Способ получения белковой кормовой добавки из древесных отходов

Изобретение относится к кормопроизводству, в частности к способу получения белковой кормовой добавки из древесных отходов. Способ включает предподготовку древесного сырья, его гидролиз и выращивание на гидролизате микроорганизмов. При этом предподготовку ведут в растворе щелочи с концентрацией 1-3%, в поле ультразвука с частотой 22-44 кГц, с плотностью мощности в среде 0,5 Вт/см³, в течение 2 часов. Механоактивацию ведут в конусной мельнице, а биосинтез белка ведут с использованием консорциума микроорганизмов Cellulomonas+Trichosporon cutaneum+Saccharomyces cerevisiae. Использование изобретения позволит получить кормовую добавку с содержанием белка до 40% и более. 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к комбикормовой промышленности, а именно к способам комплексной переработки растительного сырья, в частности прямой биотрансформации древесных отходов с целью получения высокобелковой кормовой добавки.

Цель изобретения достигается щелочной предобработкой измельченного древесного сырья, с последующей биотрансформацией этого сырья консорциумом микроорганизмов в биомассу, содержащую до 40% сырого протеина, в состав которого входят собственно белки и промежуточные продукты синтеза или распада белков.

Способность ряда микроорганизмов выделять ферменты, разрушающую полимерную цепочку целлюлозы до сахаров - мономеров хорошо известна [1]. Возможность обогащать белком корма за счет биомассы микроорганизмов (дрожжей, грибов, бактерий) метаболизирующих сахара также известна и широко используется для получения кормов для животных [2].

Микробная протеинизация (насыщение белком) целлюлозосодержащего сырья (отходы сельского и лесного хозяйства, в т.ч. виноградной лозы и др.) давно привлекает внимание исследователей [3, 4].

При биоконверсии обрезков виноградной лозы, например, происходит частичная деструкция целлюлозы ферментами, синтезируемыми микроскопическими грибами, образуются растворимые углеводы, которые ассимилируются микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности. При этом происходит обогащение сырья "сырым" протеином (т.е. белком и промежуточными продуктами его синтеза или распада), ферментами, витаминами и другими биологически активными веществами, синтезируемыми микроорганизмами, или содержащимися в них. В полученных кормах содержание "сырого" протеина увеличивается в 1,5-2 и более раза по сравнению с исходным сырьем. Технология получения кормовых продуктов из виноградной лозы и виноградных выжимок заключается в измельчении сырья, его стерилизации и биоконверсии. Полученный корм включают в рационы с-х. животных для частичной замены комбикормов.

Известен способ переработки растительного сырья, в частности опилок хвойных пород в высокопитательный легкоусвояемый корм с повышенным содержанием белка, при котором опилки обрабатывают в течение 16-24 ч униполярной водой, делигнифицируют, обрабатывают подготовленную массу в диспергаторной установке водой с pH 10-11 или водой с pH 3-4, полученную массу разделяют на две фазы, твердую фазу инокулируют мицелием гриба и ведут его культивирование в течение 23 дней [5]. Метод позволяет существенно обогатить корма белками, однако, биоконверсия грибами требует длительного времени и не получила распространения [2], кроме того, т.н. «униполярная» или «активированная» вода не стандартизована, что не гарантирует воспроизводимости результатов.

Известен способ приготовления кормовой добавки, представляющей собой мочевину, фиксированную кормовыми дрожжами [6]. Полученный продукт, - смесь твердых, медленно растворимых продуктов, состоящих из остатков мочевины и белковых веществ кормовых дрожжей, требует точной дозировки введения в корм, так как превышение уровня мочевины в корме сельскохозяйственных животных отрицательно влияет на их рост, развитие и продуктивность.

