Способ микробиологической обработки целлюлозосодержащего сырья
Владельцы патента RU 2542523:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВПО Орел ГАУ) (RU)
Изобретение относится к области биотехнологии и кормопроизводства и может быть использовано при переработке целлюлозосодержащего сырья. Предварительно подготовленное увлажненное до содержания влаги 65% целлюлозосодержащее сырье засевают посевным материалом. Для подготовки посевного материала используют субстрат, состоящий из 1 части воды и 1 части размола, с добавлением микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1» в концентрации 0,08 г на 1 кг субстрата с внесением 0,5% раствора лактозы из расчета 100 г на 1 кг субстрата. Предварительная обработка целлюлозосодержащего сырья заключается в термогидролизе при температуре 24-26°C. Процесс микробиологической обработки проводят в течение трех суток в анаэробных условиях при температуре 24-26°C с начальным pH 5,4-5,5, при этом через 36 часов от начала процесса микробиологической обработки вносят 0,5% раствор лактозы из расчета 100 г на 1 кг предварительно обработанного целлюлозосодержащего сырья. Осуществление изобретения позволяет сократить время разложения целлюлозосодержащего материала и повысить качество готового кормового продукта с повышением содержания в нем сырого протеина. 1 з.п. ф-лы, 6 табл., 4 пр.
Изобретение относится к области биотехнологии, микробиологической и перерабатывающей промышленности и может быть использовано при переработке целлюлозосодержащего сырья (отходов сельскохозяйственного производства) с целью получения кормовых продуктов для сельскохозяйственных животных и птицы на фермах, животноводческих и птицеводческих комплексах.
Ежегодный естественный прирост целлюлозы в мире составляет около 100 млрд тонн. Сельскохозяйственное производство зерновых приводит к накоплению огромных запасов отходов: соломы, шелухи, мучки и др., практически не востребованных в настоящее время из-за сложности и высокой себестоимости переработки. Сложность переработки целлюлозосодержащего сырья обусловлена длительностью деструкции целлюлозного комплекса отходов. Известно, что в состав соломы злаковых культур входит 50-60% целлюлозы и 10-20% лигнина, которые должны быть предварительно разрушены почвенными целлюлозолитическими микроорганизмами до простых сбраживаемых сахаров. Полученные моносахара могут быть использованы впоследствии в качестве источника энергии для почвенных микроорганизмов, например для азотфиксирующих, присутствующих в почве и способных связывать атмосферный азот в доступные для растений формы.
Процесс расщепления целлюлозного комплекса соломы в природе за счет почвенных микроорганизмов очень длителен и протекает в течение нескольких месяцев даже при благоприятных внешних условиях. Кроме того, известно, что в естественных условиях на целлюлозосодержащих отходах природная почвенная ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов образуется только через 120 дней [Antunes L.A., Agr. Siol. Technol., 1986, V.29, N.3. pp.533-543] - (1).
Известен способ ферментативной переработки целлюлозосодержащего сырья с использованием культуры гриба Rleurotus ostreatus на корм животным. Процесс длится до 10 суток [патент RU 2080078, A23K 1/00, 27.05.1997] - (2).
Известен способ получения биологически активного корма из целлюлозосодержащего сырья с использованием культуры гриба Agricus bisporus. Процесс длится до 7 суток [патент RU 2097979, A23K 1/00, 10.12.1997] - (3).
Кроме того, разрушение микроорганизмами клетчатки в природе происходит под действием не одной какой-либо группы, а комплексом, включающим и бактерии, и грибы, и дрожжи. Одна группа способствует подготовке субстрата для других [Стейнифорт А.Р. Солома злаковых культур. Пер. с англ. - М.: Колос, 1983. - с.77-178] - (4).
Наиболее близким способом по технической сущности и достигаемому эффекту является способ ферментативной переработки целлюлозосодержащих материалов в кормовые продукты с использованием ассоциации штаммов микроорганизмов, содержащей культуры Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и Allescherie terrestris. Процесс ферментации целлюлозосодержащего сырья без учета предварительной подготовки посевного материала по вышеприведенному способу составляет 4 суток. В процессе ферментации разрушается 54% полисахаридов и 70% лигнина [патент RU 2169760, A23K 1/00, 27.06.2001] - (5).
