Біотехнологія кормових білків для сільськогосподарських тварин

 

У зв’язку з необхідністю забезпечення людини і тварин незамінними амінокислотами розроблені науково обґрунтовані норми їхнього добового споживання. Так, наприклад, щоденна потреба людини в незамінних амінокислотах складає (г): валін – 5,0, лейцин – 7,0, ізолейцин – 4,0, лізин – 5,5, метіонін – 3,5, треонин–4,0, триптофан – 1,0, фенілаланін – 5,0.

Головними джерелами незамінних амінокислот для людини є білки тваринного чи рослинного походження, що входять до складу їжі, а для сільськогосподарських тварин – головним чином рослинні білки. Білкові речовини, що поступають з їжею чи кормом під дією ферментів шлункового соку гідролізують до амінокислот, що потім використовуються для утворення білкових молекул людського чи тваринного організму.

Усі незамінні амінокислоти повинні міститися в білках їжі у визначених співвідношеннях, що відповідають потребам даного організму. Якщо хоча б одна амінокислота міститься в недостачі, то інші амінокислоти, що виявилися в надлишку, не використовуються для синтезу білків (відповідно до механізму синтезу білків). У таких умовах для забезпечення подальшого синтезу білкових речовин і підтримки життєдіяльності організму буде потрібна додаткова кількість харчового чи кормового білка, внаслідок чого має місце перевитрата кормів і підвищення собівартості тваринної продукції.

З метою запобігання перевитрати кормів необхідно контролювати збалансованість білків корму по вмісту незамінних амінокислот і загальну кількість білка в кормі. Для оцінки амінокислотного складу білків визначають показники, що характеризують їх біологічну поживну цінність. Кормові і харчові білки, що мають оптимальний вміст незамінних амінокислот, називають біологічно повноцінними білками.

У результаті узагальнення численних даних по вивченню амінокислотного складу білків Міжнародною організацією по продовольству і сільському господарству (ФАО), утвореною при ООН, розроблені рекомендації, у яких дається оптимальний вміст незамінних амінокислот у харчових і кормових білках. Ці рекомендації використовуються як еталон при оцінці біологічної поживної цінності різних білків. Наприклад, якщо прийняти за 100% біологічну цінність еталонного, по рекомендаціях ФАО, білка, то біологічна цінність більшості тваринних білків складає 90–95%, білків вегетативної маси бобових трав – 80–90%; білків зернобобових і насіння олійних культур, бульб картоплі, коренеплодів, овочів, вегетативної маси багатьох трав’янистих рослин – 75–85%; білків зерна більшості злакових культур – 60–70%; особливо низька біологічна цінність білків зерна кукурудзи – 52–58%.

Відповідно до норм харчування людина повинна щодня одержувати з їжею від 60 до 120 г повноцінного білка. Для правильної годівлі сільськогосподарських тварин необхідно, щоб у їхньому раціоні на кожну кормову одиницю містилося не менш 110 г добре перетравлюваного і повноцінного білка.

Якщо вміст білків у рослинній масі, яка використовується для годівлі сільськогосподарських тварин, нижче норми, то щоб уникнути перевитрати кормів і підвищення собівартості тваринної продукції, кількість білка в кормі балансують уведенням білкових добавок. Недостатню до норми кількість якої-небудь амінокислоти балансують додаванням у корм чистих препаратів дефіцитних амінокислот чи білкової маси, що має більш високий вміст даної амінокислоти в порівнянні з еталоном.

Таблиця 1. Вміст незамінних амінокислот у різних білках (г на 100 г білка)

Аміно-кислоти	Молоко корови	Ета-лон ФАО	Соя	Горох	Рис	Пшениця	Кукурудза	Яч-мень
Лізин Триптофан Метіонін Треонін Валін Лейцин Изолейцин Фенілаланін	6,6 1,4 2,4 4,6 6,9 9,9 6,6 4,9	4,2 1,4 2,2 2,8 4,2 4,8 4,2 2,8	6,6 1,3 1,4 3,8 J4 7,9 5,3 5,1	6,5 0,8 1,4 3,8 4,5 6,5 5,0 4,8	3,5 1,3 2,9 3,5 6,5 8,0 4,6 5,2	2,6 1,3 1,7 2,6 4,6 6,9 3,4 4,3	2,5 0,6 2,1 3,2 4,4 11,2 2,7 4,1	3,2 1,2 1,7 2,9 5,4 7,2 3,5 5,1

