CC BY
58
УДК 664.25: 663.15: 66.081.6
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КОРМОВОЙ ЦЕННОСТИ КУКУРУЗНЫХ КОРМОВ С ПОМОЩЬЮ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ
В.Л. КУДРЯШОВ1, кандидат технических наук, зав. лабораторией (e-mail: [email protected])
Н.Д. ЛУКИН2, доктор технических наук, зам. директора (e-mail: [email protected])
Д.Н. ЛУКИН2, кандидат экономических наук, директор всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии, ул. Самокатная, 4б, Москва, 111033, Российская Федерация
2Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов. ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Разработана адаптированная к кукурузокрахмальным предприятиям технология производства кукурузных кормов, обо-гащенныхлизином путем его биосинтеза на субстратах с использованием пермеата кукурузного экстракта. Показана эффективность и целесообразность мембранного процесса нанофильтрации для подготовки субстрата. Концентрирование культуры лизина рекомендуется осуществлять с помощью нанофильтрации, ультра фильтрации и обратного осмоса. В этом случае себестоимость ли-зинсодержащей добавки будет в 2,5-3,0 раза ниже дорогостоящего импортного кормового лизина. Указано на возможность и перспективу биосинтеза на этой линии других незаменимыхаминокислот, кормовых и пекарскихдрожжей по аналогичной технологии. Схема даёт возможность во время культивирования осуществлять раздельную подпитку субстрата как экстрактом, так и патокой. При этом указанные компоненты проходят холодную стерилизацию с помощью мембран. Обоснована целесообразность применения мембранных установокдля концентрирования нативного экстракта вместо вакуум-выпарных. Приведены показатели содержания аминокислот в сухом веществе кукурузного экстракта, в сравнении с идеальным белком кормов для свиней, яичных кур и бройлеров. Обоснована технико-экономическая целесообразность создания при кукурузокрахмальных предприятиях интегрированных микробиологических производств. Показана возможность и пути создания как полностью новых линий производства обогащенных кукурузных кормов, так и дооснащения существующих линий мембранными установками и биореакторами. Ключевые слова: мембранные процессы, нанофильтрация, кукурузный экстракт, кукурузные корма, незаменимые аминокислоты, лизин, микробиосинтез, идеальный белок. Для цитирования: Кудряшшов В.Л., Лукин Н.Д., Лукин Д.Н. Пути повышения кормовой ценности кукурузных кормов с помощью биотехнологических и мембранных процессов//Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. №3. С. 71-73.
При производстве кукурузных кормов используют вторичное сырье (побочные продукты) кукурузокрах-мальных предприятий (ККП): глютен, крупную и мелкую мезгу, жмых и кукурузный экстракт (КЭ) [1]. Известно, что в белке зерновых культур не хватает ряда незаменимых аминокислот - лизина и треонина, а в белке кукурузы также мало триптофана. Для птиц и крупного рогатого скота (КРС) в зерновых кормах не хватает метионина.
Дефицит какой-либо незаменимой аминокислоты или ее избыток одинаково вызывают снижение потребления и усвояемости корма и продуктивности животных. Доведение наиболее лимитирующей аминокислоты до необходимого уровня путем повышения общего содержания белка в рационе приводит к избытку остальных аминокислот. Они не могут накапливаться подобно жиру и гликогену и за ненадобностью используются организмом не для построения мышечной ткани, а в качестве источника энергии. При этом в результате дезаминирования образуются вредные для
животных соединения, в том числе аммиак, вызывающий при сильном белковом перекорме отравление.
При кормлении согласно нормам [2] конверсия кормового белка в мясо бройлеров составляет 30-35%, свиней -20-25, КРС - 10-15, молока - 20%.
Наиболее эффективно белок используется в рационе, содержащем все незаменимые аминокислоты в точном соответствии с потребностью организма животных. Его потребление, по сравнению с существующими нормами, снижается на 30-40 % [3].
