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 в качестве корма для использования в сельском хозяйстве, в частности, в птицеводстве.

Высокое содержание минеральных веществ и наличие коллагена, гликозидов, липидов в тканях морских звезд предопределило целесообразность разработки способа биотехнологического воздействия при обработке данного сырья для получения кормовых добавок.

Известные способы получения белковых продуктов чаще всего основаны на разрушении белковых тканей термообработкой и последующем получении продуктов деградации посредством протеолитических ферментов или экстракцией сырья органическим растворителем.

В частности, известен способ получения кормовой добавки из морских звезд Баренцева моря Solaster endeca, включающий измельчение сырья после размораживания, экстракцию хлороформ-метанолом в соотношении (2:1), последующую отгонку растворителя, повторную 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 хлороформ-метанол для извлечения липидов и водой для удаления сапонинов. При этом из полученного продукта удаляется вся липидная фракция и значительная часть биологически ценных экстрактивных (водорастворимых) веществ, что снижает его биологическую ценность. Кроме того, в процессе применяется токсичный растворитель - метанол и хлороформ.

Известен способ получения каротиноидного комплекса из морских звезд, согласно которому сырье - морские звезды вида Patiria pectinifera - обезвоживают 96%-ным этиловым спиртом в течение 60-90 мин, затем экстрагируют 96%-ным этиловым спиртом. Причем в спирт добавляют пищевую кислоту в соотношении спирт:кислота 100:1-1,2 и аскорбиновую кислоту в соотношении спирт:аскорбиновая кислота 1000:1-1,2 При этом соотношение сырье - спирт составляет 1: 1-1,2. Экстракцию проводят при температуре 15-25°C без доступа воздуха и света в течение 24-48 ч, далее экстракт фильтруют и концентрируют в вакууме при 40-60°C. Полученный концентрат разбавляют дистиллированной водой до содержания этилового спирта в растворе 20-30% и пропускают через колонку с полихромом - 1, уравновешенным 20-30% этиловым спиртом. Далее сорбент промывают градиентом этилового спирта с 30 до 50%, а целевой продукт элюируют 60-65% этиловым спиртом. Элюат упаривают в вакууме при 40-60°C. Полученный концентрат растворяют в 96%-ном этиловом спирте, отстаивают в течение 22-24 ч при минус 18°C и центрифугируют. Этанольный раствор упаривают в вакууме при 40-60°С. Выход суммы каротиноидов составляет 0,8-1,0% от массы исходного сырья (патент РФ №2469732, A23K 35/56, B01D 11/00, опубл. 20.12.2012).

Недостатком известного способа является низкий выход используемых биологически активных веществ. А также нерациональное использование сырья, в частности плотного остатка, получаемого после спиртовой экстракции, масса которого может составлять более 90% от массы сырья и содержит большое количество биологически ценного материала, дальнейшее использование которого не предлагается.

Известен способ производства кормовой добавки хондро-протекторной направленности из отходов морских гидробионтов. В качестве сырья используют мышечно-хрящевую ткань голов головоногих моллюсков и голов рыб лососевых пород. Мышечно-хрящевую ткань голов головоногих моллюсков измельчают и смешивают с ферментным раствором при соотношении сырье-раствор фермента, равном 1:0,5. При этом раствор фермента 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. При этом раствор фермента 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°C 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 дорогостоящих ферментов, одновременным гидролизом двух видов сырья и смешиванием полученных при этом продуктов.

Известен способ получения белковых гидролизатов из белоксодержащего сырья, в частности для производства кормов для животных. Способ включает ферментативный гидролиз с последующей инактивацией ферментов, отделением целевого продукта фильтрацией, концентрацией его и сушкой. При этом белоксодержащее сырье измельчают до гомогенного состояния, разбавляют деионизированной водой, перемешивают, доводят pH гомогената до 8,5 и добавляют гомогенат гепатопанкреаса краба. Смесь выдерживают при 25-40°C в течение 4-6 ч. После этого смесь нагревают до температуры 55-100°С, твердый осадок отделяют фильтрацией, раствор концентрируют и высушивают (патент РФ №20088104, A23J 3/34, A23J 3/30, A23J 3/04, A23J 3/08, опубл. 27.08.1997).

