Белки являются обязательными компонентами клеток любого живого организма, выполняющими жизненно важные функции: каталитические, регуляторные, транспортные, биоэнергетические, защитные от инфекции и действия стрессовых факторов, структурные, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5–15 % сухого вещества, в зерне злаков – 8–18 %, семенах масличных растений – 16–28 %, зерне зернобобовых культур – 20–40 %. В различных тканях организма человека и животных содержание белков обычно от 20 до 80 % их сухой массы.

Исходя из этого совершенно очевидно, что для образования клеток и тканей организма, а также поддержания его жизненных функций должен осуществляться постоянный синтез структурных и других форм белков. Для синтеза белковых молекул все живые организмы используют 18 аминокислот и два амида (аспарагин и глутамин). Однако после синтеза белков их молекулы могут подвергаться модификациям, вследствие чего в составе белков обнаруживают до 26 аминокислот.

Растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все входящие в их состав аминокислоты из простых веществ – углекислоты, воды и минеральных солей, тогда как в организме человека и животных некоторые аминокислоты не могут синтезироваться и должны поступать в организм в готовом виде как компоненты пищи. Такие аминокислоты принято называть незаменимыми, к ним относятся валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям человека, а недостаток их в кормах снижает продуктивность сельскохозяйственных животных.

В связи с необходимостью обеспечения человека и животных незаменимыми аминокислотами разработаны научно-обоснованные нормы их суточного потребления. Так, ежедневная потребность человека в незаменимых аминокислотах составляет (г): валин – 5,0; лейцин – 7,0, изолейцин – 4,0, лизин – 5,5, метионин – 3,5, треонин – 4,0, триптофан – 1,0, фенилаланин – 5,0.

Главными источниками незаменимых аминокислот для человека являются белки животного или растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для сельскохозяйственных животных – главным образом растительные белки. Поступающие с пищей или кормом белковые вещества под действием ферментов желудочного сока гидролизуются до аминокислот, которые затем используются для образования белковых молекул человеческого или животного организма. При этом первостепенное значение имеют незаменимые аминокислоты, недостаток которых вызывает прекращение синтеза белков и, следовательно, задержку роста и развития организма.

Следует также учитывать, что все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма. Если хотя бы одна аминокислота окажется в недостатке, то другие аминокислоты, оказавшиеся в избытке, не будут использоваться для синтеза белков (в соответствии с механизмом синтеза белков). В таких условиях для обеспечения дальнейшего синтеза белковых веществ и поддержания жизнедеятельности организма потребуется дополнительное количество пищевого или кормового белка, вследствие чего увеличивается расходование пищи или корма. Последнее особенно важно учитывать в животноводстве, так как несбалансированность кормовых белков по содержанию незаменимых аминокислот приводит к значительному перерасходу кормов и существенному повышению себестоимости животноводческой продукции.

Для предотвращения перерасхода кормов необходимо контролировать, с одной стороны, сбалансированность белков корма по содержанию незаменимых аминокислот, а с другой стороны, количество белка в корме. Для оценки аминокислотного состава белков определяют показатели, характеризующие их биологическую питательную ценность. Кормовые и пищевые белки, имеющие оптимальное содержание незаменимых аминокислот, называют биологически полноценными белками.

В результате обобщения многочисленных данных по изучению аминокислотного состава белков Международной организацией по продовольствию и сельскому хозяйству (ФАО), образованной при ООН, разработаны рекомендации, в которых дается оптимальное содержание незаменимых аминокислот в пищевых и кормовых белках. Эти нормативы используются в качестве эталона при оценке биологической питательной ценности различных белков. Например, если принять за 100 % биологическую ценность эталонного по рекомендациям ФАО белка, то биологическая ценность большинства животных белков составляет 90–95 %; белков вегетативной массы бобовых трав – 80–90 %; белков зерна зернобобовых и семян масличных культур, клубней картофеля, корнеплодов, овощей, вегетативной массы многих травянистых растений – 75–85 %; белков зерна большинства злаковых культур – 60–70 %; особенно низкая биологическая ценность белков зерна кукурузы – 52–58 %.

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей от 60 до 120 г полноценного белка. Для правильного кормления сельскохозяйственных животных необходимо, чтобы в их кормовом рационе в расчете на каждую кормовую единицу содержалось 100–120 г хорошо перевариваемого и полноценного белка.

Если содержание белков в растительной массе, используемой для кормления сельскохозяйственных животных, ниже, чем требуется по нормам, то во избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме балансируют путем добавления белковых концентратов. По такому же принципу контролируют содержание в кормовом белке незаменимых аминокислот. Недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитных аминокислот или белковой массы, имеющей более высокое содержание данной аминокислоты по сравнению с принятым эталоном.

Характеристика аминокислотного состава различных растительных белков дается в табл. 6.1, из которой видно, что наиболее сбалансированное содержание незаменимых аминокислот имеют белки зерна сои, у нее отмечается лишь некоторый дефицит по метионину и триптофану. Относительно высокую биологическую ценность имеют также белки зерна риса и гороха. В то же время широко возделываемые в нашей стране зерновые культуры – пшеница, кукуруза, ячмень – отличаются несбалансированным аминокислотным составом белков. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало содержится лизина, метионина и изолейцина, а в белках зерна кукурузы еще и триптофана.

