БИОТЕХНОЛОГИЯ КОРМОВЫХ ПРЕПАРАТОВ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ

 

ПОЛУЧЕНИЕ КОРМОВЫХ БЕЛКОВ

 

Белки являются обязательными компонентами клеток любо­го живого организма, выполняющими жизненно важные функ­ции: каталитические, регуляторные, транспортные, биоэнерге­тические, защиту от инфекции и действия стрессовых факторов, структурные, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5—15% сухого вещества, в зерне — 8—18%, семенах масличных растений—16—28%, зернобобо­вых культур — 25—40%. В различных тканях организма чело­века и животных содержание белков обычно от 20 до 80% их сухой массы, что составляет в среднем 40—50%.

Для образования клеток и тканей организма, а также под­держания его жизненных функций должен осуществляться по­стоянный синтез структурных и других форм белков. В состав белков входят 20 аминокислот и два амида (аспарагин и глута-мин). Растения и большинство микроорганизмов способны син­тезировать все входящие в их состав аминокислоты из простых веществ — углекислоты, воды и минеральных солей, тогда как в организме человека и животных некоторые аминокислоты не могут синтезироваться и должны поступать в готовом виде как компоненты пищи. Такие аминокислоты принято называть не­заменимыми, к ним относятся валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Отсутствие в пи­ще хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к тяже­лым заболеваниям человека, а недостаток их в кормах снижает продуктивность сельскохозяйственных животных.

В связи с необходимостью обеспечения человека и животных незаменимыми аминокислотами разработаны научно обосно­ванные нормы их суточного потребления. Так, например, еже­дневная потребность человека в незаменимых аминокислотах

 

263

составляет (г): валин — 5,0, лейцин — 7,0, изолейцин— 4,0, ли­зин — 5,5, метионин — 3,5, треонин — 4,0, триптофан — 1,0, фе-нилаланин — 5,0.

Главными источниками незаменимых аминокислот для чело­века являются белки животного или растительного происхожде­ния, входящие в состав пищи, а для сельскохозяйственных жи­вотных— главным образом растительные белки. Поступающие с пищей или кормом белковые вещества под действием фер­ментов желудочного сока гидролизуются до аминокислот, кото­рые затем используются для образования белковых молекул че­ловеческого или животного организма.

Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в бел­ках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребно­стям данного организма. Если хотя бы одна аминокислота со­держится в недостатке, то другие аминокислоты, оказавшиеся в избытке, не используются для синтеза белков (в соответствии с механизмом синтеза белков). В таких условиях для обеспече­ния дальнейшего синтеза белковых веществ и поддержания жизнедеятельности организма потребуется дополнительное ко­личество пищевого или кормового белка, вследствие чего имеет место перерасход кормов и повышение себестоимости животно­водческой продукции.

В целях предотвращения перерасхода кормов необходимо контролировать сбалансированность белков корма по содержа­нию незаменимых аминокислот и общее количество белка в корме. Для оценки аминокислотного состава белков определя­ют показатели, характеризующие их биологическую питатель­ную ценность. Кормовые и пищевые белки, имеющие оптималь­ное содержание незаменимых аминокислот, называют биологи­чески полноценными белками.

В результате обобщения многочисленных данных по изуче­нию аминокислотного состава белков Международной организа­цией по продовольствию и сельскому хозяйству (ФАО), образо­ванной при ООН, разработаны рекомендации, в которых дается оптимальное содержание незаменимых аминокислот в пищевых и кормовых белках. Эти рекомендации используются в качестве эталона при оценке биологической питательной ценности раз­личных белков. Например, если принять за 100%^ биологическую ценность эталонного, по рекомендациям ФАО, белка, то биологи­ческая ценность большинства животных белков составляет 90—95%, белков вегетативной массы бобовых трав — 80—90%; белков зерна зернобобовых и семян масличных культур, клубней картофеля, корнеплодов, овощей, вегетативной массы многих травянистых растений — 75—85%; белков зерна большинства

 

264

злаковых культур — 60—70%; особенно низкая биологическая ценность белков зерна кукурузы — 52—58%.

В соответствии с нормами питания человек должен еже­дневно получать с пищей от 60 до 120 г полноценного белка. Для правильного кормления сельскохозяйственных животных необходимо, чтобы в их рационе на каждую кормовую единицу содержалось не менее 110 г хорошо переваримого и полноцен­ного белка.

Если содержание белков в растительной массе, используе­мой для кормления сельскохозяйственных животных, ниже нор­мы, то во избежание перерасхода кормов и повышения себе­стоимости животноводческой продукции количество белка в корме балансируют введением белковых добавок. Недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитных аминокис­лот или белковой массы, имеющей более высокое содержание данной аминокислоты по сравнению с эталоном.

