1.1.1 Кормові дріжджі

Дріжджі вперше стали використати як джерело білка для людини й тварин у Німеччині під час першої світової війни. Була розроблена промислова технологія культивування пивних дріжджів.

Як вихідна сировина для одержання кормового білка звичайно використаються відходи целюлозної й деревопереробної промисловості, солома, бавовняна лушпайка, кошики соняшника, лляна багаття, стрижні кукурудзяних качанів, бурячна меласса, картопляна мезга, виноградні вижимки, пивна дробина, верхівковий мало розкладений торф, барда спиртових виробництв, відходи кондитерській і молочної промисловості.

Здрібнена рослинна сировина, що містить велика кількість клітковини, геміцеллюлоз, пентозанов, піддають кислотному гідролізу при підвищеному тиску й температурі. У результаті 60 – 65 % в них полісахаридів гідролізуються до моносахаридів. Отриманий гідролізат відокремлюють від лігніну. Надлишок кислоти, застосовуваної для гідролізу, нейтралізують вапняним молоком або аміачною водою. Після охолодження й відстоювання в гідролізат додають мінеральні солі, вітаміни й інші речовини, необхідні для життєдіяльності мікроорганізмів. Отриману в такий спосіб живильне подавати середовище у ферментерний цех, де вирощують дріжджі.

Для культивування на гідролізатах рослинних відходів найбільш ефективні дріжджі пологів Candida, Torulopsis, Saccharomyces, які використають як джерело вуглецю гексози, пентози й органічної кислоти.

Для одержання кормових дріжджів застосовують технологію із глибинного вирощування в спеціальних апаратах - ферментерах, у яких забезпечується режим постійного перемішування суспензії мікробних клітин у рідкому живильному й з оптимальні умови аерації. З метою підтримки заданого температурного режиму в конструкції ферментера передбачається система відводу надлишкового тепла. Робочий цикл вирощування культури дріжджів триває близько 20 годин. По закінченні робочого циклу культуральна рідина разом із суспендированними в ній клітинами дріжджів виводиться з ферментера, а в нього знову подається живильний субстрат і культура дріжджових клітин для вирощування.

Виведену з ферментера суспензію мікробних клітин подають на флотаційну установку, за допомогою якої відокремлюють біомасу дріжджів від культуральної рідини. У процесі флотації суспензія спінюється, при цьому мікробні клітини спливають на поверхню разом з піною, що відокремлюється від рідкої фази. Після відстоювання дріжджову масу концентрують у сепараторі. Для досягнення кращої перетравності дріжджів в організмі тварин проводять спеціальну обробку мікробних клітин (механічна, ультразвукова, термічна, ферментативна), що забезпечує руйнування їхніх клітинних оболонок. Потім дріжджову масу упарюють до необхідної концентрації й висушують, вологість готового продукту не повинна перевищувати 8 – 10 %.

Гарний субстрат для вирощування кормових дріжджів - молочна сироватка, що є виробничим відходом при переробці молока. В 1 т молочної сироватки в середньому втримується 10 кг повноцінного білка й 50 кг дисахариду лактози, що легко утилізується мікроорганізмами. Для виділення з молочної сироватки білків розроблена ефективна технологія із застосуванням методу ультрафільтрації низькомолекулярних речовин через мембрани. Одержувані в такий спосіб білки використають для готування сухого знежиреного молока. рідкі відходи, що залишаються після відділення білків, що містять лактозу, можуть бути перероблені шляхом культивування дріжджів у збагачені білками кормові продукти.

Дуже часто дріжджуванню піддають молочну сироватку без попереднього виділення з її білків, при цьому вирощують спеціальні раси кормових дріжджів з роду Torulopsis. На основі дріжджування молочної сироватки роблять три види кормових білкових продуктів: замінник незбираного молока для годівлі молодняку сільськогосподарських тварин - «БИО - ЗЦМ»; рідкий білковий продукт «Промикс» зі змістом білків в 2,5 - 3 рази вище, ніж у вихідній молочній сироватці; сухий збагачений дріжджовими білками продукт «Провилакт», застосовуваний як замінник сухого знежиреного молока.

Крім вуглеводів і вуглеводнів як джерела вуглецю дріжджові клітини можуть використати нижчі спирти - метанол й етанол, які звичайно одержують із природного газу або рослинних відходів. Дріжджова маса, отримана після культивування дріжджів на спиртах, відрізняється високим змістом білків (56 – 62 % від сухої маси) і в ній менше втримується шкідливих домішок, чим у комовых дріжджах, вирощених на н - парафінах нафти.

У порівнянні з рослинними джерелами білків кормові дріжджі мають підвищений зміст нуклеїнових кислот. Кормові дріжджі, культивіруємі на живильному із середовищі н - парафіні нафти, можуть містити багато шкідливих домішок - похідні бензолу, D - амінокислоти, аномальні ліпіди, різні токсини й канцерогенні речовини, тому їх піддають спеціальному очищенню (екстракція бензином).

