Физические и биологические методы улучшения питательности кормов (обзор)

За последние 50 лет общий уровень продуктивности домашних животных повысился на 20-30 %. Подобный результат достигается, с одной стороны, за счет успехов генетики, интенсификации обменных процессов и влияния на пищеварение животных, с другой, — благодаря эффективной предварительной подготовке кормов и обеспечению большей доступности

Тематика поддержана Российским научным фондом, проект ¹ 20-16-00078-П.

нутриентов для организма. Важным признаком служит конверсия корма, определяющая экономическую эффективность отрасли, поскольку 70 % расходов при выращивании животных приходится на корм (1-3).

В настоящее время актуализируется поиск и применение методов увеличения доступности и питательности кормов. На основании анализа результатов исследований в доступных информационных базах (Scopus, PubMed, eLibrary, CyberLeninka) по ключевым словам «повышение питательности», «экструзия», «кавитация», «сельское хозяйство», «кормление», «переваримость корма», «nutritional enhancement», «extrusion», «cavitation», «agriculture», «feeding», «feed digestibility» найдено более 3500 статьей, опубликованных за последние 10 лет. Из них около 400 публикаций посвящено использованию кавитационной и около 450 — экструзионной обработки кормов, что составляет около 27 % от всех статей по применению физических методов воздействия на корм.

Углеводы зерновых неоднородны по своему составу. Несмотря на то, что термин «углеводы» объединяет такие вещества, как сахара, крахмал, целлюлоза, лигнин, декстрины и др., они не похожи друг на друга в качественном отношении. Основные зерновые корма (ячмень, кукуруза, пшеница, овес, рожь), имеющие практически равное содержание углеводов (около 80 %), качественно отличаются друг от друга, что влияет на степень переваримости. Это, в свою очередь, обеспечивает значительные различия в содержании обменной энергии (4-6).

В российском и мировом производстве комбикормов разработаны технологии повышения переваримости и питательности зернового сырья. Их можно условно разделить на две большие группы — на физические и биологические методы (11, 12).

Физические методы предполагают воздействие температуры, давления или других факторов, а также их сочетание. К физическим методам относятся как простые способы (например, замачивание с проращиванием и без него, жарка), так и более сложные в технологическом отношении процессы — экструзия, экспандирование (кондиционирование под давлением), микронизация, воздействие сверхвысокочастотными волнами, кавитация (13, 14). Биологические методы включают в себя использование бактерий, дрожжей и других микроорганизмов или их метаболитов для переработки клетчатки и производства различных сопутствующих веществ, которые могут быть использованы животными (15-17). Биологическая ферментация происходит внутри желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) или в искусственно созданной среде (in vitro) (18).

В основе процесса ферментации лежит добавление в корм определенных видов микроорганизмов, например молочнокислых бактерий, которые способны расщеплять сложные углеводы на более простые, легко усваиваемые формы. Они также используются для обогащения корма витаминами, ферментами и другими биологически активными веществами. Применение методов ферментации может увеличить эффективность исполь- зования корма, улучшить его питательную ценность и снизить количество отходов, что приводит к повышению производительности в отрасли и качества продукции (19, 20).

Классификация пищевых волокон (А) , распределение пищевых волокон в зерне и участки ферментативной атаки (Б) (7) .

Цель настоящего обзора — обобщение информации об основных (физических и биологических) методах подготовки кормов, повышения их доступности, улучшения питательности и усвояемости для сельскохозяйственных животных и птицы, а также о принципах действия этих методов и их применения в исследованиях и практике животноводства и птицеводства.

Кавитация — процесс, при котором возникает эффект так называемых схлопываемых пузырьков при резком снижении давления в жидкости, сопровождающийся сильным высвобождением энергии и последующим гидравлическим ударом (21). Эффективность этого метода заключается в разрыве структурных звеньев полимерных растительных частиц, таких как целлюлоза и крахмал. Вследствие разрыва из длинных цепочек полимеров образуются более короткие разветвленные крахмальные структуры и гидролизованные короткие структуры сахаров. Преобразование углеводов в более короткоцепочечные увеличивает переваримость кормов (22).