 

Таблица 5.1. Содержание незаменимых аминокислот в различных белках (г на 100 г белка)

 

Аминокислоты	Моло­ ко ко­ровы	Эта­лон ФАО	Соя	Горох	Рис	Пше­ница	Куку­ руза	Яч- мень
Лизин	6,6	4,2	6,6	6,5	3,5	2,6	2,5	3,2
Триптофан	1,4	1,4	1,3	0,8	1,3	1,3	0,6	1,2
Метионин	2,4	2,2	1,4	1,4	2,9	1,7	2,1	1,7
Треонин	4,6	2,8	3,8	3,8	3,5	2,6	3,2	2,9
Валин	6,9	4,2	5,4	4,5	6,5	4,6	4,4	5,4
Лейцин	9,9	4,8	7,9	6,5	8,0	6,9	11,2	7,2
Изолейцин	6,6	4,2	5,3	5,0	4,6	3,4	2,7	3,5
Фенилаланин	4,9	2,8	5,1	4,8	5,2	4,3	4,1	5,1

Наиболее сбалансированное содержание незаменимых ами­нокислот имеют белки семян сои (табл. 5.1). В них недостает до эталона только метионина и триптофана. Относительно высо­кую биологическую ценность имеют также, белки зерна риса и гороха. В то же время возделываемые в нашей стране зерновые культуры — пшеница, кукуруза, ячмень — отличаются несба­лансированным аминокислотным составом белков. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало содержится лизина, ме­тионина и изолейцина, а в белках зерна кукурузы еще и трип­тофана.

265

Вследствие того, что белки сои хорошо сбалансированы по аминокислотному составу и их содержание в семенах достигает 35—40%, эта культура имеет важное значение как самый де­шевый источник пищевого и кормового белка. Крупнейшим производителем и поставщиком соевого белка на мировом рын­ке являются США. В России посевы сои пока занимают не­большие площади — около 500—600 тыс. га. Ведется поиск других источников полноценного белка. Одним из важных пу­тей в этом направлении является расширение посевов зернобо­бовых культур, которые так же, как и соя, способны накапли­вать в зерне большое количество белка (25—35%), имеющего высокую биологическую ценность.

Наряду с этим разрабатываются научные программы, свя­занные с созданием новых генотипов зерновых культур, отли­чающихся повышенным содержанием в зерне белков с улуч­шенным аминокислотным составом. Создание таких программ стало возможным после открытия высоколизиновых мутантов кукурузы с генами Опак-2 и Флаури-2, в белках зерна которых содержится значительно больше лизина и триптофана, чем у обычной кукурузы.

В результате селекционной работы, проведенной в Красно­дарском научно-исследовательском институте сельского хозяй­ства им.П.П.Лукьяненко, на основе мутантных генов получе­ны высокобелковые и высоколизиновые гибриды кукурузы, ко­торые по урожайности не уступают районированным гибридам. В суммарном белке зерна полученных генотипов кукурузы со­держание лизина повышено на 50—80%, триптофана — на 30—50%. Использование зерна такой кукурузы для кормления сельскохозяйственных животных позволяет существенно повы­сить их продуктивность и сократить затраты кормового белка на 20—25%.

Во многих лабораториях проводится селекционно-генетиче­ская работа по улучшению аминокислотного состава белков зерна ячменя на основе скрещиваний с высоколизиновыми фор­мами Хайпроли и Ризо 1508, а также поиск генетических источ­ников высокого содержания белка с улучшенным аминокислот­ным составом для пшеницы, тритикале и других зерновых культур. Особые надежды возлагаются на новые методы созда­ния ценных генотипов сельскохозяйственных растений, основан­ные на использовании достижений генетической и клеточной инженерии.

Зерновые культуры составляют большой удельный вес в структуре кормопроизводства нашей страны. В среднем на до­лю зерновых приходится около 50% от общего количества кор-

 

266

мового белка. В целях балансирования кормов, включающих в качестве основного компонента зерно злаковых культур, по бел­ку и незаменимым аминокислотам обычно применяют концен­трированные белковые добавки, называемые комбикормами.

Для их приготовления используют мясо-костную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи мас­личных растений, отруби, шроты зернобобовых культур. Учиты­вая, что рыбная и мясо-костная мука, другие белковые отходы животного происхождения во все большем объеме направляют­ся на получение пищевых белков, требуется полноценный их заменитель, способный сбалансировать недостаток белков и не­заменимых аминокислот не только в зерновой части кормового рациона, но и в растительных компонентах комбикормов.

Высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многие микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повы­шенное содержание незаменимых аминокислот (табл. 5.2). В специальных опытах была проведена пищевая и токсикологиче­ская оценка белковой микробной массы, которая показывает, что клетки некоторых микроорганизмов можно использовать в качестве концентрированных кормовых добавок, не уступаю­щих по биологической ценности белков соевому шроту или рыб­ной муке.

Таблица 5.2. Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов (г на 100 г белка)

 

Аминокислота	Дрожжи	Бакте­рии	Водо­росли	Грибы	Соевый шрот	Эталон ФАО
Лизин	6—8	6—7	5—10	3—7	6,4	4,2
Триптофан	1 — 1,5	1—1,4	0,3—2,1	1,4—2	1,4	1,4
Метионин	1—3	2—3	1,4—2,5	2—3	1,3	2,9
Треонин	4—6	4—5	3—6	3—6	4,0	2,8
Валин	5—7	4—6	5—7	5—7	5,3	4,2
Лейцин	6—9	5—11	6—10	6—9	7,7	4,8
Изолейцин	4—6	5—7	3,5—7	3—6	5,3	4,2
Фенилаланин	3—5	3—4	3—5	3—6	5,0	2,8

Микроорганизмы в качестве источников кормового белка имеют ряд преимуществ по сравнению с растительными и да­же животными организмами. Они отличаются высоким (до 60% сухой массы) и устойчивым содержанием белков, тогда как в растениях концентрация белковых веществ значительно изме­няется в зависимости от условий выращивания, климата, пого­ды, типа почвы, агротехники и др. Наряду с белками в микроб-

 

267

ных клетках накапливаются и другие ценные в питательном от­ношении вещества: легкоусвояемые углеводы, липиды с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот, ви­тамины, макро- и микроэлементы.