При переробці в харчовий білок біомасу дріжджів ретельно очищають. Із цією метою клітинні оболонки дріжджових клітин руйнують за допомогою механічної, лужної, кислотної або ферментативної обробки й потім екстрагують гомогенну дріжджову масу органічним розчинником. Після такого очищення від органічних і мінеральних домішок отриманий дріжджовий продукт обробляють лужним розчином для розчинення білків, потім білковий розчин відокремлюють від маси, що залишилася, дріжджів і направляють на діаліз. У процесі діалізу з білкового розчину видаляють низькомолекулярні домішки. Очищені діалізом білки осаджують, висушують й отриману білкову масу використають як добавки в різні харчові продукти.

1.1.2 Білкові концентрати з бактерій

Поряд з одержанням кормових дріжджів важливе значення для кормо-виробництва мають також бактеріальні білкові концентрати зі змістом сирого білка 60 – 80 % від сухої маси. Відомо більше 30 видів бактерій, які можуть бути використані як джерела повноцінного кормового білка. Бактерії здатні нарощувати біомасу в кілька разів швидше дріжджових клітин й у білку бактерій утримується значно більше сірко-містких амінокислот, внаслідок чого він має більше високу біологічну цінність у порівнянні з білком дріжджів.

При використанні як сировина газоподібних продуктів, основним компонентом яких є метан, живильну суміш під тиском подають у спеціальний ферментер струминного типу. З метою кращої утилізації сировини мікроорганізмами в такому ферментері передбачається рециркуляція газової суміші. Для забезпечення необхідної аерації культури бактерій ферментер продувають повітрям або киснем. Найчастіше на газових живильних вирощувати середовищах бактерії роду Methylococcus, здатні при оптимальних умовах утилізувати до 85 – 90 % подаваного у ферментер метану. Всі технологічні лінії, пов'язані з культивуванням бактерій у газовому середовищі, вимагає контролю за складом цього середовища й оснащення виробничих установок герметизованим, вибухобезпечним устаткуванням.

По закінченню ферментації клітини бактерій осаджують і відокремлюють від живильного на середовища сепараторі. Отриману бактеріальну масу піддають механічній або ультразвуковій обробці з метою руйнування клітинних оболонок, після чого висушують і використають для готування кормових білкових концентратів.

У зв'язку з тим, що газове середовище з метану й повітря вибухонебезпечні й для кращої утилізації метану бактеріями вимагають її постійної циркуляції, виробництво кормового білка з газоподібних продуктів є досить складним і дорогим. Більше широке застосування знаходить технологія вирощування бактеріальної білкової маси на метанолі, що легко можна одержати шляхом окислювання метану. При культивуванні на живильному, середовищі утримуючий метанол, найбільш ефективні бактерії пологів Methylomonas, Pseudomonas, Meth ophillus. Вирощування цих бактерій проводиться у звичайному ферментері з використанням рідкого живильного середовища.

Високою інтенсивністю синтезу білків характеризується бактерії, здатні накопичувати у своїх клітинах до 80 % сирого білка розраховуючи на суху речовину.

Звичайно водень для виробництва білкової маси одержують із води шляхом її електролітичного (електроліз) або фотохімічного розкладання. Вуглекислий газ може бути використаний з газоподібних відходів яких - або промислових виробництв, а також топкових газів, що одночасно вирішує проблему очищення газового середовища. Виробництво кормового білка на основі водно-окислюючих бактерій може бути також організоване поблизу хімічних підприємств, де як побічний продукт утвориться водень.

1.1.3 Кормові білки з водоростей

Для виробництва кормового білка використають одноклітинні водорості Сhlorella й Scenedesmus, а також синьо - зелені водорості з роду Spirulina, які здатні синтезувати білки й інші органічні речовини з вуглекислого газу, води й мінеральних речовин за рахунок засвоєння енергії сонячного світла.

По інтенсивності нагромадження біомаси водорості, хоча й уступають кормовим дріжджам і бактеріям, але значно перевершують сільськогосподарські рослини.

Зміст білків у клітинах хлорелли й сценедесмус становить 45 – 55 % розраховуючи на суху масу, а в клітинах спірулини досягає 60 – 65 %. Білки водоростей добре збалансовані по змісту незамінних амінокислот, недостатньо втримується лише метіоніну. Поряд з високим змістом білкових речовин у клітинах водоростей досить багато синтезується полі ненасичених жирних кислот і провітаміну А - каротину.

Технологія одержання білкової маси із клітин водоростей включає вирощування промислової культури в культиваторах відкритого або закритого типу, відділення водоростей від маси води, готування товарного продукту у вигляді суспензій, сухого порошку або пасто-образної маси. Процес відділення клітин водоростей від маси води енергоємний.

