CC BY
453
УДК 579.64
М. А. Каблова, Р. А. Шурхно, А. С. Сироткин
МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Ключевые слова: молочнокислые бактерии, сельское хозяйство, кормопроизводство, силос, закваски молочнокислых
бактерий.
В обзоре обсуждается использование молочнокислых бактерий в агропромышленном производстве. Показана их определяющая роль в переработке сельскохозяйственного сырья с целью заготовки качественных растительных кормов.
Keywords: lactic acid bacteria, agriculture, forage production, silage, lactic acid bacteria sourdough.
In the review is discussed the using of lactic acid bacteria in agricultural production. The significant role of lactic acid bacteria in the processing of agricultural raw materials for harvesting of high-quality plantfeed is shown.
Молочнокислые бактерии (МКБ) свыше ста лет привлекают к себе все возрастающее внимание исследователей. Развитие сельскохозяйственной микробиологии и биотехнологии значительно расширило и усовершенствовало области применения этих микроорганизмов. Молочнокислые бактерии традиционно используются в пищевой промышленности при изготовлении кисломолочных продуктов, в хлебопечении, консервировании фруктов и овощей.
Очень важна роль молочнокислых бактерий в сельском хозяйстве при консервировании кормов. Качественный корм является основой здоровья сельскохозяйственных животных и, как следствие, увеличения поголовья скота и животноводческой продукции.
Молочнокислые бактерии синтезируют разнообразные биологически активные вещества: органические кислоты, витамины, ферменты и др. Характерное свойство молочнокислых бактерий -их способность продуцировать вещества с антибиотической активностью (бактериоцины). Это свойство лактобактерий активно используется в сельском хозяйстве при консервировании кормов -силосовании.
Растительное сырье как источник молочнокислых бактерий
Молочнокислые бактерии - одна из широко распространенных в природе групп микроорганизмов, которые встречаются на поверхности растений. Основной средой обитания лактобактерий является почва, где они в наибольшем количестве концентрируются в ризосфере дикорастущих и особенно культурных растений.
Молочнокислые бактерии выполняют также роль пробиотиков и являются одним из основных организмов в микрофлоре желудочно-кишечного тракта человека и животных. В большом количестве они содержатся в толстом кишечнике и особенно богат ими кишечник долгожителей - людей старше 90 лет.
Необходимые для своей жизнедеятельности питательные вещества в своих экологических нишах молочнокислые бактерии получают, будучи в
симбиотических отношениях с другими представителями данного биоценоза [1,2].
Молочнокислые бактерии аккумулируются в ризосфере растений и причем их как правило, больше в прикорневой зоне культурных растений, чем дикорастущих. Величина коэффициента избирательности молочнокислых бактерий в ризосфере отдельных растений различна (рис. 1).
1 - корневая, 2 - прикорневая, 3 - ризосферная зоны; а -янтак, б - тростник, в - каперсы, г - солодка, д -хлопчатник, е - люцерна, ж - кукуруза, з - джугара, и -виноград
Рис. 1 - Коэффициент избирательности молочнокислых бактерий в корневой, прикорневой и ризосферной зонах некоторых растений в фазу цветения на типичных сероземах Ташкентского оазиса
Из дикорастущих растений молочнокислые бактерии в незначительном количестве встречаются в ризосфере камыша, янтака (верблюжьей колючки), солодки и каперсов. Несколько больше их у пастбищных растений, произрастающих на азиатских холмисто-увалистых предгорьях (адырах). Из культурных растений, особенно активно аккумулируются молочнокислые бактерии в ризосфере кукурузы, сорго пониклого (джугары) и винограда, а также избирательно развиваются в ризосфере люцерны, клевера, злаков и хлопчатника.
В сущности, не удавалось выявить ни одного растения, в ризосфере которого бы отсутствовали молочнокислые бактерии. Лактобактерии присутствуют в корневой зоне растений во всех фазах развития, главным образом, в фазы бутанизации и цветения. Однако, отдельные растения, различаются между собой по фазам
вегетации, и соответственно, отличаются количеством и видовым составом молочнокислых бактерий. Так, вычисленный С.С. Щелоковой коэффициент избирательности показал [3], что корневая система сорго сахарного, джугары местной, хлопчатника, винограда, тростника и янтака больше содержит молочнокислых бактерий в фазу цветения, а кукуруза и люцерна в более ранние фазы.
