Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОРМОВОГО ПРОДУКТА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ

Изобретение относится к области пищевой промышленности, в частности к области переработки молока и молочных продуктов, и может быть использовано для получения кормового белка из отходов переработки молока, в частности молочной сыворотки, а также к отрасли животноводства, а именно к способу производства функционального кормового продукта для улучшения здоровья и увеличения продуктивности сельскохозяйственных животных и птиц.

Известно, что улучшить здоровье животных помогает функциональное кормление, предполагающее использование в рационах кормов естественного и искусственного происхождения, которые при систематическом или периодическом скармливании оказывают регулирующее воздействие на физиологические функции, биохимические реакции и поведение животного через нормализацию его микробиологического статуса. К этой категории относят биоэлементы, витамины, пробиотики, пребиотики и др. Их присутствие в рационах способствует не только увеличению продуктивности животных, но и обогащению продукции животноводства. Качественная продукция также может быть получена только от здоровых животных, получающих достаточное количество всех нутриентов, в том числе протеинов, биоэлементов.

Однако данные составляющие не «работают», если произошло нарушение микробиоценоза пищеварительного тракта. Поэтому функциональное питание, и функциональные кормовые продукты (ФКП) должны быть направлены в первую очередь на улучшение переваривания в кишечнике, на нормализацию микрофлоры в желудочно-кишечном тракте [1].

В настоящее время наблюдается снижение качества кормов, включая их энергетическую и протеиновую питательность. Практически все виды используемых кормов относятся к группе низкопротеиновых, поэтому обеспеченность белком (в частности для КРС) не превышает 85 г, вместо 108 г. по нормам, что является одной из важнейших причин низкой продуктивности животных, повышенного расходов кормов на единицу продукции и ее высокой себестоимости.

В ведущих хозяйствах для устранения возрастающих требований к уровню балансирования рационов с повышением уровня молочной кормовые продуктивности коров, основывающемся на высоком качестве кормов, в рационах используют добавки отечественного и импортного производства.

Исследования показали, что использование биологически активных веществ и пробиотических микроорганизмов по отдельности имеет более низкую эффективность, поэтому ставится задача разработки комплексных препаратов, которые включают не менее 15% суточной дозы (по аналогии с функциональными продуктами питания ФПП) биологически активных веществ на один прием, не находящихся в антагонистических взаимоотношениях. При исследовании метаболизма 15 макро- и микроэлементов выявлено существование около 105 двусторонних и 455 трехсторонних отношений синергизма и антагонизма, которые необходимо учитывать для того, чтобы избежать потери одних элементов при назначении других.

Так йодная недостаточность ускоряется при неполноценности рационов сельскохозяйственных животных [2], недостатке в них витаминов А и С, кальция, фосфора, кобальта, марганца, а также при избытке в рационе молибдена, бария, стронция. Йод способствует выводу из организма тяжелых металлов и радиоактивных веществ. Увеличение йода в рационе питания животных на 70% снижает накопление радиоактивного цезия в коровьем молоке на 12-39%. Недостаток йода в организме может стать причиной отсутствия овуляции, задержки роста и развития и др. Удои коров при этом небольшие; количество жира в молоке уменьшено. Характерно низкое содержание йода в молоке - от 2 до 25 мкг/л, тогда как в молоке коров, в случае, если заболевания зобом не регистрируются, йода содержится 60-80 мкг/л.

Усвояемости йода помогает селен. Йод, фтор мышьяк, кобальт - один из примеров антагонизма биоэлементов, поэтому одновременно обогащать йодом и кобальтом в высших дозах нецелесообразно.

