Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения кормовой добавки из морских звезд

Изобретение относится к производству кормовых добавок из водных биологических ресурсов, в частности из морских звезд, например Patiria pectinifera, Evasterias echinosoma, и предназначено для использования в сельском хозяйстве и ветеринарии.

Морские звезды относятся к биологическому типу иглокожие (Echinodermata). Высокое содержание минеральных веществ и наличие коллагена в составе мышечной ткани морских звезд предопределило целесообразность разработки биотехнологического воздействия при обработке данного сырья.

Известен способ производства кормовой добавки хондропротекторной направленности из отходов морских гидробионтов. В качестве сырья используют мышечно-хрящевую ткань голов головоногих моллюсков и головы рыб лососевых пород. Мышечно-хрящевую ткань голов головоногих моллюсков измельчают и смешивают с ферментным раствором, при соотношении сырье : раствор фермента, равном 1:0,5, который состоит из ферментного препарата ЦеллоЛюкс-F или Целловиридин В Г20х в количестве 2,9-3,4 г, что соответствует активности 580-680 Ае/кг сырья, 0,1% бензойнокислого натрия, 1,0% хлорида натрия и остальное вода. Головы рыб лососевых пород измельчают и смешивают с ферментным раствором при соотношении сырье : раствор фермента, равном 1:0,25-1:0,75, который состоит из ферментного препарата Протомегатерин Г20х в количестве 1,66-1,86 г, что соответствует 1667-1864 ПЕ/кг сырья, 0,1% бензойнокислого натрия, 1,0% хлорида натрия и остальное вода. Гидролиз осуществляют одновременно в разных емкостях при температуре 37-43°С в течение 2,0-2,5 ч для голов головоногих моллюсков и в течение 4,5-5,0 ч для голов рыб лососевых пород. От полученных суспензий отделяют гидролизат из мышечно-хрящевой ткани голов головоногих моллюсков, гидролизат из голов рыб лососевых пород и костный осадок. А затем либо гидролизат из мышечно-хрящевой ткани голов головоногих моллюсков смешивают с гидролизатом из голов рыб лососевых пород и костным остатком в соотношении 0,9:1, а затем сушат. Либо гидролизат из голов рыб лососевых пород, костный осадок и гидролизат из голов головоногих моллюсков сушат по отдельности, а затем смешивают в зависимости от рецептуры корма (Патент РФ №2460313, A23K 1/10, A23L 1/326. Опубл. 10.09.2012).

Недостатком данного способа является сложность технологического процесса, связанная с применением двух ферментов, одновременным гидролизом двух видов сырья и смешиванием получающихся при этом продуктов.

Известен способ получения кормовой добавки из морских звезд Баренцева моря Solaster endeca, включающий их измельчение после размораживания, экстракцию хлороформ-метанолом (2:1), отгонку растворителя, экстракцию водой, промывку и сушку (Момджян М.М. Исследование химического состава морских звезд и кораллов Баренцева моря с целью их комплексной утилизации// Автореферат диссертации. 02.00.10. Биоорганическая химия. – М.: 1992. - 19 с.).

Недостатком данного способа является проведение двухстадийной экстракции: смесью органических растворителей - хтороформ-метанол для извлечения липидов и водой для удаления сапонинов, при этом из кормового продукта удаляется вся липидная фракция и значительная часть биологически ценных экстрактивных (водорастворимых) веществ, что снижает его биологическую ценность. Кроме того, применяется токсичный растворитель - метанол и хлороформ.

Наиболее близким к заявляемому является способ переработки морских звезд Баренцева моря: Asterias rubens, Crossaster papposus, Urasterias lincki, Solaster endeca, Hippasteria phygiana с целью получения белково-минеральной кормовой добавки. Подготавливают сырье, для этого замороженные до температуры минус 14°С морские звезды размораживают в воде до температуры 0 - минус 1°С или на воздухе при температуре 18-20°С в течение 3-3,5 часов. Затем направляют на инфракрасную сушку при температуре 60°С в течение 4 часов. Сушку ведут до содержания воды в продукте менее 10%. Высушенные звезды измельчают до порошка с размером частиц 0,01-2 мм, упаковывают и хранят при температуре не выше 20°С не более 24 месяцев при относительной влажности не более 85%. Белково-минеральная кормовая смесь из морских звезд получила название «Астериафоддер» (Голяк И.В. Технология переработки морских звезд для получения белково-минеральной кормовой добавки// Инновационные технологии переработки продовольственного сырья: матер. междунар. науч.-техн. конф. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2011 - С. 69-71).

Недостатком данного способа является то, что в кормовом продукте биополимеры остаются в нативном состоянии и являются труднодоступными для животных. Кроме того, белки химически связаны с биологически активными веществами, что негативно влияет на усвояемость кормовой добавки и в целом снижает ее биологическую ценность.