С помощью кавитационного воздействия можно производить корма на основе вторичных ресурсов растительного сырья (шелуха, солома отруби), изменяя их химический состав (23).

Кавитация за счет одновременного нагревания и перемешивания дает возможность получать мелкодисперсную, влажную, гомогенную смесь, которая не распадается на части в течение длительного времени. Метод позволяет снижать количество клетчатки и увеличивать долю сахаров и аминокислот, не уменьшая общее содержание питательных веществ (24). Однако термическая обработка приводит к частичной потере витаминов, ферментов, изофлавоноидов, а также к денатурации белков (25). Некоторые источники свидетельствуют, что для сохранения биологически активных веществ целесообразно использовать менее высокие температуры (80 ° C) (26, 27). Доказано, что в процессе кавитации повышается доступность компонентов корма, в результате чего возрастает переваримость питательных веществ рациона (28-30).

Флокирование — метод влаготепловой обработки зерна с последующим плющением, при котором время пропаривания длится 12-14 мин при температуре 94 ° С. Корм превращается в питательный хлопьевидный продукт с хорошим вкусом, при потреблении которого у животного снижаются затраты энергии на переваривание (31, 32).

Установлено, что гидротермическая обработка зерна (флокирование) снижает долю непереваримой клетчатки и антипитательных веществ. Кроме того, переваримость крахмала повышается в 1,5 раза, протеина — на 15-20 %. При гидробаротермической обработке зерна вследствие длительного воздействия температуры происходит частичное разрушение протеина и жира, что понижает энергетическую питательность гидролизатов в сравнении с исходным зерном на 0,16-0,6 МДж. Включение в рацион коров такого зерна позволило получить суточный удой на 1 кг выше по сравнению с применением зерна в дробленом виде (33). Гидротермическая обработка зернового сырья влияет на поверхностную и глубинную микрофлору. С увеличением времени обработки пшеница и ячмень, искусственно зараженные, а также зараженные естественным способом, были обеззаражены на 100 % (34). Установлена зависимость между величиной зазора валков и степенью клейстеризации крахмала зерна овса (35).

Кондиционирование — двухэтапный технологический процесс, при котором на первом этапе корма обрабатываются водяным паром при 7083 ° C. Далее пропаренный комбикорм из кондиционера направляется в экспандер и проходит этап плющения и пропаривания при избыточном давлении. При этом оператор экспандера контролирует такие параметры, как давление, температура продукта на выходе из экспандера, величина кольцевого зазора, а также управляет экспандером, наблюдает и при необходимости изменяет регистрируемые данные, которые передаются в монитор (36).

Кондиционирование в сравнении с экспандированием менее энергоемко (удельные затраты энергии при экструдировании составляют 100150 кВт•ч/т). При экспандировании значительное количество энергии теряется вследствие теплового излучения и испарения пара при резком снижении давления. Под действием высокой температуры разрушаются витамины, находящиеся в комбикормах (37, 38). При кормлении свиней кормом, подвергнутым термообработке, конверсия корма улучшалась на 4,8 %, среднесуточный прирост живой массы — на 3,3 % (39).

Обработка горячим паром и в некоторых случаях озоном позволяет максимально снизить обсемененность зерна бактериями и грибами, что, в свою очередь, благотворно сказывается на экономике птицеводческих хозяйств, поскольку снижается падеж и вынужденный убой (40).

Имеются данные о том, что гидротермическая обработка повышала перевариваемость крахмала, скорость роста и улучшала использование корма у цыплят-бройлеров (41). Однако количество и активность большинства витаминов, ферментов, как и антипитательных факторов, например ингибиторов ферментов, лектинов и фитатов, имеют тенденцию к снижению (42).