Существенно отметить, что в ризосфере растений молочнокислые бактерии содержатся в большем количестве, чем в эпифитной микрофлоре. Эта закономерность отчетливо выступала во всех исследованиях как дикорастущих, так и культурных растений.
Многолетние исследования видового состава молочнокислых бактерий доказали, что в ризосфере растений и почве обитает ряд основных видов этих микроорганизмов. Среди кокковых форм наиболее часто изолируются Streptococcus lactis, S. cremoris, S. durans, S. faecalis, Leuconostoc dextranicum. Из палочковидных форм чаще всего встречаются Lactobacillus plantarum, L. brevis, L. fermenti, L. buchneri, L. leichmannii.
Ризосфера растений, особенно культурных, как правило, представлена большим разнообразием видов, чем почва, взятая вдали от корней. Почвы, более богатые органическим веществом, содержат большее количество видов молочнокислых бактерий, чем бедные им [4].
На растениях постоянно присутствует разнообразная микрофлора, называемая эпифитной. К ней относятся представители бактерий, актиномицетов, микроскопических грибов, дрожжей, водорослей и простейших. Количество их может быть очень велико: от десятков - сотен тысяч до десятков и сотен миллионов клеток бактерий на 1 г субстрата. Число эпифитных микроорганизмов на поверхности листьев кукурузы, овса, люцерны, травы и других может колеблется от 1,5* 103 до 9*106 КОЕ/г. Количество микроорганизмов меняется в зависимости от вида и возраста растений, почвенно-климатических условий и агротехнологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Бактериальная микрофлора самая
многочисленная в составе эпифитной микрофлоры и часто встречающимися являются Erwinia herbicola, Bacillus subtilis и Pseudomonas fluorescens. И одними из малочисленными представители являются молочнокислые бактерии. Но в тоже время известно, что в Средней Азии, на травянистых культурах они обнаруживались в больших количествах. Причем, чем ближе к населенным пунктам, тем больше молочнокислых бактерий поселяются на поверхности растений и в первую очередь, штамм Lactobacillus plantarum [4].
Использование молочнокислых бактерий в сельском хозяйстве
Значительный экономический ущерб
животноводству причиняют болезни молодняка сельскохозяйственных животных, среди которых болезни органов пищеварения составляют до 80% [5].
После скашивания растений эпифитная микрофлора, особенно гнилостная и микромицетная, интенсивно размножаясь, проникает в толщу растительных тканей и вызывает их разложение. Поэтому продукцию растениеводства (зерно, грубые и сочные корма) предохраняют от порчи различными способами -экструдирование, силосование, сенажирование и др.
Поскольку гибель молодняка
сельскохозяйственных животных и птицы от желудочно-кишечных заболеваний остается значительной, необходима разработка и осуществление мер борьбы с ними. Известно, что при
систематическом скармливании кисломолочными продуктами количество нежелательных гнилостных бактерий в кишечнике резко уменьшается, а число молочнокислых значительно увеличивается, в результате чего усвояемость получаемых кормов повышается, и молодняк дает значительный прирост.
Установлено, что препараты из молочнокислых бактерий, молочнокислая паста и молочнокислая сыворотка являются хорошим источником чистых культур молочнокислых бактерий и эффективным средством против заболеваний желудочно-кишечного тракта молодняка сельскохозяйственных животных и птицы. На основании полученных результатов в ходе научных исследований можно рекомендовать использовать цельное и обезжиренное молоко для кормления телят, а также сыворотку для кормления поросят и боровков на откорме в заквашенном виде, используя для этого чистые штаммы МКБ: Streptococcus lactis, S. cremoris, S. diacetilactis и Lactobacillus acidophilus в соотношении 1:1:1:1 [6].
Применение МКБ в переработке сельскохозяйственного сырья для заготовки кормов
Кормопроизводство - это комплекс организационно-хозяйственных и агротехнических мероприятий, применяемых для создания кормовой базы животноводства. Для эффективного животноводства необходимо, чтобы корм был сбалансирован по протеину, жиру, углеводам, клетчатке и витаминам [7].
Разные корма, которые используются в животноводстве, отличаются по составу и питательности и принадлежат к разным группам: растительного и животного происхождения, а также кормосмеси [7].
Корма растительные подразделяются на объемистые (грубые, сочные и водянистые) и концентрированные (углеводистые и белковые) [7].
