозяйстве все более ведет к обострению проблемы использования и утилизации сопутствующих отходов. Крайне нерационально используются солома и любые другие отходы растениеводства, однако, количество растительных отходов в несколько раз превосходит долю целевой выращенной продукции [18]. При этом чаще всего солому сжигают или запахивают (вносят) в землю [19].

Внесенная в почву солома разлагается довольно медленно, что не обеспечивает повышение урожайности [20] так как это приводит к тому, что азот в почве, так необходимый растениям, используется не для питания корневой системы, а для процессов разложения органических остатков [21-22]. Таким образом, объемы производства

сырья, малоиспользуемого, но потенциально пригодного для кормовых целей, многократно превосходят объемы специально производимых фуражных компонентов. А количество кормов, которое может быть получено из не используемых отходов, значительно превосходит общую потребность в кормах сырьевых регионов [23].

Основной причиной указанных явлений является недостаточная изученность химического состава и свойств побочных продуктов, сезонность образования, а также отсутствие экономически эффективных технологий переработки указанных отходов. Так сотрудники УО БГТУ г. Минск, Республика Беларусь ведут большие работы по изучению химического состава и свойств наиболее распространенных отходов сельскохозяйственного производства и имеют значительный опыт в разработке новых и совершенствовании существующих технологических схем переработки отходов сельского хозяйства [24].

Целью другого исследования [25] являлось изучение химического состава и биологической ценности отходов сельскохозяйственного производства - соломы гречихи для обоснования возможности использования их при получении белково-углеводных кормов. Ферментативный гидролиз авторы проводили с использованием 0,5% раствором целловиридина Г20х, а обогащение микробным протеином - гетерофазным глубинным культивированием дрожжей Saccharomyces cerevisiae на ферментализатах и методом биотестирования установлена токсикологическая безопасность полученных кормов.

Накоплен большой отечественный и зарубежный опыт по разработке теоретических обоснований и практических приемов повышения энергетической ценности потенциальных кормовых средств, в том числе отходов растениеводства. В большинстве случаев пожнивные отходы требуют предварительной подготовки. Известны различные способы обработки растительных материалов, в частности соломы злаковых культур, которые предполагают либо улучшение поедаемости, либо, в лучшем случае, повышение перевариваемости питательных веществ. Авторами работы

разработана технология получения корма из соломы злаковых культур [26], позволяющая получать кормовой продукт улучшенной поедаемости с повышенной перевариваемостью питательных веществ по сравнению с необработанной соломой, обогащенной необходимыми для организма животного микро- и макроэлементами.

В работах [27-28] авторов рассматривается потенциал использования соломы в качестве кормов и сырья для их изготовления, а так же методы предварительной обработки соломы.

Авторами работы [28,] проведены исследования кормовых средств, используемых в зоне Южного Урала, и показано, что различные корма имеют разные расщепляемость и растворимость сырого протеина, т. е. качество протеина грубых кормов отличается между собой. Так, солома имеет более низкую распадаемость протеина в рубце, чем сено, в среднем на 21,5-40,0%. В частности, растворимость протеина пшеничной, ячменной и ржаной соломы составляла 22,1, 21,2 и 22,1%, что ниже, чем в просяной соответственно на 3,7, 5,0 и 4,0%. Показатель расщепляемости протеина изменялся аналогичным образом и был выше у просяной соломы по отношению к ячменной, ржаной и пшеничной соответственно на 6,0, 3,0 и 3,1% [28].

