Способ получения белковой кормовой добавки из кератинсодержащего сырья

Способ получения белковой кормовой добавки из кератинсодержащего сырья

Реферат

Изобретение относится к кормопроизводству и может быть использовано на предприятиях по переработке непищевых отходов продуктов животноводства.

В качестве источника белка для кормления птицы и сельскохозяйственных животных используют отходы кератинсодержащего сырья, например отходы птицеперерабатывающей промышленности, отходы потрошения птицы: перо, пух, кровь, головы, крылья, потроха и т.д.

Среди отходов потрошения птицы практически 50% белков содержится в перопуховом сырье. Основной белок пера - кератин. Помимо пера птиц кератин содержится в рогокопытном сырье сельскохозяйственных животных.

Кератин отличается высокой устойчивостью к воздействию различных реагентов - воде, эфирам, спирту, растворам солей, слабым кислотам, к воздействию света, нагреванию, не расщепляется ферментами пищеварительных соков человека, животных и птицы, практически не усвояем, поэтому способы переработки кератинсодержащего сырья направлены на то, чтобы перевести кератин из неусвояемой в усвояемою форму.

Используемые приемы переработки кератинсодержащего сырья подразделяются:

гидротермическая обработка,

кислотный, щелочной и ферментный гидролизы.

Известны гидротермические способы обработки кератинсодержащего сырья. При этом учитывается тот факт, что гидролиз кератина в водной среде наиболее эффективен при температуре свыше 150°С (1).

Известен способ обработки перопухового сырья при температуре 185°С в специальных аппаратах высокого давления (0,8-1,0 мПа) до полного растворения (2).

Это закрытые аппараты периодического действия, очень дороги и относятся к котлнадзорному оборудованию. Они не нашли широкого практического применения.

Известен способ переработки кератинсодержащего сырья на корм животным, включающий гидролиз сырья путем водно-тепловой обработки. Перед гидролизом сырье измельчают, гидролиз проводят при температуре 120-140°С в течение 20-40 минут, с последующим экструдированием при давлении 4,0-5,0 мПа в течение 15-30 секунд (3).

Недостатком этих способов является возможность проведения экструзии при влажности сырья не выше 35%, большой расход пара температурной обработки, длительность, в процессе которой теряется биологическая ценность полученного продукта. Кроме того, этот процесс является длительным, т.к. для каждого вида обработки сырья требуется дополнительное время, продолжительность обработки (от 6 до 12 часов) приводит к тепловой денатурации белка, разрушению аминокислот и образованию циклопентидов, которые недоступны воздействию ферментов желудочно-кишечного тракта животных и птицы.

Известен способ производства мясной муки, включающий чередование циклов механического сжатия сырья с одновременным измельчением и тепловой обработкой сырья и вакуумирования (4).

Однако этим способом невозможно получить кормовой продукт из пера, т.к. отсутствует механизм тонкого измельчения пера.

Наиболее близким способом обработки пера является способ, при котором измельченное перо подвергают влаготепловой обработке при температуре 180-240°С в течение 2-10 минут с быстрым переводом в атмосферу с низким давлением.

При этом происходит гидротермический гидролиз пера и его стерилизация (5).

Однако этот способ также имеет недостатки, в частности требуется использование дорогостоящего оборудования и значительные энергетические затраты.

Задачей изобретения является упрощение технологического процесса, снижение затрат, улучшение качества белковой добавки, исключение использования дополнительных химических реагентов.

Эта задача решается тем, что в способе получения кормовой добавки из кератинсодержащего сырья, предусматривающий нагрев, стерилизацию и сушку, используют сырье исходной влажности 35-95%, далее осуществляют уплотнение и нагрев в канале смесителя-измельчителя при непрерывной подаче, при давлении 0,4-10,0 мПа и температуре сырья 60-120°С с последующей гидротермической обработкой сырья при температуре 150-250°С в течение 5-300 секунд с одновременным тонким измельчением и истиранием, затем переработанное сырье выводят в зону атмосферного давления, причем процесс тонкого измельчения и водный гидролиз кератина совмещены и проходят в тонком слое до 20 миллиметров.

Влажное перо после отделения избытка воды, необходимой для транспортировки пера из убойного цеха, с помощью сетчатого сепаратора (влажность пера около 50%), подается в приемный бункер в разных направлениях шнеками.

