CC BY
43№3 июнь 2018
Пищевая Индустрия
На VIII международном Гайдаровском форуме одной из основных проблем экономики РФ признано технологическое отставание. Следовательно, вновь создаваемые производства должны основываться не на традиционных, а принципиально новых технологиях, которыми являются биотехнологические и мембранные процессы (МП). Они относятся к двум критическим технологиям РФ, а именно - №3 (биотехнологические, биосинтетические ...технологии) и №8 (нано-, био- ...технологии) входящим в «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ», а именно - №2 (ин-дустия наносистем), №4 (науки о жизни), №6 (рациональное природопользование) и №8 (энергоэффективность и энергосбережение), утвержденные Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011г. № 899).
Для широкого внедрения МП в последнее время во Владимире создано крупнейшее в Европе предприятие по производству мембран и мембранных элементов по критерию цена-качество соответствующих мировому уровню - ОАО «РМ Нанотех».
Рационы КРС в России имеют дефицит по протеину порядка 20...25 %, а по углеводам - до 50 %. Уменьшить остроту проблемы можно за счет использования в кормовых целях белковых веществ и лактозы молочной сыворотки (МС). Но, ее скармливание скоту ограничено из-за быстрого закисания, низкого содержания сухих веществ (СВ) при высоком содержании плохо усваиваемой
лактозы, а также значительного превышения нормы минеральных веществ.
К н. вр. в мире и в РФ разработано много способов переработки МС с применением биотехнологических и ба ромембранных п роцес-сов (БМП) [1-4], в том числе конверсией лактозы в пребиотик лак-тулозу [5-8] и лактозил - мочевину (источник сырого протеина) [7;8].
Способность использовать небелковый азот для синтеза белков ставит жвачных животных в уникальное положение по сравнению с другими их видами.
Среди множества возможных источников такого азота мочевина обычно чаще других используется с этой целью. Но, ее недостаток в
том, что она очень быстро под действием фермента уреазы (синтезируемой собственными микроорганизмами этих животных) разлагается в рубце на аммиак и углекислый газ. Из аммиака и др. компонентов части корма здесь же синтезируются микробные белки, которые вместе с остальным количеством корма далее последовательно поступают в сычуг и кишечник, где перевариваются и усваиваются как и любой другой полноценный белок.
Использование большого количества мочевины (карбамида) в кормах сдерживается именно из-за быстрого ее расщепления до аммиака. В то время как значительная часть последнего не может с такой же скорость исполь-
^2
1 \
\ —А —А
- |
1 2 3 4 5
Время от начала скармливания, час
3
А
5 • г
о X -й
4
щ
н
5 и о X н
о
1,0
0,83 0,67
0,5
0,33
0,17
д
\ 1
\
\ ---
3 !
\
1 2 3 4 5
Время от начала скармливания, час
Рисунок 1 - Скорость высвобождения аммиака при скармливании лактозил-мочевины (зависимость 1) и механической смеси лактозы с мочевиной (зависимость 2) [9]
Рисунок 2 - Скорость разложения в желудочном соке коровы: лактозил-мочевины (зависимость 1); лактозы (зависимость 2); мочевины (зависимость 3) [9]
ч 0
0,6
= 0,4
0,2
0
6
0
6
ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
зоваться микрофлорой для биосинтеза белка (см. рис.1 и рис. 2). Видно, что выделение аммиака происходит значительно медленнее из лактозил-мочевины, чем из простой механической смеси мочевины с лактозой.
Избыток аммиака всасывается в кровь, вызывая интоксикацию (отравление) животного и, в первую очередь, поражение печени и почек. Кроме того, он ухудшает вкус кормовых смесей и поэтому приводит к уменьшению поедаемости кормов.
Для эффективного использования мочевины необходимо чтобы в кормах содержалось достаточное количество углеводов. Они необходимы и как источникэнергии и как каркас углеродной решетки, которая требуется микроорганизмам рубца для образования аминокислот при синтезе белков. Однако, этот процесс трудно регули-
мический синтез осуществляется в течении 20 час. при добавлении серной кислоты (рН = 1,5 ... 2,5), при температуре 70 ОС.