Однако использование соломы в качестве корма для животных сдерживается её низкой питательностью, слабой биологической ценностью, она плохо усваивается животными. Один килограмм соломы содержит 0,20-0,30 кормовых единиц, 5-12 г перевариваемого протеина. В то же время содержание валовой энергии в 1 кг сухого вещества соломы и зерна примерно одинаково. Органическое вещество соломы состоит на 80-90% из клетчатки и безазотистых экстрактивных веществ, соединенных в прочный лигнин-целлюлозный комплекс, который слабо поддается воздействию бактериальных ферментов желудочно-кишечного тракта животных. Воздействуя на солому физическими, химическими методами, разрушающими лигнин-целлюлозный комплекс [29-33], можно повысить питательность соломы. Эти приемы использовались еще в 50-80-х годах прошлого столетия, и давали хорошую отдачу, значительно повышали переваримость и питательную ценность соломы. В производственных условиях доказана эффективность переработки соломы, позволяющая повышать молочную продуктивность коров на 6-18%, приросты молодняка на откорме на 11-13% [32]. Известны и получили развитие и рекомендованы к применению [34-35] множество способов обработки измельченной соломы: и 20% раствором щелочи [36]; жидким аммиаком; водой с различными кислотными свойствами [37] и др. Однако качество получаемого всеми этими способами корма по усвояемости, по содержанию сахаров остается низким. Кроме того, сами способы для практического использования не технологичны. Так, в работах [38-41], описывается оборудование и технология, позволяющие в едином непрерывном технологическом потоке приготовить корма с

высокой биологической ценностью как за счет переработки их в устройстве, где исходное сырье -солома подвергается комплексному механическому, баротермическому и химическому воздействию, что в комплексе обеспечивает глубокое расщепление, так и за счет обогащения переработанного сырья дрожжевой компонентой.

В связи со значительным содержанием полисахаридов в соломе, наиболее перспективным направлением переработки соломы является использование ее как сырье для приготовления гидролизатов с последующим применением в качестве питательной среды для культивирования микроорганизмов и микробиологического синтеза и получения кормовых дрожжей, растительно-углеводных или растительно-белковых кормов.

Так автором [42] разработаны технологические схемы комплексной переработки соломы зерновых культур: соломы яровой мягкой пшеницы и гречихи в кормовой белок; рассчитана предварительная экономическая эффективность предложенной биотехнологии переработки соломы на полезные кормовые продукты. Авторами обоснована возможность использования соломы зерновых культур в качестве сырья для получения кормового белка с применением комплексного микробиологического препарата Байкал ЭМ-1 и грибов рода Trichoderma harzianum, Fusarium oxysporum [43-44].

Автором [9] разработаны и практически реализованы ряд биотехнологических способов переработки целлюлозосодержащего сырья в кормовые продукты, основаны на предварительном их гидролизе, с последующим глубинным, поверхностным, твердофазным или гетерофазным культивированием микроорганизмов и

фильтрационным выделением целевого продукта.

В работе [45] показана высокая эффективность превращения исходного сырья одноклеточными организмами и большая скорость роста, способность утилизировать самые разнообразные соединения, в том числе целлюлозосодержащие материалы -солому.

А.Г. Логинова и другие [46], показали возможность термофильного гриба Aspergillus terreus 17Р продуцировать комплекс целлюлолитических ферментов на среде с пшеничной соломой. В полутвердой ферментации на соломе райграса, обработанной химическим и термическим методами, выращивали Candida utilis, Aureobasidium pullulans и Trichoderma viride. Лучшими результаты авторами получены с соломой, обработанной термическим методом при 121°С [47].

В работе [48] приводятся данные о содержании протеина (%) в соломе ржи после обработки материала разными методами: в необработанной -3,1, после обработки Н28О4 и дрожжами - 12,4, №ОН и бактериями р. Сеllulomonas - 6,8, №ОН -2,5.