Известен также способ получения растительно-белкового корма из грубого растительного сырья, при котором массу грубого растительного сырья подвергают термической обработке и в конце ее варки (гидролиза) вводят в нее аминобактерии в количестве 20-50% от массы абсолютно сухого сырья и продолжают термообработку в течение 10 мин при температуре 110-120°C [7]. Содержание сырого протеина в таком кормовом продукте не превышает 10,8-19,0%.

Известен способ получения кормов из растительного сырья, включающий измельчение корма и введение в него аммиака или пароаммонильной смеси. Обогащения корма белком при такой обработке не происходит [8, 9].

Известен способ получения корма из измельченной осиновой коры, запаренной последрожжевой бражкой (отходом гидролизно-дрожжевого производства) при 40-50°C, в течение 60-120 мин, однако обогащение белком при этом ничтожно, т.к. в последрожжевой бражке содержится 1,5-2% сухих веществ, включая и белки [10].

Известен способ получения растительно-углеводной кормовой добавки комплексной переработкой целлюлозосодержащего сырья [11], включающий обработку сырья прогретым раствором серной кислоты, после чего раствор нейтрализуют аммиаком. Полученная углеводная кормовая добавка практически не содержит белка, содержит 13,1-16,0% простых Сахаров и 0,17-0,26% фурфурола, который, как известно, является нервным ядом, обладающим раздражающим действием.

Известны способы получения белковой биомассы путем глубинного культивирования гриба [12, 13], однако их производительность невысока, и они требуют для своей реализации дорогостоящих питательных сред, в частности сусло-агаровых, с молочной сывороткой в качестве основного питательного компонента.

Известен способ получения биомассы дрожжей при их выращивании на питательной среде, содержащей муку и/или отходы переработки злаковых культур, подвергнутых предварительно ферментативной обработке с помощью протеолитических или амилолитических ферментов [14].

Известен способ получения белковой кормовой добавки [15], с получением биомассы путем ее выращивания на питательной среде, образующейся после ферментативной обработки отрубей и/или муки злаковых культур (пшеницы, ржи, риса, кукурузы и др.).

Наиболее близким к заявляемому изобретению, по существу, и результату является способ получения биомассы путем выращивания микроорганизмов в условиях аэрации на питательной среде, содержащей солому в качестве источника углерода [16], причем для повышения выхода продукта за счет более высокой скорости роста и степени конверсии сырья, в качестве микроорганизмов используют консорциум штаммов гриба Aspergillus fumigatus ВКМ F-1020 и дрожжей Rodotorula aurotiaca ВКМ У-327 или Candida rugosa ВКПМ У-445 или гриба Allescheriterrestris ВКМ F 6062 и дрожжей Candida rugosa ВКПМ У-445, или гриба Sporotrichum pulverilentum ВКМ F-1764 и дрожжей Candida rugosa ВКПМ У-445, или Rodotorula aurotiaca ВКМ У-327.

К недостаткам способа относятся ограниченность его применения только для биотрансформации соломы и другого подобного сырья, легко разлагающегося в природных условиях, непригодность для биотрансформации древесины, относительно низкое (не более 30%) содержание белка в получаемом продукте.

Технической задачей настоящего изобретения является получение высокобелковой кормовой добавки из древесного сырья. Изобретение реализуется, и задача решается следующим образом:

- древесное сырье (опилки) подвергают щелочному гидролизу в среде с (1-3%) раствором щелочи в поле, ультразвука с разрешенными МЭК частотами (22-44 кГц), с плотностью мощности в среде 0,5 Вт/см³, в течение 2÷4 часов. Использование ультразвука с относительно низкой плотностью мощности позволяет в процессе щелочной обработки существенно (на порядок) снизить концентрацию щелочи, необходимую для щелочного гидролиза, сократить (на порядок) время предподготовки, исключить стадию экстракции смол, за счет их омыления, а также способствует снижению энергетических затрат на механоактивацию с дополнительным измельчением древесины, за счет уменьшения трения при измельчении древесного сырья, обработанного ультразвуком в щелочной среде;

- в подвергнутое щелочному гидролизу в ультразвуковом поле, измельченное и механоактивированное сырье вводят консорциум микроорганизмов, в частности Celmlomonas + Trichosporon cutaneum + Saccharomyces cerevisiae, способных соответственно выделять целлюлолитические ферменты, разрушающие целлюлозу древесины до сахаров, утилизировать сахара и быстро расти, наращивая белковую биомассу в среде.