Цель наших исследований - разработка способа повышения содержания незаменимых аминокислот в кукурузных кормах путем биосинтеза на субстратах, содержащих кукурузный экстракт, с последующим выделением и концентрированием с помощью мембранных процессов (МП).
Условия, материалы и методы. Объект исследования - кормовая добавка на основе смеси кукурузного экстракта и мезги. Основной недостаток КЭ в качестве кормовой добавки - невысокое содержание незаменимых аминокислот (см. табл.), которое становится еще ниже при смешивании экстракта с мезгой.
Таблица. Содержание аминокислот в СВ кукурузного экстракта и в идеальном белке кормов для свиней,яичных кур и бройлеров[3]
В кукуруз- В корме, г/100 г белка
Аминокисло- ном экс- для для для
та тракте, сви- яичных брой-
мг/г СВ [4] ней кур леров
Лизин 16-37 7,1 7 7,2
Метионин 2-6 2,3 3,2 2,5
Метионин +
цистин - 4,2 5,7 5
Триптофан 8-10 1,3 1,5 1,4
Треонин 5-10 4,6 4,9 5,4
Изолейцин 35-42 4 6,3 5,4
Лейцин 27-42 7,1 8,3 8,9
Аргинин 10-24 2,8 6,8 7,6
Гистидин 2-4 2,2 1,9 2,4
Валин 8-18 4,8 7 6,3
Фенилаланин 8-13 3,9 4,7 4,5
Фенилаланин +
тирозин - 6,9 8,7 9
Глицин + серин - - 8,4 9,7
Аланин 24-59 - - -
Аспарагин 10-27 - - -
Цистин 2-4 - - -
Глутамин 35-88 - - -
Глицин следы - - -
Пролин 16-20 - - -
Серин 4-11 - - -
Тирозин 5-10 - - -
состав упаренного кукурузного экстракта: сухое вещество - 50%; протеин - 24%; углеводы - 20% [4].
Для балансирования по аминокислотному составу рационов на основе кукурузного экстракта и других монозерновых низкобелковых кормов используют полноценные белки (шроты, жмыхи, мясо-костная и рыбная мука, изоляты и концентраты белков, кормовые дрожжи, глютен и др.), а также синтетические незаменимые аминокислоты.
В себестоимости продуктов микробиосинтеза значительная доля приходится на затраты на питательные среды (субстраты). В их состав может входить подработан- 71
ное сырье растительного или животного происхождения и его экстракты (гидролизаты), неорганические соли, микроэлементы, моно- и дисахариды, источники азотного питания, активаторы роста, индукторы, витамины и другие биологически активные вещества (БАВ).
Как показал анализ, практически во все субстраты для биосинтеза перечисленных незаменимых аминокислот, дрожжей, ферментов и других БАВ входят меласса и кукурузный экстракт, упаренный до концентрации сухих веществ (СВ) порядка 48 % [5-9]. При этом кукуруза и, следовательно, КЭ содержат значительное количество ростовых факторов: токоферолы, тиамин (В1), рибофлавин (В2), никотиновая кислота (В3), пиро-доксин (В6), биотин (В7) и пантотеновая кислота (В5).
Из 100 кг сухого веществ экстракта можно получить 240-260 кг кормовых дрожжей влажностью 75%. При этом их выращивание на КЭ осуществляется в течение всего 12 ч при содержании СВ экстракта всего 1-1,5 % с добавлением сульфата аммония и суперфосфата [7].
В биотехнологических производствах обычно используют разведенный в 40-50 раз по объему упаренный на кукурузокрахмальных предприятиях концентрат КЭ. Это связано со значительными затратами на его концентрирование, последующую транспортировку, хранение и разведение непосредственно перед применением. Отсюда вытекает целесообразность создания предприятий по производству биосинтетических аминокислот и других БАВ непосредственно на ККП или рядом с ними.
