Changes in the quality of fodder wheat grain during fermentation
Changes in the quality of fodder wheat grain during fermentation
Abstract
Adult animals digest about 60–70% of fodder nutrients. Cellulose, hemicellulose, and other polysaccharides are only partially digested in adult animals by enzymes produced by the microflora of the gastrointestinal tract. Phytases are nutritional enzymes that hydrolyse phytate and make bioavailable linked nutrients such as phosphorus, iron and zinc. Animals with single-chambered stomachs depend on phytase from the diet. Grains, including wheat, are exceptionally good natural sources of phytase, which becomes active when germinated and produces phytic acid, an anti-nutrient.
Fermentation of wheat grain is a complex biochemical process that also occurs during grain germination. The fermentation process is influenced by various factors that can both inhibit and accelerate the process. The presence of lactic acid bacteria accelerates fermentation, while they have a beneficial effect on feed digestibility.
In this paper, research was carried out to study the changes in phytase activity, hemicellulose content and lactic acid bacteria in wheat grains depending on the method of fermentation. The results showed that phytase activity, hemicellulose and lactic acid bacteria content were influenced by the method of fermentation. The decrease in phytase activity after lactofermentation of wheat was 317 units/kg, and the reduction of hemicellulose was 5.1%, while germination increased by 10 units/kg and 3.7%, respectively. The content of lactic acid bacteria in germination was 3.0*106, and in lactofermentation 2.4*104 CFU/g.
1. Введение
В настоящее время животноводам требуется более эффективное использование кормов, так как стоимость комбикормов растет. Сельскохозяйственные животные и птица усваивают примерно четверть рациона, так как в зерновых кормах содержатся сложные полисахариды, фитаты и другие вещества, которые их организмы не способны переваривать. Это приводит к снижению производства мяса или яиц и снижению эффективности корма, а также могут вызвать болезни животных.
Кормовые ферменты повышают эффективность производства мяса и яиц за счет улучшения переваримости питательных веществ и улучшения здоровья животных. Но в рамках кормопроизводства такое решение довольно дорогостоящее.
В последние 20 лет фитаза стала самой изучаемой среди кормовых ферментов. Из множества публикаций на долю фитазы приходится более половины. Это обусловлено тем, что её применение в практическом животноводстве чаще других ферментов сопровождалось положительным действием, в результате она оказалась наиболее востребованным ферментом . Целлюлоза, гемицеллюлоза, и другие полисахариды частично перевариваются только у взрослых животных ферментами, вырабатываемыми микрофлорой желудочно-кишечного тракта. Таким образом, чем больше в зерне фитазы и меньше гемицеллюлозы, тем больше увеличивается пищевая ценность зерна.
В связи с этим была поставлена цель — исследование динамики активности фитазы, содержания гемицеллюлозы и молочнокислых бактерий в зернах пшеницы в зависимости от способа их ферментации.
2. Методы и принципы исследования
Исследования проводились в течение 2023 г. сотрудниками Института животноводства и ветеринарной медицины ФГБОУ ВО Приморский ГАТУ. Для исследования были отобраны и подготовлены три образца пшеницы:
1) без ферментации;
2) проращивание в течение 24 часов;
3) лактоферментация (естественное брожение) — ферментация в течение 48 часов при температуре 25-27℃.
Подготовка образцов к ферментации заключалась в очищении зерна от примесей и промывании водой. Первый способ ферментации зерна — это проращивание зерен. Чтобы пшеница начала прорастать, в зерне необходим минимальный уровень влажности 35–45%. Для достижения необходимого уровня влажности зерна пшеницы замачивали водой на 8 часов. При этом вода проходит через микропиле в зерне пшеницы, где она достигает щитка зародыша, чтобы начать прорастать, и продолжает двигаться по зерну, накапливаясь среди семенной кожуры и околоплодника .
Второй способ ферментации заключался в том, что зерно замачивали водой при температуре 25–27℃ в течение 48 часов до появления приятного запаха хлебного кваса. Для сохранения питательных веществ и ферментов по окончании ферментации как при проращивании, так и при лактоферментации, зерно высушивалось при температуре 38-40℃ до нативного содержания влаги — 12–14%.
Показатели активность фитазы, содержание гемицеллюлозы и молочнокислых бактерий определяли в лабораториях ЛИЦ «Агроплем», г. Москва.
3. Результаты и обсуждение
Ферментация зерна злаковых культур может происходить под действием ферментов, содержащихся в клетках самого зерна, или под действием бактерий — лактобактерий, дрожжей и т.д. При смешивании с водой молочнокислые бактерии и дрожжи, естественным образом встречающиеся в различных кормовых ингредиентах, размножатся и производят молочную кислоту, уксусную кислоту и этанол, что снижает рН смеси. Это снижение подавляет развитие патогенных организмов в корме. Кроме того, когда скармливается эта смесь с низким рН, она предотвращает распространение патогенов, таких как колиформы и сальмонелла в желудочно-кишечном тракте , .
