Производство протеиновых концентратов на основе зернобобовых культур

Производство полнорационных комбикормов для сельскохозяйственных животных и птицы сдерживается дефицитом белковых компонентов, низким уровнем санитарной и гигиенической безопасности белкового сырья животного происхождения. Это приводит к снижению эффективности кормов, большому перерасходу их и недополучению животноводческой продукции.

Для решения данной проблемы необходимо использовать в производстве комбикормов растительный белок зернобобовых и масличных культур, который по качеству практически не уступает животному белку, но в нативном виде в пищеварительном тракте животных, особенно молодняка, усваивается недостаточно. Это, как известно, связано с наличием в зерне антипитательных веществ. Одним из направлений, обеспечивающих их инактивацию и, следовательно, повышение усвояемости зерна, является тепловая (гидротермическая) его обработка, в том числе экструдирование. Применение протеиновых концентратов на основе экструдированных зернобобовых культур, как показывают многочисленные исследования и мировой опыт, наиболее эффективно в кормлении животных и птицы.

Цель данной работы — разработка технологии и комплекта оборудования для производства таких продуктов, позволяющих повысить питательную ценность и снизить себестоимость комбикормов.

Объект исследований — зернобобовые культуры: горох, кормовые бобы, люпин, вика. концентрат зернобобовый комбикорм Экструдировали зернобобовых культур на экструдере КМЗ-2, оснащенном пропаривателем. Продолжительность пропаривания регулировалась заслонками, установленными на входе и выходе пропаривателя. Зерно перед обработкой измельчали. Исследования проводили с пропариванием и без пропаривания. В опытах с пропариванием давление пара составляло 0,20−0,25 МПа, температура зерна повышалась до 72−90°С, влажность — до 18,0%. После охлаждения из охладителя пропаренные продукты поступали в экструдер, на шнеке которого установлены шайбы диаметром 129 и 130 мм.

В опытах без пропаривания исходная влажность зерна была на уровне 11,9−13,3%, температура — 15−20°С. Под действием сил давления (сдвига) и трения в корпусе экструдера температура продуктов возрастала до 110−130°С (табл. 1).

Таблица 1. Технологические режимы обработки зернобобовых культур при экструдировании.

При экструдировании, наряду с термической обработкой, происходит механохимическое деформирование растительного материала под давлением, то есть «растяжение» его волокнистой структуры, и термическая денатурация протеина, в результате чего происходит переориентация белковых молекул в пространстве, перераспределение и образование новых связей, высвобождение белков из клеточных структур. Это способствует улучшению расщепления белков пищеварительными ферментами.

По органолептическим показателям готовый продукт имел вспученную структуру, особенно тот, к которому не применяли предварительное пропаривание. Влажность его в опытах без пропаривания равнялась 6,7−9,3%, при экструдировании с пропариванием — 13,5%. Анализ питательной ценности показал, что экструдирование обеспечивает снижение содержания антипитательных веществ по сравнению с необработанными семенами бобовых культур (табл. 2). Обработка зерна в экструдере с пропаривателем наиболее эффективна по технико-экономическим показателям и качеству готового продукта. При обработке зернобобовых культур в экструдере без пропаривателя активность ингибиторов трипсина и химотрипсина снизилась на 80−95% по сравнению с нативным зерном, с пропаривателем — на 95−99%.

Таблица 2. Качество экструдированных зернобобовых культур

Наряду с инактивацией ингибиторов отмечается снижение атакуемости белков протеолитическими ферментами, несмотря на кратковременность воздействия высоких температур. Атакуемость крахмала амилоглюкозидазой, напротив, возросла в 4−5 раз.

Содержание фитиновой кислоты во всех бобовых культурах снизилось до 0,7−0,8%, алкалоидов — до 0,40−0,43%. При применении пропаривателяатакуемость крахмала амилоглюкозидазой возросла в 3−4 раза, атакуемость белков трипсином — на 10−20%, активность ингибиторов трипсина и химотрипсина снизилась в общей сумме на 70−90%. Изменение содержания фитиновой кислоты и алкалоидов было в тех же пределах, что и при экструдировании без пропаривания.

Результаты исследований показали, что при экструдировании семян бобовых культур путем воздействия более высоких температур (110−130°С) переваримость крахмала, а также вкусовые качества продуктов повышаются при имеющейся тенденции к снижению атакуемости белков протеиназами. Пропаривание зерна перед экструдированием позволяет использовать в экструдере более низкие температуры, следовательно, снимается отрицательное влияние высоких температур на белки.

При экструдировании с пропариванием зернобобовые культуры подвергаются гидротермическому (обработка паром) и термодинамическому (экструдирование) воздействию.

Основные параметры гидротермической обработки — температура и время. Для определения влияния этих параметров на степень инактивации ингибиторов трипсина и химотрипсина и качество белкового комплекса неизмельченные семена гороха, бобов кормовых и вики мы нагревали насыщенным паром при давлении 0,20- 0,25 МПа и температуре 90−95°С в течение 5; 10; 20 и 30 мин. При расходе пара в количестве 60−75 кг/т влажность зерна через 5 мин достигала 17,5−18,3%, через 10 мин — 21,1 — 28,3%, через 20 мин — 29,2−34,0%, через 30 мин — 40,0−41,5%. Через указанные промежутки времени отбирали пробы зерна, подсушивали его воздухом до влажности 13−14%, определяли активность ингибиторов трипсина и химотрипсина, растворимость белка в воде, атакуемость белка протеолитическими ферментами (переваримость in vitro).

