CC BY
22
УДК 636.085.3: 636.085.5
Р. А. Шурхно, Ф. Ю. Ахмадуллина, А. С. Сироткин
О ПРОТЕОЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОТХОДОВ ПИЩЕВОЙ И АГРОПРОМЫШЛЕННОСТИ
В ПРОЦЕССАХ З АГОТОВКИ, ПЕРЕРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ
Ключевые слова: протеолитическая активность, отходы пищевой промышленности и сельского хозяйства, сырой протеин,
кормовая ценность.
На основании экспериментальных данных о протеолитической активности растительных кормов и отходов проанализированы возможности для решения экологических проблем сельскохозяйственного производства путем вовлечения вторичного сырья в процесс получения полноценных кормов.
Keywords: proteolytic activity, waste of the food industry and agriculture, crude protein, fodder value.
On experimental dates basis about proteolytic activity ofplant forages and waste the opportunities for the solution of environmental problems of agricultural production by involvement of secondary raw materials in process of receiving full-fledged foragesanalyzed
Введение
Анализ современного состояния кормопроизводства Российской Федерации показывает, что обеспеченность сельскохозяйственных животных кормами ниже аналогичных показателей развитых зарубежных стран в 1,3-1,5 раза и имеет тенденцию дальнейшего снижения. Недостаток качественного сырья диктует необходимость разработки других видов кормов. Перспективным решением этой проблемы является вовлечение в оборот отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства, а также других источников [1,2]. Расширение традиционной кормовой базы на основе внедрения современных технологий по переработке малоценного растительного сырья может обеспечить получение высококачественных белковых кормов [3,4].
Особое значение имеет вопросы обеспечения животноводства необходимым количеством перевариваемого протеина. Организм животных не может синтезировать белок из неорганических веществ, а создает его из растительного белка. Поэтому проблема растительного белка и его усвоения является постоянной задачей для сельского хозяйства [5-8].
Усвояемость любых кормов зависит, в первую очередь, от эффективности ферментов, обеспечивающих расщепление ингредиентов корма. Изучение активности ферментов микроорганизмов, содержащихся в кормах, позволит правильно составить сбалансированный полноценный рацион для увеличения живого веса и мышечной ткани животных [9,10].Исследованиям ферментативной активности кормов, а тем более вторичного сырья, которое может быть использовано в сбалансированном питании животных как дополнительный источник ценных питательных веществ, а также быть решением экологических проблем по утилизации отходов производства, посвящено незначительное количество исследований.
Целью настоящей работы явилось изучение протеолитической активности микроорганизмов, содержащихся в кормах, и количества сырого протеина в процессе заготовки и хранения растительных кормов, а также кормовых добавок, являющих-
ся отходами сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности.
Для осуществления поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- определение массовой доли влаги, сырого протеина и расчет переваримого протеина в объектах исследования;
- протеолитическая активность изучаемых образцов кормов.
Материалы и методы
Объекты исследования. В настоящей работе в качестве объектов исследования использовали 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 [11].
Физико-химические показатели объектов исследования. Сухое вещество и общий азот кормов растительного происхождения и образцов комбикормового сырья определяли по общепринятым методикам, а также описанным ранее [11].
Определение протеолитической активности образцов. В работе использовали колориметрический метод определения протеолитической активности изучаемых образцов с применением казеина в качестве субстрата [12,13]. В основе метода лежит-количественная фотоколориметрическая регистрация окрашенного продукта, образующегося при взаимодействии субстрата со специфическим реактивом (2% раствор нингидрина), который вносится в фиксированную опытную пробу, отобранную после прекращения ферментативной реакции [14,15]. Предварительно строили калибровочный график зависимости оптической плотности образцов от концентрации аминокислоты глицина (рис. 1).
Измерения проводили с использованием фотоэлектроколориметра КФК-3 («ЗОМС», Россия), при длине волны 500-600нм (зеленый светофильтр).
Для уточнения полученных результатов проводили статистическую обработку экспериментальных данных с получением уравнения функции Д=:Т(с1), имеющего вид [16]:
Y = 0,15*Х, (1) где Y - протеолитическая активность, Х -концентрация глицина.
С глицина, мг/мл
Рис. 1 - Калибровочный график
Расчет протеолитической активности (ПА ед./г) осуществляли по формуле:
ПА = Шглицина (2)
т
навески
Где даглицина - масса глицина, определенная по калибровочному графику, мг (рис.1); тнавески — навеска испытуемой пробы).
