The nature of barley nutrients fermentation using exoenzymes

全文:

Введение.

Продукты животного происхождения играют очень важную роль в обеспечении здоровья человека, поэтому спрос на них только возрастает и для снабжения населения достаточным их количеством необходимо предпринимать меры по увеличению продуктивности сельскохозяйственных животных. Продуктивность животных зависит не от кормов, которые они потребляют, а от питательных веществ, поступающих в организм (Ravindran V and Jang HS, 2011).

Повышение питательной и энергетической ценности рациона за счёт скармливания зерновых является одним из наиболее распространённых решений в кормлении жвачных. Зерновые культуры являются наиболее важным источником энергии и протеина для увеличения продуктивности. В связи с этим наука о кормлении животных работает в соответствии с биотехнологией, и в отрасли кормопроизводства появляются новые технологии, позволяющие повысить питательность и перевариваемость корма для повышения его конверсии и образования меньшего количества навоза, а также улучшения состава кормов (Bissi L et al., 2018).

Комплексы фибролитических ферментов широко используются в кормлении сельскохозяйственных животных с целью снижения содержания в кормах токсичных веществ, повышения переваримости рационов и эффективности нутриентов за счёт их применения в приготовлении кормов или при использовании совместно с кормами (Hazare C et al., 2024). Почти все химические реакции в биологической клетке требуют ферментов, поскольку они избирательны в отношении различных субстратов, а набор ферментов, вырабатываемых в клетке, определяет, какие метаболические процессы происходят в этой клетке.

Ферментированные корма повышают усвояемость пищевых добавок, что приводит к улучшению состояния животных и увеличению продуктивности. Увеличивая усвояемость питательных веществ, использование ферментов приводит к большей эффективности производства продуктов животного происхождения. Помимо повышения питательной ценности, ферментация кормов оказывает положительное воздействие на окружающую среду, позволяя экономить природные ресурсы и снижать загрязнение отходами производств (Агафонова Е.А. и др., 2023).

Цель исследования.

Изучить свойства фибролитических ферментных препаратов на изменение химического состава зерновых кормов.

Материалы и методы исследования.

Объект исследования. В качестве ферментного препарата использовали альфа-Амилазу грибную (Амилоризин) – фермент полученный на основе штамма Aspergillus оryzae. Расщепляет молекулы доступного крахмала с образованием мальтодекстринов, олигосахаридов и мальтозы. Ферментная активность: 2 500 Ед/г (БИОПРЕПАРАТ, г. Воронеж, Россия).

В исследовании использовали различные сорта ячменя, культивируемые в нашем центре, с различным содержанием питательных веществ (табл. 1). Ферментный препарат использовали в дозах 25 и 50 мг/кг растительного сырья.

 

Таблица 1. Химический состав зерна ячменя, %

Table 1. Chemical composition of barley grain, %

Наименование показателей / Name of indicators	Сорт/ Variety
	1 Анна /Anna	2 Губернаторский / Gubernatorial	3 Лида / Lida	4 Миар / Miar	5 Натали Natalie
Массовая доля сырого протеина / Mass fraction of crude protein	14,82	14,82	14,42	14,99	14,42
Массовая доля сухого вещества / Mass fraction of dry matter	91,0	89,3	88,7	87,3	89,6
Массовая доля влаги / Mass fraction of moisture	9,0	10,7	11,3	12,7	10,4
Массовая доля сырой клетчатки / Mass fraction of crude fiber	11,2	10,0	10,3	7,7	8,6
Массовая доля сырой золы / Mass fraction of crude ash	2,7	2,0	2,4	2,6	2,8
Массовая доля сырого жира / Mass fraction of crude fat	0,3	0,8	0,5	0,9	0,98
Массовая доля сахара / Mass fraction of sugar	4,08	3,73	3,58	3,45	3,48
Массовая доля крахмала / Mass fraction of starch	9,15	10,82	9,38	11,16	9,71

 

Зерно ячменя развешивали по 200 г в герметичные пластиковые контейнеры, вносили нужный объём ферментного препарата и помещали в термостат для инкубирования при температуре +39 ℃ на 24 часа. Учёт деградации питательных веществ ячменя проводили через 3, 6, 9, 12 и 24 часа.

