Способ получения кормового средства из растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки
Владельцы патента RU 2666769:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение БелПротект" (RU)
Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к производству кормов для сельскохозяйственных животных. Заявлен способ приготовления кормового средства из растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки, включающий измельчение растительного сырья, смачивание раствором золы и соды, делигнизацию клетчатки, ферментативный гидролиз полимеров клетчатки с использованием композиции целлюлолитических ферментов, в котором в качестве соды применяют гидрокарбонат щелочного металла, используют композицию целлюлолитических ферментов с показателями биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл): эндо-1,4-β-глюканаза - 100-600, экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза - 1000-1500, β-глюкозидаза - 50-250, эндо-1,4-β-D-ксиланаза - 500-1000, экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза - 300-800; ферментативный гидролиз проводят перед делигнизацией при влагосодержании растительной массы 100-500% и температуре 40-50°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 90-120 мин, а делигнизацию проводят путем последующего нагрева массы до 90-95°C и выдержки без доступа воздуха в течение 20-25 мин под давлением 70-85 кПа с последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом. Изобретение позволяет обеспечить достижение высоких показателей глубины ферментативного гидролиза одревесневшей клетчатки и деструктирования лигнина для повышения питательной ценности перерабатываемого растительного сырья и усиления его белковосвязывающей способности, для эффективной защиты корма от повреждения с возможностью связывания токсинов неорганической и органической природы, расширить сырьевую базу сельскохозяйственного кормопроизводства за счет применения биомассы стебля лубяных растений, упростить и сократить продолжительность технологического процесса. 1 табл.
Введение
Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к производству кормов для сельскохозяйственных животных.
Уровень техники
Разработка сбалансированных рационов питания сельскохозяйственных животных предусматривает обязательное введение определенного количества грубых кормов, в том числе с высокой степенью одревеснения (солома, опилки, стебли растений, лузга и др.) [Богданов Г.А. Кормление сельскохозяйственных животных. М.: Агропромиздат, 1990. С. 624]. Основными их компонентами являются клетчатка и лигнин. Поскольку структурно связанные полимеры лигноцеллюлозного комплекса не ассимилируются внутренней микрофлорой крупного рогатого скота, свиней или домашней птицы, такие компоненты корма классифицируются как малоценные в плане содержания питательных веществ и их энергетического эквивалента. Основной функцией трудно перевариваемых компонентов корма является обеспечение моторики желудочно-кишечного тракта.
Животные неохотно поедают грубый корм в индивидуальной форме. В связи с этим для повышения привлекательности его используют в смесях. Например, полнорационный гранулированный комбикорм для растительноядных животных [патент RU 2379943, кл. А23Л 1/00, заявл. 31.05.2007, опубл. 27.01.2010] в качестве компонентов наряду с овсом (25%), ячменем (15%), мелассой (2,5%) и набором минеральных добавок (соль, мел, премикс, бентонит) содержит травяную муку (20%), отруби пшеничные (15%), шрот подсолнечный (15%), а в качестве одревесневшей составляющей - опилки лиственных пород деревьев в количестве 5%. Известен способ приготовления кормосмесей для животных [патент RU 2195837, кл. А23К 1/20, А23К 1/16, заявл. 28.09.2001, опубл. 10.01.2003], в котором предусматривается использование смеси измельченных до определенных размеров сочных, концентрированных и грубых кормов, смачиваемых соком зеленой травяной массы, введение добавок минеральных веществ (поваренная соль, микроэлементы и цеолит), а также свекловичной патоки, которая выполняет функции связующего вещества на стадии гранулирования кормосмеси и, благодаря высокому содержанию углеводных питательных веществ, позволяет повысить поедаемость и перевариваемость корма.
Разнообразие сырьевой базы грубых растительных кормов и большие ее объемы обусловливают задачи повышения питательной ценности собственно грубого растительного сырья. В частности, в кормах для жвачных животных особую роль играет содержание легкоусвояемых cахаров- основного источника энергии для микрофлоры преджелудков. С этой целью осуществляют его переработку для расщепления одревесневшей клетчатки с использованием термических, механических, химических, микробиологических и других процессов. Наиболее широко применяются баротермическое осахаривание целлюлозы [А.С. SU 1482646, кл. А23K 1/12, заявл. 22.01.87, опубл. 30.05.89; патент RU 2231960, кл. А23К 1/20, A23N 17/00, заявл. 28.01.2003, опубл. 10.07.2004] и обработки химическими реагентами, гидролизующими целлюлозу [Дудкин М.С. и др. Эффективность скармливания дойным коровам гидролизованных грубых кормов в сочетании с мочевиной // Животноводство. 1960. №11, С. 31-34].
Известны способы, основанные на кислотном гидролизе целлюлозы. В частности, способ обработки соломы на корм [А.С. SU 891054, кл. А23K 1/12, заявл. 04.10.80, опубл. 23.12.81, Бюл. 47] включает процесс пропаривания соломы под давлением после предварительного добавления к соломе соляной или серной кислоты в количестве 0,3-0,5% от ее веса. Процесс ведут при давлении 3 атм. и температуре 130-140°C. После пропаривания проводят нейтрализацию соломы мочевиной. Способ позволяет повысить содержание сахаров в полученном концентрате до 5,9-7,9% в расчете на сухое вещество.
Способ переработки грубого растительного сырья на корм [патент RU 2292158, кл. А23K 1/12, заявл. 06.10.2005, опубл. 27.01.2007] также реализует метод кислотного гидролиза 0,3-0,4% раствором соляной кислоты в течение 1-3 часов при температуре 120-150°C с использованием приема импульсной подачи острого пара для циклического увеличения давления в реакторе и сжатия суспензии, что обеспечивает глубокую переработку сырья с высоким содержанием легкоусвояемых компонентов.
Способ переработки соломы на корм [патент RU 2133098, кл. А23K 1/12, заявл. 02.12.1998, опубл. 20.07.1999], включающий предварительную обработку соломы диоксидом серы с последующим пропариванием в автоклаве под давлением 3-4 атм. и температуре 130-140°C, позволяет получать корм с содержанием cахаров до 30,2%. Вместе с тем способ длителен и нетехнологичен, поскольку предварительное замачивание сырья проводят в течение суток, а стадии пропаривания соломы - в течение 3 часов.
Все перечисленные способы не позволяют деструктировать лигнин в перерабатываемом растительном сырье. Лигнин извлекается из растительного сырья щелочными растворами, что широко используется, например, в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности, а также и в кормопроизводстве.
В частности, известен широко применяемый на практике способ обработки соломы кальцинированной содой, включающий измельчение и послойную укладку соломы, каждый слой смачивают 5%-ным раствором кальцинированной соды из расчета 100 л на 1 ц соломы и сильно уплотняют [Рекомендации по технологии подготовки соломы к скармливанию. М.: Колос, 1982, С. 10-11]. Кальцинированную солому рекомендуется скармливать в сочетании с силосом и концентратами. Она повышает минеральную питательность, резервную щелочность рациона, поддерживает кислотно-щелочное равновесие в организме животных и увеличивает их продуктивность.