Смешивание — физическая обработка корма, направленная на достижение однородного распределения всех компонентов. При этом смешивание не приводит к снижению количества микотоксинов, присутствующих в кормах. Компоненты, из которых изготавливается корм, должны соответствовать нормативным требованиям и быть свободными от микотоксинов. Тем не менее в процессе смешивания могут быть добавлены вещества, связующие микотоксины, которые обеспечивают их недоступность для животных. Исследования in vitro с кормом, загрязненным микотоксинами, показали, что действие микотоксинов, связанных подобными добавками, приводило к менее серьезным патологическим эффектам у животных. Примерами добавок для связывания микотоксинов служат активированный уголь (43, 44) и молочнокислые бактерии (45, 46). Последние могут естественным образом присутствовать при силосовании. Поскольку микотоксины физически не удаляются из корма, добавление связующих веществ не оказывает влияния на результаты количественного определения микотоксинов в корме в целом (47, 48). По этой причине может быть трудно рассмотреть законодательно вопрос об использовании микотоксин-связывающих агентов, поскольку будет непросто измерить их эффективность.

Экструзия — высокотемпературный (например, при 180-200 ° C) и кратковременный процесс влажного прессования с последующим схлопыванием корма. Суть метода заключается в гидро-, баро- и термообработках сырья, в результате которых корм сжимается под высоким давлением и выталкивается в область атмосферного давления. Затем происходит взрыв, в результате которого объем корма увеличивается. В основе этой технологии лежат два основных процесса: механохимическая деструкция на всех этапах и декомпрессионный шок, или взрыв, на выходе продукта из экструдера, что завершает структурные преобразования корма (49). Преимущества экструзии заключаются в возможности индивидуальной обработки любого типа сырья, а также в использовании различных композиций. Эта технология особенно эффективна для производства комбикормов, которые включают зерновые культуры, сою, жмых и шрот (50, 51). Экструзия может успешно применяться при переработке отходов птицеводства, мясо- и рыбоперерабатывающей промышленности для получения питательного сырья.

Доказано, что экструзионная обработка корма способствует повышению переваримости минеральных веществ. Экструдированная пшеничная мука имела значительно более высокое содержание Fe и Cu и более низкое общее содержание крахмала, чем неэкструдированная (52). Положительные результаты получены при экструзионной обработке пшеничных отрубей в сочетании с высокодисперсными порошками. Переваримость питательных веществ в эксперименте in vitro повышалась с 64,2 до 78,2 %, что сопровождалось ростом биодоступности минеральных веществ из кормового продукта: Zn — на 21,6 %, Cu — 2,98 %, Fe — 7,3 % (53). Также менялся аминокислотный состав кормов (54). Наряду с этим, экструзия может обеспечить возможность использовать в рационе животных отходы зерноперерабатывающей промышленности, например гречишную и подсолнечную лузгу. Совместно с обработкой 5 % раствором NaOH экструдирование снижает содержание в лузге клетчатки и лигнина, что делает корм более доступным для переваривания животными (55).

В мире в целом (56) и в частности в Китае (57), Нигерии (58), Бразилии (59) существует острая проблема загрязнения кормов микотоксинами. Термические процессы при производстве кормов влияют на содержание микотоксинов в готовых продуктах, значительно его снижая. Экструзионная обработка может вносить вклад в улучшение качества кормов за счет как увеличения биодоступности, так и обеспечения безопасности при обеззараживании кормов (60, 61).

Фрезерование — механическая обработка резаньем, при которой многорезцовый инструмент (фреза) совершает вращательное, а обрабатываемый материал — поступательное движение (движение подачи). Этот метод считается не самым эффективным для повышения переваримости кормов, но способствует снижению содержания микотоксинов. Как правило, это вторичные метаболиты плесневых грибов, среди которых особое внимание уделяют дезоксиниваленолу (DON), зеараленону (ZEN), афлатоксинам (AF), охратоксину A (OTA), фумонизинам (FUM) и трихотеценам (T-2, НТ-2), значимо влияющим на здоровье животных (62-64).

Измельчение и очищение зерна обеспечивает снижение содержания токсинов. Решающим этапом в переработке кормов на основе злаков становится измельчение ядер, которое не устраняет микотоксины, но приводит к перераспределению их количества в различные фракции — отруби, шрот, мука для дробления и измельчения (65).