В растительных субстратах определяли массовую долю сухого вещества (ГОСТ 31640-2012), сырого протеина (ГОСТ 13496.4-2019), массовую долю сырого жира (ГОСТ 13496.15-2016), массовую долю сырой клетчатки (ГОСТ 31675-2012), массовую долю сырой золы (ГОСТ 26226-95).

Исследования переваримости сухого вещества (СВ) ячменя проводили методом in vitro с использованием инкубатора «ANKOM DaisyII» (модификации D200 и D200I) по специализированной методике (Шейда Е.В., 2022).

Оборудование и технические средства. Исследования выполнены с использованием приборной базы ЦКП БСТ РАН (г. Оренбург) (http://цкп-бст.рф). Для ферментации ячменя использовали термостат суховоздушный ТС-1/80 СПУ мод. 1001 (80 л, камера из нержавеющей стали, вентилятор, освещение) (Смоленское СКТБ СПУ, Россия). Определение жира в опытных образцах проводили методом Сокслета-Рэндалла, клетчатки при помощи экстрактора VELP Scientifica (Италия). Переваримость определяли в искусственном рубце “ANKOM Daisy II” модификации D200 и D200I (США).

Результаты исследования.

По содержания сырого протеина сорта ячменя имеют не слишком большой разброс, так, максимальное содержания протеина наблюдается у 4-го сорта – 14,99 %, это больше чем в других на 0,17-0,57 % соответственно. По массовой доле содержания сухого вещества максимальное значение зафиксировано в 1-м сорте – 91,0 %, он превышает остальные сорта на 1,4-3,7 % соответственно. В ходе исследования было установлено, что большей способностью к накоплению клетчатки обладает 1-й сорт, он превышает другие сорта по содержанию клетчатки на 0,9-3,5 %. По содержанию концентрации 25 мг/кг массовая доля жира стабильно увеличивалась до 9 часов ферментации 1,69 %, жира наибольшее значение наблюдается в 5-м сорте – 0,98 %, данный показатель больше остальных сортов на 0,08-0,68 %. Помимо этого, в данном сорте больше всего содержится и золы – 2,8 %, этот показатель выше остальных сортов на 0,1-0,8 %. Самое большое содержания сахара наблюдается в 1-м сорте – 4,08 %, этот показатель больше остальных сортов на 0,35-0,63 % соответственно. Было установлено, что крахмала лучше всего накапливается в 4-м сорте – 11,16 %, данный показатель в данном сорте был выше остальных сортов на 0,34-2,01 % (табл. 1).

В ходе проведения исследования было установлено, что при использовании амилоризина в но при дальнейшей ферментации в 12 часов показатель снизился до 1,65% и в дальнейшем не менялся. В свою очередь массовая доля растворимых углеводов стабильно уменьшалась с 3,81 до 3,08 %. Аналогичная ситуация сложилась и с легкогидролизуемых углеводов, показатель снизился с 35,78 до 24,93 %. Это показывает усвояемости данных углеводов при ферментации данного компонента. В зерне содержание протеина на 9 час ферментации увеличилось с 13,13 до 14,19 %, но в дальнейшем доля протеина вернулась к изначальным показателям. По сухому веществу наблюдается снижение, так, изначальная доля в 98,9 % снизилась до 92,8 %. Массовая доля сырой клетчатки не менялась вплоть до 9 часов ферментации, но в дальнейшем содержание клетчатки увеличилось и максимальное значение было зафиксировано в 12 часов ферментации – 6,5 %. Массовая доля золы незначительно варьировалась от изначальных, так, максимальное значение было зафиксировано в 3 часа – 2,6 % а минимальное в 6 и 12 часов – 2,4 % (табл. 2).

