Стимуляторы ферментации

2. Стимуляторы ферментации.

Добавки, которые активно стимулируют ферментационные процессы в силосе, используются уже много лет. Добавление патоки, как оказалось, увеличивает и содержание сухих веществ, и концентрацию молочной кислоты, с последующим уменьшением рН и ингибированием роста вредных микроорганизмов, однако этот уровень рН еще позволяет расти молочнокислым бактериям. Добавка патоки к культурам с низким содержанием ВРУ, таким как бобовые, была только тогда полезна, когда применялись относительно высокие дозы (около 40-50 г/кг и более). При таких дозах не все доступные углеводы превращаются в молочную кислоту лактобациллами, обычно присутствующими в силосе, и к концу ферментации сохранится довольно высокий остаточный уровень ВРУ. [1].

Последняя группа промышленных стимуляторов ферментации - это вещества, включающие молочнокислые бактерии и/или ферменты, известные в совокупности как микробные или биологические силосные добавки.

В таблице 3 представлены некоторые бактериальные закваски для силосования, которые разрабатывались в Институте микробиологии и вирусологии Казахстана. [7].

Бактериальные закваски для силосования. Таблица 3

4. Роль молочнокислых бактерий в силосных добавках.

Качество естественной ферментации силоса сильно зависит от числа и типа молочнокислых бактерий, присутствующих в фураже во время закладки силоса. Из четырех родов молочнокислых бактерий, связанных с силосом (Lactobacillus, Pediococcus, Streptococcus, Leuconostoc), со временем в силосной микрофлоре начинают доминировать Lactobacillaceae. На ранних стадиях, когда установился анаэробиоз, кокки быстро размножаются благодаря их норме реакции на кислотность (рН 6.5-5.0 с оптимумом 5.5), хотя некоторые педиококки могут выживать при рН 4.0 из-за их более высокой толерантности к кислоте. [1]. Когда рН падает ниже 5.5 начинают преобладать лактобациллы, и это положение сохраняется на протяжении всего периода консервации. Обнаружено, что процесс силосования начинается гомоферментативными лактобациллами, такими как Lactobacillus plantarum и L. curvatus, а к концу 75-95% лактобацилл представлены гетероферментативными видами, преимущественно L. buchneri и L. brevis. Это объясняется тем, что гетероферментативные лактобациллы более устойчивы к уксусной кислоте, которую они также производят. Показано также, что может иметь место сдвиг от чисто молочнокислого к смешанному брожению, включающему реферментацию молочной кислоты под действием некоторых гомоферментативных бактерий вследствие нехватки субстрата. [12].

В районах с умеренным климатом, где содержание сахара в фураже может быть низким, потребность молочнокислых бактерий в ВРУ силоса может опережать их поступление, и тогда может произойти изменение в схеме ферментации в сторону доминирования гетероферментативных молочнокислых бактерий. Значимость этих естественных схем ферментации иллюстрируется следующими реакциями Lactobacillus spp.. [12].

Реакции гомоферментативных молочнокислых бактерий:

глюкоза, фруктоза а 2 молочная кислота,

арабиноза, ксилоза а молочная кислота + уксусная кислота.

Потери сухого вещества не происходит. Потери энергии незначительно.

Реакции гетероферментативных молочнокислых бактерий:

глюкоза а молочная кислота + этанол + СО₂

Потери сухого вещества 20%, энергии 1,7%.

Рост гетероферментативных Lactobacillus spp. в силосе ведет к образованию этанола и диоксида углерода с последующей потерей СВ и энергии.

Селекция штаммов при разработке силосных добавок.

Выбранные виды молочнокислых бактерий с целью включения их в силосные добавки должны:

Быстро расти и быть способными к быстрому доминированию над местной силосной микрофлорой;

Быть гомоферментативными и, таким образом, производить молочную кислоту из доступных ВРУ;

Быть устойчивыми к кислоте, по крайней мере, при рН 4.0;

Быть способными сбраживать гексозы, пентозы и фруктаны;

Не производить декстраны и никак не воздействовать на органические кислоты;

Обладать способность к росту при температуре до 50 °С.

Некоторые штаммы Lactobacillus plantarum обладают всеми этими свойствами, и потому этот вид был выбран для включения в биологические силосные добавки. Однако, т.к. Lactobacillus spp. медленно растут, пока рН силоса не упадет до 5.0, продукт редко состоит исключительно из них. Обычно еще добавляют Pediococcus или Streptococcus spp., т.к. эти виды активны при рН 5.0 - 6.5 и, следовательно, отражая естественный ход ферментации, кокки будут доминировать на ранних стадиях силосования, а при рН ниже 5.0 они будут подавлены гомоферментативными Lactobacillus plantarum.

