CC BY
129
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ
УДК 663.52
Технологические основы получения белковых кормопродуктов при переработке крахмалсодержащего сырья в биотехнологическую и химическую продукцию
М. В. ТУРШАТОВ, канд. техн. наук; В. В. КОНОНЕНКО, канд. техн. наук; В. П. ЛЕДЕНЕВ, канд. техн. наук; В. А. КРИВЧЕНКО, канд. техн. наук; А. О. СОЛОВЬЕВ; Н.Д. МОИСЕЕВА; Т. И. ЛОЗАНСКАЯ; Н. М. ХУДЯКОВА ВНИИ пищевой биотехнологии — филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва
В настоящее время в России активно осуществляется программа по развитию животноводства. При этом особую актуальность приобретает производство кормов [1]. Наибольшим спросом пользуются белковые кормопродукгы. Потребность в таких кормах в России до недавнего времени во многом удовлетворялась за счет импорта соевого шрота. Однако экономически обусловленное снижение спроса на импортируемые белковые кормопродукгы привело к увеличению потребности в отечественных аналогах. К таким продуктам в первую очередь относятся кормовые дрожжи. В отличие от шротов они обогащены целым рядом витаминов и незаменимых аминокислот. Потребителями белковых кормопродуктов являются комбикормовые заводы, специализированные хозяйства по откорму крупного рогатого скота, свиноводческие комплексы, а также рыбоводческие предприятия. Поэтому на сегодняшний день возрастает спрос на кормовые дрожжи и аналогичные белковые кормопродукты, полученные на основе микробного биосинтеза [2].
В себестоимости кормовых дрожжей порядка 70% составляют затраты на сырье. Учитывая этот факт, производство кормовых дрожжей может быть рентабельным только в случае использования в качестве питательной среды углеводсодержащих вторичных сырьевых ресуров (ВСР). До недавнего времени таким сырьем была пос-леспиртовая зерновая барда. Однако за последние годы количество работающих спиртовых заводов резко сократилось. Кроме того, в барде содержание протеина может достигать 33-35%, поэтому она успешно реализуется в виде самостоятельного кормопродукта [3—5].
Одновременно набирает обороты перепрофилирование простаивающих спиртзаводов на выпуск продукции органического синтеза на основе этилового спирта, получаемого из растительного сырья путем его биоконверсии. Такими продуктами являются этилацетат, уксусный альдегид, уксусная кислота, кротоновый альдегид, сорбино-вая кислота и др. Значительная часть из них в настоящее время импортируется в Россию, остальная часть производится предприятиями органического синтеза нефтегазового сектора. В то же время, например в Китае, для производства этой продукции используется порядка 30-35% всего выпускаемого в стране этилового спирта, что составляет около 400 млн дал в год. Анализ техноэкономических показателей получения химической продукции из этилового спирта свидетельствует об экономической эффективности подобных производств. Например, себестоимость этилацетата получаемого из зернового сырья, составит не
более 45—50руб. за кг при рыночной цене 70-80руб. При получении из этанола других продуктов, таких как уксусный или кротоновый альдегиды, производственная рентабельность не превысит 5—10%. Однако в процессе производства, аналогично как в технологии спирта, образуется вторичное сырье, содержащее остатки зернового сырья и микробную биомассу. При соответствующей переработке из ВСР может быть получен белково-угле-водный кормопродукт с показателями, схожими с сухой послеспиртовой бардой, а при дополнительном культивировании на нем штаммов-продуцентов кормового белка может бьггь получен продукт, соответствующий кормовым дрожжам. Учитывая высокую стоимость и неограниченный спрос на данный кормопродукт, можно рассчитывать, что его реализация дополнительно повысит экономическую привлекательность переработки растительного сырья в химическую продукцию.
Также стоит отметить, что за последнее время запущен в эксплуатацию ряд крупных предприятий по глубокой переработке зерна, которые производят клейковину, крахмал и крахмалопродукты. При этом в больших количествах образуется углеводсодержащее вторичное сырье, такое как пентозаны и фракция крахмала Б, которые также могут быть использованы для получения химической продукции и белковых кормопродуктов. Учитывая, что стоимость такого сырья в два и более раза ниже зерна в пересчете на крахмал, то переработка их в указанные продукты не только решит проблему утилизации отходов от комплексной переработки зернового сырья [6,7], но и значительно повысит прибыль предприятия в целом.
