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.