Продукты микробиологического и химического синтеза

14.09.2015

В последние годы достигнуты большие успехи в разработке способов получения белковых кормов и биологически активных веществ методом промышленного синтеза. Путем культивирования дрожжей, бактерий, плесневых грибов, водорослей на средах, содержащих минеральные соли и источники углерода (ацетон, альдегиды, простые сахара, спирт, углерод угля, парафины, углеводороды нефти, природного газа и т. д.), получают высокоценные корма, богатые белком.
Из биосинтетических компонентов для комбикормов в настоящее время наиболее ценными являются дрожжи, в которых сосредоточены все вещества, необходимые для жизни животного организма (белки, углеводы, жиры, ферменты, витамины и др.).
При производстве антибиотиков, лимонной кислоты и других органических соединений получают в виде отходов мицелий грибов-продуцентов, содержащий высокопитательные белки.
Сейчас известно много видов и рас микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают и выделяют во внешнюю среду конечные продукты своего обмена в виде отдельных аминокислот, витаминов, ферментов, антибиотиков. На основе этого производится кормовой концентрат лизина (ККЛ), концентрат метанового брожения - источник витамина B12 (КМБ-12), ферментные препараты, антибиотики и др.
Из компонентов химического синтеза в комбикормовой промышленности применяют мочевину, соли аммония, некоторые аминокислоты, витамины, антиоксиданты, транквилизаторы, кокцидиостаты, гормональные препараты, поверхностно-активные вещества.
Кормовые дрожжи. Наша промышленность располагает практически неограниченной сырьевой базой для развития производства кормовых дрожжей. Для приготовления их используют отходы: древесные - предприятий лесной, лесопильной и деревообрабатывающей промышленности; растительные - стержни кукурузных початков, подсолнечную лузгу, стебли хлопчатника, дикорастущий камыш, солому; щелоки сульфитно-целлюлозные и сульфитно-спиртовые — отходы целлюлозной промышленности. Выращивают дрожжи на отходах сахарного, спиртового, ацетоно-бутилового, крахмалопаточного и гидролизного производств с использованием мелассы, зерно-картофельной барды, картофельной мезги, экстрактов кукурузы, пшеницы и гидролизатов.
Кормовые дрожжи для производства комбикормов вырабатывают в сухом виде. Химический анализ показал, что они содержат (%): протеина - 44-54 (в том числе переваримого - 39-52), углеводов - 25-35, жира - 1,5-5,0, БЭВ - 22-40 и минеральных веществ - 6-12. В состав золы дрожжей входят (%): фосфор (Р2О5) - 45-59, калий (K2O) - 23-39, кальций (CaO) - 1-7 и другие химические элементы (железо, магний, натрий, сера, медь, марганец и кобальт).
Протеин дрожжей имеет высокую биологическую ценность, так как в нем содержатся все незаменимые аминокислоты, по количеству которых он приближается к белкам животного происхождения. Только при длительном скармливании дрожжей может ощущаться недостаток серосодержащих аминокислот - метионина и цистина. Они по аминокислотному составу несколько уступают протеинам молока, но превосходят протеины сои, семян подсолнечника, белой фасоли, гороха.
При использовании кормовых дрожжей продукты животноводства не приобретают никакого постороннего запаха, тогда как скармливание рыбных продуктов обусловливает неприятный рыбный запахx мяса, яиц.
Переваримость азотистых веществ в кормовых дрожжах у различных видов животных составляет 85,5-91,5%, сырого жира - 63-70 и углеводов - 81-94%.
Дрожжи содержат большие количества витаминов (мг/кг): пантотеновой, никотиновой, фолиевой кислот - соответственно, 100, 326, 26,4, холина - до 3000, рибофлавина - 48,6, тиамина - 18,3, пиридоксина - 26,4 и др. В них нет витамина В12, однако они могут быть обогащены им.
Сочетание в кормовых дрожжах полноценных, хорошо усвояемых белков, витаминов, ферментов, гормонов и минеральных веществ способствует лучшему усвоению в организме животных как питательных веществ самих дрожжей, так и питательных веществ комбикормов, поскольку дрожжи повышают биологическую ценность других компонентов рациона. Кроме того, они могут служить в качестве наполнителя при производстве премиксов.