Проращивание зерна — сложный биохимический процесс и очень важно управлять процессом проращивания. Когда зерно попадает во влажные условия и идет в рост, в нем вырабатывается специальный фермент — фитаза — который расщепляет фитиновую кислоту, высвобождая фосфор. Большая часть этого вещества содержится в оболочках зерна. Фитиновая кислота является антинутриентом, будучи устойчивой к пищеварительным ферментам и сокам, она препятствует усвоению важнейших элементов: фосфора, кальция, магния, железа, меди, цинка. Гемицеллюлоза также является антипитательным веществом в кормах для птицы .
Как известно, фитазы широко распространены у микроорганизмов, растений и в определенных тканях животных. Где есть фитиновая кислота, есть обязательно и фитаза — фермент, который расщепляет ее. Единица активности фитазы — это количество фермента, который выделяет в свободном состоянии 1 мкМ неорганического фосфора за 1 мин из 5,1 мМ раствора фитата натрия при 37℃ и pH 5,5. Действие фитазы позволяет улучшить доступность фосфора, кальция, аминокислот, а также микроэлементов из солей фитиновой кислоты (фитата) , . Фитазная активность пшеницы по данным литературных источников в среднем составляет 1193 ед/кг (915–1581) , некоторые авторы сообщают о более низких значениях 508 (от 206 до 775) (Barrier-Guillot, 1994) и 700 ед/кг (Ponitillart, 1994) , . При этом значимым фактором, влияющим на этот показатель был сорт пшеницы .
Результаты наших лабораторных исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты исследований
Показатель | Способ ферментации | ||
без ферментации | проращивание | лактоферментация | |
Активность фитазы, ед/кг | 481 | 491 | 164 |
Гемицеллюлоза, % | 12,9 | 16,6 | 7,8 |
Молочнокислые бактерии, КОЕ/г | - | 3,0*106 | 2,4*104 |
Примечание: результаты представлены на натуральную влажность
Наибольшая активность фитазы оказалась в зерне после проращивания — 491 ед/кг, наименьшая — в зерне после лактоферментации — 164 ед/кг. Можно предположить, что такое снижение активности фитазы вызвано действием лактобактерий. Это согласуется и с рекомендациями исследователей, что один из лучших способов нейтрализовать действие фитиновой кислоты — это ферментация. Доказано, что в цельнозерновом хлебе на закваске, тесто для которого ферментировалось около 8 часов, практически не остаётся фитиновой кислоты, в то время как в дрожжевом ее остается от 40 до 80% , .
При этом, несмотря на более высокое содержание молочнокислых бактерий в пророщенном зерне по сравнению с зерном, прошедшим лактоферментацию, активность фитазы повысилась. Это согласуется с результатами исследований рядом авторов. Так, в сухом состоянии зерна злаковых культур имеют относительно низкие уровни активности фитазы, но активность фитазы существенно повышается во время проращивания. Установлено, что уровни активности ферментов варьируются в зависимости от условий проращивания. Повышение активности фитазы в 3–10 раз было обнаружено в пшенице при проращивании в течение 4–5 дней при температуре от 15 до 25℃. Однако после достижения максимума активность фитазы снижается относительно быстро. Такое же действие наблюдается и с содержанием гемицеллюлозы при проращивании. Результат наших исследований показал, что необходимо откорректировать условия проращивания пшеницы для активации фитазы и снижения гемицеллюлозы, так как контролируемое проращивание пшеницы (повышение/понижение температуры замачивании и/или проращивания, продолжительность проращивания) позволяет создать оптимальные условия для действия фитазы .
4. Заключение
По результатам проведенных исследований установлено, что на активность фитазы, содержания гемицеллюлозы и молочнокислых бактерий влияет способ ферментации. Учитывая, что активность фитазы проявляется при наличии фитиновой кислоты, наилучший результат оказался в зерне после лактоферментации, так как снижение активности фитазы составило 317 ед/кг, а уменьшение гемицеллюлозы на 5,1%, а при проращивании в течение 24 ч, наоборот, произошло увеличение на 10 ед/кг и 3,7%, соответственно. Повышение содержание гемицеллюлозы и активности фитазы в пророщенном зерне связано с естественным процессом прорастания зерна и в связи с этим необходимо откорректировать условия процесса проращивания для инактивации фитиновый кислоты и активизациии фитазы в проростках пшеницы. Как при проращивании, так и при лактоферментации проявилось развитие молочнокислых бактерий, и их содержание составило 3,0*106 и 2,4*104 КОЕ/г, соответственно.