Грубые корма - это сено, солома (луговые травы и зерновые культуры), веточный корм, травяная мука и др. В этих кормах воды менее 40% и клетчатки более 19%.
Сочные корма. К этой группе относятся зеленые корма, силос и сенаж из многолетних бобовых трав, бобово-злаковой травосмеси, однолетних злаковых культур, корнеплоды, сочные плоды, ботва
корнеплодов и водоросли. В этих кормах воды более 40% [7].
Водянистые (свежие, воды более 80%) корма представлены жомом, мезгой, пивной дробиной, бардой и пищевыми отходами.
Концентрированные корма содержат в 1 кг свыше 0,65 кормовых единиц. Кормовая единица -это единица измерения и сравнения общей питательности кормов, на основе ее рассчитывают нормы кормления и составляют рационы для сельскохозяйственных животных [7]. К углеводистым концентрированным кормам относятся: зерновые, злаковые, зерноотходы, отруби, кормовая мука, мучель, мельничная пыль, кормовые мучки и сухой жом. К белковым относятся: зернобобовые, жмыхи, шроты, сухие солодовые ростки, дрожжи кормовые, сухая пивная дробина и зерновая барда.
Концентрированные корма предназначены для дополнения основного рациона из грубых и сочных кормов. Из всех кормов наибольший удельный вес занимают растительные объемистые корма, к которым жвачные животные приспособились в процессе эволюции. В зависимости от содержания влаги в заготовленных растительных кормах различают сено (12-17%), сенаж (40-50%) и силос (70-80%).
Сено готовят из скошенных трав, которые имеют влажность 70-80%, которые содержат большое количество свободной воды. В процессе сушки вода испаряется, остается только связанная вода, недоступная для микроорганизмов. При влажности сена 12-17% микробиологические процессы замедляются или полностью прекращаются, что предотвращает дальнейшую биоконверсию питательных веществ в высушенной фитомассе. Чем быстрее травы подсушены, тем меньше потери питательных веществ. Тем не менее, уменьшение количества питательных веществ во время заготовки неизбежны. Микроорганизмы в процессе сушки продолжают использовать простые сахара и, соответственно, если процесс заготовки затягивается потери возрастают. С другой стороны, быстрое подсушивание делает корм менее ароматным, и животные поедают его не всегда охотно.
Сенажирование - способ консервирования провяленных трав, главным образом бобовых, убранных в фазе бутонизации. Сенаж совмещает в себе положительные качества сена и силоса. Основной фактор сохранения провяленной массы -физиологическая сухость субстрата, то есть превышение водоудерживающей силы растений над микробной конверсией питательных веществ.
Технология приготовления сенажа основана на физических и микробиологических процессах. Количество молочнокислых и аммонифицирующих бактерий в сенаже в 4 - 5 раз меньше, чем в силосе. Скорость микробиологических процессов связана с образованием органических кислот, закислением растительного субстрата и ингибированием численности сопутствующей микрофлоры за счет
активизации деятельности молочнокислых бактерий.
Важный питательный элемент корма - углеводы, которые молочнокислые бактерии используют для синтеза органических кислот, являющиеся главными биологическими консервантами растительного субстрата. В готовом сенаже в результате гидролиза полисахаридов количество растворимых углеводов возрастает, что повышает питательную ценность корма, а в случае силоса оно резко уменьшается.
Повышенное осмотическое давление угнетает, в первую очередь, рост маслянокислых бактерий и в меньшей степени - молочнокислых бактерий. Такое отношение различных физиологических групп микроорганизмов к осмотическому давлению создает наиболее благоприятные условия для роста и развития молочнокислых бактерий. Понижение активной кислотности среды в совокупности с осмотическим давлением препятствует развитию маслянокислых бактерий, соответственно образованию бутирата в ферментируемой массе.
Таким образом, сенаж - это растительная масса с пониженной влажностью, обычно до 40-50% и максимально сохраненными питательными веществами [9].
Силос - это сочный корм, нутриенты которого сохраняются за счет консерванта (молочной кислоты), образовавшегося в результате молочнокислого сбраживания растительной массы [8].
Силосование следует рассматривать как приоритетный способ консервирования
растительной массы, так как его основным преимуществом является сохранение питательности и биологических свойств зеленых растений и повышение энергетической ценности готового корма в сравнении с исходным материалом [4,7,10]. Среди качественных и доступных кормов силос отличается низкой себестоимостью [11,12]. Биохимический смысл силосования кормовых культур заключается в том, что в результате частичной потери питательных веществ, главным образом сахаров, и превращения некоторых из них в органические низкомолекулярные кислоты сохраняются ценные компоненты зеленой массы, например, каротин и особенно растительный белок [13].