Задача исследований авторов работы [49] -разработать глубинный метод получения белка при утилизации соломы с одновременным изучением динамики образования целлюлаз и возможности

дополнительного получения целлюлазного комплекса. В качестве целлюлозосодержащего материала в работе использовали измельченную механическим способом с размером частиц 0,8 и 0,2 мм необработанную, обработанную паром и обработанную НМО3 солому. Данные, полученные, авторами после 70-часового периодического культивирования микроскопических грибов Trichoderma lignorum 534-6-2А и Сhaetomium cellulolynicum подтверждают, что содержание белка в продукте зависит как от вида обработки соломы, так и от степени ее измельчения и что наиболее глубокая обработка материала приводит к максимальному выходу белка. Авторами также установлено, что активность фермента в среде обратно пропорциональна выходу белка. Данные наблюдения авторов согласуются с данными ряда исследователей [50-53], в которых показано, что адсорбция ферментов является первым этапом растворения полимера и происходит при оптимальных условиях действия ферментов (рН 4,0 - 5,0 и температуре 25-50°С). Особенно это свойство проявляется при культивировании на предварительно обработанной соломе. При обработке субстрата НМОз происходит резкое снижение активности ферментов, однако достигается максимальная степень гидролиза полисахарида. Установлено, что при культивировании на соломе сорбируются не только компоненты целлюлазного комплекса,

непосредственно действующие на полимерные цепи субстрата (эндоглюконаза), но и остальные. Из полученных данных следует вывод, что разработанный глубинный лабораторный метод может быть использован как для получения белкового препарата из предварительно обработанной соломы, так и для выращивания посевного материала. Предварительные расчеты авторов по получению белкового препарата показывают, что процесс является неэкономичным, поэтому более перспективно использовать этот метод для выращивания посевного материала [26].

В лаборатории «Инженерных проблем биотехнологии» КНИТУ проводятся исследования о возможности использования гидролизатов отходов переработки агропромышленного комплекса, пшеничной соломы, пшеничных отрубей и смеси пшеничной соломы и отрубей для культивирования кормовых дрожжей Candida tropicalis СК-4 и Rhodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158. Гидролизаты получали высокотемпературным гидролизом измельченных и предварительно обработанных на малогабаритной лабораторной установке с различными гидролизующими агентами, такими как сернистая, серная и фосфорная кислота. Культивирование кормовых дрожжей проводим на качалочных колбах объемом 750 мл при рабочем объеме питательной среды 100 мл, температуре 28 - 30 °С и рН 4,8 - 5,0 в течение 24 -72 часов. Все процессы проводились в трех повторностях. Из анализа полученных показателей экспериментальных процессов роста кормовых дрожжей на различных питательных средах с

использованием минеральных компонентов среды Ридер [54-55] следует, что при использовании сернистокислотных и сернокислотных гидролизатов удельная скорость роста культуры Candida tropicalis СК-4 выше, чем Rodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158 в 2,7 и 2 раза соответственно. Наибольший эффект роста биомассы и оптической плотности было получено при культивировании Rodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158 с использованием фосфорнокислотного гидролизата свекловичного жома в качестве подпитки и углеводного питания. Проблему замены дорогого сырья на более дешевые компоненты питательной среды на стадии выращивания посевной культуры кормовых дрожжей возможно решить посредством использования гидролизатов смеси соломы и отрубей. Однако, эксперименты показали, что для культивирования Rodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158 гидролизаты требуют дополнительной обработки, в частности гидролизат сернистой кислоты требует особо тщательной отгонки сернистого газа.

Заключение

Все активнее внедряются передовые технологии в сельское хозяйство, с каждым годом увеличивается урожай сельскохозяйственных культур, тем самым глубокая переработка зерна является перспективным способом поддержки сельского хозяйства и выполнения ограничений ВТО.

Оценивая современные достижения в области использования соломы можно сказать, что солома сельскохозяйственных культур является

перспективным сырьем для биотехнологических производств. Результаты многолетних исследований российских и зарубежных разработчиков дают представления о возможности применения соломы в технологиях как получение белково-углеводных кормовых продуктов.

Наконец, необходимо отметить, что солома, как сырье, привлекательна и тем, что существует инфраструктура ее сбора и хранения, а создание производств по ее комплексной переработке на местах будет способствовать возрождению российской деревни, переходу всего агропромышленного комплекса на использование наукоемких технологий.

Литература

1. Т.М. Околекова, Н.В. Кулаков, Корма и ферменты. Сергиев Посад, 2001. 112 с.

