Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Несмотря на то что отходы относят к дешевому сырью (вторичным материальным ресурсам), получение из них кормовых продуктов связано с существенными материальными и энергозатратами. Поэтому важное направление совершенствования биотехнологии кормовых продуктов – уменьшение затрат сырья и энергии на единицу продукции. Этого можно достичь более глубокой предобработкой субстратов, в частности, с использованием ферментов, выращиванием смешанных культур, утилизирующих различные компоненты предобработанного сырья.

Другое направление совершенствования – повышение кормовой ценности (поедаемости, переваримости, питательности) продуктов, например, путем обогащения их незаменимыми аминокислотами, витаминами и другими полезными добавками с помощью смешанных культур микроорганизмов, стабилизации скоропортящихся отходов молочнокислым брожением с последующим выращиванием на них кормовых дрожжей, используя дополнительную обработку ферментами.

Обработка ферментами используется и как самостоятельный метод повышения кормовой ценности растительного сырья. Для этой цели наиболее перспективны мультиэнзимные композиции (МЭК), которые создаются на базе нескольких ферментных препаратов, получаемых из разных продуцентов. Они позволяют в составе комбикормов, особенно несбалансированных по питательным компонентам, достичь более рационального соотношения ферментов, обеспечивающих требуемое расщепление природных полимеров. В настоящее время мультиэнзимные препараты введены в рецептуру премиксов для разных видов животных и птицы.

Повышение рентабельности производства может быть достигнуто комплексной переработкой сырья и биотехнологических полупродуктов с получением нескольких целевых продуктов. Например, на основе кормовых дрожжей или бактерий можно получать автолизаты или ферментолизаты, аминокислотные смеси, различные препараты нуклеотидной и белковой природы, выделять из биомассы липиды, нуклеиновые кислоты, мононуклеотиды и нуклеозиды, другие продукты, имеющие применение в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве.

3.2.1.5.Особенности переработки в кормовые продукты некоторых отходов

Переработка молочной сыворотки

Переработка сыворотки в продукты кормового назначения имеет ряд преимуществ по сравнению с альтернативными вариантами. При использовании ее на пищевые цели технологические, санитарно-гигиенические требования более строгие, что повышает затраты на переработку. Сбраживание сыворотки в этанол или молочную кислоту целесообразно только на установках с производительностью более 100 т/сут по перерабатываемой сыворотке.

Сама нативная сыворотка как кормовой продукт неэффективна. Состав этого корма не сбалансирован из-за высокого содержания лактозы (3–5%) и невысокого – белка (менее 1%), поэтому привесы скота, питающегося сывороткой, невелики. Организм животного усваивает не более 20% питательных веществ сыворотки. То количество, которое необходимо скормить животному для обеспечения его 100 г протеина, не может быть потреблено им за счет сыворотки (10,0–16,6 кг/сут). Избыток сыворотки в рационе может вести к расстройствам желудочно-кишечного тракта животных, что связано с неспособностью сычужного фермента желудка коагулировать большое количество сывороточных белков. При чрезмерном выкармливании сывороткой в организме происходит постепенное накопление медленно усваивающейся лактозы, ведущее к так называемому «лактозному отравлению». В организме птиц лактоза не усваивается, что связано с отсутствием у них фермента, расщепляющего лактозу. Таким образом, использование сыворотки в кормовых целях без ее предварительного обогащения белком нерационально. Один из путей решения этой проблемы заключается в микробиологической переработке сыворотки с усвоением лактозы микроорганизмами и получением обогащенного микробным белком продукта. Молочная сыворотка является хорошей средой для культивирования микроорганизмов с целью получения кормового белка и биодобавок, содержащей естественный набор жизненно важных минеральных соединений, витаминов и других факторов роста.