Многочисленные исследования ученых разных стран показали, что наружные части зерен пшеницы (отруби) содержат большее количество DON по сравнению с внутренними частями (66, 67). В то же время сухой помол может снижать содержание DON в эндосперме на 53 % по сравнению с очищенным цельным зерном (68).

Исследователи заметили разницу между количеством OTA в измельчаемых фракциях мягкой и твердой пшеницы. Его высокие концентрации отмечены в отрубях и субпродуктах твердой пшеницы по сравнению с мягкой (69). Сделан вывод, что измельчение мягкой пшеницы менее эффективно в результате худшего сепарирования ее фракций (70).

В очищенной ржи содержалось на 3000 мкг/кг меньше алкалоидов спорыньи по сравнению с неочищенной (71). При этом измельчение очищенной ржи уменьшало содержание алкалоидов с 356 до 239 мкг/кг в отрубях после помола.

Исследование, посвященное ячменю и эффекту его сухого помола, было сосредоточено на удалении шелухи при двух типах помола. Шелуха с ядер ячменя удалялась с помощью роликового фрезерования и прецизионного фрезерования. Валковая мельница смогла удалить 36,7 % DON, а прецизионная мельница — 85,1 % (66).

Подобно пшенице и ячменю, при сухом помоле кукурузы микотоксины в больших количествах концентрируются во фракции отрубей. Накопление DON было в 17 раз, T-2 — почти в 3 раза, токсина HT-2 — почти в 13 раз выше в отрубях, чем в сырых кукурузных зернах. Высокое содержание DON отмечено в зародыше и муке из него, а также в отсевах (соответственно 4056, 2994 и 2543 мкг/кг) (72).

Фрезерование зерна привело к увеличению содержания жира в отрубях на 60 % по сравнению с образцами сырой кукурузы после помола. В кукурузной муке, используемой в качестве корма, концентрации микотоксинов (FB 1 , FB 2 , AFB 1 , AFB 2 , AFG 1 и AFG 2 ) были выше по сравнению с нативным зерном. Кукурузная мука с меньшим размером частиц имела более высокую концентрацию DON, FB 1 , FB 2 и ZEN, чем крупа грубого 416

помола (73).

Содержание AF и FUM зависит от степени измельчения и финальных размеров частиц. Так, мелкие частицы кукурузы имели более высокие концентрации AF и FUM, чем более крупные (74). Кукурузная пыль плотностью 0,12 г/см3 содержала 166 мкг/кг AF, тога как в крупных зерновых частицах плотностью 1,43 г/см3 количество AF составляло 18 мкг/кг.

В отличие от сухого помола, мокрый помол включает стадию замачивания либо муки, либо целых зерен. Замачивание облегчает отделение соединений эндосперма и может вызвать перемещение микотоксинов в жидкие фракции, что приводит к снижению их количества в твердых побочных продуктах. Однако следует отметить, что жидкие фракции часто добавляют к твердым побочным продуктам для получения глютенового корма.

Группой ученых был проведен опыт по сравнительному определению влияния сухого и влажного помола (оба применялись к цельному зерну) на содержание микотоксинов в пшенице. Концентрация DON в цельном зерне составляла 57-61 %, в отрубях твердой яровой пшеницы и в отрубях твердой пшеницы после сухого помола — 48-51 %. После мокрого помола максимальная доля DON в отрубях составляла 7 %. Большая часть DON (97 % для твердой яровой пшеницы и 95 % для твердых сортов пшеницы) была извлечена в виде водорастворимых фракций, отделенных от влажной клейковины и крахмала. В итоге влажный помол оказался более эффективным для снижения содержания DON, в то время как сухой помол увеличивал концентрацию DON в отрубях (75).

Таким образом, фрезерование позволяет отделить фракцию, содержащую микотоксины, от фракции, в которой их количество меньше, а с помощью мокрого помола можно удалить часть микотоксинов, которые были растворены в воде.

