Тема 21. Биоконверсия отходов сельского

ХОЗЯЙСТВА

В самом начале 60-х годов прошлого века в СССР было признано целесообразным создать новую отрасль - микробиологическую промышленность и дать ей соответствующее развитие. Для руководства этой отраслью при Совете министров было создано Главное управление микробиологической промышленности, известное как Главмикробиопром. Новая отрасль должна была обеспечить потребность животноводства в кормовых белках, антибиотиках и других продуктах микробиологического синтеза. Через 5 лет, в 1973 г. в СССР приступил к работе первый в мире завод кормовых дрожжей мощностью в 70 тыс. т в год. В качестве сырья для микроорганизмов использовались очищенные парафины, полученные из нефти. Кормовые дрожжи выпускались отечественной гидролизной промышленностью еще с середины 1930-х годов, а в качестве исходного сырья с успехом использовали солому, кукурузные кочерыжки, опилки и другие отходы перерабатывающей индустрии и сельскохозяйственного производства. Однако это были маломощные предприятия. Для решения проблемы кормового белка в стране требовался больший размах, качественно иное научное и производственное обеспечение. Под руководством Глав-микробиопрома на крупнейших заводах, перерабатывающих парафины нефти, выпускалось более 1 млн т чистой сухой дрожжевой массы, больше известной под названием белково-витаминного концентрата (БВК), широко использовавшегося в СССР в животноводстве для обогащения растительных кормов белками и витаминами.

Заинтересованность сельского хозяйства в данной продукции микробиологических предприятий объяснить нетрудно. Ведь ее широкое применение решало сразу несколько проблем. БВК, во-первых, сокращал расход фуражного зерна; во-вторых, использование кормовых дрожжей значительно улучшало усвоение белков других питательных веществ основного корма животных; в-третьих, гарантировало стабильно высокие их привесы. В свиноводстве, например, введение в основной рацион 1 т кормовых дрожжей сберегало до 7 т зерна, давало дополнительно от 400 до 600 кг мяса, в птицеводстве результативность использования БВК была и того выше - до 1500 кг мяса или 30 000 штук яиц. Применение БВК на откорме резко увеличивало ежесуточные привесы скота.

Развитие производства белка одноклеточных организмов в СССР было одним из способов решения проблемы нарушения кормового баланса и перерасхода 20—30 млн т зерна в год. Животноводство СССР не успело перейти на интенсивный путь развития, предусматривающий не столько количественное наращивание поголовья, сколько повышение результативности уже существующего. В СССР на каждого жителя приходилось 0,54 условной головы животного, в США - 0.51, а в странах ЕЭС - 0,37. Однако СССР не смог перейти рубеж 70 кг животного белка на душу населения в год, тогда как страны Запада уже в этот период производили более 100 кг белка на душу в год.

Распад СССР и перестройка экономики России привели к краху промышленное животноводство страны — основного потребителя микробного белка. 8 крупнейших заводов БВК и 44 гидролизных завода, производящих кормовые дрожжи, практически прекратили свою производственную деятельность из-за неспособности сельского хозяйства покупать их продукцию. Производство животного белка в России снизилось до 35 кг на душу населения в год, т.е. до уровня, угрожающего здоровью и самой жизни населения. В стране резко увеличилась смертность, в том числе и детская, значительно сократилась средняя продолжительность населения.

В этих условиях целесообразно более глубоко осмыслить роль микроорганизмов в пищевой цепи высших организмов. Началом этой цепи являются автотрофные растительные организмы, способные создавать органические вещества из неорганических, заполнившие в ходе эволюции Земли ее поверхность собственной биомассой и насытившие атмосферу планеты кислородом.

Из макромолекул живой материи на Земле наиболее представленным по массе являете полимер глюкозы целлюлоза — основной структурный компонент растительных организмов. Однако использовать в пишу этот полимер не может ни один из высших организмов, в том числе и растительных, из-за отсутствия в их ферментативных комплексах целлюлолитических ферментов. Между растительной биомассой и организмом растительноядных животных стоят микроорганизмы, имеющие этот целлюлолитический комплекс и делающие целлюлозу доступной для усвоения растительноядными организмами.