Делигнизацию щелочным раствором включает способ получения корма из древесно-кустарниковой массы [Парахин Н.В., Кобозев И.В., Горбачев И.В., Лазарев Н.Н., Михалев С.С. Кормопроизводство. М.: КолосС. 2006, с. 360-380]. Но требуемой степени раздревеснения и глубины гидролиза клетчатки данный способ не обеспечивает.
Известен способ обработки измельченного целлюлозосодержащего сырья (солома, осиновые или хвойные опилки) [патент RU 2141229, кл. А23K 1/12, заявл. 31.03.1997, опубл. 20.11.1999], в котором делигнизацию обеспечивают путем обработки 20% раствором щелочи и нагрева измельченного сырья. После проведения гидролиза вносят азотистые добавки и микробиологические закваски. Однако корм повышенной питательности и переваримости получается лишь при использовании полученной биомассы в соотношении 5:95 с зерном, ячменем или кукурузой.
Известны способы обработки грубых кормов с использованием аммиачной воды (предпочтительно 25%-ной) [Воробьев Е.С., Воробьева А.Н. Химия и качество кормов. М.: Россельхозиздат, 1977. с. 58-59], с применением воздействий смеси пара с газообразным аммиаком [А.С. SU 1629021, кл. A23N 17/00, А23K 1/12, заявл. 17.12.86. опубл. 23.02.1991], либо жидкого аммиака [пат. RU 2239329, кл. А23K 1/12, заявл. 19.02.1999, опубл. 10.11.2004]. Следует заметить, что положительное действие обработок связано, главным образом, с эффектом аммонизации клетчатки, обеспечивающей повышение содержания азота, а не с изменением состояния лигнина в слабощелочной аммиачной среде [Подготовка грубых кормов к скармливанию. Электронный ресурс: режим доступа http://innoteh-sh.ru/qwert].
Для делигнизации грубых растительных кормов можно использовать реакции окислительно-восстановительной деструкции полимера. В частности, известен способ обработки соломы на корм, включающий обработку 0,2-1,0%-ным водным раствором Н2О2 с последующим пропариванием под давлением 3-4 атм. при температуре 130-140°C [А.С. SU 1371679, кл. А23K 1/12, завл. 10.01.1986, опубл. 07.02.1988, Бюл. №5].
Способ обработки соломы на корм [А.С. SU 1482646, кл. А23K 1/12, заявл. 22.01.1987, опубл. 30.05.1989, Бюл. №20] реализуется путем пропитки измельченного сырья 0,75-1,25% водным раствором NaCl при создании высокого уровня восстановительного потенциала (от +1100 до +1200 мВ) и баротермической обработки в течение 1,0-1,5 часа при температуре 140-170°C. Такие условия обеспечивают протекание редокс-превращений лигнина, что повышает перевариваемость корма животными.
Общим недостатком всех вышеперечисленных способов переработки грубых кормов с использованием химических реагентов является неизбирательность действия последних, что приводит к побочной деструкции присутствующих в биомассе веществ, способных оказать благоприятное действие на организм животных [Свиридонова М.Г., Свиридонов Г.М. Растение и здоровье: лечебные и пищевые свойства. М.: Профиздат, 1992. 272 с.]. К их числу относятся, прежде всего, нецеллюлозные полисахариды, которые экстрагируются при увлажнении, образуют слизи и благодаря обволакивающему действию способствуют улучшению пищеварения и лучшему усвоению питательных веществ. К классу углеводов относится большая группа действующих веществ растений: терпеноиды, каротиноиды, гликозиды,- которые даже в малых количествах оказывают положительное влияние на работу желудочно-кишечного тракта, поддерживают работу сердечной мышцы [Лекарственные растения Сибири / Минаева В. 5-е издание, перераб. и доп.- Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1991. 431 с.]. Пектины - застуденевшие вещества межклеточников, обладают способностью связывать радиоактивный кобальт и стронций, тяжелые металлы, адсорбировать ядовитые вещества. Поскольку ферменты, способные расщеплять пектин, в желудочно-кишечном тракте животных не вырабатываются, данный вид полимеров проходит через их организм практически без повреждений, обеспечивая выведение токсинов. Положительное физиологическое влияние на организм животных, усиление выделения пищеварительных соков и перистальтики кишечника оказывают органические кислоты [Задорожный А., Кошкин А., Соколов С. и др. Справочник по лекарственным растениям // 2-е изд. М.: Экология, 1992. 415 с.]. Например, в стеблях и листьях льна, которые практически не используются на корм скоту в связи с высоким уровнем содержания лигнина и степени полимеризации целлюлозы, содержится большое количество физиологически активных фенолкарбоновых кислот: п-кумариновая, п-оксибензойная, феруловая, хлорогеновая, кофеилхинная, а так же гликозид линамарина, который известен, в частности, как один из ценнейших компонентов оболочки семян льна. Полифенольные соединения, в т.ч. природные окрашенные соединения растений - флавоноиды обладают высокой антиоксидантной активностью, способностью укреплять стенки кровеносных капилляров.
Все вышеуказанные компоненты растительного сырья целесообразно максимально сохранять в процессах получения кормовых продуктов. Избирательное действие на целлюлозу клетчатки обеспечивает использование ферментативных и микробиологических способов переработки грубых кормов.
Например, в известном способе получения корма для животных из растительного сырья [патент RU 2153813, кл. А23K 1/165, А23K 1/12, заявл. 26.11.1999, опубл. 10.08.2000] путем измельчения растительного сырья и ферментативного гидролиза с применением предварительно приготовленного препарата на основе содержимого слепой кишки обыкновенной полевки Microtus arvalis в количестве 5-10% от общей массы, перемешивания препарата с растительным сырьем, выдерживания в течение 1-3 суток и промывания смеси проточной водой при температуре 35-37°C.Препарат получают путем выращивания бактериальной флоры из слепой кишки обыкновенной полевки Microtus arvalis на безазотистом целлюлозосодержащем субстрате. В качестве растительного сырья в предлагаемом способе используют целлюлозосодержащие растительные отходы: солому, опилки, отходы целлюлозной промышленности (небеленая целлюлоза), а также отходы бумажной промышленности. Продукт ферментации представляет собой низкокалорийную, микрофракционную клетчатку (60-80%) и содержит комплекс целлюлолитических и азотфиксирующих бактерий. Однако предложенная ассоциация бактерий не может длительное время сохранять стабильное соотношение входящих в нее компонентов, что создает трудности для получения препарата с заданными свойствами. Вместе с тем способ малопригоден для переработки значительных объемов растительного сырья.
Известен способ получения кормовой добавки для сельскохозяйственных животных [патент RU №2061386 кл. А23K 1/16, заявл. 11.11.1991, опубл. 10.06.1996] путем смешения целлюлозосодержащего сырья (древесных отходов, торфа, подсолнечной лузги, корзинок подсолнечника и т.д.) с жидким птичьим пометом в определенном соотношении для развития микрофлоры при влажности 50-60%. Далее проводят гидробаротермическую обработку смеси при температуре 160-200°C в течение 15-90 мин. Способ позволяет добиться глубокого осахаривания целлюлозы, но не обеспечивает требуемой степени раздревеснения растительной массы.