Недостатком известного способа является необходимость предварительной подготовки посевного материала в течение 10-15 суток и обеспечение стерильных условий на этой стадии.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности ускоренной микробиологической переработки целлюлозосодержащего сырья.
Техническим результатом, получаемым в результате реализации изобретения, является сокращение времени предварительного выращивания посевного материала.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в известном способе микробиологической обработки целлюлозосодержащего сырья, заключающемся в том, что предварительно подготовленное увлажненное до содержания влаги 65% целлюлозосодержащее сырье засевают посевным материалом, согласно изобретению для подготовки посевного материала используют субстрат, состоящий из 1 части воды и 1 части размола, с добавлением микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1» в концентрации 0,08 г на 1 кг субстрата с внесением 0,5% раствора лактозы из расчета 100 г на 1 кг субстрата, при этом предварительная обработка целлюлозосодержащего сырья заключается в термогидролизе при температуре 24-26°C, а процесс микробиологической обработки проводят в течение трех суток в анаэробных условиях при температуре 24-26°C с начальным pH 5,4-5,5, при этом через 36 часов от начала процесса микробиологической обработки вносят 0,5% раствор лактозы из расчета 100 г на 1 кг предварительно обработанного целлюлозосодержащего сырья. Для предварительной подготовки целлюлозосодержащего сырья можно также использовать процесс термической обработки при температуре 100°C.
Используемая ассоциация микроорганизмов микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1» представлена следующими видами: фотосинтезирующими и молочнокислыми бактериями, дрожжами, актиномицетами, ферментирующими грибами родов Aspergillus и Penicillium. Штаммы способны синтезировать целлюлозолитические ферменты и одноклеточный белок. Микроорганизмы биопрепарата не являются спорообразующими, согласно СанПин 23.2.1078-01 они входят в перечень веществ, не оказывающих вредного воздействия на кормовые продукты.
Целлюлозосодержащее сырье - солома злаковых культур - обладает невысокой питательной ценностью и состоит, главным образом, из полисахаридов (таблица 1).
| Таблица 1 | ||
| Химический состав соломы злаковых культур | ||
| показатели | содержание, % а.с.в. | |
| солома пшеницы | солома гречихи | |
| Целлюлоза | 41,52±0,4 | 38,2±0,78 |
| Гемицеллюлоза | 23,23±0,13 | 20,89±0,17 |
| Лигнин | 21,37±0,81 | 20,51±1,01 |
| сырая клетчатка | 34,02±0,84 | 44,95±1,28 |
| сырой протеин | 4,52±0,09 | 2,95±0,08 |
| сырой жир | 1,46±0,17 | 1,18±0,01 |
| сырая зола | 4,14±0,04 | 2,19±0,12 |
Наибольшее значение в разложении клетчатки имеют почвенные микроорганизмы, которые способствуют эффективному разложению этого компонента в природе в кислых почвах (лесные подстилки, кислые торфяники, подзолы).
Пример 1.
Для эффективной деструкции углеводного комплекса целлюлозосодержащего сырья необходимы условия, в которых будет превалирующим действие целлюлозолитических микроорганизмов биологического препарата. Исходя из этого, приготовление посевного материала проводили при pH 5,4-5,5 с внесением 0,5% раствора лактозы. К субстрату, состоящему из 1 части размола (0,3 части проросших зерен ячменя и 0,7 части пшеничных отрубей) и 1 части воды, нагретой до температуры 80-100°C, добавляли микробиологический препарат «Байкал ЭМ-1» из расчета 0,08 г на 1 кг субстрата и 0,5% раствор лактозы из расчета 100 г на 1 кг субстрата. Полученную таким образом закваску оставляли для созревания на 5-6 часов, а без лактозы на 10-12 часов при комнатной температуре. Полученный подобным образом посевной материал использовали при засеве целлюлозосодержащего сырья. Для этого в камеру объемом 3000 мл поместили измельченную пропаренную при температуре 100°C солому пшеницы, увлажнили ее до содержания влаги 65% и добавили посевной материал. Ферментацию проводили в течение 3 суток (72 часа) в анаэробных условиях при температуре 24-26°C с начальным pH 5,4-5,5. Спустя 36 часов в конце экспоненциальной фазы роста микроорганизмов для активации биосинтеза целлюлозолитических ферментов в субстрат вносили 0,5% раствор лактозы дискретно (из расчета 100 г на 1 кг сырья). Эффективность деструкции целлюлозного комплекса соломы пшеницы оценивали по накоплению редуцирующих веществ в ферментолизате (таблица 2).