Задачей настоящего изобретения является повышение биологической ценности кормового продукта из морских звезд, улучшение усвояемости животными при ее использовании.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кормовой добавки из морских звезд, включающем подготовку сырья, сушку, измельчение, упаковку, хранение, согласно изобретению подготовленное сырье подвергают ферментативной обработке ферментным препаратом коллагеназа в количестве 0,25-1,0% к массе сырья, при гидромодуле 1:0,4 при температуре 35-55°С, рН-6,0, в течение 2-4 часов, сушку осуществляют при температуре 45°С.

Либо перед сушкой ферментированную массу разделяют на плотную часть и жидкий гидролизат и сушат по отдельности.

Технический результат изобретения - получение кормовой добавки, обладающей высокой биологической ценностью, за счет ферментативной обработки, посредством которой происходит гидролитическое расщепление химических связей в белковых макроструктурах морских звезд, в результате чего высвобождаются минеральные вещества, аминокислоты, гликозиды, аминосахара, липиды, которые становятся более доступными для усвоения в желудочно-кишечном тракте животных. Тем самым повышается усвоение организмом животного всех ценных компонентов кормовой добавки.

Экспериментально обосновывали рациональные параметры гидролиза морских звезд, характеризующие эффективность ферментативного гидролиза: концентрация ферментного препарата, температура, рН среды, продолжительность гидролиза, гидромодуль. Эффективность гидролиза оценивали по количеству накопленного аминного азота и степени (глубины) гидролиза.

В экспериментальной работе использовали все части тела морских звезд (высокоминерализированную покровную ткань и внутренние органы, составляющие от 5 до 22% от массы), выловленных в бухте Северная Хасанского района Приморского края Evasterias echinosoma и Patiria pectinifera.

Ферментативную обработку осуществляли в термостате при температурах 35-55°С_; с применением ферментного препарата - коллагеназа (протеолитическая активность - 164,3 ПЕ/г), который предварительно растворили в воде. Протеолитическая активность фермента, установленная экспериментальным путем, несколько отличается от исходной и составляет 165 ПЕ/г.

Влияние концентрации ферментного препарата и продолжительности гидролиза на накопление аминного азота представлено в табл. 1.

На Фиг. 1 представлена зависимость степени гидролиза от продолжительности ферментативной обработки и концентрации ферментного препарата коллагеназа.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в пределах концентраций фермента от 0,25 до 1% в течение 5 часов достигается степень гидролиза в одном диапазоне, средняя величина которого составляет 34%. Данная величина может быть получена при сокращении продолжительности ферментолиза до 4 часов. В связи с этим была принята рациональная продолжительность гидролиза - 4 часа.

Влияние температуры на ферментативный гидролиз обусловлено двумя основными процессами. С одной стороны, при повышении температуры скорость гидролиза, как и любой химической реакции, возрастает, но за счет денатурации молекулы фермента падает его активность, что приводит к снижению скорости процесса.

В условиях данного эксперимента использовали концентрацию фермента - 1%, продолжительность гидролиза - 4 часа, обработку проводили при следующем температурном диапазоне: 35; 45 и 55°С.

Результаты по определению влияния температуры процесса гидролиза на количество аминного азота представлены в табл. 2.

Зависимость степени гидролиза от температуры процесса во времени выражена графически и представлена на фиг. 2.

Как видно из графика, представленного на фиг. 2, степень гидролиза при максимальной продолжительности процесса (4 ч) составляла от 33 до 77%. При этом при продолжительности гидролиза 2 ч, температуре 55°С и концентрации фермента 1% достигается степень гидролиза, имеющая величину, близкую к среднему значению от указанного диапазона - 54%.

Из полученных данных следует, что температура реакционной среды значительно влияет на степень гидролиза. Так, через 4 ч ферментативной обработки при температуре 45 и 55°С степень гидролиза в данных условиях достигала высоких значений и составила 62 и 77%, соответственно. Вероятно, что при дальнейшей экспозиции значение степени гидролиза достигнет экстремума.

Известно, что гидромодуль (соотношения сырья и воды) определяет концентрацию белка и фермента в растворе и их взаимодействие. При разбавлении субстрата усиливается растворение и диффузия субстрата, что облегчает фермент-субстратное взаимодействие. С другой стороны, уменьшение концентрации белка способствует снижению стабильности фермента (денатурации) в процессе гидролиза. С течением времени процессы денатурации усиливаются, соответственно, чем больше степень разбавления, тем сильнее процессы денатурации во времени. Как и все другие параметры гидролиза, величина гидромодуля будет индивидуальна для каждого процесса и должна быть подобрана опытным путем. Следует учитывать, что чем больше значение гидромодуля, тем более разбавленным будет гидролизат.

В данном исследовании использовали концентрацию фермента - 1,0%, температурный режим - 55°С, продолжительность гидролиза -2 ч, диапазон гидромодуля: 1: 1,0; 0,8; 0,6; 0,4; 0,2.

Результаты по определению зависимости эффективности гидролиза (накопление аминного азота и степень гидролиза) от гидромодуля реакционной смеси представлены в табл. 3.

Установлено, что с уменьшением гидромодуля до 1: 0,4 увеличивается степень гидролиза до 95%, т.е. уменьшение разбавления субстрата облегчает фермент-субстратное взаимодействие. Это связано с высоким содержанием воды в сырье.