Захваченное шнеками перо подается в канал, имеющий форму, образованную двумя или более пересекающимися параллельными цилиндрами.

Стенки канала обогреваются теплоносителем. Вода, находящаяся в пере, вскипает в пристеночном слое. Пар мгновенно пронизывает всю толщу пера, конденсируется в глубине перьевой массы, и, таким образом, передает тепло в глубину за счет передачи скрытой теплоты парообразования. Конденсат вновь попадает на стенку и снова испаряется.

Одновременно с нагревом шнеки истирают перо, измельчают его и постепенно уплотняют. При нагреве пера существенно снижается его механическая прочность и упрощается его измельчение.

Уплотнение пера осуществляется изменением (уменьшением) производительности шнеков. Для получения надежной пробки в канале необходимо уменьшить производительность шнеков по сравнению с производительностью в бункере в 6-8 раз.

Кроме того, в зоне максимального поджатия на валы устанавливаются шнеки с обратным направлением витка, т.е. работающим в обратном направлении.

Место в канале, где получается максимальное уплотнение пера, определяется таким образом, чтобы температура пера в этом месте не превышала 60-120°С.

После получения пробки происходит увеличение температуры пера, его измельчение, дальнейшее повышение давления. Кроме того, шнеки выполняют транспортную функцию - перемещают перо (сырье) внутри канала, при заданных параметрах - температура 150-250°С, давление от 0.4 мПа до 10.0 мПа. До выхода из канала сырье должно находиться в канале с заданными параметрами не менее 5-300 секунд - это время наиболее полного протекания реакции гидролиза пера. При уменьшении или увеличении параметров температуры, давления и временных параметров технический результат не достигается.

Для улучшения прогрева пера шнек в последней секции установки выполнен с полыми витками, по которым протекает разогретый теплоноситель.

Наличие в установке 3-х секций позволяет разделить функции, упростить конструкцию и технологии изготовления.

1-я секция - захватывающий бункер со шнеками, осуществляющими предварительное измельчение с предварительным нагревом.

2-я секция - дальнейший нагрев, уплотнение до получения надежной пробки и более тщательное измельчение пера.

3-я - измельчение пера, его нагрев и выдержка заданной продолжительности высокотемпературного водного гидролиза.

Все три секции выполнены в виде схожих каналов, имеющих форму, образованную двумя или более пересекающимися параллельными цилиндрами, в которых вращаются шнеки. В первой секции вращение в разные стороны, во второй и третьей - в одном направлении.

В конце 3-ей секции расположен клапан - устройство, позволяющее вывести из зоны высокого давления и температуры переработанное перо в приемную емкость с атмосферным давлением. Это устройство представляет собой объемный насос и препятствует объемному вскипанию жидкости в канале и снижению температуры.

После процесса обработки получают рассыпчатую мелкоизмельченную фракцию (порошок), которую можно использовать для кормления птицы и других видов животных без дополнительного подсушивания.

Без использования одновременного нагрева сырья мощность на измельчение составляла 90 кВт. При установке обогревательных рубашек рабочей зоны и нагреве сырья до температуры 100°С процесс измельчения протекал при потребляемой мощности 7 кВт, а при нагреве сырья до температуры 180°С потребляемая мощность двигателя уменьшилась в 13-15 раз.

В таблице 1 приведены результаты стерилизующего эффекта.

Таблица 1Динамика общей обсемененности технических отходов потрошения птицы при разных режимах обработки
№ п/п	Наименование сырья, продолжительность нагрева, сек	Общая обсемененность, 1·106 KOE/г
Температура, °С
100	110	120	130	140	150	160
	Перо-пуховые отходы
	0			17300
	10	11500	5300	910	6,3	0,3	0,1	0,01
	20	6800	1150	0,1	0,05	0,01	0,001	0,001
	30	780	210	0,03	0,01	0,001	-	-
	40	3,5	1,7	0,01	0,001	-	-	-
110	Наименование сырья, продолжительность нагрева, сек	Общая обсемененность, 1·106 КОЕ/г
Температура, °С
100		120	130	140	150	160
	50	0,9	0,1	-	-	-	-	-
	60	0,1	0,01	-	-	-	-	-

Как видно из представленных в таблице данных, промышленная стерильность отходов потрошения птицы достигается при температурах 140-160°С через 10-20 секунд нагрева.