| Таблица 2 | ||||||
| Эффективность процесса биодеструкции нативной соломы пшеницы по накоплению редуцирующих веществ | ||||||
| Условия микробиологической обработки | Содержание редуцирующих веществ, % | |||||
| Время микробиологической обработки, ч | ||||||
| 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 72 | |
| Без внесения лактозы | 2,18±0,11 | 3,19±0,05 | 4,23±0,06 | 5,56±0,16 | 7,16±0,13 | 8,3±0,13 |
| С внесением лактозы через 36 часов ферментации | 2,18±0,11 | 3,19±0,05 | 5,08±0,03 | 6,13±0,09 | 9,0±0,08 | 9,65±0,06 |
Через 70-72 часов ферментации разрушилось 47,86% полисахаридов и 72,67% лигнина. Содержание сырого протеина составило 5,93%, что на 1,41% больше, чем в нативной соломе пшеницы. Содержание редуцирующих веществ с внесением лактозы на 16,27% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 3). Результаты микробиологической обработки нативной соломы пшеницы представлены в таблице 3.
| Таблица 3 | ||
| Состав полученных продуктов после микробиологической обработки нативной соломы пшеницы | ||
| Показатели | Содержание, % а.с.в. | |
| без внесения раствора лактозы | с внесением раствора лактозы | |
| Целлюлоза и гемицеллюлоза | 35,72±0,005 | 33,76±0,22 |
| Лигнин | 5,63±0,02 | 5,84±0,02 |
| Сырой протеин | 5,11±0,02 | 5,93±0,02 |
| PB | 8,3±0,13 | 9,65±0,06 |
| pH | 6,4±0,03 | 6,47±0,06 |
Пример 2.
Микробиологическую обработку нативной соломы пшеницы проводили аналогично примеру 1, только вместо пропаривания при температуре 100°C солому подвергали термогидролизу при pH 3,0, температура 112°C, давление 0,5 атм, время экспозиции 25 минут. Затем pH ферментационного субстрата доводили до 5,4-5,5. Через 70-72 часов ферментации разрушилось 56,14% полисахаридов и 78,38% лигнина. Содержание сырого протеина составило 8,55%, что на 4,02% больше, чем в нативной соломе пшеницы. Содержание редуцирующих веществ с внесением лактозы на 23,54% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 4).
| Таблица 4 | ||
| Состав полученных продуктов после микробиологической обработки прогидролизованной соломы пшеницы | ||
| Показатели | Содержание, % а.с.в. | |
| без внесения раствора лактозы | с внесением раствора лактозы | |
| Целлюлоза и гемицеллюлоза | 28,98±0,02 | 28,4±0,02 |
| Лигнин | 4,54±0,04 | 4,58±0,15 |
| Сырой протеин | 7,34±0,03 | 8,55±0,05 |
| PB | 11,64±0,03 | 14,38±0,02 |
| pH | 6,45± | 6,53±0,004 |
Пример 3.
