CC BY
3
УДК 637.631: 577.156.1
Шамханов Ч.Ю., доктор технических наук профессор, главный научный сотрудник отдела биологических
исследований
Джамбетова П.М., доктор биологических наук доцент, главный научный сотрудник отдела биологических
исследований
Комплексный научно-исследовательский институт им.
И.ХИбрагимова РАН Оказова З.П., доктор сельскохозяйственных наук доцент, заведующий кафедрой экологии и безопасности
жизнедеятельности Чеченский государственный педагогический университет ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ БИОКОНВЕРСИИ
КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ЖИВОЙ КУЛЬТУРОЙ
ПРОДУЦЕНТА
Аннотация. В данной статье приводятся результаты исследования условий биоконверсии кератиносодержащего сырья, образующегося как вторичный отход в животноводческой промышленности, живой культурой Streptomyces fradiospiralis. Эта технология позволяет получить дешевые высококачественные и питательные корма, которые обладают высокой энергетической ценностью. Установлено, что активность ферментов увеличилась в 2 раза. Эффективность использования микробной биомассы в рационах бройлеров подтверждается увеличением их живой массы на 180 г, что составляет 10,3 %. Применение биотехнологических методов с целью получения белковых животных кормов создает безотходный, экологичный и замкнутый цикл переработки кератиновых отходов.
Ключевые слова: кератин пера, вторичных кератиновых отходов, биоконверсия, кормовой протеин, кормовая ценность.
Shamkhanov Ch. Yu., doctor of technical sciences Professor, Chief Researcher Complex Biological Research research institute them. THEIR. Ibragimova RAS
Dzhambetova P.M. Doctor of Biological Sciences, Associate Professor Chief Researcher Biological Research Complex Research Institute
them. I.Kh.Ibragimova RAS Okazova Z.P.
Doctor of Agricultural Sciences, Associate Professor Head of the Department of Ecology and Life Safety STUDY OF THE CONDITIONS OF BIERCONVERSION OF KERATIN-CONTAINING RAW MATERIALS BY THE LIVE CULTURE
OF THE PRODUCER
Abstract: This article presents the results of a study of the conditions for the bioconversion of keratin-containing raw materials formed as a secondary waste in the livestock industry, a living culture of Streptomyces fradiospiralis. This technology allows you to get cheap high-quality and nutritious food, which have a high energy value. It is established that the activity of enzymes increased by 2 times. The efficiency of using microbial biomass in broiler rations is confirmed by an increase in their live weight by 180 g, which is 10.3%. The use of biotechnological methods (the use of enzyme preparations or microbial fermentation) to obtain animal protein feed creates a waste-free, environmentally friendly and closed cycle of processing keratin wastes.
Key words: feather keratin, secondary keratin wastes, bioconversion, feed protein, feed value.
Одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства в России является ускоренное развитие животноводства и птицеводства. Однако высокая себестоимость кормов и недостаток кормового протеина являются теми факторами, которые влияют на рост производства продукции животноводства. В процессе переработки животноводческого сырья образуются отходы или вторичное сырье, из которого можно получить высококачественные корма.
Для исследования биоконверсии кератина в составе питательных сред нами использовались контрольная и модифицированная питательные среды для анализа физиолого-биохимических особенностей продуцента Streptomyces fradiospiralis ВКМ А-157 при выращивании в лабораторных условиях в качалочных колбах.
