БИОЛОГИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ КОРМОВ. Биологическая модификация растительных кормов
 Скачать 45.34 Kb.
|
|
Получение кормовых белков. Производство незаменимых аминокислот и кормовых витаминных препаратов. Кормовые липиды. ПРОИЗВОДСТВО КОРМОВОГО БЕЛКА 1. Нетрадиционные источники кормового белка При дефиците белка в рационе в организме животных развиваются глубокие негативные изменения: отрицательный азотистый баланс, гипопротеинемии, нарушения коллоидно-осмотического и водно-солевого обмена, анемии различной формы, нарушения со стороны нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой системы, сдвиги обмена веществ, остановка роста, истощение и т.д. Особенно тяжелые нарушения развиваются в молодом возрасте. Весьма опасно не только полное отсутствие белка в пище, но и недостаточное поступление его в организм или поступление некачественного белка. Белок корма должен содержать все аминокислоты, особенно незаменимые, быть по составу близок аминокислотному составу белков организма и легко перевариваться в желудочно-кишечном тракте. Недостаток кормового белка в масштабах планеты по данным ФАО ООН оценивается примерно в 30 млн т в год. Коренным образом изменить эту ситуацию возможно лишь биотехнологическим путем. Причем, продуцентами кормового белка могут быть бактерии, дрожжи, микроскопические водоросли, микро- и макромицеты. Преимущества производства биомассы с помощью микробного синтеза (перед другими источниками белка): 1) высокая скорость накопления биомассы, которая в 500 - 5000 раз выше, чем у растений или животных; 2) микробные клетки накапливают большое количество белка (дрожжи – до 60 %, бактерии – до 75 % по массе); 3) в производстве микробного белка отсутствует многостадийность; 4) процесс биосинтеза протекает в мягких условиях при температуре 30 - 45ºС, рН 3 - 6 и давлении ≈ 0,1 МПа; 5) процесс менее трудоемок по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белков. Дрожжи. Их легко выращивать в производственных условиях; они быстро растут и размножаются практически на любых субстратах; устойчивы к контаминантной микрофлоре; содержат белка больше, чем зерно злаковых культур, несколько уступая лишь по аминокислотному составу протеину молока и рыбной муки; богаты витаминами (тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, никотиновая кислота, пиридоксин, фолиевая кислота, а также холин, инозит и др.); содержат микроэлементы и значительное количество жира, в котором преобладают ненасыщенные жирные кислоты. Так, 1 кг кормовых дрожжей содержит 1,03 - 1,16 кормовых единиц. К недостаткам дрожжей относят толстую клеточную стенку и большое количество нуклеиновых кислот. Бактерии. Для них характерна высокая скорость роста; содержание белка в биомассе составляет 70 - 80 % при значительном количестве метионина; они легко поддаются селекции, что позволяет получать высокопродуктивные штаммы. Их недостатками являются трудная осаждаемость, вследствие малых размеров клеток; значительная чувствительность к инфекциям, особенно фаговым; высокое содержание в биомассе нуклеиновых кислот. Водоросли. Микроскопические водоросли как фототрофы для образования своей биомассы используют только углекислый газ атмосферы. Так, с 0,1 га поверхности прудов можно получить столько же белка, сколько с 14 га посевов фасоли. В настоящее время особое внимание привлекает сине-зеленая водоросль спирулина (Spirulina platensis и Spirulina maxima). Биомасса еѐ соответствует лучшим стандартам пищевого белка, в ней достаточно витаминов А, D, а также группы В. В качестве кормовых добавок применяют также препарат спирустим, изготавливаемый из одноклеточных синезеленых водорослей Spirulina platensis, хлореллу. Новой добавкой к рациону является гипергалинная аквакультура (ГАК) Сиваша, которая включает микроводоросли, продукты их переработки, а также цисты, яйца, личинки, куколки и взрослые формы гидробионтов и галофильных насекомых, которые обитают в акватории высокой солености. Грибы. Важным источником высококачественного белка могут быть как низшие, так и