Биотехнологии обогащения растительных кормов

Обогащение кормов белками. По данным ВАСХНИЛ, из 12% белка пшеницы и 10% белка ячменя эффективно используется в организме животных лишь около 6%, а из 23% белка гороха — 10%. Объясняется это несбалансированностью белков по отдельным аминокислотам. Поэтому в растительные корма необходимо вно­сить высокобелковые добавки: рыбную и мясокостную муку, сухие молочные продукты, шроты, жмыхи, люцерну, клевер, сою. Однако в нашей стране ресурсы таких кормов ограничены.

Биотрансформация растительного сырья и отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с помощью микроорганизмов создает возможность получения в специальных цехах значительных (возможно, намного больших, чем в микробиологической промышленности) количеств кормовых продуктов, обогащенных микробным белком. Основное отличие таких продуктов — большая вариабельность их химического состава, зави­сящая от характера перерабатываемого сырья, вида используемого микроба-продуцента, способа его культивирования.

Препараты, полученные путем глубинного культивирования мицелиальных грибов и дрожжей, содержат больше белка, чем препараты, полученные поверхностным методом. Например, на сточных водах пищевых предприятий при культивировании дрожжей получены препараты, содержащие 30—45%, на безбелковом коричневом соке зеленых растений — около 30% сырого протеина от сухой массы. Крахмалсодержащие жидкие среды даже с нерастворимыми включениями обеспечивают значительно большее содержание сырого протеина в конечном продукте (30—40%), чем среда с измельченным целлюлозосодержашим субстратом (10— 15% сырого протеина).

Примером зависимости эффекта протеинизации от способа культивирования (при прочих равных условиях) является выращивание термофильных грибов на свекловичном жоме в глубинной и твердофазной культурах. Максимальный прирост белка в первом случае — 402%, во втором — 264%. И тем не менее у твер­дофазной ферментации имеются большие перспективы для широкого внедрения в самых различных хозяйствах, занятых производством и переработкой сельскохозяйственной продукции, ввиду ее преимуществ, уже изложенных ранее, а также ввиду низкой себестоимости получаемых с ее помощью протеинизированных продуктов.

Грубые растительные корма могут быть обогащены грибным белком до 20—25%, иногда получают и более высокие результаты - 25-30%.

Эффектность протеинизации у мицелиальных грибов может быть заметно выше (3—10 раз), чем у дрожжей (2—3,5 раза), но, как правило, это сопровождается заметным удлинением процесса ферментации, значительно более эффективными (а значит, и дорогостоящими) должны быть меры по поддержанию стерильности процесса. Содержащийся в клетках мицелиальных грибов хитин снижает качество получаемого с их помощью корма, так как ряд грибов весьма устойчив к воздействию желудочного сока животных. Все это говорит о том, что выбор микроорганизма-продуцента в каждом конкретном случае будет зависеть от условий и возможностей предприятия, ведущего биотрансформацию растительного сырья.

В ходе этого процесса может происходить не только количественное нарастание белка в продукте, но и повышение его качества (соотношения незаменимых и заменимых аминокислот), что зависит прежде всего от используемой микробной культуры. По содержанию некоторых незаменимых аминокислот микробные белковые препараты превосходят соевый шрот и рыбную муку, например по лизину, метионину, гистидину, треонину и триптофану.

В любом случае полученный конечный продукт будет комплексным, т.е. он будет содержать наряду с наросшей микробной биомассой остатки трансформируемой плотной питательной среды. В процессе твердофазной ферментации потребляется лишь часть содержащихся в исходном сырье крахмала, пектина, гемицеллюлозы, целлюлозы, т.е. получаемый комплексный препарат весьма богат углеводами, состав которых зависит как от вида мик­роорганизма, так и от химического состава перерабатываемого сырья.

Наряду с накоплением белка в процессе трансформации может быть в несколько раз повышено содержание липидов. Известно, что корма для животных должны быть сбалансированы не только по аминокислотам, но и по липидам, так как известно их значение как источников незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, играющих определенную роль в процессах регуляции обмена веществ. В комплексном препарате, полученном, например, с помощью микромицетов рода Fusarium, преобладающими жирными кислотами являются пальмитиновая, стеариновая и олеиновая. Отмечено наличие очень важной, незаменимой ненасыщенной кислоты — линолевой, которая не синтезируется в организме животных. Арахидоновая кислота может образовываться в организме из линолевой. Эти кислоты играют большую роль в синтезе простагландинов, представляющих собой гормоноподобные вещества, принимающие участие в регуляции многих процессов, в том числе и стимуляции роста животных.

Производимые на сельскохозяйственном сырье продукты микробного синтеза в ходе роста микроорганизмов обогащаются целым комплексом ростовых веществ — каротином, витаминами группы В, аскорбиновой кислотой, витамином Е и т.д. При 5%-ной добавке дрожжей в корм степень покрытия потребности свиней в витаминах составляет в процентах: В₁ — 10—50, В₂ — 100, В₆ — 40, РР — 100. Помимо этого в таких препаратах могут содержаться комплексы гидролитических ферментов, оказывающих немаловажное влияние на перевариваемость кормов.

