СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВОЙ КОРМОВОЙ ДОБАВКИ Российский патент 2000 года по МПК A23K1/165 C12N1/16 C12P21/00 

Изобретение относится к гидролизной промышленности, в частности к способам переработки растительного сырья для получения кормового белка, используемого в животноводстве как добавка в рацион животных.

Известно применение злаков - пшеницы, ржи, овса, ячменя для получения кормового белка кислотно-каталитическим методом (патент РФ N 2113490, C 13 K 1/02, 1998 г.).

Способ заключается в том, что используют некондиционное размельченное зерно злаковых культур, которое предварительно замачивают водой до достижения гидромодуля 4,0-5,0 с последующим гидролизом зерна разбавленной серной кислотой при 155-160^oC в течение 15-20 мин.

К недостаткам указанного способа можно отнести то, что при кислотном гидролизе одновременно с крахмалом гидролизуется белок с образованием аминокислот, которые ассимилируются микроорганизмами, что приводит к снижению общего выхода белкового продукта (25% по белку).

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату известный способ получения белковой кормовой добавки из зерновых продуктов с использованием ферментативного гидролиза крахмала (заявка N 93053290/13 от 26.11.93, кл. 6 C 12 N 1/16, БИ N 18 за 1998 г.) включает следующие стадии.

1. Измельчение зерна до размеров частиц 0,1-0,2 мм с использованием молотковых и вальцовых дробилок. Необходимость такого глубокого измельчения связана с тем, что частицы крахмала, расположенные на зерновых оболочках, значительно труднее подвергаются гидролизу, и при более грубом помоле происходит значительное снижение выхода cахаров.

2. Смешение измельченного зерна с водой при гидромодуле не менее 3,5. Это связано с тем, что для получения смеси оптимальной вязкости из-за присутствия нерастворимых зерновых оболочек требуется большое количество воды.

3. Последующий ферментативный гидролиз крахмала в полученной смеси термостабильной альфаамилазой при температуре 90-95^oC в течение 0,5-1,0 ч.

4. Охлаждение гидролизата до температуры 55-70^oC на теплообменниках, проведение второй стадии ферментативного гидролиза полученного гидролизата с использованием глюкоамилазы в течение 2-4 ч с получением раствора моно- и дисахаридов.

5. Отделение зерновых оболочек (негидролизуемых взвешенных частиц) на фильтрах или центрифугах, что необходимо для предотвращения забивания оборудования на стадиях культивирования и концентрирования биомассы.

6. Использование полученного осветленного раствора для культивирования микроорганизмов, их концентрирования и сушки биомассы.

В результате осуществления указанного способа на 1 т исходного зернового продукта получают 325 кг кормового продукта с содержанием белка 50% при общих энергозатратах 42000 кДж на 1 кг.

К недостаткам данного способа относятся значительные потери сахаров и зернового белка при отделении зерновых оболочек (негидролизуемых взвешенных частиц) на стадии культивирования и концентрирования биомассы, получение белкового кормового продукта с несбалансированным аминокислотным составом, что является следствием удаления вместе с зерновыми оболочками взвешенных белковых компонентов.

Задачей изобретения является повышение выхода и качества белкового кормового продукта за счет снижения потерь сахаров и включения в состав кормового продукта зернового белка, исключающего его аминокислотный дисбаланс, а также снижение энергозатрат на производство.

Способ в соответствии с изобретением заключается в следующем. Зерно, используемое для получения белковой кормовой добавки, первоначально поступает на стадию отделения зерновых оболочек. Отделение оболочек проводится на специальных аппаратах - крупорушках, степень отделения составляет не менее 80% от веса оболочек (8-12% от массы зерна). Обрушенное зерно далее измельчают до размера частиц менее 0,3 мм на молотковых или вальцовых дробилках и подают на первую стадию ферментативного гидролиза. Отделенные на крупорушке зерновые оболочки в сухом виде используются в качестве самостоятельного продукта (отруби) или поступают на смешение с сухим белковым кормовым продуктом на конечной стадии производства.

На первой стадии ферментативного гидролиза измельченное обрушенное зерно смешивают с горячей водой при гидромодуле менее 3,0, в полученную смесь добавляют в качестве ферментативного препарата термостабильную альфаамилазу в количестве 200-350 г на 1 т крахмала сырья. Процесс гидролиза проводят в течение 0,5-2 ч при температуре 90-95^oC и pH среды, равной 6,5.

По окончании первой стадии гидролиза полученную массу смешивают с холодной водой при гидромодуле 0,5-2, после чего проводят вторую стадию гидролиза. Необходимость смешивания массы с холодной водой связана с тем, что, ускоряя при увеличении гидромодуля вторую стадию ферментативного гидролиза, одновременно осуществляют охлаждение гидролизата.