На практике реализовать экономичный процесс переработки молочной сыворотки в кормовой продукт довольно сложно. Это связано с тем, что непосредственно вблизи молокоперерабатывающего предприятия не допускается эксплуатация установок с микроорганизмами, не используемыми в основном производстве молочных продуктов. Особенно строги эти ограничения для дрожжей. Перевозка же на отдаленные расстояния сыворотки и кормовых продуктов ее переработки без удаления избыточной влаги приводит к большим транспортным расходам при допустимых сроках реализации охлажденных продуктов не более 1 сут. Поэтому установки по переработке сыворотки в кормовой продукт должны быть небольшой мощности, при которой удельные затраты на получение целевого продукта велики.

В качестве продуцентов при микробиологической переработке сыворотки в кормовые продукты могут использоваться разнообразные аэробные микроорганизмы: дрожжи (рр. Torulopsis, Kluyveromyces, Saccharomyces, Candida, Trichosporon, Mycotorula), бактерии, микроскопические грибы (рр. Penicillium, Geotrichum, Rhizopus, Fusarium), высшие базидиомицеты (Pleurotus ostreatus, Trametes versicolor, Panus tigrinus, Tyromyces albellus, Inonotus obliquis и другие, способные расти в глубинной культуре), смешанные культуры различных микроорганизмов, обладающие способностью эффективно использовать для своей жизнедеятельности лактозу в условиях глубинного культивирования. Применение смешанной культуры (в том числе и не использующих лактозу видов) позволяет утилизировать различные компоненты сыворотки. Возможны последовательные анаэробно-аэробные процессы переработки с выращиванием на первой стадии, например, молочнокислых бактерий и на второй, аэробной, – дрожжей.

Обработка сыворотки только в анаэробных условиях для повышения ее питательной ценности возможна, однако в этом случае лактоза конвертируется главным образом в молочную кислоту, а не в микробный белок, более эффективно усваиваемый животными.

Наибольшее количество исследований по биосинтезу белка на молочной сыворотке проведено с использованием дрожжей и дрожжеподобных организмов. Для них характерны большие скорости роста, способность к росту в условиях глубинного культивирования, нетребовательность к условиям культивирования. В среднем абсолютно сухие дрожжи содержат 45–55% белка, 25–35% углеводов, 2–5% жира, 6–8% золы и представляют собой физиологически полноценный высокобелковый продукт. Соответственно и промышленные технологии в различных странах созданы и осуществлены на базе дрожжей как продуцентов белка. По аминокислотному составу они близки к составу смеси костной и мясной муки.

Промышленные продуценты должны иметь ряд свойств, отвечающих определенным технологическим и производственным требованиям:

быстрый рост на лактозе и других органических субстратах молочной сыворотки в аэробных условиях с высоким выходом биомассы и протеина;

активный рост на всех видах молочной сыворотки: сгущенной и несгущенной, осветленной и неосветленной, творожной, подсырной, казеиновой, копреципитатной, а также на безбелковом ультрафильтрате молочной сыворотки без каких-либо существенных изменений в технологическом процессе;

устойчивость к наличию посторонней микрофлоры в неасептических условиях культивирования и доминирование штамма-продуцента в популяции микроорганизмов, присутствующих в рабочей среде ферментера; желательно, чтобы продуцент не оказывал неблагоприятного воздействия на заводские культуры микроорганизмов, используемые на предприятиях молокоперерабатывающей промышленности для производства творога, сыра и других продуктов;

с точки зрения санитарно-гигиенических, токсикологических, экологических требований к продукту, аллергических и других побочных воздействий на обслуживающий персонал желательно, чтобы нативная молочная сыворотка была естественной средой обитания для используемых микроорганизмов или их смешанной культуры;

способность к оптимальному росту при температуре не ниже 30–34 °С, так как в этом случае существенно снижаются затраты на охлаждение ферментера в ходе культивирования и уменьшается опасность снижения роста продуцента из-за перегрева ферментера, в частности, в летнее время года;

устойчивость требуемого физиологического состояния дрожжей к отклонениям технологических параметров (повышению температуры, изменению рН, ухудшению массообменных условий, снижению качества субстрата и др.).