Дополнительные требования к микробиологическим добавкам

Любая бактериальная силосная добавка помимо селектированных штаммов молочнокислых бактерий должна содержать достаточное число жизнеспособных бактерий, чтобы они могли доминировать в местной микрофлоре при добавлении в скошенную траву не менее 10⁵ -10⁶ бактерий на 1 г травы. Когда биологические силосные добавки и инокуляты только стали использоваться для силосования, в них было такое количество жизнеспособных бактерий, которое успешно обеспечивало силосование. Если корма содержали достаточное количество пригодных к ферментации сахаров, они силосовались без трудностей. Но с другой стороны зеленые корма (особенно выращенные в районах умеренного климата), могут иметь низкое содержание ВРУ (менее 8-20% от СВ), и биологические добавки, содержащие только молочнокислые бактерии, не всегда обеспечивают хорошую ферментацию из-за истощения допустимых сахаров прежде, чем может быть достигнуто удовлетворительное значение рН. Кроме того, наблюдалась тенденция использовать добавки, когда содержание СВ было менее 25%, и в сочетании с тем, что содержание ВРУ было также низким, эти первые инокуляты были неспособны препятствовать вторичной клостридиальной ферментации. Когда на силос закладывали смешанный фураж - райграсс и клевер или другие бобовые, например люцерну - результаты были еще хуже. Бобовые создают лучшую буферную среду, чем другие травы, за счет высокого содержания органических кислот и белка, и поэтому в присутствии бобовых для достижения необходимого рН требуется , чтобы бактерии производили больше молочной кислоты- задача почти не достижимая, если обе культуры были влажными и с низким содержанием ферментируемых сахаров.

Стало ясно, что необходим способ повышения содержания ферментируемых сахаров в самих кормах, так как , хотя растительные ферменты способны медленно производить некоторое добавочное количество ВРУ путем гидролиза гемицеллюлоз до пентоз, есть еще большой неиспользованный источник потенциально ферментируемых сахаров внутри неразрушенных растительных клеток. Количество и тип углеводов, присутствующих в травах, зависят от вида трав, погоды в период роста и способов культивации. Большая часть углеводов в траве может быть разделена на структурные углеводы, состоящие из лигнина и целлюлозы, и запасные углеводы, которые включают ферментируемые сахара (рис.3).В травах умеренного пояса волокна обычно составляют 30-40 % от СВ, основные запасные углеводы, фруктаны и гемицеллюлозы-5-7 % от СВ, истинные ферментируемые сахара -около 10 % от СВ (это глюкоза, фруктоза, сахароза).У бобовых основной запасной углевод- крахмал.[17].

В последние несколько лет появились силосные добавки второго поколения, включающие различные смеси ферментов, способные гидролизовать многие из обычно неподдающихся запасных полисахаридов до гексоз и пентоз, которые могут быть усвоены гомоферментативными молочнокислыми бактериями. Структурные углеводы остаются нетронутыми, так как лигнин и целлюлозу трудно эффективно гидролизовать при нормальных условиях, существующих в силосе. Скорость целлюлазных реакций мала , и поскольку эти ферменты требуют для эффективного гидролиза повышенной температуры и большого времени, реально они мало полезны. Однако есть много выделенных из грибов доступных гемицеллюлаз и амило-глюкозидаз, которые могут производить быстрый гидролиз гемицеллюлозных компонентов неструктурных углеводов в травах с низким содержанием СВ при температуре и рН, существующих в силосе при обычных условиях.

Поэтому в качестве биологических консервантов кормов используют микорм, амилолитические, целлюлозолитические и комплексные цитолитические ферментные препараты. Ведущее место при этом занимают неочищенные ферментные препараты грибного происхождения и микорм. Так, добавление в закладываемый силос 2% кукурузных стержней, обогащенных белково-ферментным комплексом, способствует молочнокислому брожению, значительному повышению содержания молочной кислоты и получению силоса высокого качества, а введение 0,5-1% амилоризина Пх в смесь люцерновой травы и сырого картофеля - улучшению соотношения молочной и уксусной кислот (81,6: 18,4 и 85,9:14,1%), отсутствию масляной кислоты и получению биологически ценного комбинированного силоса. Добавление в закладываемую смесь (картофель - 50%, измельченные початки кукурузы без обверток - 25%, отава люцерны - 25%) глюкаваморина Пх в количестве 5 кг/т способствует улучшению соотношения молочной и уксусной кислот (85,2:14,8%), сокращению потерь СВ в 3 раза. [2].