Ферментативный вариант подготовки биомассы реализуется в способе получения корма для животных [патент RU №2251301 кл. А23K 1/165, заявл. 04.06.1998, опубл. 10.05.2005], который предусматривает использование в качестве компонента корма, добавляемого к основным веществам и ингредиентам корма, гранулированного материала, содержащего ферменты β-глюканазу и эндоксиланазу, а также фитазу. Используемая композиция ферментов обеспечивает гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозных соединений в растительных компонентах корма и гидролиз моноэфиров фосфорной кислоты в липидах. Вместе с тем биопрепарат не позволяет изменить состояние лигнина в одревесневших видах сырья.
Известен способ приготовления корма из растительного сырья [А.С. SU №1287829, кл. А23K 1/165, заявл. 21.10.83, опубл. 07.02.87 Бюл. 5], включающий измельчение соломы, внесение кормовых добавок, проведение ферментативно-бактериального гидролиза при температуре 38-39°C в течение 3 ч с помощью предварительно приготовленной закваски, последующее добавление дрожжевого молочка с периодическим перемешиванием в течение 4 часов при температуре 32°C, а также заключительное запаривание при 100°C в течение 30 мин. Закваску готовят путем внесения ферментных препаратов пектофостидин П10х и амилосубтилин ГЗх, травяной муки, поваренной соли, монокальций фосфата, мочевины и воды в содержимое рубца животных, смешивают их, а полученную смесь выдерживают при 39°C в течение 2-4 часов. Дрожжевое молочко готовят, смешивая подогретую до 32°C водную суспензию отрубей с прессованными пекарскими дрожжами и выдерживая смесь в течение 3 часов при периодическом перемешивании. При влажности 68% корм содержит 7,4% сахара, 4,2% крахмала и 3,3% белка.
Среди недостатков способа отмечается слабый гидролиз одревесневшей клетчатки ферментами, входящими в состав используемых препаратов, оптимальная температура действия которых 50-55°C, pH 5,0-6,0. Кроме того разрушение пектиновых веществ растительного сырья под действием пектолитических ферментов препарата пектофостидин П10х исключает возможность проявления вышеотмеченных положительных функций данного вида физиологически активных соединений для детоксикации организма животных.
Известен способ получения кормовой добавки для сельскохозяйственных животных [патент RU 2499417, кл. А23K 1/16, А23K 1/14, заявл. 10.01.2012 опубл. 27.11.2013], в котором в качестве целлюлозного сырья используют лузгу подсолнечника и свекловичный жом, выполняют их предварительное экструдирование при температуре 110-130°C, дополнительно измельчают и перемешивают с добавкой воды и пивного сусла, после чего вносят микроорганизмы Trichoderma viride шт. F-838 в количестве 1-2% от массы смеси и выдерживают в течение 6-8 суток при температуре 26-30°C с периодическим перемешиванием. Полученную влажную смесь сушат до влажности 10-12% при температуре 40-50°C и измельчают. Авторы отмечают интенсификацию разрушения целлюлозолигнинового комплекса сырья за счет более полного гидролиза и повышение питательности корма, повышение содержания в нем белка, сохранение витаминов, уничтожение вредных микроорганизмов и обогащение целлюлозоразрушающими ферментами. Недостатком является длительность технологического процесса, и возможность инфицирования кормовой смеси спонтанной микрофлорой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому технологическому эффекту является способ приготовления корма из растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки [патент RU 2539144, кл. А23K 1/12, А23K 1/00 заявл. 14.02.2013, опубл. 10.01.2015], выбранный в качестве прототипа. Он включает следующую совокупность операций:
- измельчение растительного сырья;
- делигнизацию содержащейся в сырье клетчатки путем увлажнения его нагретым до 50°C щелочным раствором древесной золы и соды, доведенным гидроксидом натрия до pH 9-10 (100 л раствора на 1 т сырья), и выдержки не менее 10 часов;
- подкисление массы до pH 4,5-6,0 смесью серной и соляной кислот (консервант ИБ-2);
- введение раствора целлюлолитических ферментов (препараты амилоризин - П10 и Пх и амилосубтилин ГЗх) нагретого до 50-55°C с повышением влагосодержания до 60-65%, уплотнение и выдержку без доступа воздуха до снижения температуры до 38-45°C, предпочтительно в течение 2-х суток;
- введение (поверхностное или с помощью инъектора, т.е. без перемешивания) ферментативно-бактериальной закваски на основе содержимого рубца жвачных животных, содержащей целлюлолитические ферменты (аваморин П, ПП, ППК, ПК), молочнокислые бактерии и хлорид аммония с увлажнением массы до влажности 75-80%;
- выдержку смеси осуществляют в течение 30 суток без доступа воздуха.
При этом для получения ферментативно-бактериальной закваски используется содержимое рубца животных, питающихся преимущественно грубым и древесным кормом, например, лося. Возможно использование для получения ферментативно-бактериальной закваски тканей рубца животного, что позволяет исключить применение препарата аваморин.
Способ обеспечивает рациональное использование растительных отходов сельского и лесного хозяйства с вовлечением гидролизуемой клетчатки в синтез белка ферментативно-бактериальными системами.
Вместе с тем известный способ обладает существенными недостатками.
• Низкий вклад перерабатываемого одревесневшего растительного сырья в достигаемый уровень питательной ценности корма, которая обеспечивается, главным образом, введением крахмалсодержащего зернового сырья (ячменная дерть 1:1 с древесиной) и наращиванием содержания микробного белка. Недостаток связан с тремя факторами:
1) Низкая глубина конверсии клетчатки на стадии ферментативного гидролиза растительного сырья ферментными препаратами Амилоризин П10 и Пх и Амилосубтилин Г3х. После проведения стадии ферментативного гидролиза содержание сахаров в системе не превышает 3%.
Выбор данной композиции препаратов обусловливает низкий уровень проявления целлюлолитической активности, поскольку в обоих препаратах доминирующим видом белковых катализаторов являются ферменты амилолитического и протеолитического действия [ГОСТ 18919-73 Препарат ферментный амилоризин П10х; ГОСТ 23635-90 Препарат ферментный амилосубтилин Г3х]. Целлюлазы являются миноритарными компонентами, обеспечивая даже в 10%-ных растворах ничтожно малый уровень активности эндо-1,4-β-глюканазы (целлюлазы) - 20-50 ед./мл, экзо-1,4-β-глюканазы (целлобиогидролазы) и экзо-1,4-β-глюкозидазы - 130-150 ед./мл, β-глюкозидазы (целлобиазы) - 1-3 ед./мл в сравнении с величиной показателя для доминирующего фермента - α-амилаза (1450 ед./мл).
