Способ получения кормового белкового продукта на основе зернового сырья

 

Изобретение предназначено для использования в микробиологической промышленности, в частности относится к технологическим процессам, связанным с производством кормовых белковых продуктов, получаемых путем биоконверсии растительных отходов. Разработанный способ включает выращивание микроорганизмов - продуцентов белка в условиях аэрации на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода отруби и/или муку злаковых культур, подвергнутых предобработке роторно-пульсационным кавитационным аппаратом при гидромодуле 1: 5-1: 8 в течение не менее 20 мин. В качестве продуцентов белка используют смесь дрожжей-сахаромицетов и/или бактерий, обладающих амилолитическими ферментами, и грибов, утилизирующих органические кислоты при содержании последних 20-30%. Питательная среда содержит один минеральный компонент (источник азота в виде одной из солей аммония). В качестве дрожжей-сахаромицетов используют штамм Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218, в качестве бактерий - штамм Acinetobacter calcoaceticus О-1. Технический результат изобретения - улучшение качества целевого продукта при одновременном упрощении технологической схемы и удешевлении процесса. Готовый кормовой продукт содержит повышенное по сравнению с известным количество сырого протеина и истинного белка. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к технологическим процессам, связанным с производством кормовых белковых продуктов, получаемых путем биоконверсии растительных отходов.

В качестве сырья могут быть использованы пшеничные и ржаные отруби, их смесь, смесь отрубей с мукой (пшеничной или ржаной) и другими злаковыми.

Известно, что эффективность вышеупомянутых процессов определяется доступностью углеводов растительного субстрата для микроорганизмов, осуществляющих биоконверсию, и глубиной их утилизации. Так в способе получения биомассы (патент РФ 2111253) зерносырье - отруби (ржаные или пшеничные) или мука злаковых, а также их смесь подвергаются обработке ферментами при температуре 50-70^oС в течение 1,0-1,5 ч с добавлением в питательную среду некоторых минеральных солей и микроэлементов.

В качестве ферментных препаратов используются амилосубтилин ТЗХ или глюкавамарин ТХ или их смесь в соотношении 1:1-3:1 соответственно при рН 5,0-7,4 (оптимальный рН для амилосубтилина 6,5-7,4, а для глюкавамарина - 5,0-5,5). В качестве микроорганизмов - продуцентов белка использовали Acetobacter methylovorans ЦМПМ В-2942, Acetobacter methylovorans ЦМПМ В-2479 или эти штаммы в смеси со штаммами дрожжей, обладающих амилолитической активностью: Saccharomyces cerevisiae ВКПМ-у-1218 или Saccharomyces cerevisiae ВКПМ-у-446.

В результате ферментолиза содержание доступных для микроорганизмов углеводов увеличивается с 0,5 до 2,5% и выше в зависимости от используемого фермента и химического состава подвергаемого биоконверсии зерносырья.

Полученный ферментолизат охлаждается до 35-40^oС и в него добавляют минеральные соли в количестве, г/л: (NH₄)₂SO₄ - 3,5-5,5 (в зависимости от содержания азота в субстрате); KH₂PO₄ - 0,1-0,5; MnSO₄•5H₂O - 0,05; CuSO₄•5H₂O - 0,008; ZnSO₄•7H₂O - 0,05; Н₃ВО₃ - 0,002; Na₂MoSO₄•2H₂O - 0,005.

Уровень накопления белка составлял к концу "дозревания" - 50% от сухих веществ, при использовании в качестве сырья смеси ржаных и пшеничных отрубей и 56% при использовании ржаных отрубей и пшеничной муки.

К недостаткам способа можно отнести сложность технологического оформления и дороговизну процесса (за счет высокой стоимости применяемых ферментных препаратов).

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является "Способ биоконверсии растительного сырья" (патент РФ 2140449).

Основными элементами его являются: - активирование растительного сырья (пшеничных или ржаных отрубей); - приготовление питательной минеральной среды; - термообработка (осахаривание) зернового субстрата не менее 1 мин через роторно-пульсационную или центробежную гидродинамическую установку, реализующую эффект кавитации; - смешивание подготовленного субстрата с минеральной смесью; - внесение в подготовленную питательную среду посевного материала; - процесс ферментации (биоконверсия растительного субстрата) с получением белковой смеси с содержанием сырого протеина при использовании штамма дрожжей Candida scottii (шт. 2) с 14,5 до 24,3%, а при использовании штамма бактерий Acinetobacter calcoaceticus (шт. 1) от 14,8 до 32,0% сырого протеина.