Кроме того, на кукурузокрахмальных предприятиях имеется патока, которую можно использовать взамен мелассы как источник углеводного питания. В этом случае исчезает необходимость в ее глубокой очистке и концентрировании. Причем патока в отличие от мелассы содержит значительно меньше меланоидинов, отрицательно влияющих на рост микроорганизмов. Субстраты на основе КЭ и патоки (в отличие от питательных сред, основанных на ферментали-затах зернового сырья, рекомендуемых и для биосинтеза аминокислот [9]) характеризуются пониженной вязкостью и меньшим содержанием взвешенных веществ, что приводит к повышению растворимости кислорода и, следовательно, к сокращению времени выращивания.
Результаты и обсуждение. С учетом изложенного была разработана обобщенная технологическая схема производства кукурузных кормов, обогащенных незаменимыми аминокислотами (на примере лизина) и (или) кормовыми дрожжами (см. рисунок).
Рисунок. Блок-схема производства сухого кукурузного корма, обогащенного лизином: 1 - отстойник (дуговое или вибрационное сито); 2 и 5 - мембранные НФ-установки; 3 - биореактор; 4 - вакуум-выпарка; 6 - смеситель; 7 - сушилка; 8 - шнековый пресс.
Исходный (нативный) кукурузный экстракт (НКЭ) с содержанием растворенных СВ 6-10% поступает в дуговое (вибрационное) сито или в скоростной полочный отстойник 1 для удаления взвешенных веществ. Основной объем фильтрата НКЭ сгущается на вакуум-выпарной установке 4. Часть фильтрата (10-20% от НКЭ, порядка 1,5-2,0 м3/ч) подается в мембранную нанофильтраци-онную (НФ) или ультафильтрационную (УФ) установку 2, на которой выделяются и концентрируются остатки взвесей, коллоиды, высокомолекулярные растворенные вещества и микроорганизмы с одновременной холодной стерилизацией НФ-пермеата, который содержит вещества, находящиеся только в растворенном состоянии. Он предназначен для использования в качестве основы субстратов для биосинтеза. Марку мембраны подбирают, исходя из требований к остаточному содержанию СВ, которое обычно должно составлять 1,5-2,5 %.
НФ-пермеат направляют в биореактор 3, в который дополнительно вводят в оптимальном количестве углеводы, минеральные соли и другие компоненты питательной среды. Ее состав зависит от выбранного штамма-продуцента среди обычно используемых для биосинтеза того или иного БАВ, например, для лизина: Brevibacterium sp., Brevibacterium lactofermentum (fla-vum), Corynebacterium glutamicum и Micrococcus.
Субстрат для биосинтеза лизина на основе пермеата КЭ должен дополнительно включать, как минимум, мелассу (или глюкозную патоку), сульфат аммония, фосфат калия и буфер. При этом выбор солей для каждого продуцента осуществляется экспериментально по критерию «наибольшее образование лизина».
Отсутствие в НФ-пермеате взвесей и коллоидов обеспечивает получение в целом прозрачных субстратов, которые характеризуются повышенной абсорбцией кислорода и меньшей вязкостью, что способствует сокращению времени биосинтеза и затрат энергии на перемешивание [10].
Разработанная схема предусматривает возможность раздельной подпитки во время культивирования как кукурузным экстрактом (источник ростовых веществ), так и патокой (источник углеводов). При этом указанные компоненты проходят холодную стерилизацию с помощью мембран.
Культуру продуцента лизина (или другой штамм) непрерывно или периодически выделяют и концентрируют отдельно или вместе с целевым продуктом на НФ установке 5. Отводимый из этой установки НФ-пермеат по степени очистки приближается к воде и используется в основном производстве на стадии замачивания кукурузы. При необходимости получения более чистого пермеата вместо мембранной НФ-установки 5 следует использовать мембранную обратноосмотическую (ОО) установку. Далее после термолиза, стабилизации гидросульфитом натрия и подкисления НС1 НФ-концентрат культуры направляют на реализацию потребителям в качестве жидкого кормового концентрата лизина или/и подают в смеситель 6. Осадок с отстойника 1 дополнительно обезвоживают в шнековом прессе 8 и также направляют в смеситель 6.
