БИОЛОГИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ КОРМОВ. Биологическая модификация растительных кормов
 Скачать 45.34 Kb.
|
|
ПРОИЗВОДСТВО НЕЗАМЕНИМЫХ АМИНОКИСЛОТ Получение кормовых белковых концентратов с повышенным содержанием незаменимых аминокислот позволяет балансировать корма сельскохозяйственных животных главным образом по уровню белка, тогда как оптимальный аминокислотный состав кормового белка при таком способе балансирования полностью не достигается. Для доведения концентрации аминокислот в кормовом рационе до оптимума требуется добавлениепрепаратов чистых аминокислот, полученных промышленным способом. В мире ежегодно производится не менее 300 тыс. т кормовых препаратов незаменимых аминокислот. Расширяется их производство и в нашей стране. Возможны три способа промышленного получения незаменимых аминокислот: гидролиз белков растительного и микробного происхождения, микробиологический и химический синтез. Более 60% всех производимых промышленностью чистых препаратов аминокислот получают путем микробиологического синтеза. На втором месте по объему производства находится химический синтез. Основным недостатком химического синтеза является получение смеси аминокислот, состоящей из изомеров, относящихся как к D-, так и к L-ряду, тогда как биологической активностью в организме человека и животных обладают лишь L-изомеры. D-изомеры аминокислот не перерабатываются их ферментными системами, а некоторые из них токсичны для человека и животных. Исключением в этом отношении является аминокислота метионин, у которой биологически активными являются как D, так и L-изомеры, в связи с чем данная аминокислота производится преимущественно путем химического синтеза. Технологии получения аминокислот за счет гидролиза белков экономически менее выгодны, поэтому не получили широкого распространения. При микробиологическом синтезе образуются L-аминокислоты, являющиеся продуктами жизнедеятельности специально подобранных и отселектированных штаммов микроорганизмов, которые способны накапливать в культуральной жидкости не менее 60 г/л синтезируемой аминокислоты. Чаще всего для микробиологического синтеза аминокислот используют ауксотрофные мутантные штаммы, которые получают методами обычной селекции и генной инженерии. С помощью мутагенных факторов у таких ауксотрофных штаммов индуцируется мутация, в результате которой прекращается или ингибируется синтез одного из продуктов, оказывающих регуляторное воздействие на ферментные системы, катализирующие образование данной аминокислоты, в результате чего концентрация этой аминокислоты в клетках мутанта и в культуральной жидкости повышается. На основе культивирования микроорганизмов с целью получения чистых препаратов аминокислот применяют промышленные технологии, включающие одно- и двухступенчатый синтез аминокислот. При одноступенчатом синтезе в промышленных культиваторах выращивают ауксотрофные регуляторные мутанты, являющиеся сверхпродуцентами тех или иных аминокислот. После завершения рабочего цикла их выращивания культуральную жидкость отделяют от клеток микроорганизмов, сгущают и получают из нее товарный продукт с высокой концентрацией синтезированной микробами аминокислоты. В процессе двухступенчатого синтеза аминокислоты вначале получают ее предшественник (часто наиболее дешевым химическим синтезом), а затем с помощью ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, превращают предшественника в аминокислоту, при этом образуются только L-изомеры. В качестве источника фермента могут быть использованы либо суспензия клеток микроорганизмов, либо полученный после разрушения этих клеток ферментный раствор. Микробиологический синтез триптофана. Наряду с лизином разработаны промышленные технологии получения кормовых и высокоочищенных препаратов другой незаменимой аминокислоты — триптофана. Для производства этой аминокислоты применяют как одноступенчатый синтез с помощью бактериальных ауксотрофных мутантов с нарушенной регуляцией синтеза аминокислот, так и двухступенчатый синтез, включающий вначале получение предшественника триптофана, а затем его ферментативное превращение в конечный продукт — триптофан. Синтез триптофана аллостерически ингибируется конечными продуктами, которые действуют на ферменты, катализирующие начальные этапы превращений, связанные с образованием хоризмовой кислоты. Из схемы 2 видно, что для смещения метаболических реакций по пути преимущественного образования триптофана необходимо блокировать превращение хоризмовой кислоты в префеновую. Это достигается действием мутагенных факторов. У мутантов с пониженной активностью ферментов, катализирующих превращение хоризмовой кислоты в префеновую, наблюдается повышенный синтез аминокислоты триптофана, однако для нормального развития этих мутантов в питательную среду необходимо добавлять дефицитные аминокислоты — фенилаланин и тирозин—в количествах, не вызывающих регуляторное ингибирование ферментов синтеза триптофана. Для промышленного Излучения триптофана разработаны технологии на основе