Вследствие того, что белки сои хорошо сбалансированы по аминокислотному составу и их содержание в се менах достигает 35–40 %, эта культура имеет важное значение как самый дешевый источник пищевого и кормового белка. Крупнейшим поставщиком соевого белка на мировом рынке являются США. В России, хотя и проводятся работы по расширению посевов сои, ее возделывание ограничено вследствие неблагоприятных климатических условий. Однако ведется поиск других источников полноценного белка. Одним из важных путей в этом направлении является расширение посевов других зернобобовых культур, которые так же, как и соя, способны накапливать в зерне большое количество белка (25–35 %), имеющего высокую биологическую ценность.

Таблица 6.1. Содержание незаменимых аминокислот в различных белках  (в г на 100 г белка)

Наряду с этим разрабатываются и реализуются научные программы, связанные с созданием новых генотипов зерновых культур, отличающихся повышенным содержанием в зерне белков с улучшенным аминокислотным составом. Возможность создания таких программ стала реальной после открытия высоколизиновых мутантов кукурузы с генами Опейк-2 и Флаури-2, в белках зерна которых содержится значительно больше лизина и триптофана, чем у обычной кукурузы.

В результате селекционной работы, проведенной в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко, на основе указанных генов получены высокобелковые и высоколизиновые гибриды кукурузы, которые по урожайности не уступают районированным гибридам. В суммарном белке зерна полученных новых генотипов кукурузы содержание лизина повышено на 50–80 %, триптофана – на 30–50 %. Использование зерна такой кукурузы для кормления сельскохозяйственных животных позволяет существенно повысить их продуктивность и сократить затраты кормового белка на 20–25 %.

Во многих научных лабораториях проводится селекционно-генетическая работа по улучшению аминокислотного состава белков зерна ячменя на основе скрещиваний с высоколизиновыми формами Хайпроли и Ризо 1508, осуществляется также поиск генетических источников высокого содержания белка с улучшенным аминокислотным составом для пшеницы, тритикале и других зерновых культур. Особые надежды возлагаются на новые методы создания ценных генотипов сельскохозяйственных растений, основанные на использовании достижений генетической и клеточной инженерии.

Зерновые культуры составляют большой удельный вес в структуре кормопроизводства нашей страны. В среднем на долю белков зерна приходится около 50 % от общего количества кормового белка, а в свиноводстве и птицеводстве до 80 %. Для балансирования кормов, включающих в качестве основного компонента зерно злаковых культур, по белку и незаменимым аминокислотам применяются концентрированные кормовые добавки – комбикорма.

Для приготовления комбикормов обычно используют мясо-костную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби, шроты зернобобовых культур. Учитывая, что рыбная и костная мука, другие белковые отходы животного происхождения во все большем объеме направляются на получение пищевых белков, требуется их полноценный заменитель, способный сбалансировать недостаток белков и незаменимых аминокислот не только в зерновой части кормового рациона, но и в растительных компонентах комбикормов.

В результате изучения различных организмов было выяснено, что высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многие микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повышенное содержание незаменимых аминокислот (табл. 6.2). В специальных опытах была проведена пищевая и токсикологическая оценка белковой микробной массы, которая показывает, что клетки некоторых микроорганизмов можно использовать в качестве концентрированных кормовых добавок, не уступающих по биологической ценности белков соевому шроту или рыбной муке.

Микроорганизмы в качестве источников кормового белка имеют ряд преимуществ по сравнению с растительными и даже животными организмами. Они отличаются высоким (до 60 % сухой массы) и устойчивым содержанием белков, тогда как в растениях концентрация белковых веществ значительно варьирует в зависимости от условий выращивания, климата, погоды, типа почвы, агротехники и др. Наряду с белками в микробных клетках образуются и другие ценные в питательном отношении вещества: легкоусвояемые углеводы, липиды с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот, витамины, макро- и микроэлементы.

Таблица 6.2. Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов (в г на 100 г белка)

При использовании микроорганизмов на ограниченной площади можно организовать промышленное производство и получать большое количество кормовых концентратов в любое время года, причем микробные клетки способны синтезировать белки из отходов сельского хозяйства и промышленности и, таким образом, позволяют одновременно решать другую важную проблему – утилизацию этих отходов в целях охраны окружающей среды.

Микроорганизмы имеют еще одно ценное преимущество – способность очень быстро наращивать белковую массу. Например, растения сои массой 500 кг в фазе созревания семян способны в сутки синтезировать 40 кг белков, бык такой же массы – 0,5–1,5 кг, а дрожжевые клетки массой 500 кг – до 1,5 т белков. В качестве источников кормового белка наиболее часто используются различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.

Кормовые дрожжи

Дрожжи впервые стали использовать как источник белка для человека и животных в Германии во время Первой мировой войны, когда была разработана промышленная технология культивирования пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), предназначенных для добавления в продукты питания. В нашей стране первый завод по производству кормовых дрожжей был пущен в 1935 г. Дрожжи выращивали на гидролизатах из отходов древесины и другого целлюлозосодержащего растительного сырья, которые при гидролизе образуют легкоусвояемые для микроорганизмов формы углеводов. В настоящее время нашей биотехнологической промышленностью на основе гидролиза растительного сырья производится значительный объем кормовых дрожжей для сельского хозяйства.