При использовании микроорганизмов на ограниченной пло­щади можно организовать промышленное производство и полу­чать большое количество кормовых концентратов в любое вре­мя года, причем микробные клетки способны синтезировать белки из отходов сельского хозяйства и промышленности и, та­ким образом, позволяют одновременно решать другую важную проблему — утилизацию этих отходов в целях охраны окру­жающей среды.

Микроорганизмы имеют еще одно ценное преимущест­во— способность очень быстро наращивать белковую массу. Например, растения сои массой 500 кг в фазе созревания се­мян способны в сутки синтезировать 40 кг белков, бык такой же массы — 0,5—1,5 кг, а дрожжевые клетки массой 500 кг — до 1,5 т белков. В качестве источников кормового белка наиболее часто используют различные виды дрожжей и бакте­рий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белко­вые коагуляты травянистых растений.

Кормовые дрожжи. Дрожжи впервые стали использовать как источник белка для человека и животных в Германии во время первой мировой войны. Была разработана промышлен­ная  технология   культивирования   пивных  дрожжей ( Saccharomycescerevisiae ), предназначенных для добавления^ продукты питания. В нашей стране первый завод по производ­ству кормовых дрожжей был пущен в 1935 г. Дрожжи выращи­вали на гидролизатах из отходов древесины и другого целлюло-зосодержащего растительного сырья, которые при гидролизе образуют легкоусвояемые для микроорганизмов формы углево­дов. В настоящее время на основе гидролиза растительного сы­рья производится более 600 тыс. т сухой массы кормовых дрож­жей для сельского хозяйства.

В качестве исходного сырья при такой технологии получе­ния кормового белка обычно используются отходы целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, льняная костра, стержни ку­курузных початков, свекловичная меласса, картофельная мез­га, виноградные выжимки, пивная дробина, верховой малораз-ложившийся торф, барда спиртовых производств, отходы кон­дитерской и молочной промышленности.

Измельченное растительное сырье, содержащее большое ко­личество клетчатки, гемицеллюлоз, пентозанов, подвергают ки-

 

268

слотному гидролизу при повышенном давлении и температуре. В результате 60—65% содержащихся в них полисахаридов гидролизуются до моносахаридов. Полученный гидролизат отделя­ют от лигнина. Избыток кислоты, применяемой для гидролиза, нейтрализуют известковым молоком или аммиачной водой. По­сле охлаждения и отстаивания в гидролизат добавляют мине­ральные соли, витамины и другие вещества, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов. Полученную таким обра­зом питательную среду подают в ферментерный цех, где выра­щивают дрожжи.

Для культивирования на гидролизатах растительных отхо­дов наиболее эффективны дрожжи родов Candida , Torulopsis , Saccharomyces , которые используют в качестве источника угле­рода гексозы, пентозы и органические кислоты. При оптималь­ных условиях из 1 т отходов хвойной древесины можно полу­чить 200 кг сухой массы кормовых дрожжей.

Для получения кормовых дрожжей применяют технологию их глубинного выращивания в специальных аппаратах — фер­ментерах (рис. 5.1), в которых обеспечивается режим постоян­ного перемешивания суспензии микробных клеток в жидкой пи-" тательной среде и оптимальные условия аэрации. В целях под­держания заданного температурного режима в конструкции ферментера предусматривается система отвода избыточного те­пла. Рабочий цикл выращивания культуры дрожжей длится около 20 ч. По окончании рабочего цикла культуральная жид­кость вместе с суспендированными в ней клетками дрожжей выводится из ферментера, а в него вновь подается питательный субстрат и культура дрожжевых клеток для выращивания.

1             11

Рис. 5.1. Ферментер для выра­щивания дрожжей в жидкой пи­тательной среде:

/ — корпус ферментера; 2 — охлаж­дающая рубашка; 3 — теплообмен­ник; 4— подача холодной ноды и теп­лообменник; 5 — вывод теплой воды из теплообменника; 6—подача по­севной культуры; 7—подача жидкой питательной среды; 8—подача воз­духа для аэрации и перемешивания питательной среды; 9 — кювета для направления потока воздуха во внут­реннюю полость теплообменника; 10 — выход дрожжевой суспензии по окон­чании ферментации; // — выход воз­духа в атмосферу через очистной фильтр

269

Выведенную из ферментера суспензию микробных клеток по­дают на флотационную установку, с помощью которой отделяют биомассу дрожжей от культуральной жидкости. В процессе фло­тации суспензия вспенивается, при этом микробные клетки всплывают на поверхность вместе с пеной, которая отделяется от жидкой фазы. После отстаивания дрожжевую массу концен­трируют в сепараторе. Для достижения лучшей переваримости дрожжей в организме животных проводят специальную обработ­ку микробных клеток (механическая, ультразвуковая, термиче­ская, ферментативная), которая обеспечивает разрушение их клеточных оболочек. Затем дрожжевую массу упаривают до не­обходимой концентрации и высушивают, влажность готового продукта не должна превышать 8—10%.