В результате, содержание белка в среде в течение 30÷50 часов повышается и достигает 40% и более.

Изобретение поясняется примерами, не носящими ограничивающего характера.

Пример 1.

Опилки древесины подвергают действию щелочи (KOH) с концентрацией 2% в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц и плотностью мощности 0,5 Вт/см³ в течение 2 часов, подвергают механоактивации и измельчению до 100 мкм в конусной мельнице, вводят в полученную среду консорциум микроорганизмов Cellulomonas + Trichosporon cutaneum + Saccharomyces cerevisiae и выращивают при температуре 37°C в течение 24 часов. Содержание белка в конечном продукте, определенное методом Къельдаля, составляет 30±5%.

Пример 2

Опилки древесины подвергают действию щелочи (KOH) с концентрацией 2% в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц и плотностью мощности 0,5 Вт/см³ в течение 2 часов, подвергают механоактивации и измельчению до 60 мкм в конусной мельнице, вводят в полученную среду консорциум микроорганизмов Cellulomonas + Trichosporon cutaneum + Saccharomyces cerevisiae и выращивают при температуре 34°C в течение 20 часов. Содержание белка в конечном продукте составляет 27±5%.

Пример 3

Опилки древесины подвергают действию щелочи (KOH) с концентрацией 2% в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц и плотностью мощности 0,5 Вт/см³ в течение 2 часов, подвергают механоактивации и измельчению до 80 мкм в конусной мельнице, вводят в полученную среду консорциум микроорганизмов Cellulomonas + Trichosporon cutaneum + Saccharomyces cerevisiae и выращивают при температуре 35°C в течение 22 часов. Содержание белка в конечном продукте составляет 22±5%.

Пример 4

Опилки древесины подвергают действию щелочи (KOH) с концентрацией 2% в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц и плотностью мощности 0,5 Вт/см³ в течение 2 часов, подвергают механоактивации и измельчению до 50 мкм в конусной мельнице, измельчают до 50 мкм вводят в полученную среду консорциум микроорганизмов Cellulomonas + Trichosporon cutaneum + Saccharomyces cerevisiae и выращивают при температуре 35°C в течение 23 часов. Содержание белка в конечном продукте составляет 26±5%.

Пример 5

Опилки древесины подвергают действию щелочи (KOH) с концентрацией 2% в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц и плотностью мощности 0,5 Вт/см³ в течение 2 часов, подвергают механоактивации и измельчению до 50 мкм в конусной мельнице, вводят в полученную среду консорциум микроорганизмов Cellulomonas + Trichosporon cutaneum + Saccharomyces cerevisiae и выращивают при температуре 37°C в течение 40 часов. Содержание белка в конечном продукте составляет 42±5%.

Из приведенной таблицы следует, что заявленный способ позволяет получать белковый корм с содержанием белка до 40-45.

Изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для приготовления обогащенного корма для животных, обладает заявленными свойствами, и совокупность отличительных признаков описываемого способа обеспечивает достижение указанного технического результата.

В результате проведенного анализа уровня техники получения обогащенных белком кормов из древесного сырья, аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку подобрана совокупность механических, акустических, биохимических, микробиологических воздействий, обеспечивающих эффективную биотрансформацию древесного сырья в обогащенный белком корм для животных. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Для заявленного способа, в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий его практического осуществления с использованием современных технических средств. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Список литературы

1. Wong W.K.R., Curry С, Parekh R.S., Parekh S.R., Wayman M, Davies R.W., Kilburn D.G., Skipper N. Wood Hydrolysis by Cellulomonas Fimi Endoglucanase and Exogiucanase Coexpressed as Secreted Enzymes in Saccharomyces Cerevisiae. Nature Biotechnology 1988, 6, p. 713-719.