Найбільш збалансований вміст незамінних амінокислот мають білки насіння сої (табл. 1). У них бракує до еталона тільки метіоніну і триптофану. Відносно високу біологічну цінність мають також білки зерна рису і гороху. У той же час культивовані в нашій країні зернові культури – пшениця, кукурудза, ячмінь – відрізняються незбалансованим амінокислотним складом білків. У білках зерна пшениці і ячменю дуже мало міститься лізину, метіоніну і ізолейцину, а в білках зерна кукурудзи ще і триптофану. Ведеться пошук інших джерел повноцінного білка. Одним із важливих шляхів у цьому напрямку є розширення посівів зернобобових культур, що так само, як і соя, здатні накопичувати в зерні велику кількість білка (25–35%), що має високу біологічну цінність.

Поряд з цим розробляються наукові програми, пов’язані зі створенням нових генотипів зернових культур, що відрізняються підвищеним вмістом у зерні білків з поліпшеним амінокислотним складом. Створення таких програм стало можливим після відкриття високолізинових мутантів кукурудзи з генами Опак-2 і Флаурі-2, у білках зерна яких міститься значно більше лізину і триптофану, ніж у звичайної кукурудзи.

У результаті селекційної роботи, проведеної в Краснодарському науково-дослідному інституті сільського господарства ім. П.П. Лук’яненка, на основі мутантних генів отримані високобілкові і високолізинові гібриди кукурудзи, що по врожайності не поступаються районованим гібридам.

У багатьох лабораторіях проводиться селекційно-генетична робота з поліпшення амінокислотного складу білків зерна ячменю на основі схрещувань з високолізиновими формами Хайпролі і Ризо 1508, а також пошук генетичних джерел високого вмісту білка з поліпшеним амінокислотним складом для пшениці, тритікале й інших зернових культур. Особливі надії покладаються на нові методи створення цінних генотипів сільськогосподарських рослин, засновані на використанні досягнень генетичної і клітинної інженерії.

З метою збалансування кормів, що включають як основний компонент зерно злакових культур, по білку і незамінних амінокислотах звичайно застосовують концентровані білкові добавки, які називаються комбікормами.

Для їхнього приготування використовують м’ясо-кісткове і рибне борошно, відходи м’ясної і молочної промисловості, макухи олійних рослин, висівки, шроти зернобобових культур. З огляду на те, що рибне і м’ясо-кісткове борошно, інші білкові відходи тваринного походження у все більшому обсязі використовуються для одержання харчових білків, потрібен повноцінний їх замінник, здатний збалансувати недостачу білків і незамінних амінокислот не тільки в зерновій частині кормового раціону, але й у рослинних компонентах комбікормів.

Високою інтенсивністю синтезу білків відрізняються багато мікроорганізмів, причому білки мікробних клітин мають підвищений вміст незамінних амінокислот (табл. 2). У спеціальних дослідах була проведена харчова і токсикологічна оцінка білкової мікробної маси, що показує, що клітини деяких мікроорганізмів можна використовувати в якості концентрованих кормових добавок, що не поступаються по біологічній цінності білкам соєвого шроту чи рибного борошна.

Таблиця 2. Вміст незамінних амінокислот у білках деяких мікроорганізмів (г на 100 г білка)

 

Амінокислота	Дріжджі	Бактерії	Водорості	Гриби	Соєвий шрот	Еталон ФАО
Лізин Триптофан Метіонін Треонін Валин Лейцин Изолейцин Фенілаланін	6–8 1–1,5 1–3 4–6 5–7 6–9 4–6 3–5	6–7 1–1,4 2–3 4–5 4–6 5–11 5–7 3–4	5–10 0,3–2,1 1,4–2,5 3–6 5–7 6–10 3,5–7 3–5	3–7 1,4–2 2-3 3–6 5–7 6–9 3–6 3–6	6,4 1,4 1,3 4,0 5,3 7,7 5,3 5,0	4,2 1,4 2,9 2,8 4,2 4,8 4,2 2,8

Мікроорганізми як джерела кормового білка мають ряд переваг у порівнянні з рослинними і навіть тваринними організмами. Вони відрізняються високим (до 60% сухої маси) і стійким вмістом білків, тоді як у рослинах концентрація білкових речовин значно змінюється в залежності від умов вирощування, клімату, погоди, типу ґрунту, агротехніки й ін. Поряд з білками в мікробних клітинах накопичуються також інші цінні в поживному відношенні речовини: легкозасвоювані вуглеводи, ліпіди з підвищеним вмістом ненасичених жирних кислот, вітаміни, макро- і мікроелементи.