Наиболее продуктивны по накоплению биомассы и содержанию внутриклеточного белка дрожжи, в частности Candida kefir, которые усваивают лактозу только в аэробных условиях. Однако среди дрожжей р. Candida встречаются

виды, относящиеся к группе условно-патогенных микроорганизмов, поэтому в качестве продуцентов биомассы используются дрожжи рр. Kluyveromyces, Torulopsis, Saccharomyces, относящиеся к группе непатогенных дрожжей.

Для получения полноценной биомассы необходимо, чтобы все необходимые для синтеза клеточного материала соединения находились в питательной среде в достаточном количестве. Сыворотка содержит различные макро- и микроэлементы, однако не все они находятся в доступной для дрожжевой клетки форме или в требуемом количестве. Дрожжи практически не усваивают сывороточные белки, поэтому азот белков им недоступен. Незначительные количества низкомолекулярных органических и неорганических азотсодержащих соединений хотя и усваиваются, но не могут удовлетворить потребность дрожжевых клеток в азоте. Наиболее дешевыми и доступными для дрожжей источниками азота являются сульфат аммония, фосфат аммония, хлорид аммония, мочевина. Их вносят в молочную сыворотку, исходя из предполагаемого выхода биомассы и содержания в ней протеина, но не ниже минимальных количеств, при которых обеспечиваются требуемые скорости роста и урожай по белку. Необходимо также внесение небольшого количества фосфора в виде фосфата аммония (при этом частично покрывается потребность в азоте), фосфатов калия и натрия или

вформе ортофосфорной кислоты. Другие минеральные вещества присутствуют

вмолочной сыворотке в количествах, обеспечивающих нормальный рост большинства видов дрожжей. С целью регулирования роста дрожжей и активности потребления ими питательных веществ иногда в сыворотку вводят дополнительные ионы калия и магния. В качестве основных источников углерода дрожжи используют лактозу и органические кислоты сыворотки. Из органических кислот большая часть приходится на молочную кислоту, концентрация которой возрастает с увеличением срока хранения сыворотки. Существуют штаммы дрожжей, которые сначала потребляют лактозу, а затем молочную кислоту, и наоборот.

Из 5% лактозы, содержащейся в сыворотке, после проведения дрожжевой ферментации можно получить 2,5% дрожжей (по сухим веществам) или 1,25%

белка; из 1% органических кислот, содержащихся в сыворотке, можно получить0,5% СВ дрожжей или 0,25% белка. Сывороточный белок, содержащийся

вколичестве до 1%, дрожжами не потребляется и остается в том же количестве после ферментации. Таким образом, если ферментационный процесс проводить

на несконцентрированной и неразбавленной нативной сыворотке, то в наилучшем случае можно получить продукт с содержанием 2,5% белка (вместо исходного 1%).

Наиболее прост в реализации и наименее энергоемок способ переработки сыворотки без ее предварительного сгущения. По этому варианту проводится ферментирование (дрожжевание) поступающей сыворотки (творожной, подсырной и др.) селекционированными штаммами микроорганизмов. Ферментированная сыворотка после тепловой обработки скармливается скоту.

Для повышения содержания белка в ферментированной сыворотке можно ее перерабатывать в сгущенном виде (при содержании лактозы до 10%) или добавлять в нее мелассу, спирт, молочную кислоту и другие субстраты, повыша-

ющие концентрацию биомассы в культуральной жидкости. Сгущение сыворотки приводит к инактивации спор и гибели микроорганизмов (при 18–19% СВ в сыворотке подавляющая часть микроорганизмов гибнет). Промышленные же продуценты на основе дрожжей способны расти при концентрации лактозы до 20–24%. Однако использование концентрированной сыворотки, получаемой упариванием, существенно удорожает продукт. Кроме того, выход дрожжей и содержание белка с повышением концентрации субстрата падают. При таких концентрациях лактозы трудно обеспечить необходимый массообмен по кислороду, и если процесс протекает при лимитировании роста кислородом, то это также снижает выход биомассы и белка.