Кратковременная обработка при температуре 150-180°С не ухудшает качество жира и обеспечивает максимальную сохранность незаменимых аминокислот. Наиболее чувствителен к температурной обработке лизин.

Поэтому в качестве теста термоустойчивости белков отходов потрошения при кратковременной высокотемпературной обработке выбран показатель содержания доступного лизина.

В таблице 2 представлены результаты исследований по влиянию продолжительности высокотемпературного нагрева (160-180°С) на содержание доступного лизина в пастообразной пульпе из пера.

Таблица 2Содержание доступного лизина в зависимости от продолжительности высокотемпературного нагрева
№ п/п	Наименование образца	Продолжительность нагрева, сек	Содержание доступного лизина, %
1	Образец пера №1	0	100
2	Образец пера №2	180	80.0
3	Образец пера №3	300	63.8
4	Образец пера №4	420	42.2
5	Образец пера №5	1200	36.8

По литературным данным сокращение продолжительности нагрева менее 5 минут повышает содержание доступного лизина до 80% от исходного.

В таблице 3 представлены результаты исследований переваримости конечного продукта в зависимости от температуры нагрева.

Таблица 3Зависимость переваримости конечного продукта от температуры нагрева
№ п/п	Наименование образца	Температура нагрева, °С	Переваримость, "in vitro", %
1	Образец пера №1	130	23.1
2	Образец пера №2	150	35.5
3	Образец пера №3	170	73.8
4	Образец пера №4	190	80.2
5	Образец пера №5	210	80.8

В таблице 4 представлены результаты исследований по давлению пара в рабочей зоне.

Таблица 4Зависимость переваримости конечного продукта от давления в рабочей зоне
№ п/п	Наименование образца	Давление пара в рабочей зоне, мПа	Переваримость "in vitro", %
1	Образец пера №1	0.3	23.1
2	Образец пера №2	0.5	62.2
3	Образец пера №3	0.7	73.8
4	Образец пера №4	1.0	79.0
5	Образец пера №5	1.6	80.3
6	Образец пера №6	3.0	81.1

Оптимальные показатели перового продукта в результате гидротермической обработки (переваримость "in vitro" 80.3%) получены при температуре нагрева 180°С, давлении 1.6 мПа и продолжительности обработки 90 секунд.

Дальнейшие исследования проводились с указанным выше образцом.

Результаты исследований по молекулярно-массовому распределению показали, что при кратковременной высокотемпературной обработке белковые соединения затронуты гидролизными процессами значительно глубже, чем при гидротермической обработке по общепринятой технологии.

В качестве контроля взяты образцы кормовой муки и муки из гидролизованного пера, выработанных по традиционной технологии.

Результаты представлены на чертеже.

1) Мука кормовая по ГОСТ 17536-82

2) Белковая добавка из технических отходов

3) Мука из гидролизованного пера по ГОСТ 17537-82

4) Белковая добавка из пера, полученная способом, который заявляется нами в качестве изобретения.

Полученные данные коррелируют с результатами биологической оценки и результатами, опубликованными американскими фирмами "Wenger" и "Insta Pro".

После кратковременной высокотемпературной обработки пера рекомендуется проводить дополнительную ферментативную обработку. При этом усвояемость белковой добавки из пера возрастает до 92-96%.

Проведены исследования по определению относительной биологической ценности микробиологическим методом.

Таблица 5Относительная биологическая ценность (ОБЦ) кормовых продуктов из пера (микробиологический метод)
№ п/п	Наименование образцов	Перевариваемость, in vitro, %	Кол-во инфузорий, в 1 мл·104	ОБЦ, % к казеину
1	Казеин (контроль)	-	27,0	-
2	Мука из пера по ГОСТ 17536-82	28,0	12,8	46,3
3	Белковая добавка из пера (опыт)	80,5	24,8	92,0

Результаты, полученные в исследованиях с тетрахименой пириформис, показали, что относительная биологическая ценность (ОБЦ) белковой добавки их пера (опыт) в два раза выше, чем из традиционной муки по ГОСТ 17536-82.

Проведены исследования по определению биологической ценности кормовых белковых добавок на растущих крысах (таблица 6).

