Кормовые белковые компоненты играют ключевую роль в современном животноводстве, восполняя глобальный дефицит протеина, который, по данным ООН, составляет 30 миллионов тонн в год. Этот критический недостаток питательных веществ создает серьезные проблемы для обеспечения продовольственной безопасности. Без таких специализированных добавок рационы сельскохозяйственных животных становятся существенно обедненными. Это неизбежно приводит к хроническому недостатку незаменимых аминокислот, что вызывает целый комплекс негативных последствий: ухудшение усвояемости кормов, замедление роста и развития молодняка, снижение продуктивности (удоев, привесов, яйценоскости) на 20-40%, а также ухудшение качества конечной продукции. Среди различных источников биологически активных соединений особый интерес представляет микробный протеин, производимый из дрожжей и бактерий, однако его производство требует значительных затрат на сырье, такое как глюкоза и сахароза. Ученые Пермского Политеха разработали экономичную технологию получения кормового белка из свекловичной мелассы с помощью смешанного культивирования микроорганизмов. Метод позволяет в одном процессе производить целевой продукт, снижая себестоимость в 4–10 раз за счёт использования отходов и увеличивая продуктивность процесса накопления биомассы на 61%.
Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», Том 1.
Белковые кормовые компоненты представляют собой важнейшие элементы современного животноводства, специально разработанные для оптимизации питательной ценности рационов. Согласно исследованиям ООН, мировая потребность в пищевом белке ежегодно превышает доступные ресурсы на 30 миллионов тонн. Этот существенный дефицит представляет серьезную проблему для современного сельского хозяйства.
В отличие от традиционных кормовых средств, таких как сено, зерно, которые в первую очередь обеспечивают животных энергией и пищевыми волокнами, белковые компоненты выполняют более специализированную функцию — восполняют нехватку протеина, аминокислот и других биологически активных веществ.
Дефицит кормовых белковых добавок уже сегодня наносит существенный ущерб сельскому хозяйству. Недостаток протеина в питании скота и птицы вызывает серьезные проблемы: уменьшение надоев молока, снижение ежедневных прибавок в весе, уменьшение количества яиц. Параллельно ухудшается состояние поголовья — пища усваивается хуже, молодые особи медленнее растут, повышается заболеваемость. Эти негативные последствия влекут за собой существенные экономические потери: увеличиваются затраты на питательные смеси, возрастает продолжительность выращивания, снижается общая доходность предприятий. В связи с этим протеиновые добавки стали обязательным элементом современных научно обоснованных рационов в животноводстве.
В современной системе классификации кормовые добавки подразделяются на пять основных категорий: протеиновые продукты животного и растительного происхождения, микробный белок, синтетические аминокислоты и белки, полученные из насекомых. Особый интерес представляет одноклеточный протеин, производимый из различных микроорганизмов, включая бактерии, дрожжи, микрогрибы и водоросли. Ключевыми достоинствами его выступают — высокая биологическая ценность и рентабельность производства, но вместе с тем его широкое применение сдерживает ключевой фактор — высокая стоимость исходного сырья.
Основные расходы при создании питательных примесей для животных связаны с энергетическими компонентами — глюкозой и сахарозой, выполняющими две важнейшие задачи: служат источником энергии для дрожжей и выступают основой для формирования питательных соединений. Без этих сладких добавок микроскопические организмы лишаются возможности полноценного роста и выработки ценных питательных веществ. Однако применение очищенных подсластителей обладает рядом существенных недостатков.
Во-первых, их стоимость высока — 300-600$ за тонну. Во-вторых, они содержат только углеводы, но не включают витамины, минералы и другие необходимые дрожжам питательные вещества. Из-за этого производителям приходится дополнительно закупать и вносить витаминно-минеральные комплексы, что значительно увеличивает себестоимость производства. Кроме того, технологический процесс усложняется тем, что требуется тщательная очистка сырья, точное дозирование и смешивание всех компонентов. Хотя дрожжи демонстрируют хорошую продуктивность на таких искусственных средах, совокупные затраты на сырьё и подготовку делают традиционную технологию экономически невыгодной. Это создаёт необходимость поиска более доступных и эффективных решений, которые могли бы снизить себестоимость без потери качества конечного продукта.
Ученые Пермского Политеха разработали технологию получения кормового белка из мелассы с использованием смешанной микробной культуры.
Меласса — густой сиропообразный побочный продукт, остающийся после производства сахара из свёклы или тростника, стоимостью всего 50-150$ за тонну. Меласса, в отличие от глюкозы и сахарозы, содержит те же необходимые сахара (около 50% состава), но при этом включает полный комплекс сопутствующих питательных веществ — калий, магний, витамины группы B и органические кислоты. Это как заменить аптечный раствор глюкозы и баночку витаминов на натуральный мёд — все ключевые компоненты остаются, но в естественной, сбалансированной и значительно более дешёвой форме. Такое решение позволяет в 4-10 раз снизить себестоимость производства, одновременно решая проблему утилизации отходов.
