автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии переработки перопухового сырья в корма для сельскохозяйственных животных

На правах рукописи

МИТРОХИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПЕРОПУХОВОГО СЫРЬЯ В КОРМА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ

Специальность 05.1В.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з июн т

Кемерово 2015

005569664

005569664

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» (ФГБОУ ВО «КемТИПП»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кригер Ольга Владимировна

Официальные оппоненты: Баженова Баяна Анатольевна, доктор

технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления», доцент кафедры «Технология мясных и консервированных продуктов»

Позднякова Ольга Георгиевна,

кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», доцент кафедры «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет Н.И. Вавилова»

Защита диссертации состоится «23» июня 2015 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.01 при ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, ауд 4., тел.: (3842)39-05-37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» (http://nu.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «20» мая 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /О *_____Смирнова Ирина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Актуальной задачей современности является необходимость распространения импортозамещающих технологий, превращающих малоценные отходы в ценные продукты и компоненты с высокой добавленной стоимостью. Среди таких компонентов важная роль отводится пищевому и кормовому белку. О приоритетности данного направления пищевой биотехнологии свидетельствует «Комплексная программа развития биотехнологий в РФ на период до 2020 г.».

Наиболее динамичной и наукоемкой отраслью мирового и отечественного агропромышленного комплекса является птицеводство. С ростом выпуска мяса птицы значительно возрастают объёмы отходов потрошения птицы. Так, в 2013 г. объем отходов птицепереработки составил 1,2 млн. т. Наибольший интерес из всех отходов потрошения птицы представляет перопуховое сырье, поскольку оно составляет 30% от массы всех отходов.

На данный момент известны различные способы переработки и утилизации отходов органического происхождения с помощью механических, физико-химических, химических и биологических методов. Среди многообразия современных подходов, имеющихся в этой области, выделяются способы утилизации отходов «нового поколения», относящиеся к биоконверсионным. Процессы, осуществляемые микроорганизмами при биоконверсии, выгодны не только тем, что в них используются самые разнообразные сырьевые ресурсы (возобновляемые материалы животного, а также отходы различных производств), но и тем, что получаемые продукты имеют возможное применение в самых различных областях человеческой деятельности.

Достоинства биоконверсионных процессов заключаются в отсутствии необходимости применять высокие температуры и давления при реализации ферментативных реакций, что свидетельствует об их большей эффективности по сравнению с традиционными методами переработки сырья, а также о сравнительной простоте технического обеспечения производственных процессов. Биоконверсия позволяет достичь экологической чистоты произведенной продукции по сравнению с химическими технологиями, поскольку сырьем для ее осуществления служат возобновляемые материалы животного происхождения, а сама продукция полностью расходуется в процессах потребления. Поэтому процессы такого рода способны не только ускорить и удешевить получение конечной продукции, но и снизить затраты по защите воздушного и водного бассейнов, а также почвы от загрязнений.

Технологии с применением штаммов микроорганизмов имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями переработки органических отходов: 1) невысокая трудоемкость и высокая экономическая эффективность; 2) экологичность; 3) высокая операционная стабильность и стабильность при хранении готовых продуктов; 4) незначительная продолжительность процесса; 5) максимальное сохранение питательных веществ.

Степень ее разработанности. Известные на данный момент технологии биоконверсии перопухового сырья характеризуются рядом существенных недостатков: низкая степень биоконверсии; невысокий выход белка; трудоемкость и

многостадийность процесса и т.д. В связи с этим возникла необходимость совершенствования биоконверсионных технологий, более глубокого изучения фундаментальных аспектов процессов, лежащих в основе биокаталитического превращения компонентов кератинсодержащих отходов, а также использования новых знаний для разработки новых технологических решений.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование и разработка технологии переработки перопухового сырья в корма для сельскохозяйственных животных.

Для достижения поставленной цели сформулированы основные задачи исследований:

- изучить состав и свойства перопухового сырья;

- провести отбор коллекционных микроорганизмов - деструкторов с целью создания консорциума для переработки перопухового сырья в корма для сельскохозяйственных животных;

- подобрать условия биодеструкции перопухового сырья консорциумом микроорганизмов с кератиназной активностью;

- изучить состав и свойства гидролизатов отходов птицеперерабатывающей промышленности, полученных под действием консорциума микроорганизмов-деструкторов;

- подобрать параметры сушки гидролизатов перопухового сырья с целью получения кормов для сельскохозяйственных животных;

- разработать технологическую схему производства кормовой добавки на основе гидролизата перопухового сырья, а также рецептуру комбикорма для сельскохозяйственных птиц;

- изучить состав и свойства разработанной кормовой добавки;

- разработать техническую документацию на кормовую добавку;

- рассчитать ожидаемую экономическую эффективность, провести промышленную апробацию технологии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- изучены физиолого-биохимические свойства пятнадцати штаммов микроорганизмов с кератолитическим действием, предоставленных ВКПМ ФГУП «ГосНИИ-генетика», с целью выбора штаммов с максимальной кератиназной активностью;