Кормовые дрожжи характеризуются следующими физико-химическими свойствами: влажность - 7,5%, плотность - 1280 кг/м3, средний размер частиц - 0,12 мм, объемная масса - 506 кг/м3, угол естественного откоса - 40 град, коэффициент внутреннего трения - 0,37, сыпучесть -4 балла, распыляемость - 28,7%, гигроскопическая точка - 48% и максимальное поглощение влаги - 2,23 г.
Кормовые дрожжи получают из технически чистых культур дрожжей, выращиваемых на различных субстратах гидролизно-дрожжевого спиртового, ацетоно-бутилового и сульфитно-щелокового производства. В соответствии с ГОСТ 200083-74, кормовые дрожжи должны отвечать требованиям, приведенным в табл. 12.
Дрожжи кормовые, обогащенные витамином D2, получают по той же самой технологии, что и вышеуказанные. В их жировой фракции содержится эргостерин в количестве 0,5%, который при облучении ультрафиолетовыми лучами превращается в витамин D2 (эргокальциферол). Обычно облучают дрожжевую суспензию ртутно-кварцевыми лампами (ПРК-7). В облученных дрожжах содержание эргокальциферола больше, чем в рыбьем жире, и превышает иногда 20000 ИЕ/г.

Продукты микробиологического и химического синтеза

Определенный интерес представляют кормовые дрожжи, полученные из технически чистых культур дрожжей, выращенных на барде гидролизных производств и высушенных на распылительной сушилке с кормовым концентратом аминокислоты l-лизина в соотношении 85-90% и 15-10%, соответственно.
Дрожжи белковые кормовые, обогащенные лизином, должны соответствовать следующим требованиям: влажность - не более 10%, содержание протеина - не менее 45%, золы - не более 12%, свободного l-лизина-монохлоргидрата - 2-3%, металлопримеси и песок - не допускаются (ТУ 59-12-2-73).
По скорости накопления и составу каротиноидов интерес представляют красные дрожжи - Rhodotorula gracilis и Rhodotorula rubra, из биомассы которых получают каротиноидные дрожжи.
Каротиноидные дрожжи являются высокобелковым и витаминным кормом. Они имеют следующий химический состав (%): протеин - 50, углеводы - 35, жир - 5, минеральные вещества - 10. Белковый комплекс их содержит все незаменимые аминокислоты, которые составляют 42% от состава белка. В 1 кг сухого вещества этих дрожжей содержится витаминов (мг): каротина - 1000-1600, провитамина D - 1000, тиамина - 2-18, рибофлавина - 21-28, пиридоксина - 9, витамина B12 -100, пантотеновой, никотиновой, фолиевой и аскорбиновой кислот - соответственно, 12-17, 110-180, 485 и 1000-2500. Пигменты дрожжей представлены в основном бета-каротином, торулином и торулородином.
Исследованиями установлено, что каротиноидные дрожжи обладают А-витаминной активностью и могут быть использованы в качестве заменителя дорогостоящего витамина А.
Мицелиальные отходы являются ценным источником белка. К ним относится мицелий продуцентов антибиотиков (пенициллина, биомицина), лимонной кислоты (гриб из рода Aspergillus).
Нативный мицелий пенициллина содержит 18,3% органических веществ и 1,2% золы. В состав органического вещества входит 60,4% протеина, 0,9 - клетчатки, 0,6 - жира и 10,4% БЭВ. Протеин мицелия содержит все незаменимые аминокислоты.
Мицелий биомицина состоит из 15,4% сухого вещества, в котором на долю органических соединений приходится 98%, и 2% составляет зола. В органическом веществе содержится протеин (60,5%), сырая клетчатка (3,2%) и БЭВ. Основное требование к мицелиальным массам антибиотиков - минимальное содержание активного начала. В противном случае применение мицелия приводит к возникновению в организме животных рас микробов, устойчивых к этим видам соединений.
Мицелий продуцента лимонной кислоты, выращиваемый на отходах свеклосахарных предприятий (мелассе), содержит до 31,5% протеина, 4,0-4,5% жира, 12-35% клетчатки, 47-48% БЭВ и 3-5% золы. Протеин его богат лизином, триптофаном, лейцином и особенно фенилаланином. В 1 кг мицелия содержится около 3000 ккал обменной энергии. Он используется в кормлении животных не только как источник белка, но и как источник протеолитических и амилолитических ферментов.
