CC BY
56
УДК 636.085.3: 636.085.5
Р. А. Шурхно, Ф. Ю. Ахмадуллина, А. С. Сироткин
АКТИВНОСТЬ ЦЕЛЛЮЛАЗ В РАСТИТЕЛЬНЫХ КОРМАХ И ВТОРИЧНОМ СЫРЬЕ
В ПРОЦЕССАХ ИХ ЗАГОТОВКИ, ПЕРЕРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ
Ключевые слова: целлюлолитическая активность, отходы пищевой промышленности и сельского хозяйства, сырая клетчатка, растительный корм.
В работе приведены результаты исследований по оценке целлюлолитической активности образцов растительного корма и вторичного сырья. Выявлена зависимость данной активности и содержания сырой клетчатки в изучаемых субстратах.
Keywords: cellulolytic activity, waste of the food industry and agriculture, crude fiber, plant forage.
Results of researches on an assessment activity of celllose of samples of a plant forage and secondary raw materials given in this work. Dependence of this activity and the content of crude fiber in the samples is revealed.
Введение
В последние годы проблема комплексной переработки вторичного сырья становится все более острой, так как концепция их одностороннего использования изжила себя экономически, технологически и экологически [1].
Создание новых видов биопродуктов за счет дешевого возобновляемого вторичного сырья (свекловичный жом, отруби, шрот, жмых) позволит получить белковые кормовые добавки, которые в дальнейшем будут использованы для производства полноценного и сбалансированного корма для животных [1].
Наличие ферментных систем в кормах является залогом ускоренного накопления низкомолекулярных продуктов в пищеварительном тракте, что способствует развитию микрофлоры, интенсификации процессов микробной ферментации, повышению уровня энергетического питания животных, их ускоренному росту и развитию. В пищеварительном тракте животных полисахариды, белки и липиды кормов расщепляются до легкоусвояемых соединений при участии эндогенных пищеварительных ферментов, ферментов симбиотической микрофлоры и фитоферментов самих кормов [2].
Наличие целлюлазной активности в кормах или ингредиентах будущих кормов может свидетельствовать о качестве их производства, сохранности и безопасности дальнейшего использования.
Целью настоящей работы являлось определение целлюлолитической активности сопутствующей микрофлоры кормов и количества сырой клетчатки в процессе заготовки и хранения растительных кормов, а также кормовых добавок на основе отходов сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности.
Для выполнения данной цели решались следующие задачи:
- определение массовой доли влаги, сырой клетчатки;
- определение активности целлюлазы в образцах.
Материалы и методы
Объекты исследования. Объектами исследований явились растительные корма: силос кукурузный и сенаж люцерновый; отходы пищевой и сельскохозяйственной промышленности: пивная дробина (2 образца), жмых и шрот подсолнечный, шрот соевый и сухой жом [3].
Физико-химические показатели объектов исследования. Сухое вещество и сырую клетчатку кормов растительного происхождения и образцов комбикормового сырья определяли по общепринятым методикам, а также описанным ранее [3,4,5].
Определение целлюлолитической активности образцов. Метод основан на определении скорости ферментативной реакции гидролиза субстрата, которую устанавливали по количеству образовавшихся спирторастворимых сахаров. Содержание этих сахаров определяли колориметрическим методом с применением антронового реактива [6]. В качестве субстрата использовали 1% раствор карбоксиметил-целлюлозу (КМЦ) в ацетатном буфере с рН 5,5.
Проводили ферментативный гидролиз целлюлозного субстрата и в полученном гидролизате определяли содержание низкомолекулярных углеводов после осаждения с помощью алюмокалиевых квасцов и последующего отделения высокомолекулярных углеводов фильтрацией. Предварительно строили калибровочный график зависимости оптической плотности образцов от концентрации субстрата - КМЦ (рис. 1). Полученный раствор колори-метрировали с использованием КФК-3 («ЗОМС», Россия), при длине волны 551 нм с синим светофильтром.
Для уточнения полученных результатов проводили статистическую обработку экспериментальных данных с получением уравнения функции глюкозы ), имеющего общий вид [7]: У = 0,0163хХ - 0,05, где У-оптическая плотность стандартного раствора глюкозы, усл. ед.; X -концентрация глюкозы в стандартном растворе, мкг/мл.
Целлюлолитическую активность (мг/г) рассчитывали по формуле:
ЦА=т/п,
где т-масса глюкозы, найденная по калибровочной кривой (рис. 1), мг; п-масса иследуемого образца, взятого на анализ, г.