Низкий уровень целлюллитической активности используемой ферментативной системы определяет необходимость дальнейшей стадии биоконверсии сырья под действием ферментативно-бактериальной закваски. Но и в конечном продукте содержание сахаров составляет лишь 16-23%.
2) Делигнизация сырья в способе-прототипе не изменяет химическое состояние лигнина и не обеспечивает возможность его вовлечения в пищеварительный процесс, а предусматривает лишь разрушение структурных связей между лигнином и фибриллярными образованиями целлюлозы, что реализуется преимущественно за счет гидролиза промежуточного слоя разветвленных макромолекул гемицеллюлозных соединений [Гемицеллюлозы // В кн. Природные полисахариды / под ред. А.Б. Шиповской. - Саратов: 2008. Электронный ресурс: режим доступа http://www.studfiles.ru/preview/4590346].
Предложенные условия проведения стадии делигнизации при умеренном значении щелочности раствора и низкой температуре (фактическая температура земляного грунта) даже при экспозиции в течение 2-х суток не могут обеспечить существенного раздревеснения клетчатки для перевода лигнина в перевариваемое состояние высокогидролизованного пищевого полимера, что используется, например, в способе [патент SU №1837793, кл. А23K 1/16, заявл. 30.01.91, опубл. 30.08.93 Бюл. 32].
3) Повышение питательной ценности за счет обогащения корма микробным белком не решает важнейшей для кормления жвачных животных задачи повышения содержания «транзитного» белка, т.е. защиты кормового белка от преждевременного расщепления в рубце [Максимюк Н.Н., Скопичев В.Г. Физиология кормления животных: теории питания, прием корма, особенности пищеварения: учеб. пособие. - СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2004. С. 146-150], а избыточное насыщение кормовых смесей неорганическим азотом может приводить к отравлению животных аммиаком, который впитывается кровеносной системой рубца [Питательная ценность протеина для жвачных и моногастричных животных Электронный ресурс: режим доступа http://www.studfiles.ru/preview/3267766/page:3].
4) Неизбирательность разрушения углеводных компонентов клетчатки, в т.ч. пектиновых веществ, способных оказывать благоприятные для организма животного функции белковосвязывающего и детоксицирующего средства.
• Необходимость дополнительных мер защиты корма от повреждения, предупреждения интоксикации организма животных. Недостаток связан со следующими факторами:
1) Реализация способа по технологии силосования в земляной траншее предопределяет возможность инфицирования кормовой смеси микроорганизмами почвенной микрофлоры, чего, судя по описанию изобретения, удалось избежать лишь благодаря малой активности развития спонтанной микрофлоры при проведении эксперимента в холодный климатический период (с 12 ноября по 17 декабря).
2) Указанное авторами мнение о способности глауберовой соли, образующейся в системе, выполнять функции консерванта ошибочно. Другие средства, предупреждающие микотическое поражение биомассы, не предусмотрены.
3) Интенсивное гидролитическое повреждение пектиновых веществ, способных выполнять функции энтеросорбентов, прежде всего, в условиях катализа минеральными кислотами на стадии длительного (2 суток) расщепления клетчатки ферментными препаратами Амилоризин П10 и Пх и Амилосубтилин Г3х.
• Процесс обработки многостадиен и длителен (33-35 суток), требует использования экзотических ингредиентов (содержимое и мышечная ткань рубца лося). Отсутствие перемешивания массы наряду с многократным использованием поверхностного внесения реакционных компонентов предопределяет пространственно локализованное протекание процессов и неоднородность свойств продукта в объеме единовременно приготовленной партии корма.
Вместе с тем известный способ, как и все выше рассмотренные технические решения по получению кормовых добавок не позволяет обеспечить переработку на корм животным высоколигнифицированной биомассы стебля лубяных растений, включая солому масличных сортов льна, преимущественно подвергаемую сжиганию, сгнивающие в отвалах многотоннажные отходы переработки льна-долгунца, а также практически неиспользуемые в производстве пенькового волокна комлевые части стебля конопли. Проблемы использования данного вида сырья связаны с большим содержанием лигнина, достигающим в комлевых зонах стебля 23%, а также рекордно высокими значениями степени полимеризации макромолекул целлюлозы (до 30 тыс.), что затрудняет перевариваемость клетчатки в организме животных.
Сущность изобретения
Задача изобретения состоит в повышении питательной ценности перерабатываемого растительного сырья за счет увеличения глубины ферментативного гидролиза одревесневшей клетчатки и деструктирования лигнина, в обеспечении защиты корма от повреждения и возможности связывания токсинов неорганической и органической природы, в повышении белковосвязывающей способности, в упрощении и сокращении длительности технологического процесса, а также в расширении сырьевой базы сельскохозяйственного кормопроизводства за счет использования высоколигнифицированного растительного сырья лубяных культур.
Технический результат достигается тем, что в способе приготовления кормового средства из растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки, включающем измельчение растительного сырья, смачивание раствором золы и соды, делигнизацию клетчатки, ферментативный гидролиз полимеров клетчатки с использованием композиции целлюлолитических ферментов, в качестве соды применяют гидрокарбонат щелочного металла, используют композицию целлюлолитических ферментов с показателями биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл.):
| - эндо-1,4-β-глюканаза | - 100-600, |
| - экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | - 1000-1500, |
| - β-глюкозидаза | - 50-250, |
| - эндо-1,4-β-D-ксиланаза | - 500-1000, |
| - экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза | - 300-800; |
ферментативный гидролиз проводят перед делигнизацией при влагосодержании растительной массы 100-500% и температуре 40-50°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 90-120 мин., а делигнизацию проводят путем последующего нагрева массы до 90-95°C и выдержки без доступа воздуха в течение 20-25 мин. под давлением 70-85 кПа с последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом.
Изобретение позволяет получить следующие преимущества:
1. Повышение вклада перерабатываемого растительного сырья в достигаемый уровень питательной ценности кормового средства за счет достижения следующих эффектов:
- Увеличение глубины конверсии клетчатки благодаря оптимизированному составу композиции целлюлолитических ферментов, что оценивается по величине содержания сахаров после ферментативного гидролиза растительного сырья, которое достигает 39,3-43% против характерных для прототипа значений 1,8-3% после завершения стадии ферментативного гидролиза и 16,5-23% в готовом кормовом средстве. При этом заявленный способ предполагает трансформацию сахаров, образовавшихся в ходе ферментативного гидролиза, в низшие оксикарбоновые кислоты, которые являются ключевым источником энергии благодаря легкому преодолению клеточных мембран и проникновению в кровеносную систему животных, а также эффектам стимуляции механизмов усиленного углеводного пищеварения, что важно в стойловый период кормления животных, сопряженный с малой их двигательной активностью.
- Проведение делигнизации растительной массы с обеспечением деполимеризации лигнина для вовлечения его в пищеварительных процесс, что оценивается по способности полимера растворяться в 72%-ной серной кислоте; содержание кислоторастворимого полимера по заявленному способу достигает значений 3,3-18,4 масс. % против 0,2-0,4 масс. % по прототипу.