В качестве исходного сырья при такой технологии получения кормового белка обычно используются отходы целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, свекловичная меласса, картофельная мезга, виноградные выжимки, пивная дробина, верховой малоразложившийся торф, барда спиртовых производств, отходы кондитерской и молочной промышленности.

Измельченное растительное сырье, содержащее большое количество клетчатки, гемицеллюлоз, пентозанов, подвергается кислотному гидролизу при повышенном давлении и температуре, в результате чего 60–65 % содержащихся в них полисахаридов гидролизуются до моносахаридов. Полученный гидролизат отделяют от лигнина, избыток кислоты, применяемой для гидролиза, нейтрализуют известковым молоком или аммиачной водой. После охлаждения и отстаивания в гидролизат добавляют минеральные соли, витамины и другие вещества, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов. Полученная таким образом питательная среда подается в ферментерный цех, где осуществляется выращивание дрожжей.

Для культивирования на гидролизатах растительных отходов наиболее эффективны дрожжи родов Candida, Torulopsis, Saccharomyces, которые способны использовать в качестве источника углерода гексозы, пентозы и органические кислоты. При оптимальных условиях из 1 т отходов хвойной древесины можно получить 200 кг кормовых дрожжей.

Для получения кормовых дрожжей применяется технология их глубинного выращивания в специальных аппаратах – ферментерах (рис. 6.1), в которых обеспечиваются режим постоянного перемешивания суспензии микробных клеток в жидкой питательной среде и оптимальные условия аэрации. В целях поддержания заданного температурного режима в конструкции ферментера предусматривается система отвода избыточной теплоты. Рабочий цикл выращивания культуры дрожжей длится около 20 ч. По окончании рабочего цикла культуральная жидкость вместе с суспендированными в ней клетками дрожжей выводится из ферментера, а в него вновь подается питательный субстрат и культура дрожжевых клетокдля выращивания.

Рис. 6.1. Ферментер для выращивания дрожжей в жидкой питательной среде:
1 – корпус ферментера; 2 – выход воздуха в атмосферу через очистительный фильтр;
3 – подача воздуха для аэрации и перемешивания питательной среды; 4 – охлаждающая рубашка;
5 – теплообменник; 6 – выход дрожжевой суспензии по окончании ферментации;
7 – кювета для направления потока воздуха во внутреннюю полость теплообменника;
8 – подача холодной воды в теплообменник; 9 – вывод теплой воды из теплообменника;
10 – подача посевной культуры; 11 – подача жидкой питательной среды

Выведенная из ферментера суспензия микробных клеток далее подается на флотационную установку, на которой производится отделение биомассы дрожжей от культуральной жидкости. В процессе флотации происходит вспенивание суспензии, при этом микробные клетки всплывают на поверхность вместе с пеной, которая отделяется от жидкой фазы декантацией. После отстаивания дрожжевая масса

концентрируется при помощи сепаратора. Для достижения лучшей перевариваемости дрожжей в организме животных проводится специальная обработка микробных клеток (механическая, ультразвуковая, термическая, ферментативная), обеспечивающая разрушение их клеточных оболочек. Затем дрожжевая масса упаривается до необходимой концентрации и высушивается, влажность готового продукта не должна превышать 8–10 %.

В сухой дрожжевой массе содержится 40–60 % сырого белка, 25–30 % усвояемых углеводов, 3–5 % сырого жира, 6–7 % клетчатки и зольных веществ, большое количество витаминов (до 50 мг%). Посредством обработки дрожжей ультрафиолетовыми лучами проводится их обогащение витамином D₂, который образуется из содержащегося в них эргостерина. Для улучшения физических свойств готового продукта кормовые дрожжи выпускают в гранулированном виде.

На основе ферментации гидролизатов растительного сырья наряду с производством кормовых дрожжей получают также этиловый спирт. В этом случае особенность технологии заключается в том, что вначале проводится спиртовое брожение, в результате которого происходит утилизация содержащихся в гидролизате гексоз. После отгонки спирта остается неиспользованный субстрат – барда, содержащая в основном пентозы. Эта послеспиртовая барда используется далее как питательная среда для выращивания кормовых дрожжей. Таким образом, из гидролизатов растительных отходов одновременно могут быть получены два вида ценной продукции.

В России и некоторых других нефтедобывающих странах разработаны технологии получения кормовых дрожжей из парафинов неф_ти. Дрожжевые клетки могут использовать в качестве источников углерода для их роста неразветвленные углеводороды с числом углеродных атомов от десяти до тридцати. Они представляют собой жидкие фракции с температурами кипения 200–320 °С, которые выделяют из нефти путем ее перегонки.

Очищенные фракции углеводородов нефти, используемые для выращивания дрожжей, могут быть получены тремя методами: низкотемпературной кристаллизации, карбамидной депарафинизации и адсорбции на молекулярных ситах. В соответствии с первым методом проводится кристаллизация высококипящих фракций после растворения их в смеси органических растворителей при постоянном охлаждении. Затем очищенные путем кристаллизации продукты используются для приготовления питательной среды микроорганизмов. Второй метод основан на способности н-парафинов нефти образовывать прочный комплекс с молекулами карбамида, который после отделения от остальных фракций легко разлагается при нагревании, в результате чего при помощи перегонки можно получить очищенную фракцию «-парафинов. Третьим методом производится адсорбция нужных фракций углеводородов нефти на молекулярных ситах (цеолитах), после чего проводят их десорбцию, и таким образом удается выделить фракции высокой степени очистки.

