Белки являются важнейшей составной частью живого вещества, без которого не мыслима жизнь. Можно без преувеличения сказать, что разгадка сущности жизни зависит, в первую очередь, от разрешения проблемы белка. Этим объясняется тот исключительный интерес, который проявляют в настоящее время к белкам.
Белки производятся только растениями или при участии некоторых микроорганизмов (грибков), и только из этих растительных белков или из продуктов их распада человек и животное строят белки своего тела. Это говорит об определенной зависимости животного мира от производства белка растениями.
Однако для успешного разрешения проблемы белка могут быть использованы и другие, не менее эффективные пути и приемы. В частности, для производства белка биологическим путем (в виде кормовых дрожжей) может быть использована растительная масса целого ряда растений, отличающихся высоким содержанием редуцирующих углеводов. Такими растениями являются: кукуруза, топинамбур, подсолнечник и др.
Выдвигая новые пути в разрешении кормовой проблемы путем биосинтеза, исследователи не собираются умалять значение тех источников белка, которые могут быть использованы в результате выявления и продвижения в культуру ряда новых высокобелковых растений.
Выбор высокобелковых растений, изучение приемов их агротехники и направленная селекционная работа с ними - все это будет способствовать успешному разрешению одной из важнейших задач растениеводства - увеличению производства растительного белка.
Различные растительные продукты, содержащие белок, могут быть использованы в качестве непосредственной пищи для людей или в корм различным видам сельскохозяйственных животных. До настоящего времени в большинстве районов страны при составлении кормовых рационов для скота все еще приходится испытывать большие трудности в отношении обеспечения этих рационов необходимым минимумом белка.
В связи с изложенным будет уместным дать краткое представление о биохимическом методе получения кормового белка через дрожжевое производство.
В качестве энергетического материала для дрожжевых грибков может быть при этом использована богатая легко гидролизуемыми углеводами вегетативная масса ряда культур. Наиболее пригодной для этих целей культурой является топинамбур.
О роли топинамбура в увеличении ресурсов кормового белка в виде кормовых дрожжей.
Дрожжевые грибки - это одноклеточные микроорганизмы, отличающиеся исключительной простотой своего строения. Одна клетка осуществляет здесь все функции живого организма. Она находится под непосредственным воздействием внешней среды и поэтому обладает способностью приспособления к меняющимся условиям. Кроме того, дрожжевые грибки обладают высокой биохимической активностью.
Дрожжевые грибки для своего развития нуждаются главным образом в легко гидролизуемых углеводах и отчасти в неорганических солях азота и фосфора. Из углеводов для непосредственного использования дрожжами пригодны лишь моносахариды и дисахариды. Как известно, в растительном мире углеводы представлены главным образом полисахаридами, однако в связи с разработкой технических приемов гидролиза полисахаридов открылись широкие возможности по использованию различного растительного сырья в дрожжевом производстве.
Известно множество видов и рас дрожжей, различающихся по своим морфологическим признакам; кроме того, различия могут иметь место также и в отношении проявления биохимических функций.
Направление биохимических процессов, развивающихся в результате жизнедеятельности дрожжевых грибков, теснейшим образом зависит от внешних условий. Так, например, при обильном доступе кислорода воздуха дрожжевые грибки усиленно развиваются, не образуя спирта, накапливают дрожжевую массу; при ограниченном же доступе воздуха этот процесс получает обратное направление.
При использовании биохимических функций дрожжей и образуемой их телами белковой массы, возник вопрос о подборе такой расы дрожжевого грибка, которая отличается неприхотливостью к питательной среде и способностью быстрого размножения. Такой способностью обладают, между прочим, так называемые дикие дрожжи из семейства Torulapsidaceae, а именно Torula utilis (Неnneberg) Lodder. Близкими к Torula utilis свойствами обладают общеизвестные пекарские дрожжи, пивные, или дрожжи спиртового брожения (Saccharomyces cerevisiae Hans). Указанные виды или расы дрожжевых грибков были использованы при экспериментальном сбраживании топинамбурного гидрализата, о чем подробнее будет сказано ниже.
Основным источником энергии для дрожжевых микроорганизмов являются углеводы, и при этом преимущественно монозы и диозы (глюкоза, фруктоза, лактоза и др.). Кроме углеводов, дрожжевые грибки нуждаются также в азоте и фосфоре. Азот может быть для этих целей использован как в органической, так и в минеральной форме. Практически чаще всего в качестве источника азота применяется азотнокислый аммоний, а в качестве источника фосфора - суперфосфат.
Как уже указывалось, дрожжевые грибки не способны усваивать полисахариды - клетчатку, инулин, крахмал. Для использования полисахаридов в дрожжевом производстве их необходимо предварительно подвергнуть гидролизу, превратив в монозы.
Свыше 100 лет тому назад был впервые осуществлен кислотный способ гидролиза целлюлозы. С тех пор сделано очень многое для усовершенствования этого способа, но все еще он обладает рядом недостатков, тормозящих широкое внедрение этого способа в производство.