При використанні мікроорганізмів можна організувати промислове виробництво на обмеженій площі й одержувати велику кількість кормових концентратів у будь-який час року, причому мікробні клітини здатні синтезувати білки з відходів сільського господарства і промисловості і, таким чином, дозволяють одночасно вирішувати іншу важливу проблему – утилізацію цих відходів з метою охорони навколишнього середовища.

Мікроорганізми мають ще одну цінну перевагу – здатність дуже швидко нарощувати білкову масу. Наприклад, рослини сої масою 500 кг у фазі дозрівання насіння здатні за добу синтезувати 40 кг білків, бик такої ж маси – 0,5–1,5 кг, а дріжджові клітини масою 500 кг – до 1,5 т білків. Для виробництва характерні: висока швидкість синтезу білка, невеликі площі, відсутність неврожаїв, хвороб (як в рослинництві і тваринництві).

Для виробництва білка з мікроорганізмів найчастіше використовують різні дріжджі. Перевагою їх перед іншими мікроорганізмами є висока стійкість проти інфекцій, здатність легко відділятись від середовища завдяки великим розмірам клітин, рости на відносно простих середовищах і швидко асимілювати різні джерела С і N. Крім того, біомаса має високі харчові якості, приємний смак і аромат.

В останні роки почали використовувати різні види бактерій. Це зумовлено великою швидкістю росту і більш високим ніж у інших мікроорганізмів вмістом білка та метіоніну в біомасі.

Як джерела кормового білка також використовують мікроскопічні гриби, одноклітинні водорості, білкові коагуляти трав’янистих рослин.

Кормові дріжджі. Дріжджі вперше стали використовувати як джерело білку для людей і тварин у Німеччині під час першої світової війни. Була розроблена промислова технологія культивування пивних дріжджів (Saccharomyces cerevisiae), призначених для додавання в продукти харчування. У нашій країні перший завод з виробництва кормових дріжджів був пущений у 1935 р. Дріжджі вирощували на гідролізатах із відходів деревини та іншої целюлозовмісної рослинної сировини, в якій при гідролізі утворюються легкозасвоювані для мікроорганізмів форми вуглеводів. В даний час на основі гідролізу рослинної сировини в Росії виробляється більше 600 тис. т сухої маси кормових дріжджів для сільського господарства.

Вихідною сировиною при такій технології одержання кормового білка є відходи целюлозної і деревообробної промисловості, солома, бавовняні лушпайки, кошики соняшника, лляна костриця, стержні кукурудзяних качанів, бурякова меляса, картопляні та виноградні вижимки, пивна дробина, верхівковий торф, що мало розклався, барда спиртових виробництв, відходи кондитерської і молочної промисловості.

Подрібнену рослинну сировину, що містить велику кількість клітковини, геміцелюлоз, пентозанів, піддають кислотному гідролізу при підвищеному тиску і температурі. У результаті 60–65% полісахаридів гідролізуються до моносахаридів. Отриманий гідролізат відокремлюють від лігніну. Надлишок кислоти, застосовуваної для гідролізу, нейтралізують вапняним молоком чи аміачною водою. Після охолодження і відстоювання в гідролізат додають мінеральні солі, вітаміни й інші речовини, необхідні для життєдіяльності мікроорганізмів. Отримане в такий спосіб поживне середовище подають у ферментний цех, де вирощують дріжджі.

Для культивування на гідролізатах рослинних відходів найбільш ефективні дріжджі родів Candida, Torulopsis, Saccharomyces, що використовують як джерело вуглецю гексози, пентози й органічні кислоти. При оптимальних умовах з 1 т відходів хвойної деревини можна одержати 200 кг сухої маси кормових дріжджів.