На основании полученных результатов рациональным гидромодулем является 1:0,4. При таких условиях достигается максимальная величина степени гидролиза - 95%.

Большинство ферментов характерным образом изменяет свою активность в зависимости от рН. Для различных протеолитических ферментов значения рН-оптимума колеблются в широких пределах от сильно кислой среды для пепсина до умеренно щелочной для сериновых протеиназ.

Коллагенолитические протеазы из гипатопанреаса краба проявляют максимальную активность в интервале рН от 6 до 9.

Следует отметить, что полученный гидролизат имеет рН, равную 6.

В данном исследовании использовали концентрацию фермента - 1,0% при температурном режиме - 55°С, гидромодуле - 1:0,4.

Результаты по накоплению аминного азота в зависимости от рН представлены в табл. 4.

Зависимость степени гидролиза от значения рН выражена графически и представлена на фиг. 3.

Из диаграммы, представленной на фиг. 3, следует, что изменение рН в щелочную сторону способствует снижению активности ферментного препарата, тем самым уменьшая степень гидролитического распада белка.

Разработанный способ получения кормовой добавки из морских звезд позволяет целенаправленно регулировать ее химический состав путем разделения ферментированной массы на составляющие части: жидкую и плотную и последующей их сушки - по отдельности. В первом случае получают добавку с повышенным содержанием белковых веществ и пониженным содержанием минеральных веществ, а во втором случае - наоборот.

Способ предусматривает использование свежевыловленного, охлажденного или мороженого сырья: морских звезд Patiria pectinifera и Evasterias echinosoma.

Способ получения кормовой добавки осуществляют следующим образом.

Подготавливают морские звезды: при необходимости размораживают, промывают водой от загрязнений, нарезают на кусочки размером 10-15 мм, добавляют воду. Ферментный препарат коллагеназа (протеолитическая активность - 164,3 ПЕ/г) в количестве 0,25-1% от массы сырья растворяют в воде и добавляют в подготовленное сырье. Общее количество добавленной воды составляет гидромодуль 1:0,4. Процесс ферментации осуществляют при температуре 45-55°С, рН-6,0, в течение от 2 до 4 ч. Полученный гидролизат и плотный минерализованный осадок сушат, либо после ферментативной обработки гидролизат и плотный минерализованный осадок разделяют на центрифуге и затем сушат по отдельности при температуре 45°С до содержания воды в продукте менее 10%. Высушенный продукт измельчают до состояния муки, фасуют, упаковывают и отправляют на хранение.

Пример 1. Четыре кг морских звезд Patiria pectinifera и Evasterias echinosoma в соотношении 1:1 промывают водой от загрязнений. Нарезают на кусочки размером 10-15 мм, добавляют воду в количестве 1 л. Ферментный препарат коллагеназа (протеолитическая активность - 164,3 ПЕ/г) в количестве 40 г растворяют в 0,6 л воды и добавляют к сырью. Общее количество добавленной воды 1,6 л, что составляет гидромодуль 1:0,4. Смесь нагревают до 45°С и выдерживают при данной температуре в течение 2 часов, высушивают при температуре 45°С до содержания воды в продукте менее 10%. Высушенный продукт измельчают до состояния муки, фасуют, упаковывают и направляют на хранение. Кормовая добавка представляет собой порошок коричневого цвета с содержанием: воды 9,8%, белка 31,0%, минеральных веществ 55,0%, липидов 4,2%.

Пример 2. Аналогично примеру 1, но количество фермента 10 г и продолжительность ферментации составляет 4 часа. Кормовая добавка представляет собой порошок коричневого цвета с содержанием: воды 9,9%, белка 30,7%, минеральных веществ 55,1%, липидов 4,3%.

Пример 3. Аналогично примеру 1, но количество фермента 20 г и продолжительность ферментации составляет 3 часа. Кормовая добавка представляет собой порошок коричневого цвета с содержанием: воды 10,0%, белка 31,8%, минеральных веществ 54,2%, липидов 4,0%.

Пример 4. Аналогично примеру 1, но после окончания ферментации гидролизат после отделения плотного остатка высушивают при температуре 45°С до содержания воды в продукте менее 10%. Высушенный продукт измельчают до состояния муки. Кормовая добавка представляет собой порошок коричневого цвета с содержанием: воды 9,9%, белка 62,5%, минеральных веществ 11,6%, липидов 3,4%.

Пример 5. Аналогично примеру 1, но после окончания ферментации плотный остаток после отделения гидролизата высушивают при температуре 45°С до содержания воды в продукте менее 10%. Высушенный продукт измельчают до состояния муки. Кормовая добавка представляет собой порошок коричневого цвета с содержанием: воды 9,7%, белка 12,5%, минеральных веществ 69,6%, липидов 2,2%.

Высокое содержание в кормовой добавке из морских звезд минеральных веществ, в особенности кальция, позволяет рекомендовать ее в качестве функционального компонента в составе кормов для птиц несушек.