Карбамид вводят в комбикорм для устранения или уменьшения дефицита протеина в рационах крупного и мелкого рогатого скота. В нашей стране рекомендованы промышленные способы ввода карбамида в комбикорма в виде смеси с наполнителем или в растворе с мелассой. Высокое количество легкопереваримых углеводов в этих кормах способствует эффективному использованию карбамида. Нетоксичным является препарат карбамида - ОТИ - продукт химического взаимодействия карбамида и сахаров мелассы в присутствии серной или фосфорной кислот.
Следует отметить, что карбамид является нетехнологичным продуктом: комкуется и слеживается, теряя сыпучесть, ввиду высокой гигроскопичности. Поэтому рекомендовано смешивание его с наполнителями (бентонитом, подсолнечным шротом) в соотношениях 1:0,2-1. Такие продукты сохраняют сыпучие свойства 30-40 дней.
Для комбикормовой промышленности, согласно НТД, поставляется карбамид марки Б, который представляет собой белые или желтоватые шарообразные гранулы солоновато-горького вкуса с содержанием влаги до 0,25%. В сухом продукте количество азота должно быть не менее 46,1%, биурета - не более 3%, рассыпчатость - не менее 100%, содержание гранул от 1 до 4 мм - не менее 93% (в том числе от 2 до 3 мм -не менее 50%) и гранул менее 1 мм - до 5%; остаток на сите с размером отверстий 5 мм не допускается, механическая прочность на раздавливание равна 300 г на гранулу.
Аминокислоты. Протеиновая питательность рациона животных определяется двумя показателями: количеством протеина и его качеством (аминокислотным составом). По своему химическому составу и усвояемости белки компонентов комбикорма имеют значительные различия, которые обусловлены неодинаковым набором аминокислот, различной их комбинацией и совершенно разными концентрациями. Кроме того, качество кормов зависит от содержания в белках необходимых животным аминокислот в доступной форме.
Аминокислоты как составные части белков, пептидов, ферментов, гормонов и других регуляторов обмена веществ занимают центральное место в азотистом метаболизме. При гидролизе животных белков различной природы всегда получают 20 аминокислот. Животные хорошо используют l-форму валина, лейцина, изолейцина, лизина и треонина, тогда как триптофан, гистидин, фенилаланин и метионин биологически активны в d- и l-формах.
В организме животных часть аминокислот синтезируется из других аминокислот, углеводов и жиров, и поэтому они получили название заменимых. К ним относятся: глицин, серин, аланин, норлейцин, цистин, цитруллин, пролин, оксипролин, тирозин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. В то же время есть аминокислоты, которые не могут образовываться в организме или синтезируются в недостаточном количестве; они должны быть доставлены с кормом в концентрациях, отвечающих физиологической потребности, и их называют незаменимыми. Количество их определяется видовыми особенностями животных. В частности, свиньи и птица должны получать с комбикормами следующие аминокислоты: лизин, метионин, триптофан, аргинин, гистидин, лейцин, фенилаланин, треонин и валин; для цыплят оказался необходимым и глицин. Жвачные требуют меньшего набора аминокислот, так как часть их синтезируется микрофлорой в преджелудках. Установлена взаимозаменяемость аминокислот: метионин частично может быть заменен цистином, фенилаланин - тирозином.
На эффективность использования кормов животными большое влияние оказывает степень усвоения аминокислот, уменьшение доступности которых обусловливают следующие факторы.
1. Тепловая обработка кормов, в результате которой свободные аминогруппы белков вступают в химические реакции с углеводами, продуктами окисления жиров, или карбоксильные группы их - с амино- и оксигруппами других аминокислот; например, свободные карбоксильные группы глутаминовой и аспарагиновой кислот взаимодействуют с аминогруппами лизина, аргинина и имидазольной группой гистидина или гидроксильными группами треонина. Образовавшиеся связи в этих реакциях не разрушаются пищеварительными ферментами, поэтому уменьшается количество доступных аминокислот.