В сухой дрожжевой массе содержится 40—60% сырого бел­ка, 25—30% усвояемых углеводов, 3—5% сырого жира, 6—7% клетчатки и зольных веществ, большое количество витаминов (до 50 мг%). Посредством ббработки дрожжей ультрафиолето­выми лучами проводится их обогащение витамином D ₂ , кото­рый образуется из содержащегося в них эргостерина. Для улучшения физических свойств готового продукта кормовые дрожжи выпускают в гранулированном виде.

Очень часто на основе ферментации гидролизатов расти­тельного сырья наряду с производством кормовых дрожжей по­лучают этиловый спирт. В этом случае особенность технологии заключается в том, что вначале проводится спиртовое броже­ние, в результате которого происходит утилизация содержа­щихся в гидролизате гексоз. После отгонки спирта остается не­использованный субстрат—барда, содержащая в основном пентозы. Эту послеспиртовую барду используют далее как пи­тательную среду для выращивания кормовых дрожжей. Таким образом, из гидролизатов растительных отходов одновременно могут быть получены два вида ценной продукции.

В 60-е годы за рубежом и в России были разработаны тех­нологии получения кормовых дрожжей из «-парафинов нефти. Дрожжевые клетки могут использовать в качестве источника углерода для их роста неразветвленные углеводороды с числом углеродных атомов от 10 до 30. Они представляют собой жид­кие фракции с температурами кипения 200—320° С, которые выделяют из нефти путем ее перегонки.

Очищенные фракции углеводородов нефти, используемые для выращивания дрожжей, могут быть получены тремя мето­дами: низкотемпературная кристаллизация, карбамидная депа-рафинизация и адсорбция на молекулярных ситах. Первым ме­тодом проводится кристаллизация высококипящих фракций по-

 

270

ле растворения их в смеси органических растворителей при остоянном охлаждении. Затем очищенные кристаллизацией Продукты используют для приготовления питательной среды микроорганизмов. Второй метод основан на способности н-па­рафинов нефти образовывать прочный комплекс с молекулами карбамида, который после отделения от остальных фракций при нагревании легко разлагается, в результате чего с помо­щью перегонки можно получить очищенную фракцию н-пара­финов. Третьим методом адсорбируют нужные фракции углево­дородов нефти на молекулярных ситах (цеолитах), после чего проводят их десорбцию, и таким образом выделяют фракции высокой степени очистки.

В России и других странах СНГ из н-парафинов нефти про­изводят большое количество кормовых дрожжей (свыше 1 млн. т). В других странах такая технология производства дрожжей не получила развития вследствие высоких мировых цен на нефть. В нашей стране первый завод по производству кормо­вых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 г.

При выращивании микроорганизмов на н-парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро-и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты, а в качестве источника азота аммиачную воду. В процессе культи­вирования дрожжей в ферментере поддерживается оптималь­ный температурный режим и режим аэрации. Наиболее эффек­тивны для выращивания на н-парафинах нефти отселектированные штаммы дрожжей Candidaguilliermondii . Выделение и сушка дрожжевой массы проводится примерно по такой же тех­нологии, как и в гидролизном производстве. Высушенная дрож­жевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК) для кормления сельскохозяйственных животных, содержащий до 50—60% белковых веществ. Содер­жание остаточных углеводородов допускается не более 0,1%.

В целях более полного использования сырья и снижения в товарном продукте остаточных углеводородов разработаны усо­вершенствованные технологии получения БВК, включающие двухступенчатую ферментацию и последующую экстракцию из дрожжей остаточных углеводородов бензином. При этом содер­жание сырого белка в дрожжевой массе может быть повышено до 58—65% в расчете на сухую массу, а содержание остаточ­ных углеводородов снижено до 0,05%.

Хороший субстрат для выращивания кормовых дрож­жей — молочная сыворотка, являющаяся производственным от­ходом при переработке молока. В 1 т молочной сыворотки в

 

271

среднем содержится 10 кг полноценного белка и 50 кг дисахарида лактозы, который легко утилизируется микроорганизма­ми. Для выделения из молочной сыворотки белков разработана эффективная технология с применением метода ультрафильтра­ции низкомолекулярных веществ через мембраны. Получаемые таким способом белки используют для приготовления сухого обезжиренного молока или в качестве пищевой белковой добав­ки. Остающиеся после отделения белков жидкие отходы (пермеат), содержащие лактозу, могут быть переработаны путем культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.

Очень часто дрожжеванию подвергают молочную сыворотку без предварительного выделения из нее белков, при этом выра­щивают специальные расы кормовых дрожжей из рода Torulopsis . На основе дрожжевания молочной сыворотки произ­водят три вида кормовых белковых продуктов: заменитель цельного молока для кормления молодняка сельскохозяйствен­ных животных — «БИО-ЗЦМ»; жидкий белковый продукт «Промикс» с содержанием белков в 2,5—3 раза выше, чем в исходной молочной сыворотке; сухой обогащенный дрожжевы­ми белками продукт «Провилакт», применяемый как замени­тель сухого обезжиренного молока.