 

Таблица 2. Химический состав зерна ячменя при обработке ферментом амилоризин в дозировке 25 мг на 1 кг

Table 2. Chemical composition of barley grain when treated with the enzyme amilorizine at a dosage of 25 mg per 1 kg

Наименование показателей/ Name of indicators	Ед. изм./ Unit	Время ферментации, ч / Fermentation time, h
		3	6	9	12	24
Массовая доля жира/ Mass fraction of fat	%	1,25	1,5	1,69	1,65	1,65
Массовая доля растворимых углеводов/ Mass fraction of soluble carbohydrates	%	3,81	3,42	3,42	3,16	3,08
Массовая доля легкогидролизуемых углеводов/ Mass fraction of easily hydrolyzable carbohydrates	%	35,78	31,0	29,56	20,23	24,93
Массовая доля протеина/ Mass fraction of protein	%	13,13	13,25	14,19	12,56	13,13
Массовая доля сухого вещества/ Mass fraction of dry matter	%	98,9	97,3	97,8	91,9	92,8
Массовая доля сырой клетчатки/ Mass fraction of crude fiber	%	6,1	6,1	6,1	6,5	6,4
Массовая доля сырой золы/ Mass fraction of crude ash	%	2,6	2,4	2,5	2,4	2,5

 

При ферментации ячменя с включением амилоризина в концентрации 50 мг на кг наблюдалось увеличение массовой доли жира с 1,65 % до 2,3 % в 9 часов, но в дальнейшим показатель снизился до 1,6 %, минимальное значение было зафиксировано в 12 часов и составило 1,5 %. Доля растворимых углеводы снижалась за все время ферментации с 3,7 до 2,97 %. В свою очередь доля легкогидролизуемых углеводов незначительно повысилась в 6 часов ферментации до 34,9 %, но в дальнейшем данный показатель снизился до 24,9 %. Это показывает положительное влияние фермента на усвояемость углеводов. Содержание протеина за всё время ферментации снижалось с 16 до 12,88 %. Сухое вещество за всё время ферментации снизилось с 97,1 до 91,2 %, показатель сырой клетчатки варьировался незначительно с 6,2 до 5,9 % вплоть до 12 часов ферментации и снизился в 24 часа до 5,5 %. Массовая доля сырой золы незначительно изменялась за все время ферментации, данный показатель снизился с 2,6 до 2,4 %, а минимальное значение было зафиксировано в 6 и 12 часов и составляло 2,3 % (рис. 1).

 

Рисунок 1. Химический состав зерна ячменя при обработке ферментом амилоризин в дозировке 50 мг на 1 кг в течение 24 часов

Figure 1. Chemical composition of barley grain when treated with the enzyme amilorizine at a dosage of 50 mg per 1 kg for 24 hours

 

Изучение переваримости СВ ячменя после ферментации показало, что без обработки кормовой субстрат после 48-часовой инкубации способствовал переваримости сухого вещества на 63,5 %. Обработка ферментом амилоризином увеличивала переваримость СВ ячменя на 6,8 % при использовании фермента в концентрации 25 мг/кг и на 5,4 % – при использовании в концентрации 50 мг/кг (рис. 2).

 

Рисунок 2. Степень переваримости сухого вещества ячменя методом in vitro, %

Figure 2. Degree of digestibility of dry matter of barley by in vitro method, %

 

Обсуждение полученных результатов.

До недавнего времени к использованию экзогенных ферментов в кормлении животных, особенно полигастричных, относились со значительным скептицизмом. Недавние исследования показали, что ферментные препараты могут быть весьма эффективными в приготовлении кормов и повышении эффективности использования питательных компонентов рационов сельскохозяйственными животными. Имеется достаточно доказательств весьма значимых взаимодействий фермента с кормом. Кроме того, уровень фермента имеет решающее значение для получения положительного эффекта. Разработка новых ферментных препаратов, предназначенных для животных и для определённых видов кормов повысит потенциальную рентабельность использования этих ферментных продуктов.

Действие экзогенных ферментов максимизируется при нанесении их водного раствора на сухой корм. В нашей лаборатории мы наблюдали, что при нанесении фермента на сухой корм создаётся стабильный комплекс фермент-корм, который повышает эффективность фермента. Этот стабильный комплекс образуется быстро (в течение нескольких часов), и после стабилизации на сухом корме ферменты остаются стабильными и эффективными достаточно длительное время.