Содержание сырого протеина зависело от времени обработки с помощью кавитации, от качества субстрата и времени экспозиции зерносырья в процессе обработки.

Максимальное время обработки кавитационным способом составляло 10 мин.

Недостатком способа является следующее: При обработке РПА (роторно-пульсационным аппаратом) зерносырья - пшеничных отрубей в течение 10 мин и использовании в качестве продуцента белка штамма бактерий Acinetobacter calcoaceticus количество сырого протеина в готовом кормовом продукте составило только 32%; при обработке пшеничных отрубей РПА в течение 1 мин и при использовании штамма Candida scottii в процессе биоконверсии получен белковый кормовой продукт с максимальным содержанием сырого протеина - 22,8%. Если учесть, что содержание сырого протеина в исходном сырье - пшеничных отрубях 14-15%, то полученный эффект достаточно слабый, что можно объяснить очень коротким временем воздействия РПА - роторно-пульсационного аппарата или ГДУ - гидродинамической установки на зерносырье в процессе предобработки перед биоконверсией.

Кроме того, в прототипе представлены только данные лабораторных экспериментов и отсутствуют данные производственных испытаний, поэтому данный способ не дает четкого представления ни о качестве получаемого белкового продукта, ни о составе питательной среды, ни о технологической схеме процесса.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в улучшении качества целевого продукта при одновременном упрощении технологической схемы и удешевлении процесса. Улучшение качества продукта заключается в повышенном по сравнению с прототипом содержании в продукте сырого протеина и истинного белка. Упрощение технологической схемы и удешевление процесса можно рассматривать по отношению к действующему в настоящее время производству (поскольку данные производственных испытаний в прототипе отсутствуют). По сравнению с действующим производством предлагаемый способ позволяет отказаться от вакуум-выпарки за счет низкого гидромодуля, что позволяет снизить энергозатраты, также максимально упрощена минеральная среда для ферментации: содержит один единственный компонент - аммонийный источник азота.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что выращивание микроорганизмов - продуцентов белка проводят в условиях аэрации на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода отруби и/или муку злаковых культур, обработанных кавитационным аппаратом РПА; кавитационная предобработка сырья проводится при гидромодуле 1:5-1:8 в течение не менее 20 мин, а в качестве продуцентов белка на стадии ферментации используют смесь дрожжей-сахаромицетов и/или бактерий, обладающих амилолитическими ферментами, и грибов, утилизирующих органические кислоты, при содержании последних в количестве от 20 до 30% от общего числа микроорганизмов; при этом питательная среда содержит один минеральный компонент (источник азота в виде одной из солей аммония), в качестве дрожжей-сахаромицетов, обладающих амилолитическими ферментами, используют штамм Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218, а в качестве бактерий, обладающих амилолитической активностью, используют бактерии Acinetobacter calcoaceticus О-1.

Штамм Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218 получен из Всесоюзной Коллекции Промышленных Микроорганизмов и отселекционирован на гидролизных средах и смеси гидролизных и крахмалсодержащих субстратов. Штамм хорошо растет на различных углевод- и крахмалсодержащих средах, удельная скорость роста 0,2-0,3 ч^-1, оптимальная температура 30-32^oС, рН - 4,2-5,0. При выращивании в аппарате с аэрацией способен накапливать биомассу с содержанием сырого протеина на среде с пшеничными или ржаными отрубями до 40-45%. Продуктивность штамма - 5 кг/м³/ч.

Штамм Acinetobacter calcoaceticus О-1 выделен при микробиологическом контроле процесса биоконверсии пшеничных отрубей и отселекционирован на углевод- и крахмалсодержащих субстратах и их смеси. Аэроб. Хорошо растет на средах, содержащих в качестве источника азота соли аммония или нитраты. Удельная скорость роста 0,15-0,25 ч^-1, оптимальная температура 33-35^oС, рН - 6,5-6,8. При выращивании в аппарате с аэрацией способен накапливать биомассу с содержанием сырого протеина на среде с пшеничными или ржаными отрубями до 55-60%. Продуктивность штамма 3,5 кг/м³/ч.