Важнейшим биоэлементом для животных является кобальт, который входит в состав кобаламина - витамина В₁₂. Кобальт принимает участие в активизации костной и кишечной фосфатазы, каталазы, карбоксилазы, повышает гликолитическую активность крови, улучшает тканевое дыхание, способствуя ассимиляции организмом животного углеводов, азота и усилению синтеза мышечных белков. Наиболее чувствительны к недостатку кобальта молодые, растущие животные (телята, поросята, ягнята). Симптомы при гипокобальтозе у молодняка имеют аналогичные клинические проявления как при авитаминозах: больные животные истощенные, вялые, кожа и видимые слизистые оболочки бледные, кожа и шерстный покров огрубевшие. Поедаемость корма понижена, суточные привесы низкие, в результате чего такие животные растут медленно. Больным животным назначают подкормку солями кобальта. Кобальта хлорид дают взрослому крупному рогатому скоту по 20-40 мг, молодняку 10-20 мг, овцам 2,5-5 мг в сутки. Существует синергизм железа и кобальта.

При недостатке меди у животных [3] снижается содержание ее в крови (в крови здоровых животных около 1 мг/л, при недостаточности - до 0,2 мг/л) и печени, нарушается синтез гемоглобина, следствием чего является развитие гипохромной анемии. При этом снижается способность крови переносить кислород, прогрессирует кислородная недостаточность, в организме накапливаются недоокисленные продукты (ацидоз). У животных появляется понос, извращается аппетит, снижается продуктивность. Медь требуется для нормального течения воспроизводительных функций, развития микрофлоры преджелудков, Она улучшает углеводный обмен, ускоряя окисление глюкозы, кроме того, активирует ряд ферментов, в частности костную аминоксидазу. Точный диагноз ставят по результатам химического исследования кормов, крови и, в случае убоя животного, - печени, так как медь отлагается главным образом в этом органе. Снижение содержания меди в печени ниже 50 мг/кг - наиболее надежный показатель развивающейся недостаточности.

Избыток меди приводит к дефициту цинка и молибдена, а также марганца. Недостаток меди может возникнуть либо в случае нехватки меди, либо под влиянием чрезмерного количества молибдена, а иногда и серы. Негативное влияние молибдена и серы на уменьшение усвоения меди в кишечнике возможно объясняется образованием нерастворимых соединений. Медь, кобальт, марганец и железо - синергисты в процессах кроветворения, поэтому в состав препаратов для лечения анемии входят все эти микроэлементы. Повышается усвояемость меди под действием аминокислот.

Известно, что процент обеспеченности сельскохозяйственных животных биоэлементами от нормы в Вологодской области составляет (в %): цинк (30,8-45,7), сера (47,4-48,3), железо (153,1-156,2); йод (47,3-72,7), кобальт (16,9-28,3), медь (23,6-40,0) [3].

Проведенные нами исследования показали [4], что при обогащении творожной сыворотки биоэлементами (цинк, сера, йод, кобальт, медь, а также селен в физиологичных концентрациях) повышается их синергизм за счет включения биоэлементов в метаболизм рас кормовых дрожжей, пробиотических культур Propionibacterium и Lactobacillus. При культивировании пробиотиков в сыворотке как питательной среде ее исходный состав в значительной степени обогащается ценными продуктами метаболизма, такими как белки, иммунные тела, витамины, органические кислоты, биоэлементы в органической форме и др.

Среди культур Lactobacillus имеются культуры и штаммы, проявляющие высокий уровень антибиотических свойств (антагонизма по отношению к патогенным и условно-патогенным микроорганизмам).

Достоверно установлено, что дрожжи непосредственно оказывают положительное влияние на рост индигеных рубцовых бактерий, а также за счет высокого содержания протеина, некоторых витаминов и биоэлементов влияют на качество получаемого молока. Показано, что при скармливании дрожжевых пробиотических препаратов с различными штаммами Saccharomyces cerevisiae, у опытных коров, по сравнению с контрольными, наблюдается более быстрое достижение максимального уровня надоя, что объясняется повышением перевариваемости и поедаемости основных кормов [5].

Пропионовокислые бактерии Propionibacterium - образуют наибольшее число биологически активных соединений - летучих или короткоцепочечных жирные кислот, которые восстанавливают нормобиоту. Они устойчивы к действию желчных кислот, выдерживают высокую кислотность, а также стимулируют рост бифидобактерий в толстом кишечнике с помощью низкомолекулярных органических кислот и их солей (бутирата, пропионата).