Использование микробных препаратов в питании. Микробные препараты весьма перспективны при использовании их в качестве компонентов кормов. Известно, что 10—20% белка в рационах сельскохозяйственных животных может быть заменено белком одноклеточных. Конечно, этот процент может варьировать в зависимости от штамма-продуцента, сырья, на котором он культивируется, способа культивирования. Например, скармливание животным препаратов, полученных с помощью дрожжей, дает заметный разброс по величине добавок, оптимальных для рациона: Candida tropicalis А—11 при глубинном культивировании на виноградных выжимках — 7% по протеину; Endomycopsis fibuliger С— 4 при твердофазной ферментации виноградных выжимок и отрубей (1:1) — 10—15% по протеину; Еndomycupsis fibuliger С-4 при глубинной ферментации на комплексных плодоовощных отходах — 21,5% по протеину. Превышение этих оптимальных доз нежелательно, так как, с одной стороны, иногда оно может приводить к снижению продуктивности животных, а с другой стороны, просто невыгодно экономически.

Введение микробных кормовых препаратов в рационы сель­скохозяйственных животных и птицы повышает их продуктивность, создает возможность обеспечивать длительное оптимальное течение обменных процессов в организме животного, полную и правильную реализацию его генетического потенциала (так называемые жизнеподдерживаюшие свойства). Естественно, что использование таких кормовых добавок может заметно улучшить экономические показатели, повысить прибыль предприятий, применяющих эту технологию. При этом качество животноводческой продукции, получаемой с применением микробных препаратов, не уступает таковому на обычных кормах.

Ограничивает широкое использование биомассы одноклеточных в рационах животных, а тем более в пище человека, высокое содержание в ней нуклеиновых кислот. Предлагаемые химические методы денуклеинизации микробных препаратов приводят в то же время и к потерям белка, что весьма нежелательно. Препараты, получаемые на растительном сельскохозяйственном сырье с помощью мицелиальных грибов, содержат около 1% нуклеино­вых кислот. Несколько больше содержание нуклеиновых кислот в дрожжевых препаратах, полученных на растительном сырье,- 3-4%.

Дрожжи как продуценты функциональных продуктов. В настоящее время для создания биологически активных добавок и продуктов используется ограниченный спектр микроорганизмов — в основном бифидо- и лактобактерий. Однако многие авторы отмечают перспективы использования микроорганизмов других таксономических групп, положительно влияющих на нормофлору животных и человека.

Дрожжи традиционно широко используются как источник белка и витаминов. Однако имеется много свидетельств о наличии у них парафармацевтических свойств.

Дрожжи достаточно давно и широко применяются в сельском хозяйстве именно как пробиотические добавки к корму. В развитых странах такие добавки вызывают повышенный интерес из-за законодательных ограничений использования кормовых антибиотиков. Животным скармливается растительный силос содержащий, значительные количества живых дрожжей, живые дрожжевые культуры вводят в рационы как эффективный стимулятор продуктивности.

В нашей стране дрожжеванные корма готовят на различном сырье: это фуражная мука, патока, виноградная, яблочная мука, опилки, солома, шелуха зерновых и другое сырье, которым располагают хозяйства. Из этих продуктов готовят жидкие питательные среды, засевают пекарские или кормовые дрожжи в чистом виде или в смеси с молочнокислыми бактериями, культивируют 6—9 ч, затем культуру убивают или скармливают в нативном виде. При такой ферментации применяются малоинтенсивные режимы перемешивания и аэрации, следствием чего является довольно низкое со­держание дрожжей в культурах ((1,0— 1,5) • 10⁶ клеток/см³). Тем не менее даже в таких концентрациях дрожжи дают бесспорный положительный эффект в животноводстве и птицеводстве.

Кормовые добавки, содержащие культуру Saccharomyces serevisiae, выращенную на среде из побочных продуктов зернопе-реработки, улучшают перевариваемость гемицеллюлозы и белков, стабильность рубцовой ферментации у молочных коров, постстрессовое потребление пищи у телят, а также производительность свиней в стадии финального откорма на рационе с низким содержанием фосфора.

Лечебно-профилактические дрожжевые добавки на основе ржаных отрубей способны обеспечить у поросят первого месяца жизни, подверженных различным желудочно-кишечным заболеваниям, профилактический эффект до 90%. Отмечается также высокий лечебный эффект (выздоровление до 75% заболевших животных и сокращение продолжительности болезни) при диарее телят, которым давали ферментированный дрожжами пшеничный шрот.

Исследование влияния пробиотической добавки, полученной путем гидролиза клеточной стенки лактозоутилизирующих дрожжей, на микробиоценоз кишечника цыплят на фоне антибиотикоассоциированного дисбактериоза показало выраженный эффект при введении в корм птицы 1 % пробиотика. Положительные изменения в микрофлоре происходили за счет быстрого восстановления популяционного уровня бифидобактерий и лактобацилл.