Определение содержания перевариваемого протеина проводилось по стандартным методам и методикам, описанным ранее [11, 17].
Статистическая обработка результатов. В работе использовались стандартные методы математической статистики с применением пакета прикладных программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение
Под кормовыми добавками следует понимать любые добавки к рациону, регулирующие количество и соотношение в нем питательных и биологически активных веществ, а также обеспечивающие здоровье и наивысшую продуктивность животных [18]. Ферменты - это основные жизненно необходимые биологически активные вещества, участвующие в катализе (в биокатализе) всех биохимических реакций, происходящих в живом организме. Роль протеолитических ферментов велика и сводится к расщеплению белка путем гидролиза пептидных связей между составляющими их аминокислотами [19,20].
Большинство исследователей считает, что в зависимости от заготовки, переработки и способов хранения кормов активность ферментов может полностью инактивироваться. В связи с этим получило развитие использования ферментных препаратов в животноводстве [21,22]. Однако накопленные научные данные неоднозначны: так, одни утверждают неполезность скармливания животным микробных ферментативных препаратов, а другие отмечают высокую их эффективность за счет биологически
активных веществ содержащиеся в этих препаратах (микроэлементов, гормонов и других микробных метаболитов).
Биологическая ценность протеина корма оценивается не только аминокислотным составом, но и степенью дисперсности белковых молекул: чем мельче молекулы белка (выше степень дисперсности), тем значительнее его биологическая ценность.
Усвояемость различных кормов зависит от состава, структуры, растворимости фракций и сохранности его. Очевидна роль кормовых ферментов в преобразовании сырья при его хранении и использовании.
В таблице 1 представлены результаты экспериментального определения массовой доли исследуемых образцов кормов и отходов для дальнейшего пересчёта величин активности на сухой вес образцов.
Таблица 1 - Процентное содержание влажности исходного сырья
Объекты исследования Влажность, %
Пивная дробина (обр. 1) 80,0
Пивная дробина(обр. 2) 79,3
Жмых подсолнечный 9,7
Шрот подсолнечный 5,9
Шрот соевый 12,0
Свекл. сухой жом 9,9
Свекл. рассыпной жом 7,8
Силос кукурузный 84,3
Сенаж люцерны 60,3
*среднеквадратичное отклонение результатов 3-х повтор-ности □ < 12%.
Далее, из таблицы 2 видно, что снижение протеолитической активности (ПА)наблюдается в ряду: шрот соевый > пивная дробина (обр. 2) > пивная дробина (обр. 1) > силос кукурузный > сенаж люцерны > жмых подсолнечный >шрот подсолнечный > жом рассыпной > сухой жом. Максимальная величина протеолитической активности установлена для образца шрота соевого, которая составляла 8,5 ед./г, а минимальная величина в образце свекловичного жома сухого - 0,9 ед./г.
Такое различие объясняется составом растительного сырья и согласуется с литературными данными [21,22]. Так, соевый шрот является побочным продуктом при производстве растительного масла, получаемый после прессования и экстракции семян. Соевый шрот содержит 42-46% белка и 2-3% жира. Шрот незаменим в качестве высокопротеиновой добавки при производстве комбикормов для КРС, свиней, птицы, так как содержит натуральные белки, клетчатку, витамины Е и В, калий, фосфор и другие минеральные вещества [23]. Свекловичный жом отличается низким содержанием протеина и высоким содержанием клетчатки, так высушенный жом содержит 7-9% протеина, 19-23% клетчатки, 55-65% безазотистых экстрактивных веществ и 0,30,5% жира. Ценность жома заключается в том, что
он обладает пребиотическим действием за счет большого содержания пектиновых веществ [3].
В таблице 3 представлены данные по содержанию сырого протеина в образцах и получены расчетным путем значения переваримого протеина с учетом индивидуального коэффициента пересчета для каждого вида корма и сырья [17].
Содержание сырого протеина в образцах находилась в пределах от 4,4% до 38,9%. Наибольшее содержание сырого протеина отметили в шроте соевом, что и характерно для аналогичных образцов, таких как жмых и шрот подсолнечный, значения которых составили 38,9%, 37,7% и 33,1%, соответственно. Наименьшее его количество содержали образцы пивной дробины (обр.1 - 4,5%; обр.2 -4,4%) и силос кукурузный (1,9%). Изучаемые образцы принадлежат по содержанию протеина как к высокобелковым, так и низкобелковым культурам.
Значения переваримого протеина соответствовали изучаемым образцам согласно своих коэффициентов переваримости питательных веществ кормов и кормовых добавок (табл. 3).