- на основании полученных результатов выбраны четыре штамма микроорганизмов для создания консорциума, осуществляющего гидролиз кератинсодер-жащего сырья в кормовую добавку для сельскохозяйственных птиц: Bacillus lichen-iformis В-2986 (14,6 Е/мг) Streptomyces ornatus S-1220 (32,4 Е/мг), Pénicillium rubrum F-601 (21,6 Е/мг) и Verticillium lateritum F-626 (28,1 Е/мг).;

- доказана биосовместимость четырех описанных штаммов микроорганизмов между собой;

- подобраны условия биодеструкции перопухового сырья консорциумом, состоящим из четырех микроорганизмов - деструкторов (соотношение штаммов 1:1:1:1): температура 37°С; рН 7,5; продолжительность культивирования 12,0 ч; соотношение объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья 1:5,0;

- установлено, что биодеструкцня перопухового сырья консорциумом микроорганизмов позволяет получить гидролизат с высоким содержанием сырого протеина, низкомолекулярных пептидных фракций, свободных аминокислот и высокой перевариваемостью, что позволяет рекомендовать его для использования в качестве кормовой добавки.

Теоретическая и практическая значимость работы. На основании полученных результатов описаны основные параметры создания консорциума микроорганизмов - деструкторов, позволяющих гидролизовать перопуховое сырье в высокобелковую добавку. Разработан способ обезвоживания ферментативного гид-ролизата - сублимационная сушка при следующих параметрах: температура нагрева 40°С; продолжительность сушки 4,0 ч; толщина слоя сушки 10,0 мм. Разработана технологическая документация (ТУ 9283-199-020683315-2014), технологическая схема производства кормовой добавки, рецептура комбикорма для сельскохозяйственных птиц. Проведена промышленная апробация технологии в компании ООО «Биотек».

Методология и методы исследований. При проведении исследований использовали общепринятые, стандартные и оригинальные методы биохимического, физико-химического и микробиологического анализа, в том числе: хроматография, метод сжигания по Дюма, спектрофотометрия, электрофорез в полиакрила-мидном геле, микроскопирование и др.

Положения, выносимые на защиту:

- консорциум микроорганизмов - деструкторов: Bacillus licheniformis В-2986 (14,6 Е/мг) Streptomyces ornatiis S-1220 (32,4 Е/мг), Pénicillium rubnim F-601 (21,6 Е/мг) и Verticillium lateritum F-626 (28,1 Е/мг);

- состав питательной среды и условия для совместного культивирования четырех штаммов микроорганизмов - деструкторов;

- условия биодеструкции перопухового сырья консорциумом, состоящим из четырех микроорганизмов - деструкторов;

- параметры сублимационной сушки гидролизатов, полученных под действием консорциума микроорганизмов - деструкторов.

Степень достоверности и апробация работы. Основные положения и результаты работы были предметом докладов и обсуждений на международных и межрегиональных научно-практических конференциях, семинарах, конгрессах: 3rd International scientific conference «European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches» (Stuttgart, 2013); IV Всероссийская конференция с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011); IV Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2011); II международная научно-практическая конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, 2011); всероссийская научно-практическая конференция «Биомедицинская инженерия и биотехнология» (г. Курск, 2011); I международная научно-практическая конференция «Проблемы современной биологии» (Москва, 2011); всероссийская научная молодежная школа «Приборное и научно-методическое обес-

печение исследований и разработок в области инновационных технологий производства питания функционального назначения» (г. Кемерово, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из следующих основных разделов: введение, обзор литературы, объекты и методы исследования, результаты исследования и их обсуждение, выводы, список использованных источников и приложения. Основное содержание работы изложено на 112 страницах машинописного текста, содержит 30 таблиц и 18 рисунков. Список литературы включает 196 наименований.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Теоретические и экспериментальные исследования проведены в соответствии с поставленными задачами в Научно-образовательном центре и на кафедре «Бионанотехнология» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Отдельные этапы работы выполнены в рамках:

- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по направлению 1.2.1, по теме: «Исследование и разработка комплексной технологии переработки отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в функциональные продукты питания», гос. контракт№16.740.11.0058.

— ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 по теме: «Исследование и разработка технологии термостабильных ферментных препаратов для решения задач пищевой, биотехнологической и фармацевтической промышленности», гос. контракт №14.740.12.0813.

Общая схема проведения исследований приведена на рисунке 1.

Весь цикл исследований состоял из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе проводили анализ отечественных и зарубежных литературных данных по теме исследования, формулировали цель и задачи собственных исследований.

На втором этапе работы изучали состав перопухового сырья по таким показателям как массовая доля сырого протеина, массовая доля сырой клетчатки, массовая доля золы, массовая доля кальция, массовая доля фосфора, массовая доля натрия, аминокислотный состав, молекулярно-массовое распределение пептидов.

На третьем этапе проводили отбор коллекционных микроорганизмов - деструкторов с целью создания консорциума для переработки перопухового сырья в корма для сельскохозяйственных животных. Отбор штаммов проводили на основании следующих показателей: накопление биомассы, массовая доля белка в биомассе, степень гидролиза, кератиназная активность, перевариваемость, фенотипи-ческие свойства, биохимические свойства, биосовместимость штаммов.

Рисунок 1

- Общая схема проведения исследований

Четвертый этап исследований посвящен подбору условий биодеструкции, таких как состав питательной среды, продолжительность, температура, рН, соотношение объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья, консорциумом микроорганизмов с кератиназной активностью.

