Biotechnological aspects of the creation of a protein-polysaccharide feed enricher based on secondary food production

Е. M. Serba; Серба Е. М.; P. Y. Tadzhibova; Таджибова П. Ю.; L. V. Rimareva; Римарева Л. В.; А. Yu. Krivova; Кривова А. Ю.; М. B. Overchenko; Оверченко М. Б.; N. I. Ignatova; Игнатова Н. И.; N. A. Kuznetsova; Кузнецова Н. А.

doi:10.30850/vrsn/2019/3/56-59

Biotechnological aspects of the creation of a protein-polysaccharide feed enricher based on secondary food production

Authors: Serba Е.M.¹, Tadzhibova P.Y.¹, Rimareva L.V.¹, Krivova А.Y.¹, Overchenko М.B.¹, Ignatova N.I.¹, Kuznetsova N.A.¹
Affiliations:
1. Russian Research Institute of Food Biotechnology is a Branch of Federal State Budget Institution of science «Federal Research Center of Food, Biotechnology and Food Safety»
Issue: No 3 (2019)
Pages: 56-59
Section: Biotechnology
URL: https://permmedjournal.ru/2500-2082/article/view/15233
DOI: https://doi.org/10.30850/vrsn/2019/3/56-59
ID: 15233

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The synthesis of biologically valuable protein, polysaccharides, incl. chitin-glucan-mannan complex non-pathogenic strain of the fungus Aspergillus oryzae in the process of solid-phase cultivation on the secondary raw materials processing industries of the AIC. The content of crude protein on the medium with sunflower meal was 78.0%, which was 2 times higher than the initial medium (38.6%); a higher accumulation of proteins was achieved on media with sunflower meal and grain bard (4:I) — 86.4%. It was established that the media containing grain bard in its composition provided the highest accumulation of polysaccharides — 25.0—30.0%, which is I.5 times higher than on the initial medium. Introduction to the composition of the nutrient medium of sunflower meal in the amount of 20 and 80% of grain bards allowed to increase the yield of the chitin-glucan complex to 32%, while the amount of protein was 76%. The content of essential amino acids of microbial biomass grown on the medium with sunflower meal increased I.8 times and amounted to I43.7 mg/g. The main increase in the content of essential amino acids accounted for such amino acids as methionine, isoleucine, leucine, phenylalanine, tryptophan, valine. The obtained results can be used for the production of a protein-polysaccharide feed enrichment with sorbing properties.

Keywords

mycelial fungus, solid-phase cultivation, protein, amino acids, polysaccharides, food and feed enrichment

Full Text

Биотехнологию применяют в силосовании кормов для повышения усвоения растительной биомассы, утилизации отходов животноводческих ферм, получения экологически чистых органических удобрений на основе переработки отходов растениеводства и животноводства. Белковые вещества, полученные с помощью микроорганизмов, используют в виде кормовых добавок. Продуцентами кормового белка могут быть бактерии, дрожжи, микроскопические водоросли, микро- и макроми- цеты. В последнее время ведут активные исследования биохимических и структурно-функциональных свойств биомассы грибов, выявляют перспективы ее использования в качестве субстрата для получения белково-аминокислотных кормовых добавок и функциональных ингредиентов. [1, 3, 7, 9, 13, 15]

Микромицеты легко выращивать в производственных условиях на любых субстратах, они способствуют синтезу гидролитических ферментов, устойчивы к микробной контаминации. [12] Биомасса грибов содержит белка больше, чем зерно злаковых культур, несколько уступая лишь по аминокислотному составу протеину молока и рыбной муки, богата витаминами (тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, никотиновая кислота, пиридоксин, фолиевая кислота, а также холин, инозит и др.). Важное свойство мицелиальной биомассы грибов рода Aspergillus — высокое содержание ценных полисахаридов широко используют в прикладных исследованиях. [4, 11] Установлено, что содержащийся в грибах хитино-глюкановый комплекс обладает существенной сорбционной способностью. [6, 8, 12] Белки большей части микро- мицетов лимитированы по сумме аминокислот, содержащих серу. Вместе с тем, они богаты лизином и метионином — основными незаменимыми аминокислотами, недостающими в белке зерновых культур. Результаты проведенных ранее исследований показали возможность использования биомассы гриба Aspergillus oryzae как субстрата в биотехнологии функциональных добавок. [1, 2] Выявлено, что мицелиальные грибы в процессе глубинного культивирования синтезируют биологически полноценный белок, ценные полисахариды, в том числе аминополисахариды. Однако уровень образования полимеров в биомассе гриба при этом недостаточно высокий — 18.25% белковых веществ и 20.25% полисахаридов.

Цель работы — поиск условий создания белково- полисахаридного обогатителя кормов, обогащенных незаменимыми аминокислотами, на основе гриба Aspergillus oryzae.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования служил непатогенный штамм Aspergillus oryzae RCAM 01133 из коллекции микроорганизмов ВНИИ пищевой биотехнологии; штамм депонирован в Ведомственной коллекции полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения. [2] Отличительная особенность данного штамма — высокая скорость роста и пониженное спорообразование, что делает его перспективным для использования в технологиях, основанных на твердофазном культивировании.

Культивировали гриб при 30°С на натуральных питательных средах, в состав которых входило вторичное сырье (ВС) пищевых производств (пшеничные отруби, подсолнечный шрот, сухая зерновая барда, солодовые ростки и их комбинации в различных соотношениях). Подготовленные питательные среды влажностью 55.60% стерилизовали при 0,1 МПа в течение 40 мин.