Силосование - сложный микробиологический процесс. С растительной массой в силосные траншеи попадает огромное количество нежелательных микроорганизмов, которые начинают интенсивно размножаться в растительном соке. Одна из основных задач технологии силосования заключается в том, чтобы создать оптимальные условия для жизнедеятельности молочнокислых бактерий и угнетения сопутствующей микрофлоры.
Знание особенностей деятельности микрофлоры в силосной массе; мониторинг их количественного и качественного состава; факторов, регулирующих их метаболизм в значительной степени, даст ключ к управлению биотехнологическими процессами
консервирования. Направленность
микробиологических процессов при силосовании кормов определяется рядом факторов: составом растительной массы, фазой созревания скошенной культуры, ее водно-воздушным режимом, окислительно-восстановительным потенциалом и т.д. [3,4,7].
Значительное увеличение числа
микроорганизмов на растениях (в 5-8 раз) наблюдается в течение двух - пяти часов после их скашивания (измельчение, увядание и перевозка) [13]. После закладки растительной массы в силосные траншеи, утрамбовки и плотного укрытия ее, деятельность сопутствующей аэробной микрофлоры ингибируется [3,4].
В ранние фазы силосования из МКБ доминируют кокковые формы (педиококки, Streptococcus faecalis, S. faecalis var. liquefaciens, S. faecium и Leuconostoc mesenteroides), но с повышением кислотности среды увеличивается численность лактобацилл -Lactobacillus plantarum, L. casei, L. brevis и L. fermenti [3]. Окончание первой фазы брожения связана с подкислением среды, наступлением анаэробных условий и резким уменьшением количества аммонифицирующих бактерий [4,8].
Вторая фаза, или фаза главного брожения, характеризуется активным развитием
молочнокислых бактерий. Причем в первый период второй фазы брожения в силосах обычно преобладают кокки, которые позднее сменяются палочковидными формами молочнокислых бактерий, обладающими большей
кислотоустойчивостью. Наряду с основным продуктом брожения - молочной кислотой в этот период синтезируются побочные продукты: уксусная кислота, диоксид углерода, иногда этиловый спирт. Некоторая часть белка (не более 6%) гидролизуется с образованием аминокислот, особенно незаменимых.
Третья фаза брожения (конечная) связана с постепенным уменьшением концентрации молочнокислых бактерий в созревающем силосе. Продукты брожения, синтезируемые
молочнокислыми бактериями, являются главными консервирующими компонентами растительной массы.
Для регулирования процесса силосования рекомендуется несколько приемов: использование заквасок молочнокислых бактерий, особенно при силосовании трудносилосуемого высокобелкового растительного сырья; буферные кислотные смеси, в состав которых входят различные минеральные кислоты, органические кислоты, в частности, муравьиная; формиат кальция, метабисульфит, ферменты (амилаза), антибиотики и др. [8].
Применение заквасок молочнокислых бактерий при силосовании кормов
Вопрос о целесообразности применения бактериальных препаратов из чистых молочнокислых бактерий при силосовании различных растительных масс до настоящего
времени еще не нашел окончательного решения, хотя и имеет уже длительную историю.
Еще Геннеберг показал, что сбраживание растительных масс происходит значительно лучше, если использовать для этого определенные, предварительно отселектированные культуры молочнокислых бактерий [14].
Деятельность молочнокислых бактерий улучшает микробиологический состав силоса; образует больше молочной кислоты и меньше уксусной; снижает содержание аммиака; уменьшает потери питательных веществ; обогащает витаминами и соединениями антибиотического характера, и такой силос охотнее поедается крупным рогатым скотом. В целом, по всем показателям качество силоса, приготовленного с применением чистых культур молочнокислых бактерий, выше, чем силоса, приготовленного без них.
Применение культур молочнокислых бактерий дает наибольший эффект при силосовании особенно трудно силосующихся трав, богатых протеином. Использование их также улучшают качество корма из хорошо силосующихся культур (кукуруза, подсолнечник, сорго и др.) [3].
Для силосования в основном используют штаммы Lactobacillus plantarum, L. casei, Streptococcus lactis subsp. diastaticus и др., обладающие значительной ферментативной активностью и скоростью роста. Хорошие результаты достигаются при использовании препаратов, в состав которых входит Streptococcus faecium совместно с лактобациллами.