Преимущество лактозил-моче-вины в том, что в желудочном соке коровы она по сравнению с механической смесью лактозы с мочевиной значительно медленнее разлагается. Кроме того, при использовании лактозил-мочевины происходит синхронно и выделение источника энергии и аммиака для синтеза микробного белка.
В то же время недостатком известных способов производства лактулозы и лактозил-мочевины является наличие (после их синтеза) стадии нейтрализации: первой - кислотой, а второй - щелочью (причем в значительных количествах), что, естественно, приводит к повышенному содержанию в них солей.
n42 + н20
вода, №С1
УФ-пермеат (р-р лактозы)
НФ-
концентрат
Н
ЛАКТОЗА + МОЧЕВИНА = ЛАКТОЗИЛ-МОЧЕВИНА + Н2О Рисунок 3 - Уравнение химического синтеза лактозил-мочевины
ровать таким образом, чтобы необходимая для синтеза энергия появлялась одновременно с выделением аммиака из мочевины. Проблема решается, если химически связать мочевину с источником углеводов.
Ранее было установлено, что с целью замедления процесса расщепления карбамида его можно предварительно химически связывать с некоторыми видами сахаров, в том числе и с лактозой. Английские и шведские ученые при сотрудничестве со шведской ассоциацией производителей молока ранее разработали способ производства лактозил-мочевины путем химического связывания мочевины с лактозой, глюкозой и галактозой содержащихся в молочной сыворотке. Источник энергии - лактоза образует химическое соединение с источником азота - мочевиной. Установлено, что этот хи-
Кроме того, эффективными в н. вр. считаются добавки с синбиоти-ческими свойствами, содержащими как пребиотик так и пробиоти-ческие культуры.
Разработанная нами технология устраняет эти недостатки, являясь простой, низко энергоемкой и экологически чистой. Она предназначена для переработчиков молока расположенных недалеко от его производителей. Технология рассчитана на производство протеино-лактулозной син-биотической кормовой добавки. Аппаратурно-технологическая схема ее представлена на рис. 4.
Схема учитывает результаты фундаментальных НИР [6] показавших, что трансформацию лактозы в лактулозу следует проводить при высокой ее концентрации и при отсутствии в растворе:
• белков - для недопущения образования мелано-идинов (что достигается за счет использования мембранной ультрафильтрационной (УФ) установки);
• хлоридионов - для недопущения образования хло-рорганическихсоединений (что обеспечивается за счет мембранной нанофильтра-ционной (НФ) установки).
По данным [8] синтез лактозил-мочевины также эффективнее протекает при более высокой концентрации лактозы, что также достигается за счет НФ установки. При этом сокращаются расход кислоты и энергозатраты.
УФ-концентрат белков
й
лактозил-мочевина
о:
бифидо-бактерии
кормовая функциональная протеино-локтулозная пробиотическая добавка
1 - УФ-установка;2-НФ-установка; 3,4 и 5- биореакторы; 6 - сборник
Рисунок 4 - Обобщенная аппаратурно-технологическая блок-схема производства кормовой протеино-лактулозной пробиотической добавки
5
54
www.Rosfood.info
№3 июнь 2018
Пищевая Индустрия
НФ установка ООО гидротех и
фгбун вниипбт
Биореакторы ПО Агромаш для молочной промышленноси
УФ аппараты и мембраны из керамики
Производство добавки осуществляется следующим образом. Из сыворотки с помощью УФ установки выделяются и концентрируются белки и др. высокомолекулярные биологически ценные вещества, которые в концентрированном виде переходят в Уф концентрат (поток задержанный мембраной).
УФ концентрат может реализовы-ваться на сторону, а также использоваться непосредственно на молокозаводе в производстве соответствующих молочных продуктов или кормовой протеино-лактулозной про-биотической добавки.
Содержащий в очищенном виде лактозу УФ пермеат (поток прошедший через мембрану) поступает для ее концентрирования на НФ установку, где одновременно очищается и от хлорида натрия.
Лактозил-мочевину синтезируют в поз.3 по технологии [7;8] адаптированной применительно к использованию нФ концентратов.
