CC BY
58
УДК 664.2 : 636.087.7
И. А. Хусаинов, А. В. Канарский, З. А. Канарская,
М. А. Поливанов
ПОЛУЧЕНИЕ МАЛЬТОЗОСОДЕРЖАЩЕГО КОРМОВОГО ПРОДУКТА ПРЕБИОТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТИРОВАНИЕМ ЗЕРНА РЖИ
Ключевые слова: рожь, крахмал, измельчение, ферменты, мальтоза.
Разработан способ ферментативного гидролиза зерна ржи с получением мальтозосодержащего продукта пребиотического действия для кормления животных. Оптимизированы степень измельчения зерна, гидромодуль водно-зерновой суспензии и расход ферментов.
Key words: rye, starch, chopping, enzymes, malt product.
Developed a method of enzymatic hydrolysis of rye grain to produce malt product for animal feeding. Optimized fineness of grain, water and grain relation of suspension and the charge of the enzymes.
Актуальность
Энергия корма - важнейший фактор обеспечения продуктивности сельскохозяйственных животных, в том числе дойных коров. Главным источником энергии в кормах являются углеводы. Специфика энергетического кормления заключается не только в обеспечении животного валовой энергией кормов, но и в оптимальном соотношении различных типов углеводов, оказывающих определяющее значение на поведение микробного симбиоза рубца КРС [1,2]. Содержание различных «углеводных» кормов в рационе животного позволяет управлять соотношением легколетучих жирных кислот в рубце, что в свою очередь, дает возможность контролировать показатели молока (жирность, содержание белка). Данный факт обусловлен селективной активацией различных рубцовых микроорганизмов разными типами углеводов [3,7]. Активация роста и размножения микроорганизмов под влиянием различных простых углеводов дает основание говорить об их пребиотических функциях по отношению к микроорганизмам.
Наиболее доступным и распространенным источником сахаров является крахмал зерновых. В усвоении крахмала первостепенную роль играют микроорганизмы рубца, синтезирующие амилолитические ферменты. Под действием данных ферментов крахмал распадается до мальтозы, мальтотриозы и других олигосахаров. Гидролиз сахаров, катализируемый амилолитическими ферментами, ведется до глюкозы. Глюкоза, в свою очередь, является приоритетным субстратом практически для всего симбиоза рубцовых микроорганизмов, интенсифицирующая как их рост, так и бродильную активность. Конечными продуктами биодеградации сахаров являются органические кислоты и газы (углекислый газ, метан). Основными органическими кислотами являются ЛЖК (легколетучие жирные кислоты) и молочная кислота. ЛЖК являются основными кислотами, участвующими в биосинтезе компонентов молока (молочного жира, белка, лактозы). Избыточное содержание крахмалистых продуктов в кормовом рационе приводит к нарушению синтеза биомассы микроорганизмов рубца и смещения брожения с получения ЛЖК в сторону молочнокислого брожения (активация деятельности молочнокислых бактерий). Отрицательное действие молочной кислоты заключается в закислении содержимого рубца, что ингибирует процесс рубцового пищеварения с оптимумом в нейтральной области [4]. Введение дополнительного количества сахаристых крахмалопродуктов (мальтозы, мальтодекстринов) в корма стимулирует рост и активность микроорганизмов, участвующих в биодеградации крахмала, который при этом идет без резкого снижения рН рубца. Эффект объясняется тем, что данные крахмалопродукты стимулируют конкурентное развитие микроорганизмов, обладающих
амилолитическим ферментным комплексом, что соответственно, способствует более полному усвоению крахмала без больших потерь в виде газов, а также нарушения баланса органических кислот [8,9].
Существующее производство крахмалистых сахаристых продуктов для пищевых целей является достаточно ресурсоемким. Технология основана на отделении крахмала и последующем его гидролизе. Критерий качества готового продукта - максимально возможное отсутствие веществ некрахмалистой природы: белков, минералов и других веществ, а также органолептические свойства продукта, получаемого в виде сиропа. Основным сырьем в производстве сахаристых крахмалопродуктов является кукуруза [5,10].