Однако наряду с глюкозой — наиболее доступным универсальным источником энергии пища и корм должны содержать и конструкционные материалы, и прежде всего аминокислоты. Растительная биомасса не является полноценным источником аминокислот, так как почти все растительные продукты дефицитны по незаменимым аминокислотам. Высшие организмы синтезировать незаменимые аминокислоты не способны. Такой синтез для них осуществляют микроорганизмы. Микрофлора рубца или слепой кишки у растительноядных животных как раз является источни­ком этих аминокислот. Таким образом, натуральные микробнорастительные продукты — это обязательный компонент рациона растительноядных организмов.

Подобный источник белка достаточно хорошо обеспечивает жизненные потребности растительноядного животного, но он недостаточен для формирования высокой и супервысокой продуктивности по мясу или молоку у современных элитных пород животных. Их рацион должен содержать значительно больше белка, близкого к белку животному по аминокислотному составу. Поэтому необходимо введение в рацион даже растительноядных животных аминокислотных обогатителей растительного (соя и соепродукты) и животного происхождения (молоко и продукты его переработки и даже мясокостная мука). Печальный итог использования последнего продукта (губчатый энцефалит, или коровье бешенство) стал грозным отрезвляющим сигналом в этой гонке за суперпродуктивностью животных. И в этом плане использование, обогатителей микробного происхождения представляется несравненно более физиологичным.

Однако крупнотоннажное дрожжевое производство в нашей стране было разрушено. Выраженный дефицит ценных белков четко сформировался не только в кормопроизводстве, но и в рационе населения России. Какие же возможные пути преодоления этого дефицита просматриваются для нашей страны, у которой нет ни сил, ни средств восстановить разрушенную микробиологи»» по промышленность, но которой тем не менее нужно создавать условия для постепенного возрождения животноводства, в том числе и промышленного, и нужно обеспечить формирование полноценных рационов как для животных, так и для человека?

Отходы агропромышленного комплекса как сырье для культивирования микроорганизмов

Решение проблемы загрязнения окружающей среды отходами сельского хозяйства должно быть направлено на выполнение двух основных задач: предотвращение и исключение загрязнения окружающей среды и эффективное использование вторично переработанных сельскохозяйственных отходов. Отходы сельского хозяйства необходимо рассматривать как источник сырья, использование которого экономически и экологически целесообразно.

Отходы промышленности изучены достаточно подробно, разработаны способы и технологии их утилизации и переработки в полезные продукты. Отходы сельского хозяйства не были удостоены внимания технологов. Старые технологии утилизации отходов животноводства и растениеводства убыточны, так как возросла стоимость энергоносителей и технологии часто не отвечают современным требованиям сельского хозяйства.

Сельскохозяйственные отходы можно разделить на классы: отходы растениеводства, животноводства и перерабатывающих производств. Каждый класс отходов требует специфических технологий переработки и завершенности технологических циклов. Например, эффективность переработки отходов животноводства зависит от их химического состава, физических свойств, вида животного, которые определяют качество готового переработанного продукта. Использование навоза в качестве только удобрения (традиционный способ) не может считаться универсальным и эффективным. Современные биотехнологии утилизации отходов животноводства позволяют расширить спектр программных продуктов и материалов, необходимых человеку. В таком случае сельскохозяйственные отходы будут разделены на коммерчески значимые — отходы, конечный продукт переработки которых имеет высокие потребительские свойства и востребован, и экономически значимые — отходы, переработка которых необходима и целесообразна с экологических позиций.

Значительное внимание привлекает использование различных целлюлозосодержащих отходов агропромышленного комплекса как сырья для получения белковой кормовой массы. Это, естественно, вызывает необходимость изучения возможности использования такого одревесневавшего сельскохозяйственного сырья как субстрата для синтеза микробной биомассы (табл.1).

Ежегодный мировой запас отходов растениеводства составляет (млн т): пшеничные отруби — 57,3; кукурузные початки — 30,1; меласса — 9,3; выжатый сахарный тростник — 83,0.

В бывшем СССР ежегодно накапливалось более 9 млн т отрубей злаковых культур, до 1 млн т виноградных выжимок, более 1,3 млн т отходов картофеле крахмальных заводов, до 800 тыс. т вторичных продуктов консервных заводов, громадные трудно учитываемые количества отходов плодоовощных баз.