Использование пропионовокислых микроорганизмов в сочетании с кормовыми дрожжами и Lactobacillus обеспечивает большую эффективность, чем культуры в отдельности. Соотношение выбранных культур обеспечивает единство пробиотических свойств готового продукта. Конкретный штаммовый состав может меняться в сторону улучшения потенцирования локального иммунитета: повышение уровня IgA в копрофильтратах, антибиотических свойств (антагонизма по отношению к патогенным и условно-патогенным микроорганизмам), в том числе посредством бактериоцинов; жизнеспособности в условиях кишечного микроокружения, что предполагает устойчивость к органическим кислотам, физиологической концентрации желчи, пищеварительным ферментам, антимикробным субстанциям; адгезии к эпителию слизистой; увеличения полезного воздействия на микрофлору кишечника, модифицируя ее состав и метаболическую активность.

Известны способы получения питательной среды с использованием молочной сыворотки для отдельных пробиотических микроорганизмов с использованием физиологических концентраций биоэлементов [6-8]. В частности, с помощью кормовых дрожжей из рода Torulopsis на основе молочной сыворотки производят три вида кормовых белковых продуктов: заменитель цельного молока для кормления молодняка сельскохозяйственных животных - «БИО-ЗЦМ»; жидкий белковый продукт «Промикс»; сухой, обогащенный дрожжевыми белками продукт «Провилакт».

Известны также другие способы производства комплексных препаратов для животных и премиксов с биологически активными веществами, включая пробиотики и биоэлементы, например способы получения кормовых добавок из молочной сыворотки [9], кормовой соли для животноводства по Патенту RZ №30305 [10], кормового пробиотического препарата для сельскохозяйственных животных по Патенту RU 0002546880 [11].

Недостатком данных препаратов и премиксов является сложный или дорогой по себестоимости способ приготовления и применения препарата, необходимость использования энергоемкого оборудования, или отсутствие пробиотического эффекта получаемого продукта, или недостаточные функциональные свойства. В частности, дрожжевые добавки для сельскохозяйственных животных имеют высокую себестоимость, так как для их производства, как правило, используется относительно дорогостоящее сырье: жмых, послеспиртовая барда, отруби и др. Препараты не включают в состав биологически важные вещества с учетом нутрициологического обеспеченности. Их биоэлементоз порождает функциональные заболевания. Также в составе препаратов допускается одновременное использование максимально возможного количества биоэлементов, находящихся в антагонистических отношениях.

В близком по технической сущности к предложенному способу патенте, выбранном в качестве прототипа (Патент RU №2154386) [12] производится ферментация молочной сыворотки двумя культурами бактерий, одна из которых относится к пропионовым бактериям, с последующим выделением белка, при этом молочную сыворотку последовательно обрабатывают культурами Lactobacillus casei и Propionibacterium freudenreichii. Возможно упаривание молочной сыворотки перед ферментацией до концентрации 15-25% сухих веществ, готовый белковый продукт получают в виде концентрата, для чего суспензию белка дополнительно упаривают до концентрации сухих веществ 37% в вакуум-выпарном аппарате, или сухого порошка, получаемого распылительной сушкой.

В указанных способах получаемые белковые продукты не обладают достаточными функциональными, в частности пробиотическими, свойствами, экономически эффективно повышающими рентабельность животноводства.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке экологически чистого, простого и рентабельного способа промышленной утилизации молочной сыворотки, получении экономически и биологически эффективного кормовой продукта с повышенными пробиотическими, профилактическими и функциональными, в том числе иммуномодулирующими свойствами.