- Придание кормовому средству способности повышения содержания «транзитного» белка в композициях с высокопротеиновыми кормовыми препаратами за счет повышения способности пектиновых веществ растительной массы к межмолекулярному взаимодействию с белками, что оценивается по показателям общего содержания пектиновых веществ (9-64 мг/г по заявляемому способу против 2-16 мг/г по прототипу), степени структурного высвобождения пектина (95-97% против 2-7% по прототипу) и величины белковосвязывающей способности продукта (40-115 мг/г против 0,6-1,5 мг/г по прототипу).
2. Усиление защиты корма от повреждения и предупреждения интоксикации организма животных за счет достижения следующих эффектов:
- Повышение сохранности кормов на срок до 6 месяцев в результате проявления биоцидной активности генерируемых оксикарбоновых и фенилкарбоновых кислот, что оценивается по изменению (стабильности) значений pH водной вытяжки из кормового средства; величина показателя по заявленному способу получения кормового средства поддерживается на уровне 5,7-6,1 ед., против фиксируемого для прототипа падения pH с 5,0-5,1 до 4,0-4,2 ед. через 2 недели хранения кормового продукта при комнатной температуре.
- Предупреждение протекания автоокислительной деструкции кормового средства при хранении и ингибирования радикальных физиологических процессов в организме животного, что оценивается по величине показателя антиоксидантной способности, достигающей 55-100 кКл/100 г при фактическом отсутствии данного свойства у продукта, получаемого по прототипу.
- Улучшение детоксицирующей способности кормового средства в отношении токсинов неорганической и органической природы, что обусловлено высокой комплексообразующей способностью сохраненного пектина и оценивается по показателям адсорбционной емкости в отношении соответствующих маркеров: ионов меди (35-68 мг/г против 0,3-0,7 мг/г по прототипу) и тиазинового красителя метиленовый голубой (54-94 мг/г против 6,3-20,5 мг/г по прототипу).
3. Упрощение и сокращение длительности процесса при обеспечении однородности свойств получаемого продукта за счет того, что вместо шести операций обработки растительной массы с общей продолжительностью 35 суток проводят четыре операции с общей длительностью процессов 2,8-3,5 часа, что в 240-300 раз меньше по сравнению с прототипом, при этом все операции осуществляются при перемешивании.
4. Расширение сырьевой базы сельскохозяйственного кормопроизводства за счет эффективной делигнизации используемых видов растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки, включая лубоволокнистые материалы.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Заявленным способом можно перерабатывать растительное сырье с высоким содержанием одревесневшей клетчатки, в том числе обычные виды грубых кормов солому злаковых культур, древесные опилки, а также стеблевую часть лубоволокнистых растений, включая масличные сорта льна, отходы производства льняного и пенькового волокна.
Для осуществления способа используют следующие реагенты.
• Можно применять древесную золу как лиственных, так и хвойных деревьев с широким набором микроэлементов, представленных неорганическими солями кальция (карбонат, силикат, сульфат, хлорид), магния (силикат, сульфат), калия (ортофосфат) и натрия (ортофосфат, хлорид) и др.
• В качестве соды используется гидрокарбонат щелочного металла, например гидрокарбонат натрия (натрий углекислый кислый ГОСТ 4201-79), калий двууглекислый (калий углекислый кислый ГОСТ 4143-78).
• В композиции целлюлолитических ферментов могут быть использованы гомогенные и промышленные полиферментные препараты, содержащие следующие ферменты:
1) эндо-1,4-β-глюканаза (тривиальное название целлюлоза, классификационный номер, установленный действующей Международной классификацией ферментов 1961 г. КФ 3.2.1.4);
2) экзо-1,4-β-глюканаза (целлобиогидролаза, КФ 3.2.1.91) и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза (КФ 3.2.1.74);
3) β-глюкозидаза (целлобиаза) (КФ 3.2.1.21);
4) эндо-1,4-β-D-ксиланаза(К.Ф. 3.2.1.8);
5) экзо-1,4-β-D-ксилозидаза (К.Ф. 3.2.1.37) и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза (К.Ф. 3.2.1.72).
Композиция целлюлолитических ферментов может быть получена, например, путем смешения в определенных комбинациях и соотношениях препаратов:
- Целловиридин Г3х (ТУ 9291-014-00479563-00) содержит ферменты 1)-3);
- Целловиридин Г20х (ТУ 9152-008-05800805-93) содержат ферменты 1)-3);
- ЦеллоЛюкс-А (ТУ 9291-023-13684916-09) содержит ферменты 1)-4);
- Ксибетен-Цел (ООО «Биовет-фермент», Россия) содержит ферменты 1)-3);
- Ксилоглюканофоетидин П10х (ТУ 9152-032-34588571-99) содержит ферменты 1), 2), 4), 5);
- Ксилолюкс (ТУ 9291-024-13684916-09) содержит ферменты 1), 2), 4), 5);
- Ксиланаза (ТУ 9291-035-34588571-2001) содержит ферменты 1), 2), 4), 5);
- Ксибетен-Ксил (ООО «Биовет-фермент», Россия) содержит ферменты 2), 4), 5);
- Фидбест-W (ООО ПО «Сиббиофарм», Россия) содержит ферменты 2), 4), 5);
• Для приготовления раствора целлюлолитических ферментов может быть использована дистиллированная или техническая умягченная вода. Дозировку ферментных препаратов осуществляют, контролируя уровень каталитической активности компонентов полиферментной композиции в соответствии с общепринятыми методиками тестовых экспериментов [Рухлядева А.П., Полыгалина Г.В. Методы определения гидролитических ферментов. - М.: Легпищпром. 1981. - 290 с.].
• В качестве дополнительных компонентов композиция целлюлолитических ферментов может содержать смачиватели, комплексообразователи, антивспениватели, нейтральные электролиты.
• В качестве дополнительного компонента в кормовое средство может вводиться белковый концентрат, преимущественно с низким содержанием транзитного белка, например, жидкие, суспендированные или сухие формы послеспиртовой барды.
Способ может быть реализован на типовом оборудовании для измельчения растительного сырья и его переработки в увлажненном состоянии с возможностью перемешивания и нагрева, регулирования наличия контакта с воздухом или изоляции от атмосферы с избыточным давлением.
Для измельчения могут быть применены, в частности: роторно-дисковый измельчитель, экструдер, гидравлическая резальная машина с гильотинным режущим механизмом, резальная машина с непрерывным перемешиванием сырья под ножами. Для смачивания, ферментативного гидролиза и делигнизации растительной массы можно использовать реактор с вертикальным перемешиванием массы без образования застойных зон, который имеет нагревательную рубашку для поддержания заданной температуры, а также возможность изолирования от атмосферы и регулируемого подъема давления.
Способ реализуют последовательным проведением следующих операций:
Измельчение предназначено для предварительного рыхления, разрушения уплотненных образований и формирования смеси растительной массы с размером частиц не более 40 мм.
Смачивание раствором золы и соды, наряду с задачей внесения минеральных компонентов, предупреждает потерю биокаталитической активности при использовании композиции целлюлолитических ферментов без специальных буферирующих добавок. Предпочтительно проведение пропитки растительного сырья технологическим раствором золы и соды с температурой не ниже 50°C в течение 5-10 мин.