2. Слабая переваримость ряда протеинов (зеина, кератинов шерсти, пера и др.), которые не расщепляются пищеварительными ферментами в результате плохой растворимости.
3. Наличие инактивирующих веществ: ингибитор трипсина в зерне сои (ингибирует цистин), овомукоид в яичном белке, госсипол в семенах хлопчатника.
4. Отсутствие в местах синтеза белка в необходимом количестве и нужном соотношении одновременно всех аминокислот, входящих в его став, ввиду медленного высвобождения аминокислот из корма в процессе переваривания и всасывания. Запоздалое добавление к корму дефицитной аминокислоты также неэффективно.
5. Антагонизм между аминокислотами, в частности, С-аминоадипиновая кислота белков кукурузы, которая является одновременно продуктом распада лизина и его антагонистом, включаясь при биосинтезе в белки, вытесняет лизин. Находятся в антагонизме аргинин и лизин; лейцин, изолейцин и валин; тирозин и треонин, метионин и глицин, метионин и аргинин.
В связи с этим следует учитывать основные причины снижения доступности аминокислот при промышленном производстве кормов.
Главными источниками аминокислот являются естественные корка, среди которых особое значение имеют корма животного происхождения. С целью экономного использования белка, исключения отрицательного влияния аминокислотного соотношения и достижения высокой биологической эффективности комбикорма балансируют по содержанию аминокислот, количество которых определяется нормой потребности и уровнем протеинового питания различных видовых и половозрастных групп животных. Из всех незаменимых аминокислот первостепенное значение имеет лизин, затем метионин, цистин, триптофан, которые получили название «критических», и треонин. В комбикормовой промышленности в качестве компонентов комбикормов используют в основном вышеназванные аминокислоты.
Лизин (α-ε-диаминокапроновая кислота) содержит две аминогруппы и одну карбоксильную, поэтому он обладает свойствами основания. Лизин встречается во всех белках, особенно его много в протаминах. Растительные корма концентрируют его в незначительных количествах, в связи с чем в комбикормах (рационах) этой аминокислоты часто не хватает. Недостаток лизина приводит к снижению аппетита, потере веса, уменьшению яйценоскости, нарушению кальцификации костной ткани, истощению, развитию анемии вследствие нарушения гемопоэза и синтеза гемоглобина. Он необходим животным для регуляции обмена азота, углеводов, синтеза важнейших белков — нуклеопротеидов, хромопротеидов и других, поддержания полового цикла; входит в состав белковых веществ сперматозоидов.
Лизин получают путем микробиологического синтеза с помощью штаммов Brevibacterium. В качестве сырья используют мелассу, сульфат аммония; для увеличения выхода лизина применяются фосфаты. На этой основе получают кормовой концентрат лизина (ККЛ), представляющий собой непрозрачную жидкость темно-коричневого цвета с запахом, характерным для ККЛ. Согласно техническим условиям, он должен содержать: сухих веществ - не менее 45-60%, монохлоргидрата лизина - не менее 7-14%, рибофлавина - 100 мкг/г, бетаина - 5%, удельный вес ККЛ равен 1,15-1,30 г/см3, pH - 4,5-6,0.
Помимо лизина, ККЛ богат метионином, триптофаном, аргинином, гистидином и валином, по количеству которых превосходит кормовые дрожжи, но беднее последних по уровню треонина, лейцинов и фенилаланина. В 1 кг продукта содержится около 2800 ккал обменной энергии, 500 мг никотиновой, 5000 мг пантотеновой и 2000 мг фолиевой кислот.
ККЛ обладает хорошей текучестью при температуре окружающей среды 10-25 °С. Для осуществления ввода его в комбикорма целесообразно использовать оборудование технологической линии ввода жиров. Препарат в количестве 1-4% почти не изменяет физико-химические свойства комбикормов. Срок хранения ККЛ определяется одним месяцем.
Монохлоргидрат лизина - сыпучий кристаллический порошок от светло-коричневого до светло-желтого цвета, без запаха, горьковато-соленого вкуса, хорошо растворимый в воде. Температура плавления 263-264 °С. Его получают путем микробиологического синтеза с последующей фильтрацией культуральной жидкости, сорбцией лизина на катионитах и десорбцией аммиачной водой. По физико-химическим показателям продукт должен отвечать следующим нормам:
- влажность - не более 2%,
- α-монохлоргидрат лизина от сухого вещества - 95-97%,
- зола - не более 1-2%,
- лизин - 78%.