В последние годы наблюдается растущий интерес к использованию ферментов для извлечения белка. Ферменты — глобулярные белки, получаемые из микроорганизмов, растений, животных и человека и функционирующие в качестве катализатора (76). Ферменты применяются в пищевой промышленности уже долгое время, служат биотехнологической основой рецептов молочных, мясных и хлебобулочных изделий (77). В промышленности используют карбогидразу, липазу и преимущественно протеазу (78).

Процесс экстракции веществ с помощью ферментов считается экологически безопасным, поскольку они заменяют этапы, включающие сильные химические или физические воздействия (79). Разрушение клеток во время экстракции с помощью ферментов — один из наиболее важных этапов высвобождения белка из внутренних клеточных компартментов в растворимой форме (80). Существует множество доказательств, которые определяют процесс с участием ферментов как неинвазивный метод зеленой экстракции (81). Экстракция с помощью ферментов позволяет успешно извлекать аминокислоты, такие как глютамин и аспарагин, которые обычно легко разрушаются в результате кислотного и щелочного гидролиза (82). Полученные продукты часто более пригодны для непосредственного потребления (83).

Применение экстракции с помощью ферментов зависит от условий, включая соотношение субстрата и фермента, специфичную для фермента температуру и рН, а также время экстракции (84-86). При выборе ферментов важна внутренняя матрица (вид, структура и состав) сырья. Продемонстрирована применимость грибных аспарагиновых эндопептидаз в пищевой и кормовой промышленности. Эффективный гидролиз белков промышленно важных субстратов, таких как кислая сыворотка, или кормовых белков можно провести с помощью грибных аспарагиновых пептидаз (87). Использование микробного штамма Pseudomonas fluorescens, продуцирующего ксиланазу, позволяет производить пищевые и кормовые ферментные препараты (88).

Роль большинства карбогидраз (целлюлаз и пектиназ) заключается в разрушении внешней клеточной стенки (89), тогда как протеолитические ферменты гидролизуют белок внутри цитоплазмы (79). В исследовании, посвященном экстракции белка с помощью нейтразы, алкалазы и пепсина, наибольшее количество экстрагированного белка удалось получить при использовании алкалазы (67,6 %) и пепсина (64 %) (90). Аналогичным образом был проведен эксперимент с применением экстракции с помощью ферментов алкалазы и нейтразы (по отдельности и в комбинации). Самый высокий выход наблюдался при использовании алкалазы. Вероятно, это связано с тем, что алкалаза представляет собой пищевую эндопротеиназу (91) с широкой специфичностью, позволяет гидролизировать мембраны, окружающие липидные тела, тем самым эффективно высвобождая цитоплазматический белок и более мелкие пептиды (92).

Альтернативный подход заключается в комбинировании водной экстракции и экстракции с помощью ферментов для получения белковых изо-лятов (81). Эти белковые изоляты благодаря своим основным функциональным параметрам используются в качестве эмульгаторов, стабилизаторов и пенообразователей, а также как фортификаторы для повышения питательной ценности конечного продукта (93, 94). Помимо экстракции цельного белка, все чаще практикуется получение гидролизата из изолятов белка (95, 96).

Применение ферментов для экстракции в промышленных масштабах — относительно новая область. Как правило, экстракция с помощью ферментов проводится в лаборатории и имеет потенциальные коммерческие и технические ограничения, включая стоимость ферментов. Специфичность ферментов ограничена (например, способностью только к частичному гидролизу клеточных стенок растений). Активность ферментов зависит от определенных факторов окружающей среды (температура инкубации, доступность субстрата и рН). Основной проблемой при применении ферментов на промышленных установках становятся эксплуатационные расходы, которые на 28-30 % связаны с сырьем. Синтез новых ферментов наряду с очисткой ферментативных смесей поможет в снижении затрат. Одним из таких примеров может быть производство ферментов с использованием микроорганизмов — бактерий, дрожжей и грибов (97). По сравнению с животными и растительными источниками микробные ферменты коммерчески предпочтительнее в силу их экономической эффективности и стабильного производства (86).