Ферментативный гидролиз полимеров клетчатки проводят, обеспечивая глубокую конверсию до низкомолекулярных продуктов с целью наращивания содержания «быстрых углеводов», которые наряду с повышением питательной ценности корма участвуют в последующем протекании реакций делигнизации. При этом должны соблюдаться условия сохранности и структурного высвобождения пектиновых веществ, повышения их детоксицирующей и белковосвязывающей способности. Комплекс технологических требований обеспечивает применение композиции целлюлолитических ферментов с показателями биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл.):
| - эндо-1,4-β-глюканаза | - 100-600; |
| - экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | - 1000-1500; |
| - β-глюкозидаза | - 50-250; |
| - эндо-1,4-β-D-ксиланаза | -500-1000; |
| - экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза | - 300-800. |
Операция проводится при влагосодержании растительной массы 100-500% и температуре 40-50°C, при перемешивании в контакте с воздухом в течение 90-120 мин.
Делигнизация включает протекание редокс-превращений лигнина под действием продуктов ферментативного гидролиза полисахаридов клетчатки, обеспечивающих частичную его деполимеризацию с целью вовлечения в пищеварительный процесс, а также для перевода структурных фенилпропановых звеньев в свободную фенольную форму и повышения антиоксидантной способности, свойственной полифенольным соединениям, что в свою очередь предупреждает автоокислительное повреждение корма в процессе хранения, а при попадании в организм животного - стимулирует его внутренние защитные функции. Делигнизацию проводят путем нагрева массы до 90-95°C с выдержкой без доступа воздуха под давлением 70-85 кПа в течение 20-25 мин. Последующее охлаждение осуществляют естественным теплообменом при перемешивании массы в контакте с воздухом. Условия обработки обеспечивают последовательное протекание серии химических реакций диссоциации гидрокарбоната щелочного металла (1), ретроальдольного распада cахаров с образованием высокоактивных редуцирующих агентов общей формулы R-HC=O (2), восстановления карбонильных групп в макромолекулах лигнина и разрыва прилегающей эфирной связи между фенилпропановыми звеньями полимера с образованием дополнительного количества структурных звеньев в свободной фенольной форме (3):
Реакция (3) протекает в присутствии избытка продуктов реакции (2), что обеспечивается соблюдением заявленных параметров ферментативной деструкции полимеров клетчатки для образования достаточного количества низкомолекулярных сахаров, а также условий прохождения целевых реакций (2) и (3), включая обязательное отсутствие контакта с атмосферным кислородом. Последующее проведение охлаждения массы в контакте с воздухом обеспечивает кислородное окисление избыточного количества образовавшихся по реакции (2) альдегидов с образованием низших оксикарбоновых кислот (4):
Эти превращения преследуют достижения ряда целевых эффектов. Прежде всего, они обеспечивают перевод минеральной формы микроэлементов золы в хорошо растворимые органические соли с лучшей способностью усваиваться организмом животных. Вместе с тем гликолевая, оксимасляная, молочная кислоты являются ценным энергетическим источником. В отличие от глюкозы, способной проходить через клеточные мембраны только в присутствии инсулина, перенос этих веществ не требует гормональной поддержки, поэтому они всасываются в кровь уже в рубце жвачного животного. Окисление этих веществ обеспечивает организм энергией, способствует наращиванию мышечных тканей, что особо важно при откармливании молодняка. Вместе с тем оксикарбоновые кислоты выполняют в организме важные регуляторные функции. В частности молочная кислота, генерируемая в обычных условиях путем метаболического гликолиза глюкозы, важна для работы нервной системы и мозга, «включает» (или переключает, накапливаясь естественным образом в мышцах при увеличенных нагрузках) организм на интенсивное потребление углеводного питания. По аналогии с показаниями увеличенного потребления пищи с молочной кислотой для людей, ведущих малоактивный образ жизни, полезно увеличенное потребление лактата животными в малоактивный период стойлового кормления, когда и осуществляется основное использование кормовых смесей.
При реализации способа допустимо использование получаемого кормового средства с естественным влагосодержанием не более 20%, достигаемым в процессе испарения влаги в процессе перемешиваемого охлаждения массы. Для обеспечения длительной сохранности кормового средства могут использоваться методы гранулирования или получения высушенной дисперсной выпускной формы.
Способ получения кормового средства предполагает его использование в сочетании с высокопротеиновыми компонентами кормовых смесей или рационов питания животных. Даже при получении подобных смесей непосредственно перед их скармливанием проявляемый повышенный уровень белковосвязывающей способности кормового средства по изобретению позволяет повысить устойчивость белка к преждевременному расщеплению в рубце жвачных животных. Вместе с тем способ по изобретению позволяет осуществлять смешивание полученного кормового средства с высокопротеиновым концентратом непосредственно после завершения охлаждения делигнизированной массы. Предпочтительно использовать высокопротеиновой концентрат с низким удельным содержанием «транзитного» белка, например, послеспиртовую барду в сухой или суспендированной формах с содержанием сырого протеина 10-40% в пересчете на сухое вещество, в котором массовая доля транзитного белка, как правило, составляет от 5,5 до 22%.