Исследуемые питательные среды были следующего состава, в %:
Среда 1 Среда 2
Соевая мука - 2,0 Кератин - 2,0
Крахмал картофельный - 7,0 Крахмал картофельный - 7,0
КН2Р04 -0,15 КН2Р04 -0,15
MgS04x7H20 - 0,10
MgS04x7H20 -0,10 FeS04x7H20 -0,0015
FeS04x7H20 - 0 0015 ZnS04 - 0,0005
FeS04x7H20 °,°015 СаСОз -0,400
ZnS04 - 0,0005
СаС12 - 0,005
Положительное влияние на биосинтез кератинрасщепляющих протеаз актиномицетом Streptomyces fradiospiralis ВКМ А- 157 оказывало присутствие в среде некоторых свободных аминокислот. Значительное усиление биосинтеза протеаз происходило в присутствии в среде триптофана. Активность ферментов увеличилась в 2 раза. Полученные результаты подчеркивают целесообразность использования вторичных кератиновых отходов в питательных средах при культивировании актиномицета как
индуктора биосинтеза специфических протеаз, возможность их переработки в белковые кормовые продукты методом микробной ферментации. Выращивание вели при 28 °С, исходная величина рН 7,2-7,4. Продолжительность культивирования - 192 часа. Затем культуральную жидкость отделяли от мицелия центрифугированием. Проводили определение рН и ПС в фильтрате культуральной жидкости, редуцирующих веществ и количества биомассы. Первые трое суток определяли данные через 24, в дальнейшем - через 12 часов.
Как видно из таблицы 1., в первые сутки культивирования идет снижение величины рН с 7,4 до 6,0. Затем, к 48 часам, рН быстро поднимается до уровня 7,0. Далее, в течение всего времени культивирования рН стабилизируется на уровне 7,4 - 7,5. Стабилизация рН наблюдается на фоне развивающегося лизиса клеток (96-120 ч) в условиях несменяемой питательной среды и формированием в среде продуктов щелочного характера, как правило, это продукты белкового распада, в том числе мочевина.
Таблица 1.
Динамика роста актиномицета и синтеза протеаз в зависимости от состава питательных сред
Продолжительн ость культивировани я, ч рН фильтрата Биомасса, г РВ, мг глюкозы ПСхЮ3, ед/мл
номер среды
1 2 1 2 1 2 1 2
24 6,5 6,0 2,39 1,48 56 43 71 331
48 7Д 7,0 2,77 2,18 63 57 519 1405
72 7,3 7Д 2,90 2,11 78 53 1133 2386
84 7,3 7,2 2,93 2,03 93 48 1502 2663
96 7,3 7,2 2,92 1,99 70 40 1842 2663
108 7,3 7,2 2,86 1,93 59 34 2243 2646
120 7,3 7,3 2,80 1,86 54 27 2520 2632
132 7,4 7,3 2,46 1,78 45 22 2520 2629
144 7,4 7,4 2,14 1,71 39 16 2515 2625
156 7,5 7,4 1,96 1,65 34 И 2512 2623
168 7,5 7,4 1,88 1,57 27 7 2511 2622
192 7,5 7,4 1,80 1,51 22 6 2510 2620
При анализе изменения ПС установлено, что протеолитический комплекс ферментов формируется за счет экзоферментов, максимум образования которых приходится на начало лизиса клеток (84-96 ч) и сохраняется в течение всего процесса практически на одном уровне за счет рН-стабильности в создаваемом диапазоне рН.
Аналогичная картина наблюдается и в случае модифицированной питательной среды, когда вместо соевой муки использовался кератин пера с той лишь разницей, что максимальный биосинтез биомассы и ферментов отмечается на 72-84 ч, т.е. на 24-36 ч процессы протекают интенсивнее, что весьма важно в реализации практических целей. В случае модифицированной среды заметно меньше формируется РВ при выращивании продуцента при практически одном и том же максимуме биомассы, но при значительно большем выходе ПС. Это свидетельствует о значительно большей продуктивности, которая в 1,46 раз выше в случае использования кератиновых отходов, что, по всей видимости, связано как с индуцебельной природой ферментов, так и с лучшими условиями питания при соотношении С:К = 17,5. При этом более 80 % кератиновых отходов переходили в водорастворимые продукты.
Выход биомассы и оценка белков дает положительный ответ на вопрос перспективности их использования в составе кормовых рационов. Однако в случае несменяемой питательной среды не представляется возможным в специальном опыте увеличивать объемы единовременно перерабатываемого кератинсодержащего сырья. Представляло интерес установить целесообразные способы предварительной обработки кератинового сырья для эффективного использования в составе питательных сред. Для этого использовали сведения о физико-химических свойствах входящих в протеолитический комплекс Streptomyces fradiospiralis ВКМ А -157 ферментов, а также результаты дополнительно проведенных исследований.