Спочатку відстоюють клітинну суспензію, потім клітини водоростей відокремлюють від води. Для прискорення осадження клітин часто застосовують метод хімічної флоккуляції. Зухвалу швидку коагуляцію часток. Після осадження клітинної біомаси її пропускають через сепаратор, у результаті суспензія згущається до необхідної концентрації.

Важливе значення має вирощування водоростей на стоках промислових підприємств. При культивуванні водоростей на промислових стоках або стоках теплових станцій використають надлишок тепла, що відводить із цих об'єктів, а також утилізується вуглекислота.

1.1.4 Білки мікроскопічних грибів

Коштовним джерелом добре збалансованих по амінокислотному складі білків є клітини міцелію багатьох мікроскопічних грибів. По своїх живильних властивостях білки грибів наближаються до білок сої й м'яса, внаслідок чого можуть використати не тільки для готування білкових концентратів, але і як добавка в їжу. Сировиною для промислового вирощування мікроскопічних грибів звичайно служать рослинні відходи, що містять клітковину, гемицеллюлози, лігнін.

У цей час у процесі дослідження відібрані токсичні швидкозростаючі штами мезо- і термофільних грибів для промислового культивування. У порівнянні із дріжджовими білки мікроскопічних грибів відрізняються підвищеним змістом сірко-містких амінокислот і кращою засвоюваністю. Концентрація нуклеїнових кислот у грибному міцелії (1 – 4 % від сухої маси) майже така ж, як у тканинах рослинного організму. Разом з тим у біомасі грибів значно менше, ніж у дріжджах, синтезується білків й у них відносно повільніше відбувається ріст біомаси.

Нижчі міцеліальні гриби, культивіруемі на целлюлозо- і лігнинмістких рослинних відходах, внаслідок їхньої здатності синтезувати комплекс гідролітичних ферментів розкладають целюлозу й лігнін до простих речовин, з яких утворяться амінокислоти й білки. З метою прискорення росту грибів проводиться попередня обробка рослинної сировини, що підвищує доступність його компонентів для утилізації мікроорганізмами. Найчастіше застосовують кислотно-лужний спосіб обробки целлюлозо- і лігнин-містких відходів, відпарювання під тиском. Обробка аміаком і каустичною содою. Після такої обробки відбувається повне або часткове розкладання полісахаридів і лігніну, що забезпечує прискорений ріст грибної маси й скорочення строків промислового культивування грибів.

Залежно від способу підготовки рослинної сировини для культивування мікроскопічних грибів застосовують і відповідні технології їхнього вирощування. Для культивування грибів на твердому живильному розробленому середовищі метод твердо фазної ферментації, що включає здрібнювання й обробку рослинної сировини парами води й аміаку, збагачення цієї сировини мінеральними речовинами, посів і вирощування міцелію грибів у заданому режимі аерації й підтримки оптимальної температури. Однак при такій технології культивування грибів коефіцієнт використання рослинної сировини низький, що визначає й порівняно невисокий рівень зміст білка у вирощуваній грибній масі (20 – 30 % від сухої маси).

Більше високий коефіцієнт використання сировини звичайно досягається при вирощуванні грибів на гідролізатах рослинних відходів і рідких відходів деревопереробної й целюлозно-паперової промисловості. Для цього застосовують метод глибинного культивування, як і при вирощуванні кормових дріжджів. Зміст білків у грибній масі. Вирощеної на рідкому живильному , середовищі може досягати 50 – 60 % від сухої маси. З метою більше повного використання сировини також практикується спільне культивування грибів і бактерій. Поряд з використанням рослинних відходів розроблені також технології по переробці в грибний білок торфу, гною, екскрементів тварин.

1.1.5 Кормові білкові концентрати з рослин

По змісту всіх амінокислот білки трав не уступають або значно перевищують еталон ФАО, і тільки лише дефіцит відзначається по кількості метіоніну.

Досвіди показують, що із всіх трав'янистих рослин найбільш високу біологічну цінність білків мають бобові кормові трави, трохи нижче в мятлікових трав.

Сприятливий амінокислотний склад білків, інтенсивний їхній синтез у вегетативних органах рослин послужили основою розробки технології витягу з рослинної маси білків для кормових і харчових цілей.

Однак пізніше було з'ясовано, що в рослинному соку втримується багато шкідливих домішок, таких, як феноли, важкі метали, інгібітору трипсину, гемолізуючі речовини, нуклеїнові кислоти й т.д. Більше таких речовин - у ядрі, хлоропластах, мітохондріях і менше - у цитоплазмі. Виходячи із цього, для використання на кормові й харчові цілі найбільш придатними є цитоплазматичні білки.