В других странах такая технология производства дрожжей не получила развития вследствие высоких мировых цен на нефть. В нашей стране первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 г.

При выращивании микроорганизмов на «-парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты, а в качестве источника азота – аммиачную воду. В процессе культивирования дрожжей в ферментере поддерживается оптимальный температурный режим и режим аэрации. Наиболее эффективны для выращивания на «-парафинах нефти отселектированные штаммы дрожжей Candidaguilliermondii. Выделение и сушка дрожжевой массы проводится примерно по такой же технологии, как и в гидролизном производстве. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК) для кормления сельскохозяйственных животных, содержащий до 50–60 % белковых веществ. Содержание остаточных углеводородов допускается не более 0,1 %.

В целях более полного использования сырья и снижения в товарном продукте остаточных углеводородов разработаны усовершенствованные технологии получения БВК, включающие двухступенчатую ферментацию и последующую экстракцию из дрожжей остаточных углеводородов бензином. При этом содержание сырого белка в дрожжевой массе может быть повышено до 58–65 % в расчете на сухую массу, а содержание остаточных углеводородов снижено до 0,05 %.

Хороший субстрат для выращивания кормовых дрожжей – молочная сыворотка, являющаяся производственным отходом при переработке молока. В 1 т молочной сыворотки в среднем содержится 10 кг полноценного белка и 50 кг дисахарида лактозы, который легко утилизируется микроорганизмами. Для выделения из молочной сыворотки белков разработана эффективная технология с применением метода ультрафильтрации низкомолекулярных веществ через мембраны. Получаемые таким способом белки используются для приготовления сухого обезжиренного молока или в качестве пищевой белковой добавки. Остающиеся после отделения белков жидкие отходы (пермеат), содержащие лактозу, могут быть затем переработаны путем культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.

Часто дрожжеванию подвергается молочная сыворотка без предварительного выделения из нее белков, при этом выращиваются специальные расы кормовых дрожжей из рода Torulopsis. На основе дрожжевания молочной сыворотки производится три вида кормовых белковых продуктов: заменитель цельного молока для кормления молодняка сельскохозяйственных животных – «БИО – ЗЦМ»; жидкий белковый продукт «Промикс» с содержанием белков в 2,5–3 раза выше, чем в исходной молочной сыворотке; сухой обогащенный дрожжевыми белками продукт «Провилакт», применяемый как заменитель сухого обезжиренного молока.

Кроме углеводов и углеводородов в качестве источников углерода дрожжевые клетки могут также использовать низшие спирты – метанол и этанол, которые обычно получают из природного газа или растительных отходов. Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, отличается высоким содержанием белков (56–62 % от сухой массы) и в ней меньше содержится вредных примесей, чем в кормовых дрожжах, выращенных на н-парафинах нефти.

Как показывают опыты по изучению питательных свойств кормовых дрожжей, они достаточно хорошо перевариваются в организме животных (переваримость белков 80–90 %), по сумме незаменимых аминокислот близки к эталону ФАО, а по содержанию в белках лизина, треонина, валина и лейцина существенно превышают эталон ФАО (см. табл. 6.2). Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину и в них содержится мало других серосодержащих аминокислот.

Рис. 6.2. Ферментер для выращивания микроорганизмов на газообразных углеводородах:
1 – корпус ферментера; 2 – охлаждающая рубашка; 3 – регулятор давления внутри ферментера;
4 – подача посевной культуры; 5 – подача жидкой питательной смеси; 6 – выпуск газа из ферментера;
7 – привод мешалки; 8 – выход газовой смеси на рециркуляцию;
9 – газоанализатор, подаюший сигнал на регулирующее устройство клапана;
10 – подача газообразных углеводородов; 11 – мешалка;
12 – выход дрожжевой суспензии по окончании ферментации;
13 – улавливатель углекислого газа; 14 – подача кислородсодержащего газа

По сравнению с растительными источниками белков кормовые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых кислот (4–6 % от сухой массы), которые в такой концентрации оказывают вредное воздействие на организм. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в соли мочевой кислоты, которые откладываясь в организме, могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Вследствие этого оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5–10 % от сухого вещества ил и 10–20 % дрожжевого белка от общего количества белка в кормовом рационе.

Кормовые дрожжи, культивируемые на питательной среде из н-парафинов нефти, могут содержать многие вредные примеси – производные бензола, D-аминокислоты, аномальные липиды, различные токсины и канцерогенные вещества, поэтому их подвергают специальной очистке (экстракция бензином).

При организации производства кормовых дрожжей во избежание загрязнения окружающей среды возникают проблемы очистки газообразных и жидких отходов, в связи с чем ведется работа по созданию экологически чистых безотходных технологий с замкнутым циклом водоиспользования.

Кроме совершенствования производственной технологии, важное значение имеет создание высокопродуктивных штаммов дрожжей, способных накапливать много белка, быстро наращивать биомасссу и эффективно использовать субстрат для своей жизнедеятельности. Для создания новых штаммов микроорганизмов применяются как методы обычной селекции, так и генно-инженерная биотехнология.