высшие грибы. Высокая питательная ценность плодовых тел высших грибов известна давно. Однако их валовой сбор в природных условиях, естественно, не может удовлетворить все возрастающие потребности в белке. Поэтому были сделаны попытки культивирования в промышленных условиях мицелия макромицетов. Благодаря микромицетам крахмалсодержащая пища обогащается белком и становится подобной мясным продуктам. Однако, по сравнению с эталонным белком, белки грибов лимитированы по сумме аминокислот, содержащих серу (цистеин и метионин). Вместе с тем они богаты лизином – основной аминокислотой, недостающей в белке зерновых культур. Это позволяет на основе зерна и грибной биомассы составлять сбалансированные кормовые смеси. 2. Сырьевая база для синтеза комового белка Сырьевые источники для синтеза микробного белка весьма значительны и легко доступны. Для получения микробного белка необходим богатый углеродом, но дешевый субстрат. Парафины нефти (н-парафины). Высокий выход биомассы (до 100 % от массы субстрата) обеспечивается большим содержанием углерода, а качество продукта – степенью чистоты парафинов. Если парафины очищены недостаточно, то дрожжевая биомасса содержит неметаболизируемые компоненты: производные бензола, D-аминокислоты, липиды с нечетным числом углеродных атомов в жирных кислотах, токсины белковой природы. Поэтому парафины нефти должны быть тщательно очищены. Дрожжи, выращенные на н-парафинах, используются в количестве 8 - 15 % от общего белка рациона для откорма крупного рогатого скота, свиней, овец и бройлеров. Метанол. Его получают методом микробного синтеза из древесины, соломы, городских отходов. Сложность использования метанола заключается в том, что молекула его содержит только один атом углерода, тогда как синтез большинства органических соединений осуществляется через двухуглеродные молекулы. Соединения же с нечетным числом атомов углерода, как правило, небезразличны для организма. В качестве продуцента используются бактерии рода Methylomonas. Метанол усваивают бактерии, дрожжи, грибы, актиномицеты. Получение белка на метаноле более экономично, чем при использовании н-парафинов. Например, продукт «Прутин» (Англия), содержащий 72 % сырого протеина, используется как высокобелковая добавка к комбикормам в рационах свиней, птицы, пушных зверей и в качестве заменителя молока для телят. Этанол. Использование этанола как субстрата для микробного синтеза белка снимает проблему очистки биомассы от аномальных продуктов обмена с нечетным числом углеродных атомов. Стоимость производства этанола несколько выше, чем метанола. Разработаны технологические процессы получения белка на природном газе с использованием бактерий Methylomonas, усваивающих метан, Hypomicrobium и Pseudomоnas, утилизирующих метанол и др. Растительная биомасса. Содержит большое количество сахаров (целлюлоза, состоящая из остатков молекулы глюкозы; гемицеллюлозы, состоящие из остатков арабинозы, галактозы, маннозы, фруктозы, ксилозы). На жидкой, содержащей сахара фракции гидролизата, выращивают дрожжи. Для получения кормовых дрожжей используется также послеспиртовая барда, подсолнечная лузга, хлопковая шелуха, отходы производства лубяных волокон (костер льна и конопли), свекловичный жом, отходы картофелекрахмального производства, пивоваренной, плодовоовощной, консервной промышленности и др. В качестве сырья для гидролизной промышленности используется солома злаковых культур, которая обычно протеинизируется, например, дрожжеванием, или усвояемость соломы повышается действием ферментных препаратов (пектофоетидина Г3х в комплексе с целловиридином Г3х или глюкаваморином Пх). Используются способы прямой биоконверсии растительной биомассы с помощью высших и низших грибов. С этой целью используются целлюлозоразрушающие грибы Chaetomium cellulolyticum, а также Aspergillus niger, Trichoderma и др. Молочная сыворотка. Ежегодно в мире образуется около 200 млн. т молочной сыворотки. Каждая тонна сыворотки содержит 50 кгмолочного сахара, до 10 кг высокоценного белка, 1,5 кг жира, а также витамины, микроэлементы и