На рисунке 1 показано влияние длительности обработки паром на активность ингибиторов трипсина и химотрипсина, на рисунке 2 — на качество белка гороха, бобов кормовых и вики.

Рис. 1. Зависимость активности ингибитора трипсина (ТИА) и химотрипсина (ХИА) зернобобовых культур от продолжительности пропаривания

Рис. 2. Зависимость качества белка зернобобовых культур от продолжительности пропаривания

Ингибиторы трипсина и химотрипсина неустойчивы в термических условиях, их инактивация достигается путем воздействия на зерно теплоты и влаги. Эффективность инактивации тесно связана с продолжительностью процесса. Например, при влаготепловой обработке максимальное разрушение ингибиторов трипсина и химотрипсина (94,4−100%) отмечается после 20-минутного нагрева паром зерна гороха и вики влажностью 29,2−32,1%. За такое же время нагрева ТИА бобов кормовых снижается на 82%, ХИА — на 100%. По истечении 30 мин ТИА гороха и вики уменьшается на 90%, бобов кормовых — почти на 90%.

При гидротермических процессах возможно снижение растворимости белка в воде, а в некоторых случаях даже его разрушение, что, конечно, отрицательно сказывается на эффективности использования животными обработанного зерна. Установлено, что с увеличением длительности обработки растворимость белка снижалась и по истечении 30 мин находилась в пределах 30−45% (рис. 2).

По сравнению с гидротермической обработкой термическая сильнее воздействует на зерно бобовых культур, поскольку при этом применяется высокая температура. Даже минимальные температурные различия оказывают существенное влияние, особенно на качество белка. Это видно из графиков на рисунках 3 и 4: при температуре 120 °C уже отмечается некоторое снижение его переваримости in vitro, а с увеличением температуры до 140 °C наблюдается резкое снижение растворимости белка. Самое незначительное повышение или понижение температуры может привести к неэффективному хранению ингибирующих факторов или к разрушению необходимых питательных веществ.

Рис. 3. Зависимость активности ингибитора трипсина (ТИА) химотрипсина (ХИА) от температуры нагрева зернобобовых культур

Рис. 4. Зависимость качества белка от температуры нагрева зернобобовых культур

В экспериментальных исследованиях были выявлены следующие рациональные режимы экструдирования зернобобовых культур с пропариванием: давление пара — 0,20−0,30 МПа, температура пропаривания — 70- 90° С, продолжительность пропаривания — 5−7 мин, влажность пропаренной смеси — 16−18%, температура экструдирования — 110- 130 °C.

Возможность частичной замены в рецептах комбикормов обезжиренного сухого молока, соевого шрота, рыбной и мясокостной муки, являющихся дефицитными компонентами комбикормов, экструдированным горохом с инактивированными антипитательными веществами изучали в научно-хозяйственном опыте на цыплятах-бройлерах, из которых были сформированы три группы: две контрольные и одна опытная, по 100 голов в каждой.

В первый период кормления цыплята 1 контрольной группы получали комбикорм, содержащий 10% сухого обезжиренного молока, 2 контрольной — 5% сухого обезжиренного молока и 6%) необработанного гороха. Цыплятам опытной группы скармливали корм, в котором половина сухого молока заменялась экструдированным горохом. Во второй период опыта в состав комбикорма для цыплят 1 контрольной группы включали 10% соевого шрота, 8% рыбной и 5% мясокостной муки. Состав комбикорма для цыплят 2 контрольной и опытной групп различался частичной заменой соевого шрота (3%), рыбной (3%) и мясокостной (2%) муки необработанным и экструдированным горохом, соответственно.

Снижение антипротеолитической активности обработанного гороха способствовало повышению переваримости сухих веществ корма, а также протеина, жира, клетчатки. Повышение переваримости питательных веществ оказало влияние на показатели выращивания цыплят-бройлеров и затраты корма (табл. 3).

Таблица 3. Результаты скармливания цыплятам-бройлерам комбикормов с экструдированным горохом.

По продуктивности и затратам корма на единицу прироста живой массы в 1 контрольной и опытной группах различий не выявлено. По сравнению со 2 контрольной группой (комбикорм с необработанным горохом) отмечена разница. Так, среднесуточный прирост живой массы цыплят, получавших экструдированный горох в составе комбикормов, был на 7,1% выше, чем во 2 контрольной группе. Экструзионная обработка гороха способствовала снижению затрат корма на 11,1%.

В результате экспериментов был разработан комплект оборудования (производительность — 3 т/ч) для выработки концентрированных протеиновых продуктов на основе зернобобовых культур.

Производство концентрированных протеиновых продуктов из зернобобовых культур с применением данных технологии и комплекта оборудования позволит: сократить затраты на пере возку зерна и комбикормов, снизить себестоимость кормов, повысить продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы.