Кормовые препараты витаминов
Среди биологически активных веществ, повышающих питательную ценность рационов животных и птицы, важное значение имеют витамины. Они принимают активное участие в ряде энзиматических превращений, протекающих в цикле трикарбоновых кислот, например в разложении пировиноградной кислоты до диоксида углерода и воды. Обязательным участником этих реакций являются витамины В1 В2, В3, РР(В5), липоевая кислота. При распаде и синтезе жирных кислот и жиров основным катализатором служит производное пантотеновой кислоты коэнзим А (КоА), а при синтезе многих аминокислот — витамин В6. Витамин Вс принимает участие в синтезе пуринов и пиримидинов и, следовательно, в обмене нуклеиновых кислот, а вместе с витамином В12 участвует в процессах метилирования, имеющих фундаментальное значение.
В сложной сети обменных реакций витамины оказывают воздействие на разнообразные физиологические процессы. Для нормальной деятельности организма животных и птиц необходимо включать в рационы витамины A, D3, К3, В1 В2, В3, В4, В5, В6, Вс, В12, С и др.
В настоящее время в микробиологической промышленности СССР организовано производство кормовых препаратов витаминов В12 и В2, технология получения которых будет рассмотрена ниже.
Витамин В12 (цианкобаламин)
Данный витамин отсутствует в растительных кормах и дрожжах, а корма животного происхождения содержат его в незначительных количествах. Недостаток витамина B12 в кормовых рационах приводит к заболеванию и снижению продуктивности животных. Витамин В12 в связи со способностью повышать усвоение белка из растительных кормов и приближать их по питательной ценности к белку животного происхождения рассматривают как основной компонент так называемого «фактора животного белка».
Витамин В12 участвует также в диссимиляции избытка таких незаменимых аминокислот, как метионин, валин, треонин, изолейцин, распад которых происходит через образование пропионовой и метилмалоновой кислот. В практических условиях всегда имеется несбалансированность той или иной или даже нескольких аминокислот. Кроме того, по этому пути распадаются пиримидины и жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов. В этих реакциях витамин В12 принимает участие в виде коэнзимной формы, которая входит в состав фермента метилмалонил-КоА-мутазы.
Витамин В12 в кристаллическом виде был выделен из печени животных в 1948 г. Его сложная структура была расшифрована в 1955 г. Она напоминает гемин крови, только в центре молекулы вместо железа находится кобальт. Эмпирическая формула витамина C63H88CON14O14P, молекулярная масса 1355,4.
Кристаллы витамина В12 имеют красный цвет вследствие наличия в его молекуле кобальта. Этот витамин объединяет целую группу веществ, которые являются комплексными соединениями трехвалентного кобальта. Кроме истинного витамина В12 из ряда природных источников было выделено большое число аналогов, в нуклеотидную часть которых входят другие азотистые основания бензимидазольного или пуринового ряда. Общим для данной группы веществ является то, что все они неактивны для человека и животных и могут использоваться лишь некоторыми видами микроорганизмов.
Единственным способом получения витамина B12 в промышленных условиях является микробиологический синтез. Сотрудниками Института биохимии им. А. Н. Баха АН СССР под руководством В. Н. Букина был разработан и внедрен в промышленность метод получения витамина В12 путем термофильного метанового сбраживания барды — отхода ацетонобутилового производства.
Производство кормового концентрата витамина В12 состоит из следующих основных стадий: сбраживание барды, стабилизация метановой бражки, сгущение, высушивание, получение продукта.
Витамин В12 способны синтезировать некоторые бактерии и актиномицеты: Propionibacterium shermanii, Propionibacterium fleudenreichii, Pr. technicum, Bac. megaterium, Str. griseus, Act. olivaceus, Pseudomonas denitrificans и др., а также биоценоз бактерий, осуществляющих термофильное метановое сбраживание сточных вод. Биоценоз бактерий состоит из четырех культур, ведущих взаимосвязанный и сложный процесс расщепления органических веществ до диоксида углерода и метана; углеводсбраживающих, аммонифицирующих, сульфатвосстанавливающих и собственно метанобразующих бактерий, завершающих разложение органических соединений.
Декантат ацетонобутиловой барды (2-2,5% СВ и 97,5-98% воды), освобожденный от взвешенных частиц, подается в нижнюю часть ферментатора. Отбор готовой бражки производится с верхнего уровня ферментатора. Непрерывное термофильное метановое брожение осуществляется смешанной культурой анаэробных бактерий. Метановое брожение проходит в две фазы, в нестерильных условиях при температуре 55-57 °С. В первой фазе происходит образование жирных кислот н аммиака, во второй — метана, диоксида углерода и витамина В12. Для увеличения выхода витамина В12 к декантату барды добавляют 4 г/м3 хлорида кобальта и 5 л/м3 метанола. Для получения нормального выхода витамина продолжительность брожения при сбраживании в одном ферментаторе составляет 2,5-3,5 сут, в двух последовательно соединенных аппаратах — 2,0-2,5 сут. При использовании принципа рециркуляции удается значительно увеличить производительность ферментаторов. Концентрация витамина В12 в метановой бражке повышается примерно на 25%, достигая 850 мкг/л.
В процессе метанового брожения выделяется значительное количество газов — около 20 м3/м3, в том числе около 65% метана и 30% углекислоты. Метановая бражка имеет щелочную реакцию (pH 7,5-8,0). При тепловой обработке в щелочной среде витамин В12 разрушается, в кислой (при pH 5,5-6,5) он термоустойчив.
Стабилизация метановой бражки осуществляется подкислением ее до pH 6,3-6,5 соляной или фосфорной кислотой (0,6-0,8%) с добавлением сульфита натрия (0,2%). При дегазации бражки перед стадией упаривания (проводится простым нагреванием при атмосферном давлении) вследствие выделения газа происходит обильное пенообразование. Для пеногашения применяют пеногаситель. Сгущение метановой бражки до 20%-ного содержания сухих веществ проводят в выпарном аппарате. Сгущенную бражку высушивают в распылительной сушилке. В качестве теплоносителя используют газы, получаемые при сжигании природного газа и газов метанового брожения. Полученный сухой концентрат витамина B12 должен удовлетворять требованиям ГОСТ 18663-78.
Сухой кормовой концентрат витамина B12 фасуют по 15 кг. Срок хранения 12 мес. Технологическая схема получения препарата представлена ниже.
Витамин В2 (рибофлавин)
Получил свое название от сахара рибозы, входящего в состав молекулы витамина в виде многоатомного спирта D-рибита. Эмпирическая формула рибофлавина C17H20N4O6, молекулярная масса 376,4.
Витамин В2 входит в структуру многих ферментов, в составе которых участвует в клеточном дыхании, синтезе белков и жиров, регулировании состояния нервной системы, функции печени, слизистых оболочек и т. д. Рибофлавин широко распространен в природе. Он входит в состав животных и растительных клеток. Довольно большое количество рибофлавина содержат зерновые культуры. Среди тканей животного организма наиболее высокое содержание рибофлавина в печени, почках. Животные неспособны к синтезу рибофлавина и должны получать его с пищей. Изучение обмена рибофлавина в организме показало, что при его недостатке резко замедляется рост, нарушается белковый обмен. Суточная потребность в витамине В2 определяется для свиней 10-15 мг на 100 кг живой массы, для птиц — 3-4 г (в пересчете на кристаллический препарат) на 1 т корма.
К образованию больших количеств рибофлавина способны некоторые виды дрожжей (Candida guilliermondii, Candida flareri), бактерий (Brevibacterium ammoniagenes, Micrococcus glutamicus) и микроскопических грибов (Ashbya gossypii, Eremothecium ashbyii). Производство рибофлавина включает следующие основные технологические стадии: ферментацию, упаривание и высушивание концентрата, получение готового продукта.
Микробиологический способ получения кормового препарата витамина В2 привлекает своей простотой. В качестве продуцента используют микроскопический гриб Eremothecium ashbyii. Микроорганизм культивируют в глубинных условиях в ферментаторе при температуре 28-30 °С, постоянном перемешивании и аэрации в течение 80-84 ч.
Наилучшими источниками углерода для гриба являются глюкоза и мальтоза, поэтому рекомендуют использовать в составе питательной среды ферментативные гидролизаты кукурузной муки. При культивировании Eremothecium ashbyii на среде, состоящей из глюкозной патоки (2,5% по РВ), источника азота в форме NH4NO3 и карбоксида кальция (0,5%) уровень накопления рибофлавина составлял 1250 мкг/мл (рис. 9.1).
Культуральная жидкость после термической обработки упаривается под вакуумом до содержания 30-40% СВ и высушивается в распылительной сушилке. Влажность сухого препарата составляет не более 10%.
Готовый продукт представляет собой порошок желто-бурого цвета, содержащий не менее 10 мг/г рибофлавина, до 20% сырого протеина. Кормовой препарат витамина В2 содержит также витамины В1 В3, В6, B12 и никотиновую кислоту.