Микробиологическую обработку проводили аналогично примеру 1, только в качестве целлюлозосодержащего сырья использовали нативную солому гречихи. Через 70-72 часов ферментации разрушилось 35,76% полисахаридов и 61,04% лигнина. Содержание сырого протеина составило 5,52%, что на 2,58% больше, чем в нативной соломе гречихи. Содержание редуцирующих веществ с внесением 0,5% раствора лактозы на 36,18% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 5).
| Таблица 5 | ||
| Состав полученных продуктов после микробиологической обработки нативной соломы гречихи | ||
| Показатели | Содержание, % а.с.в. | |
| без внесения раствора лактозы | с внесением раствора лактозы | |
| Целлюлоза и гемицеллюлоза | 37,99±0,02 | 37,96±0,02 |
| Лигнин | 7,97±0,01 | 7,99±0,06 |
| Сырой протеин | 4,97±0,02 | 5,52±0,03 |
| PB | 5,86±0,05 | 7,98±0,01 |
| pH | 6,28±0,03 | 6,45±0,04 |
Пример 4.
Микробиологическую обработку соломы гречихи проводили аналогично примеру 3, только вместо термической обработки сырья (при 100°C), субстрат подвергали термогидролизу при pH 3,0, температуре 112°C, время экспозиции 25 минут. Затем pH ферментационного субстрата доводили до pH 5,4-5,5. Через 70-72 часов ферментации разрушилось 50,13% полисахаридов и 71,62% лигнина. Содержание сырого протеина составило 8,14%, что на 5,19% больше, чем в нативной соломе гречихи. Содержание редуцирующих веществ с внесением 0,5% раствора лактозы на 40,88% больше, чем без внесения этого компонента (таблица 6).
| Таблица 6 | ||
| Состав полученных продуктов после микробиологической обработки прогидролизованной соломы гречихи | ||
| Показатели | Содержание, % а.с.в. | |
| без внесения раствора лактозы | с внесением раствора лактозы | |
| Целлюлоза и гемицеллюлоза | 30,99±0,02 | 29,47±0,01 |
| Лигнин | 5,75±0,05 | 5,82±0,02 |
| Сырой протеин | 7,21±0,02 | 8,14±0,02 |
| PB | 10,03±0,05 | 14,13±0,01 |
| pH | 6,26±0,02 | 6,3±0,03 |
Таким образом, микробиологическая обработка целлюлозосодержащего сырья биопрепаратом «Байкал ЭМ-1» снижает содержание полисахаридов в среднем на 50,13-56,14%, лигнина на 71,62-78,38%, увеличивает сырой протеин на 4,02-5,19%. Биодеструкция целлюлозосодержащего сырья эффективна при использовании прогидролизованной соломы с внесением 0,5% раствора лактозы. Содержание редуцирующих веществ в таких продуктах выше на 16,27-40,88%.
Техническим результатом исследования является получение кормовых продуктов, богатых биологически активными пребиотическими, пробиотическими компонентами.
Полученные экспериментальные данные определяют основные направления переработки соломы злаковых культур микробиологическим препаратом «Байкал ЭМ-1» для получения кормовых гидролизатов, а также осахаренного объемистого корма для дальнейшего применения в качестве кормового продукта в животноводстве. При этом длительность ферментации предварительно обработанного целлюлозосодержащего сырья (соломы пшеницы и гречихи) по вышеприведенным способам уменьшается до 72 часов (3 суток).
1. Способ микробиологической обработки целлюлозосодержащего сырья, заключающийся в том, что предварительно подготовленное увлажненное до содержания влаги 65% целлюлозосодержащее сырье засевают посевным материалом, отличающийся тем, что для подготовки посевного материала используют субстрат, состоящий из 1 части воды и 1 части размола, с добавлением микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1» в концентрации 0,08 г на 1 кг субстрата с внесением 0,5% раствора лактозы из расчета 100 г на 1 кг субстрата, при этом предварительная обработка целлюлозосодержащего сырья заключается в термогидролизе при температуре 24-26°C, а процесс микробиологической обработки проводят в течение трех суток в анаэробных условиях при температуре 24-26°C с начальным pH 5,4-5,5, при этом через 36 часов от начала процесса микробиологической обработки вносят 0,5% раствор лактозы из расчета 100 г на 1 кг предварительно обработанного целлюлозосодержащего сырья.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно целлюлозосодержащее сырье подвергают термической обработке при температуре 100°C.
