способ выращивания дрожжей

Формула изобретения

Способ выращивания дрожжей, предусматривающий приготовление питательной среды путем ферментативной обработки суспензии измельченного зернового сырья, с использованием минеральных солей, внесением в полученную питательную среду дрожжей Saccharomyces cerevisiae и накоплением биомассы, отличающийся тем, что для приготовления питательной среды используют целые зерна злаковых и/или бобовых, которые увлажняют до 15-20 %, выдерживают при комнатной температуре в течение 15-30 мин и подвергают тепловому воздействию в инфракрасном поле в течение 40-80 с, поддерживая температуру на поверхности зерна в пределах 115-130°С, выдерживают зерно в течение 15-30 мин, охлаждают до температуры 24-27°С, измельчают до частиц размером 70-90 микрон, проводят ферментативную обработку суспензии измельченного сырья последовательно, сначала внесением раствора ферментных препаратов амилаз и выдержкой в течение 55-60 мин при рН 5,5-6,0 и температуре 65-90°С, затем внесением растворов ферментных препаратов целлюлаз при температуре 55-60°С и выдержкой в течение 2 часов до достижения концентрации редуцирующих веществ 7,5-9,5 %, вносят минеральные соли, нагревают ее до температуры 78-80°С, выдерживают в течение 10-12 мин и охлаждают до температуры 32-33°С, в полученную питательную среду вносят культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae и проводят накопление биомассы в условиях перемешивания и аэрации до снижения концентрации редуцирующих веществ 0,3% и менее.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биотехнологии, к сельскому хозяйству и может быть использовано для производства кормов для животных, включая кур, рыб, свиней, крупный рогатый скот, других животных, и получения биологических добавок.

Известен способ получения питательной среды для выращивания дрожжей смешиванием крахмалсодержащего сырья с водой, нагреванием полученной смеси, последовательным гидролизом амилосубтилином, глюкаваморином и целлюлолитическим ферментом. Гидролизат нагревают, отделяют жидкую фракцию гидролизата декантацией, вносят источники минерального азота, фосфора, ростовых веществ и микроэлементов. При этом после гидролиза крахмалсодержащего сырья амилосубтилином в полученном гидролизате устанавливают рН в пределах 4,5-4,8 и вводят целлюлазу. Выдерживают смесь 0,8-1,2 ч и вводят глюкаваморин. Изобретение обеспечивает улучшение качества питательной среды за счет обогащения ее усвояемыми моно- и дисахаридами (RU 2205870 C1, C12N 1/16, 10.06.2003).

Известен способ получения белково-витаминного корма, при котором для приготовления питательной среды измельченное зерно, мукомольные и/или крахмальные отходы подкисляют и увлажняют до 20-25% жидкой фракцией культуральной жидкости с содержанием растворимых веществ и органических кислот до 2,5%, подвергают горячему экструдированию в течение 1 мин до температуры 180-190°С при давлении 0,4-0,5 МПа с получением экструдата. Полученный экструдат подкисляют и разжижают жидкой фракцией культуральной жидкости до соотношения экструдат: жидкая фракция культуральной жидкости 1:(2,5-3,0) с получением замеса. Полученный замес выдерживают в течение 10-15 мин при температуре 55-60°С до получения 5-15% редуцирующих веществ с получением гидролизата. Из полученного гидролизата готовят питательную среду путем добавления к нему соли кобальта и проводят инкубацию на приготовленной питательной среде штаммов культур Lactobacillus plantarum 578/26 и Propionibacterium Aeudenreichii subsp.shennanii 103/27. Целевой продукт представляет собой культуральную жидкость. Для получения корма культуральная жидкость разделяется на две фазы - твердую и жидкую, при этом твердая фаза направляется на высушивание до влажности 10-12%, а затем используется как корм. Жидкая фракция также может использоваться как жидкий корм (RU 2391859 С2, А23К 1/14, 27.06.2009).