Невеликі напівпромислові установки для одержання кормових білкових концентратів з вегетативної маси рослин можуть бути використані в будь-якому господарстві, що має високобілкову рослинну сировину й кормоцех. Технологія готування білкових концентратів включає здрібнювання рослинної маси, отжиму соку, його коагуляцію, поділ коагуляту на зелену творого-образну масу й коричневий сік, консервування білково-вітамінної пасти.

Таким чином, у результаті переробки рослинної маси можуть бути отримані три види кормів: білковий коагулят, з якого одержують білково-вітамінну пасту; ферментований сік; залишки рослинного матеріалу після отжиму соку у вигляді гніта. [14].

Відомий спосіб одержання білка за допомогою аеробного культивування при температурі 45 – 65 °С у водному середовищу, що містить джерела вуглецю, азоту й мінеральних речовин. Недоліком відомого способу є невисокий вихід протеїну. Поставлена мета досягається тим, що як вихідна культура мікроорганізму для одержання протеїну використають термофільну змішану культуру. Термофільна змішана культура бактерій складається із трьох окремих видів бактерій. Ці бактерії класифікуються як великі вигнуті палички, підтип бактерій, клас Schizomycetes, загін Enbacteriales, сімейство Bacillaceae рід Bacillus; великі грамотрицательные палички, підтип бактерій, клас Schizomycetes, загін Enbacteriales,сімейство Bacillaceae, рід Bacillus; дрібні грамотрицательные палички, підтип бактерії, клас Schszomycetes. Змішана термофільна культура проявляє коштовні властивості. Ця змішана культура (М_с) росте краще при високих температурах, чим при звичайних, з більшим виходом клітин і зменшеною тенденцією до піно утворення в умовах ферментації.

Ця змішана культура є термофільної, росте ефективно з високою продуктивністю на сировину з окислених вуглеводнів, зокрема, нижчих спиртів, найбільше переважно з метанолу або еталона, при низьких температурах, при яких більшість інших відомих видів бактерій або відносно непродуктивні, або просто не можуть існувати, або непродуктивні й не толерантні до сировини з окислених вуглеводнів.

Ріст мікроорганізмів здійснюється у водному живильному, середовищі утримуючий водяний розчин мінеральної солі, джерело вуглецю й енергії, молекулярний кисень і вихідний посівний матеріал змішаної культури Мс. М_с є високопродуктивною при порівняно високих температурах ферментації й продуцирує необхідні й коштовні одноклітинні протеїнові продукти з високим змістом протеїну у вигляді амінокислот необхідного типу й у необхідному співвідношенні.

Вирощування М_с змішаних бактерій із сировини з окислених вуглеводнів може бути успішно здійснене при 45 – 65 °С, переважно, для досягнення оптимальної швидкості росту, 50 – 60 °С. Більше низькі температури придушують ріст бактерій.

При використанні змішаної культури досягається великий вихід клітин, що визначається в грамах отриманих клітин на 100 м використаного джерела вуглецю й енергії, наприклад метанолу.

Задовільний контроль може бути досягнуть також шляхом перевірки змісту живильного матеріалу у вихідному з ферментаторів потоці, воно повинне становити 0 - 0,2 вага. %.

Джерелом азоту може бути будь-яке азот містке з'єднання, здатне виділяти азот у вигляді, зручному для обмінного поглинання мікроорганізмами. Хоча можуть застосовувати різні органічні джерела азоту, наприклад інші протеїни, сечовина або т.п., але звичайно неорганічні джерела азоту більше економічні й зручні для практичного застосування. Як приклад таких неорганічних азот містке з'єднань можна привести аміак або гідроксид амонію, а також різні солі амонію, наприклад карбонат амонію, цитрит амонію, фосфат амонію, сульфат амонію й пірофосфат амонію. Зручно застосовувати газоподібний амоній, якому можна барботировати у відповідних кількостях через водне ферментаційне середовище. рН водної мікробної ферментаційної суміші 5,5 - 7,5 переважно 6 - 7.

Крім джерел кисню, азоту й вуглецю й енергії, необхідно до живильного додавати середовища обрані мінеральні живильні речовини в необхідних кількостях і співвідношеннях, щоб забезпечити правильний ріст мікроорганізмів і максимальне засвоєння окисленого вуглеводню клітинами в процесі мікробної конверсії. Джерелом вуглецю й енергії є окислений вуглеводень. Окислені вуглеводні включають спирти, кетони, складні й прості ефіри, кислоти й альдегіди, які в основному є водорозчинними й переважно містять до 10 атомів вуглецю в молекулі.

Найбільш кращими спиртами є спирти, що містять С₁ – С₄ у молекулі, особливо одноатомні спирти, внаслідок їхньої доступності, економічності. Особливо кращий метанол, тому що відносно дешево, легко доступний і розчинний у воді. [15].