Следующий этап работы связан с изучением состава и свойств гидролиза-тов перопухового сырья, полученных под действием консорциума микроорганизмов-деструкторов. Контролировались следующие показатели гидролизатов: массовая доля сырого протеина, массовая доля сырой клетчатки, массовая доля золы, массовая доля кальция, массовая доля фосфора, массовая доля натрия, аминокислотный состав, молекулярно-массовое распределение, перевариваемое!ъ.

На шестом этапе работы подбирали параметры сушки гидролизатов перо-пухового сырья: температура, продолжительность, толщина слоя.

На основании полученных результатов разработали технологическую схему производства кормовой добавки на основе гидролизата перопухового сырья, а также рецептуру комбикорма для сельскохозяйственных птиц. Исследовали состав и свойства разработанной кормовой добавки. Рассчитывали ожидаемую экономическую эффективность. Полученные результаты учитывали при разработке технической документации и промышленной апробации.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Изучение состава и свойств перопухового сырья

В данном разделе изучали состав и свойства перопухового сырья. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав перопухового сырья, полученного от кур разных пород

Показатель Значение показателя для сырья от кур разных пород

«Р-15 Иза» «Ломанн Браун» «Ломанн ЛСЛ-Классик»

Массовая доля сырого протеина, % 85,62±4,28 89,03±4,45 85,14±4,26

Массовая доля сырой клетчатки, % 0,92±0,05 0,54±0,03 0,73±0,04

Массовая доля золы, не растворимой в соляной кислоте, % 0,15±0,01 0,20±0,01 0,20±0,01

Массовая доля кальция, % 0,89±0,09 0,95±0,09 0,91±0,09

Массовая доля фосфора, % 0,55±0,06 0,63±0,06 0,48±0,05

Массовая доля натрия, % 0,15±0,01 0,23±0,02 0,19±0,02

Из таблицы 1 следует, что отходы потрошения птицы, полученные от кур всех изучаемых пород, характеризуются высоким содержанием сырого протеина (85,14 - 89,03%) и низким содержанием сырой клетчатки (не более 0,92%) и золы (не более 0,20%). Наиболее ценным перопуховым сырьем в отношении содержания белка являются кератинсодержащие отходы, полученные от кур породы «Ломанн Браун» (массовая доля сырого протеина 89,03%).

Результаты определения микроэлементного состава перопухового сырья свидетельствуют о том, что по содержанию кальция (0,89-0,95%), фосфора (0,480,63%) и натрия (0,15-0,23) исследуемые образцы удовлетворяют требованиям нормативных документов, предъявляемым к кормам для сельскохозяйственной птицы.

Изучен аминокислотный состав перопухового сырья (таблица 2).

Таблица 2 - Содержание аминокислот в перопуховом сырье, полученном от кур разных пород__

Наименование аминокислоты Содержание аминокислот, г/100 г образца

«Р-15 Иза» «Ломанн Браун» «Ломанн ЛСЛ-Классик»

Аспарагиновая кислота 6,65±0,33 7Д4±0,36 6,78±0,34

Серин 5,34±0,27 5,59±0,28 5,21±0,26

Треонин 4,01±0Д0 4,14±0Д1 2,98±0,15

Глутаминовая кислота 4,22±0Д1 5,00±0,25 4,67±0,23

Пролин 0,53±0,03 0,44±0,02 0,50±0,03

Глицин 6,65±0,33 6,72±0,34 6,20±031

Аланин 5Д5±0,26 5,41±0,27 5,38±0,27

Цистеин 8,09±0,40 9,19±0,46 10,11±0,51

Метионин 13,01 ±0,65 12,24±0,61 12,17±0,61

Изолейцин 3,26±0,16 3,98±0Д0 3,34±0,17

Лейцин 6,18±0,31 6,32±0,32 6,24±0,31

Тирозин 5,02±0,25 5,34±027 5,10±0,26

Фенилаланин 4,18±0Д1 4,25±0,21 4,15±0,21

Гистидин 2,28±0,11 2,09±0,10 1,32±0,07

Лизин 5,04±0,25 5,15±0,26 5,09±0,25

Аргинин 5,89±0Д9 6,06±0,30 6,01±0,30

Всего: 85,60±4Г28 89,06±4,45 85,25±4»26

Результаты исследования свидетельствуют о том, что отходы потрошения птицы богаты серосодержащими аминокислотами, такими как цистеин, метионин, аспарагиновая кислота, серин, глицин, аланин, лейцин, тирозин, лизин, аргинин.

Таким образом, данные по физико-химическому составу перопухового сырья, полученного от кур трех разных пород, позволяют рекомендовать отходы потрошения птицы в качестве перспективного объекта для получения высокобелковых сбалансированных по макроэлементному и микроэлементному составу кормов для сельскохозяйственных животных.