Культуру тестировали по уровню накопления белковых веществ, полисахаридов и гидролитических ферментов. Содержание полисахаридов определяли колориметрическим методом по уровню образования общих редуцирующих веществ (ОРВ) после кислотного гидролиза; общего белка — по методу Къельдаля (ГОСТ 32044.1-2012) на автоматической установке «Vadopest»; концентрацию аминокислот — с использованием аминокислотного анализатора «KNAUER» (Германия); аминограммы просчитывали методом сравнения площадей стандарта и образца. [5] Амилолитическую активность (АС) определяли по ГОСТ Р 54330-2011, общую протеолитическую активность (ПС) — ГОСТ Р 53974-2010 с использованием в качестве субстрата гемоглобин.

Данные обрабатывали не менее, чем в трех повторностях с помощью программы Microsoft Excel и использованием коэффициента Стьюдента (доверительный интервал — 0,95).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено, что накопление белковых веществ и полисахаридов хитино-глюкано-маннанового комплекса варьирует в широких пределах в зависимости от состава питательной среды (рис. 1, 3-я стр. обл.). Уровень активности амилолитических и протеолитических ферментов, синтезируемых грибом Aspergillus oryzae RCAM 01133, различен при культивировании на средах, отличающихся по составу, и влияет на накопление белка и полисахаридов в зависимости от содержания последних в исходной среде (см. таблицу). Выявлена тенденция, определяющая увеличение накопления белка при активности протеолитических ферментов от 25,0 до 12,0 ед/г и снижение образования полисахаридов при активности амилолитических ферментов выше 100,0 ед/г. Наиболее высокое накопление белковых веществ достигнуто на подсолнечном шроте и зерновой барде, что обусловливает получение белково-аминокислотных обогатителей пищи и кормов. Содержание сырого протеина по сравнению с исходной средой увеличилось на подсолнечном шроте с 38,6±3,2% до 78,0±3,4%, на зерновой барде — с 48,7±2,8% до 70,4±3,1%. Следует отметить, что количество белка в поверхностной культуре гриба более чем в три раза превышает аналогичные показатели в глубинной культуре. [3]

Накопление биополимеров культурой Aspergillus oryzae RCAM 01133 при твердофазном культивировании

Питательная среда	Ферментативная активность, ед./г		Содержание биополимеров, %
	амилолитическая (АС)	протеолитическая (ПС)	белка в		полисахаридов (ОРВ) в
			исходной среде	биомассе	исходной среде	биомассе

Пшеничные	105,0±5,2	64,0±3,2	12,0±1,5	24,0±1,8	52,0±3,8	28,0±2,4
отруби
Подсолнечный шрот	110,3±5,5	20,5±1,5	38,0±3,5	78,0±5,1	25,0±2,4	15,0±0,5
Зерновая барда	63,1±3,1	12,0± 0,6	48,0±3,2	70,0±4,2	15,0±2,0	26,0±1,4
Солодовые ростки	43,1±2,2	25,0±0,8	22,0±1,5	42,0±3,7	14,0±1,8	24,0±1,4

Чтобы активизировать способность штамма гриба A. oryzae RCAM 01133 к синтезу белковых веществ и полисахаридов при твердофазном культивировании использовали комбинированные питательные среды, содержащие в качестве основных компонентов подсолнечный шрот, зерновую барду, пшеничные отруби и солодовые ростки (рис. 2а, б, 3-я стр. обл.).

На среде с подсолнечным шротом (80%) и зерновой бардой (20%) зафиксировано наибольшее накопление белка, а при равном количестве зерновой барды и подсолнечного шрота - полисахаридов.

Анализ аминокислотного состава полученных образцов микробной биомассы выявил повышение содержания незаменимых аминокислот по сравнению с их исходным содержанием в питательных средах. На среде с подсолнечным шротом их общее количество возросло в 1,8 раза и составило 143,7 мг/г (в исходной среде - 80,6 мг/г), а на среде с подсолнечным шротом и зерновой бардой (4:1) - в 2,0 раза (до 152,2 мг/г). При этом основное увеличение незаменимых аминокислот приходилось на аминокислоты - метионин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, триптофан, валин (рис. 3, 3-я стр. обл.).

Таким образом, проведенные исследования выявили возможность получения белково-аминокислотных кормовых добавок с повышенным содержанием незаменимых АК на основе твердофазного культивирования гриба Aspergillus oryzae RCAM 01133.

Однако комплекс белок-полисахариды на вышеназванных средах значительно отличался по содержанию полисахаридов. Так, использование подсолнечного шрота снизило содержание ОРВ почти в два раза по сравнению с исходной средой, а при культивировании на среде, содержащей подсолнечный шрот и зерновую барду (4:1) этот показатель превысил исходный уровень на 30%. Повышение концентрации зерновой барды в среде привело к более существенному увеличению уровня синтеза хитино-глюканового комплекса. Полученные результаты могут быть использованы для производства биопрепаратов с сорбирующими свойствами. Наряду с этим, возможно создание белково-аминокислотного обогатителя кормов с сорбирующими свойствами при использовании твердофазного культивирования на питательной среде, содержащей подсолнечный шрот 20% и 80% зерновой барды, где содержание белка в биомассе составило 76%, а полисахаридов хитино-глюкано-маннанового комплекса 32%, что в 1,5 раза выше, чем на исходной среде.