Производство кормового белка

Получение этанола как топлива

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА

Технологическая биоэнергетика - одно из направлений биотехнологий, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путём:

1. превращения биомассы, накопленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо-метан и другие углеводороды, этанол и т. д.;

2. модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которого энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО₂ и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).

Рассмотрим в начале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. тонн по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человеком, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса - не только возобновляемый и почти даровой источник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.

Этанол - экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО₂ и H₂O. Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10-20% добавка к бензину(газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75 % автомобилей работали на 95 % этаноле, а остальные на газохоле. В США предлагают заменить на этанол 10 % потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продовольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным.

В соответствии с нормами в рационе сельскохозяйственных животных на каждую кормовую единицу нужно не менее 110 г полноценного белка. Для поддержания жизненных функций организма, построения клеток и тканей необходим постоянный синтез различных белковых соединений. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все белковые аминокислоты из углекислоты, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут синтезировать некоторые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин), которые называют незаменимыми. Эти аминокислоты должны поступать в организм в готовом виде с пищей; их отсутствие вызывает снижение продуктивности сельскохозяйственных животных

Для человека главные источники незаменимых аминокислот - белки животного и растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для животных – в основном растительные белки. Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма.

Если содержание белков в растительном корме ниже нормы, то во избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме компенсируют введением белковых добавок в виде препаратов незаменимых аминокислот либо белковой массы с более высоким содержанием ряда аминокислот по сравнению с эталоном. Незаменимые аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои. Относительно высокую биологическую ценность имеют также белки зерна риса и гороха. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало лизина, метионина и изолейцина, а в белках кукурузы - еще и триптофана. Для балансирования кормов (в которых основной компонент – зерно злаковых культур) по белку и незаменимым аминокислотам применяют концентрированные белковые добавки – комбикорма. Для их приготовления используют мясокостную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби, шроты зернобобовых культур.

Особый интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и витаминов при производстве пищевых продуктов. Перспектива и экономическая целесообразность употребления микроорганизмов в технологии производства пищевых продуктов диктуются рядом факторов:

- возможность использования самых разнообразных химических соединений, в том числе отходов производства, для культивирования микроорганизмов;

- высокой интенсивностью синтеза белков;

- относительно несложной технологией культивирования микроорганизмов, которое можно осуществлять круглосуточно и во все сезоны года;

- относительно высоким содержанием белка и витаминов, а также углеводов, липидов и препаратов на основе микробов;

- повышенным содержанием незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками (таблица 4.);

- возможностью направленного генетического влияния на химический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.

Таблица 4 - Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов (в граммах на 100 г белка)

Аминокислоты	Микроорганизмы
Дрожжи	Водоросли	Бактерии	Грибы	Актиномицеты
Валин	5-7	5-7	4-6	5-7	5,5
Лейцин	6-9	6-10	5-11	6-9	7,7
Изолейцин	4-6	4-7	5-7	3-6	5,3
Треонин	4-6	3-6	4-5	3-6
Метионин	1-3	1,5-2,5	2-3	2,5	1,3
Лизин	6-8	5-10	6-7	3-7	6,4
Фенилаланин	3-5	3-5	3-4	3-6
Триптофан	1-1,5	до 2	1,5	1,5-2	1,4

Использование белка микробного происхождения для изготовления пищевых продуктов позволяет экономить высокоценные животные и растительные белки, а также повышать биологическую ценность готового продукта.

Для промышленного производства пищевых продуктов и их использования на основе микроорганизмов необходимы тщательные медико-биологические исследования. Пищевые продукты, получаемые с добавлением микробных препаратов, должны пройти всестороннюю проверку для выявления канцерогенного, мутагенного, эмбриотропного действия на организм человека и животных.

Токсикологические исследования, усваиваемость продуктов микробного синтеза – основные критерии целесообразности технологии их производства.

В настоящее время мировой дефицит белка составляет около 15 млн. т. Наиболее перспективен микробиологический синтез, что следует из представленных ниже данных. Если для крупного рогатого скота требуется 5 лет для удвоения белковой массы, для свиней - 4 мес., для цыплят - 1 мес., то для бактерий и дрожжей - 1- 6 ч. Мировое производство пищевых белковых продуктов за счет микробного синтеза составляет более 15 тыс. т. в год.

В качестве источников кормового белка чаще используют различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.

5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРОЖЖЕЙ И БАКТЕРИЙ

Дрожжевые клетки в качестве источника углерода для роста способны использовать неразветвленные углеводороды с числом от 10 до 30 углеродных атомов в молекуле. В основном они представлены жидкими фракциями углеводородов нефти с температурой кипения 200 - 320°С. Эти фракции могут быть получены низкотемпературной кристаллизацией, карбомидной депарафинизацией и адсорбцией на молекулярных ситах (цеолитах). В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 г. В нашей стране и других странах СНГ из Н- парафинов нефти производят большое количество кормовых дрожжей (свыше 1 млн. т.). При выращивании дрожжей на Н–парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 50 - 60 % белковых веществ, для кормления сельскохозяйственных животных.

Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка - производственный отход при переработке молока. В 1 т. молочной сыворотки содержится около 10 кг белка и 50 кг лактозы. Разработана эффективная технология выделения из молочной сыворотки белков методом ультрафильтрации низкомолекулярных веществ через мембраны. Эти белки используют для приготовления сухого обезжиренного молока. Жидкие отходы, остающиеся после отделения белков (пермеат), могут быть переработаны путем культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.

В качестве источников углерода дрожжевые клетки могут использовать и низшие спирты – метанол и этанол, получаемые в биотехнологии из природного газа или растительных отходов. Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, содержит больше белков (56 - 62 % от сухой массы) и меньше вредных примесей, чем кормовые дрожжи, выращенные на H– парафинах нефти, такие, как производные бензола, D-аминокислоты, аномальные липиды, токсины и канцерогенные вещества. Кроме того, кормовые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых кислот – 3 - 6 % от сухой массы, которые в этой концентрации вредно воздействуют на организм животных. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в мочевую кислоту и ее соли, которые могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Тем не менее, кормовые дрожжи хорошо усваиваются и перевариваются в организме животных, а по содержанию таких аминокислот, как лизин, треонин, валин и лейцин, значительно превышают многие растительные белки. Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину, в них мало цистеина и селенцистеина. Оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5 - 10 % от сухого вещества.

Наряду с технологией использования дрожжевых белков в качестве кормовой добавки в рационы сельскохозяйственных животных разработаны технологии получения из них пищевых белков. В некоторых странах пивные и пищевые дрожжи (Saccharomyces cerevisiae, Candida arbrea, Candida utilis) широко используют в качестве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Дрожжевой белок позволяет повысить питательную и витаминную ценность пищевых продуктов, улучшить их вкус и аромат. Так, разработана рецептура приготовления дрожжевого хлеба и лапши с частичной заменой муки - до 5% (США). В результате ферментации дрожжевыми клетками глюкозы, получаемой из кукурузного крахмала, синтезирован белковый продукт мукопротеин, используемый при производстве колбас в качестве замены основного сырья (Великобритания).

Очень полезными продуктами являются ацидофильно-дрожжевое молоко и творог, сделанный из него. Технология получения творога включает следующие этапы. В цельное молоко с 2 % сахара вносят 3 % суточной культуры дрожжей и выдерживают 14 - 17 ч. при температуре 32 - 33 ºС. Полученную закваску добавляют в молоко и выдерживают до свертывания при температуре 33ºС еще 5 - 6 ч. Такой творог богат витаминами В₁, В₂, С и др. Представители 14 видов дрожжей рода Candida утилизируют молочную сыворотку для получения биомассы, богатой витаминами и белком. Способность некоторых видов дрожжей (Rhodotorula glutimis) продуцировать каротиноиды нашла применение в производстве пищевых красителей.

Известны более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источников полноценного кормового белка. Бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60 - 80 % (от сухой массы) - ценные препараты в кормопроизводстве. Следует отметить, что бактерии значительно быстрее, чем дрожжевые клетки, наращивают биомассу, кроме того, белки бактерий содержат больше цистеина и метионина, что позволяет отнести их в разряд белков с высокой биологической ценностью. Источником углерода при культивировании бактерий могут служить природный и попутный газы, водород, а также спирты – метанол, этанол, пропанол. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способные утилизировать до 85 - 90 % метана в специальных ферментерах. Однако производство кормового белка из газообразных продуктов довольно сложно и дорогостояще. Более широко применяется технология выращивания бактерий на метаноле, который легко получают путем окисления метана. При культивировании на питательной среде с метанолом наиболее часто используют бактерии родов Methylomonas, Psedomonas, Methylophillus. Масштабное производство кормовых белков на основе использования метанола впервые было организованно в Великобритании. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат прутин (коммерческое название). В России также разработана технология получения препарата из метанола под названием меприн. В этом препарате содержится до 74 % белков (от сухой массы), до 5 % липидов, 10 % минеральных веществ, 10 - 13 % нуклеиновых кислот. В настоящее время разрабатывается технология получения кормового белка из этанола на основе культивирования бактерий рода Acinetobacter (препарат эприн).

К числу бактерий с высокой интенсивностью синтеза белков следует отнести и водородокисляющие бактерии, способные накапливать в клетках до 80% сырого белка (в расчете на сухую массу).

Для их культивирования в составе газовой среды обычно содержится 70 - 80 % водорода, 20 - 30 % кислорода, 3 - 5 % СО₂. Производство кормового белка на основе использования водородокисляющих бактерий может быть организовано вблизи химических предприятий.

Кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5 - 7,5 % от белка рациона сельскохозяйственных животных, а при кормлении взрослых свиней - до 15 %.

Дата добавления: 2014-01-04