Отбор коллекционных микроорганизмов - деструкторов с целью создания консорциума для переработки перопухового сырья в корма для сельскохозяйственных животных

Для исследования биодеградирующей способности выбраны пятнадцать штаммов микроорганизмов с кератиназной активностью, предоставленные ФГУП «ГосНИИгенетика» (http://www.genetika.ru/vkpm). У изучаемых штаммов контролировали следующие параметры: накопление биомассы; массовая доля белка; степень гидролиза кератина; перевариваемость кератинового гидролизата in vitro; кератиназная активность (таблица 3).

Из таблицы 3 следует, что наибольшее значение накопления биомассы при оптимальных условиях роста и продолжительности культивирования 12,0 ч наблюдается для штаммов Streptomyces ornatus S-1220, Verticillium lateritum F-626, Bacillus li-cheniformis B-2986 и Pénicillium rubrum F-601. Эти же четыре штамма микроорганизмов приводят к максимальному накоплению белка в биомассе (от 63,12 до 85,44%) и характеризуются максимальной кератиназной активностью (от 14,6 до 32,4 Е/мг) и степенью гидролиза кератина (от 52,46 до 68,96%). В этой связи данные четыре штамма микроорганизмов выбраны для дальнейших исследований.

Оценивали биосовместимость между собой четырех изучаемых штаммов микроорганизмов, обладающих кератиназной активностью, а также подбирали условия совместного культивирования с целью их активации.

Для изучения межбактериальных взаимодействий четырех рассматриваемых культур использовали метод совместного культивирования на плотной питательной среде при температуре 30°С и величине рН 7,0. Количество вносимой бактериальной суспензии рассчитывали таким образом, чтобы конечная концентрация микроорганизмов составила 1-Ю3 КОЕ/г, 1Ю4КОЕ/г, 1-Ю5 КОЕ/г, 1-Ю6 КОЕ/г.

Установили, что при всех рассмотренных концентрациях микроорганизмов зоны перекрытия капель сливаются без образования четких границ, что свидетельствует об отсутствии ингибирующего эффекта четырех выбранных штаммов микроорганизмов по отношению друг к другу. Высокая степень биосовместимости рассматриваемых штаммов определяет целесообразность их использования при разработке технологии переработки перопухового сырья в корма для сельскохозяйственных животных.

Подбор условий биодеструкции перопухового сырья консорциумом микроорганизмов с кератиназной активностью

Проводили сравнительную оценку различных способов перевода кератина, входящего в состав перопухового сырья, в денатурированную форму. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице 4.

На основании полученных результатов выбран предварительный щелочной гидролиз раствором, содержащим гидроксид натрия, перекись водорода и сульфит натрия.

Таблица 3 - Свойства микроорганизмов, проявляющих кератиназную активность, при оптимальных условиях культивирования в течение 12,0 ч_

Штамм Значение показателя

Накопление биомассы, КОЕ/г-103 Массовая доля белка в биомассе, % Степень гидролиза, % Кератиназная активность, Е/мг белка Перевариваемость кератинового гид- ролизата in vitro, %

Bacillus licheniformis В-10469 204,0±12,2 44,09±3,09 49,97±2,50 12,0±0,6 55,2±2,8

Bacillus licheniformis В-2986 280,0±16,8 64,02±4,48 56,78±2,84 14,6±0,7 67,4±3,4

Bacillus licheniformis B-2708 98,0±5,9 24,54±1,72 21,12±1,06 7,5±0,4 39,3±1,9

Bacillus coagulans B-9868 108,0±6,5 26,55±1,86 24,87±1,24 8,9±0,4 42,0±2,1

Streptomyces fradiae AC-1330 120,0±7,2 29,25±2,05 36,78±1,84 11,4±0,6 45,6±2,3

Streptomyces ornatus S-1220 430,0±25,8 85,44±5,98 68,96±3,45 32,4±1,6 78,2±3,9

Streptomyces rimosus AC-324 145,0±8,7 32,09±2,25 41,23±2,06 12,2±0,6 47,7±2,4

Streptomyces parvus AC-1114 114,0±6,8 27,13±1,90 33,08±1,65 9,1±0,5 44,1 ±2,2

Streptomyces parvus AC-1116 175,0±10,5 38,95±2,73 52,34±2,62 13,0±0,7 50,2±2,5

Streptomyces griseus AC-293 94,0±5,6 22,09±1,55 18,29±0,91 7,2±0,4 35,6±1,8

Penicillium rubrum F-601 228,0±13,7 63,12±4,42 52,46±2,62 21,6±1,1 62,3±3,1

Verticillium lateritum F-626 342,0±20,5 68,41±4,79 62,34±3,12 28,1±1,4 75,3±3,8

Verticillium lecanii F-239 123,0±7,4 31,04±2,17 38,14±1,91 9,5±0,5 46,3±2,3

Aspergillus foetidus F-406 115,0±6,9 26,32±1,84 36,69±1,85 9,0±0,4 44,6±2,2

Aspergillus oryzae F-1008 141,0±8,5 30,80±2,16 39,56±1,98 11,9±0,6 46,2±2,3

Таблица 4 - Растворимость кератинсодержащего сырья в зависимости от продолжительности разных видов гидролиза_

Продолжительность гидролиза, ч Массовая доля растворимого белка в гидролизате, %

щелочной гидролиз кислотный гидролиз гидролиз мочевиной гидротермическая обработка