Наряду с использованием дрожжевых белков в качестве кормовой добавки при балансировании рационов сельскохозяйственных животных ставится задача сделать эти белки пригодными для питания человека. Уже в 30-х – 40-х годах XX века в некоторых странах были разработаны технологии культивирования пивных и других пищевых дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea, Candida utilis), которые использовались как белковые добавки к различным пищевым продуктам.

При переработке в пищевой белок биомассу дрожжей тщательно очищают. С этой целью клеточные оболочки дрожжевых клеток разрушают при помощи механической, щелочной, кислотной или ферментативной обработки и затем экстрагируют гомогенную дрожжевую массу органическим растворителем. После очистки от органических и минеральных примесей полученный дрожжевой продукт обрабатывают щелочным раствором для растворения белков, затем белковый раствор отделяют от оставшейся массы дрожжей и направляют на диализ. В процессе диализа из белкового раствора удаляются низкомолекулярные примеси. Очищенные диализом белки осаждают, высушивают и полученную белковую массу используют в качестве добавок в различные пищевые продукты: сосиски, студни, паштеты, мясные и кондитерские начинки.

Белки дрожжей находят также применение при получении искусственного мяса, для этого проводится текстурирование белков – нагревание с последующим быстрым охлаждением или продавливание белковой пасты через отверстия малого диаметра. Для улучшения свойств в белковую пасту добавляют полисахариды и другие компоненты. Гидролизаты белков используются в качестве вкусовых приправ, для приготовления медицинских препаратов и лечебного питания.

Белковые концентраты из бактерий

Наряду с получением кормовых дрожжей важное значение для кормопроизводства имеют также бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60–80 % от сухой массы. Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть использованы в качестве источников полноценного кормового белка. Бактерии способны наращивать биомассу в несколько раз быстрее дрожжевых клеток и в белке бактерий содержится значительно больше серосодержащих аминокислот, вследствие чего он имеет более высокую биологическую ценность по сравнению с белком дрожжей. Источником углерода для бактерий могут служить различные газообразные продукты (природный и попутный газы, газовый конденсат и др.), низшие спирты (метанол и этанол), водород.

При использовании в качестве сырья газообразных продуктов, основным компонентом которых является метан, питательную смесь под давлением подают в специальный ферментер струйного типа (рис. 6.2). В целях лучшей утилизации сырья микроорганизмами в таком ферментере предусматривается рециркуляция газовой смеси. Для обеспечения необходимой аэрации культуры бактерий производится продувка ферментера воздухом или кислородом. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methyhcoccus, способные при оптимальных условиях утилизировать до 85–90 % подаваемого в ферментер метана. Все технологические линии, связанные с культивированием бактерий в газовой среде, требуют точного контроля за составом этой среды и оснащения производственных установок герметизированным, взрывобезопасным оборудованием.

По окончании ферментации клетки бактерий осаждают и отделяют от питательной среды на сепараторе. Полученную бактериальную массу затем подвергают механической или ультразвуковой обработке с целью разрушения клеточных оболочек, после чего высушивают и используют для приготовления кормовых белковых концентратов.

В связи с тем, что газовая среда из метана и воздуха взрывоопасна и для лучшей утилизации метана бактериями требует постоянной рециркуляции, производство кормового белка из газообразных продуктов является довольно сложным и дорогим. Более широкое применение находит технология выращивания бактериальной белковой массы на метаноле, который можно легко получить путем окисления метана. При культивировании на питательной среде, содержащей метанол, наиболее эффективны бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas, Methylophillus. Выращивают эти бактерии в обычном ферментере с использованием жидкой питательной среды.

Широкомасштабное производство кормовых белков на основе использования метанола впервые было организовано в Англии. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат с коммерческим названием «Прутин». В нашей стране также разработана технология получения бактериальной белковой массы из метанола, коммерческое название препарата – «Меприн». Он содержите своем составе до 70–74 % от сухой массы белков, до 5 % липидов, около 10 % минеральных веществ, 10–13 % нуклеиновых кислот. На основе культивирования бактерий рода Acinetobacter разрабатывается технология получения кормового белка из этанола (название препарата «Эприн»), который может иметь также и пищевое назначение.

Высокой интенсивностью синтеза белков характеризуются водородокисляющие бактерии, способные накапливать в своих клетках до 80 % сырого белка в расчете на сухое вещество. Эти бактерии используют энергию окисления водорода для утилизации углекислоты, а некоторые штаммы и для усвоения атмосферного азота. Для культивирования водородокисляющих бактерий в составе газовой среды обычно содержится 70–80 % водорода, 20–30 % кислорода и 3–5 % углекислоты. Высокую эффективность при выращивании на такой газовой среде имеют бактерии родов Pseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Corinebacterium и др.

Обычно водород для производства белковой массы получают из воды путем ее электролитического (электролиз) или фотохимического разложения. Углекислота может быть использована из газообразных отходов каких-либо промышленных производств, а также топочных газов, что одновременно решает проблему очистки газовой среды. Производство кормового белка на основе водородокисляющих бактерий может быть также организовано вблизи химических предприятий, где в качестве побочного продукта образуется водород.