Фильтрат со шнекового пресса 8 и НФ-концентрат с установки 2 возвращаются в отстойник 1, что позволяет полностью исключить потери БАВ, находящихся во взвесях, высокомолекулярных веществах и коллоидах.
Сконцентрированный на вакуум-выпарке 4 экстракт, НФ-концентрат культуры лизина и обезвоженный на шнековом прессе 8 осадок смешивают в смесителе 6 и совместно обезвоживают в сушилке 7 с получением сухого кукурузного корма, обогащенного лизином. В смеситель 6 или в сухой обогащенный кукурузный корм,
в зависимости от агрегатного состояния, можно вводить добавки, включающие полноценные белки и другие синтетические аминокислоты с целью создания кормов, содержащих необходимое соотношение аминокислот.
При наличии потребителей в качестве кормовой добавки можно также реализовывать жидкий НФ-концентрат лизина и его смесь с упаренным концентратом КЭ и осадком со шнекового пресса 8.
После выпарки 4 концентрат КЭ также может быть коммерческим продуктом и реализовываться отдельно для использования в качестве кормовой [11, 12] или пищевой [13] добавки.
По аналогичной технологической схеме для обогащения кукурузных кормов можно синтезировать другие незаменимые аминокислоты, кормовые дрожжи и БАВ [6].
Разработанную технологическую схему можно реализовать как на кукурузокрахмальных предприятиях, не имеющих линий для переработки НКЭ и мезги, так и на уже имеющих комплект оборудования, включающий отстойник, вакуум-выпарку, смеситель, сушилку и шнековый
пресс. В этом случае его следует дополнить только мембранными установками и биореактором. Вместо вакуум-выпарных для концентрирования НКЭ целесообразно использовать мембранные установки, что позволяет на этой стадии уменьшить энергозатраты в 4,5 раза [14]. В таком случае, как показывают наши дополнительные расчеты, себестоимость лизинсодержащей добавки будет в 2,5-3,0 раза ниже импортного кормового лизина.
Выводы. В статье раскрыта возможность и целесообразность создания на кукурузокрахмальных предприятиях линий по микробиосинтезу лизина, глубоко интегрированных с производством кукурузных кормов. При этом себестоимость лизинсодержащей добавки будет в 2,5-3,0 раза ниже дорогостоящего (порядка 2 тыс.$/т) импортного кормового лизина. Приведена обобщенная технологическая блок-схема такой линии. Показана возможность производства на ней других незаменимых аминокислот, а также кормовых дрожжей. Рекомендовано на стадии концентрирования нативного кукурузного экстракта использовать мембранные установки вместо ваккум-выпарных.
Литература.
1. Романенко В.Н., Филиппова Н.И. Комплексное использование сырья в крахмало-паточном производстве. М.: Агро-промиздат, 1985. 176 с.
2. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных. Справочное пособие / Под ред. А. П. Калашникова, В.И. Фисинина, В.В. Щеглова, Н. И. Клейменова. М.: Минсельхоз РФ, 2003. 456 с.
3. Рядчиков В., Омаров М., Полежаев С. Идеальный белок в рационах свиней и птицы //Животноводство России. 2010. № 2. С.49-51.
4. Новый справочникхимика и технолога. СПб.: НПО «Профессионал», 2006. Раздел 15.7.2.1. Вещества, необходимые для развития микроорганизмов. URL: http://www. chemanalytica.com/book/novyy_spravoch-nik-i-/5406 (дата обращения 15.11.2015).
5. Быков В.А., Крылов И.А., Манаков М.Н. и др. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов. М.: Высш. шк., 1987. 143 с.
6. Кудряшов В.Л., Лукин Н.Д., Оверченко М.Б. и др. Ультраконцентрат кукурузного экстракта - перспективный компонент питательных сред: технология производства и перспектива использования // Сборник научных трудов ВНИИПБТ: «Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов». М.: ВНИИПБТ, 2014. С. 379-385.
7. Малыгина М.В. Исследование процесса выращивания кормовых дрожжей с использованием экстрактов из пшеницы, кукурузы и клеточного сока картофеля: Дис. канд. техн. наук. М., 1963. 174 с.