B-Каротин (провитамин А)
Интерес к B-каротину, как продукту микробиологического синтеза, понятен из его роли в качестве предшественника витамина А. B-Каротин становится активным только после превращения в витамин А. В настоящее время более вероятным следует считать гидролитический путь распада B-каротина на две молекулы витамина А-альдегида. Реакция носит диоксигеназный характер и происходит между молекулярным кислородом и двумя углеродными атомами B-каротина в положении 15-15’ с последующим разрывом центральной двойной связи. Катализирует этот процесс каротиндиоксигеназа, обнаруженная в слизистой оболочке кишечника.
Витамин А выполняет многие функции в организме. Он необходим, например, для поддержания нормального состояния слизистых оболочек дыхательного и пищеварительного тракта животных. Недостаток витамина А в рационах птиц резко задерживает их рост. Основным источником каротина для животных являются растительные корма, однако в них витамин А содержится в незначительных количествах. В настоящее время разработаны микробиологические методы получения B-каротина. Выделены микроорганизмы — активные продуценты, относящиеся главным образом к низшим грибам. Технологическая схема производства аналогична таковой получения витамина В2. Так, при глубинном культивировании гриба Bl. trispora на среде, содержащей муку из семян хлопка, мелассу, соевое масло, кукурузный экстракт, выход каротиноидов через 72 ч роста при pH 6,2-6,7 и температуре 28-30 °С составлял 1 г/л среды, причем B-каротина выделялось 92% от суммы пигментов. При испытании микробного каротина на цыплятах было найдено, что он обладает высокой биологической активностью, превосходящей активность каротина из моркови и тыквы.
Источник
Производство кормовых витаминных препаратов
Биологическая активность витаминов определяется тем, что они в качестве активных группировок входят в состав каталитических центров ферментов. Поэтому при недостатке этих веществ понижается активность соответствующих ферментов и, как следствие, ослабляются или полностью прекращаются биохимические процессы, происходящие с участием данных ферментов. Это является причиной ряда серьёзных заболеваний, вызванных недостатком витаминов.
Организмы человека и животных не способны к синтезу витаминов, тогда как растения при нормальных условиях развития полностью обеспечивают себя необходимыми витаминами (за исключением витамина В12). Микроорганизмы также синтезируют большинство необходимых им витаминов. Исходя из этого видно, что продукты растительного и микробного происхождения представляют собой незаменимые источники витаминов, как для животных, так и для человека.
Удовлетворение потребности этих организмов осуществляется двумя путями – поступление с пищей и синтез микрофлорой желудочно-кишечного тракта. Для организмов с однокамерным желудком, имеющем значительно меньше микрофлоры, главный путь обеспечения витаминами – потребление их с пищей. Другой путь – потребление их метаболических предшественников – провитаминов, которые в организме человека и животных превращаются в витамины. В то же время жвачные животные, имеющие в преджелудках обильную микрофлору, способную к синтезу витаминов, в значительной степени удовлетворяют свою потребностью многих витаминах за счёт переваривания клеток отмерших микроорганизмов.
Поскольку корма растительного происхождения имеют не оптимальный состав и постоянно меняющееся содержание необходимых животным витаминов, при составлении кормовых рационов возникает необходимость добавлять в корма препараты, обогащённые витаминами, которые получают из культур микроорганизмов. Микробиологическая промышленность многих стран, в том числе России, выпускает два вида кормовых витаминных препаратов – кормовой рибофлавин, содержащий витамин В2, и КМБ12, имеющем в своём составе витамин В12.
Кормовые препараты витамина В2 (рибофлавин). ВитаминВ2 входит в состав активных групп окислительно-восстановительных ферментов – флавинмононуклеотида (ФМН). Поэтому при его недостатке наблюдается ослабление окислительно-восстановительных процессов в организме. По нормам кормления этого витамина свиньям требуется не менее 2-7 мг, лошадям и птице — 2-5 мг на 1 кг сухого корма. Однако в растительной продукции, используемой в кормопроизводстве, витамина В12 содержится недостаточно. Много рибофлавина могут синтезировать микроорганизмы – различные виды бактерий, актиномицеты, дрожжевые клетки. Некоторые из них способны накапливать в культуральной среде до 1 мг/мл витамина В2.