Обычно кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5–7,5 % от белка рациона, при кормлении взрослых свиней – до 15 %. Основное препятствие, которое не позволяет его использовать в большей концентрации, – повышенное содержание нуклеиновых кислот (10–25 %). Кроме того, в бактериальной массе наряду с полезными компонентами в значительном количестве синтезируются трудно усвояемые формы липидов; сложнее и дороже методы выделения и очистки бактериальных белковых препаратов.

Кормовые белки из водорослей

В России и ряде других стран для производства кормового белка используются одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, а также сине-зеленые водоросли из рода Spirulina, которые способны синтезировать белки и другие органические вещества из углекислоты, воды и минеральных веществ за счет усвоения энергии солнечного света. Для их выращивания необходимо обеспечивать определенные режимы освещения и температуры, а также требуются большие объемы воды. Чаще всего в естественных условиях водоросли выращивают в южных регионах с использованием бассейнов открытого типа, однако разрабатываются технологии их культивирования в закрытой системе.

Водоросли хлорелла и сценедесмус требуют для своего выращивания нейтральной среды, их клетки имеют довольно плотную целлюлозную оболочку, вследствие чего хуже перевариваются в организме животных. Для лучшей их переваримости разрушают целлюлозные оболочки посредством специальной обработки.

Клетки спирулины в 100 раз крупнее хлореллы, однако они не имеют прочной целлюлозной оболочки и поэтому лучше перевариваются в организме животных. Выращивается спирулина в щелочной среде (рН 10–11), при естественных условиях в щелочных озерах.

По интенсивности накопления биомассы водоросли, хотя и уступают кормовым дрожжам и бактериям, значительно превосходят сельскохозяйственные растения. При ихвыращивании в культиваторах открытого типа с 1 га водной поверхности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, тогда как при возделывании пшеницы – 3–4 т, риса – 5 т, сои – 6 т, кукурузы – 7 т.

Содержание белков в клетках хлореллы и сценедесмус составляет 45–55 % в расчете на сухую массу, а в клетках спирулины достигает 60–65 %. Белки водорослей хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот, недостаточно содержится лишь метионина. Наряду с высоким содержанием белковых веществ в клетках водорослей довольно много синтезируется полиненасыщенных жирных кислот (являющихся, как и некоторые аминокислоты, незаменимыми) и провитамина А – каротина (до 150 мг%). Каротина в биомассе водорослей в 7–9 раз больше, чем в травяной муке из люцерны, отличающейся наиболее высоким содержанием этого провитамина среди кормовых трав. Содержание нуклеиновых кислот в одноклеточных водорослях значительно ниже (2–4 %), чем у бактерий, однако несколько выше по сравнению с растительными источниками белка (1–2 %).

Технология получения белковой массы из клеток водорослей включает выращивание промышленной культуры в культиваторах открытого или закрытого типа, отделение водорослей от массы воды, приготовление товарного продукта в виде суспензии, сухого порошка или пастообразной массы. Процесс отделения клеток водорослей от массы воды энергоемкий, так как необходимо перерабатывать большие объемы жидкости.

Вначале отстаивают клеточную суспензию, затем клетки водорослей отделяют от воды декантацией. Для ускорения осаждения клеток часто применяют метод химической флоккуляции, вызывающий быструю коагуляцию частиц. После осаждения клеточной биомассы ее пропускают через сепаратор, в результате чего происходит концентрирование суспензии до необходимой концентрации. Если требуется получить пастообразный препарат, то полученную белковую массу высушивают. Для улучшения переваримости биомассы клеток хлореллы и сценедесмус проводят их обработку с целью разрушения клеточных оболочек.

В нашей стране наиболее распространено выращивание хлореллы, которая применяется для кормления сельскохозяйственных животных в виде суспензии (1,5 г/л сухого вещества) или сухого порошка. Суточная норма суспензии хлореллы при кормлении молодняка крупного рогатого скота – 3–6 л, взрослых животных – 8–10 л. При добавлении в корм жвачных животных муки хлореллы допускается замена 50 % растительного белка белком водоросли.

Важное значение имеет выращивание водорослей на стоках промышленных предприятий, тепловых электростанций, животноводческих комплексов, так как в этих случаях наряду с получением кормового белка одновременно решаются проблемы, связанные с защитой окружающей среды. Так, например, выращивание культуры сценедесмус или хлореллы на стоках животноводческих комплексов в течение 15 сут позволяет почти полностью очистить их от органических веществ, исчезает запах и цвет. При культивировании водорослей на промышленных стоках или стоках тепловых станций используется отводимый с этих объектов избыток теплоты, а также утилизируется углекислота, образуемая как побочный продукт технологических процессов и в результате сжигания различных отходов.

Культиваторы открытого типа для выращивания водорослей имеются во многих странах. Крупнейшая фирма по выращиванию хлореллы «Хлорелла Сан Компани» имеется в Японии. В Болгарии на водах термальных источников культивируют водоросли хлорелла и сценедесмус, причем болгарским ученым удалось получить штаммы хлореллы без целлюлозной оболочки, вследствие чего биомасса таких клеток хорошо переваривается в организме животных. В значительном количестве белковые концентраты из водоросли спирулины производятся в странах центральной Африки и Мексике, где имеются щелочные озера. Крупнейшим производителем различной продукции из биомассы и белков спирулины является фирма «Соса Текскоко» (Мексика). В Италии разрабатывается технология выращивания клеток спирулины на морской воде и в культиваторах закрытого типа.