использования ауксотрофных мутантов бактерии Вacillus subtilis с нарушенным синтезом фенилаланина и тирозина. Все технологические процессы организованы примерно по такой же схеме, как и получение лизина с помощью мутантов коринебактерий. Ферментация длится 48 ч при 37° С, концентрация триптофана в культуральной жидкости достигает 10 г/л. После отделения культуральной жидкости от клеток бактерий она упаривается и высушивается при 110—120° С. Высушенный продукт называют кормовым концентратом триптофана (ККТ). При получении высококонцентрированных препаратов триптофана культуральную жидкость подвергают дополнительной очистке. Вначале ее подкисляют соляной кислотой до рН 1,0 и затем центрифугированием отделяют образовавшийся осадок. Далее центрифугат, содержащий триптофан, пропускают через ионо-обменные колонки с катионитом, в результате происходит связывание аминокислоты и, таким образом, отделение ее от культуральной жидкости. После промывки колонок производят десорбцию триптофана 5%-ным раствором аммиака в смеси изопропанола и воды. Элюат направляют на вакуумный выпариватель, после чего кристаллизуют аминокислоту при 4—8° С. Выделенную в кристаллическом виде соль триптофана промывают этанолом и высушивают под вакуумом при 60° С. Высушенный кристаллический препарат содержит не менее 99% триптофана в виде его хлорида. Осадок после отделения культуральной жидкости, содержащий клетки культуры бактерий, также высушивают и используют как высокобелковую кормовую добавку, содержащую, кроме того, повышенное количество триптофана. Производственный процесс биохимического превращения антраниловой кислоты в триптофан проводится в две стадии. На первой стадии производится наращивание биомассы дрожжей, являющихся продуцентами ферментов. Питательная среда для выращивания дрожжей готовится из свекловичной мелассы, мочевины и минеральных солей. Ферментация продолжается в течение 24 ч при 30° С. Далее в ферментер начинают вводить спиртовой 5%-ный раствор антраниловой кислоты и 50%-ный раствор мочевины. Через 3—4 ч после добавления антраниловой кислоты в ферментер дополнительно подается углеродный субстрат — меласса в виде 25%-ного раствора. На последующих этапах ферментации периодически производится подача антраниловой кислоты и мочевины через каждые 6 ч и раствора мелассы — через каждые 12 ч. Длительность ферментации около 120 ч, а с учетом времени наращивания биомассы дрожжей— 144 ч. Содержание триптофана в культуральной среде составляет 0,3—0,5% или примерно 6 г/л. После упаривания и сушки получают кормовой концентрат триптофана (ККТ), содержащий 90% сухого вещества, 48—54% белков, 1—3% триптофана, 1,5—1,9 мг% витамина В2 2,5—3,3 мг% витамина В12, 62—68 мг% витамина РР. Для получения высококонцентрированных препаратов триптофан выделяют из культуральной жидкости и очищают. ПРОИЗВОДСТВО КОРМОВЫХ ВИТАМИННЫХ ПРЕПАРАТОВ Важным фактором повышения питательной ценности кормов сельскохозяйственных животных является наличие в них витаминов—биологически активных веществ разного химического строения и необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов. Биологическая активность витаминов определяется тем, что они в качестве активных групп входят в состав каталитических центров ферментов. При недостатке этих веществ понижается активность соответствующих ферментов и, как следствие, ослабляются или полностью прекращаются биохимические процессы, происходящие с участием данных ферментов. Последнее является причиной ряда серьезных заболеваний, вызванных недостатком витаминов. Как установлено, организмы человека и животных не способны к синтезу витаминов, тогда как растения при нормальных условиях развития полностью обеспечивают себя необходимыми витаминами (за исключением витамина В12). Микроорганизмы также синтезируют большинство необходимых им витаминов. Исходя из этого видно, что продукты растительного и микробного происхождения представляют собой незаменимый источник витаминов как для животных, так и для человека. Удовлетворение потребности этих организмов в витаминах осуществляется двумя путями — поступление с пищей и синтез микрофлорой желудочно-кишечного тракта. Для организмов с однокамерным желудком, имеющим значительно меньше микрофлоры, главный путь обеспечения витаминами — потребление с пищей или непосредственно витаминов, или их метаболических предшественников—провитаминов, которые в организме человека и животных превращаются в витамины. В то же время жвачные животные, имеющие в преджелудках обильнуюмикрофлору, в значительной степени удовлетворяют свою потребность во многих витаминах за счет переваривания клеток отмерших микроорганизмов. В связи с тем, что основные компоненты кормов сельскохозяйственных животных — продукты растительного происхождения — имеют неоптимальный состав и постоянно меняющееся содержание необходимых животным витаминов, при составлении кормовых рационов возникает необходимость добавлять в корма препараты, обогащенные витаминами, которые получают из культур микроорганизмов. Микробиологическая