Полученные результаты ферментативной активности и содержания сырого протеина в изученных образцах оказались в большой степени сопоставимыми: чем больше содержание белка, тем выше значение протеолитической активности (рис.2). Исключением стали образцы жмыха и шрота подсолнечного, для которых при высоком содержании сырого протеина 37,7 и 33,1% отмечена относительно низкая протеолитическая активность - 4,7 и 3,3 ПА ед./г, соответственно. Это связано с тем, что подсолнечник содержит большее количество некрахмалистых полисахаридов (НПС) (до 40%) в шелухе и в клеточной оболочке самого зерна. Клеточные стенки состоят из бета-глюканов, арабинок-силанов, пектинов и олигосахаридов, которые ведут к повышению вязкости содержимого желудка животных и отрицательно влияют на использование питательных веществ корма. Некрахмалистые полисахариды почти не перевариваются и являются антипитательной частью рационов. Помимо того, что НПС не усваиваются организмом, они блокируют для усвоения полезные питательные вещества, такие
как жиры, крахмал и протеины, которые инкапсулированы волокнистыми стенками клетки. В результате ухудшается конверсия корма, снижаются показатели продуктивности животных и вызывает экономические потери [24].
Таблица 3 - Значения сырого и переваримого протеина в изучаемых образцах, %
Объекты исследования Сухое вещество Содержание протеина
сырого переваримого
Пивная дробина (обр.1) 20,0 4,5 3,33
Пивная дробина (обр.2) 20,7 4,4 3,27
Жмых подсолнечный 90,3 37,7 28,28
Шрот подсолнечный 94,1 33,1 30,45
Шрот соевый 88,0 38,9 35,01
Сухой жом 90,1 7,8 3,90
Жом рассыпной 92,2 7,9 3,95
Силос кукурузный 15,7 1,9 1,09
Сенаж люцерновый 39,7 7,5 5,56
*среднеквадратичное отклонение результатов 3-х повтор-ности □ < 12%
1 - пивная дробина (обр.1), 2 - пивная дробина (обр.2), 3 -жмых подсолнечный, 4 - шрот подсолнечный, 5 - шрот соевый, 6 - свеклов. сухой жом, 7 - свеклов. рассыпной жом, 8- силос кукурузный, 9 - сенаж люцерновый
Рис. 2 - Соотношение протеолитической активности и количества сырого протеина висследо-ванных образцах
При общей прямо пропорциональной зависимости протеолитической активности исследованных образцов от содержания в них белка (рис.2) результаты наблюдений обусловлены комплексом факторов: физиологией сельскохозяйственной культуры, технологией производства растительных кормов и получения вторичного сырья, условиями хранения кормов и кормовых добавок. Известно, что длительное и неправильное хранение кормов и его ингредиентов приводит к качественным изменениям
Таблица 2 - Протеолитическая активность изучаемых образцов
Объекты исследования ПА, ед./г
Пивная дробина (обр. 1) 7,0
Пивная дробина (обр. 2) 7,8
Жмых подсолнечный 4,7
Шрот подсолнечный 3,3
Шрот соевый 8,5
Свекл. сухой жом 0,9
Свекл. рассыпной жом 1,2
Силос кукурузный 5,6
Сенаж люцерны 5,4
*среднеквадратичное отклонение результатов 3-х повтор-
ности □ < 12%
40
30
20
10
II
I
I
LI. .1 h
■ сырой протеин, %
□ протеолитическая активность, ПА ед./г
0
9
продукта, особенно, высокобелковых образцов. Протекающие в них физико-химические и биохимические процессы снижают биологическую ценность кормов, так как содержание свободных сульфгид-рильных и аминных групп в них, особенно в высокобелковых кормах, постепенно снижается. Снижение количества сульфгидрильных групп и образование дисульфидных мостиков провоцирует укрупнение молекул белков в субстрате и, соответственно менее подвержены воздействию ферментов, что и приводит к снижению биологической ценности кормов и его добавок [9,10,13,18]. Кроме того, ферментативные реакций и могут замедляться из-за низкой влажности, неоптимальных концентраций сахаров, рН и температуры среды.
Таким образом, в результате проведенных исследований показана необходимость изучения протеолитической активности кормов с целью получения достоверной информации о полноценности белковых кормов, содержания сырого протеина и его переваримости. В результате проведенных исследований следует сделать следующие выводы:
1. Впервые изучена протеолитическая 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 протеолитической активностью обладают шрот соевый и образцы пивной дробины, а наименьшей - рассыпной и сухой жом.