Недостатком известного способа является то, что кормовой продукт, полученный указанным способом, имеет низкую пищевую ценность, т.к. в результате термоинактивации при высокой температуре (75-100°C) белки коагулируют и кормовая ценность их снижается.

Наиболее близким к заявленному способу по совокупности существенных признаков является способ получения ферментативных белковых гидролизатов из морских гидробионтов для микробиологических и/или кормовых целей (патент РФ №2215425, A23J 1/04, A23J 1/30, A23J 3/34, опубл. 10.11.2003).

Известный способ включает одновременное измельчение сырья и гепатопанкреаса-сырца камчатского краба до гомогенного состояния. Полученную смесь разбавляют водой при соотношении масс сырья и воды 1:1-1:2 и нагревают до 45-55°С. Гидролиз ведут при естественном pH в течение 0,5-3 ч. При степени гидролиза менее 30% получают гидролизат, который используется в качестве белковой кормовой добавки. При этом соотношение масс сырья и ферментсодержащего препарата-гепатопанкреаса-сырца камчатского краба составляет от 1:0,010 до 1:0,030 (для ферментного препарата из гепатопанкреаса-сырца камчатского краба составляет от 1:0,001 до 1:0,003). После окончания гидролиза проводят термоинактивацию: смесь нагревают до 80-100°C в течение 10-60 мин, затем охлаждают до комнатной температуры. Полученный гидролизат центрифугируют, после чего упаривают под вакуумом до массовой доли сухих веществ от 30 до 65% или сушат до остаточной массовой доли воды не более 10%.

Недостатком известного способа является то, что конечный продукт, полученный указанным способом, имеет низкую кормовую ценность. Поскольку при такой степени гидролиза (до 30%) большая масса биополимеров белкового продукта находится в связанном состоянии с биологически активными веществами, они трудно усваиваются животными, что в целом снижает его биологическую ценность.

Кроме того, в результате термоинактивации фермента при высокой температуре (80-100°С) длительное время (10-60 мин) белки коагулируют, следовательно, снижается их кормовая ценность.

К тому же, полученный продукт содержит избыточное количество липидной фракции (гепатопанкреас краба содержит более 50% липидов), что приводит к быстрому окислению продукта, следовательно, снижается срок хранения готового продукта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа получения кормового продукта из морских звезд, характеризующегося повышенной биологической ценностью, улучшенной усвояемостью его животными, а также безотходное использование сырья.

Техническим результатом изобретения является исключение потерь биологически ценных веществ в процессе обработки сырья, обеспечение доступности питательных веществ для усвоения организмом.

Другим техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является отсутствие токсичных элементов в кормовой добавке и безотходное использование сырья.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения кормовой добавки из морских звезд, включающем измельчение сырья, смешивание его с протеолитическим ферментом, проведение ферментативного гидролиза, отделение плотного остатка и сушку, перед ферментативным гидролизом или после него измельченное сырье подвергают экстракции этиловым спиртом в соотношении сырье:спирт 1:1,5 в течение 40-60 мин, а ферментативный гидролиз проводят в течение 1,5-2 ч протеолитическим ферментом в количестве 0,4-1% к массе сырья с гидромодулем 1:1 или 1:1,4.

Экстракция сырья органическим растворителем обеспечивает детоксикацию продукта за счет удаления из сырья токсичных астеросапонинов, которые переходят в процессе экстракции в водно-спиртовый экстракт.

Кроме того, в процессе экстракции удаляется часть хлористого натрия до содержания в кормовом продукте, не превышающем норматив (в добавках для кур не более 5%), и часть липидов, содержание которых в кормовых продуктах также строго регламентируется.

Вдобавок, в результате обработки сырья органическим растворителем (этиловым спиртом) снижается микробиологическая обсемененность кормового продукта.

При этом в процессе экстракции сырье частично обезвоживается, что позволяет применять щадящие температурные режимы сушки для снижения тепловой денатурации белков, что способствует сохранению белков, следовательно, повышает пищевую ценность кормовой добавки.