При переработке молочной сыворотки ферментационный процесс проводят по варианту периодического режима культивирования в асептических или не строго асептических условиях, поэтому сыворотку перед ферментацией пастеризуют. С учетом требований к стерильности непрерывные, проточные режимы ферментации не используются.

Конструкция ферментера, система контроля и регулирования должны обеспечивать возможность автоматического поддержания требуемых параметров культивирования в течение всего срока ферментациии. Для этого ферментер оснащается системой автоматического контроля температуры и регулировки подачи холодной и горячей воды в рубашку или змеевик, системой контроля и поддержания рН, системой пеногашения, контроля уровня растворенного кислорода для определения характера протекания ферментационного процесса и момента окончания ферментации (см. рис. 3.6). В случае наличия у ферментера системы регулирования скорости вращения мешалки или подачи воздуха, возможно проведение процесса при оптимальном уровне снабжения ферментационной среды кислородом.

Для уменьшения инфицированности процесса (сыворотка – субстрат, склонный к инфицированию) рН необходимо поддерживать на низком уровне. Молочная кислота, образующаяся при закисании сыворотки, играет роль буфера и не дает понизиться рН ниже 4, поэтому сыворотка обладает большой буферной емкостью и при периодическом процессе культивирования подтитровка щелочью может не потребоваться. На практике культивирование ведут при рН в интервале 5,0–5,5. В этом диапазоне органические кислоты находятся преимущественно в диссоциированной форме, лучше усваиваемой дрожжами, и в то же время кислотность среды достаточна для угнетения роста инфицирующей бактериальной микрофлоры.

При росте на нативной молочной сыворотке, содержащей 3–5% лактозы, в фазе максимальной скорости накопления биомассы требуется около 3–5 г O2/ (л·ч). Системы с подводом энергии на перемешивание только за счет барботажа не обеспечивают ферментационный процесс необходимым количеством кислорода. Более эффективны аппараты с мешалкой и барботажем, однако и при их использовании сложно обеспечить нелимитируемый кислородом рост дрожжевой популяции на протяжении всего цикла культивирования.

Для проведения ферментации необходим инокулят (засевные дрожжи), для приготовления которого требуется дополнительное оборудование и меры по

микробиологическому, аналитическому и технологическому контролю. Посевной материал может производиться централизованно специализированными организациями с соблюдением требований микробиологического и санитар- но-гигиенического контроля и затем доставляться в виде нативной суспензии, прессованной биомассы или лиофильно высушенным. Для установки производительностью 10 т/сут по перерабатываемой сыворотке требуется около 10 кг прессованной биомассы дрожжей ежесуточно. Получение посевного материала непосредственно по месту переработки сыворотки требует не только дополнительного оборудования, но и более высокой квалификации обслуживающего персонала, микробиологической лаборатории, более высокой культуры производства, обеспечения асептических условий ферментации, наличия технологической линии подачи пара для стерилизации оборудования.

Втехнологической схеме должны быть предусмотрены вспомогательные емкости для хранения исходной сыворотки и ферментированной сыворотки. Объем и количество вспомогательных емкостей выбираются из условия хранения сыворотки не более 24 ч при температуре 8–10 °С или не более 6 ч при температуре 20 °С.

Пастеризация ферментированной сыворотки проводится на пастеризационных установках, используемых в молокоперерабатывающей промышленности или аналогичных, при рекомендованных режимах обработки. Пастеризованную суспензию не охлаждают, если в дальнейшем продукт сгущают и сушат. Сгущение и сушку проводят на вакуум-выпарных установках и распылительных сушилках, используемых при получении сухих продуктов молокопереработки.