Крысам контрольных групп скармливали муку из гидролизованного пера (группа №4), выработанных по традиционной технологии.

Крысам опытных групп скармливали белковую добавку из пера (группа №5), выработанных на основе кратковременной высокотемпературной обработки (HTST).

Таблица 6Биологическая ценность кормовых продуктов из технических отходов после кратковременной высокотемпературной обработки (на растущих крысах)
Наименование групп по продукту	Потреблено, г/гол	Прирост, г	NPR	NPU, %
корма	белка
Казеин	97,01	11,58	38,66	3,62	59,38
Мука из пера по ГОСТ	53,08	5,59	4,86	1,45	25,76
17536 (контроль)
Белковая добавка из пера	63,87	7,30	17,16	2,80	46,73
HTST*(опыт)

Коэффициент эффективности белка (NPR) и процент чистого использования белка (NPU) белковой добавки из пера в опытной группе составили 2,80 и 46,73%. В контрольной группе - 1,45 и 25,76%.

Полученные результаты показали, что кратковременная высокотемпературная обработка позволяет получать кормовые продукты из отходов потрошения птицы по биологической ценности почти в 2 раза (NPR и NPU) выше, чем по традиционной технологии.

В таблице 7 приведены результаты по скармливанию белковой добавки бройлерам.

Таблица 7Зоотехнические показатели по использованию кормовых продуктов из пера
№ п/п	Наименование показателей	Контрольная группа	Опытная группа 1 (сухая добавка)	Опытная группа 2 (пастообразная добавка)
1	Живая масса в суточном возрасте, г	41.5	41.6	41.7
2	Живая масса в возрасте 49 дней, г	2117	2243	2160
3	Среднесуточные привесы, г	42.3	44.9	44.9
4	Расход корма на 1 кг прироста живой массы, кг	2.43	2.31	2.17
5	Расход корма на 1 голову, кг	5.04	5.08	4.77
6	Расход рыбной муки на 1 голову за период откорма, г	231.7	57.6	75.6
7	Расход мясокостной муки на 1 голову за период откорма, г	133.9	-	-
8	Расход белковой добавки из пера на 1 голову за период откорма, г	-	172.4	236.3
9	Экономия рыбной муки на 1 голову за период откорма, г		174.1	156.1
10	Экономия мясокостной муки на 1 голову за период откорма, г		133.9	133.9
11	Снижение себестоимости 1 т мяса за счет сэкономленной рыбной и мясокостной муки, доллары США		90.0	82.8
12	Дополнительное производство мяса при скармливании 1 т сухой белковой добавки из пера, кг		438.0	695.0
13	Возможность замены рыбной муки при скармливании 1 т белковой добавки из пера, т		1.0	0.7

Реализация процесса позволит:

- повысить использование внутренних резервов птицефабрик (за счет повышения усвояемости белка в 2 раза);

- вовлечь в сферу кормления кератин пера;

- сократить потребность в рыбной муке;

- повысить санитарное благополучие кормов животного происхождения;

- сократить продолжительность процесса и снизить затраты энергии;

- повысить экологическую безопасность цехов по утилизации отходов потрошения птицы.

Источники информации

1. Вестник сельскохозяйственной науки, 1980, №12, стр.119-121.

2. FZ 2241257, (Rybak Boris), 21.03.75.

3. SU 1757580 A1, 30.08.1992.

4. SU 627810 A, 15.10.78 (УНИИ птицеводства и др.).

5. US 4203892, 20.05.80.

Способ получения кормовой добавки из кератинсодержащего сырья, включающий нагрев и измельчение исходного сырья, его стерилизацию и сушку, отличающийся тем, что используют сырье исходной влажности 35-95%, при этом сырье непрерывно подают в канал смесителя-измельчителя, где осуществляют уплотнение путем уменьшения производительности шнеков в 6-8 раз и нагрев при давлении 0,4-10,0 мПа и температуре сырья 60-120°С с последующей гидротермической обработкой сырья при температуре 150-250°С в течение 5-300 с с одновременным тонким измельчением и истиранием, при этом процесс тонкого измельчения и водный гидролиз кератина осуществляют в тонком слое до 20 мм, затем переработанное сырье выводят в зону атмосферного давления.