Вторая стадия гидролиза осуществляется за счет использования ферментного препарата глюкоамилазы, подаваемой в количестве 700-800 г на 1 т крахмала сырья. Процесс проводят при температуре 55-70^oC в течение 3-4 ч при pH среды 4,5, оптимальном для данного вида ферментного препарата.

Полученный в результате двухстадийного ферментативного гидролиза обрушенного зерна субстрат, представляет собой раствор моно- и дисахаридов с концентрацией 10-15%, включающий 1-2% тонкодисперсных взвешенных веществ, содержащих 40-50% зернового белка. Далее субстрат смешивают с питательными солями, необходимыми для роста микроорганизмов, разбавляют водой или отработанной культуральной жидкостью, при необходимости охлаждают на теплообменниках и используют для известных способов аэробного культивирования дрожжей (микроорганизмов). Полученная в результате культивирования суспензия дрожжей и зернового белка концентрируется на сепараторах, после чего белковый концентрат высушивают.

Новизна изобретения заключается в том, что на первой стадии процесса осуществляют отделение зерновых оболочек (обрушивание) зерна с последующим помолом до степени измельчения менее 0,3. Это связано с тем, что обрушенное зерно легче гидролизуется ферментными препаратами, а полученный раствор имеет меньшую вязкость, что позволяет проводить первую стадию гидролиза при гидромодуле менее 3. Отсутствие зерновых оболочек в гидролизате исключает необходимость их отделения перед культивированием. Основная масса зернового белка остается в гидролизате в виде тонкой взвеси. Этот белок не забивает ферментационную аппаратуру и совместно с дрожжами входит в состав кормового продукта.

Технический результат способа достигается за счет новой последовательности операций способа и условий их осуществления, в частности режимов проведения ферментативного гидролиза.

Включение в состав конечного продукта зернового белка позволит увеличить выход белкового кормового продукта на 12-15% и улучшить его аминокислотный состав, так как белок дрожжей объединен с серусодержащими аминокислотами, широко представленными в растительных белковых злаках.

Предлагаемый способ получения белковой кормовой добавки позволяет получать до 500 кг белковой кормовой добавки из одной тонны зерна с содержанием белка до 52%, при этом аминокислотный состав является сбалансированным.

Пример 1. Зерно пшеницы поступает на стадию отделения зерновых оболочек на специальных аппаратах - крупорушках. Степень отделения составляет 90% от веса оболочек. Обрушенное зерно далее измельчают до размера частиц 0,1 мм на молотковой дробилке и подают на первую стадию ферментативного гидролиза.

На первой стадии ферментативного гидролиза измельченное обрушенное зерно смешивают с горячей водой при гидромодуле 2,5, в полученную смесь добавляют термостабильную альфаамилазу Зимаджунт-400 фирмы "Энде Индастриз", США в количестве 250 г на 1 т крахмального сырья. Процесс гидролиза проводят в аппаратах с мешалкой в течение 2 ч при температуре 95^oC и pH 6,5.

По окончании первой стадии гидролиза полученную массу охлаждают за счет смешения с 1,5 гидромодулем воды с температурой 20^oC и проводят вторую стадию гидролиза при температуре 60^oC.

Вторую стадию гидролиза осуществляют при использовании ферментного препарата - глюкоамилазы фирмы "Нова Нордикс", США, подаваемого в количестве 800 г на 1 т крахмала сырья. Процесс проводят при температуре 60^oC в течение 4 ч и pH среды 4,5 в аппарате с мешалкой.

Полученный в результате двухстадийного ферментативного гидролиза обрушенного зерна субстрат, представляет собой раствор моно- и дисахаридов с концентрацией 15%, включающий 2,2% тонкодисперсных взвешенных веществ.

Далее субстрат смешивают с питательными солями, необходимыми для роста микроорганизмов, разбавляют водой до концентрации сахаров 4,0% и используют для аэробного культивирования дрожжей Candida blankii. Культивирование проводится в лабораторном ферментаторе емкостью 150 л с турбинной мешалкой, расход воздуха составляет 75 л/мин, pH 4,5, температура 38^oC, скорость протока 0,25 ч^-1. Полученную в результате культивирования суспензию дрожжей и зернового белка концентрируют на сепараторе до концентрации 10% сухого вещества, после чего белковый концентрат высушивают на распылительной сушилке до влажности 10% в конечном белковом кормовом продукте.

Выход белкового кормового продукта по описанному способу составляет 45% от массы зерна при содержании белка 50%, общие энергозатраты составляют 36000 кДж, т.е. 86% от затрат по известному способу.

Пример 2. Зерно пшеницы, используемое для получения белковой кормовой добавки, первоначально поступает на стадию отделения зерновых оболочек, причем степень отделения составляет 85% от веса оболочек. Обрушенное зерно измельчается до размера частиц 0,2 мм на молотковой дробилке и подается на первую стадию ферментативного гидролиза.