др. Использование сыворотки малоэффективно как для производства кормов, так и для скармливания животных. Это связано с тем, что степень утилизации молочной сыворотки снижается по мере увеличения еѐ доли в рационе. Кроме того, при этом возникают расстройства пищеварения, а конверсия белка сыворотки в белок тела животного весьма незначительна. Это касается и сухой сыворотки, так как организм животного усваивает только 20% еѐ количества из-за неблагоприятного соотношения углеводов, белков и минеральных солей. В этом отношении более рациональным является производство молочно-белковых концентратов. При этом на основе белков сыворотки изготавливают заменители сухого обезжиренного молока, кормовые добавки и др. Лактоза может быть источником энергии для многих видов микроорганизмов, сырьем для микробного производства белковой биомассы. Для ее получения чаще всего используют дрожжи. Установлено, что коэффициент конверсии белка сыворотки в микробный белок у дрожжей в 20 раз выше, чем степень преобразования его в животный белок. Кроме того, большинство видов дрожжей обогащает сыворотку витаминами. В качестве продуцентов применяют различные штаммы родов Saccharomyces,Kluyveromyces fragilis, Candida, Trichosporon, Torulopsis. 6.3. Принципиальная технологическая схема выращивания кормовой биомассы Чистую культуру в log-стадии переносят в малый посевной аппарат (500 л) с питательной средой, рН которой доводится аммиачной водой или известковым молоком до 5,5 - 5,8. Сначала в аппарат подают около 40 л среды, разбавляют еѐ в 4 - 4,5 раза стерильной водой и при интенсивной аэрации добавляют остальное количество питательной среды (80 - 100 л), рН среды – 4,5 - 5,5. Из качалочных колб вносят микробную суспензию объемом 1,5 - 2 л и производят культивирование до накопления в среде 3,5 - 4,0 г клеток/л по абсолютно сухому веществ (АСВ). Обычно для этого требуется 15 - 18 ч. Суспензия из малого посевного аппарата подается в аппарат объемом 4 - 5 м3, предварительно заполненный питательной средой (≈ 200 л) и стерильной водой (1,2 - 1,5 м3), включается аэрация и при постоянном доливе (70 - 75 л/ч) питательной среды и добавления аммиачной воды для поддержания заданного рН проводится культивирование 10 - 12 ч. Выращивание засевной культуры проводится в ферментаторе объемом 15 - 20 м3. Аппарат на 10 % по объему заполняется стерильной или кипяченой водой, туда же вводится около 0,5 м3 питательной среды и полностью перекачивается все содержимое предыдущего аппарата (2,5 - 2,7 м3). Выращивание посевного материала без отбора суспензии продолжается 8 - 9 часов при интенсивной аэрации и постоянном доливе питательной среды (170 - 200 л/ч) до накопления в ферментере биомассы в количестве 4 - 5 г АСВ/л. После этого засевную культуру начинают отбирать на основное производство в количестве 1,3 - 1,7 м3/ч при одновременном доливе питательной среды. Процесс ферментации длится от 5 до 10 суток, а затем цикл приготовления посевного материала возобновляется. К подготовительным стадиям производства относится приготовление растворов питательных солей и микроэлементов, необходимых для нормального развития микроорганизмов. Этот участок имеет свою технологическую схему. Минеральные компоненты группируют в два раствора, которые параллельно подаются в основной ферментатор: раствор всех микроэлементов (N, P, K), необходимое количество которых составляет 5 - 70 г/л; раствор микроэлементов (Mg, Mn, Fe, Zn и др.), концентрации которых не превышают 5 - 10 мг/л. Технологические потоки из всех подготовительных отделений (компримирование воздуха, хранение и подготовка сырья, получение засевной культуры, приготовление растворов питательных солей и микроэлементов, технологическая вода, аммиачная вода, стерильная культуральная жидкость) поступают на главную стадию производства – стадию ферментации. Основным аппаратом в этом отделении является ферментатор – аппарат полного смешения по жидкой фазе, обеспечивающий рост и развитие популяций микроорганизмов в объеме жидкой фазы; транспорт питательных веществ к клеткам микроорганизмов; отвод