Биоферментация — биохимическая переработка сырья с помощью микроорганизмов и их ферментов. Ферменты вырабатываются микробиотой, в то время как сырье (корм) выступает субстратом. Если ферментация происходит в анаэробной среде, то такую реакцию называют брожением. C. Shi с соавт. (98) провели двухстадийную ферментацию с использованием Bacillus subtilis с последующим добавлением Enterococcus faecium. В результате бактерии эффективно снизили содержание фитиновой кислоты в комбикорме. Кроме того, высокая концентрация молочной кислоты и низкий pH в ферментированном инокулированном корме препятствовали пролиферации представителей Enterobacteriaceae. Результаты переваривания in vitro показали, что инокулированный корм, подвергнутый двухстадийной ферментации, имел более высокую усвояемость, чем ферментированный в одну стадию.

Y. Cui с соавт. оценивали способность Aspergillus niger и Trichoderma koningii улучшать качество чайной гущи посредством твердофазной ферментации, а также ценность ферментированной чайной гущи, полученной для использования в качестве биологических кормовых добавок. Ферментация с A. niger и Т. koningii повышала содержание сырого протеина, сырой клетчатки, нейтрально-детергентной клетчатки и кислотно-детергентной клетчатки по сравнению с неферментированным образцом. Содержание редуцирующих сахаров, общих флавоноидов, общих полифенолов и теасапони-нов было увеличено в варианте, где ферментация проходила с помощью A. niger , в то время как при использовании T . koningii кофеин полностью расщеплялся, а количество сапонинов снижалось. Твердофазное брожение с A. niger и Т. koningii эффективно повышало пищевую ценность чайной гущи, содержание функциональных веществ и улучшало вкус (99).

Аналогичный подход применили G. Murugesan с соавт. (100), использовав биомассу чайного гриба, полученную в процессе ферментации черного чая, как ингредиент в кормах для цыплят-бройлеров. Добавление чайного гриба в количестве 150 г/кг в корм для птицы увеличило потребление корма, массу тела по сравнению с контролем. Гистопатологическое исследование печени не выявило отклонений. С помощью ферментов, выделяемых микроорганизмами, можно перерабатывать огромное количество органических отходов, используя их в качестве дополнительной подкормки для животных. При таком подходе возможно повысить экономическую эффективность животноводческих предприятий, одновременно улучшая экологическое состояние прилегающей территории.

Косточки кислой вишни — отходы производства фруктовых соков. Твердофазная ферментация имеет большой потенциал для переработки подобных агропромышленных остатков. В исследовании E. Gungor с соавт. (101) было изучено влияние скармливания сырых кислых вишневых косточек и ферментированных с помощью A. niger вишневых косточек на показатели роста, характеристики туши и качество мяса цыплят-бройлеров. Показана возможность использования в питании ферментированного продукта в количестве 1-2 % в связи с положительным влиянием на цыплят-бройлеров.

Таким образом, очевидно, что существует перспектива для повышения питательности кормов без значимых энергоемких, следовательно, и финансовых затрат при применении биологических и физических методов улучшения питательности кормов.

Итак, рассмотренные физические (замачивание, жарка, экструзия, экспандирование, микронизация, воздействие сверхвысокочастотными волнами, кавитация) и биологические методы (ферментация) подготовки кормов к скармливанию позволяют повысить их усвояемость и общую питательность за счет деградации факторов, препятствующих эффективному пищеварению. Физические методы предполагают воздействие температуры, давления или других факторов, а также их сочетание. Применение методов ферментации позволяет увеличить эффективность использования корма, улучшить его питательную ценность и снизить количество отходов, что приводит к повышению производительности отрасли и качества продукции. Подобная стратегией представляется достаточно выгодной с точки зрения ресурсосбережения в животноводстве. Однако перед выбором того или иного способа следует учитывать ряд факторов, включая энерго- и трудозатраты, степень разрушения биологически активных компонентов и рентабельность. При этом, несмотря на важность и повсеместное использование рассмотренных методов стоит отметить, что каждый год появляются и развиваются новые технологии, совершенствуя которые можно значительно повысить обеспеченность сельскохозяйственной отрасли кормовыми ресурсами при сохранении существующих темпов потребления растительного сырья.