Для одержання кормових дріжджів застосовують технологію їхнього глибинного вирощування в спеціальних апаратах – ферментерах (рис.1), у яких забезпечується режим постійного перемішування суспензії мікробних клітин у рідкому поживному середовищі і оптимальні умови аерації. З метою підтримання заданого температурного режиму в конструкції ферментера передбачається система відводу надлишкового тепла. Робочий цикл вирощування культури дріжджів триває близько 20 годин. Після закінчення робочого циклу культуральна рідина разом із суспензованими в ній клітинами дріжджів виводиться з ферментера, а в нього знову подається живильний субстрат і культура дріжджових клітин для вирощування.

Рис. 1. Ферментер для вирощування дріжджів у рідкому живильному: середовищі 1 – корпус ферментера; 2 – охолоджуючий кожух; 3 – теплообмінник; 4 – подача холодної води в теплообмінник; 5 – виведення теплої води з теплообмінника; 6 – подача посівної культури; 7 – подача рідкого поживного середовища; 8 – подача повітря для аерації і перемішування живильного середовища; 9 – кювета для напрямлення потоку повітря у внутрішню порожнину теплообмінника; 10 – вихід дріжджової суспензії після закінчення ферментації; 11 – вихід повітря в атмосферу через очисний фільтр

 

Виведену з ферментера суспензію мікробних клітин подають на флотаційну установку, за допомогою якої відокремлюють біомасу дріжджів від культуральної рідини. У процесі флотації суспензія спінюється, при цьому мікробні клітини спливають на поверхню разом з піною, і відокремлюються від рідкої фази. Після відстоювання дріжджову масу концентрують у сепараторі. Для досягнення кращого перетравлення дріжджів в організмі тварин проводять спеціальну обробку мікробних клітин (механічна, ультразвукова, термічна, ферментативна), що забезпечує руйнування їхніх клітинних оболонок. Потім дріжджову масу випарюють до необхідної концентрації і висушують, вологість готового продукту не повинна перевищувати 8–10%.

У сухій дріжджовій масі міститься 40–60% сирого білка, 25–30% засвоюваних вуглеводів, 3–5% сирого жиру, 6–7% клітковини і зольних речовин, велика кількість вітамінів (до 50 мг%). За допомогою обробки дріжджів ультрафіолетовими променями проводиться збагачення їх вітаміном D₂, який утворюється із ергостерину. Для поліпшення фізичних властивостей готового продукту кормові дріжджі випускають у гранульованому вигляді.

Дуже часто на основі ферментації гідролізатів рослинної сировини поряд з виробництвом кормових дріжджів одержують етиловий спирт. У цьому випадку особливість технології полягає в тому, що спочатку проводиться спиртове бродіння, у результаті якого відбувається утилізація гексоз, що містяться в гідролізаті. Після відгону спирту залишається невикористаний субстрат – барда, що містить в основному пентози. Цю післяспиртову барду використовують далі як живильне для середовище вирощування кормових дріжджів. Таким чином, з гідролізатів рослинних відходів одночасно можуть бути отримані два види цінної продукції.

У 60-і роки були розроблені технології одержання кормових дріжджів з н-парафинів нафти. Дріжджові клітини можуть використовувати як джерело вуглецю для їхнього росту нерозгалужені вуглеводні з числом вуглецевих атомів від 10 до 30. Вони являють собою рідкі фракції з температурами кипіння 200–320° С, які виділяють з нафти шляхом її перегонки. В результаті селекційних робіт (виділених зразків культур з стічних вод нафтопереробних підприємств і ґрунтів, в які потрапляють нафтопродукти) було створено фонд культур дріжджів роду Candida, що відповідали вимогам промислового виробництва. Це висока швидкість росту, економічне засвоєння н-вуглеводнів, висока якість мікробіологічної маси з вмістом сирого протеїну до 60%. Дослідження показали, що всі класи вуглеводнів можуть бути субстратами для вирощування мікроорганізмів, але процес росту найбільш інтенсивно проходить на середовищі, яке містить н-парафін з довжиною вуглецевого ланцюга С₁₁–С₁₄ .

Одна з перших промислово-експериментальних установок по виробництву кормових дріжджів з вуглеводнів нафти потужністю 1,5 тис. тон в рік була пущена в 1964 р. у Краснодарі. У 1968 р. в Уфі введений перший у світі дослідно-промисловий завод по виробництву БВК потужністю 12 тис. тон на рік. Сировина – нормальні парафінові вуглеводні високої чистоти (» 99%), які виділяють із дизельних фракцій нафти методами адсорбційної депарафінізації.