Для эффективного ведения процесса культивирования важные аспекты — подбор питательной среды, а также штамма микроорганизма, обеспечивающего накопление биомассы с максимальным использованием углеводов, содержащихся в питательной среде. Изучение и анализ вышеперечисленных вопросов было основной целью данного исследования. В его задачи входили: подбор и анализ эффективных штаммов-продуцентов кормового белка, исследование и разработка режима водно-тепловой и ферментативной обработки сырья, а также состава питательных сред для культивирования подобранных штаммов.
Материалы и методы. Для проведения исследований с действующих предприятий были получены следующие образцы вторичных сырьевых ресурсов: • крахмальное молоко (фракция крахмала Б от комплексной переработки пшеницы на глютен и лизин);
ХРАНЕНИЕ и ПЕРЕРАБОТКА СЕЛЬХОЗСЫРЬЯ • № 2 • 2018
5
Таблица 1
Качественные показатели исходного сырья
Показатель Крахмальное молоко Барда
Содержание сухих веществ, %:
общих 31,7 6,5
растворимых 6,2 3,3
взвешенных 25,5 3,1
Массовая доля сырого протеина, % на АС В 9,4 22,5
Массовая доля белка 9,3 21,1
по Барнштейну, % на АСВ
Содержание углеводов в пересчете 23,5 0,3
на условный крахмал, %
pH 4,45 4,1
Кислотность, °Д 0,2 0,5
• барда от совместной переработки крахмального молока (фракции крахмала Б) и отрубей на этиловый спирт.
Их качественные показатели представлены в табл. 1. Учитывая, что в барде содержание углеводов низкое, в качестве субстрата для культивирования были выбраны следующие среды:
• вариант № 1 — барда;
• вариант №2 — барда (80%) и крахмальное молоко (15%). Содержание в смеси фракции крахмала Б в варианте
№ 2 на уровне 15% обусловлено расчетной величиной растворимых сухих веществ в питательной среде на уровне не выше 8,5%, так как, по литературным данным, более высокие концентрации лимитируют продуктивность штаммов кормовых дрожжей. Для перевода углеводов сырья в усвояемые микроорганизмами сахара в варианте 2 проводили их двухстадийную обработку по механико-ферментативной схеме с применением ферментных препаратов компании «Новозаймс» — JI-фера в дозировке 0,25л/т условного крахмала и Сахзайм 2Х Плюс в дозировке 0,5 л/т условного крахмала. Уровень pH полученных питательных сред, учитывая оптимумы культивирования большинства штаммов-продуцентов кормового белка, был скорректирован до значения 5,0—5,5.
Для подбора культуры микроорганизма, в наибольшей степени подходящей для культивирования на выбранном сырье, был проведен анализ ряда штаммов-продуцентов кормового белка, в том числе дрожжей Saccharomyces сег-evisiae различных рас (Y-1218; YD-53; Y-3439; Y-3168), Candida tropicalis (СК-4, Y143, Y190, Y40), Torulopsis sp. и pinus (Л-30, Y259, Y276, Y800), Rhodosporidium diobovatum (115, Y1002, Y2419) [8]. На основании анализа для иссле-
дования по культивированию были выбраны микроорганизмы:
штамм 1 — Rhodosporidium diobovatum 115;
штамм 2 — Saccharomyces cerevisiae YD-53;
штамм 3 — Candida tropicalis CK-4.
Данные штаммы имеют предпочтительные эксплуатационные характеристики по сравнению с другими, отличаются высокой ассимиляцией углеводов сырья, условиями культивирования, продуктивностью по биомассе, продуктами метаболизма и т.д. Непосредственно перед культивированием со всеми штаммами проведены тестовые испытания по оценке их состояния путем высева на стерильные питательные среды, в результате которых все они показали готовность к проводимым исследованиям.
Основным методом проведения исследования было моделирование процесса культивирования штаммов-про-дуцентов кормового белка на подготовленных средах в лабораторных условиях. Культивирование проводили, начиная с выращивания чистой засевной культуры в термостате в течение 24 ч при температуре 30 °С и затем на качалке в течение 24 ч при температуре 32...34 "С. После в субстрат вносили засевную культуру в количестве 10% к объему исходной среды, а также азотное питание (карбамид — CH4N20) в количестве 0,4% к объему среды в колбе. Культивирование производили на качалке при температурах, оптимальных для каждой культуры микроорганизма в течение 12 ч.
Об эффективности процесса культивирования судили по нарастанию истинного белка (по методу Барнштейна) и сырого протеина в средах до и после культивирования, а также по снижению концентрации в них редуцирующих Сахаров (антроновым методом).
Результаты и обсуждение. Технологические показатели полученных культуральных жидкостей в сравнении с начальными показателями питательных сред представлены в табл. 2. Анализ полученных данных показал, что при культивировании штаммов-продуцентов кормового белка на барде, полученной от переработки крахмального молока на спирт, во всех вариантах эксперимента наблюдалось практически полное потребление Сахаров при одновременном росте показателей белка и протеина.