Известен способ получения биомассы путем выращивания дрожжевых культур в условиях аэрации на питательной среде, содержащей отруби и/или муку злаковых культур, подвергнутых предварительно ферментативной обработке, а также минеральные соли и микроэлементы, с последующим выделением целевого продукта. Ферментативную обработку проводят амилолитическими или протеолитическими ферментами, взятыми в количестве 0,5-1,0% на АВС (абсолютно сухие вещества) сырья, при 50-70°С, рН 7,0-7,4 в течение 1-1,5 ч, а выращивание дрожжей рода Candida осуществляют в условиях избытка ионов железа и фосфата (RU 2041946, кл. С12N 1/16, 1995). Недостатком способа является то, что ферментативная предобработка субстрата не обеспечивает достаточным количеством углеводных и других доступных для микроорганизмов соединений, что ограничивает их размножение и приводит к низкому содержанию белка в готовом продукте.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ производства кормового продукта, обогащенного микробным белком, в котором для приготовления питательной среды зерновое сырье используют с размером частиц 120-160 мкм. Из него готовят водную суспензию с концентрацией сухих веществ 15-25%. В полученную суспензию вносят источники азота и фосфора, после чего проводят осахаривание зернового сырья с помощью ферментов до достижения содержания глюкозы 6-10% и последующее непрерывное выращивание дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193, обладающих амилазной активностью. Концентрирование полученной суспензии проводят на вакуум-выпарке и сушку суспензии в сушильном аппарате с получением готового продукта. Влагу, высвобождающуюся на стадиях вакуум-выпарки и сушки, используют для приготовления водной суспензии зернового сырья (RU 2011109853 А, А23J 3/00, 27.09.2012).

Технический результат от реализации заявленного изобретения заключается в повышении содержания истинного белка при высоком содержании сырого протеина в целевом продукте.

Технический результат предлагаемого способа выращивания дрожжей достигается тем, что для приготовления питательной среды для выращивания дрожжей используют целые зерна злаковых, включая пшеницу, рожь, ячмень, овес, гречиху, и/или кукурузу, и/или бобовые культуры, включая горох, сою. Зерно увлажняют водой до 15-20%, выдерживают при комнатной температуре в течение 15-45 мин, преимущественно 30 мин, и подвергают инфракрасному излучению с интенсивностью теплового воздействия, достаточной для перехода жидкости, внесенной при увлажнении зерна в течение 40-80 с, преимущественно 50 с.

Пар разрушает оболочку зерна с образованием микротрещин. Температуру на поверхности зерна, выходящего из зоны нагрева, устанавливают в пределах 105-130°С, определенную для каждого вида зерна, толщины и прочности оболочки, путем изменения времени воздействия ИК-излучения. Тепло инфракрасного излучения и пар убивают постороннюю микрофлору. Внутри зерна крахмал под воздействием тепла и в присутствии влаги образует декстрины. Горячее зерно после прогрева в инфракрасном поле выдерживают в теплоизолированной емкости в течение 15-30 мин, преимущественно 15 мин, для продолжения биохимических процессов при так называемом «разваривании» зерна. После тепловой обработки зерно охлаждают до температуры 24-27°С, а затем измельчают в мельнице, где в процессе соударения частицы измельчаются. Для проведения ферментативного гидролиза при приготовлении суспензии зерна используют фракцию с размером частиц 70-90 микрон, амилолитические ферменты, преимущественно термостабильную альфа-амилазу и бета-глюканазу, и целлюлолитические ферменты - целлюлазу и целлобиазу. В реактор последовательно подают воду, подогревают до оптимальной для данного фермента температуры, преимущественно 60-95°С, вносят раствор фермента альфа-амилазы, а затем при перемешивании измельченную фракцию зерна. Получают суспензию измельченного зерна в воде при концентрациях, достигающих 12-25% сухих веществ. Затем вносят целлюлолитические ферментные препараты: целлюлазу и целлобиазу. Общая продолжительность ферментативной обработки составляет 2-8 ч, преимущественно 3 ч. Под воздействием ферментов крахмал практически полностью, а клетчатка частично гидролизуются до простых сахаров. Подготовленную суспензию переводят в аппарат для выращивания микроорганизмов, включают перемешивающее устройство, добавляют питательные соли в виде макро- и микроэлементов в виде: (NH ₄)₂ HPO₄; KH₂PO₄ ; MgSO₄, FeSO₄, ZnSO₄, MnSO ₄, устанавливают кислотность среды в пределах 4,5 рН, обеспечивают поддержание температуры в пределах 32-33°С, вносят маточную культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae в количестве 10% объемных. Процесс роста дрожжей контролируют по интенсивности потребления сахаров и содержанию растворенного кислорода в среде. Накопительный процесс прекращают одновременно со снижением содержания редуцирующих сахаров в среде до 0,3% и менее. Полученную дрожжевую суспензию разделяют на фракции, например, в роторной центрифуге. В случае когда для биосинтеза используют ферментативный гидролизат с остатками зерна, в результате центрифугирования образуется три фазы. Первая, легкая фракция, представляет собой культуральную жидкость, из которой удалены дрожжевые клетки; вторая фракция состоит из биомассы дрожжевых клеток; третья фаза содержит в основном остатки измельченного зерна. Культуральную жидкость либо повторно используют в процессе биосинтеза, либо используют в кормах животных, либо используют в качестве органических удобрений. В культуральной жидкости содержатся биологически активные водорастворимые белки и другие продукты жизнедеятельности дрожжей. Концентрат биомассы дрожжей является высокопитательным кормовым продуктом для всех видов животных, из-за высокого содержания белка, в котором присутствует практически полный набор незаменимых аминокислот, витаминов, органических кислот и др. Как известно, в оболочке зерна сосредоточен набор микроэлементов в органической форме, который в процессе обработки по данной технологии переходит в конечный продукт. Оболочка зерна в результате биохимических превращений приобретает сорбционные свойства и рассматривается в качестве эффективного фитосорбента по отношению к слизям, маслам, солям, в том числе тяжелых металлов, и радионуклидам. На сушку направляют концентрат биомассы дрожжей и остатки зерна. В результате содержание сырого протеина в готовом продукте составляет от 32 до 40%.