Ферменты можно применять при производстве кормов, но необходимо следить за тем, чтобы температура, используемая во время обработки, находилась в пределах допустимого диапазона для конкретного используемого ферментного препарата (Ali AMM et al., 2022).

Feng P с коллегами (1992) наносили раствор фермента непосредственно на траву и не наблюдали эффекта при добавлении к свежему или увядшему сену, но при применении к высушенной траве ферменты повышали усвояемость СВ и клетчатки. Когда мы обрабатывали фибролитическим ферментным препаратом зерно ячменя в концентрации 25 и 50 мг/кг кормового субстрата, мы отметили увеличение переваримости СВ на 5,4-6,8 %.

Treacher R с соавторами (1997) также сообщили, что эффекты добавления ферментов в рационы для силосования ячменя были переменными. Препарат фибролитических ферментов ежедневно распыляли на силосную часть (60 % от суточной нормы) рациона, состоящего из ячменного силоса и перловки. Ферментативные добавки увеличивали переваримость СВ при самом высоком уровне включения, однако когда тот же ферментный препарат включали в количестве 15 % от суточной нормы рациона, не наблюдалось никакого влияния на переваримость СВ и клетчатки (Beauchemin KA et al., 1995). Авторы предположили, что чем выше концентрация фермента при обработке кормового субстрата, тем выше эффективность использования питательных веществ. Однако в нашем исследовании данная тенденция не отмечалась, использование фермента в более низкой концентрации способствовало лучшей переваримости СВ на 1,4 %.

Прямое внесение ферментов в рубец приносит меньше пользы, чем ферментация кормов перед кормлением. Авторы (Treacher R et al., 1997) сравнили эффекты распыления фермента на корм с добавлением фермента непосредственно в рубец через фистулу. Переваримость СВ и клетчатки была выше при добавлении ферментированного корма. Фактически, прямое добавление в рубец может снизить переваримость СВ. Это означает, что, по крайней мере, для определённых ферментных смесей использование прямого скармливания ферментного препарата, который предварительно не был стабилизирован в корме, принесёт мало пользы или вообще не принесёт. Хотя внесение водного раствора ферментов непосредственно в корм усиливает связывание фермента с субстратом, нельзя полностью исключать возможность получения благоприятного эффекта при прямом введении ферментов, поскольку в некоторых исследованиях сообщалось о положительном эффекте введения ферментов в рацион животных (Schoonmaker J, 2015; He ZX et al., 2015).

Заключение.

Использование фибролитического фермента при ферментации зернового субстрата способствует разложению сырой клетчатки ячменя до 6 %, увеличению содержания жира и улучшению переваримости сухого вещества на 5,4-6,8 % в системе «искусственный рубец». Кроме того, существует взаимосвязь между источником корма и типом фермента. Необходимы дальнейшие исследования для чёткого выяснения важных факторов, которые следует учитывать для уменьшения вариабельности, связанной с использованием ферментов в рационах жвачных животных.

作者简介

Yuri Sechnev

Federal Research Centre of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: y.sechnev@outlook.com
ORCID iD: 0009-0009-5920-1185

postgraduate student of the Department of feeding of agricultural animals and feed Technology named after S.G. Leushin

俄罗斯联邦, 29 9 Yanvarya St., Orenburg, 460000

Elena Sheida

Federal Research Centre of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences

Email: elena-shejjda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2586-613X

Dr. Sci. (Biology), Researcher at the Laboratory of Biological Tests and Examinations

俄罗斯联邦, 29 9 Yanvarya St., Orenburg, 460000

Olga Kvan

Federal Research Centre of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences

Email: kwan111@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0561-7002

Cand. Sci. (Biology), Acting Head of the Department of Animal Feeding and Feed Technology named after S.G. Leushin

俄罗斯联邦, 29 9 Yanvarya St., Orenburg, 460000

Yaroslav Sizentsov

Federal Research Centre of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences

Email: yasizen@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1871-0225

post-graduate student, Junior Research Associate of the Department of Animal Feeding and Feed Technology named after S.G. Leushin

俄罗斯联邦, 29 9 Yanvarya St., Orenburg, 460000

参考

补充文件