2. Л.А. Беловежец, И.В. Волчатова, С.А. Медведева, Химия растительного сырья, 2, 5-16 (2010).

3. И.И. Бойко, М. Клинская, В. Птицын, В. Романов, Животноводство, 6, 47-48 (1981).

4. М.Ф. Борисенков, А.А. Шубаков, Л.С. Кочева, А.П. Карманов, Химия растительного сырья, 4, 19-23 (2011).

5. С.И. Громов, Ликероводочное производство и виноделие, 5 (101), 17-20 (2008).

6. Пат СССР 4141786/30-15 (1986), Авт. свид. СССР 1472044 (1989).

7. С.Я. Зафрен, Животноводство, 12, 24 (1978).

8. А.П. Леснов, МТС «Машино-технологическая станция», 6,51-54 (2008).

9. В. И. Панфилов. Дисс. док.тех. наук, РХТУ, Москва, 2004. 371 с.

10. В.П. Саловарова, Ю.П. Козлов, В кн. Эколого-биохимические основы конверсии растительных субстратов. РУДН, Москва, 2001. 331 с.

11. В.И. Сушкова. Автореф. дисс. док. биол. наук, Вятский государственный университет, Щелково, 2004. 52с.

12. Д.В. Тарабукин. Автореф. дис. канд. биол. наук, Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, Уфа, 2009. 26 с.

13. Л.К. Эрнст, З.М. Науменко, С.И. Ладинская, В кн. Кормовые продукты из отходов леса. Лесная промышленность, Москва, 1982. 168 с.

14. P. Chandrakant, V.S. Bisaría, Critical Reviews In Biotechnology, 18 (4), 295-331 (1998).

15. J.B. Kristensen, C. Felby, H. Jorgensen, Appl Biochem Biotechnol, 156, 557-562 (2009).

16. N. Mosier, C. Wyman, B. Dale, R.Elander, Y.Y. Lee, M. Holtzapple, M. Ladisch, Bioresour. Technology, 96, 6, 673686 (2005).

17. A.L.F. Santos, K.Y.F. Kawase, G.L.V. Coelho, The Journal of Supercritical Fluids, 56, 3, 277 - 282 (2011).

18. С.И. Перегудов, Комбикорма, 2, 31-32 (2005).

19. Р.М. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, М.В. Харина, Вестник Казанского технологического университета, 5, 264-267 (2011).

20. И.В. Русакова, В.В. Московкин, Международный научно-исследовательский журнал сельскохозяйственные науки, 6-2 (37), 58-61 (2015).

21. A.G. Koshchaev, G.A. Plutakhin, G.V. Fisenko, A.I. Petrenko, Hranenie i pererabotka selhozsyrja, 3, 66-68 (2008).

22. А.Р. Стейнифорт, Солома злаковых культур. Колос, Москва, 1983. 193 с.

23. A.I. Petenko, A.G. Koshchaev, I.S. Zholobova, N.V. Sazonova, Krasnodar: FGOUVPO «KubanskijGAU», 454

24. Е.П. Шишаков, М.О. Шевчук, О.Ю. Рекиш, В сб. Научных трудов международной конференции Российской академии сельскохозяйственных наук "Инновационные разработки молодых ученых -развитию агропромышленного комплекса". Ставрополь, 2013. С.301-304, 6, 3.

25. В.А. Пискурева, И.А. Гнеушева, Н.Е. Павловская, Г.А. Игнатова, Вестник ОрелГАУ, 6(10), 109-111 (2010).

26. А.Н. Трофимов, А.М. Белоусов, Химия растительного сырья, 4, 69-72 (2003).

27. С.Б. Хусид, И.С. Жолобова, С.Н. Дмитриенко, Е.Е. Нестеренко, КубГАУ, 98, 1-9

28. А.Г. Мещеряков, Г.И. Левахин, А.А. Зиганьшин, В.А. Доценко, Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 3, 264-267 (2009).