Применяют препарат дня балансирования рационов и комбикормов для свиней, птицы, телят до трехмесячного возраста. Его можно вводить как через премиксы, так и непосредственно в комбикорма. Лизин малогигроскопичен и высокоэффективен. Его упаковывают по (15±0,2) кг или по (0±0,2) кг в полиэтиленовые мешки или мешки-вкладыши пленочные, которые затем вкладывают в четырехслойные бумажные мешки. Срок годности - 1 год.
Лизин синтетический, поступающий в последнее время на рынок, в комбикормах для свиней без соевого шрота и рыбной муки является Обязательным компонентом. Доведение содержания лизина в комбикорме до нормы дает возможность проявить функции данной аминокислоты в полном объеме.
Метионин (α-амино-γ-тиометилмасляная кислота) является моно-аминомонокарбоновой серосодержащей аминокислотой, имеющей слабосвязанную метальную группу, обладающую высокой реакционноспособностью. Недостаток его приводит к снижению роста, ожирению печени, нарушению функции почек, снижению уровня лецитина, к атрофии мышц и развитию анемии. В комбикормах для птицы становится обязательным компонентом. Метионин способствует росту наружного покрова, препятствует окислительной деструкции белковых веществ, участвует в образовании глобина, обладает липотропным действием, является источником метальных групп при синтезе холина и каротина. Метионин на 20-50% можно заменить цистином и наоборот, поэтому наличие в рационе достаточных количеств цистина сокращает расход метионина. В последние годы метионин и глицин в сочетании с пропионово-ацидофильной бульонной культурой применяют для смещения пола у потомства кур в женскую сторону.
Метионин - это белый кристаллический порошок со слабым неприятным запахом меркаптосоединений, сравнительно плохо растворимый в воде.
Dl-метионин содержит 95-98% чистой аминокислоты, температура плавления которой равна 272-276° С. Лево- и правовращающие формы метионина одинаково усваиваются животными.
Метионин характеризуется следующими физико-механическими свойствами:
- влажность - 0,1%,
- плотность - 1340 кг /м3,
- средний размер частиц - 0,5 мм,
- объемная масса - 392 кг/м3,
- угол естественного откоса - 39 град.,
- коэффициент внутреннего трения - 0,11,
- сыпучесть - 6 баллов,
- распыляемость - 49,9%,
- гигроскопичность - 64%.
Метионин упаковывают в полиэтиленовые мешки, вложенные в четырехслойные бумажные мешки, массой нетто 20 кг.
Цистин - α-диамино-β-дитиодипропионовая кислота является продуктом окисления цистеина. Метионин и цистин тесно связаны между собой в обмене веществ, поэтому при разработке рационов метионин учитывается вместе с цистином.
L-Триптофан является аминокислотой гетероцикличного ряда, которая находится в рационах на грани недостаточности в связи с тем, что ее мало в кукурузе и других кормах. Триптофан и его производные принимают участие в регуляции эндокринного статуса, воспроизводительных функций, гемопоэза, необходимы для синтеза гемоглобина и глазного пигмента. Триптофан выпускают с содержанием 98% действующего начала, до 1% сырой золы, влажностью до 1%. Ранее отечественной промышленностью выпускались триптофан кристаллический технический с содержанием 70% действующего начала, с 1,5% золы, 2% воды и кормовой концентрат триптофана, в котором содержится до 2,8% чистого вещества.
L-Треонин является оксиаминокислотой, входящей в состав многих белков корма. Поэтому обычные рационы, содержащие кукурузу, ячмень, шроты, мясокостную или рыбную муку, обеспечивают свиней и птицу достаточным количеством треонина. Однако в рационах с преобладанием пшеницы, бобов, отрубей пшеничных или овсяных, сухого свекловичного жома, обрата и других кормов может наблюдаться дефицит аминокислоты. Препарат имеет содержание действующего начала 98%, влажность - до 0,5%, сырой золы - до 0,5%.