Все это вместе способствует достижению заявленного технического результата.

В предлагаемом способе повышение биологической ценности кормового продукта достигается, в том числе, за счет обработки ферментным препаратом плотного остатка после отделения экстракта. В качестве ферментного препарата используют протеолитический фермент, в частности протосубтилин, коллагеназу, протамекс.

Фермент берут в количестве 0,4-1% к массе сырья, что достаточно для расщепления белковых структур до фрагментов, которые хорошо усваиваются животными.

Характеризуя количественный показатель ферментного препарата, следует сказать, что количество фермента ниже 0,4% не позволит провести гидролиз до степени распада белковых молекул, которые хорошо усваиваются. Так, в процессе ферментативного гидролиза расщепляются химические связи, и белковые макроструктуры распадаются на более доступные для усвоения животными биологически ценные компоненты: минеральные вещества, аминокислоты, гликозиды, аминосахара, липиды и др. А это немаловажный показатель биологической и кормовой ценности готового продукта, если учесть, что эти компоненты содержат достаточно большое количество важных для организма животных макро- и микроэлементов.

Сущность способа заключается в следующем.

Свежевыловленные, охлажденные или мороженые морские звезды промывают, измельчают и загружают в емкости для экстракции. Экстракцию проводят этиловым спиртом (этанолом) в течение 40-60 мин. Полученный экстракт отделяют, а плотный остаток обрабатывают ферментным препаратом в количестве 0,4-1% в течение 1,5-2 ч. Полученный продукт сушат до содержания воды в нем не более 10%. Допускается, перед сушкой ферментированную массу разделять на плотную и жидкую части, которые сушат по отдельности.

Для установления наименьших технологических потерь и, соответственно, наибольшего выхода готовой продукции определяли рациональную последовательность этапов технологического процесса: ферментирование и последующая экстракция или вначале экстракция затем ферментирование.

Данные по выходу готовых продуктов, в пересчете на 10%-ную влажность, представлены в таблице 1.

Согласно данным таблицы в процессе ферментативного гидролиза и последующей экстракции (образец 1) значительная часть образующихся растворимых веществ переходит в экстракт (8,3%), что приводит к существенным потерям ценных белковых и минеральных веществ. В то время как в процессе экстракции и последующего ферментирования (образец 2), концентрация биологически ценных веществ остается в плотной части выше, чем в первом случае, что, несомненно, повышает ценность конечного продукта.

Таким образом, преимущественно, для снижения потерь биологически ценных веществ и увеличения выхода кормовой добавки целесообразно вначале проводить экстракцию сырья, а затем ферментировать полученный полуфабрикат.

Экспериментально установлено, что кормовая добавка, полученная таким способом, имеет более высокие показатели пищевой ценности.

Содержание основных компонентов в кормовой добавке представлено в таблице 2.

Как видно из представленных данных, кормовая добавка, полученная из морских звезд предложенным способом, содержит небольшое количество воды (5,22%) и характеризуется низким содержанием липидов и достаточно высоким количеством минеральных веществ (35,9%), что соответствует требованиям основных нормативных и технических документов на кормовые продукты. Содержание белка в кормовой добавке составляет от 27,41%, что также соответствует требованиям нормативных документов и обеспечивает высокую кормовую ценность конечного продукта. Содержание аминосахаров, выполняющих ряд важных жизненных функций в организме животных, составляет также значительное количество.

Наиболее важный для птицеводства показатель кормовой добавки - наличие в ней кальция и фосфора. В разработанной кормовой добавке содержится 12,1% кальция и 0,39% фосфора, что соответствует требованиям, предъявляемым к кормам для птиц.

Содержание макро- и микроэлементов и токсичных элементов определенно стандартными методами и приведено в таблице 3.

Данные табл. 3 свидетельствуют о содержании в кормовой добавке в достаточно большом количестве важных для организма животных макро- и микроэлементов, при этом количество токсичных элементов не превышает (даже в несколько раз ниже) установленных ЕВТ норм.