Кроме того, при использовании специально подобранных штаммов дрожжей меласса позволяет получать спирт, востребованный в различных отраслях промышленности. Такой этанол является дополнительным ценным продуктом, повышающим рентабельность всего биотехнологического процесса.
Для эксперимента были целенаправленно отобраны два вида дрожжей — Schizosaccharomyces pombe Y-3303 и Candida maltosa Y-194. Во-первых, они отлично перерабатывают сахара в полезный белок, что делает их высокопродуктивными. Во-вторых, неприхотливы и хорошо переносят различные примеси, которые могут содержаться в сырье. В-третьих, совершенно безопасны для использования в производстве кормов для животных.
— Сначала мы готовили питательную среду (основная «еда» для дрожжей). Для этого использовали два основных компонента: пептон (он содержит аминокислоты – «строительные блоки» для белков) и дрожжевой экстракт (богат витаминами и микроэлементами). Эти вещества необходимы дрожжам для активного роста. Затем добавляли углеродный субстрат – мелассу, сахарозу и глюкозу. Здесь сахара выступают как «топливо» для дрожжей: микроорганизмы расщепляют их и получают энергию для жизни и синтеза белка. Мы сравнивали разные виды сахаров, чтобы понять, на каком субстрате дрожжи растут лучше всего и производят больше белка. Затем методом проб определяли оптимальную концентрацию сахара (1-10 г/л) и изучали влияние добавок — азота, фосфора и микроэлементов. Дрожжи выращивали в 50 мл колбах с добавлением 20 мл среды при постоянном встряхивании (120 оборотов в минуту) и температуре 28-30°C, — рассказала Анастасия Зорина, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.
Оказалось, что на мелассе дрожжи растут быстрее и производят больше белка, чем на очищенных сахарах (сахарозе и глюкозе), благодаря тому, что меласса уже содержит в себе полезные вещества.
— Мы контролировали рост дрожжей двумя методами. Первый — измерение мутности раствора прибором (фотоэлектроколориметром) на длине волны 540 нм: чем больше клеток, тем выше показания. Второй метод включал центрифугирование проб для отделения клеток, их последующую сушку и взвешивание для определения сухой биомассы. Одновременно анализировали концентрацию белка по методу Бредфорда: к пробам добавляли синий краситель, изменение цвета которого зависит от содержания белка. После чего измеряли оптическую плотность раствора на спектрофотометре (прибор, который измеряет интенсивность света). Для точного расчета концентраций строили калибровочные кривые, — пояснила Анастасия Зорина.
Для контроля за ростом дрожжей ученые применяли комплексную систему мониторинга, сочетающую оперативные и точные методы анализа. Ежедневно проводились два типа измерений: быстрые экспресс-тесты для оценки динамики развития культуры и детальные лабораторные исследования для получения точных количественных данных. Первый метод давал возможность оперативно отслеживать изменения, второй — обеспечивал высокоточные численные показатели.
Исследование показало, что обычная меласса служит идеальным сырьем для выращивания дрожжей, производящих ценный кормовой белок. В ходе экспериментов с двумя штаммами было установлено, что эти микроорганизмы не только прекрасно развиваются на мелассе, но и демонстрируют более высокую продуктивность по сравнению с использованием очищенных углеводов. На основании анализа ростовых характеристик установлено, что использование мелассы позволяет увеличить продуктивность процесса накопления биомассы на 61% по отношению к глюкозе и на 5,6% по сравнению с сахарозой.
По результатам анализа также была выявлена важная особенность: при совместном выращивании двух штаммов продуктивность возрастает. Если по отдельности штаммы производили 0,065 г/л (Sz. Pombe) и 0,068 г/л (C. Maltosa) белка соответственно, то в смешанной культуре выход достиг 0,072 г/л, что на 8% больше. Следовательно, дрожжи в составе смешанной культуры показывают результат, который превосходит простую сумму возможностей отдельных штаммов.
Этот вывод имеет важное практическое применение, эффективно решая сразу две актуальные проблемы современной агропромышленной отрасли. Ежегодно сахарные заводы сталкиваются с необходимостью утилизации миллионов тонн патоки — побочного продукта производства, в то время как животноводческий сектор испытывает острый дефицит белковых кормов. Разработанная технология предлагает комплексное решение: она позволяет преобразовывать отходы сахарной промышленности в высококачественный и доступный по стоимости кормовой протеин.
