Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

О.Н. Ерёменко

Е.В. Исаева

И.С. Почекутов

ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ БИОКОНВЕРСИИ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

для студентов магистратуры по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология», магистерские программы «Промышленная биотехнология и биоинженерия», «Биотехнология биологически активных веществ

и пищевых продуктов из растительного сырья», очной и очно-заочной форм обучения

Красноярск 2018

1

УДК 630.86+66.02(075.8) ББК 35.11я73

Е70

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент Ж. А. КОХ (Красноярский государственный аграрный университет); доктор биологических наук, профессор Е. В. АЛАУДИНОВА (Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева)

Ерёменко, О. Н.

Е70 Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии : учеб. пособие / О. Н. Ерёменко, Е. В. Исаева, И. С. Почекутов ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2018. – 92 с.

Рассмотрены методы подготовки растительного сырья и отходов его переработки к микробиологической конверсии с получением кормовых белковых продуктов. Изложены сведения о химическом составе различных видов растительного сырья. Приведена сравнительная характеристика прямой и непрямой биоконверсии. Подробно описана технология перколяционного гидролиза растительного сырья и подготовки гидролизата к биохимической переработке.

Предназначено для студентов магистратуры по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология». Может быть полезно студентам бакалавриата по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология», а также аспирантам, круг научных интересов которых включает химию и технологию биоконверсии растительного сырья.

УДК 630.86+66.02(075.8) ББК 35.11я73

© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2018 © Ерёменко О. Н., Исаева Е. В., Почекутов И. С., 2018

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Создание рентабельного производства требует оптимизации как отдельных компонентов производственно-коммерческого цикла, так и мобилизации всего ресурсного потенциала. В условиях рыночной экономики конкурентоспособным может быть только гибкое, динамичное производственное предприятие, которое быстро адаптируется к изменяющимся условиям рыночной среды и спросу на его продукцию.

Одной из важнейших задач прикладной биотехнологии является создание препаратов для сельскохозяйственного производства, обеспечивающих расширение кормовой базы, биологическую защиту растений и животных от болезней, восстанавливающих и повышающих плодородие почвы и не наносящих при этом ощутимого ущерба природе.

Актуальная проблема животноводства во всем мире – несбалансированность белков в растительных кормах по аминокислотному составу. Увеличение рациона в этом случае не способствует повышению усвояемости корма и его питательности, а себестоимость продукции при этом возрастает.

За рубежом основные разработки в области микробного синтеза ориентированы на повышение продуктивности продуцентов аминокислот, увеличение степени концентрирования и очистки препарата, максимальное извлечение целевого продукта из культуральной жидкости, на получение препаратов в кристаллическом виде, создание производства широкого спектра биопродукции.

В нашей стране проблема белкового дефицита решалась путем создания крупнотоннажного производства кормовых дрожжей на углеводородном и растительном сырье. Однако технико-экономический анализ крупнотоннажных производств, ориентированных на выпуск кормовых дрожжей на основе целлюлозосодержащего сырья, и мировая биотехнологическая практика показывают, что повышение рентабельности этих производств возможно только при переходе на комплексный вариант переработки сырья, в том числе вторичного, и получаемой биомассы с выпуском продуктов фармацевтического, пищевого и кормового назначения при одновременном сокращении отходов за счет создания малоотходных технологических процессов.

Опыт крупнотоннажного биотехнологического производства свидетельствует о том, что его структура зависит от конкретных условий и определяется в основном сырьевой базой. Применительно к отечественному кормовому производству в новых экономических

4

условиях это означает необходимость создания новых видов продукции путем биоконверсии относительно дешевого возобновляемого углеводсодержащего растительного сырья или растительных отходов сельского хозяйства и промышленности. Целесообразно также создание унифицированных блочно-модульных производств, способных быстро переходить с одного вида сырья на другое. Перспективны разработки технологии и оборудования для получения продукта в гранулированной форме, стандартизированного по основным показателям, а также широкого спектра веществ медицинского и производственнотехнического назначения, в частности продуктов белковой, нуклеотидной и липидной природы на базе дрожжевой биомассы.

Расширение кормовой базы для сельскохозяйственных животных может быть осуществлено за счет новых видов продуктов, изготавливаемых с использованием кормовых гидролизных дрожжей и путем биоконверсии растительного сырья. Научные разработки для гидролизных предприятий наряду с развитием дрожжевого производства на новой технологической основе предусматривают создание кормовых добавок, обогащенных незаменимыми аминокислотами, витаминами, углеводами и минеральными веществами. Реализация этих научных разработок может позволить гидролизным предприятиям в кратчайший срок перейти из разряда убыточных в прибыльные.