Кроме углеводов и углеводородов в качестве источников уг­лерода дрожжевые клетки могут использовать низшие спир­ты — метанол и этанол, которые обычно получают из природно­го газа или растительных отходов. Дрожжевая масса, получен­ная после культивирования дрожжей на спиртах, отличается высоким содержанием белков (56—62% от сухой массы) и в ней меньше содержится вредных примесей, чем в кормовых дрожжах, выращенных на н-парафинах нефти.

Как показывают опыты по изучению питательных свойств кормовых дрожжей, они достаточно хорошо перевариваются в организме животных (переваримость белков 80—90%), по сум­ме незаменимых аминокислот близки к эталону ФАО, а по со­держанию в белках лизина, треонина, валина и лейцина суще­ственно превышают эталон ФАО (см. табл. 5.2). Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину и в них мало содержится других серосодержащих аминокислот.

По сравнению с растительными источниками белков кормо­вые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых ки­слот (3—6% от сухой массы), которые в такой концентрации оказывают вредное воздействие на организм животных. В ре­зультате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в соли мочевой кислоты, которые, от-

 

272

кладываясь в организме, могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Вследствие этого оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сель­скохозяйственных животных обычно составляет не более 5—10% от сухого вещества или 10—20% дрожжевого белка от общего количества белка в кормовом рационе.

Кормовые дрожжи, культивируемые на питательной среде из н-парафинов нефти, могут содержать многие вредные при­меси — производные бензола, D-аминокислоты, аномальные ли-пиды, различные токсины и канцерогенные вещества, поэтому их подвергают специальной очистке (экстракция бензином). При производстве кормовых дрожжей возникают проблемы очистки газообразных и жидких отходов, в связи с чем прово­дится работа по созданию экологически чистых безотходных технологий с замкнутым циклом водоиспользования.

Кроме совершенствования производственной технологии, важное значение имеет создание высокопродуктивных штаммов дрожжей, способных накапливать много белка, быстро нара­щивать биомассу и эффективно использовать субстрат для жизнедеятельности. Для создания новых штаммов микроорга­низмов применяют как методы обычной селекции, так и генно-инженерную биотехнологию.

Наряду с использованием дрожжевых белков в качестве кормовой добавки при балансировании рационов сельскохозяй­ственных животных, разработана технология получения из них пищевых белков. Уже в 1930—40-е годы в некоторых странах были разработаны технологии культивирования пивных и дру­гих пищевых дрожжей ( Saccharomycescerevisiae , Candidaarborea , С. utilis ), которые использовались как белковые добав­ки к различным пищевым продуктам.

При переработке в пищевой белок биомассу дрожжей тща­тельно очищают. С этой целью клеточные оболочки дрожжевых клеток разрушают с помощью механической, щелочной, кислот­ной или ферментативной обработки и затем экстрагируют го­могенную дрожжевую массу органическим растворителем. По­сле такой очистки от органических и минеральных примесей полученный дрожжевой продукт обрабатывают щелочным рас­твором для растворения белков, затем белковый раствор отде­ляют от оставшейся массы дрожжей и направляют на диализ. В процессе диализа из белкового раствора удаляют низкомоле­кулярные примеси. Очищенные диализом белки осаждают, вы­сушивают и полученную белковую массу используют в качест­ве добавок в различные пищевые продукты: сосиски, студни, паштеты, мясные и кондитерские начинки.

 

273

 

Белки дрожжей применяют также при получении искусст­венного мяса, для этого проводят текстурирование бел­ков — нагревание с последующим быстрым охлаждением или продавливание белковой пасты через отверстия малого диамет­ра. Для улучшения свойств в белковую пасту добавляют поли­сахариды и другие компоненты. Гидролизаты белков использу­ют в качестве вкусовых приправ, для приготовления медицин­ских препаратов и лечебного питания.

Белковые концентраты из бактерий. Наряду с получением кормовых дрожжей важное значение для кормопроизводства имеют также бактериальные белковые концентраты с содержа­нием сырого белка 60—80% от сухой массы. Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть использованы в качестве источников полноценного кормового белка. Бактерии способны наращивать биомассу в несколько раз быстрее дрожжевых клеток и в белке бактерий содержится значительно больше се­росодержащих аминокислот, вследствие чего он имеет более высокую биологическую ценность по сравнению с белком дрож­жей. Источником углерода для бактерий могут служить раз­личные газообразные продукты (природный и попутный газы, газовый конденсат и др.), низшие спирты (метанол и этанол), водород.

При использовании в качестве сырья газообразных продук­тов, основным компонентом которых является метан, питатель­ную смесь под давлением подают в специальный ферментер струйного типа (рис. 5.2). В целях лучшей утилизации сырья микроорганизмами в таком ферментере предусматривается ре­циркуляция газовой смеси. Для обеспечения необходимой аэра­ции культуры бактерий ферментер продувают воздухом или ки­слородом. Чаще всего на газовых питательных средах выращи­вают бактерии рода Methylococcus , способные при оптимальных условиях утилизировать до 85—90% подаваемого в ферментер метана. Все технологические линии, связанные с культивированием бактерий в газовой среде, требуют контроля за составом этой среды и оснащения производственных устано­вок герметизированным, взрывобезопасным оборудованием.