Совершенно иначе обстоит дело с гидролизом таких полисахаридов, как крахмал и инулин. Как тот, так и другой являются легко гидролизуемыми полисахаридами. Для их гидролиза не требуется сложного оборудования и концентрированных минеральных кислот; поэтому соответственные промышленные предприятия могут быть приближены к месту производства сырья.
В качестве массово-доступного сырья для получения крахмала может быть использован картофель, а для получения инулина - топинамбур.
Топинамбур, как известно, по размерам урожая клубней не уступает картофелю, а по урожаю зеленой вегетативной массы в несколько раз превосходит урожаи ботвы картофеля. В отношении процентного содержания редуцирующих углеводов (преобладающая часть безазотистых экстрактивных веществ) химический состав клубней топинамбура близок к картофелю. В то же время и ботва топинамбура значительно богаче редуцирующими веществами, чем ботва картофеля.
Сравнительный химический состав клубней и ботвы топинамбура и картофеля:
Составные части |
Содержание (в % на сырой вес) |
|||
в клубнях |
в ботве |
|||
картофеля |
топинамбура |
картофеля |
топинамбура |
|
Вода |
75,4 |
79,0-80,4 |
77,0 |
67,7 |
Сырой протеин |
2,0 |
2,0-2,1 |
2,5 |
3,4 |
Сырой жир |
0,3 |
0,1-0,3 |
1,0 |
1,1 |
Клетчатка |
0,7 |
0,8-1,3 |
6,2 |
5,4 |
Зола |
0,9 |
1,0-1,5 |
3,1 |
5,0 |
Безазотистые экстрактивные вещества |
20,7 |
15,0-16,5 |
10,2 |
17,4 |
Содержание интересующих нас безазотистых экстрактивных веществ по расчету на абсолютно сухое вещество в среднем составляет:
В клубнях топинамбура = 82-85%
В ботве топинамбура = 54-58%
Большой интерес представляет сравнение относительного содержания редуцирующих веществ в вегетативной массе топинамбура и других культур, способных образовывать большую вегетативную массу.
Результаты исследования ряда культур показали, что содержание редуцирующих веществ в ботве топинамбура примерно в 3 раза выше, чем в вегетативной массе подсолнечника, и достигает очень внушительной величины - до 50% на сухую массу.
Гибриды топинамбура с подсолнечником по количеству редуцирующих веществ в ботве занимают среднее место между родительскими формами. Особенно богаты редуцирующими веществами клубни топинамбура и клубни гибридов топинамбура с подсолнечником (до 80% на сухой вес).
Вегетативная масса донника, амаранта или ботвы картофеля из-за низкого содержания редуцирующих веществ не представляет интереса в качестве сырья для гидролиза.
При изучении в лабораторных условиях общедоступных приемов гидролиза углеводного комплекса растительного сырья (картофеля, топинамбура и др.) был установлен следующий оптимальный режим технологического процесса. 1%-я серная кислота при температуре в 120° и при давлении в 2 атмосферы завершает процесс гидролиза в течение 90 мин.
Исследователями проводилась работа по экспериментальной проверке условий успешного сбраживания полученного гидролизата дрожжевыми грибками.
Был определен выход товарных дрожжей и выяснено их качество в зависимости от вида исходного сырья (ботва и клубни топинамбура или клубни картофеля) и технологических условий. Было установлено, что в отношении аминокислотного и витаминного состава дрожжи, полученные на гидролизате из клубней или ботвы топинамбура, не уступают дрожжам, полученным на картофельном гидролизате (из клубней картофеля). Близкие результаты были получены также в отношении процента выхода дрожжей и в отношении валового содержания белка в дрожжевой массе.
Выход товарных дрожжей на топинамбурном гидролизате составлял в среднем 160-170% к количеству израсходованных редуцирующих веществ, при среднем выходе редуцирующих веществ в количестве 117-147 кг из 1 т сырой массы клубней топинамбура. При средних урожаях топинамбура в размере 500-600 ц ботвы и 200-250 ц клубней с 1 га это обеспечивает возможность получения с 1 га топинамбура 19-20 т дрожжевого белка, далеко превзойдя то количество белка, которое может нам дать с такой же площади высокий урожай любой зерновой культуры.
Непосредственные расчеты показывают, что при использовании ботвы и клубней топинамбура в качестве сырья для производства кормовых дрожжей возможно получение с единицы площади (с 1 га) такого же количества кормового белка, какое может быть получено с 5-6 га овса или других зерновых культур.
Таким образом, можно считать вполне доказанной возможность высокопроизводительного использования как клубней, так и вегетативной массы топинамбура для производства ценного белково-витаминного продукта в виде кормовых дрожжей.
В заключение нужно отметить, что при практической постановке вопроса об использовании топинамбура в качестве сырья в дрожжевом производстве, большое значение имеет время уборки урожая.
В результате изучения динамики накопления в растительном организме пластических веществ было установлено, что наибольшее накопление легко гидролизуемых углеводов в ботве топинамбура происходит в продолжение сентября. В то же время, как уже известно, происходит наиболее интенсивное нарастание вегетативной массы и клубней. Следовательно, для получения высоких урожаев полноценной по качеству вегетативной массы уборку топинамбура для промышленной переработки следует производить в конце сентября или начале октября.