2,0 25,0 18,0 20,3 27,6

4,0 48,9 23,5 28,7 38,8

6,0 61,2 37,8 41,5 57,5

8,0 92,6 43,4 51,6 71,3

Выбор оптимального состава питательной среды для совместного культивирования четырех изучаемых штаммов (в соотношении 1:1:1:1, конечная концентрация микроорганизмов 1-Ю5 КОЕ/г) осуществляли путем варьирования соотношения компонентов и измерения степени биодеструкции кератинсодержащего сырья. Составы питательных сред представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Состав питательных сред для совместного культивирования четырех штаммов с кератиназной активностью__

Содержание компонента, г/дм3, в зависимости

Компонент от номера питательной среды

1 2 3 4 5

Крахмал растворимый 10,0 - 5,0 10,0 15,0

Пептон - 10,0 5,0 - -

NaCl 5,0 5,0 2,0 5,0 5,0

(NH4)2S04 2,0 1,0 - 1,0 2,0

СаСОз 1,0 1,0 - 0,5 0,2

NaN03 2,0 2,0 2,0 1,0 1,0

KH2PO< 1,0 1,0 0,5 1,0 0,5

MnCl2 0,001 - - 0,001 0,002

ZnS04 0,002 0,001 0,001 - -

MgS04-7H20 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

KCl 0,5 0,5 0,2 0,5 0,5

FeS04-7H20 0,01 0,01 - - -

Сахароза 20,0 20,0 15,0 - 25,0

Агар 20,0 20,0 15,0 20,0 15,0

Глюкоза 20,0 20,0 15,0 20,0 20,0

На рассматриваемых питательных средах проводили совместное культивирование четырех изучаемых штаммов при температуре 30°С и рН 7,0 (рисунок 2).

Из рисунка 2 следует, что максимальная степень биодеструкции перопу-хового сырья (71,5%) достигается при их обработке консорциумом микроорганизмов Bacillus licheniformis В-2986, Streptomyces ornatus S-1220, Pénicillium rubrum F-601 и Verticillium lateritum F-626 (соотношение штаммов 1:1:1:1), совместно культивируемых при температуре 30°С и рН 7,0 в течение 12,0 ч на

питательной среде №5. Данный состав питательной среды выбран для проведения дальнейших исследований.

Проводили совместное культивирование исследуемых штаммов на питательной среде состава №5 при рН 7,0 и различных температурах в диапазоне 25-40°С. Результаты исследований представлены на рисунке 3.

£ 80

>>

50 --

| 40 --

§ 30 т ю

Л 20

| 10 -

& о -

и и

2

Продолжительность " , 4 6 8 10 ,, и 15 „

культивирования, Ч Продол™ыЮстьг1-яь™„роЕамш,ч

Рисунок 2 - Зависимость степени би- Рисунок 3 - Зависимость степени биодеструкции перопухового сырья одеструкции перопухового сырья кон-консорциумом микроорганизмов от сорциумом микроорганизмов от про-продолжительности культивирования: должительности культивирования при 1 - 5 - составы питательных сред со- рн 7,0 и разной температуре: гласно таблице 5. 1 _ 25°С, 2 - 30°С, 3 - 37°С, 4 - 40°С

Данные рисунка 3 свидетельствуют о том, что наиболее полный гидролиз перопухового сырья (степень биодеструкции 75,2%) происходит при его обработке консорциумом микроорганизмов (соотношение штаммов 1:1:1:1), культивируемым при рН 7,0 и температуре 37°С в течение 12,0 ч.

Для выбора оптимального значения кислотности питательной среды для культивирования консорциума изучаемого состава варьировали значение рН в диапазоне 6,5-10,0, оставляя постоянным значение температуры 37°С. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что максимальное значение степени биодеструкции перопухового сырья (80,6%) достигается при гидролизе консорциумом микроорганизмов - деструкторов (соотношение штаммов 1:1:1:1), культивируемым при рН 7,5 и температуре 37°С в течение 12,0 ч.

Дальнейшие исследования направлены на определение оптимального соотношения объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья (1:2,0; 1: 5,0; 1:10,0). Полученные результаты представлены на рисунке 4.

Из рисунка 4 следует, что при соотношении объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья 1: 5,0 реакция гидролиза перопухового сырья протекает с максимальной эффективностью (степень биодеструкции 83,5%).

7 12

Продолжительность культивирования, ч

Рисунок 4 - Зависимость степени биодеструкции кератинсодержа-щего сырья консорциумом микроорганизмов от продолжительности культивирования при температуре 37°С, рН 7,5 и разном соотношении объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья: 1-1:2,0; 2-1:5,0; 3-1:10,0

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что оптимальными условиями биодеструкции перопухового сырья консорциумом микроорганизмов с кератиназной активностью Bacillus licheni-formis В-2986, Streptomyces ornatus S-1220, Pénicillium rubrum F-601 и Verticil-lium lateritum F-626 (соотношение штаммов 1:1:1:1) являются следующие: температура 37°С; рН 7,5; продолжительность культивирования 12,0 ч; соотношение объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья 1:5,0.