Оценку эффективности предлагаемого способа получения кормового средства из растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки и прототипа проводили по одинаковой совокупности показателей и характеристикам свойств полученного кормового средства в пересчете на сухой остаток:
1 - содержание сахаров (GBC, масс. %), определяемое методом спектроскопии окрашенных комплексов cахаров с динитросалициловым реагентом [Итоги науки и техники. Методы изучения и свойства целлюлолитических ферментов // под ред. С.Д. Варфоломеева. М.: ВИНИТИ, 1993. С. 31], - для оценки глубины конверсии растительной массы при ферментативном гидролизе;
2 - содержание кислоторастворимого лигнина (GЛР, масс. %), определяемое по разнице общего содержания лигнина после растворения целлюлозы медноаммиачным раствором в соответствии с методикой [ГОСТ 25438-82] и массовой доли лигнина, не растворимого в 72%-ной серной кислоте [Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. / Учебное пособие для вузов. - М; 1991. С. 185-186.],- для оценки эффективности проведения делигнизации клетчатки и возможности вовлечения его в пищеварительный процесс;
3 - содержание пектиновых веществ, определяемое по количеству полимера, экстрагируемого в раствор лимоннокислого аммония, с использованием метода электронной спектроскопии [Корнейчик Т.В., Боровская Л.А., Зильбертглейт М.А. Определение гексоз, пентоз и уроновых кислот в целлюлозных полуфабрикатах. 1. Определение гексоз, пентоз и уроновых кислот с о-толуидиновым реагентом // Химия древесины. 1986. №5. С. 42-45], в абсолютном значении массовой доли (П, мг/г) и в относительном выражении остаточного количества полимера к его содержанию в исходном растительном сырье (ПОСТ=100⋅П/ПИСХ, %), - для оценки сохранности пектина после ферментативного гидролиза полимеров клетчатки;
4 - содержание структурно высвобожденного пектина (ПCB, мг/г), определяемое по количеству пектина, извлеченного из навески сухой растительной массы щавелевой кислотой [Иванова Н.В., Попова О.В., Бабкин В.А. Изучение влияния различных факторов на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы. / Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 43-46], и показатель степени высвобождения пектина (СВП, %), рассчитываемый из отношения значения ПСВ к величине показателя П, - для характеристики доступности и реакционной способности пектина для адсорбционных взаимодействий;
5 - антиоксидантная активность (АОА, кКл/100 г), определяемая титриметрическим методом с перманганатом калия [патент RU 2170930, кл. G01N 33/50, G01N 33/52, заявл. 05.05.2000, опубл. 20.07.2001], - для оценки эффективности повышения устойчивости кормового средства к окислительной деструкции и усиления защитных функций организма животных;
6 - сорбционная емкость в отношении ионов меди (АCu, мг/г), определяемая спектрофотометрическим методом по изменению окраски образуемого окрашенного комплексного соединения Cu (II) с аммиаком [Садименко Л.П., Князева Т.В., Цыганков Е.М. Методическое пособие к практическим занятиям по аналитической химии. Количественный анализ. Часть 5. Ростов-на-Дону: РГУ, 2004. С. 11-13], - для оценки эффективности детоксицирующей способности в отношении тяжелых металлов - основного вида неорганических вредных веществ;
7 - сорбционная емкость в отношении метиленового голубого (АМГ, мг/г), определяемая спектрофотометрическим методом в соответствии с методикой [ГОСТ 13144-79], - для оценки эффективности детоксикации организма животных в отношении токсинов органической природы;
8 - белковосвязывающая способность (АБ, мг/г), измеряемая методом спектроскопии окрашенных комплексов альбумина с биуретовым реактивом [Государственная фармакопея СССР одиннадцатое издание. Выпуск 2. Общие методы анализа лекарственное растительное сырье. Т. 2 ГФ XI. С. 33],- для оценки эффективности повышения питательной ценности кормового средства при использовании в композициях с протеиновыми концентратами, характеризующимися низким содержанием транзитного белка;
9 - массовая доля сырого протеина (GБ, масс. %), оцениваемая в соответствии с рекомендациями [ГОСТ 13496.4-93];
10 - содержание транзитного белка, определяется по скорости гидролиза пищевого протеина ферментами желудочно-кишечного тракта - пепсином и трипсином [Чиркина Т.Ф., Битуева Э.Б. Метод, указания к выполнению лабораторного практикума по курсу «Пищевая химия» для студентов пищевых специальностей. - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2000. С. 9-12.] с расчетом абсолютного значения (GТБ, масс. %) и в виде относительного показателя степени защиты белка (СЗБ=GТБ/GБ, %);
11 - контроль за pH водной вытяжки кормового средства [ГОСТ 24596.5-81] - для оценки длительности его хранения без закисания и гниения.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1.
Приготовление кормового средства осуществляли из древесных опилок сосны. Способ приготовления кормового средства проводили по следующему технологическому режиму:
1 - измельчение на роторно-дисковом измельчителе РДИ 2/350;
2 - смачивание раствором древесной золы (40 г/л) и гидрокарбоната натрия (15 г/л) при температуре 50°C в течение 10 мин.;
3 - ферментативный гидролиз полимеров клетчатки композицией целлюлолитических ферментов, получаемой путем смешения препаратов Целловиридин Г3х и Ксилолюкс в количестве, обеспечивающем следующие значения показателей биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл.):
| - эндо-1,4-β-глюканаза | - 600; |
| - экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | - 1350; |
| - β-глюкозидаза | - 250, |
| - эндо-1,4-β-D-ксиланаза | - 1000; |
| - экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза | - 800, |
при влагосодержании растительной массы 100% и температуре 50°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 120 мин.;
4 - делигнизация путем нагрева массы до 95°C без доступа воздуха и выдержки в течение 25 мин. под давлением 85 кПа с последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом.
Получено кормовое средство в выпускной форме с остаточным влагосодержанием не более 20% без проведения дополнительной сушки, пригодное для краткосрочного использования на корм сельскохозяйственным животным.
Для сравнения получение кормового средства проводили по прототипу [патент RU №2539144].
Результаты сопоставления свойств кормового средства по совокупности анализируемых показателей для предлагаемого способа получения кормового средства и прототипа представлены в таблице.
Пример 2.
Приготовление кормового средства осуществляли из смеси ржаной соломы и соломы льна-кудряша 1:1. Способ приготовления кормового средства проводили по следующему технологическому режиму:
1 - измельчение на резальной машине ЛРШ-2-40;
2 - смачивание раствором древесной золы (40 г/л) и гидрокарбоната натрия (25 г/л) при температуре 50°C в течение 15 мин.;
3 - ферментативный гидролиз полимеров клетчатки композицией целлюлолитических ферментов, получаемой путем смешения препаратов Ксибетен-Цел и Фидбест-W в количестве, обеспечивающем следующие значения показателей биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл.):
| - эндо-1,4-β-глюканаза | - 300; |
| - экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | - 1200; |
| - β-глюкозидаза | - 110, |
| - эндо-1,4-β-β-ксиланаза | - 800; |
| - экзо- 1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо- 1,3-β-ксилозидаза | - 430, |
при влагосодержании растительной массы 350% и температуре 45°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 100 мин.;
4 - делигнизация путем нагрева массы до 93°C с выдержкой без доступа воздуха в течение 20 мин. под давлением 79 кПа и последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом.
Для получения кормового средства, обогащенного протеином, в охлажденную систему вводили суспензию послеспиртовой барды (кек).
Для получения кормового средства в виде гранул влажную массу обрабатывали на пресс-грануляторе (КМРМ-250). Формирование гранул осуществляли при давлении 1000 кг/см3. Диаметр гранул 8 мм при длине 50 мм.
Для сравнения получение кормового средства проводили по прототипу [патент RU №2539144].
Результаты сопоставления свойств кормового средства по совокупности анализируемых показателей для предлагаемого способа получения кормового средства и прототипа представлены в таблице.
Пример 3.
Приготовление кормового средства осуществляли из льняных угаров. Способ приготовления кормового средства проводили по следующему технологическому режиму:
1 - измельчение на двухшнековом экструдере ИИРТ-5;
2 - смачивание раствором древесной золы (40 г/л) и гидрокарбоната натрия (20 г/л) при температуре 50°C в течение 15 мин.;
3 - ферментативный гидролиз полимеров клетчатки композицией целлюлолитических ферментов, получаемой путем смешения препаратов ЦеллоЛюкс-А и Ксилоглюканофоетидин в количестве, обеспечивающем следующие значения показателей биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл.):
| - эндо-1,4-β-глюканаза | - 100; |
| - экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | - 1000; |
| - β- глюкозидаза | - 50, |
| - эндо-1,4-β-D-ксиланаза | - 500; |
| - экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза | - 300, |
при влагосодержании растительной массы 500% и температуре 40°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 90 мин.;
4 - делигнизация путем нагрева массы до 90°C с выдержкой без доступа воздуха в течение 20 мин. под давлением 70 кПа и последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом.