Таблица 1

СТРУКТУРА ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Отрасль промышленности	Суммарное количество отходов, % к исход- ному сырью	Состав отходов, % от общего веса
		Целлюлоза	Гемицеллюлоза	Пектин	Крахмал
Коммунальное хозяйство		10 - 40	5 - 10	5 - 8	3 - 5
Сельское хозяйство	30 - 60	25 - 40	16 - 36	4 - 9	2 - 4
Зерноперераба- тывающая	2,5 - 12	8 - 25	24 - 27	5 - 9	2
Пивоварение	25	25	21	2 - 5	51
Сахарная	83	17 - 26	35 - 40	-	20 - 29

Такие отходы, как солома, стерня, листья, подсолнечная лузга, рисовая шелуха, мякина и другие углеродсодержащие отходы растениеводства, составляют сотни миллионов тонн. В некоторых местах их сжигают, чтобы избавиться от мешающих отходов и предотвратить распространение болезней растений и сорняков, а в некоторых — возвращают в почву в виде мульчи или после использования как подстилки на животноводческих фермах, в виде органического удобрения. Иногда их используют просто как корм для скота. Шансы на их утилизацию для питания человека зависят от местных экономических и технологических возможностей.

Сельскохозяйственные отходы представляют собой излишки сельскохозяйственной продукции, не используемые эффективно. Рециркуляция, повторная переработка и использование отходов в положительном смысле открывают возможность возвращения их к полезному применению в противоположность традиционным методам удаления и перемещения отходов. Отходы плодов и овощей используются на корм скоту. Семена и кожуру томатов можно высушить и использовать в рационах животных, равно как листовую обертку или листья, стержень кукурузных початков и их обрезки. Твердые отходы от консервирования гороха, кукурузы и других овощей, фильтрованные из жидких отходов, перерабатывают в сухой корм и используют для скота.

Отходы, накапливающиеся при прессовании яблок (20—30%), а также лимонов и апельсинов после выщелачивания служат источником низко- и высокометилированного пектина, получаемого экстракцией. Пектины обладают сильными желеобразующими свойствами и применяются в производстве желе и мармелада. При обработке фруктовой пульпы (яблок, черной смородины, малины и т.д.) перегонкой с паром образуется конденсат, из которого могут быть экстрагированы душистые вещества.

Биотрансформация отходов производства пищевых продуктов с получением микробной биомассы является важнейшей задачей биотехнологии. Этот процесс может предупредить или резко снизить потери сельскохозяйственного сырья и сделать пищевую промышленность безотходной или малоотходной. Отходы, все еще имеющиеся в пищевой промышленности, обладают определенной питательной ценностью и могут использоваться как кормовые добавки в рационах сельскохозяйственных животных. Плотные отходы этих предприятий действительно в значительных количествах идут на кормовые цели, однако ценность такого корма все же невелика из-за низкого содержания в нем протеина, а цена, по которой отпускаются эти отходы, не представляет интереса для перерабатывающего предприятия. Жидкие отходы пищевых предприятий в большинстве случаев не используются совсем.

Современная биотехнология предлагает три основные возможности конверсии целлюлозо- и крахмалосодержащих материалов в белковые препараты:

1) отходы подвергают действию эндо- и экзоферментов при прямом культивировании микроорганизмов на углеродсодержащем растительном сырье для получения различных продуктов;

2) кислотный или ферментативный гидролиз целлюлозы с получением сахаросодержащих растворов, на которых выращивается дрожжевая биомасса (белок);

3) биоконверсия углеводосодержащих отходов в биомассу через этанол и органические кислоты.

Отходы, содержащие углеводы, используют в качестве сырья для биосинтеза различных органических соединений.

Наиболее рациональной технологией получения микробного белка на вторичном растительном сырье является биотрансформация сырья с помощью микроорганизмов, имеющих короткую лаг-фазу, продуцирующих гидролитические ферменты и поэтому способных утилизировать разнообразное сырье с трудноусваивемыми полисахаридами.

В производстве микробной биомассы и белка имеются два перспективных направления: производство их в глубинных культурах на жидких питательных средах и твердофазная ферментация растительного сырья. Как одно, так и второе направление используются в практике биотрансформации растительного сырья.