8. Патент РФ № 2396007. Способ переработки зернового сырья на спирт и кормовой продукт/Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко, Н.И. Игнатова и др. Заявл. 30.03.2009. Опубл. 10.08.2010.
9. Сиротин А.А., Глухарева Н.А., Оспищева Н.В.и др. Процесс биосинтеза лизина штаммом Corynebacterium glutamicum B-11167 на основе сред, содержащих гидролизат пшеничного глютена // Современные проблемы науки и образования: электронный научный журнал, 2012. № 6. URL: http: //science-education.ru/106-7511 (дата обращения 15.11.2015).
10. Ферментеры и биореакторы - BIORUS. URL: http://www. bio-rus.ru>stati/fermenteryi-i-bioreaktoryi.html(дата обращения: 15.11.2015).
11. Афанасьев П.И., Калинин Ю.В., Селезнева Н.И. Эффективность использования подсгущенного кукурузного экстракта в рационах крупного рогатого скота //Вестник Курской госсельхозакадемии. 2011. № 5, том. 5. С. 61-62.
12. Бершаков С.В. Эффективность использования кукурузного экстракта при силосовании кукурузного экстракта: Дис. канд. сельхоз. наук. Белгород, 2011. 117 с.
13. Кудряшов В.Л. Ультраконцентрат кукурузного экстракта - новая пищевая добавка // Пищевая промышленность. 2014. № 3. С.30-33.
14. Кудряшов В.Л., Лукин Н.Д., Лукин Д.Н. Производство ультраконцентратов кукурузного экстракта на мембранных установках //Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 11. С.105-107.
THE WAYS TO IMPROVE FEED VALUE OF CORN USING BIOTECHNOLOGICAL
AND MEMBRANE PROCESSES
V.L. Kudryashov1, N.D. Lukin2, D.N. Lukin2
'All-Russian Research Institute of Food Biotechnology, ul. Samokatnaya, 4b, Moskva, 111033, Russian Federation 2All-Russian Research Institute for Starch Products, ul. Nekrasova, 11, Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Summary. There were described the methods to enrich corn feed by valuable proteins and essential amino acids and it was generalized the list of additives with its high amount. There was developed and presented the technology of production of corn feeds, enriched by lysine due to its biosynthesis on substrates using permeate of corn extract; the technology is adapted to corn starch plants. The efficiency and feasibility of application of nanofiltration to prepare the substrate were shown. The concentration of lysine is recommended to carry out by membrane processes: nanofiltration, ultrafiltration and reverse osmosis. In this case the production cost of lysine containing additive will be 2-3 times lower than the cost of expensive imported feed lysine. There was shown a possibility and prospect of biosynthesis of other essential amino acids, feed and baker's yeast by analogue technology. The plan allows carrying out the separate feeding of the substrate by extract and glucose syrup during cultivation. At that the components are cold sterilized using membranes. The feasibility of application of membranes instead of vacuum-vapor stations to concentrate native extract was proved. The table of amino acids content in dry substances of corn extract comparing with its content in ideal protein in feed for pigs, egg chicken and broilers was presented. Technical-economical feasibility to establish microbiological production integrated in corn starch plant was justified. There was shown a possibility and ways to arrange new lines to produce enriched corn feed and to complete working lines by membrane stations and bioreactors. Key words: membrane processes, nanofiltration, corn extract, corn feed, essential aminoacids, lysine, microbiosynthesis, ideal protein membrane processes, nanofiltration, corn extract, corn feed, essential amino acids, lysine, microbiosynthesis, ideal protein. Author Details: V.L. Kudryashov, Cand. Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: [email protected]); N.D. Lukin, D. Sc. (Tech.), deputy director; D.N. Lukin, Cand. Sc. (Econ.), head of division
For citation: Kudryashov V.L., Lukin N.D., Lukin D.N. The Ways to Improve Feed Value of Corn using Biotechnological and Membrane Processes. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2016. V.30. No3. Pp. 71-73 (In Russ.).