Наилучшие показатели по накоплению белка и протеина были получены для варианта эксперимента с применением культуры Candida tropicalis СК-4 и достигли величины 28,1 и 36,6% соответственно. Близкие к нему показатели были получены при культивировании штамма Rhodosporidium diobovatum 115. Большая разница в показа-
Таблица2
Показатели питательных сред и культуральных жидкостей
Показатель Вариант 1 Вариант 2
Питательная среда Штамм 1 Штамм 2 Штамм 3 Питательная среда Штамм 1 Штамм 2 Штамм 3
Концентрация СВ, % 6,5 3,2 3,3 3,5 8,3 3,27 3,4 3,45
Концентрация редуцирующих веществ (сбраживаемых Сахаров антроновым методом), г/100см3 рН 0,55 5,0 0,18 4,2 0,20 4,2 0,15 4,3 5,15 5,2 0,20 4,2 0,48 4,6 0,25 4,3
Массовая доля сырого протеина, % на а. с. в. 22,5 35,6 35,1 36,1 19,1 46,1 43,2 45,8
Массовая доля белка по Барнштейну, % на а. с. в. 21,1 28,1 27,7 28,5 19,1 38,6 34,8 38,3
6
ХРАНЕНИЕ и ПЕРЕРАБОТКА СЕЛЬХОЗСЫрья • № г> - 201 в
телях сырого протеина и истинного белка связана с внесением в питательную среду минерального азотистого питания. Однако, учитывая обедненность начальной питательной среды углеводами и низкие показатели в ней белка и протеина, полученные продукты нельзя отнести к разряду белковых. В то же время при культивировании штаммов микроорганизмов на барде, обогащенной углеводами за счет внесения предварительно прогидролизо-ванного крахмального молока, конечные показатели культуральной жидкости по содержанию белка и сырого протеина можно отнести к белковым кормопродуктам, таким как кормовые дрожжи. Наиболее высокий прирост белка наблюдается в штаммах 1 и 3 с применением микроорганизмов СК-4 и ЮюсЬяропсИит сИоЬо\'аШт.
Заключение. В результате проведенных исследований определены качественные показатели вторичных сырьевых ресурсов от комплексной переработки растительного сырья с получением продукции органического синтеза. По результатам культивирования установлено, что для получения белковых продуктов с высокими показателями целесообразно дополнительно обогащать барду углеводами, в част-
ности, получены положительные результаты при внесении гидролизатов крахмального молока в количестве 15%.
Лучшие результаты по усвоению углеводов и накоплению белка показали штаммы Rhodosporidium diobovatum 115 и Candida tropicalis СК-4. Однако, учитывая, что дрожжи Rhodosporidium обладают способностью продуцировать каратиноиды и не относятся к категории условно-патогенных микроорганизмов, выбор данной культуры явля-ется более предпочтительным для дальнейших исследований и промышленных испытаний.
На следующих этапах исследований планируется подобрать оптимальные дозировки азотистого и фосфорного питания, режимов культивирования, а также провести глубокий анализ качественных показателей получаемого продукта с определением его микроэлементного, витаминного состава и кормовой ценности.
Научно-исследовательская работа по подготовке рукописи проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013—2020 гг. (Ns 0529-2015-0109).
Литература
1. Римарева, Л. В. Дрожжи кормовые на основе зерновой барды / Л. В. Римарева, Т. И. Лозанская, Н. М. Худякова // Комбикорма. - 2013. - № 7. - С. 41-42.
2. Римарева, Л. В. Эффективное использование кормовых дрожжей из зерновой барды в животноводстве и птицеводстве / Л.В. Римарева, Т. И. Лозанская. Н.М. Худякова // Эффективное животноводство. — 2013. — № 9. — С. 46.
3. Туршатов, М. В. Получение высококачественных сухих кор-мопродуктов из вер зерноперерабатывающих предприятий / М. В. Туршатов [и др.] // Пиво и напитки. — 2016. — № 1. — С. 22-25.
4. Туршатов, М. В. Технологические аспекты получения биоэтанола и кормов из крахмального молока и отрубей, образующихся при глубокой переработке зерновых культур / М.В. Туршатов [и др.] // В сборнике: Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов ВНИИПБТ; под ред. В. А. Полякова, Л. В. Римаревой. - 2016. - С. 413-419.