Для получения выпускной формы кормового средства массу сушили конвективным способом в сушильном шкафу путем обдувания теплоагентом.
Для сравнения получение кормового средства проводили по прототипу [патент RU №2539144].
Результаты сопоставления свойств кормового средства по совокупности анализируемых показателей для предлагаемого способа получения кормового средства и прототипа представлены в таблице.
Пример 4.
Приготовление кормового средства осуществляли из комлевой части стебля конопли. Способ приготовления кормового средства проводили по следующему технологическому режиму:
1 - измельчение на роторно-дисковом измельчителе РДИ 2/350;
2 - смачивание раствором древесной золы (40 г/л) и гидрокарбоната натрия (25 г/л) при температуре 50°C в течение 15 мин.;
3 - гидролиз полимеров клетчатки композицией целлюлолитических ферментов, получаемой путем смешения препаратов Целловиридин Г20х, Ксибетен-Ксил и Ксилаза в количестве, обеспечивающем следующие значения показателей биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл.):
| - эндо-1,4-β-глюканаза | - 450; |
| - экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | - 1500; |
| - β-глюкозидаза | - 180, |
| - эндо-1,4-β-D-ксиланаза -850; | |
| - экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза | - 650, |
при влагосодержании растительной массы 200% и температуре 45°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 120 мин.;
4 - делигнизация путем нагрева массы до 95°C с выдержкой без доступа воздуха в течение 25 мин. под давлением 85 кПа и последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом.
Для получения сухой выпускной формы кормового средства массу дополнительно сушили в сушильной камере.
Для сравнения получение кормового средства проводили по прототипу [патент RU №2539144].
Результаты сопоставления свойств кормового средства по совокупности анализируемых показателей для предлагаемого способа и прототипа представлены в таблице.
Анализ представленных в таблице данных показывает, что заявленный способ применим для приготовления кормового средства как из традиционных видов грубого растительного сырья (древесные опилки, ржаная солома), так и из высоколигнифицированной биомассы стебля лубяных растений, включая солому масличных сортов льна, отходы переработки льна-долгунца, комлевые части стебля конопли. Наряду с уменьшением числа операций обработки растительной массы и сокращением в 240-300 раз общей длительности технологического процесса, способ обеспечивает достижение высоких показателей глубины ферментативного гидролиза одревесневшей клетчатки и деструктирования лигнина для повышения питательной ценности перерабатываемого растительного сырья, эффективную защиту корма от повреждения и возможность связывания токсинов неорганической и органической природы, а также усиление белковосвязывающей способности.
В частности:
1) Глубину расщепления полимеров клетчатки на стадии ферментативного гидролиза отражают результаты достигаемого уровня содержания сахаров GBC в растительной массе, величина которого в 14,3-21,8 раза превышает значения показателя на соответствующей стадии реализации способа по патенту РФ №2539144 и в 1,9-2,2 раза выше данной характеристики для конечного продукта по прототипу.
2) Содержание кислоторастворимого лигнина ОЛР, характеризующее полноту делигнизации растительной массы и перевода полимера в высокогидролизованное состояние, по заявленному способу достигает значений 3,3-18,4 масс. % против 0,2-0,4 масс. % по прототипу, что существенно повышает эффективность его вовлечения в пищеварительный процесс.
3) Расщепление углеводных компонентов клетчатки осуществляется избирательно с максимальным сохранением полимеров пектиновых веществ, остаточное содержание которых по предлагаемому способу составляет 97-99%, что в 3,9-4,9 раза превышает уровень показателя при реализации способа по патенту РФ №2539144. При этом степень структурного высвобождения пектиновых веществ, достигаемого в результате расщепления полимерного окружения, составляет 95-97% против 2-7% для прототипа, что обусловливает высокую реакционную способность полимера.
4) Увеличение количества структурно высвобожденного пектина обеспечивает совокупность взаимодополняющих эффектов:
- возрастание показателя белковосвязывающей способности АБ до 40-115 мг/г против 0,6-1,5 мг/г по прототипу не только обусловливает высокую (СЗБ=87-93%) степень защиты от преждевременного расщепления в рубце малых количеств соединений белковой природы, непосредственно присутствующих в перерабатываемой растительной биомассе, но также обеспечивает достижение 93%-ной степени перевода в связанное состояние протеинов послеспиртовой барды, добавляемой к полученному кормовому средству в количествах, обеспечивающих содержание сырого протеина 15 масс. %, в то время как по прототипу доля транзитного белка не превышает 28-70%;
- улучшение детоксицирующей способности кормового средства - сорбционная емкость в отношении ионов меди АCu повышается в 117-136 раз, метиленового голубого АМГ 2,9-9,8 раза.
5) Повышение антиоксидантной активности кормового средства (АОА) до 55-100кКл/100 г подтверждает усиление химической активности антиоксидантов, образующихся в системе при делигнизации и способных предупреждать автоокислительное повреждение корма при хранении, регулировать процессы его переваривания и ингибировать протекание радикальных физиологических процессов.
6) Усиление мер защиты корма от повреждения обеспечивает повышение сохранности кормов в 4,4-13,3 раза за счет подавления развития спонтанной микрофлоры при использовании внутренних (генерируемых в системе) антиоксидантов, окси- и фенилкарбоновых кислот, выполняющих роль консервантов и антисептиков.
7) Способ обеспечивает расширение сырьевой базы сельскохозяйственного кормопроизводства за счет использования высоколигнифицированного растительного сырья лубяных культур.
Способ приготовления кормового средства из растительного сырья с высоким содержанием одревесневшей клетчатки, включающий измельчение растительного сырья, смачивание раствором золы и соды, делигнизацию клетчатки, ферментативный гидролиз полимеров клетчатки с использованием композиции целлюлолитических ферментов, отличающийся тем, что в качестве соды применяют гидрокарбонат щелочного металла, используют композицию целлюлолитических ферментов с показателями биокаталитической активности в рабочем растворе (ед./мл):
| эндо-1,4-β-глюканаза | 100-600 |
| экзо-1,4-β-глюканаза и/или экзо-1,4-β-глюкозидаза | 1000-1500 |
| β-глюкозидаза | 50-250 |
| эндо-1,4-β-D-ксиланаза | 500-1000 |
| экзо-1,4-β-D-ксилозидаза и/или экзо-1,3-β-ксилозидаза | 300-800 |
ферментативный гидролиз проводят перед делигнизацией при влагосодержании растительной массы 100-500% и температуре 40-50°C, обеспечивая контакт с воздухом и перемешивая в течение 90-120 мин, а делигнизацию проводят путем последующего нагрева массы до 90-95°C и выдержки без доступа воздуха в течение 20-25 мин под давлением 70-85 кПа с последующим естественным охлаждением при перемешивании в контакте с воздухом.