от микробных клеток продуктов их обмена; отвод из среды тепла. Затем следуют другие этапы технологической схемы получения кормовой биомассы: – Сгущение суспензии микроорганизмов. При этом концентрация биомассы повышается до 12 - 16 % АСВ. Для этого используют сепараторы, а также флокуляцию, коагуляцию, флотацию или декантацию. – Термообработка суспензии. При нагревании микроорганизмов до температуры 75 - 85 ºС в течение 10 - 40 мин происходит гибель штамма-продуцента и практически всей сопутствующей микрофлоры. – Концентрирование суспензии. Проводят в отделении выпаривания до концентрации 23 - 25 % АСВ. Для этого используется трехкорпусная вакуум-выпарная установка: I корпус – 90 ºС, II – 75 и III – 60 ºС. – Сушка. В этом отделении происходит образование готового продукта с влажностью ≈ 10 % (по массе). Для этого используются конвективные сушилки (распылительные, кипящего слоя, ленточные и барабанные). – Грануляция и сушка. Обычно сухая биомасса, содержащая 8 - 10 % (по массе) влаги представляет собой готовый продукт и после упаковки направляется на склад к потребителю. Если продукт необходимо получить в виде гранул, то сухая и влажная (после выпарки) биомасса в соотношении 1:1 поступает в гранулятор. При этом влажная биомасса налипает на сухие частицы и вся масса влажностью 45 - 50 % движется в аппарате, формируя гранулы, которые затем подаются в сушилку кипящего слоя. Гранулы подсушиваются до остаточной влажности 8 - 10 % (по массе) горячим воздухом или топочными газами с температурой 260 - 300 ºС; – Фасовка и упаковка готового продукта. Сухая биомасса поступает в приемный бункер и фасуется в бумажные мешки с клапаном массой 25 - 30 кг. Эти мешки укладываются на специальные поддоны, которые отвозят их на склад или отгружают потребителю. Производство незаменимых аминокислот и кормовых витаминных препаратов Белки являются обязательными компонентами клеток любого живого организма, выполняющими жизненно важные функции: каталитические, регуляторные, транспортные, биоэнергетические, защиту от инфекции и действия стрессовых факторов, структурные, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5 — 1 5 % сухого вещества, в зерне — 8—18%, семенах масличных растений—16—28%, зернобобовых культур — 25—40%. В различных тканях организма человека и животных содержание белков обычно от 20 до 80% их сухой массы, что составляет в среднем 40—50%. В связи с необходимостью обеспечения человека и животных незаменимыми аминокислотами разработаны научно обоснованные нормы их суточного потребления. Так, например, ежедневная потребность человека в незаменимых аминокислотах составляет (г): валин — 5,0, лейцин — 7,0, изолейцин — 4,0, лизин — 5,5, метионин — 3,5, треонин — 4,0, триптофан — 1,0, фенилаланин — 5,0. Главными источниками незаменимых аминокислот для человека являются белки животного или растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для сельскохозяйственных животных — главным образом растительные белки. Поступающие с пищей или кормом белковые вещества под действием ферментов желудочного сока гидролизуются до аминокислот, которые затем используются для образования белковых молекул человеческого или животного организма. Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма. Если хотя бы одна аминокислота содержится в недостатке, то другие аминокислоты, оказавшиеся в избытке, не используются для синтеза белков (в соответствии с механизмом синтеза белков). В таких условиях для обеспечения дальнейшего синтеза белковых веществ и поддержания жизнедеятельности организма потребуется дополнительное количество пищевого или кормового белка, вследствие чего имеет место перерасход кормов и повышение себестоимости животноводческой продукции. В целях предотвращения перерасхода кормов необходимо контролировать сбалансированность белков корма по содержанию незаменимых аминокислот и общее количество белка в корме. Для оценки аминокислотного состава белков определяют показатели, характеризующие их биологическую питательную ценность. Кормовые и пищевые белки, имеющие оптимальное