5. Кудряиюв, В.Л. Пути повышения кормовой ценносто кукурузных кормов с помощью биотехналогаческих и мембранных прет весов / В.Л. Кудряшов, Н.Д. Лукин, Д. Н. Лукин // Достижения науки и техники АПК. - 2016. - Т. 30. - №3. - С. 71-73.
6. Римарева, Л. В. Биотехнодогическая переработка послеспир-товой барды в сухие кормовые дрожжи / Л. В. Римарева, Т. И. Лозанская, Н. М. Худякова // В сборнике: Биотехнологии в комплексном развитии регионов, материалы международной научно-практической конференции. — 2016. — С. 95.
7. Сон, О. М. Использование отходов зерноперерабатываюшей промышленности в микробиологическом синтезе кормового белка / О. М. Сон, Е. И. Черевач, Л. А. Текугьева // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2016. — № 12. — С. 24—27.
8. Артюхова, С. И. Биотехнология новых форм каротиноидных препаратов на основе микробного синтеза / С. И. Артюхова, Г. И. Бондарева // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность. — 2013. — № 3. — С. 4-6.
References
1. Rimareva, L. V. Drozhzhi kormovye na osnove zernovoj bardy / L.V Rimareva, T.I. Lozanskaja, N.M. Hudjakova//Kombikor-ma. - 2013.-№ 7.-S. 41-42.
2. Rimareva, L. V. Jeffektivnoe ispol'zovanie kormovyh drozhzhej iz zernovoj bardy v zhivotnovodstve i pticevodstve / L.V Rimareva, T.I. Lozanskaja, N.M. Hudjakova// Jeffektivnoe zhivotnovodst-vo. — 2013. — № 9. — S. 46.
3. Turshatov, M. V. Poluchenie vysokokachestvennyh suhih kormo-produktov iz vsr zernopererabatyvajushhih predprijatij / M. V Turshatov [i dr.] // Pivo i napitki. - 2016. - № 1. - S. 22-25.
4. Turshatov, M. V. Tehnologicheskie aspekty poluchenija biojetanola i kormov iz krahmarnogo moloka i otrubej, obrazujushhihsja pri glubokoj pererabotke zemovyh kul'tur/ M. V Turshatov [i dr.] //V sbornike: Perspektivnye fermentnye preparaty i biotehnologicheskie processy v tehnologijah produktov pitanija i kormov VNIIPBT; pod red. V. A. Pbljakova, L. V. Rimarevoj. - 2016. - S. 413-419.
5. Kudrjashov, V. L. Puti povyshenija kormovoj cennosti kukuruznyh kormov s pomoshh'ju biotehnologicheskih i membrannyh pro-cessov /VL. Kudijashov, N.D. Lukin, D.N. Lukin//Dostizheni-ja nauki i tehniki APK. - 2016. - T. 30. - № 3. - S. 71-73.
6. Rimareva, L. V. Biotehnologicheskaja pererabotka poslespirtovoj bardy v suhie kormovye drozhzhi / L.V. Rimareva, T.I. Lozanskaja, N. M. Hudjakova // V sbornike: Biotehnologii v komplek-snom razvitii regionov, materialy mezhdunarodnoj nauchno-prak-ticheskoj konferencii. — 2016. — S. 95.
7. Son, O. M. Ispol'zovanie othodov zernopererabatyvajushhej promy-shlennosti v mikrobiologicheskom sinteze kormovogo belka / O.M. Son, E.I. Cherevach, L.A. Tekut'eva // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2016. - № 12. - S. 24-27.
8. Artjuhova, S. I. Biotehnologija novyh form karotinoidnyh prepara-tov na osnove mikrobnogo sinteza / S.I. Anjuhova, G.I. Bond-areva // Rossija molodaja: peredovye tehnologii — v promyshlen-nost'. - 2013. - № 3. - S. 4-6.
ХРАНЕНИЕ и ПЕРЕРАБОТКА СЕЛЬХОЗСЫРЬЯ - № 2 • 2018
Технологические основы получения белковых кормопродуктов при переработке крахмалсодержащего сырья в биотехнологическую и химическую продукцию
Ключевые слова
белковые кормопродукты; вторичные сырьевые ресурсы; кормовые дрожжи; крахмальное молоко; культивирование; продукция органического синтеза; штаммы-продуценты; этилацетат.