Технический результат достигается благодаря: - низкому гидромодулю (1:5-1:8), что позволяет вести процесс ферментации при концентрации сухих веществ в среде 10-11%, так что при данной схеме отпадает необходимость в применении вакуум-выпарки, что позволяет снизить энергозатраты; - времени обработки (не менее 20 мин), что позволяет сделать наиболее доступными для микроорганизмов не только углеводы растительного сырья, но и содержащиеся в нем минеральные элементы;
- уникальной смеси микроорганизмов - продуцентов белка, где каждый из компонентов выполняет свою роль: дрожжи - сахаромицеты, обладающие амилолитическими ферментами, наиболее полно утилизируют углеводную часть субстрата; бактерии обогащают продукт протеином, позволяя получить более высокие значения по содержанию СП и истинного белка по сравнению с использованием только дрожжей; грибы утилизируют органические кислоты, образующиеся при окислении углеводов, что способствует увеличению сырого протеина в конечном белковом продукте еще на 2-3%, и снижают кислотность.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
Пример 1
Пшеничные отруби подвергали разбавлению водой в соотношении 1:7, затем тепловой обработке при температуре 75^oС в течение часа. После тепловой обработки зерновой субстрат подвергали измельчению в аппарате РПА в течение 20 мин. При этом содержание свободных углеводов (РВ без инверсии) составляло 0,7%.

В подготовленный субстрат вносили сульфат аммония из расчета 0,5% (5 г/л).

С помощью аммиачной воды доводили рН среды до 5,5-6,0, среду стерилизовали, затем засевали смесью культур дрожжей S. cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218 и гриба Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 в соотношении 80:20 соответственно. Выращивали в колбах на качалке в течение 48 ч. В полученной суспензии определяли содержание сырого протеина, в данном эксперименте оно составило 28,7%.

Пример 2
В качестве зерносырья использовали пшеничные отруби. Подготовку зернового субстрата проводили следующим способом: при гидромодуле 1:5 после термообработки субстрат подвергали воздействию РПА в течение 30 мин. Питательную среду готовили так же, как в примере 1, т.е. вносили только источник азота в виде хлорида аммония в количестве 0,5%. После стерилизации субстрат (в каждой колбе по 200 мл) засевали смесью культур бактерий Acinetobacter calcoaceticus О-1, обладающих амилолитическими ферментами, и гриба Polyporus sguamosus ВСБ-917 в соотношении 80:20. После выращивания в колбах на качалке в течение 48 ч процесс биоконверсии заканчивали и в полученной суспензии определяли сырой протеин, его содержание составляло 39,6%.

Пример 3
В качестве исходного сырья использовали пшеничные отруби, которые смешивали с водой в соотношении 1:6.

Термообработку проводили в течение 1 ч при температуре 70^oС, затем проводили обработку роторно-пульсационным аппаратом (РПА) в течение 50 мин.

В подготовленный субстрат вносили гидрофосфат аммония из расчета 0,5% на 1 л субстрата.

Дополнительных минеральных элементов в питательную среду не вносили, поскольку пшеничные отруби содержат их в значительном количестве, полностью удовлетворяющем потребности роста и развития микроорганизмов - продуцентов белка.

В качестве продуцента использовали смесь дрожжей-сахаромицетов Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218 с бактериями Acinetobacter calcoaceticus О-1 и грибом Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 в соотношении 50: 30:20.

Процесс осуществляли в ферментере с аэрацией объемом 10 л (с рабочим объемом - 5 л) при t - 30-32^oС и рН среды 4,5-5,0. В процессе биоконверсии сухие вещества в суспензии снижались до 9,7%.

Процесс непрерывного культивирования проводили в течение 72 ч со скоростью протока Д - 0,15 ч^-1.

После ферментации суспензию подвергли плазмолизу. Плазмолиз проводили при 80^oС в течение 1 ч.

После плазмолиза суспензию направляли на сушку.

Высушивание плазмолизата осуществляли при следующих параметрах:
- температура газа на входе в сушильную камеру - 300^oС;
- температура газа на выходе из сушильной камеры - 95^oС.

В полученном кормовом продукте содержание сырого протеина составляло 45%, а содержание истинного белка - 32,4%.