Переработка молочной сыворотки в кормовой белок в относительно больших масштабах реализована в ряде стран, где существует сеть предприятий

спроизводственной мощностью 1000–10 000 т/год. В бывшем СССР (в Белоруссии) наиболее известными и реализованными в промышленном масштабе были технологии получения продуктов «Промикс», «Провилакт», БиоЗЦМ. Для получении этих продуктов на стадии ферментации использовался штамм дрожжей Torulopsis candida ФК.

Воснове технологии получения продукта «Промикс» – ферментация молочной сыворотки без ее предварительного сгущения. Блок-схема технологического процесса представлена на рис. 3.10.

Полученный продукт использовали в жидком виде при откорме свиней, молодняка крупного рогатого скота и птицы в качестве белково-витаминной кормовой добавки. Скармливание жидкого продукта приводило к сокращению сроков откорма скота и птицы, экономии дорогостоящих комбикормов, повышению качества мяса, повышению репродуктивности скота. Его введение в рацион свиней в количестве 6 л/сут вместо эквивалентного по белку количества растительных кормов увеличивало среднесуточные привесы свиней на 25% и позволяло сократить срок откорма на 25–30 дней или при том же сроке откорма увеличивало прирост на 18–20 кг/голову. При этом расход кормов на 1 кг привеса сокращался на 0,7–0,8 кормовых единицы. Свиньям и молодняку крупного рогатого скота продукт скармливали в жидком виде, птице – в виде добавки к кормам в качестве белкового компонента.

Рис. 3.10. Блок-схема технологического процесса получения продукта «Промикс»

Оборудование для получения продукта «Промикс» имеет следующие технологические характеристики:

Технология получения «Провилакта» до стадии ферментации аналогична получению «Промикса». Однако вместо нативной сыворотки используется концентрированная сыворотка. После ферментации продукт сгущают на вакуумвыпарной установке, вносят добавки, гомогенизируют и сушат смесь.

Продукт предназначался для замены сухого обезжиренного молока в кормовом рационе, а также в качестве белково-витаминной добавки в рацион птицы.

В технологии производства сухого заменителя цельного молока «Био-ЗЦМ» для выпойки телят, блок-схема которого представлена на рис. 3.11, дрожжеван-

ную сыворотку получают ферментацией сгущенной подсырной или творожной сыворотки с массовой долей сухих веществ 16–20% на оборудовании такого же типа, что и при получении продуктов «Промикс» и «Провилакт». Для балансировки кормового состава и повышения питательной ценности в продукт добавляют жировую смесь, сгущенную молочную сыворотку и другие добавки.

Во всех вышеописанных технологиях используются дрожжи Torulopsis candida ФК, а при ферментировании сгущенной сыворотки – осмотолерантный штамм тех же дрожжей T. candida ФКО. Дрожжи характеризуются низкой оптимальной температурой культивирования (24–26 °С), что в технологическом плане не очень удобно, так как приводит к повышенным расходам воды для охлаждения ферментера. Продолжительность одного цикла культивирования составляет 8–12 ч. Содержание биомассы дрожжей (по асд) в среде в конце ферментации нативной сыворотки составляет 20 г/л, а сгущенной – 40 г/л, содержание белка (истинного) в сухих дрожжах – 40–50%.

Рис. 3.11. Блок-схема технологического процесса получения продукта «БиоЗЦМ»

На стадии ферментации используют обычные модернизированные молочные емкости с барботажем и без мешалок, поскольку мешалка и ее уплотнение могут служить дополнительным источником инфицирования среды. Однако массообменные характеристики такого ферментационного оборудования не отвечают в должной мере ростовым возможностям продуцента.

Пастеризацию продукта проводят для инактивации дрожжевых клеток, а также повышения его усвояемости организмом животных. Рекомендуемая температура пастеризации – не более 63–65 °С и время выдержки 30 мин или 10–20 с при 85–87 °С. При более высоких температуре или продолжительности стерилизации на стенках нагревательных устройств образуется слой белкового пригара.