При необходимости, когда конечный продукт должен содержать минимальное количество клетчатки, например белковой составляющей в кормах личинок рыб, цыплят на первой стадии развития, поросят-отъемышей с еще не сформировавшимся желудком, питательную среду для выращивания дрожжей готовят следующим образом. Суспензию измельченного зерна после ферментативного гидролиза разделяют декантацией на две фазы: жидкую и твердую. В жидкой фазе находятся растворенные сахара, в твердой фазе - остатки измельченного зерна. Жидкую фазу, содержащую раствор сахаров ферментативного гидролиза, направляют в аппарат для выращивания микроорганизмов, добавляют питательные соли азота, фосфора, калия, магния и микроэлементы, засевают маточную культуру дрожжей и проводят процесс выращивания дрожжей. При разделении полученной дрожжевой суспензии, например центрифугированием, получают только две фазы: культуральную жидкость и концентрат биомассы дрожжей. В высушенных дрожжах содержание сырого протеина значительно больше и составляет 50% и более.

Изобретение поясняется примерами.

Пример № 1. К 10 кг зерна пшеницы с влажностью 10,5% при температуре 20°С добавляют воду в количестве 0,7 л при перемешивании. Зерно с влажностью 18% выдерживают в герметичной емкости в течение 20 мин и подвергают инфракрасному излучению с интенсивностью теплового воздействия, достаточной для перехода жидкости, внесенной при увлажнении, в пар. При этом зерна распределяют на непрерывно движущейся сетке в один слой. Сетку предварительно нагревают до 160°С. Зерно в течение 50 с проходит три зоны нагрева и три зоны выдержки. Температуру на поверхности зерна на выходе с сетки контролируют с помощью пирометра и поддерживают в пределах 120°С. Горячее зерно после обработки в инфракрасном поле помещают на 10 мин в теплоизолированную емкость, где под воздействием аккумулированного тепла продолжаются биохимические процессы. Механическая прочность оболочки снижается, зерно увеличивается в объеме. Затем зерно охлаждают до комнатной температуры, избегая контакта с окружающей средой. Образовавшиеся на поверхности зерна микротрещины облегчают последующий помол и позволяют получать фракции измельченного зерна заданного размера. Прогретое зерно измельчают в мельнице, в которой для истирания частиц использован принцип сдвига. Отбирают измельченную фракцию, преимущественно содержащую частицы размером 70-90 микрон, добавляют 49 литров воды и получают суспензию, содержащую 17% сухих веществ. Проводят ферментативную обработку внесением раствора термостабильной альфа-амилазы «Амилад» из расчета 2 ед./г крахмала (активность 939 ед./мл, ЗАО «Энзим», Украина). Процесс проводят в течение 25 мин при рН 5,5 и температуре 90°С. Затем вносят глюкоамилазу «Глюколад» из расчета 12 ед./г крахмала (активность 6000 ед./мл, ЗАО «Энзим», Украина) и продолжают гидролиз крахмала еще 30 мин. Затем вносят целлюлазу из расчета 39 мг/кг зерна (активность сухого препарата 2565 ед./г, ЗАО «Энзим», Украина) и ферментный препарат ксиланазу из расчета 53 мг/кг зерна (активность сухого препарата 2220 ед./г, ЗАО «Энзим», Украина). Гидролиз целлюлазами проводят при температуре 65°С в течение двух часов. Количество редуцирующих веществ в суспензии после ферментативного гидролиза составило 9,5%. Полученную суспензию охлаждают до 33°С, добавляют минеральные соли в количестве, г/л: (NH₄)₂ HPO₄ - 40, КН ₂РO₄ - 40, MgSO₄ - 5,6, FeSO ₄ - 0,20, ZnSO₄ - 0,15, MnS04 -0,15, вносят маточную культуру дрожжей Saccharomyces serevisiae ВКПМ -Y-365 в количестве 10% объемных и проводят выращивание дрожжей. Условия перемешивания и аэрации обеспечивают мешалкой при 300 об/мин и подачей воздуха из расчета 1 л воздуха на 1 л жидкости в мин. Продолжительность процесса накопления биомассы составляет 23 ч, время активного потребления субстрата 19 ч, температура среды 32°С, рН 4,2. Накопление биомассы прекращают при снижении концентрации редуцирующих веществ до 0,4%. Суспензия, включающая биомассу дрожжей и остатки измельченного зерна, является конечным продуктом предлагаемого способа выращивания дрожжей. Суспензию концентрируют и высушивают. Содержание сырого протеина в сухом продукте составляет 56%, содержание истинного белка, по методу Бертрана, составляет 52%.