Техническая сущность заключается в использовании дешевого местного сырья: молочной (творожной или подсырной) сыворотки, ее ферментации консорциумом из мезофильных рас дрожжей, дающих повышенный выход биологически полноценных протеинов, а также других симбиотических пробиотиков (Lactobacillus, Propionibacterium) и биоэлементов, недостаток которых наблюдается у животных, и безмембранного метода концентрирования сыворотки с помощью биополимеров гидроколлоидов (хитозан, пектин) [13]. При этом себестоимость кормовой добавки снижается с одновременным увеличением ее пробиотической и питательной ценности, функционального действия.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в получении ФКП из отходов переработки молока, в частности молочной сыворотки, в условиях как мелких, так и крупных цехов по переработке сыворотки, а также непосредственно в животноводческих хозяйствах. При этом цех по переработке сыворотки может находиться на расстоянии охранной зоны (300 м) от молокоперерабатывающего предприятия или фермы. Предусмотрено два варианта ФКП: концентрата с массовой долей 47-50% (срок годности в условиях нерегулируемой температуры не более 45 суток) или сухого (сублимированный препарат с массовой долей сухих веществ 9-10% и длительным скором годности).

Для достижения указанного технического результата осуществляется последовательно:

- приемка молочной сыворотки с массовой долей сухих веществ 5-5,5% (творожной, подсырной) в соответствии с ГОСТ Р 53492-2009, которая направляется в ферментеры с функциями стерилизации, охлаждения и аэрации, обогащается биоэлементами и пастеризуется при (75±1)°С в течение 2 мин;

- охлаждение до (70+1)°С, выделение сывороточных белков, без отделения белкового концентрата, осадителем хитозан-пектин, которое заключается в последовательном введении в сыворотку биополимеров с перемешиванием: сухого пектина в количестве 0,06%, 1%-ного раствора хитозана в 2%-ом растворе аскорбиновой кислоты в количестве 10% от массы смеси;

- выдержка сыворотки с биополимерами при (70±1)°С, 10 мин, (70±1)°Т, охлаждение до (30±1)°С.

- обработка молочной сыворотки культурами Lactobacillus casei, Propionibacterium freudenreichii и консорциумом кормовых дрожжей, причем обработку второй культурой проводят при снижении величины pH молочной сыворотки от первоначального значения по меньшей мере на 0,8 единиц, в момент засева второй культурой соотношение культур поддерживают от 0,4 до 5,0, а суммарную концентрацию культур выбирают от 1 до 5 г/л среды;

- обработка третьей культурой, представляющей собой консорциум мезофильных кормовых дрожжей, проводится одновременно со второй культурой в соотношении культур дрожжей к Lactobacillus casei от 1,0 до 5,0, причем суммарную концентрацию культуры дрожжей выбирают от 1 до 5 г/л среды;

- ферментация при (30±1)°C пробиотическими культурам бактерий (Lactobacillus, Propionibacterium и кормовых мезофильных рас дрожжей), при этом в процессе культивирования культур проводят аэрацию;

- культивирование при указанной температуре в течение 36-48 часов с аэрацией, до достижения биомассы культур не менее 10⁷ КОЕ/мл;

- охлаждение белково-дрожжевой биомассы до 10°C, отстаивание с последующей контаминацией пермеата, фильтрация или сепарирование на сепараторе-творогоотделителе до массовой доли сухих веществ 47-50%.

Готовый ФКП получают в виде концентрата с массовой долей 47-50% или сухого порошка с массовой долей сухих веществ 9-10%, полученного сублимационной сушкой, при которой сохраняются живые клетки пробиотических культур.

При выборе пробиотических культур рас дрожжей и штаммов Propionibacterium и Lactobacillus проводятся предварительные исследования:

- их пробиотического потенциала на различных уровнях:

- специфического антагонизма по отношению к патогенной и условно-патогенной микрофлоре;

- неспецифического антагонизма по отношению к патогенной и условно-патогенной микрофлоре;

- клеточного и гуморального иммунитета, а также биосовместимости в условиях in vitro пробиотических микроорганизмов с индигенными штаммами нормобиоты конкретных животных, для которых препарат предназначен и др. [14].

Ниже приведены варианты реализации изобретения.