Изучение состава и свойств гидролизатов перопухового сырья, полученных под действием консорциума микроорганизмов-деструкторов

Данные по химическому составу гидролизатов перопухового сырья, полученного от кур разных пород, представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Химический состав гидролизатов перопухового сырья, полученного от кур разных пород__

Наименование показателя Значение показателя

«F-15 Иза» «Ломанн Браун» «Ломанн ЛСЛ-Классик»

Массовая доля сырого протеина, % 86,05±4,30 87,15±4,36 85,27±4,26

Массовая доля сырой клетчатки, % 0,88±0,04 0,51±0,03 0,65±0,03

Массовая доля золы, не растворимой в соляной кислоте, % 0,13±0,01 0,18±0,01 0,22±0,01

Массовая доля кальция, % 0,92±0,09 1,04±0,10 0,96±0,10

Массовая доля фосфора, % 0,58±0,06 0,75±0,08 0,60±0,06

Массовая доля натрия, % 0,20±0,02 0,29±0,03 0,24±0,02

Из таблицы 7 следует, что по химическому составу гидролизаты перопухового сырья соответствует требованиям, предъявляемым к кормам для сель-

скохозяйственных животных. Продукты гидролиза характеризуется высоким содержанием сырого протеина (по ГОСТ 18221-99 содержание сырого протеина в кормах должно быть не менее 15,5%), кальция (по ГОСТ 18221-99 - не менее 0,25%), фосфора (по ГОСТ 18221-99 - не менее 0,40%), натрия (по ГОСТ 1822199 - не менее 0,09%). Для гидролизатов кератинсодержащего сырья отмечено низкое содержание сырой клетчатки (0,51-0,88% в зависимости от породы кур) и золы (0,13-0,22% в зависимости от породы кур). В соответствии с требованиями ГОСТ 18221-99 данные показатели не должны превышать 6,0% и 0,5%, соответственно.

Результаты анализа содержания свободных аминокислот в гидролизатах перопухового сырья приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Содержание свободных аминокислот в перопуховом сырье, полученном от кур разных пород_

Наименование аминокислоты Содержание аминокислот, г/100 г образца

«Р-15 Иза» «Ломанн Браун» «Ломанн ЛСЛ-Классик»

Аспарагиновая кислота 5,87±0,29 5,10±0,26 5,11±0,26

Серии 5,09±0Д5 5,42±0,27 5,08±0,25

Треонин 4,87±0,25 4,10±0,20 2,85±0,14

Глутаминовая кислота 4,02±0,20 4,89±0,24 4,45±0,22

Пролин 0,37±0,02 0,39±0,02 0,42±0,02

Глицин 6,11±0,30 6,55±0,33 6,13±0,31

Алании 5,12±0,26 5,35±0,27 5,26±0,26

Цистеин 8,89±0,44 9,05±0,45 11,01±0,55

Метионин 12,21±0,61 11,99±0,60 12,89±0,64

Изолейцин 3,16±0,16 3,80±0,19 3,28±0,16

Лейцин 6,00±0,30 6,15±0,31 6,15±0,31

Тирозин 4,67±0,23 5,24±0,26 5,02±0,25

Фенилаланин 4,05±0,20 4,13±0,21 4,01±0,20

Гистидин 2,19±0,11 2,03±0,10 1,13±0,06

Лизин 6,89±0,34 7,06±0,35 6,53±0,33

Аргинин 6,54±0,33 5,90±0,29 5,95±0,30

Всего: 86,05±4,30 87,15±436 85,27±4,26

На основании данных таблицы 7 можно сделать вывод о том, что гидро-лизаты перопухового сырья характеризуются высоким содержанием свободных аминокислот, особенно таких, как метионин, цистеин и лизин.

На следующем этапе изучали перевариваемость гидролизатов перопухового сырья, полученного от кур породы «Ломанн Браун», пищеварительными ферментами (пепсин и трипсин) в сравнении с перевариваемостью нативных кератинсодержащих отходов потрошения птицы.

Результаты полученных исследований свидетельствуют о том, что гидролиз перопухового сырья консорциумом микроорганизмов-деструкторов приводит к

повышению его перевариваемости с 22,0% до 82,0%. Это, в свою очередь, позволит получать на основе гидролизатов отходов птицеперерабатывающей промышленности высокобелковые, сбалансированные по питательным веществам корма для сельскохозяйственных животных с высокой степенью усвояемости.

Подбор параметров сушки гидролизатов перопухового сырья с целью получения кормов для сельскохозяйственных животных

Оценку температуры и продолжительности сублимационной сушки гидролизатов перопухового сырья проводили при толщине слоя сушки 5,0 мм и разных температурах сушки: 25°С, 30°С, 35°С и 40°С.

Анализ проведенных исследований показал, что с повышением температуры нагрева снижается продолжительность сушки и содержание влаги в гидролиза-те. Таким образом, для дальнейших исследований выбрана температура сублимационной сушки гидролизата перопухового сырья 40°С и продолжительность лиофилизации 240 мин.

В работе получали кривые лиофилизации гидролизата перопухового сырья при температуре нагрева 40°С и разных величинах толщины слоя (рисунок 5).