По окончании ферментации клетки бактерий осаждают и отделяют от питательной среды на сепараторе. Полученную бактериальную массу подвергают механической или ультра­звуковой обработке с целью разрушения клеточных оболочек, после чего высушивают и используют для приготовления кор­мовых белковых концентратов.

В связи с тем, что газовая среда из метана и воздуха взры­воопасна и для лучшей утилизации метана бактериями требует

274

 

Рис. 5.2. Ферментер для вы­ращивания микроорганизмов на газообразных углеводоро­дах: 1— корпус ферментера; 2 — охла­ждающая рубашка; 3— мешалка;4—привод мешалки; 5 — подача газообразныхуглеводородов;

6—подача кислородсодержащего газа; 7 — подача жидкой пита­тельной смеси; 8—подача посев­ной культуры; 9 — выход дрожже­вой суспензии по окончании фер­ментации; 10 — выпуск газа из ферментера; // — выход газовой смеси па рециркуляцию; 12— га­зоанализатор, подающий сигнал на регулирующее устройство кла­пана; 13—регулятор давления внутри ферментера; 14 — улавли­ватель углекислого газа

 

ее постоянной рециркуляции, производство кормового белка из газообразных продуктов является довольно сложным и доро­гим. Более широкое применение находит технология выращива­ния бактериальной белковой массы на метаноле, который мож­но легко получить путем окисления метана. При культивирова­нии на питательной среде, содержащей метанол, наиболее эффективны бактерии родов Methylomonas , Pseudomonas , Methylophlllus . Выращивание этих бактерий проводится в обычном ферментере с использованием жидкой питательнойсреды.

Широкомасштабное производство кормовых белков на. осно­ве использования метанола впервые было организовано в Вели­кобритании. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат с коммерческим названием «Прутин». В нашей стране также разработана технология получения бакте­риальной белковой массы из метанола, коммерческое название препарата «Меприн». Он содержит в своем составе до 70—74% от сухой массы белков, до 5% липидов, около 10% минеральных веществ, 10—13% нуклеиновых кислот. На основе культивирования бактерий рода Acinetobacterразрабатывается технология получения кормового белка из этанола (препарат «Эприн»), который будет также иметь и пищевое назначение.

Высокой интенсивностью синтеза белков характеризуются водородокисляющие бактерии, способные накапливать в своих клетках до 80% сырого белка в расчете на сухое вещество. Эти

 

275

бактерии используют энергию окисления водорода для утили­зации углекислого газа, а некоторые штаммы и для усвоения атмосферного азота. Для культивирования водородокисляющих бактерий в составе газовой среды обычно содержится 70—80% водорода, 20—30% кислорода и 3—5% С0₂. Высокую эффек­тивность при выращивании на такой газовой среде имеют бак­терии родов Pseudomonas , Alcaligenes , Achromobacter , Corinebacteriumи др.

Обычно водород для производства белковой массы получа­ют из воды путем ее электролитического (электролиз) или фото­химического разложения. Углекислый газ может быть исполь­зован из газообразных отходов каких-либо промышленных про­изводств, а также топочных газов, что одновременно решает проблему очистки газовой среды. Производство кормового бел­ка на основе водородокисляющих бактерий может быть также организовано вблизи химических предприятий, где в качестве побочного продукта образуется водород.

Обычно кормовой белок бактериального происхождения до­бавляют в комбикорма в количестве 2,5—7,5% от белка рацио­на, при кормлении взрослых свиней — до 15%. Основным пре­пятствием, которое не позволяет его использовать в большей концентрации, является повышенное содержание нуклеиновых кислот (10—25%). Кроме того, в бактериальной массе наряду с полезными компонентами в значительном количестве синтези­руются трудно усвояемые формы липидов; сложнее и дороже методы выделения и очистки бактериальных белковых препа­ратов.

Кормовые белки из водорослей. В России и ряде других стран для производства кормового белка используют однокле­точные водоросли Chlorellaи Scenedesmus , а также сине-зеле­ные водоросли из рода Spirulina , которые способны синтезиро­вать белки и другие органические вещества из углекислого га­за, воды и минеральных веществ за счет усвоения энергии солнечного света. Для их выращивания необходимо обеспечи­вать определенные режимы освещения и температуры, а также большие объемы воды. Чаще всего в естественных условиях во­доросли выращивают в южных регионах с использованием бас­сейнов открытого типа, однако разрабатываются и технологии их культивирования в закрытой системе.

Для выращивания водорослей хлорелла и сценедесмус необ­ходима нейтральная среда, их клетки имеют довольно плотную целлюлозную оболочку, вследствие чего хуже перевариваются в организме животных. Для лучшей их переваримости целлюлоз­ные оболочки разрушают посредством специальной обработки.

 

276                                                                            

Клетки спирулины в 100 раз крупнее хлореллы, однако они не имеют прочной целлюлозной оболочки и поэтому лучше пе­ревариваются в организме животных. Выращивают спирулину в щелочной среде (рН 10—11), в естественных условиях в ще­лочных озерах.