В качестве промышленных продуцентов кормового рибофлавина используются отселекционированные штаммы дрожжей Eremothecium ashbyii. Рибофлавин накапливается в вакуолях дрожжевых клеток и придаёт культуре характерную жёлтую окраску. Для производственной ферментации готовятся отдельно жидкая питательная среда и посевной материал культуры дрожжей, выращенный в специальном посевном аппарате.
Питательная среда в необходимых концентрациях включает соевую муку, кукурузный экстракт, мел, гидрол, сахар, К2НРО4, NaCl. Перед подачей в ферментер она подвергается стерилизации. В качестве посевного материала используются споры Eremothecium ashbyii, выращенные на пшене.
Промышленное получение препаратов витамина В2:
1.Промытое пшено в течение 30-35 мин выдерживается в молочной сыворотке для набухания, затем оно просушивается и расфасовывается по 50-60 г в простерилизованные флаконы. Во флаконах пшено подвергается трёхкратной стерилизации, после чего производится его засев водной суспензией спор культуры дрожжей. Флаконы с засеянной культурой в течение 7-8 дней инкубируют при 29-30°С, после чего высушивают в вакуум- сушильной установке и далее направляют для приготовления жидкого посевного материала, который после стерилизации подаётся в производственный ферментёр.
2.Культивирование продуцентов кормового рибофлавина проводится при 28-30°С в течение 72 ч. Через каждые 8 ч ферментации отбираются пробы для контроля за развитием микробных клеток, составом среды и накоплением целевого продукта. Готовая культуральная среда по окончании ферментации должна содержать до 5% сухих веществ и 1,4 мг/мл рибофлавина.
3.В целях стабилизации витамина в процессе высушивания культуральную жидкость подкисляют соляной кислотой до рН 4,5-5,0, после чего она концентрируется в вакуум-выпарной установке. Полученный концентрат обычно содержит 5,6 мг/мл витамина и 20% сухих веществ. После выпаривания избытка растворителя концентрат рибофлавина высушивается на распылительной сушилке до влажности 5-10%, затем смешивается с отрубями или кукурузной мукой и расфасовывается по 20 кг в полиэтиленовые пакеты. В готовом продукте содержится не менее 1% витамина. Срок хранения сухого препарата 1 год.
Кормовые препараты витамина В12. Этот витамин стимулирует образование крови в костном мозге, улучшает усвоение белков, участвует в синтезе аминокислот и азотистых оснований. Витамин В12 не содержится в продуктах растительного происхождения и его единственным источником для сельскохозяйственных животных являются микроорганизмы.
Промышленное получение препаратов витамина В12:
1. Выращивается специально подобранный биоценоз микроорганизмов, осуществляющих термофильное метановое брожение, в которое входят целлюлозоразлагающие, аммонифицирующие, углеводосбраживающие, сульфитвосстанавливаю-щие и метанобразующие бактерии;
2. На первом этапе ферментации этих микроорганизмов в течение 10-12 дней наблюдается бурное развитие термофильных аммонифицирующих и углеводсбраживающих бактерий, которое происходит в слабокислой среде (рН 5,0-7,0). Другие группы бактерий данного биоценоза достигают интенсивного развития при переходе брожения в щелочную фазу (рН 7,0-8,5). Преобладающими в этот период являются метанобразующие бактерии, которые синтезируют в 4-5 раз больше витамина В12, чем другие микроорганизмы биоценоза.
3. Для приготовления питательной среды используется барда, которая очищается от твёрдых примесей, в неё добавляется хлорид кобальта (4 г/м 3 ) и 0,5 метанола.
4. В процессе культивирования бактерий:
-Вначале производится выращивание посевного материала в течение 15-20 дней в аппаратах ёмкостью 250 м 3 ;
— Затем посевной материал подаётся в ферментёры ёмкостью 2400 м 3 , в которых происходит метановое брожение (рис. 12.7);
5. Свежая барда подаётся в нижнюю часть ферментёра в количестве 25-30% от общего объёма в сутки;
6. Отбор метановой бражки, содержащей витамин В12, производится из верхней части ферментёра;
7. В целях улучшения физических свойств сухой продукт смешивается с отрубями или кукурузной мукой, расфасовывается по 25-30 кг в полиэтиленовые пакеты и упаковывается в мешки.
Рис. 12.7. Загрузка посевного материала в ферментер
Содержание витамина В12 в готовом кормовом препарате составляет 2,5 мг%, срок хранения – 1 год. Препарат имеет коммерческое название КМБ-12 (концентратно — микробный витамин). Кроме витамина В12 КМБ-12 содержит также другие витамины группы В и незаменимые аминокислоты.
Источник