Данная технология нерациональна для получения сахаристого кормового продукта на базе злаковых зерновых культур, в частности ржи. В составе зерна ржи присутствуют компоненты (белки, жиры, клетчатка, минералы и т.д.) являющиеся составной частью кормов для животных. Поэтому отделение крахмала от этих компонентов для получения из него олигосахаров нецелесообразно. Крахмал гидролизуется ферментами в составе сложного биополимерного комплекса - белков и полисахаридов зерна. Технологическая сложность процесса заключается в наличии пентозанов (гемицеллюлозный комплекс зерна) -некрахмалистых полисахаридов, входящих в состав клеточной стенки и эндосперма зерна. Высокая вязкость зерновых суспензий, содержащих пентозаны, затрудняет доступность крахмала действию амилолитических ферментов, а также проведению технологических операций.
Таким образом, для решения проблемы обеспечения животных энергией, без нарушения процессов рубцового пищеварения, необходимо обеспечить эффективную биоконверсию крахмала ржи в олигосахара, преимущественно в мальтозу.
Исследования вопроса эффективного ферментативного гидролиза зерна ржи целесообразно сосредоточить на поиск путей обеспечения доступности крахмальных зерен действию амилаз. Крахмал является запасным веществом и имеет вид зерен различных размеров. Обладая высокой водосвязывающей способностью, крахмальные зерна при набухании в присутствии воды увеличиваются в размерах, что делает их более «заметными» на фоне остальных компонентов зерна. Соответственно, первоочередным условием повышения эффективности биокатализа является обеспечение возможности набухания крахмальных зерен. Процесс водопоглащения интенсифицируется эффективной механической деструкцией компонентов зерна. Энергосберегающим способом измельчения зерна является последовательный многоступенчатый сухой и мокрый помол зерна [6]. В процессе гидропомола зерна происходит водосвязывание как крахмального, так и некрахмального полисахаридного комплекса, который увеличивает вязкость раствора. Интенсивный гидролиз некрахмального полисахаридного комплекса, сопровождающийся снижением вязкости раствора, является определяющим фактором повышения эффективности биокатализа зерна.
Для повышения доступности крахмальных зерен амилолитическим ферментам в условиях повышенной вязкости растворов, целесообразно проведение предварительной обработки зерновой суспензии ферментами, гидролизующими связи в некрахмалистых полисахаридах. К таким типам ферментов относятся ксиланазы. Кроме того ксилановые олигосахара становятся более доступными для усвоения животными, что повышает кормовую ценность продукта.
Цель исследования - разработка рационального способа получения мальтозосодержащего кормового продукта ферментативным гидролизом зерна ржи.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- Оптимизация степени измельчения ржи при обработке зерновой суспензии ксиланазами;
- Оптимизация гидромодуля зерновой суспензии;
- Оптимизация расхода ферментов (ксиланазы, а- и Р-амилазы).
Методическая часть
Измельчение зерна проводили на лабораторном измельчителе ножевого типа. Ферментативный гидролиз зерновой суспензии проводили при трех степенях измельчения зерна:
- 1 степень: проход 60-80 % измельченного зерна через сито 1 мм, а оставшихся 0-40 % - через сито 3 мм;
- 2 степень: проход 85-95 % измельченного зерна через сито 1 мм, а оставшихся 5-15 % - через сито 3 мм;
- 3 степень: проход 75-80 % измельченного зерна через сито 0,43 мм, а оставшихся 20-25 % через сито 0,50 мм.
Гидромодуль зерновой суспензии (соотношение измельченное зерно: вода) варьировался в пределах: 1:(3-5).
Для оптимизации расхода ферментов применялись следующие основные промышленные ферменты (производства компании Оепепеог): ОрйшаБЬ УЯ - катализирует расщепление ксиланов, структурных компонентов клеточной стенки сырья, благодаря чему быстрее снижается вязкость зерновой суспензии; Бре2уше БКЕБ-Ь, являясь источником а-амилазы, действует на а-1,4-гликозидные связи, снижает вязкость зерновой суспензии и превращает крахмал в декстрины. Орйшак ББЛ, являясь источником Р-амилазы, действует на Р-1,4-гликозидные связи, превращая декстрины в мальтозу.
При оптимизации расхода ферментов варьировались значения (кг/т СВ):
1. расход ОрйшавЬ УЯ - 0,1 - 0,3.