2. Сушкова В.И., Воробьева Г.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. Киров «», 2007, 204 С.

3. В.И. Билай, Т.И. Билай, Е.Г. Мусич. Трансформация целлюлозы грибами. Киев, Наук. Думка, 1983, 295 С.

4. Бекер М.Е. Микробная биоконверсия растительного сырья и перспективы ее использования. - Вестник АН СССР, 1983, №6, с. 89-98.

5. Вольф В.В., Трапезников А.В., Булаткина Г.П. Способ получения белкового корма из древесных отходов. Патент РФ №2092073, 1997.

6. Ладан П.Е., Подъячев В.Н., Цупиков М.Т., Ахламов М.В., Ольшанский А.В. Способ получения кормовой добавки для жвачных животных. АС №791366, 1980.

7. Елкин В.А., Холькин Ю.И., Денисенко Г.Д., Иванов А.С, Безденежный В.В. Способ получения растительно-белкового корма из грубого растительного сырья. АС №1604329, 1988.

8. Демин А.В., Селин М.Е., Джалилов А.X., Лотоцкий А.Е, Мильман И.Э., Кузищин А.И., Титов А.А. Способ обработки грубых кормов и устройство для его осуществления. А.С. 1629021, 1991.

9. Казакевич В.А., Кучинскас З.М. Способ обработки соломы аммиаком и устройство для его осуществления. АС 1629026, 1991.

10. Стрельский В.А., Коржевская Т.С. Способ получения корма из осиновой коры. АС 1547804, 1990.

11. Турок А.Н., Николаевич А.И., Назаревич В.Г., Шевчук О.М., Копытко Г.М., Игнатович И.В., Новик О.В. Способ получения кормовой добавки из целлюлозосодержащего сырья. АС 1531950, 1989.

12. Биттеева М.Б., Бирюков В.В., Черкезов А.А., Ширшиков Н.В., Щеблыкин И.Н., Горшина Е.С., Шушеначева Е.В., Стехновская Л.Д., Китайкин В.М., Зюкова Л.А. Способ получения белковой биомассы гриба. Патент №2189395, 2000.

13. Бирюков В.В., Биттеева М.Б., Черкезов А.А., Ширшиков Н.В., Щеблыкин И.Н., Горшина Е.С., Осипова В.Г., Коваленко Н.В., Китайкин В.М., Зюкова Л.А. Способ получения белковой биомассы гриба. Патент №2186851, 2000.

14. Ибрагимов Ф.Б., Сычев А.Е., Низамов Р.А., Куватов Д.М., Захарычев А.П., Жучков В.Н. Способ получения биомассы. Патент №2041946, 1995.

15. Винаров А.Ю., Заикина А.И., Захарычев А.П., Зобнина В.П., Сидоренко Т.Е., Ковальский Ю.В., Рогачева Р.А., Зорина Л.В. Способ получения белковой кормовой добавки. Патент №2159287, 2000.

16. Выслоух В.А., Сидоренко Т.Е., Воробьева Г.И., Пинуев И.О. Способ получения белковой биомассы. Патент №1479509, 1987.

Способ получения белковой кормовой добавки из древесных отходов, включающий предподготовку древесного сырья, его гидролиз и выращивание на гидролизате микроорганизмов, отличающийся тем, что предподготовку ведут в растворе щелочи с концентрацией 1-3%, в поле ультразвука с частотой 22-44 кГц, с плотностью мощности в среде 0,5 Вт/см³, в течение 2 часов, механоактивацию ведут в конусной мельнице, а биосинтез белка ведут с использованием консорциума микроорганизмов Cellulomonas+Trichosporon cutaneum+Saccharomyces cerevisiae.