промышленность нашей страны выпускает два вида кормовых витаминных препаратов — кормовой рибофлавин, содержащий витамин В12, и КМБ-12 (концентратмикробный витамин), имеющий в своем составе витамин В12. КОРМОВЫЕ ЛИПИДЫ Кроме белков, углеводов и витаминов неотъемлемым компонентом кормов сельскохозяйственных животных являются липиДЫ, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты — линолевую, линоленовую, арахидоновую, которые не могут синтезироваться в организме животных и, следовательно, должны поступать с пищей. Полиненасыщенные жирные кислоты, называемые незаменимыми, участвуют в построении клеточных мембран, входя в состав структурных липидов. При недостатке незаменимых жирных кислот снижается интенсивность рост сельскохозяйственных животных, угнетается их репродуктивная функция, понижается сопротивляемость организма инфекции. Основной источник незаменимых жирных кислот для сельскохозяйственных животных — различные растительные продукты, входящие в состав кормов. Однако очень часто в растительных кормах содержится мало липидов, или они имеют неблагоприятный состав жирных кислот, что ухудшает питательную ценность кормов. В целях балансирования кормовых рационов сельскохозяйственных животных по содержанию незаменимых жирных кислот осуществляется поиск новых источников биологически полноценных липидов, которые можно было бы использовать в качестве высококонцентрированных кормовых добавок. Опыты показывают, что наиболее перепективными промышленными продуцентами липидов, близкими по составу к растительным жирам и пригодными для использования в кормовых целях, являются дрожжи и микроскопические грибы, которые чаще всего накапливают внутриклеточные липиды, однако известны виды, способные выделять липиды в культуральную жидкость. В клетках этих микроорганизмов обычно содержится от 25% до 70% липидов в расчете на сухую массу, которые на 40—90% представлены триацилглицеринами и на 5—50%—фосфоглицеридами. В них также много содержится стероидных веществ (до 1 —1,5% на сухую массу), представленных главным образом эргостерином, из которого в организме животных образуется витамин D2. Липидные компоненты дрожжей и микроскопических грибов, имеют довольно благоприятный состав жирных кислот, в них содержится много олеиновой (20—50% от общего количества жирных кислот), линолевой (до 50%) и линоленовой (до 17—19%) кислот и мало трудноусвояемых организмом животных кислот (оксикислот, кислот с нечетным числом углеродных атомов или разветвленной цепью). Много липидов (50—60% от сухой массы) способны накапливать некоторые штаммы дрожжей Rhodotorula, Lipomyces, Cryptococcus. Клетки дрожжей рода Сапdidaа синтезируют меньше липидов (20—40%), однако отличаются высокой скоростью роста и способностью хорошо утилизировать разнообразные источники сырья. Микроскопические грибы могут синтезировать до 40—50% высокоценных липидов, сходных по составу жирных кислот с растительными маслами. Вследствие того, что в клетках микроорганизмов образуются активные комплексы гидролитических ферментов, они способны утилизировать в качестве источников углерода различные субстраты — гидролизаты растительных отходов, послеспиртовую барду, молочную сыворотку, мелассу, отходы зерноперерабатывающей промышленности, углеводороды нефти, низкомолекулярные спирты (метанол, этанол). В качестве источника азота в питательную среду добавляют дрожжевой или кукурузный экстракт, соли аммония, мочевину, но при этом строго контролируют соотношение углерода и азота, так как при избытке азота снижается образование липидов в клетках микроорганизмов (оптимальное соотношение (С:N=320—400). Кроме источников углерода и азота в питательную среду также добавляют Р, К, Мg, Zn, Fе, Мn, витамины группы В, токоферол. В процессе выращивания на питательной ' среде вначале наблюдается интенсивный рост микроорганизмов и сравнительно небольшое накопление липидов. Усиленный синтез липидов отмечается в начале стационарной фазы развития микроорганизмов. При выращивании продуцентов кормовых липидов поддерживается температура 20—30 °С, так как при более высокой температуре снижается выход липидов, а в липидах уменьшается доля полиненасыщенных жирных кислот. В процессе ферментации требуется поддерживать режим интенсивной аэрации, так как для окисления углеродных субстратов необходим кислород. Кислород также необходим для синтеза ненасыщенных жирных кислот, поэтому улучшение аэрации стимулирует увеличение выхода незаменимых жирных кислот По окончании ферментации микробная масса отделяется остатков субстрата и высушивается примерно по такой же технологии, как кормовые дрожжи. Для улучшения физических свойств к высушенному продукту добавляют отруби или кукурузную муку. Наряду с получением кормовых липидов на основе ферментации микроорганизмов разрабатываются также технологии производства комплексных микробных препаратов, содержащих белки, липиды, каротиноиды и другие ценные питательные вещества, которые позволяют балансировать корма одновременно по нескольким компонентам. a |