На первой стадии ферментативного гидролиза измельченное обрушенное зерно смешивают с горячей водой при гидромодуле 2,5, в полученную смесь добавляют термостабильную альфаамилазу Зимаджунт-L 340 фирмы "Энде Индастриз", США в количестве 250 г на 1 т крахмала сырья. Процесс гидролиза проводят в аппарате с мешалкой в течение 2 ч при температуре 90^oC и pH 6,5.

По окончании первой стадии гидролиза полученную массу смешивают с 0,5 гидромодулем воды с температурой 20^oC до температуры 70^oC и проводят вторую стадию гидролиза.

Вторая стадия гидролиза осуществляется за счет использования ферментного препарата - глюкоамилазы Глюкозим-L 400, фирмы "Энде Индастриз", США, подаваемого в количестве 750 г на 1 т крахмала сырья. Процесс проводят при температуре 70^oC, в течение 4 ч и pH среды 4,5 в аппарате с мешалкой.

Полученный в результате двухстадийного ферментативного гидролиза обрушенного зерна субстрат представляет собой раствор моно- и дисахаридов с концентрацией 25%, включающий 3,8% тонкодисперсных взвешенных веществ с содержанием белка 48%.

Далее субстрат смешивают с питательными солями, необходимыми для роста микроорганизмов, разбавляют водой до концентрации cахаров 4,0% и используют для аэробного культивирования дрожжей Candida blankii. Культивирование проводится в лабораторном ферментаторе емкостью 150 л с турбинной мешалкой, расход воздуха составляет 75 л/мин, pH 4,5, температура 38^oC, скорость протока 0,25 ч^-1. Полученную в результате культивирования суспензию дрожжей и зернового белка концентрируют на сепараторе до концентрации 10% сухого вещества, после чего белковый концентрат высушивают на распылительной сушилке до влажности 10%.

Способ, описанный в примере 2, позволяет получать 440 кг белковой кормовой добавки из 1 т зерна с содержанием белка 52%, при этом общие энергозатраты на 1 кг продукта составляют 35000 кДж, т.е. 85% от затрат по известному способу производства. Включение в состав продукта зернового белка позволяет увеличить выход белкового кормового продукта на 12-15% и улучшить его аминокислотный состав, так как белок дрожжей обеднен серусодержащими аминокислотами, широко представленными в растительных белках злаков.

Экономия энергозатрат при осуществлении способа складывается из
снижения затрат на тонкое измельчение зерна;
снижения затрат тепла на нагрев жидкости при проведении первой стадии гидролиза (проведение процесса при гидромодуле менее 3,0);
исключения затрат энергии на отделение зерновых оболочек в процессе культивирования и концентрирования биомассы, а также сушку отделенных оболочек для последующего их использования.

Способ включает измельчение обрушенного зерна до размера частиц менее 0,3 мм и ферментативный гидролиз. Сырье смешивают с горячей водой при гидромодуле менее 3,0, добавляют в качестве ферментативного препарата термостабильную альфаамилазу в количестве 200-350 г на тонну крахмала сырья. Гидролиз проводят в течение 0,5-2 ч при температуре 90-95^oС и рН среды 6,5. Полученную массу смешивают с холодной водой при гидромодуле 0,5-2, после чего проводят вторую стадию гидролиза при температуре 55-70°С, в течение 3-4 ч, при рН среды 4,5, оптимальном для глюкоамилазы. Полученный субстрат представляет собой раствор моно- и дисахаридов, содержащий 40-50% зернового белка. Далее субстрат смешивают с питательными солями, разбавляют водой или отработанной культуральной жидкостью и используют для аэробного культивирования дрожжей (микроорганизмов). Способ обеспечивает повышение выхода и качества продукта. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ получения белковой кормовой добавки из зерновых продуктов, включающий измельчение зерна, двухстадийный ферментативный гидролиз крахмала с получением моно- и дисахаридов, отделение зерновых оболочек и последующие культивирование, концентрирование и сушку биомассы дрожжей, отличающийся тем, что отделение зерновых оболочек осуществляют до проведения ферментативного гидролиза, при этом степень отделения зерновых оболочек составляет не менее 80%, а измельчение продукта проводят до размера частиц менее 0,3 мм, причем первую стадию ферментативного гидролиза проводят при гидромодуле менее 3,0 и полученный гидролизат перед второй стадией гидролиза разбавляют холодной водой при гидромодуле 0,5 - 2,0. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первой стадии ферментативного гидролиза добавляют в качестве ферментативного препарата термостабильную альфаамилазу в количестве 200 - 350 г на 1 т крахмала сырья, а процесс гидролиза проводят в течение 0,5 - 2 ч при температуре 90 - 95^oС и pH среды 6,5. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на второй стадии ферментативного гидролиза добавляют в качестве ферментативного препарата глюкоамилазу в количестве 700 - 800 г на 1 т крахмала сырья, а процесс гидролиза проводят в течение 3 - 4 ч при температуре 55 - 70^oС и pH среды 4,5.