Биологическая ценность кормовой добавки, полученной заявляемым способом, подтверждается высоким содержанием жирных кислот в ее липидной фракции. Экспериментально выявлено, что в липидах кормовой добавки на долю полиненасыщенных жирных кислот приходится 31,18%, среди которых преобладают арахидоновая, линолевая, линоленовая, эйкозодиеновая, тимнодоновая и цервоновая жирные кислоты, биологическая роль которых очень важна. Они являются структурными элементами в таких комплексах, как фосфолипиды, липопротеиды, и образуют клеточные мембраны соединительной ткани. При их недостаточности снижается устойчивость организма к неблагоприятным внешним и внутренним факторам, возникают проблемы с обменными процессами.

Одновременно с этим, относительная биологическая ценность (ОБЦ) кормовой добавки из морских звезд, полученной по заявляемой технологии, существенно возрастает по сравнению с сырьем благодаря доступности питательных веществ для усвоения организмом и отсутствию токсичных элементов. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, приведенные в таблице 4.

Согласно данным табл. 5 относительная биологическая ценность морских звезд после технологической обработки по заявляемому способу увеличивается более чем в 6 раз.

Так, морские звезды, используемые в качестве сырья и возможного корма после измельчения, имеют очень низкую относительную биологическую ценность - 16,7%, в то время как ОБЦ кормовой добавки, полученной из этого сырья, составляет уже 104%, т.е. даже больше эталона ОБЦ - казеина на 4%.

Для сравнения, приводим результаты наших исследований ОБЦ кормовых добавок из морских звезд разного способа получения: добавка, полученная только способом экстракции этанолом, имеет ОБЦ - 28%, полученная только обработкой протеолитическим ферментом протосубтилином - 54,4%.

Проведенные исследования безопасности кормовой добавки свидетельствуют, что она по микробиологическим показателям и содержанию токсичных элементов отвечает требованиям, предъявляемым к товарам, подлежащим ветеринарному контролю (ЕВТ).

Результаты приведены в таблице 5.

Практическое осуществление заявляемого способа иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Сырье - морскую звезду - измельчают до кусочков размером 10-15 мм и подвергают экстракции этиловым спиртом при соотношении сырье:спирт 1:1,5 при комнатной температуре в течение 40 мин. Полученный экстракт отделяют, а плотный остаток нагревают до температуры 55°C и при этой температуре обрабатывают ферментным препаратом коллагеназа в количестве 1% к массе сырья при гидромодуле 1:1. Ферментативный гидролиз проводят в течение 1,5 ч. Ферментат подвергают сушке при температуре не более 55°C до содержания воды в кормовой добавке не более 10%, поднимая температуру на заключительной стадии сушки до 60-62°C на период времени 10-15 мин. Сухую кормовую добавку измельчают, просеивают и расфасовывают. Она представляет собой порошок коричневого цвета, имеет приятный запах морепродуктов. Химический состав, %: вода - 7,4; белок - 28,9; липиды -2,5; минеральные вещества - 36,3; аминосахара - 1,52; углеводные соединения - 23,38.

Выход кормовой добавки составляет 28,9-31,6% от массы исходного сырья.

Пример 2. Сырье измельчают до кусочков размером 10-15 мм и обрабатывают ферментным препаратом Протамекс в количестве 0,4% к массе сырья при гидромодуле 1:1,4. Ферментативный гидролиз проводят в течение 2 ч при температуре 55°C, pH 6. Затем отделяют плотную часть фильтрованием и отправляют ее в емкости для экстракции этиловым спиртом при соотношении сырье:спирт 1:1,5. Экстракцию проводят при комнатной температуре в течение 60 мин. Полученный экстракт отделяют, а плотный остаток нагревают до температуры не более 55°C и при этой температуре сушат до содержания воды в кормовой добавке не более 10%, поднимая температуру на заключительной стадии сушки до 65°C на 10-15 мин. Сухую кормовую добавку измельчают, просеивают и расфасовывают. Она представляет собой по внешнему виду порошок коричневого цвета, имеет приятный запах морепродуктов. Химический состав, %: вода - 8,2; белок - 25,4; липиды - 2,2; минеральные вещества - 35,1; аминосахара - 1,66; углеводные соединения - 27,44.