Реферат
В настоящее время в России в условиях активного развития животноводства резко возрос спрос на белковые и белково-углеводные кормопродукты. Одним из таких продуктов являются кормовые дрожжи. Производство кормовых дрожжей может быть рентабельным только в случае использования в качестве питательной среды углеводсодержащих вторичных сырьевых ресурсов (ВСР). В России набирает обороты перепрофилирование простаивающих спиртза-водов на выпуск химической продукции из растительного сырья путем его биоконверсии. Такими продуктами являются этилацетат, уксусный альдегид, уксусная кислота, кротоновый альдегид, сорби-новая кислота и др. При их производстве, аналогично как в технологии спирта, образуется вторичное сырье, содержащее остатки зернового сырья и микробную биомассу. При соответствующей переработке из ВСР может быть получен белковый кормопродукт, соответствующий кормовым дрожжам. Для эффективного ведения процесса культивирования важным аспектом является подбор штамма микроорганизма, а также подбор питательной среды. Изучение и анализ данных вопросов было основной целью исследований, приведенных в статье. В результате определены качественные показатели вторичных сырьевых ресурсов от комплексной переработки зерна, установлены оптимальные режимы их водно-тепловой и ферментативной обработки при получении на их основе питательных сред для культивирования кормовых дрожжей. Проведен анализ штаммов-продуцентов кормового белка, для исследований отобраны наиболее перспективные применительно к полученным питательным средам. По результатам культивирования установлено, что в наибольшей степени для выращивания штаммов продуцентов кормового белка подходит среда, дополнительно обогащенная гидролизатом фракции крахмала Б. Лучшие результаты по усвоению углеводов и накоплению белка показал штамм ИЬобовро-ПСИит сИоЬоуаШ 115, кроме того, он обладает способностью продуцировать каротиноиды, что еще больше повышает ценность кормопродуктов, произведенных с его применением.
АВТОРЫ
Туршатов Михаил Владимирович, канд. техн. наук;
Кононенко Валентин Васильевич, канд. техн. наук;
Леденев Владимир Павлович, канд. техн. наук;
Кривченко Вера Александровна, канд. техн. наук;
Соловьев Александр Олегович;
Моисеева Надежда Дмитриевна;
Лозанская Татьяна Ивановна;
Худякова Наталия Михайловна
ВНИИ пищевой биотехнологии —
филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи
111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4 б, [email protected]
Technological Bases of Obtaining Protein Feed Products During Processing of Starch-containing Raw Materials for Biotechnological and Chemical Products
Key words
protein products; secondary raw materials; fodder yeast; starch milk; cultivation; organic synthesis products; producer strains; ethyl acetate.
Abstract
At present, in Russia, in the conditions of active development of animal husbandry, there has been a sharp increase in demand for protein and protein-carbohydrate feed products. One such product is fodder yeast. The production of fodder yeast can be cost-effective only if carbohydrate-containing secondary raw materials (SRM) are used as a nutrient medium. In Russia, the re-profiling of idle distilleries for the production of chemical products, from plant raw materials through its byconversion, is gaining momentum. Such products are ethyl acetate, acetic aldehyde, acetic acid, crotonaldehyde, sorbic acid, etc. In their production, similarly to the technology of alcohol, SRM are formed, containing the remains of grain raw materials and microbial biomass. With appropriate processing from SRM, a protein fodder product corresponding to fodder yeast can be obtained. For effective management of the cultivation process, an important aspect is the selection of the strain of the microorganism, as well as the selection of the nutrient medium. The study and analysis of these issues was the main goal of the research given in the article. As a result, qualitative indicators of secondary raw materials from complex grain processing have been determined, and optimal regimes for their water-heat and enzymatic treatment have been established for the production of nutrient media for cultivation of fodder yeast on their basis. The analysis of food protein strains has been carried out, the most promising for the researched nutrient media has been selected for the research. According to the results of cultivation, it is established that the environment most additionally enriched with hydrolyzate of the starch fraction B is suitable for growing the food protein strains to the greatest extent. The best results in the assimilation of carbohydrates and the accumulation of protein showed the strain of Rhodosporidium diobovatum 115, in addition, it has the ability to produce carotenoids, what else more increases the value of feed products produced with its application.
A. .H----«
Turshatov Mikhail Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences; Kononenko Valentin Vasil'evich, Candidate of Technical Sciences; Ledenev Vladimir Pavlovich, Candidate of Technical Sciences; Krivchenko Vera Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences; Solov'ev Aleksandr Olegovich; Moiseeva Nadezhda Dmitrievna; Lozanskaya Tatyana Ivanovna; Khudyakova Nataliya Mikhailovna
All-Russian Scientific Research Institute of Food Biotechnology— a branch of the Federal Research Center Food, Biotechnology and Food Security,
4-b Samokatnaya St., Moscow, 111033, Russia, [email protected]
8
ХРАНЕНИЕ и ПЕРЕРАБОТКА СЕЛЬХОЗСЫРЬЯ • № 2 • 2Q1