2. расход Бре2уше БЯЕБ-Ь - 0,2 - 0,5.
3. расход ОрйшаИ ББЛ - 0,15 - 0,25.
При изучении влияния степени измельчения зерна и гидромодуля зерновой суспензии на активность ксиланазы варьировали продолжительностью процесса. Расход фермента и температура были постоянными и соответствовали следующим значениям: расход ксиланазы 0,2 кг/т СВ, температура 55-60 °С, рН 4,0
При оптимизации расхода ферментов ферментативный гидролиз проводили при рекомендуемых для используемых ферментов температуре и рН: 55-60 °С при обработке ксиланазами, 95 °С при обработке термостабильной а-амилазой и 55-65 °С при обработке Р-амилазой. рН зерновой суспензии поддерживался в пределах 4,0 при обработке ксиланазой, 5,5-5,8 при обработке а-амилазой и 4,6 при гидролизе Р-амилазой.
Исследования проводились на зерне ржи 4-го класса (ГОСТ 16990-88)
Эффективность биодеградации зернового сырья оценивалась по активности ферментов ксиланазы (ТУ 9291-035-34588571-2001) и выходу мальтозы (ОСТ 10-228-98).
Результаты и обсуждения
Ниже представлены наиболее характерные результаты, полученные при ферментативном гидролизе полисахаридов зерна ржи (рис. 1).
Оптимизация степени измельчения ржи при обработке суспензии ксиланазами
С увеличением степени измельчения зерна график зависимости приобретает более выраженный экспоненциальный характер. Количество ксилозы, полученной за 60 минут ферментатирования зерна при степени измельчения 1 соответствует тому же количеству ксилозы, полученной за 30 минут обработки зерна при степени измельчения 3. При повышении степени измельчения зерна при одной и той же продолжительности ферментативной обработки зерновой суспензии количество образовавшейся ксилозы выше. Таким образом, с увеличением степени измельчения зерна, увеличивается активность ксиланазы.
Согласно данным, приведенным на рисунке 1, рекомендуемая степень измельчения зерна ржи соответствует проходу 75-80% помола через сито 0,43 мм, а оставшихся 20-25% -через сито 0,50 мм (3 степень).
Рис. 1 - Зависимость образования ксилозы от продолжительности гидролиза некрахмалистых полисахаридов ржи с различной степенью измельчения зерна: 1 степень измельчения - проход 60-80% измельченного зерна через сито 1 мм, а оставшихся 20-40% - через сито 3 мм; 2 степень измельчения - проход 85-95% измельченного зерна через сито 1 мм, а оставшихся 5-15% - через сито 3 мм; 3 степень измельчения - проход 75-80% измельченного зерна через сито 0,43 мм, а оставшихся 2025% - через сито 0,50 мм
Оптимизация гидромодуля суспензии
С увеличением гидромодуля от 1:3 до 1:(4-5) наблюдается заметное увеличение количества образовавшейся ксилозы при одной и той же продолжительности обработки зерновой суспензии. Дальнейшее повышение гидромодуля приводит к незначительным изменениям этого показателя и связано с дополнительными затратами ресурсов. Таким образом, рекомендуемый гидромодуль зерновой суспензии для ферментативного гидролиза зерна соответствует значению 1:(4-5).
Рис. 2 - Зависимость образования ксилозы от продолжительности гидролиза некрахмалистых полисахаридов ржи в замесе с различным гидромодулем: 1 вариант -гидромодуль 1:3; 2 вариант - гидромодуль 1:3,5; 3 вариант - гидромодуль 1:4; 4 вариант - гидромодуль 1:4,5; 5 вариант - гидромодуль 1:5
Оптимизация расхода ферментов
Согласно данным рис. 3, заметное повышение выхода мальтозы при одинаковой длительности обработки наблюдается при следующих концентрациях ферментов (кг/т СВ):
177
ксиланаза 0,2, а-амилаза 0,3, Р-амилаза 0,2 и практически незаметное повышение при дальнейшем увеличении расхода ферментов. Таким образом, рекомендуемая дозировка ферментов (кг/т СВ):
Ксиланаза ОрйшавЬ УЯ - 0,2; а-амилаза Бре2уше БЯЕБ-Ь - 0,3; Р-амилаза Орйшак ББЛ - 0,2.