4 -|
3 -
Ч 2 -
tí
1 -
0 i
0 100 200 300 С, мкг/мл
Рис. 1 - Калибровочный график
Статистическая обработка результатов. В работе использовались стандартные методы математической статистики с применением пакета прикладных программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение
Углеводы являются основными источниками энергии в рационах сельскохозяйственных животных и обычно составляют 60-70% в рационе. Большое разнообразие углеводов, входящих в состав кормов, определяет их углеводистую питательность. На содержание сахаров в кормах оказывают большое влияние вид растения, фаза роста или период уборки, технология заготовки, условия хранения и др.
В табл. 1 приведены значения сухого вещества изучаемых образцов необходимые для пересчета величины целлюлолитической активности.
Таблица 1 - Процентное содержание сухого вещества (СВ) в опытных образцах
Объекты исследования СВ, %
Пивная дробина (обр. 1) 20,0
Пивная дробина (обр. 2) 20,7
Жмых подсолнечный 90,3
Шрот подсолнечный 94,1
Шрот соевый 88,0
Свекл. сухой жом 90,1
Свекл. рассыпной жом 92,2
Силос кукурузный 15,7
Сенаж люцерновый 39,7
*среднеквадратичное отклонение результатов 3-х повторности □ < 12%.
Изучение содержания сырой клетчатки в объектах исследования целесообразно ввиду того, что она является активатором ферментных процессов в пищеварительном тракте и фактором увеличения поверхностной фазы. Активация наиболее заметна в отношении амилаз и трипсина, а также уреазы. Оптимальная концентрация клетчатки в хи-
мусе тонкого кишечника - 0,8%. Отклонение от этой величины снижает активность ферментов, в связи с чем чрезмерный избыток клетчатки в рационе значительно снижает перевариваемость крахмала, протеина и жира, что приводит к перерасходу кормов на единицу продукции [8,9].
Поэтому определение количества сырой клетчатки в используемых кормах актуально и необходимо (табл. 2). Из всех содержащихся в кормах веществ, наибольшее влияние на их переваривае-мость оказывает клетчатка и протеин. Основной составляющей клетчатки является целлюлоза -главный природный полимер. Целлюлоза является одним из наиболее трудно гидролизуемых природных полимеров. Биодеградацию целлюлозы осуществляют ферменты микроорганизмов.
Таблица 2 - Значения сырой клетчатки и целлю-лолитической активности в образцах
Объекты исследования Сырая клетчатка, % Целлюло-литическая активность, мг/г
Пивная дробина (обр. 1) 23,1 0,148
Пивная дробина(обр. 2) 17,2 0,110
Жмых подсолнечный 21,9 0,076
Шрот подсолнечный 20,0 0,108
Шрот соевый 6,90 0,089
Свекл. сухой жом 18,7 0,118
Свекл. рассыпной жом 20,5 0,140
Силос кукурузный 5,20 0,034
Сенаж люцерновый 14,7 0,083
*среднеквадратичное отклонение результатов 3-х
повторности □ < 12%.
На величину целлюлолитической активности определенная в ходе работы и содержания сырой клетчатки в объектах исследования оказывали влияние: непосредственно сырьевая база; технология обработки первичного сырья; технология переработки кормов и условия хранения.
Подтверждением этому служат данные по двум образцам пивной дробины, являющиеся отходами разных пивоваренных предприятий, где отличался температурный режим в стадии получения сусла. В одном случае затирание проводили при температуре, равной 60-65 °С, а в другом - при 7075 °С [10]. Можно предположить, что более жесткий режим тепловой обработки несомненно снижает качественные показатели (табл. 2).
При сравнении образцов свекловичного жома рассыпного и сухого можно предположить влияние условий хранения вторичного сырья - это дисперсность и влажность. Влажность жома рассыпного меньше на 2,1% по сравнению с сухим, что возможно и служит причиной большего содержания сырой клетчатки и более активной целлюлазы (табл. 1, 2).
Влияние состава сырья наблюдали на примере шрота подсолнечного и соевого. Образец шрота подсолнечного характеризовался высокой целлю-лолитической активностью и большим содержанием сырой клетчатки (0,108 мг/г и 20,0 %, соответственно) по сравнению с соевым шротом (0,089 мг/г и 6,9%, соответственно) (табл. 2).
Что касается консервированных растительных кормов силоса кукурузного и люцернового сенажа, то главную роль в содержании и сохранности количества сырой клетчатки, а также активности целлюлазы сыграла массовая доля влаги. Процесс закладки силоса происходил при влажности растительной массы 84,3%, а сенажа - 60,3% (табл. 1). Это один из основных показателей от которого в дальнейшем будет зависеть энергетическая и питательная ценность готового продукта.