0 50 100 150 200 250 300 350 Продолжительность сушки, мин

Рисунок 5 - Кривые лиофилизации гидролизата перопухового сырья при температуре нагрева 40°С и разной толщине слоя продукта: 1 - 5,0 мм; 2 - 10,0 мм; 3 - 15,0 мм; 4-20,0 мм

На основании рисунка 5 можно сделать вывод о том, что увеличение толщины слоя гидролизата перопухового сырья приводит к повышению продолжительности сушки и массовой доли влаги в конечном гидролизате. Так в качестве оптимальной толщины слоя сушки выбрана величина 10,0 мм.

Таким образом, установлены параметры сублимационной сушки гидролизатов отходов птицеперерабатывающей промышленности: температура нагрева 40°С; продолжительность сушки 4,0 ч; толщина слоя сушки 10,0 мм.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основании анализа полученных данных, разработана технологическая схема производства кормовой добавки (рисунок 6).

Подготовка перопухового сырья к переработке Активация консорциума микроорганизмов - деструкторов (рН = 7,5; t = 37°С) Предобработка сырья 3% NaOH, 1% Н202 и 0,5% Na2S03 (гидромодуль 1:7,5, t = 8,0 ч)

-»-1_I_ Ферментативный гидролиз (t = 37°С, рН = 7,5, т = 12,0 ч)

Инактивация микроорганизмов (t = 98°С, т = 10-15 мин)

Сублимационная сушка (t = 40°С, т = 4,0 ч, 1 = 10,0 мм)

Фасовка

Рисунок 6 - Технологическая схема получения кормовой добавки

Технологический процесс производства кормовой добавки состоит из следующих основных операций: подготовка перопухового сырья к переработке; предобработка сырья раствором, содержащим 3%-ный NaOH, 1%-ный Н202 с добавлением 0,5%-ного Na2S03 при гидромодуле 1:7,5 (комнатная температура) в течение 8,0 ч для перевода кератина в растворимую форму; нейтрализация щелочного гидролизата 35-40%-ной ортофосфорной кислотой до рН 7,5; активизация консорциума микроорганизмов - деструкторов (соотношение штаммов 1:1:1:1; рН 7,5; температура 37°С, продолжительность культивирования 12,0 ч); ферментативный гидролиз перопухового сырья при температуре 37°С, рН 7,5, продолжительности 12,0 ч, соотношении объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья 1:5,0; инактивация микроорганизмов при температуре 98°С в течение 10-15 мин; сублимационная сушка (температура нагрева 40°С; продолжительность сушки 4,0 ч; толщина слоя сушки 10,0 мм); фасовка и реализация готовой кормовой добавки.

Физико-химические показатели кормовой добавки и их соответствие требованиям нормативной документации представлены в таблице 8.

Из таблицы 8 следует, что по физико-химическим показателям кормовая добавка на основе гидролизата перопухового сырья соответствует требованиям нормативной документации. Кроме того, контролируемые токсичные элементы в кормовой добавке содержатся в следовых концентрациях, что позволяет сделать вывод о ее безопасности по данному показателю.

Таблица 8 - Физико-химические свойства кормовой добавки

Наименование показателя Норма Значение показателя

Массовая доля сырого протеина, % Не менее 13,5 87,15±4,36

Массовая доля сырой клетчатки, % Не более 7,0 0,51±0,03

Массовая доля золы, не растворимой в соляной кислоте, % Не более 0,5 0,18±0,01

Массовая доля кальция, % Не менее 0,25 1,04±0,10

Массовая доля фосфора, % Не менее 0,40 0,75±0,08

Массовая доля натрия, % Не менее 0,09 0,29±0,03

Наличие металломагнитной примеси, мг/кг Не более 30,0 10,0±1,0

Заключительной стадией технологического процесса является внесение кормовой добавки в комбикорма для сельскохозяйственных птиц по предварительно разработанной рецептуре

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Изучены состав и свойства перопухового сырья, полученного от кур разных пород. Установлено, что перопуховое сырье характеризуется высоким содержанием сырого протеина (89,03%), кальция (0,95%), фосфора (0,63%), натрия (0,23%) и низким содержанием сырой клетчатки (0,54%) и золы (0,20%). Показано высокое содержание серосодержащих аминокислот: цистеина и метио-нина. Полученные данные позволяют сделать вывод о перспективности использования кератинсодержащего сырья для получения кормовых добавок.

2. Исследована биодеградирующая способность пятнадцати коллекционных штаммов - микроорганизмов, обладающих кератиназной активностью. Установлено, что максимальную кератиназную активность проявляют четыре штамма: Bacillus licheniformis В-2986 (14,6 Е/мг) Streptomyces ornatus S-1220 (32,4 Е/мг), Pénicillium rubrum F-601 (21,6 Е/мг) и Verticillium lateritum F-626 (28,1 Е/мг), которые выбраны для создания консорциума, позволяющего осуществлять гидролиз перопухового сырья в белковую добавку.

3. Изучены фенотипические особенности, биохимические свойства и антибиотическая устойчивость для четырех выбранных штаммов микроорганизмов -деструкторов. Показано, что все исследуемые штаммы проявляют устойчивость к лизоциму. Установлено отсутствие ингибирующего эффекта четырех выбранных штаммов микроорганизмов - деструкторов по отношению друг к другу при совместном культивировании на плотной питательной среде при температуре 37°С и рН 7,0.