Пример № 2. Аналогично примеру № 1, 10 кг зерна кукурузы увлажняют до 18%, подвергают инфракрасному излучению в условиях примера1. Продолжительность воздействия составляет 80 с, температура на поверхности зерна не превышает 130°С. После охлаждения зерно измельчают, подвергают ферментативному гидролизу, по окончанию которого из полученной суспензии центрифугированием отделяют, в основном, остатки зерна, от раствора сахаров. Осветленный ферментолизат зерна переводят в аппарат для выращивания микроорганизмов, добавляют питательные соли азота, фосфора, калия, магния и микроэлементы и засевают маточной культурой дрожжей Saccharomyces serevisiae ВКПМ Y-722 в количестве 10% объемных. Аналогично, в условиях аэрации и перемешивания в течение 22 ч проводят выращивание дрожжей. Процесс прекращают при снижении концентрации редуцирующих веществ до 0,3%. Полученная суспензия включает биомассу дрожжей и практически не содержит остатки кукурузы. Суспензию концентрируют и высушивают. Содержание сырого протеина в сухом продукте составляет 52%, содержание истинного белка, определенного по методу Бертрана, составляет 50,4%.

Пример № 3. Питательный субстрат для биосинтеза готовят из смеси 5 кг зерна пшеницы и 5 кг зерна сои. Раздельно увлажняют зерно пшеницы до 15%, выдерживают в течение 30 мин, подергают инфракрасному излучению с интенсивностью теплового воздействия, достаточной для перехода жидкости, внесенной при увлажнении, в пар. Зерно охлаждают и измельчают в мельнице до частиц размером 70-90 микрон. Измельченное зерно пшеницы и измельченное зерно сои смешивают, готовят суспензию с содержанием сухих веществ 18% и подают в реактор для проведения ферментативного гидролиза, аналогично примеру № 1, последовательным воздействием амилолитических и целлюлолитических ферментов. Полученную суспензию гидролизованного зерна переводят в аппарат для выращивания микроорганизмов, подают питательные соли, кратковременно в течение 15 мин пастеризуют при температуре 85°С, включают мешалку, устанавливают температуру и рН среды, подают воздух, вносят маточную культуру дрожжей Saccharomyces serevisiae (diastaticus) ВКПМ -Y -1218 в количестве 10% объемных. Выращивание дрожжей проводят в течение 24 часов. Суспензию, состоящую из биомассы дрожжей и остатков зерна, концентрируют и высушивают. Содержание сырого протеина в сухом продукте составляет 51%, истинного белка, определенного по методу Бертрана, составляет 49,5%.