В НФ концентрат после подкис-ления до рН 1,6...2,5 серной или фосфорной кислотой вносится мочевина. Синтез осуществляется при 65.70 °С за 15.16 часов. В результате кислотного гидролиза лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу, которые взаимодействуя с мочевиной образуют гликозил-мочевину, галактозил-мочевину и лактозил-мочевину.
Для сокращения процесса до 4-х часов в среду вносится кристаллизующее вещество - сернокислый натрий. Установлено, что до 65% мочевины вступает в химическую реакцию с лактозой и продуктами ее гидролиза.
Биотрансформация лактозы в лактулозу осуществляется в поз. 4 по технологии [5; 6] адаптированной к использованию НФ концентратов МС.
Процесс проводится при рН = 11,5 (доза внесения ЫаОИ порядка 0,15%), температуре 82°С и продолжительности 40 мин.
В поз. 5 культивируются бифидо-бактерии или др. пробиотики.
Лактозил-мочевина смешивается с лактулозой в соотношении, обеспечивающим рН смеси = 6,5.7,5, а затем в смесь вносится пробиотик и УФ концентрат белков.
Существенным преимуществом способа является то, что при смешении лактозил-мочевины и лак-тулозы обеспечивается взаимная их нейтрализация без дополнительного использования кислот и щелочей.
Аналогичная схема разработана также и для случая создания централизованной линии переработки сыворотки, свозимой с небольших близлежащих молокозаводов, на которых осуществляется предварительное ее концентрирование на НФ установках в 4.5 раз по объ-
ему. На централизованных же заводах устанавливаются УФ установки для отделения белков от лактозы и остальное оборудование в соответствии со схемой рис. 4.
При использовании концентрированной сыворотки получаемый продукт может использоваться и для жидкого кормления и как составная часть комбикормов.
Кроме того, она может высушиваться в распылительных сушилках с получением порошкообразной добавки, а также гранулироваться. При этом ее вкусовые качества лучше других безбелковых добавок.
При длительном использовании лактозил-мочевины при кормлении было доказано, что она благотворно влияет на жирность молока и может заменять соевую муку в комби-кормх для молочных кормов без отрицательных последствий. Показано, что она может использоваться и при кормлении мясного КРС [9].
Таким образом, описанная здесь инновационная технология позволяет не только организовать производство не дорогой кормовой добавки, но и решить экологическую проблему по утилизации молочной сыворотки. НИР по подготовке рукописи проведена за счет субсидии на выполнение госзадания в рамках Программы Фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы (тема № 0529-2014-0105).
литература
1. Залашко М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки. М.: Агропромиз-дат. 1990. 152с.
2. Панова Н.М., Меркулова О.В. Молочная сыворотка в кормовых средствах функционального назначения // Молочная промсть. 2015. № 2, С. 63 - 65.
3. Кудряшов ВЛ Перспективные инновационные технологии с применением мембран для молочной промышленности // Сб. докл. VII Межд. науч.практ. конф. (2-3 окт. 2008 г.). Мн.: НПЦ НАН Белору-си. 2008. С. 320 - 325.
4. Евдокимов И.А. и др. Обработка молочного сырья мембранными методами // Молочная промсть. 2012. № 2. С. 34 - 37.
5. ХрамцовА.Г. Феномен молочной сыворотки. СПб. Профессия. 2011. 806 с.
6. Храмцов А.Г. Научные основы получения бифидогенных добавок из молочного белковоуглеводного сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. 2005. № 2. С. 39 - 43.
7. Храмцов А.Г. Адаптация доктрины нано-биомембранных технологий на основе кластеров молочной сыворотки //Молоч. промсть. 2010. № 1. С.34 - 37.
8. Панова Н.М. Синтез лактозил - мочевины в лактозосодержащем сырье. Лактоза и ее производные. Тез. Междунар. сим. Меж-дунар. молоч. Федерации (Москва, 14-16 мая 2007). М.: НОУ «Образов. науч. техн. центр молоч. промсти. 2007. С. 146 - 147.
9. Доклады, представленные во время шведских агротехнических дней в Москве в сентябре-октябре 1981г. 64 с.