Исследования действия некоторых химических реагентов на протеолитическую активность ферментов показали, что при внесении НО, КОН, NaOH, Na2S, СО (№2)2 в концентрации 3x10-2 М в течение 12 ч определенным образом изменяли ПС. При этом такие как НС 1 инактивировали ПС из-за низкого рН, ПС значительно увеличивалось в случае КОН и NaOH, что связано с щелочным характером используемого комплекса ферментов. Наивысшее значение ПС отмечено в случае мочевины.
Представляло интерес исследовать влияние термических режимов на степень растворения белков используемого сырья. Для этого сырье обрабатывали в различных условиях (табл. 4), охлаждали до оптимальной температуры и вносили ферментный препарат протофрадиоспиралисин Г 10 х в виде водной суспензии при дозировке 6 ед/г белка сырья и вели гидролиз в течение 6 ч.
Как видно из данных таблицы 2, около 70 % белков кератинсодержащего сырья переходит в растворимое состояние при 5 -6 часовом воздействии ферментов на предварительно обработанные белки
сырья.
Использование предварительно обработанного кератинсодержащего сырья повышает выход биомассы в 3,7 раза, снижает отходы (нерастворимую часть) и обеспечивает более высокую усвояемость продуктов биосинтеза. Режимы наилучшего варианта предварительной обработки сырья с использованием мочевины и автоклавирования максимально сходны с режимами подготовки питательных сред для выращивания микроорганизмов и поэтому не осложняют технологические процессы, не требуют дополнительных капитальных затрат или специального оборудования.
Таблица 2.
Влияние температурных режимов на ферментативный гидролиз кератина пера препаратом протофрадиоспиралисином Г 10х_
Варианты предварительной обработки (гидромодуль 1:20) Растворение белка, % к исходному количеству по часам
1 2 3 4 5 6
Набухание в воде при 45 °С 0,1 од 0,2 0,2 0,3 0,4
Набухание при 45 °С с добавлением мочевины (0,2 %) 0,3 0,5 0,6 0,8 0,9 0,9
Кипячение с водой 1,3 1,3 1,4 1,6 1,7 1,7
Кипячение с мочевиной (0,2 %) 2,4 2,5 2,7 2,8 2,9 2,9
Автоклавирование с водой (Р=0,15Мпа) 4,2 4,5 4,8 5,3 5,7 6,2
Автоклавирование с мочевиной (0,2 %) 15,5 22,7 42,4 65,8 67,6 69,3
Для увеличения объемов использования кератинсодержащего сырья проводили исследования возможности «подпитки» культуры продуцента в процессе выращивания. Для этого подготовку сред, посев и выращивание вели аналогично описанному выше. Через 48-56 ч (в период максимальной скорости биосинтеза и деления клеток) колбы снимали с качалки и в стерильных условиях добавляли 2 % обработанного кератина и вновь продолжали выращивание в течение 36-42 ч, повторяя операцию 4 раза и доводя объем использования кератинового сырья до 10 %.
В производственных условиях была наработана опытная партия микробной биомассы актиномицета ВКМ А-157, выращенного на среде 2 с кератином пера. Полученная после культивирования биомасса микроорганизма была обработана острым паром при температуре 112 °С в течение 20 минут для полной инактивации ферментов и стерилизации готового продукта.
Эффективность скармливания микробной биомассы была проведена на цыплятах-бройлерах в возрасте от 1 до 56 дней.
В эксперименте предусмотрены две группы бройлеров, отобранных по
принципу аналогов по 20 голов в каждой. Птица опытной и контрольной групп рассажена в 3-х ярусной батарее КБХ-3 для содержания бройлеров. Температурный и световой режим для обеих групп находился на одном уровне. Плотность посадки - по 10 голов в клетке.