Пример 4
В качестве зернового субстрата использовали пшеничную муку. Осахаривание (термообработку) и обработку РПА проводили при гидромодуле 1:8. Время обработки t - 20 мин.

В качестве продуцентов белка была использована смесь дрожжей S.cerevisiae diastaticus ВКПМ-у-1218 и гриба Trichosporon cutaneum ВСБ-775.

Процесс ферментации осуществляли периодически. Питательная среда представлена единственным минеральным компонентом - сульфатом аммония.

После накопления биомассы до практически полного потребления легкогидролизуемых углеводов осуществляли процесс "дозревания" в течение 1,5-2 ч, в течение которого грибом Trichosporon cutaneum потреблялись органические кислоты.

После процесса "дозревания", плазмолиза и сушки полученный кормовой продукт содержал 47,3% сырого протеина.

Пример 5
Биоконверсии подвергали смесь ржаных отрубей и ржаной муки (в соотношении 1: 1). Для биосинтеза белка использовали ассоциацию микроорганизмов: дрожжей S.cerevisiae ВКПМ-у-1218, бактерий Acinetobacter calcoaceticus О-1 и грибы Trichosporon cutaneum ВСБ-775 в соотношении 50:25:25.

Подготовка зерносубстрата проводилась при гидромодуле 1:5 и времени обработки РПА - 20 мин. Процесс ферментации осуществляли периодически с глубоким "дозреванием" (до рН 7). Питательная среда содержала гидрофосфат аммония в количестве 0,5%. После высушивания суспензии микроорганизмов в белковом кормовом продукте содержание сырого протеина было 58,2%.

Пример 6
В качестве зерносырья использовали пшеничные отруби. Процесс подготовки зерносырья проводили при гидромодуле 1:6, время обработки аппаратом РПА - 40 мин. Режимы ферментации были такими же, как в предыдущем примере.

Для процесса биоконверсии была использована смесь культуры бактерий Acinetobacter calcoaceticus О-1 и культуры гриба Trichosporon cutaneum ВСБ-775 в соотношении 75: 25. После выращивания в ферментере с аэрацией в течение 3-х суток, плазмолиза, высушивания биомассы в кормовом белковом продукте содержание сырого протеина составило 52,8%.

Пример 7
В качестве зернового субстрата использовали смесь пшеничных и ржаных отрубей (1:1). Смесь пшеничных и ржаных отрубей разбавляли водой 1:6, затем подвергали термообработке (осахариванию) при температуре 75^oС в течение часа. После термообработки зерновой субстрат подвергали измельчению с помощью аппарата РПА в течение 30 мин (РВ без инверсии составило 1,3%).

В подготовленный субстрат вносили сульфат аммония из расчета 0,5%. В подготовленную и охлажденную питательную среду вносили смесь микроорганизмов: S. cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218 (50%), Acinetobacter calcoaceticus О-1 (20%), Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 (20%) и Trichosporon cutaneum ВСБ-775 (10%). С помощью аммонийной воды (NH₄OH) pH доводили до 5,5 и осуществляли процесс ферментации при температуре 32^oС в ферментере "Абитекс" с аэрацией, как в процессе накопления, так и в непрерывном процессе в течение 72 ч.

После окончания процесса биоконверсии биомассу высушивали. В сухом кормовом продукте содержание сырого протеина составило 52,6%.

Формула изобретения

1. Способ получения кормового белкового продукта на основе зернового сырья, включающий выращивание микроорганизмов-продуцентов белка в условиях аэрации на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода отруби и/или муку злаковых культур, обработанных роторно-пульсационным кавитационным аппаратом, отличающийся тем, что кавитационная предобработка сырья проводится при гидромодуле 1:5-1:8 в течение не менее 20 мин, а в качестве продуцентов белка на стадии ферментации используют смесь дрожжей-сахаромицетов и/или бактерий, обладающих амилолитическими ферментами, и грибов, утилизирующих органические кислоты, при содержании последних в количестве от 20 до 30%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что питательная среда содержит один минеральный компонент (источник азота в виде одной из солей аммония).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дрожжей-сахаромицетов, обладающих амилолитическими ферментами, используют штамм Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-у-1218.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве бактерий, обладающих амилолитической активностью, используют штамм бактерии Acinetobacter calcoaceticus О-1.