Рис. 3 - Изменение концентрации мальтозы при различной концентрации ферментов: 1 вариант - ксиланаза - 0,1 кг/т СВ; а-амилаза - 0,2 кг/т СВ; р-амилаза 0,15 кг/т СВ; 2 вариант - ксиланаза - 0,2 кг/т СВ; а-амилаза - 0,3 кг/т СВ; р-амилаза 0,2 кг/т СВ; 3 вариант - ксиланаза - 0,3 кг/т СВ; а-амилаза - 0,5 кг/т СВ; р-амилаза 0,25 кг/т СВ
Выводы
Для получения продукта, содержащего крахмалистые углеводы с различной степенью полимеризации и преимущественным содержанием мальтозы в сочетании с другими биополимерами зерна - денатурированным белком, частично гидролизованной клетчаткой и пентозанами, целесообразно выполнить следующие условия:
- проводить ферментативный гидролиз ржи при гидромодуле 1:(4-5);
- для обеспечения высокой активности ферментов обеспечивать измельчения зерна не менее, чем до степени, соответствующей 75-80 % прохода измельченного зерна через сито 0,43 мм, а оставшихся 20-25 % - через сито 0,50 мм;
- обеспечить оптимальную дозировку ферментов (кг/т СВ): Ксиланаза Optimash VR -
0.2. а-амилаза Spezyme FRED-L - 0,3; Р-амилаза Optimalt BBA - 0,2.
Осуществлять процесс ферментации при 3-х этапном внесении ферментов: ксиланаза -при приготовлении замеса; а-амилаза - через 30 минут после внесения ксиланазы и Р-амилаза через 30 минут после внесения а-амилазы.
Рекомендуется использовать полученные оптимальные параметры технологического процесса ферментативного гидролиза зерна ржи для получения мальтозосодержащего кормового продукта, обладающего пребиотическим действием.
Литература
1. Алиев, А.А. Обмен веществ у жвачных животных / А.А.Алиев. - М.: НИЦ «Инженер», 1997.- 112 с.
2. Мороз, М.Т. Оптимизация условий кормления высокопродуктивных коров / М.Т. Мороз. - СПб.: АМА НЗ РФ, 2003. - 60 с.
3. ПивнякИ.Г. Тараканов Б.В. Микробиология пищеварения жвачных / И.Г. Пивняк, Б.В. Тараканов. -М.: «Колос», 1987.- 250 с.
4. Лаптев, Г.Ю. Разработка биологических препаратов для повышения питательности и эффективности использования кормов: автореф. дис.... д-ра биол. / Г.Ю. Лаптев. - Дубровицы Московской области, 2009. - 21 с.
5. Обуховский, Э.А. Производство мальтозной патоки / Э.А. Обуховский. - М.: «Пищепромиздат», 1959. - 77 с.
6. Кузнецов, М.Г. Гидродинамическое измельчение растительного сырья / Кузнецов, М.Г. - Казань: «Отечество», 2009. - 60 с.
7. Грушкин, А.Г. О морфофункциональных особенностях микробиоты рубца жвачных животных и роли целлюлозолитических бактерий в рубцовом пищеварении / А.Г. Грушкин, Н.С. Шевелев // Сельскохозяйственная биология.- 2008.- №2.- С.12-19.
8. Cotta, M. A. Interaction of ruminal bacteria in the production and utilization of maltooligosaccharides from starch / M. A. Cotta // Appl Environ Microbiol.- 1988.- Vol.54(3).- Р.772-776.
9. Cotta, M. A. Amylolytic activity of selected species of ruminal bacteria / M. A. Cotta // Appl. Environ. Microbiol.- 1995.- Vol. 61.- № 4.- Р.1488-1491.
10.Закирова, А.Ш. Сравнительная оценка эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин химическими методами/ А.Ш. Закирова, Д.Ш. Ягофаров, А.В.Канарский, Ю.Д.Сидоров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9.- С. 621-625.
© И. А. Хусаинов - асс. каф. пищевой инженерии малых предприятий КГТУ, innzar@rambler.ru; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, alb46@mail.ru; З. А. Канарская - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; М. А. Поливанов - канд. техн. наук, проф. той же кафедры, polivanov-zx@mail.ru.