В рационе кормления было предусмотрено получение бройлерами опытной группы основного рациона - (комбикорм ПК-5-96,5 %, витаминная смесь 0,5 %) и препарата микробной биомассы из расчета 3 % на 100 г поедаемых кормов. Бройлеры контрольной группы получали только основной
рацион - (комбикорм ПК-5-96,5 %, сухое молоко 3 %, витаминная смесь 0,5 %).
Питательный состав основного рациона характеризовался следующими показателями:
1. Массовая доля сырого протеина - 20,45 %;
2. Обменная энергия, кДж - 993,0;
3. Массовая доля кальция - 0,86;
4. Массовая доля фосфора - 0,76;
5. Массовая доля натрия - 0,09.
В процессе проведения эксперимента учитывались следующие параметры: живая масса бройлеров (еженедельное взвешивание), среднесуточный прирост живой массы (1 раз в неделю), сохранность бройлеров (табл. 3) и поедаемость кормов.
Из таблицы видно, что поедаемость кормов в обеих группах была практически одинакова и за период от 1 до 56 дней составила: в опытной - 72,4 г, и в контрольной - 72,7 г.
Таблица 3.
Живая масса бройлеров по возрастам
Продолжител ьность Среднесуточный привес, г Живая масса, г Поедаемость комбикормов, г
опыт контроль опыт контроль опыт контроль
1 9,3 8,9 103,0 100,0 15,0 13,7
2 19,8 18,0 242,0 226,0 38,4 37,6
3 29,7 22,0 405,0 380,0 56,8 55,0
4 35,7 35,7 700,0 630,0 69,0 68,0
5 39,3 46,6 1030,0 956,0 83,5 85,0
6 46,7 45,4 1350,0 1274,0 93,8 97,4
7 52,0 33,6 1720,0 1610,0 102,8 100,0
8 30,2 20,1 1931,0 1751,0 120,0 125,0
Следует подчеркнуть, что среднесуточный прирост бройлеров был выше в опытной группе и составил 32,8 г, тогда как этот показатель для контрольной группы не превышал 28,8 г. Соответственно, живая масса бройлеров опытной группы в 8-й недельном возрасте находилась на уровне 1931 г, а в контрольной - 1751 г.
Таким образом, кератинсодержащее перо-пуховое сырье возможно перерабатывать методом микробной ферментации в белковые животные корма легкоусвояемой формы. Для повышения выхода микробной биомассы необходимо увеличить массовую долю кератина пера в питательной среде до 10 %. Эффективность использования микробной биомассы в рационах бройлеров подтверждается увеличением их живой массы на 180 г, что составляет 10,3 %. На основании полученных результатов рекомендуется внесение белковых компонентов на основе микробной биомассы в рецептуры комбикормов более 3 %.
Применение биотехнологических методов (применение ферментных препаратов или микробной ферментации) с целью получения белковых животных кормов создает безотходный, экологичный и замкнутый цикл переработки кератиновых отходов по следующей цепочке: живая птица > убой и переработка птицы > вторичные кератиновые отходы > микробная ферментация > белковый корм из биомассы > увеличение живой массы птицы.
Использованные источники:
1. Антипова Л.В. Биотехнологические аспекты рационального использования вторичного сырья мясной промышленности: обзорная информация. -М.: АгроНИИТЭИММП, 1991. -36с.
2. Артемьева О.А. Возможности использования продуктов вторичной переработки для получения кормового белка // Молочное и мясное скотоводство. - 2015. - №6. - С. 33-35.
3. Шамханов Ч. Ю. Получение и применение кератиновых продуктов на основе биомодификации сырья мясной промышленности: теория и практика : автореферат дис ... доктора технических наук : 05.18.04, 05.18.07 / Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2004. - 44 с.
4. Шамханов Ч.Ю., Антипова Л.В., Осминин О.С. Влияние условий предварительной обработки на ферментативный гидролиз кератинов//Хранение и переработка сельхозсырья. -2002. -№3. -С. 6871.
5. Шамханов Ч.Ю., Батукаев А.А. Изыскание условий предварительной обработки кератина // Проблемы развития АПК региона. - 2015. - Т.24. 4 (24). — С.78-82.