В связи с включением подобных ферментов в биодобавки к силосу важно отметить, что гексозы и пентозы, получающиеся в результате их деятельности, должны соответствовать ферментативным способностям молочнокислых бактерий в силосе. Тогда как С₆ -сахара используются всеми гомо- и гетероферментативными лактобациллами, пентозы могут быть использованы лишь относительно небольшим числом лактобацилл. Из травяного силоса были изолированы штаммы L.plantarum, которые могут утилизировать также и пентозы, и эти штаммы должны использоваться вместе со смесью энзимов, которые продуцируют пентозы. Продукция пентоз особенно полезна, так как оба типа утилизирующих пентозы гомо- и гетероферментативных штаммов лактобацилл выделяют уксусную и молочную кислоты без потерь СВ или энергии.

Последние из появившихся биологических добавок- те, которые содержат только ферменты. Целлюлолитические и гемицеллюлолитические ферменты, содержащиеся в этих продуктах, превращают запасные полисахариды травы в гексозы и пентозы , которые затем используются молочнокислыми бактериями, обычно присутствующими в силосе. Однако, как уже говорилось ранее, в большей части натурального силоса имеется тенденция к размножению гетероферментативных молочнокислых бактерий с последующей потерей СВ из-за образования этанола и диоксида углерода. Следовательно, превращение ВРУ в молочную кислоту с помощью чисто ферментативных добавок менее выгодно энергетически, чем если включаются гомоферментативные молочнокислые бактерии. Если ферменты, присутствующие в этих добавках, также производят пентозы, как и гексозы,С_{5 -}сахара не могут быть утилизированы из-за того , что пентозоусваивающие молочнокислые бактерии в естественных силосах встречаются относительно редко.

Следовательно, кажется целесообразным включать гемицеллюлолитические ферменты, так и гомоферментативные молочнокислые бактерии в биологические добавки к силосу, чтобы перекрыть все возможные сочетания условий силосования. Добавки, которые содержат гомоферментативные молочнокислые бактерии, только тогда будут хорошо работать, когда имеется достаточная концентрация ВРУ для поддержания их пищевых потребностей, и , тем самым, будет достигнуто низкое значение рН и стабильная ферментация. Однако в силосах с низкой концентрацией ВРУ эти бактерии израсходуют все питательные вещества задолго до того, как будет достигнуто стабильное значение рН, и, таким образом, они не будут способны ингибировать рост клостридиальных бактерий. С другой стороны, добавки, содержащие только ферменты, рассчитаны на наличие естественных, преимущественно гетероферментативных молочнокислых бактерий, способных производить достаточное количество кислоты для понижения рН.

Хотя ВРУ может быть достаточно благодаря гидролитической активности ферментов, гетероферментативные молочнокислые бактерии менее энергетически эффективны, чем гомоферментативные, что приводит к потере питательных веществ. Если фураж при закладке на силосование также содержит мало эндогенных молочнокислых бактерий, период, необходимый для того чтобы значение рН снизилось достаточно для ингибирования других микроорганизмов, может затянуться на несколько дней - время достаточное для того, чтобы вредные микроорганизмы начали влиять на процесс ферментации. Однако, добавляя гемицеллюлолитические ферменты одновременно с гомоферментативными молочнокислыми бактериями, можно преодолеть оба этих затруднения.

Пропионовые бактерии в силосовании.

Из свежих трав пропионовые бактерии не выделялись, а из силосов выделялись, но в очень небольшом количестве, поэтому их истинное участие в силосовании в природных условиях сильно нивелировано. При внесении пропионовых бактерий (ПКБ) в силосуемые растения, прежде всего с высоким содержанием сахаров (кукуруза), получили корм более высокого качества, чем в контроле (без внесения ПКБ). Он имел низкую кислотность, был обогащен витаминами В₂ и В₁₂, пропионовой кислотой и не подвергался плесневению. [5].

В результате скармливания такого силоса в течении 3 месяцев повысилась яйценоскость птиц, выводимость цыплят, сохранность молодняка животных, в крови которых увеличивается содержание каротина и снижается содержание аммиака [4]. В одном грамме бакконцентрата “Казахсил” ПКМ содержится 10⁹ жизнеспособных клеток, и в 1 тонну силосуемой массы рекомендуют вносить 1,5 г препарата. Особенно высокий эффект (см. таблицу 3) достигается при использовании одновременно трех бакконцентратов: ПКБ, АМС, ПМБ (пентозосбраживающие молочнокислые бактерии).