В связи с тем, что биомасса водорослей рода Spirulina легко переваривается ферментами желудочного сока и характеризуется высоким содержанием белков (до 70 % сухой массы), хорошо сбалансированных по аминокислотному составу, она в ряде стран используется для приготовления продуктов питания, главным образом кондитерских изделий, обогащенных белком.

Учитывая важное значение вводимых в промышленную культуру водорослей как дополнительного источника полноценного белка для кормления сельскохозяйственных животных и питания людей, учеными разных направлений – селекционерами, генетиками, биохимиками – проводятся исследования по улучшению существующих промышленных штаммов одноклеточных водорослей и получению новых генотипов, которые должны сочетать в себе высокую интенсивность фотосинтеза, холодоустойчивость, хорошую переваримость, способность синтезировать большое количество белка лучшего качества (повышенное содержание незаменимых аминокислот) и полнее утилизировать субстрат. Важная роль в реализации таких исследований отводится методам генетической инженерии.

Белки микроскопических грибов

Ценным источником хорошо сбалансированных по аминокислотному составу белков являются клетки мицелия многих микроскопических грибов. По своим питательным свойствам белки грибов приближаются к белкам сои и мяса, вследствие чего могут использоваться не только для приготовления кормовых концентратов, но и как добавка в пищу человека. Сырьем для промышленного выращивания микроскопических грибов обычно служат растительные отходы, содержащие клетчатку, гемицеллюлозы, лигнин. При этом одновременно решаются две важные задачи – получение белковой массы и утилизация отходов растениеводства, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, которые могут быть источниками загрязнения окружающей среды.

Особенно важно найти активные штаммы микроорганизмов, способные утилизировать углерод лигнина, обладающего высокой устойчивостью к разложению микрофлорой. В природе лигнин разлагается л ишь грибами коричневой и белой гнили из родов Stropharia, Pleurotus, Abortiporus, Coriolus, Stereum и др. В настоящее время в процессе исследований отобраны атоксичные быстрорастущие штаммы мезо- и термофильных грибов для промышленного культивирования из родов Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Trichoderma. Клетки мицелия этих грибов имеют тонкую клеточную оболочку, вследствие чего очень хорошо перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных. Он и содержат в своем составе комплекс ароматических веществ, улучшающих их вкусовые качества, богаты витаминами и легкоусвояемыми липидами. По сравнению с дрожжевыми белки микроскопических грибов отличаются повышенным содержанием серосодержащих аминокислот и лучшей усвояемостью. Концентрация нуклеиновых кислот в грибном мицелии (1–4 % от сухой массы) почти такая же, как в тканях растительного организма. Вместе с тем в биомассе грибов значительно меньше, чем в дрожжах, синтезируется белков (20–60 % от сухой массы) и у них относительно медленней происходит рост биомассы (удвоение биомассы через 4–16 ч, тогда как у дрожжей через 2–3 ч).

Низшие мицелиальные грибы, культивируемые на целлюлозо- и лигнинсодержащих растительных отходах, вследствие их способности синтезировать комплекс гидролитических ферментов разлагают целлюлозу и лигнин до простых веществ, из которых образуются аминокислоты и белки. В целях ускорения роста грибов проводится предварительная обработка растительного сырья, повышающая доступность его компонентов для утилизации микроорганизмами. Чаще всего применяют кислотно-щелочной способ обработки целлюлозо- и лигнинсодержащих отходов, отпаривание под давлением, обработку аммиаком и каустической содой. После такой обработки происходит полное или частичное разложение трудногидролизуемых полисахаридов и лигнина, что обеспечивает ускоренный рост грибной массы и сокращает сроки промышленного культивирования грибов (до 7-8 сут).

В зависимости от способа подготовки растительного сырья для культивирования микроскопических грибов применяют и соответствующие технологии их выращивания. Для культивирования грибов на твердой питательной среде разработан метод твердофазной ферментации, который включает измельчение и обработку растительного сырья парами воды и аммиака, обогащение этого сырья минеральными веществами, посев и выращивание мицелия грибов в заданном режиме аэрации и поддержания оптимальной температуры. Однако при такой технологии культивирования грибов коэффициент использования растительного сырья невысокий, что предопределяет и сравнительно невысокий уровень содержания белка в выращиваемой грибной массе (20–30 % от сухой массы). Так, прямое культивирование низших мицелиальных грибов на соломе и других отходах растениеводства обеспечивает включение углерода из этих источников в органическое вещество грибного мицелия на 17–25 %.

Более высокий коэффициент использования сырья обычно достигается при выращивании грибов на гидролизатах растительных отходов и жидких отходах деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, для этих целей применяют метод глубинного культивирования, как и при выращивании кормовых дрожжей. Содержание белков в грибной массе, выращенной на жидкой питательной среде, может достигать 50–60 % от сухой массы. В целях более полного использования также практикуется совместное культивирование грибов и бактерий. Наряду с использованием растительных отходов разработаны технологии по переработке в грибной белок торфа, навоза, экскриментов животных.