содержание незаменимых аминокислот, называют биологически полноценными белками. Если содержание белков в растительной массе, используемой для кормления сельскохозяйственных животных, ниже нормы, то во избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме балансируют введением белковых добавок. Недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитных аминокислот или белковой массы, имеющей более высокое содержание данной аминокислоты по сравнению с эталоном. Наиболее сбалансированное содержание незаменимых аминокислот имеют белки семян сои. В них недостает до эталона только метионина и триптофана. Относительно высокую биологическую ценность имеют также белки зерна риса и гороха. В то же время возделываемые в нашей стране зерновые культуры—пшеница, кукуруза, ячмень — отличаются несбалансированным аминокислотным составом белков. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало содержится лизина, метионина и изолейцина, а в белках зерна кукурузы еще и триптофана Вследствие того, что белки сои хорошо сбалансированы по аминокислотному составу и их содержание в семенах достигает 35—40%, эта культура имеет важное значение как самый дешевый источник пищевого и кормового белка. Крупнейши производителем и поставщиком соевого белка на мировом рын ке являются США. В России посевы сои пока занимают не большие площади — около 500—600 тыс. га. Ведется поис других источников полноценного белка. Одним из важных путей в этом направлении является расширение посевов зернобобовых культур, которые так же, как и соя, способны накапливать в зерне большое количество белка (25—35%), имеющего высокую биологическую ценность. В результате селекционной работы, проведенной в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко, на основе мутантных генов получены высокобелковые и высоколизиновые гибриды кукурузы, которые по урожайности не уступают районированным гибридам. В суммарном белке зерна полученных генотипов кукурузы содержание лизина повышено на 50—80%, триптофана — на 30—50%. Использование зерна такой кукурузы для кормления сельскохозяйственных животных позволяет существенно повысить их продуктивность и сократить затраты кормового белка на 20—25%. Во многих лабораториях проводится селекционно-генетическая работа по улучшению аминокислотного состава белков зерна ячменя на основе скрещиваний с высоколизиновыми формами Хайпроли и Ризо 1508, а также поиск генетических источников высокого содержания белка с улучшенным аминокислотным составом для пшеницы, тритикале и других зерновых культур. Особые надежды возлагаются на новые методы создания ценных генотипов сельскохозяйственных растений, основанные на использовании достижений генетической и клеточной инженерии. Зерновые культуры составляют большой удельный вес в структуре кормопроизводства нашей страны. В среднем на долю зерновых приходится около 50% от общего количества кормового белка. В целях балансирования кормов, включающих в качестве основного компонента зерно злаковых культур, по белку и незаменимым аминокислотам обычно применяют концентрированные белковые добавки, называемые комбикормами. Для их приготовления используют мясо-костную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби, шроты зернобобовых культур. Учитывая, что рыбная и мясо-костная мука, другие белковые отходы животного происхождения во все большем объеме направляются на получение пищевых белков, требуется полноценный их заменитель, способный сбалансировать недостаток белков и незаменимых аминокислот не только в зерновой части кормового рациона, но и в растительных компонентах комбикормов. Высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многие микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повышенное содержание незаменимых аминокислот. В специальных опытах была проведена пищевая и токсикологическая оценка белковой микробной массы, которая показывает, что клетки некоторых микроорганизмов можно использовать в качестве концентрированных кормовых добавок, не уступающих по биологической ценности белков соевому шроту или рыбной муке. |