Пример 1. В творожную сыворотку с содержанием 5,0% сухих веществ добавляют минеральные компоненты:

карбамид в количестве 10 г/л,

натрий фосфорнокислый двузамещенный в количестве 2,5 г/л,

калий фосфорнокислый однозамещенный в количестве 2,0 г/л,

сернокислая медь пятиводная в количестве 0,5 г/л,

диоксид марганца в количестве 0,4 г/л,

сернокислый магний в количестве 0,2 г/л,

сернокислый цинк в количестве 0,1 г/л,

хлористый кобальт в количестве 10,0 мг/л,

йодид калия в количестве 2,0 мг/л,

селенит натрия в количестве 1,0 мг/л.

Сыворотка пастеризуется при (75+1)°C в течение 2 мин; охлаждается до (70+1)°C, добавляется сухой пектин в количестве 0,06%, 1%-ный раствор хитозана в 2%-ом растворе аскорбиновой кислоты в количестве 10% от массы смеси и выдерживается при (70+1)°C, 10 мин, (70+1)°С, затем охлажлается до (30+1)°C.

Засевают бактерии Lactobacillus casei и проводят процесс аэробной ферментации. При снижении рН среды на 1,0 единицу проводят засев молочной сыворотки культурой Propionibacterium freudenreichii и консорциумом кормовых дрожжей. Дальнейшее культивирование проводят в течение 36-48 ч при более интенсивной аэрации, поддерживая уровень растворенного кислорода 10% от насыщения.

Затем биомассу охлаждают до 10°C, проводят отстаивание с последующей контаминацией пермеата, фильтрацию или сепарирование на сепараторе-творогоотделителе до массовой доли сухих веществ 47-50%.

В полученный белковый концентрат может быть добавлен консервант (в частности, бензоат натрия) с последующей расфасовкой в герметичную тару.

Пример 2. Белковый концентрат, полученный по Примеру 1 (без добавления консерванта) высушивают сублимационной сушкой с получением готового белкового продукта в виде порошка.

Источники информации

1. Безопасность продукции в аспекте полноценного кормления. - Комбикорма. 2015, №4. С. 48-50.

2. Биологическая роль селена и йода в организме животных. - Режим доступа: http://www.uraliodis.narod.ru/sel-animy.php.htm

3. Тераевич А.С., Полянская И.С., Серебряков И.А. Обогащение биоэлементами группы цинка и меди рационов КРС. Science Time. 2016. №1 (25). С. 491-495.

4. Полянская И.С., Закрепина Е.Н. Оптимизация состава питательной среды для пробиотиков на основе сыворотки. Электронный научный журнал. 2016. №2 (5). С. 32-36.

5. Смирнова Л.В., Механикова М.В., Хоштария Е.Е. Кормовые дрожжи в рационах молочных коров. Вологда-Молочное, 2014.

6. Патент RU №1521769. Питательная среда для накопления биомассы пропионовокислых бактерий, используемая при получении бактериального концентрата.

7. Патент RU №2309982. Способ получения бактериального концентрата пропионовокислых бактерий.

8. Патент RU №2372782. Способ получения замороженной концентрированной закваски на основе симбиоза пробиотических бактерий.

9. Технология кормовых добавок нового поколения из вторичного молочного сырья. Под ред. А.Г. Храмцова. М.: ДеЛи принт, 2006. - 288 с.

10. Патент RZ №30305. Способ получения кормовой соли для животноводства.

11. Патент RU №2480024 Способ получения кормовых дрожжей.

12. Патент RU №2154386 Способ переработки молочной сыворотки.

13. Тюльпина О.В. Комплексная переработка творожной сыворотки с применением биополимеров. - Дисс. на соиск. ст. к.т.н. - 2012 г. 218 с.

14. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных. Справочное пособие. 3-е издание переработанное и дополненное. / Под ред. А.П. Калашникова, В.И. Фисинина, В.В. Щеглова, Н.И. Клейменова. - М., 2003. - 456 с.