Биоконверсия целлюлозолигниновых материалов в полезные для человека продукты в настоящее время может осуществляться только культивированием микроорганизмов на этих субстратах (или их гидролизатах) в аэробных или анаэробных условиях, хотя в анаэробных условиях возможности роста клеточной массы весьма ограничены. В то же время в анаэробных условиях в результате активного развития определенных микроорганизмов получают из целлюлозы ценные низкомолекулярные органические соединения — метанол, органические кислоты, метан и т.д.

Таиландские ученые выделили быстрорастущие грибы, которые повышают усвояемость и увеличивают содержание микробного белка в выжатом сахарном тростнике, рисовой соломе и других отходах, содержащих лигноцеллюлозу. Отобраны грибы, которые проявляют высокую лигнолитическую и целлюлолитическую активность, не генерируют никаких токсических веществ и не наносят вреда здоровью человека и животных. Получен и по­ступил в продажу пищевой фузариумный белковый продукт, названный Mycoprotein.

Главными минерализаторами растительных остатков и в целом целлюлозосодержащих отходов агропромышленного комплекса являются целлюлолитические бактерии, вырабатывающие целлюлазы, которые гидролизуют целлюлозу до моносахаридов. Моносахариды, в свою очередь, потребляются целым рядом бактерий: этаноло- и ацидогенными, сульфатредуцирующими. На стадии образования пирувата создается дополнительная конкуренция сульфатредуцирующйх бактерий и метаногенных. так как микроорганизмы, потребляя пируват, продуцируют сероводород и метан соответственно. В производственных условиях при получении биогаза соотношение С : N, равное 30 : 1, устанавливают внесением соломы, хлопковой лузги, торфа, лузга подсолнечника и т.д.

Отходами биоконверсии целлюлозосодержашего сырья является лигнин, побочным продуктом — СО₂, который образуется в достаточном количестве и может использоваться как товарная форма в сжиженном состоянии. Лигнин, составляющий от 10 до 40% исходного сырья; может быть использован в качестве твердого топлива, структуратора почвы, субстрата для культивирования некоторых базидиальных грибов, дополнительного компонента при термопроизводстве органических удобрении, а также в качестве сырья для производства экологически чистого (незакисленного) фармацевтического адсорбента.

Ферментативный гидролиз, несмотря на ряд очевидных преимуществ (прежде всего возможность выхода 100% сахаров), имеет недостатки, связанные со структурными особенностями природных целлюлозосодержащих материалов. Например, полисахариды соломы являются составной частью лигноцеллюлозного комплекса, в который кроме целлюлозы и лигнина входят гемицеллюлозы. Ассоциация целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина образует жесткую кристаллическую структуру с малым числом участков доступных действию ферментов, что является основным фактором, затрудняющим энзиматическую деградацию полисахаридам. В связи с этим предложено много вариантов предобработки целлюлозосодержащего сырья. Это механические — различные способы измельчения; физические — обработка паром, давлением, облучением; химические — чаще всего обработка щелочью. Наилучший эффект для модификации структуры клетчатки дает сочетание различных методов.

Отходы растениеводства можно использовать без предварительного кислотного или щелочного гидролиза и получать белковые препараты, кормовые добавки и др., выращивая разнообразные микроорганизмы.

Наряду с получением микробного белка на жидких гидролизатах используются варианты выращивания дрожжей и микроскопических грибов на неразделенных частичных гидролизатах, т.е. смеси гидролизованной гемицеллюлозы с лигноцеллюлозным остатком. При этом получают ферментированный субстрат, обогащенный биомассой продуцентов, удельное содержание лигнина в котором может быть даже повышено за счет снижения общей массы при расщеплении гемицеллюлозы. Так, штамм Саdotropicalis 1838 хорошо рос на неразделенном частичном гидролизате соломы, превращая его в корм с 7—8% белка. Значительно большую активность в росте на таких субстратах и их протеинизации проявляют мицеллиальные грибы, которые повышают содержание белка в конечном продукте до 10—12%.

Делигнификация соломы и ферментация ее микромицетами в течение всего 30 ч дает высококачественный продукт. По сумме аминокислот содержание истинного белка составляет 17—20% в исходной необработанной соломе — 3—4%. Качественный состав белка улучшается за счет значительного повышения содержания лизина, метионина, серина, пролина, глицина и других аминокислот, возрастает содержание в продукте витаминов и липидов.