4. Подобраны условия биодеструкции перопухового сырья консорциумом, состоящим из четырех микроорганизмов - деструкторов (соотношение штаммов 1:1:1:1): температура 37°С; рН 7,5; продолжительность культивирования 12,0 ч;

соотношение объема посевного материала к объему перерабатываемого сырья 1:5,0.

5. Изучены состав и свойства гидролизатов перопухового сырья, полученных под действием консорциума микроорганизмов-деструкторов. Показано, что ферментативные гидролизаты характеризуются высоким содержанием сырого протеина, кальция, фосфора, натрия и низким содержанием сырой клетчатки и золы. Установлено высокое содержание низкомолекулярных пептидных фракций и свободных аминокислот в гидролизате перопухового сырья, рассчитана перевариваемость гидролизата - 82,0%. На основании полученных результатов сделан вывод о целесообразности использования ферментативных гидролизатов кератина в качестве высокобелковых, сбалансированных по питательным веществам кормов для сельскохозяйственных животных.

6. Подобраны параметры сублимационной сушки ферментативных гидролизатов перопухового сырья: температура нагрева 40°С; продолжительность сушки 4,0 ч; толщина слоя сушки 10,0 мм.

7. Разработана технологическая схема производства кормовой добавки, рецептура комбикорма для сельскохозяйственных птиц. Изучены состав и свойства кормовой добавки. Разработана технологическая документация на кормовую добавку (ТУ9283-199-020683315-2014). Рассчитана ожидаемая экономическая эффективность, проведена промышленная апробация технологии в компании ООО «Биотек».

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Полетаев, А.Ю. Оптимизация параметров выращивания продуцента керати-назы Streptomyces ornatus S 1220 / А.Ю. Полетаев, О.В. Кригер, П.В. Митрохин // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - Т. 21, Вып.— 2.-С. 49-52.

2. Идентификация и анализ биохимических свойств штамма-продуцента керати-назы / О.О. Бабич, С.К. Касымов, П.В. Митрохин и др. // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - С. 699 - 708.

Материалы симпозиумов, конгрессов, конференций

3. Optimization of cultivation parameters Bacillus subtilis / A.I. Linnik, O.O. Ba-bich, A.J. Prosekov, P.V. Mitrohin // 3rd International scientific conference "European Applied Sciences: modem approaches in scientific researches". - Germany: Stuttgart, 2013. - Vol. 2. - P. 35-37.

4. Морозова, А.И. Анализ научных и практических аспектов для трансформации кератинсодержащего сырья с целью разработки технологии комбикормов / А.И. Морозова, П.В. Митрохин // Материалы IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека». - Кемерово, 2011. - С. 23 -26.

5. Морозова, А.И. Особенности переработки малоценного сырья в комбикорма для сельскохозяйственных животных / А.И. Морозова, П.В. Митрохин // Тезисы докладов IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». - Бийск, 2011. - С. 123.

6. Научный и практический подход переработки отходов сельскохозяйственных животных биотехнологическим методом / А.И. Морозова, П.В. Митрохин, Е.А. Якимова, К.С. Четина // Тезисы докладов IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». — Бийск, 2011. — С. 128.

7. Морозова, А.И. Анализ состава и свойств кератинсодержащего сырья с целью изучения возможности его использования в технологии комбикормов для сельскохозяйственных животных / А.И. Морозова, П.В. Митрохин // Материалы II Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук». - М, 2011. - С. 8-10.

8. Морозова, А.И. Изучение влияния технологических факторов на процесс биотрансформации кератинсодержащего сырья с целью разработки технологии получения комбикормов / А.И. Морозова, П.В. Митрохин // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Биомедицинская инженерия и биотехнология». - Курск, 2011. - С. 136-138.

9. Морозова, А.И. Белковый и аминокислотный анализ продуктов биотрансформации кератинсодержащего сырья / А.И. Морозова, П.В. Митрохин // Материалы I Международной научно-практической конференции «Проблемы современной биологии».-М., 2011.-С. 101-103.

Ю.Линник, А.И. Модификация бактерий bacillus subtilis для переработка кератинсодержащего сырья / А.И. Линник, П.В. Митрохин, О.В. Козлова // Материалы всероссийской научной молодежной школы «Приборное и научно-методическое обеспечение исследований и разработок в области инновационных технологий производства питания функционального назначения». -Кемерово, 2012. - С.127.

11. Анализ продуктов ферментативного гидролиза молочной сыворотки / А.И. Линник, A.C. Матвеенко, П.В. Митрохин и др. // Биокаталитические технологии. - Кемерово, 2012. - С. 38-42.

12. Полетаев, А.Ю. A method for processing of keratin-containing raw material using a keratinase-producing microorganism Streptomyces ornatus s 1220 / А.Ю. Полетаев, O.B. Кригер, П.В. Митрохин // Foods and Raw Materials. - 2013. -Vol. 1,N2.-P.33-36.

Подписано в печать 21.04.2015. Формат 60x86/16. Тираж 70 экз. Объем 1,1 п.л. Заказ № 23 Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.

650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.

Отпечатано в лаборатории множительной техники КемтТИППа.

650010, г. Кемерово, ул. Институтская, 7