Хорошая перевариваемость грибной белковой массы в организме животных, а также низкий уровень содержания нуклеиновых кислот позволяют использовать ее в качестве кормовой добавки в значительно большей концентрации, чем кормовые дрожжи. Обычно при кормлении молодняка животных допускается введение в кормовые рационы грибного белка в пределах 15–20 % от белка корма, а при кормлении взрослых животных возможна замена в корме 50 % растительного белка на грибной.

Кормовые белковые концентраты из растений

В поисках источников полноценного кормового и пищевого белка ученые уже давно обратили внимание, что дикие травоядные животные, для которых единственным источником белка являются пастбищные травянистые растения, нормально развиваются и не имеют каких-либо отклонений в обмене веществ, связанных с недостатком незаменимых аминокислот. Все это свидетельствует о том, что белки вегетативной массы трав и других растений имеют хорошо сбалансированный аминокислотный состав. Они различаются в основном по интенсивности синтеза белков, тогда как аминокислотный состав их белков довольно близок (табл. 6.3).

Таблица 6.3. Содержание незаменимых аминокислот в белках
вегетативной массы травянистых растений (в г на 100 г белка)

По содержанию всех аминокислот белки трав не уступают или значительно превышают эталон ФАО, и только лишь некоторый дефицит отмечается по количеству метионина.

Опыты показывают, что из всех травянистых растений наиболее высокую биологическую ценность белков имеют бобовые кормовые травы (80–90 %), несколько ниже биологическая ценность белков у мятликовых трав (75–85 %). Бобовые растения также отличаются более высоким содержанием белков в вегетативной массе (15–25 % от сухой массы), чем мятликовые травы (8–15 %). Особенно много белков содержится в листьях люцерны.

Благоприятный аминокислотный состав белков вегетативной массы трав и способность многих из них к интенсивному синтезу в листьях белковых веществ послужили реальной основой для разработки технологии извлечения из растительной массы белков с целью их использования на кормовые и пищевые нужды. Первые такие опыты относятся к 1773 г. Белки в этих опытах выделяли из растений путем отжатия сока.

Однако позднее было выяснено, что в растительном соке содержится много вредных примесей, таких как фенолы, тяжелые металлы, ингибиторы трипсина (фермент желудочного сока животных и человека), гемолизирующие вещества (свертывающие кровь), нуклеиновые кислоты, алкалоиды, продукты разложения хлорофилла и др. Больше таких веществ – в ядре, хлоропластах, митохондриях и меньше–в цитоплазме. Исходя из этого, для использования на кормовые и пищевые цели наиболее пригодны цитоплазматические белки.

В нашей стране промышленное производство белков из растительных соков впервые было организовано в 1942 г., выпускался белковый концентрат, содержащий в значительном количестве провитамин А-каротин, он использовался для лечения раненых. К началу 1960-х годов были разработаны технологии получения растительного белка для пищевых целей и использования в животноводстве.

Небольшие промышленные установки для получения кормовых белковых концентратов из вегетативной массы растений могут размещаться на территории любого хозяйства, имеющего собственный кормоцех. Технология приготовления белковых концентратов включает измельчение растительной массы, отжим сока, коагуляцию сока, разделение коагулята на зеленую творогообразную массу и коричневый сок, консервирование белково-витаминной пасты. Технологическая схема работы одной из таких установок показана на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Технологическая схема получения кормовых белковых концентратов из вегетативной массы растений:
1 – приемник зеленой массы; 2 – транспортер для подами зеленой массы в измельчитель; 3 – измельчитель;
4 – пресс для получения растительного сока; 5– сборник сока; б–транс портер для удаления жома;
7 – насос подачи сока в ферментер; 8 – ферментер-коагулятор; 9 – сборник ферментированного сока:
10 – сборник коагулята; 11 – насос подачи коагулята; 12 – сборник коагулята

Таким образом, в результате переработки растительной массы могут быть получены три вида кормов: белковый коагулят, из которого получают белково-витаминную пасту; ферментированный сок, образующийся после отделения белкового коагулята; остатки растительного материала после отжатия сока в виде жома.

Белковый коагулят, содержащий 15–22 % белков на сухую массу, обычно скармливают животным в зимний период. При пониженной температуре он может храниться без добавления консервантов в течение месяца. При скармливании жвачным животным белково-витаминной пасты ее белок может составлять до 50 % от белка кормового рациона.

Ферментированный коричневый сок содержит 7–12% сухого вещества, 1–3 % белков, 1–1,5 % органических кислот, 4 –5 % безазотистых экстрактивных веществ (сумма легкоусвояемых углеводов), 1–2 % зольных веществ, 40–50 мг% каротина. Он используется для добавления в корм сельскохозяйственным животным (свиньям, например, 1,5 л на голову в сутки). Кроме того, коричневый сок можно перерабатывать в кормовые дрожжи.

Жом также может быть использован для кормления животных, в его сухом веществе содержится 12–17 % белков, 3–4 % сырого жира, 8–9 % зольных веществ, 35 % сырой клетчатки.

Обычно для получения белково-витаминной пасты используют листья люцерны, клевера, сахарной свеклы. Белковую массу из листьев сахарной свеклы при соответствующей очистке можно также перерабатывать в пищевой белок.