По интенсивности накопления биомассы водоросли, хотя и уступают кормовым дрожжам и бактериям, но значительно превосходят сельскохозяйственные растения. При их выращи­вании в культиваторах открытого типа с 1 га водной поверх­ности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, тогда как при возделывании пшеницы — 3—4 т, риса — 5 т, сои — 6 т, кукурузы — 7 т.

Содержание белков в клетках хлореллы и сценедесмус со­ставляет 45—55% в расчете на сухую массу, а в клетках спи­рулины достигает 60—65%. Белки водорослей хорошо сбалан­сированы по содержанию незаменимых аминокислот, недоста­точно содержится лишь метионина. Наряду с высоким содержанием белковых веществ в клетках водорослей довольно много синтезируется полиненасыщенных жирных кислот (яв­ляющихся, как и некоторые аминокислоты, незаменимыми) и провитамина А — каротина (до 150 мг%). Каротина в биомассе водорослей в 7—9 раз больше, чем в травяной муке из люцер­ны, отличающейся наиболее высоким содержанием этого про­витамина среди кормовых трав. Содержание нуклеиновых ки­слот в одноклеточных водорослях значительно ниже (4—6%), чем у бактерий, однако несколько выше по сравнению с расти­тельными источниками белка (1—2%).

Технология получения белковой массы из клеток водорослей включает выращивание промышленной культуры в культивато­рах открытого или закрытого типа, отделение водорослей от массы воды, приготовление товарного продукта в виде суспен­зии, сухого порошка или пастообразной массы. Процесс отделе­ния клеток водорослей от массы воды энергоемкий, так как не­обходимо перерабатывать большие объемы жидкости.

Вначале отстаивают клеточную суспензию, затем клетки во­дорослей отделяют от воды (декантацией). Для ускорения оса­ждения клеток часто применяют метод химической флоккуляции, вызывающий быструю коагуляцию частиц. После осажде­ния клеточной биомассы ее пропускают через сепаратор, в результате суспензия сгущается до необходимой концентрации. Если требуется получить пастообразный препарат, то получен­ную белковую массу высушивают. Для улучшения переварймо-

 

277

сти биомассы клеток хлореллы и сценедесмус ее подвергают обработке, вызывающей разрушение клеточных оболочек.

В России наиболее распространено выращивание хлореллы, которую применяют для кормления сельскохозяйственных жи­вотных в виде суспензии (1,5 г/л сухого вещества) или сухого порошка. Суточная норма суспензии хлореллы при кормлении молодняка крупного рогатого скота — 3—6 л, взрослых живот­ных— 8—10 л. При добавлении в корм жвачных животных му­ки хлореллы допускается замена 50% растительного белка бел­ком водоросли.

Важное значение имеет выращивание водорослей на стоках промышленных предприятий, тепловых электростанций, живот­новодческих комплексов, так как в этих случаях наряду с полу­чением кормового белка одновременно решаются проблемы, связанные с защитой окружающей среды. Так, например, вы­ращивание культуры сценедесмус или хлореллы на стоках жи­вотноводческих комплексов в течение 15 сут позволяет почти полностью очистить их от органических веществ, исчезает запах и цвет. При культивировании водорослей на промышленных стоках или стоках тепловых станций используют отводимый с этих объектов избыток тепла, а также утилизируется углеки­слота, образуемая как побочный продукт технологических про­цессов и в результате сжигания различных отходов.

Культиваторы для выращивания водорослей открытого типа имеются во многих странах. Крупнейшая фирма по выращива­нию хлореллы «Хлорелла Сан Компани» имеется в Японии. В Болгарии на водах термальных источников культивируют водо­росли хлорелла и сценедесмус, причем болгарским ученым уда­лось получить штаммы хлореллы без целлюлозной оболочки, биомасса клеток которых хорошо переваривается в организме животных. В значительном количестве белковые концентраты из водоросли спирулины производятся в странах центральной Африки и в Мексике, где имеются щелочные озера. Крупней­шим производителем различной продукции из биомассы и бел­ков спирулины является фирма «Coca Текскоко» (Мексика). В Италии разрабатывается технология выращивания клеток спи­рулины на морской воде и в культиваторах закрытого типа. В связи с тем, что биомасса водорослей рода Spirulinaлегко переваривается ферментами желудочного сока и характеризу­ется высоким содержанием белков (до 70% сухой массы), хоро­шо сбалансированных по аминокислотному составу, она в ряде стран используется для приготовления продуктов питания, главным образом кондитерских изделий, обогащенных белком.

 

278

Учитывая важное значение вводимых в промышленную культуру водорослей как дополнительного источника полноцен­ного белка для кормления сельскохозяйственных животных и питания людей, учеными разных направлений — селекционера­ми, генетиками, биохимиками — проводятся исследования по улучшению существующих промышленных штаммов однокле­точных водорослей и получению новых генотипов, которые должны сочетать в себе высокую интенсивность фотосинтеза, холодоустойчивость, хорошую переваримость, способность син­тезировать большое количество белка лучшего качества (повы­шенное содержание незаменимых аминокислот) и полнее утили­зировать субстрат. Важная роль в реализации таких исследо­ваний отводится методам генетической инженерии.