По полученным результатам можно также выявить влияние на изучаемые параметры способа обработки вторичного сырья, сопоставляя данные по жмыху и шроту подсолнечному. Известно, что существенное влияние на развитие целлюлозолити-ческих микроорганизмов оказывает лигнин корма. С увеличением количества лигнина (более 3%) начинается угнетение микрофлоры и ухудшается деструкция целлюлозы. Содержание лигнина в жмыхе подсолнечном составляет в среднем 4,7% [11], что и подтверждается полученными данными.
По степени снижения целлюлолитической активности в объектах исследования можно выявить следующий ряд: пивная дробина (1 обр.) > свекловичный рассыпной жом > свекловичный сухой жом > пивная дробина (2 обр.) > шрот подсолнечный > шрот соевый > сенаж люцерновый > жмых подсолнечный > силос кукурузный и по содержанию сырой клетчатки: пивная дробина (1 обр.) > жмых подсолнечный > свекловичный рассыпной жом > шрот подсолнечный > свекловичный сухой жом > пивная дробина (2 обр.) > сенаж люцерновый > шрот соевый > силос кукурузный.
Заключение
1. Изучена целлюлолитическая активность ряда кормов и кормовых добавок, являющихся отходами сельского хозяйства и пищевой промышленности: силоса кукурузного, сенажа люцернового, двух образцов пивной дробины, шрота соевого, жмыха и шрота подсолнечных, свекловичного жома сухого и рассыпного. Показано, что наибольшей
целлюлолитической активностью обладают образцы пивной дробина (обр. 1) и жом рассыпной, а наименьшей - жмых подсолнечный и силос кукурузный (0,148 мг/г, 0,140 мг/г, 0,076 мг/г и 0,034 мг/г, соответственно).
2. Определено содержание сырой клетчатки и установлено в основном соответствие между ферментативной активностью и содержанием клетчатки в исследуемых образцах кормов и вторичного сырья. Исключение составляют жмых подсолнечный и шрот соевый, которые характеризуются высоким содержанием протеина.
3. Проанализировано влияние выбора культуры, технологии обработки первичного сырья, состава сырья, технологии переработки и заготовки кормов, а также условий хранения на целлюлолити-ческую активность и содержание клетчатки в объектах исследования.
4. Установлена общая закономерность влияния содержания клетчатки на целлюлолитиче-скую активность образцов.
Литература
1. Д. А. Свиридов, Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов. М.: ВНИИПБТ, 375-378 (2014).
2. . С.Н. Хохрин Корма и кормление животных: учебное пособие. -СПб.: Лань, 1999. - 512 с.
3. Р.А. Шурхно, Ф.Ю. Ахмадуллина, А.С. Сироткин, Л.Ф. Галанцева, О.Н. Ильинская, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 223-228 (2014).
4. Р.А. Шурхно, Ф.Ю. Ахмадуллина, А.С. Сироткин, Вестник Казанского технологического университета, 18, 4, 279-282 (2015).
5. ГОСТ 13496.2-91. Корма, комбикорма, комбикормовое сырьё. Метод определения сырой клетчатки. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 10 с.
6. Н.А. Родионова, Н.А Тиунова. Методы определения целлюлазной активности. -М.: Наука, 1966. - 282 с.
7. А.К. Чарышев. Математическая обработка результатов химического анализа: учебное пособие для студентов вузов. М.: Химия, 1984. 168 с.
8. Л.Г. Боярский. Ферментные препараты в кормлении животных. -М.: Россельхозиздат, 1985. -110 с.
9. Н.А. Родионова. Ферментативное расщепление целлюлозы. Целлюлаза микроорганизмов. М.: Наука, 1981. -215 с.
10. И.В. Петрухин. Корма и кормовые добавки. - М.: Рос-агропромиздат, 1989. - 498 с.
11. Биохимия растительного сырья /под ред. В.Г. Щербакова. - М.: Колос, 1999. - 376 с.
© Р. А. Шурхно - к.б.н., старший научный сотрудник ФГБНУ «Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства», Ravillya@yandex.ru; Ф. Ю. Ахмадуллина - старший преподаватель кафедры промышленной биотехнологии КНИ-ТУ; А. С. Сироткин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66@gmail.com.
© R. A. Shurkhno, Ph.D (Biology), senior research associate Tatar research institute of agriculture, e-mail: Ravillya@yandex.ru; F. U. Akhmadullina, Senior teacher Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU; A. S. Sirotkin, Professor, Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU, asirotkin66@gmail.com.