При кормлении животных силосом, приготовленным с использованием данных молочнокислых бактерий, которые частично сохраняются в готовом корме и в дальнейшем выполняют роль пробиотиков в кишечном тракте животных, подавляя нежелательную микрофлору [10].
Таким образом, несмотря на противоречивость литературных данных, трудно согласиться с мнением о том, что вопрос об эффективности применения заквасок для биологического консервирования кормов следует оценивать, как дискуссионный. При этом чистые культуры МКБ для ферментации растительных масс должны применяться дифференцированно с учетом ряда факторов, особенно эколого-географических условий животноводческого района, а также с учетом того, что использование отселектированных штаммов лактобактерий, как правило, обладает рядом преимуществ перед ведением процесса на основе аборигенной микрофлоры.
Несомненно, актуальным остается поиск ассоциаций микроорганизмов, введение которых в субстрат не только вызывало бы биологическое консервирование, но и ряд биохимических превращений, в результате которых он становился бы более доступным для усвоения животным организмом и обогащался за счет микробного синтеза питательными компонентами, особенно аминокислотами и витаминами [1,3,4,10].
Литература
1. Шурхно, Р.А. Свойства штаммов молочнокислых бактерий, используемых для ферментации высокобелковой растительной массы Р.А. Шурхно, А.С. Сироткин // Вестник Казанского технологического университета, 18, 10. 227-232 (2015).
2. Егоров, Н.С. Промышленная микробиология: Учеб. пособие для вузов по спец. «Микробиология» и «Биология» / З.А. Аркадьева, А.М. Безбородов, И.Н. Блохина и др.; Под ред. Н.С. Егорова. - М.: Высш. шк., 1989. - 688 с.
3. Щелокова, С.С. - Узб. биол. ж., №2, 1959.
4. Квасников, Е.И. Молочнокислые бактерии и пути их использования / Е.И. Квасников, О.А. Нестеренко. - М.: Наука, 1975. - 384 с.
5. Дульнев, В.И. Влияние силосного типа кормления на здоровье животных / В.И. Дульнев // Ветеринария. 1996. - № 12. - С. 6-9.
6. Калоев, Б.С. Научное обоснование и практическое использование молочнокислых препаратов в кормлении молодняка сельскохозяйственных животных и птицы: дис. ... канд. сельскохозяйственных наук. Владикавказ, 2003.
7. Корма республики Татарстан: состав, питательность и использование (под ред. Л.П. Зариповой). Казань: Фэн АН РТ, 2010. - 272 с.
8. Парахин, Н.В. Кормопроизводство /Н.В. Парахин, И.В. Кобозев, И.В. Горбачев и др. - М.: Колос, 2006. - 432 с.
9. Сидоренко, О.Д. Микробиология: Учебник для агротехнологов / О.Д. Сидоренко, Е.Г. Борисенко, А.А. Ванькова, Л.И. Войно. - М.: ИНФРА-М, 2009. - 287 с.
10. McDonald, P.; Henderson, A. R.; Heron, S. J. E. The biochemistry of silage. Chalcombe Publications, London, 1991. - 340 p.
11. Зубрилин, А. А. Силосование и технология кормов / под общ. ред. проф. А.А. Зубрилина. - М.: Колос, 1964. -448 с.
12. Чуканов, Н.К. Микробиология консервирования трудносилосуемых растений/Н.К. Чуканов, А.К. Попенко. - Алма-Ата: Наука,1986. - 200 с.
13. Таранов, М.Т. Биохимия кормов / М.Т. Таранов. А.Х. Сабиров. - М.: Агропромиздат, 1987. - 222 с.
14. Henneberg W. 1926. Handbuch der Gärungsbacteriologie, 2 Auflage, 1 Band. Berlin.
© М. А. Каблова, магистрант кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, [email protected]; Р. А. Шурхно, к.б.н., старший научный сотрудник ФГБНУ «Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства», [email protected]; А. С. Сироткин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КНИТУ, [email protected]
© M. A. Kablova, Master-Student of Department of Industrial Biotechnology, Kazan National Research Technological University (KNRTU); R. A. Shurkhno, Ph. D (Biology), senior research associate Tatar research institute of agriculture; A. S. Sirotkin, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Biotechnology, KNRTU.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.11.15. по 10.12.15.