Белки микроскопических грибов. Ценным источником хоро­шо сбалансированных по аминокислотному составу белков яв­ляются клетки мицелия многих микроскопических грибов. По своим питательным свойствам белки грибов приближаются к белкам сои и мяса, вследствие чего могут использоваться не только для приготовления кормовых концентратов, но и как до­бавка в пищу человека. Сырьем для промышленного выращи­вания микроскопических грибов обычно служат растительные отходы, содержащие клетчатку, гемицеллюлозы, лигнин. При этом одновременно решаются две важные задачи — получение белковой массы и утилизация отходов растениеводства, дерево­обрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, которые могут быть источниками загрязнения окружающей среды.

Особенно важно найти активные штаммы микроорганизмов, способные утилизировать углерод лигнина, обладающего высо­кой устойчивостью к разложению микрофлорой. В природе лиг­нин разлагается лишь грибами коричневой и белой гнили из родов Stropharia , Pleurotus , Abortiporus ,- Coriolus , Stereumи др. В настоящее время в процессе исследований отобраны ток­сичные быстрорастущие штаммы мезо- и термофильных грибов для промышленного культивирования из родов РепісіШит, Aspergillus , Fusarium , Trichoderma . Клетки мицелия этих гри­бов имеют тонкую клеточную оболочку, вследствие чего очень хорошо перевариваются в желудочно-кишечном тракте живот­ных. Они содержат в своем составе комплекс ароматических веществ, улучшающих их вкусовые качества, богаты витамина­ми и легкоусвояемыми липидами. По сравнению с дрожжевы­ми белки микроскопических грибов отличаются повышенным содержанием серосодержащих аминокислот и лучшей усвояе­мостью. Концентрация нуклеиновых кислот в грибном мицелии

279

(1—4% от сухой массы) почти такая же, как в тканях расти­тельного организма. Вместе с тем в биомассе грибов значитель­но меньше, чем в дрожжах, синтезируется белков (20—60% от сухой массы) и у них относительно медленней происходит рост биомассы (удвоение биомассы через 4—16 ч, тогда как у дрож­жей через 2—3 ч).

Низшие мицелиальные грибы, культивируемые на целлюло-зо- и лигнинсодержащих растительных отходах, вследствие их способности синтезировать комплекс гидролитических фермен­тов разлагают целлюлозу и лигнин до простых веществ, из ко­торых образуются аминокислоты и белки. В целях ускорения роста грибов проводится предварительная обработка расти­тельного сырья, повышающая доступность его компонентов для утилизации микроорганизмами. Чаще всего применяют кислот­но-щелочной способ обработки целлюлозо- и лигнинсодержа­щих отходов, отпаривание под давлением, обработка аммиаком и каустической содой. После такой обработки происходит пол­ное или частичное разложение трудногидролизуемых полисаха­ридов и лигнина, что обеспечивает ускоренный рост грибной массы и сокращение сроков промышленного культивирования грибов (до 7—8 сут).

В зависимости от способа подготовки растительного сырья для культивирования микроскопических грибов применяют и соответствующие технологии их выращивания. Для культивиро­вания грибов на твердой питательной среде разработан метод твердофазной ферментации, который включает измельчение и обработку растительного сырья парами воды и аммиака, обо­гащение этого сырья минеральными веществами, посев и выра­щивание мицелия грибов в заданном режиме аэрации и под­держания оптимальной температуры. Однако при такой техно­логии культивирования грибов коэффициент использования растительного сырья низкий, что предопределяет и сравнитель­но невысокий уровень содержания белка в выращиваемой грибной массе (20—30% от сухой массы). Так, например, пря­мое культивирование низших мицелиальных грибов на соломе и других отходах растениеводства обеспечивает включение угле­рода из этих источников в органическое вещество грибного ми­целия на 17—25%.

Более высокий коэффициент использования сырья обычно достигается при выращивании грибов на гидролизатах расти­тельных отходов и жидких отходах деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Для этого применяют метод глубинного культивирования, как и при выращивании кормовых дрожжей. Содержание белков в грибной массе, вы-

 

280

ращенной на жидкой питательной среде, может достигать 50—60% от сухой массы. В целях более полного использования сырья также практикуется совместное культивирование грибов и бактерий. Наряду с использованием растительных отходов разработаны также технологии по переработке в грибной белок торфа, навоза, экскрементов животных.

Хорошая переваримость грибной белковой массы в организ­ме животных, а также низкий уровень содержания нуклеиновых кислот позволяет использовать ее в качестве кормовой добавки в значительно большей концентрации, чем кормовые дрожжи. Обычно при кормлении молодняка животных допускается введе­ние в кормовые рационы грибного белка в пределах 15—20% от белка корма, а при кормлении взрослых животных возможна за­мена в корме 50% растительного белка на грибной.

Кормовые белковые концентраты из растений. В поисках источников полноценного кормового и пищевого белка ученые уже давно обратили внимание, что дикие травоядные живот­ные, для которых единственным источником белка являются пастбищные травянистые растения, нормально развиваются и не имеют каких-либо отклонений в обмене веществ, связанных с недостатком незаменимых аминокислот. Все это свидетельст­вует о том, что белки вегетативной массы трав и других расте­ний имеют хорошо сбалансированный аминокислотный состав. Они различаются в основном по интенсивности синтеза белков, тогда как аминокислотный состав их белков довольно близок (табл. 5.3).

 

Таблица5.3. Содержание незаменимых аминокислот

---

Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 482; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!