Главным фактором, сдерживающим биотехнологическую переработку углеводсодержащего растительного сырья с получением белковых продуктов, является невысокая рентабельность этих производств, обусловленная недостатками подготовки сырья (низкая технологичность узла кислотного гидролиза, образование большого количества отходов, в том числе лигнина), высокими энергозатратами, низким выходом целевого продукта, образованием большого количества стоков, особенно на стадиях его выделения, и, как следствие, низкой экологичностью всего процесса. Эта проблема может быть преодолена при решении задачи максимального использования исходного сырья по ресурсосберегающей экологически целесообразной технологии. Поэтому применительно к проблеме получения белковых продуктов, необходимых для успешного развития животноводства, птицеводства и других отраслей народного хозяйства на новой основе, актуальным является дальнейшее развитие технологий биоконверсии углеводсодержащего растительного сырья, направленных на повышение их эффективности и экологической безопасности.

5

Создание принципиально новых технологических процессов требует прежде всего высококвалифицированных кадров. Введение курса «Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии» обеспечит получение студентами необходимого уровня подготовки для их последующей практической деятельности.

Изучение данного пособия будет способствовать становлению профессиональных компетенций магистрантов по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология» через формирование комплекса знаний по теории и технологии подготовки сырья к микробиологической конверсии, который позволит на практике осуществлять проведение современных биотехнологических процессов и решать вопросы дальнейшего развития и совершенствования биохимической переработки растительного сырья.

Знания, полученные студентами в данном курсе, будут востребованы при изучении таких дисциплин, как «Современные проблемы биотехнологии», «Биотехнологии пищевого белка», «Биотехнологии биопрепаратов для защиты растений», «Ферментативные процессы в пищевых биотехнологиях».

Материалы пособия охватывают все разделы курса «Технология подготовки растительного сырья к биоконверсии». Начинать изучение дисциплины рекомендуется с ознакомления с перечнем ключевых слов, приведенных в приложении. Для контроля усвоения знаний в конце глав пособия представлены контрольные вопросы.

6

1.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕВОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

ИОТХОДОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВЫХ БЕЛКОВЫХ ПРОДУКТОВ

Важнейшей проблемой жизнеобеспечения человека, решаемой с помощью биотехнологии, является получение сбалансированных кормов для животноводства путем введения в них микробного белка. Вклад биотехнологии в обеспечение кормами сельскохозяйственных животных осуществляется в основном за счет микробиологической конверсии отходов пищевых производств, сельскохозяйственных отходов, отходов деревообрабатывающей промышленности.

Интенсификация сельского хозяйства и освоение ресурсов Мирового океана остаются основными направлениями в развитии пищевых и кормовых запасов, но путь этот длительный и требующий значительных капиталовложений. Корма растительного происхождения составляют основу рационов всех видов сельскохозяйственных животных и птицы, а несбалансированность рационов по белку приводит к перерасходу кормов, усугубляя тем самым их дефицит. Поэтому одной из важных задач промышленной биотехнологии является разработка эффективных и экологически чистых безопасных технологий получения микробного белка для снижения существующей несбалансированности кормовых рационов сельскохозяйственных животных и птицы.

1.1.ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

ИОТХОДОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

Вусловиях интенсивного ведения хозяйства важно не только обеспечить достаточное количество кормов, но и получать сбалансированные по аминокислотному составу корма с высоким содержанием в них белка.

Введение в состав растительных кормов дрожжевого белка существенно улучшает биологические качества и усвояемость рационов. Установлено, что одна тонна кормовых дрожжей, добавленных

вкорма, обеспечивает экономию 5–7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины или 5 т мяса птицы в живом весе. Включение

врацион телят и поросят тонны дрожжей заменяет 6 т цельного или около 1,5 т обезжиренного молока.

Дефицит белковых концентратов можно заметно уменьшить путем получения микробного белка, который по своему качеству,

7

содержанию витаминов и микроэлементов значительно превосходит растительный. По биологической ценности белки микроорганизмов приравниваются к белкам животного происхождения. Белок актиномицетов и бактерий составляет основную часть сухого вещества клетки (55–75 % от сухих веществ). В клетках грибов примерно в 1,5 раза меньше белка – среднем 25–55 %, в клетках дрожжей – 45–55 %. В то же время различные виды растительного сырья содержат значительно меньше белка в сухой биомассе за исключением сои.

Использование соевого шрота для балансирования кормов по белку вполне оправданно, но в Европе, включая Россию, это связано с необходимостью импортировать шрот с американского континента, перевозя большие массы на значительные расстояния.

Проблема изыскания новых источников белка кормового и пищевого достоинства стала в настоящее время одной из самых острых проблем, стоящих перед человечеством. Дефицит белка, равно как и его потребление, неуклонно растет. Прогнозы же специалистов в отношении обеспеченности белком за счет традиционных способов его производства далеко не оптимистичны.

Анализ земельных, энергетических и сельскохозяйственных ресурсов в сопоставлении с ростом населения показывает, что развитие только сельскохозяйственного производства не в состоянии решить эту проблему. В связи с этим последние 10–20 лет большое внимание со стороны исследователей уделяется производству и использованию нетрадиционных белковых продуктов, полученных как в процессе микробиологического синтеза, так и при фракционировании зеленой массы растений.