29. Р.М. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, И.В. Шагивалеев, И.А. Якушев, Вестник Казанского технологического университета, 2, 143-147 (2011).

30. С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, А.М. Буйлин,

Вестник Казанского технологического университета, 6, 241-244 (2009).

31. Пат Латвия 4752834/15 (1989), Авт. свид. РФ 2038031 (1995).

32. Р.У. Бикташев. Автореф. дисс. ... док. с/х наук, Ульяновск, 2002. 46с.

33. Пат РФ 5008213/15 (1991), Авт. свид. РФ 2028789 (1995).

34. КК. Евсеев, В.А. Бондарев, В сб. Рациональные способы подготовки кормов к скармливанию. Колос, Москва, 1974. C. 33-36

35. Р.М. Hуртдинов, C. Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. -Емельянов, М.В. Харина, Биотехнологический комплекс для исследования процессов гидролиза растительного сырья. 4.I. РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 2011. C. 357-358.

36. Пат РФ 97105441/13 (1997), Авт. свид. РФ 2141229 (1999).

37. Пат РФ 94028453/13 (1994), Авт. свид. РФ 2091039 (1997).

38. ВК Шекуров, Б.И. Таренко, М.М. Шекурова, Вестник Казанского технологического университета, 19, 161-167 (2011).

39. Пат РФ 2005118933/13 (2005), Авт. свид. РФ 2300296 (2007).

40. Пат РФ 2005118935/13 (2005), Авт. свид. РФ 2292158 (2007).

41. Пат РФ 2005118951 (2005), Авт. свид. РФ 48714 (2011).

42. В.Н Дедков. Автореф. дисс. канд. техн. Шук, Воронеж, 1992. 27 с.

43. В.К Дедков, И.А. Гнеушева, КЕ. Павловская, Вестник ОрелГАУ, 4(37), 102-105 (2012).

44. В.К Дедков, КЕ. Павловская, Главный зоотехник, 1, 22-28 (2014).

45. N. Peitersen, Biotechnol. Bioeng., 17, 361-374 (1975).

46. Л.Г. Логинова, Э.П. Гужова, Д.Ю. Исмаилова, Л.Г. Бурденко, Прикладная биохимия и микробиология, 14, 4, 485-493 (1978).

47. I.M. Han, A.W. Anderson, Appl. Microbiol., 30, 6, 930934 (1975).

48. G.A. Grant, A.W. Anderson, Y.W. Han, Biotechnol. Bioeng., 19, 1817-1830 (1977).

49. СВ. Бругетая, Автоматизация .микробиологи-ческих процессов, Рига, 128-136 (1972).

50. СР. Dwivedi, T.K. Ghose, J. Ferment. Technol., 57, 15-24 (1979).

51. T.K. Ghose, V.S. Bisaria, Biotechnol. Bioeng., 21, 131146 (1979).

52. M. Mandels, T. Kostick, R. Parizer, J. Polymer Sci. Part C., 36, 445 (1971).

53. N. Peitersen, J. Medeiros, M. Mandels, Biotechnol. Bioeng., 19, 1091-1094 (1977).

54. Р.Т. Валеева, C.R Мухачев, А.И. Кашапова, Э.И. ^ре^инова, М.Ю. Шурбина, Вестник Казанского технологического университета, 17, 20, 2, 156 - 158 (2014).

55. Р.Т. Валеева, CT. Мухачев, М.Ю. Шурбина, О.В. Красильникова, Э.И. ^ре^инова, Вестник технологического университета, 18, 2, 141 - 143 (2015).

© Р. Т. Валеева, канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; О. В. Красильникова, аспирант той же кафедры; М. Ю. Шурбина, магистрант той же кафедры; Э. И. Нуретдинова, магистрант той же кафедры.

© R. T. Valeeva, candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, valrt2008@rambler.ru; O.V. Krasilnikova, postgraduate, the same Department; M.Y. Shurbina Master-student, the same Department; E.I. Nuretdinova, Master-student, the same Department.