Эффективно зарекомендовал себя препарат Рекицен РД на основе дрожжей-сахаромицетов. При дозировке Рекицена РД телятам по 60—100 г в сутки отмечена профилактическая и лечебная эффективность до 80% по сравнению с контрольными группами животных; бактериологические исследования фекалий про­демонстрировали положительную динамику микрофлоры: снижение содержания протеев, клебсиелл, цитробактера, токсигенных эшерихий и нарастание концентрации бифидо- и лактобактерий до 10⁹—10¹⁰ клеток/г. Испытания антипатогенной кормовой добавки американского производства БИО-МОС из клеточных стенок дрожжей на свиньях показали, что этот продукт улучшает иммунный статус животных, повышает привес как у поросят-отъемышей, так и у взрослых свиней даже при параллельном добавлении других мощных стимуляторов роста.

Установлена нейтрализация токсичности белковых токсинов ботулинического типа А, шигеллезного и термолабильного энтеротоксина кишечной палочки с помощью высушенных культур винных дрожжей. На белых мышах показано, что 1 г дрожжевого препарата способен нейтрализовать около 900 мышиных ЛД₅₀ ботулинического, 9000 ЛД₅₀ шигеллезного токсина и 8600 ЕД₅₀ термолабильного эшерихиозного токсина.

Существует несколько механизмов, посредством которых осу­ществляются парафармацевтические свойства дрожжей. Дрожжи и продукты дрожжевой ферментации зернового сырья представляют собой уникальную субстанцию, обладающую способностью связывать токсигенные микроорганизмы и их метаболиты и нормализовать биоценозы ЖКТ высших животных. Главную роль в абсорбции патогенных бактерий играют содержащиеся в клеточных стенках дрожжей маннанолигосахариды (МОС). Известно, что патогены для прикрепления к эпителиальным клеткам кишеч­ника используют лектиновые рецепторы, которые обладают способностью распознавать углеводы, находящиеся на поверхности этих клеток. Частицы МОС устилают стенки кишечника, а так как они похожи на упомянутые выше углеводы, патогены прикрепляются к ним. Не обладая способностью ассимилировать МОС, токсигенные микроорганизмы погибают. При этом стимулируется лакто- и бифидофлора, обладающая необходимыми энзимати-ческими комплексами для ассимиляции МОС.

Токсиннейтрализующие свойства дрожжевых клеточных стенок используются при изготовлении биосорбента на основе винных дрожжей. Наряду с традиционными природными и синтетическими сорбентами дрожжевой биосорбент эффективно применяется для детоксикации пестицидов, содержащихся в виноградных соках и винах.

Дрожжевые экстракты являются достаточно эффективными радиопротекторами, т.е. они уменьшают повреждающее действие радиации на живые организмы и снимают радионуклидное заражение растительных субстратов. Имеются сообщения о противоопухолевой активности дрожжей Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicalis, Cryptococcus albidus, Candida guilliermondii, Candida pseudotropicalis, Candida parakrusaee.

В Московском государственном университете пищевых производств и в ООО «ПИК 111» разработана технология универсального биологически активного полуфабриката пищи и кормов на базе сельскохозяйственного сырья и дрожжей. Предложено выделять дрожжевые культуры, перспективные для биоконверсии растительного сырья, из природных микробиоценозов растительного и животного происхождения. Наиболее перспективными продуцентами биомассы признаны термотолерантные дрожжевые и дрожжеподобные грибы родов Pichia, Rhodotortila, Candida и др., интенсивно растущие на твердофазных растительных субстратах.

Реальными субстратами биоконверсии являются вторичные продукты агропромышленных предприятий (послеспиртовая барда, отходы хранения и переработки плодоовощного сырья, навозные стоки животноводческих и птицеводческих хозяйств и т.п.). В качестве углеводистого сырья для дрожжевой биоконверсии предложены растительные субстраты с реакцией среды, близкой к нейтральной: зерно и продукты его переработки, клубни и корнеплоды. В их состав наряду с легкоусвояемыми продуктами входят целлюлозосодержащие формообразующие компоненты: отруби, соломенная или травяная мука, солодовые ростки и т.п. При твердофазной ферментации установлена более высокая удельная продуктивность биомассы дрожжей на единицу массы углеводистого субстрата, чем при глубинной ферментации. Культивирование дрожжей на твердофазных субстратах рекомендовано вести при перемешивании не чаще 1 раза за 2 часа, температуре 28—30°С в течение 24—48 часов. Установлена возможность сухого и жидкого фракционирования твердофазной дрожжевой биомассы, которая может быть рекомендована в качестве компонента пищевых продуктов, кормов или удобрений.

Организация линий, перерабатывающих агропромышленное сырье по предлагаемой технологии, весьма реальна на базе функционирующих предприятий агропромышленного комплекса с использованием сырья и отходов этих предприятий. Принципы конструирования модулей твердофазной биоконверсии этого сырья различных типоразмеров уже сформулированы.