Одной из основ развития производства кормового микробного белка является наличие надежной сырьевой базы. В мире накоплен значительный опыт крупнотоннажного производства микробной биомассы на различных субстратах и его применения для кормовых целей. Так, кормовые дрожжи, получаемые на основе углеводородсодержащего сырья (н-парафинов нефти – паприна), составлявшие до 90-х годов XX века до 70 % от общего объема производства микробного белка в СССР, характеризуются высоким содержанием сырого протеина (60–62 %), углеводов (до 18 %), липидов (до 16 %). Перевариваемость протеина достигает в среднем 82 %. Высокая биологическая ценность паприна определяется как аминокислотным составом белка, так и высоким содержанием витаминов группы В и других биологически активных соединений. Освоено производство кормовых дрожжей на сельскохозяйственном сырье (картофель, кормовая и са-

8

харная свекла), на целлюлозных гидролизатах, а также на таких отходах, как сульфитные щелока, навоз, различные отходы пищевых производств и т. д.

В настоящее время особый интерес в качестве субстрата для культивирования микроорганизмов с целью получения микробного белка представляет возобновляемое растительное сырье, использующее солнечную энергию и углекислоту воздуха, в частности получаемые на его основе углеводы. При этом могут использоваться не только специально выращиваемые сельскохозяйственные культуры, но и растительные отходы, а также побочные продукты переработки сельскохозяйственного сырья. В этом случае возможно одновременно со снижением дефицита белка в животноводстве утилизировать отходы, загрязняющие окружающую среду.

По традиции в небольших хозяйствах наиболее ценные растительные отходы используются непосредственно на кормление животных. Однако такая их утилизация снижает эффективность животноводства, поскольку большинство отходов обладает невысоким содержанием протеина и несбалансировано по аминокислотному составу. В то же время значительная часть растительных отходов остается неиспользованной и загрязняет окружающую среду. Поэтому во многих районах мира накапливается большое количество различных видов неиспользуемого или недостаточно эффективно используемого растительного сырья.

Вовлечение этих отходов в производство микробного белка приобретает важнейшее значение в решении проблемы дефицита белка в животноводстве, устранения отходов, загрязнения окружающей среды и тем самым в повышении эффективности сельскохозяйственного производства.

Таким образом, даже не специалисту становится очевидно, что средства жизнеобеспечения человека в XXI веке все сильнее будут связаны с ежегодно возобновляемыми сырьевыми ресурсами. К таковым в первую очередь относится растительная биомасса. Однако традиционные формы земледелия при существующих темпах роста народонаселения уже не могут в полной мере удовлетворить в пище потребности населения. Освоение новых, часто маргинальных земель, особенно в климатических зонах рискованного земледелия, требует больших трудовых и финансовых затрат. Поэтому для производства кормов необходимо привлечение новых, ранее не используемых источников сырья. К таковым относятся пожнивые остатки (солома,

9

стебли, початки и пр.), доля которых в общем объеме биомассы растений достигает 50 %, а коэффициент их рационального использования низок. Дополнительным ресурсом являются также отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, с трудом находящие квалифицированное применение и в то же время выступающие источником загрязнения окружающей среды. Они имеют общий с растениями состав, различия в котором заключаются в основном в количественном соотношении отдельных компонентов. Поскольку продуктивность по биомассе гектара леса больше, чем продуктивность гектара пашни, то в ряде стран (Канада и др.) специально выращивают быстрорастущие виды деревьев – тополь, бук и др. Дальнейшую переработку их в кормовые продукты осуществляют путем конверсии полисахаридов в моносахара и последующего микробиологического синтеза с получением микробной массы.

Растительное сырье и отходы сельскохозяйственного производства и промышленности как наиболее распространенные, ежегодно возобновляемые и локализованные являются перспективными для обогащения микробным белком. В силу чрезвычайной распространенности и восполняемости растительные углеводы занимают особое место в природе и могут служить прекрасным сырьем для целого ряда производств, в том числе и для микробиологических. В настоящее время широкое распространение получили дрожжи как продуценты кормового белка. Такие свойства дрожжей, как высокая скорость роста, короткий цикл регенерации, устойчивость к инфицированию, выдвинули их на первый план при комплексной переработке растительного сырья и сельского хозяйства. Другим важным моментом является тот факт, что, несмотря на доказанную безвредность всех используемых сегодня типов белка одноклеточных, именно дрожжи, культивируемые на углеводах растительного происхождения, вызывают наименьшее возражение потребителей в силу многовековой привычки людей к использованию растительных источников пищевых продуктов и лекарственных средств.

Разнообразие видов растительного сырья, которое может быть использовано для обогащения микробным белком, диктует необходимость дифференцированного подхода к решению проблемы его биоконверсии, исходя из химических и физических свойств сырья, его локализации и экономических предпосылок. Сырье можно условно разделить на две группы: для промышленной крупнотоннажной переработки и для переработки на фермах, в кормоцехах, в местах непо-

10