2. Проведен сравнительный анализ содержания сырого и переваримого протеина в объектах исследования, которое изменяется в ряду: шрот соевый > жмых подсолнечный >жом рассыпной > сухой жом > сенаж люцерны > пивная дробина (обр.1) > пивная дробина (обр.2) >силос кукурузный.
3. Результаты зависимости протеолитиче-ской активности от содержания белков во вторичном сырье свидетельствуют о значительном влиянии на процессы ферментативных превращений вида сельскохозяйственной культуры, технологии её переработки и условий хранения сырья и отходов.
Литература
1. Н.Г. Макарцев. Кормление сельскохозяйственных животных. Казань: ГУП Облиздат, 1999. С. 646.
2. И.А. Хусаинов, А.В. Канарский, З.А. Канарская, Вестник Казанского технологического университета, 15, 12, 128-136 (2012).
3. Г.А. Мхитарян, А.П. Леснов, В.М. Ткаченко, Сахарная свекла, 2, 33-35 (2009).
4. И.А. Хусаинов, А.В. Канарский, З.А. Канарская, М.А. Поливанов, Вестник Казанского технологического университета, 14, 9, 252-256 (2011).
5. А.И. Фицев. Научное обоснование новой системы оценки качества протеина кормов для жвачных животных. Автореф. докт. дисс. М.,1995. С. 49.
6. В.Б. Владимиров, В.А. Щеглов. Животноводство России, 12, 8-11 (2001).
7. А.И. Фицев, Н.Г. Григорьев, А.П. Гаганов. Кормопроизводство, 12, 29-32 (2003).
8. Ф.С. Гибадуллина. Резервы повышения протеиновой питательности кормов и рационов для крупного рогатого скота на современном этапе. Казань: Изд-во Фэн, 2007. С. 188.
9. И.В. Петрухин. Корма и кормовые добавки. М.: Росаг-ро-промиздат, 1989. С. 498.
10. В.Г. Щербакова. Биохимия растительного сырья. М.: Колос, 1999. С. 376.
11. Р.А. Шурхно, Ф.Ю. Ахмадуллина, А.С. Сироткин, Л.Ф. Галанцева, О.Н. Ильинская, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 223-228 (2014).
12. И.В. Березин, А.А. Клесов, В.К. Швядас, Н.Н. Угарова, С.Д. Варфаломеев, А.И. Ярополов, Н.Ф. Казанская, А.М. Егоров. Биотехнология. Инженерная энзимология. М.: Высшая школа, 1988. С. 143.
13. Е.С. Северин. Биохимия: Учебник для вузов. 5-е изд. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. С. 768.
14. М. Диксон, Э. Уэбб. Ферменты. М.: Мир, 1982. Т. 1. С. 392.
15. Г.А. Кочетов. Практическое руководство по энзимоло-гии. М.: Высшая школа, 1980. С. 272.
16. А.К. Чарышев. Математическая обработка результатов химического анализа: учебное пособие для студентов вузов. М.: Химия, 1984. С. 168.
17. Корма республики Татарстан: состав, питательность и использование (под ред. Л.П. Зариповой). Казань: Фэн АН РТ, 1999. С. 208.
18. М.Т. Таранов, А.Х. Сабиров. Биохимия кормов. М.: Агропромиздат, 1987. С. 224.
19. О.В. Кислухина. Ферменты в производстве пищи и кормов. М.: Делипринт, 2002. С. 336.
20. Рациональное использование ферментов в животноводстве (практические рекомендации). Казань: Мастер Лаин, 2003. С. 52.
21. Н.М. Костомахин, Главный зоотехник, 8, 20-22 (2006).
22. Н.М. Костомахин, Кормление сельскохозяйственных животных и кормопроизводство, 12, 38-402 (2007).
23. Т.В. Егорова, Комбикорма, 11, 11-13 (2010).
24. Материалы компании ГК «Единство», Корма и кормление, 4, 32-35 (2014).
© Р. А. Шурхно, к.б.н., генеральный директор ООО «БИОАГРОПЛЮС», [email protected]; Ф. Ю. Ахмадуллина, старший преподаватель кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ; А. С. Сироткин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КНИТУ, [email protected].
© R. A. Shurkhno, Doctor, Director General, JSC «BIOAGROPLUS», e-mail: [email protected]; F. U. Akhmadullina, Senior teacher Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU; A. S. Sirotkin, Professor, Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU, [email protected].
